李永軍 沈銳 王冉 郭少婷 佟麗莉 楊高學(xué)

LI YongJun，SHEN Rui，WANG Ran，GUO ShaoTing，TONG LiLi and YANG GaoXue

長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054

Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geological Engineering，Ministry of Education，Earth Science ＆ Resources College of Chang’an University，Xi’an 710054，China

2014-01-08 收稿，2014-04-25 改回.

1 引言

富Nb 玄武巖或富Nb 玄武質(zhì)巖石是近年來(lái)巖石學(xué)家和巖石地球化學(xué)家們十分關(guān)注的一種極為獨(dú)特和少見(jiàn)的新巖石類型。最早于1993 年由Sajona 等在研究菲律賓Mindanao的Zamboanga 半島的島弧玄武巖時(shí)發(fā)現(xiàn)(Sajona et al.，1993)。隨后僅在加拿大(Hollings and Kerrich，2000;Wyman et al.，2000;Polat and Kerrich，2001;Hollings，2002;Ujike and Goodwin，2003;Ujike et al.，2007)、西澳(Smithies et al.，2005)等地見(jiàn)及，在俄羅斯東北波羅的也有報(bào)道(Shchipansky et al.，2004)?？傊@類巖石在國(guó)內(nèi)外的報(bào)道并不多。

富Nb 玄武巖主要由鈣堿性系列的玄武巖或玄武安山巖組成，其礦物與正常島弧巖石相似。Sajona et al.(1993)確認(rèn)富鈮島弧玄武巖是一類硅飽和，并富鈉的島弧玄武巖，與正常島弧玄武巖相比，它具有相對(duì)高的Nb(7 ×10-6～16 ×10-6)、TiO2(1% ～2%)和P2O5含量，以及低LILE/HFSE 和LREE/HFSE 比值，同時(shí)富集高場(chǎng)強(qiáng)元素;原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖顯示了弱的Nb、Ta 負(fù)異常(有時(shí)出現(xiàn)弱的正異常)，(La/Nb)PM比值小于2，但很少小于0.7(Sajona et al.，1993，1996)。富Nb 玄武巖的共生巖石組合極為獨(dú)特，或與埃達(dá)克巖共生，或?yàn)榘＿_(dá)克巖+富鈮玄武巖+高鎂安山巖組合(Sajona et al.，1994)。因此，它們是大洋板片俯沖作用的直接產(chǎn)物，是典型的島弧巖漿巖組合，有特定的構(gòu)造環(huán)境意義(許繼峰等，2001;張海祥等，2004，2005，2008;趙振華等，2006;王強(qiáng)等，2003，2006)。

迄今，在中國(guó)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的富Nb 島弧玄武質(zhì)巖石報(bào)道更少，除冀北太古代麻粒巖帶和其北側(cè)古元古代地層中發(fā)現(xiàn)富Nb 玄武質(zhì)巖石(王仁民等，2007)外，其他僅有的4 處均產(chǎn)于新疆，分別位于阿拉套山(王強(qiáng)等，2003)、北天山(王強(qiáng)等，2006)、阿勒泰南緣(張海祥等，2004)、西準(zhǔn)東部(王方正等，2002)等(圖1)。

西準(zhǔn)東部陸梁地區(qū)的富Nb 玄武巖(王方正等，2002)，因樣品采于石油鉆孔中，地層對(duì)比受限，原劃歸下石炭統(tǒng)包古圖組無(wú)確切證據(jù)。而我們近年在這一帶進(jìn)行多個(gè)1∶5 萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)填圖中，地表已全部精細(xì)控制了包古圖組的分布，雖發(fā)現(xiàn)了多個(gè)玄武巖及玄武安山巖夾層，但并未發(fā)現(xiàn)有富Nb玄武巖產(chǎn)出。

圖1 新疆富Nb 玄武巖分布簡(jiǎn)圖(底圖據(jù)王強(qiáng)等，2006，有改動(dòng))Fig.1 Distribution of the Nb-enriched basalts in Xinjiang (modified after Wang et al.，2006)

圖2 巴爾努克富Nb 玄武巖地質(zhì)簡(jiǎn)圖(底圖據(jù)田陟賢等，2013，有改動(dòng))Fig.2 Geological sketch of the Nb-enriched basalts in Barnuke (modified after Tian et al.，2013)

阿勒泰南緣的富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)于富蘊(yùn)縣境內(nèi)的下泥盆統(tǒng)托讓格庫(kù)都克組中(張海祥等，2004)，形成于島弧環(huán)境無(wú)異議。

北天山的延?xùn)|、土屋富Nb 玄武巖(王強(qiáng)等，2006)，伊寧地塊的阿拉套、巴侖臺(tái)-駱駝溝的富Nb 玄武巖(王強(qiáng)等，2003，2006)是否屬于島弧環(huán)境還有較大認(rèn)識(shí)分歧，夏林圻等(2009)專文指出其是富Nb 大陸玄武巖，而并非真正意義上的富Nb 島弧玄武巖。

因此，富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，對(duì)于豐富我國(guó)富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)地與層位，提供更多研究其地球化學(xué)特征的信息，揭示其分布區(qū)大地構(gòu)造環(huán)境有重要的意義和價(jià)值。新疆西準(zhǔn)巴爾努克山一帶早石炭世黑山頭組富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)，也為肯定本區(qū)這一時(shí)期位于島弧構(gòu)造環(huán)境提供了可靠依據(jù)。

2 地質(zhì)概況與巖石學(xué)特征

研究區(qū)巴爾努克山一帶位于西準(zhǔn)西部(圖1、圖2a)，歸屬于謝米斯臺(tái)火山巖帶(丁天府，1998)內(nèi)。該火山巖帶形成于古生代準(zhǔn)噶爾洋閉合時(shí)洋-陸格局演化期間(李錦軼等，2006)，發(fā)育中奧陶世-早二疊世的火山巖。前人無(wú)富Nb 島弧玄武巖的報(bào)導(dǎo)。

本文報(bào)導(dǎo)的早石炭世黑山頭組(C1h)，據(jù)其巖石組合劃分為上、下兩段(圖2b，c)。下段(C1ha)主要為火山熔巖(局部夾凝灰?guī)r)，底部為淺灰色粉砂巖與深灰色泥巖互層(圖3a)?；鹕綆r厚度＞400m，主要巖性為深灰-灰黑色玄武巖、玄武安山巖，次為安山玄武巖，個(gè)別見(jiàn)氣孔、杏仁構(gòu)造。該套火山巖在走向上還見(jiàn)有英安巖和少量流紋巖，總體顯示為一套海相鈣堿性火山巖組合;上段(C1hb)為陸源碎屑巖夾凝灰質(zhì)砂巖(圖3b)，產(chǎn)珊瑚、腕足等化石。黑山頭組與泥盆系巴爾努克組(D2be)呈斷層接觸，后者巖性主要為深灰色、灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、硅質(zhì)巖夾凝灰粉砂巖及砂質(zhì)灰?guī)r，為一套次深海相(大陸邊緣弧型)復(fù)理石沉積。二疊系庫(kù)吉爾臺(tái)組(P2k)陸相磨拉石建造呈角度不整合覆于前二疊系之上(圖2c)。

區(qū)內(nèi)從泥盆紀(jì)到晚石炭世全為海相沉積建造，黑山頭組火山巖之上覆地層為深灰色硅質(zhì)凝灰質(zhì)粉砂巖，其間的泥灰?guī)r夾層中見(jiàn)腕足化石，其下伏地層為淺灰色粉砂巖-深灰色泥巖互層，并有珊瑚、腕足化石產(chǎn)出，是典型的海相沉積組合(圖3a)，佐證該套火山巖為海相建造。

圖3 巴爾努克富Nb 玄武巖之下伏地層(a)與上覆地層照片(b)Fig.3 The photographs of underlying (a)and overlying(b)strata of the Nb-enriched basalts in Barnuke

作者等在富Nb 玄武巖下伏碎屑巖中采獲早石炭世Cladopora vermicularies，Thamnopora boloniensis，F(xiàn)amenelasma cf. sinensis 等珊瑚、腕足化石，其時(shí)代與富Nb 玄武安山巖中的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡(349Ma，田陟賢等，2013)相吻合。

采樣地黑山頭組火山巖總體以玄武巖或玄武質(zhì)巖石為主，共生有安山巖及少量英安巖。巖石多為深灰-灰黑色，個(gè)別灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)。鏡下以間隱結(jié)構(gòu)為主(圖4a，b)，少數(shù)具間粒結(jié)構(gòu)(圖4c)。玄武巖斑晶以拉長(zhǎng)石(Pl)為主，輝石(Px)次之?；|(zhì)由斜長(zhǎng)石、輝石和火山玻璃組成間隱結(jié)構(gòu)。少量玄武巖大斑晶為斜長(zhǎng)石，小斑晶由普通輝石、斜長(zhǎng)石組成，雜亂分布的長(zhǎng)條狀斜長(zhǎng)石格架中充填普通輝石和橄欖石(偶見(jiàn)并已伊丁石化)，另見(jiàn)間粒間隱結(jié)構(gòu)。拉長(zhǎng)石大多數(shù)以斑晶存在，呈板條狀，粒徑多1 ～2mm，含量20% ～30%;輝石含量2% ～5%，斑晶和基質(zhì)中均有，斑晶中多無(wú)色，短柱狀，兩組正交解理發(fā)育，多色性不明顯。

3 地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

本次在火山巖中逐層采樣22 件，剔除部分分析超差樣品和中酸性火山巖樣品，共有13 件樣品符合玄武巖或玄武質(zhì)巖石。主要分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2、表3(主量與微量元素測(cè)定在長(zhǎng)安大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分別用濕法和ICP-MS 方法，Nd、Sr 同位素組成在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院TIMS 方法)。

圖4 巴爾努克富Nb 玄武巖鏡下特征照片(a、b)-間隱結(jié)構(gòu)玄武巖;(c)-玄武巖間粒結(jié)構(gòu)Fig.4 Microphotos of the Nb-enriched basalts in Barnuke(a，b)-intersertal texture in basalt;(c)-intergranular texture in basalt

圖5 巴爾努克富Nb 玄武巖Na2O+K2O-SiO2(a，底圖據(jù)Le Maitre et al.，1989)及Zr/Ti-Nb/Y (b，底圖據(jù)Winchester and Floyd，1977)圖解Fig.5 Na2O+K2O vs. SiO2(a，after Le Maitre et al.，1989)and Zr/Ti vs. Nb/Y (b，after Winchester and Floyd，1977)diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke

表1 巴爾努克黑山頭組火山巖主量元素含量(wt%)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算表Table 1 The concentration of major elements (wt%)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

表2 巴爾努克黑山頭組火山巖微量元素含量(×10 -6)及參數(shù)計(jì)算表Table 2 The concentration of trace elements (×10 -6)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

SiO2含量為49.62% ～55.68%，平均為52.70%，屬于玄武質(zhì)巖石范圍;明顯高TiO2(1.16% ～1.99%)，全部樣品均高于島弧拉斑玄武巖(TiO2=0.80%，Wilson，1989)，但均低于洋島拉斑玄武巖(TiO2=2.63%，Wilson，1989);顯著富Na2O 而貧K2O，Na2O 為3.17% ～6.35%，平均為4.90%，Na2O/K2O 為1.19 ～26.08，2/3 樣品該比值＞4(平均8.93)。由于顯著富Na2O，Na2O + K2O 總體較高，因而里特曼指數(shù)(δ)偏大，2/3 樣品δ ＞4，故在硅堿圖中投影于堿性巖區(qū)(圖5a)。主量及微量元素相關(guān)圖解顯示這些巖石總體以玄武巖為主向玄武安山巖過(guò)渡(圖5b、圖6a，b)，綜合判別為低(中)鉀鈣堿性巖石(圖7)。Nb 含量均＞7 ×10-6(7.29 ×10-6～12.32 ×10-6，平均9.48 ×10-6)，明顯高于正常島弧玄武質(zhì)巖類。以上地球化學(xué)特征與富Nb 玄武質(zhì)巖類可比(圖8)。

表3 巴爾努克黑山頭組火山巖稀土元素含量(×10 -6)及參數(shù)計(jì)算表Table 3 The contents of rare earth elements (×10 -6)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

圖6 巴爾努克富Nb 玄武巖Ti/100-Zr-Sr/2 (a，底圖據(jù)Pearce and Cann，1973)及K2O-SiO2(b，底圖據(jù)Miller et al.，1999)圖解Fig.6 Ti/100-Zr-Sr/2 (a，after Pearce and Cann，1973)and K2O-SiO2(b，after Miller et al.，1999)diagrams of diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke

表4 及相關(guān)圖解顯示，巴爾努克玄武質(zhì)巖石富Nb，富集大離子親石元素Rb、Ba、Sr 和Zr、Sc，輕稀土明顯富集而重稀土虧損顯著，但確有基本一致的弱正Eu 異常(圖9a)，低LILE/HFSE、低LREE/HFSE 比值，在微量元素洋脊玄武巖標(biāo)準(zhǔn)化圖解中弱正Nb 異常，而Ta、Hf 僅有極微弱的負(fù)異常(圖9b)。這些地球化學(xué)特征與Sajona et al. (1993，1994，1996)提出的富Nb 玄武巖基本一致，而與正常島弧玄武巖有明顯區(qū)別，與巴爾努克地區(qū)近鄰的西準(zhǔn)東部包古圖地區(qū)早石炭世島弧玄武巖也有顯著區(qū)別(表4)。

圖7 巴爾努克富Nb 玄武巖F1-F2 和F2-F3 圖解(底圖據(jù)Pearce，1976)IAB-島弧玄武巖;OFB-大洋玄武巖;CAB-鈣堿性玄武巖;WPB-板內(nèi)玄武巖;SHO-鉀玄巖或橄欖安粗巖;LKT-島弧拉斑玄武巖Fig. 7 F1-F2-F3 diagram of the Nb-enriched basalts in Barnuke (after Pearce，1976)IAB-island arc basalt;OFB-ocean floor basalt;CAB-calc-alkaline basalt;WPB-within plate basalt; SHO-shoshonite; LKT-island arc tholeiitic

巴爾努克富Nb 玄武質(zhì)巖石強(qiáng)富Sr，全部樣品均＞400 ×10-6(618 ×10-6～1107 ×10-6)，平均為825 ×10-6，相對(duì)正Eu 異常(這兩項(xiàng)地球化學(xué)特征又極類似adakite 的Sr、Eu 的地球化學(xué)特征，但相關(guān)圖解還是可以很好與adakite 相區(qū)分)，總體仍屬經(jīng)典島弧玄武巖范疇(圖10)。

圖8 巴爾努克富Nb 玄武巖與經(jīng)典玄武巖對(duì)比圖(a，底圖據(jù)Defant et al.，1992;b，底圖據(jù)Kepezhinskas et al.，1996;轉(zhuǎn)引自王強(qiáng)等，2006)Fig.8 Comparison diagrams between typical basalts and the Nb-enriched basalts in Barbuke (a，after Defant et al.，1992;b，after Kepezhinskas et al.，1996;Wang et al.，2006)

圖9 巴爾努克富Nb 玄武巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton，1984)和洋脊玄武巖標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough，1989)Fig.9 Chondrite-normalized rare earth element patterns (a，normalization values after Boynton，1984)and mid-ocean ridge basalt normalized trace element spider diagrams (b，normalization values after Sun and McDonough，1989)for the Nb-enriched basalts in Barnuke

圖10 巴爾努克富Nb 玄武巖與adakite 巖的區(qū)別圖解(底圖據(jù)Castillo et al.，1999)Fig.10 The difference between adakite and the Nb-enriched basalts in Barnuke (after Castillo et al.，1999)

和前人報(bào)道的富Nb 玄武巖一樣，巴爾努克富Nb 玄武巖的各類圖解均顯示島弧構(gòu)造環(huán)境(圖11)。

圖11 巴爾努克富Nb 玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖(a-c，據(jù)李曙光，1993;d，e，底圖據(jù)Wood，1980;f，底圖據(jù)趙崇賀，1989)Fig.11 Tectonic discrimination diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke (a-c，after Li，1993;d，e，after Wood，1980;f，after Zhao，1989)

圖12 巴爾努克富鈮玄武巖及鄰區(qū)富鈮玄武巖的(143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i(a，底圖據(jù)Zindler and Hart，1986)及εNd(t)-(87Sr/86Sr)i(b，底圖轉(zhuǎn)引自王強(qiáng)等，2006)同位素圖解Fig.12 Plots of (143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i(a，after Zindler and Hart，1986)and εNd(t)-(87 Sr/86 Sr)i(b，after Wang et al.，2006)for the Nb-enriched basalts in Barnuke and adjacent areas

表5 是本次獲得的富鈮玄武巖Nd、Sr 同位素的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，6 個(gè)樣品的Nd、Sr 同位素變化范圍均較小，分析測(cè)試獲得87Sr/86Sr 為0.70379 ～0.70406，143Nd/144Nd 為0.5128～0.5129，計(jì)算(87Sr/86Sr)i為0.7035 ～0.7039，εNd(t)為5.49 ～7.13，在Nd-Sr 圖上的投點(diǎn)較集中(圖12a)，與西天山及阿拉套山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的富鈮玄武巖分布范圍相吻合(圖12b)。

4 結(jié)論

巴爾努克富Nb 島弧玄武巖在本區(qū)屬首次發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，與有爭(zhēng)議的中天山阿拉套、巴侖臺(tái)-駱駝溝富Nb 玄武巖(夏林圻等，2009)相比，更符合富Nb 島弧玄武巖的地球化學(xué)特征。為確認(rèn)新疆西準(zhǔn)噶爾石炭紀(jì)存在富Nb 島弧玄武巖提供了詳實(shí)的地質(zhì)地球化學(xué)資料和信息，豐富了新疆乃至我國(guó)的富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)地與層位。

富Nb 島弧玄武巖是大洋板片俯沖作用的直接產(chǎn)物(張海祥等，2005)，是指示島弧構(gòu)造環(huán)境的有力證據(jù)。因此，黑山頭組富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)，不僅肯定了巴爾努克一帶在早石炭世位于島弧構(gòu)造環(huán)境，而且為研究西準(zhǔn)噶爾地區(qū)這一時(shí)期洋殼俯沖作用和過(guò)程提供了極為重要的地球化學(xué)信息。

表4 巴爾努克火山巖與島弧玄武巖以及典型富Nb 玄武巖對(duì)比表Table 4 The comparison among volcanic rocks in Barnuke，island arc basalts and typical Nb-enriched basalts

表5 巴爾努克富鈮玄武巖的Sr、Nd 同位素?cái)?shù)據(jù)Table 5 Sr，Nd isotopic compositions of the Nb-enriched basalts in Barnuke

由于富Nb 島弧玄武巖是在俯沖帶之上，由受埃達(dá)克質(zhì)熔體交代過(guò)的地幔橄欖巖部分熔融的產(chǎn)物(Sajona et al.，1993，1996;張海祥等，2005)，這一特殊的成因機(jī)制，為研究西準(zhǔn)噶爾地區(qū)洋殼俯沖作用過(guò)程中的巖漿活動(dòng)特征，以及與俯沖作用有關(guān)的流體和熔體的性質(zhì)，反演俯沖帶的巖漿活動(dòng)和構(gòu)造演化歷史提供了重要信息。

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