鄭榮國, 王云佩, 張昭昱, 張　文 孟慶鵬, 吳泰然*(.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)研究所, 北京 0007; 2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 新疆礦產(chǎn)資源研究中心, 新疆 烏魯木齊 800; .北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院, 造山帶和地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京0087; .吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局60隊, 吉林 樺甸 200)

北山南帶音凹峽地區(qū)酸性火山巖年代學(xué)、地球化學(xué)研究: 二疊紀(jì)裂谷巖漿作用的新證據(jù)

鄭榮國1,2,3, 王云佩4, 張昭昱3, 張文1, 孟慶鵬3, 吳泰然3*
(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)研究所, 北京 100037; 2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 新疆礦產(chǎn)資源研究中心, 新疆 烏魯木齊 830011; 3.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院, 造山帶和地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100871; 4.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局604隊, 吉林 樺甸 132400)

北山造山帶位于中亞造山帶南緣中段地區(qū), 是中亞造山帶、塔里木克拉通和華北克拉通的構(gòu)造結(jié)合部。年代學(xué)資料表明北山南帶晚古生代存在一期重要的巖漿活動, 所形成的巖石類型包括了鎂鐵?超鎂鐵質(zhì)雜巖、花崗巖類以及酸性火山巖。音凹峽地區(qū)位于北山南帶, 該地區(qū)廣泛分布著厚度巨大的二疊系。這套地層主要是由酸性火山巖及火山碎屑巖組成, 流紋巖的鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡為273±1 Ma, 為早二疊世。針對音凹峽地區(qū)酸性火山巖的地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),其具有高 SiO2、K2O+Na2O、Al2O3含量、低 Fe2O3T、MgO、P2O5含量; 富集輕稀土元素, 重稀土元素?zé)o分異, 具有明顯的Eu負(fù)異常; 微量元素方面, 酸性火山巖富集Cs、Rb、Th、U、Zr和Hf等元素, 而相對虧損Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti等元素。酸性火山巖的鋯石εHf(t)值為?6.0～3.9, 具有較老的Hf同位素模式年齡, tDM2=1046～1669 Ma。音凹峽酸性火山巖的地球化學(xué)證據(jù)表明這套火山巖系可能由中?新元古代殼源巖石部分熔融形成, 并與幔源巖漿進(jìn)行了不同程度的混合,之后發(fā)生了分離結(jié)晶作用。綜合音凹峽地區(qū)同時代鎂鐵質(zhì)巖石、花崗巖類的研究成果, 以及該地區(qū)二疊系沉積建造及火山巖特征分析可知, 北山南帶在早二疊世應(yīng)處于大陸裂谷的構(gòu)造背景。

北山; LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡; 酸性火山巖; 大陸裂谷

0　引　言

中亞造山帶(CAOB)是世界上著名的增生型造山帶, 以強(qiáng)烈殼幔相互作用以及大規(guī)模陸殼增生為顯著特征(Seng?r et al., 1993; Jahn et al., 2000; Kovalenko et al., 2004; Windley et al., 2007; 李錦軼等, 2013)。已有研究表明, 中亞造山帶是通過一系列的前寒武紀(jì)微陸塊、蛇綠混雜巖帶、島弧、陸緣弧、增生雜巖、洋島以及被動大陸邊緣沉積物聚合而成,記錄了古亞洲洋長達(dá)數(shù)億年的演化歷史, 反映出復(fù)雜的俯沖增生過程(Windley et al., 2007; Xiao et al., 2009, 2013; Han et al., 2011), 顯生宙以來, 年輕的虧損地幔物質(zhì)的加入也使得中亞造山帶在垂向上發(fā)生了大規(guī)模的陸殼生長(Jahn et al., 2004)。

北山造山帶位于中亞造山帶南緣中段地區(qū), 向西與天山造山帶相連, 被認(rèn)為是天山造山帶向東的延伸(圖 1a, 左國朝和何國琦, 1990; Xiao et al., 2010)。近年來, 關(guān)于北山造山帶的造山作用機(jī)制取得了一些新認(rèn)識(Xiao et al., 2010; Su et al., 2011b; Li et al., 2013; Song et al., 2013; 賀振宇等, 2014),特別是針對北山南帶的晚古生代巖漿活動的研究,積累了很多新的年代學(xué)、地球化學(xué)資料, 學(xué)者們提出了很多新的觀點(diǎn): 有的學(xué)者認(rèn)為北山南帶西段坡北地區(qū)紅石山等鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)雜巖具有阿拉斯加型雜巖的地球化學(xué)特征, 形成于古亞洲洋的俯沖過程, 代表著北山地區(qū)晚古生代(281 Ma)的島弧環(huán)境(Xiao et al., 2004; Ao et al., 2010); Mao et al. (2012)將北山裂谷帶中部的柳園地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石解釋為弧前蛇綠巖的組分, 形成于俯沖環(huán)境, 輝長巖 LAICP-MS鋯石U-Pb 年齡為286±2 Ma, 以此說明北山地區(qū)的古亞洲洋在早二疊世仍然存在(Mao et al., 2012); 另一部分學(xué)者則認(rèn)為北山以及東天山地區(qū)晚古生代的鎂鐵質(zhì)巖石、長英質(zhì)火山巖是陸內(nèi)巖漿作用的產(chǎn)物, 并認(rèn)為其成因與二疊紀(jì)的地幔柱巖漿活動有關(guān)(Zhou et al., 2004; Qin et al., 2011; Su et al., 2011a, 2012a)。還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為北山地區(qū)的鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)巖石和花崗巖類的成因與陸內(nèi)伸展環(huán)境下(如后碰撞、裂谷等環(huán)境)巖石圈拆沉和軟流圈地幔上涌所引起的巖漿活動有關(guān)(Zhang et al., 2011; Li et al., 2013; Zheng et al., 2014)。

圖1　中亞造山帶(a, 據(jù)?eng?r et al., 1993; Jahn et al., 2000)、北山南帶及其鄰區(qū)(b, 修改自王洪亮等, 2007)、北山南帶音凹峽地區(qū)地質(zhì)簡圖(c), 以及音凹峽地區(qū)二疊紀(jì)地層柱狀圖(d)Fig.1　Geological sketch map of the Central Asian Orogenic Belt (a), the Southern Beishan (b), the Yinwaxia area and its adjacent region (c), and the Permian stratigraphic column in the Yinwaxia area (d)

巖漿巖類年代學(xué)統(tǒng)計結(jié)果表明石炭紀(jì)末–二疊紀(jì)是北山南帶巖漿活動的重要時期(Qin et al., 2011; Zheng et al., 2014), 以出現(xiàn)大量花崗巖類、鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)巖石和酸性火山巖為特征。已有學(xué)者針對花崗巖類和鎂鐵質(zhì)巖石進(jìn)行了研究, 而對酸性火山巖的研究則較少, 但該地區(qū)同時代火山巖的形成機(jī)制對于認(rèn)識北山南帶晚古生代的構(gòu)造演化同樣具有重要的意義。本文選擇了音凹峽地區(qū)二疊系中的酸性火山巖進(jìn)行了年代學(xué)和地球化學(xué)研究, 并結(jié)合前人同時代鎂鐵質(zhì)巖石和花崗巖類的研究成果, 綜合討論北山南帶晚古生代的構(gòu)造背景以及演化過程。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

北山地區(qū)自北向南分布有三條近東西向蛇綠巖帶, 分別為: 紅石山蛇綠巖帶, 石板井–小黃山蛇綠巖帶以及紅柳河–牛圈子–月牙山蛇綠巖帶。以石板井–小黃山蛇綠巖帶和紅柳河–牛圈子–月牙山蛇綠巖帶為界, 北山地區(qū)自北向南大致可以分為三個構(gòu)造帶, 依次為北山北帶, 北山中帶以及北山南帶。北山南帶位于牛圈子–月牙山蛇綠巖帶以南的區(qū)域,其南部地區(qū)被中–新生界所覆蓋(圖1b)。北山南帶自北向南可分為三個構(gòu)造單元, 分別為馬鬃山地塊、柳園–音凹峽構(gòu)造帶和石板山地塊。馬鬃山地塊的前寒武紀(jì)結(jié)晶基底主要由中–新元古界前長城系敦煌群花崗–變質(zhì)巖、長城系陸源碎屑巖和變質(zhì)火山巖夾碳酸鹽巖、薊縣系和青白口系硅鎂質(zhì)碳酸鹽巖和陸源碎屑巖構(gòu)成, 并且在該前寒武系中東西向線狀分布著一系列的古冰成巖(左國朝和何國琦, 1990)。柳園–音凹峽構(gòu)造帶主要是由元古宇–上古生界、花崗巖類及鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)雜巖組成。其中, 石炭系–二疊系分布最為廣泛, 該套地層主要是由中酸性火山熔巖、火山碎屑巖和碎屑巖等組成。其中, 火山巖表現(xiàn)出雙峰式的特征(Su et al., 2011b)。該帶的鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)雜巖及相伴生的火山巖的年齡分布在286～ 260 Ma(Qin et al., 2011; Su et al., 2011a; Zhang et al., 2011), 而花崗巖類研究則表明其主要形成于晚古生代(張文等, 2010, 2011; 馮繼承等, 2012)。該帶以南的區(qū)域?yàn)槭迳降貕K, 該地塊通常被認(rèn)為是敦煌地塊延伸至北山造山帶的一部分(左國朝和何國琦, 1990), 是敦煌地塊古生代的活動大陸邊緣(Xiao et al., 2010), 也有研究認(rèn)為石板山地塊的基底為古元古代晚期–中元古代, 而敦煌地塊的基底為太古宇–古元古界, 兩者明顯不同, 石板山地塊應(yīng)為一單獨(dú)的微陸塊(姜洪穎等, 2013; He et al., 2014; 賀振宇等, 2014)。

音凹峽地區(qū)位于柳園–音凹峽構(gòu)造帶的東段,該地區(qū)廣泛分布有二疊系(圖 1c), 該地區(qū)二疊系可分為三個巖組, 下巖組是一套火山碎屑巖建造, 巖石類型以中酸性、酸性火山角礫巖、集塊巖、角礫熔巖、熔巖為主, 夾凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖, 局部有灰?guī)r沉積, 沉積特征表現(xiàn)出海陸交互的特點(diǎn)。中巖組則以酸性火山熔巖為主, 夾火山碎屑沉積巖、沉積巖, 巖石類型主要為流紋巖(流紋斑巖)、流紋英安巖,部分英安巖及中酸性凝灰?guī)r、角礫熔巖、凝灰質(zhì)砂巖。上巖組則是一套火山碎屑巖–碎屑巖建造, 表現(xiàn)為凝灰質(zhì)砂礫巖、砂巖、流紋英安質(zhì)凝灰?guī)r成韻律出現(xiàn), 反映火山活動至該階段已近尾聲, 活動強(qiáng)度大大減弱。另外, 該二疊系的碎屑巖和灰?guī)r層中有陸生植物與陸源物質(zhì)的出現(xiàn)。本次研究的酸性火山巖樣品主要為流紋巖, 野外呈現(xiàn)紅褐色、灰褐色, 流紋構(gòu)造不明顯(圖2a, b), 鏡下表現(xiàn)為斑狀構(gòu)造, 斑晶為堿性長石、石英, 基質(zhì)主要為隱晶質(zhì), 巖石還含有少量的白云母、磷灰石和鈦鐵礦等(圖2c, d), 鏡下可見石英斑晶呈現(xiàn)出定向排列的“書斜結(jié)構(gòu)”。

2　分析方法

2.1年代學(xué)

定年樣品為流紋巖樣品(FS-7)。鋯石的透、反射光和陰極發(fā)光(CL)圖像均在北京大學(xué)造山帶與地殼演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室完成,以確定適合分析的鋯石顆粒和激光剝蝕位置。樣品年代學(xué)測試采用 LA-ICP-MS 測試方法, 在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。激光剝蝕使用的是德國相干公司(Coherent)準(zhǔn)分子激光器COMPex Pro102, 質(zhì)譜分析采用美國安捷倫科技有限公司電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 Agilent ICP-MS 7500c。數(shù)據(jù)處理采用 GLITTER 軟件計算(van Achterbergh et al., 2001), 普通Pb校正使用Andersen (2002)方法。年齡計算和諧和線圖繪制使用 Isoplot (ver 3.0; Ludwig, 2003)。

2.2全巖地球化學(xué)

全巖主、微量元素測試在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素測試采用X射線熒光光譜儀(XRF), 分析誤差<5%。微量元素測試采用Finnigan MAT Element2 ICP-MS 儀器的型號是, 分析誤差<10%。

圖2　音凹峽地區(qū)二疊紀(jì)酸性火山巖野外及鏡下照片(礦物名稱縮寫: Mc. 微斜長石; Q. 石英; Ms. 白云母)Fig.2　Photos of outcrops of the Permian volcanic rocks (a) and rhyolites (b), and micrographic photos of the rhyolites (c, d) in the Yinwaxia area

2.3鋯石Hf同位素

測年樣品的鋯石原位 Hf同位素分析在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測試儀器為配有Newwave UP213 nm激光剝蝕系統(tǒng)的Neptune多接受電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC-ICP-MS)。測試過程采用He氣作為剝蝕物質(zhì)載氣, 激光剝蝕的斑束大小為40 μm,頻率為10 Hz。以國際通用鋯石標(biāo)準(zhǔn)GJ-1為參考物質(zhì)。測試位置與U-Pb定年為同一位置。儀器相關(guān)參數(shù)及詳細(xì)分析流程見侯可軍(2007)。

3　分析結(jié)果

3.1鋯石U-Pb年代學(xué)

樣品(FS-7)中挑出的鋯石多數(shù)表現(xiàn)為長柱狀、自形, CL圖像具明顯的振蕩環(huán)帶(圖3a)。大部分鋯石核部和環(huán)帶處的206Pb/238U年齡基本一致, 少數(shù)鋯石具有繼承核。本次測試共分析30個測點(diǎn)(表1), 所分析鋯石的U(121～549 μg/g)和Th(58～400 μg/g)含量變化較大, 并具有較高的 Th/U比值(0.38～0.91), 表明鋯石為巖漿成因(Belousova et al., 2002; 吳元保和鄭永飛, 2004)。其中有5個測試點(diǎn)得到較老的206Pb/238U年齡, 應(yīng)為繼承鋯石, 包括一個元古代的206Pb/238U年齡(949 Ma), 其他25個分析點(diǎn)的206Pb/238U 年齡集中在268～278 Ma, 加權(quán)平均年齡為273±1 Ma (MSWD= 0.59, n=25)(圖3b, c, d), 表明酸性巖于二疊紀(jì)噴出。

3.2地球化學(xué)特征

3.2.1主量元素

酸性火山巖全巖地球化學(xué)組成見表 2。二疊紀(jì)酸性火山巖普遍表現(xiàn)為高硅, SiO2含量為 66.96%～ 78.22%, 在Nb/Y-Zr/TiO2圖解(圖4a)中, 樣品分布在英安巖–流紋巖范圍內(nèi), 樣品的堿含量相對較高, Na2O+K2O=4.72%～8.57%, Al2O3含量為 11.12%～ 13.89%, CaO含量為 0.38%～4.42%, MgO含量為0.02%～2.10%, Fe2O3T含量為1.17%～4.61%, TiO2含量為 0.13%～0.57%, P2O5含量為 0.01%～0.09%。在SiO2-K2O圖解(圖4b)中, 則表現(xiàn)為鈣堿性?高鉀鈣堿性的特征, 在SiO2-(Na2O+K2O?CaO)圖解(圖4c)中, 酸性火山巖在鈣性–堿鈣性范圍內(nèi)都有分布,在A/CNK-A/NK圖(圖4d)中, 樣品在準(zhǔn)鋁質(zhì)–過鋁質(zhì)范圍內(nèi)都有分布。在主量元素哈克圖解(圖5)中,酸性火山巖的MgO、Al2O3、CaO、Fe2O3T、TiO2、P2O5含量與 SiO2含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而 K2O、Na2O含量則變化范圍較大。哈克圖解表明酸性火山巖的主量元素含量和協(xié)變特征都與音凹峽地區(qū)同時代的花崗巖類相似, 而明顯區(qū)別同時代的鎂鐵質(zhì)巖石。

表1　音凹峽地區(qū)酸性火山巖(FS-7)鋯石LA-ICP-MS U-Pb年代學(xué)測試結(jié)果Table 1　LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the acidic volcanic rocks (FS-7) in the Yinwaxia area

3.2.2微量和稀土元素

酸性火山巖的稀土元素總量較高ΣREE=113.05～ 228.21 μg/g, 相對富集輕稀土元素, (La/Sm)N=2.10～ 5.68, 輕、重稀土元素分餾明顯, (La/Yb)N= 2.27～ 10.38, 重稀土元素內(nèi)部分餾不顯著, 除樣品 FS-20和FS-25外, 其余樣品都具有明顯的 Eu負(fù)異常(δEu= 0.13～0.83), 表明巖漿演化過程存在斜長石的分離結(jié)晶, 或者巖漿源區(qū)殘留斜長石。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分模式圖(圖 6a)中, 酸性火山巖的稀土配分模式與典型A型花崗巖類似。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6b)中, 酸性火山巖富集Cs、Rb、Th、U、Zr和Hf等元素, 而相對虧損Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti等。通過對比(圖6d, f, h)發(fā)現(xiàn), 火山巖的微量元素特征整體上與大陸地殼及該地區(qū)同時代花崗巖類類似。

圖3　音凹峽地區(qū)二疊紀(jì)酸性火山巖鋯石CL圖像(a)和U-Pb年齡諧和圖Fig.3　CL images (a) and U-Pb concordia diagrams (b, c, d) of zircon grains from rhyolites in the Yinwaxia area

表2　音凹峽地區(qū)酸性火山巖主量元素(%)和稀土、微量元素(μg/g)分析結(jié)果Table 2　Major (%) and trace element (μg/g) compositions of the acidic volcanic rocks in the Yinwaxia area

續(xù)表2:

3.2.3鋯石Hf同位素特征

選擇15顆進(jìn)行U-Pb定年的鋯石，在原來的測試位置進(jìn)行 Hf同位素分析, 根據(jù)每顆鋯石的206Pb/238U年齡進(jìn)行 Hf同位素校正計算, 結(jié)果見表3。所測試樣品的15個鋯石具有低的176Lu/177Hf 值,為 0.000992～0.002257(表 3), 大部分低于 0.002, 表明鋯石在形成后具有極低量的放射性成因 Hf 積累,可以用初始176Hf/177Hf比值代表鋯石形成時的比值(吳福元等, 2007)。鋯石的(176Hf/177Hf)i值為0.282434～ 0.282711, εHf(t)值為–6.0～3.9, 表現(xiàn)出既有富集又有虧損的特征, 表明酸性火山巖形成過程中有幔源物質(zhì)的加入。Hf同位素的虧損地幔模式年齡 tDM為773～1155 Ma, 二階段虧損模式年齡 tDM2為 1046～ 1669 Ma。

4　討　論

4.1北山南帶二疊紀(jì)巖漿活動

音凹峽地區(qū)酸性火山巖的 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分析表明其于早二疊世噴出。年代學(xué)資料表明北山南帶二疊紀(jì)存在一期重要的巖漿事件, 該期巖漿活動的范圍遍布整個北山南帶, 向西延伸至塔里木盆地東北緣的坡北地區(qū)(Qin et al., 2011; Su et al., 2011b, 2012b), 中部的柳園地區(qū)(Zhang et al., 2011; Li et al., 2013)(圖1b)。該期巖漿活動所形成的巖石類型包含了鎂鐵?超鎂鐵質(zhì)雜巖、花崗巖類以及酸性火山巖。已有研究針對北山裂谷帶、東天山以及塔里木盆地二疊紀(jì)鎂鐵質(zhì)巖墻及玄武巖類的年代學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計, 發(fā)現(xiàn)該期巖漿活動的峰值在280 Ma左右(Qin et al., 2011), 也有學(xué)者總結(jié)了塔里木盆地及鄰區(qū)的18件鎂鐵質(zhì)巖石和21件花崗質(zhì)巖石的年代學(xué)資料, 發(fā)現(xiàn)這些巖石的年齡分布在260～320 Ma 之間, 其峰值年齡為275 Ma(Zhang et al., 2008)。我們統(tǒng)計了北山南帶巖漿巖的單顆粒鋯石206Pb/238U 年齡, 結(jié)果顯示北山南帶二疊紀(jì)存在一期重要巖漿事件, 年齡峰值為 282 Ma(圖 8, Zheng et al., 2014)。這些年代學(xué)證據(jù)都表明在北山南帶280 Ma左右的時候存在一期重要的巖漿活動事件, 這期巖漿活動的范圍可能延伸到塔里木盆地、東天山等地區(qū)。

圖4　音凹峽酸性巖漿巖Zr/TiO2-Nb/Y分類圖(a, 據(jù)Winchester and Floyd, 1977); K2O-SiO2圖解(b, 據(jù)Peccerillo and Taylop, 1976); (Na2O+K2O?CaO)-SiO2圖解(c, 據(jù)Frost et al., 2001); A/NK-A/CNK圖解(d, 據(jù)Maniar and Piccoli, 1989)Fig.4　Zr/TiO2vs. Nb/Y (a), K2O vs. SiO2(b), Na2O+K2O?CaO vs. SiO2(c), and A/NK vs. A/CNK (d) diagrams for the acidic volcanic rocks in the Yinwaxia area

4.2巖石成因

在音凹峽酸性火山巖主量元素哈克圖解(圖 5)中, 隨著SiO2含量增加, Al2O3、MgO、P2O5、CaO、TiO2、Fe2O3T含量降低, 而Na2O、K2O 含量增高, 在微量元素蛛網(wǎng)圖中酸性火山巖表現(xiàn)出 Ba、Sr、P、Eu、Ti 等元素的負(fù)異常(圖6), 表明了酸性火山巖母巖漿經(jīng)歷了斜長石、角閃石、磷灰石、鈦鐵礦等分離結(jié)晶作用。SiO2和 P2O5呈負(fù)相相關(guān)及 P 的虧損暗示酸性火山巖存在磷灰石分離結(jié)晶作用。Ti 在巖漿巖中易形成獨(dú)立礦物相, 酸性火山巖中 Ti 弱虧損可能主要受控于鈦鐵氧化物類的輕度分離結(jié)晶。

圖5　音凹峽地區(qū)巖漿巖主量元素哈克圖解(花崗巖類數(shù)據(jù)引自張文等, 2010, 2011; 馮繼承等, 2012; 基性巖類數(shù)據(jù)引自Zheng et al., 2014)Fig.5　Harker diagrams of the volcanic rocks in the Yinwaxia area

圖6　音凹峽地區(qū)巖漿巖類稀土元素配分模式圖(a, c, e, g)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b, d, f, h)Fig.6　Chondrite-normalized rare earth element patterns (a, c, e, g), and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b, d, f, h) of the volcanic rocks in the Yinwaxia area

表3　音凹峽酸性火山巖鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果Table 3　Lu-Hf isotope compositions of zircon grains from the acidic volcanic rocks in the Yinwaxia area

目前認(rèn)為酸性巖成因主要有兩種模式: 一種是中基性巖漿的分離結(jié)晶, 通?；阅笌r漿經(jīng)過 90%的分離結(jié)晶作用才可以產(chǎn)生一定量的酸性巖漿(Wilson, 1993), 常用來解釋規(guī)模較小的酸性巖漿成因(Shinjo and Kato, 2000); 另一種是玄武質(zhì)巖漿底侵導(dǎo)致地殼巖石部分熔融, 以中酸性巖為主的分布面積廣的酸性巖一般認(rèn)為與地殼熔融有關(guān)(Bryan et al., 2002; Yamamoto, 2007)。音凹峽酸性火山巖具有低的 Sr/Y比值(0.33～6.90), 較高 Y含量(21.3～64.4 μg/g), 結(jié)合明顯的負(fù)Eu、Sr異常, 暗示了該酸性火山巖應(yīng)來源于斜長石相對穩(wěn)定的源區(qū)(Defant and Drummond, 1990), 或者母巖漿演化過程中斜長石發(fā)生了分離結(jié)晶作用。繼承鋯石的出現(xiàn), 低的 Sm/Nd比值(0.17～0.23), Ba虧損等特征則暗示了該酸性火山巖可能是下地殼巖石熔融的產(chǎn)物(Jiang et al., 2009)。音凹峽酸性火山巖的 Nb/Ta比值變化較大(7.77～20.55), 較高的值接近同時期鎂鐵質(zhì)巖石的Nb/Ta值(13.64～25.67), 在下地殼Nb/Ta平均值(8.3, Rudnick and Gao, 2003)和幔源巖漿平均值(17.5, Green, 1995)之間, 暗示了其源區(qū)同時具有殼源和幔源物質(zhì)。音凹峽酸性火山巖樣品的 Mg#較低(0.03～ 0.47), 明顯低于幔源熔體(＞0.4, Rapp and Watson, 1995), 這表明了音凹峽酸性火山巖的源區(qū)以殼源物質(zhì)為主, 然而鋯石 Hf同位素組成具有虧損的特征(εHf(t)=–6.0～3.9), 表明其源區(qū)同時具有古老殼源物質(zhì)和幔源物質(zhì)或者新生殼源物質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)北山南帶存在中–新元古代地質(zhì)體:姜洪穎等(2013)發(fā)現(xiàn)北山南帶石板山地塊中的斜長角閃巖和片麻巖類都具有880 Ma左右的結(jié)晶年齡,侵入其中的長英質(zhì)巖脈的時代為290 Ma左右; 柳園地區(qū)新元古代花崗巖類的形成時代為 902±5 Ma(葉曉峰等, 2013), 花牛山地區(qū)的玄武巖類時代為1071±5 Ma(楊建國等, 2010)。音凹峽酸性火山巖的Hf同位素二階段模式年齡為1046～1669 Ma, 而且年代學(xué)測試結(jié)果中存在元古代(949 Ma)的繼承鋯石。這些特征均表明北山南帶地區(qū)存在中–新元古代的源區(qū)。值得注意的是, 音凹峽酸性火山巖與北山南帶二疊紀(jì)花崗巖在地球化學(xué)特征方面表現(xiàn)出高度的相似性, 而與同時代的鎂鐵質(zhì)巖類明顯不同(圖 5, 6)。而且, 二疊紀(jì)酸性火山巖在北山南帶廣泛分布, 不管面積還是厚度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同時代的基性巖類, 而缺乏大面積分布的中性巖類。這些現(xiàn)象間接證明了音凹峽酸性火山巖不可能是由基性巖漿分離結(jié)晶形成的。因此, 筆者認(rèn)為北山南帶二疊紀(jì)的酸性火山巖更可能是基性巖漿底侵提供熱, 導(dǎo)致中–新元古代殼源巖石部分熔融, 同時基性巖漿不同程度的與酸性巖漿混合, 隨之發(fā)生分離結(jié)晶作用形成的。

4.3北山南帶二疊紀(jì)構(gòu)造環(huán)境

關(guān)于北山南帶二疊紀(jì)的構(gòu)造環(huán)境, 存在著不同的認(rèn)識。由于音凹峽至柳園地區(qū)二疊紀(jì)鎂鐵質(zhì)巖石、花崗巖類的研究都取得了大量的成果, 本次研究將結(jié)合音凹峽酸性火山巖的成果, 總結(jié)歸納北山南帶古生代以來的巖漿活動期次及其特征, 并進(jìn)一步探討北山南帶二疊紀(jì)的構(gòu)造背景。

音凹峽鎂鐵質(zhì)巖石的微量元素特征區(qū)別于典型的俯沖帶玄武巖, 而與東非裂谷帶中玄武巖類更為類似(圖6)。通過巖石地球化學(xué)組成和礦物學(xué)研究發(fā)現(xiàn), 音凹峽鎂鐵質(zhì)巖石表現(xiàn)出板內(nèi)裂谷環(huán)境的特征(Zheng et al., 2014)。地區(qū)出露有大量二疊紀(jì)花崗巖類, 以音凹峽南花崗巖和西澗泉子花崗巖為代表。其中, 音凹峽南花崗巖體形成時代(282±2 Ma), 與該地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石的時代相近, 地球化學(xué)特征表現(xiàn)為高硅、準(zhǔn)鋁質(zhì)–過鋁質(zhì)、中鉀鈣堿性特征, 同時具有正的 εHf(t)值(4.4～7.8), 表明幔源物質(zhì)在其形成過程中起了重要作用, 應(yīng)形成于早二疊世陸內(nèi)伸展環(huán)境中(張文等, 2011)。位于音凹峽地區(qū)以南的西澗泉子花崗巖體的形成時代稍晚(266±2 Ma), 表現(xiàn)出類似A型花崗巖的地球化學(xué)特征, 具有正的εHf(t)值(1.3～4.7), 表明該花崗體同樣為殼?；旌铣梢? 形成于裂谷環(huán)境(張文等, 2010)。音凹峽地區(qū)花崗巖類的研究表明, 音凹峽地區(qū)在二疊紀(jì)期間處于板塊拉張環(huán)境, 強(qiáng)烈的殼幔相互作用形成了具有正 εHf(t)值的花崗巖類, 與中亞造山帶廣泛分布的形成于后碰撞環(huán)境的晚古生代正 εHf(t)值花崗巖類特征相似(Han et al., 1997; Wu et al., 2000, 2002; Chen and Jahn, 2004; Jahn et al., 2004)。

北山南帶廣泛發(fā)育二疊系, 包括下二疊統(tǒng)雙堡塘組、金塔組和上二疊統(tǒng)方山口組, 雙堡塘組以碎屑巖為主, 包括含礫砂巖、砂巖、含礫灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r等, 金塔組的分布面積和厚度均較小, 主要是由基性火山巖類組成。上二疊統(tǒng)方山口組在該區(qū)分布最廣、厚度最大, 北東東向延伸數(shù)百公里, 主要由噴發(fā)–爆發(fā)相的酸性火山熔巖、角礫巖及火山碎屑巖組成, 巖性包括流紋巖、英安巖及同質(zhì)火山碎屑巖, 底部則出現(xiàn)少量的安山玄武巖和杏仁狀玄武巖等。同時該套地層還出現(xiàn)陸生植物與陸源物質(zhì)以及碎屑灰?guī)r、灰?guī)r夾層。因此, 北山南帶的二疊系表現(xiàn)出碎屑巖–火山巖–火山碎屑巖的組合特征, 并且以酸性火山巖為主, 是一套陸相火山沉積建造。音凹峽二疊紀(jì)酸性火山巖的地球化學(xué)特征與同時代的花崗巖類高度相似, 暗示兩者的形成機(jī)制具有相似性。在花崗巖類的構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖7)中, 音凹峽酸性火山巖與北山南帶二疊紀(jì)花崗巖類同樣表現(xiàn)出相似的特征, 都位于后碰撞的環(huán)境中。

考慮到研究區(qū)二疊系幾乎沒有中性巖類, 因此,二疊紀(jì)火山巖地球化學(xué)組成表現(xiàn)出雙峰式特征。故音凹峽地區(qū)地層巖石組合及相應(yīng)火山巖地球化學(xué)特征表明, 該地區(qū)二疊紀(jì)為陸內(nèi)伸展環(huán)境。綜合音凹峽鎂鐵質(zhì)巖石、同時代花崗巖類地球化學(xué)特征以及該地區(qū)二疊系沉積建造和火山巖特征可知, 音凹峽酸性火山巖應(yīng)形成于大陸板內(nèi)裂谷環(huán)境。

4.4北山南帶古生代構(gòu)造演化

北山南帶是北山造山帶的重要組成部分, 其南側(cè)與敦煌地塊、塔里木克拉通相鄰, 是中亞造山帶中段最南緣的地區(qū)之一, 其古生代的構(gòu)造演化過程對于認(rèn)識古亞洲洋的演化、古生代期間的殼幔相互作用等方面都具有重要意義。本次研究總結(jié)歸納北山南帶已有的年代學(xué)數(shù)據(jù), 在處理已發(fā)表的年代學(xué)數(shù)據(jù)時, 選擇使用北山南帶古生代的鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)。為了更精確的歸納北山南帶地區(qū)巖漿活動的期次, 本次研究不采用加權(quán)平均年齡, 而是排除不諧和年齡及誤差較大的年齡后, 采用具體的測點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)鋯石的206Pb/238U年齡,總結(jié)出了北山南帶的年代學(xué)概率圖(圖8), 從圖中可以看出北山南帶的巖漿活動分為四個期次, 年齡峰值分別為534 Ma, 450 Ma, 415 Ma和282 Ma。

圖7　北山南帶晚古生代酸性巖漿巖Rb-(Nb+Y)圖解(據(jù)Pearce, 1996)Fig.7　Rb vs. (Nb+Y) diagram of Late Paleozoic acidic volcanic rocks in the southern Beishan

圖8　北山南帶巖漿鋯石206Pb/238U年齡頻率圖譜Fig.8　Relative probability plots of zircon206Pb/238U ages from magmatic and metamorphic rocks in the Beishan rift and its adjacent area

已有的年代學(xué)資料表明, 北山地區(qū)最早的蛇綠巖為紅柳河–牛圈子–月牙山蛇綠巖帶, 該蛇綠巖帶西段的紅柳河蛇綠巖中的堆晶輝長巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡為516±7 Ma(張元元和郭召杰, 2008), 東段月牙山蛇綠巖中斜長花崗巖 SHRIMP鋯石 U-Pb年齡為533±2 Ma(Ao et al., 2012)和536±7 Ma(侯青葉等, 2012), 在年齡頻率圖中, 蛇綠巖帶的鋯石年齡形成了534 Ma的年齡峰值, 地球化學(xué)研究表明該蛇綠巖帶為SSZ型(周國慶等, 2000; Ao et al., 2012;鄭榮國等, 2012)。因此, 北山地區(qū)的大洋在前寒武紀(jì)已經(jīng)形成, 北山地區(qū)的微陸塊散布在大洋中, 隨后發(fā)生洋殼的俯沖事件, 在533～516 Ma期間已經(jīng)形成SSZ型蛇綠巖。

馬鬃山地塊與石板山地塊之間大洋的俯沖活動在早古生代期間一直持續(xù), 俯沖過程形成了若干巖漿巖類, 這些巖漿巖類年齡峰值為450 Ma(圖8)。早古生代, 北山南帶的大洋俯沖活動形成了柳園地區(qū)的富Nb玄武巖和閃長巖類(440～450 Ma, Mao et al., 2012)。另外, 在古堡泉–柳園地區(qū)出露有一條榴輝巖帶(劉曉春等, 2002), 其中, 古堡泉榴輝巖的變質(zhì)年齡為465 Ma左右(Liu et al., 2011), 表明在該地區(qū)古洋殼的俯沖深度在 465 Ma左右時已達(dá)到榴輝巖相(Qu et al., 2011)。另外, 在敦煌地塊內(nèi)部也有早古生代高壓麻粒巖相變質(zhì)作用的報道(He et al., 2014)。

北山南帶發(fā)育有一系列志留紀(jì)–泥盆紀(jì)的后碰撞花崗巖類, 這些花崗巖類的年齡在年代學(xué)頻率圖中形成了415 Ma的峰值年齡(圖8)。代表性巖體有雙峰山A型花崗巖(415±3 Ma), 輝銅山鉀長花崗巖(397±3 Ma), 以及柳園地區(qū)的花崗巖類(397～436 Ma),這些巖體被認(rèn)為形成于造山后環(huán)境或者同造山晚期階段(趙澤輝等, 2007; 李舢等, 2009, 2011)。另外,侵入到紅柳河蛇綠巖中未變形的花崗巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡為405±5 Ma, 表明北山南帶的大洋在此前已經(jīng)關(guān)閉(張元元和郭召杰, 2008)。而相關(guān)構(gòu)造–沉積建造特征也反映了該區(qū)早古生代末的碰撞造山事件。墩墩山附近的上泥盆統(tǒng)墩墩山群具有磨拉石建造特征, 屬于造山期后的產(chǎn)物(何世平等, 2004)。牛圈子以西的平頭山地區(qū)前長城系–奧陶系發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造, 暗示志留紀(jì)末期–早泥盆世初期該地區(qū)存在一期強(qiáng)烈的南北擠壓的構(gòu)造事件(劉明強(qiáng)等, 2002)?；◢弾r類和構(gòu)造–沉積證據(jù)都證實(shí)了北山南帶馬鬃山地塊與石板山地塊之間的大洋俯沖過程在早古生代末期已經(jīng)結(jié)束, 兩個陸塊之間隨之發(fā)生一期重要的碰撞造山事件, 之后區(qū)域上進(jìn)入后碰撞伸展階段。

年代學(xué)統(tǒng)計結(jié)果表明, 340～380 Ma之間, 北山裂谷帶地區(qū)的巖漿活動微弱。從地層沉積組合特征來看, 上泥盆統(tǒng)墩墩山群表現(xiàn)為陸相粗碎屑沉積的特征, 不整合覆蓋于中泥盆統(tǒng)三個井群之上, 并與其共同組成了泥盆系的磨拉石建造(何世平等, 2004)。下石炭統(tǒng)紅柳園組同樣缺乏巖漿活動的證據(jù), 主要是由灰?guī)r、千枚巖、砂巖和砂礫巖組成。因此, 340～ 380 Ma期間可能是早古生代晚期造山事件的延續(xù)(磨拉石建造)和之后的平靜期, 巖漿活動微弱, 并發(fā)育陸相沉積地層。

北山南帶內(nèi)另一期重要的巖漿活動時間發(fā)生在晚石炭世–二疊紀(jì), 這期巖漿活動形成了超基性至酸性的一系列巖石類型, 包含鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)雜巖、超基性巖、基性巖、閃長巖、A型花崗巖和流紋巖(Su et al., 2012b; Zhang et al., 2012; Li et al., 2013)。本次研究統(tǒng)計北山南帶已發(fā)表的年代學(xué)數(shù)據(jù)得到了282 Ma的年齡峰值(圖 8), 而其他相關(guān)研究中也得到了類似的峰值年齡(Zhang et al., 2008; Qin et al., 2011)。年代學(xué)統(tǒng)計結(jié)果表明北山南帶在280 Ma左右存在一期重要的巖漿活動事件, 這期巖漿活動的范圍可能延伸到塔里木盆地、東天山等地區(qū)。值得注意的是, 北山南帶在晚古生代早期和石炭紀(jì)末–二疊紀(jì)的兩期巖漿活動都曾被解釋為后碰撞背景下的產(chǎn)物,但是結(jié)合北山南帶古生代期間的巖漿活動期次及其特征, 我們認(rèn)為北山南帶晚古生代早期的巖漿活動應(yīng)為俯沖–碰撞過程之后的后碰撞階段——伸展環(huán)境下的產(chǎn)物, 隨后經(jīng)過了一段構(gòu)造–巖漿活動的平靜期, 石炭紀(jì)末–二疊紀(jì)的巖漿活動應(yīng)為大陸裂谷伸展環(huán)境下巖石圈地幔拆沉和軟流圈地幔上涌的產(chǎn)物。北山南帶早古生代的俯沖–碰撞事件造成了北山裂谷帶之下的巖石圈地幔加厚, 導(dǎo)致地幔的重力不穩(wěn)定, 從而引起了巖石圈地幔拆沉, 軟流圈地幔隨之上涌, 軟流圈地幔上涌帶來的熱能也造成了地殼物質(zhì)的部分熔融, 形成了大量的酸性巖漿類, 包括了北山南帶大面積出露的花崗巖類以及地層酸性火山巖。

5　結(jié)　論

(1) 音凹峽流紋巖的鋯石 LA-ICP-MS U-Pb年齡為273±1 Ma, 表明其形成于早二疊世; 根據(jù)已有的年代學(xué)資料, 該時期的巖漿活動在北山南帶較為發(fā)育。

(2) 音凹峽酸性火山巖的類型主要為英安巖和流紋巖, 地球化學(xué)特征表現(xiàn)為高硅高堿, 低的Fe2O3T、MgO、CaO含量, 富集輕稀土和大離子親石元素, 鋯石εHf(t)值為–5.97～3.87, 具有較老的Hf同位素模式年齡, 應(yīng)為古老殼源物質(zhì)和幔源物質(zhì)在伸展背景下熔融并混合的產(chǎn)物。

(3) 根據(jù)不同時代巖漿活動演化的規(guī)律, 結(jié)合音凹峽地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石、花崗巖類和地層火山巖的研究, 認(rèn)為北山南帶二疊紀(jì)為大陸裂谷的構(gòu)造環(huán)境。

致謝: 北京大學(xué)郭召杰教授和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所賀振宇研究員對本文提出了十分有益的修改意見, 在此表示誠摯的感謝。樣品的全巖地球化學(xué)、鋯石年代學(xué)和 Hf同位素測試工作分別得到了北京大學(xué)古麗冰、楊斌、馬芳老師和中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所侯可軍老師的幫助, 在此表示由衷的感謝。

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Geochronology and Geochemistry of Yinwaxia Acidic Volcanic Rocks in the Southern Beishan: New Evidence for Permian Continental Rifting

ZHENG Rongguo1,2,3, WANG Yunpei4, ZHANG Zhaoyu3, ZHANG Wen1, MENG Qingpeng3and WU Tairan3*
(1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. Xinjiang Research Center for Mineral Resources, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, Xinjiang, China; 3. MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 4. Team 604, Nonferrous Metals Exploration Bureau of Jilin Province, Huadian 132400, Jilin, China)

The Beishan orogenic belt, situated in the southernmost Central Asian Orogenic Belt (CAOB), is a conjunction region of the CAOB, North China and Tarim cratons. Geochronological data demonstraed an important magmatic event in the southern Beishan that resulted in the emplacement of the mafic-ultramafic rocks, granitoids and acid rocks. The widely distributed Permian strata in the Yinwaxia area, east of the southern Beishan, consist predominantly of acidic volcanic and pyroclastic rocks with eruption-explosion facies, including rhyolites, dacites, rhyolite breccia lavas, rhyodacites and homogeneous volcanic tuff. The LA-ICP-MS U-Pb age of a rhyolite sample is 273±1 Ma, indicating that they were formed in the early Permian. The Yinwaxia acidic volcanic rocks have high SiO2, K2O+Na2O, Al2O3contents, and low Fe2O3T, MgO, P2O5contents. They display light rare earth elements enrichment, without heavy rare earth elements differentiation, and with obviously negative Eu anomalies. They were also enriched in Cs, Rb, Th, U, Zr and Hf, and depleted in Ba, Nb, Ta, Sr, P and Ti. The Yinwaxia acid volcanic rocks have variable zircon εHf(t) values (–6.0 – +3.9) and relative old model ages (tDM2=1046 ? 1669 Ma). Geochemical studies indicate that the Yinwaxia acidic rocks were derived from mixing of ancient continental crust and mantle materials, experienced subsequent fractional crystallization. Evidence of coeval mafic rocks, granitoids, acidic volcanic rocks and the characteristics of the Permian sedimentary formations all support a Late Paleozoic continental rifting in the southern Beishan.

Beishan; LA-ICP-MS zircon U-Pb age; acidic volcanic rocks; continental rift

P595; P597

A

1001-1552(2016)05-1031-018

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.011

2014-09-10; 改回日期: 2014-12-18

項(xiàng)目資助: 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502214, 41372225)、中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(J1522)、支持“率先行動”中國博士后科學(xué)基金會與中國科學(xué)院聯(lián)合資助優(yōu)秀博士后項(xiàng)目(2015LH0049)和中國博士后基金面上基金(2016M590990)聯(lián)合資助。

鄭榮國(1987–), 男, 博士, 助理研究員, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。Email: rgzheng@163.com

吳泰然(1955–), 教授, 博士生導(dǎo)師, 從事大地構(gòu)造方向研究。Email: twu@pku.edu.cn