新疆阿尔金山喀腊大湾地区玄武岩的地球化学特征及地质意义

郝瑞祥, 陈柏林, 陈正乐, 王 永, 李松彬, 韩凤彬, 周永贵

中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081

图1 阿尔金及邻区构造格架图(据张占武等, 2012修改)Fig.1 Tectonic map of the Altun Mountains and adjacent areas(modified after ZHANG et al., 2012)

阿尔金山位于青藏高原的西北缘(图1), 介于北 部塔里木盆地和南部柴达木盆地之间。研究表明,阿尔金山地区发育有两条蛇绿混杂岩带, 即北阿尔金蛇绿混杂岩带和南阿尔金蛇绿混杂岩带(何国琦等, 1994; 王焰等, 1999; 刘良, 1999; 张建新等,2007a, b; 陈正乐等, 2001; 禹秀艳等, 2011; 刘申态等, 2012)。北阿尔金蛇绿混杂岩带呈EW向分布在红柳沟—拉配泉一带, 与北侧属于塔里木地块古老变质基底一部分的米兰群和南侧的中阿尔金地块为断层接触, 其形成时代为早古生代(修群业等, 2007;杨经绥等, 2008)。该带西部的米兰红柳沟蛇绿混杂岩带包括了大洋中脊玄武岩(MORB)和席状岩墙群,发育于弧后盆地的洋岛玄武岩以及由洋壳俯冲折返形成的蓝片岩和榴辉岩(吴峻等, 2001; 杨经绥等,2002; 张建新等, 2006; 孟繁聪等, 2010, 边千韬等,2002; 黄立功等, 2004)。同时在米兰红柳沟蛇绿混杂岩带发现了岛弧型的花岗闪长岩和同碰撞—碰撞后的花岗杂岩体(戚学祥等, 2005; 吴才来等, 2005)以上表明米兰红柳沟蛇绿混合岩带是一个比较复杂的板块缝合带。张志诚等(2009)对该带东部阿克塞青崖子附近蛇绿混杂岩中辉长岩的研究, 认为本区的辉长岩既保留了形成于大洋中脊环境的背景信息,也记录了俯冲带(SSZ)环境对它的改造, 推测青崖子蛇绿混杂岩组合可能来自不同构造背景。喀腊大湾地区位于米兰红柳沟和阿克塞青崖子之间, 北阿尔金蛇绿混杂岩带中东段的南侧, 对其构造环境的研究基本上还是“空白”, 同时, 对于北阿尔金蛇绿混杂岩的构造演化格局的研究较少, 只有郝杰等(2006)对其进行了报道, 所以有必要对喀腊大湾地区的构造环境开展研究, 以进一步认识北阿尔金蛇绿混杂岩带的构造演化格局。

本文通过对该地区玄武岩的主量元素、微量元素、稀土元素地球化学特征的研究, 探讨了喀腊大湾地区玄武岩形成的大地构造背景。同时, 将喀腊大湾地区玄武岩与分布于北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩的地球化学特征进行了对比, 为进一步认识北阿尔金蛇绿混杂岩带的构造演化格局提供了重要依据。

1 地质背景及岩石学特征

本研究区在区域上位于阿尔金北缘红柳沟—拉配泉构造带的中东段, 由NEE向主阿尔金走滑断裂与北侧近EW向阿尔金北缘断裂所围限。区内断裂构造十分发育, 近东西向展布的阿尔金北缘断裂及其次级断裂构造控制了本区的整体构造格局(图 2),研究区地层属于塔里木地层区中塔南地层分区的阿尔金山地层小区, 由老到新依次出露太古界米兰群达格拉格布拉克组(Ardg)、上元古界蓟县系金雁山组(Zjj)、下古生界寒武系卓阿布拉克组(Є3zh)和斯米尔布拉克组(Є3s)(原 1:20万划为上元古界蓟县系,本项目依据锆石SHRIMP年龄(517±7) Ma修订为早古生代下寒武统)、石炭系上统因格布拉克组(C3y)、古近系渐新统下干柴沟组(E3g)、新近系中新统上干柴沟组(N1g)、中新统下油砂山组(N1y)。太古界达格拉格布拉克组(Ardg)出露于研究区北侧, 主要岩性为浅灰-深灰色变粒岩、片麻岩、斜长角闪岩、紫苏辉石麻粒岩、条带状混合岩。斯米尔布拉克组(Є3s)出露于研究区中北部, 主要岩性有灰色绢云母片岩、绢云母石英片岩、千枚岩、板岩、中酸性火山岩夹少量白色结晶灰岩、大理岩、石英岩透镜体。卓阿布拉克组(Є3zh)出露面积最大, 分布于研究区中部, 主要岩性为暗色、灰黑色泥岩、炭质千枚岩、千枚岩化粉砂岩、浅灰色板岩、二云母片岩、石英片岩、浅灰色及白色结晶灰岩、大理岩、深灰色钠长霏细斑岩、变质英安斑岩、酸性火山凝灰岩及玄武岩, 局部出露磁铁矿。因格布拉克组(C3y)仅在白尖山南侧沿白尖山局部线状出露, 主要岩性有石英砂岩、砂砾岩、粉砂岩、细砂岩夹灰岩、生物碎屑灰岩、炭质粉砂岩、页岩。下干柴沟组(E3g)出露于研究区南部, 为砖红、紫红及土红色砾岩、砂砾岩夹砂岩、泥岩和石膏层。上干柴沟组(N1g)出露于研究区东南角局部, 为土黄、黄绿、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩。下油砂山组(N1y)出露研究区东南角局部,为土黄色砾岩夹棕红色、黄棕色泥岩、粉砂岩。

图2 新疆阿尔金山喀腊大湾地区区域地质图(据陈柏林等, 2009)Fig.2 Map showing regional geology of Kaladawan area in the Altun Mountains, Xinjiang(after CHEN et al., 2009)

图3 喀腊大湾地区玄武岩的岩相学特征Fig.3 Petrographical characteristics of basalts from Kaladawan area

区内侵入岩主要为晚元古代与古生代晚期侵入岩。晚元古代侵入岩有辉长岩、闪长岩和花岗闪长岩, 均呈规模较小的岩株或岩脉状产出。古生代晚期以中酸性侵入活动为主, 中酸性深成岩广泛分布,呈规模较大岩枝或岩基产出。喀腊大湾地区的玄武岩位于下古生界寒武系卓阿布拉克组(Є3zh), 由一套火山沉积岩系组成, 主要的岩性组合为泥岩、泥灰岩、炭质千枚岩、千枚岩化粉砂岩、板岩、结晶灰岩、大理岩和流纹岩、英安岩、安山质玄武岩、酸性-中酸性火山凝灰岩、晶屑凝灰岩及钠长霏细斑岩、英安斑岩、辉绿岩 ｡ 前人的研究认为本区的火山岩具有双峰式火山岩岩石组合特征(王小凤等,2004; 张峰等, 2008)。

本次用来测试的所有玄武岩样品均采自寒武系上统卓阿布拉克组(Є3zh)内, 分布在喀腊大湾、穷塔格、齐勒萨依沟, 选用变质及风化较弱的岩石样品进行主量元素、微量元素以及稀土元素进行地球化｡学测试分析

2 分析方法与地球化学特征

2.1 分析方法

本文选择9个较新鲜的岩石样品进行化学全分析, 测试结果见表 1。主量元素使用型号为理学3080E的 X-荧光光谱仪测试, 检测下限为 0.05%,其中FeO采用容量滴定法, CO2用电导法, H2O+用重量法分析。微量元素分析使用仪器型号为等离子质谱 ICP-MS(Excell), 其中稀土元素检测下限为 0.05×10-6, 部分元素检测下限为0.5×10-6。

2.2 主量元素地球化学特征

研究区的玄武岩样品主量元素分析数据见表1,火山岩主量元素分析表明, 玄武岩SiO2含量主要集中在43.32%～50.77%之间, 平均为48.17%; A12O3含量大多数集中 12.7%～16.45%之间, 平均为 14.95%;CaO的含量在3.73%～8.91%之间, 平均值为7.09%。Na2O＞K2O, Na2O+K2O 的含量为 2.33%～5.84%, 平均为 4.54%。MgO 的含量为 4.9%～8.54%, 平均为6.15%, TiO2含量为 1.24%～2.75%, 平均为 1.99%,远大于现代大洋洋脊拉斑玄武岩(1.5%), 与大陆板内拉斑玄武岩(2.2%)(Pearceg, 1984)类似。在SiO2-Nb/Y分类图解中, 喀腊大湾地区的样品主要落入亚碱性玄武岩区(图 4)。在 Mg#(Mg#=Mg/(Mg+Fe)×100)变异图解中, Mg#值变化范围较大,主要变化于42～62之间, 低于原生玄武岩(Mg#为70,Dupuy et al., 1984), 说明玄武岩在形成过程中发生了结晶分异作用。在 MgO与微量元素相关图解中(图5), Ni、Co、Cr与MgO呈正相关。另外, TFeO与TiO2呈明显的正相关。这种相关性反映岩浆在源区或上升过程中, 发生了橄榄石、尖晶石和钛铁氧化物的分离结晶作用。

将喀拉大湾地区玄武岩与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩(辉长岩)的主要氧化物地球化学特征进行了对比(表2)。从表中可以看出, 喀拉大湾地区玄武岩的 SiO2平均含量与其它地区大致相等,TiO2的平均含量大于米兰红柳沟大洋中脊型玄武岩和阿克塞地区大洋中脊或弧后盆地型辉长岩, 小于红柳泉地区弧后盆地型玄武岩。K2O的平均含量大于其他地区的玄武岩, P2O5、Al2O3的平均含量介于其它地区之间。

2.3 稀土元素地球化学特征

稀土元素的总量在(76.57～53.39)×10-6之间(表1), 平均为 149.47×10-6, 轻重稀土分异不明显(∑LREE/∑HREE=2.81～6.15), 岩石(La/Yb)N介于2.05～6.38 之间, δEu=0.83～0.92, 平均为 0.88, 显示轻微的 Eu负异常, 表明无大量的斜长石分离结晶(Wood, 1988), 在球粒陨石标准化的稀土元素分配型式图上(图 6a), 玄武岩具有一致的配分曲线特征表明喀腊大湾地区玄武岩源于相同的岩浆源区。

图4 喀腊大湾地区玄武岩SiO2-Nb/Y图解Fig.4 SiO2-Nb/Y diagram of basalts from Kaladawanarea

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表2 北阿尔金蛇绿混杂岩带不同地区的玄武岩的主量元素Table 2 Major element content of basalts in other areas of north Altun ophiolite belt

喀腊大湾地区玄武岩稀土元素的地球化学特征与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩(图 6b)相比, 在球粒陨石标准化的稀土元素分配型式图上,喀腊大湾地区与红柳泉地区的玄武岩表现出轻稀土的富集型, 阿克塞青崖子与米兰红柳沟地区的玄武岩表现出轻稀土平坦型或轻微富集型。

2.4 微量元素地球化学特征

喀腊大湾地区玄武岩的微量元素分析数据显示(表 1), Nb 值为(5.12～12.2)×10-6, Zr/Hf比值为 36.39～46.76, (Th/Nb)N值为1.6～6.24之间, Nb/La比值小于1, 在原始地幔平均成分标准化蛛网图(图 7a)中, 样品比较富集Ba、U、K, 普遍具有Nb、Ta负异常, 部分样品具有Sr、Ti、Th的负异常, 无Zr、Hf异常。曲线由强不相容元素部分的隆起状随着元素不相容性的降低逐渐趋于平缓, 这种现象区别于典型大陆板内玄武岩“驼峰”式的微量元素配分形式。

喀腊大湾地区玄武岩微量元素的地球化学特征与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区的玄武岩(图 7b)相比, 其球粒陨石标准化的微量元素分配型式图明显不同, 前者表现为 Nb、Ta负异常、部分样品 Ti的负异常、Zr、Hf无明显异常, 后者表现为Nb、Ta、Ti、Zr、Hf正异常或无异常。

1)锚杆施工参数。注浆锚杆长度3 000 mm，直径25 mm，全长连续螺纹结构，破断力不低于200 kN，配150 mm×150 mm×10 mm方形托盘，间排距700 mm×700 mm，采用1卷2850树脂锚固剂端锚，考虑到注浆需要，注浆锚杆螺母预紧力不低于60 kN，高强注浆锚杆和锚索外观与结构如图4a所示。

3 讨论

3.1 地壳混染

图5 喀腊大湾地区玄武岩MgO与微量元素及TiO2与TFeO变化图Fig.5 Variation of trace elements versus MgO and TiO2 versus TFeO for basalts from Kaladawan area

岩石地球化学表明, 玄武质岩浆若同化陆壳物质, 会增加岩浆的 SiO2、K2O 和 Th、Rb、Zr、Hf等大离子亲石元素的丰度, 同时会升高 La/Nb、Zr/Nb比值(Mecdonald et al., 2001; Barker et al.,1997)。而且总分配系数相同或相近的元素比值不受分离结晶作用和部分熔融程度的影响, 不同元素比值之间的相关变化可以准确地验证同化混染作用是否存在及其程度。图 8显示了 La/Nb-Ce/Pb、Ce/Nb-Th/Nb、Th/Yb-Ta/Yb之间大致呈正相关, 反映了玄武岩受到了地壳物质的混染。另外, 地壳物质强烈亏损 Nb而高度富集 Pb, 因而具有较低的Nb/U和Ce/Pb比值。喀腊大湾玄武岩样品的Nb/U和 Ce/Pb比值分别为 3.9～12.1和 0.9～12, 与大陆地壳的范围基本一致(Nb/U=10, Ce/Pb=4, Hofmann et al., 1986), 远低于大洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)(Nb/U=47±7, Ce/Pb=25±5), 同样也证明了喀腊大湾地区玄武岩的原始岩浆在上升过程中经历了地壳物质的混染。

3.2 玄武岩的成因及形成环境

喀拉大湾地区的玄武岩具有高 K2O(0.8%～2.7%), 明显高于大洋中脊玄武岩, 在球粒陨石标准化稀土元素配分图解上, 岩石相比 N-MORB明显富集轻稀土元素, 在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上, 表现为 Nb、Ta的亏损, 与具有 Nb、Ta正异常的OIB明显不同。普遍具有Nb、Ta负异常, 部分样品 Ti的负异常, 无 Zr、Hf异常。在Th/Yb-Ta/Yb构造环境判别图解中(图 9), 样品主要落入活动大陆边缘环境。喀腊大湾地区玄武岩具有高的 Th/Ta、Th/Hf、Ta/Hf比值, 在 Th/Hf-Ta/Hf构造环境判别图解中(图 10), 主要落入了大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区, 洋壳的俯冲会诱发大陆后侧伸展作用。综上喀腊大湾地区的玄武岩可能形成于活动大陆边缘的大陆拉张减薄带。

图6 喀腊大湾地区玄武岩(a)与北阿尔金蛇绿混杂带不同地区玄武岩(b)的稀土元素配分图解Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of basalts from Kaladawan area (a)and other areas of north Altun ophiolite belt (b)

图7 喀腊大湾地区玄武岩(a)与北阿尔金蛇绿混杂带不同地区玄武岩(b)微量元素配分图解Fig.7 Primitive mantle normalized trace element patterns of basalts from Kaladawan area (a)and other areas of north Altun ophiolite belt (b)

图8 喀腊大湾地区玄武岩微量元素比值相关性图Fig.8 Correlation diagrams of trace elements ratios from Kaladawan area

双峰式火山岩可以出现在多种大地构造背景中,如大陆裂谷、洋岛、大陆拉张减薄、弧后盆地、造山后、洋内岛弧和成熟岛弧/活动陆缘等(王焰等,2000)。结合前人的研究成果(王小凤等, 2004; 张峰等, 2008)和实际的野外观测, 喀拉大湾地区玄武岩所在的卓阿布拉克组(Є3zh)发育一套由镁铁质和长英质火山岩组成的双峰式火山岩组合, 以玄武岩为主, 酸性火山岩较少, 并且基性和酸性的火山岩频繁的互层出现。大陆裂谷环境形成的双峰式火山岩的玄武岩一般富大离子亲石元素(LILE)、Th和高场强元素(HFSE), 而喀腊大湾地区玄武岩表现为高场强元素的Nb、Ta亏损, 且大陆裂谷环境的双峰式火山岩玄武岩出露的面积较小, 而喀腊大湾地区以玄武岩为主。大陆拉张减薄地区的玄武岩的Zr/Nb值介于4～87之间, Zr/Y值介于2～5之间(Foder et al.,1984), 喀腊大湾地区玄武岩的 Zr/Nb值介于 13～30之间, Zr/Y值介于2.8～4.7之间, 与大陆拉张减薄地区玄武岩类似, 与Th/Hf-Ta/Hf构造环境投图结果一致, 暗示喀腊大湾地区玄武岩可能形成于活动大陆边缘的大陆拉张减薄环境。

图9 喀腊大湾地区玄武岩Th/Yb-Ta/Yb图解Fig.9 Th/Yb-Ta/Yb diagram of basalts from kaladawan area

通过喀腊大湾地区玄武岩和北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩的地球化学特征的对比, 其具有高的 K2O, 球粒陨石标准化的稀土元素分配型式与形成于弧后盆地海山环境的红柳泉玄武岩相似,与形成于大洋中脊和弧后盆地的米兰红柳沟和阿克塞青崖子的玄武岩不同, 在微量元素的球粒陨石分配型式与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区的明显不同, 且北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩表现为Nb、Ta、Ti、Zr、Hf正异常或无异常, 这种不同反映了玄武岩形成环境的不同。

图10 喀腊大湾地区玄武岩Th/Hf-Ta/Hf图解Fig.10 Th/Yb-Ta/Yb diagram of basalts from Kaladawan area

北阿尔金蛇绿混杂岩带中的红柳沟席状岩墙群具有MORB的性质, 代表海底扩张的环境。红柳泉枕状玄武岩具有 OIB的性质, 孟繁聪等(2010)认为是形成于弧后盆地海山环境。张建新等(2006)在红柳沟一带发现了高压低温的蓝片岩和榴辉岩, 其形成与洋壳的俯冲有关。同时在米兰红柳沟蛇绿混杂岩带发现了岛弧型的花岗闪长岩和同碰撞—碰撞后的花岗杂岩体。张志诚等(2009)人认为该带东部阿克塞青崖子附近蛇绿混杂岩代表的是一个复杂的地缝合线。以上说明北阿尔金蛇绿混杂岩带是一个复杂的俯冲增生杂岩带。在空间上, 本文的研究区域位于北阿尔金蛇绿混杂岩带中东段的南侧, 结合本区玄武岩的地球化学特征、岩石组合特征以及与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩的对比, 认为本区玄武岩最有可能的构造环境为与位于北阿尔金地区的古洋盆紧邻的活动大陆边缘环境。其可能的形成过程是随着位于北阿尔金地区古洋盆的演化,由于洋壳的俯冲而诱发大陆后侧伸展作用, 引发玄武质岩浆的上涌, 形成喀拉大湾地区的玄武岩, 其在上升过程中, 受到大陆地壳的混染作用。

喀腊大湾地区活动大陆边缘环境的确定使我们可以认为位于北阿尔金地区的古洋盆是由北向南俯冲消减的(即阿尔金山脉的主体作为仰冲的活动大陆边缘而塔里木盆地南缘则是俯冲的大陆壳楔单元), 结合前人的资料(张建新等, 2010; 孟繁聪等,2010; 郝杰等, 2006), 北阿尔金蛇绿混杂带可能的演化格局是:新元古代晚期随着罗迪尼亚超大陆的裂解, 形成位于北阿尔金地区的古洋盆, 寒武纪时位于北阿尔金地区的古洋盆由北向南的阿尔金山俯冲形成喀腊大湾地区活动大陆边缘环境的玄武岩。

4 结论

通过对喀腊大湾地区玄武岩系统的地球化学研究, 得出以下几点认识:

1)喀腊大湾地区的玄武岩具有低的 Mg#, 说明岩浆在上升过程中发生了结晶分异作用, 一致的稀土元素分配型式说明玄武岩起源于相同的岩浆源区。玄武质岩浆在源区或上升过程中, 发生了橄榄石、尖晶石和钛铁氧化物的分离结晶作用, 同时也经历了地壳物质的混染。

2)喀腊大湾地区玄武岩与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩的地球化学特征相比, 具有相对高的 K2O, 球粒陨石标准化的稀土元素分配型式表现为轻稀土的相对富集, 与米兰红柳沟地区玄武岩相似, 与红柳泉和阿克塞青崖子地区玄武岩不同,在微量元素上, 与其它地区相比较, 表现为 Nb、Ta的负异常、部分Ti的负异常, 这些地球化学特征的不同, 说明它们形成于不同的构造环境。

3)通过对喀腊大湾地区玄武岩地球化学特征、岩石组合以及与北阿尔金蛇绿混杂岩带其它地区玄武岩的对比研究, 认为喀腊大湾地区玄武岩形成于活动大陆边缘环境, 北阿尔金蛇绿混杂岩带是由位于北阿尔金地区的古洋盆由北向南俯冲形成。

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