东准噶尔石炭系巴塔玛依内山组火山岩全岩Sm-Nd等时线年龄及其构造意义

张 峰, 徐 涛, 范俊杰, 潘爱军, 王 斌, 朝银银



东准噶尔石炭系巴塔玛依内山组火山岩全岩Sm-Nd等时线年龄及其构造意义

张 峰1,2*, 徐 涛2, 范俊杰2, 潘爱军2, 王 斌2, 朝银银2

(1. 中国地质大学, 北京 100083; 2. 中国人民武装警察部队 黄金地质研究所, 河北 廊坊 065000)

东准噶尔地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩分布广泛, 规模巨大, 目前对其形成时代及构造背景的认识还存在着较大的争议。以火山岩中的玄武岩、玄武安山岩为研究对象, 进行了岩石学、岩石地球化学和Sm-Nd同位素地球化学方面的研究。结果表明, 该套火山岩属高钾钙碱性火山岩系, 微量元素和稀土元素特征相似, (143Nd/144Nd)i变化幅度小,Nd()和2DM近乎相同, 具同源岩浆演化特征和良好的封闭条件。利用Sm-Nd等时线定年方法获得的玄武岩全岩等时线年龄为(319.7±5.9) Ma, (143Nd/144Nd)i= 0.512414±0.000006, MSWD = 0.34, 与区域地质构造背景和已有化石证据基本吻合, 代表了火山岩的形成时代。准噶尔地区晚古生代区域构造背景复杂。位于西伯利亚板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块之间的古亚洲洋存在双向俯冲消减过程。南向俯冲带位于扎河坝-克拉玛依一线, 俯冲作用至少延续至(319.7±5.9) Ma。持续的南向俯冲造就了东准噶尔地区扎河坝下泥盆统托让格库都克组火山岩代表的岛弧和卡拉麦里蛇绿岩代表的卡拉麦里不成熟弧后盆地的形成。东准噶尔地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩就是该过程中不成熟弧后盆地的产物, 成岩过程可能是：古亚洲洋持续南向俯冲, 导致卡拉麦里地区幔源物质大量上隆并引起弧后扩张, 并在消减沉积物和(或)俯冲洋壳脱水产生的流体作用下发生部分熔融, 形成的玄武质岩浆不断底侵至壳幔边界, 引起少量主体由古生代残余洋壳和岛弧体系组成的年轻下地壳物质部分熔融生成岩浆, 并发生相互较完全的混合, 而后随着混合岩浆的不断聚集和构造伸展作用的进一步持续, 岩浆沿构造薄弱带快速上升至地表, 喷发成岩。319.7~311 Ma左右的中亚造山带持续南向增生导致了卡拉麦里弧盆北侧古亚洲洋的消亡, 并最终迫使卡拉麦里弧盆北向俯冲消减而闭合。

火山岩; Sm-Nd同位素; 弧后盆地; 石炭纪; 巴塔玛依内山组; 东准噶尔

0 引 言

中亚造山带是介于西伯利亚板块和华北-塔里木板块之间的古亚洲洋消减、闭合而形成的巨型拼贴聚合带, 是显生宙以来全球最大的增生型造山带之一[1–2]。位于新疆北部的准噶尔盆地处于中亚造山带的腹地, 作为中亚造山带的重要组成部分[3–6], 对恢复古亚洲洋的开合历史, 重塑中亚地区的构造格局演变具有重要意义。盆地周边不同时代的蛇绿岩带发育, 岩浆作用强烈, 反映了准噶尔地区经历了漫长而复杂的消减增生和地体拼贴过程[7–9], 同时也孕育了新疆北部丰富多彩的矿产资源。统计显示, 新疆北部已发现矿床的形成时代主要集中于石炭纪—二叠纪, 尤以320~260 Ma最为突出, 并表现出类型多样、分布广泛的特征, 其成因与石炭纪—二叠纪大规模集中爆发的岩浆作用密切相关[10–12]。二叠纪成岩成矿构造背景相对简单, 成因多被认为是剧烈的板内伸展诱发幔源物质上涌发生强烈壳幔作用的结果[11]。石炭纪是准噶尔地区洋-陆构造体制的重要转换时期的观点已被认知[13–16], 但对其具体的转换时限则一直存在争议, 仍有早石炭世[17–18]、晚石炭世[19–20]和二叠纪[16,21]等多种观点, 制约了人们对石炭纪成岩成矿过程的认识, 也限制了人们在该区的找矿思路。

火山岩作为区域构造活动的产物, 包含了丰富的构造背景信息, 对恢复古大地构造环境和反演区域构造演化具有重要的作用。准噶尔地区石炭纪火山岩普遍发育, 但主要分布于东准噶尔地区。而在东准噶尔地区石炭纪火山岩中又以巴塔玛依内山组火山岩规模最大, 分布最广, 保存最好, 并表现出良好的成矿和储矿能力[22–23], 受到了一些学者的关注。然而目前对其形成时代和构造环境还没有很好的约束, 还存在着早石炭世[18,24]、晚石炭世[23,25]和早二叠世[26], 与碰撞造山相关的造山后伸展环境[22,24,27,28]和与洋壳俯冲消减有关的岛弧环境[21,29]等不同认识。

笔者在分析前人研究成果的基础上, 以卡拉麦里蛇绿岩带内及周边石炭系巴塔玛依内山组火山岩为研究对象, 结合岩石学、岩石地球化学及Sr-Nd同位素方面的研究, 采用Sm-Nd等时线定年方法对该套火山岩的形成时代进行了厘定, 并探讨了它们形成的构造环境, 以期为东准噶尔地区晚古生代洋-陆转换的具体时限, 即古亚洲洋的最终闭合时间提供约束, 同时为区内找矿提供理论依据。

1 地质背景

卡拉麦里蛇绿岩带位于准噶尔盆地东北缘卡拉麦里山一带, 巴塔玛依内山的北侧, 区域上受控于卡拉麦里深大断裂呈NWW向展布, 带内及周边出露地层较为简单, 以晚古生代泥盆系和石炭系为主(图1)。泥盆系以中泥盆统为主, 为一套浅海-滨海相碎屑岩建造, 火山活动极其微弱。石炭系从下至上可分为南明水组、清水组、松喀尔苏组、巴塔玛依内山组和双井子组。其中, 南明水组分布较广, 多沿苦水泉-南明水一带展布, 由一套浅海相碎屑岩及火山碎屑岩组成, 并夹有少量的火山熔岩透镜体, 岩层受后期构造影响强烈, 岩石变质变形作用较为显著。清水组和松喀尔苏组出露较少, 仅分别局限于清水和松喀尔苏-双井子地区, 岩性以砂岩、砾岩为主, 属海陆交互相粗碎屑岩沉积岩系。双井子组主要见于卡拉麦里深大断裂南侧, 由一套滨海相的沉积砾岩、砂岩、炭质页岩及浅海相生物灰岩、钙质砂岩、砂砾岩组成。巴塔玛依内山组与上述石炭系地层不同, 火山岩广泛产出, 是准噶尔盆地东北缘火山岩主要的发育层位。该组最早是由新疆地质局区域地质测量大队在进行1﹕20万区域地质矿产调查时建立的, 建组地点紧邻卡拉麦里蛇绿岩带的巴塔玛依内山附近, 主要表现为一套基性-酸性火山熔岩及火山碎屑岩系。火山熔岩依岩性可分为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩和珍珠岩等, 厚度可达数千米, 具明显的多期次、间歇性喷发的特征[18,29]。在卡拉麦里蛇绿岩带内及附近也表现出类似的特征, 岩石类型主要为玄武岩、玄武安山岩、辉石安山岩、安山岩和流纹岩。

玄武岩(图2a)呈黑色、浅灰绿色, 块状构造, 斑状结构, 基质为似间粒状结构。斑晶为斜长石、辉石, 多呈半自形, 大小一般1~2 mm, 部分0.5~1 mm, 杂乱分布。斜长石呈板状, 被绿泥石、绢云母和方解石交代, 含量约30%; 辉石呈柱状, 被绿泥石、方解石和透闪石交代, 为假象, 含量约1%~2%。基质为斜长石和辉石。斜长石呈半自形板状, 大小一般0.1~0.2 mm, 部分0.05~0.1 mm, 少部分0.2~0.4 mm, 杂乱分布, 被绢云母交代, 含量50%~55%; 辉石呈半自形-他形柱状, 大小一般0.05~0.1 mm, 部分0.02~0.05 mm, 少部分0.1~0.2 mm, 填隙状分布斜长石架间, 被绿泥石和透闪石交代, 为假象, 含量25%~30%。蚀变矿物为绢云母、石英、方解石、绿泥石和透闪石。

玄武安山岩(图2b)呈深灰色、浅绿色和灰绿色, 杏仁构造, 斑状结构, 基质为交织结构。斑晶为斜长石, 呈半自形板状, 大小一般0.5~1 mm, 局部可见筛状熔蚀, 含量约10%~15%; 基质为斜长石和辉石, 斜长石呈半自形板状, 大小一般0.1~0.2 mm, 部分0.2~0.5 mm, 局部被方解石和绿泥石交代, 含量50%~55%, 辉石呈半自形-他形粒状, 大小一般0.01~0.05 mm, 填隙状分布斜长石之间, 被绿泥石和方解石交代, 为假象, 部分界限模糊不清或消失, 含量35%~40%。杏仁体不规则状, 大小一般0.2~0.5 mm, 部分0.5~1 mm, 成分为绿泥石和方解石, 少量可见花边结构, 含量5%(图2a)。

图1 新疆卡拉麦里区域地质简图

图2 研究区火山岩镜下照片

(a)蚀变玄武岩(+); (b)玄武安山岩(+)

2 分析方法

对岩石样品进行详细手标本和偏光显微镜观察, 挑选较为新鲜、杏仁体较少的样品进行化学分析。测试前经表面杂质清除、破碎, 而后经烘干在无污染玛瑙研钵中研磨至200目供化学分析。主元素采用熔片法X射线荧光光谱法(XRF)测定, FeO为容量法(VOL)测定; 微量元素分析仪器为等离子体质谱仪(ICP-MS)和X射线荧光光谱仪(XRF); 稀土元素分析仪器为等离子体质谱仪(ICP-MS), 上述工作均在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所进行, 主元素的分析精度优于1%, 微量元素的分析精度大多优于5%, 分析结果见表1。

Sm-Nd同位素测试在天津地质矿产研究所同位素年代学实验室采用TRITON热电离质谱仪完成。用同位素稀释法计算Sm、Nd的浓度, 其中Nd同位素比值和含量在同一份样品中测定, 利用迭代法程序分别计算出Nd同位素比值和含量, 计算Nd同位素比值时扣除了稀释剂的贡献。所有样品的Sm、Nd同位素组成采用149Sm/152Sm=0.516858以及146Nd/144Nd= 0.721900进行标准化处理, 采用瑞利律进行同位素分馏校正。样品全流程测试本底: Nd低于0.1 ng, 质谱分析精度:143Nd/144Nd优于0.0020% (2σ,下同),150Nd/144Nd优于0.010%,147Sm/152Sm优于0.010%。样品分析期间, 实测La Jolla的143Nd/144Nd值为0.511842±6, 各标准物质的同位素组成在误差范围之内均与推荐值一致。

3 地球化学特征

3.1 主元素

由表1可见, 石炭系巴塔玛依内山组火山岩样品SiO2含量为48.78%~52.14%, 在TAS图解(图3a)和Zr/TiO2-Nb/Y图解(图3b)中, 均落入玄武岩、玄武安山岩区域。TiO2含量普遍较低, 为0.86%~0.97%,具低钛特征, 明显不同于板内玄武岩(>2%)和洋中脊玄武岩(1.5%), 而与岛弧玄武岩(0.84%)[34]相似。K2O和K2O+Na2O含量较高, 分别为0.98%~3.93% (平均为2.16%)和2.95%~8.19%(平均为4.93%), K2O/Na2O值为0.49~1.04(平均为0.75), K2O-SiO2图解中(图3c), 钙碱性岩、高钾钙碱性岩和钾玄岩区均有分布; Al2O3含量中等, 介于11.99%~16.45%之间(平均为14.69%), 低于世界上典型的火山弧玄武岩[34]。Mg#总体较高, 介于47~68之间(平均为58)。在Hark图解中(图4), MgO含量与SiO2、CaO、TiO2含量呈正相关关系, 而与TFeO、P2O5和全碱(K2O+Na2O)呈负相关关系, 线性关系较为明显, 不仅反映了它们可能来自于统一的物源区, 同时也揭示了岩浆演化过程中伴有辉石、角闪石、长石、磷灰石和富钛矿物(如钛铁矿等)结晶分离作用的发生。

3.2 微量元素

样品Cr、Co、Ni和V含量普遍偏低, 在玄武岩中依次为45.7~401.7 μg/g(平均173.18 μg/g), 28.1~ 33.9 μg/g (平均32.30 μg/g), 19.3~82.9 μg/g (平均56.12 μg/g), 227~298 μg/g (平均249.3 μg/g)(表1), 并随MgO含量的降低而减少, 显示出岩浆在岩浆房内或上升途中曾经历了显著的单斜辉石结晶分离作用, 野外和镜下玄武岩中普遍存在的单斜辉石斑晶可对此给予更好的证实。在微量元素N-MORB标准化图解中(图5a), 火山岩样品表现出富集大离子亲石元素Sr、K、Rb、Ba、Th和亏损高场强元素Ta、Nb、Ti的特征, 这可能与岩浆源区混有一定壳源物质有关。曲线呈“前隆右倾”分布样式, 属强不相容元素富集型, 具典型的陆缘弧钙碱性火山岩特征[35–36]; 曲线形态相似, 表明它们的岩浆源区具有相似性, 暗示为同源岩浆演化的产物。

表1 东准噶尔地区石炭纪火山岩主元素(%)和微量元素(μg/g)分析结果

注: Mg#=100× Mg2+/(Mg2++Fe2+), (La/Nb)N为球粒陨石标准化值, 标准值据Sun.[30]

图3 TAS图解(据Le Maitre et al.[31])、Zr/TiO2-Nb/Y图解(据Winchester et al.[32])和K2O-SiO2图解(据Rickwood[33])

3.3 稀土元素

样品ΣREE偏低, 介于49.57~99.2 μg/g之间(平均71.57 μg/g, 表1), LREE/HREE和(La/Yb)N分别为3.22~4.88(平均4.10)和2.45~4.38(平均3.53), (La/Sm)N为1.16~2.18(平均1.76), (Gd/Yb)N为1.40~1.58 (平均1.49);Eu为0.87~1.28(平均1.07);Ce基本一致, 为0.94~0.96(平均0.95), 具微弱的负Ce异常; 稀土元素球粒陨石标准化分布模式(图5b)明显右倾, 属轻稀土富集型, Eu异常不明显或呈弱正异常, 明显区别于N-MORB和OIB火山岩, 而与典型岛弧型钙碱性火山岩分布模式曲线较为相似; 曲线形态基本一致, 也显示出同源岩浆演化特征。

图4 主要氧化物含量与MgO含量变异图

图5 微量元素N-MORB标准化图解(a)和稀土元素球粒陨石标准化图解(b)

N-MORB和球粒陨石标准化数据据Sun.[30]; WPB、CABM和CABI资料据Pearce[37]和张本仁[38]。WPB–板内玄武岩; CABM–陆缘弧钙碱性玄武岩; CABI–岛弧钙碱性玄武岩

N-MORB- and Chondriite-normalized values are from Sun.[30]; The data of WPB, CABM and CABI are from Pearce[37]and Zhang[38]

4 Sm-Nd等时线年龄

8个火山岩样品Sm、Nd同位素组成见表2。样品147Sm/144Nd为0.1510~0.1725, 变化较大,143Nd/144Nd为0.512730~0.512775, 变化较小。经ISOPLOT软件处理,8个样品点表现出良好的线性相关性(图6), 获得等时线年龄为(319.7±5.9) Ma, (143Nd/144Nd)i= 0.512414±0.000006, MSWD = 0.34。并依据获得的等时线年龄计算各个样品的(143Nd/144Nd)i和Nd(), 结果分别为0.512413~0.512414和3.66~3.68。同时考虑到样品147Sm/144Nd > 0.14,Sm/Nd为-0.23 ~-0.12, 采用两阶段模式年龄计算方法, 求得区内玄武岩的2DM为781~782 Ma, 与龙晓平等[21]计算结果基本一致, 远大于其等时线年龄(319.7±5.9) Ma, 结合较小的正Nd(), 可能指示了岩浆在(319.7±5.9) Ma之前曾在深部岩浆房内经历了壳-幔混合作用和Sm-Nd等同位素均一化过程。

5 讨 论

5.1 形成时代

目前对于东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩的形成时代的认识还有不小的分歧。前人多依据产于该套地层中的动植物化石及其与上下地层的接触关系而将其归并为早石炭世晚期—晚石炭世早期[25,39]。由于没有精确的年代学依据, 加上化石证据的不确定性, 具体的形成时限一直“扑朔迷离”。近年来, 一些学者[21,22,27,28,40]先后从岩石学、岩石地球化学的角度对巴塔玛依内山组火山岩形成的构造环境和成因进行了研究, 但具体形成时代均未涉及。最近, 一些学者[16,18,23,26]分别对东准噶尔不同地区的巴塔玛依内山组火山岩进行了锆石U-Pb精确定年工作, 但获得的年龄结果却存在较大差距。谭佳奕等[18]采样点位于巴塔玛依内山组建组地点——巴塔玛依内山一带, 代表了巴塔玛依内山组火山岩, 测试对象为其中粗面安山岩, 获得17 颗锆石的加权平均年龄为(350.0±6.3) Ma, 并结合该套火山岩上覆地层双井子组和石浅滩组中的晚石炭世早期的牙形石化石, 将其认定为早石炭世构造活动的产物; 张元元等[26]采样点位于扎河坝地区, 采取的火山岩地层是依据 1﹕20万邻区图幅对比而划定为巴塔玛依内山组的, 定年对象为其中的流纹岩, 获得11 颗锆石的加权平均年龄为(275.6±2.8) Ma, 并以此将该套火山岩重新划归为二叠纪乌拉尔世末期; 苏玉平等[23]样品采自于陆东-五彩湾地区钻孔2406.5 m深部的火山岩, 并依据古化石方面的资料和野外露头地层单元的横向连接对比而将该套火山岩确定为巴塔玛依内山组, 定年对象为其中的玄武岩, 测试结果较为复杂, 获得的25 颗锆石的谐和年龄大体分为6组, 即 (300.4±1.3) Ma、(339.2±2.7) Ma、(392.0±1.7) Ma、(453±6) Ma、(488±6) Ma和(510±7) Ma, 并认为(300.4±1.3) Ma代表了该套火山岩较晚阶段形成的年龄; 李玮等[16]样品采自三塘湖盆地南部边缘火山岩, 火山岩地层依据区域岩性组合对比而确定为巴塔玛依内山组, 定年对象为其中的安山岩, 获得的2个样品的锆石加权平均年龄分别为(328.9±1.0) Ma (13颗锆石)和(331.3±2.3) Ma (12颗锆石), 并认为(328.9±1.0)~(331.3±2.3) Ma代表了该套火山岩的成岩年龄。但具体分析发现, 谭佳奕等文中所附锆石阴极发光影像中部分锆石颗粒晶形较差, 呈浑圆状, 如HSJ-8-4-1和HSJ-8-4-12等, 显示出明显的继承性锆石特征; 并有证据显示, 巴塔玛依内山组火山岩具明显壳-幔混合源特征[21,22,28,40], 东准噶尔地区石炭纪火山岩中存有大量捕获的早期岩浆结晶锆石[23]以及区域上存有早石炭世以来准噶尔洋盆残余洋 壳[41–42]; 同时考虑到, 火山岩岩浆上升、冷却速度快, 容易捕获岩浆上升沿途围岩中的锆石。所以有理由相信, 区域上320 Ma左右火山喷发活动很可能会卷入部分早期岩浆活动的物质, 而谭佳奕等获得的(350.0±6.3) Ma很可能代表了这一事件的混合年龄。晚古生代是准噶尔地区构造体制的重要转折期, 构造岩浆作用强烈, 晚石炭纪—二叠纪火山岩普遍发育, 且规模较大。张元元等和苏玉平等样品分别采自扎河坝和陆东-五彩湾地区, 姑且不论用于定年的这些样品是否来自巴塔玛依内山组, 上述地区早二叠世或更晚时代的火山岩或侵入岩脉大量发 育[18,29,43,44], 而广泛的岩浆作用是否对这些岩石的锆石产生影响, 值得考虑。李玮等[16]的研究结果虽然与巴塔玛依内山组火山岩的真实成岩年龄较为接近, 但同样也需考虑定年样品采集层位、是否存在捕获的早期岩浆锆石及后期岩浆作用的影响等问题。

表2 东准噶尔地区石炭纪火山岩的Sm-Nd 同位素组成

注: 样号中标“*”者为玄武岩

图6 玄武岩全岩Sm-Nd等时线图解

Sm-Nd等时线法是20世纪70年代诞生的一种测年方法, 因其具有很高的封闭温度(≥700 ℃)和很强抗扰动能力而被广泛应用于地质年代学研究中, 是目前同位素地质年代学中常用定年方法之一[45]。但其应用条件近乎苛刻, 应用等时线定年时样品必须满足如下假设: (1)形成的时间应相同或非常相近; (2)物质来源具有同源性, 且形成前经历了均一化的初始同位素组成; (3)岩石形成以后始终保持着封闭体系; (4)测试样品中Sm/Nd比值差异应较为明 显[45–46]。本文样品采自巴塔玛依内山北侧, 卡拉麦里地区松喀尔苏附近, 岩石出露条件好, 横向可与巴塔玛依内山一带巴塔玛依内山组相连, 代表了巴塔玛依内山组火山岩。测试结果表明样品Sm/Nd、147Sm/144Nd差异较大,143Nd/144Nd变化较小,Nd()均大于0, 介于3.66~3.67之间, 明显区别于壳源成因火山岩, 而显示出亏损地幔源区的特征, 尽管较低的Nd()值暗示岩石在成岩之前可能曾发生过一定的壳-幔相互作用, 因为地幔楔熔融形成的岛弧型岩浆常具有这样的特征[47], 但近乎相同的Nd()、2DM以及相似的主元素、微量元素和稀土元素特征, 表明这一壳-幔作用不可能是由岩浆上升途中地壳物质的混染所引起, 更可能是岩浆源区混合的结果, 而且混合较为彻底, Sm-Nd同位素体系经历了完全的均一化, 并在后续岩浆演化中一直保持着好的封闭条件。因此, 本次测试的火山岩样品完全满足Sm-Nd等时线定年的前提。8个样品点表现出良好的线性相关性(图6), 获得的玄武岩全岩Sm-Nd等时线年龄为(319.7±5.9) Ma, 这不仅与整个准噶尔地区的区域地质构造背景相吻合, 也与来自大多古化石的证据基本一致, 应代表了东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩的形成年龄。

5.2 构造环境

东准噶尔地区发育多条蛇绿岩带, 卡拉麦里蛇绿岩带就是其中最为重要的一条, 被认为是晚古生代古亚洲洋北部重要分支洋盆的遗迹[3,20,48], 为古亚洲洋最后的闭合线之一[48]。但目前对卡拉麦里蛇绿岩带所代表的分支洋盆具体性质还有争议。已有的研究表明, 泥盆纪期间在西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块之间存在一个横跨新疆北部的古大洋, 肖序常等将其定名为准噶尔洋[3]。传统的观点认为卡拉麦里蛇绿岩带可与西准噶尔达拉布特蛇绿岩相连, 一起代表了该大洋洋壳的残片[3]。对此, 部分学者提出了异议, 指出卡拉麦里蛇绿岩带所代表的分支洋盆远非有如此大的规模, 而是仅局限于现今扎河坝-卡拉麦里构造带之间的一有限洋盆, 命名为卡拉麦里洋, 同为泥盆纪初期形成, 并具弧后盆地性质[19–20], 属前述准噶尔洋的一部分。以往建立于大准噶尔洋基础之上的学者, 多认为晚古生代古亚洲洋的演化是单极的北向俯冲消减和中亚造山带南向增生过程[49], 而忽略了扎河坝-卡拉麦里之间南向洋-陆相互作用构造体制的存在。近年来, 随着在扎河坝地区具岛弧性质的钾质玄武岩[50]、玻安岩[51]、埃达克岩[52–53]、富铌玄武岩[53–54]以及具超高压变质成因的石英菱镁岩、榴辉岩和石榴角闪岩[55–57]的相继发现, 人们逐渐意识到早泥盆世开始古亚洲洋不仅存在北向西伯利亚板块俯冲消减, 南向哈萨克斯坦-准噶尔板块的俯冲作用也同样存在[51–54,57], 并沿扎河坝-克拉玛依一线形成一条横贯东西准噶尔北缘的大洋板块超深俯冲带[57–58]。目前关于北向俯冲带相应的弧盆体系已被系统识别出来[52,59], 而南带还未见有明确的文献报道, 不过扎河坝地区下泥盆统托让格库都克组火山岩形成于岛弧环境[50], 以及卡拉麦里蛇绿岩所代表的洋壳具弧后盆地性质[19–20], 反映了南向俯冲带也确有与洋壳俯冲消减相关沟-弧-盆体系的存在。最近汪帮耀等[20]在卡拉麦里红柳沟地区获得蛇绿岩中辉长岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为(329.9±1.6) Ma, 不仅说明卡拉麦里蛇绿岩所代表的洋盆在这一时期还没有完全闭合, 洋中脊仍在活动并产生新的洋壳, 同时也揭示了早石炭世晚期卡拉麦里洋以北的古亚洲洋南向俯冲消减作用仍在继续。而东准噶尔地区大面积出露与造山后伸展相关的311~305 Ma碱性花岗岩[23]和具裂谷特征的早二叠世火山岩[43–44], 指示了陆-陆拼贴和造山作用的结束。由此看来, 东准噶尔地区古亚洲洋的最终闭合时间应在(329.9±1.6) Ma ~ 311 Ma之间的某个时间段。而对具体的洋-陆转换时限的界定, 形成于(319.7±5.9) Ma的巴塔玛依内山组火山岩构造环境的确定成为关键。

研究表明, 巴塔玛依内山组火山岩具玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合特征。玄武岩主元素具低TiO2、高Al2O3、高K2O及ALK的特点, 属高钾的钙碱性火山岩系。Nb、Ta丰度低, 分别为2.1~5.6 μg/g(平均3.4 μg/g)和0.16~0.42 μg/g (平均0.27μg/g)。微量元素MORB标准化蛛网图中大离子亲石元素Th、Rb、Ba和K富集强烈, 高场强元素Na、Ta和Ti亏损显著。ΣREE普遍较低, Eu和Ce异常不明显, 稀土元素球粒陨石标准化分布模式属轻稀土富集型。(143Nd/144Nd)i偏低,Nd()具较小的正值(3.66~3.67)。以上表明, 巴塔玛依内山组火山岩与典型火山弧型火山岩较为相似, 而与板内玄武岩存在明显的区别。

前人对巴塔玛依内山组火山岩也开展了一些研究, 岩石学和地球化学也表现出与本文相似的特征, 但对巴塔玛依内山组火山岩形成的构造环境的认识却存在着分歧, 多数学者倾向形成于造山后伸展环境[22–23], 也有部分认为形成于火山弧环境[16,21]。的确, 强烈的地壳混染作用也可使板内玄武岩表现出消减带火山岩的特征[34,36], 但东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩岩石类型复杂, 无明显“双峰式”组合特征, 也未见有辉长辉绿岩墙和岩脉群的伴生, 地球化学上属钙碱性火山岩系, 并具较低的Th/Ta、HFSE丰度和较高的Nd()以及较小的87Sr/86Sr和(143Nd/144Nd)i[16,21–23], 整体表现出与典型造山后伸展背景火山岩[34]明显不同的特征。同时考虑到, 该套火山岩具相当大的规模及其多期次喷发持续时间长的特点, 也可排除其形成于造山后初期伸展阶段的可能。

在构造环境判别图解中(图7a—图7d), 样品点全部落入火山弧和洋中脊火山岩区。通常弧后盆地火山岩兼具洋中脊和岛弧火山岩的特征[35]。那么东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩有可能产于弧后盆地环境。利用Tb-Th-Ta图解(图7e)进一步验证, 发现确有部分样品落入弧后盆地区, 尽管在岛弧和板内火山岩区也有相当的分布, 但多数聚集于三者的过渡区。在Zr/Y-Zr图解(图7f)中也表现出类似的特征, 也集中位于岛弧、洋中脊和板内三者的过渡区。研究表明, 弧后盆地早期张开阶段, 因岩浆源区可能受到包含地幔、俯冲板片和地壳在内的多种端员物质的影响, 常会形成类板内伸展减薄环境火山岩和岛弧火山岩, 之后随着扩张作用的持续和俯冲消减作用影响的减弱, 弧后盆地逐渐向成熟阶段发展, 并渐变到正常洋脊玄武岩[35,69,70]。以上表明, 东准噶尔巴塔玛依内山组火山岩确有可能形成于弧后盆地环境。为了对比起见, 将世界上一些典型的弧后盆地火山岩也落入3Tb-Th-2Ta图解(图7e)和Zr-Zr/Y图解(图7f)中, 结果显示, 巴塔玛依内山组火山岩投点范围与世界典型弧后盆地火山岩基本一致, 证实了巴塔玛依内山组火山岩形成于弧后盆地环境的认识。但其间有类板内伸展环境火山岩的产出, 暗示了该弧后盆地还是一个处于早期发展阶段的不成熟弧盆, 尽管洋脊岩浆活动已经开始。此外还发现, 北部扎河坝地区巴塔玛依内山组火山岩弧后盆地性质最为明显, 并显现出明显的N-MORB和岛弧过渡型火山岩特征; 中部卡拉麦里松喀尔苏地区表现为陆缘弧钙碱性火山岩性质; 南部近准噶尔板块腹地的陆东-五彩湾地区显示出部分板内火山岩特征, 并靠近E-MORB。这一趋势表明了, 早石炭世末期东准噶尔地区依然存在着古亚洲洋的南向俯冲作用, 卡拉麦里弧后盆地的发展是由北至南进行的。弧后盆地的形成通常是由于洋壳的俯冲引起岛弧后方地幔物质大量上隆并诱发弧后持续扩张的结果[35]。早石炭世晚期东准噶尔地区洋壳俯冲作用的存在, 说明其弧后扩张作用还在进行。扎河坝地区由于靠近俯冲带, 弧后扩张较早, 所以其火山岩弧后盆地特征最为明显; 而陆东-五彩湾地区远离俯冲带接近陆缘, 弧后扩张最晚, 岩石圈减薄有限, 正处于弧后盆地初期板内伸展裂陷阶段, 从而造成了部分学者将该区巴塔玛依内山组火山岩误认为形成于板内伸展环境; 卡拉麦里地区空间上介于扎河坝和陆东-五彩湾之间, 火山岩所表现出的陆缘弧特征实属前两类火山岩的过渡类型。

图7 东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩构造判别图解

图7a(据Pearce.[60])中: VAB–火山岛弧玄武岩; MORB–洋脊玄武岩; WPB–板内玄武岩。图7b(据Pearce.[60])中: A–岛弧拉斑玄武岩; B–岛弧和洋脊玄武岩; C–岛弧钙碱性玄武岩; D–板内玄武岩。图7c(据Wood[61])中: A–正常洋脊拉斑玄武岩; B–富集洋脊和板内拉斑玄武岩; C–板内碱性玄武岩; D–岛弧玄武岩。图7d(据Meschede[62])中: A1+A2–板内碱性玄武岩; A2+C–板内拉斑玄武岩; B–P型MORB; D–N型MORB; C+D–火山弧玄武岩。图7e(据Cabanis.[63]): N-MORB–N型洋脊玄武岩; E-MORB–E型洋脊玄武岩; OIB–洋岛玄武岩; TA–岛弧拉斑玄武岩; CA–岛弧钙碱性玄武岩; BA–弧前及弧后盆地玄武岩; TC–大陆拉斑玄武岩; AC–大陆碱性玄武岩。图7f(据Pearce.[64]): MORB–洋脊玄武岩; IAB–岛弧玄武岩。陆东-五彩湾数据据赵霞等[22]、吴小奇等[40]和毛治国等[28]; 扎河坝数据据龙晓平等[21]; Lau Basin数据据Tian.[65]; Bransfield Strait Basin数据据Keller.[66]; East Scotia Basin数据据Fretzdorff.[67]和Saunders.[68]

综上所述, 东准噶尔地区晚古生代区域构造演化远非单一的古亚洲洋北向俯冲和中亚造山带南向增生过程, 其表现更为复杂, 在北向俯冲的同时还存在南向的洋壳消减作用。早泥盆世初期直至320 Ma左右的持续南向俯冲造就了东准噶尔地区扎河坝下泥盆统托让格库都克组火山岩代表的岛弧和卡拉麦里蛇绿岩代表的卡拉麦里不成熟弧后盆地的生成。东准噶尔地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩就是该不成熟弧后盆地的产物。319.7 ~311 Ma由于中亚造山带持续南向增生并最终导致卡拉麦里弧盆北侧古亚洲洋的消亡, 进而迫使卡拉麦里弧盆北向消减而闭合。

5.3 成岩过程

如前所述, 巴塔玛依内山组玄武岩、玄武安山岩的形成是岩浆源区混合的结果, 其中较低的143Nd/144Nd和较高的Nd(), 说明其主要来源应为亏损的地幔物质。另外, 这些火山岩形成于与俯冲消减作用相关的弧后盆地环境, 岩浆源区还可能包含了俯冲洋壳、地壳物质及它们流体在内的多端员组分的贡献。研究表明, 消减沉积物一般具较高的Th含量, 较低的Ce/Th值(≈8)和Ba/Th值(≈111)[71]。而巴塔玛依内山组玄武岩和玄武安山岩Ce/Th值为5.2~16.4(平均10.19), Ba/Th值为67~213(平均127), 缺乏明显的负Ce异常, 因此可以排除消减沉积物熔体加入的可能[72–73]。同时, 低的Nb含量(2.1~5.6 μg/g, 平均3.4 μg/g)也与俯冲板片部分熔融产生的玄武质火山岩(Nb>7.0 μg/g)存在明显的不同[74–75]。另外, 高Ba/La值可用来作为表征流体来源于消减沉积物和玄武质洋壳的重要参数[76], La/Yb值被认为是判别熔体来源于消减板片的有效指标[77], 因此, 可以利用Ba/La-La/Yb图解来判别火山岩形成过程中是否存在消减洋壳及上覆沉积物的参与情况。在Ba/La-La/Yb图解中(图8), 除1个样品外, 其他火山岩样品均靠近亏损地幔而远离沉积物和俯冲板片熔体成分区, 也显示了与俯冲洋壳及消减沉积物关系不大的特点。但所表现出来的与壳-幔混合作用相关的火山弧火山岩岩石化学特征, 很可能暗示了它们的成岩过程是：古亚洲洋持续南向俯冲, 导致了岛弧后方卡拉麦里地区幔源物质大量上隆并引起弧后扩张; 消减沉积物和(或)俯冲洋壳因变质脱水而产生流体, 诱使上覆地幔楔物质发生部分熔融形成玄武质岩浆, 并不断底侵至壳幔边界, 加热下地壳, 引发少量主体由不同古生代残余洋壳和岛弧体系组成的年轻地壳物质[79]的部分熔融, 并发生相互较完全的混合和Sm-Nd同位素组成的均一化作用; 而后, 随着混合岩浆的不断聚集和构造伸展作用的进一步持续, 岩浆沿构造薄弱带快速上升至地表, 喷发成岩。

图8 Ba/La-La/Yb图解(据朱弟成等[78])

6 结 论

(1)东准噶尔卡拉麦里地区巴塔玛依内山组玄武岩属高钾钙碱性火山岩系, 微量元素和稀土元素特征相似, (143Nd/144Nd)i变化幅度小,Nd()和2DM近乎相同, 具同源岩浆演化特征和好的封闭条件, Sm-Nd全岩等时线年龄为(319.7±5.9) Ma, 代表了东准噶尔巴塔玛依内山组火山岩的形成时代。

(2)准噶尔地区晚古生代区域构造背景复杂, 位于西伯利亚板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块之间的古亚洲洋存在双向俯冲消减过程, 两侧相应弧盆体系发育。南带位于扎河坝-克拉玛依一线, 俯冲作用自早泥盆世初期开始, 并至少延续至(319.7±5.9) Ma。持续的南向俯冲造就了东准噶尔地区扎河坝下泥盆统托让格库都克组火山岩代表的岛弧和卡拉麦里蛇绿岩代表的卡拉麦里不成熟弧后盆地的生成。东准噶尔地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩就是该过程不成熟弧后盆地的产物。319.7 ~311 Ma由于中亚造山带持续南向增生并最终导致卡拉麦里弧盆北侧古亚洲洋的消亡, 进而迫使卡拉麦里弧盆北向消减而闭合。

(3)巴塔玛依内山组玄武岩、玄武安山岩的形成是岩浆源区以亏损地幔物质为主的壳-幔岩浆混合的结果。其成因与晚古生代古亚洲洋南向俯冲密切相关。成岩过程可能是：古亚洲洋持续南向俯冲, 导致了岛弧后方卡拉麦里地区幔源物质大量上隆并引起弧后扩张; 消减沉积物和(或)俯冲洋壳因变质脱水而产生流体, 诱使上覆地幔楔物质发生部分熔融, 形成的玄武质岩浆上移并不断底侵至壳幔边界, 引起少量主体由不同古生代残余洋壳和岛弧体系组成的年轻地壳物质部分熔融生成岩浆, 并发生相互混合, 而后随着混合岩浆的不断聚集和构造伸展作用的进一步持续, 岩浆沿构造薄弱带快速上升至地表, 喷发成岩。

(4)东准噶尔地区巴塔玛依内山组火山岩岩浆来源以幔源物质为主, 成矿物质基础优越, 具备与消减带相关的多金属矿床的产出条件, 找矿前景值得期待。

野外工作期间得到了武警黄金第八支队的帮助和支持; 薄片鉴定工作得到了武警黄金地质研究所张勇高级工程师的帮助; 评审专家及编辑部老师对本文提出了重要的修改意见和建议, 在此一并致以衷心的感谢。

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Whole-rock Sm-Nd isochron age of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar and its tectonic significance

ZHANG Feng1,2*, XU Tao2, FAN Jun-jie2, PAN Ai-jun2, WANG Bin2and CHAO Yin-yin2

1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Gold Geological Institute of CAPF, Langfang 065000, China

The volcanic rocks from Carboniferous Batamayineishan formation in eastern Junggar basin, widely distributed with huge scale, have long been debated on the formation age and tectonic setting. Petrological, petrogeochemical and Sm-Nd isotopic geochemical characteristics indicate that the basalts and basaltic andesites of the formation are of high-K calc-alkaline volcanic series, with similar characteristics of trace elements and REE and similar values of (143Nd/144Nd)i,Nd() and2DM, suggesting that they have homologous magmatic evolution features and good enclosed conditions. The basalt whole rock isochron age by Sm-Nd isochron dating method is (319.7±5.9) Ma, with (143Nd/144Nd)i= 0.512414±0.000006, MSWD = 0.34, which is consistent with the regional tectonic background and the existing fossil evidence. It is represents the volcanic rock formation age. Paleoasian Ocean between the Siberian and Kazakhstan-Junggar plates existed bidirectional subduction process. Southward subduction zone located along Zhaheba-Karamay, the subduction continued until at least (319.7±5.9) Ma. The continued southward subduction created an island arc that represented by Tuoranggekuduoke formation volcanic rocks and the Kalamaili immature back-arc basin that represented by Karameh ophiolite on Lower Devonian of Zhaheba in the East Junggar. The East Junggar Carboniferous Batamayineishan formation volcanic rocks are the products of immature back-arc basin, and the diagenetic mechanism may be that the subduction of the PaleoAsian Ocean trigger the evolvement of a large amount of mantle material in Kalamaili, and dehydration partial melting of subducted sediments and/or oceanic crust, the generated basaltic magmas constantly underplated to the crust-mantle boundary and heated the lower crust and triggered the formation of small amount of magmas by partial melting of young lower crust which was mainly composed of Paleozoic remnant oceanic crust and arc complex. The two types of magma mixed. Thereafter, as the mixed magma continued to gather and tectonic extension in further sustained, part of them removed upward along the structural belt, and erupted. During 319.7–311 Ma, continued southward accretion eventually led to the closure of the Paleoasian in the north side of Karameh back-arc basin, and consequently forced the northward subduction and closure of Karameh back-arc basin.

volcanic rocks; Sm-Nd isochron age; back-arc basin; Carboniferous; Batamayineishan Formation; eastern Junggar

P597

A

0379-1726(2014)03-0301-16

2013-01-29;

2013-04-20;

2013-04-24

国土资源部地质矿产调查专项评价项目(1212010913028, 1212011085018)

张峰(1977–), 男, 博士研究生、工程师, 成矿规律与成矿预测专业。

ZHANG Feng, E-mail: zf75738635@163.com; Tel: +86-316-5909516