西昆仑柯岗蛇绿岩地质地球化学特征及构造意义

黄朝阳, 王 核, 刘建平, 胡 军, 慕生禄, 丘增旺

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室, 湖南 长沙 410083)

0 引 言

西昆仑地区出露多处蛇绿岩, 从北往南发育奥依塔格、柯岗、库地、他龙及苏巴什等蛇绿岩, 这些蛇绿岩组成了青藏高原“第五缝合带”[1]。蛇绿岩的构造环境分析是对青藏高原北缘的地质组成、板块块构造格局恢复、造山演化及成矿作用的关键, 是多年来地质学家的研究热点[2–5]。

柯岗蛇绿岩是西昆仑构造单元重要组成部分。前人根据其镁铁-超镁铁岩、火山岩及火山碎屑岩岩石组合划分为柯岗蛇绿岩[6–9]。在“第五缝合带”中, 研究程度最高的是库地蛇绿岩, 但其形成年代从元古代-中新生代, 均有学者提出观点; 其构造背景有大洋盆地、弧前,岛弧, 弧后盆地等, 存在较大争议[10–15]。蛇绿岩及花岗岩的研究, 通常是解决西昆仑地区以及青藏高原北部早古生代构造演化的关键。肖序常等[14]认为库地蛇绿岩形成于早古生代, 为原特提斯洋提供了年龄证据, 潘裕生则通过花岗岩地球化学特征, 肯定了西昆仑地区加里东期岩浆活动[4,11]。

本文通过对柯岗蛇绿套进行野外地质特征、岩石学特征分析及室内地球化学、锆石LA-ICP-MS测定了该蛇绿岩的形成时代, 为分析柯岗蛇绿岩构造背景及探讨西昆仑构造演化提供依据。

1 区域地质概况

西昆仑山地区地质构造复杂, 存在多条缝合带和多个地体[1,2,8,16–18]。由北向南为: 北昆仑地体、奥依塔格-柯岗-库地-苏巴什缝合带、南昆仑地体、麻扎-康西瓦-木孜塔格缝合带, 塔什库尔干-甜水海地体、阿塔西-乔尔天山缝合带、喀喇昆仑-羌塘地体(图1a)。这些缝合带不仅控制了西昆仑构造格局, 且对西昆仑地区构造演化及矿产分布有重要影响。

北昆仑地体北接塔里木盆地, 南以奥依塔格-柯岗-库地-苏巴什缝合带为界(第五缝合带), 出露蓟县系地层及奥陶系和石炭系地层, 发育塔木铅锌矿, 卡兰古铅锌矿等大中型砂砾岩型铅锌矿; 南昆仑地体位于奥依塔格-柯岗-库地-苏巴什缝合带和麻扎-康西瓦缝合带之间, 该地体以出露中元古界地层和大量加里东期花岗岩为特征。毕华等认为该带花岗岩形成于岛弧环境, 并对原特提斯洋的向南或者向北消减, 指出在志留纪末期, 西昆仑地区原特提斯洋俯冲消减并发生碰撞, 形成了一系列同碰撞同造山花岗岩类[19]。

柯岗蛇绿岩出露于塔什库尔干县大同乡栏杆村一带, 北西-南东向展布, 受奥依塔格-柯岗-库地-苏巴什缝合带控制。从北西往南东依次沿中元古界库浪那古岩群和下中奥陶统地层不整合面, 加里东期花岗岩与元古宙花岗岩以及加里东期花岗岩、中元古界库浪那古岩群接触带展布。

2 柯岗蛇绿岩地质特征

柯岗蛇绿岩位于塔什库尔干县大同乡栏杆村,地理坐标 37°41′39″N, 76°16′42″E。岩性主要为蚀变橄榄岩、蚀变方辉橄榄岩和辉长岩。蚀变橄榄岩分布于中部(图 2), 岩石发生强烈的蛇纹石化, 具次生纤维状结构, 块状构造, 组成矿物完全被蛇纹石(纤维状, ＜0.3 mm, 微显定向性)取代, 原矿物为粒状橄榄石。蚀变方辉橄榄岩分布于橄榄岩南北两侧, 岩石具次生鳞片粒状结构, 块状构造, 局部被后期花岗质脉体穿插而呈角砾状。主要矿物为滑石 40%～70%(平均 55%), 蚀变辉石; 菱铁矿 20%～60%(平均40%); 蛇纹石 1%～10%, 鳞片状, ＜0.1 mm, 蚀变橄榄石。橄榄岩外侧多与辉长岩接触, 接触面上见斜长花岗岩脉贯入或呈断层接触关系, 主要矿物成分为石英和斜长石。该斜长花岗岩分布辉长岩分布密切, 可能为辉长岩结晶分异晚期的产物, 片理化产状: 235°65°∠。部分变橄榄岩等超基性岩成囊状、透镜状分布于辉长岩、花岗闪长岩中; 花岗闪长岩与辉长岩呈断层接触, 可能与西侧大同岩体为同期,成岩时代应晚于橄榄岩及辉长岩。

辉长岩岩石较新鲜, 灰绿色-黑绿色, 岩石具有辉长结构, 块状构造。主要矿物由辉石及斜长石组成, 其中辉石 45%～65%(平均 56.6%), 半自形短柱状, 大小0.4 mm×0.25 mm～1.3 mm×0.8 mm; 斜长石30%～60%(平均42%); 次要矿物可见少量角山石、磁铁矿(图3)。

3 测试方法

岩石主元素、微量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。主元素使用PANalytical Axios-advance型XRF完成, 精度优于 5%; 微量元素使用 Perkin-Elmer Sciex ELAN DRC-e型ICP-MS完成, 具体分析流程见刘颖等[20]。

图1 西昆仑构造分区图(a)及西昆仑柯岗一带地质略图(b) (据1∶25万区调资料简绘)Fig.1 Geological map of the Kegang region in West Kunlun

采集辉长岩(样号 824-3C)约 4 kg, 用于锆石U-Pb年龄测定。样品选取新鲜岩石, 经过人工破碎成约 80目, 将粉末用清水淘洗, 得到重砂部分, 再经过电磁选分离出锆石, 在双目镜下挑选出颗粒完整、无裂隙、透明度好的锆石。阴极发光在中国科学院广州地球化学研究所 JXA-8100电子探针分析仪采集图像, 锆石分析结果在中国科学院广州地球化学研究所完成, 采用标准锆石TEM (417 Ma)作为标样, 数据处理采用 ICPMSDataCal计算, 最后经ISPLOT 3.0完成协和图及加权平均年龄[21–22]。

4 岩石地球化学特征

4.1 主元素特征

图2 西昆仑柯岗蛇绿岩实测地质剖面图Fig.2 The geological section of the Kegang ophiolite in West Kunlun

图3 辉长岩及橄榄岩野外及显微照片(Aug辉石, Pl斜长石)Fig.3 Outcrop and microphotographs of gabbro in the Kegang ophiolite

主元素烧失量除 824-1A(5.35)较大外, 其余介于2.01%～2.67%之间(表1), 说明岩石具有一定程度的风化, 而824-1A风化程度较强。柯岗辉长岩SiO2分布范围为 43.65%～49.29%, 属于基性岩范畴;MgO含量在6.02%～13.17%, 除824-3C外2.50, TiO2含量变化为 0.48%～0.89%, 具有岛弧拉班玄武岩特征(0.8%)[23]; Al2O3为1.25%～16.11%, Fe2O3T范围较广, 8.18%～18.06%, MgO 为 6.02%～13.17%, Mg#值范围为 43.7～74.0, 平均为 63.6; 岩石总体表现为富Na(平均为2.54%), 低K(平均为0.43%)特征。

在TAS分类图解上(图4), 柯岗辉长岩主要落在辉长岩区域, 与野外及镜下观察一致。

4.2 微量及稀土元素特征

柯岗辉长岩稀土元素总量较低, ∑REE范围为45.45～12.12 μg/g, 球粒陨石标准化的REE分布模式(图 5)显示, 一个样品显示轻稀土的富集, 3个样品显示轻稀土略亏损特征, (La/Yb)N比值为0.45～6.18,总体具有轻稀土亏损和富集两种分布模式。轻稀土亏损样品中, Eu*为正异常, 平均为 1.34, 显示该辉长岩样品经历较低程度的岩浆分异结晶作用; 轻稀土富集样品中, 该分布模式反映岩浆形成过程中岩浆分离结晶程度较高, 可能为岩浆后期产物, 同时Eu*为0.86, 也反映该样品中斜长石的分离结晶作用强。在 N-MORB(大洋中脊玄武岩)标准化微量元素蛛网图显示, 柯岗辉长岩具有富集Rb、Sr大离子亲石元素(LILF), 亏损 Nb、Ta、Th 高场强元素(HFSE)。该样品在原始地幔标准化微量元素蛛网图分布模式具有一致性, 指示样品具有同一岩浆来源, 为岩浆分异结晶作用先后产物。

图4 柯岗蛇绿岩中辉长岩TAS图解[24]Fig.4 TAS diagram of gabbro in the Kegang ophiolite

表1 柯岗蛇绿岩中辉长岩主元素(%)和微量元素(μg/g)含量Table 1 Major (%) and trace element (μg/g) components of gabbro in the Kegang ophiolite

玄武岩类构造环境判别图广泛应用于辉长岩构造环境判别中。在Nb-Zr-Y图解(图6a)中, 柯岗辉长岩落入板内玄武岩和火山弧玄武岩中; 在TiO2-MnOP2O5图解(图6b)中, 柯岗辉长岩落入岛弧钙碱性玄武岩和岛弧拉班玄武岩中; 在 Hf-Th-Nb图解(图 6c)中均落在岛弧火山岩及靠近区域。

5 辉长岩锆石U-Pb年代学

蛇绿岩中辉长岩锆石 U-Pb年龄一般代表古洋盆扩张时代, 是确定蛇绿岩形成年龄的优选方法之一。为了厘定柯岗蛇绿岩形成时代, 选取出露在栏杆村附近的辉长岩(824-3C)锆石进行 LA-ICP-MS年代学测试。锆石整体晶型完整, 多数为长柱状, 大小差别较大,长为 100～190 μm, 长短向之比约为 3∶1～2∶1, 锆石无色透明。阴极发光图像中, 锆石发育典型的震荡环带结构或扇形结构, 为典型的岩浆锆石(图7)。

本次共测定22颗锆石。锆石Pb含量为54.77～143.86 μg/g, Th含量为249.98～769.59 μg/g, U含量在580.48～1519.13 μg/g, Th/U 范围为 0.28～0.67(表 2),显示出岩浆锆石特征。22颗锆石206Pb/238U加权平均年龄为(488.8±2.6) Ma, MSWD = 0.81 (图 8), 代表柯岗蛇绿岩套中辉长岩结晶年龄。

6 讨 论

图5 柯岗辉长岩稀土元素球粒陨石标准化图解和微量元素N-MORB标准化图解(据Sun et al.[25])Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and N-MORB-normalized trace element patterns of gabbro in the Kegang ophiolite (after Sun et al.[25])

图6 柯岗辉长岩构造环境判别图解(三角数据来源于尹得功等[26])Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams for the gabbro in the Kegang ophiolite

图7 柯岗辉长岩(样号824-3C)锆石阴极发光图像Fig.7 Cathodoluminescence (CL) images of zircons for gabbro in the Kegang ophiolite

西昆仑经历了漫长而复杂的地质演化, 其过程受众多地质学者关注[12]。由于复杂的地质运动及强烈的造山及剥蚀作用, 西昆仑地区缺失太古宇地层记录; 在元古宙时期, 昆仑山地区南北均有元古宇地层大量出露, 标志西昆仑陆核形成。西昆仑地区早古生代构造演化以蛇绿岩及花岗岩属性为关键, 肖序常[14]通过对库地蛇绿岩中石英辉长岩锆石 SHRIMP 测年并得到 510 Ma年龄, 是证明原特提斯洋盆发育于早古生代早期的重要依据;原特提斯洋在奥陶纪发生俯冲消减, 形成以大同岩体为代表的大量岛弧花岗岩; 奥陶纪末期, 原特提斯洋两侧大陆碰撞, 形成一系列同碰撞-后碰撞花岗岩[19,30]。

6.1 形成时代

青藏高原“第五缝合带”最先由潘裕生[1]提出,但关于第五缝合带形成的年龄, 一直存在较大的争议。由于使用的地质测年方法、对象不同以及该地区地质复杂, 库地蛇绿岩形成时代从古元古代、新元古代至早古生代、晚古生代均有学者提出。

潘裕生[1]认为该缝合带形成于震旦纪至奥陶纪(800～450 Ma), 邓万民[12]通过研究库地蛇绿岩的地质特征, 认可该缝合带的存在, 提供了地质证据,并从 Sm-Nd年龄与库地北侧的侵入岩年龄的对比,认为库地蛇绿岩形成于6900～4800 Ma。张传林等[31]对侵入于库地蛇绿岩纯橄榄岩中伟晶辉长岩做了锆石 SHRIMP 测年, 测得其年龄值为(525.0±2.9) Ma,库地蛇绿岩的形成年龄应早于这个年龄。肖序常等[14]对该蛇绿岩中石英辉长岩进行了锆石SHRIMP测年, 给出了510 Ma的锆石年龄。认为库地蛇绿岩形成于晚古生代也有充分的证据, 姜春发等[18]得到全岩Rb-Sr等时线年龄为359 Ma, 而周辉等[32]及方爱明等[33]在库地蛇绿岩中硅质岩和复理石建造中,发现了早古生代和晚泥盆世-早石炭世的生物化石。在库地蛇绿岩北部的柯岗蛇绿岩, 其研究程度较低,董连慧等[34]通过辉长岩3组锆石U-Pb年龄的测定,认为辉长岩形成时代大于757 Ma。

表2 柯岗辉长岩锆石LA-ICPMS U-Pb定年结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic analyses of gabbro in the Kegang ophiolite

图8 柯岗辉长岩锆石U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄图Fig.8 Zircon U-Pb concordia diagram of gabbro in the Kegang ophiolite

本文通过柯岗辉长岩锆石 LA-ICP-MS的测定,确定柯岗蛇绿岩中辉长岩形成年龄为(488.8±2.6) Ma,为西昆仑原特提斯洋形成年代提供了年龄证据。

6.2 构造意义

自发现青藏高原“第五缝合带”后, 关于西昆仑地区蛇绿岩所形成的构造背景, 国内外学者用不同方法进行了大量的研究, 也得出了不同的结论, 包括大洋环境、岛弧、弧后盆地及过渡环境等。

邓万民[12]根据库地蛇绿岩系统的地质产状特征和岩石地球化学、同位素研究, 认为库地蛇绿岩形成于大洋环境; 杨树锋等[35]通过库地基性熔岩及堆晶辉长岩地质、地球化学特征分析, 也认为其形成环境为成熟大洋盆地。肖序常等[14]认为库地蛇绿岩主体可能来自上地幔的部分熔融, 喷溢于大洋或洋盆环境, 但遭受后期消减俯冲、洋壳重熔混染作用的影响。

许多学者认为库地蛇绿岩形成于俯冲带(SSZ),包括弧前、岛弧及弧后盆地。王志宏等[36–37]根据库地方辉橄榄岩、二辉石玄武岩具有低 Al、高 Cr*及富Rb、Ba、U、Th、LREE等特征, 认为库地蛇绿岩形成于消减带之上的弧间或弧后盆地。方爱民等[38]则根据库地蛇绿岩中基性火山岩地球化学具有大洋岛弧和成熟洋中脊火山岩特征, 认为库地蛇绿岩形成于成熟大洋中的岛弧环境。肖文交等[39–40]通过对库地一带的构造特征以及对蛇绿岩不同单元的地球化学研究, 认为它属于早古生代叠加于消减带之上的弧间或弧后盆地蛇绿岩。尹得功等[26]通过玄武岩地球化学特征分析, 认为柯岗蛇绿岩形成于弧后盆地或破坏性大陆边缘小洋盆快速拉张环境。

玻安岩形成于板块消减和弧后盆地, 袁超等[41]在库地蛇绿岩带依莎克群火山岩中发现玻安岩, 并认为库地蛇绿岩形成于弧前环境。王元龙等[42]认为,在蛇绿岩中, LREE亏损型基性火山岩可能来源于亏损的洋壳地幔源区, LREE富集型基性火山岩则来源于富 LREE流体交代的地幔源区, 两种地区化学特征同时出现的构造环境多为岛弧和弧间盆地环境,并指出库地蛇绿岩应形成于靠近岛弧的弧后盆地-岛弧-弧间盆地过渡性构造环境。

柯岗蛇绿岩中辉长岩岩石(La/Yb)N范围为0.45～6.18, 同时具有轻稀土亏损和轻稀土富集两种分布模式, 且微量元素Nb、Ta具有岛弧特征的强烈亏损。在玄武岩Nb-Zr-Y图解中, 柯岗辉长岩落入板内玄武岩和火山弧玄武岩中; 在 TiO2-MnO-P2O5图解中, 柯岗辉长岩落入岛弧钙碱性玄武岩和岛弧拉班玄武岩中; 在 Hf-Th-Nb落入上均落在岛弧火山岩及靠近区域。通过柯岗蛇绿岩中辉长岩地球化学特征和构造环境判别图解, 结合前人资料, 认为柯岗蛇绿岩形成环境为岛弧或者弧前环境。

7 结 论

(1) 柯岗辉长岩 SiO2分布范围从 43.65%～49.29%, 属于基性岩范畴, MgO 范围较大 6.02%～13.17%; 微量及稀土元素特征显示, 柯岗辉长岩同时具有岩浆分异结晶先后产物。

(2) 根据柯岗辉长岩锆石 LA-ICP-MS测年, 确定柯岗蛇绿岩中辉长岩形成年龄为(488.8±2.6) Ma,为西昆仑原特提斯洋形成年代提供年龄证据。

(3) 柯岗蛇绿岩中辉长岩地球化学特征和构造环境判别图解, 结合前人资料, 认为柯岗蛇绿岩形成环境为岛弧或者弧前环境。

本文得到两位匿名审稿专家认真负责的修改,并得到建设性意见, 表示衷心的感谢！野外工作得到新疆塔什库尔干县大同乡政府、派出所的帮助; 主元素和微量元素测试分别得到中国科学院广州地球化学研究所刘颖高级工程师和胡光黔高级工程师的帮助; 锆石分析得到涂湘林高级工程师及其课题组人员的帮助。在此表示诚挚的谢意！

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