北山南带音凹峡地区酸性火山岩年代学、地球化学研究: 二叠纪裂谷岩浆作用的新证据

郑荣国, 王云佩, 张昭昱, 张　文 孟庆鹏, 吴泰然*(.中国地质科学院 地质研究所, 北京 0007; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 新疆矿产资源研究中心, 新疆 乌鲁木齐 800; .北京大学 地球与空间科学学院, 造山带和地壳演化教育部重点实验室,北京0087; .吉林省有色金属地质勘查局60队, 吉林 桦甸 200)

北山南带音凹峡地区酸性火山岩年代学、地球化学研究: 二叠纪裂谷岩浆作用的新证据

郑荣国1,2,3, 王云佩4, 张昭昱3, 张文1, 孟庆鹏3, 吴泰然3*
(1.中国地质科学院 地质研究所, 北京 100037; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 新疆矿产资源研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830011; 3.北京大学 地球与空间科学学院, 造山带和地壳演化教育部重点实验室,北京100871; 4.吉林省有色金属地质勘查局604队, 吉林 桦甸 132400)

北山造山带位于中亚造山带南缘中段地区, 是中亚造山带、塔里木克拉通和华北克拉通的构造结合部。年代学资料表明北山南带晚古生代存在一期重要的岩浆活动, 所形成的岩石类型包括了镁铁‒超镁铁质杂岩、花岗岩类以及酸性火山岩。音凹峡地区位于北山南带, 该地区广泛分布着厚度巨大的二叠系。这套地层主要是由酸性火山岩及火山碎屑岩组成, 流纹岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为273±1 Ma, 为早二叠世。针对音凹峡地区酸性火山岩的地球化学研究发现,其具有高 SiO2、K2O+Na2O、Al2O3含量、低 Fe2O3T、MgO、P2O5含量; 富集轻稀土元素, 重稀土元素无分异, 具有明显的Eu负异常; 微量元素方面, 酸性火山岩富集Cs、Rb、Th、U、Zr和Hf等元素, 而相对亏损Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti等元素。酸性火山岩的锆石εHf(t)值为‒6.0～3.9, 具有较老的Hf同位素模式年龄, tDM2=1046～1669 Ma。音凹峡酸性火山岩的地球化学证据表明这套火山岩系可能由中‒新元古代壳源岩石部分熔融形成, 并与幔源岩浆进行了不同程度的混合,之后发生了分离结晶作用。综合音凹峡地区同时代镁铁质岩石、花岗岩类的研究成果, 以及该地区二叠系沉积建造及火山岩特征分析可知, 北山南带在早二叠世应处于大陆裂谷的构造背景。

北山; LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄; 酸性火山岩; 大陆裂谷

0　引　言

中亚造山带(CAOB)是世界上著名的增生型造山带, 以强烈壳幔相互作用以及大规模陆壳增生为显著特征(Sengör et al., 1993; Jahn et al., 2000; Kovalenko et al., 2004; Windley et al., 2007; 李锦轶等, 2013)。已有研究表明, 中亚造山带是通过一系列的前寒武纪微陆块、蛇绿混杂岩带、岛弧、陆缘弧、增生杂岩、洋岛以及被动大陆边缘沉积物聚合而成,记录了古亚洲洋长达数亿年的演化历史, 反映出复杂的俯冲增生过程(Windley et al., 2007; Xiao et al., 2009, 2013; Han et al., 2011), 显生宙以来, 年轻的亏损地幔物质的加入也使得中亚造山带在垂向上发生了大规模的陆壳生长(Jahn et al., 2004)。

北山造山带位于中亚造山带南缘中段地区, 向西与天山造山带相连, 被认为是天山造山带向东的延伸(图 1a, 左国朝和何国琦, 1990; Xiao et al., 2010)。近年来, 关于北山造山带的造山作用机制取得了一些新认识(Xiao et al., 2010; Su et al., 2011b; Li et al., 2013; Song et al., 2013; 贺振宇等, 2014),特别是针对北山南带的晚古生代岩浆活动的研究,积累了很多新的年代学、地球化学资料, 学者们提出了很多新的观点: 有的学者认为北山南带西段坡北地区红石山等镁铁–超镁铁质杂岩具有阿拉斯加型杂岩的地球化学特征, 形成于古亚洲洋的俯冲过程, 代表着北山地区晚古生代(281 Ma)的岛弧环境(Xiao et al., 2004; Ao et al., 2010); Mao et al. (2012)将北山裂谷带中部的柳园地区镁铁质岩石解释为弧前蛇绿岩的组分, 形成于俯冲环境, 辉长岩 LAICP-MS锆石U-Pb 年龄为286±2 Ma, 以此说明北山地区的古亚洲洋在早二叠世仍然存在(Mao et al., 2012); 另一部分学者则认为北山以及东天山地区晚古生代的镁铁质岩石、长英质火山岩是陆内岩浆作用的产物, 并认为其成因与二叠纪的地幔柱岩浆活动有关(Zhou et al., 2004; Qin et al., 2011; Su et al., 2011a, 2012a)。还有一种观点则认为北山地区的镁铁–超镁铁质岩石和花岗岩类的成因与陆内伸展环境下(如后碰撞、裂谷等环境)岩石圈拆沉和软流圈地幔上涌所引起的岩浆活动有关(Zhang et al., 2011; Li et al., 2013; Zheng et al., 2014)。

图1　中亚造山带(a, 据Şengör et al., 1993; Jahn et al., 2000)、北山南带及其邻区(b, 修改自王洪亮等, 2007)、北山南带音凹峡地区地质简图(c), 以及音凹峡地区二叠纪地层柱状图(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)

岩浆岩类年代学统计结果表明石炭纪末–二叠纪是北山南带岩浆活动的重要时期(Qin et al., 2011; Zheng et al., 2014), 以出现大量花岗岩类、镁铁–超镁铁质岩石和酸性火山岩为特征。已有学者针对花岗岩类和镁铁质岩石进行了研究, 而对酸性火山岩的研究则较少, 但该地区同时代火山岩的形成机制对于认识北山南带晚古生代的构造演化同样具有重要的意义。本文选择了音凹峡地区二叠系中的酸性火山岩进行了年代学和地球化学研究, 并结合前人同时代镁铁质岩石和花岗岩类的研究成果, 综合讨论北山南带晚古生代的构造背景以及演化过程。

1　区域地质概况

北山地区自北向南分布有三条近东西向蛇绿岩带, 分别为: 红石山蛇绿岩带, 石板井–小黄山蛇绿岩带以及红柳河–牛圈子–月牙山蛇绿岩带。以石板井–小黄山蛇绿岩带和红柳河–牛圈子–月牙山蛇绿岩带为界, 北山地区自北向南大致可以分为三个构造带, 依次为北山北带, 北山中带以及北山南带。北山南带位于牛圈子–月牙山蛇绿岩带以南的区域,其南部地区被中–新生界所覆盖(图1b)。北山南带自北向南可分为三个构造单元, 分别为马鬃山地块、柳园–音凹峡构造带和石板山地块。马鬃山地块的前寒武纪结晶基底主要由中–新元古界前长城系敦煌群花岗–变质岩、长城系陆源碎屑岩和变质火山岩夹碳酸盐岩、蓟县系和青白口系硅镁质碳酸盐岩和陆源碎屑岩构成, 并且在该前寒武系中东西向线状分布着一系列的古冰成岩(左国朝和何国琦, 1990)。柳园–音凹峡构造带主要是由元古宇–上古生界、花岗岩类及镁铁–超镁铁质杂岩组成。其中, 石炭系–二叠系分布最为广泛, 该套地层主要是由中酸性火山熔岩、火山碎屑岩和碎屑岩等组成。其中, 火山岩表现出双峰式的特征(Su et al., 2011b)。该带的镁铁–超镁铁质杂岩及相伴生的火山岩的年龄分布在286～ 260 Ma(Qin et al., 2011; Su et al., 2011a; Zhang et al., 2011), 而花岗岩类研究则表明其主要形成于晚古生代(张文等, 2010, 2011; 冯继承等, 2012)。该带以南的区域为石板山地块, 该地块通常被认为是敦煌地块延伸至北山造山带的一部分(左国朝和何国琦, 1990), 是敦煌地块古生代的活动大陆边缘(Xiao et al., 2010), 也有研究认为石板山地块的基底为古元古代晚期–中元古代, 而敦煌地块的基底为太古宇–古元古界, 两者明显不同, 石板山地块应为一单独的微陆块(姜洪颖等, 2013; He et al., 2014; 贺振宇等, 2014)。

音凹峡地区位于柳园–音凹峡构造带的东段,该地区广泛分布有二叠系(图 1c), 该地区二叠系可分为三个岩组, 下岩组是一套火山碎屑岩建造, 岩石类型以中酸性、酸性火山角砾岩、集块岩、角砾熔岩、熔岩为主, 夹凝灰岩、凝灰质砂岩, 局部有灰岩沉积, 沉积特征表现出海陆交互的特点。中岩组则以酸性火山熔岩为主, 夹火山碎屑沉积岩、沉积岩, 岩石类型主要为流纹岩(流纹斑岩)、流纹英安岩,部分英安岩及中酸性凝灰岩、角砾熔岩、凝灰质砂岩。上岩组则是一套火山碎屑岩–碎屑岩建造, 表现为凝灰质砂砾岩、砂岩、流纹英安质凝灰岩成韵律出现, 反映火山活动至该阶段已近尾声, 活动强度大大减弱。另外, 该二叠系的碎屑岩和灰岩层中有陆生植物与陆源物质的出现。本次研究的酸性火山岩样品主要为流纹岩, 野外呈现红褐色、灰褐色, 流纹构造不明显(图2a, b), 镜下表现为斑状构造, 斑晶为碱性长石、石英, 基质主要为隐晶质, 岩石还含有少量的白云母、磷灰石和钛铁矿等(图2c, d), 镜下可见石英斑晶呈现出定向排列的“书斜结构”。

2　分析方法

2.1年代学

定年样品为流纹岩样品(FS-7)。锆石的透、反射光和阴极发光(CL)图像均在北京大学造山带与地壳演化重点实验室和环境扫描电子显微镜实验室完成,以确定适合分析的锆石颗粒和激光剥蚀位置。样品年代学测试采用 LA-ICP-MS 测试方法, 在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。激光剥蚀使用的是德国相干公司(Coherent)准分子激光器COMPex Pro102, 质谱分析采用美国安捷伦科技有限公司电感耦合等离子体质谱仪 Agilent ICP-MS 7500c。数据处理采用 GLITTER 软件计算(van Achterbergh et al., 2001), 普通Pb校正使用Andersen (2002)方法。年龄计算和谐和线图绘制使用 Isoplot (ver 3.0; Ludwig, 2003)。

2.2全岩地球化学

全岩主、微量元素测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。主量元素测试采用X射线荧光光谱仪(XRF), 分析误差<5%。微量元素测试采用Finnigan MAT Element2 ICP-MS 仪器的型号是, 分析误差<10%。

图2　音凹峡地区二叠纪酸性火山岩野外及镜下照片(矿物名称缩写: Mc. 微斜长石; 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锆石Hf同位素

测年样品的锆石原位 Hf同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室进行。测试仪器为配有Newwave UP213 nm激光剥蚀系统的Neptune多接受电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)。测试过程采用He气作为剥蚀物质载气, 激光剥蚀的斑束大小为40 μm,频率为10 Hz。以国际通用锆石标准GJ-1为参考物质。测试位置与U-Pb定年为同一位置。仪器相关参数及详细分析流程见侯可军(2007)。

3　分析结果

3.1锆石U-Pb年代学

样品(FS-7)中挑出的锆石多数表现为长柱状、自形, CL图像具明显的振荡环带(图3a)。大部分锆石核部和环带处的206Pb/238U年龄基本一致, 少数锆石具有继承核。本次测试共分析30个测点(表1), 所分析锆石的U(121～549 μg/g)和Th(58～400 μg/g)含量变化较大, 并具有较高的 Th/U比值(0.38～0.91), 表明锆石为岩浆成因(Belousova et al., 2002; 吴元保和郑永飞, 2004)。其中有5个测试点得到较老的206Pb/238U年龄, 应为继承锆石, 包括一个元古代的206Pb/238U年龄(949 Ma), 其他25个分析点的206Pb/238U 年龄集中在268～278 Ma, 加权平均年龄为273±1 Ma (MSWD= 0.59, n=25)(图3b, c, d), 表明酸性岩于二叠纪喷出。

3.2地球化学特征

3.2.1主量元素

酸性火山岩全岩地球化学组成见表 2。二叠纪酸性火山岩普遍表现为高硅, SiO2含量为 66.96%～ 78.22%, 在Nb/Y-Zr/TiO2图解(图4a)中, 样品分布在英安岩–流纹岩范围内, 样品的碱含量相对较高, Na2O+K2O=4.72%～8.57%, Al2O3含量为 11.12%～ 13.89%, CaO含量为 0.38%～4.42%, MgO含量为0.02%～2.10%, Fe2O3T含量为1.17%～4.61%, TiO2含量为 0.13%～0.57%, P2O5含量为 0.01%～0.09%。在SiO2-K2O图解(图4b)中, 则表现为钙碱性‒高钾钙碱性的特征, 在SiO2-(Na2O+K2O−CaO)图解(图4c)中, 酸性火山岩在钙性–碱钙性范围内都有分布,在A/CNK-A/NK图(图4d)中, 样品在准铝质–过铝质范围内都有分布。在主量元素哈克图解(图5)中,酸性火山岩的MgO、Al2O3、CaO、Fe2O3T、TiO2、P2O5含量与 SiO2含量呈负相关关系, 而 K2O、Na2O含量则变化范围较大。哈克图解表明酸性火山岩的主量元素含量和协变特征都与音凹峡地区同时代的花岗岩类相似, 而明显区别同时代的镁铁质岩石。

表1　音凹峡地区酸性火山岩(FS-7)锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学测试结果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

酸性火山岩的稀土元素总量较高ΣREE=113.05～ 228.21 μg/g, 相对富集轻稀土元素, (La/Sm)N=2.10～ 5.68, 轻、重稀土元素分馏明显, (La/Yb)N= 2.27～ 10.38, 重稀土元素内部分馏不显著, 除样品 FS-20和FS-25外, 其余样品都具有明显的 Eu负异常(δEu= 0.13～0.83), 表明岩浆演化过程存在斜长石的分离结晶, 或者岩浆源区残留斜长石。在球粒陨石标准化的稀土元素配分模式图(图 6a)中, 酸性火山岩的稀土配分模式与典型A型花岗岩类似。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图6b)中, 酸性火山岩富集Cs、Rb、Th、U、Zr和Hf等元素, 而相对亏损Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti等。通过对比(图6d, f, h)发现, 火山岩的微量元素特征整体上与大陆地壳及该地区同时代花岗岩类类似。

图3　音凹峡地区二叠纪酸性火山岩锆石CL图像(a)和U-Pb年龄谐和图Fig.3　CL images (a) and U-Pb concordia diagrams (b, c, d) of zircon grains from rhyolites in the Yinwaxia area

表2　音凹峡地区酸性火山岩主量元素(%)和稀土、微量元素(μg/g)分析结果Table 2　Major (%) and trace element (μg/g) compositions of the acidic volcanic rocks in the Yinwaxia area

续表2:

3.2.3锆石Hf同位素特征

选择15颗进行U-Pb定年的锆石，在原来的测试位置进行 Hf同位素分析, 根据每颗锆石的206Pb/238U年龄进行 Hf同位素校正计算, 结果见表3。所测试样品的15个锆石具有低的176Lu/177Hf 值,为 0.000992～0.002257(表 3), 大部分低于 0.002, 表明锆石在形成后具有极低量的放射性成因 Hf 积累,可以用初始176Hf/177Hf比值代表锆石形成时的比值(吴福元等, 2007)。锆石的(176Hf/177Hf)i值为0.282434～ 0.282711, εHf(t)值为–6.0～3.9, 表现出既有富集又有亏损的特征, 表明酸性火山岩形成过程中有幔源物质的加入。Hf同位素的亏损地幔模式年龄 tDM为773～1155 Ma, 二阶段亏损模式年龄 tDM2为 1046～ 1669 Ma。

4　讨　论

4.1北山南带二叠纪岩浆活动

音凹峡地区酸性火山岩的 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析表明其于早二叠世喷出。年代学资料表明北山南带二叠纪存在一期重要的岩浆事件, 该期岩浆活动的范围遍布整个北山南带, 向西延伸至塔里木盆地东北缘的坡北地区(Qin et al., 2011; Su et al., 2011b, 2012b), 中部的柳园地区(Zhang et al., 2011; Li et al., 2013)(图1b)。该期岩浆活动所形成的岩石类型包含了镁铁‒超镁铁质杂岩、花岗岩类以及酸性火山岩。已有研究针对北山裂谷带、东天山以及塔里木盆地二叠纪镁铁质岩墙及玄武岩类的年代学进行统计, 发现该期岩浆活动的峰值在280 Ma左右(Qin et al., 2011), 也有学者总结了塔里木盆地及邻区的18件镁铁质岩石和21件花岗质岩石的年代学资料, 发现这些岩石的年龄分布在260～320 Ma 之间, 其峰值年龄为275 Ma(Zhang et al., 2008)。我们统计了北山南带岩浆岩的单颗粒锆石206Pb/238U 年龄, 结果显示北山南带二叠纪存在一期重要岩浆事件, 年龄峰值为 282 Ma(图 8, Zheng et al., 2014)。这些年代学证据都表明在北山南带280 Ma左右的时候存在一期重要的岩浆活动事件, 这期岩浆活动的范围可能延伸到塔里木盆地、东天山等地区。

图4　音凹峡酸性岩浆岩Zr/TiO2-Nb/Y分类图(a, 据Winchester and Floyd, 1977); K2O-SiO2图解(b, 据Peccerillo and Taylop, 1976); (Na2O+K2O−CaO)-SiO2图解(c, 据Frost et al., 2001); A/NK-A/CNK图解(d, 据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岩石成因

在音凹峡酸性火山岩主量元素哈克图解(图 5)中, 随着SiO2含量增加, Al2O3、MgO、P2O5、CaO、TiO2、Fe2O3T含量降低, 而Na2O、K2O 含量增高, 在微量元素蛛网图中酸性火山岩表现出 Ba、Sr、P、Eu、Ti 等元素的负异常(图6), 表明了酸性火山岩母岩浆经历了斜长石、角闪石、磷灰石、钛铁矿等分离结晶作用。SiO2和 P2O5呈负相相关及 P 的亏损暗示酸性火山岩存在磷灰石分离结晶作用。Ti 在岩浆岩中易形成独立矿物相, 酸性火山岩中 Ti 弱亏损可能主要受控于钛铁氧化物类的轻度分离结晶。

图5　音凹峡地区岩浆岩主量元素哈克图解(花岗岩类数据引自张文等, 2010, 2011; 冯继承等, 2012; 基性岩类数据引自Zheng et al., 2014)Fig.5　Harker diagrams of the volcanic rocks in the Yinwaxia area

图6　音凹峡地区岩浆岩类稀土元素配分模式图(a, c, e, g)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(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　音凹峡酸性火山岩锆石Lu-Hf同位素分析结果Table 3　Lu-Hf isotope compositions of zircon grains from the acidic volcanic rocks in the Yinwaxia area

目前认为酸性岩成因主要有两种模式: 一种是中基性岩浆的分离结晶, 通常基性母岩浆经过 90%的分离结晶作用才可以产生一定量的酸性岩浆(Wilson, 1993), 常用来解释规模较小的酸性岩浆成因(Shinjo and Kato, 2000); 另一种是玄武质岩浆底侵导致地壳岩石部分熔融, 以中酸性岩为主的分布面积广的酸性岩一般认为与地壳熔融有关(Bryan et al., 2002; Yamamoto, 2007)。音凹峡酸性火山岩具有低的 Sr/Y比值(0.33～6.90), 较高 Y含量(21.3～64.4 μg/g), 结合明显的负Eu、Sr异常, 暗示了该酸性火山岩应来源于斜长石相对稳定的源区(Defant and Drummond, 1990), 或者母岩浆演化过程中斜长石发生了分离结晶作用。继承锆石的出现, 低的 Sm/Nd比值(0.17～0.23), Ba亏损等特征则暗示了该酸性火山岩可能是下地壳岩石熔融的产物(Jiang et al., 2009)。音凹峡酸性火山岩的 Nb/Ta比值变化较大(7.77～20.55), 较高的值接近同时期镁铁质岩石的Nb/Ta值(13.64～25.67), 在下地壳Nb/Ta平均值(8.3, Rudnick and Gao, 2003)和幔源岩浆平均值(17.5, Green, 1995)之间, 暗示了其源区同时具有壳源和幔源物质。音凹峡酸性火山岩样品的 Mg#较低(0.03～ 0.47), 明显低于幔源熔体(＞0.4, Rapp and Watson, 1995), 这表明了音凹峡酸性火山岩的源区以壳源物质为主, 然而锆石 Hf同位素组成具有亏损的特征(εHf(t)=–6.0～3.9), 表明其源区同时具有古老壳源物质和幔源物质或者新生壳源物质。

研究发现北山南带存在中–新元古代地质体:姜洪颖等(2013)发现北山南带石板山地块中的斜长角闪岩和片麻岩类都具有880 Ma左右的结晶年龄,侵入其中的长英质岩脉的时代为290 Ma左右; 柳园地区新元古代花岗岩类的形成时代为 902±5 Ma(叶晓峰等, 2013), 花牛山地区的玄武岩类时代为1071±5 Ma(杨建国等, 2010)。音凹峡酸性火山岩的Hf同位素二阶段模式年龄为1046～1669 Ma, 而且年代学测试结果中存在元古代(949 Ma)的继承锆石。这些特征均表明北山南带地区存在中–新元古代的源区。值得注意的是, 音凹峡酸性火山岩与北山南带二叠纪花岗岩在地球化学特征方面表现出高度的相似性, 而与同时代的镁铁质岩类明显不同(图 5, 6)。而且, 二叠纪酸性火山岩在北山南带广泛分布, 不管面积还是厚度都远远大于同时代的基性岩类, 而缺乏大面积分布的中性岩类。这些现象间接证明了音凹峡酸性火山岩不可能是由基性岩浆分离结晶形成的。因此, 笔者认为北山南带二叠纪的酸性火山岩更可能是基性岩浆底侵提供热, 导致中–新元古代壳源岩石部分熔融, 同时基性岩浆不同程度的与酸性岩浆混合, 随之发生分离结晶作用形成的。

4.3北山南带二叠纪构造环境

关于北山南带二叠纪的构造环境, 存在着不同的认识。由于音凹峡至柳园地区二叠纪镁铁质岩石、花岗岩类的研究都取得了大量的成果, 本次研究将结合音凹峡酸性火山岩的成果, 总结归纳北山南带古生代以来的岩浆活动期次及其特征, 并进一步探讨北山南带二叠纪的构造背景。

音凹峡镁铁质岩石的微量元素特征区别于典型的俯冲带玄武岩, 而与东非裂谷带中玄武岩类更为类似(图6)。通过岩石地球化学组成和矿物学研究发现, 音凹峡镁铁质岩石表现出板内裂谷环境的特征(Zheng et al., 2014)。地区出露有大量二叠纪花岗岩类, 以音凹峡南花岗岩和西涧泉子花岗岩为代表。其中, 音凹峡南花岗岩体形成时代(282±2 Ma), 与该地区镁铁质岩石的时代相近, 地球化学特征表现为高硅、准铝质–过铝质、中钾钙碱性特征, 同时具有正的 εHf(t)值(4.4～7.8), 表明幔源物质在其形成过程中起了重要作用, 应形成于早二叠世陆内伸展环境中(张文等, 2011)。位于音凹峡地区以南的西涧泉子花岗岩体的形成时代稍晚(266±2 Ma), 表现出类似A型花岗岩的地球化学特征, 具有正的εHf(t)值(1.3～4.7), 表明该花岗体同样为壳幔混合成因, 形成于裂谷环境(张文等, 2010)。音凹峡地区花岗岩类的研究表明, 音凹峡地区在二叠纪期间处于板块拉张环境, 强烈的壳幔相互作用形成了具有正 εHf(t)值的花岗岩类, 与中亚造山带广泛分布的形成于后碰撞环境的晚古生代正 εHf(t)值花岗岩类特征相似(Han et al., 1997; Wu et al., 2000, 2002; Chen and Jahn, 2004; Jahn et al., 2004)。

北山南带广泛发育二叠系, 包括下二叠统双堡塘组、金塔组和上二叠统方山口组, 双堡塘组以碎屑岩为主, 包括含砾砂岩、砂岩、含砾灰岩及生物碎屑灰岩等, 金塔组的分布面积和厚度均较小, 主要是由基性火山岩类组成。上二叠统方山口组在该区分布最广、厚度最大, 北东东向延伸数百公里, 主要由喷发–爆发相的酸性火山熔岩、角砾岩及火山碎屑岩组成, 岩性包括流纹岩、英安岩及同质火山碎屑岩, 底部则出现少量的安山玄武岩和杏仁状玄武岩等。同时该套地层还出现陆生植物与陆源物质以及碎屑灰岩、灰岩夹层。因此, 北山南带的二叠系表现出碎屑岩–火山岩–火山碎屑岩的组合特征, 并且以酸性火山岩为主, 是一套陆相火山沉积建造。音凹峡二叠纪酸性火山岩的地球化学特征与同时代的花岗岩类高度相似, 暗示两者的形成机制具有相似性。在花岗岩类的构造环境判别图(图7)中, 音凹峡酸性火山岩与北山南带二叠纪花岗岩类同样表现出相似的特征, 都位于后碰撞的环境中。

考虑到研究区二叠系几乎没有中性岩类, 因此,二叠纪火山岩地球化学组成表现出双峰式特征。故音凹峡地区地层岩石组合及相应火山岩地球化学特征表明, 该地区二叠纪为陆内伸展环境。综合音凹峡镁铁质岩石、同时代花岗岩类地球化学特征以及该地区二叠系沉积建造和火山岩特征可知, 音凹峡酸性火山岩应形成于大陆板内裂谷环境。

4.4北山南带古生代构造演化

北山南带是北山造山带的重要组成部分, 其南侧与敦煌地块、塔里木克拉通相邻, 是中亚造山带中段最南缘的地区之一, 其古生代的构造演化过程对于认识古亚洲洋的演化、古生代期间的壳幔相互作用等方面都具有重要意义。本次研究总结归纳北山南带已有的年代学数据, 在处理已发表的年代学数据时, 选择使用北山南带古生代的锆石U-Pb年龄数据。为了更精确的归纳北山南带地区岩浆活动的期次, 本次研究不采用加权平均年龄, 而是排除不谐和年龄及误差较大的年龄后, 采用具体的测点数据。根据锆石的206Pb/238U年龄,总结出了北山南带的年代学概率图(图8), 从图中可以看出北山南带的岩浆活动分为四个期次, 年龄峰值分别为534 Ma, 450 Ma, 415 Ma和282 Ma。

图7　北山南带晚古生代酸性岩浆岩Rb-(Nb+Y)图解(据Pearce, 1996)Fig.7　Rb vs. (Nb+Y) diagram of Late Paleozoic acidic volcanic rocks in the southern Beishan

图8　北山南带岩浆锆石206Pb/238U年龄频率图谱Fig.8　Relative probability plots of zircon206Pb/238U ages from magmatic and metamorphic rocks in the Beishan rift and its adjacent area

已有的年代学资料表明, 北山地区最早的蛇绿岩为红柳河–牛圈子–月牙山蛇绿岩带, 该蛇绿岩带西段的红柳河蛇绿岩中的堆晶辉长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄为516±7 Ma(张元元和郭召杰, 2008), 东段月牙山蛇绿岩中斜长花岗岩 SHRIMP锆石 U-Pb年龄为533±2 Ma(Ao et al., 2012)和536±7 Ma(侯青叶等, 2012), 在年龄频率图中, 蛇绿岩带的锆石年龄形成了534 Ma的年龄峰值, 地球化学研究表明该蛇绿岩带为SSZ型(周国庆等, 2000; Ao et al., 2012;郑荣国等, 2012)。因此, 北山地区的大洋在前寒武纪已经形成, 北山地区的微陆块散布在大洋中, 随后发生洋壳的俯冲事件, 在533～516 Ma期间已经形成SSZ型蛇绿岩。

马鬃山地块与石板山地块之间大洋的俯冲活动在早古生代期间一直持续, 俯冲过程形成了若干岩浆岩类, 这些岩浆岩类年龄峰值为450 Ma(图8)。早古生代, 北山南带的大洋俯冲活动形成了柳园地区的富Nb玄武岩和闪长岩类(440～450 Ma, Mao et al., 2012)。另外, 在古堡泉–柳园地区出露有一条榴辉岩带(刘晓春等, 2002), 其中, 古堡泉榴辉岩的变质年龄为465 Ma左右(Liu et al., 2011), 表明在该地区古洋壳的俯冲深度在 465 Ma左右时已达到榴辉岩相(Qu et al., 2011)。另外, 在敦煌地块内部也有早古生代高压麻粒岩相变质作用的报道(He et al., 2014)。

北山南带发育有一系列志留纪–泥盆纪的后碰撞花岗岩类, 这些花岗岩类的年龄在年代学频率图中形成了415 Ma的峰值年龄(图8)。代表性岩体有双峰山A型花岗岩(415±3 Ma), 辉铜山钾长花岗岩(397±3 Ma), 以及柳园地区的花岗岩类(397～436 Ma),这些岩体被认为形成于造山后环境或者同造山晚期阶段(赵泽辉等, 2007; 李舢等, 2009, 2011)。另外,侵入到红柳河蛇绿岩中未变形的花岗岩SHRIMP锆石U-Pb年龄为405±5 Ma, 表明北山南带的大洋在此前已经关闭(张元元和郭召杰, 2008)。而相关构造–沉积建造特征也反映了该区早古生代末的碰撞造山事件。墩墩山附近的上泥盆统墩墩山群具有磨拉石建造特征, 属于造山期后的产物(何世平等, 2004)。牛圈子以西的平头山地区前长城系–奥陶系发育逆冲推覆构造, 暗示志留纪末期–早泥盆世初期该地区存在一期强烈的南北挤压的构造事件(刘明强等, 2002)。花岗岩类和构造–沉积证据都证实了北山南带马鬃山地块与石板山地块之间的大洋俯冲过程在早古生代末期已经结束, 两个陆块之间随之发生一期重要的碰撞造山事件, 之后区域上进入后碰撞伸展阶段。

年代学统计结果表明, 340～380 Ma之间, 北山裂谷带地区的岩浆活动微弱。从地层沉积组合特征来看, 上泥盆统墩墩山群表现为陆相粗碎屑沉积的特征, 不整合覆盖于中泥盆统三个井群之上, 并与其共同组成了泥盆系的磨拉石建造(何世平等, 2004)。下石炭统红柳园组同样缺乏岩浆活动的证据, 主要是由灰岩、千枚岩、砂岩和砂砾岩组成。因此, 340～ 380 Ma期间可能是早古生代晚期造山事件的延续(磨拉石建造)和之后的平静期, 岩浆活动微弱, 并发育陆相沉积地层。

北山南带内另一期重要的岩浆活动时间发生在晚石炭世–二叠纪, 这期岩浆活动形成了超基性至酸性的一系列岩石类型, 包含镁铁–超镁铁质杂岩、超基性岩、基性岩、闪长岩、A型花岗岩和流纹岩(Su et al., 2012b; Zhang et al., 2012; Li et al., 2013)。本次研究统计北山南带已发表的年代学数据得到了282 Ma的年龄峰值(图 8), 而其他相关研究中也得到了类似的峰值年龄(Zhang et al., 2008; Qin et al., 2011)。年代学统计结果表明北山南带在280 Ma左右存在一期重要的岩浆活动事件, 这期岩浆活动的范围可能延伸到塔里木盆地、东天山等地区。值得注意的是, 北山南带在晚古生代早期和石炭纪末–二叠纪的两期岩浆活动都曾被解释为后碰撞背景下的产物,但是结合北山南带古生代期间的岩浆活动期次及其特征, 我们认为北山南带晚古生代早期的岩浆活动应为俯冲–碰撞过程之后的后碰撞阶段——伸展环境下的产物, 随后经过了一段构造–岩浆活动的平静期, 石炭纪末–二叠纪的岩浆活动应为大陆裂谷伸展环境下岩石圈地幔拆沉和软流圈地幔上涌的产物。北山南带早古生代的俯冲–碰撞事件造成了北山裂谷带之下的岩石圈地幔加厚, 导致地幔的重力不稳定, 从而引起了岩石圈地幔拆沉, 软流圈地幔随之上涌, 软流圈地幔上涌带来的热能也造成了地壳物质的部分熔融, 形成了大量的酸性岩浆类, 包括了北山南带大面积出露的花岗岩类以及地层酸性火山岩。

5　结　论

(1) 音凹峡流纹岩的锆石 LA-ICP-MS U-Pb年龄为273±1 Ma, 表明其形成于早二叠世; 根据已有的年代学资料, 该时期的岩浆活动在北山南带较为发育。

(2) 音凹峡酸性火山岩的类型主要为英安岩和流纹岩, 地球化学特征表现为高硅高碱, 低的Fe2O3T、MgO、CaO含量, 富集轻稀土和大离子亲石元素, 锆石εHf(t)值为–5.97～3.87, 具有较老的Hf同位素模式年龄, 应为古老壳源物质和幔源物质在伸展背景下熔融并混合的产物。

(3) 根据不同时代岩浆活动演化的规律, 结合音凹峡地区镁铁质岩石、花岗岩类和地层火山岩的研究, 认为北山南带二叠纪为大陆裂谷的构造环境。

致谢: 北京大学郭召杰教授和中国地质科学院地质研究所贺振宇研究员对本文提出了十分有益的修改意见, 在此表示诚挚的感谢。样品的全岩地球化学、锆石年代学和 Hf同位素测试工作分别得到了北京大学古丽冰、杨斌、马芳老师和中国地质科学院矿产资源研究所侯可军老师的帮助, 在此表示由衷的感谢。

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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

项目资助: 国家自然科学基金项目(41502214, 41372225)、中国地质科学院地质研究所基本科研业务费(J1522)、支持“率先行动”中国博士后科学基金会与中国科学院联合资助优秀博士后项目(2015LH0049)和中国博士后基金面上基金(2016M590990)联合资助。

郑荣国(1987–), 男, 博士, 助理研究员, 构造地质学专业。Email: rgzheng@163.com

吴泰然(1955–), 教授, 博士生导师, 从事大地构造方向研究。Email: twu@pku.edu.cn