准东原中元古代变质碎屑岩锆石U-Pb年代学及其意义

樊婷婷,车飞翔,柳益群,杨皓凯,周梦影

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054;2.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069)

准噶尔盆地基底性质研究对于分析新疆北部地区的构造特征和演化,勘查盆地内油、气、煤等矿产资源都十分重要。但是，盆地基底的构造属性和演化历史目前仍存在较大分歧[1-7]。准噶尔盆地东部因位于卡拉麦里断裂以南,是研究基底问题的代表性地区之一。在准东红柳峡-黑姑娘山地区,发育一套浅变质的火山-沉积岩系,在1∶25万纸房幅区域地质调查(1)新疆维吾尔自治区地质调查院.2000.新疆1∶25万纸房幅区域地质调查报告。中被划分为札曼苏岩群(Pt2Z)和道草沟岩群(Pt2D)(图1B),时代定为中元古代。1∶20万(2)新疆维吾尔自治区地质局.1977.新疆1∶20万红柳峡幅区域地质调查报告。和1∶5万(3)新疆地矿局二区调.1995.新疆1∶5万红柳峡幅、札曼苏幅区域地质调查报告。均将其划归古生代。该区存在争议,研究程度不高。笔者在详细的野外地质调查的基础上,对札曼苏岩群中的变碎屑岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年研究,以期重新认识该套地层形成时代并为准噶尔盆地基底性质研究提供更多资料。

1 区域地质特征

红柳峡地区位于新疆准噶尔东部造山系东段,卡拉麦里断裂带南部(见图1A)。其东北部为三塘湖盆地,南部为博格达山,西侧为准噶尔盆地。行政区划属新疆维吾尔自治区哈密市巴里坤县。研究区中段为塔克札勒蛇绿混杂岩,呈330°～340° NNW分布,其为盆地东部卡拉麦里-塔克札勒-大黑山蛇绿混杂岩带的重要组成部分。红柳峡地区札曼苏岩群集中出露于该蛇绿混杂岩带的南西侧,道草沟群则位于蛇绿混杂岩带的北东侧,札曼苏岩群和道草沟岩群均呈近东西向分布,与周围石炭系-侏罗系呈显著的断层关系相接触(见图1B)。

Ⅰ 萨彦岭—蒙古北部早古生代造山系;Ⅱ 阿尔泰造山系;Ⅲ 东准噶尔古生代造山系;Ⅳ 斋桑造山系;Ⅴ 西准噶尔—塔尔巴哈台造山系;Ⅵ 天山造山系;DO 达尔布特蛇绿岩带;KO 卡拉麦里蛇绿岩带;BO 巴音沟蛇绿岩带;KO 康古尔塔格蛇绿岩带;KF 卡拉麦里断裂带(图B据1∶25万纸房幅区地质图)图1 研究区地质构造(A)及采样位置图(B)Fig.1 Geological structure of the study area(A)and sampling sites(B)

札曼苏岩群主要由安山岩、玄武岩、流纹岩、沉凝灰岩和复成分细砾岩、板岩、碳酸盐岩、黑云母千糜岩、绢云母千糜岩等组成。其中安山岩常发生绿泥石化、绢云母化。岩群整体发生动力变质作用,岩石和矿物的韧性变形和脆性变形强烈。岩体普遍发育劈理和片理,构成无序的构造岩片组合体,根据矿物组构和特征恢复原岩为一套火山岩和沉积岩组合岩系,变质程度不高,达到低绿片岩相。

2 采样位置与样品特征

样品采自红柳峡南部的加曼苏村,坐标为91°45′45.2″E、44°04′34.9″N(见图1B)。据野外观察,岩石组合主要为板岩、凝灰质细砂岩、变质粉-细砂岩夹灰色千糜岩、石英斑岩、大理岩,岩石普遍发生劈理化,许多岩石发生糜棱岩化。变碎屑岩B-82样品采自灰白色千枚糜棱岩中。显微镜下(见图2)可见鳞片状绢云母形成波状片理,环绕长石糜棱质及再结晶石英聚集的透镜体而发育,大部分的石英、长石重结晶集合构成扁豆状体,偶见黄铁矿。糜棱结构、带状构造明显,可推断该千糜岩原岩为经受动力变质作用改造的泥质砂岩、粉砂岩。经糜棱岩化后,残留碎屑均压扁拉长,定向排列,部分斜长石发生塑脆性断裂,粒径0.05～0.7mm,石英拉长形,长径0.1～0.4mm。泥质物变质形成定向排列的显微鳞片状绢云母集合体。残留碎屑(斜长石、石英、岩屑)含量为15%,新生矿物绢云母含量为25%,新生的石英、斜长石含量约为60%。

正交偏光图2 千糜岩的显微结构Fig.2 Micrographs from phyllonite in Hongliuxia

3 测试方法

锆石的分选在河北廊坊矿产地质调查研究所完成。在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成了样品的制靶、反射光、阴极发光、U-Pb同位素分析工作。实验采用的仪器为Agilent7500a,激光束的束斑为30μm。激光剥蚀系统为GeoLas200M,波长193 nm。根据标准测定程序进行测试和数据处理[7]。对于超过10 Ga的锆石年龄采用207Pb/206Pb表面年龄,小于10 Ga则采用206Pb/238U表面年龄[8]。

4 测试结果

在变碎屑岩千糜岩B-82样品中一共挑选了110颗锆石,进行了ICP-MS锆石U-Pb定年分析,得到谐和度在90%～110%之间的谐和年龄95个,符合年龄分布统计的要求。从图3变碎屑岩碎屑锆石CL图像可看出,锆石很小且CL强度较弱。一些锆石边部出现了晶棱圆化、港湾状结构等外形特征,可能遭受热液溶蚀作用的影响。表1为B-82中U/Pb部分元素含量及比值、同位素比值和表面年龄的计算结果。其中同位素比值的误差、单个点的年龄误差均为1δ。U元素含量为115×10-6～1 327×10-6,Th元素含量为63×10-6～7 070×10-6。95个点的Th/U比值均大于0.1,一般为0.22～2.16,根据锆石阴极发光结构特征和Th/U比值,判断这些碎屑锆石大部分为岩浆成因锆石。

根据表1中样品的分析测试结果,千糜岩B-82的碎屑锆石U-Pb表面年龄值有很宽的分布范围。其中最小值为409±8 Ma(点87),最大值为1387±54 Ma(点40)。锆石207Pb/235U～206Pb/238U谐和图(见图4)除少数几个点(点9、19、35、40)稍偏离谐和线,其他的点基本都落在U-Pb谐和线上或落在其附近,呈现出谐和性较好,没有明显铅丢失的特征。

根据B-82样品的锆石阴极发光特征(见图3)和测定的U-Pb表面年龄分布(见图4,5),将其锆石年龄分为8个年龄阶段:① 409～425 Ma。13粒锆石(图3中2、29、87、95等),锆石为自形柱状,略磨圆,具有较明显的岩浆成因韵律环带,Th/U比值介于0.19～1.24。② 433～460 Ma。16粒锆石(图3中19、44、53、57等),Th/U比值介于0.17～1.65,锆石CL多为环带不清楚或无,部分锆石最外圈还可见较薄的亮白色或暗色的增生边,说明其形成时可能受到热液活动的扰动,或者为来自变质岩成因的锆石。③ 462～488 Ma。44粒锆石(图3中4、5、6、11等),Th/U比值介于0.13～2.57,锆石的结晶环带有的不清楚,核部发光不均一,个别边部可见白色蚀变边,可能经历了次生改造,或为变质成因的锆石,如在5、11等锆石颗粒外侧以及点4锆石核部上缘,白色蚀变边明显,此外其外形特征还具有晶形圆化、局部边缘有港湾状等,判断锆石为热液蚀变作用形成。④ 490～516 Ma。15粒锆石(图3中7、9、45、73等)。Th/U比值介于0.26～1.49,锆石CL显示:锆石颗粒自形-半自形,核部与边部特征明显不同且核部亮边较宽,应为经历不同期次热事件的岩浆锆石。一些内部结构未分带的锆石则可能为变质作用形成。⑤ 544 Ma和574 Ma。2粒锆石(图3中35、89),Th/U比值分别为32.56和0.45。可见较为清晰的环带,应为岩浆锆石。⑥ 611 Ma和742 Ma。2粒锆石(图3中99、15),Th/U比值分别为0.81和0.37,环带均较明显,应为岩浆锆石。⑦ 884 Ma和904 Ma。3粒锆石(图3中100、37、22),其中884 Ma的锆石有2粒。Th/U比值分别为0.91、1.40和0.62。环带均不明显,点37、22可能为变质成因的锆石。⑧ 1 387 Ma。1粒锆石(图3中40)。Th/U比值为1.78。磨圆程度高,内部结构复杂,应为变质锆石。

图3 变碎屑岩B-82碎屑锆石的CL图像Fig.3 Zircon CL images of selected zircons for metamorphic sedimentary rock of sample B-82

表1 红柳峡千糜岩B-82锆石 LA-ICP-MS U-Pb同位素年代学分析结果Tab.1 LA-ICP-MS U-Pb zircon age data for phyllonite of sample B-82 from Hongliuxia area

续表1

5 讨论

5.1 “札曼苏岩群”形成于泥盆纪早石炭世

变碎屑岩B-82锆石的阴极发光图像反映的锆石内部结构以及U/Pb同位素组成特征表明,大多数锆石具有较典型岩浆成因锆石的特点。边部磨圆程度较好说明遭受多期次或远距离搬运,也有可能遭受热液溶蚀作用的影响,导致锆石边部出现了晶棱圆化、港湾状结构等特征。少数锆石具有较复杂内部结构,核幔发光特征差异明显,边部发育亮白色增生边,反映可能经历了多期次热事件的改造。

B-82中不同时代的锆石含量有较大差别,数量最多的是奥陶纪的锆石,占57.29%;寒武纪次之,为15.63%;志留纪含量为为12.5%;元古代的为8.33%;泥盆纪的最少为6.25%。其碎屑锆石年龄分布时间跨度宽,说明用于LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的物源区——红柳峡地区札曼苏岩群岩石组成的复杂性和多样性。依据变碎屑岩B-82碎屑锆石中岩浆成因锆石最新年龄数据为409 Ma分析,该岩类沉积时期的下限不老于409 Ma,也就是不老于早泥盆世。

图4 千糜岩B-82锆石U-Pb谐和图Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram for phyllonite of sample B-82

图5 千糜岩B-82锆石U-Pb年龄分布直方图Fig.5 Histogram of zircon U-Pb ages distribution for phyllonite of sample B-82

出露于准噶尔盆地东部红柳峡-黑姑娘山地区现划归中元古界的札曼苏岩群和道草沟岩群,是1∶25万纸房幅区域地质调查从原划为中泥盆统中解体,新建立的一套浅变质火山-沉积岩系(见图1B)。该套地层1∶20万红柳峡幅划为中泥盆统头苏泉组(二、三、四亚组),1∶5万区调又将其归入奥陶系,细分为三组,即庙尔沟组、大柳沟组和乌列盖组。上述变更均无出自该套地层的直接古生物或定年证据,而是根据区域地层组合和变形变质特征及侵入其中的花岗岩类的同位素定年限定的。如在1∶25万纸房幅区调报告中,将道草沟岩群定为中元古代是根据侵位于其中的鲍尔羌吉糜棱杂岩(原岩为二长花岗岩、花岗闪长岩和石英闪长岩),而鲍尔羌吉糜棱杂岩的古老年龄605±90 Ma和1 005±36 Ma,是通过单颗粒锆石Pb-Pb蒸发法获得。然而根据胡霭琴[3]对其年龄数据分析后得出:其均为不谐和的年龄,据其主体年龄值250～340 Ma,应将鲍尔羌吉糜棱杂岩定为为石炭—二叠纪。因此，并无可靠年龄数据证明该杂岩年代为新元古代,且以此为基础按地质体相互关系确定的道草沟岩群和札曼苏岩群为中元古界也不能成立[3]。

本文札曼苏岩群变碎屑岩样品B-82中碎屑锆石U-Pb表面年龄只有一粒为1 387 Ma,其余95个全部新于中元古界,其中泥盆纪有6个,志留纪有12个,锆石中最小的年龄为409 Ma(见图3、表1),表明该变碎屑岩更可能是早泥盆世中期形成的,而不是在中元古代期间沉积的。此外，在札曼苏岩群中的变玄武岩B-81中还得到407.2±4.3 Ma的206Pb/238U加权平均年龄(44粒锆石,另文发表),说明玄武岩喷发结晶年龄为早泥盆世中期,与变碎屑岩B-82原岩沉积时间相吻合。获得的变质辉长岩JMS01N的加权平均年龄为396.2±4.3 Ma[9]。基于本次不同岩类的锆石U-Pb定年分析,我们认为,札曼苏岩群形成时期的下限不早于早泥盆世。另据1∶25万区调报告,区内札曼苏岩群被阿拉托别(CA)超单元二长-钾长花岗岩侵入,钾长花岗岩全岩Pb-Pb年龄为340 Ma,该年龄可限定札曼苏岩群的上限。据上述综合分析，我们认为“札曼苏岩群”主体形成于泥盆纪,并可能延至早石炭世。

5.2 准噶尔盆地东部基底及其相关问题的讨论

研究区位于准噶尔盆地东部的古生代造山系,其北侧为区内重要的板块缝合带,即卡拉麦里-塔克扎勒-大黑山蛇绿岩、蛇绿混杂岩带。在准噶尔盆地周缘古生代造山带中,以盆地西缘的达拉布特蛇绿混杂岩带(414～332 Ma[10]),北东侧的卡拉麦里-塔克扎勒-大黑山蛇绿混杂岩带(373 Ma[11]),南部的巴音沟蛇绿混杂岩带(324.8±7.1 Ma[12])和吐哈盆地南部的康古尔塔格蛇绿混杂岩带(494±10 Ma[13])为分隔边界,包括准噶尔盆地、东准噶尔造山系和吐哈盆地在内的广大地区,均应属前晚石炭纪洋盆分隔的同一板块组成部分(见图1A),可称准噶尔板块。研究区位于卡拉麦里-塔克扎勒-大黑山板块缝合带以南地区,本区除中元古代有争议的地层外,尤以志留纪以来的古生代地层出露良好,是从不同角度研究准噶尔盆地基底问题的典型露头地区之一。

本次研究表明,红柳峡地区原定为中元古代的札曼苏岩群更可能为晚古生代地层。尽管否定了准噶尔盆地古老结晶基底存在的直接证据,但变碎屑岩B-82样品中有7粒碎屑锆石U-Pb年龄为574～1 387 Ma,变玄武岩B-81样品中含有9粒岩浆锆石U-Pb年龄为735～2 566 Ma,变辉长岩JMS01N样品中有4粒岩浆锆石U-Pb年龄为842～2 322 Ma[9]。说明不论是沉积物源区岩石还是岩浆上升溢流路经区围岩,其中的锆石形成时代均老于寒武纪。由于准噶尔盆地在新元古代晚期至石炭纪期间均为洋陆相间格局,其周缘可见古生代的洋壳残片[14]。红柳峡北侧卡拉麦里蛇绿混杂岩带前身古洋盆的关闭发生在晚石炭晚期间[15],北天山巴音沟蛇绿岩代表的洋盆早石炭世关闭[16],西准噶尔蛇绿岩代表的洋盆以及东天山康古尔塔格断裂带中洋壳残片代表的洋盆均在早石炭世关闭[14]。因此，研究区红柳峡地区周围的洋盆在早泥盆世碎屑岩沉积时,均未关闭,所以其古老碎屑物质,不可能来自新疆北部阿尔泰古老结晶基底,也不能来自邻区的哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块,只能是来自于被古生代洋盆围限的准噶尔板块本身。由此得出,准东红柳峡地区变碎屑岩B-82、变玄武岩B-81及变辉长岩JMS01N的前寒武纪年龄数据,反映沉积物源区和岩浆上升溢流途经区可能存在古老结晶基底。这也与李亚萍等[14]对采自卡拉麦里断裂之南的原泥盆纪卡拉麦里组砂岩中碎屑锆石研究获得22粒553～3 073 Ma的古老锆石及其意义的认识相吻合。此外,近年来在准噶尔一些地区的古生代碎屑沉积中含有大量前寒武纪的碎屑锆石或侵入岩中含前寒武纪的片麻岩捕掳体[17-24],均为准噶尔存在太古宙结晶基底提供证据。

此外,研究区卡拉麦里-塔克扎勒-大黑山板块缝合带以南地区内的中志留统白山包组为一套由砂岩、粉砂岩、含砾粗砂岩夹砂质生物灰岩组成的沉积地层。砂质生物灰岩中产极为丰富的腕足类和少量瓣鳃类化石。以巨大图瓦贝(Tuvaella)腕足动物群的发育为突出特征,代表了一个近岸的底栖生物繁盛的滨浅海环境。中泥盆世头苏泉组则是一套泥质粉砂岩、细砂岩夹灰岩及砾岩组合的浅变质沉积岩系,生物化石极为丰富,包括珊瑚、海百合茎、腕足类、腹足类、三叶虫等,显然为滨浅海环境。

本文重新确定的泥盆系-下石炭统“札曼苏岩群”是一套浅变质的火山-沉积组合,其中的沉积岩和火山岩(变玄武岩和变辉长岩,另文发表)提供了多组古生代锆石年龄数据,而且对该套地层的沉积岩组合和沉积特点进行分析,并结合1∶25万区调①中对该岩群的粒度分析、微量元素和氧化物分析,认为札曼苏岩群为大陆边缘弧盆地沉积,属水动力条件较强的滨浅海沉积环境。研究区志留系-下石炭统沉积岩系、沉积-火山岩系的上述地质实际表明,其相应的沉积环境和沉积物源均需要有陆壳基底为基础。基于上述，我们认为准噶尔盆地东部卡拉麦里-塔克扎勒-大黑山板块缝合带以南地区古生代存在陆壳基底。依据前中生代近东西向延伸的区域构造格局推测,准东的陆壳基底应延入准噶尔盆地之下,对此尚待进一步研究证实。

6 结论

1)对准东红柳峡地区原划分为中元古代札曼苏岩群中的千枚糜棱岩进行锆石U-Pb定年,根据碎屑锆石中最新年龄数据为409 Ma,并结合变玄武岩和变辉长岩的加权平均年龄,认为“札曼苏岩群”主体形成于泥盆纪。

2)札曼苏岩群出露于卡拉麦里断裂以南,千糜岩的中新元古代(574～1 387 Ma)锆石来源于准噶尔古陆,为准噶尔存在前寒武纪结晶基底提供了有利证据。