新疆卡拉麥里姜巴斯套組火山巖地球化學(xué)特征與構(gòu)造意義

汪幫耀，姜常義，2，李永軍，2，吳宏恩

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；2.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實驗室，陜西西安710054；3.新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，新疆烏魯木齊830000）

0 引言

卡拉麥里位于準(zhǔn)噶爾盆地東北緣，由西伯利亞板塊和準(zhǔn)噶爾板塊碰撞縫合形成，是中亞構(gòu)造框架中一個非常重要的構(gòu)造單元［1－2］。然而，很多學(xué)者不僅對卡拉麥里蛇綠巖的形成環(huán)境有不同認(rèn)識，而且對其所代表的洋盆時限等問題也一直存在較大爭論。蔡文俊等通過對放射蟲硅質(zhì)巖研究認(rèn)為卡拉麥里縫合帶的時代為早石炭世［3］；何國琦等認(rèn)為古卡拉麥里洋盆閉合于早志留世［4］；舒良樹等通過古生物化石和地層對比認(rèn)為卡拉麥里蛇綠巖形成時代為晚泥盆世法門期—早石炭世杜內(nèi)期［5］；楊品榮等通過對阿勒泰卡姆斯特下侏羅統(tǒng)放射蟲硅質(zhì)巖研究認(rèn)為該洋盆閉合于早石炭世晚期［6］。

上述分歧的產(chǎn)生一方面是因為對該區(qū)域構(gòu)造演化的認(rèn)識不同，另一方面是缺乏對該區(qū)域火山巖進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)以及同位素定年方面的研究。眾所周知，卡拉麥里蛇綠巖的圍巖時代為中泥盆世—早石炭世，沿紅柳溝、六棵樹和南明水地區(qū)廣泛分布有早石炭世火山沉積巖系［7－8］?；鹕綆r作為恢復(fù)古大地構(gòu)造環(huán)境的重要組成部分，其時代、分布與區(qū)域構(gòu)造演化息息相關(guān)。因此，研究姜巴斯套組火山巖對討論卡拉麥里洋盆的閉合時限以及整個卡拉麥里地區(qū)晚古生代的構(gòu)造演化史具有重要意義。筆者在前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合1∶50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，擬通過對卡拉麥里地區(qū)下石炭統(tǒng)姜巴斯套組火山巖進(jìn)行系統(tǒng)的巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)和同位素年代學(xué)等方面研究，討論其形成時代、環(huán)境和構(gòu)造意義，并進(jìn)而約束卡拉麥里洋盆的閉合時限。

1 構(gòu)造背景和地層概況

新疆東準(zhǔn)噶爾包括準(zhǔn)噶爾盆地東北緣卡拉麥里地區(qū)和阿爾曼太至北塔山一線以南的地區(qū)，該區(qū)域?qū)儆跂|準(zhǔn)噶爾古生代造山帶的重要組成部分［8］。在阿爾曼太山—北塔山和卡拉麥里山發(fā)育有著名的蛇綠混雜巖帶［4］（圖1a）。整個準(zhǔn)噶爾盆地東北緣廣泛出露古生代火山巖，主要為泥盆紀(jì)和早石炭世火山沉積地層，兼有少量二疊紀(jì)火山巖和志留紀(jì)地層［9－10］。具幔源特征的后碰撞花崗巖廣泛發(fā)育并侵入到泥盆紀(jì)和早石炭世地層之中［11－12］?？傮w上，卡拉麥里地區(qū)以及整個準(zhǔn)噶爾盆地東北緣經(jīng)歷了復(fù)雜消減增生和地體拼貼過程。

姜巴斯套組建組地點(diǎn)位于巴里坤縣紙房以北，最初定義為一套灰綠、灰、黃綠色富鈣質(zhì)的陸源碎屑巖、火山碎屑巖，其中雜砂巖、長石質(zhì)砂巖較多［13］。新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局將該套地層厘定為：分布于東西準(zhǔn)噶爾廣大地區(qū)下石炭統(tǒng)中部，巖性為一套富含鈣質(zhì)的陸源碎屑巖、火山碎屑巖、長石質(zhì)砂巖、硬砂巖［7］。一般中下部為淺海相、上部為濱海相。該套地層與下伏黑山頭組不整合或平行不整合接觸，其上被上覆地層不整合覆蓋。該套地層中富含腕足類、植物和珊瑚化石，形成時限為早石炭世杜內(nèi)階—謝爾普霍夫階［7，14］。

卡拉麥里造山帶下石炭統(tǒng)為姜巴斯套組火山巖，主要由火山碎屑巖、長石巖屑砂巖、中基性熔巖組成，其最大厚度超過3 000m［6］。最新研究成果也表明：在巴塔瑪依內(nèi)山附近以及北側(cè)的卡拉麥里蛇綠巖帶，廣泛出露下石炭統(tǒng)姜巴斯套組，與下伏下石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組、黑山頭組和上泥盆統(tǒng)卡拉麥里組均呈斷層接觸，巖性為一套強(qiáng)片理化粗—細(xì)砂巖、含角礫凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r夾火山碎屑巖、熔巖［15－16］。

2 姜巴斯套組火山巖特征

玄武巖：灰黑色、淺灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶主要為堿性斜長石和單斜輝石，粒徑為0.6×0.1mm～0.2×1.5mm?；|(zhì)為間隱結(jié)構(gòu)、交織結(jié)構(gòu)，主要由堿性斜長石、單斜輝石、玻璃質(zhì)和少量磁鐵礦組成。巖石蝕變較為強(qiáng)烈，斜長石葉臘石化，輝石綠簾石化和綠泥石化。

玄武粗面安山巖：紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶為透長石、斜長石和單斜輝石?；|(zhì)為粗面結(jié)構(gòu)、交織結(jié)構(gòu)，透長石、斜長石微晶近于平行排列，粒徑為0.01×0.03mm～0.1×0.3mm。蝕變礦物以及石英沿裂隙充填，偶見鈦鐵粉塵狀氧化物。

火山碎屑巖以晶屑巖屑凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r為主，少數(shù)為含火山角礫凝灰?guī)r，呈淺灰色、灰色、淺灰綠色等，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。晶屑為石英和斜長石，巖屑為凝灰?guī)r和少量安山巖。其火山角礫主要為凝灰?guī)r，該組第五巖性段和第六巖性段中偶見輝長巖和花崗巖角礫，次渾圓－次棱角狀，粒度為1×2cm～3×4cm。

圖1 卡拉麥里紅柳溝一帶地質(zhì)簡圖和實測剖面Fig.1 Simplified Geological Map and Geologic Section of Hongliugou in Karamaili

3 姜巴斯套組火山巖鋯石U－Pb年代學(xué)

為了獲得火山巖的形成時代，選取姜巴斯套組玄武粗面安山巖進(jìn)行LA－ICP－MS鋯石U－Pb定年。該樣品的采集位置如圖1a。

首先使用常規(guī)的重液浮選和電磁分離方法挑選出鋯石；然后在雙目鏡下根據(jù)鋯石顏色、自形程度、形態(tài)和透明度等特征初步分類，挑選出具有代表性的鋯石，將鋯石樣品分別用雙面膠粘在載玻片上，放上聚氯乙烯（PVC）環(huán)，然后將環(huán)氧樹脂和固化劑進(jìn)行充分混合后注入PVC環(huán)中，待樹脂充分固化后將樣品座從載玻片上剝離，并對其進(jìn)行拋光，直到樣品露出一個光潔的平面，進(jìn)行鋯石顯微（反射光和透射光）照像；最后用體積分?jǐn)?shù)為3%的HNO3清洗樣品并鍍金作成樣品靶。

激光剝蝕電感偶合等離子體質(zhì)譜（LA－ICPMS）原位U－Pb定年在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室完成。

從玄武粗面安山巖中選出的鋯石為淺黃色—無色透明的正方雙錐狀、中長柱狀、渾圓狀、短柱狀及半截錐狀自形晶體，粒度多為65～180μm。陰極發(fā)光圖像表現(xiàn)出典型的巖漿韻律環(huán)帶和明暗相間的條帶結(jié)構(gòu)，屬于巖漿結(jié)晶產(chǎn)物（圖2）。鋯石的7個測點(diǎn)w（Th）／w（U）為0.34～0.74，多數(shù)大于0.4，w（Th）為（77.16～318.13）×10－6，w（U）為（196.21～757.61）×10－6（表1）；且Th、U含量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，故獲得的年齡可以代表玄武粗面安山巖的形成年齡。LA－ICP－MS鋯石U－Pb定年結(jié)果見表1，相應(yīng)的諧和圖和直方圖見圖3、4。鋯石的諧和年齡為（319.8±2）Ma（加權(quán)均方偏差值為3），表明該組火山巖形成于早石炭世謝爾普霍夫階。

4 巖石地球化學(xué)特征

圖2 姜巴斯套組玄武粗面安山巖中單顆粒鋯石的陰極發(fā)光圖Fig.2 Cathodoluminescence（CL）Images of Single Zircons from Basaltic Trachyte Andesite in Jiangbasitao Formation

圖3 姜巴斯套組玄武粗面安山巖LAICP－MS鋯石U－Pb諧和年齡與直方圖Fig.3 LA－ICP－MS Zircon U－Pb Histograms of Weighted Average Ages of Basaltic Trachyte Andesite

火山巖的采樣位置如圖1。在對巖石樣品進(jìn)行詳細(xì)手標(biāo)本和偏光顯微鏡觀察后，挑選較新鮮的樣品用瑪瑙研磨成粉末，然后進(jìn)行化學(xué)分析。主量元素、微量元素和稀土元素均在宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所用X射線熒光光譜儀分析，XRF熔片法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 14506.28—1993進(jìn)行［18］。微量元素和稀土元素采用ICP－MS分析測定，樣品經(jīng)BHVO－2、AGV－1、BCR－2國際標(biāo)樣監(jiān)控，絕大多數(shù)微量元素分析精度優(yōu)于5%。

自2008年起，四川省開始開展高職單招考試．通過單獨(dú)考試、單獨(dú)錄取的方式，選拔一些對某方面有特別愛好，愿意在某個專業(yè)、職業(yè)領(lǐng)域長遠(yuǎn)發(fā)展，且動手能力、實踐能力較強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)入高職院校進(jìn)一步學(xué)習(xí)．普高生和中職生均可參加高職單招考試，一旦被參加測試的高職院校錄取的學(xué)生，無需再參加當(dāng)年的高考．

圖4 姜巴斯套組玄武粗面安山巖LAICP－MS鋯石U－Pb諧和年齡圖Fig.4 LA－ICP－MS Zircon U－Pb Concordia Diagram of Basaltic Trachyte Andesite

4.1 主量元素地球化學(xué)

姜巴斯套組火山巖主量元素分析數(shù)據(jù)見表2。在圖5a中可以看出，巖石類型為堿玄巖、玄武粗面安山巖、英安巖和流紋巖。在圖5b中可以看出，3件玄武巖樣品為鉀玄巖系列，1件粗面巖為高鉀鈣堿性系列，其余樣品均為鈣堿性和低鉀拉斑系列。

玄武巖的w（SiO2）為49.43%～51.02%，高w（TiO2）（2.5%1～3.4%），w（Al2O3）、w（MgO）、w（Fe2O3）和w（CaO）穩(wěn)定，w（Na2O）＋w（K2O）為7.53%～9.48%。w（K2O）／w（Na2O）除1件樣品為3外，其余為0.19～0.75。

玄武粗面安山巖w（SiO2）為53.32%～53.72%，w（TiO2）中等（0.77%～2.30%），w（Al2O3）變化較?。?5.12%～17.60%），w（MgO）（1.44%～5.86%）、w（Fe2O3）（2.30%～13.63%）和w（CaO）（2.50%～6.53%）變化較大。w（Na2O）為4.93%～6.72%，w（K2O）為0.20%～2.32%。

火山碎屑巖中w（SiO2）為63.80%～78.87%，w（TiO2）為0.32%～0.89%，w（Al2O3）為63.80%～16.35%，w（MgO）為1.08%～3.14%，w（Fe2O3）為0.54%～1.10%，w（CaO）為1.90%～5.59%，w（Na2O）為1.53%～4.56%，w（K2O）為1.30%～3.37%，Mg＃為0.41～0.48。

表2 姜巴斯套組火山巖主量元素分析數(shù)據(jù)Tab.2 Major Elements Abundances Data of Volcanic Rocks in Jiangbasitao Formation

圖5 姜巴斯套組火山巖TAS分類圖及硅堿分布圖解Fig.5 TAS and Kalium－silica Plan for Volcanic Rocks of Jiangbasitao Formation

4.2 稀土元素和微量元素地球化學(xué)

姜巴斯套組火山巖稀土元素和微量元素分析數(shù)據(jù)見表3。玄武巖中除了1件樣品w（ΣREE）較高（466.18×10－6），其余樣品w（ΣREE）變化較?。ǎ?66.46～176.12）×10－6），δEu為0.97～1.02，w（La）N／w（Yb）N為4.64～5.51。從圖6a中可看出，配分曲線均為向右傾的輕稀土元素富集型，樣品無Eu異常。從圖6d中可以看出，大離子親石元素相對富集，高場強(qiáng)元素相對虧損，具有K正異常和Sr負(fù)異常。

表3 姜巴斯套組火山巖稀土元素和微量元素分析數(shù)據(jù)Tab.3 Rare Earth Element and Trace Element Abundances Data of Volcanic Rocks in Jiangbasitao Formation

圖6 姜巴斯套組火山巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化多元素配分曲線Fig.6 Chondrite－nomalized REE Patterns and PM－normalized Trace Elements Spider Diagram for Volcanic Rocks in Jiangbasitao Formation

酸性火山碎屑巖w（ΣREE）為（45.28～121.78）×10－6，δEu為0.91～0.98，w（La）N／w（Yb）N為1.09～2.84。巖石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線均為輕稀土元素略富集型（圖6b），無Eu異常。樣品在不相容元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖上表現(xiàn)出大離子親石元素相對富集，高場強(qiáng)元素相對虧損，Nb、Ta和Ti顯著虧損（圖6e）。

玄武粗面安山巖w（ΣREE）為（64.34～96.60）× 10－6，δEu為0.83～1.08，w（La）N／w（Yb）N為1.78～2.71。樣品球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線均為輕稀土元素略富集型，無Eu異常（圖6c）。從圖6f中可以看出，樣品大離子親石元素相對富集，高場強(qiáng)元素相對虧損，具有K正異常和Sr負(fù)異常，Ti弱負(fù)異常。

5 討論

5.1 構(gòu)造環(huán)境

Liegeois將整個造山帶的演化過程從老到新分為活動大陸邊緣階段、同碰撞階段、碰撞后階段和板內(nèi)作用階段［19］。活動大陸邊緣階段即大洋板塊俯沖階段；同碰撞階段表現(xiàn)為板塊碰撞擠壓－地殼橫向縮短和垂向加厚；碰撞后階段主要表現(xiàn)出陸內(nèi)造山作用特點(diǎn)；而板內(nèi)作用階段則對應(yīng)了非造山階段，應(yīng)力體制上主要以伸展和拉張為主［19］。造山后巖漿作用主要表現(xiàn)為：①巖漿成分以高鉀、鈣堿性系列為主，同時富鋁或鋁飽和；②巖漿作用與巨大的水平剪切運(yùn)動有關(guān)；③巖漿熔融源區(qū)與早期的俯沖作用有關(guān)。由此作用產(chǎn)生的巖石系列具雙峰式火山巖組合、高鉀鈣堿性甚至鉀玄巖趨勢、A型花崗巖［20］3個特征。以上巖石特征均與島弧拉斑－鈣堿性火山巖、洋中脊玄武巖（MORB）、洋島玄武巖（OIB）和大陸溢流玄武巖（CFB）等有顯著差異。

姜巴斯套組火山巖具雙峰式組合，鉀玄巖、高鉀鈣堿性和鈣堿性系列巖石兼而有之。玄武巖以高w（TiO2）（平均3.18%）、w（Na2O）（平均4.60%）和w（K2O）（3.63%）為特征；酸性火山碎屑巖則相對低w（TiO2）（平均0.66%），玄武粗面安山巖w（TiO2）為1.7%，w（Na2O）（平均5.63%）較高。微量元素方面，該組火山巖具有明顯的輕稀土元素和大離子親石元素富集，火山碎屑巖還保留了島弧火山巖的痕跡。從圖7中可以看出，只有1件粗面安山巖和1件玄武巖落入MORB區(qū)域，其余樣品點(diǎn)均落入了板內(nèi)環(huán)境。從圖8中可以看出，除了1件樣品點(diǎn)分別落入了大陸板塊內(nèi)部和大洋玄武巖區(qū)，其余樣品落入了擴(kuò)張中心島嶼和大陸裂谷型玄武巖區(qū)域。

卡拉麥里以北地區(qū)廣泛出露具有島弧屬性的泥盆紀(jì)火山巖，形成于弧前環(huán)境的泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)火山碎屑沉積巖系和早石炭世—早二疊世的富鉀花崗巖廣泛分布［8］?？ɡ溊镆阅系貐^(qū)廣泛出露老君廟變質(zhì)巖、中志留世—石炭紀(jì)火山碎屑沉積巖系，其中在中志留統(tǒng)巖石中發(fā)現(xiàn)圖瓦貝化石，并且泥盆紀(jì)—早石炭世火山碎屑沉積巖系表現(xiàn)為被動陸緣屬性［1，8］。早泥盆世末期卡拉麥里洋盆洋殼向北側(cè)野馬泉陸塊之下俯沖，即卡拉麥里地區(qū)發(fā)育泥盆紀(jì)—早石炭世向北（東準(zhǔn)噶爾造山帶）俯沖消減的有限洋盆［1］。

圖7 姜巴斯套組火山巖w（Zr）／w（Y）－w（Zr）圖解Fig.7 Plot of w（Zr）／w（Y）－w（Zr）Binary Valuables of Volcanic Rocks in Jiangbasitao Formation

圖8 姜巴斯套組火山巖w（TiO2）－w（Al2O3）－w（K2O）圖解Fig.8 Plot of w（TiO2）－w（Al2O3）－w（K2O）Binary Valuables of Volcanic Rocks in Jiangbasitao Formation

卡拉麥里構(gòu)造帶北側(cè)有大規(guī)模帶狀展布的花崗巖巖體，包括貝勒庫都克巖體、庫布蘇南巖體、錫礦北花崗斑巖巖體和黃羊山堿性花崗巖巖體。該系列巖體巖石絕大多數(shù)為高鉀鈣堿性系列，且均屬于卡拉麥里造山帶碰撞后花崗巖，形成于該區(qū)主碰撞造山后的拉伸階段［21－24］。3個巖體的鋯石LA－ICPMS U－Pb年齡分別為（283±2）、（287±2）、（278± 11）Ma［21－23］，同時一些研究認(rèn)為東準(zhǔn)噶爾的后碰撞深成巖漿活動范圍為330～265Ma［11］。因此，研究區(qū)北側(cè)的花崗巖帶以及東準(zhǔn)噶爾深成巖漿活動無疑佐證了該區(qū)在石炭紀(jì)末至早二疊世初是一種碰撞后的拉伸環(huán)境。

總體上，姜巴斯套組火山巖雙峰式組合中，玄武巖和玄武粗面安山巖表現(xiàn)出大陸裂谷（大陸板內(nèi)拉張區(qū)域）巖石特征；酸性火山碎屑巖表現(xiàn)出島弧或者活動大陸邊緣巖石屬性。該套火山巖形成于石炭紀(jì)末至早二疊世初期卡拉麥里有限洋盆向北俯沖碰撞后（造山后）的板內(nèi)拉伸環(huán)境，巖石局部繼承了碰撞階段巖漿的地球化學(xué)特征。

5.2 地質(zhì)意義

卡拉麥里有限洋盆在泥盆紀(jì)初期拉張形成，最終閉合于早石炭世末期［25］。從空間位置看，卡拉麥里構(gòu)造帶連接了其北側(cè)的野馬泉陸塊及其南側(cè)的準(zhǔn)噶爾陸塊，其中野馬泉陸塊南緣古火山弧分布以及準(zhǔn)噶爾陸塊被動大陸邊緣沉積巖系的特征均暗示了卡拉麥里有限洋盆向北俯沖消減［8］。姜巴斯套組雙峰式火山巖年齡（（319.8±2）Ma）也暗示了本區(qū)向北俯沖碰撞后的拉伸作用開始于早石炭世末期，到早二疊世伴隨有大規(guī)?；◢弾r巖漿活動。

綜上所述，姜巴斯套組巖石形成于早石炭世末期，其中的雙峰式火山巖代表了卡拉麥里洋盆閉合造山后的拉張伸展環(huán)境。在卡拉麥里洋盆于早石炭世末期最終閉合之后，該區(qū)進(jìn)入了碰撞后拉張伸展階段。

6 結(jié)語

（1）東準(zhǔn)噶爾卡拉麥里姜巴斯套組火山巖包括玄武巖－酸性火山碎屑巖－玄武粗面安山巖，為典型的雙峰式組合。玄武粗面安山巖中LA－ICP－MS鋯石U－Pb諧和年齡為（319.8±2）Ma，表明該組火山巖形成于早石炭世謝爾普霍夫階。

（2）姜巴斯套組火山巖鈣堿性系列、高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列巖石兼而有之。巖石的稀土元素配分曲線均為輕稀土元素富集型，無明顯Eu異常，富集大離子親石元素，相對虧損高場強(qiáng)元素。

（3）玄武巖和玄武粗面安山巖具大陸裂谷（大陸板內(nèi)拉張區(qū)域）巖石特征；酸性火山碎屑巖表現(xiàn)出島弧或者活動大陸邊緣巖石屬性。該套火山巖形成于石炭紀(jì)末至早二疊世初期卡拉麥里有限洋盆向北俯沖碰撞后（造山后）的板內(nèi)拉伸環(huán)境，巖石局部繼承了碰撞階段巖漿的地球化學(xué)特征。該套巖石代表了早石炭世末期卡拉麥里洋盆閉合造山后的拉張伸展環(huán)境。

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