谷 浩,吳 松
(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,鄭州,450003)
(No.3 Institute of Geological and M ineral Resources Survey of Henan Geological Bureau,Zhengzhou 450003,Henan,China)
西昆侖苦水海西一帶寒武系甜水湖組粗面巖的發(fā)現(xiàn)、鋯石U-Pb定年及其地質(zhì)意義
谷 浩,吳 松
(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,鄭州,450003)
(No.3 Institute of Geological and M ineral Resources Survey of Henan Geological Bureau,Zhengzhou 450003,Henan,China)
西昆侖苦水海西寒武系甜水湖組內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)了粗面巖。通過巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)及鋯石U-Pb年代學(xué)研究,粗面巖貧鈦(Ti2O3:0.11%~0.29%),富鉀(K2O:5.16%~8.49%),富堿(ALK:5.45%~8.71%),屬于過鋁質(zhì)鉀玄巖系列,具有明顯的負(fù)銪異常。鋯石(LA-ICP-MS)U-Pb年齡為534±23 Ma(MSWD=2.0),火山噴發(fā)時代為早寒武世。粗面巖構(gòu)造環(huán)境為伸展拉張機(jī)制下的陸內(nèi)裂谷,顯示羌塘陸塊在~534 Ma已經(jīng)從Rodinia超大陸裂解出來,并形成了初始洋盆。
西昆侖;甜水湖組;粗面巖;鋯石U-Pb定年
1993年,新疆區(qū)域地質(zhì)志將葉爾羌河上游支流阿克塔河南部產(chǎn)三葉蟲化石Pagodia?Kunlunensis的黑色灰?guī)r劃為上寒武統(tǒng)。甜水湖組是從原長城系甜水海巖群中新解體出的一套淺變質(zhì)碎屑巖組合,因生物屑灰?guī)r內(nèi)含海百合莖化石,認(rèn)為其不屬于前寒武紀(jì)地層,其變質(zhì)變形程度強(qiáng)于奧陶紀(jì)冬瓜山群,將其歸為寒武紀(jì)[1]。本次在西昆侖苦水海西首次填繪出了一套碎屑巖夾火山巖建造,火山巖主要為粗面巖,定為甜水湖組,通過粗面巖的巖石地球化學(xué)和鋯石U-Pb同位素年齡研究,提高了對寒武紀(jì)時期的構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識,并提供了年代學(xué)證據(jù),對恢復(fù)西昆侖地區(qū)的地質(zhì)演化具有重要意義。
研究區(qū)位于西昆侖苦水海西,隸屬新疆和田皮山縣。區(qū)域上以苦水海斷裂為界,北為巴顏喀拉中生代濁積盆地褶斷帶,南為北羌塘陸塊[2];北羌塘陸塊又以岔路口斷裂為界,北為甜水海微陸塊,南為神仙灣晚古生代裂陷盆地(圖1)。甜水湖組位于甜水海微陸塊內(nèi),呈北西西向分布。
研究區(qū)內(nèi)甜水湖組為一套碎屑巖夾火山巖建造,巖性主要為細(xì)粒-中粒長石石英砂巖、砂礫巖、(杏仁狀)粗面巖等;在研究區(qū)東約40 km甜水海湖東側(cè)為一套碎屑巖沉積,巖性為灰色泥質(zhì)粉砂質(zhì)板巖、細(xì)-中粒巖屑長石砂巖、褐黃色巖屑中-粗砂巖、砂礫巖;在研究區(qū)西側(cè)平達(dá)坂北為一套碎屑巖夾火山巖地層,巖性為灰-綠色細(xì)-中粒長石石英砂巖、流紋質(zhì)含礫晶屑凝灰?guī)r和熔結(jié)凝灰?guī)r;在研究區(qū)西約60 km阿克塔河南為一套碳酸鹽沉積,巖性為鮞?;?guī)r、灰?guī)r[3]。
2.1 粗面巖的發(fā)現(xiàn)
在苦水海西5272高地測得甜水湖組剖面(圖2),其與北側(cè)甜水海巖群、南側(cè)溫泉溝群均斷層接觸。
圖1 研究區(qū)寒武系甜水湖組區(qū)域分布特征示意圖Fig.1 Distribution characteristics ofCambrian Tianshui Lake Formation in studyarea1.第四系;2.下志留統(tǒng)溫泉溝組;3.寒武系甜水湖組;4.長城系甜水海巖群;5.粗面巖;6.巖石全分析樣品;7.鋯石U-Pb年齡樣品及年齡;8.剖面位置;9.斷層及傾向;10.地質(zhì)界線;Ⅰ-昆南地塊;Ⅱ-巴顏喀拉中生代濁積盆地褶斷帶;Ⅲ-北羌塘陸塊;Ⅲ1-甜水海微陸塊;Ⅲ2-神仙灣晚古生代裂陷帶;Ⅳ-南羌塘陸塊;①-康西瓦斷裂;②苦水海斷裂;③岔路口斷裂
圖2 新疆和田縣5272高地寒武系甜水湖組實(shí)測剖面圖Fig.2 The measured profile ofCambrian Tianshui Lake Formation at altitude 5272 m highland in Hetian county,Xinjiangprovince
研究區(qū)甜水湖組可見2層粗面巖,中間夾細(xì)粒-中細(xì)粒長石石英砂巖,局部含礫,礫石成分復(fù)雜,大小0.5~1.5 cm,水平層理發(fā)育,粗面巖與砂巖為平行整合接觸關(guān)系。第一層粗面巖主要顯示硅化或絹英巖化,其下部粗面巖內(nèi)多含外來碎屑角礫(圖3a),角礫不規(guī)則狀和次棱角狀,成分主要為粉砂巖;第二層粗面巖主要為硅化杏仁狀粗面巖(圖3b)。
2.2 巖石學(xué)特征
粗面巖呈深灰色、黃綠色和灰白色,多殘余斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造(圖3c,3d),基質(zhì)具粗面結(jié)構(gòu)。斑晶(15%~25%):主要為長石,呈自形-半自形板狀,粒徑0.2×0.2㎜2~0.5×2.0㎜2,部分被石英和絹云母交代呈假象,可見較多正長石殘留,具卡式雙晶,其次為少量石英斑晶,全部?;亟Y(jié)晶,由多顆粒石英組成。基質(zhì)(50%~80%):主要為正長石,呈顯微板條狀,粒徑一般小于0.02×0.05㎜2,定向排列,少部分被綠泥石、石英交代,其次為褐鐵礦(5%~15%),呈自形假象。有時含杏仁(20%~30%):呈橢圓形、透鏡體狀,長軸直徑0.2~10㎜,定向排列,充填物是石英和白云母,以石英為主。
2.3 巖石地球化學(xué)特征
2.3.1 樣品采集與分析
在苦水海西5272高地甜水湖組粗面巖內(nèi)共采集4件巖石全分析樣品,樣品均為新鮮、無污染,但由于該地區(qū)粗面巖均不同程度遭受熱液蝕變作用及硅質(zhì)杏仁體未能有效的剔除,導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)粗面巖差異較大。樣品制樣和測試單位為國土資源部河南省巖石礦物測試中心,主量元素主要采用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜(IRIS-Intrepid)分析,分析相對誤差<1%;微量元素和稀土元素多采用等離子質(zhì)譜(XSERIES2)分析,Sr、Zr、Ba采用射線熒光光譜(ZSX100eX)分析,其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。
2.3.2 樣品分析結(jié)果
巖石全分析樣品分析結(jié)果如表1所示,主量元素、稀土元素及微量元素特征如下。
圖3 甜水湖組粗面巖露頭及鏡下照片F(xiàn)ig.3 Han specimen(a,b)and microphotography(c,d)of Tianshuihu Formation trachytea.粗面巖內(nèi)碎屑特征;b.粗面巖內(nèi)杏仁狀構(gòu)造;c.粗面巖鏡下斑狀構(gòu)造;d.粗面巖鏡下杏仁狀構(gòu)造
(1)主量元素
粗面巖SiO2含量71.44%~79.60%,由于粗面巖硅化、絹英巖化較強(qiáng)及硅質(zhì)杏仁體等,均可能導(dǎo)致SiO2含量較高;貧鈦(Ti2O3:0.11%~0.29%)、鈉(Na2O:0.15%~0.48%)、鐵(FeOT:0.81%~1.80%),富鉀(K2O:5.16%~8.49%),富堿(ALK:5.45%~8.71%)。粗面巖鈣鋁指數(shù)A/CNK=1.02~1.66,屬于鋁飽和巖石;ALK含量在5.45~8.71之間,根據(jù)A. R-SiO2圖解(圖4),粗面巖屬于堿性系列,在SiO2-K2O圖解(圖5)中,樣點(diǎn)主要落入鉀玄巖系列。因此,甜水湖組粗面巖應(yīng)屬于過鋁質(zhì)鉀玄巖系列火山巖。
(2)微量元素特征
由微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化模式圖(圖6)可以看出:曲線形式顯示峰谷迭起的樣式,其中大離子親石元素除Sr相對虧損外均顯富集,高場強(qiáng)元素Ce、Zr、Hf明顯富集,P、Ti、Nb、Ta明顯虧損;Y、Yb含量接近于洋殼的平均值。
(3)稀土元素特征
圖4 A.R-SiO2圖解Fig.4 A.R-SiO2diagram
粗面巖稀土元素總量124.90×10-6~292.34× 10-6,輕重稀土之比值LREE/HREE為7.01~11.08之間,(La/Yb)N=6.08~12.96,說明輕稀土有較強(qiáng)的富集,稀土分餾明顯。δEu=0.53~0.89,平均值0.7,為中等負(fù)銪異常。稀土元素配分曲線(圖7)顯示左高右低形態(tài)特征,與鉀玄巖系列巖石稀土元素配分曲線像似。
表1 寒武系甜水湖組粗面巖化學(xué)元素含量特征表Table 1 Element coposition in the trachyte rocks of the Cambrian Tangshuihu Formation
圖5 火山巖SiO2-K2O圖解Fig.5 Schematic diagram ofSiO2-K2O in volcanic rocks
圖6 粗面巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化模式圖[3]Fig.6 Primitive mantle normalized trace elements pattern of trachyte in Tianshuihu Formation
3.1 樣品采集與測試
甜水湖組粗面巖鋯石U-Pb測年樣品(D1506-TW1)采集自苦水海西5272高地附近甜水湖組剖面上第4層粗面巖內(nèi),鋯石相對蝕變較弱,外來碎屑成分較少,采樣位置見圖1。鋯石的單礦物分選按常規(guī)方法在河北省廊坊區(qū)調(diào)研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。鋯石分選后,在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室將分選的鋯石顆粒進(jìn)行鋯石挑選、制片、照相及U-Pb同位素分析。在測年之前進(jìn)行了反射光、透射光和陰極發(fā)光照相(CL),選取自形好、裂隙少、光滑平整及環(huán)帶清晰的鋯石,并選擇合適的測年晶域進(jìn)行測年。根據(jù)GHJZ 0014-2009標(biāo)準(zhǔn),采用ThermoFisher公司制造的Neptune激光燒蝕多接收器等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC-ICP-MS)進(jìn)行微區(qū)原位鋯石U-Pb同位素測定,激光波長193 nm,脈沖寬度5 ns,激光剝蝕的斑束直徑為25μm。詳細(xì)分析方法及儀器參數(shù)見李懷坤等[6]。采用中國地質(zhì)大學(xué)劉勇勝博士研發(fā)的ICPM SDataCa程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,同位素比值誤差為1σ,年齡值選206Pb/238U年齡。
圖7 粗面巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配模式圖[4]Fig.7 Chondrite-normalized rare earth elements pattern oftrachyte in Tianshuihu Formation
3.2 測試結(jié)果
本次研究樣品共測定了25顆鋯石,其CL圖像顯示(圖8)大部分鋯石自行程度較好,粒徑100~200 μm,延長比多在2∶1~3∶1之間,內(nèi)生環(huán)帶窄而較為清晰,個別可見扇形環(huán)帶,指示了其巖漿鋯石的特征。25粒鋯石的測試結(jié)果顯示(表2):Pb含量變化在31×10-6~97×10-6之間,U變化在371×10-6~1093×10-6之間,Pb和U之間具有正相關(guān)關(guān)系;Th/U值在0.435~0.966之間,Th與U之間呈正相關(guān)關(guān)系,具有巖漿巖成因特征[7]。206Pb/238U年齡自晚太古代至早古生代均存在,變化較大。10號點(diǎn)2834 Ma,為晚太古代,屬于繼承性鋯石,說明北羌塘地區(qū)可能存在太古代時期的結(jié)晶基底;12號點(diǎn)921 Ma,18號點(diǎn)831 Ma,22號點(diǎn)778 Ma,3個點(diǎn)測年位置均為晶核和環(huán)帶交界部位,可能為捕獲的新元古代圍巖的鋯石;7號點(diǎn)600 Ma,23號點(diǎn)586 Ma,前兩者打在了暗色蝕變帶上,為在早期繼承性鋯石;24號點(diǎn)637 Ma,顯示后期鋯石捕獲早期鋯石而生長,而打點(diǎn)位置為捕獲鋯石,因而打點(diǎn)失誤,年齡不可用。剩余17個測年點(diǎn)均顯示較好的環(huán)帶特征,打點(diǎn)位置均在環(huán)帶上,206Pb/238U年齡變化在473~508 Ma之間,顯示較好的集群特征,一致線與不一致線的上交點(diǎn)年齡為534±23 Ma(MSWD=2.0,n=17)(圖 9),模式年齡值為491.35±5.3 Ma(圖9),考慮鉛丟失原因,534±23 Ma更能代表粗面巖形成年齡。
4.1 粗面巖形成的構(gòu)造環(huán)境
圖8 粗面巖中鋯石陰極發(fā)光照片特征圖8 Cathodoluminescence images ofzircons in trachyte of Tianshuihu Formation
表2 苦水海西甜水湖組粗面巖鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果表Table 1 Zircon U-Pb isotopic analysis results of trachyte for Tianshuihu Formation in W estern Kushuihai area
研究區(qū)粗面巖稀土含量較高,輕重稀土比值7.01~11.08,顯示輕稀土富集,稀土元素分餾程度較高。粗面巖負(fù)銪異常明顯,可能原因?yàn)樾遍L石結(jié)晶保存在殘余固相;(Ce/Yb)N比值在4.49~7.98之間,平均值為5.98,說明粗面巖結(jié)晶分異程度較高;微量元素特征顯示富集大離子親石元素和輕稀土元素,而高場強(qiáng)元素則選擇性富集,如:Ce、Zr、Hf、Sm、Yb、Y富集,Nb、Ta、Ti虧損,與Pearce[8]不同構(gòu)造環(huán)境花崗巖蜘蛛網(wǎng)圖中的板內(nèi)花崗巖(減薄的大陸巖石圈)特征一致。一般認(rèn)為:隨壓力增加,巖漿中Sr增加,Yb降低;源區(qū)貧K則巖漿貧Yb,源區(qū)富K則巖漿富Yb[9]。研究區(qū)粗面巖貧Sr富Yb,可能環(huán)境為低壓環(huán)境,源區(qū)可能富鉀。
研究區(qū)內(nèi)粗面巖屬于鉀玄巖系列[10],鉀玄質(zhì)巖漿的活動常常與軟流圈地幔上涌和巖石圈伸展-減薄作用相聯(lián)系[11]。粗面巖為富堿、鋁、硅而貧鈣、鎂、鐵的長英質(zhì)巖漿,負(fù)銪異常明顯,為低壓型粗面巖[12],其構(gòu)造環(huán)境為拉張環(huán)境。在Th/Hf-Ta/Hf判別圖解中(圖10),粗面巖樣品投點(diǎn)主要落在了大陸拉張帶或初始裂谷區(qū)。
在平衡部分熔融作用和分離結(jié)晶作用圖解(圖11)中,粗面巖顯示為平衡部分熔融特征。甜水湖組粗面巖并不是單一的同源巖漿演化,必定受到外來物質(zhì)的混染作用,可能為玄武質(zhì)巖漿上侵分離結(jié)晶過程中部分熔融地殼物質(zhì)導(dǎo)致粗面巖中高場強(qiáng)元素的富集與虧損不一,即富水條件下的熔融增大硅酸鹽礦物的部分熔融的程度,對副礦物的熔融沒有明顯的影響,使大離子親石元素傾向于進(jìn)入熔漿,而高場強(qiáng)元素傾向于殘留在殘余固相中(如Nb、Ta、Ti主要與副礦物有關(guān),而副礦物是較難熔融的)。因此粗面巖在演化時期應(yīng)為富水的環(huán)境-即小洋盆環(huán)境。
圖9 粗面巖鋯石U-Pb年齡不一致線圖Fig.9 Magmatic zircon U-Pb concordia diagram of trachyte in Tianshuihu Formation
圖10 玄武巖大地構(gòu)造環(huán)境的Th/Hf-Ta/Hf判別圖Fig.10 Th/Hf-Ta/Hfplot of trachyte in Tianshuihu Formation
綜合以上分析,武系甜水湖組粗面巖構(gòu)造環(huán)境應(yīng)偏向于大陸裂谷,并且該裂谷可能已經(jīng)拉張到形成初始洋盆的程度。
4.2 粗面巖噴發(fā)時代及地質(zhì)意義
圖11 平衡部分熔融作用和分離結(jié)晶作用圖解Fig.11 Schematic diagram ofequilibrium partial meltingand separation crystallization
相關(guān)研究表明,西昆侖地區(qū)在Rodinia超大陸形成以后,于南華紀(jì)-震旦紀(jì)時期進(jìn)入了又一次的裂解,并在早寒武世-早奧陶世裂解達(dá)到鼎盛,形成了復(fù)雜的、彌散性的、多級別的小陸塊-小洋盆[13]。但是這些微陸塊、裂谷、小洋盆的發(fā)展是不均一的,一部分表現(xiàn)為俯沖-碰撞,例如,昆中微地塊內(nèi)寒武紀(jì)俯沖型的花崗巖和東昆侖寒武系納赤臺群島弧-弧前盆地碎屑巖夾島弧火山巖沉積均證實(shí)了寒武紀(jì)時期的西昆侖地區(qū)發(fā)生了俯沖消減;另一部分則表現(xiàn)為繼續(xù)伸展裂解,例如,西昆侖庫地-其曼于特寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)末期小洋盆內(nèi)發(fā)育庫地蛇綠巖(512~503 Ma[14];494.28~500.30 Ma[15])和其曼于特基性-超基性雜巖(526 Ma[16]),為早期區(qū)域伸展裂解作用形成的產(chǎn)物[17]。
研究區(qū)粗面巖鋯石U-Pb測年結(jié)果為534±23 Ma,代表該粗面巖的噴發(fā)時間,記錄西昆侖地區(qū)在~534 Ma裂解事件。王炬川等[18]的研究表明了,在晚震旦世-中寒武世,羌塘陸塊從Rodinia超大陸中裂解出來,成為一個獨(dú)立的微陸塊,并在康西瓦-蘇巴什一帶形成了原特提斯小洋盆,該洋盆一直延續(xù)到中二疊世才完全閉合。因此可以認(rèn)為,在534 Ma前后羌塘陸塊已經(jīng)從Rodinia超大陸裂解出來,二者之間可能已經(jīng)發(fā)育初具規(guī)模的原特提斯小洋盆。
(1)甜水湖組粗面巖貧鈦(Ti2O3:0.11%~0.29%),富鉀(K2O:5.16%~8.49%),富堿(ALK:5.45%~8.71%),屬于過鋁質(zhì)鉀玄巖系列;稀土元素和微量元素分析結(jié)果表明粗面巖巖石成因?yàn)樾滟|(zhì)巖漿分離結(jié)晶過程中平衡部分熔融作用形成。
(2)甜水湖組粗面巖鋯石(LA-ICP-MS)U-Pb諧和年齡為534±23 Ma,說明火山巖噴發(fā)時間為早寒武世。
(3)甜水湖組粗面巖巖石地球化學(xué)特征具有明顯的負(fù)銪異常,輕稀土富集明顯,具有鄧晉福等所劃分的低壓型粗面巖特征,構(gòu)造環(huán)境為伸展拉張機(jī)制下的陸內(nèi)裂谷,顯示羌塘陸塊在534 Ma前后已經(jīng)從Rodinia超大陸裂解出來,并形成了初始洋盆。
本文初稿承蒙河南省地礦三院總工程師楊澤強(qiáng)、副總工程師李法嶺和何孝良三位教授級高工的審閱,并提出寶貴意見,在此表示由衷感謝。
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GUHao,WUSong
In the Western Kunlun Mountain,the Trachyte in Cambrian Tianshuihu Formation has been firstly found.Through the research of petrography,geochemistry and zircon U-Pb dating,and the results show that:the Trachyte belongs to Peraluminous basalt,which has the characteristics for that:poor in REE and Ti,rich in K and ALK(K2O=5.16~8.49 wt%;ALK=5.45~8.71 wt%.Otherwise,the zircon U-Pb ages of Trachyte age is 534±23 Ma(MSWD=2.0),and indicated that the Tianshuihu Formation formed in later Cambrian.In combination with the regional geological resourches,we think that the Tianshuihu Formation is the product of intraplate extension,and also reflects a magmatic event,which for that Tianshuihu micro-plate split out from Rodinia supercontinent at~534 Ma.
Tianshuihu Formation;Trachyte;zircon U-Pb ages;western Kunlun mountain
P534.41;P597+.3
A
11007-3701(2017)01-025-09
10.3969/j.issn.1007-3701.2017.01.003
Gu H and W u S.The discovery of Trachyte from Cambrian Tianshuihu Form ation in western Kushuihai area,western Kunlun M ountain:its zircon U-Pb dating and geology significance.Geology and M ineral Resources of South China,2017,33(1):25-33.
2017-2-15;
2017-3-29.
中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項(xiàng)目"新疆1︰5萬克孜勒吉勒干幅(I44E003005、I44E003006、I44E004004、I44E004005、I44E004006)等五幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查"(編號:1212011120534、121201120628).
谷浩(1982—),男,工程師,資源勘查專業(yè),從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作,E-mail:879861310@qq.com.