西准噶尔南部晚石炭世中-酸性火山岩成因机制及其对准噶尔洋闭合时限的约束

Genetic mechanism of Late Carboniferous intermediate-acid volcanic rocks in southern West Junggar and its constraints on the closure of the Junggar Ocean

摘要

西准噶尔地区广泛分布石炭纪岩浆岩类,了解它们的成因和形成机制可为揭示准噶尔洋盆晚古生代构造格局和发展演化以及约束古大洋闭合时限提供重要依据。本文报道了西准噶尔南部哈拉阿拉特山地区晚石炭世中-酸性火山岩的岩石学、锆石U-Pb年代学以及地球化学特征。岩石学研究表明其岩性主要为安山岩、英安质安山岩、流纹英安斑岩和流纹岩。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明哈拉阿拉特山地区中-酸性火山岩年龄为308~305 Ma,为晚石炭世中-晚期。中-酸性火山岩均相对富集轻稀土和大离子亲石元素,亏损Nb、Ta等高场强元素,富钠贫钾,属于低钾拉斑-中钾钙碱性系列岛弧火山岩。其中安山岩和英安质安山岩具有较高SiO₂(56.15%~66.13%)、Al₂O₃(16.03%~17.94%)、Na₂O(3.44%~5.59%)、Sr((364~576)×10^-6)含量和Na₂O/K₂O(3.20~6.40)、Sr/Y(33.5~55.6)比值,贫MgO(1.59%~2.68%)、Y((10.0~16.0)×10^-6)和Yb((1.08~1.83)×10^-6)的特征,并且具有Eu正异常(δEu=1.09~1.22),属于典型的埃达克岩,是经俯冲的洋壳板片在石榴角闪岩相发生部分熔融而成,且熔融产生的埃达克质熔体在上升过程中未与上覆地幔橄榄岩发生明显交代作用;流纹岩和流纹英安斑岩具有高的SiO₂(69.59%~75.03%)和全碱(w(Na₂O+K₂O)=7.81%~8.89%)、极低的TFe₂O₃(0.94%~1.57%)和MgO(0.12%~0.97%)含量以及弱负Eu异常(δEu=0.63~1.00)等特征,为准铝质I型流纹岩,是下地壳镁铁质岩石部分熔融的产物,很可能有少量幔源岩浆混入。综合本文数据并结合研究区大量前人已发表的岩浆岩类研究成果,认为西准噶尔南部地区在晚石炭世中晚期仍处于岛弧-弧后盆地演化体系,准噶尔洋的闭合时限可能至少推迟至早二叠世早期之后。

关键词

岛弧火山岩 / 晚石炭世 / 弧-盆体系 / 西准噶尔南部 / 准噶尔洋

Key words

island arc volcanic rocks / Late Carboniferous / arc-basin system / southern West Junggar / Junggar Ocean

0 引言

准噶尔洋作为古亚洲洋西北缘重要分支,其晚古生代的构造格局及洋盆演化历史对反演古亚洲洋古生代构造演化、约束大洋最终闭合时间具有重要指示作用^[1⇓⇓-4]。晚古生代,尤其是石炭纪—二叠纪,为准噶尔洋构造体制转换的重要时期,记录了古洋盆俯冲、消减、闭合以及碰撞的全过程^[1,5⇓-7]。目前对准噶尔洋闭合时限和洋盆演化过程依旧存在不同的认识和争议,有部分学者认为准噶尔洋于早石炭世^[3,8⇓-10]或晚石炭世^{[7,11⇓⇓⇓-15]}闭合,也有学者认为在早泥盆世—晚石炭世,准噶尔洋壳广泛发生俯冲消减,于二叠纪最终闭合^{[1,6,16⇓⇓⇓⇓⇓⇓-23]}。

中亚造山带西南边缘的西准噶尔地区在古生代发生过显著的地壳生长,出露多条蛇绿构造混杂岩和种类多样、成因各异的岩浆岩类,将为准噶尔盆地西北缘晚古生代岩浆活动和区域构造演化研究提供天然的物质场所,更是研究准噶尔洋盆乃至揭示古亚洲洋西南段发展演化历史和最终闭合前构造格局的关键区域^{[1-2,5,14⇓-16,21,23⇓⇓⇓⇓-28]}。

西准噶尔南部哈拉阿拉特山(后文简称“哈山”)地区出露一套规模较大、厚度稳定的晚石炭世火山-沉积建造,但以往多集中于其层序地层学及沉积岩地球化学研究^{[29⇓⇓⇓⇓⇓-35]},对火山岩关注较少^[36⇓-38]。本文通过对哈山地区晚石炭世中-酸性火山岩进行岩石学、锆石U-Pb年代学以及地球化学特征分析与对比,探讨了该套火山岩的成因背景及动力学模式,同时结合区域内已有的大量岩浆岩类成果认识,为揭示准噶尔洋盆晚古生代构造格局和发展演化及约束古大洋闭合时限提供新的依据。

1 区域地质概况

以谢米斯台断裂作为分界线,可将西准噶尔划分为南和北两部分。北部地区主要以近东西向分布的断层和寒武纪-奥陶纪蛇绿混杂岩^{[39⇓⇓-42]}以及古生代沉积-火山碎屑岩系、奥陶纪—早二叠世中酸性侵入岩为特征^{[43⇓⇓-46]};南部地区则以北东向的达尔布特、哈图、巴尔雷克等左行走滑断裂体系为主,沿这些大断裂出露多条古生代蛇绿混杂岩,断裂两侧更是出露大规模的晚古生代中-酸性花岗岩体和闪长岩脉(图1^[28])。除极个别花岗岩体形成时代较早以外(572~439 Ma)^[25,47-48],南部地区其余花岗岩类(主要为I型和A₂型,仅个别为A₁型)形成时代主要集中于320~295 Ma,并且绝大多数花岗岩具有高正的全岩ε_Nd(t)、锆石ε_Hf(t)值以及年轻的Nd和Hf模式年龄^{[16,23,49⇓⇓-52]}。闪长质脉岩密集出露于别鲁阿嘎希、红山、庙尔沟以及克拉玛依周边地区,时代变化于322~292 Ma,多数脉体主要侵位于中泥盆统和下石炭统火山-沉积地层,部分时代稍晚的闪长质脉岩侵入于晚石炭世-早二叠世花岗岩中,多具有赞岐质高镁安山岩特征^{[17,19,22,27,51,53]}。大量统计数据表明,西准南部地区的中-酸性花岗岩体和闪长岩脉均显示两期岩浆活动特征^[23,51,54]。

石炭纪频繁的火山岩浆作用为地层的沉积提供了充足的物质供给,形成了以火山岩和火山碎屑岩占主导的火山-沉积地层,由老到新依次出露下石炭统包古图组、希贝库拉斯组和上石炭统成吉思汗山组、哈拉阿拉特组、阿腊德依克赛组。包古图组以浅-中深海相细碎屑岩为主,主要岩性为凝灰质粉砂岩、细砂岩、凝灰岩和硅质岩,夹有大量灰岩条带/透镜体和基-中性火山岩,其中基性玄武岩多显示岛弧火山岩/弧后盆地玄武岩地球化学特征,部分属于碱性洋岛玄武岩^{[28,55⇓⇓-58]};希贝库拉斯组主要为一套砾岩、含砾粗砂岩、含砾凝灰质砂岩和粗砂岩等粗碎屑岩,反映浅水高能环境^[59];成吉思汗山组岩性组合主要为暗红色玄武岩、安山岩、凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩、粉砂质泥岩和硅质岩,其中玄武岩锆石U-Pb年龄变化于313~310 Ma,具有弧后盆地玄武岩特征^[60]。哈拉阿拉特组是哈山地区出露范围最大的地层单元(图2^[52]),为一套滨-浅海相火山沉积岩建造,底部以玄武玢岩、杏仁状玄武岩为主,向上有安山岩、流纹岩产出,上部层位以厚度大的安山质角砾凝灰岩、安山质凝灰岩、角砾岩、集块岩等为主,夹少量含碳粉砂岩、砂岩和泥岩^[32,34],靠顶部层位发育厚度较大的具鲍马层序的火山复理石建造^[35]。其上覆地层阿腊德依克赛组为一套火山岩、火山碎屑岩和陆源碎屑岩组合,在其下部灰岩夹层中发现的腕足、珊瑚和双壳化石指示该组形成于滨浅海相环境^[30,33,36]。两组中性火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄变化于306~304 Ma,基-中性火山岩多显示岛弧玄武岩和赞岐质高镁安山岩地球化学特征^[36,38]。石炭系之上通常被早二叠世佳木河组磨拉石建造不整合覆盖^[21]。

2 岩石学特征

本文研究的中-酸性火山熔岩采集于哈拉阿拉特组中下部层位,岩性主要为安山岩、英安质安山岩、流纹英安斑岩和流纹岩(图3)。

安山岩手标本多呈紫红色(图3a),斑状结构。斑晶成分主要为半自形板状斜长石,含量约15%,粒径约为1.0 mm×0.5 mm~3.0 mm×1.5 mm,聚片双晶发育,部分发育环带构造。基质含量约85%,具交织结构,主要为粒径较小的斜长石、玻璃质和少量暗色矿物。其中斜长石粒径为0.1~0.5 mm,暗色矿物残余角闪石柱状假象,粒径(0.12~0.3) mm×0.1 mm,杂乱分布(图3b)。

英安质安山岩多呈深灰色(图3c),斑状结构,斑晶主要为半自形板状、粒状斜长石,聚片双晶发育,中度绢云母化、高岭土化,长轴平行定向排列,形成流动构造,粒径0.5×0.2~1.6×0.8 mm,含量约10%~15%。基质(85%~90%)具交织结构,其中斜长石呈半自形板条状,粒径0.05~0.4 mm;玻璃质和少量石英多分布于斜长石之间,玻璃质多脱玻蚀变呈铁质集合体;少量暗色矿物杂乱分布,残余角闪石细小柱状假象,粒径(0.06~0.25) mm×0.1 mm(图3d)。

流纹英安斑岩呈灰绿色,斑状结构(图3e),斑晶主要为斜长石,呈半自形板状、粒状,粒径0.5 mm×0.8 mm~3 mm×1.4 mm,含量约5%,聚片双晶发育,普遍呈中度泥化。基质含量约95%,具霏细-交织结构,主要由斜长石(55%~60%)组成,其余为玻璃质和石英,粒径多变化于0.01~0.3 mm(图3f)。

流纹岩多呈黄褐色、灰褐色,斑状结构,部分具流纹构造(图3g)。斑晶成分主要为半自形-自形板状斜长石,含量约5%,粒径0.5 mm×1.0 mm~2.5 mm×0.5 mm,个别大者可达4 mm×2.5 mm,发育聚片双晶。基质具微粒-霏细结构,主要由长英质组成,大多呈霏细状密集分布,含量约95%(图3h)。另外,镜下还可观察到斜长石斑晶呈叠瓦状排布(图3i),反映了岩浆流动特征。

3 分析方法

LA-ICP-MS原位锆石U-Pb定年在自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。U-Pb定年采用的激光剥蚀系统为GeoLas Pro,ICP-MS为Agilent 7700x。激光剥蚀斑束直径为30 μm,剥蚀深度为20~40 μm。采用标准锆石91500作为标准物质进行同位素校正。选择²⁹Si作为内标,每分析10个样品测点加测一次锆石标准GJ-1作为监控,本次GJ-1的测试精度为0.282 030±0.000 040(2SE)。采用Glitter(ver4.0)程序对锆石同位素比值及元素含量进行计算和普通铅校正,年龄直方图及谐和图采用Isoplot完成。

主量、微量及稀土元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。主量元素含量测定采用X射线荧光光谱法完成,所用仪器为日本岛津LAB CENTER XRF-1800型波长色散X射线荧光光谱分析仪,分析误差优于1%。微量及稀土元素含量测定采用电感耦合等离子体质谱仪完成,所用仪器为安捷伦7700E型电感耦合等离子体质谱仪。微量元素中含量>10×10^-6的样品分析误差优于5%(2σ),含量<10×10^-6的样品分析误差优于10%(2σ),所有稀土元素分析误差优于5%(2σ)。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年代学

本次在哈山地区哈拉阿拉特组流纹岩中采集1件样品用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年研究,采样点坐标为46°13.216'N,85°40.954'E。测试分析结果列于表1。

从流纹岩样品中挑选的锆石大多无色透明,晶形发育较好,多为长柱状自形-半自形晶体,少数锆石因溶蚀形态不规则,长约70~120 μm,宽约60~90 μm,长宽比1:1~2:1。阴极发光图像中锆石内部结构清晰,具有振荡环带,大多数无明显继承核(图4a中插图),属于岩浆结晶锆石。从表1中可以看出,所有测试锆石的Th含量为(72.0~340)×10^-6,U含量为(243~927)×10^-6,Th/U比值较高,为0.23~0.79(平均0.42),同样指示锆石为岩浆成因,可以反映流纹岩形成时代。流纹岩16颗锆石测点全部落在谐和曲线上或曲线附近(图4a),其²⁰⁶Pb/²³⁸U表观年龄值变化于314~305 Ma(表1),获得²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为(308.9±2.3) Ma(n=16,MSWD=0.42;图4b),为晚石炭世中期。

本次收集哈山地区已发表的1件安山岩样品年龄数据^[37]用来做年代学对比研究。剔除了²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄值远离谐和曲线或明显偏大(原209-3,14,15,16号测点,年龄值变化于330~320 Ma)、偏小(原209-8,10,12号测点,年龄值变化于294~290 Ma)的数据后,用于分析的有效数据点共计10点(数据表未附)。有效锆石测试点的Th含量为(33.1~435)×10^-6,U含量为(60.5~72.5)×10^-6,Th/U比值较高,为0.41~1.05(平均0.71),同样指示锆石为岩浆成因。10颗锆石测点全部落在谐和曲线上(图4c),其²⁰⁶Pb/²³⁸U表观年龄值变化于314~300 Ma,重新进行相应的年龄计算后获得了(305.4±4.6) Ma(n=10,MSWD=0.54)的加权平均年龄(图4c,d),为晚石炭世晚期,略晚于流纹岩形成时代。

因此,我们认为哈山地区哈拉阿拉特组中-酸性火山岩形成于晚石炭世中-晚期,年龄变化于309~305 Ma。

4.2 岩石地球化学特征

本次在哈山地区采集4件中-酸性火山岩(2件安山岩、2件英安质安山岩)、6件酸性火山岩(2件流纹英安斑岩和4件流纹岩)样品,同时收集西准南部地区已发表的82件形成于322~312 Ma的埃达克质侵入岩^{[17,49,61⇓⇓-64]}和138件形成于320~310 Ma的钙碱性I型花岗岩类^{[23,65⇓⇓⇓-69]}样品数据用于岩石地球化学对比分析。样品分析结果及有关参数列于表2。

4.2.1 主量元素特征

从表2中可以看出,安山岩和英安质安山岩样品具有较高的SiO₂(56.15%~66.13%,平均60.30%)、CaO(2.79%~10.17%,平均5.76%)、Al₂O₃(16.03%~17.94%)、TFe₂O₃(3.76%~7.45%)、Na₂O(3.44%~5.59%)以及相对低的MgO(1.59%~2.68%)含量且富钠贫钾(Na₂O/K₂O=3.20~6.40)。Mg^#值变化于36.4~52.0(平均43.5),铝饱和指数A/CNK值为0.67~1.04(平均0.89)。在SiO₂-全碱(图5a^[70])和Zr/TiO₂-SiO₂(图5b^[71])图解中,样品落入亚碱性安山岩和英安岩区域。里特曼指数σ值为1.20~2.73,在SiO₂-K₂O图解(图5c^[72])中,显示中钾钙碱性特征。

相比而言,流纹英安斑岩和流纹岩样品具有高的SiO₂(69.59%~75.03%,平均73.07%)和Na₂O(5.42%~8.06%)含量且富钠贫钾(Na₂O/K₂O=1.67~4.07,2样为19.5和53.7),相对低的CaO(0.68%~2.32%,平均1.24%)、Al₂O₃(12.87%~14.87%)、TFe₂O₃(0.94%~1.57%,平均1.22%)和MgO(0.12%~0.97%)含量,Mg^#值变化于20.2~58.9(平均40.6),铝饱和指数A/CNK值为0.86~0.99(平均0.92)。在SiO₂-全碱(图5a)和Zr/TiO₂-SiO₂(图5b)图解中,样品落入亚碱性流纹岩区域,个别向流纹质英安岩区域过渡。里特曼指数σ值为1.91~2.61,在SiO₂-K₂O图解(图5c)中,显示低钾拉斑-中钾钙碱性演化特征。

4.2.2 稀土、微量元素特征

安山岩和英安质安山岩样品稀土元素总量较低,为(28.4~80.6)×10^-6,平均54.9×10^-6,∑LREE/∑HREE比值为3.04~5.79。在球粒陨石标准化配分模式图中(图6a),除元素含量略有高低差异外,所有样品的稀土元素配分模式基本一致。(La/Yb)_N=2.07~5.35,(La/Sm)_N=1.27~2.56,(Gd/Yb)_N=1.39~1.64,表现出轻稀土元素富集、重稀土元素近于平坦的分布特征(图6a^[73])。样品的δEu值为1.09~1.22(平均1.14),显示明显Eu正异常。微量元素图解显示所有样品明显富集大离子亲石元素Ba、U、Sr、K,轻微富集Zr和Hf,强烈亏损Nb、Ta、Ti元素(图6b)。值得注意的是,安山岩和英安质安山岩样品显示高Sr((364~576)×10^-6,平均505×10^-6)、低Y((10.0~16.0)×10^-6,平均13.0×10^-6)和Yb((1.08~1.83)×10^-6,平均1.46×10^-6)的特征,并且具有高的Sr/Y比值(33.5~55.6)。

流纹岩和流纹英安斑岩样品稀土元素总量∑REE含量为(46.6~61.5)×10^-6,平均55.1×10^-6,∑LREE/∑HREE比值为5.51~7.33。(La/Yb)_N=4.77~6.60,(La/Sm)_N=2.59~3.35,(Gd/Yb)_N=1.26~1.45,显示轻稀土元素较富集且轻、重稀土元素分馏较明显。样品δEu值为0.63~1.00,平均0.76,显示弱的Eu负异常(图6c)。在微量元素图解(图6d)上,均表现出不同程度富集Ba、U、K、Pb、Zr、Hf但强烈亏损Nb、Ta、Sr、P、Ti的特征。

通过对比可知,本文研究的安山岩和英安质安山岩样品的主量及微量、稀土元素特征与西准噶尔南部地区形成于晚石炭世早-中期(322~312 Ma)的埃达克质侵入岩类特征相似(图5、图6),而流纹岩和流纹英安斑岩样品的主量及微量、稀土元素特征与西准南部地区形成于322~310 Ma的钙碱性I型花岗岩类同样存在诸多相似之处(图5、图6),表明它们可能具有相同或相似的成因。

5 讨论

5.1 岩石类型及成因

5.1.1 安山岩和英安质安山岩

岩石地球化学数据表明,本文研究的安山岩和英安质安山岩具有典型的埃达克岩特征^[74]。主量元素方面,样品具有较高的SiO₂(56.15%~66.13%,>56%)、Al₂O₃(16.03%~17.94%,>15%)、Na₂O(3.44%~5.59%)含量和Na₂O/K₂O比值(3.20~6.40)以及低的MgO(1.59%~2.68%,<3%)含量;微量元素方面,样品显示高Sr((521~576)×10^-6,仅1样<400×10^-6)、贫Y(≤16.0×10^-6)和Yb(≤1.83×10^-6)的特征,并且具有高的Sr/Y比值(33.5~55.6)以及Eu和Sr正异常(图6a,b)。在Sr/Y-Y图解(图7)中,安山岩和英安质安山岩样品落入了埃达克岩区域,与西准噶尔南部地区晚石炭世早-中期(322~312 Ma)洋壳板片熔融成因的包古图、都伦河东以及黄梁子等埃达克质侵入岩^{[17,49,61⇓⇓-64]}样品点投影范围重叠。因此,本文研究的哈拉阿拉特组安山岩和英安质安山岩应归属为埃达克岩,这也是西准噶尔地区首次报道的晚石炭世具有埃达克岩特征的火山熔岩。

埃达克岩最初被认为是年轻大洋板片俯冲到一定深度后发生部分熔融产生的熔体在上升过程中与上覆地幔楔发生不同程度反应的产物^[74-75]。随着研究不断深入,众多学者认为埃达克岩还可以由基性玄武质岩浆在高压/低压条件下发生分离结晶^[76-77]以及加厚/拆沉下地壳发生部分熔融^[78⇓-80]而成。

虽然在研究区及研究区附近的铁厂沟以东地区出露有形成于313~304 Ma的玄武岩^[36,60],但无论是基性岩浆在低压条件下经斜长石、角闪石的分离结晶^[76]还是高压条件下经石榴石等矿物分离结晶^[77],均难以形成本文研究的埃达克岩。首先,本文的埃达克岩稀土配分模式为“右倾型”(图6a),加之Sr和Eu明显的正异常(图6b),与角闪石、斜长石的分离结晶不符(通常会使得稀土配分模式呈“U”型^[81]),而变化小的Y/Yb值(8.71~8.80,仅1样9.46),同样与石榴石分离结晶导致残留熔体中Y/Yb比值增高的特征不符^[77];其次,在Dy/Yb、Sr/Y、La与SiO₂协变图(图8a-c)中,埃达克岩并未呈现出结晶分异的趋势,更可能主要是通过部分熔融而成(图8d)。更为重要的是,本文的埃达克岩部分样品显示高硅(SiO₂含量可达66.13%)特征,这意味着要产生如此高硅的埃达克岩,玄武质岩浆需发生很大程度(>90%)的分离结晶作用,同时更需要很大的体量^[82-83],而哈山地区晚石炭世火山岩以中性火山岩为主,玄武岩出露规模远小于同时期的中-酸性安山岩和流纹岩类,二者出露厚度约为1:3^[32,54]。因此,本文认为玄武质岩浆分离结晶不能合理解释本区埃达克岩的成因。

本文研究的埃达克岩明显富铝富钠贫钾(Al₂O₃含量为16.03%~17.94%,Na₂O含量为3.44%~5.59%,Na₂O/K₂O比值为3.20~6.40),符合俯冲洋壳板片部分熔融形成的埃达克岩特征^[74],明显不同于加厚下地壳发生部分熔融形成的埃达克岩,而相对略低的Mg^#值(36.4~52.0,平均43.5)、极低的相容元素如Cr((0.66~21.5)×10^-6,平均8.06×10^-6)和Ni((1.76~18.1)×10^-6,平均9.98×10^-6)含量,与拆沉下地壳部分熔融形成的埃达克岩不相符。研究表明,拆沉下地壳或加厚下地壳发生部分熔融形成的埃达克岩一般具有相对富钾(Na₂O/K₂O比值一般认为多在1~2,甚至≤1)且高Mg^#值、Cr和Ni含量等特征^[84-85]。另外,本文埃达克岩具有低的Th/La(0.08~0.15,平均0.12)、Th/Ce(0.03~0.07)、Th/U(1.56~2.72,平均2.36)、La/Ce(0.41~0.48)、Rb/Sr(0.004~0.01<0.05,平均0.007)比值以及Th含量((0.28~2.11)×10^-6,平均1.20×10^-6),与俯冲板片熔融形成的埃达克岩特征一致^[74,85-86],类似于西准南部地区晚石炭世早-中期(322~312 Ma)埃达克质侵入岩^{[17,49,61⇓⇓-64]}。在Al₂O₃-SiO₂、Yb-SiO₂、K₂O/Na₂O-K₂O以及Sr/Y-(La/Yb)_N图解(图9)^[87⇓-89]中,本文埃达克质火山岩以及西准南部地区322~312 Ma的埃达克质侵入岩均落入了俯冲洋壳板片熔融成因的埃达克岩区域或邻近位置,与上述认识一致。本文所有埃达克岩样品具有高的Al₂O₃和Sr含量、低的Y和Yb含量、正Eu和Sr异常以及近平坦的重稀土配分模式(图6a),加之低的Nb/Ta(12.8~17.2)值以及明显的Nb-Ta-Ti负异常(图6b),表明角闪石可能为岩浆源区主要的残留相,石榴子石次之(Y/Yb=8.71~9.46≈10且(Ho/Yb)_N=0.99~1.08≈1^[90]),但无斜长石,可能是俯冲洋壳板片在石榴角闪岩相发生部分熔融的产物^[91-92]。样品相对低的MgO(1.59%~2.68%,平均2.02%)含量、Mg^#值(平均43.5,仅1样52.0)以及Cr(平均8.06×10^-6)和Ni(平均9.98×10^-6)含量,与MORB熔融产生的熔体特征相似,暗示俯冲洋壳板片熔融产生的熔体在形成之后与地幔橄榄岩相互作用较弱。

综上所述,哈山地区晚石炭世中晚期具有埃达克岩地球化学特征的安山岩和英安质安山岩是经俯冲的玄武质洋壳在石榴角闪岩相发生部分熔融而成,熔融产生埃达克质熔体在上升过程中与上覆地幔橄榄岩发生较弱的交代作用。本文板片熔融成因埃达克岩的确认,也佐证了李甘雨等^[38]报道的哈拉阿拉特组具有赞岐岩地球化学特征的玄武安山岩和辉石安山岩(距离本文埃达克岩NE约10 km)是“受埃达克质板片熔体交代的地幔楔部分熔融”的认识。

5.1.2 流纹英安斑岩和流纹岩

本文研究的酸性火山岩(流纹英安斑岩和流纹岩)样品具有中等铝含量、富钠贫钾、弱负Eu异常、富集大离子亲石元素、亏损高场强元素(图6c)以及低的10⁴Ga/Al值(1.72~2.34)、Zr+Ce+Nb+Y含量((136~178)×10^-6)、锆饱和温度(739~761 ℃)和里特曼指数(1.91~2.61)等特征,同时结合其低的A/CNK值(0.86~0.99)、SiO₂含量与P₂O₅含量的负相关性以及与Pb元素含量的正相关性(图略),我们认为流纹英安斑岩和流纹岩具有准铝质I型流纹岩特征,与西准南部形成于322~310 Ma的钙碱性I型花岗岩侵入体类似(图5、图6)。

本文流纹英安斑岩和流纹岩富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损Nb、Ta等高场强元素,具有典型岛弧火山岩地球化学特征,因此其成因与岛弧岩浆密切相关。一般认为,岛弧英安岩-流纹岩的成因主要有幔源玄武质岩浆分离结晶或受到地壳物质混染^[93-94]以及俯冲洋壳、镁铁质下地壳的部分熔融^[95-96]。流纹英安斑岩和流纹岩高的全碱(Na₂O+K₂O含量为7.81%~8.89%)、极低的TFe₂O₃(0.94%~1.57%)和MgO(0.12%~0.97%)含量,与平均大陆地壳成分相似^[97],不可能是幔源玄武质岩浆直接演化的产物。考虑到哈山一带晚石炭世基性火山岩出露规模远小于中酸性火山岩这一地质事实^[32,54],其也很难通过幔源玄武质岩浆的分离结晶作用而成。此外,样品Nb/Ta比值较低,为13.0~14.4,与蚀变洋壳板片熔融形成的岩石普遍具有高的Nb/Ta值(17~33)^[98-99]不符。另外,俯冲洋壳板片部分熔融的产物一般为埃达克岩^[74],而本文流纹英安斑岩和流纹岩属于典型的弧火山岩,贫Al₂O₃(12.87%~14.87%,<15%),低Sr((53.5~150)×10^-6,<400×10^-6)和Sr/Y(5.97~13.9,<40),不具备埃达克岩地球化学特征,显然也不可能直接来源于俯冲洋壳板片的熔融。

本文酸性火山岩样品中等的Al₂O₃含量(平均13.87%),加之低的Nd/Th(3.93~5.05,<15)、Nb/Ta(13.0~14.4≈12~13)、Zr/Hf(29.5~32.5≈33)、La/Nb(1.33~1.83,<2.50)及Nb/U(4.71~6.33,<6.20)值,同时结合其较弱Eu负异常和较平坦的重稀土配分模式(图6c-d),很可能是经由下地壳物质部分熔融而成^{[97,100⇓-102]}。另外,样品低的MgO含量(0.12%~0.97%)和Mg^#值(20.2~39.8<40;HL-5和HL-6两样除外),也暗示了其成因可能主要与下地壳镁铁质岩石部分熔融有关^[103]。HL-5和HL-6两件样品高的Mg^#值(分别为56.3和58.9),很可能是少量幔源岩浆加入的结果。

5.2 西准噶尔晚石炭世构造背景及其对准噶尔洋演化的制约

如前所述,本文研究的晚石炭世安山岩和英安质安山岩具有典型的埃达克岩特征,是俯冲的洋壳板片部分熔融而成,而流纹英安斑岩和流纹岩属钙碱性I型流纹岩类,可能主要源于下地壳镁铁质岩石的部分熔融。相比于原始弧玄武岩,本文钙碱性安山岩-英安岩-流纹岩强烈富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损Nb、Ta等高场强元素,更符合典型岛弧火山岩的地球化学特征,也暗示其可能形成于更成熟的岛弧。此外,除本文报道的哈山地区晚石炭世(309~305 Ma)洋壳板片熔融成因的埃达克质火山岩外,哈山及克拉玛依地区还发育有与其同时期的赞岐质高镁安山岩(306~304 Ma)^[38]和高镁闪长岩(306~305 Ma)^[18],铁厂沟南东地区也报道有晚石炭世(约310 Ma)弧后盆地玄武岩的存在^[60],这些特殊的岩石类型普遍被认为与俯冲作用密切相关^[74,104-105]。更重要的是,哈山地区上石炭统发育厚度较大的具有鲍马层序的火山复理石建造^[35]和浊积岩^[106],灰岩中还采获有大量晚石炭世的珊瑚、腕足、双壳化石^[31,33,36],表明西准南部在晚石炭世中晚期甚至到二叠纪早期可能依然为浅海-滨海相沉积环境,这也得到了电磁、地震和古地磁以及系统大地构造研究结果的证实^[1,107-108]。在构造环境判别图(图10)^[109-110]中,本文中-酸性火山岩(309~305 Ma)及西准南部形成于322~310 Ma的埃达克质侵入岩和钙碱性I型花岗岩所有样品均落入了岛弧火山岩区域,进一步反映了其弧岩浆属性。这也与许锋等^[34]通过对哈拉阿拉特组泥岩研究,确认其沉积物源区构造背景属于岛弧环境的认识一致。

西准噶尔南部地区广泛发育种类多样、成因各异的基-酸性岩浆岩类和蛇绿构造混杂岩(图1),这为理解和深化认识该地区晚古生代岩浆活动和区域构造演化耦合关系以及准噶尔洋的演化历史提供了良好的物质场所。泥盆纪时期,以达尔布特和克拉玛依(包括百口泉段、白碱滩段和太勒古拉段)蛇绿混杂岩(414~368 Ma)^{[111⇓⇓⇓-115]}为代表的洋壳残片的存在,表明西准南部地区在整个泥盆纪处于洋盆演化阶段,期间在准噶尔大洋中也发育晚泥盆世晚期(375 Ma)的海山/洋岛^[116]。吾尔喀什尔山一带中上泥盆统地层中具有岛弧火山岩特征的玄武岩、玄武安山岩、安山岩和英安岩(391~363 Ma)的存在^[117-118],表明准噶尔洋壳在泥盆纪晚期仍然持续在俯冲。早石炭世初期,准噶尔洋NW向的俯冲作用仍然在正常进行,在庙尔沟、克拉玛依以及白碱滩一带(其连线大致代表了早石炭世岛弧带的位置(现今);图1)形成了钙碱性基-酸性岛弧火山岩(344~332 Ma)^{[54,55-56,58]}。几乎与此同时,可能因准噶尔洋壳板片俯冲角度发生变化,使得板片向SE发生回撤,在其后缘的苏鲁朔克和哈图地区先后产生了弧特征明显(347~339 Ma)^[28]和弧特征较弱(约324 Ma)^[55]的弧后盆地玄武岩。夏尔莆和红山岩体以南地区的碱性玄武岩(约345 Ma)^[54,57]很可能是随俯冲的准噶尔大洋岩石圈板片一起向前运移的晚泥盆世(约375 Ma)海山/洋岛抵达海沟位置时发生刮削,而未被刮削的残余海山/洋岛随着俯冲洋壳板片继续向深部移动至靠近岛弧的“后弧”(rear-arc)深处时将会发生非常低程度的部分熔融^[119-120],产生少量富集LILEs、LREEs、HFSEs的含水长英质熔体^[121],这些组分特殊的熔体上升运移交代少量上覆的地幔楔橄榄岩使其部分熔融,最终在靠近岛弧一侧的夏尔莆和红山南地区形成了呈夹层状产出的碱性洋岛玄武岩^[28]。

晚石炭世初期,西准南部地区新一期由SE向NW的俯冲作用仍在持续^[22-23,38],洋壳俯冲过程中在泥盆纪和早石炭世地质体中产生了包古图、黄梁子、都伦河等板片熔融成因的埃达克质侵入岩(322~312 Ma)^{[17,49,61⇓⇓-64]}以及钙碱性具有弧岩浆特征的I型花岗岩类(320~310 Ma)^{[23,65⇓⇓⇓-69]}。同时,受早石炭世晚期哈图地区弧后伸展作用^[55]的深部影响,大量晚石炭世早-中期赞岐质闪长岩脉(第一期)沿着哈图以及达尔布特断裂上侵就位于别鲁阿嘎希、红山和克拉玛依地区(321~313 Ma)^{[19,23,27,53,122]}。哈图以东宝贝岩体高分异I型花岗斑岩的出现,很可能暗示西准南部地区在约312 Ma时构造体制从俯冲挤压向伸展的初始转变^[23]。本文作者等在铁厂沟南东地区新识别出的313~310 Ma弧后盆地玄武岩^[60],表明西准南部在晚石炭世中期可能同样发育弧-盆体系(但弧后盆地规模较小,可能仅分布于铁厂沟南东阿勒吞扎瓦提—哈拉阿拉特山一带),并且在约310 Ma时出现了伸展体制下的弧后小洋盆^[60]。这一认识也与南部地区广泛发育的晚石炭世-早二叠世I-A型花岗岩类地球化学特征在约310 Ma时所表现出明显差异的变化趋势相吻合(图11^[123])。

本文收集区域前人已发表的共计470余件I型和A型花岗岩类样品的地球化学数据进行分析可知,这些晚石炭世-早二叠世花岗岩类形成时代由老(320~310 Ma)到新(308~295 Ma)变化,其Sr和Yb含量表现出从高Sr低Yb→低Sr低Yb→低Sr高Yb的演化趋势(图11a)^[123],暗示这些花岗岩的形成环境由高压条件逐渐变为低压条件,即从I型花岗岩(晚石炭世早期-中期)到A型花岗岩(晚石炭世中期-早二叠世初期),随着时间变化其岩浆源区的深度在逐渐变浅,表明晚石炭世早中期到晚期,区域构造体制可能由挤压转变为伸展^[123],这一变化趋势极其类似于我国东南沿海浙西北地区的晚中生代花岗岩类^[124],这也与其(Gd/Yb)_N值(早期I型花岗岩变化于1.00~3.81(平均值为1.52),晚期A型花岗岩变化于0.34~2.02(平均值为1.26))和Sr/Y比值(早期I型花岗岩变化于10.3~123(平均值为30.5),晚期A型花岗岩变化于0.13~16.5(平均值为1.97))随着花岗岩类形成时代的变年轻而急剧减小的特征相一致(图11b)。此外,对比区域内花岗岩的锆石Hf同位素及全岩Nd同位素数据可知,晚期形成的A型花岗岩具有高于早期形成的I型花岗岩的锆石ε_Hf(t)值(前者变化于11.0~17.0,后者为6.40~16.8)和全岩ε_Nd(t)值(前者变化于4.10~11.9,后者为2.69~9.20)以及更年轻的Hf和Nd模式年龄(图11c-e),表明在A型花岗岩类形成时(约310 Ma之后)有更多的幔源新生组分加入到其岩浆源区中,这可能与软流圈地幔上涌和基性岩浆底垫作用有关^[16,23],这也与A型花岗岩具有明显高于I型花岗岩的锆饱和温度相吻合(图11f)。

西准噶尔南部地区除发育十余个晚石炭世-早二叠世A₂型碱长花岗岩岩基(308~295 Ma;如铁厂沟、庙尔沟岩体等;图1)外,哈山南麓还有与其近乎同时期的A₁型碱长花岗斑岩体(295 Ma)^[52]产出,这种A₁和A₂型花岗岩共生的特征极其类似于扬子地块西南缘晚中元古代A₁和A₂型酸性火山熔岩,后者被认为形成于弧后伸展背景^[125]。综合考虑西准南部地区313~310 Ma弧后盆地玄武岩的存在^[60]以及约310 Ma时区域I型花岗岩和A型花岗岩类地球化学特征所表现出的明显差异(图11),我们认为研究区同时期产出的A₁和A₂型花岗岩(308~295 Ma)可能均为约310 Ma时NW向俯冲的准噶尔洋壳板片回撤引起的弧后伸展环境下的产物^[52],而洋壳俯冲过程中于哈山地区哈拉阿拉特组中形成了晚石炭世中晚期具有岛弧火山岩特征的钙碱性玄武岩、俯冲板片熔融成因的埃达克岩(安山岩和英安质安山岩)以及具I型花岗岩特征的流纹岩、流纹英安斑岩等基-酸性火山岩(308~305 Ma;本文)。与此同时,经埃达克质熔体/板片流体/沉积物熔体交代的上覆地幔楔发生部分熔融产生了大量的赞岐质岩浆,其中一部分赞岐质岩浆喷发就位于哈山一带,组成上石炭统火山沉积地层中的赞岐质高镁安山岩组分(306~304 Ma)^[38],另一部分赞岐质岩浆则沿着哈图断裂以及达尔布特断裂上升,侵入于泥盆纪、早石炭世火山沉积地层以及晚石炭世花岗岩体中,在别鲁阿嘎希和庙尔沟地区分别形成了密集展布的第二期赞岐质闪长岩脉(306~292 Ma)^[18-19,22]。换言之,西准噶尔南部地区在晚石炭世-早二叠世早期仍处于岛弧-弧后盆地演化体系,准噶尔洋的闭合时限可能至少推迟至早二叠世早期之后。

6 结论

基于对西准噶尔南部哈拉阿拉特山地区晚石炭世火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、岩石地球化学研究,同时结合前人在西准南部已发表的大量岩浆岩类的研究成果,得出以下结论:

(1)哈拉阿拉特山地区晚石炭世火山岩主要以中-酸性火山岩为主,流纹岩和安山岩的锆石U-Pb年龄分别为(308.9±2.3) Ma和(305.4±4.6) Ma,为晚石炭世中-晚期。

(2)安山岩和英安质安山岩具有高SiO₂、Al₂O₃、Na₂O和Sr,贫MgO、Yb和Y,富集LILEs,亏损HFSEs以及正Eu异常等特征,属于埃达克岩,是经俯冲的玄武质洋壳板片在石榴角闪岩相发生部分熔融而成,熔融产生的熔体与地幔橄榄岩相互作用较弱。流纹岩和流纹英安斑岩具有高SiO₂,中等Al₂O₃,富Na贫K,富集LILEs和LREEs,亏损Nb、Ta、Ti元素,弱负Eu异常,低的10⁴Ga/Al值、Zr+Ce+Nb+Y含量以及锆饱和温度等特征,为准铝质I型流纹岩,是下地壳镁铁质岩石部分熔融的产物,很可能有少量幔源岩浆混入。

(3)西准噶尔南部地区在晚石炭世中晚期仍处于岛弧-弧后盆地演化体系,准噶尔洋的闭合时限可能至少推迟至早二叠世早期之后。

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基金资助

陕西省自然科学基础研究计划项目(2024JC-YBQN-0292)

陕西省自然科学基础研究计划项目(2024JC-YBQN-0324)

中国博士后科学基金资助项目(2022M710479)

陕西省公益性地质调查项目(202201)