東天山博格達(dá)裂谷帶火山巖成因、演化和構(gòu)造屬性

東天山博格達(dá)裂谷帶火山巖成因、演化和構(gòu)造屬性

1巖漿成因研究理論東天山博格達(dá)陸內(nèi)的造山帶構(gòu)造屬性屬于裂谷，關(guān)于島孤的問題仍有爭(zhēng)議（吳慶福，1986；王麗麗等，1986；楊浩、顧連興，1989；程守德等，1986；方煥興，1993；馬瑞士等人，1997；科爾曼，1989；加奧倫等人，1998）。顧連興等(2000;2001a;2001b)根據(jù)花崗侵入活動(dòng)和火山巖地質(zhì)和元素地球化學(xué)研究成果認(rèn)為博格達(dá)造山帶是大陸裂谷。但是,該區(qū)火山巖的成巖時(shí)代主要依靠地層和古生物學(xué)資料來確定(吳乃元等,1983;肖世綠等,1985),而其成因研究主要依靠巖石學(xué)和元素地球化學(xué)(周濟(jì)元等1994;顧連興等,2000),尚缺乏系統(tǒng)的同位素年齡資料和同位素地球化學(xué)信息。本文將報(bào)道博格達(dá)裂谷帶雙峰式火山巖的Rb-Sr同位素年齡,并根據(jù)元素地球化學(xué)資料以及Nd,Sr和Pb同位素組成對(duì)該火山巖的成因、演化和構(gòu)造屬性進(jìn)行探討。2巖石巖石學(xué)特征博格達(dá)造山帶位于準(zhǔn)噶爾盆地與吐魯番-哈密盆地之間,其西端止于烏魯木齊,東端在紅柳峽-蘇吉一帶與克拉麥里造出帶相接(圖1),全長(zhǎng)約600公里。該帶的海相沉積作用主要發(fā)生在早、中石炭世。在東部的七角井一高泉地區(qū),下石炭統(tǒng)塔普捷爾泉組(C1t),七角井組(C1q)及中石炭統(tǒng)柳樹溝組(C21)火山巖出露完整。七角井組為海相火山-沉積巖建造,其火山巖為塊狀或枕狀玄武巖與流紋巖互層,并夾有少量的凝灰質(zhì)砂巖及頁巖。雙峰式火山巖主要出露在七角井地區(qū)的刺梅溝,在刺梅溝處七角井組上部層位中,可見玄武巖與流紋巖組成的韻律噴發(fā)旋回(顧連興等,2000),相互之間呈突變接觸。在這700多米長(zhǎng)的剖面上,玄武巖中夾有8層流紋巖,其單層厚度1米至30余米不等。該剖面上玄武巖與流紋巖的比例大約為7:1,且缺乏中間組分,從而構(gòu)成為雙峰式火山巖。玄武巖呈塊狀或枕狀構(gòu)造,并具無斑隱晶或少斑結(jié)構(gòu)。斑晶以自形板狀斜長(zhǎng)石為主,基質(zhì)由斜長(zhǎng)石和輝石微晶構(gòu)成填間結(jié)構(gòu)。流紋質(zhì)熔巖在露頭上呈灰綠色或綠灰色,與玄武巖呈互層產(chǎn)出,其巖石呈斑狀結(jié)構(gòu)或無斑隱晶結(jié)構(gòu)。3nd、sr和pb同位素分析本文對(duì)采自博格達(dá)七角井刺梅溝地區(qū)玄武巖和流紋巖樣品進(jìn)作了Rb-Sr,Sm-Nd和Pb同位素測(cè)定。為了使Rb/Sr和Sm/Nd的比值能有所分開,用磁選方法從部份樣品中分離出輕富集物和重富集物。樣品中的Sm,Nd、Rb、Sr、U、Th和Pb元素含量以及同位素比值測(cè)定均由筆者在南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心由英國(guó)制造的VG354多接收質(zhì)譜計(jì)上完成。實(shí)驗(yàn)測(cè)定美國(guó)NBS987Sr同位素標(biāo)準(zhǔn):以86Sr/88Sr=0.1194為標(biāo)準(zhǔn)化值,測(cè)得87Sr/86Sr=0.710224±8,n=10;對(duì)美國(guó)LaJollaNd同位素標(biāo)準(zhǔn)樣中143Nd/144Nd的測(cè)定值為0.511860±8(2σ),n=8;標(biāo)準(zhǔn)化值采用146Nd/144Nd=0.7219校正。為了去除巖石表面、裂縫和裂口污染物,需用5%HF-HBr混合液對(duì)其樣品進(jìn)行清洗;0.1g的粉末樣品用HF-HNO3-HCLO4混合酸來溶解;U-Th-Pb的化學(xué)分離是通過分析級(jí)的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂來進(jìn)行的;Pb的同位素質(zhì)譜分析是采用硅膠-磷酸發(fā)射技術(shù)和單錸帶單接收技術(shù);測(cè)定NBS981Pb同位素標(biāo)準(zhǔn)為:206Pb/204Pb=16.939±0.006,207Pb/204Pb=15.489±0.009和208Pb/204Pb=36.698±0.029(n=20),測(cè)定值都用NBS981標(biāo)樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正,在通常實(shí)驗(yàn)室工作程序基礎(chǔ)上對(duì)所有Pb同位素分析被給予的精度在95%置信度下為0.05%。Nd、Sr和Pb的全流程本低分別為6×-11g、3×-9g和2×-10g。計(jì)算εNd(t)和εsr(t)過程中,(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638,(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967;(87Sr/86Sr)UR=0.7045,(87Rb/86Sr)UR=0.0827(Jacobsen,etal.,1984)。年齡計(jì)算采用國(guó)際通用的LudwigK.R.(1998)博士研制的ISOPLOT計(jì)算程序。在等時(shí)線年齡計(jì)算中,樣品87Rb/86Sr和147Sm/144Nd)比值誤差分別為1%和0.2%,87Sr/86Sr和143Nd/144Nd誤差采用0.005%。繪制常量元素、微量元素和稀土元素圖型的數(shù)據(jù)引自有關(guān)文獻(xiàn)(顧連興等,2000;2001a)。元素圖型繪制以及鉛同位素初始值計(jì)祘采用一個(gè)地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件包(路遠(yuǎn)發(fā),2004)。同位素分析結(jié)果和參數(shù)列于表2、表3和表4。詳細(xì)的Sm-Nd和Rb-Sr化學(xué)制備,質(zhì)譜測(cè)定方法以及各類標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果可見有關(guān)報(bào)道(王銀喜等,1988)。4巖石學(xué)和微量元素特征該火山巖巖石常量元素含量在TAS分類圖(圖2)主要落在玄武巖和流紋巖區(qū)內(nèi)(繪制常量元素、微量元素和稀土元素圖型的數(shù)據(jù)引自顧連興等,2000,2001a),全區(qū)火山巖的SiO2值在55.22%～70.78%之間出現(xiàn)明顯的間斷,為典型的雙峰式巖系。其中玄武巖Zr含量在43～446μg/g,TiO2在0.97%～2.45%,Nb含量在3.3～12.8μg/g,Y含量在16.9～74.0μg/g范圍內(nèi)。巖石化學(xué)表明這些玄武巖總體上屬橄欖拉斑玄武巖系并向石英拉斑玄武巖方向演化。以Zr/TiO2和Nb/Y比值為特征,類似于拉斑玄武巖;全區(qū)玄武巖的MgO含量在3.36%～7.92%范圍內(nèi),(Fe2O3+FeO)含量在9.06%～12.1%,100Mg/(Mg+∑Fe)值均低于判別原始巖漿的參數(shù)值65(WendlandetaL.,1995);Ni含量為3.3～95.0μg/g,Cr含量為5.9～167μg/g,也分別低于判別原始巖漿的參考數(shù)值250μμg/g和300μg/g(Wendlandtetal.,1995)。這些特征表明這些玄武巖是原始巖漿經(jīng)分異演化后的結(jié)晶產(chǎn)物。七角井刺梅溝玄武巖Zr/Nb比值在12～35范圍內(nèi),Zr/Y比值在2.5～6.0范圍內(nèi),表明刺梅溝玄武巖中含有相當(dāng)數(shù)量虧損地幔物質(zhì)。由微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(圖3a,b)可知,該區(qū)火山巖均屬?gòu)?qiáng)不相容元素富集型。Sr的適度虧損表明巖漿曾在低壓下經(jīng)歷過斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶。刺梅溝地區(qū)玄武巖和流紋巖輕稀土呈輕度富集,重稀土較平緩并無富集現(xiàn)象(圖4a,b),銪異常不顯著,(La/Lu)N為2.75～4.03,δEu=0.93～1.15,(La/Yb)N為2.19～3.56,這些特征與典型的N-MORB又有所差別。5巖石學(xué)和微量元素特征表1列出了博格達(dá)七角井刺梅溝18件玄武巖Rb-Sr同位素分析數(shù)據(jù)。從表1中可看出,玄武巖的全巖Rb含量為2.48μg/g～22.96μg/g;Sr含量為124.36μg/g～481.2μg/g;87Rb/86Sr比值變化范圍為0.029～0.7633。由于87Rb/86Sr比值變化較小,故將玄武巖粉樣經(jīng)過磁選機(jī)反復(fù)分離出較輕富集物(從顏色看,色相對(duì)淺些,樣品號(hào)為-1)和較重富集物(顏色相對(duì)深些,樣品號(hào)為-2),其結(jié)果使所選出的輕、重富集物兩部分的87Rb/86Sr比值變化范圍增大為0.0091～0.7633。圖5a,b分別展示了由18件刺梅溝玄武巖全巖、輕和重的富集物和10件刺梅溝流紋巖全巖、輕和重的富集物組成的Rb-Sr同位素等時(shí)線。年齡計(jì)算采用國(guó)際通用的ISOPLOT程序(Ludwig,1998),用模式1算得玄武巖年齡為342.0±3.2Ma,(87Sr/86Sr)i=0.703289±11,MSWD=1.4;10件流紋巖組成的年齡為340.3±3.4Ma,(87Sr/86Sr)i=0.703422±35,MSWD=2.5。由此可見玄武巖與流紋巖同位素年齡基本一致。Sr同位素初始比值的一致性表明兩者為同源同期的產(chǎn)物。尤其值得注意的是,玄武巖和流紋巖的年齡均與所屬地層的早石炭世古生物群落相吻合(吳乃元等,1983,肖世綠等,1985)。Rb-Sr同位素等時(shí)線年齡代表了刺梅溝玄武巖和流紋巖結(jié)晶時(shí)代,進(jìn)而證明博格達(dá)火山活動(dòng)始于早石炭世。七角井組玄武巖和流紋巖同位素等時(shí)線年齡在誤差范圍內(nèi)與西天山大哈拉軍山組石炭紀(jì)火山巖的鋯石SHRIMPU-Pb年齡(313～354Ma)(朱永峰等,2005;2006)基本一致。6ndt值從表1和圖5a可見,七角井刺梅溝玄武巖石εsr(t)值為-11.0～-13,等時(shí)線87Sr/86Sr初始值為0.703290±21;各樣品初始比值變化較小,表明這些巖石來自Sr同位素較均勻的同一源區(qū),并且與某些洋中脊玄武巖(MORB)87Sr/86Sr比值(0.7022～0.7032)的上限值較為接近,又與某些大洋島嶼玄武巖87Sr/86Sr(0.703～0.706)的下限值相一致。從表1和圖5b可見,刺梅溝流紋巖的εSr(t)為-9.0～-10.0,等時(shí)線87Sr/86Sr初始為0.703422±35,與某些洋中脊玄武巖(MORB)87Sr/86Sr比值(0.7022～0.7032)的上限值高,但與某些大洋島嶼玄武巖87Sr/86Sr(0.703～0.706)的下限值相一致?？傊?七角井刺梅溝玄武巖和流紋巖的εSr(t)值均為明顯的負(fù)值,表明該巖石組合來自源于鍶同位素組成強(qiáng)烈虧損的地幔源區(qū)。流紋巖與玄武巖具有相似的稀土和微量元素配分型式,表明流紋巖可能是玄武巖漿分離結(jié)晶作用的產(chǎn)物。從表1可見,刺梅溝玄武巖和流紋巖εNd(t)值分別為+6.50～+6.70和+6.4～+6.6,均接近于+7。如此高的εNd(t)值表明玄武巖和流紋巖均來源于強(qiáng)烈虧損的地幔源區(qū),且未受明顯的地殼混染。假設(shè)現(xiàn)代MORB型虧損地幔的εNd(t)平均值(+10±2)是太古代(4.0Ga)球粒隕石分異型地幔的演化產(chǎn)物,則300Ma前的MORB型虧損地幔的εNd(t)平均值約為+9±2(李獻(xiàn)華等,2000)。博格達(dá)七角井玄武巖與流紋巖的εNd(t)值(接近+7)恰與同時(shí)期的MORB型虧損地幔下限值一致。因此,Nd同位素組成也表明七角井刺梅溝玄武巖和流紋巖的源區(qū)都具備了同時(shí)期MORB特點(diǎn)。博格達(dá)玄武巖與流紋巖的Pb同位素?cái)?shù)據(jù)測(cè)定值206Pb/204Pb為18.289～18.635,207Pb/204Pb為15.505～15.581,208Pb/204pb為37.942～38.175。由此可見,刺梅溝玄武巖和流紋巖的Pb同位素特征相似。在εNd(t)～(87Sr/86Sr)i圖(圖6)中,刺梅溝玄武巖樣品點(diǎn)落在Galapagos中部區(qū)內(nèi),而流紋巖則落在Caribbean高原火山巖和Aruba巖基區(qū)內(nèi)。在(207Pb/204Pb)i～(206Pb/204Pb)i圖(圖7)中,玄武巖和流紋巖樣品點(diǎn)均落在NHRL線上EPR區(qū)內(nèi)上方附近。在(87Sr/86Sr)i～(206Pb/204Pb)i圖(圖8)中,玄武巖和流紋巖樣品點(diǎn)均落在中國(guó)東部新生代玄武巖區(qū)內(nèi)。在(143Nd/144Nd)i～(206Pb/204Pb)i圖(圖9)中,玄武巖和流紋巖樣品點(diǎn)均落在中國(guó)東部新生代玄武巖區(qū)的下方。從上述投影圖可知,博格達(dá)玄武巖和流紋巖與世界各地典型的幔源玄武巖都具有非常類似的Nd-Sr-Pb同位素特征,從而進(jìn)一步證明博格達(dá)玄武巖與流紋巖來自同一種地幔巖漿。7巖石礦物組成特征雙峰式火山巖中玄武巖來自地幔巖石的部分熔融已被公認(rèn),但流紋巖的成因卻有兩種:一種是由玄武巖漿熱量導(dǎo)導(dǎo)致的地殼巖石部分熔融(Christiansen,1984),如在東非裂谷(Wilson,1989)和Naivasha裂谷(Daviesetal.,1987),其εNd(t)為負(fù)值。另一種則是玄武巖漿分離結(jié)晶的產(chǎn)物,其中只有微量或根本沒有陸殼物質(zhì)的加入(Cleverlyetal.,1984;Groveetal.,1986;MacDonaldetal.,1987;Baconetal.,1988),,其微量元素和Nd同位素特征一般與伴生的玄武巖相似(Brouxeletal.,1986;Hochstaedteretal.,1990b;Geistetal.,1995)。博格達(dá)裂谷與其它裂谷(Wilson,1989)相比雖構(gòu)造環(huán)境類似,但火山巖地球化學(xué)卻存在顯著差異(Davies,etal.,1987);許多大陸裂谷雙峰式火山巖中玄武巖和流紋巖為不同源(Wilson,1989),且玄武巖的出露面積很小,如肯尼亞中部Naivasha雙峰式火山巖中玄武巖的出露面積小于2%(Daviesetal,,1987),酸性巖一般為陸殼重熔的產(chǎn)物(Wilson,1989);雙峰式火山巖Nd和Sr同位素初始值變化大,從正值到負(fù)值均有(Pinetal.,1993);林強(qiáng)等(2003)認(rèn)為大興安嶺中生代雙峰式火山巖為大陸裂谷環(huán)境的產(chǎn)物,其εNd(t)和Sr同位素初始值分別為+3～-4.6和高于0.7045。博格達(dá)七角井組玄武巖的εNd(t)為+6.4～+6.7,(87Sr/86Sr)i為0.703261～0.703328,(206Pb/204Pb),為17.703～17.989,(207Pb/204Pb)i為15.407～15.498,(208Pb/204Pb)i為37.147～37.825;七角井組流紋巖的εNd(t)為+6.4～+6.6,(87Sr/86Sr)i為0.703368～0.703469,(206Pb/204Pb)i為17.827～18.114,(207Pb/204Pb)為15.460～15.517,(208Pb/204Pb)i為37.077～37.973。由此可見,七角井組玄武巖和流紋巖的Nd-Sr-Pb同位素特征相當(dāng)一致或接近。這些特征表明博格達(dá)流紋巖是玄武質(zhì)巖漿經(jīng)分離結(jié)晶作用形成的(Ceistetal.,1995),而不是地殼巖石重熔的產(chǎn)物(Wilson,1989)。博格達(dá)刺梅溝玄武巖7個(gè)樣品Zr平均為161μg/g,Nb平均為8.15μg/g;4個(gè)樣品Ce平均為50.4μg/g。流紋巖4個(gè)樣品Ba平均為220ppm,Zr平均為315ppm,Nb平均為10.2ppm,Y平均為54.5μg/g;3個(gè)樣品Ce平均為23.5μg/g。玄武巖和流紋巖Zr/Nb比值分別為26.9和30.8,Zr/Y比值分別為5.1和5.8,Nb分別為8.15和10.2ppm。從這些數(shù)據(jù)來看,博格達(dá)玄武巖與Foderetal.(1984)三種類型中的過渡型(具有T-MORB特征,類似大西洋洋中脊和FAMOUS玄武巖特征)相類似。刺梅溝玄武巖和流紋巖的比例是7:1,兩種巖石輕稀土均較富集,但重稀土均較平坦,Pb同位素、εSr(t)和εNd(t)值完全一致,表明流紋巖是由玄武巖漿演化而來的。然而,多數(shù)已報(bào)道的大陸裂谷雙峰式火山巖中流紋巖和玄武巖均來源于不同的母巖漿(Daviesetal.,1987;Wilson,1989;林強(qiáng)等,2003),只有極少數(shù)來源于共同的母巖漿,但其流紋巖主要是由結(jié)晶分異和同化混染共同作用的產(chǎn)物(Teresa,etal.,1999)。巖漿分離結(jié)晶通常只產(chǎn)生成分連續(xù)變化的巖漿系列,但是在特定條件下也可以形成雙峰式火山巖組合(Groveetal.,1986;Brophy,1991;Brouxeetal.,1987.;Hochstaedteretal,1990a.)。雙峰式火山巖中由玄武巖漿分離結(jié)晶產(chǎn)生的流紋巖在洋島、初始弧后盆地和洋內(nèi)島弧均可見到,但這類雙峰式火山巖仍為數(shù)表多。在博格達(dá)我們沒有發(fā)現(xiàn)洋島、初始弧后盆地和洋內(nèi)島弧環(huán)境的野外地質(zhì)證據(jù),而更多的即是大陸裂谷環(huán)境的證據(jù)。另外,在天山地區(qū)已發(fā)現(xiàn)不少造山后酸性侵入巖正的εNd(t)值(王銀喜等,1992;顧連興等,2001),但目前還未看到裂谷型雙峰式火山巖中流紋巖物質(zhì)源于強(qiáng)烈虧損地幔源區(qū)的報(bào)道。因此,博格達(dá)雙峰式火山巖是大陸裂谷環(huán)境中比較特殊的并十分少見的構(gòu)造成因類型。東天山博格達(dá)早石炭紀(jì)七角井組玄武巖:εNd(t)為+6.4～+6.7,(87Sr/86Sr);為0.703261～0.703328,(206Pb/204Pb)i為17.703～17.989、(207Pb/204Pb)為15.407～15.498、(208Pb/204Pb)i為37.147～37.825;七角井組流紋巖:εNd(t)為+6.4～+6.6,(87Sr/86Sr)i為0.703368～0.703469,(206Pb/204Pb)i為17.827～18.114、(207Pb/204Pb)i為15.460～15.517、(208Pb/204Pb)i為37.077～37.973,由此可見七角井組玄武巖和流紋巖在Nd-Sr-Pb同位素特征方面具有相當(dāng)一致或接近的地方。另外,王銀喜等(2005)報(bào)道了晚石炭紀(jì)流紋巖(87Sr/86Sr),為0.703289～0.703496。車自成等(1996)報(bào)道了西天山石炭紀(jì)火山巖εNd(t)為+2.3～+4.6,(87Sr/86Sr)i為～0.7058;,(206Pb/204Pb)i為～18.378,(208Pb/204Pb)i為～38.452。另外朱永峰等(2006)也較詳細(xì)的報(bào)道了西天山石炭紀(jì)火山巖:εNd(t):玄武巖為+3.0～-0.22,不同地方和不同時(shí)代的中酸性火山巖分別為+4.29一+0.32,+2.68～+4.29,-0.22～+0.32;(87Sr/86Sr)1:玄武巖為為0.7055～0.7065,不同地方和不