東天山土古土布拉克組火山巖鋯石U-Pb測年及地質意義

李航，趙同陽，朱志新,，常璨，孫耀鋒，李平，韓瓊，鄭加行

(1.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊 830011)

東天山位于新疆東部，西起小熱泉子，東至甘新交界，位于西伯利亞南構造帶和塔里木地塊的結合部位。一直以來，其大地構造位置的重要性和復雜性是眾多學者研究和爭論的熱點。覺羅塔格構造帶是以石炭系火山-沉積地層廣泛出露為標志的火山巖條帶，其南鄰中天山地塊，北接大南湖古生代島弧，構造上位于塔里木板塊和準噶爾板塊的交接部位，是中亞造山帶的重要組成部分。對于覺羅塔格地區的大地構造演化有弧后盆地、島弧、裂谷及后碰撞等不同認識[1-10]。本文對覺羅塔格地區內上石炭統土古土布拉克組火山巖鋯石U-Pb年代學、巖石地球化學特征及構造屬性進行研究，為覺羅塔格地區的構造演化提供依據。

1 地質概況

土古土布拉克組主要分布在覺羅塔格構造帶中部，總體上具近EW向帶狀分布特點。研究區位于土古土布拉克組西側，北部為康古爾韌性剪切帶，南部為百靈山巖體(圖1)。

研究區自南向北主要分布百靈山巖體、上石炭統土古土布拉克組、下石炭統雅滿蘇組(圖2)。上石炭統土古土布拉克組為一套淺海相火山沉積巖系列，其中下部為一套凝灰質碎屑巖建造，發育底礫巖；中部為一套安山質火山碎屑巖建造，主要巖性有灰色-灰褐色安山質、英安質火山塵凝灰巖、晶屑巖屑凝灰巖、灰褐色安山質火山角礫巖、灰褐色安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖；上部為一套杏仁狀玄武巖建造，主要巖性有淺褐-灰褐色杏仁狀玄武巖、蝕變玄武巖夾安山質晶屑巖屑凝灰巖。土古土布拉克組被百靈山巖體侵位，該巖體主要巖性為斜長花崗巖、花崗閃長巖和石英閃長巖，與下伏雅滿蘇組之間為不整合接觸關系，不整合接觸界線處大量出露灰巖礫石。下石炭統雅滿蘇組為一套以酸性(中酸性)火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖、碳酸鹽巖為特征的(中酸性)火山-沉積巖系。

2 樣品采集及分析測試

本研究采集了下石炭統土古土布拉克組第二、三巖性段火山巖樣品，據鏡下薄片鑒定確認土古土布拉克組第二巖性段火山巖巖石類型主要為英安巖(TG1-3)、安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖(TG4-6)第三巖性段火山巖的巖石類型主要為玄武巖(TG7-8)，采樣位置見圖2。

英安巖 主要分布于土古土布拉克中部，淺褐色，斑狀基質包含霏細結構，塊狀構造。斑晶主要為半自形板狀斜長石，可見聚片雙晶，泥化較強?；|均由長英質組成，具包含霏細結構。

圖1 區域地質略圖(a)；東天山覺羅塔格地區大地構造分區及石炭系分布圖(b)Fig.1 Regional geological map(a)and Regional division and Carboniferous distribution map(b)of the eastern Tianshan Mountains

圖2 研究區地質簡圖Fig.2 Geological sketch of the study area

安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖 主要分布于土古土布拉克構成的向斜北翼，灰褐色，晶屑塑變玻屑結構，假流紋構造。玻屑普遍脫玻蝕變為隱晶狀長英質、沸石集合體，顯假流紋構造。巖屑主要為棱角狀安山巖、安山質凝灰巖巖屑。晶屑主要為棱角狀、熔蝕狀斜長石。

玄武巖 主要分布于土古土布拉克構成的向斜核部，灰綠色，交代假象結構，殘留杏仁狀構造。巖石多被隱晶簾石、少量葡萄石、石英集合體取代，杏仁石殘留為圓形，內充填石英、方解石集合體(圖3)。

圖3 土古土布拉克組玄武巖照片Fig.3 Photos of basalt from Tugutubulake Formation

樣品全巖分析在新疆維吾爾自治區礦產實驗研究所完成。鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成，樣品制靶和顯微照相拍攝在重慶宇勁科技有限公司完成。對樣品靶上的鋯石進行光學顯微鏡下的透射光、反射光和電子顯微鏡下的陰極發光照相，以便在進行測定時作為選取分析部位的依據。

測年在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室的激光剝蝕等離子質譜LA-ICP-MS上進行U-Pb測年。測年所有激光剝蝕系統為193 nm ArF-excimer激光器的Geo-Las2005，激光束直徑為30 μm，以He作為剝蝕物質載氣。對分析數據的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇，儀器靈敏度漂移校正、元素含量及UTh-Pb同位素比值和年齡計算)采用中國地質大學(武漢)開發的軟件ICPMS Data完成。加權平均年齡和諧和圖的制作采用Ludwig的Isopiot 3.0完成。

3 地球化學特征

3.1 主量元素

土古土布拉克組火山巖主量、微量、稀土元素含量及相關參數見表1。

英安巖與安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖的SiO2含量為67.85%～70.55%，主要為酸性巖石，MgO含量為0.41%～0.53%。K2O與Na2O含量較高分別為4.71%～5.29%、3.8%～4.63%。玄武巖的SiO2含量為46.94%～51.96%，為基性巖石，MgO含量為2.08%～2.52%。樣品燒失量(LOI)較大，為4.66%～6.06%，表明巖石經過了較強的蝕變。K2O與Na2O含量極低，分別為0.09%～0.14%，0.10%～0.18%。酸性巖整體上比基性巖相對富K2O和Na2O，貧MgO。

在Zr/TiO2-Nb/Y圖解上，樣品主要落入流紋巖+英安巖及亞堿性玄武巖的區域，Nb/Y比值都小于0.8，屬于亞堿性系列，在SiO2-K2O圖解中，流紋巖+英安巖落入鉀玄巖系列，玄武巖落入低鉀(拉斑)系列(圖 4)。

3.2 微量及稀土元素特征

從稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖可見，土古土布拉克組火山巖中英安巖與安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖稀土總量為77.17×10-6～106.84×10-6，均值92.11×10-6；δEu為0.59～0.88，均值0.70，Eu負異常較明顯，表明巖漿經歷過斜長石的分離結晶作用或源區有斜長石殘留(圖4)。稀土分布模式圖顯示輕稀土相對富集，重稀土相對平坦的微弱右傾型，LREE/HREE=3.56～4.31；(La/Yb)N=2.78～3.46。玄武巖的稀土總量為 88.87×10-6～97.74×10-6，均值為93.31×10-6；δEu為0.97～1.04，均值1.01，無Eu異常。稀土分布模式圖顯示輕稀土相對富集，重稀土相對虧損的右傾型，LREE/HREE=5.71～6.04；(La/Yb)N=5.64～6.3?？傊?，二者巖漿來源、分異程度及部分熔融結晶程度存在一定差異。

圖4 土古土布拉克組火山巖巖石分類圖Fig.4 Rock classification diagrams for volcanic rocks of Tugutubulake Formation

表1 土古土布拉克組火山巖主量和微量元素組成Table 1 Main and trace elements Composition of the volcanic rocksfrom TugutubulakeFormation

從微量元素原始地幔標準化蛛網圖可見，土古土布拉克組火山巖中段英安巖與安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖富集Rb，Ba，Th，U等大離子親石元素，相對虧損Nb，Ta，P，Ti等高場強元素(圖5)。玄武巖相對虧損Nb，Ta，Ti等高場強元素，富集Ba，Th，U，Sr等大離子親石元素。

4 鋯石的LA-ICP-MS年代學

測試樣品為TG-1英安巖在鋯石陰極發光照片中，鋯石形態不規則，粒徑較大(約100 μm)，長寬比約為2∶1，具一定的巖漿振蕩環帶，判斷其可能為巖漿型鋯石。部分鋯石中殘留有母巖物質，在鋯石上表現為暗點，反映鋯石可能受熱蝕變作用的影響。

在測試結果中，Th/U比值為0.44～0.98，均大于0.4，對應巖漿鋯石較大的Th/U比值。因此，判斷其為典型的巖漿型鋯石(表2，圖6)[14]。在諧和圖中，年齡諧和性較好，呈現成群分布特征，年齡為306～311 Ma，個別鋯石年齡為286 Ma，該年齡的測點為14，可能是由于測試誤差引起(圖7)。獲得206Pb/238U年齡為(303.7±2.3)Ma(MSWD=1.11，n=21)，結合巖漿鋯石特征，認為該年齡代表結晶年齡，說明其為晚石炭世巖漿活動的產物。

圖5 土古土布拉克組稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns(a)and Primitive mantle-normalized patterns for trace elements(b)of the volcanic rocks fromTugutubulake Formation

表2 土古土布拉克組火山巖鋯石的LA-ICP-MS的U-Th-Pb同位素分析結果Table 2 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotopic data of zircon from volcanic rocks in Tugutubulake Fromation

5 討論

5.1 成巖構造環境

圖6 土古土布拉克組火山巖中鋯石的陰極發光（CL）圖像Fig.6 CLimages of zircon from the volcanic rocks in Tugutubulake Formation

本次研究的土古土布拉克組主要由凝灰質碎屑巖，中酸性火山碎屑巖和(含)杏仁狀玄武巖組成。其中火山巖巖石類型為玄武巖至流紋巖，以鉀玄巖和低鉀(拉斑)系列為主。其中酸性花崗質巖石(TG1-TG6英安巖與安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖)虧損Nb，P，Ti十分明顯，具火山弧英安巖、流紋巖特征；玄武質巖石(TG7-TG8玄武巖)虧損Nb，Ti，具大陸拉斑玄武巖特征。從微量元素組合特征看，土古土布拉克組火山巖有較高的La/Ta(大于15)，Th/Yb(小于0.1)，Th/Nb(大于0.07)，以及較低的 Nb/La(小于0.8)，Hf/Th(小于8)呈碰撞型弧區火山巖特征，其中玄武巖中Zr/Y＞3(5.9～6.6)，Ta/Yb＞0.1(0.24～0.31)，顯示大陸邊緣弧鈣堿性玄武巖(ARCB)特征[15]。

在Rb-Y+Nb與Rb-Y+Ta圖解中，樣品中英安巖與安山質晶屑玻屑熔結凝灰巖均落入VAG區(火山弧花崗巖)中，從圖解上看，具PCG(后碰撞花崗巖)的構造事件特征(圖8)。在2Nb-Zr/4-Y圖解上，樣品中玄武巖均落入A2+C區(板內拉斑玄武巖中)；在Ti/100-Zr-Y×3圖解上，樣品玄武巖落入CAB區(鈣堿性玄武巖)與WPB區(板內玄武巖)中，總體上為板內環境，顯示其應形成于伸展的構造環境(圖9)。結合二者的圖解構造環境及地球化學特征，認為該套火山巖應形成于俯沖末期后碰撞開始階段，英安巖具火山弧火山巖特征，玄武巖具板內火山巖特征，總體呈碰撞型弧區火山巖特征。

圖7 土古土布拉克組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.7 LA-ICP-MS U-Pb zircon concordia diagram of the volcanic rocks from the Tugutubulake Formation

5.2 地質意義

研究區位于東天山覺羅塔格構造帶內，對于覺羅塔格地區的大地構造演化有不同認識，主要包括弧后盆地、島弧、裂谷及后碰撞等不同觀點[1-10]。問題焦點在于覺羅塔格地區是否存在俯沖帶，俯沖過程在何時結束？其中弧后盆地觀點認為東天山地區的俯沖碰撞事件可能結束于晚石炭世，覺羅塔格弧后盆地為晚古生代塔里木大洋往北向中天山島弧俯沖的產物[1]。島弧觀點認為阿奇山-雅滿蘇島弧帶是一個石炭紀島弧帶，是覺羅塔格洋晚古生代向北俯沖的產物，與其有關的俯沖帶為阿其克庫都克-沙泉子斷裂[2-3]；也有學者認為，康古爾斷裂為塔里木板塊和準噶爾板塊的縫合帶，阿奇山-雅滿蘇島弧帶是由康古爾塔格古洋盆沿康古爾斷裂向南俯沖而形成，與北側大南湖-頭蘇泉島弧相對應，是康古爾塔格古洋盆在古生代發生雙向俯沖的結果[4-5]。裂谷觀點認為古亞洲洋在泥盆紀就已完全關閉，石炭紀火山巖是大陸板內裂谷背景的產物，屬雙峰式火山巖組合[6]。后碰撞觀點認為覺羅塔格地區為裂陷槽環境，晚石炭—早二疊世東天山已進入后碰撞構造演化階段[7-9]。

圖8 上石炭統土古土布拉克組安山巖一流紋巖構造環境判別圖解Fig.8 Discrimination diagram of tectonic environment of andesite rhyolite for Late Carboniferous from Tugutubulake Formation

圖9 上石炭統土古土布拉克組玄武巖構造環境判別圖Fig.9 Discrimination diagram of tectonic environment of basalt for Late Carboniferous from Tugutubulake Formation

盡管東天山石炭紀的構造演化仍存在爭議，但大量研究表明，東天山石炭紀存在俯沖過程[1-13,16-19]，晚古生代新疆北部地區存在后碰撞構造演化階段，俯沖碰撞事件可能結束于晚石炭世[1,7-10]。王京彬等認為晚石炭—早二疊世東天山覺羅塔格地區已進入后碰撞構造演化階段[9]。董連慧認為覺羅塔格構造帶為東天山后碰撞造山期的構造帶[10]。袁峰對區內十里坡自然銅礦化點玄武巖進行研究得出玄武巖屬板內玄武巖，形成于伸展構造環境，區域構造演化為后碰撞構造階段的伸展期[7]。

本文獲得土古土布拉克組TG-1(英安巖)的成巖年齡為(303.7±2.3)Ma，與前人在研究區內十里坡礦化點所測玄武巖成巖年齡(307±4 Ma)基本一致[8]，都對應于晚石炭世。這反映土古土布拉克組火山巖的成巖時間為晚石炭世，意味著該套火山巖可能經歷了上述后碰撞構造演化階段。

6 結論

(1)東天山土古土布拉克組火山巖巖石類型為玄武巖至流紋巖，以鉀玄巖和低鉀(拉斑)系列為主。

(2)土古土布拉克組火山巖中鋯石LA-ICP-MS的U-Pb年齡為(303.7±2.3)Ma，對應于晚石炭世?；詭r為板內玄武巖，具拉張環境特征，酸性巖為火山弧花崗巖，具后碰撞花崗巖特征。

(3)結合已有研究成果，認為該時期覺羅塔格構造帶內的俯沖擠壓過程已結束，進入后碰撞的構造演化階段，土古土布拉克組火山巖應形成于后碰撞構造階段的伸展期。

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