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    东天山巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩年代学、地球化学及其构造意义

    罗婷 陈继平 廖群安 王国灿 胡朝斌 王良玉

    罗婷, 陈继平, 廖群安, 王国灿, 胡朝斌, 王良玉, 2018. 东天山巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩年代学、地球化学及其构造意义. 地球科学, 43(9): 3018-3035. doi: 10.3799/dqkx.2018.603
    引用本文: 罗婷, 陈继平, 廖群安, 王国灿, 胡朝斌, 王良玉, 2018. 东天山巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩年代学、地球化学及其构造意义. 地球科学, 43(9): 3018-3035. doi: 10.3799/dqkx.2018.603
    Luo Ting, Chen Jiping, Liao Qun'an, Wang Guocan, Hu Chaobin, Wang Liangyu, 2018. Geochronology, Geochemistry and Geological Significance of the Late Carboniferous Bimodal Volcanic Rocks in the Balikun Area, Eastern Tianshan. Earth Science, 43(9): 3018-3035. doi: 10.3799/dqkx.2018.603
    Citation: Luo Ting, Chen Jiping, Liao Qun'an, Wang Guocan, Hu Chaobin, Wang Liangyu, 2018. Geochronology, Geochemistry and Geological Significance of the Late Carboniferous Bimodal Volcanic Rocks in the Balikun Area, Eastern Tianshan. Earth Science, 43(9): 3018-3035. doi: 10.3799/dqkx.2018.603

    东天山巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩年代学、地球化学及其构造意义

    doi: 10.3799/dqkx.2018.603
    基金项目: 

    中国地质调查局项目 1212011120509

    中国地质调查局项目 DD20160006

    中国地质调查局项目 12120114042801

    中国地质调查局项目 1212011120503

    详细信息
      作者简介:

      罗婷(1987-), 女, 博士, 从事岩浆岩及其相关矿产研究工作.E-mail:179175768@qq.com

    • 中图分类号: P581

    Geochronology, Geochemistry and Geological Significance of the Late Carboniferous Bimodal Volcanic Rocks in the Balikun Area, Eastern Tianshan

    • 摘要: 新疆东天山博格达-哈尔里克造山带巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩很好地记录了中亚造山带西南缘晚古生代时期洋陆转换阶段复杂的岩浆作用过程,对该过程的详细剖析能更好地理解中亚造山带的地质历史.通过对晚石炭统二道沟组火山岩详细的岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Sr-Nd同位素组成的研究,结合区域上已有的研究成果,获得了如下认识:(1)东天山博格达-哈尔里克造山带晚石炭统二道沟组火山岩形成于晚石炭世早期(308~312 Ma),为陆相喷发的产物.火山岩具明显的双峰式组合特征,基性火山岩端元由高钾-钾玄岩系列的玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗安岩及同成分的火山碎屑岩组成;酸性火山岩端元由粗面岩、流纹岩组成.(2)岩石地球化学和同位素特征显示,该套双峰式火山岩具有相似的地球化学特征,是相同源区岩浆演化的产物,为深部受到俯冲流体交代的软流圈上涌(尖晶石-石榴石橄榄岩5%~25%部分熔融)形成具有明显Nb、Ta亏损的基性火山岩,岩浆经过结晶分异作用形成酸性火山岩,进而形成晚石炭世双峰式火山岩组合.(3)该套双峰式火山岩是早石炭世双峰式火山岩的延续,代表了该区域弧后盆地基础上的持续裂开.
    • 图 1  中亚及邻区构造简图(a),东天山及其邻区构造简图(b),东天山巴里坤地区晚古生代岩浆岩分布(c)

      Figure 1.  Tectonic sketch of Central Asian and adjacent regions (a), tectonic sketch of eastern Tianshan and its adjacent areas (b), and the distribution of Late Paleozoic volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan (c)

      图b据Xiao et al.(2010);图c据孙桂华(2007)

      图 2  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组(C2e)火山岩野外照片

      Figure 2.  Field photos of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      a.酸性火山岩露头;b.基性火山岩与酸性火山岩互层;c.基性火山岩露头

      图 3  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组典型地质实测剖面

      Figure 3.  The typical geological sections for volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      图 4  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组典型火山岩野外(a, c, e)及显微照片(b, d, f)

      Figure 4.  Field photos (a, c, e) and photomicrographs (b, d, f) of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      图a, c, e分别为玄武岩、粗面玄武岩、流纹岩野外照片;图b, d, f分别为玄武岩、粗面玄武岩、流纹岩镜下照片,正交偏光;Cpx.单斜辉石;Kfs.碱性长石;Qz.石英

      图 5  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和年龄及锆石阴极发光照片

      Figure 5.  LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordia diagrams, weighted mean ages and representative CL images of zircons from the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      图 6  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩TAS图解(a)和SiO2-K2O图解(b)

      Figure 6.  TAS diagram (a) and SiO2 vs. K2O diagram (b) for the classification of the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      图a据Winchester and Floyd(1977);图b据Peccerillo and Taylor(1976)

      图 7  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩微量元素原始地幔标准化配分图解及稀土元素球粒陨石标准化配分图解

      Figure 7.  Primitive mantle normalized multi-element patterns and chondrite-normalized rare earth element (REE) patterns for the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      标准化值据Sun and McDonough(1989)

      图 8  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩初始Sr-Nd同位素图解

      Figure 8.  Initial Sr-Nd isotope data for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      地幔数据来自Zindler and Hart(1986);二叠纪塔里木玄武岩数据来自Tang et al.(2011);东西准噶尔数据来自Su et al.(2012)夏林圻等(2008);阿尔泰数据来自Long et al.(2011)

      图 9  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩Ba/Nb-Ba/La图解(a),Nb/Zr vs. Th/Zr图解(b),Th/Yb-Ta/Yb图解(c),Ba/Nb-La/Nb图解(d)

      Figure 9.  Plots of Ba/Nb vs. Ba/La diagram (a), Nb/Zr vs. Th/Zr diagram (b), Th/Yb vs. Ta/Yb diagram (c) and Ba/Nb vs. La/Nb diagram (d) for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      图c据Pearce et al.(1990);图d据Jahn et al.(1999);MORB,OIB,原始地幔据Sun and McDonough(1989);地壳平均值据Taylor and McLennan(1985)Condie(1993);沉积物平均值据Condie(1993)

      图 10  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩Sm/Yb-Sm变化图解

      Figure 10.  Plots of Sm/Yb-Sm diagram for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      底图据Aldanmaz et al.(2000)

      图 11  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩(a)Hf/3-Th-Ta和(b)Rb-Y+Nb构造判别图解

      Figure 11.  Tectonic discrimination diagrams of Hf/3-Th-Ta (a) and Rb vs. Y+Nb (b) for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      A.N型大洋中脊玄武岩;B.E型大洋中脊玄武岩和板内玄武岩;C.板内碱性玄武岩;D.钙碱性玄武岩;E.岛弧拉斑玄武岩;ORG.大洋中脊花岗岩;Syn-ColG.同碰撞花岗岩;VAG.岛弧花岗岩;WPG.板内花岗岩;据Pearce et al.(1984)Pearce and Peate(1995)

      表 1  东天山巴里坤地区晚石炭世二道沟组火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年分析结果

      Table 1.  Analysis results of zircon U-Pb age from the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      点号 232Th/238U Pb(10-6) 232Th(10-6) 238U(10-6) 同位素比值 年龄(Ma)
      207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ
      D9481-4 0.68 117 616 906 0.0674 0.0043 0.4529 0.0284 0.0493 0.0008 20 310 5 351
      D9481-6 0.61 70 801 1324 0.0565 0.0038 0.3681 0.0232 0.0491 0.0009 17 309 5 317
      D9481-7 0.47 55 148 316 0.0605 0.0041 0.3973 0.0261 0.0490 0.0010 19 308 6 331
      D9481-9 0.53 466 1349 2522 0.0675 0.0061 0.4316 0.0327 0.0486 0.0009 23 306 5 345
      D9481-10 0.86 175 485 566 0.0690 0.0040 0.4576 0.0259 0.0491 0.0008 18 309 5 376
      D9481-13 0.72 758 8865 12263 0.0642 0.0039 0.4236 0.0245 0.0490 0.0009 17 309 6 329
      D9481-15 0.80 180 609 760 0.0619 0.0041 0.4283 0.0313 0.0491 0.0008 22 309 5 335
      D9481-16 0.72 1412 643 894 0.0645 0.0039 0.4258 0.0239 0.0492 0.0008 17 309 5 343
      D9481-18 0.61 179 757 1244 0.0692 0.0046 0.4552 0.0309 0.0490 0.0011 22 309 7 342
      D9481-21 0.82 137 558 683 0.0696 0.0051 0.4533 0.0311 0.0488 0.0009 22 307 5 359
      D9481-22 0.67 356 966 1437 0.0666 0.0039 0.4364 0.0238 0.0484 0.0008 17 305 5 349
      D9481-24 0.74 238 788 1067 0.0591 0.0030 0.4295 0.0205 0.0532 0.0009 15 334 5 360
      8687-2-1 0.60 97 418 696 0.0524 0.0061 0.3592 0.0426 0.0495 0.0016 32 311 10 314
      8687-2-3 1.00 321 1605 1602 0.0538 0.0039 0.3684 0.0258 0.0494 0.0010 19 311 6 302
      8687-2-4 0.49 115 475 972 0.0526 0.0051 0.3516 0.0326 0.0489 0.0015 24 308 9 324
      8687-2-5 0.74 153 700 948 0.0526 0.0047 0.3579 0.0325 0.0491 0.0012 24 309 8 313
      8687-2-6 0.61 184 795 1305 0.0564 0.0048 0.3820 0.0318 0.0491 0.0013 23 309 8 311
      8687-2-7 0.84 527 2586 3072 0.0530 0.0032 0.3615 0.0229 0.0492 0.0012 17 310 7 293
      8687-2-8 0.71 162 739 1048 0.0539 0.0055 0.3603 0.0342 0.0491 0.0014 26 309 8 305
      8687-2-9 1.05 289 1413 1348 0.0533 0.0044 0.3593 0.0295 0.0492 0.0013 22 310 8 308
      8687-2-10 0.63 171 794 1266 0.0496 0.0044 0.3363 0.0279 0.0494 0.0014 21 311 9 305
      8687-2-11 0.90 270 1306 1450 0.0568 0.0059 0.3886 0.0345 0.0502 0.0014 25 316 9 309
      8687-2-12 1.26 386 2305 1834 0.0554 0.0044 0.3890 0.0321 0.0503 0.0016 23 316 10 268
      8687-2-13 0.92 397 1957 2118 0.0514 0.0040 0.3585 0.0289 0.0502 0.0016 22 316 10 317
      8687-2-14 0.65 180 811 1250 0.0479 0.0042 0.3319 0.0293 0.0498 0.0014 22 313 9 323
      8687-2-15 0.88 175 889 1005 0.0492 0.0048 0.3440 0.0354 0.0497 0.0015 27 313 9 315
      8687-2-16 0.59 285 1142 1928 0.0551 0.0043 0.3880 0.0323 0.0502 0.0013 24 316 8 344
      8687-2-17 1.04 343 1709 1645 0.0531 0.0038 0.3655 0.0255 0.0497 0.0011 19 313 7 306
      CN12-12-1-3 0.49 32 68 139 0.0597 0.0042 0.4029 0.0275 0.0500 0.0010 20 315 6 310
      CN12-12-1-4 0.34 128 230 675 0.0526 0.0036 0.3455 0.0222 0.0495 0.0010 17 312 6 321
      CN12-12-1-7 0.85 178 405 476 0.0631 0.0035 0.4561 0.0276 0.0507 0.0009 19 319 5 358
      CN12-12-1-8 0.77 38 134 174 0.0535 0.0028 0.3697 0.0199 0.0496 0.0007 15 312 4 310
      CN12-12-1-11 0.69 30 248 359 0.0601 0.0047 0.4091 0.0325 0.0494 0.0009 23 311 6 322
      CN12-12-1-13 0.53 70 152 285 0.0572 0.0033 0.3794 0.0212 0.0492 0.0007 16 310 5 303
      CN12-12-1-14 0.35 182 68 193 0.0606 0.0037 0.4040 0.0241 0.0491 0.0008 17 309 5 329
      CN12-12-1-15 1.04 111 281 271 0.0595 0.0034 0.4064 0.0227 0.0499 0.0008 16 314 5 296
      CN12-12-1-22 0.70 34 75 107 0.0477 0.0029 0.3187 0.0192 0.0495 0.0008 15 311 5 322
      CN12-12-1-23 0.68 73 172 253 0.0553 0.0031 0.3757 0.0207 0.0496 0.0006 15 312 4 307
      CN12-12-1-24 0.75 34 140 187 0.0660 0.0045 0.4374 0.0288 0.0494 0.0010 20 311 6 309
      CN12-8-1-1 0.63 88 207 329 0.0503 0.0025 0.3314 0.0159 0.0480 0.0006 12 302 4 297
      CN12-8-1-4 0.32 16 33 105 0.0543 0.0023 0.3672 0.0164 0.0490 0.0008 12 309 5 300
      CN12-8-1-5 0.56 112 186 331 0.0678 0.0080 0.4282 0.0338 0.0494 0.0011 24 311 6 366
      CN12-8-1-6 1.03 116 326 317 0.0620 0.0042 0.4115 0.0287 0.0510 0.0014 21 321 9 339
      CN12-8-1-7 0.80 54 280 350 0.0548 0.0028 0.3623 0.0179 0.0488 0.0009 13 307 5 306
      CN12-8-1-8 0.55 74 351 637 0.0582 0.0028 0.3890 0.0178 0.0492 0.0007 13 310 4 322
      CN12-8-1-9 0.67 35 165 246 0.0679 0.0039 0.4489 0.0250 0.0491 0.0009 18 309 5 306
      CN12-8-1-10 0.51 78 353 689 0.0560 0.0031 0.3829 0.0213 0.0490 0.0007 16 308 4 336
      CN12-8-1-11 0.55 85 389 713 0.0600 0.0028 0.4019 0.0187 0.0490 0.0006 14 308 4 311
      CN12-8-1-12 0.51 83 377 745 0.0647 0.0084 0.4021 0.0292 0.0494 0.0008 21 311 5 339
      CN12-8-1-13 0.80 54 280 350 0.0553 0.0025 0.3695 0.0170 0.0488 0.0007 13 307 5 299
      CN12-8-1-14 0.53 140 202 385 0.0558 0.0029 0.3700 0.0207 0.0477 0.0007 15 300 4 287
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      表 2  东天山巴里坤地区晚石炭世二道沟组火山岩主量元素、微量元素分析测试结果

      Table 2.  Analysis results of major elements and trace elements of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      岩性 粗面玄武岩 玄武岩 玄武质粗安岩 玄武安山岩 流纹岩
      年龄 312Ma 308Ma
      样品 8687-2 12-7-2 D8687-1H D9480-2H D9480-6H D7391-1H 8166-1 D8166-1H D8677-1H D8324-1H 8677-2 12-6-1 D9480-1H PM12-11-1H PM12-8-1 PM12-9-2 PM12-12-1 PM12-14-2 12-10-2 12-12-2 12-12-3 9481-2 9481 D9480-5 D9480-7 D9481-3
      主量元素(%)
      SiO2 46.9 50.2 46.9 50.8 51.7 52.0 51.5 51.4 51.1 54.5 55.6 54.6 55.1 56.8 71.4 73.1 72.5 72.4 72.7 72.9 71.2 70.5 72.0 70.5 70.0 74.5
      Al2O3 16.45 17.75 17.35 16.80 16.90 15.20 17.85 17.95 17.80 17.20 14.80 16.30 16.80 16.15 14.00 13.80 13.85 14.10 13.55 12.70 13.95 14.15 14.20 13.65 14.35 12.20
      BaO 0.07 0.14 0.10 0.05 0.05 0.04 0.17 0.17 0.19 0.18 0.14 0.06 0.06 0.11 0.07 0.07 0.04 0.07 0.03 0.05 0.05 0.04 0.05 0.06 0.06 0.06
      CaO 7.80 7.03 6.29 8.62 6.66 9.12 5.78 5.79 6.75 4.92 5.48 7.15 2.83 2.71 0.49 0.20 0.45 0.14 0.64 0.28 0.32 0.31 0.08 1.08 0.88 0.57
      Fe2O3 11.13 8.96 9.98 9.69 9.65 7.84 8.88 8.94 8.75 8.71 9.43 9.22 8.48 9.27 2.56 2.50 2.67 2.74 2.74 3.45 3.53 3.38 2.96 2.76 2.92 2.62
      K2O 1.67 2.79 1.18 1.18 1.00 1.24 4.33 4.34 3.47 4.50 3.13 1.84 2.97 4.37 4.10 5.37 3.49 5.53 3.28 4.67 4.56 3.58 5.18 4.55 4.58 4.83
      Na2O 3.74 3.66 3.25 2.42 3.36 3.75 3.25 3.18 3.19 4.12 3.36 3.54 4.96 4.56 5.17 4.45 5.70 4.44 5.84 4.34 5.11 5.82 4.80 4.95 5.33 3.84
      MgO 5.99 4.79 7.22 6.50 4.98 2.87 3.42 3.44 4.43 3.01 3.83 2.81 3.21 1.96 0.23 0.33 0.29 0.39 0.04 0.34 0.41 0.37 0.09 0.20 0.18 0.26
      MnO 0.17 0.20 0.09 0.18 0.14 0.13 0.14 0.14 0.12 0.10 0.10 0.15 0.19 0.14 0.05 0.05 0.04 0.05 0.02 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 0.04 0.05
      P2O5 0.15 0.34 0.28 0.18 0.27 0.37 0.55 0.54 0.35 0.51 0.50 0.42 0.47 0.52 0.04 0.03 0.04 0.04 0.05 0.04 0.05 0.05 0.01 0.04 0.04 0.04
      SrO 0.07 0.08 0.06 0.04 0.04 0.05 0.10 0.11 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.03 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 <0.01 0.01 <0.01 0.01
      TiO2 0.90 1.02 1.02 0.98 1.26 1.16 1.22 1.24 0.99 1.18 0.83 1.16 1.60 1.82 0.33 0.32 0.29 0.35 0.31 0.26 0.29 0.32 0.28 0.34 0.35 0.27
      LOI 4.46 2.53 5.58 2.66 4.52 5.59 2.49 2.35 1.75 1.66 2.70 3.23 2.83 1.79 0.59 0.43 0.49 0.33 0.65 0.29 0.43 0.38 0.31 0.87 0.64 0.66
      FeOt 10.01 8.06 8.97 8.71 8.68 7.05 7.98 8.04 7.87 7.83 8.48 8.29 7.62 8.33 2.30 2.25 2.40 2.46 2.46 3.10 3.17 3.04 2.66 2.48 2.63 2.36
      微量元素(10-6)
      La 7.5 16.5 13.0 8.1 13.7 15.5 29.5 28.5 18.8 28.6 14.7 21.6 28.2 29.8 23.3 30.8 29.7 33.7 24.8 28.4 33.3 33.3 29.5 33.8 26.6 29.7
      Ce 17.8 35.2 26.4 19.5 31.6 34.3 60.4 58.0 38.9 58.1 30.6 44.8 63.8 72.1 55.0 67.6 66.7 74.7 65.5 68.1 77.9 79.4 60.0 74.7 59.6 67.2
      Pr 2.31 4.36 3.10 2.72 4.16 4.32 7.18 6.86 4.71 6.77 3.76 5.35 8.05 9.75 7.05 8.72 7.89 8.97 7.04 8.46 9.70 9.40 7.76 8.61 7.69 7.72
      Nd 11.2 18.1 12.5 11.9 17.6 18.1 28.7 26.9 18.5 26.4 15.4 22.4 33.0 40.2 26.4 32.4 30.8 33.0 26.7 35.4 40.2 37.7 31.5 31.6 27.7 29.3
      Sm 2.92 4.20 2.72 3.39 4.47 4.31 6.45 5.66 3.83 5.42 3.63 5.10 8.14 9.58 5.97 7.18 6.83 6.66 6.73 8.43 9.02 8.93 7.68 7.24 6.64 6.90
      Eu 0.97 1.16 0.89 0.98 1.44 1.33 1.44 1.62 1.31 1.57 0.93 1.41 2.19 2.74 1.07 0.98 0.64 1.09 1.18 0.75 0.87 0.87 0.61 1.16 1.11 0.64
      Gd 3.20 3.94 2.79 3.72 4.96 4.71 5.48 5.17 3.94 5.60 3.56 4.66 8.54 10.85 6.48 8.03 8.06 7.25 7.19 8.46 9.39 9.65 7.57 7.53 7.20 7.58
      Tb 0.57 0.61 0.41 0.62 0.81 0.69 0.81 0.76 0.60 0.73 0.50 0.72 1.28 1.78 1.09 1.38 1.42 1.37 1.34 1.56 1.74 1.86 1.35 1.31 1.35 1.35
      Dy 3.32 3.70 2.19 4.18 5.30 3.91 4.79 4.54 3.47 4.54 2.90 4.24 8.02 10.60 7.24 9.13 9.43 8.25 8.17 9.71 10.60 12.20 8.76 8.79 8.78 8.53
      Ho 0.72 0.73 0.55 0.87 1.09 0.76 0.94 0.90 0.74 0.92 0.64 0.86 1.66 2.15 1.45 1.97 2.02 1.85 1.69 2.06 2.24 2.60 1.98 1.91 1.83 1.90
      Er 1.99 2.20 1.45 2.70 3.28 2.28 2.84 2.58 2.12 2.46 1.77 2.61 4.49 6.19 4.26 5.79 5.88 5.45 5.10 6.42 6.95 7.96 6.55 5.53 5.73 5.65
      Tm 0.30 0.34 0.28 0.36 0.48 0.73 0.44 0.43 0.35 0.39 0.27 0.39 0.68 0.94 0.72 0.94 0.94 0.94 0.83 1.06 1.12 1.34 1.05 0.82 0.88 0.88
      Yb 1.82 2.08 1.52 2.43 3.10 2.03 2.64 2.62 1.91 2.44 1.83 2.55 4.43 5.78 4.78 5.88 6.09 5.89 5.12 6.72 7.09 8.55 6.71 5.66 5.54 5.67
      Lu 0.33 0.32 0.22 0.40 0.49 0.29 0.45 0.40 0.27 0.35 0.29 0.40 0.68 0.83 0.67 0.81 0.86 0.85 0.82 1.05 1.19 1.34 1.13 0.90 0.89 0.82
      Y 18.1 19.7 12.5 24.7 29.9 22.2 26.4 26.7 19.8 26.7 16.8 23.1 46.1 62.5 39.9 54.6 54.4 51.0 46.4 55.6 61.3 69.4 54.6 54.2 54.1 53.7
      Rb 30.4 55.7 27.8 23.1 22.2 36.2 91.0 89.7 52.5 132.0 72.6 29.3 62.0 147.5 94.9 136.5 75.6 142.5 53.9 107.0 102.5 78.7 100.5 122.5 110.0 104.0
      Ba 702 1315 881 452 433 399 1635 1620 1785 1695 1325 565 561 1020 589 596 367 623 257 435 493 322 506 528 500 474
      Th 1.49 4.98 4.66 1.30 2.76 3.14 9.97 9.29 5.23 8.62 4.24 6.73 5.11 6.27 10.05 12.30 8.70 12.50 11.30 9.45 10.15 11.45 10.50 12.50 12.15 8.21
      U 0.46 1.56 1.54 0.37 0.88 1.17 3.22 3.08 1.37 2.91 1.46 2.13 2.26 2.06 4.05 3.65 2.80 4.20 3.80 2.61 3.06 3.38 3.36 3.21 3.57 3.06
      Nb 1.7 4.1 3.5 2.8 4.8 5.2 7.2 7.2 4.6 7.1 3.5 4.9 9.1 11.0 13.4 16.4 12.3 16.5 13.5 11.5 12.6 14.2 14.8 14.9 14.8 11.3
      Ta 0.1 0.3 0.4 0.2 0.4 0.6 0.5 0.6 0.5 0.6 1.0 0.4 0.6 0.9 1.2 1.4 1.2 1.5 1.2 1.0 1.1 1.3 1.2 1.1 1.0 1.3
      Zr 53 109 107 102 151 125 186 192 123 188 93 134 304 460 452 472 477 511 461 430 484 538 509 545 552 444
      Hf 1.6 2.9 2.7 2.6 4.1 3.0 4.7 4.6 3.1 4.4 2.4 3.4 7.6 9.9 10.8 11.5 11.3 12.2 11.1 11.3 11.8 14.0 12.4 13.6 13.9 10.4
      Sr 623 739 562 360 375 495 984 959 951 687 520 296 143.0 266 90.4 32.2 38.6 45.0 36.2 27.8 44.4 35.2 27.6 43.0 28.9 41.3
      Cr 170 90 580 160 110 30 50 40 110 30 120 10 10 20 20 10 60 40 70 20 10 90 80 20 10 20
      Ni 32.2 42.9 148.0 48.4 39.3 12.2 23.1 23.3 39.2 21.3 50.8 5.6 15.6 4.9 0.8 0.5 1.3 1.1 1.2 3.0 1.4 2.1 1.6 0.9 1.3 0.9
      Co 32.1 32.4 43.8 34.4 29.5 18.8 21.9 22.8 27.6 22.6 31.4 20.3 20.5 17.1 1.5 1.3 1.2 1.6 0.9 1.7 1.4 1.9 1.2 1.6 2.0 1.5
      V 304 301 351 287 288 212 330 335 273 309 218 317 163 187 27 10 20 12 <5 20 7 20 11 20 45 14
      Cs 1.60 2.40 4.47 0.82 2.34 1.36 3.25 3.17 1.09 2.08 1.22 0.30 0.90 0.76 0.83 0.76 0.37 0.65 0.25 0.46 0.31 0.47 0.36 0.52 0.33 0.45
      Pb 4.2 14.4 7.4 3.4 11.3 5.4 23.6 24.0 16.7 23.3 16.6 15.4 11.4 8.0 10.3 10.3 14.0 14.5 14.3 12.3 15.8 14.3 8.6 12.6 9.2 12.1
      Ti 5140 6130 5710 5450 7130 6700 7200 6850 5600 6460 4880 6510 9220 10000 1790 1750 1650 1910 1850 1600 1750 1970 1710 1970 2130 1530
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      表 3  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组火山岩Sr-Nd同位素分析数据

      Table 3.  Analysis results of Sr-Nd isotopes of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      岩性 基性火山岩 酸性火山岩
      年龄 312Ma 308Ma
      样品 12-7-2 12-6-3 9480-2 9480-6 8687-1 8687-2 7391-1 12-10-2 12-12-2 12-12-3
      87Rb/86Sr 0.218253 0.071330 0.185805 0.171424 0.141298 0.143238 0.211764 4.311508 11.145200 6.684823
      87Sr/86Sr 0.705002 0.704377 0.704741 0.704681 0.704656 0.704614 0.705246 0.721127 0.749926 0.732665
      (87Sr/86Sr)i 0.704033 0.704060 0.703916 0.703920 0.704029 0.703978 0.704306 0.702229 0.701075 0.703364
      (87Sr/86Sr)CHUR(t) 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704138 0.704138 0.704138
      147Sm/144Nd 0.140771 0.131657 0.172821 0.154077 0.158164 0.132008 0.144458 0.152914 0.144466 0.136120
      143Nd/144Nd 0.512801 0.512818 0.512952 0.512910 0.512781 0.512899 0.512809 0.512897 0.512927 0.512911
      εNd(t) 5.412316 6.107609 7.082188 7.009665 4.328323 7.674911 5.421479 6.779782 7.697956 7.714132
      TDM1Nd(Ga) 0.729979 0.617509 0.738810 0.614251 1.012592 0.469086 0.751172 0.635089 0.491713 0.470332
      TDM2Nd(Ga) 0.630504 0.573926 0.494141 0.500249 0.718391 0.446100 0.629715 0.515698 0.440889 0.439596
      注:误差为2σ.同位素校正公式:(87Sr/86Sr)i=(87Sr/86Sr)样品+87Rb/86Sr(eλt-1),λRb=1.42×10-11·a-1εNd(t)=[(143Nd/144Nd)样品/(143Nd/144Nd)CHUR(t)-1]×104,(143Nd/144Nd)CHUR(t)= 0.512638-0.1967×(eλt-1).λSm=6.54×10-12·a-1;亏损地幔的Sm-Nd同位素组成采用(143Nd/144Nd)CHUR=0.51315,(147Sm/144Nd)CHUR=0.2137.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-01-06
    • 刊出日期:  2018-09-01

    东天山巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩年代学、地球化学及其构造意义

      作者简介: 罗婷(1987-), 女, 博士, 从事岩浆岩及其相关矿产研究工作.E-mail:179175768@qq.com
    • 1. 陕西省地质调查实验中心, 陕西西安 710054
    • 2. 陕西省地质调查中心, 陕西西安 710054
    • 3. 中国地质大学地球科学学院, 湖北武汉 430074
    • 4. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西西安 710054
    基金项目:  中国地质调查局项目 1212011120509中国地质调查局项目 DD20160006中国地质调查局项目 12120114042801中国地质调查局项目 1212011120503

    摘要: 新疆东天山博格达-哈尔里克造山带巴里坤地区晚石炭世双峰式火山岩很好地记录了中亚造山带西南缘晚古生代时期洋陆转换阶段复杂的岩浆作用过程,对该过程的详细剖析能更好地理解中亚造山带的地质历史.通过对晚石炭统二道沟组火山岩详细的岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Sr-Nd同位素组成的研究,结合区域上已有的研究成果,获得了如下认识:(1)东天山博格达-哈尔里克造山带晚石炭统二道沟组火山岩形成于晚石炭世早期(308~312 Ma),为陆相喷发的产物.火山岩具明显的双峰式组合特征,基性火山岩端元由高钾-钾玄岩系列的玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗安岩及同成分的火山碎屑岩组成;酸性火山岩端元由粗面岩、流纹岩组成.(2)岩石地球化学和同位素特征显示,该套双峰式火山岩具有相似的地球化学特征,是相同源区岩浆演化的产物,为深部受到俯冲流体交代的软流圈上涌(尖晶石-石榴石橄榄岩5%~25%部分熔融)形成具有明显Nb、Ta亏损的基性火山岩,岩浆经过结晶分异作用形成酸性火山岩,进而形成晚石炭世双峰式火山岩组合.(3)该套双峰式火山岩是早石炭世双峰式火山岩的延续,代表了该区域弧后盆地基础上的持续裂开.

    English Abstract

      • 中亚造山带(又称为乌拉尔-蒙古巨型古生代复合造山系)是显生宙以来最大的增生造山系统,它西接乌拉尔,东邻太平洋,北部为西伯利亚板块,南部为塔里木和华北板块,它的演化始于中元古代晚期Rodinia超大陆的裂解(Dobretsov et al., 1995; Khain et al., 2003),并以晚古生代到早中生代库米什和索伦缝合带的出现为结束标志(Xiao et al., 2003, 2010).目前在该带内已被识别出大量的岛弧系统和蛇绿混杂岩带,这些岛弧系统及蛇绿混杂岩的识别将为恢复古亚洲洋的演化提供证据与约束.然而,伴随着古亚洲洋的俯冲消减,岩浆作用从以大洋板片俯冲诱因为主逐渐转换为俯冲完成后造山阶段的岩浆作用,这个过程伴随着一系列的弧后伸展、后碰撞伸展等难以与典型岛弧火山岩浆作用区别的岩浆过程(Liu et al., 2012; Cai et al., 2014),而在中晚古生代,这样的岩浆作用过程扮演了重要的角色.一些学者提出在二叠纪时期(250~290Ma)新疆北部发生了大规模的底侵作用(Yang et al., 2007; Xiao et al., 2008; Gao et al., 2009),在新疆北部的西准噶尔、东准噶尔、北山等地区均有二叠纪早期基性岩墙群的报道(陈宁华等,2013林瑶等,2014晁文迪,2015贺新星等,2015),整个新疆北部在二叠纪早期已经处于板内的伸展构造背景.石炭纪之前,目前已经达成较为统一的认识,认为至少在泥盆纪时期新疆北部的火山岩浆作用是由于古亚洲洋的俯冲消减所引起(Zhang et al., 2009罗婷等,2016).而关于石炭纪时期的构造争议却很大,有弧后盆地、后碰撞、裂谷等观点,产生这些差异的原因在于该时期内岩石种类的复杂性,这种复杂性反映了石炭纪时新疆北部处于洋陆转换过渡期,这个阶段可能会发生大范围的弧后伸展以及后碰撞造山岩浆作用,对该过程的识别将有助于解决古亚洲洋俯冲消减闭合以及中亚造山带碰撞造山的时限问题,让人们能更好地了解洋陆转换过程中的岩浆作用.

        天山造山带属于中亚造山带西南缘部分,是一条东西延伸长达2500km的复合造山带(Windley et al., 1990),该带广泛分布晚古生代石炭纪火山岩以及二叠纪基性岩墙群(Coleman, 1989; Windley et al., 1990; Zhou et al., 2001; Zhang et al., 2002, 2003, 2004),为人们研究新疆北部乃至整个中亚造山带洋陆转换过程提供了绝佳的场所.本文以东天山博格达造山带出露的火山岩为研究对象,开展了火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、全岩主微量元素及Sr-Nd同位素地球化学特征研究,研究结果将有助于人们更好地理解中亚造山带西南部晚石炭世的构造演化及深部动力学过程.

      • 中亚造山带北邻西伯利亚克拉通,南倚华北克拉通和塔里木克拉通(图 1a),由岛弧、蛇绿岩、洋岛、海山、增生楔、洋底高原和微陆块等增生拼贴而成(Coleman, 1989; Windley et al., 1990; Zonenshain et al., 1990; Çengör et al., 1993, 1996; Jahn, 2001; Badarch et al., 2002; Khain et al., 2003; Xiao et al., 2003, 2010; Buslov et al., 2004; Windley et al., 2007).研究区位于中亚造山带西南部东天山博格达-哈尔里克造山带东部(图 1b, 1c),出露的石炭纪火山岩地层包括早石炭统七角井组(C1q)、晚石炭统柳树沟组(C2l)及二道沟组(C2e).七角井组为海相双峰式火山岩建造,块状、枕状玄武岩与流纹岩互层,并夹有少量凝灰质砂岩及页岩.在七角井刺梅沟七角井组上部层位中,可见玄武岩与流纹岩组成韵律喷发旋回,相互之间呈突变接触,其形成年龄为344Ma,地球化学特征显示该套双峰式火山岩基性火山岩端元与酸性火山岩端元来自相同的源区(Chen et al., 2011).柳树沟组火山岩(C2l)为玄武岩-玄武安山岩、角斑岩-石英角斑岩和流纹岩,为双峰式火山岩建造,地球化学特征显示角斑岩-石英角斑岩与玄武岩-玄武安山岩具有同源特征,为岩浆连续演化的产物,其酸性岩锆石U-Pb定年结果为314Ma(高景刚等,2014).

        图  1  中亚及邻区构造简图(a),东天山及其邻区构造简图(b),东天山巴里坤地区晚古生代岩浆岩分布(c)

        Figure 1.  Tectonic sketch of Central Asian and adjacent regions (a), tectonic sketch of eastern Tianshan and its adjacent areas (b), and the distribution of Late Paleozoic volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan (c)

        研究区主要出露晚石炭统二道沟组(C2e)火山岩,宽度约2km,出露面积约为14km2,该组火山岩岩性变化很大,主体显示为典型的双峰式火山岩特征,岩石组合包括玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗安岩、流纹岩及同成分的火山碎屑岩,野外观察到基性火山岩与酸性火山岩呈紧密的互层状产出(图 2).根据野外产状及实测剖面资料等可将该组火山岩划分出5个喷发韵律,每一个韵律均由爆发相的角砾凝灰岩、集块角砾岩等开始,韵律层上部为溢流相玄武岩和流纹岩,气孔和流纹构造发育,单个火山岩喷发韵律层岩性上具由酸性流纹质向基性玄武质的变化规律(图 3).

        图  2  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组(C2e)火山岩野外照片

        Figure 2.  Field photos of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

        图  3  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组典型地质实测剖面

        Figure 3.  The typical geological sections for volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      • 东天山博格达-哈尔里克造山带晚石炭统二道沟组(C2e)火山岩主要岩石类型有:玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗安岩、玄武安山岩、流纹岩及对应的基性和酸性角砾凝灰岩等火山碎屑岩.典型火山岩的岩相学特征描述如下:

        (1) 玄武岩(图 4a, 4b):灰黑色-青灰色,斑状结构,块状构造,发育少量气孔和杏仁体.斑晶为斜长石和单斜辉石.基质间粒间隐结构,由斜长石微晶、辉石微粒、磁铁矿及玻璃质充填,斜长石微晶呈杂乱无章状分布.

        图  4  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组典型火山岩野外(a, c, e)及显微照片(b, d, f)

        Figure 4.  Field photos (a, c, e) and photomicrographs (b, d, f) of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

        (2) 粗面玄武岩(图 4c, 4d):青灰色-灰黑色,斑状结构,块状构造,气孔和杏仁体不发育.斑晶为斜长石、碱性长石及辉石(橄榄石),斜长石为灰白色半自形板状,碱性长石为自形板状,辉石为淡绿色半自形柱状,发育完全解理.基质间粒间隐结构,针状-长柱状斜长石呈杂乱无章状分布,辉石微粒、他形粒状磁铁矿及玻璃质充填其中.

        (3) 玄武粗安岩:斑状结构,块状构造,斑晶为碱性长石、斜长石及少量单斜辉石和橄榄石,斑晶斜长石呈自形-半自形厚板状,碱性长石为灰白色自形厚板状,单斜辉石斑晶为淡绿色半自形短柱状,部分发育环带结构.基质具粗面结构,由钾长石微晶、辉石微粒、他形粒状磁铁矿及玻璃质组成,板状钾长石微晶呈半定向-定向排列.

        (4) 流纹岩(图 4e, 4f):为碱性流纹岩,肉红色,斑状结构,气泡构造-流纹构造,斑晶为碱性长石及少量石英,碱性长石斑晶为半自形板状矿物,石英斑晶为他形透明粒状矿物,发育波状消光,边部熔蚀圆化,部分具港湾状.基质中碱性长石微晶呈半定向-定向排列,少量石英,磁铁矿颗粒及玻璃质充填,碱性长石微晶为长柱状-针状.

      • 本文共选择4件样品进行年代学测定,26件样品进行全岩主微量元素测试,10件样品进行Sr-Nd同位素测试.

      • 4件样品的粉碎加工、锆石分离、挑选及制靶由河北廊坊诚信地质服务公司完成.锆石的透反射照片在中国地质大学(武汉)岩矿实验室的电子显微镜下完成,锆石的阴极发光图像(CL图像)在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的电子探针显微分析系统JXA-8100上完成,锆石年龄测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室的LA-ICP-MS上完成.分析仪器为为ELAN6100DRC型四级杆质谱仪和Geolas 200M型激光剥蚀系统,激光器为193nm ArF准分子激光器,单脉冲能量210mJ;最高重复频率20Hz,平均功率4W;经光学系统匀光和聚焦,到达样品表面的激光束具有平顶(fat top)的特点,对不同斑束可以提供相同的能量密度,最高能量密度可达20J/cm2.锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标,元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610作为外标,29Si作为内标进行计算.测试结果通过ICPMSDataCal软件计算得出207Pb/206Pb、207Pb/205Pb、206Pb/238U这3组同位素比值、年龄及其误差,锆石标准样91500的U-Th-Pb同位素比值推荐值据Wiedenbeck et al.(1995).锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot(Ludwig, 2003)完成.同位素比值误差为2,加权平均年龄均具有95%以上的置信度.

      • 在野外实测剖面和路线地质调查基础上,笔者尽可能选择了较新鲜、气孔和杏仁体较少的样品.对于一些杏仁体较多的样品,先在颚式刚玉对滚机上粉碎到厘米级大小,剔除含杏仁体的部分,部分含细小方解石的样品用盐酸浸泡后再清洗干净用于分析.

        26件样品的全岩主量、微量及稀土元素分析测试由广州澳实矿物实验室完成,主量元素采用硼酸锂熔融消解,X荧光光谱法(ME-XRF12)测定;微量元素采用四酸消解,质谱/光谱仪综合分析(ME-MS61);稀土元素采用硼酸锂熔融、等离子质谱定量(ME-MS81)分析;亚铁分析采用酸消解,重铬酸钾滴定测量.

      • 10件样品的Sr-Nd同位素样品测试工作在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,采用Finnigan公司的MAT261进行比值测量,准确度通过标样NBS987和La Jolla国际标样进行监测,Sr同位素的质量分馏用86Sr/88Sr=0.1194校正,Nd同位素质量分馏用146Nd /144Nd=0.7219校正,详细流程见Zhang et al.(2002).

      • 本文选送了该套地层中的粗面玄武岩样品8687-2(43°45′05″N,93°38′12″E)、玄武粗安岩样品12-11-1(43°46′57″N,93°32′07″E)及流纹岩样品9481(43°46′56″N,93°32′02″E)和样品12-8-1(43°47′05″N,93°32′10″E)进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年.锆石分析结果见表 1.粗面玄武岩样品8687-2和玄武粗安岩样品12-11-1锆石颗粒半自形-自形,呈浅黄色、无色,透明-半透明的正方双锥状或短柱状,具有明显的岩浆振荡环带(图 5a5b).流纹岩样品9481和12-8-1锆石基本自形,透明的正方双锥状,短柱状-长柱状,具有较大的长宽比(图 5c5d),具有明显的岩浆振荡环带,显示为酸性岩浆结晶锆石特点.本文选择无色透明、晶形较好的锆石进行测试.选测锆石Th/U介于0.48~0.97(表 1),显示为岩浆锆石的特点(Vavra et al., 1999).玄武岩样品8687-2和玄武粗安岩样品12-11-1加权平均年龄结果分别为312±4Ma(MSWD=0.11;图 5a),312±3Ma(MSWD=0.28;图 5b).流纹岩样品9481和样品12-8-1加权平均年龄结果为308±3Ma(MSWD=0.98;图 5c)和309±3Ma(MSWD=0.68;图 5d).结果显示该套双峰式火山岩基性火山岩形成于约312Ma,而酸性火山岩形成于308Ma,二者皆为晚石炭世中期岩浆活动的产物.

        点号 232Th/238U Pb(10-6) 232Th(10-6) 238U(10-6) 同位素比值 年龄(Ma)
        207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ
        D9481-4 0.68 117 616 906 0.0674 0.0043 0.4529 0.0284 0.0493 0.0008 20 310 5 351
        D9481-6 0.61 70 801 1324 0.0565 0.0038 0.3681 0.0232 0.0491 0.0009 17 309 5 317
        D9481-7 0.47 55 148 316 0.0605 0.0041 0.3973 0.0261 0.0490 0.0010 19 308 6 331
        D9481-9 0.53 466 1349 2522 0.0675 0.0061 0.4316 0.0327 0.0486 0.0009 23 306 5 345
        D9481-10 0.86 175 485 566 0.0690 0.0040 0.4576 0.0259 0.0491 0.0008 18 309 5 376
        D9481-13 0.72 758 8865 12263 0.0642 0.0039 0.4236 0.0245 0.0490 0.0009 17 309 6 329
        D9481-15 0.80 180 609 760 0.0619 0.0041 0.4283 0.0313 0.0491 0.0008 22 309 5 335
        D9481-16 0.72 1412 643 894 0.0645 0.0039 0.4258 0.0239 0.0492 0.0008 17 309 5 343
        D9481-18 0.61 179 757 1244 0.0692 0.0046 0.4552 0.0309 0.0490 0.0011 22 309 7 342
        D9481-21 0.82 137 558 683 0.0696 0.0051 0.4533 0.0311 0.0488 0.0009 22 307 5 359
        D9481-22 0.67 356 966 1437 0.0666 0.0039 0.4364 0.0238 0.0484 0.0008 17 305 5 349
        D9481-24 0.74 238 788 1067 0.0591 0.0030 0.4295 0.0205 0.0532 0.0009 15 334 5 360
        8687-2-1 0.60 97 418 696 0.0524 0.0061 0.3592 0.0426 0.0495 0.0016 32 311 10 314
        8687-2-3 1.00 321 1605 1602 0.0538 0.0039 0.3684 0.0258 0.0494 0.0010 19 311 6 302
        8687-2-4 0.49 115 475 972 0.0526 0.0051 0.3516 0.0326 0.0489 0.0015 24 308 9 324
        8687-2-5 0.74 153 700 948 0.0526 0.0047 0.3579 0.0325 0.0491 0.0012 24 309 8 313
        8687-2-6 0.61 184 795 1305 0.0564 0.0048 0.3820 0.0318 0.0491 0.0013 23 309 8 311
        8687-2-7 0.84 527 2586 3072 0.0530 0.0032 0.3615 0.0229 0.0492 0.0012 17 310 7 293
        8687-2-8 0.71 162 739 1048 0.0539 0.0055 0.3603 0.0342 0.0491 0.0014 26 309 8 305
        8687-2-9 1.05 289 1413 1348 0.0533 0.0044 0.3593 0.0295 0.0492 0.0013 22 310 8 308
        8687-2-10 0.63 171 794 1266 0.0496 0.0044 0.3363 0.0279 0.0494 0.0014 21 311 9 305
        8687-2-11 0.90 270 1306 1450 0.0568 0.0059 0.3886 0.0345 0.0502 0.0014 25 316 9 309
        8687-2-12 1.26 386 2305 1834 0.0554 0.0044 0.3890 0.0321 0.0503 0.0016 23 316 10 268
        8687-2-13 0.92 397 1957 2118 0.0514 0.0040 0.3585 0.0289 0.0502 0.0016 22 316 10 317
        8687-2-14 0.65 180 811 1250 0.0479 0.0042 0.3319 0.0293 0.0498 0.0014 22 313 9 323
        8687-2-15 0.88 175 889 1005 0.0492 0.0048 0.3440 0.0354 0.0497 0.0015 27 313 9 315
        8687-2-16 0.59 285 1142 1928 0.0551 0.0043 0.3880 0.0323 0.0502 0.0013 24 316 8 344
        8687-2-17 1.04 343 1709 1645 0.0531 0.0038 0.3655 0.0255 0.0497 0.0011 19 313 7 306
        CN12-12-1-3 0.49 32 68 139 0.0597 0.0042 0.4029 0.0275 0.0500 0.0010 20 315 6 310
        CN12-12-1-4 0.34 128 230 675 0.0526 0.0036 0.3455 0.0222 0.0495 0.0010 17 312 6 321
        CN12-12-1-7 0.85 178 405 476 0.0631 0.0035 0.4561 0.0276 0.0507 0.0009 19 319 5 358
        CN12-12-1-8 0.77 38 134 174 0.0535 0.0028 0.3697 0.0199 0.0496 0.0007 15 312 4 310
        CN12-12-1-11 0.69 30 248 359 0.0601 0.0047 0.4091 0.0325 0.0494 0.0009 23 311 6 322
        CN12-12-1-13 0.53 70 152 285 0.0572 0.0033 0.3794 0.0212 0.0492 0.0007 16 310 5 303
        CN12-12-1-14 0.35 182 68 193 0.0606 0.0037 0.4040 0.0241 0.0491 0.0008 17 309 5 329
        CN12-12-1-15 1.04 111 281 271 0.0595 0.0034 0.4064 0.0227 0.0499 0.0008 16 314 5 296
        CN12-12-1-22 0.70 34 75 107 0.0477 0.0029 0.3187 0.0192 0.0495 0.0008 15 311 5 322
        CN12-12-1-23 0.68 73 172 253 0.0553 0.0031 0.3757 0.0207 0.0496 0.0006 15 312 4 307
        CN12-12-1-24 0.75 34 140 187 0.0660 0.0045 0.4374 0.0288 0.0494 0.0010 20 311 6 309
        CN12-8-1-1 0.63 88 207 329 0.0503 0.0025 0.3314 0.0159 0.0480 0.0006 12 302 4 297
        CN12-8-1-4 0.32 16 33 105 0.0543 0.0023 0.3672 0.0164 0.0490 0.0008 12 309 5 300
        CN12-8-1-5 0.56 112 186 331 0.0678 0.0080 0.4282 0.0338 0.0494 0.0011 24 311 6 366
        CN12-8-1-6 1.03 116 326 317 0.0620 0.0042 0.4115 0.0287 0.0510 0.0014 21 321 9 339
        CN12-8-1-7 0.80 54 280 350 0.0548 0.0028 0.3623 0.0179 0.0488 0.0009 13 307 5 306
        CN12-8-1-8 0.55 74 351 637 0.0582 0.0028 0.3890 0.0178 0.0492 0.0007 13 310 4 322
        CN12-8-1-9 0.67 35 165 246 0.0679 0.0039 0.4489 0.0250 0.0491 0.0009 18 309 5 306
        CN12-8-1-10 0.51 78 353 689 0.0560 0.0031 0.3829 0.0213 0.0490 0.0007 16 308 4 336
        CN12-8-1-11 0.55 85 389 713 0.0600 0.0028 0.4019 0.0187 0.0490 0.0006 14 308 4 311
        CN12-8-1-12 0.51 83 377 745 0.0647 0.0084 0.4021 0.0292 0.0494 0.0008 21 311 5 339
        CN12-8-1-13 0.80 54 280 350 0.0553 0.0025 0.3695 0.0170 0.0488 0.0007 13 307 5 299
        CN12-8-1-14 0.53 140 202 385 0.0558 0.0029 0.3700 0.0207 0.0477 0.0007 15 300 4 287

        表 1  东天山巴里坤地区晚石炭世二道沟组火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年分析结果

        Table 1.  Analysis results of zircon U-Pb age from the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

        图  5  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和年龄及锆石阴极发光照片

        Figure 5.  LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordia diagrams, weighted mean ages and representative CL images of zircons from the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      • 二道沟组火山岩主量元素、微量元素及稀土元素分析结果见表 2.在图 6a中,该组火山岩样品主要落在玄武岩、粗面玄武岩、玄武质粗面安山岩及流纹岩区内,SiO2值分布在46.9%~56.8%(基性火山岩端元)和70.0%~74.5%(酸性火山岩端元)两个区间.在56%~70%之间出现明显的间断,具有双峰式火山岩特征.在区域上(七角井地区),早石炭世也发育一套双峰式火山岩(C1q,七角井组火山岩),而在色皮口地区,晚石炭世火山岩(C2l,柳树沟组)也具有双峰式火山岩特征,岩性与二道沟组火山岩基本一致(图 6a).

        岩性 粗面玄武岩 玄武岩 玄武质粗安岩 玄武安山岩 流纹岩
        年龄 312Ma 308Ma
        样品 8687-2 12-7-2 D8687-1H D9480-2H D9480-6H D7391-1H 8166-1 D8166-1H D8677-1H D8324-1H 8677-2 12-6-1 D9480-1H PM12-11-1H PM12-8-1 PM12-9-2 PM12-12-1 PM12-14-2 12-10-2 12-12-2 12-12-3 9481-2 9481 D9480-5 D9480-7 D9481-3
        主量元素(%)
        SiO2 46.9 50.2 46.9 50.8 51.7 52.0 51.5 51.4 51.1 54.5 55.6 54.6 55.1 56.8 71.4 73.1 72.5 72.4 72.7 72.9 71.2 70.5 72.0 70.5 70.0 74.5
        Al2O3 16.45 17.75 17.35 16.80 16.90 15.20 17.85 17.95 17.80 17.20 14.80 16.30 16.80 16.15 14.00 13.80 13.85 14.10 13.55 12.70 13.95 14.15 14.20 13.65 14.35 12.20
        BaO 0.07 0.14 0.10 0.05 0.05 0.04 0.17 0.17 0.19 0.18 0.14 0.06 0.06 0.11 0.07 0.07 0.04 0.07 0.03 0.05 0.05 0.04 0.05 0.06 0.06 0.06
        CaO 7.80 7.03 6.29 8.62 6.66 9.12 5.78 5.79 6.75 4.92 5.48 7.15 2.83 2.71 0.49 0.20 0.45 0.14 0.64 0.28 0.32 0.31 0.08 1.08 0.88 0.57
        Fe2O3 11.13 8.96 9.98 9.69 9.65 7.84 8.88 8.94 8.75 8.71 9.43 9.22 8.48 9.27 2.56 2.50 2.67 2.74 2.74 3.45 3.53 3.38 2.96 2.76 2.92 2.62
        K2O 1.67 2.79 1.18 1.18 1.00 1.24 4.33 4.34 3.47 4.50 3.13 1.84 2.97 4.37 4.10 5.37 3.49 5.53 3.28 4.67 4.56 3.58 5.18 4.55 4.58 4.83
        Na2O 3.74 3.66 3.25 2.42 3.36 3.75 3.25 3.18 3.19 4.12 3.36 3.54 4.96 4.56 5.17 4.45 5.70 4.44 5.84 4.34 5.11 5.82 4.80 4.95 5.33 3.84
        MgO 5.99 4.79 7.22 6.50 4.98 2.87 3.42 3.44 4.43 3.01 3.83 2.81 3.21 1.96 0.23 0.33 0.29 0.39 0.04 0.34 0.41 0.37 0.09 0.20 0.18 0.26
        MnO 0.17 0.20 0.09 0.18 0.14 0.13 0.14 0.14 0.12 0.10 0.10 0.15 0.19 0.14 0.05 0.05 0.04 0.05 0.02 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 0.04 0.05
        P2O5 0.15 0.34 0.28 0.18 0.27 0.37 0.55 0.54 0.35 0.51 0.50 0.42 0.47 0.52 0.04 0.03 0.04 0.04 0.05 0.04 0.05 0.05 0.01 0.04 0.04 0.04
        SrO 0.07 0.08 0.06 0.04 0.04 0.05 0.10 0.11 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.03 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 <0.01 0.01 <0.01 0.01
        TiO2 0.90 1.02 1.02 0.98 1.26 1.16 1.22 1.24 0.99 1.18 0.83 1.16 1.60 1.82 0.33 0.32 0.29 0.35 0.31 0.26 0.29 0.32 0.28 0.34 0.35 0.27
        LOI 4.46 2.53 5.58 2.66 4.52 5.59 2.49 2.35 1.75 1.66 2.70 3.23 2.83 1.79 0.59 0.43 0.49 0.33 0.65 0.29 0.43 0.38 0.31 0.87 0.64 0.66
        FeOt 10.01 8.06 8.97 8.71 8.68 7.05 7.98 8.04 7.87 7.83 8.48 8.29 7.62 8.33 2.30 2.25 2.40 2.46 2.46 3.10 3.17 3.04 2.66 2.48 2.63 2.36
        微量元素(10-6)
        La 7.5 16.5 13.0 8.1 13.7 15.5 29.5 28.5 18.8 28.6 14.7 21.6 28.2 29.8 23.3 30.8 29.7 33.7 24.8 28.4 33.3 33.3 29.5 33.8 26.6 29.7
        Ce 17.8 35.2 26.4 19.5 31.6 34.3 60.4 58.0 38.9 58.1 30.6 44.8 63.8 72.1 55.0 67.6 66.7 74.7 65.5 68.1 77.9 79.4 60.0 74.7 59.6 67.2
        Pr 2.31 4.36 3.10 2.72 4.16 4.32 7.18 6.86 4.71 6.77 3.76 5.35 8.05 9.75 7.05 8.72 7.89 8.97 7.04 8.46 9.70 9.40 7.76 8.61 7.69 7.72
        Nd 11.2 18.1 12.5 11.9 17.6 18.1 28.7 26.9 18.5 26.4 15.4 22.4 33.0 40.2 26.4 32.4 30.8 33.0 26.7 35.4 40.2 37.7 31.5 31.6 27.7 29.3
        Sm 2.92 4.20 2.72 3.39 4.47 4.31 6.45 5.66 3.83 5.42 3.63 5.10 8.14 9.58 5.97 7.18 6.83 6.66 6.73 8.43 9.02 8.93 7.68 7.24 6.64 6.90
        Eu 0.97 1.16 0.89 0.98 1.44 1.33 1.44 1.62 1.31 1.57 0.93 1.41 2.19 2.74 1.07 0.98 0.64 1.09 1.18 0.75 0.87 0.87 0.61 1.16 1.11 0.64
        Gd 3.20 3.94 2.79 3.72 4.96 4.71 5.48 5.17 3.94 5.60 3.56 4.66 8.54 10.85 6.48 8.03 8.06 7.25 7.19 8.46 9.39 9.65 7.57 7.53 7.20 7.58
        Tb 0.57 0.61 0.41 0.62 0.81 0.69 0.81 0.76 0.60 0.73 0.50 0.72 1.28 1.78 1.09 1.38 1.42 1.37 1.34 1.56 1.74 1.86 1.35 1.31 1.35 1.35
        Dy 3.32 3.70 2.19 4.18 5.30 3.91 4.79 4.54 3.47 4.54 2.90 4.24 8.02 10.60 7.24 9.13 9.43 8.25 8.17 9.71 10.60 12.20 8.76 8.79 8.78 8.53
        Ho 0.72 0.73 0.55 0.87 1.09 0.76 0.94 0.90 0.74 0.92 0.64 0.86 1.66 2.15 1.45 1.97 2.02 1.85 1.69 2.06 2.24 2.60 1.98 1.91 1.83 1.90
        Er 1.99 2.20 1.45 2.70 3.28 2.28 2.84 2.58 2.12 2.46 1.77 2.61 4.49 6.19 4.26 5.79 5.88 5.45 5.10 6.42 6.95 7.96 6.55 5.53 5.73 5.65
        Tm 0.30 0.34 0.28 0.36 0.48 0.73 0.44 0.43 0.35 0.39 0.27 0.39 0.68 0.94 0.72 0.94 0.94 0.94 0.83 1.06 1.12 1.34 1.05 0.82 0.88 0.88
        Yb 1.82 2.08 1.52 2.43 3.10 2.03 2.64 2.62 1.91 2.44 1.83 2.55 4.43 5.78 4.78 5.88 6.09 5.89 5.12 6.72 7.09 8.55 6.71 5.66 5.54 5.67
        Lu 0.33 0.32 0.22 0.40 0.49 0.29 0.45 0.40 0.27 0.35 0.29 0.40 0.68 0.83 0.67 0.81 0.86 0.85 0.82 1.05 1.19 1.34 1.13 0.90 0.89 0.82
        Y 18.1 19.7 12.5 24.7 29.9 22.2 26.4 26.7 19.8 26.7 16.8 23.1 46.1 62.5 39.9 54.6 54.4 51.0 46.4 55.6 61.3 69.4 54.6 54.2 54.1 53.7
        Rb 30.4 55.7 27.8 23.1 22.2 36.2 91.0 89.7 52.5 132.0 72.6 29.3 62.0 147.5 94.9 136.5 75.6 142.5 53.9 107.0 102.5 78.7 100.5 122.5 110.0 104.0
        Ba 702 1315 881 452 433 399 1635 1620 1785 1695 1325 565 561 1020 589 596 367 623 257 435 493 322 506 528 500 474
        Th 1.49 4.98 4.66 1.30 2.76 3.14 9.97 9.29 5.23 8.62 4.24 6.73 5.11 6.27 10.05 12.30 8.70 12.50 11.30 9.45 10.15 11.45 10.50 12.50 12.15 8.21
        U 0.46 1.56 1.54 0.37 0.88 1.17 3.22 3.08 1.37 2.91 1.46 2.13 2.26 2.06 4.05 3.65 2.80 4.20 3.80 2.61 3.06 3.38 3.36 3.21 3.57 3.06
        Nb 1.7 4.1 3.5 2.8 4.8 5.2 7.2 7.2 4.6 7.1 3.5 4.9 9.1 11.0 13.4 16.4 12.3 16.5 13.5 11.5 12.6 14.2 14.8 14.9 14.8 11.3
        Ta 0.1 0.3 0.4 0.2 0.4 0.6 0.5 0.6 0.5 0.6 1.0 0.4 0.6 0.9 1.2 1.4 1.2 1.5 1.2 1.0 1.1 1.3 1.2 1.1 1.0 1.3
        Zr 53 109 107 102 151 125 186 192 123 188 93 134 304 460 452 472 477 511 461 430 484 538 509 545 552 444
        Hf 1.6 2.9 2.7 2.6 4.1 3.0 4.7 4.6 3.1 4.4 2.4 3.4 7.6 9.9 10.8 11.5 11.3 12.2 11.1 11.3 11.8 14.0 12.4 13.6 13.9 10.4
        Sr 623 739 562 360 375 495 984 959 951 687 520 296 143.0 266 90.4 32.2 38.6 45.0 36.2 27.8 44.4 35.2 27.6 43.0 28.9 41.3
        Cr 170 90 580 160 110 30 50 40 110 30 120 10 10 20 20 10 60 40 70 20 10 90 80 20 10 20
        Ni 32.2 42.9 148.0 48.4 39.3 12.2 23.1 23.3 39.2 21.3 50.8 5.6 15.6 4.9 0.8 0.5 1.3 1.1 1.2 3.0 1.4 2.1 1.6 0.9 1.3 0.9
        Co 32.1 32.4 43.8 34.4 29.5 18.8 21.9 22.8 27.6 22.6 31.4 20.3 20.5 17.1 1.5 1.3 1.2 1.6 0.9 1.7 1.4 1.9 1.2 1.6 2.0 1.5
        V 304 301 351 287 288 212 330 335 273 309 218 317 163 187 27 10 20 12 <5 20 7 20 11 20 45 14
        Cs 1.60 2.40 4.47 0.82 2.34 1.36 3.25 3.17 1.09 2.08 1.22 0.30 0.90 0.76 0.83 0.76 0.37 0.65 0.25 0.46 0.31 0.47 0.36 0.52 0.33 0.45
        Pb 4.2 14.4 7.4 3.4 11.3 5.4 23.6 24.0 16.7 23.3 16.6 15.4 11.4 8.0 10.3 10.3 14.0 14.5 14.3 12.3 15.8 14.3 8.6 12.6 9.2 12.1
        Ti 5140 6130 5710 5450 7130 6700 7200 6850 5600 6460 4880 6510 9220 10000 1790 1750 1650 1910 1850 1600 1750 1970 1710 1970 2130 1530

        表 2  东天山巴里坤地区晚石炭世二道沟组火山岩主量元素、微量元素分析测试结果

        Table 2.  Analysis results of major elements and trace elements of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

        图  6  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩TAS图解(a)和SiO2-K2O图解(b)

        Figure 6.  TAS diagram (a) and SiO2 vs. K2O diagram (b) for the classification of the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

        二道沟组基性火山岩显示富碱特征(Na2O+K2O含量在3.60%~8.93%之间),中等含量的TiO2(0.83%~1.60%),与研究区北部卡拉麦里造山带出露的晚石炭统巴塔玛依内山组火山岩不同的是,二道沟组基性火山岩具有较高的K2O含量(1.0%~4.5%),在图 6b中落入中高钾至钾玄岩系列,具高铝玄武岩特征(Al2O3含量14.80%~17.95%).其MgO含量(1.96%~7.22%)及Mg#值(33~62)变化范围大,但均明显低于幔源原生岩的Mg#值的下限(65),相容元素Ni(4.9×10-6~50.8×10-6)和Cr(10×10-6~170×10-6)含量较低,均低于原生岩浆的参考数值.二道沟组基性火山岩随SiO2含量增加,CaO、MgO、Fe2O3和Al2O3含量降低,P2O5、TiO2、K2O及Na2O含量增加(K2O及Na2O含量显著增加).这与色皮口地区晚石炭世双峰式火山岩具有一致的特征.二道沟组酸性火山岩样品SiO2含量较高(70%~74.5%)且变化不大,具有富Na2O(3.84%~5.7%)、K2O(3.28%~5.53%),贫MgO(0.04%~0.41%)、CaO(0.08%~0.88%)、Fe2O3(2.5%~3.53%)的特征,并随着SiO2含量增加,CaO、Fe2O3、MgO无明显变化,Al2O3、Na2O含量逐渐减少.

        在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线上,二道沟组基性火山岩与酸性火山岩均显示为轻稀土相对富集,重稀土相对亏损的配分模式(图 7b7d),基性火山岩LaN/YbN介于3.8~8.0,无明显Eu异常,酸性火山岩LaN/YbN介于2.8~4.2,显示明显的Eu负异常,Eu*介于0.24~0.53.原始地幔标准化微量元素蛛网图显示二道沟组基性火山岩Nb和Ta相对亏损(图 7a),而酸性火山岩相对亏损Nb、Ta以及Ba、Sr、P和Ti(图 7c).总体上而言,二道沟组基性火山岩与酸性火山岩稀土、微量元素模式图显示出一致的地球化学特征,暗示基性岩与酸性岩来源于同一个源区.二道沟组火山岩与色皮口地区晚石炭世双峰式火山岩具有相似的稀土元素配分曲线与微量元素蛛网图,与区域上七角井地区早石炭世火山岩相比,二道沟组基性火山岩具有明显富集Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素和更加亏损Nb、Ta,但却与目前正在发育的陆内裂谷(东非大裂谷)基性火山岩明显不同的地球化学特征,大陆裂谷基性火山岩无明显的Nb、Ta亏损,显示明显Zr、Hf和轻稀土元素的富集,这可能暗示了二道沟组双峰式火山岩并非形成于典型的陆内裂谷,而是形成于与岛弧有关的伸展背景之下的一套双峰式火山岩.

        图  7  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩微量元素原始地幔标准化配分图解及稀土元素球粒陨石标准化配分图解

        Figure 7.  Primitive mantle normalized multi-element patterns and chondrite-normalized rare earth element (REE) patterns for the volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

      • 二道沟组火山岩全岩Sr-Nd同位素分析结果见表 3,本文分别取二道沟组基性火山岩形成年龄312Ma和酸性火山岩形成年龄308Ma代入计算同位素初始值.二道沟组基性火山岩样品87Sr/86Sr初始值介于0.703916~0.704306,具有一致的εNd(t)值(+4.32~+7.67)(表 3).酸性岩样品87Sr/86Sr初始值介于0.702975~0.703364,εNd(t)值介于+6.78~+7.70.在图 8中,二道沟组基性火山岩样品与酸性火山岩样品均落入亏损地幔端元,均显示为亏损地幔的源区特征;而这与七角井地区早石炭世双峰式火山岩具有相似特征.同位素特征也进一步说明二道沟组双峰式火山岩中的基性火山岩与酸性火山岩来自于同一源区.

        岩性 基性火山岩 酸性火山岩
        年龄 312Ma 308Ma
        样品 12-7-2 12-6-3 9480-2 9480-6 8687-1 8687-2 7391-1 12-10-2 12-12-2 12-12-3
        87Rb/86Sr 0.218253 0.071330 0.185805 0.171424 0.141298 0.143238 0.211764 4.311508 11.145200 6.684823
        87Sr/86Sr 0.705002 0.704377 0.704741 0.704681 0.704656 0.704614 0.705246 0.721127 0.749926 0.732665
        (87Sr/86Sr)i 0.704033 0.704060 0.703916 0.703920 0.704029 0.703978 0.704306 0.702229 0.701075 0.703364
        (87Sr/86Sr)CHUR(t) 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704133 0.704138 0.704138 0.704138
        147Sm/144Nd 0.140771 0.131657 0.172821 0.154077 0.158164 0.132008 0.144458 0.152914 0.144466 0.136120
        143Nd/144Nd 0.512801 0.512818 0.512952 0.512910 0.512781 0.512899 0.512809 0.512897 0.512927 0.512911
        εNd(t) 5.412316 6.107609 7.082188 7.009665 4.328323 7.674911 5.421479 6.779782 7.697956 7.714132
        TDM1Nd(Ga) 0.729979 0.617509 0.738810 0.614251 1.012592 0.469086 0.751172 0.635089 0.491713 0.470332
        TDM2Nd(Ga) 0.630504 0.573926 0.494141 0.500249 0.718391 0.446100 0.629715 0.515698 0.440889 0.439596
        注:误差为2σ.同位素校正公式:(87Sr/86Sr)i=(87Sr/86Sr)样品+87Rb/86Sr(eλt-1),λRb=1.42×10-11·a-1εNd(t)=[(143Nd/144Nd)样品/(143Nd/144Nd)CHUR(t)-1]×104,(143Nd/144Nd)CHUR(t)= 0.512638-0.1967×(eλt-1).λSm=6.54×10-12·a-1;亏损地幔的Sm-Nd同位素组成采用(143Nd/144Nd)CHUR=0.51315,(147Sm/144Nd)CHUR=0.2137.

        表 3  东天山巴里坤地区晚石炭统二道沟组火山岩Sr-Nd同位素分析数据

        Table 3.  Analysis results of Sr-Nd isotopes of volcanic rocks from Late Carboniferous Erdaogou Formation in the Balikun area, eastern Tianshan

        图  8  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩初始Sr-Nd同位素图解

        Figure 8.  Initial Sr-Nd isotope data for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      • 二道沟组火山岩基性岩与酸性岩SiO2成分存在明显的间断,但其具有一致的微量元素和稀土元素标准化配分模式(图 7)以及相似的Sr-Nd同位素特征(图 8),反映了它们是同源岩浆演化的产物.该套双峰式火山岩基性岩与酸性岩均具有一致的87Sr/86Sr初始值和εNd(t)值,显示出该套火山岩无论是基性岩还是酸性岩在形成时都未经历或轻微经历了同化混染作用,基性火山岩Mg#值和Cr、Ni含量低,说明它们并不是原生岩浆,而是经过了分离结晶作用形成的岩浆.主量元素特征上,基性火山岩随SiO2含量增加,CaO、MgO、Fe2O3和Al2O3含量降低,P2O5、TiO2、K2O及Na2O含量增加(K2O及Na2O含量显著增加),说明岩浆可能经历了以辉石为主的镁铁质矿物的分离结晶作用,但不包括钛铁氧化物,这说明岩浆结晶时处于较低的氧逸度环境.SiO2与Cr、Ni无明显的相关关系暗示缺少橄榄石的分离结晶作用.除此之外,磷灰石也未发生明显的分离结晶作用.

      • 二道沟组基性火山岩同位素特征指示该基性岩浆来自亏损的地幔源区.在图 9a9b中,该组基性火山岩均显示为岩浆源区受到了流体的交代作用改造.在图 9c中,二道沟组基性火山岩显示与弧有关的岩浆源区.以上特征均说明二道沟组基性火山岩的岩浆源区曾受到过流体的交代改造.与区域上卡拉麦里晚石炭统巴塔玛依内山组火山岩不同的是,二道沟组酸性火山岩不仅具有与基性火山岩相同的87Sr/86Sr初始值和εNd(t)值,且二者的微量元素蛛网图也具有相似特征,这说明二道沟组酸性火山岩可能由基性岩浆结晶分异而来(Bonin, 2004).这一特点也与笔者在野外观察到的大面积玄武岩和少量流纹岩相匹配.由基性岩浆直接结晶分异形成双峰式火山岩已被很多科学家所提出(Brophy, 1991; Geist et al., 1995; Thompson, 1972).例如,在对加州Medicine Lake晚更新世-全新世火山岩研究时,Grove and Donelly-Nolan(1986)认为存在明显Daly间断的安山岩(57%~62%的SiO2)和流纹岩(73%~74%的SiO2)完全可以由结晶分异过程形成.在图 10中,博格达-哈尔里克造山带早石炭世火山岩和晚石炭世火山岩数据同样落在尖晶石-石榴石橄榄岩相区域,部分熔融程度大概在5%~20%,岩浆来自尖晶石二辉橄榄岩和石榴石二辉橄榄岩过渡带,岩浆源区深度约为80km(Ellam, 1992).

        图  9  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩Ba/Nb-Ba/La图解(a),Nb/Zr vs. Th/Zr图解(b),Th/Yb-Ta/Yb图解(c),Ba/Nb-La/Nb图解(d)

        Figure 9.  Plots of Ba/Nb vs. Ba/La diagram (a), Nb/Zr vs. Th/Zr diagram (b), Th/Yb vs. Ta/Yb diagram (c) and Ba/Nb vs. La/Nb diagram (d) for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

        图  10  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩Sm/Yb-Sm变化图解

        Figure 10.  Plots of Sm/Yb-Sm diagram for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

      • 博格达-哈尔里克造山带早石炭世火山岩和晚石炭世火山岩区域上多有分布,均具有双峰式火山岩分布特征,前人对于早石炭世火山岩的形成时代和成因认识比较统一,认为其形成时间为340Ma左右,且基性火山岩来自于地幔源区,酸性火山岩为基性岩浆结晶分异所形成(Chen et al., 2011顾连兴等, 2000, 2001),但对其形成的构造背景却有不同认识,一些学者认为其就是典型的大陆裂谷火山岩,同时还有岛弧和弧后盆地之争(成守德等,1986李锦轶,2004).而争论的主要矛盾在于,该套早石炭世火山岩的地球化学特征不仅具有裂谷火山岩特征,还同时具有弧火山岩特征.早石炭世双峰式基性火山岩主要为拉斑玄武岩系列,TiO2含量中等,Cr含量高,亏损Nb、Ta、Ti,具岛弧玄武岩与大洋玄武岩的过渡性质(Chen et al., 2011).在图 11a中,早石炭世火山岩落入了MORB和岛弧拉斑玄武岩的过渡区域,而在图 11b中,酸性火山岩也落入了弧火山岩和板内火山岩的过渡区域.因此,Chen et al.(2011)总结分析后认为该早石炭世火山岩为弧后的拉张裂谷的早期阶段产物.

        图  11  东天山巴里坤地区石炭纪火山岩(a)Hf/3-Th-Ta和(b)Rb-Y+Nb构造判别图解

        Figure 11.  Tectonic discrimination diagrams of Hf/3-Th-Ta (a) and Rb vs. Y+Nb (b) for the Carboniferous volcanic rocks in the Balikun area, eastern Tianshan

        晚石炭世火山岩区域上主要分布有柳树沟组双峰式火山岩和二道沟组双峰式火山岩,晚石炭世基性火山岩相比早石炭世基性火山岩来说,更加富集不相容元素,具有更高的碱含量,火山岩主要以碱性系列为主,并出现了钾玄岩系列.晚石炭世酸性火山岩比早石炭世酸性火山岩更亏损Nb、Ta、Sr和P,且具有更高的轻稀土含量(图 7).在图 11a中,与早石炭世火山岩不同的是,晚石炭世基性火山岩均落入了陆缘弧玄武岩区域(CAB).在图 11b中,酸性火山岩落入陆缘弧玄武岩与板内玄武岩的过渡区域,这与早石炭世酸性火山岩一致.区域资料显示,博格达-哈尔里克早石炭世形成的这套弧后陆内裂谷在晚石炭世晚期(307Ma)逐渐闭合,区域上发生隆起,进入挤压环境,二叠纪早期(约298Ma),挤压环境逐渐转换为伸展拉张环境,之后博格达-哈尔里克造山带进入后碰撞造山演化阶段(顾连兴等,2001).因此笔者认为晚石炭世这套双峰式火山岩为早石炭世双峰式火山岩的延续,均代表了区域上的一次伸展活动.

        那么,这次伸展活动到底是什么背景下产生的呢?前人认为石炭纪双峰式火山岩产于典型的陆内裂谷环境,解释其Nb、Ta等明显负异常为明显地壳混染所导致,结合本文数据和前人已发表的数据来看,87Sr/86Sr初始值和εNd(t)值分布范围很集中,只有早石炭世火山岩显示出微量的地壳混染信息,因此,用陆壳混染的典型大陆双峰式火山岩来解释本区域双峰式火山岩明显的Nb、Ta等负异常似乎不是很合理;除此之外,在该区域至今并未发现晚古生代大洋壳和蛇绿混杂岩等信息,石炭纪存在俯冲带形成岛弧火山岩的说法缺乏地质证据.因此,笔者认为这种弧火山岩的特征可能来自于该区域双峰式火山岩对源区特征的一种继承,其源区很可能为曾经受俯冲流体改造过的地幔物质.那么,这个过程又是什么时候发生的呢?通过对前人已发表数据和本文的同位素统计结果来看,该区域早石炭世火山岩与晚石炭世火山岩的εNd(t)二阶段模式年龄集中分布于0.4~0.7Ga之间(Chen et al., 2011高景刚等,2014),说明在这之前该地幔曾受到过改造,可能存在俯冲作用.这与南部的觉罗塔格造山带的εNd(t)二阶段模式年龄分布区间很一致,说明南部的觉罗塔格造山带与中部的博格达-哈尔里克造山带的地幔均受到了同样的改造.从早石炭世到晚石炭世,基性火山岩源区存在由比较亏损的地幔端元向明显具火山弧特征的源区演化的趋势,这种演化趋势可能反映了石炭纪时期,由于大量的俯冲物质持续加入到该区域软流圈中,导致软流圈上涌,而早期上涌的软流圈受到较少的洋壳物质的影响,因此早石炭世基性火山岩显示出N-MORB源区属性,晚期上涌的软流圈较明显地受到了俯冲进软流圈的洋壳板片物质的影响(可能来源比较深),晚石炭世基性火山岩均显示出弧火山岩源区的特点.结合石炭纪双峰式火山岩的地球化学特征和区域构造演化来看,本文更倾向于石炭纪火山岩产出的构造环境为弧后(觉罗塔格弧后盆地)的“弧上(400~700Ma弧)”伸展.

      • 新疆东天山博格达-哈尔里克造山带晚石炭世双峰式火山岩很好地记录了中亚造山带西南缘晚古生代时期洋陆转换阶段复杂的岩浆作用过程,对该过程的详细剖析能更好地理解中亚造山带的地质历史.本文通过对晚石炭统二道沟组火山岩详细的岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Sr-Nd同位素组成的研究,结合区域上已有的研究成果,获得了如下认识:

        (1) 东天山博格达-哈尔里克造山带晚石炭统二道沟组火山岩形成于晚石炭世晚期(308~312Ma),为晚石炭世早期陆相喷发的产物.火山岩具明显的双峰式组合的特征,基性火山岩端元由高钾-钾玄岩系列的玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗安岩及同成分的火山碎屑岩组成;酸性火山岩端元由粗面岩、流纹岩组成.

        (2) 岩石地球化学和同位素特征显示,该套双峰式火山岩具有相似的地球化学特征,是相同源区岩浆演化的产物,为深部受到俯冲流体交代的软流圈上涌(尖晶石-石榴石橄榄岩5%~25%部分熔融)形成具有明显Nb、Ta亏损的基性火山岩,岩浆经过结晶分异作用形成酸性火山岩,进而形成晚石炭世双峰式火山岩组合.

        (3) 该套双峰式火山岩是早石炭世双峰式火山岩的延续,代表了该区域的弧后盆地基础上的持续裂开.

    参考文献 (73)

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