伊犁地块北缘早志留世辉绿岩脉岩石成因与构造启示:年代学与地球化学制约*

2023-07-30陈有炘王盟马晓伟魏星裴先治朱生强曹明布龙巴特

岩石学报 2023年8期

陈有炘王盟马晓伟魏星裴先治朱生强曹明布龙巴特

1. 长安大学地球科学与资源学院,西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,西安 710054 2. 中国石油长庆油田第五采油厂,西安 710200 3. 中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心,乌鲁木齐 830057

造山带中大规模花岗质岩浆活动之后经常产出一期区域性脉岩,称之为岩基后岩墙群或造山后脉岩组合,其岩石类型从基性岩到酸性岩均有发育(罗照华等,2008)。基性岩脉通常被认为是形成于伸展构造体制下的幔源岩浆作用的产物,蕴含丰富的地球深部信息,是了解地球深部岩浆活动及其与地表火山作用之间联系的关键窗口(Hooperetal., 2010; Srivastava, 2011),同时也是造山带构造体制由挤压向伸展转换的标志和物质记录(罗照华等,2006),其空间分布特征对重建古构造应力场具有重要意义(Ancocheaetal., 2003)。伊犁地块北缘前寒武纪基底不同时代的地质体中均发育基性岩脉(墙),其研究程度较低,仅有少数学者对其进行过报道。Wangetal.(2014a)最早在赛里木湖东侧库松木切克河北侧青白口系中识别出形成于板内环境的新元古代早中期基性岩墙,确定其锆石U-Pb年龄为778～776Ma。近期,李阳杰(2021)和Sunetal.(2022)在博尔塔拉河南岸卡赞一带出露的新元古代岩体中识别出新元古代和石炭纪两期基性岩脉,其中新元古代基性岩脉包括辉长岩脉(锆石U-Pb年龄为779Ma,Sunetal., 2022)和辉绿岩脉(锆石U-Pb年龄为775Ma,李阳杰,2021),石炭纪基性岩脉为辉长岩脉(锆石U-Pb年龄为302Ma,李阳杰,2021),两期岩脉均形成于板内伸展构造背景。由此可见,伊犁地块北缘基性岩脉形成于不同构造演化阶段,记录了多期伸展构造事件。

笔者在野外地质调查中在博尔塔拉河南岸乌斯图一带出露的温泉岩群和含白云母花岗岩(淡色花岗岩)中识别出多条基性岩脉,它们与卡赞岩体中出露的基性岩脉具有相似的分布特征,呈北东-南西或近东西向展布。已有研究显示博尔塔拉河南岸的淡色花岗岩至少是两期岩浆活动的产物,但其关系尚不明确。如Huangetal.(2013)获得含白云母花岗岩锆石U-Pb年龄为449Ma,认为是奥陶纪准噶尔洋向南俯冲于伊犁地块之下的弧岩浆岩记录;Sunetal.(2022)获得含白云母淡色花岗岩的锆石U-Pb年龄为983～905Ma,认为它们记录了伊犁地块北缘新元古代早期碰撞事件。本次研究获得的含白云母花岗岩锆石U-Pb年龄为901Ma,并在其中识别出早志留世辉绿岩脉。本文重点对早志留世辉绿岩脉开展了详细的岩石学、锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素、全岩地球化学及Sr-Nd同位素分析,这些研究结果不仅会丰富伊犁地块北缘早古生代的岩浆活动记录,也为深入研究伊犁地块北缘早古生代晚期构造演化过程提供约束。

1 地质概况及岩石学特征

伊犁地块是位于中亚造山带西南缘的微陆块之一,与北侧的北天山增生杂岩带、南侧的中天山地块和南天山增生杂岩带构成了中国西天山的四个构造单元(图1a,Xiaoetal., 2013; Gaoetal., 2015),记录了古亚洲洋分支洋盆(主要包括北天山洋/准噶尔洋、南天山洋等)的形成、俯冲与闭合过程(Allenetal., 1993; Zhangetal., 2007, 2021; Wangetal., 2006, 2008, 2012, 2014a, 2020; Xiaoetal., 2008, 2013; 胡霭琴等, 2008; Charvetetal., 2011; Gaoetal., 2011, 2015; Huangetal., 2020; 王博等,2022),是了解显生宙增生造山过程、古亚洲洋洋陆格局演化的重要窗口。

图1 中国西天山地质简图(a,据Xiao et al., 2013修改)、伊犁地块北缘赛里木湖地区地质图(b,据李宝强等,2014修编)及研究区地质图和采样位置(c, 据Chen et al., 2021修改)

伊犁地块呈西宽东窄的三角形夹持于北天山增生杂岩带和中天山地块之间,其南、北缘均出露前寒武纪基底变质岩系。其中,伊犁地块北缘出露的前南华纪结晶基底包括中元古界温泉岩群、长城系哈尔达坂群、蓟县系库松木切克组和青白口系库什台群,主要出露于赛里木湖周缘(图1b),西邻哈萨克斯坦境内也有同时代地层出露,因此也将其称之为阿克套-温泉微地块(地体)或赛里木微地块(地体)。其中温泉岩群的岩石组合包括:(1)中元古代变质火山岩和沉积岩,岩石类型主要有斜长角闪岩、云母片岩、石英片岩,片麻岩、大理岩等;(2)新元古代混合岩和正片麻岩;(3)奥陶纪变形辉长岩、闪长岩(李孔森等,2013)。长城系主要为浅变质碎屑岩和碳酸盐岩,蓟县系主要为一套强变形结晶灰岩和千枚岩,青白口系主要为白云质灰岩和大理岩(新疆地质矿产局,1993)。南华-震旦系凯拉克提群是一套稳定的被动大陆边缘沉积组合(细碎屑岩+冰碛岩),不整合于结晶基底之上(Dingetal., 2009;舒良树等,2013)。寒武系零星出露,与下伏冰碛岩呈平行不整合接触,奥陶系、志留系连续沉积。伊犁地块北缘的下泥盆统地层仅在博尔塔拉河北侧的阿拉套山一带有少量出露(Chenetal., 2021),中、上泥盆统出露较好,与下伏地层呈角度不整合接触,石炭系、二叠系连续沉积、广泛分布。伊犁地块北缘岩浆活动记录主要有新元古代、早古生代和晚古生代三期:新元古代岩浆活动主要集中在早期,包括温泉岩群中识别出的片麻状花岗岩(Wangetal., 2014b)、淡色花岗岩(李阳杰,2021; Sunetal., 2022)以及基性岩墙(Wangetal., 2014a;Sunetal., 2022),被认为是伊犁地块响应罗迪尼亚超大陆聚合与裂解的物质记录;早古生代岩浆活动集中出现在温泉地区,主要为形成于中、晚奥陶世的基性-中酸性侵入岩,具有弧岩浆岩的性质(胡霭琴等,2008; Wangetal., 2012; Huangetal., 2013;贾莹刚等,2019);晚古生代岩浆活动主要形成于泥盆纪-二叠纪,主要为俯冲、碰撞成因的火山-侵入岩(Anetal., 2013; Wangetal., 2020;Chenetal., 2021;Sunetal., 2021; 张宇昕等,2021)。

研究区辉绿岩呈岩墙或岩脉侵入于博尔塔拉河南岸的温泉岩群和新元古代花岗岩体中,尤其是在卡赞一带新元古代二长花岗岩中密集出现,发育新元古代(779～775Ma)和石炭纪(302Ma)两期基性岩脉(图1b,李阳杰,2021; Sunetal., 2022),其走向呈北东-南西向。此外,卡赞岩体西侧乌斯图附近的温泉岩群中识别出大面积新元古代淡色花岗岩,其中发育多条基性岩脉,呈北东-南西向展布(图1c),产状近直立或南倾,岩脉宽2～5m不等,最宽处可达20m,这些岩脉与淡色花岗岩的接触边部可见花岗岩捕掳体(图2a, b)。淡色花岗岩呈浅白色,具有中细粒花岗结构、碎裂结构、块状构造,主要由斜长石(30%～35%)、钾长石(25%～30%)、石英(20%～25%)和少量的白云母(3%～5%)、黑云母(3%～5%)组成(图2c,e),此外还有少量锆石、磷灰石和磁铁矿等伴生矿物。辉绿岩呈灰绿色,辉绿结构、块状构造,粒度0.8～1.5mm,主要由斜长石(55%～60%)、单斜辉石(30%～35%)和少量不透明矿物(主要为磁铁矿和钛铁矿,5%～10%)组成,其中斜长石呈自形-半自形长柱状,具有明显的聚片双晶,表面因绢云母化、高岭土化等次生蚀变而比较粗糙;单斜辉石呈半自形-他形粒状,填充于斜长石形成的三角状格架中,辉石发生了轻微的透闪石化蚀变(图2d,f)。

图2 乌斯图地区淡色花岗岩与辉绿岩宏观特征及显微特征

为了确定辉绿岩及其围岩时代,本次研究对采自乌斯图地区的1件辉绿岩(D4241-1,44°56′42″N、80°30′52″E)和1件淡色花岗岩(TS21-13,44°57′06″N、80°33′04″E)进行了锆石U-Pb年代学分析,同时对辉绿岩样品进行了锆石Lu-Hf同位素分析;此外,为了进一步确定辉绿岩的成因,对出露于博尔塔拉河南岸乌斯图一带的多条辉绿岩脉进行了系统采样,一共采集12件样品,对其进行了岩石地球化学分析,并选择5件辉绿岩样品进行了全岩Sr-Nd同位素分析。

2 分析方法

2.1 锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素

锆石U-Pb年代学测试工作先后在中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室(样品D4241-1)和武汉上谱分析科技有限责任公司(样品TS21-13)完成。其中,西安地质调查中心实验室采用193nm ArF准分子激光器的Geo Las Pro剥蚀系统,束斑直径32μm,同位素和微量元素分析用Agilent 7700x型四级杆等离子质谱仪(ICP-MS)完成,测试过程中29Si作为内标元素,年龄标样采用锆石91500,元素含量采用NIST SRM610作为外标;详细流程及数据处理见参考文献(Huetal., 2015)。锆石原位微区Lu-Hf同位素在该实验室利用Neptune型多接受等离子体质谱仪和Geo Las Pro型激光剥蚀系统连用的方法完成,载体为为氦气,所有测试位置与U-Pb测试点位置相同或靠近,GJ-1作为监控标准样。详细实验流程及数据处理方法见文献(Wuetal., 2006)。武汉上谱分析科技有限责任公司采用LA-ICP-MS方法完成锆石U-Pb同位素分析,其GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成,ICP-MS型号为Agilent 7700e。实验流程及数据处理方法详见文献(Zongetal., 2017)。

2.2 全岩主量和微量元素

全岩主量和微量元素测试工作先后在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室(D开头的样品)和武汉上谱分析科技有限责任公司(TS开头的样品)完成。前者利用X射线荧光光谱仪(XRF-1500)完成全岩主量元素分析,在ICP-MS(Element II)上完成微量元素测试;武汉上谱分析科技有限责任公司利用PrimusⅡ X射线荧光光谱仪(XRF)完成全岩主量元素分析,利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成微量元素分析。

2.3 全岩Sr-Nd同位素

全岩Sr-Nd同位素分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司单接收与多接收电感耦合等离子质谱实验室完成。用HNO3、HF和HCl等对辉绿岩粉末样进行消解形成透明溶液,用于过柱子实验并得到上机溶液,同位素测试在Thermo Fisher Neptune Plus MC-ICP-MS上完成。上机溶液经50μL PFA Cetac Aridus II膜去溶系统引入Neptune Plus MC-ICP-MS进行87Sr/86Sr、143Nd/144Nd比值测试,仪器质量分馏分别采用86Sr/88Sr=0.1194、146Nd/144Nd=0.7219以指数积分形式进行矫正,国际标准物质分别用NIST SRM 987、JNdi-1作为外标矫正仪器的漂移。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄及Lu-Hf同位素特征

乌斯图地区辉绿岩(样品D4241-1)锆石U-Pb年代学Lu-Hf同位素以及淡色花岗岩(样品TS21-13)锆石U-Pb年代学分析结果见表1、表2。

表2 乌斯图辉绿岩脉锆石Lu-Hf同位素组成(样品D4241-1)

3.1.1 淡色花岗岩(TS21-13)

选自淡色花岗岩的锆石呈无色或淡黄色透明状,具有较好的单锥或双锥状晶形,主要呈长柱状或短柱状,少数为粒状,粒径80～100μm,长宽比介于1:1～2:1,锆石阴极发光(CL)图像显示锆石内部有少量的裂隙和矿物包裹体,具有清晰且密集的生长环带(图3a)。样品24点分析结果显示,3个测点的数据(1、5、20)谐和性较差,可能受后期热扰动等因素导致铅丢失,不用于加权平均年龄计算和讨论,锆石Th、U含量变化较大,分别为192×10-6～1664×10-6、226×10-6～2863×10-6,Th/U值为0.15～1.11,结合锆石内部生长环带特征,表明锆石为岩浆成因。有2粒锆石的206Pb/238U年龄明显比较老,分别为1580±31Ma和921±8Ma,前者可能为捕获锆石,代表了源区信息,而后者可能为岩浆早期结晶的锆石,剩余19粒锆石206Pb/238U年龄介于888～906Ma,均在谐和线附近,加权平均年龄为901±3Ma(n=19,MSWD=0.42),表明淡色花岗岩结晶时代为新元古代早期。

图3 乌斯图地区淡色花岗岩及辉绿岩锆石阴极发光图像(a、b)及U-Pb年龄谐和图(c、d)

3.1.2 辉绿岩(D4241-1)

选自辉绿岩的锆石呈透明状,具有较好的双锥状晶形,呈长柱或短柱状,粒径100～150μm,长宽比为2:1。锆石阴极发光图像显示内部发育少量裂隙,并具有清晰的生长环带(图3b)。选择晶形较好、内部结构清晰的锆石完成20点分析,分析结果显示有4个测点的数据(1、8、12、15)谐和性较差,予以剔除,锆石Th、U含量变化较大,分别为171×10-6～693×10-6、215×10-6～679×10-6,Th/U值为0.72～1.30,结合内部清晰的生长环带,具有岩浆成因锆石的特征。锆石晶形较好,不发育溶蚀结构,年龄相对集中, 表明为岩浆结晶锆石,并非继承或捕获锆石。剩余16个测点的数据在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图中显示均位于谐和线上或附近,加权平均年龄为442±7Ma(n=16,MSWD=3.7),表明基性岩脉形成于早志留世。

对10粒锆石进行Lu-Hf同位素分析,测试点位与U-Pb年龄测试位置相对应,其中1和8点锆石U-Pb年龄谐和性较差,因此相应的Lu-Hf同位素数据一并剔除。8个测试点的176Lu/177Hf值介于0.000619～0.001332,均小于0.002,表明结晶的锆石可以有效保留岩浆的176Hf/177Hf初始比值(吴福元等,2007)。锆石176Hf/177Hf初始值为0.282574～0.282741,按照对应锆石206Pb/238U表面年龄计算,εHf(t)值为+3.0～+9.1,平均值为+5.7,一阶段模式年龄(tDM)介于715～943Ma。

3.2 全岩主量和微量元素特征

博尔塔拉河南岸乌斯图地区12件辉绿岩脉样品的岩石地球化学分析结果见表3。样品烧失量(LOI)介于1.71%～3.44%,指示样品有轻微蚀变,这与显微镜下看到的矿物蚀变特征一致。辉绿岩样品SiO2含量介于53.5%～56.4%,接近或属于中性岩范畴,考虑到岩石具有典型的辉绿结构,命名为辉绿岩,在Nb/Y-Zr/TiO2判别图解中样品投影点均落入玄武岩区域(图4a)。岩石具有较高的Fe2O3T(8.34%～9.81%)、全碱含量(K2O+Na2O=5.72%～6.86%,K2O/Na2O=0.38～0.49)和较低的MgO(3.69%～4.38%)、TiO2含量(1.69%～2.00%),属于高钾钙碱性系列岩石(图4b)。岩石Mg#介于49.6～52.5,Cr和Ni含量比较低(分别为30.7×10-6～57.4×10-6、13.5×10-6～25.2×10-6),低于原始幔源岩浆含量(Mg#=71～83,83,Cr>400×10-6,Ni>200×10-6)(Wilson, 1989),暗示岩浆经历了一定程度的结晶分异或与地壳物质发生了同化混染作用。

表3 乌斯图地区辉绿岩主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果

图4 乌斯图辉绿岩岩石分类图(a,底图据Winchester and Floyd, 1977)和岩石系列划分图(b,底图据Rollinson, 1993)

乌斯图辉绿岩具有较低的稀土元素含量(∑REE=109×10-6～139×10-6), 轻稀土含量 (∑LREE=87×10-6～112×10-6)明显高于重稀土含量(∑HREE=22.0×10-6～28.4×10-6)。在球粒陨石标准化配分曲线中呈轻稀土倾斜、重稀土近平坦的右倾模式(图5a);(La/Yb)N值介于3.24～3.71,(La/Sm)N值介于1.80～1.96,(Gd/Yb)N值介于1.39～1.58,表明轻稀土相对重稀土富集且分异比较明显;δEu介于0.76～0.91,无明显的铕异常。在原始地幔标准化蛛网图中(图5b),乌斯图辉绿岩样品富集Rb、Th、U、K等大离子亲石元素(LILEs),亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素(HFSEs)。微量元素相对于洋岛玄武岩(OIB)具有明显的Nb、Ta负异常和Pb正异常,与洋中脊玄武岩(MORB)也明显不同。

图5 乌斯图辉绿岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值、OIB、N-MORB和E-MORB值据Sun and McDonough, 1989)

3.3 全岩Sr-Nd同位素特征

5件辉绿岩样品全岩Sr-Nd同位素分析结果见表4。Nd同位素初始值(143Nd/144Nd)i和εNd(t)计算中年龄值采用辉绿岩样品(D4241-1)的加权平均年龄t=442Ma。分析结果显示,样品87Sr/86Sr、143Nd/144Nd值分别为0.711752～0.713818、0.512630～0.512692,具有较高的初始87Sr/86Sr同位素比值(0.707369～0.708637)和正的εNd(t)值(+1.9～+3.6)(图6),Nd一阶段模式年龄为1155～1476Ma,远大于辉绿岩脉成岩年龄(442Ma)。依据经验公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95的样品的εNd(t)进行换算(Vervoortetal., 1999),换算后的εHf(t)值介于+5.6～+7.8,在锆石εHf(t)值变化范围内(+3.0～+9.1),表明乌斯图辉绿岩Nd-Hf同位素具有耦合关系。

表4 乌斯图辉绿岩Sr-Nd同位素组成

图6 乌斯图辉绿岩Sr-Nd同位素

4 讨论

4.1 淡色花岗岩与辉绿岩脉形成时代

温泉岩群是伊犁地块北缘出露的前寒武纪基底变质岩重要组成部分,随着研究不断深入,从中识别出新元古代岩浆岩(胡霭琴等, 2010;Wangetal., 2014a, b; 曾祥武等,2020)、早古生代岩浆岩(胡霭琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 贾莹刚,2018; 贾莹刚等,2019)和晚古生代岩浆岩(Sunetal., 2021)。其中,Huangetal.(2013)在博尔塔拉河南岸大面积出露的淡色花岗岩中获得了含白云母花岗岩的锆石U-Pb年龄为448.9±6.0Ma,具有弧岩浆岩属性;Wangetal.(2014b)获得的该地区淡色花岗岩锆石U-Pb年龄为909.2±6.5Ma,与温泉岩群混合岩中浅色体的形成时代接近(926～919Ma),认为是伊犁地块北缘新元古代早期地壳重熔的产物;Sunetal.(2022)获得的淡色花岗岩锆石U-Pb年龄为983～905Ma,并识别出稍晚期辉长岩脉(锆石U-Pb年龄为779±5Ma),认为记录了伊犁地块北缘新元古代早期从碰撞到板内伸展的构造体制转换过程。本次研究获得淡色花岗岩锆石U-Pb年为901±3Ma,在未变形的二长花岗岩、含白云母花岗岩中也获得了相近的年龄信息(925～880Ma,作者未发表数据),与前人年龄数据比较一致,记录了伊犁地块北缘新元古代早期岩浆事件,并在锆石核部获得较老的年龄信息(1580±31Ma),可能记录了源区信息。综上所述,出露于博尔塔拉河南岸温泉岩群中的淡色花岗岩至少有新元古代、晚奥陶世两期,但新元古代淡色花岗岩与同时期变形侵入体(眼球状、条带状花岗质片麻岩)之间的构造属性差异及不同时代侵入体之间的空间关系有待进一步研究。

前人对出露于博尔塔拉河南岸温泉岩群及新元古代岩浆岩中的基性岩脉研究较少,Wangetal.(2014a)首次在伊犁地块北缘识别出新元古代早期中基性岩墙,获得锆石U-Pb年龄为778～776Ma,并认为是伊犁地块从塔里木克拉通裂解的物质记录。李阳杰(2021)在卡赞岩体(二长花岗岩)中识别出新元古代辉绿岩脉(775±6Ma)和晚石炭世辉长岩脉(302.4±1.7Ma),分别形成于大陆裂解环境和板内伸展环境;Sunetal.(2022)在该地区淡色花岗岩中识别出新元古代新元古代辉长岩脉(779±5Ma),形成于板内伸展环境。本次研究获得淡色花岗岩中辉绿岩脉的锆石U-Pb年龄为442±7Ma,表明其形成于早志留世。由此可见,博尔塔拉河南岸温泉岩群和新元古代岩浆岩中发育的基性岩脉可能有新元古代中期、早志留世和晚石炭世晚期三个世代,记录了伊犁地块北缘不同构造演化阶段的重要信息。

4.2 岩石成因与源区特征

幔源岩浆在向上运移的过程中,热的岩浆与冷的围岩之间不可避免的产生物质和能量交换导致不同程度混染地壳物质,由于地壳物质与幔源岩浆的地球化学组成明显不同,可以通过特征元素及其比值示踪混染程度(Plank and Langmuir,1998)。本文地球化学分析结果显示样品的烧失量较低(1.71%～3.44%),暗示岩石受热液蚀变影响较小,其微量元素特征代表了其源区属性。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5b),Nb、Ta元素的亏损和U、Pb元素的富集暗示存在地壳混染或俯冲流体对地幔源区的改造作用。所采集的不同岩脉辉绿岩样品的主量元素(如SiO2、TFe2O3、Na2O和K2O)和微量元素(如Th、Zr、Hf和La)含量变化范围比较小,暗示岩浆的运移的过程中地壳混染的影响非常小。乌斯图辉绿岩具有较低的Th含量(5.80×10-6～8.53×10-6)和Nb/Th值(0.13～1.16),Zr/Hf值(39.6～42.2)远高于大陆地壳值(33,Taylor and McLennan,1985),Nb/La与Nb/Th不具有明显的线性关系(图7a),表明大陆地壳混染作用不明显。此外,La/Sm与Ba/La之间的非线性关系也印证了这一结论,同时暗示其源区存在俯冲流体交代作用(图7b)。Nd同位素与主量元素、微量元素的协变关系可以很好的反映源区特征(Kumaretal., 2022),分析样品的εNd(t)与SiO2、Nb/U、Ce/Pb非线性关系表明本区大陆地壳混染作用不明显,并且俯冲流体对源区的改造可能是主要形成机制(图7c)。在Rb/Y-Nb/Y判别图解中,样品投点与流体交代趋势线基本一致,也可得出相同的结论(图7d)。因此,幔源岩浆在向上运移过程中与地壳物质混染这一模式不能很好地解释研究区辉绿岩脉的成因。

图7 乌斯图辉绿岩岩石成因判别图解(e,底图据Pearce et al., 2021; f,底图据Kumar et al., 2022)

来自幔源的基性岩浆可以造成原岩微量元素比值的明显变化,即微量元素丰度与源区属性密切相关。乌斯图辉绿岩样品富集轻稀土元素和大离子亲石元素,并且Nb、Ta元素明显亏损,这与洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)明显不同(图5a, b),暗示其不可能完全来自亏损的软流圈地幔。样品Nb/La值(0.42～0.45)低于软流圈地幔成因的基性岩(>1),结合岩石亏损的Nd-Hf同位素特征,指示源区有软流圈地幔物质加入(Smithetal., 1999)。Th/Nb-TiO2/Yb判别图解中,样品投影点均落入俯冲流体改造的岩石圈地幔系列(图7e),表明大陆岩石圈地幔为其主要源区;而La/Sm与Ba/La、Rb/Y与Nb/Y等微量元素比值的非线性关系则表明源区有俯冲流体参与(图7b, c)。伊犁地块北缘温泉地区大面积出露中晚奥陶世弧岩浆岩,表明伊犁地块北缘受准噶尔洋或北天山洋向南俯冲作用影响(胡霭琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 贾莹刚,2018; 贾莹刚等,2019),这可以为源区岩石圈地幔改造提供俯冲流体。因此,乌斯图辉绿岩可能来源于受俯冲流体改造的岩石圈地幔,软流圈地幔物质上涌导致岩石圈地幔部分熔融,并与软流圈地幔物质混合形成玄武质岩浆源区。

高场强元素和稀土元素比较稳定,在风化和蚀变过程中基本不受影响,其含量主要受控于地幔成分和部分熔融程度,因此可以用于探讨岩浆源区属性和部分熔融程度(Staudigel and Hart, 1983),比如La、Sm在尖晶石或石榴石地幔部分熔融的过程中主要在熔体中富集,Sm相对于Yb对残留体中是否存在石榴石更为敏感,因此La、Sm、Yb元素及其比值常用于判别岩源区和部分熔融程度(Kumaretal., 2022)。在(Sm/Yb)N-(La/Sm)N图解中,样品投影点分布在含4%石榴石的二辉橄榄岩和含2%尖晶石的二辉橄榄岩混合(混合比例为1:4)演化曲线上(图7f),指示乌斯图辉绿岩岩浆源区物质为尖晶石二辉橄榄岩和少量的石榴石二辉橄榄岩,并且部分熔融程度介于5%～7%之间。

相对于初始岩浆(Mg#值介于71～83,Cr含量大于1000×10-6,Ni含量大于400×10-6),乌斯图辉绿岩具有相对较低的Mg#值(49.6～52.5)、Cr(30.7×10-6～57.4×10-6)和Ni(13.5×10-6～25.2×10-6)含量,暗示乌斯图辉绿岩母岩浆在形成和演化过程中经历了镁铁质矿物分离结晶作用,在La-La/Sm图解中也显示出分离结晶的演化趋势(图8a)。在MgO-Dy/Yb图解中,样品投影点显示的演化趋势指示岩石在形成过程中经历了单斜辉石的分离结晶(图8b)。在球粒陨石标准化配分曲线中,Eu异常不明显,并且岩石δEu值介于0.76～0.91,暗示斜长石分离结晶较弱。

图8 乌斯图辉绿岩分离结晶作用趋势图解

4.3 形成环境

伊犁地块北缘温泉岩群中大面积出露奥陶纪岩浆岩,具有弧岩浆岩属性,年代学研究结果显示岩浆活动从中奥陶世持续至晚奥陶世,是准噶尔洋向伊犁地块北缘俯冲的物质记录(胡霭琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 贾莹刚等,2019),表明伊犁地块北缘至少从中奥陶世已经转换为活动大陆边缘。果子沟地区出露的奥陶纪沉积地层中的海相斑脱岩夹层记录了与俯冲事件同时期的火山活动(曹胜楠和王博,2021;Wangetal., 2022)。但是,伊犁地块北缘在志留纪时期的构造属性目前尚有争议,尤其是基于志留纪沉积地层构造属性的研究形成了不同的认识:刘晓宇(2009)对伊犁地块北缘博罗科努山南坡的志留系开展了详细的岩石学和沉积相研究,认为该地区志留纪沉积构造背景为被动大陆边缘,形成于陆缘浅海沉积盆地,南侧的“伊宁古陆”为主要物源;而西天山博罗科努地区志留系沉积地层岩石地球化学和碎屑锆石U-Pb年代学研究结果显示,志留系沉积地层形成于活动大陆边缘弧后盆地环境,其中库茹尔组砂岩碎屑锆石年龄研究表明物源主要来自北侧岛弧,其次为南侧伊犁地块(张力强等,2014;冯博等,2019)。伊犁地块北缘早志留世尼勒克河组中酸性火山岩具有弧火山岩的地球化学特征,其形成环境与活动大陆边缘的俯冲事件密切相关(王文文,2021)。

研究区辉绿岩样品具有明显的Nb、Ta负异常和不明显的Ti负异常,与岛弧玄武岩和大陆玄武岩特征相似,样品Zr、Hf含量(212×10-6～242×10-6、5.16×10-6～6.02×10-6)、Zr/Y值(5.21～6.82)与板内玄武岩相似(Zr、Hf含量分别介于149×10-6～213×10-6、3.44×10-6～6.39×10-6,Zr/Y值大于3;Pearce,1982),Nb、Ta含量(6.69×10-6～9.24×10-6、0.60×10-6～0.81×10-6)及Hf/Th值(0.69～0.91)也与板内玄武岩地球化学特征值相近(Nb=13×10-6～84×10-6、0.73×10-6～5.90×10-6)。在Ta/Hf-Th/Hf(图9a)、Zr-Zr/Y(图9b)构造环境判别图解中,样品投影点均分布在大陆拉张玄武岩和板内玄武岩范围,暗示乌斯图辉绿岩脉的形成可能与伸展作用有关。与岩石圈伸展作用有关的镁铁质岩墙可以在板内裂谷、地幔热柱、坳拉谷等多种大地构造背景下由地幔玄武质岩浆充填张裂隙形成,伊犁地块北缘尚未发现同时期地幔柱活动记录,志留系沉积构造环境为弧后盆地,因此乌斯图辉绿岩形成于俯冲带活动陆缘的伸展构造环境。

图9 乌斯图辉绿岩构造环境判别图解(底图据汪云亮等,2001;Pearce, 1982)

4.4 地质意义

哈萨克斯坦微陆块是众多地块在奥陶纪末期拼合而成的陆块(Alexeievetal., 2011, 2019; Pilitsynaetal., 2018, 2019),伊犁地块是哈萨克斯坦微陆块的重要组成部分。在早古生代早期,伊犁地块可能还不是一个统一的陆块,直到在奥陶纪时期,伊犁地块响应哈萨克斯坦微陆块拼合事件才形成统一陆块(黄惠明等,2021;王博等,2022)。伊犁地块北缘温泉地区大面积出露前寒武纪结晶基底变质岩系,向西延伸至哈萨克斯坦境内的阿克套地区,因此也将其称之为阿克套-温泉微地块(地体)或赛里木微地块(地体)。中-晚奥陶世,受准噶尔洋向南俯冲作用的影响,其北缘(现今地理位置)具有活动大陆边缘属性,并发育陆缘弧岩浆岩和火山岩(胡霭琴等,2008;Wangetal., 2012, 2022; Huangetal., 2013; 贾莹刚等,2019; 曹胜楠和王博,2021),同时阿克套-温泉微地块向南与伊犁地块拼合,其中温泉岩群中新识别出的石榴角闪岩(王仕林等,2018;Chenetal., 2021; 陈有炘等,2022)、温泉岩群中向南逆冲的韧性变形(Wangetal., 2011)以及赛里木湖南侧果子沟一带前晚奥陶世沉积地层中轴面北倾的褶皱构造都是该期拼合事件重要的变质-变形记录。研究区乌斯图辉绿岩脉形成于伸展构造环境,可能代表了陆块拼合后的伸展作用,表明构造体制从挤压向伸展转换。

伊犁地块北缘早、晚古生代岩浆岩的岩石组合和构造特征有显著差别,比如早古生代岩浆岩以中基性岩浆为主,陆壳物质参与程度高,而晚古生代岩浆岩以中酸性岩浆岩为主,地幔物质参与程度高,这可能反映了伊犁地块北缘或西天山造山带在早-晚泥盆世期间经历了与洋脊俯冲或俯冲板片回转有关的构造体制转换(王博等,2022)。研究区基性岩脉形成时代为早志留世,早于上述区域构造体制转换时限,可能记录了局部构造事件。博罗科努地区志留系形成环境为弧后盆地,主要物源为奥陶纪岛弧,构成了伊犁地块北缘的陆缘弧-弧后盆地系统,同时也表明早志留世存在弧后伸展作用(冯博等,2019)。乌斯图辉绿岩脉主要出露于新元古代花岗岩中,在奥陶纪岩体和温泉岩群中也有少量分布,表明其形成于弧背拉张环境。另外,尼勒克组中具有弧火山岩属性的中酸性火山岩(王文文,2021),别珍套山地区出露的早泥盆世中酸性弧火山岩(Chenetal., 2021),这些都记录了伊犁地块北缘活动大陆边缘属性,表明伊犁地块北缘持续受准噶尔洋向南持续俯冲作用影响。但在中-晚志留世,研究区岩浆活动较弱,而且晚古生代岩浆岩岩石组合与早古生代明显不同,暗示阿克陶-温泉微地块拼贴到伊犁地块后可能引起板片俯冲角度的变化,导致弧后地区及弧背伸展,亦或诱发俯冲体制由前进式转换为后撤式。