新疆西准噶尔石炭系碎屑锆石U-Pb年代学及其地质意义

张 雷 ,王国灿 ,高 睿,申添毅纵瑞文晏文博

(1.中国地质大学(武汉) 地球科学学院,湖北 武汉 430074;2.湖北省地质矿业开发有限责任公司,湖北武汉 430022;3.中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室,湖北 武汉 430074;4.成都理工大学 地球科学学院,四川 成都 610059)

0 引言

希贝库拉斯组(C1xb)、包古图组(C1b)、太勒古拉组(C1t)三个组自新疆维吾尔自治区地质局区域地质测量大队(1966)在 1∶20万克拉玛依幅区域地质调查报告中创建以来,其时代及层序就一直存在争议。目前对于三个组的层序划分主要有四种意见,并且每种意见中对这三个组的时代归属的认识也存在很大争议(新疆维吾尔自治区地质矿产局区域地质调查大队,1966,1983;王玉净,1984;丁培榛和姚守民,1985;周良仁等,1987;张琴华等,1989;新疆地质矿产局地质矿产研究所,1990;吴浩若和潘正莆,1991;沈远超和金成伟,1993;廖卓庭等,1993;新疆维吾尔自治区地质矿产局,1999;李永军等,2010;安芳和朱永峰,2009;佟丽莉等,2009;郭丽爽等,2010)(表1)。近年来,岩石学家通过同位素定年对这三个组的时代及层序进行了论述。蔡红等(2000)测得太勒古拉组中硅质岩的 Rb-Sr等时线年龄为 316±21 Ma,为晚石炭世早期;王瑞和朱永峰(2007)利用锆石SHRIMP测定宝贝金矿赋矿围岩(太勒古拉组酸性凝灰岩)的U-Pb谐和年龄为328.1±1.8 Ma,即早石炭世中晚期;安芳和朱永峰(2009)对包古图组中3个蚀变凝灰岩样品开展的锆石SHRIMP年代学研究表明,凝灰岩的年龄分别为328.4 Ma、342.6 Ma、336.5 Ma,并认为三个组的层序从下到上依次为:希贝库拉斯组、包古图组、太勒古拉组。佟丽莉等(2009)对包古图组安山岩中锆石进行LA-ICP-MS测年,获得锆石U-Pb年龄为345.6 Ma,为早石炭世,并认为包古图组的时代早于希贝库拉斯组;郭丽爽等(2010)对太勒古拉组玄武岩和包古图组及希贝库拉斯组凝灰岩中的锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb年代学研究,得到206Pb/238U加权平均年龄分别为 357.5±5.4 Ma、332.1±3.0 Ma和336.3±2.5 Ma,由此认为这三个组的时代均为早石炭世的杜内期到维宪期,层序由下到上依次为太勒古拉组、包古图组和希贝库拉斯组。

这三个组的地质时代及上下层序存在争议主要是因为石炭纪地层内缺少有力的古生物证据,而且研究区内地形起伏不大,覆盖严重,露头较差,再加上后期构造运动的影响,使岩石较破碎,成层性差,组与组之间常为断层接触,上下关系不易辨别。即使近年来,部分学者通过同位素年代学研究对该争议的解决提供了一定的证据,但对于这三个组的地质时代及层序仍未能达成共识。考虑到克拉玛依地区的石炭纪地层为他生碎屑沉积岩夹火山碎屑岩的特点,前人偏重于火山碎屑岩中岩浆锆石年代学研究,而忽略了火山碎屑岩同样具有沉积岩的特征。因此研究其碎屑锆石,对解决地层的形成时代、层序及其源区特征具有重要指示作用(Andersen,2005)。笔者依托地调项目,对克拉玛依地区进行了详细的野外地质调查工作,积累了丰富的素材,并采集希贝库拉斯组和太勒古拉组中具代表性的碎屑岩,挑选其中的碎屑锆石进行LA-ICP-MS U-Pb年代学分析,从另一个不同的角度讨论该地区石炭纪地层的时代及相对层序。

1 区域地质概况

研究区位于西准噶尔克拉玛依地区(图1),为中亚古生代俯冲–增生造山带的重要组成部分(肖文交等,2006;李锦轶等,2006;杨高学等,2012;赵磊等,2013;Zhu et al.,2013),是中亚成矿域内重要的成矿远景区(陈宣华等,2011;魏永明等,2015),发育有达尔布特、玛里雅和克拉玛依蛇绿混杂岩。研究区内地层主要为石炭纪火山碎屑岩,大面积晚石炭世–早二叠世后碰撞花岗质岩体(韩宝福等,1998,2006)侵入石炭系。石炭纪火山碎屑岩被划分为希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组,在达尔布特断裂以南呈对称分布,构造活动相对较弱;在达尔布特断裂以北则分布杂乱(图1)。

希贝库拉斯组由一套巨厚的浊积岩组成,主体岩性为凝灰质中粗粒砂岩、凝灰质含砾中粗粒砂岩夹沉凝灰岩、圆砾岩(图2a)等,发育分米–米级的鲍马序列(图2b),内含丰富的植物碎片化石及少量海百合茎等异地埋藏的化石。希贝库拉斯组内较常见的岩屑流反映了深水沉积特点,推测为海底滑动和滑塌形成,属半深海–深海环境,为一套海底浊积扇上扇的火山碎屑质浊积岩系。

包古图组主体为一套层理明显(以中–薄层为主)、纹层发育的粉–细粒火山碎屑沉积(图2c),岩性特征主要为深灰、灰绿色中–薄层粉–细粒晶屑沉凝灰岩,灰、青灰色凝灰质粉砂岩夹少量凝灰质砂岩,局部含少量的细砾及灰岩岩块(图2d)。包古图组主体特征是韵律层极为发育,单元鲍马序列厚度为毫米–厘米级,夹少量分米级,并含有深水相遗迹化石Neonerites、Cosmorhaphe、Zoophycos等。

表1 新疆西准噶尔克拉玛依地层小区石炭纪地层划分沿革表Table 1 Diverse divisions of the Carboniferous sequences in the Karamay area,West Junggar,Xinjiang

图1 中亚造山带构造分区简图(a,据Yang et al.,2013改绘)和研究区地质简图及采样点、剖面线位置(b)Fig.1 Simplified tectonic divisions of the Central Asian Orogenic Belt (a,modified after Yang et al.,2013),and geological map of the study area and locations of the samples and profiles KP1 and KP4 (b)

太勒古拉组为一套半深海–深海相灰–深灰、灰绿色凝灰质粉砂岩、粉–细粒晶屑沉凝灰岩、岩屑晶屑沉凝灰岩、晶屑玻屑沉凝灰岩夹凝灰质中细粒长石岩屑砂岩、凝灰质含砾中粗粒砂岩组合,局部呈不均匀互层状产出,夹有少量的凝灰质砾岩、硅质岩(图2e)、灰岩及玄武岩(图2f)等,底部多为一层厚度数米至数百米的凝灰质含砾中粗粒砂岩(图2g),下部层理不发育,多呈厚层–块状产出,中上部层理明显,水平纹层及小型交错层理、变形层理发育,层厚以中–薄层为主,夹有少量厚层–巨厚层。

达尔布特断裂南侧构造活动较弱,希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组在空间上为对称分布,都为包古图组与希贝库拉斯组、太勒古拉组整合或断层接触,未见到希贝库拉斯组与太勒古拉组直接接触。因此,从野外地层的接触关系判断包古图组应处于希贝库拉斯组和太勒古拉组之间。若能确定希贝库拉斯组和太勒古拉组的时代,即可约束三个组的地质时代,明确其地层层序。

2 石炭系碎屑岩组分分析

对石炭纪地层砂岩样品进行系统的碎屑组分鉴定统计(表 2)。砂岩样品以岩屑砂岩为主,多为中–细粒砂状结构,分选一般,磨圆度差异较大,石英和长石多为棱角状–次棱角状,岩屑颗粒为次圆–次棱角状。碎屑物含量普遍占到 95%以上,颗粒支撑,部分发育钙质胶结。岩屑主要为火山碎屑岩岩屑,以凝灰岩为主,其次为安山岩岩屑,还可见到花岗岩、变质泥岩、砂岩等岩屑,显示较低的结构和成分成熟度。碎屑组分QFL图解(图3)中落点集中,均落在未切割的岩浆岛弧区,结合低成熟度特征,表明克拉玛依后山地区石炭纪砂岩物源主要与未切割岩浆岛弧相关,且碎屑物质搬运距离不远。

图2 克拉玛依地区石炭纪地层岩石类型及沉积构造Fig.2 Photos of typical Carboniferous rock types and relevant sedimentary structures in the Karamay district

3 碎屑岩样品与分析方法

本次研究对希贝库拉斯组灰–深灰色厚层–巨厚层状中细粒岩屑长石砂岩(样号 N1008-3;采样点:84°31′34.01″N,45°30′46.90″E)和太勒古拉组灰色中细粒长石砂岩(样号 N1052-3;采样点:85°03′52.67″N,45°44′49.25″E)进行了系统的碎屑锆石 U-Pb 同位素年代学分析。

表2 克拉玛依后山碎屑岩碎屑组分统计表Table 2 Detrial compositions of the clastic rock in the Karamay district

图3 砂岩碎屑岩组分与构造位置关系QFL图解(底图据Dickinson,1983)Fig.3 QFL diagram for the relationship between detrial composition of sandstones and tectonic settings

用于测年的碎屑岩在廊坊诚信地质服务公司进行粉碎、淘洗,使用常规重液浮选和电磁分离方法挑选出锆石,在双目镜下进行挑纯。为防止对部分时代的锆石可能出现的漏测,在进行样品台制备时,对不同色泽、形态和不同粒径的锆石进行了随机选择,并通过增加被分析锆石的颗粒数量,以提高所分析锆石对沉积原岩锆石构成的真实代表性。样品锆石颗粒和标准锆石用环氧树脂进行固定,锆石表面经抛光后分别进行光学和阴极发光(CL)照相,据锆石形态和内部结构特征,选择原位分析点。

锆石U-Pb同位素定年采用激光剥蚀–等离子体质谱(LA-ICP-MS)联机技术在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。其中激光剥蚀系统为德国MicroLas公司的GeoLas 200M(准分子激光器,193 nm ArF Excimer),等离子体质谱为 Agilent公司 7500a ICP-MS。进行锆石U-Pb同位素分析时,激光束斑直径设定为32 μm,测量程序按30~50 s气体空白、60 s剥蚀及数据采集进行。分析过程中,每次进行 5个样品锆石U-Pb同位素测量,间隔一个标准锆石样品91500分析。采集数据用 91500标准锆石进行同位素质量分馏校正,采集的锆石U-Pb同位素组成原始数据用Glitter软件(Rev.4.0)进行处理,而U-Pb表面年龄计算采用Isoplot/Ex(Rev.2.49)版本的Excel模板计算(Ludwing,2001)。在本次分析过程中,91500锆石标准样品表现为谐和的 U-Pb同位素组成,其206Pb/238U表面年龄加权平均值为1064±3 Ma(95%置信度,n=18,MSWD=0.2)。锆石标样TEM视为未知样,其206Pb/238U表面年龄加权平均值为418±11 Ma(95%置信度,n=4,MSWD=4)。样品锆石U-Pb同位素分析结果见表3和表4。

表3 希贝库拉斯组中细粒岩屑长石砂岩中碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测试结果Table 3 LA-ICP-MS U-Pb isotopic results of detrital zircons from the middle-fine grained debris-feldspar sandstone of the Xibeikulasi Formation

续表3:

表4 太勒古拉组中细粒长石砂岩中碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测试结果Table 4 LA-ICP-MS U-Pb isotopic results of detrital zircons from the middle-fine grained feldspar sandstone of the Tailegula Formation

续表4:

4 碎屑锆石特征及年代学

对希贝库拉斯组中细粒岩屑长石砂岩 N1008-3样品进行了 105粒锆石分析。碎屑锆石粒度多为100~200 μm,晶体长宽比介于1∶1到2∶1之间。大多数锆石为棱角状,少许呈磨圆状,且不同程度的保留有岩浆结晶成因的振荡环带,少数锆石颗粒发育有完好的晶形和振荡环带,还可见到扇形分带(图4a)。碎屑锆石的Th/U比全都在0.7~1之间(表3),为典型的岩浆锆石。

锆石的年龄几乎都落在谐和线上,仅有几个颗粒在谐和线下方,可能是受到热液活动影响,发生少量的Pb丢失,总体谐和度高(图5a)。锆石年龄分布的范围介于310±4 Ma和477±4 Ma之间,年龄峰值集中在 309.3 Ma、329 Ma、360 Ma、378.4 Ma、390 Ma五组,还有少许奥陶纪和志留纪锆石颗粒(图6a),说明该碎屑岩物源时代极为复杂。

对太勒古拉组中细粒长石砂岩N1052-3样品进行了92粒锆石分析。碎屑锆石粒度多为70~150 μm,晶体长宽比介于1∶1到3∶1之间。大多数锆石为次棱角状,少数为浑圆状,多数发育岩浆结晶成因的振荡环带,极少数锆石具有完好的晶体形态、振荡环带和扇形分带(图4b)。碎屑锆石Th/U比绝大部分在0.4~0.8之间,仅有6个颗粒Th/U比在0.3左右,部分比值高者接近 2(表 4),结合其结构特征,可确定这些碎屑锆石为岩浆锆石。

锆石的年龄大部分落在谐和线上,部分锆石颗粒落在谐和线下方,少许在谐和线上方,总体具谐和–基本谐和的年龄(图5b)。锆石年龄分布的范围介于300±3 Ma和449±7 Ma之间,年龄峰值集中在304 Ma、317.4 Ma、324.5 Ma、330.7 Ma、339.8 Ma 五组,相对较为集中,仅含有少量泥盆纪、志留纪和奥陶纪的锆石颗粒(图6b)。

图4 样品N1008-3(a)和N1052-3(b)中代表性碎屑锆石阴极发光图像及分析点表面年龄Fig.4 Cathodoluminescence images with analytical spots and corresponding apparent ages of detrital zircons from sample N1008-3 (a) and sample N1052-3 (b)

图5 西准噶尔克拉玛依地区希贝库拉斯组(a)和太勒古拉组(b)碎屑锆石U-Pb同位素年龄谐和图Fig.5 U-Pb isotopic concordia plot of detrital zircons from the Xibeikulasi (a) and Tailegula (b) Formations in the Karamay district,West Junggar

图6 西准噶尔克拉玛依地区希贝库拉斯组(a)和太勒古拉组(b)碎屑锆石U-Pb谐和年龄频数直方图及组成时代饼状图(地层时代划分依据2014年国际地层年代表)Fig.6 Concordia age histograms and composition-age pie graph for the Xibeikulasi (a) and Tailegula (b) Formations in Karamay region,West Junggar

5 讨论

5.1 石炭纪沉积物源区及其演化

克拉玛依后山石炭系为一套浊积岩系夹火山碎屑岩和火山岩,通过碎屑组分分析,该套碎屑岩具有低成熟度、源区与未切割的岩浆岛弧区相关等特征,说明当时地层接受沉积的同时周围地区伴随着火山活动,喷出的火山物质经过短距离的搬运到该处沉积下来。因此,样品中岩浆成因锆石的年龄和当时的火山活动可能近同时,大致可代表地层沉积时代。

克拉玛依以北铁厂沟一带广泛发育泥盆纪火山碎屑岩–火山岩地层,可能是石炭系中泥盆纪碎屑锆石的源区;柳树沟西侧发育玛依勒蛇绿混杂岩,并有志留纪–奥陶纪的地层出露,推测其为石炭纪砂岩中较老锆石的物源区。碎屑锆石年龄中无前寒武纪锆石记录,表明没有古老地壳物质混入,反映西准噶尔地区可能不存在前寒武纪古老结晶基底,或者基底规模小、分布零散,未成为石炭系的物源。

对比希贝库拉斯组和太勒古拉组碎屑锆石年龄频率直方图及组成时代饼状图(图6),可以发现希贝库拉斯组主体的碎屑锆石来源明显比太勒古拉组年龄老。希贝库拉斯组主要物源为泥盆纪火山岩和岩浆岩,太勒古拉组主要物源为石炭纪火山岩。泥盆纪火山岩主要位于哈图断裂以北的铁厂沟一带,石炭纪火山岩主要分布在哈拉阿拉特山一带,可见从早石炭世到晚石炭世,主要物源区发生了从铁厂沟往哈拉阿拉特山的迁移。同时,早石炭世早期,哈图断裂北侧隆升为陆地,是哈图断裂南侧沉积区的主要物源区;早石炭世晚期–晚石炭世早期,哈拉阿拉特山一带的早石炭世火山岩区隆起,与铁厂沟泥盆纪地层共同供给碎屑物质。

5.2 下石炭统地层时代及层序

西准噶尔广泛发育晚古生代岛弧型和后碰撞型花岗岩,其中后碰撞深成岩浆活动的高峰期发生在310~295 Ma之间(韩宝福等,2006;尹继元等,2011)。研究区内花岗岩体也十分发育,包括庙儿沟岩体(308±6 Ma)、克拉玛依岩体(306±5 Ma)、阿克巴斯陶岩体(305±4 Ma)(Geng et al.,2009)、红山岩体(301±4 Ma)(苏玉平等,2006)、铁厂沟岩体(308.4±4 Ma)、包古图岩体(309.9±1.9 Ma)(唐功建等,2009)和哈图岩体(302.4±4 Ma)(韩宝福等,2006)等。在希贝库拉斯组和太勒古拉组年龄频数直方图中第一个年龄峰值分别为309.3 Ma和304 Ma,由少许几颗锆石构成,该年龄与地层的生物地层时代明显不符,但与该区岩浆活动的高峰期保持一致。同时,在碎屑锆石CL图像中,该年龄的多数锆石显示了核–边结构,存在后期改造的可能性。因此,推测地层中部分碎屑锆石受岩浆热扰动(Zhu,2011),其年代是岩浆活动时代的良好响应,该峰值不能作为地层时代的上限。第二个峰值为主峰值,来源于同沉积型火山锆石,大致可代表地层的沉积时代,因此得到希贝库拉斯组和太勒古拉组的时代上限分别为329 Ma和317.4 Ma。

蔡红等(2000)测得太勒古拉组中硅质岩的Rb-Sr等时线年龄为 316±21 Ma,为晚石炭世早期;王瑞和朱永峰(2007)利用锆石 SHRIMP测定宝贝金矿赋矿围岩(太勒古拉组酸性凝灰岩)的U-Pb谐和年龄为328.1±1.8 Ma,即早石炭世中晚期;郭丽爽等(2010)测得太勒古拉组玄武岩、包古图组和希贝库拉斯组凝灰质岩的年龄分别为357.5±5.4 Ma、332.1±3.0 Ma和336.3±2.5 Ma。据我们实地考察,其划归的太勒古拉组玄武岩实则属于克拉玛依蛇绿岩的玄武岩片,所测得的年龄不能作为太勒古拉组时代依据,而应代表克拉玛依蛇绿岩的古洋盆年龄。而其分别作为包古图组底部和希贝库拉斯组上部的332.1±3.0 Ma和336.3±2.5 Ma年龄值与本文得到希贝库拉斯组的329 Ma上限时代在误差范围内一致,同时也佐证了包古图组的层位在希贝库拉斯组之上。安芳和朱永峰(2009)通过 SHRIMP年代学研究,测得包古图组中3个蚀变凝灰岩年龄分别为328.4 Ma、342.6 Ma、336.5 Ma,并认为三个组的层序从下到上依次为:希贝库拉斯组、包古图组、太勒古拉组,与本文观点一致。结合前人资料和本文碎屑锆石年代学的研究,可以确定克拉玛依地区石炭系地层层序由下到上依次为:希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组。

6 结论

西准噶尔克拉玛依地区主要地层为下石炭统希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组火山碎屑沉积岩,并有大面积的后碰撞花岗岩侵入。通过对希贝库拉斯组和太勒古拉组碎屑锆石进行微区原位U-Pb同位素定年研究,得到以下认识,并对认识研究区岩浆活动和石炭纪沉积岩源区提供了新的地球化学数据:

(1) 希贝库拉斯组和太勒古拉组碎屑锆石频率分布直方图第一个峰值年龄分别为309.3 Ma和304 Ma,与西准噶尔地区后碰撞深成岩体的活动高峰期295~310 Ma恰好吻合。结合锆石CL图像的核–边结构特征,推测这部分锆石受岩浆活动热扰动,U-Pb体系发生改变,不能作为地层时代的上限。

(2) 希贝库拉斯组沉积时代的上限为 329 Ma,太勒古拉组沉积时代的上限为 317.4 Ma,结合希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组在空间上的展布,确定该套地层层序由下到上应为:希贝库拉斯组、包古图组和太勒古拉组。

(3) 希贝库拉斯组碎屑锆石主要组成时代为早石炭世(38%)、晚泥盆世(29%)和中泥盆世(23%);太勒古拉组碎屑锆石主要组成时代为早石炭世(61%)和晚石炭世(24%)。依据泥盆纪、石炭纪火山岩和岩浆岩的分布,可判断研究区早石炭世早期到晚期,物源区发生了从北西至北东的迁移。

(4) 碎屑锆石年龄中无前寒武纪锆石记录,表明其没有古老地壳物质混入,反映西准噶尔地区可能不存在前寒武纪古老结晶基底,或者基底规模小、分布零散,未成为石炭纪地层的物源。

致谢:北京大学朱永峰教授和长安大学李永军教授对本文进行了认真的审阅并提出了宝贵的建议,使本文得以完善,在此表示衷心的感谢！

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