新疆阿合奇地区志留系砂岩地球化学特征及大地构造背景*
陈小双1, 吕奥1, 宋贺民2, 刘磊1, 杨宝忠1,2, 侯红星3
1 中国地质大学(武汉)地球科学学院,湖北武汉 430074
2 中国人民武装警察部队黄金第七支队,山东烟台 264004
3 中国人民武装警察部队黄金第二总队, 河北廊坊 065000

第一作者简介 陈小双,男,1992年生,硕士研究生,构造地质学专业。E-mail: 823376471@qq.com

通讯作者简介 杨宝忠,男,1969年生,中国地质大学(武汉)地球科学学院副教授,主要从事沉积地质学的教学及研究。E-mail: Bzyang@cug.edu.cn

摘要

塔里木板块西北缘沉积地层的研究,对于恢复南天山洋的演化过程有重要意义。文中利用岩石地球化学的手段,对新疆阿合奇地区志留系砂岩进行物源和构造背景分析。研究表明,阿合奇地区志留系砂岩样品的 SiO2含量范围变化较大,为 61.97%~93.91%,平均含量为 76.76%;稀土元素球粒陨石标准化配分型式为右倾型,( La/Yb) N值较高,δ Eu值较低, Ce异常不明显。中—顶志留统塔塔埃尔塔格组砂岩的成熟度高于下志留统柯坪塔格组。地球化学物源分析图解和大地构造背景判别表明: 研究区沉积物源区逐渐由活动型向稳定型转换,下志留统部分沉积物来自于火成岩物源区,具有主动大陆边缘和大陆岛弧性质;中—顶志留统沉积物全部来自于成熟大陆的石英岩沉积物源区。结合广泛分布的奥陶系—志留系平行不整合,认为晚奥陶世研究区为活动大陆边缘,南天山洋盆向南俯冲到塔里木板块之下;早志留世,向南俯冲结束,研究区大地构造背景开始由活动大陆边缘向稳定的被动大陆边缘转换,来自活动型物源区的沉积物逐渐减少,稳定型物源区的碎屑物质逐渐增多;中—末志留世,研究区构造背景完全转变为被动大陆边缘,碎屑物质全部来自于稳定型物源区。上述成果表明,南天山洋的演化过程中确实存在双向俯冲。

关键词: 新疆; 阿合奇地区; 志留系; 南天山洋; 双向俯冲; 活动大陆边缘
中图分类号:P542,P597 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)02-0271-14
Geochemical characteristics and tectonic history of the Silurian sandstones in Akeqi area,Xinjiang
Chen Xiao-Shuang1, Lü Ao1, Song He-Min2, Liu Lei1, Yang Bao-Zhong1,2, Hou Hong-Xing3
1 School of Earth Sciences,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei
2 The 7th Gold Detachment of Chinese Armed Police Force,Yantai 264004,Shandong
3 The 2nd Gold Crop of Chinese Armed Police Force, Langfang 065000, Hebei;

About the first author Chen Xiao-Shuang,born in 1992,is a master degree candidate at the School of Earth Sciences,China University of Geosciences(Wuhan). He is mainly engaged in the research of tectonic geology. E-mail: 823376471@qq.com.

About the corresponding author Yang Bao-Zhong,born in 1969,is an associate professor at the School of Earth Sciences,China University of Geosciences(Wuhan). He is currently engaged in the research of sedimentary geology. E-mail: Bzyang@cug.edu.cn.

Abstract

The South Tianshan Orogenic Belt is located between the Tarim Plate and Yili-Central Tianshan Plate. The tectonic evolution of the South Tianshan Ocean in the Paleozoic has long been debated. Litho-geochemical features of the major and trace elements of the Silurian sandstones from Akeqi area, northwestern margin of the Tarim Plate of Xinjiang,show that Chondrite-normalized REE distribution patterns of the samples are all right skewed, with high(La/Yb)N value, low δEu value, and negative Ce anomaly. The maturity of the sandstones from the Middle to Top Silurian Tataertage Formation is higher than the samples from the Lower Silurian Kepingtage Formation. The provenance and tectonic setting of the sandstones were evaluated using ternary diagrams that highlight their geochemical characteristics. The results suggest that the provenance of the Akeqi area gradually transformed from active provenance to stable provenance. Some sediments from the Kepingtage Formation are sourced from active continental margin and continental island arc, indicating felsic igneous provenance; Sediments from the Tataertage Formation were sourced from quartzite sediment provenance of mature continent. Combined with widely distributed parallel unconformities between the Ordovician and the Lower Silurian, it can be inferred that the Akeqi area was located in an active continental margin, the South Tianshan Ocean subducted southward beneath the Tarim Plate shortly during the Late Ordovician, which provided the active provenance for the study area. From the Early Silurian, as southwards subduction ended, the tectonic setting of Akeqi area transformed from active continental margin to stable passive continental margin. Sediments from active and stable provenances gradually decreased and increased, respectively. During the deposition of Middle to Top Silurian succession, tectonic setting of the Akeqi area completely transformed to stable passive continental margin, so that sediments were exclusively sourced from stable provenances. In conclusion, this study proposes that bidirectional subduction was developed during the evolution of the South Tianshan Ocean within the Paleozoic.

Key words: Xinjiang; Akeqi area; Silurian; South Tianshan Ocean; bidirectional subduction; active continental margin

天山造山带位于中国新疆地区, 是中亚造山带的重要组成部分, 也是国内研究的热点地区。天山造山带北邻准噶尔板块, 南部为塔里木板块, 在地质上根据南北2条缝合带从北向南依次划分为北天山、中天山及南天山造山带。南天山造山带的构造演化过程是国内外争议的焦点, 其中最关键的地质问题是南天山洋的俯冲方式及最终闭合、碰撞造山的时间。对于这一问题, 国内外许多学者从岩相学、锆石年代学、地球化学等方面进行了深入研究, 并提出了不同的观点(高俊等, 1995a; 李曰俊等, 2009; Charvet et al., 2011; Han et al., 2011; 蔡东升和卢华复, 2012; Ma et al., 2013; Xiao et al., 2013)。对于南天山洋盆的俯冲方式, 多数学者认为南天山洋盆晚寒武世— 奥陶纪开始向北俯冲至中天山— 伊犁板块之下, 古生代塔里木板块北缘一直为被动大陆边缘(高俊等, 1995b; Han et al., 2011; 高晓芬等, 2014; Xia et al., 2014); 另有部分学者通过对南天山造山带南缘及塔里木板块北缘出露的岩浆岩研究发现, 南天山洋在构造演化过程中存在双向俯冲, 在向北俯冲的同时, 向南短暂地俯冲到塔里木板块之下, 塔里木板块北缘在早古生代存在活动大陆边缘(Ma et al., 2013; 郭瑞清等, 2013a, 2013b; 张英利等, 2014)。所以塔里木板块西北缘在早古生代是否存在活动大陆边缘的构造背景, 是解决问题的关键。但是由于造山带的隆升和剥蚀导致地质记录保存不完整, 使得来自造山带岩浆岩和变质岩岩石学以及构造地质学的研究受到了制约; 而与造山带耦合的塔里木盆地内部的沉积地层保存较完好, 较完整地保留了南天山洋盆演化的地质信息(王松, 2014), 因此对塔里木板块西北缘沉积地层的研究, 对于恢复南天山洋盆的演化过程有重要意义。文中利用岩石地球化学的手段, 对新疆阿合奇地区志留系砂岩进行物源和构造背景分析, 以便进一步对南天山洋盆的构造演化及俯冲方式进行讨论。

1 区域地质概况

研究区位于新疆阿克苏市以西约200, km的阿合奇地区, 处于托什干河以南(图 1)、塔里木盆地的西北缘, 北部毗邻南天山造山带, 位于南天山造山带和塔里木板块的交汇处, 地质演化受到了二者的共同影响(图 2)。以托什干河为界, 阿合奇地区北部地层属阔克沙勒岭地层小区, 南部地层属柯坪地层小区。研究区位于柯坪地层小区, 广泛发育古生代地层, 奥陶系— 二叠系均有发育, 保留了大量盆地及周边构造单元演化的地质信息, 是研究南天山洋构造演化的理想区域, 但是一直以来由于受到自然地理条件的限制, 研究程度较低。

图 1 新疆阿合奇地区志留系剖面位置Fig.1 Location of the Silurian section in Akeqi area, Xinjiang

图 2 新疆阿合奇地区大地构造位置及古生界地层划分(修改自李曰俊等, 2009)Fig.2 Tectonic location and stratigraphic column of Akeqi area, Xinjiang(modified from Li et al., 2009)

研究区内志留系分布广泛, 根据野外地质调查及前人资料可划分为下志留统柯坪塔格组(S1k)和中— 顶志留统塔塔埃尔塔格组(S2-4t), 2个组之间为整合接触。柯坪塔格组(S1k)在测区内发育不完整, 与柯坪县大湾剖面对比, 下部缺失部分地层, 与下伏奥陶系为平行不整合接触, 局部呈断层接触(图 3-a)。王庆同等(2014)在研究区柯坪塔格组底部发现了笔石化石, 确定柯坪塔格组形成时代为早志留世兰多维列期。本次工作在研究区西北部库尔喀克库勒测制了下志留统柯坪塔格组(S1k)剖面(图 4-a), 将该组划分为2个岩性段: 柯坪塔格组一段为灰黑色细粒岩屑砂岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩, 组成粉砂岩— 细砂岩— 粉砂岩— 细砂岩沉积旋回, 偶夹2或3层灰白色中厚层中粒岩屑砂岩或岩屑石英砂岩, 不整合覆盖于上奥陶统印干组(O3y)灰白色白云岩、白云质灰岩之上, 为陆棚沉积; 柯坪塔格组二段岩性为灰绿色中粒岩屑砂岩, 夹灰白色中粒岩屑砂岩或岩屑石英砂岩, 偶夹粉砂岩, 组成多个向上变薄的沉积旋回, 砂岩中见交错层理(图 3-b), 为近滨沉积。在研究区东南部阿尔帕确依契克测制了中— 顶志留统塔塔埃尔塔格组(S2-4t)剖面(图 4-b), 下部岩性为中粒岩屑石英砂岩或石英砂岩夹细砂岩、粉砂岩, 上部岩性为紫红色细砂岩、粉砂岩夹灰绿色、灰白色中粒岩屑石英砂岩, 整体为向上变细的沉积序列, 为临滨— 前滨沉积, 向上与中下泥盆统依木干他乌组(D1-2y)紫红色中— 细粒石英砂岩夹紫红色粉砂岩、泥岩整合接触(图 3-c)。志留系垂向演化序列上沉积相的变化, 说明整体上为一个海进— 海退序列, 以塔塔埃尔塔格组紫红色砂岩的出现作为转折, 砂岩整体颜色由灰绿色转变为紫红色, 说明气候由温暖湿润向干旱炎热转化(刘景彦, 2012)。

图 3 新疆阿合奇地区志留系沉积学和岩石学特征
a— 柯坪塔格组(S1k)与印干组(O3y)呈平行不整合接触; b— 柯坪塔格组(S1k)砂岩中的交错层理; c— 依木干他乌组(D1-2y)与塔塔埃尔塔格组(S2-4t)呈整合接触; d— 柯坪塔格组(S1k)岩屑砂岩, 正交光; e— 柯坪塔格组(S1k)岩屑砂岩, 正交光; f— 塔塔埃尔塔格组(S2-4t)石英砂岩, 正交光
Fig.3 Field and microscope photos showing sedimentary and petrological characteristics of the Silurian in Akeqi area, Xinjiang

图 4 新疆阿合奇地区志留系实测剖面
a— 库尔喀克库勒下志留统柯坪塔格组(S1k)实测剖面图(PM44); b— 阿尔帕确依契克中— 顶志留统塔塔埃尔塔格组(S2-4t)实测剖面图(PM51)
Fig.4 Measured stratigraphic sections of the Silurian in Akeqi area, Xinjiang

笔者对志留系砂岩进行了薄片鉴定: 砂岩由碎屑物质和填隙物组成, 碎屑主要由石英、岩屑和少量长石组成, 含有微量的云母、电气石、锆石等, 磨圆差, 次棱角状— 棱角状, 分选较好, 填隙物以泥质胶结物为主, 其次为硅质、钙质胶结物等, 含量为12%~25%。柯坪塔格组一段碎屑物质以单晶石英为主, 含量为60%~75%; 长石含量为1%~3%, 其中斜长石含量高于钾长石含量; 岩屑含量为20%~40%, 主要由泥岩、碳酸盐岩等沉积岩屑组成, 含有少量的变质岩屑及酸性喷出岩屑。柯坪塔格组二段相较于一段, 长石含量相同, 石英及岩屑含量略高, 填隙物减少。与柯坪塔格组相比, 塔塔埃尔塔格组砂岩石英含量较高, 达90%~96%, 且分布较为集中; 岩屑含量明显减少, 仅3%~5%, 变质岩屑及酸性喷出岩屑几乎消失, 说明中— 顶志留统砂岩成熟度高于下志留统。

2 地球化学特征
2.1 测试方法

为研究志留系砂岩物源特征, 对下志留统柯坪塔格组及中— 顶志留统塔塔埃尔塔格组实测剖面进行了逐层采样(采样位置见图 4), 样品岩性主要为灰黑色、灰绿色细砂岩、中砂岩, 共采集地球化学样品33件。岩石全岩测定由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。主量元素测试采用X射线荧光光谱法(XRF), 测试仪器为飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪, 依据GB/T14506.3-2010硅酸盐岩石化学分析方法测定, 相对偏差小于5%。微量元素依据DZ/T0223-2001电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法通则测定, 在Finnigan MAT的HR-ICP-MS(Element Ⅰ )上进行, 分析精度优于3%。

2.2 主量元素特征

砂岩主量元素数据如表 1。志留系砂岩的SiO2含量范围变化较大, 为61.97%~93.91%, 平均含量为76.76%; 柯坪塔格组砂岩SiO2平均含量为72.98%, 塔塔埃尔塔格组平均含量为84.32%, 说明中— 顶志留统砂岩中石英或者富含SiO2的矿物含量明显增大。志留系砂岩中Al2O3含量为3.08%~15.11%, 平均含量为10.32%, 质量分数高, 说明其与长石、云母、黏土矿物等富铝的矿物有关; 塔塔埃尔塔格组Al2O3平均含量为6.42%, 明显低于柯坪塔格组的平均含量12.12%, 说明富铝的矿物含量减少。志留系砂岩中Fe2O3平均含量为3.72%, MgO平均含量为1.36%, CaO平均含量为0.89%, Na2O平均含量为1.30%, K2O平均含量为2.34%, MnO平均含量为0.09%, TiO2平均含量为0.51%, FeO平均含量为2.49%, P2O5平均含量为0.13%, Fe2O3平均含量为6.48%; 塔塔埃尔塔格组砂岩Fe2O3、MgO、Na2O、K2O含量明显低于柯坪塔格组, 说明中— 顶志留统砂岩成熟度较高。Al2O3/SiO2值可以作为碎屑沉积物成熟度的指标(Roser and Korsch, 1988), 样品Al2O3/SiO2值在0.02~0.29之间, 整体上为负相关性, 柯坪塔格组样品Al2O3/SiO2均值为0.17, 位于长石砂岩(0.11)和杂砂岩(0.20~0.23)之间; 塔塔埃尔塔格组样品Al2O3/SiO2均值为0.08, 位于石英砂岩(0.01~0.04)和长石砂岩(0.11)之间, 说明砂岩成熟度增加(Condie et al., 1992)。样品中Na2O、K2O含量较低, K2O/Na2O值除1个样品为8.85外, 其余在0.44~4.29之间, 平均为2.07。柯坪塔格组CIA值为36.78~70.36、平均值为61.87, 塔塔埃尔塔格组CIA值为50.63~74.89、平均值为65.25, 志留系均值为63.00, 说明源区经受了低— 中等程度的化学风化。

表 1 新疆阿合奇地区志留系砂岩主量元素地球化学数据(%) Table1 Geochemical data of major elements of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang(%)
2.3 微量元素和稀土元素特征

砂岩微量元素数据如表 2所示。志留系微量元素分布特征与上地壳组成相似, 但是高场强元素Nb、Ta含量明显偏低, 大离子亲石元素Sr强烈亏损, Cr元素强烈富集。

表 2 新疆阿合奇地区志留系砂岩微量元素和稀土元素地球化学数据表(μ g/g) Table2 Geochemical data of trace elements and rare elements of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang(μ g/g)

柯坪塔格组砂岩∑ REE含量变化较大, 为137.87~320.18 μ g/g、平均为224.57 μ g/g, 塔塔埃尔塔格组砂岩稀土元素总量明显低于柯坪塔格组含量, ∑ REE为50.08~250.5 μ g/g、平均为152.65 μ g/g; ∑ REE与SiO2含量具有良好的负相关性。总体上轻、重稀土分异较明显, LREE/HREE为5.75~13.17, 平均为9.86; La/Yb值为8.68~25.58, 平均为16.07; (La/Yb)N值为6.23~18.35, 平均为11.53; 说明轻稀土相对富集, 重稀土相对亏损。δ Eu为0.51~0.92, 平均为0.68, 具有明显的Eu负异常; δ Ce为0.86~1.06, 平均为0.96, 具有微弱或无Ce负异常; δ Ce和δ Eu没有明显的相关性。在样品的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图 5-a)上, 配分型式基本一致, 为右倾式, 轻稀土富集, 重稀土亏损, 具有中度Eu负异常特征。样品稀土元素上地壳标准化模式图(图 5-b)较平坦, (La/Yb)UCC平均值为1.18, δ Eu平均为1.06, 说明样品稀土配分型式与上地壳相似。

图 5 新疆阿合奇地区志留系砂岩稀土元素标准化配分模式图
a— 稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(标准化数据引自Sun and Mclennan, 1989); b— 稀土元素上地壳标准化配分模式图(标准化数据引自Taylor and Mclennan, 1985)
Fig.5 Normalized REE distribution patterns of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang

3 讨论
3.1 物源分析

沉积物的地球化学组成取决于主要源区的成分或者不同物源区成分的混合比例, 排除气候、地形、成岩作用等因素之后, 砂岩组分主要受到物源区母岩性质和构造背景的影响。REE和Zr、Th、Sc、Y等一些微量元素在风化、搬运和成岩过程中相对不易迁移, 能提供物源区成分的信息, 并且包括物源区地质体成分随时间变化的信息(毛光周和刘池洋, 2011; 熊小辉和肖加飞, 2011; 周科, 2014)。虽然研究区经受了低— 中等程度的化学风化, 但是砂岩的REE配分特征基本一致, 说明仍能反映源区的基本特征, 所以可以利用碎屑岩的地球化学特征来判断沉积物母岩性质, 分析研究区志留纪大地构造背景等。

铕的异常系数(δ Eu)可以灵敏地反映体系内的地球化学状态, 并可作为鉴别物质来源的重要参数(张鑫等, 2007)。在样品的球粒陨石标准化配分模式图(图 5-a)上, Eu表现为负异常, δ Eu平均值为0.68, 说明物源区岩石以花岗岩为主(花岗岩的δ Eu< 0.9, 张鑫等, 2007)。柯坪塔格组δ Eu平均值为0.66, 塔塔埃尔塔格组δ Eu平均值为0.71、最高可达0.92, 鉴于δ Eu值相对升高, 说明来自以花岗岩为主的物源区的碎屑物质减少。

La/Sc值对于平均物源区成分的判别比较敏感, 可作为区分基性— 超基性与酸性物质成分的指标(Taylor and Mclennan, 1985; Gu et al., 2002)。在Co/Th-La/Sc图解中(图 6-a), 志留系由底部到顶部La/Sc值逐渐升高, Co/Th值逐渐降低, 化学成熟度增加。样品投点落在显生宙克拉通砂岩物源区, 并且塔塔埃尔塔格组样品物源区相对于柯坪塔格组更加趋向于稳定构造型碎屑物源区, 说明中— 末志留世研究区物源已经逐渐稳定。

图 6 新疆阿合奇地区志留系砂岩物源判别图解
a— 砂岩Co/Th-La/Sc图解(底图来自于Gu et al., 2002); b— 砂岩La/Yb-∑ REE判别图解(底图来自于Allè gre和Minster, 1978)
Fig.6 Provenance discrimination diagrams of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang

Allè gre和Minster(1978)提出的La/Yb-∑ REE源岩属性判别图解, 可用于判断岩石大类成因及物源区特征。在判别图解(图 6-b)中, 柯坪塔格组样品投点落入沉积岩区与花岗岩区, 反映早志留世物源区岩石主要为花岗岩及古老沉积岩; 塔塔埃尔塔格组样品投点主要落入沉积岩区, 少数落入花岗岩区, 说明自早志留世至末志留世, 来自于花岗岩物源区的碎屑物质逐渐减少, 来自于古老沉积岩物源区的碎屑物质逐渐增多。La/Yb-∑ REE判别图(图6-b)分析结果与Co/Th-La/Sc图解(图6-a)相似, 说明自早志留世以来研究区碎屑物质源区由活动构造型物源区逐渐向稳定构造型物源区转变, 至中— 末志留世研究区已经逐步转变为稳定构造型物源区。

砂— 泥岩物源区性质函数判别图解是Roser和Korsch(1988)建立的, 它是以砂— 泥岩中几种氧化物含量为变量, 并根据各自在反映物源特征中的地位, 建立了区分砂— 泥岩物源区的2个判别函数。将志留系样品的主量元素分析数据, 根据判别函数进行计算并投图(图 7), 发现除1个样品点落入镁铁质物源区外, 柯坪塔格组样品投点多数落入长英质物源区与石英岩沉积物源区的交汇处, 少数落入石英岩沉积物源区, 表明早志留世研究区碎屑物质可能同时来自于沉积物源区和火成岩物源区; 塔塔埃尔塔格组数据投点全部落入成熟大陆的石英岩沉积物源区, 来自于火成岩物源区的碎屑物质消失, 表明中— 末志留世研究区碎屑物质更可能来源于相对稳定的陆源区或继承性的、更老的沉积岩再旋回堆积的产物(Roser and Korsch, 1988), 研究结果与东部乌什南索格当他乌剖面志留系的沉积物源分析结果一致(周新源等, 2002)。从判别图上(图 7)可以看出, 早志留世研究区碎屑物质来自于沉积物源区和火成岩物源区, 后期火成岩物源区物质逐渐减少, 说明研究区逐渐由活动型物源区向稳定型转变, 至中— 末志留世, 火成岩物源区碎屑物质消失, 研究区沉积物全部来源于石英岩沉积物源区, 说明研究区碎屑物质来源已经转变为稳定型物源区。

图 7 新疆阿合奇地区志留系砂岩源区性质函数判别图解(底图来自于Roser 和Korsch, 1988)Fig.7 Provenance signatures discriminant function diagram of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang (Base map after Roser and Korsch, 1988)

3.2 构造背景分析

不同构造环境形成的沉积岩的碎屑物质组成和地球化学成分不同, 可据此判定沉积物源区的构造背景。Bhatia和Crook(1986)通过对砂岩和泥岩地球化学特征的研究, 认为一些不活泼微量元素如La、Th、Y、Zr、Ti、Co、Ni等及其比值如La/Y、Ti/Zr等比较稳定, 能够判别物源区构造环境, 并归纳出多种判别图解。通过微量元素判别图解, 将构造背景分为大洋岛弧、大陆岛弧、主动大陆边缘和被动大陆边缘4种类型。在杂砂岩的La-Th-Sc判别图解(图 8-a)中, 样品投点全部落入主动大陆边缘和被动大陆边缘中。由于主动大陆边缘和被动大陆边缘分布区出现了重叠, 利用Th-Sc-Zr/10图解(图 8-b)进一步区分, 样品落入大陆岛弧与被动大陆边缘区域。柯坪塔格组样品投点大部分落入大陆岛弧区, 少数样品点落入被动大陆边缘区域。塔塔埃尔塔格组样品投点主要落入被动大陆边缘, 3个样品点落入大陆岛弧区域。在Bhatia(1983)提出的La/Y-Sc/Cr判别图解中(图 9-a), 柯坪塔格组样品投点几乎全部落入被动大陆边缘区域之上, 塔塔埃尔塔格组样品点大部分落入被动大陆边缘区域之中, 其余样品点落入被动大陆边缘区域之上。结合La-Th-Sc及Th-Sc-Zr/10判别图解, 说明至少在中— 末志留世研究区已转化为被动大陆边缘。

图 8 新疆阿合奇地区志留系砂岩La-Th-Sc(a)和Th-Sc-Zr/10(b)构造背景判别图解(底图来自于Bhatia和Crook, 1986)
OIA— 大洋岛弧; CIA— 大陆岛弧; ACM— 活动大陆边缘; PM— 被动大陆边缘
Fig.8 Tectonic setting discrimination diagrams of La-Th-Sc(a)and Th-Sc-Zr/10(b) of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang(Base map after Bhatia and Crook, 1986)

图 9 新疆阿合奇地区志留系砂岩La/Y-Sc/Cr(a)和K2O/Na2O-SiO2(b)构造背景判别图解(底图a来自于Bhatia, 1983; 底图b来自于Roser and Korsch, 1986)
OIA— 大洋岛弧; CIA— 大陆岛弧; ACM— 活动大陆边缘; PM— 被动大陆边缘
Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of La/Y-Sc/Cr(a)and K2O/Na2O-SiO2(b) of sandstones from the Silurian in Akeqi area, Xinjiang(Base map a after Bhatia, 1983 and Base map b after Roser and Korsch, 1986)

Roser和Korsch(1986)利用砂泥岩中K2O/Na2O值与SiO2含量的变化规律, 提出了K2O/Na2O-SiO2构造环境判别图解。柯坪塔格组样品多数落在活动大陆边缘与被动大陆边缘的交界处(图 9-b), 投点更接近活动大陆边缘区域, 塔塔埃尔塔格组样品点则全部落入被动大陆边缘区, 说明在早志留世, 研究区正处于主动大陆边缘向被动大陆边缘转换的构造背景, 因此同时具有主动大陆边缘和被动大陆边缘的性质; 中— 晚志留世, 研究区大地构造背景已经完全转变为被动大陆边缘。

南天山洋盆是否存在向南俯冲, 解决这一问题的关键在于理清塔里木板块北缘的大陆边缘性质。近年来, 随着塔里木板块北缘研究成果的逐渐增多, 对于该问题的认识也逐渐清晰。塔里木北缘发育有一系列近东西向断续出露的中酸性侵入岩, 西起老虎台, 向东延伸至库尔勒一带(姜常义等, 2001; 郭瑞清等, 2013a; 张斌等, 2014)。这些岩石均形成于早古生代, 岩体年龄集中在426.3— 404.8, Ma, 均具有大陆弧花岗岩的性质, 说明至少在志留纪塔里木北缘已转化为主动大陆边缘, 南天山洋盆向南俯冲到塔里木板块之下(王超等, 2009; 张斌等, 2014)。郭瑞清等(2013b)报道了库鲁克塔格西段地区板块汇聚边缘火山弧性质的奥陶纪花岗岩, 认为南天山洋盆向南俯冲至少在晚奥陶世已经开始。在前人(邬光辉等, 2009, 2010; 常健等, 2012; 刘景彦等, 2012; 牛露等, 2013; 郭春涛等, 2015)对塔里木北缘碎屑锆石的研究过程中, 在志留系、泥盆系、石炭系中均检测到了年龄峰为~450, Ma的年龄数据, 且塔里木北缘东侧奥陶纪锆石含量远多于西侧; 邬光辉等(2009, 2010)认为东侧锆石来自于阿尔金造山带, 但刘景彦等(2012)在对塔北隆起中部碎屑锆石(461— 414, Ma)研究后认为, 晚奥陶世— 早志留世, 阿尔金造山带与塔北隆起之间距离较远, 隔着满加尔凹陷, 物源体系来自于阿尔金的可能性不大, 南天山洋的存在也使物源不可能来自于中天山地区, 而应该与南天山洋盆的早古生代俯冲事件有关。李路路等(2017)在柯坪地区发现少量锆石年龄为435— 437, Ma, 认为其与塔里木北缘出露的侵入岩相对应, 与南天山的俯冲作用有关。张斌等(2014)认为南天山洋盆向南的俯冲作用并不强烈, 可能为短期地局部俯冲, 持续时间并不长。塔里木东北缘南天山洋向南的俯冲持续到中泥盆世结束, 而研究区持续到早志留世已经结束, 这也可以用来解释研究区岩浆岩锆石数量相对于塔里木东侧保存较少的原因。

研究区下志留统柯坪塔格组与下伏上奥陶统之间为平行不整合接触, 发育有风化壳, 前人在相邻区域内也有大量的报道(林畅松等, 2011; 张宇航等, 2012; 何碧竹等, 2013; 刘晓煌等, 2013)。不整合面的存在, 说明晚奥陶世— 早志留世研究区存在一次洋陆的转换事件, 结合前人资料及文中分析结果, 表明晚奥陶世, 塔里木板块北缘为活动大陆边缘, 受加里东运动的影响, 南天山洋盆向南俯冲到塔里木板块之下, 形成岛弧性质的花岗岩等; 由于南天山洋盆的持续俯冲, 塔里木板块遭到强烈挤压和隆升, 研究区上升为陆, 上奥陶统遭受强烈剥蚀, 成为研究区志留系部分活动大陆边缘和大陆岛弧性质碎屑物质的来源, 这也与志留系— 上奥陶统平行不整合相吻合。早志留世, 研究区重新开始接受沉积, 构造背景由活动大陆边缘开始向被动大陆边缘转化, 说明南天山洋盆向南俯冲已经基本结束。南天山洋盆向南俯冲过程中形成的大量碎屑物质再次进入研究区接受沉积, 因此下志留统柯坪塔格组部分碎屑物质源区具活动大陆边缘或岛弧性质, 随着活动大陆边缘向被动大陆边缘构造属性的转换, 研究区构造活动逐渐减弱, 由地层底部到顶部活动大陆边缘或岛弧性质的碎屑物质含量逐渐减少。至中— 末志留世, 研究区完全转变为被动大陆边缘的构造背景, 碎屑物质全部来自于稳定物源区。

4 结论

1)志留系砂岩的地球化学特征显示, 新疆阿合奇地区早志留世部分碎屑物质来自于活动型物源区, 后期逐渐减少, 至中— 末志留世完全消失, 此时沉积物全部来自于成熟大陆的石英岩沉积物源区, 表明研究区物源由活动型物源逐渐转变为稳定型物源。

2)南天山洋盆构造演化过程中存在双向俯冲: 晚奥陶世, 南天山洋盆向南俯冲到塔里木板块之下, 使得阿合奇地区上升为陆, 形成奥陶系— 志留系不整合。早志留世以后, 南天山洋盆向南俯冲结束, 阿合奇地区构造活动逐渐减弱, 构造背景由活动大陆边缘向被动大陆边缘转化, 因此部分碎屑物质具有活动大陆边缘及岛弧特征; 中— 末志留世, 阿合奇地区已完全转化为被动大陆边缘, 碎屑物质来自于成熟大陆的石英岩物源区。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 吴晨亮)

作者声明没有竞争性利益冲突.

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