20世纪60年代后期,板块构造学说的问世,掀起了地球科学领域的一场革命。 对于岩石学的研究,也随着先进测试技术的应用和发展,以及科学思维的创新,亦不断发展。 从相对直观的描述性为主的经典岩相学发展为着重研究其内在构造成因意义的成因岩石学。 特别是利用各种岩石化学和地球化学分析数据来研究岩石原岩类型、成因环境等方面,已成为研究那些已变质岩石的必不可少的重要研究方法之一。 断面所涉及的基底岩石均是不同程度的变质岩,其原岩多数是火山岩及火山岩质的碎屑岩。 研究这些岩石的原岩类型和成因构造环境是了解不同构造单元的演化过程的基础。 利用X荧光光谱分析得到的岩石化学全分析数据,以及利用中子活化方法得到的岩石稀有元素和稀土元素含量数据,综合这些数据,利用国内外近年来流行的各种相对实用的图解研究方法,分布予以研究和解释。
表1-4是岩样的荧光光谱分析得到的主要元素含量结果表,表1-5是中子活化方法得到的岩样中的稀有元素和稀土元素的含量表。这些岩样多数采样于地表出露最广的古生界,以及加里东期和华力西期的侵入岩。
表1-4 天山-哈纳斯地学断面岩石全分析结果(wB/%)
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表1-5 稀土元素和微量元素含量表(wB/10-6)
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一、主要元素的地球化学特征及构造意义
为了便于构造环境的对比,以断面所涉及的两条板块构造缝合带为中心,划分为阿尔泰区和天山区。 阿尔泰区包含额尔齐斯-布尔根构造缝合带南北两侧的阿尔泰区和北准噶尔区的相关构造单元的岩样。 天山区包含纳伦-那拉提-红柳河构造缝合带南北两侧的相关构造单元的岩样结果。
火山岩类:图1-4是阿尔泰区火山岩类的主要元素的6种地球化学投影图。 其中Na2O+K2O-SiO2图和SiO2-Zr/TiO2图表明,这些火山岩类型发育教为完整,有玄武岩、亚碱性玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩等。 FeOt-Na2O+K2O-MgO图和Na2O+K2O -SiO2图表明这些火山岩的岩石化学类型基本上为亚碱性或钙碱性系列,构造环境应为大陆边缘或岛弧。 TiO2-MnO-P2O5投影三角图中表明,这些火山岩属于海洋岛弧(OIA)、钙碱性类型和岛弧类型。 FeOt-MgO-Al2O3投影三角图表明这些火山岩基本上属于造山带类型(2区)。 综合这些结果,不难得出不管是额尔齐斯构造缝合带北侧的阿尔泰微板块,还是南侧的北准噶尔构造带,这些主要发育于古生界火山岩的构造环境应是大陆边缘型或是岛弧型。 图1-5是天山区火山岩的主要元素地球化学投影图,与图1-4对比不难看出,同一类型投影图的岩石化学投影区类似。 说明这些火山岩的形成构造环境也应是大陆边缘或岛弧型,即:纳伦-那拉提-红柳河构造缝合带南北两侧的这些构造单元中发育的古生界火山岩亦应是与额尔齐斯-布尔根构造缝合带两侧的火山岩属同一类型的构造成因环境。
沉积岩类:图1-6是沿断面不同构造单元的碎屑岩类的主要元素的地球化学投影图。FeOt-Na2O+K2O-MgO图显示为钙碱系列;Na2O+K2O-Si2O图显示为亚碱性或安山岩-英安岩-流纹岩系列;TiO2-MnO-P2O5图显示为岛弧构造环境或钙碱性类型;FeOt-MgO-Al2O3图表明多数样品属于造山带构造环境(2区),属于扩张环境(图中绿色方形图标)的样品仅来自伊连哈比尔尕晚古生代裂陷槽。
玄武岩类:玄武岩类岩石沿断面大量出露,主要地层时代基本上是古生代。 由于玄武岩类是源自于上地幔,且与构造环境密切相关。 已发展了相当多的研究玄武岩的地球化学图解,本文中选择7种图解予以对比判断。 图1-7是阿尔泰地区和北准噶尔相关构造单元中出露的玄武岩主要元素图解。 Ti-Zr-Sr三角图和FeOt-Na2O+K2O-MgO三角图表示这些玄武岩基本上属于钙碱性玄武岩;两种Na2O +K2O-SiO2图表明是属于分异相对完整的亚碱性玄武岩系列;Hf-Th-Ta三角图显示为板块边缘环境的玄武岩为主,兼有一些板内环境的玄武岩和非正常洋中脊环境的玄武岩(稀有元素富集型),推测是一种板缘环境为主,非正常洋中脊环境则是代表裂陷槽构造环境;FeOt-MgO-Al2O3三角图表明主要的玄武岩属于造山带构造环境。 天山区的玄武岩地球化学投影图(图1-8)可以看出,同一种类的地球化学投影图中,投影点的分布略有差异,但主要特征却是近似的。说明二者之间有相似的岩石类型和形成的构造环境。
花岗岩类:板块构造学说的发展,花岗岩类已不是传统意义上的简单的岩浆侵入岩,而是区分作为不同构造环境和构造阶段的相应产物,作为构造-岩石系列中的一个重要的组成部分。地球化学特征图解则是重要的判别标志。 图1-9是阿尔泰地区和北准噶尔地区花岗岩主要元素的4种地球化学投影图。Na2O+K2O-SiO2图中可见这些花岗岩类基本上是钙质花岗岩类;Al2O3-SiO2图表明这些花岗岩类属于后造山构造环境;CaO-FeOt+MgO图表明不仅有后造山构造环境,同时也有岛弧环境和造陆构造环境;R1-R2图则显示为同碰撞构造环境和后造山构造环境,个别为分异型(1区)。 因此,综合可以认为这些花岗岩类主要代表了板块碰撞造山过程的产物,与古生代时西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块的碰撞成陆造山过程相一致。 图1-10是天山地区相关构造单元的花岗岩类中主要元素的地球化学投影图,与图1-9基本上可以类比。 所不同的是:Na2O+K2O-SiO2图中,虽然以钙质类型为主,但还有少量碱性、钙碱性类型的花岗岩类。 CaO-FeOt+MgO图中显示有与裂谷构造环境有关的花岗岩类出现。 这与晚古生代时伊犁裂谷构造环境相一致。R1-R2图则出现有后碰撞抬升构造环境类型的花岗岩,这与不同的Ⅲ级或Ⅳ级构造单元的演化差异有关。
图1-4 阿尔泰地区火山岩主要元素地球化学投影图
新疆阿尔泰—天山地学断面地质地球物理综合探测和研究
图1-5 天山地区火山岩主要元素地球化学投影图
图1-6 沉积碎屑岩类主要元素地球化学投影图
二、微量元素的地球化学特征及构造意义
微量元素的地球化学特征已被广泛用来岩石的成因,特别是已变质岩石的原岩成因和构造环境恢复,同一种类的岩石则由于所含的微量元素的差异反映了它们形成演化过程的不同阶段和相应的构造环境。表1-5是由中子活化方法得到的沿断面样品的微量元素含量表。 由于利用微量元素的地球化学特征判别方法较多,本项目研究是选择部分相对流行的判别图解,并以稀有元素和稀土元素分别作图来对比,恢复这些岩石的形成构造环境。
火山岩类:图1-11是阿尔泰地区和北准噶尔地区相关构造单元的火山岩类的稀土元素配分型式,从球粒陨石(Chondrite)标准化图中可见,呈轻稀土富集,且多数样品都有明显的铕亏损,说明原始的岩石均经历了较明显的分异过程。用平均的大陆地壳、洋壳、原始地幔和海洋岛弧玄武D岩的稀土元素标准化,对比可见这些火山岩类更接近于大陆地壳和海洋岛弧构造环境,推测应是一种大陆边缘构造环境。从稀有元素标准化配分型式图1-12看,球粒陨石标准化和原始地幔标准化结果显示这些火山岩都已有明显的分异过程。它们的稀有元素配分型式与大陆地壳和海洋岛弧玄武岩的稀有元素配分型式更为类似。 图1-13和图1-14分别是天山地区相关构造单元中火山岩类的稀土元素配分型式图和稀有元素配分型式图,与图1-11和图1-12相比,相同类型的标准化配分图的基本特征类似,完全可以对比。 表明这些火山岩类具有相似的形成构造环境。
图1-7 阿尔泰区玄武岩类主要元素地球化学投影图
图1-8 天山区的玄武岩类主要元素地球化学投影图
图1-9 阿尔泰区花岗岩类主要元素地球化学投影图
玄武岩类:从阿尔泰地区和北准噶尔地区相关构造单元的玄武岩类的稀土元素标准化配分型式图1-15可得出,用球粒陨石的稀土元素标准化分布有两个集中区,以玄武岩类样品为主的位于图的上部,显示为一种轻稀土元素富集型,部分样品具有铕亏损,而取自于洪古勒楞超基性岩(属塔尔巴哈台-阿尔曼太早古生代岛弧)的样品则位于图下部,近似于“球粒陨石”型,标准化结果值为1附近。 以原始地幔的稀土元素标准化得到了类似的结果。用洋壳、陆壳以及海洋岛弧的平均值标准化对比,这些玄武岩类更接近于大陆地壳和海洋岛弧玄武岩的构造成因环境。 天山地区的玄武岩类的稀土元素标准化结果(图1-16)表明,对比于球粒陨石和原始地幔来说,出现轻稀土元素富集,但并没有明显的铕元素亏损。 而用3种平均地壳环境的标准化结果对比看,这些玄武岩类相对接近于大陆地壳和海洋岛弧环境,推断应属于大陆边缘构造环境。从稀有元素的标准化配分型式看,阿尔泰地区的玄武岩类(图1-17)与天山地区的玄武岩类(图1-18)的稀有元素的标准化配分结果很类似。 由球粒陨石和原始地幔的稀土元素标准化配分型式显示有明显的分异过程。而不同构造环境的标准化配分结果对比,可得出它们接近于大陆地壳型和海洋岛弧玄武岩型。
图1-10 天山区花岗岩类主要元素的地球化学投影图
图1-11 阿尔泰区火山岩类的稀土元素标准化配分型式图
图1-12 阿尔泰区火山岩类稀在元素标准化配分型式图
图1-13 天山区火山岩类的稀土元素标准化配分型式图
花岗岩类:稀土元素的标准化结果表明,阿尔泰地区和北准噶尔地区(图1-19)以及天山区(图1-20)的花岗岩类除了个别样品外,二者之间具有相似的特征,具体是:由球粒陨石和原始地幔的稀土元素标准化配分型式类似,有着一种轻稀土富集趋势,并有一致的铕元素亏损,推测应源自于一种经分异较好的大陆地壳岩石重熔形成。 其他几种标准化配分型式图对比得出,这些花岗岩类更接近于大陆地壳型和海洋岛弧型。稀有元素的标准化配分型式特征(图1-21和图1-22)的类比,可以得出与稀有元素标准化结果相似的结论。
图1-14 天山区火山岩类稀有元素标准化配分型式图
图1-15 阿尔泰区玄武岩类的稀土元素标准化配分型式图
图1-16 天山区玄武岩类稀土元素标准化配分型式图
图1-17 阿尔泰区玄武岩类稀有元素的标准化配分图
图1-18 天山区玄武岩类稀有元素的标准化配分图
图1-19 阿尔泰区花岗岩类稀土元素标准化图
图1-20 天山区花岗岩类稀土元素标准化图
图1-21 阿尔泰区花岗岩类稀有元素标准化图
图1-22 天山区花岗岩类稀有元素标准化图
综合上述稀土元素和稀有元素的标准化配分型式的类比,可以得出,不管这些属于基底的岩石原岩是火山岩类、玄武岩类,还是花岗岩类,可作为相似构造环境下产物组合。 它们并非源自于地幔的原始岩石,而是源自于经过明显分异过程的岩石,都有一致明显的铕元素亏损。 可以推论这应是经历过相当程度演化并趋于成熟的大陆地壳型岩石。 且它们形成的构造环境应属于大陆边缘环境。 实际上,这些基底岩石基本上来自于两条板块构造缝合带两侧,亦正是代表这样的构造环境。
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