南天山中段上石炭統(tǒng)阿依里河組砂巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

南天山中段上石炭統(tǒng)阿依里河組砂巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

晚古生代是天然帶構(gòu)造帶變化的關(guān)鍵時(shí)期，重大地質(zhì)事件復(fù)雜，板塊沖突、造山系轉(zhuǎn)變、巖流和噴發(fā)、巖石變形和變質(zhì)、地形和地質(zhì)單位的變化等（windyeetal.，1990；wuleretal.，1991）。因此,恢復(fù)該時(shí)期的古地理和地質(zhì)發(fā)展演化歷史,具有重要意義。但是,由于天山構(gòu)造帶在中—新生代遭受了大規(guī)模的改造作用,強(qiáng)烈的逆沖和推覆、劇烈的隆升和剝蝕,使得造山帶本身的記錄已經(jīng)殘缺不全,導(dǎo)致對(duì)造山帶的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)多解性(Gaoetal.,1998;Xiaoetal.,2008;何國琦等,2001)。然而,造山帶周緣盆地沉積物比較準(zhǔn)確的記錄著物源區(qū)的成分特征,記錄著造山帶的構(gòu)造演化歷史。所以,對(duì)由碰撞帶產(chǎn)生的沉積物源區(qū)進(jìn)行研究,常常能夠成功的辨認(rèn)出不同時(shí)段被侵蝕的巖石類型,發(fā)現(xiàn)由于遭受剝蝕而在現(xiàn)今造山帶已經(jīng)完全消逝的構(gòu)造單元,能夠比較真實(shí)地恢復(fù)造山帶的古地理格局,再造造山帶隆升剝蝕歷史。塔里木盆地與南天山相鄰,盆地邊緣沉積物記錄著天山的隆升和剝蝕歷史,因此,塔里木盆地構(gòu)造古地理和物源研究近年來已經(jīng)成為熱點(diǎn)之一,如盆地演化對(duì)天山構(gòu)造帶演化的制約(Allenetal.,1991)、中-新生代沉積記錄及其對(duì)天山造山帶隆升剝蝕歷史的約束等(LiZhongetal.,2010)。但是,人們對(duì)南天山石炭系的專門研究卻很少,而晚古生代特別是石炭紀(jì)被認(rèn)為是南天山構(gòu)造演化的重要階段(Allenetal.,1991;高俊等,2006);此外,研究區(qū)位于塔里木北緣斷裂以北的南天山中段(圖1),沉積地層應(yīng)該是晚古生代南天山構(gòu)造演化的直接響應(yīng);三是在研究區(qū)發(fā)育一套層序完整、時(shí)代清楚、尚未變質(zhì)的上石炭統(tǒng)阿依里河組碎屑巖,為沉積—構(gòu)造響應(yīng)研究奠定了基礎(chǔ)。雖然,王家生等(1999)通過輪臺(tái)野云溝石炭系研究,發(fā)現(xiàn)了深海扇濁流沉積,并根據(jù)砂巖碎屑組分和地球化學(xué)成分判別,認(rèn)為構(gòu)造背景屬于再循環(huán)造山帶物源區(qū)或被動(dòng)大陸邊緣物源區(qū),但是,還有許多問題需要進(jìn)一步回答。構(gòu)成南天山石炭系的物源主要地質(zhì)體的物質(zhì)組成特征是什么?如何具體的限制物源類型并且與塔里木以及南天山不同構(gòu)造地層單元建立對(duì)應(yīng)關(guān)系?南天山古生代俯沖、碰撞隆升時(shí)代的確定是否可以通過沉積記錄進(jìn)行約束?沉積巖物源研究不僅能夠確定物源區(qū)的巖石類型、構(gòu)造背景、搬運(yùn)方式,而且能夠揭示盆山耦合關(guān)系、對(duì)重建物源區(qū)構(gòu)造演化歷史模型提供制約,因此,得到人們的廣泛關(guān)注(Dickinsonetal.,1979;Bhatia,1983;LiRenweietal.,2004;ZhangKaiJunetal.,2008)。隨著近年來物源研究的進(jìn)展,單一的方法由于相互之間缺少驗(yàn)證基本上已經(jīng)被舍棄,更多的是采用綜合的研究方法(Hallsworthetal.,2000)。礦物學(xué)、地球化學(xué)和同位素年代學(xué)相結(jié)合是限定沉積巖物源區(qū)的強(qiáng)有力的工具,礦物學(xué)和地球化學(xué)資料提供了源區(qū)巖石學(xué)的信息,同位素年代學(xué)資料確定了地質(zhì)體的年代和地殼形成過程中的主要事件,兩者結(jié)合有助于確定物源區(qū)地質(zhì)體的年代和性質(zhì)。本文通過對(duì)南天山中段上石炭統(tǒng)碎屑巖碎屑組分特征、地球化學(xué)特征和重礦物研究,結(jié)合碎屑鋯石年代學(xué)分析,恢復(fù)物源區(qū)的主要物質(zhì)組成和風(fēng)化作用,確定物源區(qū)的構(gòu)造背景以及地質(zhì)時(shí)代屬性,并試圖通過沉積記錄對(duì)南天山晚古生代的古海洋閉合以及碰撞時(shí)代進(jìn)行限定。1南天山早石炭統(tǒng)地層分區(qū)天山造山帶東西長約2500km,南北寬數(shù)百公里,是世界上規(guī)模巨大的造山帶之一(Allenetal.,1991)。它南接塔里木盆地,北鄰準(zhǔn)噶爾盆地,而且本身被南北兩條縫合帶分成三部分,分別稱為南天山、中天山和北天山。中國境內(nèi)的南天山是指塔里木盆地北緣山前斷裂(FNT)以北,中天山南緣縫合帶(SST)以南的山系,向西延入中亞(Allenetal.,1991;夏林圻等,2002;高俊等,2006)(圖1)。在南天山東南部的庫魯克塔格,主要出露前寒武紀(jì)基底,其余部分為古生代未變質(zhì)的沉積巖、蛇綠巖、侵入巖和火山巖,以及中—新生代沉積物。綜合研究區(qū)現(xiàn)有的研究成果(賈承造等,2004;朱志新等,20051),南天山出露的古生代及其更老的地層有太古界—古元古界興地塔格群、中新元古界阿克蘇群,上奧陶統(tǒng)伊南里克組、上志留統(tǒng)科克鐵克達(dá)坂組,下泥盆統(tǒng)阿爾騰柯斯組、中泥盆統(tǒng)薩阿爾明組,下石炭統(tǒng)干草湖組和野云溝組、上石炭統(tǒng)阿依里河組和二疊系康克林組。南天山普遍缺失早石炭世巖關(guān)早期沉積。干草湖組屬于早石炭世巖關(guān)晚期和大塘早期,為鈣質(zhì)礫巖、砂巖及粉砂巖夾灰?guī)r,分布局限。野云溝組屬于早石炭世大塘中—晚期沉積,廣泛分布于闊克沙勒嶺南坡、哈爾克山、虎拉山和克孜勒塔格等地,厚度200~812m,由碳酸鹽巖和碎屑巖組成,含豐富的底棲生物化石,如珊瑚、腕足類、蜓類等。野云溝組與下伏下、中泥盆統(tǒng)呈超覆不整合關(guān)系,與上覆上石炭統(tǒng)阿依里河組為整合連續(xù)沉積。阿依里河組在南天山北部地區(qū)分布廣泛,整合于野云溝組之上或者超覆在不同時(shí)代地層之上,東西方向相變明顯,西部以碳酸鹽巖為主,向東部碎屑巖比例增加。在西部哈爾克山一帶,下部以碎屑巖為主,上部是碳酸鹽巖,中部虎拉山和開都河中游主要為碎屑巖類,東部克孜勒塔格一帶缺失。厚199.4~753.4m。周洪瑞等(1998)將南天山的地層分區(qū)自北向南劃分為四個(gè)地層小區(qū),那拉提—巴侖臺(tái)地層小區(qū),哈爾克山北坡地層小區(qū),哈爾克山南坡地層小區(qū)和塔里木北緣地層小區(qū)。研究區(qū)位于南天山中段的哈爾克山地區(qū)和和靜-庫米什地區(qū),本次研究的三條剖面包括輪臺(tái)西北的策大雅、和靜大山口水電站以及巴音郭楞南側(cè)獨(dú)庫公路剖面,是后三個(gè)小區(qū)的代表(圖1)。該地區(qū)石炭系地層特征基本類似,在虎拉山和松樹達(dá)坂至柳樹溝一帶,石炭系出露完整。開都河大山口水電站剖面位于虎拉山北緣,露頭良好,層序完整,界限清楚,可以作為阿依里河組代表。上石炭統(tǒng)阿依里河組,主要為灰黑色板巖、頁巖、細(xì)粒石英長石砂巖、礫巖,夾微晶灰?guī)r,厚度為886.5m,未見頂,自上而下為:6黑色炭質(zhì)泥巖、頁巖夾砂巖和礫巖,頁/礫巖比為10∶1,厚362.1m;5青灰色,灰黃色薄層粉砂質(zhì)頁巖,夾中層狀細(xì)礫巖,厚321.2m;4青灰色次巖屑砂巖,底部為礫巖,礫石主要為石英巖,厚35.0m;3灰色、深灰色生物碎屑灰?guī)r、粉晶灰?guī)r和粉砂巖、細(xì)砂巖構(gòu)成旋回沉積,厚27.8m;2灰白色厚層到塊狀中粒巖屑石英砂巖,含礫粗砂巖,礫石成分主要為石英,顆粒大小為3~8cm,圓狀到次圓狀。厚58.2m;1灰黃色、灰色薄層-中層細(xì)粒-中粒巖屑砂巖、含礫砂巖和灰色微晶灰?guī)r構(gòu)成旋回沉積。厚82.2m;下伏地層:野云溝組深灰色、灰黑色中層到薄層礫狀灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和微晶灰?guī)r。2碎屑巖石的成分特征2.1砂巖的地球化學(xué)特征南天山中段上石炭統(tǒng)阿依里河組碎屑巖發(fā)育,約占剖面厚度的50%以上。砂巖顆粒大小一般為0.1~0.25mm,屬細(xì)粒結(jié)構(gòu),顆粒大者可達(dá)0.5~1mm,分選較差。磨圓度較低,多為次棱角狀~棱角狀,雜基含量偏高,一般在10%~20%。砂巖的眾數(shù)豐度通過薄片中顆粒的點(diǎn)統(tǒng)計(jì)來確定,每個(gè)薄片顆粒400~500個(gè),為了縮小顆粒大小變化的影響,巖屑采用Gazzi-Dickinson方法。22個(gè)砂巖樣品分析表明(表1),阿依里河組砂巖石英含量平均為67.41%(49.3%~85.8%),長石平均含量為7.52%(0%~27.9%),巖屑平均含量為25.07%(8.2%~43.5%)。巖屑中,變質(zhì)巖巖屑平均53.84%(6.4%~90.2%),火山(成)巖巖屑平均24.39%(3.8%~71.9%),沉積巖巖屑平均21.77%(6.5%~57.4%)。2.2巖石學(xué)和輕稀土特征大山口水電站、巴音郭楞和野云溝3條剖面13個(gè)砂巖樣品平均含量為SiO２66.01%,Al２O３8.37%、TiO２0.37%、TFe２O３4.35%、MgO1.24%、CaO7.95%、K２O1.63%、Na２O0.92%。與全球古生代造山帶砂巖(Ronovetal.,1991)相比,SiO２含量明顯偏高,Al２O３、CaO和Na２O含量明顯偏低。6個(gè)頁巖樣品平均含量為SiO２62.11%、Al２O３14.22%、TiO２0.65%、TFe２O３3.96%、MgO1.66%、CaO5.45%、K２O3.28%、Na２O0.94%,與PAAS(Tayloretal.,1985)相比,Al２O３和TFe２O３含量偏低,CaO含量偏高,其余氧化物含量基本相似(表2)。碎屑巖∑REE平均為130.1×10―６(49.1×10―６~220.4×10―６),Eu異常為0.74(0.61~1.10)。輕稀土略有富集,La/Yb為13.97(10.3~18.1),LaＮ/YbＮ為9.4。只有大山口水電站一個(gè)砂巖樣品(T678)的稀土值表現(xiàn)異常,∑REE高達(dá)348.6×10－６,輕稀土特別富集,La/Yb為85.2,LaＮ/YbＮ為57.4(表3)?？臻g上,從輪臺(tái)野云溝到大山口水電站再到巴音郭楞,∑REE逐漸降低,187.5×10―６→131.2×10―６→85.95×10―６;Eu異常在野云溝和大山口水電站剖面比較一致,δEu平均值總體較低為0.60~0.66,但是在巴音郭楞剖面明顯增高,δEu平均值為0.91;輕稀土富集程度也比較類似,在野云溝和大山口水電站剖面基本一致,La/Yb平均值為13~12.97,在巴音郭楞剖面稍高為16.6;LaＮ/YbＮ有類似的特征,分別為8.7、8.7和11.2;Ce異常剛好相反,在野云溝剖面δCe平均值為1.0,在大山口水電站和巴音郭楞剖面比較一致,δCe平均值稍低,均為0.87。阿依里河組碎屑巖樣品特征微量元素Tu、U、Hf、Sc、Zr、Y平均含量分別為7.78×10―６、2.44×10―６、3.23×10―６、6.82×10―６、121.8×10―６和17.5×10―６,Rb/Sr、Th/U、La/Y、La/Sc、Th/Sc比值分別為0.28、3.14、1.27、3.55和1.19(表4)。2.3鋯石及白鈦石8個(gè)重砂樣品中,赤褐鐵礦和黃鐵礦主要為沉積成因,不作為物源分析。碎屑重礦物主要為鋯石和白鈦石(表5)。鋯石,平均為20.6%,并且分布在所有剖面的樣品中。鋯石主要為粉黃色、深玫瑰色、淺玫瑰色,次滾圓—次棱角粒狀、柱狀,晶體表面較光滑,裂紋比較發(fā)育,個(gè)別晶體內(nèi)可見固相包裹體和氣液包裹體。鋯石磨圓度較低,分選一般,屬于近距離搬運(yùn);白鈦石,灰白、黃色,次滾圓粒狀,平均14.5%,主要分布在策大雅和大山口剖面,在巴音郭楞剖面很少。其次有電氣石、磷灰石、金紅石、石榴石、鉻鐵礦和銳鈦礦,平均含量1.0%~2.6%。此外,在和靜縣大山口剖面發(fā)現(xiàn)輝石和角閃石,在輪臺(tái)縣策大雅剖面發(fā)現(xiàn)綠泥石和褐簾石。2.4la-icp-ms分析由于碎屑鋯石年齡結(jié)構(gòu)不受沉積循環(huán)過程各種分異作用的影響,它為判斷物源區(qū)特征以及位置提供了有效的直接證據(jù)(Mortonetal.,1996)。本次鋯石年齡測定由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)完成,分析條件和實(shí)驗(yàn)程序見第五春榮等(2008)。樣品采自輪臺(tái)縣策大雅剖面阿依里河組,選取不諧和度小于20%的碎屑鋯石顆粒樣品79個(gè)(表6),其中55個(gè)顆粒同位素年齡為404~542Ma(相當(dāng)于早泥盆世中晚期Pragian-Emsian———寒武紀(jì)底界397.5~542Ma),占總數(shù)的69.6%;4個(gè)顆粒同位素年齡為616~843Ma(相當(dāng)于新元古代成冰期630~850Ma),占總數(shù)的5.1%;20個(gè)顆粒同位素年齡為1797~2436Ma,介于古元古代內(nèi)(1600~2500Ma),占總數(shù)的25.3%。3巖石學(xué)和物源區(qū)在判斷源區(qū)物質(zhì)組成過程中,礫石和巖屑是最直接的證據(jù)。根據(jù)剖面測量結(jié)果,在礫石中發(fā)現(xiàn)有泥巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖、石英巖和火山巖等礫石。砂巖碎屑組分統(tǒng)計(jì)作為源區(qū)巖石類型及其構(gòu)造背景的研究,已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。研究區(qū)阿依里河組砂巖中巖屑含量平均25.07%,主要為變質(zhì)巖巖屑,其次是火山巖和沉積巖巖屑,分別為53.8%、24.4%和21.8%。巖屑成分和礫巖的礫石成分基本一致。變質(zhì)巖巖屑有石英巖、云母片巖等,火成巖巖屑有英安巖和晶屑凝灰?guī)r等,沉積巖巖屑有硅質(zhì)巖、泥巖和灰?guī)r等。三條剖面中,巖屑含量基本一致,但是在策大雅剖面,火山巖巖屑含量占優(yōu)勢,為39.1%,在另外兩條剖面,變質(zhì)巖巖屑含量優(yōu)勢明顯,分別為65.7%和60.4%。因此根據(jù)礫石和巖屑組分分析,南天山上石炭統(tǒng)阿依里河組碎屑巖主要源巖應(yīng)該是沉積巖、低-中級(jí)變質(zhì)巖和中性火山巖等。根據(jù)Pettijohn等(1987)的砂巖分類,巖石類型主要為巖屑砂巖和亞巖屑砂巖,少許長石砂巖(圖2)。根據(jù)Herron(1988)碎屑巖判別圖,阿依里河組砂巖主要為巖屑砂巖,其次有含鐵砂巖、長石砂巖(圖3)。其中含鐵砂巖的判別與重礦物分析結(jié)果是吻合的,重礦物分析表明,不少砂巖樣品中含豐富的赤褐鐵礦和黃鐵礦。砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低,Q/(F+L)平均值為2.07。砂巖碎屑組分QFL圖解顯示,南天山上石炭統(tǒng)阿依里河組的碎屑樣品主要來源于再旋回造山帶源區(qū)(圖4),在QpLvLs圖解中,進(jìn)一步表明它們的物源區(qū)主要屬于消減雜巖源區(qū),少許屬于碰撞造山帶和弧造山帶源區(qū)。表明在石炭紀(jì)碎屑巖沉積之前,南天山地區(qū)存在俯沖匯聚事件,結(jié)合鋯石年代學(xué)數(shù)據(jù)50%以上集中在400~500Ma,事件的時(shí)代主要為早—中古生代。這顯然比前人關(guān)于物源區(qū)構(gòu)造背景屬于再循環(huán)造山帶的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。對(duì)天山南緣上石炭統(tǒng)阿依里河組碎屑巖研究表明,砂巖碎屑顆粒多呈次棱角狀,重礦物也以次棱角狀居多,磨圓度較低,分選性較差,成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較低,屬于近源沉積;石英等顆粒不見次生加大現(xiàn)象,表明深埋藏成巖作用并不顯著;化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA平均為65.20,碎屑巖經(jīng)歷了弱到中等程度的風(fēng)化作用。這表明,雖然風(fēng)化作用對(duì)阿依里河組砂巖中重礦物有所影響,但是沉積和成巖作用的影響相對(duì)較弱,重礦物及其組合可以用于物源區(qū)判別。根據(jù)重礦物聚類分析結(jié)果,策大雅剖面可以識(shí)別出兩類:銳鈦礦、金紅石、鋯石和磷灰石組合為一類,屬于穩(wěn)定-超穩(wěn)定組合,可能為沉積物源區(qū);電石氣、綠泥石和白鈦石為第二類,物源可能來自低級(jí)變質(zhì)巖。巴音布魯克剖面樣品較少,大致可以識(shí)別出兩類:黃鐵礦、鉻鐵礦、鋯石和磷灰石為第一類,反映源巖的性質(zhì)不夠清楚;白鈦石為第二類,反映源巖主要為低級(jí)變質(zhì)巖。大山口剖面重礦物組合可以分為三類:赤褐鐵礦、輝石、角閃石、鉻鐵礦組合第一類,為不穩(wěn)定組合,源巖可能為中-基性巖漿巖;鋯石、黃鐵礦、電氣石、金紅石、磁鐵礦、重晶石、榍石組合為第二類,其源巖可能為沉積巖;石榴子石、磷灰石、銳鈦礦組合為第三類,反映源巖主要為中-高級(jí)變質(zhì)巖源區(qū);白鈦石單獨(dú)作為一類,反映母巖可能來自低級(jí)變質(zhì)巖。由于分組后,每條剖面的樣品數(shù)有限,可能其組合特征反映源巖類型有其局限性。如果將三條剖面綜合分析,可大致分為四類:第一類為榍石、磁鐵礦、重晶石、石榴石組合,反映源巖主要為中-高級(jí)變質(zhì)巖;第二類為電氣石、金紅石、鋯石組合,屬于超穩(wěn)定組合,反映源巖主要為沉積巖。這種沉積巖的物源在礫巖的礫石和砂巖的巖屑中已經(jīng)得到了驗(yàn)證;第三類為角閃石、輝石、鉻鐵礦組合,代表不穩(wěn)定組合,反映源巖主要為基性-中性巖漿巖;第四類赤褐鐵礦、褐簾石組合,反映源巖不夠清楚;第五類為銳鈦礦、白鈦石、磷灰石、綠泥石組合,反映物源主要為低級(jí)變質(zhì)巖,這與礫巖中所見的石英巖礫石的結(jié)論是一致的。因此,重礦物分析不僅驗(yàn)證了礫石和巖屑分析所揭示的沉積巖的源巖,而且揭示了存在新的源巖,即基性巖和高級(jí)變質(zhì)巖。因此,根據(jù)礫石、巖屑和重礦物特征,上石炭統(tǒng)碎屑巖的物源主要是沉積巖、中-低級(jí)級(jí)變質(zhì)巖和中性火成巖,其次是基性火成巖和高級(jí)變質(zhì)巖。研究區(qū)稀土元素分析結(jié)果表明,可以明顯的分為相對(duì)貧稀土和相對(duì)富稀土兩組。第一組貧稀土類,包括5個(gè)樣品,主要集中在大山口水電站,其次在巴音郭楞。該組樣品La含量為11.5×10―６~24.3×10―６,Ce為22.0×10―６~44.0×10―６,∑REE為49.1×10―６~117.0×10―６,有較高的Eu異常0.71~1.10,相對(duì)低的輕稀土富集La/Yb為12.8,LaＮ/YbＮ為8.7;第二組富稀土類,包括6個(gè)樣品,主要集中在輪臺(tái)野云溝和巴音郭楞。La為30.6×10―６~44.6×10―６,Ce為57.7×10―６~98.9×10―６,∑REE為144.3×10―６~220.4×10―６,有低的Eu異常0.56~0.64,相對(duì)高的輕稀土富集La/Yb為15.1,LaＮ/YbＮ為10.2。將這些數(shù)據(jù)與不同構(gòu)造背景的稀土元素特征相對(duì)比(表6),第一組樣品比較類似于大陸島弧,部分?jǐn)?shù)據(jù)具有海洋島弧的特征;而第二組樣品與活動(dòng)大陸邊緣非常類似。將阿依里河組砂巖的微量元素含量和比值與不同的構(gòu)造背景物源區(qū)相比較(表7),微量元素Th,U,Hf含量和Rb/Sr,Th/U比值介于大陸島弧和海洋島弧,而La/Y、La/Sc、Th/Sc比值介于活動(dòng)大陸邊緣與大陸島弧之間。相容和不相容元素的比率可以用于區(qū)分長英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)的源巖,如Th/Sc比率是火成巖化學(xué)分異的指標(biāo),因?yàn)門h和Sc在火成巖系統(tǒng)中分別是不相容和相容的(McLennanetal.,1993)。依次,Zr/Sc比率是鋯石富集的有用標(biāo)志,因?yàn)閆r強(qiáng)烈的集中在鋯石中,而Sc通常保存著物源區(qū)的特征(McLennan,1989;McLennanetal.,1993)。通常情況下,僅僅根據(jù)化學(xué)特征是難以區(qū)分沉積巖的島弧區(qū)和再旋回大陸殼來源,因?yàn)榇箨憵せ瘜W(xué)成分顯示類似于島弧的特征(Bocketal.,2000)。然而,微量元素比率如Ti/Zr,La/Sc和La/Th已經(jīng)被成功的用于區(qū)分海洋島弧、大陸島弧、大陸邊緣弧和被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境(Bhaiaetal.,1986;Floydetal.,1987)。在Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10判別圖中,阿依里河組砂巖明顯投在大陸島弧區(qū)和活動(dòng)大陸邊緣區(qū)(圖5)。在Ti/Zr-La/Sc圖中,阿依里河組碎屑巖投在大陸邊緣弧區(qū)域以及大陸邊緣弧和大陸島弧重疊的區(qū)域(圖6),結(jié)合稀土元素分析結(jié)果,處于重疊區(qū)域的樣品應(yīng)該屬于大陸島弧構(gòu)造背景。類似的結(jié)果顯示在Hf-La/Th圖中,樣品投在酸性弧來源區(qū)以及長英質(zhì)和基性混合來源區(qū)(圖7),與上地殼源區(qū)相比,可能有鐵鎂質(zhì)的疊加。綜合上述砂巖碎屑組分,常量元素、稀土元素、微量元素地球化學(xué)特征,以及重礦物判別,南天山上石炭統(tǒng)碎屑巖的物源區(qū)主要有低級(jí)—中級(jí)變質(zhì)巖、中—酸性的火成巖、沉積巖,以及少許的基性巖和高級(jí)變質(zhì)巖,物源區(qū)具有大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景。4化學(xué)風(fēng)化指數(shù)corr.風(fēng)化作用是物源區(qū)的重要特征之一,風(fēng)化類型和強(qiáng)度不僅影響到物源區(qū)的地形地貌,而且也影響到物源區(qū)的物質(zhì)供給,對(duì)沉積盆地的物質(zhì)組分會(huì)產(chǎn)生重要影響。目前廣泛使用的確定物源區(qū)風(fēng)化程度的指數(shù)是化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)(Nesbittetal.,1982),而且它不僅被用于頁巖,而且也被用于砂巖(Fedoetal.,1995),例如Bauluz等(2000)對(duì)西班牙西北部前寒武紀(jì)—古生代碎屑巖物源區(qū)的研究,Rahman等(2007)對(duì)印度Blangladesh中新世Surma群砂巖的研究。化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)指示了物源區(qū)的風(fēng)化程度(Nesbittetal.,1982),CIA記錄了斜長石和鉀長石到粘土礦物的進(jìn)級(jí)蝕變。化學(xué)風(fēng)化指數(shù)的測量方法是通過使用公式(分子比例):CIA=(Al２O３/(Al２O３+CaO＊+Na２O+K２O)×100,計(jì)算化學(xué)風(fēng)化指數(shù)而獲得(CIA;Nesbittetal.,1982),這里CaO＊是巖石中與硅酸鹽相結(jié)合的CaO含量。Nesbittetal.(1982)認(rèn)為,高嶺石和綠泥石的CIA值接近100,頁巖的平均CIA值為70~75。根據(jù)Fedoetal.(1995)分類,CIA=50~60指示物源區(qū)初始化學(xué)風(fēng)化,CIA=60~80指示中等化學(xué)風(fēng)化,而CIA>80指示強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化。阿衣里河組碎屑巖CIA值為52.24~76.46,平均65.20?？紤]到由于物源區(qū)的搬運(yùn)、沉積和成巖作用導(dǎo)致K的富集,需要對(duì)樣品進(jìn)行K的校正(Fedoetal.,1995)。添加到每個(gè)風(fēng)化樣品中的K２O能夠按照公式計(jì)算(Panahietal.,2000):K２Ocorr.=[m·A+m·(C*+N)]/(1-m),而且根據(jù)母巖樣品,m=K/(A+C*+N+K)。校正后的CIAcorr.值為52.25~89.40,平均為71.25(表8)。大部分樣品CIAcorr.集中在61.22~80.71之間,表示物源區(qū)具中等程度的化學(xué)風(fēng)化特征;來自大山口水電站和巴音郭楞的兩個(gè)砂巖樣品CIAcorr.值分別為52.25和53.73,顯示源區(qū)屬于化學(xué)風(fēng)化的初始期。另外兩個(gè)頁巖樣品來自輪臺(tái)野云溝,CIAcorr.值分別為84.81和89.40,顯示源區(qū)強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化特征(表8)。圖8表明,研究區(qū)碎屑巖物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度低于和類似于PAAS。5物種起源區(qū)域的比較與結(jié)構(gòu)發(fā)育5.1島弧帶的形成時(shí)代根據(jù)南天山輪臺(tái)策大雅剖面上石炭統(tǒng)樣品的碎屑鋯石LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定結(jié)果,獲得的年齡數(shù)據(jù)主要分為三期:69.6%的碎屑顆粒鋯石年齡為404~542Ma(相當(dāng)于早泥盆世中晚期—寒武紀(jì)397.5~542Ma);25.3%的碎屑顆粒鋯石年齡為1797~2436Ma(古元古代);少許鋯石年齡為616~843Ma(相當(dāng)于新元古代成冰期630~850Ma)(圖9)。不同成因鋯石常常有不同的Tu,U含量以及Th/U比值:巖漿鋯石的Th,U含量高,Th/U比值較大(一般大于0.4);變質(zhì)鋯石的Th,U含量低,Th/U比值小(一般小于0.1)(吳元保等,2004)。本次樣品的碎屑鋯石具有較高的Th,U含量,平均為203×10―６和345×10―６,Th/U比值為0.64,81%的鋯石Th/U比值大于0.4。大致可以認(rèn)為這些碎屑鋯石主要來自巖漿巖,少量變質(zhì)巖,當(dāng)然不能排斥一些來自沉積巖中的再旋回的鋯石。對(duì)比南天山和塔里木北緣的地質(zhì)體,我們發(fā)現(xiàn)與早古生代年齡相當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)體主要集中在南天山(圖9),如庫勒湖蛇綠巖鋯石SHRIMP定年為425±8Ma(龍靈利等,2006),西南天山侵入于巴音布魯克群中的石英閃長巖體446.8±1.2Ma(徐學(xué)義等,2006),巴音布魯克西南的艾爾賓山花崗閃長巖為442±7Ma(胡靄琴等,2006),庫爾勒-野云溝以北的霍拉山一帶的艾西買依根糜棱質(zhì)花崗巖475.2±2.6Ma,庫米什鎮(zhèn)以北阿克塔西附近的灰白色片麻狀花崗巖為457.5±1.8Ma,拉爾墩達(dá)坂鉀長花崗巖為457±27Ma(韓寶福等,2004);中天山天格爾山脈烏庫公路糜棱巖化花崗巖441.6±3.8Ma(朱永峰等,2006)。南天山西段烏帕塔爾坎群安山巖的坪年齡427.70士0.60Ma(龔福華等,2003)。中天山和南天山造山帶65個(gè)U-Pb年齡統(tǒng)計(jì)分析表明,兩個(gè)造山帶年齡分布大至相似,主要存在三組年齡,300~230Ma、380~320Ma、460~390Ma,還有一些老的基底(彭守濤等,2009)(圖9)。460~390Ma這組年齡被認(rèn)為記錄了南天山洋向伊犁-中天山板塊俯沖的過程,380~320Ma記錄了塔里木板塊與伊犁—中天山板塊碰撞事件(高俊等,2006)。馬中平等(2008)對(duì)南天山北部上志留統(tǒng)巴音布魯克組火山巖系研究表明,它們以中基性噴出巖為主,并有輝長巖侵入,地球化學(xué)特征反映了島弧巖漿巖性質(zhì),是南天山洋盆于晚志留世時(shí)發(fā)生的俯沖—消減所引發(fā)的島弧火山—巖漿作用的地質(zhì)記錄。類似的,朱志新等(2008)認(rèn)為由于南天山洋盆向北俯沖,晚志留-早泥盆世哈爾克山北緣和額爾賓山南緣形成島弧帶火山巖,主要為中基性火山巖與中酸性火山巖。南天山石炭紀(jì)的花崗巖基本為富鋁的同碰撞花崗巖,和該區(qū)石炭紀(jì)殘余海盆的發(fā)展基本同步,時(shí)限為300~340Ma(早石炭世—晚石炭世),而二疊紀(jì)的花崗巖為后造山花崗巖,時(shí)限為250~290Ma。因此,無論是從年齡特征還是從巖石學(xué)特征或者構(gòu)造背景,上石炭統(tǒng)碎屑巖的早古生代物源與天山及其南緣的早古生代島弧地質(zhì)體相吻合,特別是物源具有弧消減帶的特征。為了確定古元古代碎屑鋯石(1797~2436Ma)的來源,對(duì)比了新疆地區(qū)的大陸基底。塔里木古大陸為太古宙—古元古代基底區(qū)(3200~2200Ma),昆侖—阿爾金造山帶為古元古代基底區(qū)(2000~1800Ma),天山為古中元古代基底區(qū)(2100~1700Ma)(胡靄琴等,2001)。根據(jù)同位素年齡數(shù)據(jù)和地理位置,可以排除昆侖—阿爾金地塊作為物源區(qū)。天山基底變質(zhì)巖系形成2100~1700Ma,峰值年齡為1800Ma。天山變質(zhì)巖系在1400Ma、900~700Ma期間發(fā)生地殼重熔、再次重熔和巖漿分異作用,西天山溫泉群那拉提群和木扎爾特群混合巖化片麻巖鋯石U-Pb年齡分別為821±11Ma、798±8Ma、882±83Ma和707±7Ma。由于天山基底區(qū)包含大量中、新元古代的年齡,和石炭系碎屑巖的鋯石年齡有較大差距,因此,基本也可以被排除作為物源區(qū)。塔里木北緣除了具有太古宙的基底外,還有古元古代的基底,如紅衛(wèi)莊花崗片麻巖結(jié)晶年齡為1943±6Ma,斜長角閃巖鋯石生成年齡2492±19Ma,托格灰色片麻巖鋯石結(jié)晶年齡為2337±6Ma(郭召杰等,2003)。胡靄琴等(2006)認(rèn)為,塔里木北緣出露的一套雙峰式太古宙的基底巖石形成于新太古代,在元古宙早期大約2.3Ga和2.0~1.8Ga時(shí)期它們遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造、變質(zhì)和巖漿活動(dòng)的改造,在新元古代的晚期至早古生代(850~500Ma)前的地質(zhì)歷史時(shí)期,塔里木北緣各地段先后發(fā)生了構(gòu)造隆升。因此,如果以塔里木盆地北緣的古元古代的基底—庫魯克塔格地塊作為南天山石炭系碎屑巖物源的一部分,可以得到同位素年代學(xué)的支持。根據(jù)構(gòu)造屬性,庫魯克塔格地區(qū)北部托格斜長角閃巖的原巖與現(xiàn)代洋脊玄武巖類似,而南部闊克蘇斜長角閃巖的原巖與現(xiàn)代島弧玄武巖類似(張志誠等,1998)。實(shí)際上古元古代的地層在塔里木以及整個(gè)華北,都經(jīng)歷了巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用和構(gòu)造作用,廣泛的拼合和隆升(造山作用),形成了穩(wěn)定的基底,上部的中—新元古代沉積為基底之上的第一套克拉通蓋層。所以,庫魯克塔格地區(qū)前寒武紀(jì)基底也被稱為“碰撞造山帶物源區(qū)”,這種構(gòu)造屬性與上石炭統(tǒng)碎屑巖的物源區(qū)巖石學(xué)特征信息是吻合的。至于少量相當(dāng)于新元古代成冰期的碎屑年齡(616~843Ma,4顆鋯石),在塔里木北緣庫魯克塔格地區(qū)和南天山都有相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物(胡靄琴等,2001;陸松年等,2003),被認(rèn)為是Rodinia超大陸裂解的產(chǎn)物。將研究區(qū)石炭系碎屑鋯石和塔里木盆地志留紀(jì)—泥盆紀(jì)地層碎屑鋯石年齡相比較,也可以獲得一些有用的信息。塔里木北緣志留系碎屑巖碎屑鋯石年齡主要集中在400~600Ma、700~900Ma、1400~1600Ma和1700~2400Ma四期(鄔光輝等,2009)。不難發(fā)現(xiàn),南天山石炭系物源缺失塔北地區(qū)地層中相當(dāng)于中元古代的碎屑(1400~1600Ma),而中元古代地層被稱為是塔里木基底之上的第一套克拉通沉積蓋層。該地塊的開始隆升可能在新元古代的晚期至早古生代(胡靄琴等,2006),到晚古生代,隆升的幅度以及剝蝕加強(qiáng),導(dǎo)致古老地塊上覆的中元古代地質(zhì)體,已經(jīng)基本消失,所以,它只出現(xiàn)在志留系中,而在石炭系中很少見及。相反,下伏的古元古代地質(zhì)體則成為晚石炭世的主要源區(qū)之一,這符合物源區(qū)和盆地沉積層序物質(zhì)組分之間的反序列特征。同時(shí),石炭系碎屑巖中大量變質(zhì)巖巖屑也是很好的證據(jù)之一。與塔里木盆地相比,石炭系碎屑巖中中—新元古代的碎屑明顯減少,表明中新元古代兩次裂解事件對(duì)于塔里木盆地影響較大,而對(duì)南天山影響較小。在塔里木盆地北緣,志留系碎屑巖中早古生代(奧陶紀(jì))的物源被認(rèn)為是來自阿爾金(鄔光輝等,2009)。但是根據(jù)南天山石炭系碎屑巖的近源堆積、再旋回沉積特征并不明顯,很難想象它是來自越過塔里木盆地的東部阿爾金或者是塔里木北緣志留系沉積物的再旋回。因此,有理由相信南天山晚石炭世碎屑巖古生代的物源主要來自南天山的島弧和俯沖帶。根據(jù)以上分析,可以得出結(jié)論:南天山中段上石炭統(tǒng)碎屑巖的物源一部分來自南天山具有大陸島弧性質(zhì)的早古生代的俯沖消減帶,另一部分來自東南部的塔里木北緣的前寒武紀(jì)古老地塊,主要是由古元古代地質(zhì)體組成的庫魯克塔格地塊。5.2早泥盆世—碰撞時(shí)間的制約雖然,多數(shù)學(xué)者將南天山造山帶視為一個(gè)經(jīng)歷了新生代再變形改造的晚古生代碰撞造山帶(高俊等,2006),但還存在較大的分歧?？偨Y(jié)目前對(duì)南天山造山帶開始碰撞時(shí)間的各種認(rèn)識(shí),有早—中泥盆世、晚泥盆世—早石炭世、石炭紀(jì)—二疊紀(jì)、或者印支期等多種觀點(diǎn)(李日俊等,2010)。這些認(rèn)識(shí)主要來自蛇綠巖、玄武巖、花崗巖、麻粒巖、榴輝巖等巖漿巖和變質(zhì)巖年代學(xué)以及微古化石(放射蟲)的研究結(jié)果。那么,根據(jù)沉積記錄是否可以對(duì)南天山構(gòu)造帶的碰撞時(shí)間提供制約?南天山中段上石炭統(tǒng)碎屑巖的早古生代物源具有弧消減屬性,最年輕的一組碎屑鋯石年齡為404~542Ma,這表明在晚石炭世之前,南天山已經(jīng)俯沖消減,碰撞已經(jīng)開始,根據(jù)出現(xiàn)的最年輕的碎屑鋯石年齡,可以進(jìn)一步將開始碰撞時(shí)間限定在早泥盆世末—中泥盆世以后。它缺失中泥盆世到早石炭世(397~318Ma)的鋯石年齡,有兩種可能的解釋,一是物源區(qū)缺乏該階段的巖漿活動(dòng)和變質(zhì)活動(dòng),無法提供這一階段的碎屑鋯石,這已經(jīng)被天山巖石年代學(xué)數(shù)據(jù)和白堊系地層中碎屑鋯石年代學(xué)所否定。庫車拗陷北緣早白堊世砂巖中最集中的碎屑鋯石年齡為403~300Ma(中泥盆世—晚石炭世),被解釋為主要記錄了塔里木板塊與伊犁—中天山板塊主碰撞階段,晚泥盆世—早石炭世花崗巖與此相關(guān)(彭守濤等,2009);二是巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用形成的產(chǎn)物還沒有遭受大規(guī)模的隆升和剝露,從而無法成為晚石炭世碎屑巖的物源。顯然,后一種解釋更為合理。白堊系碎屑巖中最豐富的是中泥盆世—石炭紀(jì)(403~300Ma)的物源,其次是晚奧陶世-早泥盆世(467~409Ma)的物源,前者在石炭紀(jì)沉積記錄中沒有任何反映,這表明它們大規(guī)模的隆升剝露應(yīng)該在二疊紀(jì)及其后。而后者在晚石炭世碎屑巖中是最主要的物源,如果碰撞和隆升及其剝露是相伴隨的,那么,將南天山造山帶開始碰撞的時(shí)間限定到早泥盆世末—中泥盆世以后是合適的,至少是在南天山的中段及其東部,俯沖已經(jīng)基本結(jié)束,碰撞業(yè)已開始。這一認(rèn)識(shí)也獲得蛇綠巖同位素年代學(xué)的支持(郝杰等,1993;龍靈利等,2006)。周鼎武等(2004)獲得南天山榆樹溝蛇綠巖地體中高壓麻粒巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡為392±7Ma,并且認(rèn)為記錄了該地體經(jīng)歷高壓麻粒巖相變質(zhì)改造的峰期變質(zhì)年齡,被認(rèn)為代表著南天山洋在早泥盆世開始向北俯沖。事實(shí)上,我們認(rèn)為它更代表著俯沖結(jié)束的年齡而不是俯沖開始的年齡,即在早泥盆世末,南天山洋向北的俯沖結(jié)束,碰撞已經(jīng)開始。上述認(rèn)識(shí)同樣能夠獲得沉積學(xué)的支持。根據(jù)賈承造等(2004)地層資料,在南天山地區(qū)下泥盆統(tǒng)與志留系基本上是連續(xù)沉積,東阿賴山、闊克沙勒嶺等地發(fā)育巨厚的濁積巖,哈爾克山地區(qū)下泥盆統(tǒng)阿爾騰柯斯組發(fā)育碎屑巖、硅質(zhì)巖、火山巖夾碎屑巖,它們應(yīng)該屬于深水盆地相;中泥盆統(tǒng)薩阿爾明組主要為中厚層碳酸鹽巖夾碎屑巖,含珊瑚、腕足類化石,屬于淺水相,被Allen等(1991)解釋為海丘沉積;上泥盆統(tǒng)在南天