2. 非常规油气湖北省协同创新中心, 武汉 430100;
3. 中国石油青海油田分公司 勘探开发研究院, 甘肃 敦煌 736202
2. Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Wuhan 430100, China;
3. Exploration and Development Research Institute of Qinghai Oilfield Company, PetroChina, Dunhuang Gansu 736202, China
柴北缘阿尔金构造带位于青藏高原的北部边界,塔里木盆地与柴达木盆地的交接部位(杨子江,2012;覃小锋等,2008)。阿尔金断裂带附近广泛发育早古生代花岗质岩体,其演化记录了阿尔金造山带构造演化过程中的岩浆响应(刘良等,2015)。大部分学者认为,早古生代的花岗质岩浆活动主要在468~385 Ma,但其形成的构造背景存在争议:阿尔金造山带主要遭受塔里木或柴达木板块的俯冲碰撞作用,也可能形成于板块后碰撞伸展拉张阶段(陈宣华等, 2001, 2003, 2009;杨经绥等,2003;吴才来等, 2007, 2016;朱小辉等,2008;崔军文,2011;董顺利等,2013;孟令通等,2016;康磊等,2016;吴玉等,2016),同时也缺乏对南阿尔金山前花岗岩体的研究。
鉴于此,笔者以阿尔金山前东坪鼻隆基岩风化壳中花岗质岩体为研究对象,通过对基岩岩心样品的岩性和元素地球化学分析,对岩浆岩的岩石学特征进行描述,揭示东坪花岗岩的源岩成因及其形成条件,并且探讨花岗质岩浆活动的构造背景,以期为相邻的阿拉善地块、北祁连地块及柴达木地块在阿尔金山前的早古生代构造演化提供约束。
1 地质背景东坪鼻隆位于阿尔金山前东段(周飞等,2016),为柴西坳陷区一里坪凹陷亚区的一个三级构造(图 1),其西为茫崖凹陷与大风山凸起,东为昆特依地区、冷湖构造带,东南面紧邻一里坪生烃凹陷,平均海拔为2 750 m。受近南北向中生代-早第三纪断层的控制,东坪地区在喜马拉雅早期的断裂控制下形成古斜坡背景,喜马拉雅中晚期的挤压反转阶段表现为一套南倾鼻状古隆起,此构造形态一直持续至今(陈宣华等,2009;郭帅,2012;曹正林等,2013)。
研究区基岩层的岩浆岩属于古生代花岗侵入岩类-二长花岗岩,常为浅肉红色,晶粒较细,中-细粒结构为主,斜长石含量高(占矿物总量的25%~35%),但是钾长石含量仍然占主要地位(30%~45%),黑云母含量为1%~3%,副矿物为锆石、磷灰石,蚀变明显,微裂缝及裂理发育,一般分布于岩体边缘相带。
2 样品和分析测试方法根据显微镜下观察,挑选出岩心、岩屑样品8件:东坪306井4件,东坪H301井2件,东坪7井2件。首先将适合分析的全岩样品手工压碎至1~2 cm,用研磨器反复研磨,直至无污染标准筛筛至200目,使每个样品重量约170 g,再缩分出3份进行元素成分分析。全岩常量元素采用X荧光光谱仪(XRF-1800)测得,微量元素和稀土元素采用电感耦合等离子体质谱仪(X7 ICP-MS)分析,检测湿度为65%RH,温度为24 ℃。样品处理及测试均在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。测试数据列于表 1。
由表 1可以看出,本区样品的岩石富SiO2,含量为71.1%~77.3%,均值为72.6%;其次为Al2O3,含量为12.2%~15.7%,均值为14.0%。A.R.为1.2~2.8,均值为2.2;里特曼指数δ为0.6~2.5,均值为1.9(< 3.3),综合说明样品均为钙碱性岩石。在K2O-SiO2(图 2)判别图上,全部样品均落在高钾钙碱性系列区域,在ACNK-ANK图解上(图 3),样品全部落在过铝质系列区域。
对东坪花岗岩样品分析结果进行原始地幔标准化(Sun and McDonough, 1989)(表 1,图 4),可知东坪井区样品富集大离子亲石元素(LILE)Rb,其含量为139.4~192.6 μg/g,均值为165.5 μg/g;相对亏损高场强元素(HFSE)Nb,含量为17.4~23.4 μg/g,均值为19.9 μg/g;富集高场强元素Pb,含量为14.9~38.6 μg/g,均值为30.6 μg/g;相对亏损不相容元素Sr和低场强元素Eu,其中Eu含量为0.5~1.1 μg/g,均值为0.8 μg/g。Sr亏损说明该样品地区的岩浆可能存在斜长石残留。所有样品的微量元素分布模式均为总体右倾斜型。
由分析结果(表 1)可见,东坪花岗岩的稀土总量(ΣREE)为301~566 μg/g,富集轻稀土元素,其LREE/HREE值为3.48~5.39;LaN/YbN值为11.22~18.86,LaN/SmN和GdN/LuN值分别为4.53~5.75和1.68~2.31,显示轻稀土内部分馏比重稀土更为显著(表 1)。稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图 5)显示,其具有铕负异常,δEu为0.41~0.61,与一般壳型花岗岩的值(0.46)相当,远低于壳幔型花岗岩的δEu值(0.84)(陶琰等,2011)。曲线的轻稀土段陡、重稀土段缓,属于中等右倾型曲线,具有轻稀土富集的特征。
作为深成侵入岩浆岩,形成花岗岩需要充足的热量、空间和时间(Romer and Kroner, 2016)。东坪地区样品的主量元素特征显示,其基岩层侵入岩体具有富硅(SiO2均值为72.6%)、富铝(Al2O3均值为14.0%)的特点,为典型的过铝质钙碱性系列花岗岩。其轻稀土较重稀土的分馏更为显著,具有轻稀土富集的特征。同一岩性的样品曲线具有相似性,推测来源于同一源区。微量元素的特征是富集Rb、Pb,亏损Nb、Sr。
不相容元素的比值在一定程度上可以反映花岗岩成分来源(高万里等,2014)。东坪基岩的Rb/Nb值为7.21~9.43,与全壳均值为5.36,相比明显偏高,指示其主要熔融岩体来源于壳源组分;其Nb/Ta值范围较小,为7.17~12.56,低于幔源熔体均值(22)(Green,1995;Kamber and Collerson, 2000;黄文龙等,2016),与大陆地壳均值(11~16)(Barth等,2000)接近但也偏低。此外,东坪花岗岩的Rb/Sr和Rb/Ba值分别为0.57~1.97和0.16~1.25,指示源岩主要为杂砂岩成分(6)。一般认为,泥质岩为源岩的熔体的Rb/Sr>2.6,Rb/Ba>>0.25(Miller, 1985; Harris and Inger, 1992; 陶琰等,2011)。反映出本区花岗岩源自地壳,而非地幔物质。
在A-C-F花岗岩判别图解(图 7)上,东坪地区花岗岩全部投影在S(supracrustal或sedimentary)型花岗岩区域,即以沉积岩或者变质岩为主的花岗岩类型(吴福元等,2007;Chappell,1974;Chappell and White, 1992,2001)。综合分析,认为东坪基岩花岗岩岩体为过铝质的高钾钙碱性系列的S型花岗岩,来源于上部地壳物质的熔融。
已有资料显示,东坪花岗岩的锆石U-Pb定年加权均值为年龄为(418.3±3.8) Ma(青海油田勘探开发研究院成果),即花岗岩的侵入岩浆形成年代为晚志留世。由于加里东期的花岗质岩浆活动一直持续到晚泥盆世(青海省地质矿产局,1991),因此东坪花岗质侵入岩浆的构造运动发生在加里东晚期。但是,该时期晚于很多报道中的同碰撞S型花岗岩,如450~425 Ma(李三忠等,2016)、462~451 Ma(刘良等,2015)、440~450 Ma(朱小辉等,2015)、中奥陶世末期(郝杰等,2006)等。这可能是因为不同时限、所处的构造演化阶段不同,导致花岗岩的产出环境和热冷却历史发生变化。
阿尔金构造带在早古生代的演化是柴达木、塔里木、阿拉善和北祁连等多个地块共同作用的结果。寒武纪-奥陶纪期间,由于地幔上隆、岩石圈张裂,在柴达木-南塔里木和阿拉善-北塔里木之间出现了祁连-满加尔裂陷海槽和柴北缘赛斯腾山裂谷等(葛肖虹和刘俊来,2000;汤良杰等,2000;李怀坤等,2003)。此时阿尔金山及相邻地区处于地幔热流值较高的状态,经历板块碰撞、俯冲和造山阶段,原岩建造主要为基性火山岩、高镁碳酸盐岩(庄育勋,1998)、钙碱性花岗岩浆活动和火山岛弧(阔什布拉克花岗岩体、喀腊大湾花岗斑岩和酸性火山岩等)等(陈宣华等,2009;刘良等, 1998, 2015;杨经绥等,2008)。晚奥陶世-晚志留世期间,因岩浆的大量的喷溢,能量不断释放,使得裂解作用逐渐减弱,祁连-塔中深海槽封闭,北塔里木-阿拉善与南塔里木-柴达木地块再次焊合一体(葛肖虹等,2009),形成了古阿尔金-祁连褶皱山系(陈宣华等,2001;张建新和许志琴,1995)。此时阿尔金的构造背景由之前的挤压或压扭性应力环境逐渐转化为伸展或张扭性应力环境,形成了规模空前的花岗岩浆作用(伍跃中等,2009)。
前人对相近区块的花岗岩研究成果显示,阿尔金山前在加里东期的花岗岩成因类型以Ⅰ型和A型居多,S型较少(伍跃中等,2009;陈宣华等,2001);S型同碰撞期花岗岩常见于达肯达坂岩体(李三忠等,2016),或达肯达坂岩体形成之后(435 Ma之后)(王惠初,2006)。如前所述,东坪花岗岩属于高钾钙碱性的S型花岗岩。而S型花岗岩被认为是陆-陆碰撞带或克拉通之上韧性剪切带的产物(马鸿文,1992),往往发生在同构造期或构造期后(Pitcher,1983)。在花岗岩形成的构造环境判别图解(Hf-Rb/10-Ta×3)中(图 8),东坪井区花岗岩样品落入碰撞大陆构造背景区域。在R1-R2构造环境判别图上(图 9),研究区样品点落入同碰撞造山区。根据构造环境判别图解(图 10),本次研究的花岗岩样品大部分落在了火山弧(VAG)型-同碰撞(syn-COLG)型区域。由此看来,S型花岗岩的岩石成因与东坪花岗岩的构造图解的投点结果是吻合的,反映了阿尔金构造带以南发育岛弧型花岗质侵入岩浆活动。类似报道如阔什布拉克岩体以及同时的早古生代深成花岗岩类钙碱性岩浆活动具有活动陆源的岛弧性质(陈宣华等, 2001, 2009),认为阿尔金地区在早古生代时期存在沟-弧-盆构造体系,形成于“阿尔金洋”(原特提斯洋)闭合之后。笔者认为东坪地区岛弧型花岗岩可以有效支撑“阿尔金洋”沟-弧-盆构造体系的存在。
分析阿尔金在早古生代的构造演化历史可知,在晚奥陶世-晚志留世期间,北塔里木-阿拉善与南塔里木-柴达木地块拼合时发生强烈的碰撞造山运动,导致塔里木地块向柴达木地块俯冲及碰撞作用。东坪S型同碰撞期花岗岩便是这一阶段的产物(图 11)。由于持续的碰撞导致大陆边缘强烈变形,造成碰撞带岩石的堆叠和断裂,进一步导致陆壳杂砂岩在深部发生部分熔融,形成碰撞-热事件引起的花岗质侵入岩浆。前人的研究成果也得出过类似的结论(许志琴等,1999;张建新等, 1999, 2015;吴锁平,2008;吴玉等,2016)。综上可认为,在加里东晚期,南阿尔金山前东坪地区的陆源岛弧S型花岗岩形成于柴达木与塔里木板块的俯冲及同碰撞构造演化阶段。
(1) 东坪地区基岩层岩体主要为过铝质的高钾钙碱性系列的S型花岗岩,其微量元素变化范围较大,富集Rb、Pb,亏损Nb、Sr,具有轻稀土富集及重稀土亏损的特征,Eu负异常(0.41~0.61)。
(2) 东坪花岗岩源于壳源组分熔融,无地幔物质参与或者参与较少。
(3) 根据区域演化背景、年代学和地球化学特征,认为在加里东晚期,东坪S型花岗岩形成于大陆边缘的岛弧环境,指示南阿尔金山前在早古生代时期存在“阿尔金洋”的沟-弧-盆构造体系。东坪花岗质侵入岩浆为同碰撞演化阶段的产物,形成于塔里木地块向南俯冲于柴达木地块之下的碰撞演化背景。
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