准噶尔东北缘喀拉安-恰库尔特一带晚古生代火山岩地球化学特征及构造意义

陈琪乐，黄剑(.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆乌鲁木齐830000；.新疆大学，新疆乌鲁木齐830047)



准噶尔东北缘喀拉安-恰库尔特一带晚古生代火山岩地球化学特征及构造意义

陈琪乐1，黄剑2
(1.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆大学，新疆乌鲁木齐830047)

摘要：准噶尔北缘喀拉安-恰库尔特一带晚古生代火山岩十分发育，泥盆系卓木巴斯套组为一套海相火山沉积体系钙碱性系列火山岩、石炭系巴塔玛依内山组为陆相火山喷发体系碱性系列火山岩、二叠系哈尔加乌组为陆相火山-沉积体系亚碱性系列的火山岩。卓木巴斯套组无明显的Ti负异常，加上其大离子亲石元素富集的特点，说明其为岛弧发展后期地壳增厚的产物；巴塔玛依内山组高场强元素的亏损，大离子亲石元素的富集，暗示了其典型的消减带特征，但其缺乏明显的Ce负异常，推测其为弧后盆地环境；据哈尔加乌组地球化学特征，强不相容元素的富集，Nb，Ta和Ti的负异常较明显，推测其产生在裂谷环境。本文在对研究区晚古生代火山岩地质、地球化学特征等研究基础上，判断研究区早泥盆世为俯冲阶段的岛弧环境，晚石炭世为弧后盆地环境，二叠纪为造山后的拉张环境。

关键词：准噶尔东北缘；晚古生代；火山岩；地球化学特征；构造演化

近年来随着研究地质方法的不断进步，许多学者对中亚造山带有了新见解和认识。研究表明，中亚造山带是介于西伯利亚板块和华北-塔里木板块之间的古亚洲洋消减、闭合而形成的巨型拼贴聚合带，是显生宙以来全球最大的增生型造山带之一。许多学者对该区域内构造演化做了大量研究[1-3]，大都认为随西伯利亚板块南移和哈萨克斯坦-准噶尔板块北移，准噶尔洋开始俯冲消减，并经历了俯冲、碰撞、增生等阶段，但对于一些细节，仍存在不同观点，如在构造属性上，该区晚石炭世是俯冲阶段岛弧环境还是后碰撞环境，早二叠世是否具俯冲消减作用等[4]。

前人对该区域内晚古生代火山岩的系统研究较少，然而，火山岩作为区域构造及岩浆活动的产物，对反演区域构造演化具重要参考价值。本文在前人研究基础上，以准噶尔北缘晚古生代火山岩为研究对象，通过对地质和地球化学特征等研究，对讨论准噶尔东北缘晚古生代的构造环境及构造演化提供科学依据。

1　地质概况

研究区位于天山兴蒙造山系（Ⅰ级）准噶尔弧盆系（Ⅱ级）唐古巴勒-卡拉麦里古生代复合沟弧带（Ⅲ级）之谢米斯台-库兰卡兹干古生代复合岛弧带（Ⅳ级）东端（图1）。北以额尔齐斯河断裂及玛因鄂博断裂与阿尔泰弧盆系为界，南以清水-红柳峡-伊吾断裂为界，与准噶尔-吐哈地块相邻，该带是一个晚古生代岛弧叠加于早古生代岛弧上的复合岛弧带。

区内出露地层主要有下泥盆统卓木巴斯套组、下石炭统黑山头组、上石炭统巴塔玛依内山组、下二叠统哈尔加乌组火山岩、上二叠统卡拉岗组，分布与区域构造线基本一致，均呈NW向展布。研究区出露的火山岩类型较齐全，从基性-酸性岩类均有分布，以中酸性岩浆喷发为主，基性岩浆喷发作用强度较弱。区内侵入岩发育较少，主要分布在研究区东部、中部及北部。据岩体年龄统计，区内侵入岩形成时代主要为石炭系，峰值为305 Ma[5]。

2　火山岩地质特征

区内火山岩地层从下至上依次为下泥盆统卓木巴斯套组、下泥盆—上石炭统江孜尔库都克组、下石炭统黑山头组、上石炭统巴塔玛依内山组、下二叠统哈尔加乌组和上二叠统卡拉岗组（图1）。部分组火山岩特征如下：

下泥盆统卓木巴斯套组火山岩主要分布在研究区的中部，火山活动较强烈，火山岩比较发育，以爆发相火山碎屑岩为主，溢流相火山熔岩类岩石较少，为海相火山沉积体系。岩石组合主要为酸性岩屑火山尘凝灰岩、中酸性晶屑火山尘凝灰岩、安山质含角砾玻屑晶屑凝灰岩。该组地层中采集到大量壳相腕足、小型单体四射珊瑚和底栖三叶虫，安山岩中获得锆石同位素年龄为（397±15）Ma□。

图1　研究区火山岩分布简图和研究区大地构造图Fig.1 Sketch map of volcanic rocks distribution and tectonic location of study area1.古近—新近系—第四系;2.上二叠统卡拉岗组;3.下二叠统哈尔加乌组;4.上石炭统巴塔玛依内山组;5.下石炭统黑山头组;6.下泥盆统卓木巴斯套组KKT——科克森套-卡拉先格尔板块缝合带;Ⅰ1——西伯利亚板块北阿尔泰古生代陆缘活动带;Ⅰ2——西伯利亚板块南阿尔泰晚古生代弧盆系;Ⅱ——北准噶尔古生代活动陆缘

上石炭统巴塔玛依内山组火山活动强烈，火山喷发频繁，火山岩、火山碎屑岩分布广泛，仅局部见少量正常沉积岩类。该套地层与下伏下石炭统姜巴斯套组呈角度不整合。该组以中性（安山质）岩浆、酸性的英安岩和少量霏细岩喷发为主，为陆相火山喷发体系。岩石组合以溢流相中性的安山岩、爆发相的安山质凝灰岩、火山角砾岩为主，并夹少量中酸性英安岩和英安质凝灰岩、少量霏细岩。胡醒民在该组安山岩中采集了同位素测年样品，由中国地质科学院地质研究所同位素室采用Rb-Sr等时线法测试，年龄值为（272±46）Ma❶新疆维吾尔自治区地质调查院.新疆富蕴县喀拉安-恰库尔特一带四幅1∶5万区域地质调查, 2014.。

下二叠统哈尔加乌组为一套陆相火山-沉积体系，岩性复杂，总体以熔岩、火山角砾岩为基本特征。本组下中部主要为中酸性火山岩，以灰、灰紫色、灰褐色安山岩、英安斑岩、酸性凝灰岩发育为特征，岩性主要为安山岩、凝灰岩、英安岩等；中上部主要为中基性火山岩，以灰紫、灰、灰绿色安山岩、气孔杏仁状安山岩、辉石安山岩、玄武岩发育为特征，岩性主要为凝灰岩、安山岩、玄武安山岩、玄武岩等。英安岩中获锆石U-Pb同位素年龄为（302± 15）Ma，大致为早二叠世地层❶。

3　地球化学特征

本次分析选取的均为蚀变相对较弱的样品，先进行样品的抛光，然后在超声波清洗器中进行清洗。本文中样品的主量和微量元素数据均是在西安地质矿产研究所实验测试中心进行分析。准噶尔北缘晚古生代火山岩主量元素和微量元素分析结果表1，本文选了泥盆系卓木巴斯套组、石炭系巴塔玛依内山组、二叠系哈尔加乌组3组中的样品进行研究。

3.1主量元素

由表1可知，卓木巴斯套组火山岩SiO2为50.26%～56.07%、TiO2为1.30%～1.73%,哈尔加乌组SiO2为54.35%～56.24%、TiO2为1.06%～1.24%,巴塔玛依内山组SiO2为50.39%～54.41%、TiO2为0.86%～ 1.32%,前二者较后者略高，其它主量元素的差别不明显。卓木巴斯套组、巴塔玛依内山组、哈尔加乌组的里特曼指数分别为0.61～2.49（ZMBS5为3.69）、1.46～2.52（BTMYNS12为3.76）、1.39～3.27，除了个别样品外（ZMBS5、BTMYNS12）大都小于3.3，所以这些火山岩除个别样品外基本为钙碱性火山岩。另外所采样品Na2O均大于K2O，表明其为钠质岩浆。

3.2稀土元素

卓木巴斯套组火山岩∑REE74.64×10-6～138.76× 10- 6、巴塔玛依内山组火山岩∑REE63.71×10- 6～ 97.37×10-6、哈尔加乌组火山岩∑REE135.30×10-6～ 179.68×10-6，泥盆纪和石炭纪火山岩稀土总量均低于二叠纪火山岩稀土总量。稀土元素分布曲线图上不同时代的火山岩（图2-a），均显示轻稀土相对富集、重稀土相对平坦的右倾型分布模式，且二叠纪火山岩轻稀土含量及富集程度明显高于泥盆纪和石炭纪火山岩，三者重稀土含量相近，分布特征相对一致。3组火山岩样品无Eu异常，说明斜长石在岩浆结晶分异或稳定残余中无明显参与。

表1　准噶尔北缘晚古生代火山岩主量元素和微量元素分析数据Table 1 Major and trace element data from volcanic rocks in Late Paleozoic

图2　准噶尔北缘晚古生代火山岩稀土元素分布曲线图（a）和晚古生代火山岩微量元素蛛网图（b）Fig.2 Chondrite-normalized REE diagrams of volcanic rocks in Late Paleozoic(a) and Primitive mantle-normalized spidergrams of volcanic rocks in Late Paleozoic(b)（标准化数据引自Sun&McDonough，1989）

3.3微量元素

泥盆系卓木巴斯套组岩石均落入安山质玄武岩区中，而石炭系巴塔玛依内山组部分落入安山质玄武岩区，部分落入亚碱性玄武岩区，二叠系哈尔加乌组火山岩均投在亚碱性玄武岩区（图3）。前人通过对巴塔玛依内山组火山岩地球化学研究，认为其为碱性-亚碱性火山岩[6-7]。

图3　准噶尔北缘晚古生代火山岩Nb/Y—Zr/Ti图解(a)和晚古生代Zr-Zr/Y图解（b)Fig.3 Nb/Y-Zr/Ti diagram of volcanic rocks in Late Paleozoic Fig.5 Zr-Zr/Y diagram of volcanic rocks in Late PaleozoicSubAlkaline Basalt——亚碱性玄武岩;Andesite/Basalt——玄武质安山岩;Andesite—安山岩; Rhyodacite/Dactive——流纹英安岩;Alk-Bas——碱性玄武岩A——板内玄武岩；B——岛弧玄武岩；C——洋中脊玄武岩

原始地幔微量元素蛛网图中三组火山岩总体上显示出不同的曲线（图3），但各组曲线基本相似，暗示了源区岩浆的相似性。

三组火山岩均表现出高场强元素亏损和大离子亲石元素的相对富集，如Nb，Ta，Ti亏损和Ba，Sr，K富集，可能是由于岩浆混入了壳幔物质造成的。泥盆纪火山岩Na/Ta(14.90～17.21)、Zr/Hf（37.01～ 46.33）低于原始地幔的Nb/Ta(19～21)、Zr/Hf(46～51)比值，显示了板内特征。石炭系火山岩亏损高场强元素Ti，Nb/La(0.30～0.33)、Zr/Hf（29.10～42.16）暗示了石炭系的火山岩具典型消减带特征。二叠纪火山岩微量元素总量高于泥盆纪和石炭纪火山岩微量元素总量。从二叠系哈尔加乌组的微量元素原始地幔蛛网图可看出强不相容元素的富集，表现出大陆拉斑玄武岩特征。

4　讨论

4.1岩浆来源及构造环境探讨

泥盆系卓木巴斯套组火山岩稀土总量相对岛弧玄武岩总量略高，无明显Ti负异常，加上其大离子亲石元素富集特点，推测卓木巴斯套组火山岩为钙碱性玄武岩。岩石组合主要为酸性岩屑火山尘凝灰岩、中酸性晶屑火山尘凝灰岩、安山质含角砾玻屑晶屑凝灰岩，说明研究区火山活动已开始，因而卓木巴斯套组火山岩可能是岛弧演化晚期地壳增厚的产物。在原始地幔标准化蛛网图中只显示轻微负异常，说明其源区可能来自原始地幔，加入了洋壳物质。由于Nb，Ta的负异常，这些洋壳物质可能是洋壳沉积物而不是来自于洋脊玄武岩。

石炭纪火山岩样品投在岛弧玄武岩-洋中脊玄武岩过渡区域（图3-b）。研究表明，弧后盆地早期张开阶段，因岩浆源区可能受到包含地幔、俯冲板片和地壳在内的多种端元物质影响，常会形成类板内伸展减薄环境火山岩和岛弧火山岩。随着扩张作用的持续和俯冲消减作用影响的减弱，弧后盆地逐渐向成熟阶段发展，并渐变到正常洋脊玄武岩[8-9]。所以巴塔玛依内山组火山岩可能形成于弧后盆地环境。巴塔玛依内山组的岩石地球化学特征显示其来自亏损地幔，而较高的Ce/Th（18.62～24.80）和Ba/Th（226.03～555.10）比值，缺乏明显的负Ce异常，排除了有消减带沉积物加入的可能性。因此，用壳-幔混染作用来解释还是合理的。

二叠系哈尔加乌组火山岩为亚碱性系列火山岩（图3-a），本组下中部主要为中酸性火山岩，中上部主要为中基性火山岩，为一套陆相-火山沉积体系，主体为板内玄武岩（图3-b）。结合区域背景，到二叠纪时期，新疆北部发育一次较大规模大陆裂谷作用，该作用极可能是受地幔柱影响的缘故[4]。通过研究哈尔加乌组地球化学特征，总体表现出的微量元素总量较高，多数高场强元素明显高于原始地幔，Nb，Ta和Ti的负异常较明显，哈尔加乌组具较高的Mg#，及岛弧玄武岩系列微量元素特征，说明哈尔加乌组火山岩可能是壳幔物质交换产物。

4.2构造演化

研究区北侧扎河坝蛇绿岩带及南侧卡拉麦里蛇绿岩带等研究成果，对探讨东准噶尔北缘构造演化具重要参考价值。其中，扎河坝蛇绿岩形成于奥陶纪，卡拉麦里蛇绿岩形成于石炭纪。以上成果表明，研究区泥盆—石炭纪为俯冲-消减环境。泥盆纪之前，准噶尔-阿勒泰古陆发生强烈裂解，斋桑-额尔齐斯洋盆北侧是阿勒泰古陆块，南侧是加波萨尔早古生代岛弧。早泥盆世卓木巴斯套组为火山活动形成岛弧之后地壳增厚的产物。研究区早石炭世晚期姜巴斯套组不整合覆盖在黑山头组上，属陆表海沉积，反映斋桑-额尔齐斯洋盆未完全封闭，岛弧发展历史仍在持续[4]。前人研究成果表明，准噶尔洋俯冲-消减作用一直持续到石炭纪末[6-7]。研究区晚石炭世巴塔玛依内山组是由于准噶尔洋持续向北俯冲，导致岛弧后方区域幔源物质大量上隆并引起弧后扩张[5]，因此表现出弧后盆地的特征。早二叠世时期，哈尔加乌组为陆相火山-沉积体系，亚碱性岩石特征和Zr-Zr/Y构造环境的判别，显示出从早二叠世开始研究区内的构造环境已经基本形成，开始造山后的拉张环境。研究区这时的基本构造单元已形成，到早二叠世晚期本区整体抬升，陆壳基本稳定。

因此晚古生代准噶尔北缘构造演化过程推测如下：早泥盆世时古亚洲洋板块向西伯利亚板块之下俯冲，形成南阿尔泰成熟岛弧。准噶尔洋向北俯冲，形成北准噶尔岛弧。晚石炭世之后，板块停止俯冲，在岛弧后方出现拉张状态，形成弧后盆地。早二叠世时，北准噶尔造山带处于拉张环境，地壳厚度变薄，软流圈地幔上涌，由于软流圈和岩石圈相互作用形成一套偏碱性的岩石组合。由于拉张作用持续时间较短，未形成大陆裂谷，只是裂谷作用的初期阶段[6]。

5　结论

通过研究该区域晚古生代火山岩的岩石组合和地球化学特征，得到两点认识：

（1）早泥盆世卓木巴斯套组火山岩是岛弧发展后期地壳增厚的产物，晚石炭世巴塔玛依内山组火山岩是弧后盆地环境下产生的，早二叠世哈尔加乌组火山岩为裂谷作用形成的板内玄武岩。

（2）结合前人资料，研究区晚古生代火山岩为准噶尔洋向北俯冲形成的，该区先后经历了早泥盆世—晚石炭世俯冲-消减，晚石炭世—二叠纪碰撞造山等作用。

参考文献

[1] Windley B F, Alexeiev D,Xiao W J, et al.Tectonic models for accretion of the Central Asian Orogenic Belt[J].J Geol Soc London, 2007,164(1):31-47.

[2] Xiao-Fa Yang, Deng-Fa He, Qing-Chen Wang.Tectonostratigraphic evolution of the Carboniferous arc-related basin in the East-Junggar Basin, northwest China: Insights into its link with the subduction process[J].Gondwana Research,2012,22:1030-1046.

[3] Xiaoping Long, Chao Yuan Min Sun.Geochemistry and U-Pb detrital zircon dating of Paleozoic graywackes in EastJunggar,NW China:Insights into subduction-accretion processes in the southern Central Asian Orogenic Belt[J].Gondwana Research,2012,21:637-653.

[4]徐学义,李荣社,陈隽璐,等.新疆北部古生代构造演化的几点认识[J].岩石学报,2014,30(6):1521-1533.

[5]张峰,徐涛,范俊杰,等.东准噶尔石炭系巴塔玛依内山组火山岩全岩Sm-Nd等时线年龄及其构造意义[J].地球化学,2014,43(3): 301-316.

[6]张招崇,周刚,闫升好,等.阿尔泰山南缘晚古生代火山岩的地质地球化学特征及其对构造演化的启示[J].地质学报,2007,81(3): 344-358.

[7]龙晓平,孙敏,袁超,等.东准噶尔石炭系火山岩的形成机制及其对准噶尔洋盆闭合时限的制约[J].岩石学报,2006,22(1):31-40.

[8] Dosso L,Boespflug X,Romeur M,Turpin L, Calvez J Y,Bougault H, Joron J L.Isotopic and trace element data on back-arc basalts from the South West Pacific Basins and the Sunda Arc[J].Chem Geol,1988,70(1/2):47.

[9]彭澎,翟明国,等.关于弧后扩张机制的新看法[J].世界地质,2002, 21(1):1-7.

Gechemical Characteristics of L ate Paleozoic Volcanic rocks in K alaan-Qiakuerte Area,in Northeastern margin of J unggar, and its Tectonic Significant

Chen Qile1,Huang Jian2
(1.Geological Research Academy of Xinjiang,Urumqi,Xinjiang,830000,China; 2.Xinjiang University,Urumqi, Xinjiang,830047,China)

Abstract:Late Paleozoic volcanic rocks are developed in K alaan-Qiakuerte area of Northeastern margin of Junggar.Lower Devonian Zhuomubasitao Formation consists of marine volcanic sedimentary system with cal-alkaline series volcanic rocks.Upper Carboniferous Batamayineishan Formation consists of continental volcanic eruption system with alkaline series volcanic rocks.Lower Permian Haerjiawu Formation consists of continental volcanic-sedimentary system with sub-alkaline series volcanic rocks.Zhuomubasitao Formation has the characteristics of without obvious Ti negative anomalies and enrichment of LILE indicate that was the product of crustal thickening during late island arc development.Batamayineishan Formation has the characteristics of depletion of HFSE and enrichment of LILE,suggested that it has the typical characteristics of the subduction zone.However,it was explained as back-arc basin environment due to lack of obvious Ce negative anomaly.Haerjiawu Formation has the geochemical features of enrichment of strong incompatible element and obvious negative anomaly with Nb,Ta and Ti,indicate that was in rift environment.Based on geology and geochemistry of late Paleozoic volcanic rocks,we consider that early Devonian was in arc island environment,late Carboniferous was in back-arc basin environment,and Permian was in extension environment,it has important significant for inverting tectonic evolution of late Paleozoic.

Key words:Northern margin of Junggar;Late Paleozoic;Volcanic rocks;Geochemical characteristics;Tectonic evolution

作者简介:第一陈琪乐(1970-)，男，江苏徐州人，高级工程师，2008年毕业于长安大学资源勘察工程专业，从事区域地质调查和矿产勘查工作

收稿日期:2015-08-04;

修订日期:2016-01-05;作者E-mail:997783479@qq.com

中图分类号:P534；P588.14

文献标识码:A

文章编号：1000-8845(2016)01-062-06

项目资助：中国地质调查局项目（1212011140058）、自治区区域地质矿产调查项目（XJQDZ200908）联合资助