塔里木板块东北缘霍布哈尔白山组流纹岩地球化学特征及构造意义

崔 骁, 王根厚 , 王振义, 刘得文, 唐 宇, 周 洁

(1.中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083;2．武警黄金二支队，呼和浩特 010010;3.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100)

霍布哈尔地区位于内蒙古自治区额济纳旗，毗邻新疆东部地区，北与蒙古国南戈壁省接壤，区内为荒漠戈壁地貌。其所在北山地区是重要的有色金属和贵金属富集成矿带之一[1]，隶属于古亚洲构造域，是古亚洲洋闭合区段之一[2]。由于自然环境恶劣，该区域地质研究较为薄弱。在大地构造上研究区位于哈萨克斯坦板块与塔里木板块缝合拼接带附近，其确切的古大地构造属性尚不明晰，火成岩缺乏地球化学元素方面的定量约束。研究表明火山活动、岩浆成因与大地构造位置密切相关，因此可以通过火成岩的地球化学元素特征来分析、判别大地构造属性[3]。研究区出露大量白山组流纹岩，已有的年代学研究表明白山组火山岩的年龄主要集中在299～318 Ma(晚石炭世)[4-6]。本文结合霍布哈尔地区1∶5万地质填图工作，对霍布哈尔流纹岩的地球化学特征开展研究，对流纹岩的成因及古大地构造环境进行探讨。本文的工作为认识、理解研究区所经历的古构造演化历史提供了新的参考资料，对于查明、厘定雅干地区晚石炭世的大地构造属性，以及塔里木板块东北缘与哈萨克斯坦板块碰撞闭合、挟持于中间的古亚洲洋在雅干地区消失的时间具有约束意义。

1 区域地质背景及岩石学特征

研究区位于内蒙古额济纳旗雅干以南约7 km的霍布哈尔地区(图1-A)；在大地构造位置上，霍布哈尔在靠近中蒙边界的雅干构造带南侧，在哈萨克斯坦板块、华北板块及塔里木板块的交汇部，位于塔里木板块的东北部陆缘增生楔部位[7]。研究区及邻区从北向南依次为雅干断裂带、恩格尔乌苏断裂带和巴丹吉林断裂，这3条巨型断裂作为雅干构造带、珠斯楞-杭乌拉构造带、沙拉山构造带以及诺尔公-狼山构造带的分界线。研究区西侧的明水-小黄山蛇绿岩带向东延伸大致与雅干断裂带衔接。明水-小黄山蛇绿岩带被认为是哈萨克斯坦板块与塔里木板块的缝合带[8-9]，雅干断裂带中出露的橄榄辉长岩与西侧明水-小黄山蛇绿岩带中出露的橄榄辉长岩可以对比[10]，这也印证了雅干断裂带是哈萨克斯坦板块与塔里木板块之间缝合带的一部分。已有研究表明雅干断裂带具有板块分区的意义，雅干断裂带北侧的雅干构造带向西与北山北带可以对比，属于哈萨克斯坦板块[11]；雅干断裂带以南的珠斯楞-杭乌拉构造带在岩石、沉积地层组合上与北山洗肠井及以东地区相似，且该区内古生物化石从寒武纪到早二叠世与塔里木板块、新疆天山及北山地区地层中的化石特征极为相似，被认为是塔里木板块的东端[12]。研究区所在北山地区经历了古生代洋内多岛弧的拼贴过程，构成了复杂的构造增生系统[13-14]。雅干断裂带南的珠斯楞-杭乌拉构造带奥陶纪地层有小达尔曼虫(Dalmanitian)，表明在早古生代雅干断裂以南地区位于被动大陆边缘，石炭纪开启了火山活动模式，被动陆缘转化为活动大陆边缘[9]。

根据2017年对研究区地层时代的重新清理[15]，区内岩石地层主要为早石炭世绿条山组，及晚石炭世白山组和扫子山组。《内蒙古自治区岩石地层》原将白山组归为早石炭世，近年随着年龄测定技术的发展和北山地区各地层时代研究的深入，白山组的形成时代被修定为晚石炭世。早石炭世绿条山组为变质石英砂岩、大理岩、条带状矽卡岩、云母石英片岩、变质含砾石砂岩、粉砂板岩夹变质砂岩、结晶灰岩、红柱石角岩、堇青石角岩、黑云母瘤状板岩。白山组主要为流纹岩、流纹质角砾熔岩夹流纹质晶屑凝灰岩，流纹质晶屑凝灰岩、流纹质角砾熔结凝灰岩，流纹质火山角砾岩、流纹质火山集块岩及英安岩、安山岩。扫子山组为泥质粉砂岩夹中细粒长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、灰绿色凝灰质砂岩、钙质砂岩、含砾粗粒砂岩。

图1 研究区大地构造位置及地质简图Fig.1 Tectonic setting and geological sketch map of the study area(据文献[9]和[16])Qp.全新世洪冲积砾石、砂砾层; K2w.乌兰乌海组砖红色泥岩、含砾砂岩、砂质灰岩夹薄层石膏; C2b.白山组流纹岩、流纹质角砾熔岩、晶屑凝灰岩、流纹质角砾熔结凝灰岩; C2s.扫子山组流纹岩、英安岩、流纹质角砾熔岩; C1l.绿条山组变质石英砂岩、变质含砾板岩、云母石英片岩、结晶灰岩、大理岩; λπP.二叠纪浅成侵入岩：浅灰白色流纹斑岩; γP.二叠纪深成侵入岩：糜棱岩化花岗岩; ηγP.二叠纪灰白色中细粒二长花岗岩; δP.二叠纪灰绿色中细粒闪长岩;δφP.二叠纪深成墨绿色细粒辉石闪长岩;γπ.花岗斑岩岩脉;q.石英脉;sk.矽卡岩

样品采自研究区出露的白山组，野外岩石风化表面为紫红色(图2)，岩石新鲜面为红褐色，镜下观察主要斑晶矿物为斜长石、正长石、钾长石、石英，大小一般为0.3～1.8 mm，零散分布，略显方向性排列，斜长石呈近半自形板状，石英呈半自形-他形粒状，零星分布；基质由长英质矿物组成，呈霏细状，均匀分布，少量长英质矿物呈微文象结构，微文象构成似球粒结构，似球粒大小0.1～0.3 mm(图2)。

2 测试方法与结果

10件样品的主元素、痕量元素分析工作在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主元素的分析采用AxiosmaxX射线荧光光谱仪完成，分析误差(质量分数)<5%；痕量元素采用XSrise2电感耦合等离子体质谱仪分析测定，分析误差(质量分数)<10%；灼蚀量(LOL)及H2O-、H2O+均由P124S电子分析天平完成，痕量元素和稀土元素使用Teflon高压熔样罐酸溶方法。

图2 霍布哈尔白山组流纹岩照片Fig.2 Field and microphotographs of the rhyolites in Huobuhaer areaPl.斜长石; Qtz.石英; Kfs.钾长石

2.1 主元素

图3 霍布哈尔白山组流纹岩A/NK-A/CNK图解Fig.3 A/NK-A/CNK diagram of the Huobuhaer rhyolite(作图方法据文献[17])

白山组流纹岩主要成分的质量分数(w)如下：SiO2为72.89%～79.82%，平均为75.63%，含量较高；Al2O3为10.69%～13.94%，平均为12.63%，含量较低；CaO为0.09%～2.83%，平均为0.64%，含量较低；MgO为0.12%～0.29%，平均为0.19%，含量低；TiO2为0.06%～0.17%，平均为0.14%，总体含量偏低，显示流纹岩具有低钛特征；P2O5为0.01%～0.33%，平均为0.02%，含量偏低；全碱(Na2O+K2O)为7.05%～8.90%，平均为8.14%；岩石的碱度率(AR)为3.11～5.03，K2O为3.65%～5.61%，平均为4.16%；Na2O为2.76%～4.80%，平均为3.98%。K2O/Na2O比值为0.79～1.09，平均值为1.09，因此，白山组流纹岩有钾质流纹岩特征，多数为高钾流纹岩。过铝饱和指数A/CNK为0.77～1.18，平均为1.05，显示流纹岩属于准铝、过铝质岩石，在A/NK-A/CNK图解中(图3)，大部分样品A/CNK大于1，为准铝质到过铝质。在K2O-SiO2岩浆系列判别图解中(图4)，落入高钾钙碱性系列区间内，为高钾钙碱性流纹岩。10件样品的里特曼指数δ=1.35～2.50，平均值为2.05，均小于3.3，同样指示其为钙碱性岩。在TAS(SiO2-(Al2O3+K2O))图解中(图4)，10件样品均落入亚碱性流纹岩区域。霍布哈尔流纹岩的主元素分析结果见表1。

2.2 痕量元素与稀土元素特征

在痕量元素原始地幔标准化蛛网图解中(图5)，呈现出5个“V”形谷，依次反映了Ba负异常明显、高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Ti和P强烈亏损。大离子亲石元素K、Rb、Th和U相对富集；Sr强烈亏损。P的亏损与磷灰石的分离结晶有关，而Eu的负异常与岩浆上升过程中长石的分离结晶有关。岩浆分异指数(DI)为88.53～96.3，平均为94.69，分异指数较高，Sr/Y比值较低(1.39～4.62，平均2.94)，这都佐证了岩浆演化过程中曾经历了强烈分异的过程。Nb负异常指示具有大陆地壳特征，暗示可能有壳源物质参与了岩浆演化过程[20]。

图4 霍布哈尔白山组流纹岩SiO2-(Na2O+K2O)图解和K2O-SiO2 图解Fig.4 TAS and K2O-SiO2 diagrams for the rhyolite rocks from Huobuhaer area(作图方法据文献[18]和[19])Pc.苦橄玄武岩; B.玄武岩; O1.玄武安山岩; O2.安山岩; O3.英安岩; R.流纹岩; S1.粗面玄武岩; S2.玄武质粗面安山岩; S3.粗面安山岩; T.粗面岩、粗面英安岩; F.副长石岩; U1.碱长岩、碧玄岩; U2.响岩质碱玄岩; U3.碱玄质响岩; Ph.响岩; Ir.分界线，上方为碱性，下方为亚碱性

Y1701Y1702Y1703Y1704Y1705Y1706Y1707Y1708Y1709Y1710SiO274.7076.3576.5973.5772.8975.2275.0479.8275.1976.97TiO20.170.170.160.170.150.170.170.130.060.06Al2O313.2312.8712.3813.9411.6113.2913.4910.6913.0411.74Fe2O31.370.560.811.010.800.851.140.650.540.01FeO0.330.420.690.850.680.330.320.410.260.17MnO0.010.040.020.020.120.000.010.010.010.03MgO0.160.200.210.290.270.170.190.170.130.12CaO0.090.240.250.282.830.260.320.160.671.32Na2O3.294.554.193.713.504.244.572.764.804.24K2O5.613.663.814.823.914.343.684.293.783.65P2O50.020.020.020.030.030.020.020.020.010.01总计99.7999.8699.8799.8299.8399.8499.8799.8899.9399.92LOI0.810.770.751.133.040.950.930.791.431.59A/CNK1.141.081.081.180.771.091.121.130.990.88A/NK1.151.121.121.231.161.141.171.161.091.08δ2.502.021.912.381.842.292.121.352.291.83SI1.462.102.192.732.961.691.912.111.361.46DI95.6296.0895.4993.4888.5395.7794.8096.3095.6295.19AR5.034.364.464.003.114.463.964.714.354.04

稀土元素总质量分数(wΣREE)为123.31×10-6～232.83×10-6，平均为185. 51×10-6，偏低。wLREE为111.79×10-6～210.84×10-6，平均为167.31×10-6；wHREE为11.52×10-6～21.98×10-6，平均为18.20×10-6；∑LREE/∑HREE为7.23～11.32，平均为9.29。(La/Sm)N值为2.81～5.19，平均为4.37；(La/Yb)N值为5.61～12.59，平均为9.88；(Sm/Yb)N值为1.90～2.75，平均为2.27，指示轻重稀土分馏明显、轻稀土元素相对富集、重稀土亏损。稀土元素球粒陨石标准配分型式为右倾斜“V”形(图6)，Eu值对应稀土元素球粒陨石标准配分曲线V形的谷底，Eu负异常明显，Eu/Eu*=0.34～0.61，平均为0.51。Rb/Sr=0.82～3.47，比值较高，平均为2.01，显示岩浆来源于大陆上部地壳，为上部地壳硅铝质重熔的结果[21]。霍布哈尔地区流纹岩的地球化学特征与活动大陆边缘火山弧岩浆岩的特征一致[22]。霍布哈尔地区痕量和稀土元素测试结果见表2。

图6 霍布哈尔地区流纹岩稀土元素模式图Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of the rhyolite rocks from Huobuhaer area(标准值据文献[23])

3 岩石成因

鉴于活动元素(如K、Rb、Cs)含量易受到蚀变作用的干扰，而非活动元素(如Nb、Y、Zr)抗蚀变作用强。高场强非活动元素及其比值较稳定，不易受到变质作用与蚀变的影响，可以用来作为地球化学特征约束[24]。此外，“元素对”能作为岩浆来源的指示剂[3]。10件样品Nb/Ta值为13.64～14.85，平均值为14.11，有研究表明幔源岩石的Nb/Ta值为17.5±2[25-27]，与陆壳岩石均值11较为接近。

白山组流纹岩Nb/Th值为0.65～0.93，平均值为0.73，小于幔源岩石的比值，而接近于壳源岩石的比值；K/Nb值为1 936.53～4 123.80，平均为2 983.63，显著高于地幔岩石的比值(249～349)，与地壳来源岩石的比值(1 498～2 976)近似。霍布哈尔流纹岩来自幔源岩浆分异结晶的可能性不大，更具有壳源岩石的地球化学特征，野外所见流纹岩成分均一，未发现基性岩石捕掳体，而不可能是壳幔混合来源[28]。Ti含量低，Ti/Y比值为12.55～49.94，平均为32.51，变化范围大；Ti/Zr值为4.36，介于2.33～6.67，均小于10，呈现出壳源岩浆的特征，说明其来自地壳岩石的重熔再生，与幔源岩浆演化分异的结果相距甚远[21,29]。从地幔到上地壳，岩石中的元素对Rb/Nb比值升高，下地壳的Rb/Nb平均值为0.88，上地壳的Rb/Nb平均值为4.5，因此可以根据痕量元素Rb/Nb的比值来确定岩浆来源是下地壳还是上地壳[30]。10件流纹岩样品的Rb/Nb=9.01～14.54，平均值为11.86，因此，在一定程度上也支持其来自上地壳的部分熔融。Rb/Sr比值较高，为0.82～3.47，明显大于中部地壳岩石具有的Rb/Sr比值(0.2～0.4)[31],也指示岩浆来源于大陆上部地壳。Th的质量分数较高(11.6×10-6～18.9×10-6)；样品Y1703、Y1704、Y1707的Th/Ce值小于0.2(分别为0.18、0.19、0.19)，其余7件样品的Th/Ce值均大于0.2，平均值为0.21，这与R.Kerrichet等[32]总结的上地壳岩石Th/Ce≥0.2的特征基本一致，暗示其来自上地壳古老物质的重熔再生。

白山组流纹岩Sr的质量分数极低(42.1×10-6～145×10-6，平均值为81.5×10-6)，与加厚地壳的高Sr含量特征明显不同，可见与造山后期地壳加厚导致的部分熔融形成的C型埃达克岩明显不同，暗示其来源不是加厚的地壳，而是正常的地壳。因此，本文认为在洋壳板块向南面的塔里木板块之下俯冲阶段，地幔高温岩浆的底侵作用仅为上地壳古老物质发生熔融提供了热量，但地幔岩浆物质未与上地壳重熔岩浆发生混染，上地壳物质经历局部熔融的过程，从而形成了与洋壳俯冲有关的白山组流纹岩。

表2 霍布哈尔白山组流纹岩痕量元素、稀土元素分析结果(w/%)Table 2 Analyses of trace and rare elements of rhyolite rocks from Huobuhaer area

4 大地构造意义

4.1 流纹岩成岩时代的年代学约束

白山组最初被划归为下石炭统，但缺少同位素年龄证据。近年来，大量针对北山地区岩石地层时代的同位素年龄测定结果显示：白山组的形成时代应为晚石炭世。贾元琴等[6]对额济纳旗西部的风雷山白山组流纹岩开展了年代学研究，LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为318.5±1.2 Ma；邹运鑫等[5]测定的六陀山白山组英安岩锆石U-Pb年龄为310.9±0.9 Ma，为晚石炭世；牛亚卓[4]相继确定黑鹰山白山组英安斑岩年龄为308.6±1.0 Ma，哈珠南白山组安山质角砾熔岩岩屑晶屑凝灰岩的锆石年龄为299.1±2.4 Ma，均为晚石炭世。基于大量同位素年龄资料对白山组形成时代的约束，故霍布哈尔白山组流纹岩形成于晚石炭世。

4.2 大地构造属性

痕量元素原始地幔蛛网图(图5)及稀土元素球粒陨石标准配分曲线(图6)反映出霍布哈尔地区白山组流纹岩具有一致的地球化学特征，与俯冲背景下形成的岩浆特征极为相似，轻重稀土分异明显，表现为轻稀土富集，重稀土强烈亏损，配分曲线呈右倾斜的“V”形，Eu表现为负异常，高场强元素Nb、Ta、Ti、P表现为负异常，与陆缘火山弧的岩石地球化学特征相似[33]。在痕量元素Rb-(Y+Nb)和Rb-(Yb+Ta)构造环境判别图解上(图7)，10件样品均落入J.A.Pearce等[4]划分的火山弧构造环境内。样品在SiO2-Al2O3图解中，均落入“湿体系”范围内，不同于大陆裂谷环境形成的贫水特征流纹岩[34]，基本落入大陆岛弧区域(图8)。Ta/Yb=0.23～0.36，平均比值为0.28，这与赵振华[35]总结的钙碱性火山弧具有的比值范围一致。

众所周知，火山弧分为岛火山弧和陆缘火山弧。岛火山弧的Ta/Yb比值通常小于0.1，在岩石组合上以玄武、安山岩为主[36]。研究区内主要为流纹岩、英安岩等酸性岩，在岩石组合上不同于岛火山弧，岩石组合与陆缘火山弧相似，同时还存在爆发相的火山碎屑凝灰岩，也支持形成于大陆火山弧的构造环境，构造判别图解显示大地构造位置为大陆岛弧环境(图8)。

结合地层时代(晚石炭世)，认为在晚石炭世塔里木板块东北缘的霍布哈尔地区尚处于活动大陆边缘火山弧环境。古生物地层学研究表明，在早二叠世之前，雅干断裂带南北两侧地层中的古生物化石是截然不同的，表明南北两侧原本处于地理隔离状态，中间可能为一个数百千米宽的海盆，冷水型的安加拉腕足类生活在北侧的哈萨克斯坦板块一侧；反映特提斯暖水型的腕足类生活在塔里木板块一侧。而在早二叠世的地层中两者出现混生，这种混生现象表明在早二叠世横亘在两大板块之间的宽约数百千米的古亚洲洋(或蒙古洋)已经不复存在，已被陆表海所取代[39]。地球化学特征分析也表明雅干以北的查干陶勒盖花岗岩体为A2型花岗岩，形成于碰撞后伸展环境，U-Pb年龄为283.2±2.2 Ma，指示古亚洲洋在雅干地区的分支在早二叠世之前完成了闭合[9]。

图7 霍布哈尔白山组流纹岩Rb-(Y+Nb)图解和Rb-(Yb+Ta)图解Fig.7 Rb-(Y+Nb) and Rb-(Yb+Ta) diagrams for rhyolitic rocks from Huobuhaer area(作图方法据文献[22])WPG.板内花岗岩; ORG.洋脊花岗岩; VAG.火山弧花岗岩; syn-COLG.同碰撞花岗岩

图8 流纹岩Al2O3-SiO2和(La/Yb)N-YbN构造环境判别图解Fig.8 Al2O3-SiO2 diagram and (La/Yb)N-YbN tectonic setting discrimination diagram for the rhyolite(作图方法据文献[37]和[38])

研究区西侧的白山构造带位于红石山蛇绿岩带以南的明水-旱山微陆块北部边缘上，岩石类型有花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、英云闪长岩、石英闪长岩、大理岩、碎屑岩及中酸性的火山岩、硅质岩、含砾石碎屑岩，其时代主要为晚石炭世。白山构造带是红石山大洋在晚古生代向南俯冲，于明水-旱山陆块的边缘形成的陆缘岩浆弧[40]。白山构造带内的白山组由中酸性到酸性火成岩组成，涵盖灰绿色或暗紫色安山质凝灰岩，少量紫色流纹岩、淡灰绿色英安质凝灰熔岩，含大理岩及粉砂岩透镜体。酸性岩包括灰紫-暗紫色流纹质熔结凝灰岩、流纹岩及含角砾流纹岩，含大理石透镜体，产珊瑚化石[41]。明水-旱山微陆块白山岩浆弧上风雷山流纹岩为高钾钙碱性岩，K、Rb等大离子亲石元素富集，高场强元素Nb、Ta、Ti亏损，轻重稀土分异明显，Ta/Yb平均为0.24，里特曼指数<1.8，指示其形成于陆缘弧[6]。霍布哈尔白山组流纹岩为钙碱性系列，而钙碱性系列的岩石被认为是洋壳俯冲消减带的产物[42]，样品的地球化学特征与北山风雷山白山组的流纹岩地球化学特征相似，Ta/Yb平均为0.28，显示陆缘火山弧的特征；在岩石组合上，霍布哈尔的白山组岩石类型与白山构造带极为相似，因此认为晚石炭世雅干构造带南侧霍布哈尔地区同西侧的白山构造带有同样的大地构造属性，在古亚洲洋(或蒙古洋)洋壳向南的俯冲背景下，均属于统一的大陆边缘火山弧环境(图9)。

图9 霍布哈尔地区晚石炭世构造模式图Fig.9 Tectonic pattern of the Huobuhaer area in late Carboniferous Period

5 结 论

a.霍布哈尔白山组流纹岩为高钾钙碱性岩，高场强元素Nb、Ta、Ti和P强烈亏损，大离子亲石元素K、Rb、Th和U相对富集，轻重稀土元素分异明显，岩石组合主要为酸性流纹岩、英安岩及爆发相的晶屑凝灰岩，地球化学特征及构造判别图解均指示形成环境为活动大陆边缘火山弧。

b.白山组流纹岩成因为：哈萨克斯坦和塔里木板块之间的古洋壳板块向塔里木板块之下俯冲，幔源岩浆物质的高温烘烤，为大陆上地壳古老物质的局部熔融提供了热量，但未与上地壳熔融形成的岩浆物质发生混染，最终由上地壳物质的部分熔融形成。

c.综合区域地质演化历史，认为晚石炭世古亚洲洋在雅干地区的分支尚没有闭合，洋壳仍处于俯冲阶段，哈萨克斯坦板块与塔里木板块在雅干地区的碰撞闭合时间应该在晚石炭世之后到二叠纪之前。