觉罗塔格地区下石炭统雅满苏组火山岩 地球化学特征及其构造意义

木扎帕尔·木合塔尔

摘   要：本文对觉罗塔格地区雅满苏组火山岩全岩地球化学进行了系统研究并比对前人数据，结果显示这些岩石主体富集大离子亲石元素Rb，Ba，Th和U，亏损高场强元素Nb，Ta，类似于岛弧火山岩。对比发现玄武岩可分为两类，I类玄武岩微量和稀土元素含量较低，轻重稀土元素分馏不明显，具亏损地幔特征;Ⅱ类玄武岩稀土和微量元素含量较高，具大陆玄武岩特征，显示出它们来自不同的岩浆源区;中酸性火山岩浆主要由新生陆壳部分熔融而成，安山岩、英安岩和流纹岩为同源岩浆演化不同阶段的产物，并在岩浆演化过程中经历幔源组分混染。结合区域地质背景资料，认为觉罗塔格地区晚古生代期间发生了洋壳的双向俯冲作用。

关键词：觉罗塔格地区;石炭纪;雅满苏组火山岩;岛弧环境;地球化学

中亚造山带由挟持于西伯利亚板块和塔里木-华北板块之间的古亚洲洋在古生代俯冲闭合形成，以经历复杂多期次俯冲碰撞为特征[1-3]，是全球显生宙陆壳增生与改造最显著地区。天山造山带东部位于我国西北地区，向西延伸至哈萨克斯坦和吉尔吉斯坦，是中亚造山带的重要组成部分，其构造演化一直受到地质学家的广泛关注[3-10]。觉罗塔格构造带位于天山造山带东段，是塔里木陆块与古亚洲洋碰撞造山的关键部位，构造带南部的阿奇山-雅满苏地区以发育大面积近同时代的石炭系火山岩为特征[11-13]。这些火山岩建造很可能是洋壳俯冲产生的岩浆弧[7，14-16]。但它们是同源岩浆演化产物还是来自不同岩浆源区[7，11-13，17-19]，以及洋壳发生了北向俯冲、南向俯冲还是双向俯冲还存有争议[14，19，20-22]。通过研究觉罗塔格构造带石炭系雅满苏组火山岩岩石地球化学特征，探讨了岩石成因，并为东天山石炭纪古亚洲洋洋壳的俯冲极性提供制约，对限定东天山古生代构造演化历史具重要意义。

1  区域地质背景

研究区位于天山造山带东段的觉罗塔格地区   （圖1），是塔里木板块和古亚洲洋碰撞对接的关键部位。从北至南，由近EW向的康古尔断裂、雅满苏断裂和阿其克库都克-沙泉子断裂划分为大南湖-头苏泉构造带、康古尔塔格构造带和阿奇山-雅满苏构造带（图1-b）[7，30]。区内出露地层主要有石炭系雅满苏组（C1y）、干墩组（C1g）、梧桐窝子组（C2w）和土古土布拉克组（C2tg）。其中，雅 满苏组出露于阿奇山-雅满苏构造带内[23]，该带南、北分别以阿其克库都克-沙泉子断裂和雅满苏断裂为界。雅满苏组火山岩以中酸性火山岩为主，岩石类型主要包括玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩和少量火山碎屑岩[12]。因受到2条近EW向断裂的控制，区内各类岩石近似呈带状分布[24]。前人对该组火山岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得火山岩形成年龄348～319 Ma，结合其中碎屑岩夹层中早石炭世标准化石楞菊石的发现[11-13，25]，雅满苏组火山岩应形成于早石炭世。干墩组呈近弧形带状夹于雅满苏组和梧桐窝子组之间，为一套主要由海相细碎屑岩和夹于其中的双峰式火山岩组成的海相火山-沉积岩系[17]，被认为形成于弧间盆地环境[26]，形成时代为早石炭世。梧桐窝子组分布在干墩组以北，以康古尔-黄山断裂与南侧的干墩组相隔，是一套海相基性火山岩-细碧岩-硅质岩-碳酸盐岩建造，被认为形成于弧后盆地环境，形成时代为晚石炭世[27]。土古土布拉克组出露于雅满苏组南缘，近EW向带状分布，主要由互层产出的火山熔岩、砂岩和凝灰质砂岩组成，形成于岛弧环境[7]，碎屑锆石U-Pb年龄（314±4.2） Ma以及中晚石炭世珊瑚和蜓类化石的发现[28，29]，表明其应形成于晚石炭世。

2  样品采集及分析测试方法

本文研究的6件火山岩样品均采自雅满苏铁矿附近（图1-b）。岩石主量元素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。采用X射线荧光光谱（XRF）方法进行测定，误差小于1%。微量和稀土元素分析在中国地质大学（北京）地学实验中心采用等离子质谱仪（ICP-MS;Agilent 7500a）来测定。含量大于10×10-6元素误差小于5%，含量低于10×10-6元素误差小于10%[7]。

3  地球化学特征

3.1  主量元素特征及岩石类型划分

本次研究对雅满苏组火山岩样品进行了全岩主量、微量和稀土元素分析，同时收集了前人的相关数据加以对比（表1）。

雅满苏组火山岩SiO2含量变化较大，为44.75%～74.68%，岩石类型包括玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩（图2-a）[31]。在SiO2-FeOt/MgO判别图解中，玄武岩主要显示拉斑玄武岩地球化学特征，而中酸性岩石主体落入钙碱性系列岩石范围（图2-b）[32]。其中，玄武岩SiO2含量为44.75%～51.95%，Al2O3含量较高，为13.77%～19.50%，FeOt含量为7.72%～13.21%，MgO含量变化范围大，为1.66%～9.75%，Mg#为27.2～67.4。安山岩SiO2含量为53. 75% ～62.38%，Al2O3含量较高，为13.76%～20.04%，FeOt和MgO含量较低，分别为4.53%～8.20%和0.90%～4.57%，Mg#较高，为24.2～64.1，主体大于33，K2O和Na2O含量变化大，分别为0.74%～9.23%和0.16%～6.51%。英安岩SiO2含量为61.29% ～73.13%，Al2O3含量较高，为11.29%～16.15%，FeOt含量较低，为2.14%～7.4%，MgO含量为0.29%～3.33%，Mg#值变化范围较大，为10.1～63.7，Na2O含量为1.90%～7.13%，K2O含量为0.08%～4.69%。流纹岩具高的SiO2含量，为70.39% ～74.68%，Al2O3含量为12.19%～14.03%，FeOt和MgO含量较低，分别为0.72%～3.78%和0.33%～1.78%，Mg#为19.6～53.9，K2O含量为0.41%～3.17%，Na2O含量为3.95%～6.41%。

3.2  稀土元素和微量元素特征

雅满苏组火山岩的稀土元素总量为19.31×10-6～364.82×10-6，在稀土元素球粒陨石标准化分布图解中，主体表现为轻稀土元素相对富集，轻、重稀土分异明显的右倾型分布曲线（图3）。安山岩、英安岩和流纹岩稀土元素和微量元素分布曲线分布区域基本重叠。玄武岩的稀土元素总量变化范围较大，介于19.31×10-6～364.82×10-6，LREE/HREE=1.86～8.69，在球粒陨石标准化分布图解中，样品表现为一组相似的右倾型或近平坦的分布曲线，无明显Eu异常（δEu=0.83～1.10）或具有显著Eu正异常（δEu=1.15～1.44），具岛弧火山岩的曲线特征（图3-a）。安山岩稀土元素总量为48.16×10-6～274.83×10-6，LREE/HREE=2.18～6.84，除个别样品显示较弱的Eu负异常（δEu=0.75）以外，其它样品无明显Eu异常（δEu=0.82～1.03）或显示轻微Eu正异常（δEu=1.10～1.19），具典型岛弧安山岩的稀土分布特征（图3-c）[33]。英安岩的稀土元素总量为36.83×10-6～159.28×10-6，LREE/HREE=2.45～5.82，具较明显的Eu负异常（δEu=0.62～0.88）。流纹岩稀土元素总量为30.86×10-6～220.85×10-6，LREE/HREE=3.63～9.92，稀土元素分布曲线显示明显的Eu负异常（δEu=0.62～0.83）。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中，雅满苏组火山岩主体具右倾负斜率分布型式，大离子亲石元素Rb，Ba，Th和U等相对富集，高场强元素Nb，Ta和Ti等相对亏损（图3-b，d，h）[34]。

4  岩石成因及其地质意义

4.1  岩石成因

雅满苏组火山岩曾被认为是一套以玄武岩和英安岩类为主的双峰式火山岩，玄武岩稀土及微量元素组成与大陆板内玄武岩相似，形成于陆内拉张环境[17，36]，可能与地幔柱活动有关[18]。但之后的研究发现，这些火山岩以安山岩为主，多数显示了弧火山岩的地球化学特征，并在岩浆演化过程中受到了陆壳组分混染，更可能形成于活动大陆边缘岛弧环境[7，12-13，19，37]，与古亚洲洋壳向中天山地块之下的俯冲有关。目前对于这些不同类型火山岩成因的认识依然存在分歧，有学者认为它们是同源岩浆演化不同阶段的产物[7，38]，或玄武质岩石由受流体交代的岩石圈地幔部分熔融产物与软流圈地幔混合后经历一定程度结晶分异作用形成，酸性岩主要由玄武质岩浆底侵导致新生地壳熔融形成[12]。还有研究认为，雅满苏组火山岩中玄武岩和安山岩为受流体交代的富水地幔楔不同程度部分熔融的产物，英安岩和流纹岩来源于新生地壳[13]。

在前文的稀土元素分布图与微量元素蛛网图中，雅满苏组火山岩中的玄武岩可分为两类。其中，I类玄武岩微量和稀土元素含量较低，轻重稀土元素分馏不明显，与亏损地幔来源原始岩浆的稀土分布型式类似（图3-a）。Zr含量（20.5×10-6～32.8×10-6）和Zr/Y比值低（1.64～2.08），并且Nb，Ta强烈亏损而Ti微弱负異常，表现出典型岛弧火山岩的地球化学特征（Zr<130×10-6，Zr/Y<3）[36，39-40]，在构造环境判别图中落入岛弧玄武岩区域（图4）。Ⅱ类玄武岩稀土和微量元素含量较高，Zr含量（97×10-6～533×10-6）和Zr/Y比值较高（4.04～8.49），显示大陆玄武岩特征（Zr>70×10-6，Zr/Y>3）[36]。具中等的轻、重稀土分馏和明显的Nb、Ta和Ti亏损，在构造环境判别图中落入板内玄武岩区域（图4）[35]。在主量元素Haker图解中（图5），两类玄武岩SiO2与MgO、FeOt及Mg#值之间均不具明显的线性关系，Mg#值变化范围不大，平均值为52，未显示同源演化岩浆特征，这种差异的产生应该并非受控于结晶分异作用。对比发现，雅满苏组火山岩中Ⅱ类玄武岩相对于I类，K2O和Rb，Ba，Zr，Th等元素含量有所增加，显示地壳组分混染的特征[41-42]。本文认为，雅满苏地区发育的2种类型玄武岩是来自不同岩浆源区且经历了不同演化过程的产物。

雅满苏组安山岩、英安岩和流纹岩具一致的轻稀土元素相对富集的右倾型分布曲线，分布范围基本重叠（图3-c，e，g），并且显示强烈的Nb，Ta和Ti的亏损（图3-d，f，h），在构造环境判别图中落入岛弧火山岩区域（图6）。而且，稀土元素分布曲线从安山岩的基本无Eu异常，到英安岩显示轻微Eu负异常，再到流纹岩呈现的明显Eu负异常，反映岩浆体系中富Eu矿物（如斜长石）的结晶分异作用不断增强，暗示安山岩、英安岩和流纹岩可能为同源岩浆连续分异演化的产物。从整体来看，同样形成于岛弧环境且与中酸性火山岩互层产出的I类玄武岩具明显区别于中酸性火山岩稀土和微量元素分布曲线型式[12]。而且，在Th/Yb-Zr/Nb和Zr/Yb-La/Sm相关图解中，安山岩、英安岩和流纹岩分布范围基本一致（图7），而I类玄武岩位于不同的成分区域，反映玄武岩浆与中酸性火山岩浆源区的微量元素比值存在一定差异。结合雅满苏组火山岩以中酸性岩石为主，玄武岩所占比例有限以及缺少超镁铁质堆晶岩的事实[11-12，17]，可认为雅满苏组中酸性火山岩与玄武岩来自不同的岩浆源区。

雅满苏组火山岩中安山岩的化学组成变化范围较大，显示准铝质-弱过铝质、钙碱性-高钾钙碱性系列岩石特征，SiO2含量为53. 75%～62.38%，MgO含量为2.03%～4.57%，Mg#值较高，为34.5～64.1，Cr和Ni含量较高，分别为61.9×10-6～129.0×10-6（平均82.62×10-6）和25.4×10-6～72.9×10-6（平均48.03×10-6）。随着SiO2含量的降低，岩石MgO、Fe2O3t含量和Mg#值变化范围不大（图5），而且，其Sr和Sr/Y比值均较低，在Sr/Y-Y判别图解中均落入典型岛弧火山岩区域（图8）[51]，全岩εNd（t）值较高5.52～6.7[11]，表明该安山岩浆来源主要与亏损地幔或新生地壳的熔融有关，或两者均参与了安山岩的形成过程。雅满苏组英安岩与流纹岩的εNd（t）值均为正值，且具一定的变化范围，分别为2.28～5.49和2.52～5.09[7，11]。较高且变化较大的εNd（t）值反映两类岩石的形成主要与新生地壳物质的部分熔融有关。结合英安岩与流纹岩还具变化范围较大的Mg#值和MgO含量（图5），表明岩浆可能受到幔源物质混染。

综上所述，雅满苏组火山岩中玄武岩和中酸性火山岩来自不同的岩浆源区：玄武岩来自相对亏损的地幔源区，主要与软流圈地幔的上涌和岩石圈地幔的部分熔融有关;安山岩、英安岩与流纹岩主要为新生地壳部分熔融的产物，在岩浆的形成演化过程中有一定程度的幔源和壳源组分介入。

4.2  雅满苏组火山岩对东天山早石炭世构造演化           过程的约束

如前所述，雅满苏组火山岩形成于活动大陆边缘岛弧环境，表明石炭纪早期古亚洲洋尚未闭合。但是，关于古亚洲洋俯冲带位置和俯冲极性还存在争议[7，19，26，52]。作为古亚洲洋的一部分，晚古生代中天山以北的古大洋被命名吐-哈大洋、康古尔塔格洋或觉罗塔格洋。部分学者认为康古尔洋沿康古尔断裂或吐哈古大洋沿康-阿碰撞缝合带在早石炭世的南北双向俯冲作用[7，19，26]，分别形成了南侧的阿奇山-雅满苏岛弧和北侧的大南湖-头苏泉（企鹅山）岛弧。但也有学者提出，雅满苏岛弧带是由觉罗塔格洋在晚古生代期间的北向俯冲形成[52-53]。

对康古尔塔格断裂带的研究表明，其为觉罗塔格构造带的边界断裂，具韧性兼走滑特征[27，54]。地球物理探测结果显示，该断裂切穿地壳并延伸至上地幔，并且断裂带北侧重力场较高，地壳具二层结构，具类似于准噶尔板块地壳结构特征，上地壳有高密度、强磁性的镁铁质岩发育，可能为残余洋壳;南侧重力场低，地壳为三层结构，发育较厚的花岗质层和低速层，与塔里木陆块相近[55]。结合康古尔塔格断裂带从变形特征上具有的由北向南俯冲所形成的挤压构造[27]，康古尔塔格洋壳至少发生了南向的俯冲作用。此外，考虑到觉罗塔格地区石炭纪构造环境由北向南呈空间和时间上的分带性，以及康古尔塔格断裂带北侧晚古生代企鹅山群火山岩形成于岛弧环境[19，27]，梧桐窝子组形成于弧后盆地环境及干墩组形成于弧间盆地的认识[26，27]，这种“弧-盆-弧”连续演化的构造体系，反映古觉罗塔格地区古亚洲洋在晚古生代发生了南北双向俯冲作用。

5  结论

（1） 雅满苏组火山岩具富集Ba，Rb，Th，U等大离子亲石元素，相对亏损Nb，Ta等高场强元素的地球化学特征，可能形成于活动大陆边缘岛弧环境。

（2） 雅满苏组火山岩中玄武岩可以分2类：I类玄武岩微量和稀土元素含量较低，轻重稀土元素分馏不明显，亏损地幔特征;Ⅱ类玄武岩稀土和微量元素含量较高，显示大陆玄武岩特征。它们是来自不同岩浆源区且经历了不同演化过程的产物。雅满苏组中酸性火山岩主要为新生地壳物质部分熔融的产物，并经历了幔源岩浆和壳源组分的混染。

（3） 结合区域地质资料判断，觉罗塔格地区早石炭世发生了古亚洲洋壳的双向俯冲作用。

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Geochemical Characteristics and Tectonic Significance of Volcanic Rocks of the Lower Carboniferous Yamansu Formation in the Jueluotage Area

Muzhapaer·Muhetaer1，2，Gong XiangKuan1，2，Nijiati·Abuduxun1，2

（1.College of Geology and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，830046，China;

2.Xinjiang Key Laboratory for Geodynamic Processes and Metallogenic Prognosis of

the Central Asian Orogenic Belt，Urumqi，Xinjiang，830046，China）

Abstract：In this paper， the whole rock geochemistry of the volcanic rock of the yamansu formation in zhuorotag region is systematically studied and compared with the previous data.Rock geochemical analysis shows that these rocks are rich in large ion lithophilic elements Rb，Ba，Th and U， and depleted in high field strength elements Nb and Ta， similar to island arc volcanic rocks.Basalts can be divided into two types，Class I basalt has relatively low contents of trace and rare earth elements， and the fractionation of light and heavy rare earth elements is not obvious，which shows the characteristics of deficient mantle， while class Ⅱ basalt has relatively high contents of rare earth and trace elements，which shows the characteristics of continental basalt，they come from different magma source areas;intermediate-acidic volcanic magma is mainly formed by partial melting of the new continental crust;andesite，dacite and rhyolite are products of different stages of the same magma evolution，and undergo contamination of mantle-derived components in the process of magma evolution.Combined with the regional geological background data，it is considered that the oceanic crust was subducted in two directions during the Late Paleozoic in Jueluotage area.

Key words：Jueluotage;Carboniferous;Volcanic rocks of Yamansu Formation;Island arc setting;Geochemistry