新疆博格达造山带西段石炭纪双峰式火山岩地球化学特征及成因

张振坤，孙建东，江辉，陆凡，岳继宗，吴守智

(1.成都理工大学，成都 610051； 2.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016； 3.四川省地矿局川西北地质队，四川 绵阳 621051； 4.江西省核工业局265大队，江西 鹰潭 335001)

0 引言

博格达造山带位于新疆北部，北邻准葛尔盆地，南与吐哈盆地相望，东侧与哈尔里克造山带相邻，其东西延伸约400 km，区内大面积分布火山岩，特别是分布于博格达峰南北两侧的双峰式火山岩。近年来随着研究的深入，获得双峰式火山岩的年龄为296 Ma—342 Ma[1-3]，属于晚石炭世火山活动，且形成的构造背景有各种不同的见解，如：造山后拉张[4-7]、成熟岛弧[8]、活动大陆边缘[9]、弧后盆地[10-11]、洋内岛弧[12]、洋岛[13]及大陆拉张减薄[8,14-15]等，然而近些年对区内双峰式火山岩构造环境的研究成果表明其构造属性更倾向于大陆裂谷环境[1,16-22]。事实上，对于双峰式火山岩的成因及玄武质和流纹质岩浆二者的关系，主要有两种观点，一为二者同源[23-25]，二为二者异源[26-28]。

本文将通过对出露于博格达峰南北两侧的双峰式火山岩进行地球化学特征研究，探讨其大地构造背景、岩石成因，以期对恢复造山带大地构造格局有所裨益。

1 研究区地质概述及岩石学特征

1.1 研究区地质概述

图1 博格达造山带区域构造位置图(a)、 研究区地质简图(b)Fig.1 Geotectonic sketch(a)of Bogda orogenic belt and geological sketch (b) of the study area

研究区位于博格达造山带西段(图1a)博格达峰南侧，区内广泛出露火山岩系，地层褶皱平坦宽缓鲜有变质现象，少有花岗岩类侵入，在博格达山南北两侧有大量双峰式火山岩的出露[1,3]。区内出露最古老的两套地层为上石炭世柳树沟组(C2l)和祁家沟组(C2qj)(图1b)。其中，祁家沟组(C2qj)火山岩岩石类型单一，为凝灰岩；柳树沟组(C2l)火山岩岩石类型较为齐全，火山熔岩和火山碎屑岩均有出露，火山熔岩以具双峰式火山岩特征玄武岩和流纹岩为主，火山碎屑岩以火山角砾岩为主，凝灰岩次之。

1.2 岩石学特征

研究区双峰式火山岩以泉泉沟的柳树沟组南北向剖面(图2)为代表，宏观上以灰黑色玄武岩(橄榄玄武岩)、流纹岩在空间上紧密伴生为分布特征。

橄榄玄武岩：灰色、深灰色，斑状结构，块状构造，斑晶由基性斜长石、辉石、少量橄榄石组成；基性斜长石：长柱状，粒径1×2 mm—2×3 mm；橄榄石：黄绿色，自形粒状，粒径2～4 mm；辉石：自形粒状，粒径2～3 mm；基质呈细粒结构，主要由基性斜长石、辉石呈格架状组成，约占70%。

流纹岩：灰白色，斑状结构，流纹构造，斑晶为钾长石、石英，约占20%；钾长石：板柱状，粒径2×3 mm—3×4 mm；石英：他形粒状，油脂光泽，粒径2～3 mm；基质具霏细结构，由长英质矿物组成，含量占70%，基质中矿物定向排列明显，显示流纹构造(图3)。

2 样品采集及分析测试

测试样品采集于博格达峰南侧黑沟、泉泉沟一带柳树沟组地层中，共采取8件新鲜的岩石样品，取样位置见图2。其中，玄武岩样品4件(LSG-38/39/40/47)，流纹岩样品4件(LSG-43/45/51/54)。

将样品细碎至200目，然后由西南冶金地质测试中心进行主量、微量及稀土元素测试分析。

样品分析测试全过程执行GB/T14506.28-2010标准，标样监控采用BCR-2和GBW07105，数据检查采用DZG20-02，分析精度和准确度优于5%。除FeO和烧失量，主量元素采用标准湿化法分析，其余元素采用样品的碱熔玻璃片在帕拉科生产的Axios型荧光光谱仪(XPF)上分析测试，稀土、微量元素采用等离子发射光谱法和质谱法分析测试。详细数据处理及方法见文献[29]。

3 分析结果

3.1 主量元素

火山岩地球主量元素分析结果见表1，表2为CIPW标准矿物计算结果。

图2 博格达造山带石炭纪柳树沟组地层火山岩PM01(部分)Fig.2 Volcanic rock profile PM01 of Carboniferous Liushugou formation in Bogda orogenic belt

图3 博格达造山带西段双峰式火山岩镜下显微照片Fig.3 Microscopic photo of bimodal volcanic rock in the west Bogda orogenic belt

表1 博格达造山带西段石炭纪火山岩主量元素分析结果Table 1 Major elements of Carboniferous volcanic rocks in the west Bogda orogenic belt

玄武岩SiO2含量(w(SiO2)=46.81%～46.53%)，其全碱(K2O+Na2O)含量介于2.71%～2.99%。在火山岩TAS图(图4a)上，样品投点位于Ir-Irvine分界线下方，落入亚碱性系列的玄武岩区域；在w(TFeO)/w(MgO)—w(SiO2)图解(图4b)中，均落入拉斑系列区域，可知其属于拉斑玄武岩系列；在w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)图解(图4d)中[30]，所有样品全落入亚碱性玄武岩范围。玄武岩富Na贫K，w(Na2O)/w(K2O)=5.07～6.87；其w(TiO2)=1.67%～1.70%，高于N-MORB的w(TiO2)=1.15%[31]；w(Al2O3)=16.24%～16.63%、w(CaO)=9.34%～10.32%和w(MgO)=8.87%～9.57%，二者均较高，Mg#=62.51～63.91，略高于MORB的Mg#=60，略低于判别原始岩浆的Mg#=65；同时，玄武岩的w(K2O)/w(P2O5)=1.41～1.69、w(K2O)/w(TiO2)=0.22～0.27，比值均较低且变化范围较小。这与其CIPW标准矿物计算结果一致(见表2)，即玄武岩样品显示紫苏辉石(Hy)含量均大于3%(5.00%～14.89%)，且有橄榄石(Ol)，无石英(Q)。

表2 博格达造山带西段石炭纪火山岩CIPW标准矿物计算结果Table 2 Calculations of CIPW standard minerals of Carboniferous volcanic rocks in the west Bogda orogenic belt

图4 博格达造山带西段双峰式火山岩岩石系列图解Fig.4 A series diagram of bimodal volcanic rocks in the west Bogda orogenic belt a.TAS图解，图底据Le Maitre(2002)； b.w(TFeO)/w(MgO)—w(SiO2)图解，图底据Miyashiro(1974)； c.A/NK—A/CNK图解，图底据Winchester和Floyd(1977)； d.w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)图解，图底据P.D. Maniar和P.M.Piccoli(1989)

流纹岩SiO2含量w(SiO2)=76.06%～76.25%，属高硅流纹岩[32]。其全碱(K2O+Na2O)含量介于7.45%～7.55%，变化较小。在火山岩TAS图解(图4a)中，均落在亚碱性流纹岩区，属于亚碱性玄武岩系列的流纹岩区域；在w(SiO2)—w(Zr)/w(TiO2)图解(图4d)中[33]，所有样品亦全落入亚碱性流纹岩范围。A/CNK值为1.08～1.11，显示准铝质—弱过铝质间的特征(图4c)。流纹岩富K贫Na，w(Na2O)/w(K2O)=0.32～0.36；w(Al2O3)=10.27%～10.40%，w(CaO)=0.15%～0.19%，w(MgO)=0.13%～0.16%，均低于与其伴生的玄武岩，表明岩浆源区存在有斜长石的残留；w(TiO2)=0.23%～0.27%，w(P2O5)=0.03%～0.05%，Mg#=4.46～5.84，均较低，指示其为低Ti、Mg类流纹岩；且流纹岩的w(K2O)/w(P2O5)=113.20～185.67、w(K2O)/w(TiO2)=20.89～24.39，比值均显著高于与其伴生的玄武岩，与其CIPW标准矿物计算结果一致(见表2)，即流纹岩样品显示紫苏辉石(Hy)含量均小于3%(1.84%～2.40%)，且有石英(Q)无透辉石(Di)和橄榄石(Ol)。钠长石(Ab=15.28%～16.79%)明显高于钙长石(An=0.47%～0.70%)，分异指数(DI)均明显高于玄武岩且大于90，可知其岩浆分异程度较高[34]。

3.2 稀土元素及微量元素

火山岩稀土元素及微量元素分析结果见表3所述。

玄武岩稀土元素总量相较于流纹岩稀土元素总量明显较低；w(LREE)/w(HREE)=3.00～3.12；稀土元素球粒陨石标准化配分图(图5a)显示，玄武岩稀土元素具有LREE相对富集、HREE轻度亏损的特点，为低缓略右倾平行曲线，w(La)N/w(Yb)N=1.69～1.80，w(La)N/w(Sm)N=1.06～1.09，w(Gd)N/w(Yb)N=1.03～1.10，可知轻、重稀土之间及轻、重稀土内部无明显分馏特征[35]；玄武岩Eu正异常不明显(δEu介于1.10～1.17)，整体接近平坦型的分布形式，与中国大兴安岭南段晚中生代大陆裂谷玄武岩[36]稀土配分模式相似。微量元素分析结果显示，大离子亲石元素(LILE)Rb、Ba和不相容元素K、P相对富集，Ta、Nb、Ti等高场强元素(HFSE)和不相容元素Th、U相对亏损为特征，Nb、Ta呈现出“U”型槽，Th、Ti亏损呈现出“V”型谷(图6a)。

表3 新疆博格达造山带西段石炭纪火山岩微量及稀土元素分析结果Table 3 Analysis of trace elements and REE of Carboniferous volcanic rocks in the west Bogda orogenic belt, Xinjiang

图5 博格达造山带西段双峰式火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分图Fig.5 Chondrite-normalized REE pattern of the bimodal volcanic rocks in the west Bagda orogenic belt, Xinjiang (球粒陨石数据引自Boynton, 1984)

图6 博格达造山带西段双峰式火山岩微量元素原始地幔标准化图Fig.6 Prot-mantle-normalized trace element pattern of the bimodal volcanic rocks in the west Bagda orogenic belt (原始地幔数据引自Sun等，1989) a.玄武岩；b.流纹岩

流纹岩样品稀土元素配分模式变化规律极为一致，LREE相对富集，且各元素标化比值分别为：w(La)N/w(Yb)N=4.87～6.63，w(La)N/w(Sm)N=2.07～2.11，w(Gd)N/w(Yb)N=1.60～2.15，表明轻、重稀土内部存在较为明显的分馏过程[37]；Eu的负异常强烈(δEu=0.17～0.20)，具有右倾负斜率稀土元素配分模式(图5b)，说明母岩浆演化过程中发生过斜长石分离结晶作用或地壳岩石部分熔融过程中残余相存在大量斜长石所致[38-39]。流纹岩样品微量元素蛛网图与玄武岩的蛛网图完全不同，蛛网曲线表现为Rb、Th、K、La、Ce、Zr、Hf、Sm等元素的富集，Ba、U、Ta、Nb、Sr、P和Ti元素的亏损，Sr、P、Ti呈现明显亏损，具深的“V”型谷(图6b)；w(Rb)/w(Sr)=2.625～3.046(>0.5)，指示其成因和大陆地壳部分熔融有关[40]；w(Ba)/w(Sr)=2.9～3.4，类似于板内环境伸展构造体制下地壳物质部分熔融的产物。

4 讨论

4.1 关于双峰式火山岩岩石成因

(1)玄武岩成因

双峰式火山岩组合中基性端元玄武岩源于地幔部分熔融的成因模式争议较小。用微量元素比值来判别岩浆源区是比较成熟的方法之一[41]。玄武岩的w(Ta)/w(Yb)=1.69～1.80，w(Th)/w(Yb)=1.69～1.80，w(Rb)/w(Sr)=1.69～1.80，w(Zr)/w(Nb)=1.69～1.80，w(Zr)/w(Y)=1.69～1.80，可知玄武岩为亏损地幔的板内玄武岩特征，与微量元素w(Nb)—w(Zr)图解(图7a)一致，玄武岩源于亏损地幔的部分熔融。矿物相的不同、熔融程度的相异，造成玄武质岩浆的w(Dy)/w(Yb)值有所差异：当w(Dy)/w(Yb)<1.5时为尖晶石地幔源区，w(Dy)/w(Yb)>2.5为石榴子石地幔源区[3,42]。玄武岩的w(Dy)/w(Yb)值介于1.69～1.76之间(均值为1.71)，在w(Dy)/w(Yb)—w(La)/w(Yb)图解中处于石榴子石二辉橄榄岩熔融趋势线以下，尖晶石二辉橄榄岩熔融趋势线以上，部分熔融程度已经接近20%(图7b)，显示该区玄武岩可能是亏损尖晶石相橄榄岩向石榴石相橄榄岩过渡相较高程度部分熔融的产物。

图7 博格达造山带西段双峰式火山岩玄武岩岩石成因判别图解Fig.7 Genetic discrimination diagram of basalt in the bimodal volcanic rock in the west Bogda orogenic belt a.w(Nb)—w(Zr)图解；b.w(Dy)/w(Yb)—w(La)/w(Yb)图解(底图据Miller，1999)； c.w(La)/w(Ba)—w(La)/w(Nb)图解(底图据Miller，1999)

由于地壳岩石或其熔融体中具很低的TiO2和Nb、Ta含量，因此地壳混染作用会导致岩浆中的Ti、Nb、Ta等元素相对亏损，表明源区可能有地壳物质加入[43-45]；幔源玄武质岩浆遭受到大陆地壳物质混染，岩浆中不相容元素如Ba或La就会相对于Nb显著增高，从而w(Ba)/w(Nb)、w(La)/w(Nb)、w(Ba)/w(La)值较高。研究区玄武岩w(Ba)/w(Nb)=11～21、w(La)/w(Nb)=1.4～2.0、w(Ba)/w(La)=5～14，远大于原始地幔(w(Ba)/w(Nb)≈9.00、w(La)/w(Nb)≈0.94、w(Ba)/w(La)≈9.60)和N-MORB(w(La)/w(Nb)≈1.07、w(Ba)/w(Nb)≈4.30、w(Ba)/w(La)≈4.00)，且在微量元素w(La)/w(Ba)—w(La)/w(Nb)图解(图7c)中，样品所投区域均显示岩浆来自于受地壳混染的岩石圈地幔，表明幔源玄武质岩浆在后期上升过程中可能受到一定程度的地壳物质混染，与之前的主量元素讨论得出的结果相吻合；由表1可知，研究区火山岩相容元素Ni(w(Ni)=127.8×10-6～144.32×10-6，均值133.05×10-6)、Cr(w(Cr)=159.44×10-6～301.48×10-6，均值221.08×10-6)含量分别低于判别原始岩浆的Ni(w(Ni)≈250.00×10-6)和Cr(w(Cr)≈300.00×10-6)参数值[46]，与主量元素中Mg#值(Mg#=62.51～63.91)低于判别原始岩浆的Mg#值(Mg#≈65)结果一致，表明玄武岩岩浆在早期演化过程当中可能发生过橄榄石、辉石以及钛氧化物的分离结晶作用。地壳岩石及其熔融体中Nb、Ta含量相对较低和很低的TiO2含量，地壳混染又会致使其在岩浆中含量降低，从而最后出现明显的Nb、Ta、Ti负异常等信息；样品微量元素原始地幔蛛网图(图6a)显示，玄武岩的Ta、Nb元素呈现出“U”型槽亏损及Th和Ti元素的亏损呈现出“V”型谷，表明在玄武岩岩浆作用过程中，受到了地壳物质的混染作用，且没有俯冲流体参与其中[47]。综上，玄武岩岩浆可能来源于亏损的软流圈地幔或轻微富集的地幔，且在演化过程中斜长石没有发生显著的分离结晶或堆晶作用，在上升过程中混入少量的地壳物质从而导致元素的变化。

(2)流纹岩成因

流纹岩的成因模式通常认为有两种，一种是基性端元岩浆结晶分离成因，一种是地壳物质部分熔融成因。基性岩浆结晶分离成因认为玄武岩和流纹岩岩浆皆来自于幔源母岩浆，在分离结晶过程中鲜有陆壳物质加入[48-49]，玄武岩和流纹岩微量元素地球化学特征较为相似[3,50]，且野外玄武岩分布面积较流纹岩大。地壳物质部分熔融成因认为流纹岩岩浆产生于玄武质岩浆底侵作用中的地壳物质部分熔融，在微量元素地球化学特征上二者存在较大的差异。

图8 博格达双峰式火山岩构造环境判别图w(Zr)/w(Y)—w(Zr) 图解(a)、w(Rb)—w(Y+Nb)图解(b)Fig.8 Geotectonic environment discrimination diagram of the bimodal volcanic rocks (a) w(Zr)/w(Y)—w(Zr) and (b) w(Rb)—w(Y+Nb) (a图底据Pearce等，1982；b图底据Pearce等，1984)

由前文可知，样品SiO2含量呈现出基性和酸性两个端元，具有明显的Daly成分间断，且w(K2O)/w(P2O5)和w(K2O)/w(TiO2)值表明二者有明显不同的的源区性质。流纹岩稀土元素总量明显高于玄武岩稀土元素含量，且LREE相对富集，具有强烈的负Eu异常，而玄武岩的Eu为轻微正异常，流纹岩球粒陨石标准化配分图(图5b)具有明显的右倾斜率稀土元素配分模式，整体为平坦的配分模式，对比可知玄武岩和流纹岩缺乏直接的成因联系，流纹岩应该来自玄武岩底侵作用致使地壳物质重熔而成。据Eu的异常可知岩浆源区存在斜长石残留，暗示当时大陆地壳为拉张减薄过渡型地壳结构特征。考虑到双峰式火山岩形成于裂谷发育中晚期，地壳厚度<30 km，厚度减薄，发育断裂有利于岩浆快速上侵，且酸性岩浆极大程度以晶粥体存在[51]，发生分离结晶作用的可能大大降低[52]，甚至都不大可能发生[53]。由其微量元素Sr、Eu等显著亏损及较低的Al2O3含量，可知其流纹岩中大量的斜长石应属于源岩部分熔融过程中残留而来，这与野外实测剖面情况基本一致，符合异源双峰式火山岩分布规律。

4.2 关于双峰式火山岩构造环境

玄武岩样品在w(Zr)/w(Y)—w(Zr)图解(图8a)中，样品均落于板内玄武岩区域，可知其形成于板内环境。高景刚等[54]将柳树沟组划分到晚石炭世；李江涛等在博格达峰南侧识别出晚石炭世辉长岩，认为处于博格达裂谷火山活动的晚期[55]，此辉长岩所侵入层位为石炭世柳树沟组，与笔者所研究双峰式火山岩为同一区域，同一地层，故而在大地构造活动上有高度一致的同步性，结合本文之前论述可知该辉长岩形成的裂谷环境与本文一致。

流纹岩样品在w(Rb)—w(Y+Nb)图解(图8b)中，均落入板内花岗岩区，与玄武岩图解的板内构造环境相一致。结合林晋炎[56]对博格达裂谷沉积层序的研究，依据区域地质背景及岩石地球化学特征和构造环境判别图解，可得知博格达造山带西段博格达峰一带在晚石炭世所处的构造环境及演化阶段为大陆裂谷环境。

结合这些年陆续发现的岩浆活动、不同时期的双峰式火山岩及其相关的大地构造资料[57-72]，进一步证实博格达造山带存在与裂谷演化相关的岩浆活动，双峰式火山岩作用在该背景下发生，在博格达地区晚古生代形成的撕裂型大陆裂谷和古亚洲洋顺着克拉麦里碰撞带斜向对准格尔—吐哈地块发生俯冲紧密相关。

5 结语

(1)新疆博格达造山带西段博格达峰一带出露的火山岩岩性为玄武岩和流纹岩组合，地球化学成分上由基性和酸性两个端元组成，有非常明显的Daly间断，为典型的双峰式火山岩组合特征，形成于大陆裂谷环境，具有板内成因特征，玄武质火山岩来自亏损地幔部分熔融，流纹质火山岩为玄武质上涌底侵热量致使地壳物质部分熔融而成。

(2)博格达造山带存在与裂谷演化相关的岩浆活动，双峰式火山岩作用则在该背景下发生，晚石炭世时期在博格达地区形成的撕裂型大陆裂谷和古亚洲洋顺着克拉麦里碰撞带斜向对准格尔—吐哈地块发生俯冲紧密相关。