伊寧地塊南構造帶早石炭世高鎂安山巖成因及其構造意義

王祚鵬,李永軍,楊高學,李甘雨,李 海

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054; 2. 長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054; 3. 河北地質大學 教學發(fā)展中心，河北 石家莊 050031; 4. 西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

伊寧地塊位于中亞造山帶西南緣，由于其獨特的地理位置和錯綜復雜的構造特征，是探索古亞洲洋俯沖消亡歷史的重要窗口。通過對一系列1∶50 000區(qū)域地質調查工作的對比分析，結合區(qū)域重力和航磁異常特征及已發(fā)表的資料，李永軍等將伊寧地塊以中部近EW向展布的烏孫山—塔勒得大斷裂(W-TF)為界劃分為南、北兩大次級構造帶，本文主要聚焦于伊寧地塊南構造帶的研究。

伊寧地塊南構造帶出露大面積的晚泥盆世—早石炭世巖漿巖，它們的形成與南天山洋的演化密切相關。近年來，雖然學者們對其在高精度年代學、地球化學和同位素等方面開展了較多的研究，但是在巖石成因、形成環(huán)境等方面仍存在爭議。例如，Xia等通過對天山地區(qū)石炭紀火山巖的研究，認為在石炭紀—早二疊世，中國境內的天山和相鄰地區(qū)為大火成巖省，是石炭紀軟流圈物質和早二疊世地幔柱演化所致，因而該時期的巖漿作用與裂谷環(huán)境有關；Xu等對伊寧地塊南構造帶及那拉提一帶花崗巖的研究得出，南天山洋的關閉出現在晚泥盆世—早石炭世，因而之后大體量出露的火山巖漿作用與俯沖碰撞后的板片斷離、加厚巖石圈的拆沉和板內拉張有關。但是，多數學者認為，該地區(qū)晚泥盆世—早石炭世巖漿巖普遍具有弧的特征，是古南天山洋向北俯沖所致，并且在深俯沖過程中出現板片回撤、撕裂及斷離等系列深部地球動力學過程?？傊@些爭議的存在一定程度上限制了對整個伊寧地塊構造演化的深入理解。

高鎂安山巖以具有高MgO含量或高Mg/Fe值為典型特征，是現代地球上出露少但具有特殊構造指示意義的一類巖石類型，其巖石成因與高溫體制下洋殼俯沖熔融有關，是解決構造環(huán)境爭議最有力的證據之一。近年來，隨著研究的不斷開展，課題組在伊寧地塊南構造帶特克斯縣科克蘇林場一帶新發(fā)現了早石炭世高鎂安山巖。本文對其做了詳細的野外地質調查和室內分析工作，并結合相關區(qū)域資料，探討了伊寧地塊南構造帶在該時期的大地構造背景，以期豐富該地區(qū)的巖石類型，為解決區(qū)域構造環(huán)境爭議提供參考。

1 研究區(qū)地質背景及巖石學特征

右上角小圖中，BF為博羅科努斷裂,NNF為那拉提北緣斷裂,W-TF為烏孫山—塔勒得斷裂圖1 伊寧地塊科克蘇林場一帶地質簡圖和實測地質剖面Fig.1 Simplified Geological Map of Kekesu Linchang Area and Surveyed Geological Section in Yining Block

研究區(qū)位于伊寧地塊南構造帶特克斯縣東南部科克蘇林場一帶[圖1(a)]。區(qū)內出露地層相對單一且存在沉積間斷，從下至上依次為薊縣系科克蘇群、青白口系庫什臺群、下石炭統大哈拉軍山組、下石炭統阿克沙克組及新生代地層?？瓶颂K群和庫什臺群為一套區(qū)域中高溫動力變質巖系，巖性包括石英巖、厚層亮晶灰?guī)r、大理巖、白云巖及少量變礫巖，可見疊層石(sp.、for.)。區(qū)內出露的早石炭世地層整體北傾，部分地段因受后期構造應力作用而南傾，出現縱彎褶皺及次生斷層。其中，大哈拉軍山組在區(qū)內出露最多，可劃分為上、下兩段；下段巖性有灰色—深灰色玄武安山巖、安山巖、英安巖及少量凝灰?guī)r，厚度約為250 m，而上段主要以大套深灰色安山玢巖為主，含少量玄武巖、英安巖、流紋斑巖及火山碎屑巖，厚度可達1 700 m，與下伏青白口系庫什臺群之間呈斷層或角度不整合接觸關系。阿克沙克組出露面積有限，主要巖性可見灰白色厚層狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及少量粉砂巖(呈夾層出現)，含有sp.、sp.等化石，整體反映的是一種濱淺海相富氧環(huán)境，與下伏地層之間為角度不整合接觸。此外，研究區(qū)南部出露少量二疊紀花崗斑巖。

李婷等對該地區(qū)大哈拉軍山組底部的玄武安山巖樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，獲得了Pb/U加權平均年齡為(359±2)Ma，表明其產于早石炭世早期；茹艷嬌對上部火山巖中的流紋質玻屑凝灰熔巖采用同樣的定年方法，獲得了Pb/U加權平均年齡為(359±3)Ma，同樣證明該組火山巖形成于早石炭世早期。因此，科克蘇林場一帶大哈拉軍山組火山巖為早石炭世早期火山爆發(fā)產物。

基于前人研究，本次對該地區(qū)大哈拉軍山組火山巖開展詳細野外地質調查及剖面測制工作。調查顯示：大哈拉軍山組與下伏庫什臺群、上覆阿克沙克組均為角度不整合接觸關系，層面整體北傾；區(qū)內巖石類型主要為中性安山巖類，含有少量玄武巖及火山碎屑巖；這些巖石出露體量大，沿著山前呈帶狀展布。對出露最廣泛的安山(玢)巖采集了相關配套分析樣品[圖1(b)和圖2(c)]。

安山(玢)巖風化面顏色為灰色，新鮮面顏色為深灰色，具斑狀結構、塊狀構造[圖2(a)、(b)]。巖石由斑晶和基質組成。斑晶主要為斜長石(體積分數為28%)和普通輝石(7%)。其中，斜長石呈半自形、自形板狀，大小不一，粒徑為0.9～1.3 mm，聚片雙晶發(fā)育，表面具微弱絹云母化；普通輝石為半自形短柱狀，粒徑為0.2～1.8 mm，裂理發(fā)育，部分發(fā)生綠泥石化或碳酸鹽化?；|具玻晶交織結構或安山結構，由斜長石(體積分數為50%)和玻璃質(15%)組成。其中，斜長石呈半自形、自形極細板條狀，粒度小于0.01 mm×0.04 mm，呈雜亂半定向排列；而玻璃質充填于其中且已脫玻蝕變?yōu)榫G泥石和碳酸鹽；此外，可見少量副礦物，如磁鐵礦等。

Pl為斜長石；Aug為普通輝石；Am為角閃石圖2 高鎂安山巖野外照片及顯微鏡下圖像Fig.2 Field Photos and Photomicrographs of High-Mg Andesite

2 分析方法

本次研究對伊寧地塊南構造帶安山巖樣品進行了主量、微量元素分析，測試工作主要在長安大學國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成。其中，全巖主量元素采用X射線熒光光譜法(XRF)分析，微量元素采用ICP-MS分析。在分析過程中，SiO、AlO、TiO、FeO含量分析誤差為1%～2%，MgO和其他主量元素含量誤差不超過3%；各類微量元素的不確定性不超過2%。詳細操作步驟見文獻[12]。

3 結果分析

3.1 主量元素特征

本次研究在伊寧地塊南構造帶科克蘇林場一帶大哈拉軍山組火山巖中采集了7件全巖樣品[采樣位置見圖1(b)，分析結果見表1]，并結合前人已發(fā)表的13件樣品，分析該地區(qū)火山巖的巖石成因及產出環(huán)境。由于這些火山巖多發(fā)育氣孔、杏仁構造，氣孔中充填碳酸鹽等富揮發(fā)性物質，所以燒蝕量大。鑒于此，在本文數據分析時，重新百分化因后期碳酸鹽充填而導致不合理的分析數據。

表1 高鎂安山巖主量、微量和稀土元素分析結果Table 1 Analysis Results of Major, Trace and Rare Earth Elements of High-Mg Andesite

續(xù)表 1

全巖地球化學數據顯示：科克蘇林場一帶大哈拉軍山組安山巖樣品的SiO含量(質量分數，下同)變化范圍大，為53.20%～60.98%，具有高的TiO含量(0.86%～1.34%，平均值為1.13%)、AlO含量(14.60%～19.11%，平均值為16.80%)、MgO含量(2.40%～5.66%，平均值為4.17%)和NaO含量(2.04%～4.61%，平均值為3.38%)，低的KO含量(0.91%～3.58%，平均值為1.60%)和PO含量(0.19%～0.32%，平均值為0.26%)；在TAS圖解中，樣品落入玄武質安山巖至安山巖區(qū)域[圖3(a)]。鑒于部分樣品燒失量(LOI)較大，本次研究采用強抗蝕變元素投圖，發(fā)現樣品均落入安山巖區(qū)域[圖3(b)]，因此，綜合判別其為安山巖。此外，所有樣品的里特曼指數(0.92～3.45)和Mg值(37～58)較小，表現出中—高鉀鈣堿性系列巖石特征。

圖(a)底圖引自文獻[14]；圖(b)底圖引自文獻[15]圖3 高鎂安山巖TAS圖解和Nb/Y-Zr/TiO2圖解Fig.3 Diagrams of TAS and Nb/Y-Zr/TiO2 of High-Mg Andesite

3.2 微量元素特征

安山巖樣品的稀土元素總含量變化范圍大，為(93.55～188.70)×10(平均值為136.20×10)，(La/Yb)值為4.2～8.1，(La/Sm)值為1.9～3.1，(Gd/Yb)值為1.5～2.1，表明富集輕稀土元素而顯著虧損重稀土元素，并且輕稀土元素內部分異程度總體大于重稀土元素。球粒隕石標準化稀土元素配分模式[圖4(a)]整體右傾，顯示負的Eu異常(0.64～0.87)，可能與斜長石的分異或作為源區(qū)殘留相礦物有關；在原始地幔標準化微量元素蛛網圖[圖4(b)]中，K、Ba、Th、U、Pb等大離子親石元素富集，而Nb、Ta、Ti、P等高場強元素相對虧損，顯示出俯沖帶巖漿巖的地球化學印記。此外，樣品含有高的Sr含量(平均值為397.0×10)、Y含量(27.9×10)，以及低的Ni含量(14.9×10)、Co含量(25.8×10)。

ws為樣品含量；wp為原始地幔含量；wc為球粒隕石含量；球粒隕石和原始地幔標準化值引自文獻[16]；西準噶爾別魯阿嘎希贊岐巖數據引自文獻[17]；同一圖中相同線條對應不同樣品圖4 高鎂安山巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式和原始地幔標準化微量元素蛛網圖Fig.4 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of High-Mg Andesite

此外，科克蘇林場一帶高鎂安山巖在形成過程中呈現出顯著的分離結晶趨勢，具體表現在：①在La/Sm-La圖解中，隨著La含量的增加，La/Sm值很小，表明分離結晶在巖漿演化過程中起著重要作用；②在哈克圖解(圖5)中，TiO、AlO、MgO、FeO、PO含量隨著SiO含量的增加而降低，成負相關關系，暗示有單斜輝石、角閃石、斜長石及磷灰石等礦物的分離；③明顯的Eu負異常[圖4(a)]進一步證明出現了斜長石的分離結晶。

圖5 高鎂安山巖哈克圖解Fig.5 Harker Diagrams of High-Mg Andesite

4 討 論

4.1 巖石類型及成因

圖(a)底圖引自文獻[29]；圖(b)、(c)底圖引自文獻[20]；西準噶爾別魯阿嘎希贊岐巖數據引自文獻[17]圖6 高鎂安山巖判別圖解Fig.6 Discriminant Diagrams of High-Mg Andesite

圖(a)、(c)底圖引自文獻[30]；圖(b)底圖引自文獻[31]圖7 高鎂安山巖成因圖解Fig.7 Petrogenesis Diagrams of High-Mg Andesite

與正常安第斯型安山巖相比，本次采集的安山巖樣品含有高的MgO含量(2.40%～5.66%，平均值為4.39%)、SiO含量(53.20%～60.98%)，具有與高鎂安山巖相似的地球化學特征[圖6(a)]。高鎂安山巖以具有高MgO含量或高Mg/Fe值為典型特征，是現代地球上出露少但具有特殊構造意義的一類巖石。Kamei等根據不同地球化學特征，將高鎂安山巖分為贊岐質、玻安質、埃達克質和巴哈質高鎂安山巖4種類型。多數情況下，贊岐質高鎂安山巖的巖石成因與地幔橄欖巖、硅質熔體的平衡反應有關，這種硅質熔體則來自大洋巖石圈或俯沖帶沉積物的部分熔融。地球化學特征方面，贊岐質高鎂安山巖強烈富集大離子親石元素和輕稀土元素，含有低的重稀土元素含量和高的Ni、Cr含量；玻安質高鎂安山巖以高的SiO、MgO含量和非常低的TiO含量為特征，通常產于俯沖帶之上的虧損型難熔地幔的含水部分熔融；在球粒隕石標準化稀土元素配分模式中，其顯示U型配分特征。目前報道的玻安質高鎂安山巖多數與弧前盆地有關，部分產于島弧分裂或弧后盆地的萌芽階段；埃達克質高鎂安山巖具有高的SiO和Sr含量、低的Y和Yb含量，通常來自俯沖大洋巖石圈的部分熔融，有少量地幔楔橄欖巖的混入；巴哈質高鎂安山巖較為特殊，含有異常高的Sr含量(>1 000×10)、Ba含量(>1 000×10)和K/Rb值(>1 000)，多形成于地幔橄欖巖和俯沖板片硅質熔體的非平衡反應?？傊?，無論何種高鎂安山巖，其巖石成因與板塊匯聚環(huán)境下俯沖帶物質、上覆地幔楔的混合作用有關，俯沖帶物質除了常見于弧環(huán)境下的流體外(如Sr、K、Rb、Ba、Th等富集)，還有俯沖帶沉積物部分熔融或者俯沖洋殼熔融的產物加入。

科克蘇林場一帶高鎂安山巖樣品表現出明顯高的TiO含量(0.86%～1.34%)、相對低的MgO含量、Sr含量((233～532)×10)、Ba含量((206～643)×10)，表明其不同于玻安質和巴哈質高鎂安山巖。同時，這些火山巖樣品具有高Y含量((19.2～38.4)×10)、Yb含量((1.80～4.10)×10)，低Sr/Y值(7.4～22.1)、La/Yb值(6.2～12.0)的特征，排除了埃達克質高鎂安山質巖漿的可能性。相反，他們具有相對富集的大離子親石元素和輕稀土元素，低的重稀土元素含量，與贊岐質高鎂安山巖的地球化學特征相似[圖6(b)、(c)]。并且，本次分析的高鎂安山巖與已報道的伊寧地塊阿騰套山、西準噶爾別魯阿嘎希地區(qū)的贊岐巖具有一定相似性(圖6)。因而，科克蘇林場一帶安山巖應為贊岐質高鎂安山巖。

4.2 構造意義

晚泥盆世—早石炭世巖漿巖的構造屬性在整個伊寧地塊南構造帶的演化過程中扮演著重要的角色，有島弧與裂谷之爭，但主流觀點趨向于前者。前已述及，科克蘇林場一帶火山巖具有贊岐質高鎂安山巖的特征，這類巖石在現代地球上出露少但具有特殊構造指示，其形成與高溫體制下洋殼俯沖熔融有關。因此，科克蘇林場一帶的早石炭世火山巖是南天山洋在伊寧地塊南構造帶之下向北俯沖的產物。

從區(qū)域角度出發(fā)，本文將伊寧地塊南構造帶晚泥盆世—早石炭世巖漿巖的地球化學數據做了統計分析。結果顯示：該時期巖漿巖的形成均與俯沖匯聚環(huán)境有關(圖8)，其地球化學特征具有富集大離子親石元素(如Rb、Ba、Th、U、Pb)，虧損高場強元素(特別是Nb、Ta、Ti)的特征；并且，在巖石組成方面，火山巖以安山巖居多，其次為英安巖、流紋巖及少量玄武巖，整體以鈣堿性系列火山巖為主；侵入巖以大面積出露的花崗質巖石為主，僅有少量基性巖脈體，并且鈣堿性、高鉀鈣堿性I型花崗巖占主體，如王博等報道的喀勒斯峻和科克蘇河早石炭世I型花崗巖等。研究證實：大體量出露的安山巖及中—高鉀鈣堿性I型花崗巖類主要在陸緣弧帶發(fā)育，如南美洲科迪勒拉山廣泛出露的該類巖石等。因此，從巖石組合及地球化學特征可以顯著排除該時期的裂谷地幔柱假說，這是因為產于地幔柱環(huán)境下的巖漿巖以基性巖漿為主，如塔里木、峨眉山及西伯利亞大火成巖省等。并且，伊寧地塊南構造帶內已有特殊構造指示意義的巖漿記錄，如347～343 Ma的烏孫山庫勒薩依埃達克巖、344 Ma的烏孫山南麓富鈮玄武巖、346 Ma的阿騰套山贊岐質高鎂安山巖等；這些特殊巖漿組合與俯沖帶流體或熔體、上覆地幔楔的相互反應有關，是典型弧巖漿的證據。

圖(a)、(b)底圖引自文獻[55]；圖(c)、(d)底圖引自文獻[56]；晚泥盆世巖漿巖數據引自文獻[7]、[51]和[52]圖8 伊寧地塊南構造帶晚泥盆世—早石炭世巖漿巖構造環(huán)境判別圖解Fig.8 Tectonic Setting Discriminant Diagrams of Late Devonian-Early Carboniferous Magmatic Rocks in the Southern Tectonic Belt of Yining Block

此外，石炭紀沉積地層及區(qū)域不整合構造也支持上述觀點。區(qū)域地層資料顯示，在伊寧地塊下石炭統阿克沙克組與上石炭統伊什基里克組之間存在一區(qū)域性角度不整合，此角度不整合所代表的區(qū)域性構造運動被李永軍等命名為“鄯善運動”，主要體現在上、下兩套地層之間在巖石組合、生物面貌、產出環(huán)境、構造樣式等方面存在明顯差異。例如，阿克沙克組總體為一套海相、海陸交互相碳酸鹽巖-碎屑巖建造，包含豐富的腕足、珊瑚、孢粉等化石，構造形變強烈，多以復雜的不協調褶曲為主；上覆伊什基里克組為一套陸內雙峰式火山巖建造，整體構造形變微弱，以寬緩的向斜構造為主。特別是在該兩套地層之間存在10～32 cm的古風化殼，其上可見厚度不一的底礫巖與火山角礫巖或火山彈混雜堆積，為區(qū)域地質構造運動的典型代表。因此，區(qū)域性角度不整合的存在表明伊寧地塊的主體造山運動發(fā)生在早、晚石炭世之間。

綜上所述，伊寧地塊南構造帶晚泥盆世—早石炭世巖漿巖的形成與南天山洋向北俯沖有關。本文贊岐質高鎂安山巖的發(fā)現為其提供了有力證據。

5 結 語

(1)伊寧地塊南構造帶科克蘇林場一帶發(fā)育大量早石炭世火山巖，巖石類型主要以中性安山巖類為主，含有少量玄武巖及火山碎屑巖。

(2)全巖主量元素特征顯示，安山巖樣品含有高的MgO、TiO、AlO含量和Mg值，低的PO含量，呈現出中—高鉀鈣堿性系列巖石特征；微量元素顯示，樣品具有高的(La/Sm)和(Gd/Yb)值，表現出富集輕稀土元素而顯著虧損重稀土元素的特征，并且輕稀土元素內部分異程度總體大于重稀土元素；結合高的Y、Yb含量，低的Sr/Y、La/Yb值，樣品呈現出贊岐質高鎂安山巖的地球化學特征。

(3)這些贊岐質高鎂安山巖的形成與高溫體制下南天山洋殼向北俯沖熔融有關。本文贊岐質高鎂安山巖的發(fā)現，進一步證實了伊寧地塊南構造帶晚泥盆世—早石炭世仍然為與弧有關的俯沖環(huán)境。

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