西天山吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩地球化学特征及构造意义

夏换，陈根文，刘群，罗勇

(1.中国科学院广州地球化学研究所，广东广州510640;2.中国科学院研究生院，北京100049)

西天山吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩地球化学特征及构造意义

夏换1，2，陈根文1，刘群1，2，罗勇1，2

(1.中国科学院广州地球化学研究所，广东广州510640;2.中国科学院研究生院，北京100049)

吐拉苏盆地大哈拉军山组由两组火山岩组成，一组为玄武安山岩、安山岩，SiO2含量介于54.8%～59.4%之间，另一组为流纹岩，SiO2含量为70.6%～74.1%，两组岩石具有相似的稀土和微量元素分配型式，均富集U、Th、K、Pb，而亏损Nb、Ta和Ti，同时两组岩石的一些微量元素对比值基本一致，表明流纹岩是本区玄武安山质岩浆结晶分异形成，初始岩浆可能是由受俯冲流体交代的地幔部分熔融，同时岩浆上升过程中受到上覆地壳混染作用。根据岩石地球化学特征，结合区域大地构造位置及大哈拉军山组形成的时间分析，推测吐拉苏盆地大哈拉军山组形成于大陆边缘岩浆弧。

大哈拉军山组;地球化学;吐拉苏盆地;西天山

0 引言

下石炭统大哈拉军山组广泛分布于伊犁盆地两侧及博罗科努山一带，为一套中基性、酸性为主的火山岩建造。很多学者针对不同地区的大哈拉军山组火山岩进行过地质、地球化学及定年研究(沙德铭等，2003;杨志华等，2004;夏林圻等，2004;朱永峰等，2005，翟伟等，2006)，但目前学术界对大哈拉军山组的时代以及大地构造背景还存在很大争议。其形成时代可以从晚泥盆世(朱永峰等，2005;翟伟等，2006)、早石炭世(刘友梅等，1994;朱永峰等，2006a，2006b;张芳荣等，2009;李永军等，2007，2009，2010)到杨志华等(2004)根据其中发现的鱼化石确定的三叠纪-侏罗纪。在产出构造背景方面，也存在大陆裂谷环境 (王广瑞，1996;夏林圻等，2002)、地幔柱有关的裂谷环境(夏林圻等，2004)、岛弧环境(朱永峰和何国琦，2004;朱永峰等，2005;郭璇和朱永峰，2006;邵铁全等，2006;孙林华等，2007)、大陆弧(王博等，2006)、非典型裂谷(钱青等，2007)等的争论。就其原因，可能与不同学者在不同地区的取样是否同一层位、或者不同地区的构造环境本身存在差异所致。由于吐拉苏火山盆地紧邻伊犁微板块北缘的博罗科努古生代岛弧带(图1)，吐拉苏盆地大哈拉军山组成为研究西天山古生代构造演化及北天山地区俯冲作用有关的壳幔物质相互作用的重要对象。同时大哈拉军山组是西天山重要的含矿层位，火山岩与成矿关系密切，查明其形成构造背景，对研究西天山地质演化及探讨其成矿规律具有重要意义。本文作者着重从岩石地球化学角度对盆地中大哈拉军山组进行了系统研究，试图为大哈拉军山组的构造与岩石成因提供更多的资料与地球化学约束条件。

1 吐拉苏盆地大哈拉军山组地质特征及样品描述

本次研究的样品主要来源于吐拉苏盆地内伊尔曼德金矿区、阿希金矿区及外围的大哈拉军山组剖面。盆地内大哈拉军山组底部在伊尔曼德金矿与泥盆系灰岩呈不整合接触，顶部被阿恰勒河组含火山组分的碎屑岩及碳酸盐岩不整合覆盖，地质界限十分清楚。吐拉苏盆地内的大哈拉军组可分为五个岩性段，从下到上依次为:角砾岩段、酸性凝灰岩、下安山岩段、安山质角砾岩段和上安山岩段。角砾岩段的岩性主要为灰色或紫红色砾岩夹砂岩，基质发育绿帘石化，可细分为砾岩层和砂岩层。酸性凝灰岩段主要为一套凝灰质角砾岩、角砾熔岩、晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩。晶屑以石英、长石为主，呈斑状，它形，颗粒粗大(1～5mm)，基质为火山灰物质，长石晶屑因高岭土化呈灰白色，含量占20%左右;石英含量占10%左右，局部石英晶屑多于长石。其间夹钙质砂岩、砂砾岩、凝灰质砾岩、凝灰质角砾岩层。下安山岩段由辉石安山岩组成。安山质角砾岩段包括下部熔结凝灰岩层、凝灰砂岩层、霏细斑岩层及上部熔结凝灰岩层。样品大部为紫红色、灰黑色或灰绿色，斑状结构，块状构造，斑晶主要由辉石和斜长石组成，半自形-自形，野外记录为紫红色安山岩，灰色流纹岩，黑色安山熔岩，黄褐色块状安山质熔岩等。镜下具有典型的斑状结构，斑晶含量12%～20%，大小为0.3×0.5mm，主要组成矿物为斜长石、角闪石及碱性长石，含有少量绿泥石。上安山岩段由安山岩、安山质火山碎屑岩及中酸性、酸性熔岩组成。本次分析的样品 YM10-1、YM11、YM20、YM21采自伊尔曼德金矿区大哈拉军山组酸性凝灰岩段，YM09、YM10、YM13、YM14 和 YM19 采自下安山岩段，其它样品采自上安山岩段。样品基本上代表了大哈拉军山组火山岩的发育情况。

图1 西北天山吐拉苏盆地区域地质图(据贾斌等，2004修改)Fig.1 Simplified geological map of the Tulasu basin in northwest Tianshan

2 分析过程及岩石地球化学特征

岩石样品经清除表面杂质后破碎成岩屑，在前处理实验室用纯净水反复冲洗至清后用5%的盐酸溶液浸泡10分钟，加入去离子水在超声波洗槽中清洗15分钟，并重复2～3次。样品经烘干后用玛瑙研钵磨至200目供化学分析。主量元素和微量元素分析在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室分别采用X射线荧光法(XRF)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)完成，主量元素分析精度大多数优于5%，微量元素分析精度大多优于8%。具体测试流程参见Qi et al.(2000)。

大哈拉军山组火山岩主微量元素分析结果见表1。

图2 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩TAS图解Fig.2 TAS diagram of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin

表1 大哈拉军山火山岩主量(%)和微量元素组成(μg/g)Table 1 Major and trace elements compositions of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks

在吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩的TAS图上(图2)，大哈拉军山组火山岩包括中基性的玄武安山岩、安山岩、粗安岩和流纹岩。其中玄武安山岩SiO2含量在54.8%～56.9%之间，Na2O和 CaO的含量分别为 2.42%～4.14% 和 5.12%～8.40%，P2O5、MgO、Fe2O3和 Al2O3含量为 0.12%～0.20%、2.84%～5.98%、4.86%～8.20% 和12.65%～18.17%，全碱含量(Na2O+K2O)为3.30%～4.82%。安山岩、粗安岩的SiO2含量在57.0%～59.4%之间，Na2O和CaO的含量变化较大，TiO2和P2O5含量分别为 0.68%～0.84% 和0.16%～0.22%，MgO、Fe2O3、Al2O3含量接近于玄武安山岩，但普遍偏高，全碱含量(Na2O+K2O)为3.21%～7.55%。流纹岩的SiO2含量较稳定，为70.6%～74.1%，样品中CaO的含量为0.50%～2.11%，全碱含量(Na2O+K2O)为5.21%～7.74%。在哈克图解上(图略)，中基性岩与酸性岩在SiO2与MgO、SiO2与CaO及SiO2与K2O之间表现出较好的线型关系。Mg#(100Mg/(Mg+∑Fe))值明显低于判别原始岩浆的参数值65(Wendlandt et al.，1995)，说明岩浆发生过结晶分异。

岩石的稀土配分模式表明(图3)，安山岩、粗安岩与流纹岩具有较弱-明显的Eu负异常，而玄武安山岩则无明显的Eu异常。所有样品均无Ce异常或具有微弱 Ce正异常(δCe=1.24～1.35)。在稀土配分图上，除了流纹岩具有较明显的Eu亏损外，几类岩石的稀土配型式基本一致。

除流纹岩外，其他岩石的过渡元素 Sc、Ti、V、Cr、Co、Ni含量基本相同，Sc、Ti、V 和 Co 的含量相对较稳定，其值分别为 10～30μg/g，0.36～0.58μg/g，85～192μg/g和 14～35μg/g，而 Cr和Ni的含量变化较大，其值分别为68～310μg/g和6～113μg/g。流纹岩的 Sc、Ti、V、Cr、Ni含量相对其它岩石要低，其值分别为2.33～3.71μg/g，0.14～0.16μg/g，11.5～15.2μg/g，4.55～8.99μg/g 和2.5～5.1μg/g，但 Co的含量相差不大，值为 8.44～13.3μg/g，Ni含量变化很大，从 2.53μg/g 到113μg/g之间变化，明显低于原始岩浆的250μg/g，而Cr的含量为4.55～310μg/g，除少量样品接近原始岩浆含量(300μg/g)外，其余大部分样品都远低于原始岩浆的Cr含量。

所有样品都具有明显的Nb、Ta亏损，并且在微量元素分配上酸性岩与中基性之间表现出非常好的一致性(图4)，其中酸性岩具有明显的Sr亏损，Sr、Eu亏损表明岩浆曾在低压下经历过斜长石的分离结晶。

3 讨论

3.1 岩浆演化过程

本区两套岩石具有相似的稀土配分型式及微量元素分布特征，说明两者之间可能具有同源性。同时，在哈克图解上(图略)，中基性岩与酸性岩在SiO2-MgO、SiO2-CaO及SiO2-K2O之间表现出较好的线型关系，也说明区内的酸性岩可能是由中基性岩通过AFC过程演化形成的。

图3 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩的稀土元素分布模式(球粒陨石数据值据Evensen et al.，1978)Fig.3 Chondrite normalized REE patterns of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin(chondrite values from Evensen et al.，1978)

图4 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩微量元素蛛网图(原始地幔数据值据Sun and McDonough，1989)Fig.4 Trace element spidergrams of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin(primitive mantle values from Sun and McDonough，1989)

这样的线性关系还表现在Nb-Ta、Th-Ta、Ce-Nb、Zr-Hf的关系上(图5)。由于这几个元素对具有相似的地球化学性质，它们在部分熔融和结晶分异过程中不会发生明显的分异，这些元素间的比值特征基本代表了源岩的特征。因此如果大哈拉军山组的几类火山岩在 Nb-Ta、Th-Ta、Ce-Nb、Zr-Hf的关系图上位于同一直线上，那么它们可能是同源岩浆演化形成。

另外，岩浆在上升过程中可能还受到地壳物质同化混染的影响。地壳物质的加入可以同时引起Sr、La/Nb、Nb/Ta、La/Yb 值快速增加，表现在 La/Nb-Sr和Nb/Ta-La/Yb图上将形成正相关的线型关系。将本区不同类型的岩石投在图6上，可以看出本区玄武安山岩及安山岩的 La/Nb-Sr、Nb/Ta-La/Yb之间表现出比较明显的正相关，表明这些岩石还受到过一定程度的同化混染作用(Mecdonald et al.，2001;Barker et al.，1997)。

3.2 岩石源区特征

本区岩石一个显著的特征是明显亏损Nb、Ta、Ti等元素。一般认为，至少有三种情况可以形成这种亏损，一是发生部分熔融的残余地幔，通常在早期熔融时亏损Nb、Ta、Zr与Ti;二是由于俯冲交代作用使俯冲板片脱水，这些向上运动的水含有活动可溶性大的元素如K、Rb、Cs等，而LREE不活动，因此在溶液中含量低，这些流体交代上地幔楔时，LILE表现为明显富集，LREE仍亏损。但当俯冲板片与地幔楔一起熔融，或两者的熔体混合时，LILE和LREE都富集，而相对难熔的Nb、Ta就会表现为亏损;第三种情况是陆壳长英质岩石熔融同样可以形成具有低Nb、Ti特征岩浆。地幔在演化过程中对元素Th和Ta的影响相当，而在受俯冲带流体影响的地幔楔中，Th与Ta会发生分异，Th会较强富集在岩浆中(Wilson，1989)，从而形成较原始地幔更高的Th/Ta比值。本区岩浆岩的Th/Ta比值为5.36～9.83，明显高于原始地幔的比值。考虑到本区岩石形成于弧后背景的条件，我们认为源区岩浆可以是由受俯冲流体交代的地幔部分熔融，同时岩浆上升过程中受到上覆地壳混染作用。通过Nb/Yb-Th/Yb构成的图解(图7)可以很好地反映岩浆源区受俯冲流体影响，原始地幔或亏损的岩浆通常形成于图中的MORB分布区，而受俯冲流体影响的地幔源岩浆分布在MORB的上部，本区几类岩石均投影在MORB分布区的上方，说明大哈拉军山组火山岩形成于受俯冲板片释放流体交代的富集地幔熔融。

图5 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩Nb-Th、Th-Ta、Zr-Hf和Th-Hf相关关系图Fig.5 Nb-Th，Th-Ta，Zr-Hf and Th-Hf diagrams of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin

图6 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩La/Nb-Sr和Nb/Ta-La/Yb图解Fig.6 La/Nb-Sr and Nb/Ta-La/Yb diagrams of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin

图7 吐拉苏盆地大哈拉军山组的Th/Yb-Nb/Yb图解(据Pearce and Peate，1995)Fig.7 Th/Yb-Nb/Yb diagram of the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin

一些性质相近的元素对的特征常常是揭示岩石源区性质的重要手段，如Nb与Ta、Th与Ta、Zr与Nb、Th与U等。由于这些元素在地幔部分熔融过程中只有很小的变化，在岩浆分离结晶过程基本不变。因此它们的比值基本上与源区相近，从而可以利用这些元素对的比值特征来示踪火成岩的源区。表2列出了吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩部分元素对的比值。通过与原始地幔、大陆地壳及正常大洋中脊玄武岩的比值对比可以发现本区几类岩石的元素比值相近，但与原始地幔及N-MORB相比相差较大，而与陆壳比值更为相近。从这些比值特征可以推断岩浆受过明显的陆壳物质的混染。本区的绝大部分岩石的 Nb/Ta值(11.5～18.1，平均 14.0)均低于原始地幔的比值(17±2)，通常认为是由于在俯冲带上下插洋壳脱水作用产生一个上升的流体相，该流体相与金红石平衡时，金红石对Ta分配系数Drut/fTa(=160)明显小于金红石对Nb的分配系数(=200)，形成一个富Nb金红石难熔相(以金红石榴辉岩出现)，和一个相应的富Ta、Th流体，这一流体长期作用于上覆岩石圈板块，使其 Nb/Ta、Zr/Hf比下降。

3.3 构造环境

西天山地区大哈拉军山组分布广泛，不同学者针对不同区域内的岩石进行过研究，形成了不同的认识。特别是大哈拉军山组的构造环境问题一直存在着较大的争论:有学者认为是与裂谷作用有关的“双峰式”火山岩系(王广瑞，1996;夏林圻等，2002;钱青等，2007);有学者认为是和地幔柱有关的裂谷火山岩(夏林圻等，2004);也有学者认为该套火山岩属于岛弧环境的产物(朱永峰和何国琦，2004;朱永峰等，2005;郭璇和朱永峰，2006;孙林华等，2007)。

微量元素地球化学研究表明，吐拉苏盆地大哈拉军山组火山熔岩的显著特征是，几乎所有的岩石均表现出大离子亲石元素和轻稀土元素明显富集，同时所有样品的高场强元素(Nb、Ta和Ti)明显亏损(图3)，Pb明显富集，显示其形成与大洋板块俯冲作用有关(Innocenti et al.，2005)。大哈拉军山组几类熔岩均具较高的La/Nb值，也显示出其形成与板块俯冲过程有关(Condie，2003)。从Zr/Hf和Sr/Y比值变化范围看，吐拉苏盆地火山岩具有与Kamchatka-Aleutian岛弧火山岩相似的特征(图略)。在Th-Hf-Ta三角判别图解中，吐拉苏盆地大哈拉军山组火山熔岩的投影点相对集中，均落投在D区下半部(图8)，反映了一致的汇聚(岛弧)大地构造背景，岩石具有岛弧钙碱性火山岩的特征(Doebrich et al.，2007)。图8显示样品有从岛弧型拉斑玄武岩向钙碱性玄武岩演化的线性趋势，表明这些火山岩可能形成于会聚板块边缘，即与俯冲作用有关的岩浆弧环境。在不相容元素Yb标准化的Th-Nb坐标系(图7)中，大部分玄武安山岩样品落在大陆边缘岩浆弧火山岩和大洋岛弧火山岩的重叠区域，但明显偏向大陆边缘弧区域。粗安岩和安山岩样品及两个流纹岩样品投影于大陆边缘弧火山岩区域，另外还有1个流纹岩样品由于过高的Th含量而投影于偏向大陆边缘弧火山岩的区域，表明它具有大陆火山弧亲缘性。

表2 大哈拉军山组火山岩与典型源区的元素对比值对比Table 2 Trace element ratios for the Dahalajunshan Formation volcanic rocks and comparison with different sources

3.4 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩与西天山其它地区对比

图8 吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩的Hf-Th-Ta判别图解(据 Wood，1980)Fig.8 Hf-Th-Ta discrimination diagram for the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the Tulasu basin

西天山地区的下石炭统大哈拉军山组分布广泛，除本研究区外，阿吾拉勒山、新源县城南、特克斯、莫合尔、拉尔敦等地也存在典型剖面(杨志华等，2004;郭璇和朱永峰，2006;李注苍等，2006;孙林华等，2007)。从沉积盆地环境看，靠近博罗科努山岩浆弧的地区，大哈拉军山组形成于陆相盆地中，如博罗科努山-别珍套山、吐拉苏盆地等，而远离岩浆弧区向南沉积盆地逐渐变化为海陆交互相及海相环境。据自治区1∶5万区调资料确定的早石炭世大哈拉军山组岩石组合进行对比，发现大哈拉军山组存在海相、海陆交互相及陆相沉积。海相的大哈拉军山组主要分布于昭苏县夏特-特克斯县大哈拉军山-和静县快奎乌松河一带及伊什基里克山西部夏克尔玛和新源县阿克塔斯等地区，岩石组合主要为一套基、中、酸性的火山岩，夹少量正常碎屑岩和灰岩透镜体，与上覆阿克沙克组为不整合接触。海陆交互相的大哈拉军山组分布于新源县南的那拉提山北坡，向东到玉希莫勒盖达坂及巩乃斯林场北，向西到科克苏河及库什台地区，岩石组合是一套以中、酸性为主的火山岩，夹少量玄武岩、正常碎屑岩和灰岩透镜体，与上覆阿克沙克组、艾肯达坂组为不整合接触，与下伏蓟县系科克苏群为断层接触。

随着大哈拉军山组研究的深入，我们可以比较清楚地勾勒出西天山北带晚古生代的构造轮廓。从靠近博罗科努山岩浆弧向南依次分布有吐拉苏地区、阿吾拉勒山、新源县南、特克斯地区及昭苏北的大哈拉军山组火山岩。本次研究表明，吐拉苏地区在大哈拉军山期仍具有岩浆弧的特征。另一些研究者(李注苍等，2006;朱永峰和何国琦，2004;朱永峰等，2005;郭璇和朱永峰，2006;赵振华等，2004)认为阿吾拉勒山一带大哈拉军山组火山岩中酸性钙碱性大陆边缘岛弧火山岩，为板块俯冲造山带构造环境。孙林华等(2007)也认为，该期在特克斯地区属于岩浆弧环境。钱青等(2007)认为远离岩浆弧区则形成于非典型的火山弧区，认为昭苏北部大哈拉军山组火山岩以LILE富集和HFSE较强亏损为特征，但与典型岛弧玄武岩的地球化学特征又有所不同，其形成于拉张环境，但不同于大陆裂谷，不是地幔柱活动的结果，其源区主要可能为受俯冲流体交代富集的岩石圈地幔，但不属于典型的火山弧环境，而是具有元古代陆壳基底的活动大陆边缘弧后拉张环境。综合上述资料，在晚泥盆世的大哈拉军山期，从博罗科努山到吐拉苏，直到特克斯地区，仍为活动大陆边缘的岩浆弧区。但该带以南可能逐渐变为大陆边缘的弧后盆地。

4 结论

(1)吐拉苏盆地大哈拉军山组火山岩主要由玄武安山岩、安山岩及流纹岩组成。根据岩石地球化学特征，结合区域大地构造位置及大哈拉军山组形成的时间分析，推测吐拉苏盆地大哈拉军山组形成于岩浆弧环境。

(2)区内大哈拉军山组火山岩中的中基性火山岩与酸性火山岩在稀土元素及微量元素蛛网图上表现出十分相似的配分形式，同时两组岩石的一些微量元素对比值基本一致。流纹岩是本区玄武安山质岩浆结晶分异形成，初始岩浆可能是由受俯冲流体交代的地幔部分熔融，同时岩浆上升过程中受到上覆地壳混染作用后的产物。

致谢:本项目得到了国家305办公室的大力支持，数据分析得到了中国科学院地球化学研究所胡静的大力帮助，李永军教授及另一名审稿专家对论文初稿提出了十分中肯的修改意见，在此一并感谢!

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Geochemical Characteristics of the Dahalajunshan Formation Volcanic Rocks in the Tulasu Basin of Western Tianshan and its Tectonic Implications

XIA Huan1，2，CHEN Genwen1，LIU Qun1，2and LUO Yong1，2
(1.Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510640，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China)

The volcanic rocks of the Dahalajunshan Formation in the Tulasu basin are mainly composed of two groups.One group of the volcanic rocks is basaltic andesite and andesite，with SiO2contents ranging from 54.8%to 59.4%，while the other group is rhyolite，with SiO2contents between 70.6%and 74.1%.These two group rocks share similar REE patterns，enriched in U，Th，K，Pb，and depleted in Nb，Ta and Ti.Moreover，the two groups have similar Nb/Ta，Th/Ta，Ce/Nb，Zr/Hf ratios，which indicates that the rhyolite was formed through crystallization differentiation of the andesitic magma.The magma might have been derived from partial melting of the metasomatized mantle wedge and contaminated by the overlying crust during ascend.Considering the petrogeochemical characteristics and the regional tectonic evolution when the Dahalajunshan Group was formed，we believe that the Dahalajunshan Group in the Tulasu basin was formed in a back-arc basin.

Dahalajunshan Formation;geochemistry;Tulasu basin;Western Tianshan

P595

A

1001-1552(2011)03-0429-010

2010-08-11;改回日期:2010-11-03

项目资助:本文由国家305项目(2011BAB06B02-3，2006BAB07B01-04)和国家自然科学基金项目(40773014)联合资助。

夏换(1981-)，男，博士研究生，矿田构造学专业。

陈根文(1964-)，男，博士，主要从事成矿理论和岩石地球化学研究工作。Email:chengw@gig.ac.cn