西昆仑阿什火山机构及岩石学、矿物学特征

申欢欢 许建东 于红梅 赵 波 季灵运

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029

2)中国地震局第二监测中心，西安 710054

0 引言

阿什库勒盆地位于新疆维吾尔自治区于田县境内(81°12'～81°52'E，35°38'～35°55'N)。盆地地势北高南低，西高东低，轮廓呈V型，平均海拔在4700m以上，面积约700km2。该盆地地处塔里木盆地的南侧，青藏高原西北缘，NE向阿尔金断裂与NW向康西瓦断裂的“弧形”交会处，因受到这2个断裂的剪切－推覆构造的共同作用，构造活动十分活跃(刘刚等，2006)。近年来，该区地震频发，2008年3月21日6时发生了于田MS7.3强烈地震，引起了许多学者的关注(陈学忠等，2008;徐锡伟等，2011)。阿尔金断裂的走滑运动控制着火山活动，断裂活动强度较小时火山活动性可能也较弱或处于休眠状态，一旦断裂活动强度增大，就可能造成剧烈的火山喷发(潘家伟，2011)。本区10余座火山组成的阿什库勒火山群分布于盆地的南部(图1)，除西山外其余均是在第四纪形成的(刘嘉麒等，1990)，火山保存完好，基本未遭受剥蚀。由于本区特殊的构造位置和火山的完好保存，因此成为研究青藏高原西北缘地壳深部结构构造及火山活动性的良好场所。

图1 阿什库勒盆地区域构造位置(a)及盆地内的火山分布情况(b)(据许建东等，2011修改)Fig.1 The tectonic location of Ashikule Basin(a)and volcano distribution inside the basin(b)(modified from XU Jian-dong et al.，2011).

由于该区自然条件恶劣，人迹罕至，因此研究程度很低。刘嘉麒等(1990)首次对该区火山群的地理坐标、位置、高度、火山形态和时代做了系统统计，并对各火山进行了系统命名，其中阿什火山为前人工作中的1号火山。刘嘉麒等(1990)和邓万明(1993，1998，2003)对该火山群的火山岩进行了初步的地球化学分析，确定火山岩的岩性为富钾粗安岩和钾玄岩，并结合放射性同位素分析结果，认为岩浆来源于地壳或是幔源岩浆经过地壳时受到了混染作用。前人对该区火山群进行了整体粗略研究，缺少对各个火山的火山机构、岩石学等方面的详细研究。据新疆日报(1951)报道，阿什火山于1951年有过小规模的喷发活动，这引起了许多学者的关注(邓万明，1989;刘嘉麒等，1990;李拴科，1991)。Liu等(1989)和刘嘉麒等(1990)对阿什库勒火山群进行了K－Ar年龄测定，根据年龄结果将其划分为6个火山幕，阿什火山的熔岩台地是在第5幕晚期乌鲁克幕(距今0.20～0.12Ma)形成的，而阿什火山1951年的喷发则属于第6幕全新世火山喷发幕，并认为除1973年7月16日青海西部可可西里地区有火山喷发外，阿什火山是中国大陆最新的活火山。因此，对阿什火山的地质和岩石学方面研究对了解该区火山岩浆活动特征具有重要的意义。由许建东等(2011)组成的科学考察组对阿什库勒火山群进行了地质考察，初步将阿什火山分为3个喷发阶段:早期的造锥阶段、晚期的溅落堆积阶段和末期的喷气孔形成阶段。在此基础上，本次对阿什火山进行了更为详细的火山地质、岩石学、矿物学方面的研究，确定了该火山的火山机构和岩浆环境特征。

1 阿什火山的火山机构及样品采集

阿什火山位于阿什库勒火山群的西北部，阿什库勒湖的东南侧(81°34'E，35°41'N)(图1)，海拔高度4896m。该火山为中心式喷发，由火山锥和熔岩流组成。锥体保存完好(图2a)，平面上呈近圆形，锥体底部直径东西长约555m，南北长约593m。锥体北高南低，东高西低，锥体平均高度约75m，锥体内缘坡度为17°～34°，锥体坡度为14°～24°(表1)。该火山锥由早期的降落锥和晚期的溅落锥组成，底部由火山渣和少量的火山弹组成，上部由熔岩饼组成(图2b，c)。在锥体北侧火口缘发现多个喷气孔，许建东等(2011)把其归为末期喷气孔形成阶段。锥体南侧有一个火山缺口，推测为熔岩流溢出口(图2d，图3)。

图2 阿什火山锥体及熔岩流照片Fig.2 The photographs of cone and lava flow，Ashi volcano.

表1 阿什火山锥体参数Table1 Structural parameters of Ashi cones

图3 阿什火山锥体地质图及锥体剖面Fig.3 Geological map and profile of cone，Ashi volcano.

阿什火山熔岩流围绕锥体分布，向北到达阿什库勒湖，向西、向南沿周围的山体分布(图2e，f)，向东与乌鲁克火山熔岩流相连，面积约33km2(图1)。根据卫星影像分析和野外观察，把阿什火山熔岩流初步划分为4个流动单元(图4)。Ι单元分布面积较广，主要流向火口的NW方向，距离火口约9km。Ⅱ单元流向火口的NE方向，距离火口约7km。Ⅲ单元分布于火口西部，离火口最远距离约7.3km。Ⅳ单元规模较小，分布于火口周围1.2km范围内。

在阿什火山共采集火山岩样品41件，其中锥体样品4件，熔岩流样品37件。

2 熔岩显微结构特征

阿什火山岩主要为黑色、灰黑色熔岩以及少量的红色渣状熔岩。样品发育气孔构造、杏仁构造，斑状结构。斑晶主要为斜长石和辉石，偶见少量的橄榄石、钛铁矿。基质为黑色、红褐色，主要为玻璃质、隐晶质、微晶质，微晶主要为辉石、长石和钛铁矿，微晶保存完好，无熔蚀和反应边现象(图5f)。

采用线截距法在偏光显微镜下统计了斑晶、气孔、基质的含量，结果列于表2中，其中斑晶为去除气孔后的含量。在表2中可以看出，斑晶总含量较低，但变化范围比较大，在1%～15%之间，其中辉石含量为0.4%～7.5%，长石含量为0.2%～11.7%。气孔的含量、大小和形态不一，含量为4.36%～53.55%，长轴一般＜1cm，由圆形到拉长椭圆形;基质含量为44.7%～86.2%。

图4 阿什火山熔岩流单元划分及采样位置图Fig.4 Map showing the division of lava flow units of Ashi volcano and the sample locations.

表2 阿什火山的火山岩显微结构特征统计Table2 Statistical results of microstructure characteristics of volcanic rocks，Ashi volcano

图5 阿什火山的火山岩显微结构照片Fig.5 Microphotographs and SEM photograph of Ashi volcanic rocks.

长石和辉石斑晶，轴长一般200～500μm。部分晶体自形，保存完好，推测与熔体达到了平衡状态(图5a)，部分晶体半自形、他形(图5b)。少量长石和辉石被不同程度地熔蚀，部分出现了筛状结构，具有反应边现象(图5c，d)。部分长石出现破碎现象，推测为岩浆上升过程中捕虏的地壳物质(图5e)。

3 熔岩和斑晶成分分析

3.1 主要元素成分

对19件样品进行了主要元素成分分析(表3)。结果显示，阿什火山的火山岩SiO2含量变化不大，为53.85%～60.20%;MgO、FeO*(=FeO+0.9×Fe2O3)、Al2O3含量分别为2.22%～4.11%、5.60%～7.42%、13.55%～14.42%;K2O、Na2O的含量分别为 3.58%～4.39%、2.93%～3.42%，全碱含量为6.74%～7.81%，K2O/Na2O值为1.17～1.35。SiO2和K2O含量的相对关系表明，岩石为钾玄岩系列，属于基－中性和中性岩;TAS投点图显示，岩性为粗安岩，属于碱性系列，部分为亚碱性系列(拉斑玄武岩系列)(图6)。

表3 阿什火山样品主要元素化学分析(wt/%)Table3 Major element chemical analysis of Ashi lavas(wt/%)

图6 阿什火山的火山岩TAS图(据 Le Bas M J，1986)及K2O－SiO2图解(据邓万明，1991)Fig.6 TAS diagram(after Le Bas M J，1986)and K2O－SiO2diagram(after DENG Wan-ming，1991)of Ashi volcanic rocks.

图7 阿什火山的火山岩主要氧化物Harker图解Fig.7 Harker diagrams of selected major oxides from Ashi volcanic rocks.

对熔岩基质进行了电子探针测试(表4)。结果显示，SiO2含量为57.60%～68.93%;MgO、FeO、Al2O3含量分别为0.11%～2.31%、1.05%～6.57%、13.52%～23.45%;K2O、Na2O分别含量为2.15%～6.97%、1.91%～4.81%，Na2O+K2O含量为6.96%～10.08%。基质成分与全岩成分相比，基质中SiO2、Al2O3、K2O、Na2O含量升高，MgO、FeO含量降低。将基质成分投在TAS图中显示，少数为粗安岩，多数为粗面岩(图6)。

Harker图解(图7)显示，阿什火山熔岩的氧化物成分分为两部分，在TAS图中也大致可以看出，缺少SiO2含量为58%～59%的成分。显微镜下发现有较多的壳源捕虏晶，下面斑晶成分分析也显示有较多偏酸性的长石，推测其原因可能是受壳源混染的程度不同造成的。但Harker图解总体上MgO、CaO与SiO2含量呈负相关，K2O、Na2O与SiO2含量呈正相关，显示了岩浆的演化与辉石的分离结晶有关。

表4 阿什火山熔岩基质成分(wt/%)Table4 Groundmass composition of Ashi volcanic rocks(wt/%)

3.2 斑晶成分

对熔岩中的主要斑晶(长石和辉石)进行了电子探针测试(表5，6)。结果显示，多数斜长石斑晶SiO2含量为55.70%～63.26%，Al2O3的含量为22.40%～26.32%。从An－Ab－Or图上可知，长石有斜长石和碱性长石2种。斜长石端元组分的变化范围为 Or5.00～52.41、Ab34.71～68.67、An12.88～52.26，主要为更长石、中长石和拉长石。少量的碱性长石为钠长石(An4.13、Ab94.94、Or0.93)和钠－正长石(An9.33、Ab37.50、Or53.17)(图8)。

表5 摇阿什火山的火山岩长石斑晶电子探针分析结果（wt／%）Table5 摇Chemical composition of plagioclase phenocryst in Ashi volcanic rocks（wt／%）

续表5

利用An－Ab在斜长石和熔体之间的分配系数可以确定斑晶与熔体是否处于平衡状态，公式为

当温度 T＜1050℃、KD(An－Ab)pl－liq值为 0.10±0.05 时，长石－熔体处于平衡状态;当 T＞1050℃、KD(An－Ab)pl－liq值为 0.27±0.11 时，长石－熔体处于平衡状态(Putirka，2008)。

斜长石探针数据有50个，根据公式(1)计算斜长石－熔体之间KD(Ab－An)pl－liq值，发现有37个斜长石(An＜48.33)与熔体处于不平衡状态，这些非平衡态的长石主要为更、中长石(An25.97～48.33、Ab44.74～68.67、Or5.00～16.97)，推测为岩浆上升过程中捕获的围岩晶体，这与偏光显微镜下观察到的外来长石斑晶是吻合的，也与理论上粗安岩中不存在An牌号很低的酸性长石是一致的。而自形斜长石－熔体之间的KD(Ab－An)pl－liq值为0.23～0.38，介于0.16～0.38之间，表明斜长石－熔体达到了平衡状态，处于平衡状态的斜长石为中、拉长石(An38.43～52.26、Ab40.82～51.62、Or5.78～9.99)。

辉石成分测试结果表明，辉石有斜方辉石和单斜辉石2种(图9)。单斜辉石的端元组分为Wo37.71～41.85、En44.83～52.35、Fs8.71～14.84，CaO含量为17.55%～19.72%，Al2O3为0.41%～4.26%，TiO2为0.23%～1.26%，Mg#(100Mg/(Mg+∑Fe))为72.10～83.67;单斜辉石主要为普通辉石及少量顽透辉石和易变辉石。斜方辉石的端元组分为Wo0.51～6.96、En38.35～85.33、Fs13.25～61.07，其 SiO2含量为 37.65%～54.35%，TiO2含量为 0.15%～0.66%，Mg#为39.64～78.09;斜方辉石端元组分连续，根据En、Fs分子的含量可知，斜方辉石包括古铜辉石(En71.07～85.33Fs13.25～31.86)和紫苏辉石(En54.72～69.90Fs32.43～41.41)及少量的铁紫苏辉石(En38.35～38.44Fs61.05～61.07)。

4 单斜辉石与熔体的平衡温度和压力

单斜辉石与熔体之间平衡状态的判定，首先通过偏光显微镜下鉴定，选择保存完好，无熔蚀及反应边现象，自形良好的晶体进行电子探针测试，初步确定矿物－熔体达到平衡状态;然后通过Fe、Mg 2种元素在单斜辉石与熔体中的分配系数来确定的，公式为

表6 摇阿什火山的火山岩辉石斑晶电子探针分析结果（wt／%）Table6 摇Chemical composition of pyroxene phenocryst in Ashi volcanic rocks（wt／%）

续表6

上式中:cpx为单斜辉石，liq为熔体。

Thompson(1974)根据实验认为，单斜辉石与玄武质熔体平衡时的 KD(Fe-Mg)cpx-liq值为0.29。Irving等(1984)和Liotard等(1988)根据实验结果认为，当该值为0.2～0.4时，单斜辉石与熔体都是平衡的。最近的实验(Kinzler，1997;Hunter，1997)进一步证实了该范围的合理性。Putirka(2008)认为，当 KD(Fe－Mg)cpx－liq=0.27±0.03时，单斜辉石与熔体处于平衡状态。

阿什火山熔岩中单斜辉石与熔体之间的平衡指数为 KD(Fe－Mg)cpx－liq为 0.271～0.284，介于0.2～0.4之间，说明单斜辉石与熔体达到平衡。本文单斜辉石探针分析数据共19个，其中处于平衡状态的有16个。

图8 阿什火山长石An－Ab－Or图(据Smith，1974)Fig.8 An－Ab－Or diagram of plagioclase in Ashi volcanic rocks(after Smith，1974).

图9 阿什火山的火山岩辉石Wo－En－Fs图(据Poldervaart et al.，1951)Fig.9 Wo－En－Fs diagram of pyroxene in Ashi volcanic rocks(after Poldervaart et al.，1951).

表7 单斜辉石－熔体温度压力计算结果Table7 Calculated equilibrium temperatures and pressures from clinopyroxene-liquid geothermometer and thermobarometer

单斜辉石－熔体温度计最早由 Davis(1966)提出，后来 Nimis(1995)、Nimis等(1999，2000)和Putirka等(1996，2003，2008)推出了不同的温压计。Nimis(1995)的单斜辉石－熔体温压计含有很高的系统误差，且在高压条件下得到反常的低压值;Putirka等(1996，2003，2008)系统误差较小，并且提出了应用于不同温压、不同岩性及是否含水条件下的标准化模型。其中Putirka等(2003)建立的单斜辉石－熔体温压计适用于富含SiO2的中酸性岩浆，且得到了很好应用。该温度计在相关系数R2=0.96时，误差为±33℃，压力计在相关系数R2=0.97时，误差为±170MPa。阿什火山的岩性为中性粗安岩，因此采用Putirka等(2003)建立的单斜辉石－熔体温压计。

阿什火山单斜辉石－熔体平衡温度为1104～1194℃，压力为570～980MPa，对应的岩浆房深度为18.92～32.29km(表7)。

5 结论

本文对阿什火山的火山地质和火山岩进行了详细的研究，填补了该区的研究空白，得到以下初步结论:

(1)阿什火山由火山锥和熔岩流组成，火山锥保存较完整，由早期降落锥和晚期溅落锥组成。熔岩流分布面积约33km2，可划分为4个流动单元。

(2)阿什火山的火山岩属于钾玄岩系列，岩性为粗安岩。发育气孔构造、杏仁构造，斑状结构。斑晶含量为1%～15%，以长石和辉石为主。长石主要为中、拉长石，辉石包括普通辉石、古铜辉石和紫苏辉石。基质的岩性为粗安岩和粗面岩，为玻璃质、隐晶质、微晶质，微晶为长石和辉石为主。

(3)由单斜辉石－熔体温压计计算得到的斑晶与岩浆的平衡温度为1104～1194℃，压力为570～980MPa，对应的岩浆房深度为18.92～32.29km。

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