甘肃北山北部红石山地区泥盆系雀儿山群火山岩地球化学特征及构造环境分析

陈玉良，康文彬，梅华平，陈杰，苏牧，梁积伟

1.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安　710054；2.长庆油田第五采气厂，内蒙古 乌审旗　017300；3.陕西省地质矿产勘查开发局综合地质大队，陕西 渭南　714000)

甘肃北山北部红石山地区泥盆系雀儿山群火山岩地球化学特征及构造环境分析

陈玉良1，康文彬1，梅华平2，陈杰1，苏牧3，梁积伟1

1.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安710054；2.长庆油田第五采气厂，内蒙古 乌审旗017300；3.陕西省地质矿产勘查开发局综合地质大队，陕西 渭南714000)

位于北山北部红石山地区雀儿山群的火山岩主要为一套中酸性火山岩，以安山岩、英安岩和流纹岩为主，属钙碱-碱性系列。地球化学研究表明：火山岩SiO2含量较高(62.29%～75.74%)，MgO含量较低(<2.15%)，全碱含量较高(Na2O+K2O为6.24%～9.2%)，且K2O/Na2O<1。轻稀土元素(LREE)相对于重稀土元素(HREE)呈现较强富集[(La/Yb)N=2.94～6.36]，轻稀土内部出现较强分馏[(La/Sm)N=1.94～3.33]，并且具有相当明显的Eu负异常(0.50～0.90)；在微量元素方面，大离子亲石元素(LILE)相对高场强元素(HFSE)富集，具有明显的Nb、Ta、P、Ti相对亏损和Ba、Th、Zr、Ce、Sm相对富集。上述特征表明该火山岩形成于洋壳俯冲作用下的岛弧环境，可能与哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间的古洋壳俯冲消减有直接的成因联系，在俯冲过程中洋壳含水流体引起上覆地幔物质的部分熔融，并在岩浆上升中经历了一定的分离结晶作用和上地壳物质的同化混染。

红石山；雀儿山群；火山岩；地球化学；构造环境

北山地处西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的交汇部位，是古亚洲构造域的重要组成部分，一直以来都作为地质学家研究的热点地区(何世平等，2005；徐学义等，2008；左国朝等，2002；杨合群等，2008；何国琦，1990)。北山地区古生代地壳演化经历了寒武纪裂解，早—中奥陶世大洋伸展后，于晚奥陶世开始汇聚，晚志留世古大洋已经俯冲消亡，并开始碰撞造山。泥盆纪是北山地区洋-陆转换的关键时期(李向民等，2011)，早泥盆世哈萨克斯坦板块的旱山微大陆与塔里木板块的北山地体间发生碰撞造山作用，两个板块拼接在一起，形成统一大陆。沿红柳河—牛圈子—洗肠井一带发育古生代蛇绿岩带(冯益民等，1995；左国朝等，1995；周国庆等，2000；冯永忠等，1994)，蛇绿岩带南部为平头山推覆构造体(刘明强等，2002)，显示北山板块的拼接是由南向北俯冲，在其北部发生引张坳陷，形成双沟山-雀儿山-芦草井早中泥盆世陆缘坳陷带(何世平等，2002)。双沟山-雀儿山-芦草井是北山地区非常重要的一个构造单元(何世平等，2002)，前人对其岩石特征及沉积环境进行了大量的研究(张国英，2008)，但对其火山岩研究较少。就目前来看，前人认为红石山—雀儿山一带雀儿山群火山岩形成于岛弧环境(谢春林等，2009)，但缺乏火山岩地球化学方面的依据。笔者在详细的野外地质调查基础上，通过对红石山地区雀儿山群火山岩地球化学进行研究，探讨其形成的构造背景。

1　区域地质背景

甘肃北山雀儿山群分布于双沟山一带，位于哈萨克斯坦板块南缘，红石山蛇绿混杂岩带以北地带的中蒙边界南—双钩山北(图1)。区内断层构造广泛发育，走向基本呈近东西向，少数沿北东向展布。区内未见到早古生代及更老时代的地层出露，广泛分布着晚古生代泥盆纪、石炭纪、二叠纪地层及新近纪地层。地层由老到新有：泥盆系雀儿山群、石炭系白山组、石炭系扫子山组、二叠系双堡塘组、新近系苦泉组。

区内侵入岩广泛发育，以酸性岩为主，岩体的部分严格受断裂控制。火山岩岩石类型以中酸性为主，少量为基性，火山活动以早泥盆世海底中基性火山喷发开始，经短期间断又出现中泥盆世中酸性火山喷发，火山作用主要集中于拗陷带西部双沟山—雀儿山—红尖山一带。

本次研究对红石山地区下中泥盆统雀儿山群的火山岩进行了路线剖面调查(图2)，其岩性为一套中性、中酸性火山熔岩及凝灰岩夹灰岩夹层，灰岩中含珊瑚、腕足动物、双壳类等生物化石。在《甘肃省区域地质志》中将其编绘到早中泥盆统(甘肃省地质矿产局，1997)，后来前人对灰岩中的腕足动物、珊瑚、哈类化石进行古生物鉴定，拟定时代为早泥盆世，经区域对比，结合生物化石提供的时代依据，将双沟山一带的雀儿山群的地质时代确定为早泥盆世(甘肃省地质矿产局，1997)。出露的火山岩岩石类型为玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩，火山碎屑岩以火山集块岩、角砾安山岩、角砾凝灰岩和英安质凝灰岩为主。

2　岩石学特征

安山岩：岩石为深灰色，斑状结构，块状构造，基质为交织结构。斑晶矿物成分由斜长石(15%～20%)和暗色矿物组成(10%～15%)，斜长石斑晶矿物晶体形态多呈半自形板状，从0.5 mm×6 mm～2.5mm×6.5 mm，常呈聚斑出现，晶体普遍具有轻度绿泥石化。暗色矿物均被绿泥石和绿帘石交代，呈柱状假象，晶体粒度大小为0.3～2.5mm，根据晶体形态为长柱状推测为角闪石。基质主要有细小斜长石组成，有少量暗色矿物。斜长石晶体粒径<0.2mm，多呈小板条状，交错杂乱分布形成交织状结构。

1.地质界线；2.不整合界线；3.断层；4.推测断层；5.韧性剪切带；6.泥盆系雀儿山群；7.省界线；8.国界线； 9.研究区；10.实测剖面；Q.第四系；Nk.新近系苦泉组；p.二叠系双堡塘组；Cs.石炭系扫子山组；.石炭系白山组；Cl.石炭系绿条山组；DQ.泥盆系雀儿山群；.华力西晚期花岗岩；.华力西中期二长花岗岩；.华力西中期花岗岩；.华力西中期英云闪长岩；.华力西中期花岗闪长岩；.华力西中期闪长岩；.华力西中期辉长岩；.蛇绿混杂岩图1　北山北部红石山地区地质简图(据张国英改编，2014)Fig.1　Geologic sketch map of the Hongshishan area in northern Beishan

1.岩屑砂岩；2.玄武岩；3.安山玢岩；4.角砾安山岩；5.英安岩；6.英安质凝灰岩；7.英安质晶屑凝灰岩；8.英安质熔结角砾凝灰岩；9.角砾凝灰岩；10.流纹岩；11.火山集块岩；12.灰岩透镜体13.闪长岩；14.下中泥盆统雀儿山群；15.采样位置及编号图2　甘肃北山红石山北雀儿山群地质剖面Fig.2　Northern Hongshishan section of the Queershan Group in Beishan,Gansu

英安岩：岩石为灰白色，斑状结构，致密块状构造，部分具有流纹构造。斑晶主要为石英(20%～25%)，具有溶蚀港湾状不规则边缘；斜长石(10%～15%)，板柱状，聚片双晶发育；少数几个样品出现角闪石、辉石斑晶(含量<5%) 。基质霏细结构，由重结晶石英、斜长石、云母及隐晶质(35%～40% )组成。

流纹岩：浅灰白色，褐红色，斑状结构，流纹构造。斑晶石英(15%～20%)和斜长石(<10%)，具有溶蚀港湾状不规则边缘。基质为霏细结构，球粒结构，后期普遍发生重结晶作用。新生的细粒石英及鳞片状云母呈条带状，具有定向排列的特点，原生流纹构造受到一定程度的破坏，可能是后期构造应力作用的结果。

3　火山岩地球化学特征

本次采集研究区内相对蚀变较弱的安山岩、英安岩和流纹岩样品，并剔除了岩石的风化面、脉体和斑晶，使样品的地球化学分析测试结果能够更好地反映原始岩浆的特征。

笔者共对红石山地区13件火山岩样品进行了主量、微量元素测试。首先将样品磨片，经偏光显微镜下观察，挑选出蚀变弱、较新鲜的样品进行主量元素和微量元素分析。然后用刚玉鄂式破碎机对样品进行粗碎，再用TI-100型碳化钨细碎机碎到200目以下。主、微量元素分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。主量元素的分析利用X荧光光谱(XRF)玻璃熔饼法完成，分析精度和准度优于5%。微量元素采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测定，样品的溶解在Teflon高压溶样弹中利用1.5mL HNO3+1.5mL HF+0.02mL HCIO4混合酸进行，分析精度和准度优于10%。

3.1岩石化学特征

将主量元素分析结果扣除烧失量做归一化处理(表1)，火山岩挥发分(LOI)为0.76～4.85，表明岩石没有经过强烈的蚀变。岩石SiO2含量为62.29%～75.74%，显示为一套偏酸性火山岩，Al2O3含量较高(11.77%～17.21%)，MgO含量较低(<2.15%)，全碱(ALK=Na2O+K2O)含量较高(6.24%～9.2%)，K2O/ Na2O<1，里特曼指数σ[σ=(Na2O+K2O)2/ (SiO2-43)]值除了P12-2、P12-3样品大于3.3，为碱性系列，其他样品均小于3.3，为钙碱性系列(邱家骧等，1991)，这和后面TAS判别结果(图3a)一致。岩石的铝饱和度A/CNK=0.95～1.81(除了P12-1，几乎全部大于1)为过铝质。将岩石的SiO2、Na2O+K2O投点于TAS(SiO2-K2O+Na2O)图解(LE Maitre，1984)，P12-2和P12-3两件样品落入T区，即粗面岩、粗面英安岩区，与镜下鉴定的英安岩有一定的出入，该两件样品氧化物SiO2含量大于63×10-2而小于75×10-2，其化学成分与英安岩相近，结合野外观察将其定名为英安岩。P12-4样品落入O2区，即安山岩区，与镜下鉴定一致。P11-1、P11-4和P12-1三件样品落入O3英安岩区，与镜下鉴定一致。P11-2、P11-3、P11-5、P11-6、P12-5、P12-6和P12-7七件样品均落入R流纹岩区，其中P11-5与镜下鉴定为英安岩有一定的出入。

表1　雀儿山群火山岩样品主量元素分析结果(%)

在SiO2-K2O图解上(图3b)，P11-4、P11-5、P12-4、P11-2、P11-3、P11-6和P12-6七件样品落入钙碱性系列，其他样品落入低钾系列。

3.2稀土、微量元素特征

红石山地区雀儿山群火山岩的稀土及微量元素分析结果见表2。图4a为球粒陨石标准化(Taylor et al., 1985)REE配分图解。从表2和图4a可以看出：对于雀儿山群酸性火山岩来说，岩石稀土元素总量较高(ΣREE=62.57×10-6～171.37×10-6)，几乎所有样品10倍以上于球粒陨石(图4a)；轻稀土值为51.24×10-6～171.37×10-6，重稀土值为11.33×10-6～28.28×10-6，两者比值为4.15～7.32，球粒陨石标准化REE配分图解上呈现轻稀土元素富集的右倾曲线；(La/Yb)N=2.94～6.36，可见轻重稀土分异明显；轻稀土内部分异较为明显[(La/Sm)N=1.94～3.33]，重稀土内部分异不明显[(Gd/Yb)N=1.01～1.66]，岩石的δEu值为0.50～0.90，平均0.72，Eu负异常比较明显，仅P12-3样品Eu负异常不太明显，在图中可见流纹岩负Eu异常更明显，图解中Eu的位置上出现“谷”偏离的曲线程度较大，Eu亏损程度大。岩石的δCe值为0.90～1.04，接近于1，Ce异常不明显。总的来说，上述参数值表现出稀土总量较高，轻稀土强烈富集，重稀土亏损的特点，岩石总体表现为岩浆作用晚期富集，在配分曲线图上表现出斜率总体较大的特点，雀儿山群流纹岩明显负Eu异常的“V”字型模式曲线指示岩石来源于深源，且具经部分熔融、分离结晶等复杂的成岩过程。

表2　雀儿山群火山岩稀土及微量元素分析结果(10-6)

图3　(a)甘肃北山红石山地区雀儿山群中酸性火山岩TAS分类(据LE Maitre，1984; IRVINE et al．，1971) 和 (b)SiO2-K2O 图解(据PECCERILLO et al．，1976)Fig.3　(a)The TAS diagram ( After Le Maitre，1984; Irvine et al.，1971) and (b)SiO2-K2O diagram ( After PECCERILLO et al．，1976) of the Queershan group intermediate-felsic volcanic rocks in Hongshishan area of Beishan，Gansu

图4　(a)雀儿山群中酸性火山岩稀土元素配分型式与(b)微量元素蛛网图(球粒陨石标准化值据TAYLOR and MCLENNAN,1985，原始地幔标准化值据SUN和MCDONOUGH，1989)Fig.4　(a)Chondrite-normalized REE model pattern and (b)primitive mantle-normalized multi-element spidergram for Queershan group volcanic roc ks.

在微量元素方面，研究区的安山岩、英安岩和流纹岩显示了较为一致的分布模式(图4b)：LILE相对HFSE富集，具有明显的Nb、Ta、P、Ti相对亏损和Ba、Th、Zr、Ce、Sm相对富集，表现出形成于俯冲带环境的钙碱性火山岩的微量元素地球化学特征，这是由于洋-陆俯冲过程中，俯冲的洋壳板片随着地幔对流向下运移，当俯冲到一定深度时，随着地温的升高，俯冲的洋壳板片发生变质和脱水，导致岩石在富水条件下部分熔融，这就造成富含高场强元素的矿物等更多地留在源区残余固相中，而大离子亲石元素则倾向富集于熔融形成的岩浆中。安山岩、英安岩、流纹岩在该微量元素蛛网图上均呈较明显的锯齿状，说明其微量元素具分馏较明显的特征，岩石La/Nb值在活动大陆边缘普遍较高(>2)(SALTERS et al., 1991)，本区中酸性火山岩La/Nb值为2.12～3.47(平均2.62)。综合上述特征说明中泥盆世雀儿山群火山岩具活动大陆边缘弧微量元素特征。

4　讨论

4.1构造环境分析

雀儿山盆地是在早古生代陆缘基础上发展的。早泥盆世为海底中基性火山喷发及细碎屑岩、碳酸盐岩沉积，经短期间断又出现中泥盆世中酸性火山喷发伴随火山碎屑岩、碎屑岩及碳酸盐岩沉积。火山作用主要集中于拗陷带西部双沟山—雀儿山—红尖山一带，东部芦草井—英安山一带相对较弱，沉积环境总体上为浅海-陆相沉积，伴随火山活动。古生物演化方面仍为北山型古生物组合，主要为腕足类、腹足类及珊瑚。岩石的组合为安山岩-英安岩-流纹岩，为典型的岛弧火山岩组合(谢春林等，2009；谯文浪等，2001；张旗等，1995)。

对红石山地区雀儿山群火山岩稀土元素、微量元素分析并图解，中酸性火山岩的稀土元素分配模式呈轻稀土富集的右倾曲线，微量元素蛛网图呈双隆型曲线，Nb、Ta和Ti出现明显亏损，在花岗岩构造环境判别图解中，主要落入岛弧花岗岩区(图5)。将该组的中-酸性岩投影lgσ-lgτ图(A.RITTMANN, 1970)上(图6a)，其投影点均落入B区，即闭合边缘的岛弧、活动陆缘、造山带环境；再利用Sr/Y-Y二元相关图解(DEFANT M J，1990)判别(图6b)，结果火山岩都落入经典岛弧岩区，其形成环境跟lgσ-lgτ图解显示一致，同为岛弧构造环境；MIYASHIRO(1974)曾对岛弧和大陆边缘弧的火山岩系列作过详细对比研究，得出不成熟岛弧以玄武岩和玄武安山岩(AB)为主,成熟岛弧以安山岩(A)和英安岩(D)为主,而成熟大陆弧则以安山岩(A)、英安岩(D)和流纹岩为主的结论。就雀儿山群的火山岩来说，主要为安山岩、英安岩和流纹岩，表明为成熟大陆弧。综上所述，红石山地区早—中泥盆世火山岩形成的大地构造环境为成熟大陆弧。

Syn.COLG.同碰撞花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；WPG.板内花岗岩；ORG.洋中脊花岗岩图5　雀儿山群酸性火山岩构造环境判别图(据PEARCE等，1996)Fig.5　Tectonic discrimination diagrams for Queershan group acid volcanic rocks

A.板内稳定环境；B.闭合边缘的岛弧、活动陆缘、造山环境；C.板内或造山带火山岩演化的碱性火山岩图6　(a)雀儿山群中酸性火山岩lgσ-lgτ图解(据A.RITLMANN,1996)和(b)Sr/Y-Y二元相关图解(据DEFANT et al.,1990)Fig. 6　(a)lgσ-lgτ diagram and (b)Sr/Y-Y diagram of Adakites of Queeshan group intermediate-felsic volcanic rocks

4.2岩石成因

活动性小的不相容元素(如Nb、Ta、Th、Rb等)是研究岩浆成因及演化的可靠指标。研究区雀儿山群中酸性火山岩Zr/Nb值为7.25～30.49(平均23.96)，La/Nb值为2.12～3.47(平均2.62)，Ba/Nb值为7.22～114.78(平均54.74)，Ba/Th值为18.86～231.63(平均108.38)，Rb/Nb值为0.09～7.72(平均2.43)，Th/Nb值为0.31 ～ 0.65(平均0.49)，Th/La值为0.09～0.26(平均0.19)，Ba/La值为2.74～42.25(平均20.79)，且多数比值与大陆地壳相似(大陆地壳Zr/Nb=16.2，La/Nb=2.2，Ba/Nb=54，Ba/Th=124，Rb/Nb=4.7，Th/Nb=0.44，Th/La=0.204，Ba/La=25)(Saunders A D, 1988; Weaver B L, 1991)，而明显不同于幔源岩石(Zr/Nb=14.8，La/Nb=0.94，Ba/Nb=9.0，Ba/Th=77，Rb/Nb=0.91，Th/Nb=0.117，Th/La=0.125，Ba/La=9.6)(SAUNDERS, 1988; WEAVER,1991)，表明源区有陆壳物质的加入，岩浆成因与俯冲作用有关(HERGT et al., 1991; MILLER, 1999)。此外，由于 Nb、Ta 都是强不相容元素，其亲岩浆性的变化是同步的，其比值在地幔部分熔融或岩浆分离结晶过程中通常是变化很小的，相对原始岩浆，其Nb/Ta值大的差异被解释为源区成分不同所致。因此，可以通过Nb/Ta值的差异情况对生成岩浆的壳-幔作用以及地幔演化过程提供重要的限制(BARTH et al., 2000)。

本区雀儿山群酸性火山岩的Nb/Ta值为11.55～16.77(平均14.19)，均低于球粒陨石、原始地幔(Nb/Ta=17.4±0.5)，大部分低于亏损地幔(Nb/Ta=15.5±1)的比值(JOCHUM et al., 1997)，而更接近大陆地壳的比值(Nb/Ta =11～12) (TAYLOR et al.,1985)。

上述特征表明，本区雀儿山群酸性火山岩可能与哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间古洋壳的俯冲消减作用有直接的成因联系，可能是在俯冲消减过程中洋壳含水流体引起上覆地幔物质的部分熔融，并在岩浆上升中经历了一定的分离结晶作用和上地壳物质的同化混染，即富集组分可能是来自俯冲消减过程中带入的上地壳物质与地幔岩发生混合作用的产物。

5　结论

雀儿山群火山岩为一套以安山岩、英安岩和流纹岩为主的中-酸性火山岩，岩石以钙碱性系列为主，碱性系列次之为特征，具有典型岛弧火山岩特征。在稀土和微量元素方面，轻稀土相对重稀土强烈富集，具Eu负异常，LILE相对HFSE富集，具有明显的Nb、Ta、P、Ti相对亏损和Ba、Th、Zr、Ce、Sm相对富集，反映其具有俯冲消减作用形成的岛弧型火山岩地球化学特征，可能与哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间古洋壳的俯冲消减作用有直接的成因联系，可能是在俯冲消减过程中洋壳含水流体引起上覆地幔物质的部分熔融，并在岩浆上升中经历了一定的分离结晶作用和上地壳物质的同化混染形成的产物。

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Geochemical Characteristics and Tectonic Settings of Volcanic Rocks from Queershan Group in Hongshishan Area, Gansu

CHEN Yuliang1, KANG Wenbin1, MEI Huaping2, CHEN Jie1, SU Mu3, LIANG Jiwei1

(1. College of Earth Science and Recourses, Chang′an University, Xi′an 710054, Shaanxi, China; 2.The Fifth Gas Extraction Plant of Changqing Oil Field, Wushenqi 017300, Inner Mongolia, China; 3. The Comprehensive Geological Team of Shaanxi Geology and Mineral Resources Exploration and Mining Bureau, Weinan 714000, Shaanxi, China)

The volcanic rocks of Queershan Group, located in Hongshishan area, north of Beishan, are mainly composed of intermediate-acid volcanics, andesites, dacite and rhyolite, which belong tocalc-alkaline series. Researches on the geochemistry suggest that, these volcanic rockshave high SiO2content(62.29%-75.74%, lower MgO content (<2.15%), relatively high alkali content (Na2O+K2O=6.24%-9.2%), and K2O/Na2O<1. These rocksare enrich in LREE relative to HREE ((La/Yb)N=2.94-6.36), with a strong fractionation in LREE ((La/Sm)N=1.94-3.33), presenting a strong negative anomaly of Eu (0.50-0.90). In the aspect of trace elements, these rocks are enrich in LILE more than HFSE, with relatively depletion of Nb, Ta, P and Ti, as well as the enrichment of Ba, Th, Zr, Ce and Sm. These geochemical characteristics approve that, these volcanic rocks formed in the island arc environment with the effect of oceanic crust subduction, which has a direct genetic relationship with the subduction of ancient oceanic crust between Kazakhstan plate and Tarim plate. During the process of subduction, the partial melting of the overlying mantle material was caused by the hydrous fluids of oceanic crust, and the product created by the rising magma has experienced a certain fractional crystallization and assimilation and contamination of upper crustal material.

Hongshishan; Queershan Group; volcanic rocks; geochemistry; tectonic environment

2015-06-25；

2015-07-09

中国地质调查局地质大调查项目“北山-祁连成矿带地质矿产调查评价成果集成”(12120113046300)

陈玉良(1989-)，男，湖北宜昌人，长安大学2012级在读硕士研究生，主要从事区域地质调查与石油地质方向研究。E-mail: thomschen@126.com

P595

A

1009-6248(2015)04-0050-11