西准谢米斯台山马门特一带石炭系黑山头组的厘定——来自地质地球化学和年代学证据

舍建忠，贾健，邸晓辰，冯长丽，杨震

(1.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第十一区域地质调查大队，新疆 昌吉 831100)

西准噶尔处于西伯利亚板块与哈萨克-准噶尔板块的交接处，是中亚巨型造山带的重要组成部分，其构造演化与中亚造山带的形成演化密切相关，但是复杂的构造演化和强烈的岩浆活动，使得人们对该地区认识有限，对一些关键科学问题的认识还存在争议[1-3]。西准地区出露的主要是古生代地质体，而晚古生代，特别是石炭纪，是准噶尔盆地构造体制的重要转折阶段[4-5]。该时期准噶尔地区及邻区乃至中亚造山带经历了古亚洲洋的消亡到陆陆碰撞的过程，岩浆、构造活动强烈，广泛分布的石炭纪火山岩为探讨该时期的构造格局与演化提供了良好的物质基础。研究区位于西准谢米斯台山中段(图1-a)，区内主要是奥陶纪以来的地层，尚未发现寒武系及前寒武系，西准除局部分布有奥陶—志留系外，绝大部分由泥盆—石炭系构成，对该地区石炭纪火山岩相关研究和报道很少。本文根据研究成果在原泥盆系中厘定出一套石炭系黑山头组火山岩，并对地球化学特征及构造环境进行了研究，为探讨西准噶尔石炭纪构造演化提供依据。

1 石炭系黑山头组的厘定

黑山头组(C1h)是由新疆地矿局原第三区测大队三分队李佩基于1961年在布尔津县南那林卡拉他乌创名，时代为中石炭世，原定义下部是一套正常陆源碎屑岩，上部多为中酸性、中基性火山碎屑岩。新疆区测大队与中国地质科学院地质研究所分队(1974年)将其厘定为下石炭统；《西北地区区域地层表(新疆维吾尔自治区分册)》(1981)进一步将其限定为早石炭世早期；《新疆维吾尔自治区区域地质志》(1993)将其划分为上、中、下3个亚组，时代为早石炭世；《新疆维吾尔自治区地层清理》(1999)沿用黑山头组，时代为早石炭世。

该区域最新基础地质资料是1980年由新疆维吾尔自治区地质局完成的1∶20万夏子街幅(L-45-ⅩⅤ)区调资料，该资料将马门特一带由酸性火山岩组成的古火山机构厘定为下石炭统黑山头组。根据本次区调成果，在该组流纹岩中测得LA-ICP-MS锆石年龄为(300.9±5.4)Ma，为早二叠世，据时代岩性对比应为下二叠统卡拉岗组。将马门特周围及东部一带一套火山熔岩、火山碎屑岩归为中泥盆统呼吉尔斯特组。本次工作在玄武岩中测得LA-ICP-MS锆石年龄为(343±3.1)Ma(MSWD=0.68)，为早石炭世。根据与《新疆维吾尔自治区地层清理》及邻区岩性对比，认为该套地层应该归为下石炭统黑山头组，并对其岩石地球化学特征及形成环境进行了分析。

2 剖面结构及岩石组合

图1 新疆西准主要构造图(a)与马门特地区地质简图(b)Fig.1 Main tectonic map of the Westen Junggar，Xinjiang(a)and Mamente area geologica map(b)

该区域黑山头组总体呈近EW向条带状断续分布于马门特一带，马门特以西原有资料也归为黑山头组。本次工作在该区域采集了具有早石炭世指时典型化石分子，确定为早石炭黑山头组，马门特以东原来资料归为中泥盆统呼吉尔斯特组。本次工作剖面位置位于马门特东侧一带(图1-b)，剖面总体上为向西南单倾，倾角为34°～64°，倾向为301°～325°，剖面多处见晚期中酸性岩体侵入地层中，接触界线清晰。剖面底部被二叠纪石英正长岩侵入，顶部被第四系覆盖。剖面中见多层凝灰质砂砾岩，其中最厚一层约为58 m，分选性差，磨圆度较好。这一层凝灰质砂砾岩与安山岩可作为本组的标志层。根据剖面成果，研究区一带黑山头组为一套中基性火山岩夹火山碎屑岩组合，主要岩性为杏仁状玄武岩、玄武岩、蚀变安山岩、含角砾凝灰岩、晶屑凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩、含砾岩屑砂岩等。

马门特一带黑山头组剖面岩性自上而下为：

层号 岩性 厚度/m黑山头组厚度大于2 751.1 m 未见顶32粗砂岩与砂砾岩不均匀互层7.40 31蚀变沉凝灰岩62.10 30灰色凝灰质长石岩屑砂岩21.60 29蚀变沉凝灰岩10.00 28玄武质火山角砾熔岩30.90 27含角砾蚀变岩屑凝灰岩65.00 26蚀变玄武岩23.30 25凝灰质砂砾岩12.20 24蚀变杏仁状玄武岩55.60 23辉石安山岩80.30 22蚀变安山岩13.60 21蚀变岩屑砂岩42.90 20蚀变安山玢岩152.90 19凝灰质砂砾岩28.60

18凝灰质砂岩、粉砂岩37.60 17凝灰质砂砾岩57.70 16晶屑凝灰岩121.60 15含砾中粗粒岩屑砂岩67.70 14晶屑岩屑凝灰岩91.40 13蚀变安山岩205.50 12含砾岩屑砂岩70.70 10含砾凝灰质岩屑砂岩114.50 9 灰色玄武岩196.10 8 杏仁状玄武岩134.60 7 蚀变玄武岩132.80 6 含辉石玄武岩70.40 5 灰黑色玄武岩457.70 4 灰黑色含杏仁玄武岩171.90 3 含角砾凝灰岩143.00 2晶屑玻屑凝灰岩71.60侵入

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素地球化学特征

样品化学分析数据见表1。主量元素中SiO2含量变化不大，在51.32%～55.03%，平均52.81%，2件样品为玄武岩，3件为玄武安山岩。TiO2含量变化不大，为1.41%～1.78%，平均1.64%，高于岛弧拉斑玄武岩(TiO2=0.80%)和大陆溢流玄武岩(TiO2=1.00%)，低于洋岛拉斑玄武岩(TiO2=2.63%)，接近MORB玄武岩(TiO2=1.5%)。Al2O3含量较高，为18.18%～19.32%，平均18.71%，具有高铝玄武岩特征，而高铝玄武岩正是俯冲带典型的岩石类型[6]。Mg#值为34.09～44.47，平均40.59，说明分离结晶程度较低。全碱含量较高(Na2O+K2O为5.82%～6.93%，平均6.27%)，相对具有富钠的特征(K2O=1.73%～3.47%)，Na2O=3.1%～4.52%)，整体具越偏酸性全碱含量越高的趋势。在(Na2O+K2O)/SiO2图中，样品主体投在靠近分界线碱性系列区域(图2-a)，在K2O-Na2O图中钾质和钠质玄武岩均有分布(图2-b)。

3.2 微量元素地球化学特征

由表1可知，基性岩样品的稀土总量相对较高，这与岩石富碱特性相对应，ΣREE=140.62×10-6～161.50×10-6，平 均 153.42× 10-6。其 中 ΣLREE=122.28×10-6～140.58×10-6，ΣHREE=18.35×10-6～21.17×10-6，轻重稀土比值LREE/HREE=6.25～6.72，球粒陨石标准化稀土元素分布曲线呈轻稀土富集且分馏明显；重稀土亏损且分馏不明显的先陡后缓右倾曲线(图3-a)，所有样品均呈相同的变化趋势，暗示为同一岩浆源演化的产物。(La/Yb)N=7.12～7.74，轻重稀土元素分馏明显。δEu=0.90～0.98，平均 0.95，δCe=0.98～1，平均0.99，Eu和Ce元素均具弱负异常，Eu元素弱负异常说明岩浆演化过程中发生了较弱的斜长石分离结晶作用。

样品微量元素原始地幔标准化蛛网图前半部元素含量变化较大，后半部分较平稳(图3-b)，不同样品的微量元素分布特征仍具相似性，显示出同源演化的特征。大离子亲石元素Ba，Pb，Sr相对富集，高场强元素Th，U，Nb相对亏损，Th，U元素相对亏损在典型岛弧、洋中脊和板内玄武岩中均不存在，可能和后期蚀变作用有关。

表1 火山岩岩石地球化学数据Table 1 Geochemical data of Volcanic rocks

图2 火山岩样品TAS图解(a)和K2O-Na2O图解(b)Fig.2 TAS diagram(a)and K2O-Na2O diagram(b)of Volcanic rock samples

图3 火山岩样品稀土元素球粒陨石标准化分布曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns(a)and Primitive mantle normalized trace element patterns(b)of Volcanic rock samples

4 对比讨论和构造环境分析

4.1 区域对比

黑山头组在布尔津县南那林卡拉他乌创名，时代为中石炭世，原定义下部是一套正常陆源碎屑岩，上部多为中酸性、中基性火山碎屑岩。《新疆维吾尔自治区地层清理》沿用黑山头组，时代为早石炭世，认为在卡拉麦里地区出露的黑山头组下部为火山碎屑岩，上部为中基性火山岩及火山碎屑岩。田陟贤等在西准噶尔巴尔雷克一带对石炭系黑山头组进行了调查研究，认为其下部岩性主要为灰紫色-紫色气孔杏仁状安山岩、杏仁状玄武安山岩和少量的玄武岩[7]。由中国地质大学(武汉)地质调查所2015年完成的《铁厂沟镇幅(L45C002001)1∶250000区域地质调查》，对铁厂沟镇幅NE方向卡拉沙依一带黑山头组进行了调查研究，认为其下部为一套火山沉积碎屑岩，上部为橄榄玄武岩、杏仁状玄武岩、安山岩及晶屑凝灰岩。本次工作测制剖面确定该组岩性为玄武岩、杏仁状玄武岩、蚀变安山岩、安山玢岩、含角砾凝灰岩、晶屑凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩、含砾岩屑砂岩，这与《新疆维吾尔自治区地层清理》定义，与卡拉麦里、铁厂沟镇北东和西准噶尔巴尔雷克等地黑山头组岩性相似。

4.2 年代学特证据

本次工作在剖面玄武岩中采集了同位素样品(图1-b)，样品锆石的单矿物分选和阴极发光显微照相由河北省区域地质矿产调查研究所完成，锆石UPb同位素分析在中国地质调查局西安地质调查中心实验室的激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)上进行，U-Pb同位素分馏用标准锆石91500作为外标予以校正，每测6个未知样品后插入一次91500标样测定，以确保测试标样和样品的仪器条件完全一致。激光光束束斑直径30 μm，以29Si作为内标测定锆石的U，Th，Pb含量。锆石测定点的Pb同位素比值、U-Pb表面年龄和U-Th-Pb含量采用GLITTER程序和Isoplot程序进行数据处理。

图4 玄武岩锆石阴极发光图像及测点点号图(a)和U-Pb谐和图(b)Fig.4 CLimages and ages(a)and U-Pb concordia plots(b)from basalt zircons

从样品中分选出来的锆石个体较大、多呈长柱状，晶型为自形至半自形，晶面整洁光滑，无裂纹，锆石阴极发光图像显示其环带状构造特征明显(图4-a)，呈岩浆成因锆石特点，环带较宽，表明锆石结晶时岩浆温度较高，锆石群形态单一，多数为喷发期岩浆活动一次结晶形成。Th含量变化范围为43.76×10-6～296.88×10-6，U 含量变化为 88.53×10-6～381.91×10-6，样品锆石均具较高的Th/U比值，为0.40～1.27，多数小于1(表2)，展现出岩浆锆石U、Th成分特征[8]。测得的16颗锆石年龄数据均落于谐和线上或其附近，16个数据的206Pb/U238年龄加权平均值为(343 ±3.1)Ma(n=16，MSWD=0.68)(图4-b)，该玄武岩形成于早石炭世。

4.3 构造环境分析

表2 玄武岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素数据Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results

高场强元素Nb，Ta，Zr，Hf在蚀变和变质等过程中具有很好的稳定性，因此是岩石成因和源区性质的示踪剂。岛弧玄武岩和部分亏损型洋中脊玄武岩(N-MORB)的Ta，Nb丰度分别不大于0.7×10-6和12×10-6，Nb/La＜1，Hf/Ta＞5，La/Ta＞15，而板内玄武岩(WPB)、过渡型洋中脊玄武岩(T-MORB)和富集型洋中脊玄武岩(E-MORB)则正好相反。本次玄武质样品的 Ta丰度2.27×10-6～2.71×10-6和 Nb丰度22.05×10-6～22.11×10-6含量较低，Nb/La比值为0.83～0.84，Hf/Ta比值为 1.57～1.86，La/Ta比值为 9.74～11.75，表明该玄武岩成因、环境与岛弧玄武岩或NMORB的形成环境无关，类似于WPB、T-MORB、EMORB岩石构造环境。不活动元素协变关系是构造环境判别的有效方法。在Zr/Y-Zr图中(图5-a)，样品投在板内玄武岩区，在2Nb-Zr/4-Y图中，样品投在板内碱性玄武岩和板内拉斑玄武岩区，根据主量元素特征，岩石属碱性系列(图5-b)。岩石样品主量元素TiO2和Al2O3含量显示MORB玄武岩和俯冲带火山岩特征。而典型板内碱性玄武岩相对Sr，Ce和P等元素明显富集Rb，Ba，Th，Ta，Nb等元素，相对Sm和Y等元素富集Ti元素，而本次岩石样品Sr相对Th，Nb更加富集，Rb，Th，Nb等元素相对亏损，Ti元素相对Sm和Y等元素未见明显富集特征。Th，U元素相对亏损在典型岛弧、洋中脊和板内玄武岩中均不存在。岩石化学特征显示了图解的不确定性。

图5 火山岩构造环境判别图Fig.5 Tectonic discrimination diagram of Volcanic rock

易善鑫，李永军对西准黑山头组英安岩和安山岩进行岩石地球化学研究，通过对其源区和构造环境分析认为其形成于岛弧俯冲环境[9]；田陟贤等在西准噶尔巴尔雷克一带对石炭系黑山头组进行了调查研究，认为其火山岩形成于活动大陆边缘[7]。通常弧后盆地早期张开阶段，因岩浆源区可能受到包含地幔、俯冲板片和地壳在内的多种物质的影响，常会形成类板内伸展减薄环境火山岩和岛弧火山岩，而本次工作厘定的黑山头组主要为火山熔岩和火山碎屑岩，这与弧后盆地中岛弧侧岩石组合相似。综合考虑西准噶尔地区早石炭时期还在洋陆演化阶段[10-13]，认为该组火山岩形成于弧后盆地环境。

5 结论

(1)根据岩性对比，在西准噶尔谢米斯台山马门特一带，从原中泥盆统呼吉尔斯特组中解体出一套杏仁状玄武岩、玄武岩、蚀变安山岩、含角砾凝灰岩、晶屑凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩、含砾岩屑砂岩地层，将其厘定为下石炭统黑山头组。

(2)在玄武岩中采集了同位素样品，测得LAICP-MS 锆石年龄为(343±3.1)Ma(n=16，MSWD=0.68)，该玄武岩形成于早石炭世。

(3)该组火山岩具有高铝、高碱特征，轻重稀土元素分馏明显，大离子亲石元素Ba，Pb，Sr相对富集，高场强元素Th，U，Nb相对亏损，具有板内碱性玄武岩性质，形成于弧后盆地环境。

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