内蒙古额济纳旗地区早石炭纪火山岩喷发旋回与岩石化学特征

张亚波，闫海卿，胡雷雷，范超峰，王月飞，胥欢，刘斌

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054;2.河南省第三地质勘查院, 河南 洛阳 471023 )

中亚造山带是当前国际造山带研究热点之一,中亚造山带的形成与古亚洲洋及其陆缘的演化密切相关(王廷印等,1992,1993a,1993b,1994,1998；吴泰然等，1993；王金荣等，1995；左国超，2003；XIAO WJ，2009；LEHMANN J，2010；闫海卿等，2012)。银根-额济纳晚古生代盆地的形成与演化，因为发现有大量油气贮藏而备受关注(赵省民，2010；姜亭等，2011；党犇等，2011；卜建军，2013)。前人研究成果以讨论造山带的构造体系和古亚洲洋闭合时间为主，对于晚古生代盆地研究更加关注的是石炭纪—二叠纪盆地沉积相与油气储层的关系。对石炭纪火山岩研究的成果较少，而且多为晚石炭—早二叠世的火山岩研究成果。额济纳旗地区早石炭世火山岩出露有限，第四系覆盖严重，制约了基础地质研究，目前尚未检索到早石炭世火山岩喷发序列和构造背景的研究文献。笔者在1∶5万区域矿产调查的过程中对拐子湖地区火山岩进行了系统的剖面测制和岩石化学样品的采集分析，并对火山岩的形成时代进行了论证，取得了初步研究成果，对中亚造山带中段塔里木板块的石炭纪构造背景提出自己的认识供研究者讨论。

1 区域地质概况

下古生界的构造背景存在争议，一种观点认为古亚洲洋南次洋盆在泥盆纪即已闭合，石炭纪—二叠纪处于板内裂谷环境，广泛发育双峰式火山岩喷发和碱性花岗岩侵位(田昌烈等，1989；鲍庆中等，2007a，2007b)；另一种认为古亚洲洋南次洋盆在二叠纪闭合(WANG Q ，1986； XIAO W J et al.，2003； LI J Y，2006)，塔里木板块东北缘处于活动性大陆边缘。

研究区变质基底为下元古界北山群角闪片岩、黑云斜长片麻岩角闪岩相变质岩系，长城系古硐井群千枚岩、石英片岩等绿片岩相变质岩系；盖层为石炭系绿条山组浅海陆棚碎屑岩和白山组火山岩，二叠系双堡塘组浅海陆棚相-扇三角洲相碎屑岩、三叠系珊瑚井组陆相河-湖碎屑岩-泥岩建造，各地层之间较少直接接触，多为岩浆岩包围。白垩系乌兰苏海组呈不整合超覆在前白垩系之上。由于地处巴丹吉林沙漠北缘，风成沙分布广泛，基岩出露不好。 区内晚华力西期中酸性岩浆活动较强烈,与石炭纪地层呈侵入接触(图1B)。在研究区东部有肉红色中粒钾长花岗岩株侵入到白山组火山岩中(图1C)。

①.雅干断裂；②.恩格尔乌苏断裂；③.巴丹吉林断裂；④.狼山断裂1.白山组火山岩;2.绿条山组砂岩;3.钾长花岗岩;4.二叠系花岗岩;5.白垩系6.第四系;7.国界;8.剖面;9.断裂;10.锆石采样位置;11.县、市位置;12.居民点;A.区域地质简图(据吴泰然，何国琦1993)； B.Ⅵ号和Ⅷ号剖面地质简图； C.Ⅲ号剖面地质简图图1 (A)内蒙古自治区额济纳旗地区大地构造位置及(B)、(C)区域地质简图Fig.1 (A)Geological tectonic location and (B)、(C)sketch map of regional geological Ejinaqiarea in the Inner Mongolia Autonomous Region

2 石炭系白山组火山岩地质特征

2.1 研究区白山组实测剖面描述

白山组火山岩主要分布在研究区的北东部，地层出露较少，主要为一套中酸性火山岩，属于海相火山岩，其中见夹杂多层不等厚的碎屑砂岩等沉积夹层。下部为绿条山组的一套岩屑砂岩，二者呈整合接触。

上覆地层：第四系红色砂砾层

-------- 第Ⅴ喷发旋回 --------

43.灰色-浅红色流纹质火山角砾岩

44.42m

42.灰绿色杏仁状玄武岩

78.01m

41.深灰褐色碳酸盐化安山岩

143.64m

-------- 第Ⅳ喷发旋回 --------

40.暗灰色中细粒岩屑长石砂岩

123.21m

39.浅青灰色流纹质晶屑玻屑凝灰岩

19.61m

38.深灰色中细粒岩屑砂岩

52.73m

37.灰白色流纹质晶屑玻屑凝灰岩

5.42m

36.深灰色细粒硅化岩屑长石砂岩

74.42m

35.深灰色细粒长石岩屑砂岩

84.51m

34.浅青灰色弱硅化泥晶灰岩

8.76m

33.浅灰色中细粒岩屑砂岩

31.55m

32.浅褐色弱碳酸盐化安山岩

11.89m

-------- 第Ⅲ喷发旋回 --------

31.浅灰色碳酸盐化闪长玢岩

9.83m

30.灰白-浅褐色晶屑玻屑凝灰岩

1.51m

29.深褐色碳酸盐化中细粒岩屑砂岩

70.87m

28.浅青灰色褐铁矿化弱熔结角砾凝灰岩

60.90m

27.浅褐色褐铁矿化闪长玢岩

4.02m

26.浅灰色晶屑玻屑凝灰岩

4.02m

25.深灰色细粒岩屑砂岩

18.10m

24.浅灰色杏仁状安山岩

2.01m

-------- 第Ⅱ喷发旋回 --------

23.深灰色细粒长石岩屑砂岩

82.77m

22.浅褐色闪长玢岩

6.00m

21.深灰色细粒岩屑砂岩

79.97m

20.深灰色致密块状泥晶灰岩

2.69m

19.深灰色细粒岩屑砂岩

86.87m

18.深灰色致密块状岩屑砂岩

102m

17.深灰色石英闪长玢岩

50.00m

16.深灰色细粒-粗粉砂质岩屑砂岩

83.71m

15.灰白-深灰色碳酸盐化流纹质火山角砾岩

2.77m

14.浅褐色蚀变黑云母英安岩

9.60m

13.浅灰色细粒长石岩屑砂岩

18.27m

12.深灰色细粒岩屑砂岩

58.71m

11.深灰色中细粒岩屑砂岩

85.2m

10.浅灰色玄武质安山岩

10.94m

第Ⅰ喷发旋回

9.深灰色细粒岩屑砂岩

37.56m

8.灰色中细粒岩屑砂岩

17.88m

7.碳酸盐化流纹质晶屑玻屑凝灰岩

40.07m

-------- 整合接触 --------

绿条山组

6.深褐色细粒薄-中层岩屑砂岩

19.50m

5.深灰色细粒中层岩屑砂岩

18.16m

4.浅褐色中厚层含砾岩屑砂岩

1.82m

3.深灰色中细粒岩屑砂岩

9.08m

2.灰色中细粒岩屑砂岩

1.55m

1.紫红色砂岩

9.58m

-------- 未 见 底 --------

2.2 白山组火山岩岩石学及岩相学特征

研究区白山组石炭纪火山岩以中酸性火山岩为主，基性火山岩不发育，主要岩石特征如下。

杏仁状安山岩：斑状结构，杏仁状构造(图2B)。斜长石斑晶，半自形粒状结构，长0.8～1.2 mm，宽0.2～0.6 mm，可见聚片双晶，还有少量角闪石斑晶；基质具玻基交织交织结构，长石无定向分布，其他少量碱性长石和石英呈微晶充填于基质斜长石粒间，构成霏细交织结构，后期岩石局部发生绿帘石化。杏仁体主要有石英绿泥石充填，0.4～2.2 mm。可分为3期充填，由外到内依次为：他形微粒石英、绿泥石及最内部结晶较好的石英。杏仁体部分发生绢云母化。基质为间隐结构有结晶矿物也有玻璃质，矿物为小颗粒辉石后期蚀变为绿泥石，也可见角闪石斑晶后期完全蚀变为绿泥石。

流纹质晶屑玻屑凝灰岩：凝灰结构，块状构造。石英晶屑(10%)、长石晶屑(5%)、玻屑(48%)及隐晶质基质(27%)。单偏光下可见鸡骨状、弧湾状(图2C)80%的火山碎屑物，粒径<2 mm，棱角状，可见石英脱玻化形成霏细脱玻结构，碎屑被火山灰等胶结在一起，后期凝灰岩分解产生绿泥石及方解石次生矿物。

火山角砾岩：由流纹质基质和火山角砾构成。花岗岩及安山岩火山角砾(55%)粒径为2～6 mm，分选性差，棱角状-次棱角状，花岗岩角砾可见他形粒状石英，安山岩角砾可见玻基交织结构。

灰白-灰褐色硅化英安玢岩：斑状结构，斑晶为自形板状斜长石，粒径为0.6～2.3 mm,聚片双晶发育同时发生强烈的碳酸盐化(图2D)。基质为石英、斜长石和钾长石的微细晶，粒径为0.01～0.15 mm，石英呈他形-半自形粒状，表面有尘土状含气液包体。斜长石呈长条状分布于石英粒间多发生绢云母化。钾长石呈他形粒状，发生强烈的高岭土化。岩石后期发生强烈的硅化，石英颗粒细小表面光滑无包体，颗粒间呈缝合线接触。

2.3 喷发相与喷发旋回划分

2.3.1 喷发相划分

根据火山岩的岩石特征和火山岩的产出状态，可以将白山组火山岩划分为4个相：爆发相、溢流相、次火山相及火山沉积相。

白山组火山岩以中酸性岩浆为主，多数为流纹质晶屑玻屑凝灰岩，见7、26、28、30、37及39层；有2次喷发相为火山角砾岩(图2A)，可见15和43层，后者厚度明显比前者大爆发作用更强烈。溢流相主要岩性为杏仁状安山岩、玄武质安山岩及杏仁状玄武岩(图2B)，可见10、24、32、41及42层，整体来看，溢流相岩层厚度明显比爆发相大，并且从早到晚有递增趋势。次火山相以蚀变黑云母英安玢岩、石英闪长玢岩和闪长玢岩为主，无明显规律。碎屑沉积相频繁发育在火山活动的间歇期，剖面上共有17层岩屑砂岩、岩屑长石砂岩及少量泥晶灰岩。

q.石英；pl.斜长石；ch.绿泥石；A.爆发相的火山角砾(正交光下×10倍)；B.溢流相的杏仁体(正交光下×10倍)；C.晶屑玻屑凝灰岩(单偏光下×20)倍；D.次火山相的英安玢岩(正交光下×20倍)图2 白山组火山岩显微照片Fig.2 Microphotographs of the volcanic rocks in the Baishan Formation

2.3.2 喷发旋回划分

依据火山喷发相及喷发频率等特征，判断白山组火山喷发旋回属于复杂火山喷发旋回(胡治华,2013)。同时根据火山喷发的不同方式、强度、火山喷发间歇期及火山岩岩性特征，将研究区白山组火山喷发旋回从早→晚划分为5个火山旋回(见剖面岩性描述)。各喷发旋回特征如下。

第1个旋回岩性:碳酸盐化流纹质晶屑玻屑凝灰岩，第7层，厚度40.07 m。

第2个旋回岩性：浅灰色玄武质安山岩→黄白-深灰色碳酸盐化流纹质火山角砾岩，10～15层，厚度13.71m。

第3个旋回岩性：浅灰黑色杏仁状安山岩→黄白-浅褐色流纹质晶屑玻屑凝灰岩，24～30层，厚度68.44 m。

第4旋回岩性：浅褐色弱碳酸盐化安山岩→浅青灰色流纹质晶屑玻屑凝灰岩。32～39层，厚度36.92 m。

第5旋回岩性：深灰褐色碳酸盐化安山岩→流纹质火山角砾岩，41～43层，厚度266.07 m。

在每个旋回中夹杂着多层陆源碎屑岩，与火山岩呈不等厚互层产出。可以明显看出第Ⅱ到第Ⅳ旋回都是从中基性向酸性逐渐演化，由于地层出露不全导致第Ⅰ旋回不完整，第Ⅰ旋回只有流纹质晶屑玻屑凝灰岩，并无演化；并且从溢流相开始到喷发相结束，整体来看火山喷发频率越来越高，火山岩厚度越来越大，喷发间隙越来越少，也就是说每个火山喷发旋回的喷发过程是从弱到强的渐变过程。

2.4 岩石地球化学特征

白山组火山岩共采集了16个火山岩样品，样品由长安大学成矿作用及动力学开放研究实验室分析，分析数据见表1、表2、表3,岩石化学参数见表4。

岩石化学样品在TAS图解(图3)上分别落入安山岩、英安岩和流纹岩区域。样品的SiO2含量为57.58%～78.13%，属于中酸性岩石范畴，Al2O3含量较高,为13.75%～17.47%，全碱(Na2O+K2O)含量为4.31%～8.12%。属于富铝钙碱性火山岩(图 4)。随着SiO2含量的增加，Mg2O、CaO、TiO2、Al2O3、TFe2O3和MnO均呈负相关，只有Na2O和K2O正相关性不太明显。说明岩浆存在结晶分异，岩浆的分异演化很明显(图5)。

表4 白山组火山岩参数计算表Tab.4 Calculated contents of parameters in the Baishan Formation volcanics

图3 白山组火山岩TAS图解(据LE Bas et al.1986)Fig.3 The TAS diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

图4 白山组火山岩的硅碱图解Fig.4 The SiO2-Na2O+K2O diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

图5 白山组火山岩Harker图解(据HARKER A，1909)Fig.5 The Harker diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

稀土元素特征：稀土元素球粒陨石标准化图(图6)显示，曲线整体呈右倾型，轻稀土富集型。稀土元素总量变动较大，ΣREE=54.23× 10-6～241.46× 10-6，ΣLREE /ΣHREE=2.91～13.55，轻重稀土分馏明显，( La /Yb)N=2.17～22.25，显示出岩浆经历了高程度的结晶分异演化。δEu=0.55～0.94，表现出弱负异常，可能与岩浆演化过程中斜长石分离结晶有关。

图6 白山组火山岩微量元素大洋中脊花岗岩标准化图解(据PEARCE et al.，1984)Fig.6 Standard granite ridge trace elements patterns in the ocean for the volcanic rocks in the Baishan Formation

微量元素特征：微量元素球粒陨石标准化蛛网图(图7)显示，强烈亏损P、Ti，弱亏损Nb、Ta、 Sr；富集 Ba、Th等大离子亲石元素。

图7 白山组火山岩稀土元素球粒陨石标准化图解(据SUN et al.，1989)Fig.7 Chondrite-normalized REE-pattern for the volcanic rocks in the Baishan Formation

3 讨论

3.1 白山组火山岩地层时代讨论

3.1.1 白山组区域对比及相对时代

3.1.2 花岗岩株同位素年龄

研究区内有花岗岩株侵入到白山组火山岩地层中，其成岩年龄可以指示地层形成年代的上限。样品采自永红大队，地理坐标X:4 597 800 Y:311 290。锆石的阴极发光在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，LA-ICP-MS数据实在长安大学成矿作用及其动力学实验室完成。锆石呈长柱状，长宽比多介于1∶2到1∶3，阴极发光CL图版(图8)具有明显的环带构造，锆石检测结果显示，U-Th、U-Pb*(Pb*为放射性成因铅)、Th-Pb*之间以及Th与Th/U值之间均呈正相关性(图9)，表明其均为岩浆作用形成的锆石。

在锆石U-Pb年龄208Pb/238U谐和图中，大部分数据分析点都落在谐和线上或者附近，208Pb/238U加权平均年龄见图10。从侵入白山组花岗岩的LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄(333.5±3 Ma可知其属于早石炭世晚期的岩浆岩。根据岩浆岩与地层的侵入关系，判定白山组火山岩地层应早于(333.5±3) Ma形成，可以推定形成时代大致为早石炭世早—中期(大约为Mississippian世Visean阶)。

表5 北山地层分区石炭系划分与沿革表Tab.5 Stratigraphic classification and evolution of Caboniferous system of stratigraphic subregion of Beishan

图8 白山组中花岗岩锆石阴极发光图像Fig.8 CL images of the Granite zircons in the Baishan Formation

图9 白山组中花岗岩锆石成因判别图Fig.9 Discrimination plots for zircon genesis of granite in the Baishan Formation

图10 白山组中花岗岩锆石U-Pb加权平均年龄图和谐和年龄图Fig.10 Weighted average and concordia diagrams of granite zircon U-Pb dating age in the Baishan Formation

3.2 大地构造背景讨论

下石炭统白山组火山岩的构造环境争议较大。有认为石炭纪主要是拉伸作用形成断陷盆地(王廷印等1993)；有认为阿拉善北部及其邻区石炭纪火山岩形成于板内裂谷环境，且可能与地幔柱事件有关，岩浆在上升过程中受到地壳物质不同程度的混染(党犇，2013)；有认为属于大陆边缘裂谷(周立发等，1992)；也有认为白山组火山岩是岛弧环境(邵积东，1998)。笔者对研究区白山组火山岩岩石地球化学进行分析，显示该套火山岩为亚碱性系列(图4)，其利特曼指数δ均小于4(表4)，均为钙碱性岩石系列；当大量出现钙碱系火山-岩浆岩,TiO2含量偏低(平均值小于1%),Ti/Y值小于500,暗示岩石形成过程中有消减带流体的强烈卷入(夏林圻，2011)。岩石长英指数FL、分异指数DI、铁镁指数M/F高，固结指数SI低，表明岩浆演化彻底，分离结晶程度越高。

稀土元素配分呈右倾型，轻重稀土元素分馏明显(ΣLREE/ΣHREE=313.8)，具有会聚型板块边界岩浆演化的特点。微量元素大洋中脊花岗岩标准化配分特征显示，Ta、Nb、Ce、Hf、Sm、Zr、Y、Yb等元素含量低，并且低于标准洋脊花岗岩，具有火山弧花岗岩特征(李昌年，1992)。常量元素具有富铝，富碱，贫钛,与安第斯火山弧火山岩特征相似。另外，研究区火山岩Rb-(Y+Nb)构造环境判别图解和Nb-Y构造环境判别图解(图11)中样品均落入火山弧环境中；里特曼-戈蒂里图解中样品均落入造山区(图12)。结合绿条山组和白山组沉积建造-浅海陆棚相碎屑岩建造，推断白山组火山岩的大地构造背景应属于大陆边缘火山弧环境，早石炭世研究区构造属性应该为活动性大陆边缘。

VAG.火山弧花岗岩；Syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；ORG.洋中脊花岗岩图11 白山组火山岩(Y+Nb)-Rb和Y-Nb构造环境判别图解(均据PEARCE等，1984)Fig.11 (Y+Nb)-Rb and Y-Nb tectonic discrimination diagrams for Baishan Formation volcanics

图12 白山组火山岩logδ-logτ构造判别图解(A.RITTMANN，1973)Fig.12 The logδ-logτ tectonic discrimination diagrams for Baishan Formation volcanics

4 结语

(1)拐子湖地区下石炭统白山组火山岩可以被划分出5个火山喷发旋回。其中第Ⅴ期喷发强度最大。

(2)根据岩石特征区域对比和侵入白山组的岩浆岩锆石U-Pb年龄为333.2 Ma,推断研究区白山组火山岩地层时代为早石炭世(大约为Mississippian世Visean阶)。

(3)岩石地球化学分析结果表明，研究区火山岩属于富铝钙碱性火山岩系列，稀土元素配分呈右倾型，轻重稀土元素分馏明显(ΣLREE/ΣHREE=313.8)，具有会聚型板块边界岩浆演化的特点。微量元素大洋中脊花岗岩标准化配分特征显示，Ta、Nb、Ce、Hf、Sm、Zr、Y、Yb等元素含量低，并且低于标准洋脊花岗岩，具有火山弧花岗岩特征。

(4)塔里木板块北缘下石炭统白山组火山岩的构造背景为与俯冲汇聚板块边界有关的陆缘火山弧，构造属性为活动大陆边缘。

致谢：衷心感谢长安大学1∶5万矿产调查项目成员和西北大学大陆动力学国家重点实验室、长安大学成矿作用及其动力学实验室的分析测人员，在他们的大力支持下论文研究数据得以顺利完成。