东准噶尔卡拉麦里地区六棵树组火山岩年代学、地球化学及构造意义

郑海峰 刘阁 靳刘园 杨硕

摘  要：卡拉麦里地区晚古生代构造演化存在较大争议，主要观点有两种：一种认为石炭纪末期仍为岛弧环境，古亚洲洋依然存在;另一种认为石炭纪处于后碰撞环境，古亚洲洋已消亡。研究选取卡拉麦里地区石炭纪六棵树组火山岩进行锆石U-Pb年代学及地球化学研究，认为晚石炭世卡拉麦里地区可能仍为岛弧环境，古亚洲洋的消亡应在晚石炭世之后。

关键词：东准噶尔;地球化学;六棵树组;古亚洲洋

中亚造山带为世界最大的造山帶之一，也是世界上显生宙以来增生和改造最明显区域之一[1-6]。前人对中亚造山带的构造学、地层学和地球化学进行了大量工作[7-10]。目前对中亚造山带晚古生代构造演化仍存在较大争议。有学者认为中亚造山带在石炭纪末期仍为岛弧环境，古亚洲洋仍然存在[11-12];另有学者认为中亚造山带在石炭纪处于后碰撞环境，古亚洲洋已消亡[13-16]。新疆卡拉麦里蛇绿岩带位于中亚造山带西南部，保留有古亚洲洋晚古生代演化重要信息，该区晚古生代火山岩的研究对认识古亚洲洋晚古生代演化具重要意义[17-21]。本次研究选取卡拉麦里地区石炭纪六棵树组火山岩为研究对象，并进行了精确的锆石U-Pb测年和地球化学分析，探讨岩石类型及成因，为研究该区域大地构造演化提供证据。

1  区域地质

东准噶尔地区位于新疆东北部，是中亚造山带在新疆的重要组成部分。东准噶尔地区主要出露两条蛇绿岩带，北区阿尔曼太蛇绿岩带和南区卡拉麦里蛇绿岩带[22]。沿两条蛇绿岩带分布有大量古生代火山岩、花岗岩等，暗示古生代时期东准噶尔经历复杂的构造演化过程[23-28]。卡拉麦里地区出露的晚古生代地层主要有早—晚泥盆世卡拉麦里组和晚石炭世石钱滩组、六棵树组。卡拉麦里组主要为灰白色细砾岩、岩屑砂岩和灰绿色砂岩;石钱滩组以砂岩、灰岩安山玢岩为主;六棵树组为玄武岩、英安岩等，夹少量砂岩和砾岩。区域地质研究在石炭纪地层中发现大量海百合、珊瑚等海相生物化石，表明该时期为海相环境[29]。本次研究的六棵树组火山岩位于卡拉麦里蛇绿岩东部，走向大致北偏西，地层周边出露有石炭纪花岗岩（图1）。

2  岩相学特征

六棵树组火山岩位于老君庙NE向，主要分布于卡拉麦里断裂南部，呈近EW向展布，与上覆晚石炭世石钱滩组呈不整合或喷发不整合接触。以中酸性火山熔岩为主，主要岩性为杏仁状安山岩和褐红色英安岩。安山岩多为褐灰色（图2-a），具明显斑状结构，斑晶主要为斜长石（35%），长石呈半自形板状，聚片双晶发育，轻微碳酸盐化;基质（65%）具玻晶交织结构，细板条状斜长石杂乱排列，其间分布玻璃质、磁铁矿（图2-c）。褐红色英安岩具斑状结构（图2-b），块状构造，斑晶以斜长石为主（30%），具轻微绢云母化;基质（70%）中杂乱分布有斜长石微晶（图2-d）。

3  分析方法

本次研究对六棵树组火山岩进行采样，采样位置为N：44°34′41″，E：90°48′46″。为探讨岩石成因及构造意义，对六棵树组火山岩进行锆石U-Pb测年和主量、微量元素地球化学分析。首先在镜下选出晶型较完整的锆石颗粒，按顺序用环氧树脂固定后进行抛光、反射光和透射光照射，选取合适的分析测试点。锆石U-Pb测年实验在中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室进行，所用仪器激光束斑直径为30，频率为60 Hz，剥蚀时间为60 s。其中每隔5个测试点测1次标样，外部标样选用标准锆石91500，内部标样为NIST610。主微量元素分析在武汉综合岩矿测试中心进行，将处理好的200目样品采用X-荧光分析仪和ICP-MS分析主量、微量元素组成，主量元素氧化物相对标样偏差小于2%，微量元素低于5%。

4  测试结果

4.1  锆石U-Pb测年

六棵树组中英安岩锆石U-Pb定年结果见表1。样品锆石主要为浅黄色-无色，呈长柱状，长宽比为1.0～2.0，Th/U为0.32～0.49，阴极发光图像中可见明显环带结构，为典型岩浆锆石（图3）。英安岩锆石总测试点为24个，有14个测试点年龄落在谐和线附近，具较高谐和度，206Pb/238U加权平均年龄为（322.8±2.2）Ma，MSWD=0.72，属晚石炭世（图4）。

4.2  岩石地球化学组成

对卡拉麦里六棵树组火山岩1件安山岩样品及2件英安岩样品进行主量、微量、稀土元素分析（表2）。

卡拉麦里六棵树组安山岩具中等SiO2含量52.67%，Al2O3含量16.73%，较高的CaO含量6.38%和K2O含量2.71%及全碱含量，（Na2O+K2O）含量为7.11%，显示高钾钙碱性特征（图5-a）。样品具中等MgO含量3.53%和TFe2O3含量9.83%，SiO2-K2O+Na2O分类图解中落入粗面安山岩系列（图5-b）。英安岩2件样品SiO2含量较高，分别为67.18%和69.95%，Al2O3含量14.88%和13.64%，具较低的MnO含量0.08%～0.09%和MgO含量0.64%～0.86%。但2件样品K2O含量和Na2O含量有所不同。一类英安岩（PM32-1）具较高的K2O含量3.88%和全碱含量8.62%，属高钾钙碱性系列;另一类英安岩（PM32-2）K2O含量0.87%和全碱含量6.32%较低，为低钾（拉斑）系列（图5-a）。

卡拉麦里六棵树组安山岩稀土元素总量为112.3×10-6，轻重稀土元素分异较明显，LREE/HREE为4.31，LaN/YbN为3.49，稀土元素型式图解中呈右倾（图6-a）。英安岩样品稀土元素特征差异较大，高钾英安岩具较高的稀土元素含量，为167.48×10-6，轻重稀土元素具分异趋势，LREE/HREE为5.9，δEu显示亏损特征，δEu=0.81;低钾英安岩具较低的稀土元素含量，104.84×10-6，轻重稀土元素分异明显，LREE/HREE=8.05，具不明显Eu的正异常，δEu=1.11。

微量元素原始地幔标准化蜘蛛图中，粗面安山岩和高钾英安岩表现出与低钾英安岩不一致的特征（图6-b）。安山岩和高钾英安岩具Rb，K，U等大离子亲石元素和Zr，Hf元素富集，Nb，Ta，Ti，P等高场强元素亏损特征，反映岛弧火山岩特征。低钾英安岩整体上富集大离子亲石元素和亏损高场强元素，Ba，Th，Eu等元素异常特征可能暗示岩石成因差异。

5  讨论

5.1  岩石成因

六棵树组火山岩主要由酸性岩和基性岩组成。高钾钙碱性粗面安山岩样品富集LREE和Zr，Hf等元素，亏损Nb，Ta，Ti，P等元素，暗示俯冲带组分的影响。英安岩具分异的地球化学特征，高钾英安岩样品具与粗面安山岩类似特征，低钾英安岩具较低的K含量和REE总量，富集Th，Sr，Eu等元素，属拉斑玄武岩系列，样品具明显双峰式火山岩特征。

目前双峰式火山岩成因主要有以下观点：一种认为酸性岩和基性岩分别来自不同的母质岩浆体系，不同时期岩浆的侵入导致二者空间上的联系，微量元素通常有较大差异[30-31];另一种认为酸性岩和基性岩来自同一种岩浆体系，酸性岩是由基性岩分离结晶而来，通常产出的酸性岩远少于基性岩[32]。六棵树组火山岩酸性岩和基性岩同时出露，不同的地球化学特征指示其可能来自不同的岩浆体系。安山岩的Mg#为42，低于亏损地幔值，表明经历了铁镁矿物的分离结晶作用。稀土元素显示右倾特征， Ba/La=36.85，La/Nb=5.17，Nb含量8.5×10-6，锆饱和温度648℃，表明源区受到俯冲物质影响[33]。结合Zr-Nb图解特征，表明其可能来源于受俯冲作用影响的幔源物质的分离结晶作用（图7）。

高钾英安岩与粗面安山岩特征一致，均表现出Nb，Ta，P，Ti等元素亏损，Mg#为24，具较低的锆饱和温度（TZr=683℃）。相似稀土元素和微量元素特征表明，其可能来自基性岩的再熔融作用。哈克图解中样品显示与基性岩相关，MgO、MnO和TiO2等元素随SiO2的增加而减少，暗示橄榄石等矿物的分离结晶作用（图7）。Na2O等元素随SiO2增加而增加，显示Eu负异常，表明斜长石等矿物在岩浆作用过程中的分离结晶。低钾英安岩具相对较低的K2O含量，较高的Na2O含量和Mg#均表现出与高钾英安岩不同的地球化学特征。岩石具低的锆饱和温度（TZr=654℃），表明其可能来自亏损地幔玄武质岩浆的进一步分异。

5.2  构造意义

东准噶尔地区出露有大量的晚石炭世A-型花岗岩，常被认为产出于后碰撞环境[23]。Zhang Haixiang和Zhang Chen在東准噶尔地区发现360 Ma的富Nb玄武岩和308 Ma埃达克质花岗岩[14，34]，这些埃达克质花岗岩显示高的Sr/Y，Al2O3、MgO和高的Na2O含量，较高的εNd（t）和εHf（t）值，表明岩石是由俯冲板片脱水作用形成的流体相交代上覆的地幔楔物质部分熔融形成。Xiao yan对卡拉麦里早石炭世火山岩研究发现[35]，这些火山岩显示出典型的钙碱性特征，形成于岛弧环境。李锦轶等对卡拉麦里断裂进行构造特征研究[36]，提出卡拉麦里断裂为弧后盆地关闭的遗迹。说明东准噶尔在早石炭世仍处于俯冲背景，晚石炭世东准噶尔地区的构造环境需进一步研究。

关于双峰式火山岩可形成于多种环境，既可形成与伸展作用有关的大陆裂谷环境，也可形成于洋岛、洋内弧等多种环境[37]。六棵树组火山岩中出露有大量中酸性英安岩，洋岛环境下产出的火山岩通常以基性岩为主，不太可能是六棵树组火山岩的形成环境。六棵树组安山岩具高的Ba/Zr（4.15）和Ba/Ce（15.2），远高于弧后盆地环境形成的玄武岩。通常造山后环境形成的中酸性火山岩具较高的K2O含量，玄武岩有较大的Th/Ta（大于5）。六棵树组安山岩Th/Ta较低，英安岩既有富K系列，也有贫K系列，暗示不可能形成于弧后盆地环境。六棵树组安山岩富集LREE，亏损HFSE，Nb，Ta，Ti等元素，具岛弧火山岩特征。英安岩表现出类似的岛弧特征，符合岛弧环境双峰式火山岩特征。在Zr-TiO2和Rb-Y+Nb判别图解中，样品均落入岛弧火山岩系列（图8）。杨梅珍等对卡拉麦里蛇绿混杂岩进行地球化学和年代学研究[38]，发现卡拉麦里蛇绿混杂岩的橄榄岩具正常的MORB特征;碱性玄武岩具洋岛玄武岩特征，具较高的Al2O3和TiO2含量，轻稀土元素富集，指示一种俯冲带相关的蛇绿岩特征。结合锆石年代学证据表明，至少在310 Ma之前东准噶尔地区仍存在大洋的俯冲作用。因此，六棵树组双峰式火山岩应形成于洋内岛弧环境，不太可能是后碰撞环境。

6  结论

（1） 卡拉麦里六棵树组火山岩锆石U-Pb测年结果为（322.8±2.2）Ma，形成于晚石炭世，岩石地球化学组成具双峰式火山岩特征。

（2） 六棵树组安山岩具富集LREE和Zr，Hf等元素及亏损Nb，Ta，Ti，P等元素特征，较低的Zr和Nb含量及较高的La/Nb暗示其来自混染了俯冲物质的幔源岩浆。高钾英安岩亏损Nb，Ta等元素，富集K，U，Zr，Hf等元素，较低的锆饱和温度暗示由基性岩再熔融形成。低钾英安岩富Na贫K，较高的Mg#等特征表明应来自于幔源玄武岩浆的进一步分异。

（3） 据火山岩地球化学特征，晚石炭世卡拉麦里地区为岛弧环境，双峰式火山岩形成于俯冲背景，古亚洲洋仍然存在。

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Chronology，Geochemical Characteristics and Tectonic Implication of the Liukeshu Formation Volcanics in Eastern Junggar，Xinjiang

Zheng Haifeng，Liu Ge，Jin Liuyuan，Yang Shuo

（Xinjiang Institute of Geological Survey，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract：Recently a debate has arisen about when the paleo-Asiatic ocean was consumed.The tectonic evolution of the Late Paleozoic in Karamaili region are debated.One idea suggests that Palaeo-Asian Ocean has not closed terminal Carboniferous，which was probably formed in island arc.The other idea suggests that the Karamaili area in tectonic setting of post-collision during the Carboniferous and no ocean existed.This study focuses on the Paleozoic tectonic setting in the Karamaili tectonic zone revealed by zircon U-Pb dating and geochemical data，therefore，during Late Carboniferous，no ocean existed in the Karamaili tectonic zone and the oceanic basin represented by the Karamaili Liukeshu Formation volcanics had been closed after late Carboniferous epoch.

Key words：Eastern Junggar;Geochemistry;Liukeshu Formation;Paleo-Asian Ocean