新疆西准噶尔谢米斯台山早泥盆世火山岩年代学、地球化学特征及地质意义

谭震江，刘希军，张治国，李 锐，刘鹏德，肖 尧，宋宇嘉，张兆祺

(1.桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室&广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心，广西 桂林 541006；2.中国科学院 新疆生态与地理研究所新疆矿产资源研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

新疆西准噶尔地区位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木盆地之间，是中亚造山带西南部的重要组成部分，记录了中亚造山带由新元古代—晚古生代古亚洲洋演化历程[1-2]。该地区主要由一系列的古生代岩浆弧、蛇绿岩和增生杂岩带构成[3]。从地理位置上看，西准噶尔以和什托洛盖EW向谷地一线，分为北部和南部。南部主要以晚古生代的砂岩和火山岩以及早古生代的蛇绿岩组成，北部主要由两条东西走向岩浆弧和早古生代的蛇绿岩带组成[4]。本文研究区主要在西准噶尔北部，北边以晚古生代的扎尔玛—萨吾尔岩浆弧和南边以早古生代博什库尔—成吉斯岩浆弧组成，两条弧之间主要以早古生代的蛇绿岩带组成(如洪古勒楞蛇绿岩、和布克赛尔蛇绿岩、查干陶勒盖蛇绿岩、额敏蛇绿岩、库吉拜蛇绿岩和哈萨克斯坦东部的巴尔克别克蛇绿岩与扎乌尔蛇绿岩)。前人对西准噶尔岩浆弧(博什库尔—成吉斯岩浆弧)的构造属性及演化方面的研究相对较少，这些岩浆弧的形成及时代是否与洋盆俯冲削减有关还存在争议，通过对博什库尔—成吉斯岩浆弧内大量岩浆岩的研究，提出了西准噶尔北部在志留纪—石炭纪时可能处于后碰撞环境和俯冲相关的环境的假说[3-7]。西准噶尔北部博什库尔—成吉斯岩浆弧被认为是额尔齐斯—斋桑洋盆向南俯冲[3]或准噶尔洋向北俯冲[8-9]形成的。谢米斯台山火山岩位于博什库尔—成吉斯岩浆弧之中，呈近EW向展布。因此，对其进行同位素年代学、岩石学和地球化研究，不仅可以探讨博什库尔—成吉斯岩浆弧的建造时限和构造环境，而且有助于对西准噶尔北部岩浆活动及构造演化进一步认识。

1 地质背景与岩相学

西准噶尔地区位于阿尔泰山脉南段，南部毗邻和布克赛尔—洪古勒楞构造带，北靠博什库尔—成吉思断裂带。它是新疆北部古生代造山带的重要组成部分之一，组成了哈萨克斯坦东边绝大部分的弯曲造山带并且构成了由岛弧、蛇绿岩带、海底山脉组成的复合地体[5，10-11]。谢米斯台山位于西准噶尔北部地区[12](图1)。根据前人的研究认为该地区的火山岩时代属于志留纪—泥盆纪，其中志留纪—泥盆纪火山岩的地层主要为沙尔布尔组和呼吉尔斯特组的一套中酸性火山岩和火山碎屑岩组合[9，13-14]。石炭纪火山岩的地层主要为哈尔加乌组以中性火山岩为主，主要由玄武玢岩、凝灰岩和角砾岩等组成[10]。本文研究区发现的火山岩位于博什库尔—成吉斯岩浆弧之谢米斯台山西缘一带的中泥盆统呼吉尔斯特组内(图2)，呼吉尔斯特组(D2hj)也被称为谢米斯台组，党飞鹏等[15]认为该套岩层组合中酸性次火山岩的形成时代主要为晚志留世，而非中泥盆世。呼吉尔斯特组与和布克赛尔组为平行不整合接触关系，与上覆朱鲁木特组为断层接触，主要呈近EW向、NE向和NW向展布。

本次研究的谢米斯台山火山岩主要为玄武岩、玄武安山岩、安山岩和英安岩组成，块状玄武岩和玄武安山岩为灰黑色，风化后呈深紫红色、块状、杏仁状构造。显微镜下玄武岩呈斑状结构，斑晶主要矿物成分是基性斜长石和辉石。基质呈间粒间隐结构，主要矿物成分为斜长石微晶、辉石微晶及少量玻璃质。斑晶中斜长石呈板状或长柱状，较自形，表面发生绢云母化，可见卡式双晶、聚片双晶或卡钠复合双晶。辉石呈粒状他形，多发生绿泥石化，可见部分未风化微粒突起较高，少量铁质呈针状。玄武安山岩呈斑状结构，斑晶主要矿物成分为石英、基性斜长石及少量碳酸盐化矿物。基质呈交织结构，主要矿物成分为斜长石微晶，及少量暗色矿物微晶，斜长石微晶呈定向—半定向分布。发生碳酸盐化的斑晶单偏光下可见闪突起，石英斑晶呈他形粒状，表面较干净，部分成微晶状(图3)。

图1 西准噶尔地质简图及蛇绿混杂岩分布图(据文献[12]修改)Fig.1 Geological sketch map for the West Junggar region and distribution map of the ophiolitic melange [12]1—新生界、中生界及二叠系 2—石炭系 3—泥盆系 4—志留系 5—奥陶系 6—石炭系—二叠系花岗岩 7—上志留统—下泥盆统花岗岩 8—蛇绿杂岩 9—断层 10—国界

图2 谢米斯台地区地质简图(据文献[1]修改)Fig.2 Geological sketch map of the Xiemisitai area[1]1—第四系 2—下石炭统和布克河组 3—上泥盆统朱鲁木特组 4—中泥盆统呼吉尔斯特组 5—海西期花岗岩 6—超基性岩 7—断层

图3 谢米斯台玄武岩野外露头照片及薄片照片Fig.3 Field outcrop photo and thin slice micrograph of Xiemisitai basalt samples(a)玄武岩野外露头照片 (b)玄武岩手标本 (c)玄武岩镜下显微照片 (d)玄武安山岩镜下显微照片Pl—斜长石 Px—辉石 Chl—绿泥石

2 样品分析方法

本文选取代表性的玄武安山岩样品进行锆石U-Pb同位素定年分析、主量元素、微量元素分析，所有实验在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘察重点实验室完成，锆石分析结果见表1。本文对谢米斯台山玄武安山岩(XM-150)进行U-Pb定年测定，锆石分选采用常规的重选和磁选法，然后在双目镜下逐个挑选出锆石颗粒并使用环氧树脂制靶，抛光后进行阴极发光(CL)照相，锆石分拣挑选由廊坊诚信地质服务公司完成，锆石制靶由重庆宇劲科技有限公司完成，LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘察重点实验室完成，实验仪器为单颗粒锆石激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)。主量元素采用日本株式会社理学ZSXPrimusⅡX射线荧光光谱仪(XRF)进行分析，玻璃熔片前要测定每个样品的烧失量(LOI)，利用测定LOI焙烧后的样品进行玻璃熔片，并在ZSXPrimusⅡXRF上进行测定。微量元素和稀土元素在Agilent7500cx电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上完成。使用USGS标准BHVO、AGV、W-2和G-2以及国家岩石标样GSR-1、GSR-2、GSR-3来校正所测元素的含量，分析精度一般优于2%～5%。

表1 谢米斯台火成岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定结果(样品XM-150)Table 1 LA-ICP-MS Zircon U-Pb dating for igneous rocks from Xiemisitai area

3 分析结果

3.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

谢米斯台山玄武安山岩(样品XM-150)中锆石的阴极发光(CL)图像显示(图4a)，锆石晶粒无色透明，呈柱状或等粒状，锆石CL特征显示内部结构较为复杂，锆石颗粒自形程度较良好，部分呈现明暗相间的条带结构，部分呈现环带结构或模糊的环带结构。玄武安山岩(样品XM-150)显示锆石的8个测点：w(U)为253.2×10-6～1744.6×10-6，w(Th)为104.4×10-6～2135.9×10-6，Th/U比值变化范围在0.31～1.22，表明为岩浆成因锆石。对玄武安山岩样品进行8颗锆石8个点的同位素分析，测得的加权年龄为(413.6±6.9)Ma (MSWN=0.87)(图4b)，代表玄武安山岩的结晶年龄，综上，说明谢米斯台山火山岩形成于晚志留世—早泥盆世。

3.2 主量元素及微量元素

谢米斯台山火山岩岩石化学主量及微量元素结果及有关参数列于表2。由表2可见，岩石样品烧失量相对较高(LOI=2.40～3.18)，可能受到一些后期蚀变或者流体的影响。火山岩主量氧化物中w(SiO2)为50.44%～56.35%，岩性以中基性为主，w(TiO2)为0.79%～1.53%；w(P2O5)为0.05%～0.27%，具有高的w(Al2O3)(15.92%～18.07%)，在Nb/Y - Zr/TiO2图解中(图5a)，显示属于玄武岩-安山岩的范围。w(MgO)较高(2.66%～5.55%，Mg#=47～57)，略低于原生岩浆(Mg#=68～75；Wilson[16])，反映岩浆经历了一定程度的结晶分异作用。在SiO2- FeO*/MgO图解中(图5b)，大多数样品均投到钙碱性区。

图4 谢米斯台XM-150火成岩锆石CL图像(a)与锆石U-Pb年龄谐和图(b)Fig.4 CL Image of zircons from the XM-150 igneous rocks (a) and U-Pb concordia diagram of zircons (b) in Xiemisitai

表2 谢米斯台火山岩主量元素、微量及稀土元素分析数据Table 2 The analytical data of major，trace and rare earth elemenmts of Xiemisitai volcanic rocks

续表2

图5 Zr/TiO2 - Nb/Y图(a)和SiO2 - FeO*/MgO图解(b) (前人数据来源文献[9-10])Fig.5 Diagrams of Zr/TiO2 - Nb/Y (a) and SiO2 - FeO*/MgO (b) of the igneous rocks in Xiemisitai [9-10]

火山岩样品稀土、微量分析数据见表2。所有样品稀土元素总含量ΣREE为41.738×10-6～116.72×10-6，平均77.34×10-6，均大于MORB的数值(39.11×10-6)，在球粒陨石标准化稀土元素分布模式图中(图6a)，轻稀土(LREE)与重稀土(HREE)分异明显，其中LREE/HREE比值为(6.45～8.17)，平均7.34，(La/Yb)N=2.93～10.81，平均8.33，其呈现轻稀土富集，重稀土亏损。具弱的Eu正异常(δEu=1.26～1.58)，表明岩石是由岩浆中有一定程度斜长石积聚的部分结晶形成的，反映了深部岩浆房有一定的结晶分异分层，且先后喷出。在微量元素原始地幔标准化分配分图(图6b)显示富集Ba，Sr，U等元素，具有明显的Nb、Ta等高场强元素亏损特征，是典型岛弧火山岩的特征。

4 讨论

前人对西准噶尔北部古生代志留纪到早泥盆世的火山岩做了大量工作，但是前人对该地区的构造环境认识尚存在较大的争议，如洋脊俯冲环境、洋内弧环境[5]、岛弧环境[3，6]和后碰撞环境[13-14]等。本文对谢米斯台山地区晚志留世—早泥盆世火山岩研究显示，富集轻稀土，亏损高场强元素(如Nb、Ta)，Al2O3含量较高(15.92%～18.07%)，岩浆源区可能受到了俯冲带流体的交代作用，暗示了其可能形成于岛弧环境。并且用抗蚀变元素图解来判别其形成的构造环境，在Hf/3 - Th - Ta判别图(图7)中，样品点都落在岛弧钙碱性玄武岩区，在不相容元素对的相关图Th/Yb - Ta/Yb图解(图8)上，样品也落入岛弧玄武岩区域中。总上所述，岩石地球化学特征表明谢米斯台山火山岩的成因与岛弧岩浆作用有关，其构造背景为与俯冲相关的岛弧环境。

图6 不相容元素原始地幔标准化图解(a)与稀土元素球粒陨石标准化图解(b)(球粒陨石、原始地幔、OIB、E-MORB、N-MORB数据引自文献[17]；前人发表数据引自文献[9-10])Fig.6 Primitive mantle-normalized diagram of imcompatible elements (a) and REE chondrite-normalized diagram (b)

图7 谢米斯台火山岩Hf/3-Th - Ta判别图 (前人数据来源文献[9-10])Fig.7 Hf/3 - Th - Ta discrimination diagram of Xiemisitai volcanic rocks [9-10]

图8 谢米斯台火山岩构造环境判别图 (前人数据来源文献[9-10])Fig.8 Tectonic setting discrimination diagram of Xiemisitai volcanic rocks[9-10]

西准噶尔谢米斯台山位于博什库尔—成吉斯岩浆弧的东端，普遍认为该弧的形成与早古生代(晚奥陶世—中泥盆世)准噶尔洋向北俯冲[14]或额尔齐斯—斋桑洋盆向南俯冲[3]作用有关。根据前人研究成果，本文对谢米斯台地区的分布的火山岩时空分布做了简要的总结(表3)。由表3可见，这些火山岩时代主要集中在晚志留世—早石炭世，并且前人研究认为谢米斯台地区在晚志留世—早泥盆世出露的大量火山岩和部分侵入岩具有俯冲带火成岩特征[18]。前人采用不同的测试方法对谢米斯台山火山岩进行锆石测年，申萍等[3]在谢米斯台山中部地区进行了火成岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得流纹岩年龄为(419.9±3.3)Ma和(422.5±1.9)Ma；安山岩年龄为(418.2±2.8)Ma；张若飞等[19]通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年获得谢米斯台铜矿床火成岩年龄为(424.3±4.3)Ma，形成地质年代在晚志留世初期；尹继元等[10]在谢米斯台山东段进行了Ar-Ar测年，获得玄武安山岩的年龄为(338.7±6.9)Ma，认为西准噶尔地区在早石炭世处于岛弧环境，即准噶尔洋向西北侧和东南侧的双向俯冲。此次研究中笔者采集了谢米斯台南部地区的火成岩，并选取玄武安山岩进行锆石U-Pb测年获得年龄为(413.6±6.9)Ma，得知火成岩形成于早泥盆世，此年龄与前者进行研究所得出的火成岩形成年龄相符，另外，谢米斯台山火山岩地球化学上呈现的岛弧岩浆特征，其岩石成因与板块俯冲有关，可以确定博什库尔—成吉斯岩浆弧在早泥盆世形成于岛弧环境中。

表3 谢米斯台山火成岩时空分布简表Table 3 List of temporal and spatial distribution of igneous rocks in Xiemisitai Mountain range

综上，通过对谢米斯台山火山岩的年代学及地球化学研究，认为谢米斯台山火山岩形成于早泥盆世俯冲有关的岛弧环境，揭示了博什库尔—成吉斯岩浆弧的形成可能与早古生代(早泥盆世)洋的俯冲有关。

5 结论

1)通过对新疆西准噶尔北部谢米斯台山火山岩进行岩石地球化学分析，发现其地球化学特征为岛弧火山岩特征；

2)通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得谢米斯台山玄武安山岩206Pb/238U加权平均年龄为(413.6±6.9)Ma，时代属于晚志留世—早泥盆世。

3)谢米斯台山火山岩形成于早泥盆世俯冲有关的岛弧环境中，笔者认为博什库尔—成吉斯岩浆弧的形成可能与早古生代(早泥盆世)洋的俯冲有关。