西天山温泉布拉格达瓦一带托斯库尔他乌组沉积特征及构造环境分析

孟令华

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

西天山造山带位于中亚造山区的南部，北邻哈萨克斯坦—准噶尔古板块，南邻塔里木古板块，是一个经历了多期次俯冲、碰撞和陆—陆叠覆造山而形成的复合造山带，其构造演化与天山洋盆演化密切相关[1-2]。西天山温泉地区广泛发育泥盆—石炭纪火山—沉积地层，是西天山构造演化的重要物质记录[3]。根据野外地质调查，温泉县城东南布拉格达瓦—巴音哈拉一带大面积出露的NE向展布的晚泥盆世托斯库尔他乌组地层，不整合在中泥盆世汗吉尕组和古元古代温泉岩群之上，被早石炭世阿克沙克组不整合覆盖(图1b)。前人工作重点主要集中在碎屑岩地层层序、化石组合、物源特征、沉积环境等方面[4]，对正常沉积地层中的火山岩夹层研究不足。本文对托斯库尔他乌组中火山岩夹层的喷发规律、岩石地球化学特征进行了研究，同时结合沉积物源，对其形成环境进行了探讨，为西天山泥盆纪构造演化提供了新的依据。

1 地质背景

研究区大地构造位置处于天山兴蒙造山系(Ⅰ级)伊宁—中天山地块(Ⅱ级)赛里木陆缘盆地(Ⅲ级)之赛里木地块(Ⅳ级)[5](图1a)。地层区划隶属塔里木—南疆地层大区，中南天山—北山地层区，中天山—马鬃山地层分区之温泉地层小区[6]。晚泥盆世托斯库尔他乌组总体上岩性比较稳定，可划分为下、中、上三个岩性段：下段(D3ts1)，呈条带状NEE向展布，不整合在古元古代温泉岩群及中泥盆世汗吉尕组之上，厚790.8～2055.0m，岩性主要为灰色、灰绿色砾岩、长石岩屑砂岩、岩屑砂岩、凝灰质长石岩屑砂岩、粉砂岩、凝灰质粉砂岩，岩石总体表现为成层性好，砂岩、粉砂岩常呈中薄层状。中段(D3ts2)，呈条带状NEE向展布，与上、下段之间均为整合接触，厚317.9～631.6m，岩性为灰色、灰绿色砂质砾岩、岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、凝灰质长石岩屑砂岩、粉砂岩、凝灰质微细砂质粉砂岩、少量流纹质玻屑凝灰岩及球粒流纹岩等，岩石以中层状为主。上段(D3ts3)，呈条带状NEE向展布，上与早石炭世阿克沙克组为角度不整合关系，厚735.5m左右，岩性为灰色、深灰色粉砂岩、含粉砂细粒长石岩屑砂岩、凝灰质粉砂岩、流纹质玻屑凝灰岩、沉凝灰岩及少量球粒流纹岩等，该段总体表现为岩石颗粒普遍较细，很少见到细粒以上粒级的砂岩，以粉砂岩和凝灰岩、凝灰质细碎屑岩发育为特征(图2)。

1—第四系；2—阿克沙克组上段；3—阿克沙克组下段；4—托斯库尔他乌组上段；5—托斯库尔他乌组中段；6—托斯库尔他乌组下段；7—汗吉尕组下段；8—温泉岩群；9—青白口纪二长花岗岩；10—实测地质界线；11—角度不整合界线；12—逆断层；13—平移断层；14—性质不明断层

2 火山岩相及喷发韵律

泥盆纪火山岩呈夹层、透镜体状分布于晚泥盆世托斯库尔他乌组地层中。在托斯库尔他乌组下段及中段正常沉积地层中夹有透镜状零星分布的球粒流纹岩(图3)；托斯库尔他乌组上段地层中含大量火山碎屑岩、火山沉积碎屑岩，与正常沉积的细碎屑岩呈互层状。

按柱状剖面岩石成分、岩性以及喷发方式的不同，该套火山岩在布拉格达瓦一带划分出的火山喷发韵律见表1。上段剖面划分出40层，总厚度735.38m，自下而上可划分出10个喷发韵律，每个韵律以爆发相开始，以沉积相结束。第1韵律以火山碎屑岩、火山熔岩、沉积岩组成爆发相—喷溢相—沉积相韵律，以沉积岩结束，爆发指数46.85%，喷溢指数12.42%，喷溢作用较弱。第2～10韵律是由火山碎屑岩、沉积岩组成的爆发相—沉积相韵律，均以沉积岩结束，爆发指数变化规律为0.81%→93.11%→77.27%→60.2%→16.6%→14.33%→26.5%→81.36%→35.24%。火山作用具周期性间歇喷发的特征，岩相表现为爆发—喷溢—沉积—爆发—沉积—爆发的特点[7]，总体爆发指数为41.44%，喷溢指数为2.73%。

a—流纹岩透镜体平面展布形态(镜头方向50°)；b—流纹岩透镜体素描图；①—球粒流纹岩；②—凝灰质细粒长石岩屑砂岩；③—粉砂岩

3 岩石化学特征

本次在托斯库尔他乌组火山岩中采集了2件新鲜样品进行主微量元素测试，岩石类型为球粒流纹岩(样品编号0044/1)和流纹质玻屑凝灰岩(样品编号0045/1)。测试工作由中国冶金地质总局山东局测试中心完成。分析计算结果见表2。

SiO2含量为70.14%～70.63%，铝饱和度指数(A/NKC)为0.73～1.10，为次铝岩石系列。里特曼指数(σ)为1.49～2.33，碱度率(AR)为2.34～3.53，K2O/Na2O值为0.42～0.88；结合SiO2-K2O图解中(图4)投点结果，托斯库尔他乌组火山岩属钙碱性岩石系列。

表2 托斯库尔他乌组火山岩主量元素(%)、微量元素和稀土元素(×10-6)分析计算结果

图4 火山岩SiO2-K2O图解(底图据文献[8])

另外，根据岩石中K2O，SiO2含量在火山岩K2O-SiO2含量与喷发深度的关系图上投影(图5a)[9]，凝灰岩样点大致落入110 km区域，流纹岩样点落入150km区域，说明岩浆来源于上地幔。将火山岩岩石化学成分计算出的CIPW标准矿物含量投影到Q-Or-Ab-An体系图上(图5b)[10]，凝灰岩样点大致投入690 ℃左右，流纹岩样点投入660 ℃左右，因此岩浆形成温度为660～690 ℃。

4 构造环境分析

4.1 微量元素

微量元素Nb，Sr，P，Ti，Ba为亏损型，且流纹岩较凝灰岩亏损显著，Ti，P元素的亏损反映与岛弧环境密切相关[11]；Ti，Nb的亏损为岛弧构造环境的重要标志之一[12]；富集Th，Zr元素，大致表现出与俯冲带有关的岛弧岩浆作用特征[13]。Nb/Ta为11.96～15.19，略低于原始地幔值(Nb/Ta=17)[14]，Zr/Hf为30.17～38.20，与原始地幔值(Zr/Hf=36)[15]相近。(Rb/Yb)N值为8.05～25.07，大于1，属于强不相容元素富集分配形式，曲线形态(图6a)与Sivell等人的新西兰火山岛弧英安岩和流纹岩的微量元素比值蛛网图相类似[16]。稀土总量∑REE为(186.57～208.58)×10-6，轻重稀土比值为5.38～6.13，(Ce/Yb)N为3.90～4.48，(La/Yb)N为4.67～6.70，δEu为0.28～0.49(图6b)，高稀土含量值、轻稀土富集、负Eu异常，均显示为大陆边缘岛弧火山岩的特征[17]。

4.2 沉积物源

利用沉积岩中碎屑岩的岩石特征，可以用来分析沉积岩的物质来源。本次工作在托斯库尔他乌组碎屑岩中采集了15件薄片鉴定样品，碎屑岩岩石特征见表3。各种粒度碎屑岩的碎屑物主要由岩屑、长石、石英组成，多呈次棱角状，岩屑含量一般30%～50%，多在40%左右，主要成分为流纹岩、安山岩及少量砂岩等，说明其物源区母岩以中酸性火山岩为主。据裴蒂庄(1957)成份成熟度指数公式[18](石英+燧石/长石+岩屑)，碎屑岩成份成熟度为0.13～0.29，远小于1，说明碎屑颗粒搬运距离不远，沉积速度较快。从由分选性、磨圆度、杂基含量三个因素决定的结构成熟度来看，分选性中等偏好，个别较差，磨圆度中等偏小，杂基含量偏少，说明结构成熟度低，沉积作用处于构造活动性较强，堆积速度快的条件之下。将表3的碎屑岩骨架成分含量投影到Crook的QFL三角图解[19]中(图7a)，样点基本落入中等含量石英(杂)砂岩区，属于安第斯型(即活动陆缘)，说明其蚀源区构造环境具活动性质[20]。在Dickinson等的碎屑含量QFL三角图解[21]上投影(图7b)，样点基本落入岛弧过渡带(属岩浆弧物源区)，说明碎屑物来源于未切割的活动岛弧区。

图5 火山岩岩浆的喷发深度(a)(底图据文献[9])和形成温度(b)图解(底图据文献[10])

图6 微量元素原始地幔标准化曲线图(a)和稀土元素配分曲线图(b)(标准化值据文献[15])

表3 托斯库尔他乌组碎屑岩特征

4.3 构造环境

西天山地区历经了前震旦纪基底形成演化阶段、震旦纪—早奥陶世稳定陆壳发展阶段、中奥陶世—石炭纪末板块裂解和在拼合阶段、二叠纪陆陆叠覆造山阶段、中新生代盆山耦合阶段等5个主要构造演化阶段[1]。古生代中奥陶世—石炭纪末板块裂解和在拼合阶段奠定了西天山造山带的区域构造格架，可细化为中奥陶世至晚志留世早古南天山洋盆形成阶段、晚志留世至晚泥盆世俯冲造山阶段、晚泥盆世—早石炭世初陆陆碰撞造山阶段、早石炭世—晚石炭世后碰撞阶段4个次级演化阶段。根据本次主、微量元素分析结果，在里特曼-戈蒂里Logτ-Logσ图解中(图8a)，火山岩样点均落入造山带(岛弧及活动大陆边缘)火山岩区；在Pearce(1984)不同类型花岗岩的Rb-(Yb+Ta)构造判别图解中[22](图8b)，样点落入火山弧花岗岩区。

Q—石英；F—长石；L—岩屑；Ⅰ1—未切割岛弧带；Ⅰ2—岛弧过渡带；Ⅰ3—切割岛弧带；Ⅱ1—克拉通区；Ⅱ2—大陆过渡带；Ⅱ3—基岩隆起带；Ⅲ—多旋回造山带

图8 里特曼-戈蒂里图解(a)及大洋火山岩和大陆火山岩的判别图解(b)

通过以上主、微量元素特征及沉积物源区分析，结合区域构造背景，认为中奥陶世以来板块裂解形成洋盆，至泥盆纪洋盆变窄，转入俯冲造山阶段，同时发生由南向北的逆冲推覆构造并有花岗岩侵位[23]，在此背景下，形成了托斯库尔他乌组由滨海间夹陆相—滨浅海相—浅海相的过渡的碎屑岩夹火山碎屑岩的沉积建造，反映的构造环境为消减带俯冲碰撞的岛弧环境。

5 结论

(1)西天山温泉布拉格达瓦一带，托斯库尔他乌组发育一套由滨海间夹陆相—滨浅海相—浅海相过渡的碎屑岩夹火山碎屑岩的沉积建造，沉积物源主要为中酸性火山岩，碎屑颗粒沉积速度较快，属于近源沉积；蚀源区构造环境具活动性质，形成于未切割的活动岛弧。

(2)火山岩呈夹层、透镜体状分布于托斯库尔他乌组地层中，火山作用具周期性间歇喷发的特征，岩相表现为爆发—喷溢—沉积—爆发—沉积—爆发的特点。火山岩属钙碱性岩石系列，火山岩浆对应的俯冲深度为上地幔，形成温度为660～690 ℃。

(3)火山岩微量元素Nb，Sr，P，Ti，Ba为亏损型，Th，Zr元素富集，与岛弧环境密切相关；Nb/Ta为11.96～15.19，略低于原始地幔值，Zr/Hf为30.17～38.20，与原始地幔值相近。稀土总量∑REE为(186.57～208.58)×10-6，轻重稀土比值为5.38～6.13；(Ce/Yb)N为3.90～4.48，(La/Yb)N为4.67～6.70，δEu为0.28～0.49，属于轻稀土富集型，显示为负铕异常。

(4)中奥陶世以来板块裂解形成洋盆，至泥盆纪洋盆变窄，转入俯冲造山阶段，晚泥盆世托斯库尔他乌组沉积建造所反映的构造环境为消减带俯冲碰撞的岛弧环境。