阿勒泰南缘克朗盆地康布铁堡组流纹岩年代学、地球化学及岩石成因

常好营　李永军　陈博　周艳龙　高吉鹏

摘  要：阿勒泰南缘克朗盆地康布铁堡组火山岩广泛分布。为查明克朗盆地康布铁堡组形成时代、源区及构造背景，对其中流纹岩进行了年代学、地球化学和锆石Hf同位素分析。在流纹岩中分别获得（394±1） Ma、（402.72±0.92） Ma的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄。地球化学特征显示，其为与“I”型花岗岩有相似特征的弱过铝质流纹岩，高SiO2（73.58%～82.54%）、中等Al2O3（9.74%～13.29%，平均11.91%）及全碱含量（Na2O+K2O=4.11%～10.55%），低CaO（0.08%～3.34%，平均0.88%）、MgO（0.03%～2.72%，平均1.04%）。富集轻稀土，分布图呈右倾型。富集Rb，Th，U等大离子亲石元素，亏损Ba，Nb，Ta，Sr，Ti等，显著负Eu异常，锆石Hf同位素εHf（t）值为6.21～11.08、4.16～11.08。总体显示，该流纹岩形成于与俯冲作用有关的陆缘弧环境，为幔源岩浆加热上覆地壳进而发生部分熔融而成。

关键词：地球化学;火山岩;Hf同位素;康布铁堡组;阿勒泰南缘

阿尔泰构造带位于中亚造山带西南部，是国内主要的稀有金属矿床及铁、铜、铅、锌等多金属矿床的赋存带[1-5]，长期以来，为国内外学者们研究的热点区域。康布铁堡组作为该成矿带最重要的赋矿地层之一，其分布、岩石组合、形成时代已有较多研究成果，但形成环境仍有一些争议。

关于康布铁堡组地层的形成时代已有一些报道。前人利用Rb-Sr，K-Ar测年方法获得其时代为石炭纪[6-7]，但由于该年龄小于侵入其中的花岗岩年龄，且该组发生了一定程度的变质作用，无法排除其为变质热事件年龄，故可信度不高[8]。1978年，新疆地质局区测大队六分队（1∶20万阿勒泰幅）通过阿巴宫地区的腕足类化石Atypa cf. Reticularis，珊瑚类化石Pachyfavasites sp.将其厘定为早泥盆世。近年来，许多学者通过锆石U-Pb测年方法对康布铁堡组不同岩性进行了测年研究，部分学者在凝灰岩中获得岩石的喷发年龄为（436±4） Ma[9];侵入其中的花岗岩形成年龄为（400～413） Ma[9-10];其他学者在变质流纹岩获得喷发年龄为（381～412） Ma[11-14]。目前，多数学者认为康布铁堡组主体时代为早泥盆世，部分为中志留世（（436±4）Ma））[9]。区内构造背景仍然存在争议，何国琦等、韩宝福等、王京彬等、李锦轶等学者认为，其形成于与板块俯冲无关的被动大陆边缘——大陆边缘裂谷环境[1，7，15-16]，而更多学者认为其构造演化与洋壳俯冲有密切关系，形成于活动大陆边缘——陆缘弧或岛弧环境[10，17-20]。

本文以克朗盆地康布铁堡组流纹岩为研究对象，在野外地质调查基础上，利用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法、锆石Hf同位素及岩石地球化学分析，限定该组形成时代，研究岩浆形成机制，探讨其构造背景，为阿勒泰南缘的构造演化提供新的信息。

1 地质背景

阿尔泰造山带位于中亚造山带西南部，整体呈NW向横贯于中、俄、哈、蒙4国。它是中亚造山带的重要组成部分，是由一系列岛弧和增生杂岩构成的增生型造山带[8，21-24]。中国阿尔泰造山带位于新疆北部，在构造位置上处于西伯利亚板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块接合部位[25]。以红山嘴断裂、阿巴宫-库尔特断裂、克兹加尔断裂和额尔齐斯构造带为界，将中国阿尔泰划分为北阿尔泰、中阿尔泰、南阿尔泰和额尔齐斯带（图1-a）。

克朗盆地位于阿尔泰市北西，巴寨断裂与阿巴宫-库尔提断裂之间。盆地内主要有中—晚志留世库鲁木提组、早泥盆世康布铁堡组、中泥盆世阿勒泰组及大面积出露的侵入岩（图1-b）。库鲁木提组主要为黑云斜长片麻岩、十字石红柱石绿泥石片岩;阿勒泰组为一套浅海相陆源碎屑岩，夹基性火山岩、火山碎屑岩、硅质岩和碳酸盐岩。侵入岩以花岗岩为主，其时代有奥陶纪、泥盆纪和二叠纪[27-32]。区域构造以阿勒泰复式向斜为主，轴向为NW向。核部为阿勒泰组，向两翼依次为康布铁堡组、库鲁木提群。次级褶皱及断裂发育，次级褶皱轴线走向与主构造线一致。

康布铁堡组主要分布于阿勒泰南缘冲乎尔、克朗、麦兹3个火山盆地中，延伸方向与区域构造线一致。克朗盆地内康布铁堡组呈NW向分布，为一套酸性火山岩-火山碎屑岩系。其与下伏库鲁木提组呈断层接触关系，与上覆阿勒泰组为不整合接触关系。本组下部为浅变质细碎屑岩夹中酸性火山岩，上部为中酸性火山岩夹碎屑岩、大理岩组合。中酸性火山岩以流纹岩、英安岩、流纹质凝灰岩为主。流纹岩在上、下段均有出露，厚度较大。

2 样品采集及测试方法

2.1  样品采集

本次于流纹岩中采集2件新鲜样品，用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，配套采集8件样品进行全岩地球化学分析，采样位置见图1。

流纹岩：呈肉红、灰白色，具斑状结构，流纹构造、块状构造，由斑晶和基质组成（图2-a，b）。斑晶含量约15%，以石英、斜长石为主。其中石英呈浑圆状，粒径0.3～3 mm，表面干净，具波状消光特征;斜长石呈半自形板状，粒径0.2～2 mm，表面发生轻微绢云母化和高岭土化，聚片双晶发育;基质含量约85%，呈微粒花岗结构，主要由石英、斜长石、钾长石组成，含少量黑云母集合体，黑云母的定向排列。此外，基质中可见少量角闪石及磁铁矿等副矿物（图2-f）。

2.2  分析方法

锆石样品挑选、制靶由河北省欣航测绘院完成，锆石透射光、反射光、CL阴极发光图像拍摄及锆石U-Pb定年和Hf同位素在西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室测試完成。利用美国New Ware Research公司生产的激光剥蚀进样系统（UP193SS）和美国AULENT科技有限公司生产的Agilent7 500a型四级杆等离子体质谱仪进行测试。激光束斑直径为32 μm，剥蚀深度20～40 μm，激光脉冲8 Hz。测试采用标准锆石91 500作为外部标准物质，元素含量采用NIST610作为外标，29Si作为内标元素。详细分析步骤和数据处理方法见文献[33]。

在西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室对采集的8件岩石全分析样品进行主量、微量和稀土元素测试。其中，主量元素采用SX45型X荧光光谱仪（XRF）分析，分析误差小于1%;微量和稀土元素利用SX50型电感耦合等离子体光谱仪（ICP-MS）测定，分析误差小于5%～10%。锆石Lu-Hf同位素分析在西安地质调查中心实验室完成，所用仪器为Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统（LA-MC-ICP MS）。实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，剥蚀直径44 μm，激光剥蚀时间26 s，脉冲频率4～8 Hz，脉冲能量100 mJ。详细分析见文献[34]。

3 分析结果

3.1  锆石U-Pb年龄

样品D0715-4（图3-a，c）及D0729-9（图3-b，d）锆石多呈浅色-无色长柱状、板状，长轴50～180 μm，长短轴比1∶1～3∶1。多数锆石颗粒可见明显的生长环带（图4），具典型岩浆锆石特征[35]。U-Pb同位素分析结果见表1。样品D0715-4中，锆石Th含量97.23×10-6～816.96×10-6，U含量为193.43×10-6～827.70×10-6，Th/U为0.50～1.38，为岩浆成因锆石[36]。18组206Pb/238U年龄数据集中在400～405 Ma，谐和性较好，加权平均年龄为（402.72±0.92） Ma（MSWD=0.52），代表该样品成岩年龄。样品D0729-9锆石Th含量87.36×10-6～346.99×10-6，U含量142.10×10-6～858.08×10-6，Th/U值0.38～0.79，指示其典型的岩浆成因锆石特征。206Pb/238U年龄392～396 Ma，在误差范围内落在谐和线上或附近，得到加权平均年龄（394±1） Ma（MSWD=0.35），代表该样品成岩年龄。因此，两个样品成岩时代均属早泥盆世。样品D0729-9（394±1 Ma）采自该组顶部层位，样品D0715-4（（402.72±0.92）  Ma）采自该组中部层位。该组下部层位年龄已有化石和其他定年资料限定，时代为早泥盆世。因此，本次定年数据进一步确定该组形成于早泥盆世。

3.2  主量元素地球化学特征

克朗盆地康布铁堡组火山岩地球化学分析结果及有关参数见表2。康布铁堡组火山岩样品SiO2含量为73.58%～82.54%，Al2O3含量为9.74%～13.29%，平均11.91%，具相对较低的CaO（0.08%～3.34%，平均0.88%）和MgO（0.03%～2.72%，平均1.04%）。P2O5，MnO含量均小于0.1%。全碱含量较高（Na2O+K2O=4.11%～10.55%）。在划分蚀变变质火山岩系列最为有效的SiO2-Zr/TiO2图解（图4-a）中，所有样品均落入流纹岩区。铝饱和度指数A/CNK=0.94～1.41，平均1.10;A/NK=1.03～1.82，平均1.33，属弱过铝质岩石（图4-b）。

3.3  稀土、微量元素地球化学特征

流纹岩样品具有中等的稀土元素总量（∑REE=53.97×10-6～255.55×10-6，平均为149.61×10-6），（La/Yb）N=1.28～14.90，（La/Sm）N=1.93～3.74，（Gd/Yb）N=0.65～2.57，反映出轻稀土元素相对富集且内部分馏程度较好，而重稀土内部分馏不明显。球粒陨石标准化稀土元素分布曲线显示，所有样品呈右倾分布特征，具显著的Eu负异常（图5-a），可能与斜长石分离结晶作用有关。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中，火山岩样品表现为富集Rb，Th，U等大离子亲石元素和Zr，Hf等高场强元素，亏损Ba，Nb，Ta，Sr，Ti等元素，与弧环境具相似特征（图5-b）。

3.4  锆石Hf元素地球化学特征

锆石原位Hf同位素测试结果见表3。样品D0715-4有18个有效分析点，176Yb/177Hf比值为0.035 026～0.190 053（平均0.076 957），176Lu/177Hf比值为0.001 039～0.005 047（平均0.002 144），176Hf/177Hf比值为0.282 709～0.282 873（平均0.282 709）。εHf（t）值为6.21～11.08，对应二阶段模式年龄（TDM2）为687～996 Ma（平均906 Ma）。样品D729-9有15个有效分析点，176Yb/177Hf比值为0.046 037～0.130 541（平均0.072 329），176Lu/177Hf比值为0.001 251～0.003 287（平均0.001 903），176Hf/177Hf比值为0.282 642～0.282 760（平均0.282 708）。εHf（t）值为4.16～7.89，对应TDM2为884～1 161 Ma（平均1 010 Ma）。

4 讨论

4.1  岩石类型及成因

花岗质岩浆按成因类型可分为“A”型、“I”型和“S”型3种。康布铁堡组流纹岩呈现出与“I”型花岗质岩浆岩相似的地球化学特征：①岩石镜下可见角闪石产出（图2-f），未见堇青石、白云母等典型富铝矿物[40-41];②P2O5与SiO2呈较明显的负相关关系（图6-d），且含量大都低于0.05%[42-44]，区别于“S”型花岗岩特征;③相对典型的“S”型花岗岩，样品具较低的Ca，Sr含量;④在稀土分布曲线上样品呈右倾的分布模式（图5-a）。微量元素蛛網图显示出，岩石Nb，Ta，Ti显著亏损（图7-b），具明显的Eu负异常及较低的104 ×Ga/Al值（平均2.24），与典型的“I”型花岗岩特征相似且明显区别于“A”型花岗岩。在104×Ga/Al-Zr及104×Ga/Al-Y图解中，大多样品落入“I”型和“S”型区域内（图6-a，b）;在SiO2-Zr图解中，其落在了“I”型区域内（图6-c）。综上所述，康布铁堡组流纹岩体现出“I”型特征。

多数研究表明，大规模花岗质岩浆主要是地壳岩石在缺少流体相的条件下发生熔融形成的[48]。柴凤梅等总结，区域上晚古生代同期的花岗岩在阿勒泰南缘分布广泛，认为康布铁堡组流纹岩可能源于陆壳物质部分熔融或壳幔物质混合的产物[11]。另外，Nb/Ta，Zr/Hf值是判别岩浆源区很好的指示剂[49]。本次分析的流纹岩Nb/Ta值（10.61～12.36，平均11.58），接近大陆地壳平均值（12～13）[50]，而与原始地幔（17.4）的Nb/Ta值相差较大[51];Zr/Hf值（平均31.55）与地壳岩石的Zr/Hf值（33）十分接近[52]。并且样品的U（平均2.73×10-6），Th（平均14.75×10-6）含量及Th/U（平均0.19）比值远大于原始地幔，Ti/Zr比值（4.46～17.23，平均8.95）小于20，也表明其为典型的陆壳物质部分熔融的产物[53-54]。而样品具有的低Sr，高Rb/Sr值（平均1.46，远高于全球上地壳平均值0.32 ），以及相对贫Al的特征，与俯冲洋壳物质部分熔融产物明显不同[52，55]。此外，样品的Cr，Ni含量较低则表明，岩浆体系未受到明显的幔源物质混染[11]。

另外，锆石Hf同位素也能够有效地反映岩浆的来源[56-58]，来自地壳和地幔的岩浆具不同的Hf同位素组成[59]。εHf（t）值常被用来示踪岩浆源区不同性质源岩特征，当εHf （t）值为负时，说明岩浆来自古老地壳，而当εHf （t）值为正时，则说明岩浆来自亏损地幔或新生地壳。本次获得的两个样品的εHf （t）值均为较高正值（分别为6.21～11.08，4.16～7.89），在εHf（t）-t图解上，数据点落在球粒陨石和亏损地幔之間（图7），结合锆石相对年轻的二阶段模式年龄（884～1161 Ma，687～996 Ma），表明其岩浆的物质来源主要是新生地壳。此外，区域上已报道的多数花岗岩成因均与新生地壳有关[17，30]。因此，康布铁堡组流纹岩应是新生地壳物质部分熔融的产物。

4.2  成岩构造环境

阿勒泰南缘地区分布大量晚古生代火山岩及花岗侵入岩表明，在泥盆纪该地区经历了强烈的火山活动。众所周知，活动大陆边缘的俯冲作用往往伴随着强烈的地震和火山作用。王涛等在总结了阿尔泰花岗岩的时空演变和构造环境时[60]，认为阿尔泰造山带在晚志留—晚泥盆世处于俯冲作用下的陆弧环境，于晚泥盆世洋盆关闭。此外，其他学者也对区域上同时代花岗岩，如琼库尔岩体、冲乎尔北岩体、铁列克岩体、萨尔布拉克岩体、库尔提岩体、蒙库岩体，以及克朗盆地内西南、东北部的花岗岩、小东沟花岗岩等进行了大量的研究[10，17，29-30，61-64]，认为这些花岗侵入岩都形成于与俯冲作用相关的弧或者陆缘弧环境。与此同时，部分学者提出，洋脊俯冲模式解释在420 Ma左右的锆石Hf同位素的突变和哈巴河地区的早泥盆世镁铁质岩脉[65-66]。

本文分析的康布铁堡组流纹岩样品在原始地幔标准化蛛网图上显示，大部分样品都富集Rb，Th，U等元素，明显亏损Ti，P，Ba，Nb，Ta，Sr等元素，显示出俯冲作用下弧岩浆活动的特点[68]。且在Rb-（Y+Nb）和Nb-Y判别图中，克朗盆地火山岩样品都落入火山弧花岗岩区域（图8-a，b）。

结合前人研究认为，阿尔泰克朗盆地早泥盆世康布铁堡组酸性火山岩产于与俯冲作用相关的陆缘弧环境。在早泥盆世，随着洋壳的俯冲及消减作用加剧，俯冲流体交代上覆地幔楔熔融形成的基性岩浆底侵下地壳，造成下地壳镁铁质岩石发生部分熔融，形成花岗质岩浆。同时岩浆在上升过程中，可能与上地壳发生了一定的混染作用，最后喷出地表形成了康布铁堡组流纹岩。

5  结论

（1） 阿勒泰南缘克朗盆地康布铁堡组流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为（394±1） Ma、（402.72±0.92） Ma，佐证其时代为早泥盆世。

（2） 康布铁堡组流纹岩是与“I”型花岗岩有相似地球化学特征的弱过铝质流纹岩，为陆壳物质部分熔融的产物。

（3） 地球化学显示，康布铁堡组流纹岩富集Rb，Th，U等元素，明显亏损Ti，P，Ba，Nb，Ta，Sr等元素，显示出俯冲作用下弧岩浆活动的特点，应为形成于与俯冲作用有关的陆缘弧环境。

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Abstract：Volcanic rocks are widely distributed in the Kangbutiebao Formation in the Kelang Basin on the southern margin of Altay. In order to ascertain the formation age， source area and tectonic background of the Kangbutiebao Formation in the Kelang Basin， the rhyolite in it was analyzed by chronology， geochemistry and zircon Hf isotope. The LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of （394±1） Ma and（402.72±0.92） Ma were obtained from the rhyolite. The geochemical characteristics show that it is a weak peraluminous rhyolite with similar characteristics to type-I granite， high SiO2 （73.58%～82.54%）， medium Al2O3 （9.74%～13.29%， average 11.91%） and total alkali content （Na2O+K2O=4.11%～10.55%）， low CaO （0.08%～3.34%， average 0.88%）， MgO （0.03%～2.72%， average 1.04%）. Enriched LREES， the distribution map is right-leaning. Enrichment of LILES，  such as Rb，Th，U and depletion of Ba， Nb， Ta， Sr， Ti etc.， and significant negative δEu anomalies， zircon Hf isotope εHf（t） values are 6.21-11.08， 4.16-7.89， respectively. Overall， it shows that the rhyolite was formed in a continental arc environment related to subduction， which was caused by partial melting of the crustthat was induced by mantle-derived magma.

Key words：Geochemistry ; Volcanic rocks ; Hf isotopes ; Kangbutiebao Formation ; Southern margin of Altay