伊宁地块阿腾套山东晚石炭世伊什基里克组流纹岩年代学、地球化学及岩石成因

高吉鹏 李永军 王祚鹏 常好营 周艳龙 王盼龙

摘   要：阿腾套山东伊什基里克组火山岩是笔者们新近1∶5万区域地质调查时发现的，为伊宁地块南构造带迄今发现的唯一晚石炭世火山岩。该火山岩主要由大套流纹岩及少量玄武质角砾晶屑凝灰岩组成，总体为一双峰式建造，流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为（314±2） Ma。流纹岩具高硅、富碱、贫CaO、MgO和高FeOT/MgO特征;稀土元素总量较高，∑REE为331.3×10-6～493.1×10-6，Eu负异常显著，δEu=0.23～0.25，富集Rb，Th，U和K等大离子亲石元素，显著亏损Sr，Ti和P等高场强元素，中等亏损Nb，Ta，高Ga/Al比值，具较高锆石饱和温度，为978 ℃～989 ℃，平均982 ℃，成因类似"A"型花岗岩，形成于高温、低压的造山后伸展环境，具板内成因特征。

关键词：阿腾套山;伊宁地块;流纹岩;岩石成因;伊什基里克组

天山造山带位于中亚造山带西南缘，伊宁地块位于天山造山带西部，中亚造山带西南缘，是一个重要的晚古生代碰撞造山带[1]。通过大量区域地质调查和前人资料，李永军等将伊宁地块解体为南、北两大次级构造带，鄯善运动（早—晚石炭世）之后南北两大次级构造带拼贴成统一的伊宁地块[2]。该块体上主要出露两套石炭纪火山岩，即早石炭世大哈拉军山组和晚石炭世伊什基里克组火山岩。无论是南构造带，还是北构造带，大哈拉军山组火山岩均广泛出露，主体为一套钙碱性火山沉积建造[3]。伊什基里克组在伊宁地块分布有限，主要集中于伊宁地块北构造带阿吾拉勒一带，乌孙山地区小面积出露[2-4]。目前对整个伊宁地块内大哈拉军山组火山岩有相当成熟研究[5-8]，但对伊什基里克组火山岩研究较少，特别是伊宁地块南构造带未见相关报道。北构造带伊什基里克组火山岩呈明显双峰式[3，9-10]，本文在南构造带发现的阿腾套山东伊什基里克组火山岩由大套流纹岩及少量玄武质角砾晶屑凝灰岩组成，野外露头未见基性岩，与流纹岩交替产出呈双峰式特征。因此，研究南构造带发现的晚石炭世伊什基里克组火山岩，分析与北构造带伊什基里克组双峰式火山岩的异同、岩石成因及构造环境，为进一步探讨伊宁地块石炭纪构造演化提供重要依据。

1  地质概况及岩石学特征

伊宁地块自西向东呈楔形尖灭，南北有古生代叠加岛弧带与准噶尔板块和塔里木板块相隔[3]。伊宁地块不是“均匀地块”或“均一地块”，是以乌孙山-塔勒得近EW向区域性大断裂为界的南、北两大次级构造带（“弧-盆”体系）叠加拼贴增生形成[2]。石炭系是伊宁地块主体，分布最广，是记录该地块形成、演化与消亡的关键地层[3，11]。南构造带以昭苏-喀拉峻断裂（Z-KF）为界，由喀拉峻岛弧带和阿腾套弧后伸展盆地构成（图1-a）[7，12]。阿腾套山位于伊宁地块西部中段阿腾套弧后伸展盆地东缘（图1-a）[21]，呈NE向隆起，北、西、南缘被低缓的新生代盆地覆盖，南东缘被特克斯河床沉积物掩埋[7]。阿腾套山一带石炭纪地层从下到上依次为早石炭世大哈拉军山组火山岩建造、早石炭世阿克沙克组陆源碎屑岩-碳酸岩建造、晚石炭世伊什基里克组火山岩建造[1]。大哈拉军山组与阿克沙克组为不连续沉积，阿克沙克组与伊什基里克组呈角度不整合接触[13]。阿腾套弧后盆地岩浆岩较复杂，按岩浆岩出露位置和侵位或爆发时间可划分为3类。第一类以阿腾套弧后盆地北部一带出露的晚泥盆—早石炭世早期岩浆岩为主（362～356 Ma），代表弧后拉张盆地初期阶段产物[14-15];第二类以盆地中部阿腾套山大量出露的岩石组合为代表，集中于早石炭世中期（345～340 Ma），为弧后拉张盆地相对成熟期产物[13，16-18];第三类以盆地中部阿腾套山及盆地东北部产出的少量晚石炭世岩浆岩为主，时代为314～306 Ma。朱志敏等认为特克斯县东北部哈拉达拉岩体辉长质岩石形成于俯沖、碰撞向后碰撞转折的构造演化过渡阶段（306.2±2.7） Ma[19]，龙灵利等对哈拉达拉岩体中橄榄辉长岩及辉长岩研究（308.8±1.9） Ma、（307.3±8.2） Ma，得出哈拉达拉岩体形成于后碰撞造山早期伸展环境叠加地幔柱活动的特殊构造背景[20]。

本文研究的火山岩出露于阿腾套山东北段（图1-b虚线图框）[7]，阿腾套山区内出露面积约6 km2，仅占全区石炭纪火山岩面积的5%。野外地质调查及实测剖面显示，本组火山岩岩性单一，由大套酸性流纹岩和少量玄武质角砾晶屑凝灰岩组成;早石炭世大哈拉军山组安山岩逆冲推覆于该组之上，与下伏阿克沙克组呈角度不整合接触，底部可见大颗粒椭圆状火山弹和火山角砾。野外产出特征显示该组火山岩属伊什基里克组。

本次对研究区伊什基里克组火山岩中出露体量最大的流纹岩进行相关采样分析（图2）。岩石学特征描述如下：流纹岩（图3-b，c）。岩石新鲜面多为肉红、紫红色，斑状结构，风化面呈褐红色，基质具霏细结构，宏观流纹构造、块状构造显著。斑晶以石英（10%）和钾长石（15%）为主。石英呈椭圆状，少量被熔蚀呈港湾状，波状消光;钾长石呈半自形板状-他形粒状，表面可见高岭土化，可见少量斜长石（主要为钠长石）斑晶。基质主要由霏细状长英质矿物组成，潜晶状石英内包含霏细状长石质点，构成包含霏细结构，并具弱流纹构造，可见磁铁矿、锆石等副矿物。

2  样品分析方法

本文研究的5件流纹岩样品主、微量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。利用外标法在Shimadzu XRF-1700/1500仪器上测定分析主量元素，分析精度优于0.5%，质量合乎要求，氧化物P2O5检出限为0.01%。微量元素分析仪器为Thermo-X7电感耦合等离子体质谱仪，样品含量大于10×10-6分析精度优于2.5%，样品含量小于10×10-6的分析精度优于5%，稀土元素分析精度均优于5%。主、微量元素分析方法详见文献[22]。

锆石U-Pb同位素测定在中国地质调查局西安地質调查中心岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，实验仪器为Agilent7700x型激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS），配备有193nmArF-excimer激光器的GeoLas 200M的激光剥蚀系统[13]。实验测试之后，处理原始数据采用Glitter（ver4.0，Macquarie University）计算各元素含量和同位素比值;谐和图及年龄计算利用Isoplot（ver3.0）完成[23]。具体分析步骤与处理方法详见文献[24]。

3  锆石U-Pb测年

本次研究的阿腾套山东伊世基里克组火山岩主要由大套流纹岩及少量火山碎屑岩组成，已报道的伊世基里克组火山岩呈明显双峰式特色。本文研究的锆石定年样品采自伊什基里克组大面积出露的流纹岩（图2，3），样品编号AM-YT1，GPS坐标：81°37′10″E，43°05′30″N，分析数据见表1。用于定年的锆石颗粒整体晶形较好，为浅黄色-半透明状，长30～110 μm，宽20～80 μm，长宽之比1∶1～3∶1。CL图像中（图4-a），锆石颗粒呈明显的振荡环带，发育韵律环带和明暗相间的条带，232Th含量均值为180×10-6、238U含量均值为267×10-6及较高的Th/U比值（0.4～1.0），Th与U呈较好的正相关（图4-b），具典型岩浆成因的锆石特征[25-27]。所有锆石数据点均落在谐和线上及附近，分析数据具较好的谐和度，206Pb/238U值变化范围小，为310～316 Ma，加权平均年龄为（314±2） Ma（MSWD=0.22）（图4-b），代表该组流纹岩成岩年龄。因此，阿腾套山东伊什基里克组流纹岩形成于晚石炭世早期。

4  流纹岩地球化学特征

4.1  主量元素地球化学特征

本次研究在阿腾套山东伊什基里克组PM207剖面内共采集5件流纹岩主微量元素样品（图2），引用宁文涛等特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组13件流纹岩样品参与投图[3]，13件流纹岩样品编号依此为SF1-1、SF1-3、SF1-5、SF1-7、SF1-9、SF1-11、SF2-1、SF2-5、SF2-7、SF2-9、SF2-11、SF2-13、SF2-19。主量和微量元素分析结果显示（表2），流纹岩样品SiO2含量高，为74.75～77.08%，富碱，K2O+Na2O=8.25%～8.91%，为钾质，K2O/Na2O=3.44%～7.69%，Al2O3变化于10.85%～11.50%，Mg#值较小，为17～23，平均21。贫MgO，含量0.21%～0.37%、贫CaO，含量0.13%～0.39%和低的TiO2，含量0.19%～0.21%。具高碱度率，AR=5.87～7.10和FeOT/MgO比率（表1），与“A”型花岗岩常量元素组成特征类似[29]。

样品铝饱和指数（A/CNK）为1.08～1.11，过碱指数（NK/A）为1.13～1.15，属弱过铝质流纹岩（图5-b）。在TAS火山岩分类图SiO2-（Na2O+K2O）中（图5-a），样品落入亚碱性系列流纹岩区域，且具钾玄质火山岩特征，K2O=6.60～7.89，与岩相学相对应。流纹岩的钛、铝、镁、钠、钾、铁元素的氧化物含量与SiO2含量呈负相关，氧化钙含量与SiO2含量呈正相关。Sr，Ba，Rb等微量元素变化特征表明（图6）[28]，钾长石、斜长石及Fe-Ti氧化物在岩浆演化过程中发生了不同程度的分离结晶作用。

4.2  微量元素地球化学特征

阿腾套山东伊什基里克组流纹岩稀土总量较高（表2），∑REE为331.3×10-6～493.1×10-6，均值422.2×10-6，其（La/Yb）N为3.2～4.7，（Gd/Yb）N为1.1～1.2。稀土元素分布模式为轻稀土富集重稀土相对亏损的右倾海鸥型（图7-a）[30]，轻重稀土分馏明显，重稀土（HREE）分布相对平坦，轻稀土（LREE）分异程度大于重稀土，Eu负异常显著，δEu=0.23～0.25。表明源区有斜长石残留或岩浆演化过程中斜长石经历分离结晶作用[31]，与特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组流纹岩不同，特别是在稀土元素含量方面，整体稀土元素丰度高于特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组流纹岩（图7-a），微量元素含量大多不同程度高于特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组双峰式火山岩中流纹岩（图7-b）。在微量元素原始地幔标准化多元素蛛网图中（图7-b），所有数据分布形式相似。本文样品大离子亲石元素（LILE）Rb，Th，U，K相对富集，Ba出现强烈负异常，高场强元素（HFSE）Sr，P，Ti强烈亏损。Nb，Ta相对亏损，暗示岩浆可能来自地壳。这些样品具有低的Ni（1.64×10-6～9.33×10-6）、Co（0.99×10-6～1.44×10-6）、Cr（1.13×10-6～18.1×10-6）和高的Ga（22.5×10-6～26.6×10-6）、Th（20.7×10-6～22.5×10-6）含量。

5  讨论

5.1  岩石成因及构造环境

阿腾套山东伊什基里克组流纹岩岩相学特征：岩石风化面与新鲜面均呈褐红色，岩石多呈斑状结构，斑晶主要以石英、钾长石为主，基质主要由霏细状长英质矿物组成，具钾玄质火山岩特征，呈钙碱质，为弱过铝质岩石系列（图5-b）。主量元素具富Si，K，Na，贫Ca，Mg特征，富集Na2O+K2O、高场强元素HFSE（如Zr、Ga和Y）和REE[32]，具高的104×Ga/Al和K2O/Na2O比率等[33]，与“A”型酸性岩浆岩的地球化学特征相似。“A”型岩浆岩大多为铁质，样品具高FeOT/（FeOT+MgO）值[34]。在球粒陨石标准化稀土元素分布图解中呈右倾的海鸥型分布，具明显负Eu异常（图9-a）[35]。在Whalen et al.判别图解中，所投图流纹岩样品均投入“A”型酸性岩浆岩区域（图8）[32]，表明其属“A”型岩浆系列。

一般来讲，“A”型花岗岩主要以富碱、贫水和非造山为特征。前人研究表明，“A”型花岗岩不一定指示非造山带或裂谷环境，可在不同地质时期、不同构造背景中产出，其形成与张性环境相关[37-39]。“A”型花岗岩一般存在4种成因模式：①来自地幔碱性玄武质岩浆的分异[38，40];②早期底侵到下地壳的玄武质岩部分熔融[34];③麻粒岩相变沉积岩的高温熔融（大于960 ℃）;④浅部地壳钙碱性花岗岩类脱水熔融[41]。阿腾套山东晚石炭世“A”型流纹岩属弱过铝质系列，未见明显富铝矿物出现（如白云母）。因此，源区不可能来自变质岩与沉积岩，但与火成岩有关。若由地幔岩浆结晶分异所致，则基性岩浆较酸性岩浆出露体量更多，且中间应有过渡岩性存在，如安山岩、英安岩等。野外地质调查显示，阿腾套山地区晚石炭世出露的岩浆岩仅有伊什基里克组流纹岩及少量玄武质角砾晶屑凝灰岩，未见过渡岩性出露，且流纹岩具高SiO2和极低MgO，表明其不可能是幔源岩石直接熔融的产物[42]。因此，第一种成因模式不成立。通过微量元素原始地幔蛛网图可看出（图7-b），样品富集大离子亲石元素（Rb，Ba，K和Th）与轻稀土元素LREE，亏损高场强元素（Nb，Sr，P和Ti），这些特点暗示岩浆可能来自地壳，且样品中Rb/Sr=3.31～5.68（大于0.5），Ti/Y=8.85～12.30（小于100），Ti/Zr=1.16～1.38（小于20），均位于壳源岩浆范围内[43-44]。Sr和Eu元素主要富集于斜长石中[45]，岩石地球化学特征中流纹岩含有低的Sr含量（32.9×10-6～49.6×10-6），存在明显的Eu负异常（δEu=0.23～0.25），表明其很可能来自与斜长石稳定区有关的壳源源区[46]。较平坦的HREE分布图和相对较高的HREE、Y和Yb含量（图7-a），暗示源区没有大量石榴石的残留。斜长石的迁移往往带走大量Na2O，导致高的K2O/Na2O比率[41]。阿腾套山东晚石炭世“A”型流纹岩具高的K2O/Na2O值，属钾质系列，证明岩浆源区有斜长石残留，属低压环境下产物。研究表明，中酸性岩浆岩的Sr和Yb及Sr/Y和Sr/Yb比值含量与岩浆形成的压力（深度）有密切关系，是两个非常有意义的地球化学指标[47]。张旗等以Sr=400×10-6和Yb=2×10-6为标志，划分出5类花岗岩。本文与之符合的一类为非常低Sr、高Yb型，Sr含量通常小于100×10-6，Yb大于2×10-6，較多具“右倾海鸥型”REE分布曲线的“A”型花岗岩均位于此范围。“A”型花岗岩最明显的特征，如浅部地壳在高温条件下可发生部分熔融，它的高温条件与深部热异常有关。这种热异常仅在拉张情况下产生[48-50]。阿腾套山东流纹岩的Sr=32.9×10-6～49.6×10-6，Yb=12.22×10-6～14.82×10-6，投在图11-b中V区域，样品整体贫Ba，P，Ti和Eu，REE分布曲线通常具“右倾海鸥型”分布特点，Yb很高，具非常明显负Eu异常。前人发现具非常低Sr（小于100×10-6）、高Yb（大于2×10-6）的花岗岩类形成的压力极低。在相图上大多位于高温低压区（图11-c），代表地壳减薄产物[32，36，51-52]。实验表明，浅部地壳钙碱性花岗岩类脱水熔融可形成高硅、高K2O/Na2O的“A”型岩浆岩[53]。这种浅部地壳部分熔融产生富K酸性岩浆的成因模式已在青藏高原地区中生代的岩浆岩中广泛报道[54]。众多文献表明，“A”型花岗岩产于拉张构造环境[38，55-59]。伊什基里克组5件流纹岩样品在Y+Nb-Rb、Y-Nb构造判别图解上（图9），5件样品均落入板内花岗岩（WPG）区域，Y/Nb值为3.13～4.45，平均3.62（大于1.2），符合A2型花岗岩化学分类。在构造环境判别图解Nb-Y-Ga和Nb-Y-Ce上，样品均落在A2型造山后环境区域（图10），表明流纹岩形成于板内伸展构造背景[35-36，60]。造山带的演化将从挤压缩短向伸展减薄的构造体制转换[61]。在构造体制转换过程中，伸展作用引起地壳减薄，有关热流增加，常发生部分熔融[62-63]。吴福元等指出，后造山阶段多伴随岩石圈的拆沉与减薄，与此相伴随的软流圈上涌造成该区异常高的地温梯度，因此产生高温花岗岩[64]。综合所述，据该组流纹岩野外特征、地球化学特征及地球化学判别图解，认为阿腾套山东晚石炭世伊世基里克组流纹岩来自浅部地壳的花岗岩部分熔融。结合流纹岩较高的锆石饱和温度（978 ℃～989 ℃，平均982 ℃），推测当时形成的构造环境为造山后伸展阶段、高温与低压环境，具板内成因特征。

5.2  与典型伊世基里克组双峰式火山岩对比

阿腾套山东伊什基里克组火山岩主要由大套流纹岩及少量玄武质角砾晶屑凝灰岩组成。宁文涛等认为北构造带特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组双峰式火山岩玄武岩与流纹岩基、酸两个端员交替产出（未见中性端员），两个端员成分差异显著，颜色红黑相间，接触界限截然，出露体量上后者远大于前者[3]。

阿腾套山东伊什基里克组流纹岩U-Pb定年获得年龄为（314±2） Ma，形成于晚石炭世早期。SiO2含量74.75～77.08%，高K（K2O=6.60%～7.89%），低Na（Na2O=1.03%～1.92%），富碱（K2O+Na2O=8.25%～8.91%，Na2O/K2O=0.13～0.29），贫MgO（0.21%～0.37%）、贫CaO（0.13%～0.39%）和低的TiO2（0.19%～0.21%）含量。大离子亲石元素（LILE）Rb，Th，U，K相对富集，Ba出现强烈负异常，高场强元素（HFSE）Sr，P，Ti强烈亏损，Nb，Ta相对亏损，属“A”型岩浆系列。特克斯达坂晚石炭世伊什基里克组流纹岩U-Pb定年获得年龄为（302.8±3.6） Ma，形成于晚石炭世。SiO2含量72.15%～77.72%，具高SiO2、高K（K2O=6.12%～9.48%）、低Na（Na2O=0.40%～2.39%）、富碱（K2O+Na2O=7.74%～10.65%，Na2O/K2O=0.04～0.36）、贫MgO（0.01%～0.46%）、贫CaO（0.14%～0.96%）和低的TiO2（0.17%～0.23%）含量，K，Rb和LREE显著富集，（La/Yb）N=2.46～10.48，相对亏损Ba，Sr，P，Ti。具一致的强负Eu异常（δEu=0.18～0.44），具A2型花岗岩地球化学特征，形成于造山后伸展阶段（图7～10）[3]。

我们发现二者具较多相似之处：高SiO2、高K、富碱、贫MgO、贫CaO和低的TiO2含量;稀土元素分布图呈相似的右倾海鸥型（图7-a），原始地幔标准化蛛网图呈较好的拟合性（图9-b）。大离子亲石元素Rb，Th，U，K相对富集，Ba出现强烈负异常，高场强元素Sr，P，Ti强烈亏损，Nb，Ta相对亏损，均具“A”型花岗岩特征，属A2型，形成于造山后伸展阶段，具板内成因特征。在图11-a中，二者均落入V区域，与之对应在相图上大多位于高温低压区（图11-c中灰色区域，本文流纹岩锆石饱和温度978 ℃～989 ℃，平均982 ℃），表明岩石通常形成于高温低压环境[52]。不同之处：阿腾套山东流纹岩野外大套产出，基性岩极少。特克斯达坂流纹岩与玄武岩交替产出，具双峰式特征。阿腾套山东流纹岩稀土元素丰度整体高于特克斯达坂流纹岩（图9-a），可能与岩石形成时岩浆组分或岩浆分异过程有关。刘凯等指出，造山环境下花岗岩分为造山前→造山→后造山→造山后花岗岩，分异程度越来越高。按这个过程，K2O含量呈增高趋势，Na2O呈降低趋势，后造山过程形成的花岗岩Na2O

6  结论

（1） 阿腾套山东火山岩由大套流纹岩及少量玄武质角砾晶屑凝灰岩组成，属伊什基里克组，为双峰式火山岩，流纹岩U-Pb同位素年龄为（314±2） Ma，时代为晚石炭世早期。

（2） 阿騰套山东伊什基里克组流纹岩具有“A”型花岗岩特征，元素地球化学具有壳源岩浆特征。

（3） 阿腾套山东伊什基里克组火山岩形成于造山后伸展阶段、高温低压环境，此时伊宁地块南北两大次级构造带已经完成了叠加拼合，进入了统一陆内的构造演化阶段。

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