东天山卡拉塔格石炭纪安山岩地球化学、年代学研究及地质意义

张雪 翁凯 赵晓健 杨文瑞 付雪明

摘   要：通过对东天山卡拉塔格石炭纪安山岩进行详细岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Lu-Hf同位素研究，精确厘定了该火山岩成岩时代，探讨了岩浆来源及构造背景，进一步约束了古亚洲洋闭合时限。卡拉塔格石炭纪地层为一套火山碎屑岩夹火山岩，其中火山岩以安山岩为主。对安山岩进行LA-ICP MS锆石U-Pb测年，获得年龄（309.0±3.3）Ma为晚石炭世。岩石地球化学特征显示，安山岩为钠质、过铝质、钙碱性系列;稀土元素富集LREE，（La/Yb）N为3.10～4.13，δEu呈弱的负异常;微量元素Zr/Yb（6.78～8.76）、Hf/Yb（1.47～1.83）、Zr/Nb（32.06～34.60）的值均接近于岛弧安山岩;元素蛛网图上具富集大离子亲石元素Rb，Ba，U，K等，亏损Nb，Ta，Ti特征，表明其形成于岛弧环境。样品εHf（t） 变化范围较大为-13.1～+14.8，且具高Sr，Yb和Y含量，低Sr/Y值，Ba/La>13，表明安山岩源区以俯冲流体交代的地幔楔部分熔融为主。

关键词：东天山;卡拉塔格;石炭纪;安山岩;地球化学;岛弧

新疆东天山造山带位于中亚造山带南缘中段，区内广泛出露与俯冲、碰撞相关的古生代岩石[1-4]，是古亚洲洋在该区演化的地质记录，与区域成矿关系密切。前人研究资料显示，东天山造山带是塔里木板块和准噶尔板块间的古亚洲洋闭合产物。关于最终闭合时间一直存在较大争议，不同学者提出了不同闭合时间节点：即晚泥盆—早石炭世[5-7];晚石炭—早二叠世[8-10];晚二叠世—三叠纪[11-12]。争议的焦点主要集中在晚古生代，该时期（360～220 Ma）也是东天山众多金属矿床的重要成矿期[13]，成矿种类以铜（钼）、铜镍、金、银、铅锌为主。因此，确定研究区古亚洲洋最终闭合时间不仅具有构造意义，在指导找矿方面也有重要意义。

卡拉塔格地区是东天山造山带一个重要矿集区[14-15]，发育有晚古生代红山-梅岭-红石火山热液脉型铜金矿、玉带斑岩型铜矿，早古生代红海VMS型铜锌矿[16-22]。矿集区外围广泛分布有石炭纪火山岩、火山碎屑岩[23-24]，为研究东天山石炭纪大地构造背景提供了条件，石炭纪又是中亚造山带构造转换和多金属成矿重要时期[25-29]。因此，本次对卡拉塔格地区石炭纪地层中火山岩开展系统的岩石学、锆石U-Pb和Lu-Hf同位素、岩石地球化学研究，不仅能准确地限定该套地层的时代，还可确定其形成的构造背景，反演板块构造演化过程，为探讨区域上古亚洲洋闭合时限提供地质依据，为后期找矿工作提供帮助。

1  区域地质概况

新疆东天山是中亞重要的金属成矿区之一[30-32]，区内出露地层主要有中元古界长城系星星峡群变质碳酸盐-碎屑岩地层、晚古生代火山-火山碎屑岩系、中生界侏罗系陆相含煤建造和新生界陆相碎屑岩沉积[12]。区内构造、岩浆、成矿作用主要受控于两条近EW向展布的深大断裂，由北向南依次为康古尔塔格断裂、阿奇克库都克断裂，两条大断裂将该区划分为三大构造单元，分别为大南湖-头苏泉岛弧带、阿奇山-雅满苏弧后盆地和中天山地块（图1-a）[14，33-34]。东天山地区岩浆活动频繁，分布有长数百千米的晚古生代火山岩带，呈EW向展布，出露于黄山、镜儿泉、阿奇山、雅满苏等地。侵入岩从超基性到酸性各类岩体均有出露，呈岩基、岩脉、岩墙状产出，时代以晚古生代为主。

卡拉塔格位于大南湖-头苏泉岛弧带中段北部，呈隆起状，围绕核部由内向外地层时代依次变新（图1-b）。核部地层以奥陶—泥盆纪地层为主，为卡拉塔格矿集区主要赋矿层位。出露一套巨厚的火山岩、火山碎屑岩，岩性为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、火山角砾岩、凝灰岩、硅质岩等[14]，被闪长玢岩、二长花岗岩等岩体侵入，在地层上部中酸性熔岩获得锆石U-Pb年龄416 Ma，下部蚀变围岩或绢云母K-Ar年龄424 Ma[20]，闪长玢岩获得锆石U-Pb年龄为443 Ma和437 Ma[22]。隆起区外围泥盆纪地层不整合覆盖于核部火山-火山碎屑岩地层之上，为一套碎屑沉积岩夹安山岩、英安岩、火山角砾岩、凝灰岩及生物碎屑灰岩透镜体;石炭纪地层为一套薄层状砂岩、砂泥质凝灰岩夹玄武岩、安山岩等;二叠纪地层为一套基性、酸性火山岩、火山碎屑岩，底部发育砾岩;侏罗纪地层为一套河湖相含煤碎屑岩沉积[19，22]。

2  岩石学特征及样品采集

本次研究对卡拉塔格矿集区外围石炭系进行详细的野外调研，发现该地层为一套基性-中酸性火山碎屑岩夹中基性火山岩。火山熔岩自下向上具逐渐增多趋势，火山碎屑岩岩性主要为安山质、英安质凝灰岩、熔结凝灰岩、角砾岩等，局部见小型花岗闪长岩体侵入;火山岩岩性为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩等。该套地层与底部中泥盆统大南湖组和上覆中二叠统阿尔巴萨依组之间呈不整合接触。

对该套地层中采集的安山岩样品进行详细岩相学研究（图1-b）。安山岩为斑状结构，基质呈玻晶交织结构，斑晶主要由斜长石和少量暗色矿物组成。少数斑晶聚集生长成聚斑或联斑结构，斜长石多呈半自形板柱状，部分表面发生熔蚀，粒径为0.2～2.5 mm，表面多发生土化、绢云母化和碳酸盐化;暗色矿物多呈半自形柱状，少量呈他形粒状，矿物粒径0.2～0.8 mm，多被碳酸盐矿物和绿泥石集合体交代，保留原矿物晶形，呈交代假象，据矿物晶形判断可能为角闪石;基质主要由斜长石、暗色矿物、隐晶质和不透明矿物组成。

3  测试方法

本次样品锆石分选和制靶委托河北省地质测绘院岩矿实验测试中心完成。样品粉碎至80目，经电磁分离和重液悬浮方法处理后，再经显微镜下手工挑选，将颗粒晶型较好的锆石粘贴到环氧树脂上固定，经磨制抛光后制成样品靶，然后进行反射光、透射光和阴极发光图像照射，揭示锆石内部结构。

所有样品锆石U-Pb、Hf同位素和岩石地球化学测试均在自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。锆石U-Pb同位素定年采用激光剥蚀系统为GeoLas Pro，ICP-MS为Agilent 7700x，测试束斑直径为24 μm。对分析数据离线处理采用软件Glitter 4.4完成[35]，详细仪器参数和测试过程可参考李艳广等[36]。采用锆石标准91500为外标进行同位素分馏校正，NIST610玻璃作为多外标、Si作内标的方法进行锆石微量元素定量计算。锆石样品U-Pb年龄谐和图绘制及年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver 3完成[37]。

锆石Hf同位素测试利用Neptune型多接收等离子体质谱仪和Geolas Pro型激光剥蚀系统联用方法完成，详细测试流程参照侯可军等[38]。测试束斑直径32 μm，激光剥蚀样品气溶胶由氦气作为载气输送到质谱仪中进行测试。为调节和提高仪器灵敏度，气路中间引入氩气和少量氮气。所有测试位置与U-Pb定年点位相同或靠近。每分析10个样品测点分析一次锆石标准GJ-1作为监控。本次实验GJ-1的测试精准度为0.282 030±0.000 030。

岩石主量元素分析采用XRF玻璃熔饼法完成，精度优于5%，其中FeO和烧失量 （LOI） 采用标准湿法化学法分析。微量元素采用ICP-MS完成，精度优于10%，具体分析过程参照Gao[39]。

4  结果

4.1  锆石U-Pb同位素

安山岩（KLT-15）被选做锆石U-Pb和Lu-Hf同位素分析。锆石阴极发光图像见图2-a，锆石U-Pb和Lu-Hf同位素测试结果见表1、表2。安山岩样品中锆石呈透亮浅棕色，为粒状、短柱状，锆石颗粒大小50 μm×50 μm到50 μm×100 μm，长宽比为1∶1～2∶1（图2-a），锆石颗粒具核幔分带特征。10个锆石颗粒U含量为67.7×10-6～998×10-6，U/Th比值为1.14～4.11，具岩浆岩锆石特征[40]。锆石颗粒206U/238Pb年龄值为314～302 Ma，锆石206U/238Pb年龄集中分布在U-Pb谐和图上（图2-b），加权平均值为（309.0±3.3）Ma（MSWD=0.67，N=10）（图2-c）。

4.2  锆石Lu-Hf同位素

在对安山岩样品中10个锆石颗粒的显微结构观察和U-Pb同位素分析基础上，开展Lu-Hf同位素测试，结果见表2。样品176Hf/177Hf比值范围0.282 214～0.283 008，εHf（t）变化范围较大，为-13.1～+14.8。基于平均年龄计算获得一阶段模式年龄TDM（Ma）为1 460～352 Ma，二阶段模式年龄TDMC（Ma）为2 919～404 Ma。

4.3  主量、微量元素

安山岩具相似岩石地球化学特征，主量元素呈高SiO2（65.10%～66.41%）、Al2O3（14.81%～15.24%）、Na2O（4.72%～6.36%），相对低的Fe（Fe2O3=2.09%～2.54%，FeO=1.15%～1.70%）、CaO（1.69%～2.09%）、MgO（1.13%～1.33%）和TiO2（0.85%～1.01%）特征（表3）。樣品为钠质，Na2O/K2O>1，A/CNK指数为1.35～1.45，属过铝质岩石。在Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001图解上（图3-a），安山岩样品均落入安山岩/玄武安山岩区域。在SiO2-Na2O+K2O岩石系列划分图解上（图3-b），安山岩样品都落入亚碱性区域。亚碱性系列可进一步划分出拉斑系列和钙碱性系列两种不同岩浆演化趋势。在AFM图解上（图3-c），安山岩样品落入钙碱性系列区域。

安山岩样品稀土总量∑REE为197.28×10-6～222.37×10-6，（La/Yb）N为3.10～4.13，δEu为0.80～1.06，δCe为0.84～0.96。在球粒陨石标准化稀土分布曲线图上（图4-a），样品具一致的曲线特征。整体富集轻稀土元素，重稀土元素较平坦，略亏损δEu和δCe。在地幔标准化蛛网图上（图4-b），样品呈明显富集Rb，Ba，U，K等元素，亏损Nb，Ta，Ti的特征。

5  讨论

5.1  构造环境

卡拉塔格矿集区外围石炭纪地层整体为一套火山碎屑岩夹中基性火山岩，发育大量安山岩、安山质凝灰岩。通过对全球安山岩构造环境分布研究发现，67.71%的安山岩产于汇聚板块边缘，其余产于大陆板内、洋岛、裂谷、洋中脊、海山等[41]。本次岩石地球化学研究显示，卡拉塔格石炭纪安山岩均为钠质、过铝质，TiO2含量较低，表明其可能形成于汇聚板块边缘。样品微量元素La为23.5×10-6～27.9×10-6、U为1.29×10-6～1.54×10-6、Ta为0.72×10-6～0.76×10-6、Th为2.77×10-6～3.22×10-6。Zr/Yb值为6.78～8.76，Hf/Yb值为1.47～1.83，Zr/Nb值为32.06～34.6，数值明显接近于岛弧安山岩[42-43]。样品微量元素蛛网图呈富集Rb，Ba，U，K等大离子亲石元素，同时又强烈亏损Nb，Ta，Ti等元素（图4-b），明显有别于洋中脊和洋岛环境中形成的安山岩，具典型岛弧安山岩特征。大量安山岩研究数据表明，少量玄武岩岩石地球化学图解对安山岩构造环境的判别依然非常有效[41]，在李曙光等提出的玄武岩构造环境判别图解上（图5-a，b）[44]，样品均落入岛弧玄武岩区，该区域与全球岛弧安山岩（数据据GEOROC和PetDB数据库）高度一致。综上所述，卡拉塔格地区石炭纪安山岩形成于岛弧环境。

5.2  岩浆来源

安山岩的源区复杂多样，物质来源有壳源、幔源、壳幔混合源之分[45]。卡拉塔格地区石炭纪安山岩锆石Hf同位素测试显示，εHf（t）变化范围较大，为-13.1～+14.8）（表2），说明该区安山岩来源于壳幔混合源。高温高压熔融实验表明，除高镁安山岩外，其他安山质原生岩浆均不可能由地幔橄榄岩和下地壳玄武岩部分熔融产生[46-47]。因此，研究岛弧安山岩的形成应与岛弧环境的特殊地质背景联系。岛弧安山岩源区一般包括俯冲板片部分熔融形成的熔体、地幔楔中橄榄岩及俯冲带流体[48]。该区安山岩样品具较高的Sr，为344.00×10-6～1 050.00×10-6， 均值558.20×10-6，Yb含量为4.55×10-6～5.37×10-6， Y为39.00×10-6～46.6×10-6，及相对较低的Sr/Y值，为8.71～26.92，均值13.41，这与俯冲板片熔融形成的埃达克质岩石化学成分具显著区别[49]，表明岩浆源区可能无俯冲板片部分熔融形成的熔体物质的参与。在用Yb标准化元素比值图解上（图5-c，d），样品均落入富集型地幔范围，表明岩石源区有地幔楔物质的加入。样品具高的Sr含量（大于400×10-6）和Ba/La值（大于13），指示俯冲流体参与了本区安山岩的形成[50]。由此可见，卡拉塔格石炭纪安山岩岩浆源区以俯冲流体交代地幔楔物质发生部分熔融的产物为主，成岩过程中有地壳组分的参与。

5.3  大地构造意义

东天山卡拉塔格地区古生代火山岩是大南湖-头苏泉岛弧带的重要组成部分[51]。研究结果显示，从早古生代开始该区就存在古亚洲洋俯冲，至泥盆纪俯冲活动加剧[24]，并在区域上形成大量岛弧火山岩。早古生代红海VMS型铜锌矿、泥盆纪玉带斑岩型铜矿和红山-梅岭-红石火山热液脉型铜金矿的发现[16-19，22]，证明该区俯冲构造背景下的岩浆活动具有巨大成矿潜力。

对卡拉塔格矿集区外围出露的石炭纪地层研究发现，其主要为一套火山碎屑岩夹火山熔岩，其中安山岩锆石U-Pb年龄（309.0±3.3）Ma为晚石炭世。岩石地球化学研究表明，地层中安山岩主要为钠质、过铝质，富集轻稀土元素和大离子亲石元素Rb，Ba，U，K等，δEu和δCe为负异常，明显亏损Nb，Ta，Ti（图4），具有岛弧安山岩典型特征，源区物质主要来源于俯冲流体交代地幔楔部分熔融。

前人研究结果表明，东天山觉罗塔格地区晚石炭世地层岩石组合为拉斑玄武岩、钙碱性（高铝）玄武岩、高铝玄武安山岩、英安岩和流纹岩，其中安山岩、英安岩和流纹岩具岛弧火山岩地球化学特征[52]，且在东天山卡拉塔格地区也出露一套晚石炭世钙碱性岛弧流纹岩[53]。结合本次研究成果，表明东天山地区岛弧岩浆活动一直持续到晚石炭世，古亚洲洋最终闭合时限应发生在晚石炭世（309.0 Ma）之后。因此，该区此时仍具形成与俯冲有关的斑岩型和浅成热液型铜金矿床的潜力，这一认识可扩宽以往寻找铜金矿床的时间范围。

6  结论

（1） 卡拉塔格地区石炭系为一套基性-中酸性火山碎屑岩夹中基性火山岩，发育大量安山岩、安山质凝灰岩。对地层中安山岩开展LA-ICP MS锆石U-Pb定年，获得年龄（309.0±3.3） Ma，说明该套地层形成于晚石炭世。

（2） 石炭紀安山岩为钠质、过铝质、钙碱性系列，微量元素含量和比值都接近于岛弧安山岩，整体富集大离子亲石元素，强烈亏损Nb，Ta，Ti，具典型岛弧安山岩特征，其源区物质主要来源于俯冲流体交代地幔楔部分熔融。

（3） 卡拉塔格地区岛弧安山岩形成时代的确定，不仅约束了古亚洲洋的闭合时限为晚石炭世之后，还拓宽了寻找该区与俯冲相关的铜金矿床的找矿时限。

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Geochemistry，Geochronology and Its Implication of Carboniferous Andesite in the Kalatage Area， East Tianshan， Xinjiang

Zhang Xue1， Weng Kai2， Zhao Xiaojian2， Yang Wenrui3， Fu Xueming3

（1. School of Earthscience & Resources， Chang’an University， Xi’an， Shaanxi，710054， China;2. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits， MNR/Xi’an Center of Geological Survey， Xi’an， Shaanxi，710054， China;3. The First Geological institute of the China Metallurgical Geology Bureau， Sanhe，Hebei，065201， China）

Abstract： Through the detailed study of petrology， geochemistry， zircon U-Pb chronology and Lu Hf isotope of the Carboniferous andesite in Kalatag， East Tianshan， the diagenetic age of the volcanic rock is accurately determined， the magmatic source and tectonic background are discussed， and the closure time of the paleo Asian Ocean is further constrained.The Kalatage Carboniferous strata are a set of pyroclastic rock intercalated volcanic rocks， in which the volcanic rocks are dominated by andesite. The LA-ICP MS zircon U-Pb dating of andesite obtained （309.0±3.3） Ma， which belong to the late Carboniferous. The geochemical characteristics show that the andesite is mainly composed of sodium， peraluminous and calc-alkaline series， and displays LREE enrichment and negative Eu anomalies with （La/Yb） N ratio of 3.10～4.13， Zr/Yb of 6.78～8.76， Hf/Yb of 1.47～1.83， Zr/Nb of 32.06～34.60 which are close to that of arc andesite. The samples have affinities to an arc setting which possess the signature of enrichment in large ionic lithophilic element of Rb、Ba、U、K and depletion in Nb、Ta、Ti on the primitive-mantle normalized trace element multi-variation diagrams. The andesite display large range of εHf（t） （-13.1～+14.8）， high Sr， Yb and Y content， low Sr/Y， Ba/La>13.These characteristics indicate that they were mainly derived from a partial melting of mantle wedges mixed with subduction fluid.

Key words：Eastern Tianshan; Kalatage; Carboniferous; Andesite; Geochemistry; Island arc