準噶爾東北緣喀拉安-恰庫爾特一帶晚古生代火山巖地球化學特征及構造意義

陳琪樂，黃劍(.新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆烏魯木齊830000；.新疆大學，新疆烏魯木齊830047)

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準噶爾東北緣喀拉安-恰庫爾特一帶晚古生代火山巖地球化學特征及構造意義

陳琪樂1，黃劍2
(1.新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆烏魯木齊830000；2.新疆大學，新疆烏魯木齊830047)

摘要：準噶爾北緣喀拉安-恰庫爾特一帶晚古生代火山巖十分發育，泥盆系卓木巴斯套組為一套海相火山沉積體系鈣堿性系列火山巖、石炭系巴塔瑪依內山組為陸相火山噴發體系堿性系列火山巖、二疊系哈爾加烏組為陸相火山-沉積體系亞堿性系列的火山巖。卓木巴斯套組無明顯的Ti負異常，加上其大離子親石元素富集的特點，說明其為島弧發展后期地殼增厚的產物；巴塔瑪依內山組高場強元素的虧損，大離子親石元素的富集，暗示了其典型的消減帶特征，但其缺乏明顯的Ce負異常，推測其為弧后盆地環境；據哈爾加烏組地球化學特征，強不相容元素的富集，Nb，Ta和Ti的負異常較明顯，推測其產生在裂谷環境。本文在對研究區晚古生代火山巖地質、地球化學特征等研究基礎上，判斷研究區早泥盆世為俯沖階段的島弧環境，晚石炭世為弧后盆地環境，二疊紀為造山后的拉張環境。

關鍵詞：準噶爾東北緣；晚古生代；火山巖；地球化學特征；構造演化

近年來隨著研究地質方法的不斷進步，許多學者對中亞造山帶有了新見解和認識。研究表明，中亞造山帶是介于西伯利亞板塊和華北-塔里木板塊之間的古亞洲洋消減、閉合而形成的巨型拼貼聚合帶，是顯生宙以來全球最大的增生型造山帶之一。許多學者對該區域內構造演化做了大量研究[1-3]，大都認為隨西伯利亞板塊南移和哈薩克斯坦-準噶爾板塊北移，準噶爾洋開始俯沖消減，并經歷了俯沖、碰撞、增生等階段，但對于一些細節，仍存在不同觀點，如在構造屬性上，該區晚石炭世是俯沖階段島弧環境還是后碰撞環境，早二疊世是否具俯沖消減作用等[4]。

前人對該區域內晚古生代火山巖的系統研究較少，然而，火山巖作為區域構造及巖漿活動的產物，對反演區域構造演化具重要參考價值。本文在前人研究基礎上，以準噶爾北緣晚古生代火山巖為研究對象，通過對地質和地球化學特征等研究，對討論準噶爾東北緣晚古生代的構造環境及構造演化提供科學依據。

1　地質概況

研究區位于天山興蒙造山系（Ⅰ級）準噶爾弧盆系（Ⅱ級）唐古巴勒-卡拉麥里古生代復合溝弧帶（Ⅲ級）之謝米斯臺-庫蘭卡茲干古生代復合島弧帶（Ⅳ級）東端（圖1）。北以額爾齊斯河斷裂及瑪因鄂博斷裂與阿爾泰弧盆系為界，南以清水-紅柳峽-伊吾斷裂為界，與準噶爾-吐哈地塊相鄰，該帶是一個晚古生代島弧疊加于早古生代島弧上的復合島弧帶。

區內出露地層主要有下泥盆統卓木巴斯套組、下石炭統黑山頭組、上石炭統巴塔瑪依內山組、下二疊統哈爾加烏組火山巖、上二疊統卡拉崗組，分布與區域構造線基本一致，均呈NW向展布。研究區出露的火山巖類型較齊全，從基性-酸性巖類均有分布，以中酸性巖漿噴發為主，基性巖漿噴發作用強度較弱。區內侵入巖發育較少，主要分布在研究區東部、中部及北部。據巖體年齡統計，區內侵入巖形成時代主要為石炭系，峰值為305 Ma[5]。

2　火山巖地質特征

區內火山巖地層從下至上依次為下泥盆統卓木巴斯套組、下泥盆—上石炭統江孜爾庫都克組、下石炭統黑山頭組、上石炭統巴塔瑪依內山組、下二疊統哈爾加烏組和上二疊統卡拉崗組（圖1）。部分組火山巖特征如下：

下泥盆統卓木巴斯套組火山巖主要分布在研究區的中部，火山活動較強烈，火山巖比較發育，以爆發相火山碎屑巖為主，溢流相火山熔巖類巖石較少，為海相火山沉積體系。巖石組合主要為酸性巖屑火山塵凝灰巖、中酸性晶屑火山塵凝灰巖、安山質含角礫玻屑晶屑凝灰巖。該組地層中采集到大量殼相腕足、小型單體四射珊瑚和底棲三葉蟲，安山巖中獲得鋯石同位素年齡為（397±15）Ma□。

圖1　研究區火山巖分布簡圖和研究區大地構造圖Fig.1 Sketch map of volcanic rocks distribution and tectonic location of study area1.古近—新近系—第四系;2.上二疊統卡拉崗組;3.下二疊統哈爾加烏組;4.上石炭統巴塔瑪依內山組;5.下石炭統黑山頭組;6.下泥盆統卓木巴斯套組KKT——科克森套-卡拉先格爾板塊縫合帶;Ⅰ1——西伯利亞板塊北阿爾泰古生代陸緣活動帶;Ⅰ2——西伯利亞板塊南阿爾泰晚古生代弧盆系;Ⅱ——北準噶爾古生代活動陸緣

上石炭統巴塔瑪依內山組火山活動強烈，火山噴發頻繁，火山巖、火山碎屑巖分布廣泛，僅局部見少量正常沉積巖類。該套地層與下伏下石炭統姜巴斯套組呈角度不整合。該組以中性（安山質）巖漿、酸性的英安巖和少量霏細巖噴發為主，為陸相火山噴發體系。巖石組合以溢流相中性的安山巖、爆發相的安山質凝灰巖、火山角礫巖為主，并夾少量中酸性英安巖和英安質凝灰巖、少量霏細巖。胡醒民在該組安山巖中采集了同位素測年樣品，由中國地質科學院地質研究所同位素室采用Rb-Sr等時線法測試，年齡值為（272±46）Ma?新疆維吾爾自治區地質調查院.新疆富蘊縣喀拉安-恰庫爾特一帶四幅1∶5萬區域地質調查, 2014.。

下二疊統哈爾加烏組為一套陸相火山-沉積體系，巖性復雜，總體以熔巖、火山角礫巖為基本特征。本組下中部主要為中酸性火山巖，以灰、灰紫色、灰褐色安山巖、英安斑巖、酸性凝灰巖發育為特征，巖性主要為安山巖、凝灰巖、英安巖等；中上部主要為中基性火山巖，以灰紫、灰、灰綠色安山巖、氣孔杏仁狀安山巖、輝石安山巖、玄武巖發育為特征，巖性主要為凝灰巖、安山巖、玄武安山巖、玄武巖等。英安巖中獲鋯石U-Pb同位素年齡為（302± 15）Ma，大致為早二疊世地層?。

3　地球化學特征

本次分析選取的均為蝕變相對較弱的樣品，先進行樣品的拋光，然后在超聲波清洗器中進行清洗。本文中樣品的主量和微量元素數據均是在西安地質礦產研究所實驗測試中心進行分析。準噶爾北緣晚古生代火山巖主量元素和微量元素分析結果表1，本文選了泥盆系卓木巴斯套組、石炭系巴塔瑪依內山組、二疊系哈爾加烏組3組中的樣品進行研究。

3.1主量元素

由表1可知，卓木巴斯套組火山巖SiO2為50.26%～56.07%、TiO2為1.30%～1.73%,哈爾加烏組SiO2為54.35%～56.24%、TiO2為1.06%～1.24%,巴塔瑪依內山組SiO2為50.39%～54.41%、TiO2為0.86%～ 1.32%,前二者較后者略高，其它主量元素的差別不明顯。卓木巴斯套組、巴塔瑪依內山組、哈爾加烏組的里特曼指數分別為0.61～2.49（ZMBS5為3.69）、1.46～2.52（BTMYNS12為3.76）、1.39～3.27，除了個別樣品外（ZMBS5、BTMYNS12）大都小于3.3，所以這些火山巖除個別樣品外基本為鈣堿性火山巖。另外所采樣品Na2O均大于K2O，表明其為鈉質巖漿。

3.2稀土元素

卓木巴斯套組火山巖∑REE74.64×10-6～138.76× 10- 6、巴塔瑪依內山組火山巖∑REE63.71×10- 6～ 97.37×10-6、哈爾加烏組火山巖∑REE135.30×10-6～ 179.68×10-6，泥盆紀和石炭紀火山巖稀土總量均低于二疊紀火山巖稀土總量。稀土元素分布曲線圖上不同時代的火山巖（圖2-a），均顯示輕稀土相對富集、重稀土相對平坦的右傾型分布模式，且二疊紀火山巖輕稀土含量及富集程度明顯高于泥盆紀和石炭紀火山巖，三者重稀土含量相近，分布特征相對一致。3組火山巖樣品無Eu異常，說明斜長石在巖漿結晶分異或穩定殘余中無明顯參與。

表1　準噶爾北緣晚古生代火山巖主量元素和微量元素分析數據Table 1 Major and trace element data from volcanic rocks in Late Paleozoic

圖2　準噶爾北緣晚古生代火山巖稀土元素分布曲線圖（a）和晚古生代火山巖微量元素蛛網圖（b）Fig.2 Chondrite-normalized REE diagrams of volcanic rocks in Late Paleozoic(a) and Primitive mantle-normalized spidergrams of volcanic rocks in Late Paleozoic(b)（標準化數據引自Sun&McDonough，1989）

3.3微量元素

泥盆系卓木巴斯套組巖石均落入安山質玄武巖區中，而石炭系巴塔瑪依內山組部分落入安山質玄武巖區，部分落入亞堿性玄武巖區，二疊系哈爾加烏組火山巖均投在亞堿性玄武巖區（圖3）。前人通過對巴塔瑪依內山組火山巖地球化學研究，認為其為堿性-亞堿性火山巖[6-7]。

圖3　準噶爾北緣晚古生代火山巖Nb/Y—Zr/Ti圖解(a)和晚古生代Zr-Zr/Y圖解（b)Fig.3 Nb/Y-Zr/Ti diagram of volcanic rocks in Late Paleozoic Fig.5 Zr-Zr/Y diagram of volcanic rocks in Late PaleozoicSubAlkaline Basalt——亞堿性玄武巖;Andesite/Basalt——玄武質安山巖;Andesite—安山巖; Rhyodacite/Dactive——流紋英安巖;Alk-Bas——堿性玄武巖A——板內玄武巖；B——島弧玄武巖；C——洋中脊玄武巖

原始地幔微量元素蛛網圖中三組火山巖總體上顯示出不同的曲線（圖3），但各組曲線基本相似，暗示了源區巖漿的相似性。

三組火山巖均表現出高場強元素虧損和大離子親石元素的相對富集，如Nb，Ta，Ti虧損和Ba，Sr，K富集，可能是由于巖漿混入了殼幔物質造成的。泥盆紀火山巖Na/Ta(14.90～17.21)、Zr/Hf（37.01～ 46.33）低于原始地幔的Nb/Ta(19～21)、Zr/Hf(46～51)比值，顯示了板內特征。石炭系火山巖虧損高場強元素Ti，Nb/La(0.30～0.33)、Zr/Hf（29.10～42.16）暗示了石炭系的火山巖具典型消減帶特征。二疊紀火山巖微量元素總量高于泥盆紀和石炭紀火山巖微量元素總量。從二疊系哈爾加烏組的微量元素原始地幔蛛網圖可看出強不相容元素的富集，表現出大陸拉斑玄武巖特征。

4　討論

4.1巖漿來源及構造環境探討

泥盆系卓木巴斯套組火山巖稀土總量相對島弧玄武巖總量略高，無明顯Ti負異常，加上其大離子親石元素富集特點，推測卓木巴斯套組火山巖為鈣堿性玄武巖。巖石組合主要為酸性巖屑火山塵凝灰巖、中酸性晶屑火山塵凝灰巖、安山質含角礫玻屑晶屑凝灰巖，說明研究區火山活動已開始，因而卓木巴斯套組火山巖可能是島弧演化晚期地殼增厚的產物。在原始地幔標準化蛛網圖中只顯示輕微負異常，說明其源區可能來自原始地幔，加入了洋殼物質。由于Nb，Ta的負異常，這些洋殼物質可能是洋殼沉積物而不是來自于洋脊玄武巖。

石炭紀火山巖樣品投在島弧玄武巖-洋中脊玄武巖過渡區域（圖3-b）。研究表明，弧后盆地早期張開階段，因巖漿源區可能受到包含地幔、俯沖板片和地殼在內的多種端元物質影響，常會形成類板內伸展減薄環境火山巖和島弧火山巖。隨著擴張作用的持續和俯沖消減作用影響的減弱，弧后盆地逐漸向成熟階段發展，并漸變到正常洋脊玄武巖[8-9]。所以巴塔瑪依內山組火山巖可能形成于弧后盆地環境。巴塔瑪依內山組的巖石地球化學特征顯示其來自虧損地幔，而較高的Ce/Th（18.62～24.80）和Ba/Th（226.03～555.10）比值，缺乏明顯的負Ce異常，排除了有消減帶沉積物加入的可能性。因此，用殼-?；烊咀饔脕斫忉屵€是合理的。

二疊系哈爾加烏組火山巖為亞堿性系列火山巖（圖3-a），本組下中部主要為中酸性火山巖，中上部主要為中基性火山巖，為一套陸相-火山沉積體系，主體為板內玄武巖（圖3-b）。結合區域背景，到二疊紀時期，新疆北部發育一次較大規模大陸裂谷作用，該作用極可能是受地幔柱影響的緣故[4]。通過研究哈爾加烏組地球化學特征，總體表現出的微量元素總量較高，多數高場強元素明顯高于原始地幔，Nb，Ta和Ti的負異常較明顯，哈爾加烏組具較高的Mg#，及島弧玄武巖系列微量元素特征，說明哈爾加烏組火山巖可能是殼幔物質交換產物。

4.2構造演化

研究區北側扎河壩蛇綠巖帶及南側卡拉麥里蛇綠巖帶等研究成果，對探討東準噶爾北緣構造演化具重要參考價值。其中，扎河壩蛇綠巖形成于奧陶紀，卡拉麥里蛇綠巖形成于石炭紀。以上成果表明，研究區泥盆—石炭紀為俯沖-消減環境。泥盆紀之前，準噶爾-阿勒泰古陸發生強烈裂解，齋桑-額爾齊斯洋盆北側是阿勒泰古陸塊，南側是加波薩爾早古生代島弧。早泥盆世卓木巴斯套組為火山活動形成島弧之后地殼增厚的產物。研究區早石炭世晚期姜巴斯套組不整合覆蓋在黑山頭組上，屬陸表海沉積，反映齋桑-額爾齊斯洋盆未完全封閉，島弧發展歷史仍在持續[4]。前人研究成果表明，準噶爾洋俯沖-消減作用一直持續到石炭紀末[6-7]。研究區晚石炭世巴塔瑪依內山組是由于準噶爾洋持續向北俯沖，導致島弧后方區域幔源物質大量上隆并引起弧后擴張[5]，因此表現出弧后盆地的特征。早二疊世時期，哈爾加烏組為陸相火山-沉積體系，亞堿性巖石特征和Zr-Zr/Y構造環境的判別，顯示出從早二疊世開始研究區內的構造環境已經基本形成，開始造山后的拉張環境。研究區這時的基本構造單元已形成，到早二疊世晚期本區整體抬升，陸殼基本穩定。

因此晚古生代準噶爾北緣構造演化過程推測如下：早泥盆世時古亞洲洋板塊向西伯利亞板塊之下俯沖，形成南阿爾泰成熟島弧。準噶爾洋向北俯沖，形成北準噶爾島弧。晚石炭世之后，板塊停止俯沖，在島弧后方出現拉張狀態，形成弧后盆地。早二疊世時，北準噶爾造山帶處于拉張環境，地殼厚度變薄，軟流圈地幔上涌，由于軟流圈和巖石圈相互作用形成一套偏堿性的巖石組合。由于拉張作用持續時間較短，未形成大陸裂谷，只是裂谷作用的初期階段[6]。

5　結論

通過研究該區域晚古生代火山巖的巖石組合和地球化學特征，得到兩點認識：

（1）早泥盆世卓木巴斯套組火山巖是島弧發展后期地殼增厚的產物，晚石炭世巴塔瑪依內山組火山巖是弧后盆地環境下產生的，早二疊世哈爾加烏組火山巖為裂谷作用形成的板內玄武巖。

（2）結合前人資料，研究區晚古生代火山巖為準噶爾洋向北俯沖形成的，該區先后經歷了早泥盆世—晚石炭世俯沖-消減，晚石炭世—二疊紀碰撞造山等作用。

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Gechemical Characteristics of L ate Paleozoic Volcanic rocks in K alaan-Qiakuerte Area,in Northeastern margin of J unggar, and its Tectonic Significant

Chen Qile1,Huang Jian2
(1.Geological Research Academy of Xinjiang,Urumqi,Xinjiang,830000,China; 2.Xinjiang University,Urumqi, Xinjiang,830047,China)

Abstract:Late Paleozoic volcanic rocks are developed in K alaan-Qiakuerte area of Northeastern margin of Junggar.Lower Devonian Zhuomubasitao Formation consists of marine volcanic sedimentary system with cal-alkaline series volcanic rocks.Upper Carboniferous Batamayineishan Formation consists of continental volcanic eruption system with alkaline series volcanic rocks.Lower Permian Haerjiawu Formation consists of continental volcanic-sedimentary system with sub-alkaline series volcanic rocks.Zhuomubasitao Formation has the characteristics of without obvious Ti negative anomalies and enrichment of LILE indicate that was the product of crustal thickening during late island arc development.Batamayineishan Formation has the characteristics of depletion of HFSE and enrichment of LILE,suggested that it has the typical characteristics of the subduction zone.However,it was explained as back-arc basin environment due to lack of obvious Ce negative anomaly.Haerjiawu Formation has the geochemical features of enrichment of strong incompatible element and obvious negative anomaly with Nb,Ta and Ti,indicate that was in rift environment.Based on geology and geochemistry of late Paleozoic volcanic rocks,we consider that early Devonian was in arc island environment,late Carboniferous was in back-arc basin environment,and Permian was in extension environment,it has important significant for inverting tectonic evolution of late Paleozoic.

Key words:Northern margin of Junggar;Late Paleozoic;Volcanic rocks;Geochemical characteristics;Tectonic evolution

作者簡介:第一陳琪樂(1970-)，男，江蘇徐州人，高級工程師，2008年畢業于長安大學資源勘察工程專業，從事區域地質調查和礦產勘查工作

收稿日期:2015-08-04;

修訂日期:2016-01-05;作者E-mail:997783479@qq.com

中圖分類號:P534；P588.14

文獻標識碼:A

文章編號：1000-8845(2016)01-062-06

項目資助：中國地質調查局項目（1212011140058）、自治區區域地質礦產調查項目（XJQDZ200908）聯合資助