西準謝米斯臺山馬門特一帶石炭系黑山頭組的厘定
——來自地質地球化學和年代學證據

舍建忠，賈健，邸曉辰，馮長麗，楊震

(1.新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第十一區域地質調查大隊，新疆 昌吉 831100)

西準噶爾處于西伯利亞板塊與哈薩克-準噶爾板塊的交接處，是中亞巨型造山帶的重要組成部分，其構造演化與中亞造山帶的形成演化密切相關，但是復雜的構造演化和強烈的巖漿活動，使得人們對該地區認識有限，對一些關鍵科學問題的認識還存在爭議[1-3]。西準地區出露的主要是古生代地質體，而晚古生代，特別是石炭紀，是準噶爾盆地構造體制的重要轉折階段[4-5]。該時期準噶爾地區及鄰區乃至中亞造山帶經歷了古亞洲洋的消亡到陸陸碰撞的過程，巖漿、構造活動強烈，廣泛分布的石炭紀火山巖為探討該時期的構造格局與演化提供了良好的物質基礎。研究區位于西準謝米斯臺山中段(圖1-a)，區內主要是奧陶紀以來的地層，尚未發現寒武系及前寒武系，西準除局部分布有奧陶—志留系外，絕大部分由泥盆—石炭系構成，對該地區石炭紀火山巖相關研究和報道很少。本文根據研究成果在原泥盆系中厘定出一套石炭系黑山頭組火山巖，并對地球化學特征及構造環境進行了研究，為探討西準噶爾石炭紀構造演化提供依據。

1 石炭系黑山頭組的厘定

黑山頭組(C1h)是由新疆地礦局原第三區測大隊三分隊李佩基于1961年在布爾津縣南那林卡拉他烏創名，時代為中石炭世，原定義下部是一套正常陸源碎屑巖，上部多為中酸性、中基性火山碎屑巖。新疆區測大隊與中國地質科學院地質研究所分隊(1974年)將其厘定為下石炭統；《西北地區區域地層表(新疆維吾爾自治區分冊)》(1981)進一步將其限定為早石炭世早期；《新疆維吾爾自治區區域地質志》(1993)將其劃分為上、中、下3個亞組，時代為早石炭世；《新疆維吾爾自治區地層清理》(1999)沿用黑山頭組，時代為早石炭世。

該區域最新基礎地質資料是1980年由新疆維吾爾自治區地質局完成的1∶20萬夏子街幅(L-45-ⅩⅤ)區調資料，該資料將馬門特一帶由酸性火山巖組成的古火山機構厘定為下石炭統黑山頭組。根據本次區調成果，在該組流紋巖中測得LA-ICP-MS鋯石年齡為(300.9±5.4)Ma，為早二疊世，據時代巖性對比應為下二疊統卡拉崗組。將馬門特周圍及東部一帶一套火山熔巖、火山碎屑巖歸為中泥盆統呼吉爾斯特組。本次工作在玄武巖中測得LA-ICP-MS鋯石年齡為(343±3.1)Ma(MSWD=0.68)，為早石炭世。根據與《新疆維吾爾自治區地層清理》及鄰區巖性對比，認為該套地層應該歸為下石炭統黑山頭組，并對其巖石地球化學特征及形成環境進行了分析。

2 剖面結構及巖石組合

圖1 新疆西準主要構造圖(a)與馬門特地區地質簡圖(b)Fig.1 Main tectonic map of the Westen Junggar，Xinjiang(a)and Mamente area geologica map(b)

該區域黑山頭組總體呈近EW向條帶狀斷續分布于馬門特一帶，馬門特以西原有資料也歸為黑山頭組。本次工作在該區域采集了具有早石炭世指時典型化石分子，確定為早石炭黑山頭組，馬門特以東原來資料歸為中泥盆統呼吉爾斯特組。本次工作剖面位置位于馬門特東側一帶(圖1-b)，剖面總體上為向西南單傾，傾角為34°～64°，傾向為301°～325°，剖面多處見晚期中酸性巖體侵入地層中，接觸界線清晰。剖面底部被二疊紀石英正長巖侵入，頂部被第四系覆蓋。剖面中見多層凝灰質砂礫巖，其中最厚一層約為58 m，分選性差，磨圓度較好。這一層凝灰質砂礫巖與安山巖可作為本組的標志層。根據剖面成果，研究區一帶黑山頭組為一套中基性火山巖夾火山碎屑巖組合，主要巖性為杏仁狀玄武巖、玄武巖、蝕變安山巖、含角礫凝灰巖、晶屑凝灰巖、凝灰質砂礫巖、凝灰質砂巖、含礫巖屑砂巖等。

馬門特一帶黑山頭組剖面巖性自上而下為：

層號 巖性 厚度/m黑山頭組厚度大于2 751.1 m 未見頂32粗砂巖與砂礫巖不均勻互層7.40 31蝕變沉凝灰巖62.10 30灰色凝灰質長石巖屑砂巖21.60 29蝕變沉凝灰巖10.00 28玄武質火山角礫熔巖30.90 27含角礫蝕變巖屑凝灰巖65.00 26蝕變玄武巖23.30 25凝灰質砂礫巖12.20 24蝕變杏仁狀玄武巖55.60 23輝石安山巖80.30 22蝕變安山巖13.60 21蝕變巖屑砂巖42.90 20蝕變安山玢巖152.90 19凝灰質砂礫巖28.60

18凝灰質砂巖、粉砂巖37.60 17凝灰質砂礫巖57.70 16晶屑凝灰巖121.60 15含礫中粗粒巖屑砂巖67.70 14晶屑巖屑凝灰巖91.40 13蝕變安山巖205.50 12含礫巖屑砂巖70.70 10含礫凝灰質巖屑砂巖114.50 9 灰色玄武巖196.10 8 杏仁狀玄武巖134.60 7 蝕變玄武巖132.80 6 含輝石玄武巖70.40 5 灰黑色玄武巖457.70 4 灰黑色含杏仁玄武巖171.90 3 含角礫凝灰巖143.00 2晶屑玻屑凝灰巖71.60侵入

3 巖石地球化學特征

3.1 主量元素地球化學特征

樣品化學分析數據見表1。主量元素中SiO2含量變化不大，在51.32%～55.03%，平均52.81%，2件樣品為玄武巖，3件為玄武安山巖。TiO2含量變化不大，為1.41%～1.78%，平均1.64%，高于島弧拉斑玄武巖(TiO2=0.80%)和大陸溢流玄武巖(TiO2=1.00%)，低于洋島拉斑玄武巖(TiO2=2.63%)，接近MORB玄武巖(TiO2=1.5%)。Al2O3含量較高，為18.18%～19.32%，平均18.71%，具有高鋁玄武巖特征，而高鋁玄武巖正是俯沖帶典型的巖石類型[6]。Mg#值為34.09～44.47，平均40.59，說明分離結晶程度較低。全堿含量較高(Na2O+K2O為5.82%～6.93%，平均6.27%)，相對具有富鈉的特征(K2O=1.73%～3.47%)，Na2O=3.1%～4.52%)，整體具越偏酸性全堿含量越高的趨勢。在(Na2O+K2O)/SiO2圖中，樣品主體投在靠近分界線堿性系列區域(圖2-a)，在K2O-Na2O圖中鉀質和鈉質玄武巖均有分布(圖2-b)。

3.2 微量元素地球化學特征

由表1可知，基性巖樣品的稀土總量相對較高，這與巖石富堿特性相對應，ΣREE=140.62×10-6～161.50×10-6，平 均 153.42× 10-6。其 中 ΣLREE=122.28×10-6～140.58×10-6，ΣHREE=18.35×10-6～21.17×10-6，輕重稀土比值LREE/HREE=6.25～6.72，球粒隕石標準化稀土元素分布曲線呈輕稀土富集且分餾明顯；重稀土虧損且分餾不明顯的先陡后緩右傾曲線(圖3-a)，所有樣品均呈相同的變化趨勢，暗示為同一巖漿源演化的產物。(La/Yb)N=7.12～7.74，輕重稀土元素分餾明顯。δEu=0.90～0.98，平均 0.95，δCe=0.98～1，平均0.99，Eu和Ce元素均具弱負異常，Eu元素弱負異常說明巖漿演化過程中發生了較弱的斜長石分離結晶作用。

樣品微量元素原始地幔標準化蛛網圖前半部元素含量變化較大，后半部分較平穩(圖3-b)，不同樣品的微量元素分布特征仍具相似性，顯示出同源演化的特征。大離子親石元素Ba，Pb，Sr相對富集，高場強元素Th，U，Nb相對虧損，Th，U元素相對虧損在典型島弧、洋中脊和板內玄武巖中均不存在，可能和后期蝕變作用有關。

表1 火山巖巖石地球化學數據Table 1 Geochemical data of Volcanic rocks

圖2 火山巖樣品TAS圖解(a)和K2O-Na2O圖解(b)Fig.2 TAS diagram(a)and K2O-Na2O diagram(b)of Volcanic rock samples

圖3 火山巖樣品稀土元素球粒隕石標準化分布曲線(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns(a)and Primitive mantle normalized trace element patterns(b)of Volcanic rock samples

4 對比討論和構造環境分析

4.1 區域對比

黑山頭組在布爾津縣南那林卡拉他烏創名，時代為中石炭世，原定義下部是一套正常陸源碎屑巖，上部多為中酸性、中基性火山碎屑巖。《新疆維吾爾自治區地層清理》沿用黑山頭組，時代為早石炭世，認為在卡拉麥里地區出露的黑山頭組下部為火山碎屑巖，上部為中基性火山巖及火山碎屑巖。田陟賢等在西準噶爾巴爾雷克一帶對石炭系黑山頭組進行了調查研究，認為其下部巖性主要為灰紫色-紫色氣孔杏仁狀安山巖、杏仁狀玄武安山巖和少量的玄武巖[7]。由中國地質大學(武漢)地質調查所2015年完成的《鐵廠溝鎮幅(L45C002001)1∶250000區域地質調查》，對鐵廠溝鎮幅NE方向卡拉沙依一帶黑山頭組進行了調查研究，認為其下部為一套火山沉積碎屑巖，上部為橄欖玄武巖、杏仁狀玄武巖、安山巖及晶屑凝灰巖。本次工作測制剖面確定該組巖性為玄武巖、杏仁狀玄武巖、蝕變安山巖、安山玢巖、含角礫凝灰巖、晶屑凝灰巖、凝灰質砂礫巖、凝灰質砂巖、含礫巖屑砂巖，這與《新疆維吾爾自治區地層清理》定義，與卡拉麥里、鐵廠溝鎮北東和西準噶爾巴爾雷克等地黑山頭組巖性相似。

4.2 年代學特證據

本次工作在剖面玄武巖中采集了同位素樣品(圖1-b)，樣品鋯石的單礦物分選和陰極發光顯微照相由河北省區域地質礦產調查研究所完成，鋯石UPb同位素分析在中國地質調查局西安地質調查中心實驗室的激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS)上進行，U-Pb同位素分餾用標準鋯石91500作為外標予以校正，每測6個未知樣品后插入一次91500標樣測定，以確保測試標樣和樣品的儀器條件完全一致。激光光束束斑直徑30 μm，以29Si作為內標測定鋯石的U，Th，Pb含量。鋯石測定點的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和U-Th-Pb含量采用GLITTER程序和Isoplot程序進行數據處理。

圖4 玄武巖鋯石陰極發光圖像及測點點號圖(a)和U-Pb諧和圖(b)Fig.4 CLimages and ages(a)and U-Pb concordia plots(b)from basalt zircons

從樣品中分選出來的鋯石個體較大、多呈長柱狀，晶型為自形至半自形，晶面整潔光滑，無裂紋，鋯石陰極發光圖像顯示其環帶狀構造特征明顯(圖4-a)，呈巖漿成因鋯石特點，環帶較寬，表明鋯石結晶時巖漿溫度較高，鋯石群形態單一，多數為噴發期巖漿活動一次結晶形成。Th含量變化范圍為43.76×10-6～296.88×10-6，U 含量變化為 88.53×10-6～381.91×10-6，樣品鋯石均具較高的Th/U比值，為0.40～1.27，多數小于1(表2)，展現出巖漿鋯石U、Th成分特征[8]。測得的16顆鋯石年齡數據均落于諧和線上或其附近，16個數據的206Pb/U238年齡加權平均值為(343 ±3.1)Ma(n=16，MSWD=0.68)(圖4-b)，該玄武巖形成于早石炭世。

4.3 構造環境分析

表2 玄武巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素數據Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results

高場強元素Nb，Ta，Zr，Hf在蝕變和變質等過程中具有很好的穩定性，因此是巖石成因和源區性質的示蹤劑。島弧玄武巖和部分虧損型洋中脊玄武巖(N-MORB)的Ta，Nb豐度分別不大于0.7×10-6和12×10-6，Nb/La＜1，Hf/Ta＞5，La/Ta＞15，而板內玄武巖(WPB)、過渡型洋中脊玄武巖(T-MORB)和富集型洋中脊玄武巖(E-MORB)則正好相反。本次玄武質樣品的 Ta豐度2.27×10-6～2.71×10-6和 Nb豐度22.05×10-6～22.11×10-6含量較低，Nb/La比值為0.83～0.84，Hf/Ta比值為 1.57～1.86，La/Ta比值為 9.74～11.75，表明該玄武巖成因、環境與島弧玄武巖或NMORB的形成環境無關，類似于WPB、T-MORB、EMORB巖石構造環境。不活動元素協變關系是構造環境判別的有效方法。在Zr/Y-Zr圖中(圖5-a)，樣品投在板內玄武巖區，在2Nb-Zr/4-Y圖中，樣品投在板內堿性玄武巖和板內拉斑玄武巖區，根據主量元素特征，巖石屬堿性系列(圖5-b)。巖石樣品主量元素TiO2和Al2O3含量顯示MORB玄武巖和俯沖帶火山巖特征。而典型板內堿性玄武巖相對Sr，Ce和P等元素明顯富集Rb，Ba，Th，Ta，Nb等元素，相對Sm和Y等元素富集Ti元素，而本次巖石樣品Sr相對Th，Nb更加富集，Rb，Th，Nb等元素相對虧損，Ti元素相對Sm和Y等元素未見明顯富集特征。Th，U元素相對虧損在典型島弧、洋中脊和板內玄武巖中均不存在。巖石化學特征顯示了圖解的不確定性。

圖5 火山巖構造環境判別圖Fig.5 Tectonic discrimination diagram of Volcanic rock

易善鑫，李永軍對西準黑山頭組英安巖和安山巖進行巖石地球化學研究，通過對其源區和構造環境分析認為其形成于島弧俯沖環境[9]；田陟賢等在西準噶爾巴爾雷克一帶對石炭系黑山頭組進行了調查研究，認為其火山巖形成于活動大陸邊緣[7]。通常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物質的影響，常會形成類板內伸展減薄環境火山巖和島弧火山巖，而本次工作厘定的黑山頭組主要為火山熔巖和火山碎屑巖，這與弧后盆地中島弧側巖石組合相似。綜合考慮西準噶爾地區早石炭時期還在洋陸演化階段[10-13]，認為該組火山巖形成于弧后盆地環境。

5 結論

(1)根據巖性對比，在西準噶爾謝米斯臺山馬門特一帶，從原中泥盆統呼吉爾斯特組中解體出一套杏仁狀玄武巖、玄武巖、蝕變安山巖、含角礫凝灰巖、晶屑凝灰巖、凝灰質砂礫巖、凝灰質砂巖、含礫巖屑砂巖地層，將其厘定為下石炭統黑山頭組。

(2)在玄武巖中采集了同位素樣品，測得LAICP-MS 鋯石年齡為(343±3.1)Ma(n=16，MSWD=0.68)，該玄武巖形成于早石炭世。

(3)該組火山巖具有高鋁、高堿特征，輕重稀土元素分餾明顯，大離子親石元素Ba，Pb，Sr相對富集，高場強元素Th，U，Nb相對虧損，具有板內堿性玄武巖性質，形成于弧后盆地環境。

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