東天山阿齊山地區石炭紀火山巖及構造演化

李兆，陳岳龍，包創，田江濤，楊屹

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京 100085；3.新疆地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000)

東天山覺羅塔格成礦帶是新疆最重要的銅、鎳、金、鐵、鉬成礦帶[1]。20世紀80年代，特別是1999年以來，國家三○五項目辦和中國地質調查局組織實施的一系列地質找礦與科研攻關工作，極大地提升了該成礦帶研究程度和成礦特征認識[2-16]。2013年，阿齊山地區1∶5萬化探成果顯示，該帶西段阿齊山及其以東一帶，Zn，Pb，Ag，Cu及As，Sb，Bi，Mo，Co普遍富集，異常查證發現的阿齊山鉛鋅礦，經后續評價已達一定規模。前人對阿齊山組、雅滿蘇組做了一些研究工作[17-26]。此次通過對阿齊山鉛鋅礦區及外圍石炭紀火山巖巖石學、巖石化學特征研究結合同位素成果，對阿齊山地區的構造演化模式進行論述，并對其與成礦之間的關系進行探討。

1 區域地質背景

東天山造山帶的主要構造單元由4條近EW向的大型斷裂帶分割開來，自北向南依次為大草灘斷裂帶、康古爾塔格斷裂帶、雅滿蘇-苦水斷裂帶和阿其克庫都克斷裂帶(圖1)。阿齊山-雅滿蘇火山巖帶即位于雅滿蘇斷裂和阿其克庫都克大斷裂之間。阿齊山地區主要位于阿齊山-雅滿蘇火山巖帶西緣，石炭紀火山巖從早至晚可分為3個噴發旋回：阿齊山噴發旋回(阿齊山組)、雅滿蘇噴發旋回(雅滿蘇組)和土古吐布拉克噴發旋回(土古吐布拉克組)。阿齊山組主要分布于阿奇山鉛鋅礦北部，大面積出露，與南部雅滿蘇組為整合接觸關系，出露巖性為灰綠色安山質凝灰巖、英安巖、英安質凝灰巖、凝灰質砂巖和少量安山巖。火山噴發韻律特征清楚，由下至上分為6個韻律組合，噴發韻律型式為火山碎屑巖-熔巖和火山碎屑巖-熔巖-火山碎屑沉積巖。

雅滿蘇組主要分布于阿齊山鉛鋅礦區內，呈NE向帶狀分布，與上覆土古吐布拉克組整合接觸，下與阿齊山組整合接觸。該組為一套淺海相火山-沉積巖系，巖性為酸性火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖、碳酸鹽巖為特征的中酸性火山-沉積巖系。按巖性組合分為4個巖性段，正常火山碎屑由下至上減少。土古吐布拉克組位于阿齊山鉛鋅礦南部，主要為安山質凝灰巖、玄武巖和安山巖等，與下石炭統雅滿蘇組呈整合接觸。區內侵入巖主要為早石炭世花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等。此外，有二疊紀花崗巖、三疊紀輝長巖、閃長巖等出露。

圖1 東天山地區大地構造簡圖Fig.1 Tectonic sketch map of Eastern Tianshan area

2 巖石學特征

研究區主要出露早石炭世阿齊山組、雅滿蘇組生物碎屑灰巖和火山巖、火山凝灰巖、粉砂巖、底礫巖及晚石炭世土古吐布拉克組火山巖、火山碎屑巖等，此外，可見早石炭世侵位的一系列花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等出露。火成巖類型從基性巖到酸性均有分布，從酸性-基性巖巖石學特征如下。

2.1 流紋質-英安質巖石

流紋質巖石主要為流紋質晶屑凝灰巖，其中晶屑凝灰巖主要產出于阿齊山鉛鋅礦頂板，下石炭統雅滿蘇組第四巖性段中上部，呈EW向展布。晶屑凝灰巖風化面呈褐黃色，新鮮面灰白色，凝灰結構，塊狀構造。晶屑礦物(40%)為石英和長石(圖2-A)，基質(58%)成分為長英質礦物組成。晶屑粒徑0.5～3 mm不等，石英大小不一，呈棱角狀，石英表面多裂紋；更長石大小不等，呈棱角狀，更長石表面有次生絹云母，在晶屑凝灰巖中可見黃鐵礦(2%)。

英安質巖石以英安巖和英安質凝灰巖為主。英安巖風化面為褐黃色，新鮮面為灰白色，中細粒斑狀結構，塊狀構造。斑晶礦物主要為長石和石英(圖2-B)，基質為長英質成分。其中，斑晶含量約20%(長石15%，石英5%)，基質含量約80%。長石呈自形-半自形板柱狀，石英呈他形粒狀。英安質凝灰巖呈灰色，凝灰結構，塊狀構造(圖2-C)；晶屑有石英和更長石，石英大小不等，呈棱角狀，表面多裂紋；晶屑還有更長石，大小不等，呈棱角狀，表面有次生絹云母；巖石中還含巖屑，主要由英安巖質巖屑組成；填隙物有火山灰，火山灰蝕變為綠泥石和細小的長英礦物；火山灰中含次生方解石、次生綠簾石、半自形粒狀黃鐵礦(圖2-D)，沿黃鐵礦邊緣和裂隙被褐鐵礦交代。晶屑石英15%，粒徑0.1～1 mm，更長石25%，巖屑30%，粒徑0.5～1.5 mm，火山灰18%，方解石2%，綠簾石5%。

在流紋質、英安質凝灰巖下部層位中發育一套強蝕變凝灰巖，為阿齊山鉛鋅礦區重要的賦礦巖性，產出于下石炭統雅滿蘇組中下部。主要有矽卡巖化蝕變凝灰巖和綠簾石透輝石化凝灰巖。

圖2 阿齊山地區典型火山巖特征Fig.2 Characteristics of volcanic rocks in Aqishan area

矽卡巖化蝕變凝灰巖具殘余凝灰結構，塊狀構造。巖石原始結構已不清晰，從礦物分布狀態看，推斷原巖應為凝灰巖，巖石中斜長石已呈微粒集合體狀分布，并不保留外形，微量斜長石集合體保留半自形板狀斜長石外形，并具強高嶺土化，在斜長石微粒集合體之間分布他形粒狀綠簾石及綠簾石集合體。石榴石呈等軸粒狀，相對呈條帶狀分布于綠簾石、斜長石之間。閃鋅礦大部分呈不規則裂隙脈狀分布，少量呈斑點狀分布。金屬礦物種屬較多，但含量很少，主要為閃鋅礦，呈微晶粒狀，閃鋅礦多呈不規則斑點狀分布，局部呈不規則裂隙脈狀分布。方鉛礦、黃鐵礦呈他形微晶粒狀，分布于個別透明礦物細脈中，多分布于脈壁上。黃銅礦結晶顆粒很微細，呈塵點狀分布于閃鋅礦中。石墨呈鱗片狀，局部分布于透明礦物之間。

強蝕變凝灰巖具殘余含角礫凝灰結構，塊狀構造。巖石原結構已模糊，只能根據礦物分布特征與結構的不同及殘留的少量長石晶屑，推斷原巖為凝灰巖。碎屑主要由巖屑組成，在巖屑中僅有少部分大于2 mm的角礫碎屑，碎屑外形已不清晰，具黝簾石化。透輝石呈不規則團塊狀、裂隙狀分布，石英也呈裂隙脈狀分布，綠簾石呈短小團塊狀局部分布于黝簾石中。光片中不透明金屬礦物主要為黃鐵礦，分布微量閃鋅礦、黃銅礦。黃鐵礦多呈他形粒狀，以微晶為主，粒徑較粗的多呈自形五八面體。閃鋅礦呈不規則粒狀，在閃鋅礦中分布極微量的微晶狀黃銅礦，金屬礦物不均勻分布于碎屑中，微量黃鐵礦結晶較粗地分布于膠結物中。

2.2 安山巖類

安山巖類是研究區最主要的火山巖，主要為安山玢巖和安山巖、安山質凝灰巖和熔結凝灰巖，以及錐狀巖墻安山玢巖。

安山玢巖主要產出于下石炭統雅滿蘇組第二巖性段中，分布于阿齊山鉛鋅礦西北緣，風化面呈灰黑色，新鮮面灰綠色，中細粒斑狀結構，塊狀構造，主要斑晶礦物為斜長石和輝石，少見角閃石，基質成分以斜長石為主，含少量輝石和磁鐵礦顆粒。斜長石自形程度高，輝石呈自形、半自形短柱狀、粒狀，可見輝石式解理；同時，輝石熔蝕結構明顯，表明其形成早于安山玢巖熔漿。此外，在安山玢巖中磁鐵礦含量較高，可能與區域磁鐵礦形成有一定聯系。脈狀安山玢巖中磁鐵礦含量較高。斜長石呈細粒自形針柱狀，磁鐵礦呈他形粒狀填隙。說明該火山機構巖漿房在早期階段將殘留輝石捕獲并噴發，晚期脈狀安山玢巖捕獲的輝石較少(圖2-E)。

安山巖主要分為兩種：紫紅色安山巖和灰綠色安山巖。紫紅色安山巖結晶程度差，主要產出于阿齊山鉛鋅礦區南部上石炭統土古吐布拉克組火山巖-沉積巖中；灰綠色安山巖主要產出于下石炭統雅滿蘇組第二、四巖性段中，主要呈中粒斑狀結構，塊狀構造。斑晶礦物以斜長石、輝石為主，角閃石含量極低，基質成分以長英質為主，含大量磁鐵礦顆粒。安山巖成分和安山玢巖成分幾乎一致，但粒度較安山玢巖細小，與二者產出于同一層位相吻合。

安山質凝灰巖在區內分布較廣泛，以安山質角礫凝灰巖、脫玻化安山質凝灰巖、熔結凝灰巖為主。安山質角礫凝灰巖中角礫為紫紅色安山巖和灰綠色安山巖，粒徑變化較大，從2 mm到10 cm不等，含量約15%，具一定磨圓，而安山質角礫凝灰巖新鮮面為灰綠色，斑狀、似斑狀結構，凝灰質結構，角礫狀構造，斑晶礦物以長石為主，基質成分為長石和少量磁鐵礦顆粒。脫玻化安山質凝灰巖中長石顆粒晶型完好，為斑晶礦物，而基質成分為長英質，均發生脫玻化，呈球粒狀，部分球粒中長石礦物顆粒明顯。安山質熔結凝灰巖主要呈紅褐色，斑狀結構，凝灰質結構，假流紋構造。斑晶礦物為斜長石，鉀化明顯，具定向排列。基質成分粒度細小，為隱晶質，但具較好的定向排列，說明該熔結凝灰巖成巖過程中受熱烘烤發生了部分熔融和流動，主要產出于阿齊山鉛鋅北側。

2.3 玄武質巖石

玄武巖主要分為2類：紫紅色、灰黑色氣孔狀、杏仁狀玄武巖和灰綠色杏仁狀玄武巖。紫紅色、灰黑色杏仁狀玄武巖主要分布于下石炭統雅滿蘇組第二巖性段中，其杏仁成分為方解石和石英，杏仁含量較高，具一定的定向性，杏仁長軸方向為NS向，且上升方向朝南。而灰綠色玄武巖主要分布于阿齊山鉛鋅礦南側雅滿蘇組第四巖性段中，其杏仁成分為綠泥石，且杏仁形態各異，具一定的定向性。杏仁狀玄武巖主要呈間隱-間粒結構，杏仁狀構造。斑晶礦物為斜長石和輝石，基質成分以斜長石為主(圖 2-F)。

3 巖石地球化學特征

3.1 主量元素

主量元素分析在澳實分析檢測(廣州)有限公司進行，分析方法為ME-XRF26d，分析結果見表1。研究區火山巖SiO2含量變化范圍大(50%～74.6%)，Al2O3=12.5%～19.6%，MgO=0.33%～5.03%，TFeO=94%～9.64%，CaO=0.65%～10.2%，Na2O+K2O=3.07%～7.95%，Na2O/K2O為1.7～57.82。總體上看，該區火山巖均屬于鈉質火山巖，隨SiO2含量增高，Na2O+K2O 含量升高，Al2O3、MgO、TFeO、CaO含量降低，符合一般火成巖成分特征。

在TAS圖解中(圖3)，巖石類型從玄武巖、玄武安山巖、粗面玄武巖、安山巖、英安巖、玄武質粗面安山巖、粗面安山巖、粗面巖、粗面安山巖到流紋巖均有分布，且巖石類型堿性、亞堿性都有，以亞堿性為主。阿齊山地區火山巖SiO2-K2O圖解中(圖4)，火山巖從低鉀拉斑系列到鉀玄系列均有分布，說明該區火山巖成因較復雜。

阿齊山地區火山巖構造類型圖顯示(圖5)，多數巖石位于B區，少量位于C區，說明該區火山巖主要以造山帶火山巖為主，部分玄武巖或玄武安山巖位于非造山帶火山巖與造山帶火山巖的混合區域。所有安山巖幾乎落在演化的大洋弧內(圖6)，還有一個安山巖樣位于原始大洋弧范圍內，而位于演化的大洋弧內的安山巖也可分為2類，一為靠近原始大洋弧，一為靠近大陸邊緣弧，說明該區域安山質巖石的形成可能與洋殼的部分熔融有關，但也包含大陸地殼的混染。將玄武巖分類投圖后，研究區玄武巖以鈣堿性玄武巖為主，一個玄武巖樣品位于島弧拉斑玄武巖區域，說明該區玄武巖具一定的島弧火山巖特征(圖7)。

表1 阿齊山地區火山巖主量和微量元素分析成果Table 1 Analysis results of major element and trace element in Aqishan area

圖3 阿齊山地區火山巖TAS圖解Fig.3 TAS diagram of volcanic rock in Aqishan area

圖4 阿齊山地區火山巖SiO2-K2O圖解Fig.4 SiO2-K2O diagram of volcanic rock in Aqishan area

3.2 微量元素

微量元素分析在貴州省拓譜資源環境分析檢測中心完成，分析方法為等離子質譜分析，分析誤差小于5%，結果見表1。

玄武巖微量元素原始地幔標準化后(圖8左)，具Th，Nb，Ho等元素的虧損，U，Ta，K，Pb，Sr，Ti等元素的富集。而Th和U，Nb和Ta一般具相似的地球化學性質，該玄武巖中二者具明顯不同的分布，可能說明該玄武巖巖漿形成源區并不單一。稀土元素球粒隕石標準化后(圖8右)，整體呈微弱的右傾，總稀土含量較低，無明顯Eu異常。

圖5 阿齊山地區火山巖構造類型圖解Fig.5 Structural type of volcanic rock in Aqishan area

圖6 阿齊山地區安山巖構造環境判別圖Fig.6 Structural environmental discrimination of andesite in Aqishan area

圖7 阿齊山地區玄武巖分類圖Fig.7 Classification map of Basalt in Aqishan area

安山質巖石包括安山玢巖、安山巖和安山質凝灰巖。整體微量元素分布型式與玄武巖相似，但安山質巖石中部分巖石富集Th，虧損Sr，與玄武巖相反，說明安山質巖石的形成較復雜，可能有不同源區物質加入，但總體特征與大陸地殼物質的地球化學性質相似。稀土元素分布型式圖中，整體右傾明顯，稀土含量較高，安山巖和安山質凝灰巖負Eu異常明顯，而安山玢巖無明顯Eu異常(圖9)。

流紋質巖石微量元素蛛圖中，流紋質巖石表現出富集Th，U，K等元素，虧損Nb，Ta，P，Ti和Ho等元素，整體特征與大陸上地殼較吻合，而Pb在部分樣品中富集，部分樣品中虧損，可能說明該套火山巖形成具不同性質的物質來源(圖10)。

圖8 玄武巖微量元素蜘蛛圖和REE分布型式圖Fig.8 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of Basalt

圖9 安山質巖石微量元素蜘蛛圖和REE分布型式圖Fig.9 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of andesite

圖10 流紋質巖石微量元素蜘蛛圖和REE分布型式圖Fig.10 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of rhyolite

4 鋯石U-Pb年代學及Lu-Hf同位素特征

4.1 鋯石U-Pb年代學

對阿齊山地區安山巖、安山玢巖、安山質凝灰巖、酸性熔結凝灰巖、英安巖、英安斑巖等火成巖樣品進行鋯石U-Pb年齡測定，在中國地質科學院礦產資源研究所完成，使用儀器為Finnigan Neptune型LA-ICP-MS及與之配套的New wave UP 213激光剝蝕系統。主要火山巖形成于早石炭世，少量火山巖形成于晚石炭世。英安巖鋯石產出諧和U-Pb年齡為(332.8±0.94)Ma；安山巖產出的諧和年齡為(333.9±1.1)Ma；英安質凝灰巖中含大量浸染狀黃鐵礦，可能與阿齊山鉛鋅礦成礦有密切聯系，對其進行鋯石U-Pb定年，鋯石U-Pb數據位于諧和線上及附近，具較好的諧和性，諧和年齡為(331.6±1)Ma。土古吐布拉克組英安巖鋯石U-Pb年齡為(315.9±4.7)Ma。

4.2 Lu-Hf同位素特征

本次鋯石Lu-Hf同位素分析測試在中國地質科學院地質研究所大陸動力學國家重點實驗室完成，鋯石Lu-Hf同位素分析點選擇主要基于U-Pb年齡分析，按一定比例選擇具一定地質意義的點位進行原位Lu-Hf同位素分析。

在安山巖、安山玢巖和輝長巖中的早石炭世鋯石具有和酸性巖石相似的εHf(t)值，可能指示其具相同源區。而酸性巖石的Hf同位素特征可能指示其主要來自于俯沖洋殼板片的部分熔融，同時交代了部分島弧地區的楔形地幔，形成與其U-Pb年齡相似的二階段Hf模式年齡。安山質巖石Hf同位素特征可能說明其與酸性巖石具不同的巖漿起源，可能是晚期拉張環境下軟流圈物質上涌，烘烤下地殼-古老巖石圈地幔發生部分熔融，形成安山質巖漿，并向上侵位、噴發。侵位過程中，安山質巖漿通道經過333 Ma形成的酸性巖石(333 Ma的花崗巖包體和333 Ma的鋯石循環晶)，并對該類巖石進行持續烘烤，到安山質火山巖噴發結束，火山口被安山玢巖堵住后，更多熱量被束縛在巖漿房內，溫度迅速上升，導致圍巖(333 Ma的基底巖石)大面積部分熔融，形成一系列酸性巖墻對安山玢巖侵位。

5 構造演化模式初探

阿齊山組火山巖為一套鈣堿性系列中-中酸性火山巖，以海相噴發為主，火山碎屑巖亞相很發育，熔巖亞相次之，韻律旋回發育，其中火山碎屑沉積相具很好的韻律層，上段夾少量碳酸鹽巖及含碳酸鹽火山碎屑沉積巖，發育少量淺海相動物化石，沉積環境為淺海陸棚-潮坪相。火山巖巖石地球化學研究表明，巖漿形成于成熟造山帶島弧環境，成因與洋殼俯沖和上覆楔形地幔熔融有關。

雅滿蘇組樣品均落在造山帶火山巖區，稀土元素、微量元素分布曲線與阿齊山組火山巖分布曲線具相似性，說明巖漿具同源性，具島弧鈣堿性火山巖特征。巖石地球化學表明：雅滿蘇組火山巖是以噴發相為主要噴發型式，以偏堿性中酸性-酸性火山碎屑巖為主要巖石類型，巖石組合為偏堿性英安巖-流紋巖，火山巖中夾大量含碳酸鹽碎屑沉積，及火山碎屑沉積巖(碎屑主要為火山碎屑)，含大量淺海相動物化石，其形成環境應為淺海陸棚-潮坪相。巖漿構造環境應為成熟島弧環境。

土古吐布拉克組火山巖主體為一套拉斑-鈣堿性系列火山巖，其與阿齊山組、雅滿蘇組火山巖具極其相似的巖石特征和稀土、微量元素組成，具島弧鈣堿性火山巖特征。

阿奇山-雅滿蘇火山巖帶內石炭紀時期的巖漿巖是活動大陸邊緣環境的產物。一般來說，該環境總體為擠壓狀態，但常伴有局部拉張或應力短期釋放。前人研究成果表明，在俯沖擠壓環境下，強烈的殼幔相互作用與熱循環可形成大量巖漿，局部的伸展為巖漿上升與侵位提供了動力和空間，俯沖環境中洋殼物質及幔源物質的加入，為鐵的礦化提供了重要的物質基礎。阿齊山組中-基性火山巖原生巖漿來源于俯沖物質、軟流圈地幔和巖石圈地幔物質，微量元素和穩定同位素資料顯示，礦床中的Fe，Cu和S等成礦物質主要來源于巖漿體系，表明鐵礦作用與早石炭世早期階段的火山-侵入巖與成礦有密切聯系。演化至早石炭世晚期，進入第二次火山噴發旋回，火山巖組合以中酸性火山巖為主，形成了雅滿蘇組一套火山碎屑巖-陸源碎屑巖夾碳酸鹽建造，并在火山噴發間歇期噴流-沉積形成了阿齊山鉛鋅礦。至晚石炭世，隨著第三次火山噴發活動，對早期鐵礦和鉛鋅礦層位進行了順層交代作用，發育了較強烈的矽卡巖化。

總之，活動大陸邊緣環境及其伴隨的構造巖漿事件，為阿齊山地區賦存于早石炭世早期中-基性火山巖中的鐵礦床和早石炭世晚期中-酸性火山巖中鉛鋅礦床的形成創造了極重要的動力條件，也為礦床形成提供重要的成礦物質。

6 結論

(1)阿齊山地區石炭紀時期的巖漿巖是活動大陸邊緣環境的產物，在俯沖碰撞擠壓環境下，強烈的殼幔相互作用與熱循環可形成大量巖漿，局部伸展為巖漿上升與侵位提供了動力和空間。

(2)活動大陸邊緣環境及其伴隨的構造巖漿事件，為阿齊山地區賦存于早石炭世早期中-基性火山巖中鐵礦床和早石炭世晚期中-酸性火山巖中鉛鋅礦床的形成創造了極重要的動力條件，也為礦床形成提供重要的成礦物質。

(3)對阿齊山地區安山巖、安山玢巖、安山質凝灰巖、酸性熔結凝灰巖、英安巖、英安斑巖等火成巖進行研究發現，主要火山巖形成于早石炭世，少量火山巖形成于晚石炭世。形成年齡從早到晚呈基性程度逐漸降低的趨勢。英安巖鋯石U-Pb諧和年齡為(332.8±0.94)Ma；安山巖產出諧和年齡為(333.9±1.1)Ma。

(4)阿齊山地區早石炭紀時期經歷了3次火山噴發旋回，具中-基性→中酸性→中基性的火山演化趨勢。第一火山噴發旋回與鐵礦化作用關系密切，鉛鋅礦化主要發育于第二火山噴發間歇期，第三期火山噴發使早期礦化層發育強烈的蝕變作用。