東天山覺羅塔格帶雅滿蘇組古生物、巖石地球化學特征及構造意義

高丹 張博文 朱志新 李平 趙同陽

摘? 要：東天山覺羅塔格帶內雅滿蘇組為一套重要的早石炭世地層，對該地區構造演化具有約束性。通過對該地層古生物及火山巖地球化學研究得出：（1）雅滿蘇組中、下巖性段化石組合為造礁珊瑚及殼刺腕足動物類，顯示溫暖、正常鹽度及弱波動的淺海環境;（2）雅滿蘇組上巖性段火山巖為鈣堿性安山質巖石，具成熟島弧特征，顯示火山巖帶西部、中部處于同一構造背景的不同演化階段;（3）早石炭世晚期，該區域天山洋俯沖作用中部較西部強烈，俯沖更深，誘發火山作用，呈“剪刀式”俯沖模式。總之，覺羅塔格構造帶在早石炭世發生巨大構造轉化，由被動大陸邊緣演化為“剪刀式”俯沖形成的成熟島弧環境。

關鍵詞：覺羅塔格;雅滿蘇組;古生物制約;地球化學;“剪刀式”俯沖

東天山位于我國西部，屬中亞造山帶，是貫穿整個中亞的巨大緯向山系，其構造演化及成礦背景具有復雜性和多期性。覺羅塔格構造帶是天山造山帶最重要的多板塊（塔里木、西伯利亞及準噶爾板塊）匯聚帶之一，該區大地構造演化截至目前依然眾說紛紜，莫衷一是。對該區的研究有助于理清古天山洋生成→俯沖→消減→閉合→碰撞造山的構造演化史。前人對東天山構造及巖漿活動進行了大量研究，對構造演化模式的重建具重要作用[1-3]。構造演化觀點普遍認為：該構造帶于晚石炭晚期發生主碰撞，洋-陸轉換基本完成，北天山洋基本閉合，轉為殘余海盆[4];晚石炭世末碰撞造山，塔里木與準噶爾板塊連為一體，形成統一大陸[5]。目前對該區主碰撞前的巖漿活動、構造演化及地球動力學關系的研究尚未得出定論，需進一步討論。東天山主碰撞前的構造演化模式尚未統一，主要表現為：（1） 晚石炭世早期，東天山是裂谷或弧后盆地亦或被動陸緣，還是島弧等存在分歧[4，6];（2）主碰撞之前，南天山洋向北俯沖、雙向俯沖或先向北后雙向俯沖還是向南俯沖等存在不同認識[3，5，7-8]。

本文以東天山覺羅塔格帶構造帶雅滿蘇組為研究對象，通過古生物學和巖石地球化學研究，探討古生物及地球化學對構造背景的制約，旨在為該地區石炭紀主碰撞前的構造演化模式提供依據。

1? 區域地質背景

覺羅塔格構造帶位于東天山地區，長約600 km，寬35～45 km，是一條西起托克遜，東至甘新交界的狹長構造帶。該構造帶由塔里木板塊、西伯利亞板塊及準噶爾-哈薩克斯坦微板塊碰撞聚斂形成，是塔里木板塊和古亞洲洋碰撞對接的關鍵部位（圖1）。4條近EW向展布的大斷裂構成覺羅塔格地區基本格局，覺羅塔格構造帶南部以該斷裂與中天山地塊分界，北部以康古爾斷裂為界。

早石炭世雅滿蘇組分布于覺羅塔格帶內，大面積出露于百靈山北部區域，面積244.18 km2。雅滿蘇組下部以正常沉積巖碳酸鹽巖為主，中上部火山活動強烈（圖2-c）;中部以噴發相安山質火山碎屑巖為主，次為噴發、沉積相凝灰質碎屑巖（圖2-a，d）;上部以噴發相安山質、英安質及流紋質火山碎屑巖為主。與下伏早石炭世阿奇山組呈整合接觸，與上覆晚石炭世土古土布拉克組呈平行不整合接觸。

2? 雅滿蘇組巖石組合? ? ?特征

雅滿蘇組按巖石組合特征劃分為3個巖性段。第一巖性段主要分布于研究區中北部，呈EW向帶狀展布，地層產狀較緩，主要巖性為一套含生物碎屑碳酸鹽巖夾碎屑巖建造。巖石類型為灰白、淺灰、灰色生物屑碎屑微晶灰巖，化石較發育，以海百合莖和珊瑚化石為主（圖3），少量腕足類化石;第二巖性段分布于研究區北部，呈NW向帶狀展布，靠近康古爾韌性剪切帶，地層產狀較緩，主要為一套海相碎屑巖夾火山碎屑巖建造。巖石類型為灰綠色鈣質巖屑砂巖、粗粒長石巖屑砂巖、粗粒長石細礫巖，腕足動物化石較豐富（圖3）;第三巖性段主要出露于山脊或較高山坡，呈帶狀展布，出露范圍較小，主要巖石類型為灰褐色安山質玻屑凝灰巖、流紋質凝灰巖及蝕變安山質含角礫火山塵凝灰巖，整體為一套火山碎屑巖夾碎屑巖建造。總體上，雅滿蘇組下部為含生物碎屑碳酸鹽巖建造，中部為海相碎屑巖建造，上部為火山碎屑巖建造，其中雅滿蘇組第一、第二巖性段發育大量腔腸和腕足動物化石。

3? 雅滿蘇組生物組合特征

本次化石樣品由中國科學院南京地質古生物研究所鑒定。第一巖性段產多種四射珊瑚及橫板珊瑚，有賓夕法尼亞小石柱珊瑚Lithostrotionellapennsylvanium、雅滿蘇圓蛤珊瑚Gangamophyllum hamiense yamansuense ，Lin et Fan、雙形珊瑚Diphyphyllum minor Yu et al.、袁氏瓊花珊瑚Yuanophyllum kansuense Yu、勞芝柯夫斯克珊瑚未定種Rozkowskia sp.、沃恩棚珊Dibunophyllum vaughani Salee、四角剌毛珊瑚Chaefefes quadrangulafu Lee ef yü。以刺毛珊瑚（Chaefefes quadrangulafu Lee ef yü）出現為開始，總體可稱為刺毛珊瑚（quadrangulafu）-石柱珊瑚（DarwaSophyllum）-棚珊瑚（Dibunophyllum）生物群組合（圖3）。

第二巖性段腕足類分異度較高，種群數量豐富且較大，產以愛德堡大長身貝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）為代表的組合，主要有滿蘇分喙石燕Choristites mansuyi Chao、美雅輪刺貝（Echinoconchus elegans（McCoy）、網格長身貝（未定種）Dictyoclostus sp、東方新石燕Neospiriferorientalis Chao、細絲線紋長身貝Linoprroductus lineatus（Waagen）、刺瘤輪刺貝Echinoconchus punctatus（Martin）、簇狀新石燕Neospirifer fasciger（Keyserling）、先期分喙石燕Choristites priscus（Eichwald）、裂線貝（未定種）Schizophoria sp。其中簇形輪刺貝Echinoconchus fasciatus（Kutorga）、分喙石燕（未定種）Choristites sp. 愛德堡大長身貝Gigantoproductus edelburngensis是早石炭世南相維憲期-謝爾普霍夫期標志性分子，屬早石炭世的標志性分子。總體以愛德堡大長身貝為代表的長身貝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）和輪刺貝（Echinoconchus elegans（McCoy）的繁盛為代表，可稱為愛德堡大長身貝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）-輪刺貝（Echinoconchus elegans）-石燕（Choristites）生物群組合（圖4）。

4? 地球化學特征

4.1? 樣品采集及分析測試

本次巖石地球化學樣品自該地區西部及中部的雅滿蘇組火山巖，挑選無明顯蝕變的20件火山巖樣品進行測試，在新疆維吾爾自治區礦產實驗研究所完成全巖主微量、稀土元素分析。樣品粉末熔成玻璃餅后用X射線熒光光譜（XRF）方法測定，測試精度優于1%。

4.2? 主量元素地球化學特征

雅滿蘇組火山巖主量元素分析結果見表1， SiO2介于55.0%～60.9%，Na2O和K2O含量分別為2.84%～6.28%及1.16%～1.75%，屬安山質巖石大類。由TAS圖解可知，雅滿蘇組西部樣品落在粗面安山巖區域，中部樣品落在玄武安山巖區域，顯示巖性上存在一定差異（圖5-a）。樣品Al2O3為14.98%～16.5%，與俯沖帶火山巖富鋁特征一致[5];TFeO為7.82%～11.03%，與SiO2呈負相關關系;TiO2介于0.68%～1.1%，均值0.87%，顯示與典型島弧和陸緣弧環境相似[8]。在SiO2-K2O圖解中（圖5-b），樣品均落在鈣堿性系列區域，巖石系列顯示從雅滿蘇組西部到中部，巖石由鈣堿性向高鉀鈣堿性系列轉化。總體來說，該區域雅滿蘇組火山巖具高K2O、Al2O3及低TiO2特征，全堿（SiO2+Na2O）平均6.146%，大于5%，顯示典型島弧火山巖特征[9]。

4.3? 微量元素地球化學特征

雅滿蘇組火山巖微量元素及稀土元素測試分析結果見表1。從微量元素蛛網圖看出（圖6-a）， 雅滿蘇組西段、中段具有相似的微量元素地球化學分布曲線，暗示他們是同源演化產物。該組火山巖總體相對富集Rb，Ba，Th，U，K等LILE元素，相對虧損Nb，Ta，Ti等HFSE元素，顯示與板塊俯沖有關的火山巖相似[10]。雅滿蘇組西段火山巖樣品La/Nb比值4.6～27，均值14.23;中段火山巖樣品La/Nb比值為1.63～1.82，均值1.725，Th/Ta總體介于9.4～13.25，具較明顯的陸緣弧特征[11-12]。雅滿蘇組兩組樣品Th/Nb比值有一定差異，雅滿蘇組西段樣品Th/Nb介于0.42～0.514，中段Th/Nb介于0.53～2.3，Nb/Zr大于0.04，Th/Zr小于0.027，具明顯島弧特征[11-12]。

4.4? 稀土元素地球化學特征

該地區雅滿蘇組西段、中段火山巖稀土元素標準化圖解顯示右傾趨勢的平緩簇狀曲線（圖6-b），兩類火山巖∑REE主體介于98×10-6～135.7×10-6，平均115.6×10-6，LREE/HREE比值為1.69～4.43，呈富集輕稀土，虧損重稀土特征，指示他們可能是同源演化產物，其中西段火山巖較中段火山巖曲線更陡，LREE/HREE分異更明顯，可能是源區殘留較多的鋯石、石榴子石導致HREE強烈分餾所致[13]。

5? 討論

5.1? 早石炭世早期古生物特征對構造環境的約束

前人年代學研究顯示，東天山覺羅塔格構造帶石炭紀構造演化存在差異性[6]，對早石炭世未具良好的約束性。通過對雅滿蘇組一、二段生物群組合分析對比發現，生物群組合具強烈的維憲階，為早石炭世。第一段古生物以腔腸生物及棘皮動物共生為特征，且門類較多，生物群組合具有明顯差異。生物種群分異度較高，指示當時環境適合多種生物生長，結合Burner所繪顯生宙大氣氧含量曲線推測，該時期環境中具較高的氧含量。

腔腸類中造礁珊瑚及棘皮動物和多數腕足多為窄鹽性生物，生存環境較窄，生活于溫暖正常淺海中，水深20 m左右，水溫25℃～30℃。有學者指出低溫及各深度均有不同類型的珊瑚生存[14]，深度大于200 m的水體中多見單體珊瑚。造礁珊瑚對環境有較大限制，其內胚層組織中有共生單細胞蟲黃藻，該藻類對珊瑚蟲的生長及新陳代謝有積極促進作用，同時對鈣質骨骼和珊瑚骨架的生長也具重要作用。說明單細胞蟲黃藻對珊瑚生長具有約束作用。

腕足類化石中愛德堡大長身貝（Gigantoproductus edelburngensis）是早石炭世維憲期—謝爾普霍夫期標志性分子[15]。雅滿蘇盆地以北的北天山和準噶爾地區未見此類化石。同樣上覆地層中未見層位更高的該類化石。有學者認為古生代腕足類生物大多生活在溫暖且鹽度正常的淺海，自中生代以來未發現其與深海生物共存[15];另有觀點指出[16]，濱海地區高能動蕩生存環境下的生物相比穩定波動較弱水體環境下的生物更易具堅硬外殼。據已滅絕腕足動物殼飾及殼刺推測，發育殼刺目的是為防止殼體陷入軟質基底中[15];第二巖性段據化石發掘量，得出優勢種為輪刺貝及大長身貝。F.T.Frsich據志留紀腕足類形態適應與水體間關系，分析得出適應湍水環境的腕足類特征為：①有明顯巨大的中槽中隆，使進出的水易于分流;②長發育伸展的兩翼;③殼薄，紋飾不發育或光滑;④莖孔退化或發育微弱，不需堅固的肉莖。

綜上分析，雅滿蘇組化石富集地層多見于雅滿蘇組中、下巖性段。據各類腕足類殼飾及珊瑚生存環境特征，可知早石炭世早期雅滿蘇組整體仍處于淺海沉積相，海水鹽度正常，水深小于200 m，水體溫度正常且波動較弱，不存在大的構造運動。早石炭世晚期東天山構造運動活躍，沉積相由碳酸鹽沉積轉為火山碎屑巖沉積。

5.2? 早石炭世晚期火山作用及構造意義

東天山雅滿蘇組上部巖段為一套高K、富Al及低Ti的鈣堿性系列火山巖，具典型島弧火山巖特征[9]，其中巖石組合為基性-酸性火山巖及中酸性火山碎屑巖，顯示活動大陸邊緣環境的巖石組合特征。所有樣品均具富集LILE及LFSE，虧損Nb，Ta，Zr等HFSE的特征，反映活動大陸邊緣及洋內島弧火山巖兼有的巖石性質。

Th/Yb比值受后期蝕變作用影響較小，能明確區分島弧與活動大陸邊緣環境[17]。由圖7-（a）可知，雅滿蘇組西部樣品均落入活動大陸邊緣區域，中部樣品落入大洋島弧區域;圖7-（b）顯示，雅滿蘇組西部樣品落入活動陸緣弧，中部樣品多落入島弧環境區域內;圖7-（c）顯示，雅滿蘇組中部樣品落入島弧區域內，西部樣品落入陸緣弧區域內。雅滿蘇組西部為鈣堿性系列粗面安山巖，中部為中鉀鈣堿性系列玄武質安山巖。巖相學、地球化學特征顯示，西部至中部存在構造環境差異，雅滿蘇組中部較西部更接近島弧火山巖內帶[5]。前人研究指出[18]，年輕洋殼俯沖形成的巖漿弧為Adakite交代的弧火山巖系列，主要特征為Na2O大于K2O，與正常弧玄武巖-玄武安山巖相比，TiO2大于1%，Nb/La大于0.5，Nb/U大于10。雅滿蘇組西部樣品完全符合上述描述，中部未顯示上述特征。推測當時雅滿蘇組西部正處于年輕洋殼初始俯沖階段，中部處于不同階段。覺羅塔格構造帶內雅滿蘇組火山巖從西部到中部具由島弧環境向活動大陸邊緣過渡趨勢。針對造成上述構造背景差異的大地動力學演化機制是什么？這種差異是否與地殼厚度、俯沖深度、閉合速率及火山作用時限等有一定關系，仍需進一步討論。

5.2.1? 地殼厚度

鉀是區分地殼與上地幔物質來源的重點探針[19]，安山巖K2O百分含量與地殼厚度（C）成正比， 當SiO2為60%時，K-C關系可表示為C=18.2（K2O）+0.45[5，19]。雅滿蘇組中部火山巖K2O均值為1.63%，西部火山巖K2O均值為1.29%，分別得出C中=30.138 km，C西=23.973 km，顯示當時雅滿蘇組中部地殼厚度大于西部（圖8-a），均在地殼厚度20～30 km的鈣堿性巖石系列范圍。安山巖（SiO2介于57%～63%）的K2O/Na2O值與巖漿弧地殼厚度存在正相關關系，當地殼厚度超過52 km時，K2O/Na2O值不再增加[3，9]，其中雅滿蘇組中部K2O/Na2O=0.45，雅滿蘇組西部K2O/Na2O=0.21，印證雅滿蘇組西部地殼厚度明顯小于中部。

5.2.2? 俯沖深度

弧巖漿巖在相同SiO2含量下，其K2O、LILE含量等隨距離海溝的遠近顯示出系統變化特征[19，20]。Condie認為SiO2含量固定時[19]，K2O含量與俯沖深度之間存在正相關關系，并給出弧巖漿巖的K60值、K55值（代表SiO2含量分別為60%、55%時K2O含量）與俯沖深度（H）的線性關系，統計擬合出K60值與俯沖深度的K-H關系式為：H=89.3（K2O）-14.3。有學者對K60值與俯沖深度關系做出約束，認為前式只適于島弧巖漿巖（K60值不高于2.5），同時不能應用于超過42 km的地殼厚度[5]。據上述K-C式，該區域當時中天山地殼厚度小于42 km，雅滿蘇組中部和西部K2O平均值分別為1.63和1.29，均小于2.5，故據K-H表達式得出雅滿蘇組中部與西部火山巖對應俯沖深度分別為131.37 km和101.12 km（圖8-b），反映當時雅滿蘇組中部俯沖深度較西部深。另雅滿蘇組西部火山巖全堿含量大于中部，也佐證二者處于同一構造背景下不同構造階段，暗示當時雅滿蘇組處于一個較成熟的島弧環境[4]。

5.2.3? 閉合速率

Miyashiro認為不同俯沖帶閉合速率會引起火山巖系列發生變化[21]，閉合速率越慢，火山巖越偏堿性。雅滿蘇組巖石系列組合為拉斑+鈣堿性組合，早石炭世雅滿蘇組為中-高速俯沖，處于俯沖作用的早期階段，且地殼是富含長英質的大陸型地殼[22]，可近似地認為其為成熟島弧或比成熟島弧演化更高階段[23]。

5.2.4? 火山作用時限

該帶雅滿蘇組火山巖地層西部、中部存在明顯差異，那么火山作用時限上是否存在區別？據前人LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果[8]，覺羅格塔格構造帶雅滿蘇組東部、中部和西部的火山巖噴發時限依次為348 Ma、335.9 Ma和334 Ma，顯示整體形成于早石炭世，且存在自東部向西部，火山巖年齡越年輕趨勢，暗示中部較西部更成熟的島弧環境，俯沖作用更強，誘發巖漿作用導致火山噴發。

總體來說，早石炭世覺羅塔格地區為接受穩定沉積的被動大陸邊緣，洋盆內海水鹽度正常，水體溫度正常，為波動較弱的淺海環境，發育造礁珊瑚及殼刺的腕足動物等古生物，并形成一套含生物碎屑的碳酸鹽巖夾碎屑巖建造（圖9-a），即雅滿蘇組的第一、第二巖性段;早石炭世晚期，天山洋脊開始活動，帶動洋殼進行俯沖，由于俯沖板塊非正向俯沖，自東向西存在俯沖角度、俯沖深度及俯沖速率差異，造成覺羅塔格區域中段較西段俯沖作用更強，地殼增厚尺度更大，并先誘發火山作用的“剪刀式”俯沖機制（圖9-d），隨后洋盆持續閉合，最終形成中、西部巖性存在差異的安山質海相火山巖沉積建造，即雅滿蘇組（圖9-c）。

6? 結論

（1）東天山覺羅塔格構造帶早石炭世早期處于淺海沉積相，水體環境平穩，早石炭世晚期構造環境突變，由穩定沉積環境向洋盆閉合，洋殼俯沖的島弧環境轉化。

（2）地球化學特征顯示，雅滿蘇組火山巖為高K2O、Al2O3，低TiO2的鈣堿性安山質巖石，富集Rb，Ba，Th元素、虧損Nb，Ta，Zr元素，與典型島弧巖漿巖相似，且西部與中部存在一定差異。

（3）覺羅塔格構造帶雅滿蘇組中部相比西部處于更成熟的島弧環境，中部俯沖深度和地殼厚度均大于西部，結合火山作用時限，暗示東天山俯沖作用中東部早于西部，且俯沖作用更強烈。

致謝：本次古生物鑒定由中科院南京古生物研究所廖卓庭研究員完成，在此致以誠摯的感謝。

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Characteristics of Paleontology and Petrogeochemistry of Yamansu Formation in Jueluotage Tectonic Belt of Eastern Tianshan，

and its Tectonic Significance

Gao dan1，2，Zhang bowen1，2，Zhu zhixin3，Li ping3，Zhao tongyang3

（（1.Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，83000，China;2.Continental Dynamics and Metallogenic Prediction

Laboratory of the Central Asian Orogenic Belt，Urumqi，Xinjiang，830046，China;3.Geological Research

Academy of Xinjiang，Urumqi，Xinjiang，830046，China）

Abstract： The Yamansu Formation is an important set of volcanic strata in the early carboniferous in the jairotag tectonic belt of the Eastern Tianshan Mountains.Based on the study of Paleontology and Geochemistry of volcanic rocks in this formation，it is concluded that （1） the Fossils in the lower part of the Yamansu formation are reef-building corals and crustaceans，showing a warm， normal salinity and weakly fluctuating shallow sea environment;（2）the volcanic rocks in the upper member of the Yamansu formation are calc-alkaline andesic rocks with the characteristics of mature island arc rocks and show that the western and middle parts of the volcanic belt are in different tectonic stages of the same tectonic background;（3）in the late early carboniferous，the subduction in the middle part of the Tianshan ocean in this region was stronger than that in the western part， and the subduction depth was deeper.Generally speaking， the jairotag tectonic belt was transformed from passive continental margin to a mature island arc environment formed by scissor subduction in the early carboniferous geotectonics.

Keywords： Jueluotage;Yamansu formation;Paleontology;Geochemistry;Scissors dive