東天山卡拉塔格石炭紀安山巖地球化學、年代學研究及地質意義

張雪 翁凱 趙曉健 楊文瑞 付雪明

摘? ?要：通過對東天山卡拉塔格石炭紀安山巖進行詳細巖石學、地球化學、鋯石U-Pb年代學和Lu-Hf同位素研究，精確厘定了該火山巖成巖時代，探討了巖漿來源及構造背景，進一步約束了古亞洲洋閉合時限。卡拉塔格石炭紀地層為一套火山碎屑巖夾火山巖，其中火山巖以安山巖為主。對安山巖進行LA-ICP MS鋯石U-Pb測年，獲得年齡（309.0±3.3）Ma為晚石炭世。巖石地球化學特征顯示，安山巖為鈉質、過鋁質、鈣堿性系列;稀土元素富集LREE，（La/Yb）N為3.10～4.13，δEu呈弱的負異常;微量元素Zr/Yb（6.78～8.76）、Hf/Yb（1.47～1.83）、Zr/Nb（32.06～34.60）的值均接近于島弧安山巖;元素蛛網圖上具富集大離子親石元素Rb，Ba，U，K等，虧損Nb，Ta，Ti特征，表明其形成于島弧環境。樣品εHf（t） 變化范圍較大為-13.1～+14.8，且具高Sr，Yb和Y含量，低Sr/Y值，Ba/La>13，表明安山巖源區以俯沖流體交代的地幔楔部分熔融為主。

關鍵詞：東天山;卡拉塔格;石炭紀;安山巖;地球化學;島弧

新疆東天山造山帶位于中亞造山帶南緣中段，區內廣泛出露與俯沖、碰撞相關的古生代巖石[1-4]，是古亞洲洋在該區演化的地質記錄，與區域成礦關系密切。前人研究資料顯示，東天山造山帶是塔里木板塊和準噶爾板塊間的古亞洲洋閉合產物。關于最終閉合時間一直存在較大爭議，不同學者提出了不同閉合時間節點：即晚泥盆—早石炭世[5-7];晚石炭—早二疊世[8-10];晚二疊世—三疊紀[11-12]。爭議的焦點主要集中在晚古生代，該時期（360～220 Ma）也是東天山眾多金屬礦床的重要成礦期[13]，成礦種類以銅（鉬）、銅鎳、金、銀、鉛鋅為主。因此，確定研究區古亞洲洋最終閉合時間不僅具有構造意義，在指導找礦方面也有重要意義。

卡拉塔格地區是東天山造山帶一個重要礦集區[14-15]，發育有晚古生代紅山-梅嶺-紅石火山熱液脈型銅金礦、玉帶斑巖型銅礦，早古生代紅海VMS型銅鋅礦[16-22]。礦集區外圍廣泛分布有石炭紀火山巖、火山碎屑巖[23-24]，為研究東天山石炭紀大地構造背景提供了條件，石炭紀又是中亞造山帶構造轉換和多金屬成礦重要時期[25-29]。因此，本次對卡拉塔格地區石炭紀地層中火山巖開展系統的巖石學、鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素、巖石地球化學研究，不僅能準確地限定該套地層的時代，還可確定其形成的構造背景，反演板塊構造演化過程，為探討區域上古亞洲洋閉合時限提供地質依據，為后期找礦工作提供幫助。

1? 區域地質概況

新疆東天山是中亞重要的金屬成礦區之一[30-32]，區內出露地層主要有中元古界長城系星星峽群變質碳酸鹽-碎屑巖地層、晚古生代火山-火山碎屑巖系、中生界侏羅系陸相含煤建造和新生界陸相碎屑巖沉積[12]。區內構造、巖漿、成礦作用主要受控于兩條近EW向展布的深大斷裂，由北向南依次為康古爾塔格斷裂、阿奇克庫都克斷裂，兩條大斷裂將該區劃分為三大構造單元，分別為大南湖-頭蘇泉島弧帶、阿奇山-雅滿蘇弧后盆地和中天山地塊（圖1-a）[14，33-34]。東天山地區巖漿活動頻繁，分布有長數百千米的晚古生代火山巖帶，呈EW向展布，出露于黃山、鏡兒泉、阿奇山、雅滿蘇等地。侵入巖從超基性到酸性各類巖體均有出露，呈巖基、巖脈、巖墻狀產出，時代以晚古生代為主。

卡拉塔格位于大南湖-頭蘇泉島弧帶中段北部，呈隆起狀，圍繞核部由內向外地層時代依次變新（圖1-b）。核部地層以奧陶—泥盆紀地層為主，為卡拉塔格礦集區主要賦礦層位。出露一套巨厚的火山巖、火山碎屑巖，巖性為玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、火山角礫巖、凝灰巖、硅質巖等[14]，被閃長玢巖、二長花崗巖等巖體侵入，在地層上部中酸性熔巖獲得鋯石U-Pb年齡416 Ma，下部蝕變圍巖或絹云母K-Ar年齡424 Ma[20]，閃長玢巖獲得鋯石U-Pb年齡為443 Ma和437 Ma[22]。隆起區外圍泥盆紀地層不整合覆蓋于核部火山-火山碎屑巖地層之上，為一套碎屑沉積巖夾安山巖、英安巖、火山角礫巖、凝灰巖及生物碎屑灰巖透鏡體;石炭紀地層為一套薄層狀砂巖、砂泥質凝灰巖夾玄武巖、安山巖等;二疊紀地層為一套基性、酸性火山巖、火山碎屑巖，底部發育礫巖;侏羅紀地層為一套河湖相含煤碎屑巖沉積[19，22]。

2? 巖石學特征及樣品采集

本次研究對卡拉塔格礦集區外圍石炭系進行詳細的野外調研，發現該地層為一套基性-中酸性火山碎屑巖夾中基性火山巖。火山熔巖自下向上具逐漸增多趨勢，火山碎屑巖巖性主要為安山質、英安質凝灰巖、熔結凝灰巖、角礫巖等，局部見小型花崗閃長巖體侵入;火山巖巖性為玄武巖、玄武安山巖、安山巖、英安巖等。該套地層與底部中泥盆統大南湖組和上覆中二疊統阿爾巴薩依組之間呈不整合接觸。

對該套地層中采集的安山巖樣品進行詳細巖相學研究（圖1-b）。安山巖為斑狀結構，基質呈玻晶交織結構，斑晶主要由斜長石和少量暗色礦物組成。少數斑晶聚集生長成聚斑或聯斑結構，斜長石多呈半自形板柱狀，部分表面發生熔蝕，粒徑為0.2～2.5 mm，表面多發生土化、絹云母化和碳酸鹽化;暗色礦物多呈半自形柱狀，少量呈他形粒狀，礦物粒徑0.2～0.8 mm，多被碳酸鹽礦物和綠泥石集合體交代，保留原礦物晶形，呈交代假象，據礦物晶形判斷可能為角閃石;基質主要由斜長石、暗色礦物、隱晶質和不透明礦物組成。

3? 測試方法

本次樣品鋯石分選和制靶委托河北省地質測繪院巖礦實驗測試中心完成。樣品粉碎至80目，經電磁分離和重液懸浮方法處理后，再經顯微鏡下手工挑選，將顆粒晶型較好的鋯石粘貼到環氧樹脂上固定，經磨制拋光后制成樣品靶，然后進行反射光、透射光和陰極發光圖像照射，揭示鋯石內部結構。

所有樣品鋯石U-Pb、Hf同位素和巖石地球化學測試均在自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成。鋯石U-Pb同位素定年采用激光剝蝕系統為GeoLas Pro，ICP-MS為Agilent 7700x，測試束斑直徑為24 μm。對分析數據離線處理采用軟件Glitter 4.4完成[35]，詳細儀器參數和測試過程可參考李艷廣等[36]。采用鋯石標準91500為外標進行同位素分餾校正，NIST610玻璃作為多外標、Si作內標的方法進行鋯石微量元素定量計算。鋯石樣品U-Pb年齡諧和圖繪制及年齡權重平均計算均采用Isoplot/Ex_ver 3完成[37]。

鋯石Hf同位素測試利用Neptune型多接收等離子體質譜儀和Geolas Pro型激光剝蝕系統聯用方法完成，詳細測試流程參照侯可軍等[38]。測試束斑直徑32 μm，激光剝蝕樣品氣溶膠由氦氣作為載氣輸送到質譜儀中進行測試。為調節和提高儀器靈敏度，氣路中間引入氬氣和少量氮氣。所有測試位置與U-Pb定年點位相同或靠近。每分析10個樣品測點分析一次鋯石標準GJ-1作為監控。本次實驗GJ-1的測試精準度為0.282 030±0.000 030。

巖石主量元素分析采用XRF玻璃熔餅法完成，精度優于5%，其中FeO和燒失量 （LOI） 采用標準濕法化學法分析。微量元素采用ICP-MS完成，精度優于10%，具體分析過程參照Gao[39]。

4? 結果

4.1? 鋯石U-Pb同位素

安山巖（KLT-15）被選做鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素分析。鋯石陰極發光圖像見圖2-a，鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素測試結果見表1、表2。安山巖樣品中鋯石呈透亮淺棕色，為粒狀、短柱狀，鋯石顆粒大小50 μm×50 μm到50 μm×100 μm，長寬比為1∶1～2∶1（圖2-a），鋯石顆粒具核幔分帶特征。10個鋯石顆粒U含量為67.7×10-6～998×10-6，U/Th比值為1.14～4.11，具巖漿巖鋯石特征[40]。鋯石顆粒206U/238Pb年齡值為314～302 Ma，鋯石206U/238Pb年齡集中分布在U-Pb諧和圖上（圖2-b），加權平均值為（309.0±3.3）Ma（MSWD=0.67，N=10）（圖2-c）。

4.2? 鋯石Lu-Hf同位素

在對安山巖樣品中10個鋯石顆粒的顯微結構觀察和U-Pb同位素分析基礎上，開展Lu-Hf同位素測試，結果見表2。樣品176Hf/177Hf比值范圍0.282 214～0.283 008，εHf（t）變化范圍較大，為-13.1～+14.8。基于平均年齡計算獲得一階段模式年齡TDM（Ma）為1 460～352 Ma，二階段模式年齡TDMC（Ma）為2 919～404 Ma。

4.3? 主量、微量元素

安山巖具相似巖石地球化學特征，主量元素呈高SiO2（65.10%～66.41%）、Al2O3（14.81%～15.24%）、Na2O（4.72%～6.36%），相對低的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）。樣品為鈉質，Na2O/K2O>1，A/CNK指數為1.35～1.45，屬過鋁質巖石。在Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001圖解上（圖3-a），安山巖樣品均落入安山巖/玄武安山巖區域。在SiO2-Na2O+K2O巖石系列劃分圖解上（圖3-b），安山巖樣品都落入亞堿性區域。亞堿性系列可進一步劃分出拉斑系列和鈣堿性系列兩種不同巖漿演化趨勢。在AFM圖解上（圖3-c），安山巖樣品落入鈣堿性系列區域。

安山巖樣品稀土總量∑REE為197.28×10-6～222.37×10-6，（La/Yb）N為3.10～4.13，δEu為0.80～1.06，δCe為0.84～0.96。在球粒隕石標準化稀土分布曲線圖上（圖4-a），樣品具一致的曲線特征。整體富集輕稀土元素，重稀土元素較平坦，略虧損δEu和δCe。在地幔標準化蛛網圖上（圖4-b），樣品呈明顯富集Rb，Ba，U，K等元素，虧損Nb，Ta，Ti的特征。

5? 討論

5.1? 構造環境

卡拉塔格礦集區外圍石炭紀地層整體為一套火山碎屑巖夾中基性火山巖，發育大量安山巖、安山質凝灰巖。通過對全球安山巖構造環境分布研究發現，67.71%的安山巖產于匯聚板塊邊緣，其余產于大陸板內、洋島、裂谷、洋中脊、海山等[41]。本次巖石地球化學研究顯示，卡拉塔格石炭紀安山巖均為鈉質、過鋁質，TiO2含量較低，表明其可能形成于匯聚板塊邊緣。樣品微量元素La為23.5×10-6～27.9×10-6、U為1.29×10-6～1.54×10-6、Ta為0.72×10-6～0.76×10-6、Th為2.77×10-6～3.22×10-6。Zr/Yb值為6.78～8.76，Hf/Yb值為1.47～1.83，Zr/Nb值為32.06～34.6，數值明顯接近于島弧安山巖[42-43]。樣品微量元素蛛網圖呈富集Rb，Ba，U，K等大離子親石元素，同時又強烈虧損Nb，Ta，Ti等元素（圖4-b），明顯有別于洋中脊和洋島環境中形成的安山巖，具典型島弧安山巖特征。大量安山巖研究數據表明，少量玄武巖巖石地球化學圖解對安山巖構造環境的判別依然非常有效[41]，在李曙光等提出的玄武巖構造環境判別圖解上（圖5-a，b）[44]，樣品均落入島弧玄武巖區，該區域與全球島弧安山巖（數據據GEOROC和PetDB數據庫）高度一致。綜上所述，卡拉塔格地區石炭紀安山巖形成于島弧環境。

5.2? 巖漿來源

安山巖的源區復雜多樣，物質來源有殼源、幔源、殼幔混合源之分[45]。卡拉塔格地區石炭紀安山巖鋯石Hf同位素測試顯示，εHf（t）變化范圍較大，為-13.1～+14.8）（表2），說明該區安山巖來源于殼幔混合源。高溫高壓熔融實驗表明，除高鎂安山巖外，其他安山質原生巖漿均不可能由地幔橄欖巖和下地殼玄武巖部分熔融產生[46-47]。因此，研究島弧安山巖的形成應與島弧環境的特殊地質背景聯系。島弧安山巖源區一般包括俯沖板片部分熔融形成的熔體、地幔楔中橄欖巖及俯沖帶流體[48]。該區安山巖樣品具較高的Sr，為344.00×10-6～1 050.00×10-6， 均值558.20×10-6，Yb含量為4.55×10-6～5.37×10-6， Y為39.00×10-6～46.6×10-6，及相對較低的Sr/Y值，為8.71～26.92，均值13.41，這與俯沖板片熔融形成的埃達克質巖石化學成分具顯著區別[49]，表明巖漿源區可能無俯沖板片部分熔融形成的熔體物質的參與。在用Yb標準化元素比值圖解上（圖5-c，d），樣品均落入富集型地幔范圍，表明巖石源區有地幔楔物質的加入。樣品具高的Sr含量（大于400×10-6）和Ba/La值（大于13），指示俯沖流體參與了本區安山巖的形成[50]。由此可見，卡拉塔格石炭紀安山巖巖漿源區以俯沖流體交代地幔楔物質發生部分熔融的產物為主，成巖過程中有地殼組分的參與。

5.3? 大地構造意義

東天山卡拉塔格地區古生代火山巖是大南湖-頭蘇泉島弧帶的重要組成部分[51]。研究結果顯示，從早古生代開始該區就存在古亞洲洋俯沖，至泥盆紀俯沖活動加劇[24]，并在區域上形成大量島弧火山巖。早古生代紅海VMS型銅鋅礦、泥盆紀玉帶斑巖型銅礦和紅山-梅嶺-紅石火山熱液脈型銅金礦的發現[16-19，22]，證明該區俯沖構造背景下的巖漿活動具有巨大成礦潛力。

對卡拉塔格礦集區外圍出露的石炭紀地層研究發現，其主要為一套火山碎屑巖夾火山熔巖，其中安山巖鋯石U-Pb年齡（309.0±3.3）Ma為晚石炭世。巖石地球化學研究表明，地層中安山巖主要為鈉質、過鋁質，富集輕稀土元素和大離子親石元素Rb，Ba，U，K等，δEu和δCe為負異常，明顯虧損Nb，Ta，Ti（圖4），具有島弧安山巖典型特征，源區物質主要來源于俯沖流體交代地幔楔部分熔融。

前人研究結果表明，東天山覺羅塔格地區晚石炭世地層巖石組合為拉斑玄武巖、鈣堿性（高鋁）玄武巖、高鋁玄武安山巖、英安巖和流紋巖，其中安山巖、英安巖和流紋巖具島弧火山巖地球化學特征[52]，且在東天山卡拉塔格地區也出露一套晚石炭世鈣堿性島弧流紋巖[53]。結合本次研究成果，表明東天山地區島弧巖漿活動一直持續到晚石炭世，古亞洲洋最終閉合時限應發生在晚石炭世（309.0 Ma）之后。因此，該區此時仍具形成與俯沖有關的斑巖型和淺成熱液型銅金礦床的潛力，這一認識可擴寬以往尋找銅金礦床的時間范圍。

6? 結論

（1） 卡拉塔格地區石炭系為一套基性-中酸性火山碎屑巖夾中基性火山巖，發育大量安山巖、安山質凝灰巖。對地層中安山巖開展LA-ICP MS鋯石U-Pb定年，獲得年齡（309.0±3.3） Ma，說明該套地層形成于晚石炭世。

（2） 石炭紀安山巖為鈉質、過鋁質、鈣堿性系列，微量元素含量和比值都接近于島弧安山巖，整體富集大離子親石元素，強烈虧損Nb，Ta，Ti，具典型島弧安山巖特征，其源區物質主要來源于俯沖流體交代地幔楔部分熔融。

（3） 卡拉塔格地區島弧安山巖形成時代的確定，不僅約束了古亞洲洋的閉合時限為晚石炭世之后，還拓寬了尋找該區與俯沖相關的銅金礦床的找礦時限。

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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