新疆西准白杨河火山机构及源区性质讨论

徐 倩，晁文迪

（长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710064）

作者简介：徐 倩（1992－），女，长安大学地球科学与资源学院硕士研究生，构造地质学专业。

晁文迪（1991－），男，长安大学地球科学与资源学院硕士研究生，构造地质学专业。

摘 要：白杨河火山机构位于新疆西准噶尔达尔布特断裂以南，岩石类型主要为玄武岩、安山岩及其碎屑岩类，具有陆相特征。其火山岩样品具有高Al2O3、低Ti O2的特征，为钙碱性中低钾系列。∑LREE／∑HREE为2．31－5，富集LREE，δEu异常不明显。大离子亲石元素（LILE）Ba、K、Sr相对富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf相对亏损，显示较明显“TNT”负异常。构造判别图解投入板内玄武岩及火山弧玄武岩区域，总体上既显示板内的构造环境，又携带俯冲带地球化学信息，符合“滞后弧火山岩”特征。综合区域地质特征及前人的研究结果，本文认为其可能早期经历过板片的俯冲消减作用，岩石圈地幔被俯冲消减流体改造或洋壳上部的沉积物交代，后在早二叠世后碰撞背景下的板内伸展环境中产生岩浆活动。

关键词：火山机构；滞后型弧火山；地球化学；西准噶尔

Abstract：Bai Yang He volcanic apparatus distributed in the southern of Dalabute fault in West Junggar．The volcanic rocks are dominated by basalts，andesites and volcaniclastic rock，showing the characteristics of continental．Major elements show the characteristics with higher aluminum and lower titanium，which are fallen into sub－alkaline．∑LREE／∑HREE ratio are var－ying range from 2．31to 5．All volcanic rocks are all enriched in LREE without obviously Eu anomaly．LILE（eg．Ba，K，Sr） are enriched．Nb and Ta deplete strongly and show“TNT”negative anomaly．This type of volcanic rocks shows not only the signature of within－plate setting，but also that of subduction zone，which are similar to the some characteristics of“lagged arc volcanic rocks”．Combining with the regional geological data and previous studies，we think it may be early experienced the subduction of plate subduction and in the early Permian plate is formed in extensional environment against the background of the magma activity after collision．

Key words：Volcanic apparatus；Lagged arc volcanic rocks；Geochemistry；West Junggar

1 前 言

中亚造山带（CAOB）是西伯利亚古陆与中朝、塔里木板块之间的古亚洲洋消减而形成的巨型缝合带。晚石炭世—二叠纪是其构造转换阶段最为关键的时期，但尚有较大存争议［1－2］。本文研究的白杨河火山机构位于西准噶尔哈拉阿拉特山一带达尔布特断裂以南地区，大地构造位置位于哈萨克斯坦－准噶尔板块准噶尔微板块唐巴勒－卡拉麦里古生代复合沟孤带内（见图1），地层为西准噶尔地层分区玛依力山小区和准噶尔盆地地层分区克拉玛依小区。前人的1∶20万资料中将其归属于早石炭世哈拉阿拉特组，李永军等进行区域地质调查时，根据该区火山岩岩性组合、火山相、产出形态等特征，将其重新厘定为一个新组——白杨河组，时代暂推测为早二叠世。该火山机构对研究该区从板块构造体制转为陆内构造体制提供了难得的研究对象，很有可能记录了西准噶尔由板块构造体制转为陆内构造体制的地球动力学过程。因此准确限定该火山机构中的岩石组合尤其是揭示其源区地球化学特征，总结演化规律等，是探讨该区二叠纪火山活动源区性质的关键，是揭开晚古生代洋－陆转换这一构造过程的一把难得的钥匙。

2 白杨河组岩性特征

在遥感解译和实测剖面的工作中发现，白杨河火山机构的岩石组合以火山碎屑岩、火山岩为主，为一套中－基性熔岩及其碎屑岩组合，即玄武岩－安山岩－晶屑岩屑凝灰岩－火山角砾岩－火山集块岩组合，火山碎屑岩以火山角砾岩为主，颜色以灰黑色为主，岩石节理发育，局部见少量劈理化，能干性强。含有数层细砾岩夹层，脆性变形较为发育，如节理和NNE向劈理，未见有强烈构造活动改造或韧性变形。

火山岩显示典型的火山喷发旋回特征，从火山相的变化来看，其在平面上由内向外可见：溢流相（玄武岩、安山岩），爆发相（凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩）和次火山口相（辉绿岩）（见图2），并且可见其喷发旋回性。该火山机构具有陆相特征，该套地层与下伏早二叠世佳木河组粗碎屑岩建造明显有别，整体角度不整合覆于佳木河组之上，时代暂推测为早二叠世。

图1 工作区大地构造位置图

1－西伯利亚板块；2－哈萨克斯坦板块；3－查尔斯克－乔夏哈拉缝合带；4－诺尔特晚古生代上叠盆地；5－阿尔泰古生代深成岩浆弧6－南阿尔泰晚古生代弧后裂陷槽；7－额尔其斯构造杂岩带；8－哈巴河晚古生代弧前盆地；9－萨吾尔－二台晚古生代岛弧带；10－洪古勒愣－阿尔曼太早古生代沟弧带；11－塔城晚古生代弧间盆地；12－谢米斯台－库兰卡兹中古生代复合岛弧带；13－唐巴勒－卡拉麦里古生代复合沟弧带；14－准噶尔中央地块；15－推测断层；16－实测断层；17－工作区位置；18－国界

图2 火山机构平面分布图

3 年代学研究

3．1 锆石U－Pb年龄

该组岩石的锆石U－Pb年龄测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。实验步骤包括锆石挑选、粘靶、磨样、反射光照相、镀金、镀碳、阴极光照相和锆石打点。

样品锆石测年的谐和图，如图3－1所示，它较为宏观的反映了大多数年龄都集中在250－300Ma之间，谐和线的年龄为281±10Ma，可信度95％，MSWD＝6．1，可作为定年的参考年龄。该套样品的测年直方图，如图3－2所示。它较为集中的反映了数据点大多数年龄都集中在270～300Ma之间，只有少量的离谱的数据，大多数分布在加权平均值的附近，因此该直方图的年龄278．3±6．9Ma，MSWD＝1．5，数据可信度95％，误差小。在数据精确度上，直方图数据要优于谐和线年龄数据图的数据，直方图年龄数据的误差为6．9Ma，然而谐和曲线的年龄数据的误差达到了10Ma。所以最终确定白杨河火山机构火山岩年龄为278．3±6．9Ma，MSWD＝1．5，可信度为95％，其时代确定为早二叠世。

3．2 相对年龄

野外露头尺度可以很好的观察到白杨河组呈喷发不整合覆盖于下二叠统佳木河组砾岩之上（如图3－3、图3－4），据此推测其时代至少晚于佳木河组。

图3－1 谐和曲线图

图3－2 年龄分布直方图

图3－3 白杨河组火山岩与佳木河组的喷发不整合接触

图3－4 PM211－412－311实测地质剖面图

1－第四系，2－砾岩，3－砂岩，4－安山岩，5－泥岩，6－辉绿岩，7－辉绿玢岩，8－玄武玢岩，9－火山角砾岩，10－安山质含火山集块火山角砾岩，11－安山质火山角砾岩，12－安山质玻屑熔结凝灰岩，13－安山质浆屑熔结凝灰岩，14－安山质角砾熔岩

在路线地质填图中采集了保存完整的植物化 石茎杆（如图3－5所示），根据化石鉴定结果，该植物化石为Paracalamites stenocostatus（细肋副芦木），该化石主要出现在下二叠统。此植物化石采集于佳木河组含砾砂岩夹层中，据此认为该套火山－沉积地层形成时代为早二叠世。

综上所述，结合锆石U－Pb年龄测定数据分析结果和野外地质现象得到了很好的统一，最终确定白杨河火山机构形成年龄为早二叠世。

图3－5 Paracalamites stenocostatus（细肋副芦木）化石

4 岩石地球化学特征

白杨河火山机构火山岩样品共采集13件，均采集自基岩露头，并尽量避开了蚀变带及断裂破碎带，保证了样品的新鲜性与可靠性。岩石全分析在长安大学成矿作用及其动力学实验室采用日本岛津XRF－1800型波长色散X射线荧光光谱仪分析完成，微量元素部分采用X系列ICP－MS进行样品测定。

4．1 主量元素

样品的Si O2含量变化范围为49．69％～55．34％，平均值为52．2％，属于中基性火山岩。Al2O3含量较高，为17．8％～21．98％，平均值为19．41％，Ti O2含量变化范围为0．89％～1．45％，平均值1．12％，与低Ti O2特征的岛弧钙碱性玄武岩（0．98％）十分接近，不同于洋岛拉斑玄武岩值（2．63％），也不同于板内拉斑玄武岩（2．23％）和板内碱性玄武岩（2．9％）。Mg O为3．55％～5．50％，平均值为4．47％。镁指数值（Mg＃＝100×Mg O／（Mg O＋Fe OT）为41．07％～53．04％，平均值为46．96％，表明其分离结晶作用较弱。Ca O为7．31％～10．22％，平均值为8．71％。Fe OT含量变化范围为7．86％～10．56％，平均值为9．05％。Mn O为0．12％～0．18％，P2O5为0．12％～0．31％。全碱Na2O＋K2O含量为3．56％～5．09％，平均值为4．3％。Na2O为（含量3．10％～4．63％，平均值为3．70％）＞K2O（含量0．17％～1．8％，平均值为0．60％）。σ（里特曼指数）为1．61％～3．29％，平均值为2．06。所有样品的σ值均小于4％，全部为钙碱性。样品的烧失量为0．88％～5．04％，平均值为1．96％，一定程度的影响岩石化学成分分类，其中样品PM－BYH1W29－1为杏仁状安山岩，故其烧失量偏大为5．04％。

根据样品分析结果进行一系列投图。在硅碱TAS分类图（图4－1）中，样品全部落入玄武岩、玄武安山岩的范围内，且显示为亚碱性系列。考虑到烧失量可能造成的影响，采用抗蚀变元素的Zr／（Ti O2×0．0001）－Nb／Y判别图（图4－2），样品落入亚碱性玄武岩区及安山／玄武岩区。二者对岩石类别显示一致的结论。

图4－1硅碱TAS分类图

图4－2Zr／（Ti O2×0．0001）－Nb／Y判别图

利用AFM图（图4－3）进一步判别，样品大多属于钙碱性系列。在Si O2－K2O图解（图4－4）中样品主要落入中—低钾区域，显示中—低钾特征。

图4－3 AFM图

图4－4 Si O2－K2O图解

综上所述，白杨河组火山岩样品属于玄武岩大类，除2个样品外其他均属于钙碱性中低钾系列。

4．2 稀土元素和微量元素

稀土元素总含量（∑REE）较低，含量介于30．14×10－6～70．21×10－6之间，平均值为46．90 ×10－6。轻稀土含量（∑LREE）为21．86×10－6～60．01×10－6，平均值为36．37×10－6。重稀土含量（∑HREE）为8．23×10－6～13．18×10－6，平均为10．53×10－6，∑LREE／∑HREE为2．31～5，平均值为3．35，显示二者发生明显分异。δEu为0．99～1．29，平均值为1．15，δCe为1～1．08，异常不明显，表明原始岩浆在演化过程中斜长石的分离结晶作用不明显。（La／Yb）N为1．35～4．89，平均值为2．66，其值＞1，属于富轻稀土型。（La／Sm）N值为0．87～2．12，平均值为1．33。表明LREE间分馏程度一般。（Gd／Yb）N为1．39～1．89，平均值1．62，显示HREE内部分馏程度较低。在球类陨石标准化曲线图（图4－5）上，曲线向右下倾斜，稀土元素分布模式为轻稀土富集型，与上述分析相符。

将微量元素含量对原始地幔的相对丰度进行标准化，绘制出微量元素蛛网图（图4－6）。从图中可以显示出，大离子亲石元素（LILE）Ba、K、Sr相对富集，Ce适度富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf相对亏损，显示较明显“TNT”负异常，标志俯冲作用改造的岩石圈地幔参与了岩浆的形成过程。其中，Sr为明显峰值，指示是有斜长石参与的堆晶岩，与消减作用有关的岩石。K富集代表是与花岗质岩石、岛弧火山岩消减作用有关岩石。Nb、Ta呈明显的负异常，指示是受消减带上升流体（富Sr、K、Rb、Ba、Th）影响的火山弧玄武岩。俯冲带沉积物往往富集Th，而Ce在热液体系中容易发生迁移，因此，如果有俯冲沉积物的加入，Th／Ce比值就会升高。样品的Th／Ce比值在0．03～0．16之间，远高于MORB的Th／Ce值（0．016），接近并部分高于OIB（0．05）的Th／Ce比值，表明俯冲沉积物对源区组分有所贡献。同时，Nb—Ta槽说明与陆壳有密切关系。Nb—Ta槽与Rb—Th槽的共存，是受下地壳麻粒岩相岩石混染的指示。Th／Nb比值为0．17～1．13，均值为0．49，介于上地壳和下地壳之间，大于原始地幔，这表明它们受到一定程度的地壳物质尤其是下地壳物质的混染。

图4－5 球类陨石标准化曲线图

图4－6 微量元素蛛网图

5 讨论

5．1 构造环境判别

由上述地球化学特征分析，该火山机构内的火山岩具有岛弧火山岩高Al2O3、低Ti O2及高场强元素相对于相邻大离子亲石元素明显亏损的特征。在Ti O2－Mn O2＊10－P2O5×10图（图5－1）中，样品大部分落入岛弧拉斑玄岩。考虑到烧失量可能对样品分析造成一定的影响，通过微量元素投图验证。在Y／15－La／10－Nb／8图（图5－2）中，样品显示为火山弧拉斑玄武岩及钙碱性玄武岩。

由于Th、Ta、Hf都是强不相容元素，在分离结晶过程中含量都在同步增加。因此，Th／Hf、Th／Ta、Ta／Hf比值变化不明显。即Th、Ta、Hf数据能够加以利用的岩石，除原生岩浆岩外，一些分离结晶程度较低的岩石也可以使用。本火山机构火山岩数据中δEu异常不明显，表明原始岩浆在演化过程中斜长石的分离结晶作用不明显。

Hf／3－Th－Ta图（图5－3）中，样品落入消减性板块边缘玄武岩及其分异物区。显示存在古大洋板片俯冲作用的影响。样品中Th／Ta：3．787～17．686，平均值为7．197。所有样品值均大于1．6，符合岛弧玄武岩的特征（Th／Ta＞1．6）。Ta／Hf值为0．046～0．116，平均值为0．074。兼有岛弧玄武岩（Ta／Hf＜0．1）及大陆板内玄武岩（Ta／Hf＞0．1）的判别特征。Ta／Yb－Th／Yb图（图5－4）中，样品既落入了演化的大洋弧区，部分样品也落入了大陆边缘弧区域。

图5－1 Ti O2－Mn O2×10－P2O5×10图

图5－2 Y／15－La／10－Nb／8图

在Nb×2－Zr／4－Y（图5－5）构造环境判别图解中，样品指示板内拉斑玄武岩、钙碱性玄武岩及正常洋中脊玄武岩，与Ti／100－Zr－Y×3图解（图5－6）中样品明显指示板内玄武岩的结论相符。

综上所述，该火山机构的火山岩具有岛弧玄武岩的地球化学特征，同时又显示板内的构造环境。

图5－3 Hf／3－Th－Ta图

图5－4 Ta／Yb－Th／Yb图

图5－5Nb×2－Zr／4－Y

图5－6Ti／100－Zr－3×Y图解

5．2 源区性质讨论

在研究区内前人的研究结果中，下二叠统佳木河主要为一套山前磨拉石建造，整体呈角度不整合覆于石炭纪地层之上，并且其中发现的植物化石Paracalamites stenocostatus，由此说明了在下二叠统为陆相环境。结合研究区的地质背景可以知道，西准噶尔盆地在二叠纪已经进入板内演化阶段。

白杨河火山机构的火山岩岩石组合为玄武岩—玄武安山岩—安山岩组合，为钙碱性中低钾系列。主量元素整体具有高Al2O3，低Ti的特征，Na2O＞K2O，玄武岩大离子亲石元素（LILE） Ba、K、Sr强烈富集，Ce适度富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta强烈亏损，Zr、Hf适度亏损，显示较明显“TNT”负异常，显示了与俯冲带有关的岩浆特征。结合各类判别图解，认为总体上既显示板内的构造环境，又携带俯冲带地球化学信息。针对该结果的矛盾性，笔者在大量查阅资料后发现，莫宣学在31届地质大会上提出了“滞后弧火山岩”（lagged arc volcanic rocks）的概念［3］，指出其一方面形成于碰撞后陆内环境，另一方面明显地带有与俯冲相关火山岩的地球化学信息，通常属钙碱性系列。这种类型的火山岩一般发育在俯冲碰撞造山作用之后，在火山喷发时并无同期的俯冲作用。岩浆作用之前的俯冲作用只是造成了由下插的大洋板块、上覆的楔型地幔及再生地壳组成的类似弧火山岩的源区，因此，这种类型的火山岩具有岛弧火山岩的特征［4］。因此，笔者认为白杨河组火山岩属于滞后型弧火山。

6 结论

白杨河火山机构的岩石组合中－基性熔岩及其碎屑岩组合，即玄武岩－安山岩－晶屑岩屑凝灰岩－火山角砾岩－火山集块岩组合，火山碎屑岩以火山角砾岩为主，颜色以灰黑色为主，火山岩显示典型的火山喷发旋回特征，具有陆相特征，整体角度不整合覆盖在佳木河组之上。根据锆石U－Pb年龄和化石相对年龄确定其属于下二叠统。

白杨河火山机构的火山岩为钙碱性中低钾玄武岩系列，具有高Al2O3、低Ti O2的特征，富集LREE，大离子亲石元素（LILE）Ba、K、Sr相对富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf相对亏损，显示较明显“TNT”负异常。结合地球化学特征及构造图解进行判别，认为其总体上既显示板内的构造环境，又携带俯冲带地球化学信息，符合“滞后型弧火山”的特征，指示了研究区在二叠纪以前，具有强烈的板块俯冲作用，而进入二叠纪后板块拼合而具有板内环境。

参考文献

［1］ Geng H，Sun M，Yuan C，et al．Geochemical，Sr－Nd and zircon U－Pb－Hf isotopic studies of Late Carboniferous mag－matism in the West Junggar，Xinjiang：Implications for ridge subduction？Chemical Geology，2009，266（3－4）：364－389．

［2］ Tang G，Wang Q，Wyman D A，et al．Geochronology and geochemistry of Late Paleozoic magmatic rocks in the La－masu－Dabate area，northwestern Tianshan（west China）：Evidence for a tectonic transition from arc to post－colli－sional setting．Lithos，2010，119（3－4）：393－411．

［3］ 廖忠礼，莫宣学，喻学惠，等．从21届地质大会看火成岩石学的研究动向［J］．岩石矿物学杂志，2001，20（3）：360－366．

［4］ 李伍平，路凤香．钙碱性火山岩构造背景的研究进展［J］．地质科技情报，1999，18（2）：15－18．