新疆巴音沟蛇绿混杂岩带中不同类型火山岩地球化学特征及构造环境

司国辉+苏会平+李玮娜+李得成+张超

摘要：中天山北缘断裂带北侧的北天山晚古生代蛇绿混杂岩带呈NWW—SEE向展布，新疆巴音沟蛇绿混杂岩是该带的重要组成部分和典型代表。在前人研究基础上，对巴音沟蛇绿混杂岩带的物质组成进行详细的野外地质填图和剖面测制，发现至少存在3种玄武质岩石：与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石、与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石及分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石。地球化学特征显示它们分别对应MORB型、OIB型和CRB型等3种不同性质的玄武岩，表明巴音沟蛇绿混杂岩带物质组成、形成演化的复杂性。通过对巴音沟蛇绿混杂岩带两侧地质体的对比研究，认为巴音沟洋关闭于早石炭世末。

关键词：地球化学；蛇绿岩；玄武岩；晚古生代；构造环境；北天山；新疆

中图分类号：P588.1文献标志码：A

0引言

新疆西天山内部发育多条显著的蛇绿混杂岩带，包括北天山晚古生代蛇绿混杂岩带、中天山北缘早古生代蛇绿混杂岩带、中天山南缘早古生代晚期—晚古生代早期蛇绿混杂岩带和南天山晚古生代蛇绿混杂岩带[12]。巴音沟蛇绿混杂岩属于北天山晚古生代蛇绿混杂岩带的一部分，从艾比湖经巴音沟向东延伸到后峡一带，是准噶尔板块与塔里木板块间的最终缝合带。巴音沟蛇绿混杂岩呈推覆岩片逆冲于下石炭统阿克沙克组之上，其上又被上石炭统奇尔古斯套组角度不整合覆盖。巴音沟蛇绿混杂岩中玄武岩为NMORB型，但根据SrNd同位素特征，这些洋中脊玄武岩受到了洋岛玄武岩（OIB）的影响[3]。对斜长花岗岩及辉长岩进行SHRIMP UPb测年，获得其年龄分别为（325±7）、（344±3）Ma[4]；但在硅质岩中获得放射虫及牙形刺微体化石，由此认为其形成于晚泥盆世—早石炭世[56]；同样，前人对巴音沟蛇绿混杂岩形成环境提出了边缘海盆环境[7]、弧后盆地环境[6]、弧前盆地环境[8]及准噶尔早古生代洋盆（古亚洲洋盆的组成部分）向南俯冲诱发岩石圈拉伸而形成小洋盆环境[5]等观点。由此可见，前人对巴音沟蛇绿混杂岩的研究主要集中在年代学及形成环境方面，对混杂岩带内部的各个岩块组成和性质研究较少。

2010～2012年，西安地质矿产勘查开发院组织完成了中国地质调查局1∶50 000哈夏特等4幅区域地质调查，其中包括对巴音沟蛇绿混杂岩带的研究[9]。通过对蛇绿混杂岩带出露的典型地区进行1∶10 000地质填图和剖面测量，深入研究其空间展布特征、物质组成、构造变形特征和形成时代，丰富对巴音沟蛇绿混杂岩带的认识，以期更加全面地反映北天山晚古生代构造演化的基本过程。

1研究区地质概况

巴音沟蛇绿混杂岩位于中天山北缘断裂北侧，是北天山晚古生代构造岩浆作用的重要组成部分（图1）。巴音沟地区SW—NE向存在3个主要地质单元，依次为下石炭统沙大王组、巴音沟蛇绿混杂岩和上石炭统奇尔古斯套组（图2）。巴音沟蛇绿混杂岩呈推覆岩片逆冲于沙大王组之上，与上石炭统奇尔古斯套组为断层接触关系。

图件引自文献[10]

巴音沟蛇绿混杂岩带由蚀变超基性岩、含斜长花岗岩脉的辉长岩、闪长岩、辉绿岩墙、枕状玄武岩、块状熔岩（玄武岩和安山岩）、基性凝灰岩和硅质岩等组成。辉绿岩墙清楚地根植于辉长岩中，对上覆玄武岩起着补给通道的作用。在巴音沟地区，虽然蛇绿岩组合出露比较完整，但原始的蛇绿岩组合已被后期构造变动破坏。蚀变超基性岩主要由蛇纹岩化方辉橄榄岩和纯橄岩组成。巴音沟蛇绿混杂岩带由混杂基质和构造岩块组成，基质为强烈剪切变形的超基性岩及碎屑岩，而构造岩块较为复杂，主要为蛇纹岩、蚀变辉长岩、凝灰岩、深海放射虫硅质岩。另外，部分玄武岩与灰岩紧密伴生，而有的玄武岩却与紫红色硅质岩紧密伴生。

2玄武质岩石分类

在对巴音沟蛇绿混杂岩带的物质组成进行详细调查的基础上，对其中的玄武质岩石进行系统分析。结合野外产状、岩石组合特征及地球化学特征，可将混杂岩带中玄武质岩石初步分为3类：与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石、与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石和分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石。

图3玄武岩与蛇纹岩的接触关系

Fig.3Contact Relationship Between Basalt and Serpentinite

2.1与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石

与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石多为浅灰绿色，在野外与变辉长岩、变辉长辉绿岩、变质橄榄岩及蛇纹岩紧密共生，它们之间均为构造接触（图3），是蛇绿混杂岩带中玄武质岩石的主体。基性熔岩通常具有聚斑结构、玻基交织结构、斑状结构或微晶结构，主要由斜长石、单斜辉石、磁铁矿、钛铁矿和少量锆石组成，发育低级变质作用形成钠长石、绿帘石、绿泥石、方解石、榍石和阳起石等矿物，它们常出现在基质中。辉长岩主要由粗粒斜长岩和单斜辉石组成，斜长石通常被辉石包裹构成嵌晶结构，岩石中含有少量钛铁矿、磁铁矿、榍石及锆石。

2.2与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石

与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石主要分布在蛇绿混杂岩带的中部大梁附近，所占比例不多但特征比较明显，多与中酸性火山碎屑岩岩块、碎屑岩分布在一起，它们之间均为断层接触关系，呈现网状镶嵌结构，变形基质多为火山碎屑岩、碎屑岩。该玄武质岩石主要有两种玄武岩：一种为紫红色块状玄武岩，呈紫红色块状构造，偶见小枕状构造；另一种为深灰色枕状玄武岩，岩石呈深灰色枕状构造，枕状构造十分发育，大多呈椭球状，直径一般为30～50 cm，也可见直径约1 m的球枕（图4），球枕之间有3～5 cm的冷凝边。枕状玄武岩具斑状结构，斑晶主要为斜长石和少量单斜辉石，基质为间隐结构（玻璃质已脱玻化），斜长石微晶发育海相火山岩特有的水下“淬火”结构。

图4枕状玄武岩分布

Fig.4Distribution of the Pillow Basalts

2.3分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石

分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石主要分布在混杂构造带边部及蛇绿混杂岩带两侧的地层中，均为断层接触关系，变形基质为中酸性火山碎屑岩和碎屑岩。该玄武质岩石主要为灰绿色枕状玄武岩，岩石多具杏仁状、枕状、球粒状构造，玄武岩枕体大小悬殊，呈不规则状鱼目混杂。其直径一般都小于20 cm，以5～10 cm的居多（图5）。枕状玄武岩特征与第2.2节枕状玄武岩类似，具斑状结构，斑晶主要为斜长石和少量单斜辉石，基质为间隐结构。

图5被构造破坏的枕状玄武岩分布

Fig.5Distribution of the Pillow Basalts Destroyed by Tectonics

3地球化学特征

对玄武质岩石分别进行样品采集及地球化学测试分析，分析结果见表1。根据地球化学参数可以看出：样品10DYQ821、D0933YQ1、D1908YQ2、11D1YQ471、11D1YQ541为洋中脊玄武岩（MORB）型；样品D0904YQ1、D0931YQ1、D0207YQ1为洋岛玄武岩（OIB）型；样品10DYQ751、10SYQ221、10UYQ91、D0903YQ1为大陆裂谷玄武岩（CRB）型。这3类样品与野外岩石组合特征相一致。

3.1MORB型岩石

MORB型岩石SiO2含量（质量分数，下同）为49.17%～52.5%，Al2O3为13.58%～15.03%， MgO为5.37%～6.16%，Mg#值为36～43；TiO2含量为0.60%～2.01%，明显高于岛弧拉斑玄武岩（TiO2含量为0.58%～0.85%），而与洋中脊玄武岩（TiO2含量为1%～1.5%）基本一致； Na2O含量为2.29%～5.08%，平均为3.83%，略高于碱性玄武岩的平均值（3.2%），K2O含量为0.23%～346%，绝大多数Na2O含量高于K2O，w（Na2O）+w（K2O）值为4.10%～5.75%。在抗蚀变元素0000 1Zr/TiO2Nb/Y图解（图6）中，样品全部落在亚碱性玄武岩安山岩区；利用FeOT+TiO2Al2O3MgO图解进一步判别，样品属于高钛拉斑玄武岩系列（图7）。

玄武岩稀土元素总含量较高，为（16.1～73.8）×10-6，无明显Eu异常（0.91～1.25）。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式（图8）中，轻稀土元素略亏损，重稀土元素曲线相对平坦，轻、重稀土元素分馏较不明显（w（La）N/w（Yb）N=0.67～1.57）。在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图9）中，大离子亲石元素Rb、Ba、Th相对富集，高场强元素Zr、Nb明显负异常。总体上，与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石曲线跟典型洋中脊玄武岩形态基本一致。

3.2OIB型岩石

OIB型岩石SiO2含量为4783%～5098%， Al2O3为1365%～1652%， MgO为336%～596%；Mg#值为28～43，低于原生岩浆（Mg#值为68～75）；TiO2含量为26%～367%，明显高于岛弧拉斑玄武岩（TiO2含量为058%～085%）及洋中脊玄武岩（TiO2含量为1%～15%），而与加拿大Flin Flon带的Long Bay的洋岛玄武岩（TiO2含

REE为稀土元素总含量；w（·）N为元素含量球粒陨石标准化后的值；δ（·）为元素异常；主量元素在新疆地质矿产勘查开发局中心实验室采用X射线荧光光谱（XRF）方法分析完成，分析的相对偏差小于5%；FeO含量用湿化学分析法单独测定完成；微量元素在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用ThermoX7电感耦合等离子体质谱仪进行样品测定；除元素Nb和Ta的分析相对偏差小于10%外，其余元素均小于5%。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；球粒陨石标准化数据引自文献[13]；岩石类型相同的多条曲线分别对应不同的样品编号

图8玄武质岩石球粒陨石标准化稀土元素配分模式

Fig.8Chondritenormalized REE Pattern for Basaltic Rocks

wp为原始地幔含量；原始地幔标准化数据引自文献[13]；岩石类型相同的多条曲线分别对应不同的样品编号

图9玄武质岩石原始地幔标准化微量元素蛛网图

Fig.9Primitive Mantlenormalized Trace Element Spider Diagram for Basaltic Rocks

量为1.35%～2.29%）[14]及中国克拉玛依OIB型枕状玄武岩（TiO2含量为129%～2.48%）相近[15]；Na2O含量为3.83%～4.82%，略高于碱性玄武岩的平均值（3.2%），K2O含量为0.8%～198%，Na2O含量高于K2O，w（Na2O）+w（K2O）值为4.63%～584%，与克拉玛依OIB型枕状玄武岩（w（Na2O）+w（K2O）值为433%～938%）[14]相近。在抗蚀变元素0.000 1Zr/TiO2Nb/Y图解中，样品全部落在碱性玄武岩区域（图6）。

玄武岩稀土元素总含量较高，为（132.9～160.9）×10-6，无明显Eu异常（0.96～1.03）。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式（图8）中，轻稀土元素强烈富集，重稀土元素相对亏损，曲线平坦，轻、重稀土元素分馏较为明显（w（La）N/w（Yb）N=351～828），配分模式与典型的洋岛玄武岩模式一致。在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图9）中，大离子亲石元素Rb、Ba、Th相对富集，高场强元素Ti、Hf、Ta明显富集。总体上，与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石曲线跟典型洋岛玄武岩形态基本一致。

3.3CRB型岩石

CRB型岩石SiO2含量为47.46%～51.33%， Al2O3为13.16%～14.9%， MgO为5.03%～583%；Mg#值为42～51，低于原生岩浆（Mg#值为68～75）；TiO2含量为2.07%～2.71%，明显高于岛弧拉斑玄武岩（TiO2含量为0.58%～0.85%）及洋中脊玄武岩（TiO2含量为1%～1.5%）；Na2O含量为249%～4.69%， K2O为1.17%～26%，Na2O含量高于K2O。在抗蚀变元素0000 1Zr/TiO2Nb/Y图解中，样品全部落在碱性玄武岩区域（图6）。

玄武岩稀土元素总含量较高，为（140～180.6）×10-6，无明显Eu异常（0.88～1.14）。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式（图8）中，轻稀土元素强烈富集，重稀土元素相对亏损，曲线平坦，轻、重稀土元素分馏较为明显（w（La）N/w（Yb）N=11.33～1509）。在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图9）中，大离子亲石元素Rb、Ba、Th相对富集，高场强元素Ti、Hf、Ta无明显异常。总体上，分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石曲线与大陆裂谷玄武岩形态基本一致。

4讨论

4.1形成时代

徐学义等对新疆巴音沟蛇绿混杂岩中的辉长岩、斜长花岗岩分别进行了锆石UPb同位素测年研究[4]，测年结果分别为（344±3.4）、（324.8±7.1）Ma。另外，在巴音沟蛇绿混杂岩套的硅质岩中发现有放射虫Ceratoikicum sp.，时代为早石炭世[16]，同时也存在晚泥盆世法门期的牙形石Palmatolepis sp.和Palygnathus sp.[56]。Han等对侵位于蛇绿混杂岩带中具有钉合岩体特征的四棵树花岗岩进行了年龄测定，获得其年龄为316 Ma[10]。司国辉等对四棵树花岗岩不同侵入体进行了激光剥蚀等粒子质谱锆石测年，获得的年龄分别为（311.5±4）、（311.1±3.8）、（314.7±4.3）、（324.7±4.3）Ma[17]；同时，对上覆于蛇绿混杂岩带的前峡组测年，获得该组下段凝灰质粉砂岩夹层内安山岩的锆石年龄为（318.5±4.6）Ma。上述数据表明，巴音沟蛇绿混杂岩中蛇绿岩组分的形成年龄至少应从344 Ma开始，但其代表的北天山洋不晚于324 Ma关闭，也就是说，巴音沟洋关闭于早石炭世末，因此，也可以间接推测其中洋岛玄武岩组分形成时代介于324～344 Ma，而大陆裂谷玄武岩组分的年代应该晚于324 Ma。

4.2构造环境

在新疆巴音沟蛇绿混杂岩中，明显发育3种不同地球化学特征的玄武质岩石，分别为MORB型、OIB型和CRB型。采用抗蚀变元素（如Zr、Y及Ti等）进行构造环境判别。在ZrZr/Y构造环境判别图解（图10）中，MORB型火山岩样品全部落在了大洋中脊区域，OIB型及CRB型玄武质岩石样品落在了板内环境。在FeOTMgOAl2O3构造环境判别图解（图11）中，进一步区分OIB型及CRB型样品，但两者也不能很好地区分。考虑到前者伴生有灰岩，后者发育有酸性岩，可以认为巴音沟蛇绿混杂岩中发育OIB型玄武岩的同时，还存在CRB型玄武质岩石，当然也不排除全部是OIB型玄武岩及后期卷入的可能[18]。

图件引自文献[19]

图10玄武质岩石Zr/YZr构造环境判别图解

Fig.10Tectonic Setting Discrimination Diagram of Zr/YZr for Basaltic Rocks

图件引自文献[20]

图11玄武质岩石FeOTMgOAl2O3构造环境判别图解

Fig.11Tectonic Setting Discrimination Diagram of

FeOTMgOAl2O3 for Basaltic Rocks

5结语

新疆巴音沟蛇绿混杂岩带中发育3种不同类型的玄武质岩石，记录了该地区复杂的构造岩浆事件。这3种玄武质岩石分别为与变质橄榄岩及辉长岩等伴生的玄武质岩石、与火山碎屑岩及酸性火山岩伴生的玄武质岩石和分布于蛇绿混杂岩边部的玄武质岩石。根据地球化学参数发现，上述3种玄武质岩石分别对应MORB型、OIB型和CRB型岩石。其中， MORB型火山岩为正常洋中脊产生的大洋地壳，而OIB型玄武岩为大洋板内发育的大洋高原或者岛屿，CRB型应该代表的是大陆裂谷阶段火山岩，但遗憾没有时代约束。不过，这恰恰与自早石炭世开始整个天山造山带又进入造山后裂谷拉伸阶段相吻合。通过对巴音沟蛇绿混杂岩带两侧地质体的对比研究，认为巴音沟洋关闭于早石炭世末。下一步需要对北天山构造演化进行进一步验证。

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