东天山阿齐山地区石炭纪火山岩及构造演化

李兆，陈岳龙，包创，田江涛，杨屹

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085；3.新疆地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000)

东天山觉罗塔格成矿带是新疆最重要的铜、镍、金、铁、钼成矿带[1]。20世纪80年代，特别是1999年以来，国家三○五项目办和中国地质调查局组织实施的一系列地质找矿与科研攻关工作，极大地提升了该成矿带研究程度和成矿特征认识[2-16]。2013年，阿齐山地区1∶5万化探成果显示，该带西段阿齐山及其以东一带，Zn，Pb，Ag，Cu及As，Sb，Bi，Mo，Co普遍富集，异常查证发现的阿齐山铅锌矿，经后续评价已达一定规模。前人对阿齐山组、雅满苏组做了一些研究工作[17-26]。此次通过对阿齐山铅锌矿区及外围石炭纪火山岩岩石学、岩石化学特征研究结合同位素成果，对阿齐山地区的构造演化模式进行论述，并对其与成矿之间的关系进行探讨。

1 区域地质背景

东天山造山带的主要构造单元由4条近EW向的大型断裂带分割开来，自北向南依次为大草滩断裂带、康古尔塔格断裂带、雅满苏-苦水断裂带和阿其克库都克断裂带(图1)。阿齐山-雅满苏火山岩带即位于雅满苏断裂和阿其克库都克大断裂之间。阿齐山地区主要位于阿齐山-雅满苏火山岩带西缘，石炭纪火山岩从早至晚可分为3个喷发旋回：阿齐山喷发旋回(阿齐山组)、雅满苏喷发旋回(雅满苏组)和土古吐布拉克喷发旋回(土古吐布拉克组)。阿齐山组主要分布于阿奇山铅锌矿北部，大面积出露，与南部雅满苏组为整合接触关系，出露岩性为灰绿色安山质凝灰岩、英安岩、英安质凝灰岩、凝灰质砂岩和少量安山岩。火山喷发韵律特征清楚，由下至上分为6个韵律组合，喷发韵律型式为火山碎屑岩-熔岩和火山碎屑岩-熔岩-火山碎屑沉积岩。

雅满苏组主要分布于阿齐山铅锌矿区内，呈NE向带状分布，与上覆土古吐布拉克组整合接触，下与阿齐山组整合接触。该组为一套浅海相火山-沉积岩系，岩性为酸性火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩、碳酸盐岩为特征的中酸性火山-沉积岩系。按岩性组合分为4个岩性段，正常火山碎屑由下至上减少。土古吐布拉克组位于阿齐山铅锌矿南部，主要为安山质凝灰岩、玄武岩和安山岩等，与下石炭统雅满苏组呈整合接触。区内侵入岩主要为早石炭世花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等。此外，有二叠纪花岗岩、三叠纪辉长岩、闪长岩等出露。

图1 东天山地区大地构造简图Fig.1 Tectonic sketch map of Eastern Tianshan area

2 岩石学特征

研究区主要出露早石炭世阿齐山组、雅满苏组生物碎屑灰岩和火山岩、火山凝灰岩、粉砂岩、底砾岩及晚石炭世土古吐布拉克组火山岩、火山碎屑岩等，此外，可见早石炭世侵位的一系列花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等出露。火成岩类型从基性岩到酸性均有分布，从酸性-基性岩岩石学特征如下。

2.1 流纹质-英安质岩石

流纹质岩石主要为流纹质晶屑凝灰岩，其中晶屑凝灰岩主要产出于阿齐山铅锌矿顶板，下石炭统雅满苏组第四岩性段中上部，呈EW向展布。晶屑凝灰岩风化面呈褐黄色，新鲜面灰白色，凝灰结构，块状构造。晶屑矿物(40%)为石英和长石(图2-A)，基质(58%)成分为长英质矿物组成。晶屑粒径0.5～3 mm不等，石英大小不一，呈棱角状，石英表面多裂纹；更长石大小不等，呈棱角状，更长石表面有次生绢云母，在晶屑凝灰岩中可见黄铁矿(2%)。

英安质岩石以英安岩和英安质凝灰岩为主。英安岩风化面为褐黄色，新鲜面为灰白色，中细粒斑状结构，块状构造。斑晶矿物主要为长石和石英(图2-B)，基质为长英质成分。其中，斑晶含量约20%(长石15%，石英5%)，基质含量约80%。长石呈自形-半自形板柱状，石英呈他形粒状。英安质凝灰岩呈灰色，凝灰结构，块状构造(图2-C)；晶屑有石英和更长石，石英大小不等，呈棱角状，表面多裂纹；晶屑还有更长石，大小不等，呈棱角状，表面有次生绢云母；岩石中还含岩屑，主要由英安岩质岩屑组成；填隙物有火山灰，火山灰蚀变为绿泥石和细小的长英矿物；火山灰中含次生方解石、次生绿帘石、半自形粒状黄铁矿(图2-D)，沿黄铁矿边缘和裂隙被褐铁矿交代。晶屑石英15%，粒径0.1～1 mm，更长石25%，岩屑30%，粒径0.5～1.5 mm，火山灰18%，方解石2%，绿帘石5%。

在流纹质、英安质凝灰岩下部层位中发育一套强蚀变凝灰岩，为阿齐山铅锌矿区重要的赋矿岩性，产出于下石炭统雅满苏组中下部。主要有矽卡岩化蚀变凝灰岩和绿帘石透辉石化凝灰岩。

图2 阿齐山地区典型火山岩特征Fig.2 Characteristics of volcanic rocks in Aqishan area

矽卡岩化蚀变凝灰岩具残余凝灰结构，块状构造。岩石原始结构已不清晰，从矿物分布状态看，推断原岩应为凝灰岩，岩石中斜长石已呈微粒集合体状分布，并不保留外形，微量斜长石集合体保留半自形板状斜长石外形，并具强高岭土化，在斜长石微粒集合体之间分布他形粒状绿帘石及绿帘石集合体。石榴石呈等轴粒状，相对呈条带状分布于绿帘石、斜长石之间。闪锌矿大部分呈不规则裂隙脉状分布，少量呈斑点状分布。金属矿物种属较多，但含量很少，主要为闪锌矿，呈微晶粒状，闪锌矿多呈不规则斑点状分布，局部呈不规则裂隙脉状分布。方铅矿、黄铁矿呈他形微晶粒状，分布于个别透明矿物细脉中，多分布于脉壁上。黄铜矿结晶颗粒很微细，呈尘点状分布于闪锌矿中。石墨呈鳞片状，局部分布于透明矿物之间。

强蚀变凝灰岩具残余含角砾凝灰结构，块状构造。岩石原结构已模糊，只能根据矿物分布特征与结构的不同及残留的少量长石晶屑，推断原岩为凝灰岩。碎屑主要由岩屑组成，在岩屑中仅有少部分大于2 mm的角砾碎屑，碎屑外形已不清晰，具黝帘石化。透辉石呈不规则团块状、裂隙状分布，石英也呈裂隙脉状分布，绿帘石呈短小团块状局部分布于黝帘石中。光片中不透明金属矿物主要为黄铁矿，分布微量闪锌矿、黄铜矿。黄铁矿多呈他形粒状，以微晶为主，粒径较粗的多呈自形五八面体。闪锌矿呈不规则粒状，在闪锌矿中分布极微量的微晶状黄铜矿，金属矿物不均匀分布于碎屑中，微量黄铁矿结晶较粗地分布于胶结物中。

2.2 安山岩类

安山岩类是研究区最主要的火山岩，主要为安山玢岩和安山岩、安山质凝灰岩和熔结凝灰岩，以及锥状岩墙安山玢岩。

安山玢岩主要产出于下石炭统雅满苏组第二岩性段中，分布于阿齐山铅锌矿西北缘，风化面呈灰黑色，新鲜面灰绿色，中细粒斑状结构，块状构造，主要斑晶矿物为斜长石和辉石，少见角闪石，基质成分以斜长石为主，含少量辉石和磁铁矿颗粒。斜长石自形程度高，辉石呈自形、半自形短柱状、粒状，可见辉石式解理；同时，辉石熔蚀结构明显，表明其形成早于安山玢岩熔浆。此外，在安山玢岩中磁铁矿含量较高，可能与区域磁铁矿形成有一定联系。脉状安山玢岩中磁铁矿含量较高。斜长石呈细粒自形针柱状，磁铁矿呈他形粒状填隙。说明该火山机构岩浆房在早期阶段将残留辉石捕获并喷发，晚期脉状安山玢岩捕获的辉石较少(图2-E)。

安山岩主要分为两种：紫红色安山岩和灰绿色安山岩。紫红色安山岩结晶程度差，主要产出于阿齐山铅锌矿区南部上石炭统土古吐布拉克组火山岩-沉积岩中；灰绿色安山岩主要产出于下石炭统雅满苏组第二、四岩性段中，主要呈中粒斑状结构，块状构造。斑晶矿物以斜长石、辉石为主，角闪石含量极低，基质成分以长英质为主，含大量磁铁矿颗粒。安山岩成分和安山玢岩成分几乎一致，但粒度较安山玢岩细小，与二者产出于同一层位相吻合。

安山质凝灰岩在区内分布较广泛，以安山质角砾凝灰岩、脱玻化安山质凝灰岩、熔结凝灰岩为主。安山质角砾凝灰岩中角砾为紫红色安山岩和灰绿色安山岩，粒径变化较大，从2 mm到10 cm不等，含量约15%，具一定磨圆，而安山质角砾凝灰岩新鲜面为灰绿色，斑状、似斑状结构，凝灰质结构，角砾状构造，斑晶矿物以长石为主，基质成分为长石和少量磁铁矿颗粒。脱玻化安山质凝灰岩中长石颗粒晶型完好，为斑晶矿物，而基质成分为长英质，均发生脱玻化，呈球粒状，部分球粒中长石矿物颗粒明显。安山质熔结凝灰岩主要呈红褐色，斑状结构，凝灰质结构，假流纹构造。斑晶矿物为斜长石，钾化明显，具定向排列。基质成分粒度细小，为隐晶质，但具较好的定向排列，说明该熔结凝灰岩成岩过程中受热烘烤发生了部分熔融和流动，主要产出于阿齐山铅锌北侧。

2.3 玄武质岩石

玄武岩主要分为2类：紫红色、灰黑色气孔状、杏仁状玄武岩和灰绿色杏仁状玄武岩。紫红色、灰黑色杏仁状玄武岩主要分布于下石炭统雅满苏组第二岩性段中，其杏仁成分为方解石和石英，杏仁含量较高，具一定的定向性，杏仁长轴方向为NS向，且上升方向朝南。而灰绿色玄武岩主要分布于阿齐山铅锌矿南侧雅满苏组第四岩性段中，其杏仁成分为绿泥石，且杏仁形态各异，具一定的定向性。杏仁状玄武岩主要呈间隐-间粒结构，杏仁状构造。斑晶矿物为斜长石和辉石，基质成分以斜长石为主(图 2-F)。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素

主量元素分析在澳实分析检测(广州)有限公司进行，分析方法为ME-XRF26d，分析结果见表1。研究区火山岩SiO2含量变化范围大(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为1.7～57.82。总体上看，该区火山岩均属于钠质火山岩，随SiO2含量增高，Na2O+K2O 含量升高，Al2O3、MgO、TFeO、CaO含量降低，符合一般火成岩成分特征。

在TAS图解中(图3)，岩石类型从玄武岩、玄武安山岩、粗面玄武岩、安山岩、英安岩、玄武质粗面安山岩、粗面安山岩、粗面岩、粗面安山岩到流纹岩均有分布，且岩石类型碱性、亚碱性都有，以亚碱性为主。阿齐山地区火山岩SiO2-K2O图解中(图4)，火山岩从低钾拉斑系列到钾玄系列均有分布，说明该区火山岩成因较复杂。

阿齐山地区火山岩构造类型图显示(图5)，多数岩石位于B区，少量位于C区，说明该区火山岩主要以造山带火山岩为主，部分玄武岩或玄武安山岩位于非造山带火山岩与造山带火山岩的混合区域。所有安山岩几乎落在演化的大洋弧内(图6)，还有一个安山岩样位于原始大洋弧范围内，而位于演化的大洋弧内的安山岩也可分为2类，一为靠近原始大洋弧，一为靠近大陆边缘弧，说明该区域安山质岩石的形成可能与洋壳的部分熔融有关，但也包含大陆地壳的混染。将玄武岩分类投图后，研究区玄武岩以钙碱性玄武岩为主，一个玄武岩样品位于岛弧拉斑玄武岩区域，说明该区玄武岩具一定的岛弧火山岩特征(图7)。

表1 阿齐山地区火山岩主量和微量元素分析成果Table 1 Analysis results of major element and trace element in Aqishan area

图3 阿齐山地区火山岩TAS图解Fig.3 TAS diagram of volcanic rock in Aqishan area

图4 阿齐山地区火山岩SiO2-K2O图解Fig.4 SiO2-K2O diagram of volcanic rock in Aqishan area

3.2 微量元素

微量元素分析在贵州省拓谱资源环境分析检测中心完成，分析方法为等离子质谱分析，分析误差小于5%，结果见表1。

玄武岩微量元素原始地幔标准化后(图8左)，具Th，Nb，Ho等元素的亏损，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学性质，该玄武岩中二者具明显不同的分布，可能说明该玄武岩岩浆形成源区并不单一。稀土元素球粒陨石标准化后(图8右)，整体呈微弱的右倾，总稀土含量较低，无明显Eu异常。

图5 阿齐山地区火山岩构造类型图解Fig.5 Structural type of volcanic rock in Aqishan area

图6 阿齐山地区安山岩构造环境判别图Fig.6 Structural environmental discrimination of andesite in Aqishan area

图7 阿齐山地区玄武岩分类图Fig.7 Classification map of Basalt in Aqishan area

安山质岩石包括安山玢岩、安山岩和安山质凝灰岩。整体微量元素分布型式与玄武岩相似，但安山质岩石中部分岩石富集Th，亏损Sr，与玄武岩相反，说明安山质岩石的形成较复杂，可能有不同源区物质加入，但总体特征与大陆地壳物质的地球化学性质相似。稀土元素分布型式图中，整体右倾明显，稀土含量较高，安山岩和安山质凝灰岩负Eu异常明显，而安山玢岩无明显Eu异常(图9)。

流纹质岩石微量元素蛛图中，流纹质岩石表现出富集Th，U，K等元素，亏损Nb，Ta，P，Ti和Ho等元素，整体特征与大陆上地壳较吻合，而Pb在部分样品中富集，部分样品中亏损，可能说明该套火山岩形成具不同性质的物质来源(图10)。

图8 玄武岩微量元素蜘蛛图和REE分布型式图Fig.8 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of Basalt

图9 安山质岩石微量元素蜘蛛图和REE分布型式图Fig.9 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of andesite

图10 流纹质岩石微量元素蜘蛛图和REE分布型式图Fig.10 Trace element spider diagram and REE distribution pattern of rhyolite

4 锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素特征

4.1 锆石U-Pb年代学

对阿齐山地区安山岩、安山玢岩、安山质凝灰岩、酸性熔结凝灰岩、英安岩、英安斑岩等火成岩样品进行锆石U-Pb年龄测定，在中国地质科学院矿产资源研究所完成，使用仪器为Finnigan Neptune型LA-ICP-MS及与之配套的New wave UP 213激光剥蚀系统。主要火山岩形成于早石炭世，少量火山岩形成于晚石炭世。英安岩锆石产出谐和U-Pb年龄为(332.8±0.94)Ma；安山岩产出的谐和年龄为(333.9±1.1)Ma；英安质凝灰岩中含大量浸染状黄铁矿，可能与阿齐山铅锌矿成矿有密切联系，对其进行锆石U-Pb定年，锆石U-Pb数据位于谐和线上及附近，具较好的谐和性，谐和年龄为(331.6±1)Ma。土古吐布拉克组英安岩锆石U-Pb年龄为(315.9±4.7)Ma。

4.2 Lu-Hf同位素特征

本次锆石Lu-Hf同位素分析测试在中国地质科学院地质研究所大陆动力学国家重点实验室完成，锆石Lu-Hf同位素分析点选择主要基于U-Pb年龄分析，按一定比例选择具一定地质意义的点位进行原位Lu-Hf同位素分析。

在安山岩、安山玢岩和辉长岩中的早石炭世锆石具有和酸性岩石相似的εHf(t)值，可能指示其具相同源区。而酸性岩石的Hf同位素特征可能指示其主要来自于俯冲洋壳板片的部分熔融，同时交代了部分岛弧地区的楔形地幔，形成与其U-Pb年龄相似的二阶段Hf模式年龄。安山质岩石Hf同位素特征可能说明其与酸性岩石具不同的岩浆起源，可能是晚期拉张环境下软流圈物质上涌，烘烤下地壳-古老岩石圈地幔发生部分熔融，形成安山质岩浆，并向上侵位、喷发。侵位过程中，安山质岩浆通道经过333 Ma形成的酸性岩石(333 Ma的花岗岩包体和333 Ma的锆石循环晶)，并对该类岩石进行持续烘烤，到安山质火山岩喷发结束，火山口被安山玢岩堵住后，更多热量被束缚在岩浆房内，温度迅速上升，导致围岩(333 Ma的基底岩石)大面积部分熔融，形成一系列酸性岩墙对安山玢岩侵位。

5 构造演化模式初探

阿齐山组火山岩为一套钙碱性系列中-中酸性火山岩，以海相喷发为主，火山碎屑岩亚相很发育，熔岩亚相次之，韵律旋回发育，其中火山碎屑沉积相具很好的韵律层，上段夹少量碳酸盐岩及含碳酸盐火山碎屑沉积岩，发育少量浅海相动物化石，沉积环境为浅海陆棚-潮坪相。火山岩岩石地球化学研究表明，岩浆形成于成熟造山带岛弧环境，成因与洋壳俯冲和上覆楔形地幔熔融有关。

雅满苏组样品均落在造山带火山岩区，稀土元素、微量元素分布曲线与阿齐山组火山岩分布曲线具相似性，说明岩浆具同源性，具岛弧钙碱性火山岩特征。岩石地球化学表明：雅满苏组火山岩是以喷发相为主要喷发型式，以偏碱性中酸性-酸性火山碎屑岩为主要岩石类型，岩石组合为偏碱性英安岩-流纹岩，火山岩中夹大量含碳酸盐碎屑沉积，及火山碎屑沉积岩(碎屑主要为火山碎屑)，含大量浅海相动物化石，其形成环境应为浅海陆棚-潮坪相。岩浆构造环境应为成熟岛弧环境。

土古吐布拉克组火山岩主体为一套拉斑-钙碱性系列火山岩，其与阿齐山组、雅满苏组火山岩具极其相似的岩石特征和稀土、微量元素组成，具岛弧钙碱性火山岩特征。

阿奇山-雅满苏火山岩带内石炭纪时期的岩浆岩是活动大陆边缘环境的产物。一般来说，该环境总体为挤压状态，但常伴有局部拉张或应力短期释放。前人研究成果表明，在俯冲挤压环境下，强烈的壳幔相互作用与热循环可形成大量岩浆，局部的伸展为岩浆上升与侵位提供了动力和空间，俯冲环境中洋壳物质及幔源物质的加入，为铁的矿化提供了重要的物质基础。阿齐山组中-基性火山岩原生岩浆来源于俯冲物质、软流圈地幔和岩石圈地幔物质，微量元素和稳定同位素资料显示，矿床中的Fe，Cu和S等成矿物质主要来源于岩浆体系，表明铁矿作用与早石炭世早期阶段的火山-侵入岩与成矿有密切联系。演化至早石炭世晚期，进入第二次火山喷发旋回，火山岩组合以中酸性火山岩为主，形成了雅满苏组一套火山碎屑岩-陆源碎屑岩夹碳酸盐建造，并在火山喷发间歇期喷流-沉积形成了阿齐山铅锌矿。至晚石炭世，随着第三次火山喷发活动，对早期铁矿和铅锌矿层位进行了顺层交代作用，发育了较强烈的矽卡岩化。

总之，活动大陆边缘环境及其伴随的构造岩浆事件，为阿齐山地区赋存于早石炭世早期中-基性火山岩中的铁矿床和早石炭世晚期中-酸性火山岩中铅锌矿床的形成创造了极重要的动力条件，也为矿床形成提供重要的成矿物质。

6 结论

(1)阿齐山地区石炭纪时期的岩浆岩是活动大陆边缘环境的产物，在俯冲碰撞挤压环境下，强烈的壳幔相互作用与热循环可形成大量岩浆，局部伸展为岩浆上升与侵位提供了动力和空间。

(2)活动大陆边缘环境及其伴随的构造岩浆事件，为阿齐山地区赋存于早石炭世早期中-基性火山岩中铁矿床和早石炭世晚期中-酸性火山岩中铅锌矿床的形成创造了极重要的动力条件，也为矿床形成提供重要的成矿物质。

(3)对阿齐山地区安山岩、安山玢岩、安山质凝灰岩、酸性熔结凝灰岩、英安岩、英安斑岩等火成岩进行研究发现，主要火山岩形成于早石炭世，少量火山岩形成于晚石炭世。形成年龄从早到晚呈基性程度逐渐降低的趋势。英安岩锆石U-Pb谐和年龄为(332.8±0.94)Ma；安山岩产出谐和年龄为(333.9±1.1)Ma。

(4)阿齐山地区早石炭纪时期经历了3次火山喷发旋回，具中-基性→中酸性→中基性的火山演化趋势。第一火山喷发旋回与铁矿化作用关系密切，铅锌矿化主要发育于第二火山喷发间歇期，第三期火山喷发使早期矿化层发育强烈的蚀变作用。