东准噶尔青河地区野马滩一带托让格库都克组高铝玄武岩的发现及其地质意义

李永军，陶晓杨，王祚鹏，徐 倩

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054；2.国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

高铝玄武岩(HAB)作为一种新的玄武质岩石类型首先被Tilley提出，指Al2O3含量(质量分数，下同)高于16%的含斜长石斑晶的亚碱性玄武岩，是继埃达克岩、富铌玄武岩之后又一重要的弧火山岩岩类[1-6]，主要产于板内、洋中脊和岛弧环境[7-9]。其成因主要有由俯冲洋壳高度部分熔融产生原生弧岩浆[10-11]和由俯冲板片之上的地幔楔橄榄岩低度部分熔融[2,4,6]两种观点。但是，越来越多的学者支持高铝玄武岩岩浆的成因与滞后的斜长石成核作用[4-5]或斜长石堆积[2]有关。 高铝玄武岩作为一种极为独特和少见的新岩石类型，对构造环境具有重要的指示意义，因此，受到国内外众多地球化学学者的广泛关注[4-7]。

中亚造山带(CAOB)是世界上增生与改造最显著的大陆造山带之一[12-15]，准噶尔位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大板块的交汇部位，是中亚造山带的重要组成部分[12-13,16]。准噶尔晚古生代地层中火山岩分布广，厚度大[17-20]。这些火山岩为准噶尔晚古生代大陆增生及区域构造演化提供了重要的约束信息[21-25]。近几年来，随着研究不断深入，准噶尔一些重要的地球化学岩类相继被发现和报道。例如，段丰浩等在西准噶尔庙尔沟地区发现了赞岐岩，佐证了西准噶尔南部在晚石炭世晚期—早二叠世仍处于俯冲消减环境[26]；张海祥等报道了新疆北部早泥盆世托让格库都克组与弧构造演化相关的埃达克岩、富铌玄武岩组合，为古亚洲洋向南俯冲提供了新证据[27-28]，但该区未见高铝玄武岩及其相关报道，那么区内有无高铝玄武岩这一重要的地球化学岩类呢？笔者在东准噶尔青河地区野马滩一带开展调查时，通过样品采集、岩相学、锆石U-Pb定年以及地球化学特征分析等，在早泥盆世托让格库都克组中发现了高铝玄武岩。该特殊岩的发现在东准噶尔实属首次，为本区特殊地球化学岩类做了重要补充，同时也为东准噶尔乃至中亚造山带早泥盆世构造演化研究提供重要支撑。

1 区域地质背景

东准噶尔位于中亚造山带西南缘，主要由一系列的古生代岩浆弧、增生杂岩带构成，构造上处于西伯利亚、哈萨克斯坦及塔里木三大板块的接触地带[12-13,29-30]。区内主要发育有额尔齐斯(F1)、阿尔曼太(F2)和卡拉麦里(F3)3条大型断裂，东准噶尔北部与阿尔泰地块相接，其南部以准噶尔盆地的北部边缘为界，是近年来研究中亚造山带的热点地区之一[31-34]。

图1 东准噶尔青河地区野马滩一带地质简图Fig.1 Schematic Geological Map of Yematan in Qinghe Area of East Junggar

研究区位于阿尔曼太断裂之南的晚古生代弧前盆地内，区域构造线以NW—SE向为主[35]。区内出露地层主要有下泥盆统托让格库都克组(D1t)、下石炭统黑山头组(C1h)、上石炭统巴塔玛依内山组(C2b)及下二叠统哈尔加乌组(P1h)等(图1)。哈尔加乌组岩性主要为灰—深灰色安山岩和玄武安山岩，偶见橄榄玄武岩，该组角度不整合于巴塔玛依内山组之上，与托让格库都克组为断层接触；巴塔玛依内山组主要为灰—深灰色安山岩、安山玄武岩、玄武岩、安山质集块角砾岩夹少量粉砂岩，与下伏托让格库都克组为断层接触关系；黑山头组出露岩性主要为灰绿色和紫灰色蚀变安山岩夹玄武岩、强蚀变安山质角砾凝灰岩、安山质火山角砾岩和安山质晶屑岩屑凝灰岩，与上覆巴塔玛依内山组为断层接触；托让格库都克组整体为一套滨浅海相陆源碎屑岩建造，可细划分为3个岩性段，本文研究的高铝玄武岩发现于托让格库都克组一段及二段(图2)。

图2 托让格库都克组地质剖面Fig.2 Geological Section Map of Tuoranggekuduke Formation

2 样品采集及岩相学特征

2.1 样品采集

本文7个高铝玄武岩样品均来自东准噶尔下泥盆统托让格库都克组中，采样位置见图2。采样时尽量避开蚀变带、接触带和破碎带等，以保证样品具有代表性。样品HAB-1和HAB-2采自剖面第33层，层厚81.4 m，样品HAB-3和HAB-4采自剖面第31层，层厚59.6 m，它们的上、下层位均为含角砾凝灰岩。样品HAB-1～HAB-4均来自托让格库都克组二段，岩石组合为凝灰岩、火山角砾岩和玄武岩，其中火山碎屑岩和基性火山熔岩厚度比约为4∶1，未见陆相碎屑岩，为一个喷发期次，本期次共3个爆发-喷溢旋回。样品HAB-5～HAB-7采自剖面第19层，层厚196.5 m，上、下层位均为含砾砂岩。样品HAB-5～HAB-7来自托让格库都克组一段，岩石组合为一套陆相细碎屑岩-凝灰岩组合(体积分数为90%)，夹少量基性火山熔岩。

Pl为斜长石图3 高铝玄武岩的野外和显微照片Fig.3 Field and Microscopical Photographs of High-alumina Basalts

2.2 岩相学特征

根据实测剖面(图2)野外采样观察和室内薄片鉴定，样品岩石类型为玄武岩(图3)。岩石颜色多为灰绿色，部分岩石偶见近圆形气孔和方解石杏仁体，岩石结构多为斑状结构，富含大量斜长石斑晶，偶见短柱状辉石，基质为长石半定向排列的交织结构。

灰绿色杏仁玄武岩的风化面为红褐色，新鲜面为灰绿色，具斑状结构、块状构造。镜下可见岩石具有斑状结构和杏仁构造。岩石由斑晶和基质组成。斑晶(体积分数为20%)由拉长石组成，拉长石呈半自形板状，粒度为0.4×0.2～3.4×1.7 mm，聚片双晶模糊，发育强度隐晶帘石化和少量葡萄石化。基质(体积分数为80%)具间粒结构，斜长石之间分布辉石。斜长石主要为拉长石(体积分数为65%)，呈半自形板条状，粒度为0.05～0.20 mm，具轻微绿泥石化，杂乱分布；辉石(体积分数为15%)呈粒状，粒度为0.03～0.20 mm，呈淡绿色，可见绿泥石化；磁铁矿(微量)呈粒状，粒度为0.03～0.10 mm；磷灰石(微量)呈粒状，粒度为0.1～0.3 mm；杏仁石(体积分数为10%)呈椭圆状，粒度为0.3～1.2 mm，内充填石英、绿泥石。

3 分析方法及结果分析

3.1 锆石U-Pb定年

所选样品使用重液浮选和电磁分离的方法挑选出晶形和透明度较好的锆石制成环氧树脂样品靶，磨蚀和抛光样品靶，使锆石近中心部位出露。用光学显微镜对其进行透射光、反射光照相，在阴极发光(CL)扫描电镜下进行阴极发光显微照相，然后进行LA-ICP-MS定年分析。

锆石U-Pb同位素分析是在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成，实验采用NIST610、91500外标和GJ内标控制的方法，每隔6个数据点用GJ内标校正。使用Glitter软件计算N(207Pb)/N(206Pb)、n(206Pb)/n(238U)、n(207Pb)/n(235U)和n(208Pb)/n(232Th)值；使用Harvard锆石GJ-1作为外部标准，对仪器质量偏差、深度依赖性元素和同位素分馏进行校正；使用Isoplot 3.00和Excel软件进行谐和曲线绘制和加权平均年龄计算；按照Andersen提出的方法[36]对普通Pb成分进行校正；参考材料(NIST610)并结合Si作为内部标准对锆石的微量元素组成进行校正；NIST参考玻璃的元素含量首选值来自GeoReM数据库。

锆石U-Pb同位素分析结果见表1。来自托让格库都克组的高铝玄武岩锆石样品呈透明、半透明短柱状，长75～150 μm，宽48～85 μm，长宽比为2∶1～3∶1。在锆石阴极发光图像中，其具有典型的岩浆岩振荡环带结构[图4(a)]。所有锆石样品具有高Th、U含量，且Th、U含量成显著正相关关系，属于岩浆成因锆石[37]。14粒锆石颗粒分析所得的数据点集中分布在谐和曲线附近[图4(a)]，明显可见存在两个时代。较年轻的锆石U-Pb加权平均年龄为(403±12)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为0.35，置信度为95%)[图4(b)]，代表火山岩的喷发年龄；较老的两个锆石颗粒为继承锆石，锆石U-Pb年龄分别为(847±9)Ma和(850±9)Ma，这可能是捕获的新元古代结晶基底年龄。

表1 锆石U-Pb同位素分析结果Tab.1 Analysis Results of Zircon U-Pb Isotope

图4 典型锆石阴极发光图像、锆石U-Pb年龄谐和曲线及年龄分布Fig.4 CL Images, Concordia Diagram and Distribution of Typical Zircon U-Pb Ages

3.2 主量和微量元素地球化学特征

主量和微量元素分析在长安大学成矿作用及其动力学实验室使用X射线荧光(XRF)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行。主要元素的氧化物(SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3和MgO)含量分析的不确定度为1%～2%，其他氧化物则低于3%。大多数微量元素分析的不确定度低于2%。基于样品具有重复性，对于大多数分析来说优于10%。分析的详细过程与Li等的描述[38]相似。

高铝玄武岩样品主量和微量元素分析结果见表2。

高铝玄武岩样品SiO2含量为47.12%～49.45%；TiO2含量为0.95%～1.01%，平均为0.99%；MgO含量为2.64%～5.63%，平均为3.86%；Mg#值为38.73～49.49； P2O5含量为0.09%～0.20%，平均为0.14%；CaO含量为8.59%～10.28%，平均为9.57%；A12O3含量高，为17.22%～21.31%，平均为19.49%；全碱含量(w(K2O)+w(Na2O))为2.69%～5.44%，与Kuno定义的典型高铝玄武岩的组成特征[7]相似[图5(b)]。此外，高铝玄武岩样品w(Na2O)/w(K2O)值为3.77～21.70，表现出明显的富Na、贫K特征。在TAS图解[图6(a)]中，样品落入粗面玄武岩和玄武岩区；为了排除由于变质作用可能对全岩成分造成的影响，采用Zr/TiO2-Nb/Y图解[图6(b)]进一步确定岩石类型，所有样品均落入玄武岩区域，与TAS图解判别结果一致。另外，在K2O-SiO2图解[图5(a)]中，高铝玄武岩样品显示出中钾钙碱性系列特征。

高铝玄武岩样品稀土元素总含量为(35.61～64.03)×10-6，平均值为48.03×10-6，岩石的稀土元素总含量总体偏低，轻、重稀土元素含量之比为2.25～4.16，在球粒陨石标准化稀土元素配分模式[图7(a)]上表现为轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的右倾型特征(w(La)N/w(Yb)N=1.35～3.53)；样品Eu异常为1.06～1.48，平均值为1.22，显示出明显的Eu正异常。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图7(b)]上， 高铝玄武岩样品相对富集大离子亲石元素(如Ba、K、Sr)，亏损高场强元素(如Nb、Ta、Ti)，相对亏损Zr、Hf等元素，这与北天山博格达地区高铝玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图[6]十分相似。

图(a)底图引自文献[39]；图(b)底图引自文献[7]

图(a)底图引自文献[40]；图(b)底图引自文献[41]

ws为样品含量;wc为球粒陨石含量;wp为原始地幔含量;同一图中相同线条对应不同样品；底图引自文献[42]；博格达地区高铝玄武岩数据引自文献[6]

4 讨 论

4.1 岩石成因

相对地幔物质而言，地壳物质具有较高的Zr含量、Zr/Y值、La/Nb值，假如幔源岩浆遭受了地壳物质混染作用，必然会使其对应含量或比值发生变化。高Th/Nb值(远大于1)、La/Sm值(大于4.5)通常被认为是地壳物质混染作用的微量元素指标。此外，岛弧玄武岩总体上是以具有较低的Zr含量(小于130×10-6)和Zr/Y值(小于4)为特征；而不管是否遭受地壳或岩石圈混染，大陆玄武岩都具有较高的Zr含量(大于70×10-6)和Zr/Y值(大于3)[43]。

托让格库都克组高铝玄武岩样品Th/Nb值介于1.90～3.55，平均值为2.54；La/Sm值介于1.07～1.67，均小于4.5，表明该组高铝玄武岩样品受到地壳物质混染不明显。另外，高铝玄武岩样品还具有低Zr含量，为(33.16～56.15)×10-6，平均值为44.91×10-6，相对较低的Zr/Y值(2.09～3.31)，平均值为2.69，与岛弧玄武岩的Zr含量和Zr/Y值[43]总体上是一致的。

岛弧岩浆主要由洋壳及其沉积物在俯冲过程中形成的流体或熔体交代上覆地幔楔发生部分熔融形成[44-45]。本次研究的高铝玄武岩样品Mg#值基本大于40，Zr/Nb值为21.30～40.60(平均值为33.21)，Hf/Ta值为12.77～21.85(平均值为17.86)，因而由下地壳镁铁质岩石部分熔融形成的可能性很小，应是幔源岩浆的产物且受地壳物质混染作用较小，这与Nb-Zr图解[图8(a)]的投图结果相吻合。

托让格库都克组高铝玄武岩系列具有较高TFe2O3含量(8.50%～11.98%)和Mg#值(38.73～49.49)，此外还有较高的Sm/Yb值(1.13～1.96)。在熔体熔融Sm/Yb-Sm图解[图8(b)]中，所有样品均落在石榴石+尖晶石二辉橄榄岩(50∶50)和石榴石二辉橄榄岩熔融曲线之间，高于尖晶石二辉橄榄岩熔融曲线。这些特征表明岩浆源区可能含有石榴石[46]，样品可能是由石榴石+尖晶石二辉橄榄岩组成的地幔经过高程度部分熔融形成的。

除此之外，在俯冲带地区，由于加入了大洋板块中的含水流体[47]，熔融岩浆在大离子亲石元素(如Sr、Rb、Ba、Pb)和Th、U等元素中具有相对富集的特征，但在一些难熔矿物(如金红石)中高场强元素消耗仍然存在[45,48-50]。一般而言，消减沉积物及其形成的熔体往往具有较高的Th、Pb含量和较低的Ce/Th值(约8)、Ce/Pb值(约3)、Ba/Rb值(约4)和Ba/Th值(约111)[51]，且熔体的加入使得稀土元素配分模式中发育Ce负异常。而托让格库都克组高铝玄武岩样品表现出极低的Th、Pb含量(分别为(0.21～0.65)×10-6和(2.40～5.07)×10-6)，较高的Ce/Th值(22.61～50.80)、Ce/Pb值(3.08～5.67)、Ba/Rb值(23.93～100.23)和Ba/Th值(267.88～710.50)，以及轻微的Ce正异常(1.00～1.03)，上述特征指示消减沉积物熔体对岩浆成分的贡献较小[52-54]，可以忽略不计。俯冲带流体的加入将使源于亏损地幔的岩浆Ce/Pb值与Nb/U值明显降低[58]。托让格库都克组高铝玄武岩样品的Nb/U值(3.80～9.52)与Ce/Pb值低于亏损地幔相应比值(Nb/U值为47±10，Ce/Pb值为25±5[59])，指示俯冲带流体在成岩过程中具有重要贡献，结合Ba/La-Th/Yb图解[图8(c)]，表明源自俯冲板块的含水流体组分引发了俯冲带之上地幔楔的部分熔融，并形成了下泥盆统托让格库都克组高铝玄武岩。

高铝玄武岩的成因与滞后的斜长石成核或斜长石堆积作用有关[2,4-5]。本次研究中，样品Al2O3与MgO含量之间明显的负相关性排除了斜长石堆积作用[图9(e)]。实验岩石学表明，在岩浆演化的过程中，水或压力对矿物的相对稳定性和结晶序列有着显著影响，其效应是富水或高压可以抑制斜长石的早期结晶[60-64]，当晚期出现大量斜长石结晶时，导致岩浆富含Al[62]。Eason等使用MELTS和pMELTS算法模型进一步证明了高铝玄武岩可以通过高压结晶生成，即在高压条件下，橄榄石和单斜辉石在分馏过程中先结晶，使残余熔体富Al[4]。

本次研究的托让格库都克组高铝玄武岩属于中钾钙碱性玄武岩系列[图5(a)]，薄片鉴定及显微照片中没有含水矿物(如黑云母、角闪石)存在(图3)。据此认为这些玄武岩样品中的高Al特征是由于早期高压抑制了高铝玄武岩中斜长石的成核作用，晚期则导致大量富Al残余熔体结晶形成斜长石斑晶。与此同时，一些元素(如Ca、Mg、V)在早期高压分馏过程中优先分配到橄榄石和单斜辉石中[65-66]，导致Na相对富集。在Al2O3-MgO图解[图9(e)]中，托让格库都克组高铝玄武岩样品的化学演化趋势与典型高压结晶条件控制的俄罗斯Klyuchevskoy地区高铝玄武岩、中国北天山博格达地区高铝玄武岩的化学趋势[5-6]相一致。因此，综合研究表明高压在托让格库都克组高铝玄武岩生成过程中发挥了重要作用。

MgO和CaO含量之间的正相关性与岩浆演化中橄榄石和辉石的分馏结晶作用一致，而Al2O3、Na2O、K2O与MgO含量的负相关性则与延迟的斜长石成核有关；Klyuchevskoy地区高铝玄武岩数据引自文献[5]；博格达地区高铝玄武岩数据引自文献[6]

4.2 构造意义

高铝玄武岩可以生成于不同的构造环境中，但通常生成于汇聚板块的边缘地带[7]。托让格库都克组高铝玄武岩中，Nb、Ta、Ti等元素呈现较明显的亏损，Al2O3含量高，这多与岩浆源区受到了古俯冲带流体的交代有关，表明其可能形成于岛弧环境或是先前被俯冲流体交代过但未发生部分熔融的地幔。Zr、Nb、Y、Ta和Hf等元素在蚀变和变质作用过程中均有良好稳定性，可指示岩石的源区性质。托让格库都克组高铝玄武岩Ta/Yb值(0.03～0.07)、Th/Yb值(0.11～0.35)相对较低，而Th/Ta值(3.32～6.85)、Ba/Nb值(90.40～179.71)则较高，显示其具岛弧火山岩特征[67]。在Hf/3-Th-Ta图解[图10(a)]、Hf/3-Th-Nb/16图解[图10(b)]和Y/15-La/10-Nb/8图解[图10(c)]中， 高铝玄武岩样品投点均落入岛弧玄武岩区域，结合玄武岩高Al、低K、贫碱的特点，可确定下泥盆统托让格库都克组的高铝玄武岩形成于岛弧环境。

IAT为岛弧拉斑玄武岩;ICA为岛弧钙碱性玄武岩;N-MORB为正常型洋中脊玄武岩;E-MORB为富集型洋中脊玄武岩;WPT为板内拉斑玄武岩;WPA为板内碱性玄武岩;1为火山弧玄武岩;1A为钙碱性玄武岩;1B为1A与1C重叠区;1C为拉斑玄武岩;2为大陆玄武岩2A为大陆玄武岩;2B为弧后玄武岩;3为大洋玄武岩;3A为碱性玄武岩;3B/3C为富集型洋中脊玄武岩;3D为正常型洋中脊玄武岩

高铝玄武岩与前人发现的埃达克岩-富铌玄武岩共同组成重要的弧火山岩组合。由于埃达克岩是俯冲板片部分熔融的产物，富铌玄武岩则是由受埃达克质熔体交代地幔橄榄岩部分熔融形成的[27]，而高铝玄武岩又具有典型岛弧火山岩特质，它们的形成均与大洋板块俯冲有关[28]。因此，“高铝玄武岩-埃达克岩-富铌玄武岩”组合的确立进一步为东准噶尔早泥盆世岛弧构造环境提供充分的证据。

5 结 语

(1)东准噶尔青河地区野马滩一带托让格库都克组高铝玄武岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(403±12)Ma，表明其形成于早泥盆世。

(2)托让格库都克组高铝玄武岩产于岛弧环境，是由俯冲大洋板块的含水流体组分诱发俯冲带之上石榴石+尖晶石二辉橄榄岩组成的地幔楔部分熔融形成的。高压在高铝玄武岩的形成中产生重要作用，具体表现为早期高压抑制斜长石的成核作用，晚期则有大量富Al斜长石晶体出现，与北天山博格达地区高压条件下产生的高铝玄武岩相似。

(3)青河地区野马滩一带托让格库都克组高铝玄武岩属东准噶尔首次发现和报道，丰富了该区弧火山岩的地球化学岩石类型，为研究东准噶尔早泥盆世构造演化提供了新的岩类信息和重要证据。