东准噶尔老爷庙地区早石炭世黑山头组火山岩地质、地球化学特征及构造环境分析

熊双才 杨俊弢 张征峰

摘  要：东准噶尔东部老爷庙地区黑山头组火山岩由玄武岩（少）+安山岩+英安岩+流纹岩组成，属高钾钙碱性-钾玄岩系列，流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为（330.7±7.4）Ma。富集大粒子亲石元素Rb，K，Ba，Th，亏损Nb，Ta，P，Ti，弱负Eu异常，稀土分布型式及微量元素特征与安第斯型相似，形成于活动大陆边缘，岩浆来源于俯冲板片部分熔融改造后的富集地幔楔。表明卡拉麦里洋在早石炭世仍向北俯冲消减。

关键词：东准噶尔;黑山头组;活动大陆边缘;岩石地球化学;早石炭世

东准地区是中亚造山带重要组成部分，晚古生代成岩成矿作用为增生造山过程的演化产物。东准噶尔岩浆构造发育，是研究中亚造山带有利地段[1-3]。老爷庙位于东准噶尔造山带东部，前人对该区部分古生代地层进行研究，但缺乏精确年代数据。目前针对该区构造环境仍存在争议，张冀认为其为后碰撞期，张超认为其为陆-陆碰撞造山期[4]。本文据新疆巴里坤县1∶5万六幅区域地质调查成果，对该套火山岩地质、岩石地球化学特征进行了研究，结合区域对比，确定其成岩时代、地层归属及构造环境，为研究区晚古生代构造岩浆作用提供了时代及岩石地球化学约束。

1  区域地质背景

据全国资源潜力评价最新构造划分❶，研究区大地构造位置属天山兴蒙造山系-准噶尔弧盆系-唐古巴勒-卡拉麦里古生代复合沟弧带-三塘湖晚古生代弧间盆地（图1-a）❶。地层区划属北疆-兴安地层大区-北疆地层区-北准噶尔地层分区-北塔山地层小区。研究区出露地层由老到新为上泥盆统卡希翁组、下石炭统黑山头组、上石炭统巴塔玛衣内山组。该区时代地层展布呈NW向（图1-b）。区内断裂发育，由于长期受NE向挤压，形成大量NW向逆断裂，及NE、NW向平移断裂，控制着不同时代地层分布及侵入体产状、形态，并约束构造机制的发生与发展。该区侵入岩较发育，主要为早石炭世二长岩、晚石炭世碱长正长斑岩，呈不规则小岩株产出。少量花岗斑岩和辉绿玢岩脉分布于岩体边部及周围。岩体产于老爷庙大断裂及玫瑰泉大断裂两侧，整体呈NW向分布，与区域构造方向一致。

2  地质特征及地层归属

据实测剖面，该区地层划分为3个岩性段。第一岩性段为一套中、酸性火山熔岩夹少量火山碎屑岩，主要为安山岩、英安岩、（英安质、流纹质）凝灰熔、凝灰岩、沉凝灰岩夹少量玄武岩及凝灰质砂岩，厚度大于2 769.68 m，下部未见底;第二岩性段为一套火山碎屑岩夹火山熔岩，主要为凝灰岩、沉凝灰岩、角砾凝灰岩、英安岩、流纹岩、（英安质、流纹质）角砾熔岩等，厚2 172.56 m;第三岩性段为一套酸性火山熔岩夹少量火山碎屑岩，主要为流纹岩、流纹质角砾凝灰熔岩夹英安岩、粗安岩、沉凝灰岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、玄武岩等，厚度大于1 049.33 m，上部见顶。第二岩性段中获得流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为（330.7±7.4）Ma。

前人1∶20万区调中将该套地层一段划为下石炭统黑山头组，二、三段划为中上石炭统哈尔加乌组，二者呈角度不整合接触❷。1∶5万区调将一段划为上泥盆统老爷庙组，二、三段划为上石炭—下二叠统哈尔加乌组，二者呈不整合接触1。本次工作中发现各段产状一致，岩性连续，为整合接触。老爷庙组现已弃用，新疆岩石地层中哈尔加乌组以中性火山岩及碎屑岩为主，夹酸性及基性火山岩，时代为早二叠世，显然与本套地层岩性、时代不符。黑山头组为一套正常陆源碎屑岩和火山碎屑岩沉积序列，上部夹中酸性火山岩，时代为早石炭世，该组广泛分布于东西准噶尔。西准地区前人获得成岩为349 Ma、343 Ma、331 Ma[4-6]，东准卡拉麦里地区获得年龄为339 Ma[4]。该套地层与黑山头组岩性相似、时代相近、环境相同，故将其厘定为黑山头组。

3  样品测试分析

采集岩石全分析样7件（图1-b），在广州澳实矿物实验室测试完成。样品经破碎、缩分、研磨至200目后，采用ME-MS81熔融法电感耦合等离子体质谱测定稀土元素含量，ME-XRF26X荧光光谱仪熔融法精密分析岩石主微量元素，Fe-VOL05滴定法测定氧化铁。测试结果见表1。TAS图解中（图2-a），样品落入碱性线附近的玄武安山岩、粗面安山岩、粗面英安岩及流纹岩区域。中基性和酸性岩分别在FeO-FeO*/MgO和AFM圖解中落入钙碱性范围。K2O-SiO2图解中（图2-b），样品随SiO2的增加从高钾钙碱性过渡到钾玄岩系列中。岩石具较高SiO2，含量为55.64%～78.61%（ⅩⅢ-6玄武岩样品SiO2含量过高可能与其含有玻璃质、长英质杏仁有关），高钾富碱（Na2O+K2O）为5.21%～9.38%，K2O/Na2O平均1.16，Al2O3为10.30%～16.39%、CaO为0.44%～8.04%、P2O5为0.02%～0.36%、TFe2O3为1.11%～7.06%、MgO为0.17%～2.62%、TiO2为0.17%～0.91%，Mg#指数为23.28～42.33，变化较大，与SiO2变化呈负相关。分异指数DI为52.24～96.66，与SiO2呈正相关，反映随着地层从老到新，SiO2由低到高，分异程度增强。

图3中微量、稀土元素曲线一致，表明其为同源、同一套地层。大离子亲石元素Rb，K，Ba，Th富集明显，Nb，Ta槽明显，P，Ti亏损（图3-a），具明显火山弧特征。稀土元素∑REE=100.14×10-6～150.18×10-6，平均116.77×10-6，稀土元素总量较高。LREE/HREE=5.62～11.43，平均7.49;La/YbN=5.57～14.62，平均8.01;La/SmN=2.81～5.45，平均3.70;Gd/YbN=1.11～1.70，平均1.46。反映轻稀土相对富集，重稀土亏损，且轻稀土元素内部分馏相对较强，重稀土元素分馏较弱。δEu=0.48～0.95，平均0.81，具弱负异常，δCe=0.71～1.07，平均0.96，无明显异常，稀土分布型式与安第斯型相似（图3-b）。

4  构造环境及源区分析

前人认为黑山头组形成环境存在岛弧环境、弧后盆地、后碰撞和活动大陆边缘4种[4-5，7-8]。前文论述了黑山头组火山岩微量元素具火山弧特征，稀土分布型式与安第斯型相似 （图3-b）。微量元素特征值部分介于大陆岛弧与安第斯型活动大陆边缘弧间（表2）[4]，与安第斯型相似。微量元素判别图中（图4），样品均投入活动大陆边缘弧中。高鉀钙碱性-钾玄岩系列及玄武岩（少）+安山岩+英安岩+流纹岩组合为活动大陆边缘弧的标志性火山岩组合[4]。研究显示，紧邻老爷庙北侧的阿尔曼蛇绿岩带形成于晚寒武—早奥陶世，晚寒武—早奥陶世古亚洲洋发生洋内俯冲，于晚泥盆—早石炭世闭合，向北拼贴于阿尔泰地体南缘[4-5]。位于老爷庙南侧的卡拉麦里蛇绿岩带代表的古洋盆由南向北俯冲，最终于早石炭世晚期—晚石炭世关闭[4-5]。结合石炭系火山岩表现出的构造环境，我们认为石炭系黑山头组火山岩形成于活动大陆边缘。老爷庙早石炭世晚期发育活动大陆边缘弧火山岩表明，南侧卡拉麦里洋在早石炭世仍向北俯冲消减，最终可能于晚石炭世闭合。

在俯冲带环境中，岩浆源区物质主要来自4部分：①地幔楔中的橄榄岩;②俯冲带中的流体;③俯冲板片部分熔融形成的熔体;④大陆地壳物质的同化混染[1]。

火山岩样品Nb/Ta=10.20～16.00，平均13.59，介于壳源比值11和幔源比值17.5间[5]。Zr/Hf=34.93～42.22，平均38.32，高于地幔36[14]，可能与岩浆上升过程中地幔楔形体等消减组分加入或陆壳混染作用有关。陆壳混染多造成不相容元素（ICE）Gd，Tb，Dy，Ho，Yb，Lu丰度升高[5]，与研究区石炭系火山岩整体相对较低ICE丰度和趋势一致的分布曲线不符（图3-b），与陆壳混染无关。稀土元素和微量元素均具一致或相似的分布曲线（图3），说明基性-酸性火山岩具良好的同源岩浆分异演化，岩浆起源于同一地幔源区[5]。在Zr/Yb-Nb/Yb图解上（图5-a），样品均分布在富集地幔范围。说明岩浆源区可能经俯冲带流体或俯冲板片熔体改造后的富集地幔楔作用。

Zr/Nb=27.86～35.63，与板片俯冲有关的火山岩Zr/Nb=10～60一致[5]，表明它们的源区与板片俯冲有关。洋底沉积物中高度富集Th[5]，Ce在热液中活动性较Th强，Th/Ce比值可很好的识别俯冲板片中沉积物组分对俯冲带岩浆的贡献率[5]。在Sr/Th-Th/Ce图解中样品落入地壳附近（图5-b）。地壳部分熔融形成的熔体不管熔融程度如何，形成的岩石均具较低的Mg#（小于40），本区Mg#指数为23.28～42.33，平均32.83，说明俯冲板片对源区具明显组分作用。δCe异常不明显，表明热液流体不发育。锆石饱和温度Tzr为708℃～821℃，平均773℃，高于该区650℃～700℃的莫霍面温度[5]，Sr-Yb图中样品主要投入埃达克型中，少量投入浙闽型，对应压力大于1.2 GPa，地壳厚度大于50 km，表明其处于加厚地壳[5]，说明岩浆来源于俯冲板片部分熔融改造后的富集地幔楔。

5  结论

（1） 东准噶尔老爷庙地区火山岩岩性组合为玄武岩（少）+安山岩+英安岩+流纹岩，属高钾钙碱性-钾玄岩系列， LA-ICP-MS锆石U-Pb获得流纹岩年龄为（330.7±7.4）Ma，地层属下石炭统黑山头组。

（2） 火山岩富集大粒子亲石元素Rb，K，Ba，Th，亏损Nb，Ta，P，Ti，弱负Eu异常，稀土分布型式及微量元素特征与安第斯型相似。

（3） 黑山头组火山岩形成于活动大陆边缘，岩浆来源于俯冲板片的部分熔融改造后的富集地幔楔。卡拉麦里蛇绿岩带代表的古洋盆在早石炭世仍向北俯冲消减。

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Abstract： The Laoyemiao area is located in the eastern part of East Junggar， developing a set of continental-acidic volcanic rocks.The combination of lithology is basalt （less） + andesite + dacite + rhyolite， which belongs to the series of high-potassium-calcium-alkaline-potassium rocks，LA-ICP-MS zircon U-Pb obtained rhyolite age of （330.7±7.4）Ma， Volcanic rocks are enriched with large particles of lithophile elements Rb， K， Ba， Th， loss of Nb， Ta， P， Ti， weak negative Eu anomaly， and the characteristics of rare earth partitioning and trace elements are similar to the Andean type. Formed on the edge of the active continent，the magma is derived from the partially melted and reconstructed slow wedge of the subduction plate.It indicates that the Kalamaili Ocean still has a northward subduction in the Early Carboniferous.

Keywords：East Junggar;Heishantou Formation;Active continental margin;Petrogeochemistry; Early Carboniferous