东天山觉罗塔格带雅满苏组古生物、岩石地球化学特征及构造意义

高丹 张博文 朱志新 李平 赵同阳

摘  要：东天山觉罗塔格带内雅满苏组为一套重要的早石炭世地层，对该地区构造演化具有约束性。通过对该地层古生物及火山岩地球化学研究得出：（1）雅满苏组中、下岩性段化石组合为造礁珊瑚及壳刺腕足动物类，显示温暖、正常盐度及弱波动的浅海环境;（2）雅满苏组上岩性段火山岩为钙碱性安山质岩石，具成熟岛弧特征，显示火山岩带西部、中部处于同一构造背景的不同演化阶段;（3）早石炭世晚期，该区域天山洋俯冲作用中部较西部强烈，俯冲更深，诱发火山作用，呈“剪刀式”俯冲模式。总之，觉罗塔格构造带在早石炭世发生巨大构造转化，由被动大陆边缘演化为“剪刀式”俯冲形成的成熟岛弧环境。

关键词：觉罗塔格;雅满苏组;古生物制约;地球化学;“剪刀式”俯冲

东天山位于我国西部，属中亚造山带，是贯穿整个中亚的巨大纬向山系，其构造演化及成矿背景具有复杂性和多期性。觉罗塔格构造带是天山造山带最重要的多板块（塔里木、西伯利亚及准噶尔板块）汇聚带之一，该区大地构造演化截至目前依然众说纷纭，莫衷一是。对该区的研究有助于理清古天山洋生成→俯冲→消减→闭合→碰撞造山的构造演化史。前人对东天山构造及岩浆活动进行了大量研究，对构造演化模式的重建具重要作用[1-3]。构造演化观点普遍认为：该构造带于晚石炭晚期发生主碰撞，洋-陆转换基本完成，北天山洋基本闭合，转为残余海盆[4];晚石炭世末碰撞造山，塔里木与准噶尔板块连为一体，形成统一大陆[5]。目前对该区主碰撞前的岩浆活动、构造演化及地球动力学关系的研究尚未得出定论，需进一步讨论。东天山主碰撞前的构造演化模式尚未统一，主要表现为：（1） 晚石炭世早期，东天山是裂谷或弧后盆地亦或被动陆缘，还是岛弧等存在分歧[4，6];（2）主碰撞之前，南天山洋向北俯冲、双向俯冲或先向北后双向俯冲还是向南俯冲等存在不同认识[3，5，7-8]。

本文以东天山觉罗塔格带构造带雅满苏组为研究对象，通过古生物学和岩石地球化学研究，探讨古生物及地球化学对构造背景的制约，旨在为该地区石炭纪主碰撞前的构造演化模式提供依据。

1  区域地质背景

觉罗塔格构造带位于东天山地区，长约600 km，宽35～45 km，是一条西起托克逊，东至甘新交界的狭长构造带。该构造带由塔里木板块、西伯利亚板块及准噶尔-哈萨克斯坦微板块碰撞聚敛形成，是塔里木板块和古亚洲洋碰撞对接的关键部位（图1）。4条近EW向展布的大断裂构成觉罗塔格地区基本格局，觉罗塔格构造带南部以该断裂与中天山地块分界，北部以康古尔断裂为界。

早石炭世雅满苏组分布于觉罗塔格带内，大面积出露于百灵山北部区域，面积244.18 km2。雅满苏组下部以正常沉积岩碳酸盐岩为主，中上部火山活动强烈（图2-c）;中部以喷发相安山质火山碎屑岩为主，次为喷发、沉积相凝灰质碎屑岩（图2-a，d）;上部以喷发相安山质、英安质及流纹质火山碎屑岩为主。与下伏早石炭世阿奇山组呈整合接触，与上覆晚石炭世土古土布拉克组呈平行不整合接触。

2  雅满苏组岩石组合     特征

雅满苏组按岩石组合特征划分为3个岩性段。第一岩性段主要分布于研究区中北部，呈EW向带状展布，地层产状较缓，主要岩性为一套含生物碎屑碳酸盐岩夹碎屑岩建造。岩石类型为灰白、浅灰、灰色生物屑碎屑微晶灰岩，化石较发育，以海百合茎和珊瑚化石为主（图3），少量腕足类化石;第二岩性段分布于研究区北部，呈NW向带状展布，靠近康古尔韧性剪切带，地层产状较缓，主要为一套海相碎屑岩夹火山碎屑岩建造。岩石类型为灰绿色钙质岩屑砂岩、粗粒长石岩屑砂岩、粗粒长石细砾岩，腕足动物化石较丰富（图3）;第三岩性段主要出露于山脊或较高山坡，呈带状展布，出露范围较小，主要岩石类型为灰褐色安山质玻屑凝灰岩、流纹质凝灰岩及蚀变安山质含角砾火山尘凝灰岩，整体为一套火山碎屑岩夹碎屑岩建造。总体上，雅满苏组下部为含生物碎屑碳酸盐岩建造，中部为海相碎屑岩建造，上部为火山碎屑岩建造，其中雅满苏组第一、第二岩性段发育大量腔肠和腕足动物化石。

3  雅满苏组生物组合特征

本次化石样品由中国科学院南京地质古生物研究所鉴定。第一岩性段产多种四射珊瑚及横板珊瑚，有宾夕法尼亚小石柱珊瑚Lithostrotionellapennsylvanium、雅满苏圆蛤珊瑚Gangamophyllum hamiense yamansuense ，Lin et Fan、双形珊瑚Diphyphyllum minor Yu et al.、袁氏琼花珊瑚Yuanophyllum kansuense Yu、劳芝柯夫斯克珊瑚未定种Rozkowskia sp.、沃恩棚珊Dibunophyllum vaughani Salee、四角剌毛珊瑚Chaefefes quadrangulafu Lee ef yü。以刺毛珊瑚（Chaefefes quadrangulafu Lee ef yü）出现为开始，总体可称为刺毛珊瑚（quadrangulafu）-石柱珊瑚（DarwaSophyllum）-棚珊瑚（Dibunophyllum）生物群组合（图3）。

第二岩性段腕足类分异度较高，种群数量丰富且较大，产以爱德堡大长身贝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）为代表的组合，主要有满苏分喙石燕Choristites mansuyi Chao、美雅轮刺贝（Echinoconchus elegans（McCoy）、网格长身贝（未定种）Dictyoclostus sp、东方新石燕Neospiriferorientalis Chao、细丝线纹长身贝Linoprroductus lineatus（Waagen）、刺瘤輪刺贝Echinoconchus punctatus（Martin）、簇状新石燕Neospirifer fasciger（Keyserling）、先期分喙石燕Choristites priscus（Eichwald）、裂线贝（未定种）Schizophoria sp。其中簇形轮刺贝Echinoconchus fasciatus（Kutorga）、分喙石燕（未定种）Choristites sp. 爱德堡大长身贝Gigantoproductus edelburngensis是早石炭世南相维宪期-谢尔普霍夫期标志性分子，属早石炭世的标志性分子。总体以爱德堡大长身贝为代表的长身贝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）和轮刺贝（Echinoconchus elegans（McCoy）的繁盛为代表，可称为爱德堡大长身贝Gigantoproductus edelburngensis （Phillips）-轮刺贝（Echinoconchus elegans）-石燕（Choristites）生物群组合（图4）。

4  地球化学特征

4.1  样品采集及分析测试

本次岩石地球化学样品自该地区西部及中部的雅满苏组火山岩，挑选无明显蚀变的20件火山岩样品进行测试，在新疆维吾尔自治区矿产实验研究所完成全岩主微量、稀土元素分析。样品粉末熔成玻璃饼后用X射线荧光光谱（XRF）方法测定，测试精度优于1%。

4.2  主量元素地球化学特征

雅满苏组火山岩主量元素分析结果见表1， SiO2介于55.0%～60.9%，Na2O和K2O含量分别为2.84%～6.28%及1.16%～1.75%，属安山质岩石大类。由TAS图解可知，雅满苏组西部样品落在粗面安山岩区域，中部样品落在玄武安山岩区域，显示岩性上存在一定差异（图5-a）。样品Al2O3为14.98%～16.5%，与俯冲带火山岩富铝特征一致[5];TFeO为7.82%～11.03%，与SiO2呈负相关关系;TiO2介于0.68%～1.1%，均值0.87%，显示与典型岛弧和陆缘弧环境相似[8]。在SiO2-K2O图解中（图5-b），样品均落在钙碱性系列区域，岩石系列显示从雅满苏组西部到中部，岩石由钙碱性向高钾钙碱性系列转化。总体来说，该区域雅满苏组火山岩具高K2O、Al2O3及低TiO2特征，全碱（SiO2+Na2O）平均6.146%，大于5%，顯示典型岛弧火山岩特征[9]。

4.3  微量元素地球化学特征

雅满苏组火山岩微量元素及稀土元素测试分析结果见表1。从微量元素蛛网图看出（图6-a）， 雅满苏组西段、中段具有相似的微量元素地球化学分布曲线，暗示他们是同源演化产物。该组火山岩总体相对富集Rb，Ba，Th，U，K等LILE元素，相对亏损Nb，Ta，Ti等HFSE元素，显示与板块俯冲有关的火山岩相似[10]。雅满苏组西段火山岩样品La/Nb比值4.6～27，均值14.23;中段火山岩样品La/Nb比值为1.63～1.82，均值1.725，Th/Ta总体介于9.4～13.25，具较明显的陆缘弧特征[11-12]。雅满苏组两组样品Th/Nb比值有一定差异，雅满苏组西段样品Th/Nb介于0.42～0.514，中段Th/Nb介于0.53～2.3，Nb/Zr大于0.04，Th/Zr小于0.027，具明显岛弧特征[11-12]。

4.4  稀土元素地球化学特征

该地区雅满苏组西段、中段火山岩稀土元素标准化图解显示右倾趋势的平缓簇状曲线（图6-b），两类火山岩∑REE主体介于98×10-6～135.7×10-6，平均115.6×10-6，LREE/HREE比值为1.69～4.43，呈富集轻稀土，亏损重稀土特征，指示他们可能是同源演化产物，其中西段火山岩较中段火山岩曲线更陡，LREE/HREE分异更明显，可能是源区残留较多的锆石、石榴子石导致HREE强烈分馏所致[13]。

5  讨论

5.1  早石炭世早期古生物特征对构造环境的约束

前人年代学研究显示，东天山觉罗塔格构造带石炭纪构造演化存在差异性[6]，对早石炭世未具良好的约束性。通过对雅满苏组一、二段生物群组合分析对比发现，生物群组合具强烈的维宪阶，为早石炭世。第一段古生物以腔肠生物及棘皮动物共生为特征，且门类较多，生物群组合具有明显差异。生物种群分异度较高，指示当时环境适合多种生物生长，结合Burner所绘显生宙大气氧含量曲线推测，该时期环境中具较高的氧含量。

腔肠类中造礁珊瑚及棘皮动物和多数腕足多为窄盐性生物，生存环境较窄，生活于温暖正常浅海中，水深20 m左右，水温25℃～30℃。有学者指出低温及各深度均有不同类型的珊瑚生存[14]，深度大于200 m的水体中多见单体珊瑚。造礁珊瑚对环境有较大限制，其内胚层组织中有共生单细胞虫黄藻，该藻类对珊瑚虫的生长及新陈代谢有积极促进作用，同时对钙质骨骼和珊瑚骨架的生长也具重要作用。说明单细胞虫黄藻对珊瑚生长具有约束作用。

腕足类化石中爱德堡大长身贝（Gigantoproductus edelburngensis）是早石炭世维宪期—谢尔普霍夫期标志性分子[15]。雅满苏盆地以北的北天山和准噶尔地区未见此类化石。同样上覆地层中未见层位更高的该类化石。有学者认为古生代腕足类生物大多生活在温暖且盐度正常的浅海，自中生代以来未发现其与深海生物共存[15];另有观点指出[16]，滨海地区高能动荡生存环境下的生物相比稳定波动较弱水体环境下的生物更易具坚硬外壳。据已灭绝腕足动物壳饰及壳刺推测，发育壳刺目的是为防止壳体陷入软质基底中[15];第二岩性段据化石发掘量，得出优势种为轮刺贝及大长身贝。F.T.Frsich据志留纪腕足类形态适应与水体间关系，分析得出适应湍水环境的腕足类特征为：①有明显巨大的中槽中隆，使进出的水易于分流;②长发育伸展的两翼;③壳薄，纹饰不发育或光滑;④茎孔退化或发育微弱，不需坚固的肉茎。

综上分析，雅满苏组化石富集地层多见于雅满苏组中、下岩性段。据各类腕足类壳饰及珊瑚生存环境特征，可知早石炭世早期雅满苏组整体仍处于浅海沉积相，海水盐度正常，水深小于200 m，水体温度正常且波动较弱，不存在大的构造运动。早石炭世晚期东天山构造运动活跃，沉积相由碳酸盐沉积转为火山碎屑岩沉积。

5.2  早石炭世晚期火山作用及构造意义

东天山雅满苏组上部岩段为一套高K、富Al及低Ti的钙碱性系列火山岩，具典型岛弧火山岩特征[9]，其中岩石组合为基性-酸性火山岩及中酸性火山碎屑岩，显示活动大陆边缘环境的岩石组合特征。所有样品均具富集LILE及LFSE，亏损Nb，Ta，Zr等HFSE的特征，反映活动大陆边缘及洋内岛弧火山岩兼有的岩石性质。

Th/Yb比值受后期蚀变作用影响较小，能明确区分岛弧与活动大陆边缘环境[17]。由图7-（a）可知，雅满苏组西部样品均落入活动大陆边缘区域，中部样品落入大洋岛弧区域;图7-（b）显示，雅满苏组西部样品落入活动陆缘弧，中部样品多落入岛弧环境区域内;图7-（c）显示，雅满苏组中部样品落入岛弧区域内，西部样品落入陆缘弧区域内。雅满苏组西部为钙碱性系列粗面安山岩，中部为中钾钙碱性系列玄武质安山岩。岩相学、地球化学特征显示，西部至中部存在构造环境差异，雅满苏组中部较西部更接近岛弧火山岩内带[5]。前人研究指出[18]，年轻洋壳俯冲形成的岩浆弧为Adakite交代的弧火山岩系列，主要特征为Na2O大于K2O，与正常弧玄武岩-玄武安山岩相比，TiO2大于1%，Nb/La大于0.5，Nb/U大于10。雅满苏组西部样品完全符合上述描述，中部未显示上述特征。推测当时雅满苏组西部正处于年轻洋壳初始俯冲阶段，中部处于不同阶段。觉罗塔格构造带内雅满苏组火山岩从西部到中部具由岛弧环境向活动大陆边缘过渡趋势。针对造成上述构造背景差异的大地动力学演化机制是什么？这种差异是否与地壳厚度、俯冲深度、闭合速率及火山作用时限等有一定关系，仍需进一步讨论。

5.2.1  地壳厚度

钾是区分地壳与上地幔物质来源的重点探针[19]，安山岩K2O百分含量与地壳厚度（C）成正比， 当SiO2为60%时，K-C关系可表示为C=18.2（K2O）+0.45[5，19]。雅满苏组中部火山岩K2O均值为1.63%，西部火山岩K2O均值为1.29%，分别得出C中=30.138 km，C西=23.973 km，显示当时雅满苏组中部地壳厚度大于西部（图8-a），均在地壳厚度20～30 km的钙碱性岩石系列范围。安山岩（SiO2介于57%～63%）的K2O/Na2O值与岩浆弧地壳厚度存在正相关关系，当地壳厚度超过52 km时，K2O/Na2O值不再增加[3，9]，其中雅满苏组中部K2O/Na2O=0.45，雅满苏组西部K2O/Na2O=0.21，印证雅满苏组西部地壳厚度明显小于中部。

5.2.2  俯冲深度

弧岩浆岩在相同SiO2含量下，其K2O、LILE含量等随距离海沟的远近显示出系统变化特征[19，20]。Condie认为SiO2含量固定时[19]，K2O含量與俯冲深度之间存在正相关关系，并给出弧岩浆岩的K60值、K55值（代表SiO2含量分别为60%、55%时K2O含量）与俯冲深度（H）的线性关系，统计拟合出K60值与俯冲深度的K-H关系式为：H=89.3（K2O）-14.3。有学者对K60值与俯冲深度关系做出约束，认为前式只适于岛弧岩浆岩（K60值不高于2.5），同时不能应用于超过42 km的地壳厚度[5]。据上述K-C式，该区域当时中天山地壳厚度小于42 km，雅满苏组中部和西部K2O平均值分别为1.63和1.29，均小于2.5，故据K-H表达式得出雅满苏组中部与西部火山岩对应俯冲深度分别为131.37 km和101.12 km（图8-b），反映当时雅满苏组中部俯冲深度较西部深。另雅满苏组西部火山岩全碱含量大于中部，也佐证二者处于同一构造背景下不同构造阶段，暗示当时雅满苏组处于一个较成熟的岛弧环境[4]。

5.2.3  闭合速率

Miyashiro认为不同俯冲带闭合速率会引起火山岩系列发生变化[21]，闭合速率越慢，火山岩越偏碱性。雅满苏组岩石系列组合为拉斑+钙碱性组合，早石炭世雅满苏组为中-高速俯冲，处于俯冲作用的早期阶段，且地壳是富含长英质的大陆型地壳[22]，可近似地认为其为成熟岛弧或比成熟岛弧演化更高阶段[23]。

5.2.4  火山作用时限

该带雅满苏组火山岩地层西部、中部存在明显差异，那么火山作用时限上是否存在区别？据前人LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果[8]，觉罗格塔格构造带雅满苏组东部、中部和西部的火山岩喷发时限依次为348 Ma、335.9 Ma和334 Ma，显示整体形成于早石炭世，且存在自东部向西部，火山岩年龄越年轻趋势，暗示中部较西部更成熟的岛弧环境，俯冲作用更强，诱发岩浆作用导致火山喷发。

总体来说，早石炭世觉罗塔格地区为接受稳定沉积的被动大陆边缘，洋盆内海水盐度正常，水体温度正常，为波动较弱的浅海环境，发育造礁珊瑚及壳刺的腕足动物等古生物，并形成一套含生物碎屑的碳酸盐岩夹碎屑岩建造（图9-a），即雅满苏组的第一、第二岩性段;早石炭世晚期，天山洋脊开始活动，带动洋壳进行俯冲，由于俯冲板块非正向俯冲，自东向西存在俯冲角度、俯冲深度及俯冲速率差异，造成觉罗塔格区域中段较西段俯冲作用更强，地壳增厚尺度更大，并先诱发火山作用的“剪刀式”俯冲机制（图9-d），随后洋盆持续闭合，最终形成中、西部岩性存在差异的安山质海相火山岩沉积建造，即雅满苏组（图9-c）。

6  结论

（1）东天山觉罗塔格构造带早石炭世早期处于浅海沉积相，水体环境平稳，早石炭世晚期构造环境突变，由稳定沉积环境向洋盆闭合，洋壳俯冲的岛弧环境转化。

（2）地球化学特征显示，雅满苏组火山岩为高K2O、Al2O3，低TiO2的钙碱性安山质岩石，富集Rb，Ba，Th元素、亏损Nb，Ta，Zr元素，与典型岛弧岩浆岩相似，且西部与中部存在一定差异。

（3）觉罗塔格构造带雅满苏组中部相比西部处于更成熟的岛弧环境，中部俯冲深度和地壳厚度均大于西部，结合火山作用时限，暗示东天山俯冲作用中东部早于西部，且俯冲作用更强烈。

致谢：本次古生物鉴定由中科院南京古生物研究所廖卓庭研究员完成，在此致以诚挚的感谢。

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Characteristics of Paleontology and Petrogeochemistry of Yamansu Formation in Jueluotage Tectonic Belt of Eastern Tianshan，

and its Tectonic Significance

Gao dan1，2，Zhang bowen1，2，Zhu zhixin3，Li ping3，Zhao tongyang3

（（1.Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，83000，China;2.Continental Dynamics and Metallogenic Prediction

Laboratory of the Central Asian Orogenic Belt，Urumqi，Xinjiang，830046，China;3.Geological Research

Academy of Xinjiang，Urumqi，Xinjiang，830046，China）

Abstract： The Yamansu Formation is an important set of volcanic strata in the early carboniferous in the jairotag tectonic belt of the Eastern Tianshan Mountains.Based on the study of Paleontology and Geochemistry of volcanic rocks in this formation，it is concluded that （1） the Fossils in the lower part of the Yamansu formation are reef-building corals and crustaceans，showing a warm， normal salinity and weakly fluctuating shallow sea environment;（2）the volcanic rocks in the upper member of the Yamansu formation are calc-alkaline andesic rocks with the characteristics of mature island arc rocks and show that the western and middle parts of the volcanic belt are in different tectonic stages of the same tectonic background;（3）in the late early carboniferous，the subduction in the middle part of the Tianshan ocean in this region was stronger than that in the western part， and the subduction depth was deeper.Generally speaking， the jairotag tectonic belt was transformed from passive continental margin to a mature island arc environment formed by scissor subduction in the early carboniferous geotectonics.

Keywords： Jueluotage;Yamansu formation;Paleontology;Geochemistry;Scissors dive