伊宁地块阿腾套山阿克沙克组下段碎屑锆石年代学及物源分析

周艳龙 李永军 王祚鹏 杨高学 常好营 高吉鹏 王伟宁

摘  要：伊宁地块阿腾套山一带石炭系，是西天山造山带盆地演化和造山过程的重要物質记录，区内多数碎屑岩段化石难觅，地层时代及区域对比多有争议。为查明阿腾套山中部大套碎屑岩时代、物源及源区特征，合理划分地层归属与区域对比，通过对含砾凝灰岩质粗砂岩进行LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年实验，综合岩相学、锆石阴极发光图像与年龄谱特征，得出：①阿腾套山中部出露的大套碎屑岩最年轻年龄为（325±5） Ma，指示沉积时代不早于325 Ma，对比划归早石炭世阿克沙克组下段;②该碎屑岩为近源火山-岩浆岩风化后快速堆积，物源为盆地南缘大哈拉军山组火山岩及早石炭世侵入岩，部分碎屑源于南侧的那拉提构造带;③碎屑锆石佐证伊宁地块南缘古生代至少存在3期主要火山-岩浆事件，集中于393～370 Ma、365～350 Ma、345～325 Ma，早石炭世晚期阿克沙克组沉积时该区可能仍存在火山活动。

关键词：伊宁地块;阿腾套山;阿克沙克组;碎屑锆石;U-Pb测年

天山造山带位于中亚造山带西南缘[1-2]，是晚古生代重要碰撞造山带和典型增生型造山带，由大量岛弧、海山、蛇绿岩带、增生楔、洋底高原及微地块等组成[3-16]。伊宁地块是位于中国境内天山山脉最西段的一个独特的构造带（图1-a），西邻哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦共和国，东缘达河源峰之西，是一个被北界NWW向博罗科努断裂和南界NEE向那拉提北缘断裂围限的近三角形区域[17]。其南、北各有早古生代叠加岛弧带与准噶尔板块南缘和塔里木板块北缘相接，具复杂的构造演化史[17-18]。

晚古生代地层是伊宁地块主体，区内发育有泥盆—二叠系，以石炭系（含少量上泥盆统）最发育[17]。石炭纪火山-沉积地层主要由早石炭世大哈拉军山组弧成因钙碱性火山岩、阿克沙克组海相碳酸盐岩与碎屑岩及晚石炭世伊什基里克组板内裂谷双峰式火山岩、东图津河组海陆交互相碎屑岩、泥灰岩和科古琴山组海陆交互相厚层砂砾岩等山前磨拉石建造组成。其中，大哈拉军山组与阿克沙克组间接触关系为沉积相不连续，阿克沙克组与伊什基里克组间呈角度不整合[18-19]。上述石炭纪火山-沉积建造是伊宁地块内造山带形成、演化的重要物质记录及直接信息载体。

伊宁地块阿腾套山一带断层发育，近EW、NW向断裂将地层错切成断块状（图1-b），植被覆盖严重。笔者们野外调研期间，在阿腾套山中部发现一大套海陆过渡相碎屑岩，岩石组合主要为细砾岩、含砾凝灰质粗砂岩、杂砂岩、长石岩屑砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质岩。该碎屑岩与上覆、下伏地层间接触关系不明确（图2），未发现化石，难以判断其究竟是阿克沙克组碎屑岩段，还是科古琴山组？为地层划分对比及后续深入研究带来很大难度。研究表明，锆石具极高矿物稳定性和U-Pb封闭温度，富U，Th，贫Pb，抗后期影响能力强，因此，锆石为年代学测试首选矿物对象[20-21]。碎屑锆石为蚀源区信息直接载体，对限定地层时代、揭示沉积物源区具得天独厚优势[22]。笔者们对阿腾套山中部出露的大套碎屑岩进行野外地质调查、岩相学研究，选择其中含砾凝灰质粗砂岩采样进行LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年。通过分析年龄谱特征，结合前人研究成果，精确限定该碎屑岩时代，探讨沉积物来源、沉积环境，为西天山造山带的形成与构造演化提供相应的时代依据。

1  地质概况及岩石学特征

阿腾套山位于伊宁地块西部中段，呈NE向隆起， 北、西、南缘被低缓的新生代盆地覆盖，南东缘被特克斯河床沉积物掩埋（图1-b）[23]。阿腾套山东缘、南缘分布有前石炭纪变质岩。东缘有中元古代长城纪特克斯岩群、蓟县纪科克苏岩群，新元古代青白口纪变质岩分布;南缘为古元古代木扎尔特岩群，志留纪巴音布鲁克组变质岩[24]。阿腾套山一带断裂极发育，地层间接触关系较复杂。该区石炭系与伊宁地块石炭系组成特征基本一致，主要有大哈拉军山组火山岩、阿克沙克组碳酸盐岩与碎屑岩、伊什基里克组火山岩。

阿腾套山中部发育大套海陆过渡相碎屑岩，整体北倾，宏观层理显著，倾角40°～50°，出露厚约400 m。岩石组合主要为细砾岩、含砾凝灰质粗砂岩、杂砂岩、长石岩屑砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质岩（图2）。碎屑岩下部岩石组合主要为中砂岩、粗砂岩、含砾凝灰质粗砂岩，发育块状层理、递变层理等沉积结构，垂向上具向上变粗、变厚特征，属扇三角洲相沉积。碎屑岩段上部岩石组合主要为长石岩屑砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质岩，发育交错层理、大型斜层理、平行层理（图3-a），垂向上向上变细、变薄，较下部水体变深，为三角洲前缘相向滨海相过渡环境。总体上本套碎屑岩成熟度较低，磨圆和分选较差，与上、下地层接触关系不明确，碎屑岩中未发现古生物化石。

样品采自阿腾套山中段剖面AA′第5层（图2），系前文所述碎屑岩下部层位（图3-b～f），岩性为含砾凝灰质粗砂岩（图3-b～f）。含砾凝灰质粗砂岩风化面呈浅红褐色，新鲜面呈浅灰褐色，碎屑结构（凝灰质结构）， 层状构造，泥质、铁质胶结。碎屑由火山碎屑物及陆源碎屑组成;火山碎屑主要为火山灰、岩屑（图3-d）、晶屑;陆源碎屑以岩屑、石英、长石为主（图3-f）。碎屑物分选、磨圆较差。其中，砾石（10%）多呈次棱角状-棱角状，粒径0.2～5 cm，大者10～15 cm，分选、磨圆较差，以火山岩碎屑及中酸性侵入岩（正长花岗岩砾石）为主（图3-c，d）;岩屑（35%）成分复杂，以火山碎屑为主，沉积岩屑次之，磨圆、分选较差，粒径0.15～1 mm;长石（8%）镜下特征较明显，多发生蚀变，粒径0.2 mm左右;石英（20%）呈次棱角状，粒径小于0.25 mm;填隙物（25%）粒度极细，以火山灰、粉砂、粘土为主;胶结物为泥质、铁质。总体而言，镜下显示该含砾凝灰质粗砂岩碎屑颗粒棱角明显，大小混杂，成熟度较低，指示可能为火山碎屑物落入水盆地，与泥沙、岩屑、砾石等正常沉积物参杂在一起快速堆积成岩。

2 碎屑锆石分析方法及结果

2.1   测试方法

碎屑锆石前期制备工作（分选、制样和阴极发光拍照）由西安瑞石地质科技有限公司完成。LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年实验在中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。实验采用GeoLas Pro激光剥蚀系统，ICP-MS为Agilent 7700x。激光剥蚀过程以氦气（0.800 L/min）为载气，氩气为补偿气调节灵敏度。

数据采集方式为跳峰，每完成6个样品测试，插入标样1次，以保证分析结果调试的准确性。数据处理采用软件Glitter4.4完成[25]，详细仪器参数和分析过程见文献[26]。U-Pb同位素定年中采用标准锆石91500为外标对同位素分馏校正，标样Plesovice为监控盲样，监测实验过程的稳定性。锆石U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算借助Isoplot/Excel 3完成[27]。锆石微量元素含量以参考标样 NIST610为外标、29Si为内标定量计算。NIST 610玻璃的元素含量推荐值详见GeoReM数据库（http：//georem.mpch-mainz.gwdg.de/）。

2.2   锆石特征及测试结果

在含砾凝灰岩质粗砂岩样品中共挑选300粒锆石，避开包裹体、裂隙，对其中80粒锆石进行LA-ICP-MS年代学测试分析，获得有效数据80组（表1），符合年龄分析统计要求[22，28]。阴极发光（CL）图像显示（图4），锆石晶体长轴100～300 μm，长宽比1∶1～4∶1。据锆石晶型特征，挑选锆石中具磨圆、搬运特征的陆源碎屑锆石约15%，未经磨圆或近距离搬运等晶型较好的火山-岩浆碎屑锆石约85%。

实验选择晶型较好的25粒锆石，用于年代限定的锆石均具清晰、均匀的岩浆结晶环带，多呈自形-半自形柱状、等轴状，不规则棱角状，棱角鲜明，磨圆度差，暗示锆石主要为火山尘、极近源的火山岩、岩浆岩碎屑所携带。碎屑锆石携载了大量源区直接信息，对判断源区具独特的指示作用。本文选择55粒具磨圆特征的锆石分析。陆源碎屑中锆石经一定距离搬运，锆石粒度相对较小，长宽比1∶1～2∶1，晶型多呈次圆状-次棱角状-短柱状，总体磨圆较差，指示碎屑物靠近源区或以岩屑形式搬运沉积。该特征与显微镜下观察到的碎屑颗粒差的分选性、磨圆度一致。少部分锆石呈浑圆状，内部结构较复杂，表明经一定距离搬运沉积。207Pb/235U-206Pb/238U谐和图中（图5-a），数据均落于谐和线附近，显示良好的谐和性和较高的可信度。锆石年龄频率直方图显示（图5-b），碎屑岩锆石206Pb/238U表面年龄为393～325 Ma，显示较窄年龄分布范围。年龄分布具3组年龄峰，分别为365～350 Ma主峰及345～325 Ma、393～370 Ma两个次年龄峰（图5-b）。其中，① 345～325 Ma有锆石15粒，占18.75%，略具磨圆，环带较发育，CL图像呈灰白色;② 365～350 Ma有锆石44粒，占55%，锆石粒度大，形态好，环带发育，CL图像呈灰-深灰色;③ 393～370 Ma有锆石21粒，占26.25%，锆石颗粒较小，环带不显著，CL图像呈深灰-灰黑色。其中，6号测点最年轻，锆石年龄325 Ma，CL图像呈灰白色，环带结构发育，Th含量123.1×10-6，U含量211.9×10-6， Th/U值0.58，判断为岩浆锆石，所测年龄为结晶年龄;16号测点获得最老年龄393 Ma，碎屑锆石呈次圆-次棱角状，阴极发光无明显分带，CL图像呈灰黑色，Th含量37.9×10-6，U含量60.5×10-6，Th/U值0.63，可能为变质岩碎屑再沉积锆石（表1）。

不同成因锆石具不同Th/U值及微量元素含量。本文所测碎屑锆石232Th含量24.4×10-6～430×10-6，238U含量29.4×10-6～493×10-6，Th、U含量呈正相关（表1）。Th/U值较高，0.38～1.53，其中测点70所得Th/U值最小为0.38，其它均大于0.4。测点63所得最大Th/U值为1.53，Th/U值显示典型岩浆成因锆石特征[29-31]。

3  讨论

3.1   阿腾套山中部碎屑岩形         成时代

阿腾套山一带石炭系火山-沉积建造与伊宁地块石炭系在组成、层序关系等特征基本一致[17，23]。地层由老至新为：大哈拉军山组、阿克沙克组、伊什基里克组、科古琴山组，东图津河组在本区未见出露。笔者们在野外调研时，在阿腾套山中部发现大套陆相-海陆过渡相碎屑岩与上覆、下伏地层间接触关系不明，岩性组合与伊宁地块广泛分布的早石炭世阿克沙克组碎屑岩及晚石炭世科古琴山组碎屑岩具较大相似性。该套碎屑岩中未见侵入岩体及古生物化石，时代归属问题为区域地层划分对比及后续深入研究带来很大难度。

通过对含砾凝灰质粗砂岩样品锆石U-Pb年龄測试，获得80组分布较连续的有效数据（图5-a，b），年龄分布具365～350 Ma的年龄主峰及345～325 Ma、393～370 Ma两个次年龄峰。其中： ① 345～325 Ma有15粒，占18.75%;② 365～350 Ma有44粒，占55%;③ 393～370 Ma有21粒，占26.25%。最年轻年龄325 Ma，代表了地层沉积时代不早于325 Ma，属早石炭世晚期。结合较年轻锆石阴极发光图像特征，此类锆石具鲜明棱角，均匀发育的灰白色结晶环带，高Th/U值（>0.4）特征（图5-c，d）。指示锆石为岩浆成因，所得年龄为锆石结晶年龄。年龄谱中未发现晚石炭世信息，据最年轻锆石年龄限定本套碎屑岩时代。综上，伊宁地块阿腾套山中部出露的大套碎屑岩沉积时代不早于325 Ma，属早石炭世晚期，确定为阿克沙克组碎屑岩段。

3.2   物源分析

伊宁地块阿克沙克组分布广泛，是区域上分割大哈拉军山组（下套火山岩）与伊什基里克组（上套火山岩）两套火山岩的一套正常海相碎屑岩-碳酸盐岩沉积，多与大哈拉军山组相伴产出[17]。前人对阿克沙克组开展大量研究，主要集中于地层层序、沉积相、沉积环境及沉积学、岩相学研究[32-37]。有关伊宁地块内阿克沙克组碎屑岩物源研究少有报道，陈有炘等认为温泉地区（伊宁地块之北）阿克沙克组碎屑物源区主要来自北天山下伏大哈拉军山组[38]，志留纪锆石属再循环沉积物携带，非南部乌孙山及那拉提山一带岩浆岩。但伊宁地块阿腾套山一带阿克沙克组碎屑岩是否也具上述物源特征？

本文样品含砾凝灰质粗砂岩野外及镜下显示碎屑物成熟度很低，碎屑成分多为火山岩碎屑。砾石成分主要以中酸性岩浆岩（正长花岗岩砾石）为主、火山质砾石次之（图3-c）。碎屑间隙中充填大量极细的火山灰，镜下呈粒度极细的黄褐色。碎屑锆石多具高Th/U值及明显的结晶环带（图4）。碎屑成分及锆石特征指示该地层物源主要来自火山岩区，低成熟度及结构成熟度表明为近源区快速堆积产物。火山灰填隙物暗示存在同期火山活动并为阿克沙克组供给了碎屑。

盆地陆缘碎屑物为区域构造背景控制下的蚀源区（或隆起区）与沉积盆地演化有机结合产物，记录了海陆变迁、盆-山耦合及演化历史[34]。沉积地层中碎屑锆石记录了地层沉积之前或同期物源区岩浆事件，能有效示踪沉积物潜在物源，讨论源区构造演化，反映盆地沉降与重要构造热事件间关系[40-43]。阿腾套山中部阿克沙克组碎屑岩岩石学和岩相学特征反映其属近源区快速堆积产物。据区域地质背景，伊宁地块阿克沙克组沉积时，南缘那拉提构造带经加里东造山带隆起成山，因此，分析物源区时，阿腾套山、乌孙山及更南的那拉提构造带火山岩、侵入岩自然为潜在物源区，碎屑锆石指示时代与此相关。前人研究表明，那拉提构造带古生代岩浆活动频繁，主要有早古生代—晚泥盆世（485～366 Ma）花岗岩和早石炭世（352～320 Ma）两期花岗岩类[58]。乌孙山一带火山-岩浆岩时代集中于362～344 Ma[44-47]，阿腾套山一带火山-侵入岩时代主要为355～338 Ma[17，23，48-54]。因此，阿克沙克组沉积盆地以南的主要地质建造时代与本文所述阿克沙克组碎屑锆石年龄存在极好的对应性，这一耦合关系表明那拉提构造带及北部大哈拉军山组是该组碎屑物的主要贡献者。阿克沙克组（345～325 Ma）的锆石晶形基本完好，环带均匀发育，指示为火山碎屑锆石，这类锆石晶形明显优于更早期的锆石晶形，说明阿克沙克组沉积时有近缘火山活动[51]。

综上，阿腾套山一带阿克沙克组碎屑岩物源：①以阿腾套山周缘大哈拉军山组火山岩及组内侵入岩为主;② 南部早古生代那拉提岛弧带及早石炭世晚期火山活动碎屑次之。该特征与伊宁地块之北温泉地区阿克沙克组物源明显不同[43]，物源模式表明，阿腾套山一带阿克沙克组碎屑岩沉积时，大哈军山组抬升被剥蚀为其贡献大量火山碎屑物。南部那拉提构造带火山-岩浆岩出露，地形呈南高北低，碎屑物得以搬运至沉积区。碎屑锆石记录了早石炭世晚期伊宁地块内仍残存火山作用，有火山物质加入沉积区。

3.3  构造-热事件

本文碎屑锆石U-Pb年龄分布具365～350 Ma主年龄峰，345～325 Ma及393～370 Ma次级年龄峰，年龄分布与伊宁地块阿腾套山及那拉提山岛弧带火山岩浆活动时代契合。笔者们认为，阿腾套山一带阿克沙克组碎屑岩物源主要来自下伏大哈拉军山组，南部早古生代那拉提岛弧带及早石炭世晚期火山活动碎屑为该组贡献了部分物质。

伊宁地块阿腾套山及南部那拉提岛弧带火山-岩浆活动频繁，呈多旋回特征[51-54，59-61]。含砾凝灰质粗砂岩碎屑锆石测年结果显示，阿腾套山及南部邻区在早石炭世晚期碎屑岩沉积前至少存在3期主要岩浆活动，分别集中于393～370 Ma、365～350 Ma及345～325 Ma。前人认为碎屑锆石在特克斯河流域及支流反映的早古生代岩浆活动主要集中在晚奥陶—晚志留世（460～420 Ma），晚古生代火山-岩浆在360～320 Ma较发育[61]。晚古生代火山-岩浆作用与本文锆石年龄分布特征对应较好。本文碎屑锆石年龄主峰（365～350 Ma）与卡因特木札尔特河一带碎屑岩锆石单峰（345 Ma）相似[61]，反映一期主要的岩浆作用，对应早石炭世伊宁地块南部与俯冲相关的岩浆岩（352～338 Ma）[48，51，54，56，62]及火山岩（361～352 Ma）[45，50]。本文345～325 Ma的锆石晶型基本完好，环带均匀发育，加之岩石中大量的火山沉积、火山碎屑，指示该时段伊宁地块南部局部存在火山活动，锆石为火山碎屑物所携带，揭露的火山-岩浆事件（346～338 Ma）与此相关[23，49，52，53]。393～370 Ma碎屑锆石，粒度较小，磨圆明显，环带不显著，指示经一定距离搬运，表明沉积盆地南部存在同期岩浆活动，该事件可能与南部那拉提山一带出露的晚泥盆世黑云母花岗岩（371.8 Ma）、志留紀片麻岩（399 Ma）、花岗岩（401 Ma）及二长花岗岩（（366±11） Ma））相关[58，61，64-65]。

伊宁地块南缘古生代至少存在3期岩浆事件，集中于393～370 Ma 、365～350 Ma、345～325 Ma。此3期岩浆事件区域上多已揭露，393～370 Ma岩浆事件主要集中于阿腾套山南部那拉提岛弧带;365～350 Ma岩浆事件发育程度较强，主要为与俯冲相关的火山-岩浆岩;345～325 Ma岩浆事件指示该时段伊宁地块局部仍残存火山活动。

4  结论

（1）阿腾套山中部含砾凝灰质粗砂岩中最年轻碎屑锆石年龄为（325±5） Ma，据此限定本地层沉积时代不早于325 Ma，属早石炭世晚期，该碎屑岩属阿克沙克组下段 。

（2）阿腾套山一带阿克沙克组碎屑岩中锆石具高Th/U值（0.38～1.53），环带发育，磨圆较差，表明其为近源火山-岩浆岩风化后快速堆积产物。物源主要以下伏大哈拉军山组火山岩及侵入岩为主，南侧那拉提岛弧带火山岩及早石炭世晚期火山活动形成的火山碎屑为其贡献了部分物质。物源供给特征与伊宁地块之北温泉地区阿克沙克组碎屑岩不同。

（3）阿腾套山阿克沙克组碎屑锆石年龄为393～370 Ma、365～350 Ma、345～325 Ma 3个年龄组，暗示伊宁地块阿腾套山及南部那拉提岛弧至少存在3期主要岩浆事件，与区域揭露的火山-岩浆活动契合较好。

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Detrital Zircon Geochronology and Provenance Analysis of the Lower Akeshake Formation in the Atengtao Mountain， Yining massif

Zhou Yanlong1， Li Yongjun1，2， Wang Zuopeng1， Yang Gaoxue1，2，Chang Haoying1，

Gao Jipeng1， Wang Weining1

（1.School of Earth Science & Resources， Changan University， Xian ，Shaanxi 710054，China;2.Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits，MLR，Xian，710054，China）

Abstract：The Carboniferous in the Atengtao Mountain， Yining massif， is an important material record of basin evolution and orogenic process of the Western Tianshan orogen， fossils in the clastic rocks are hard to find， so the sedimentary age and regional correlation of the strata are highly controversial. This paper aimed to clarify the sedimentary age， the source of detrital material and source characteristics of the clastic rocks that found in the Atengtao Mountain and to divide stratigraphic attribution and regional correlation reasonably. LA-ICP-MS detrital zircon U-Pb  dating of Conglomeratic tufaceous coarse sandstone shows that the detrital zircons have relatively narrow and  successive range of zircon ages from 393 to 325 Ma， which could be divided into 3 groups：the main age peak at 365～350Ma， the secondary age peaks at 345～325 Ma and 393～370 Ma. Based on the detrital zircon dating result， combined with the petrography， cathodoluminescence image and age spectrum， we conclude that：（1） The youngest detrital zircon age is （325±5） Ma， suggesting the sedimentary age is not earlier than 325 Ma， and this clastic rocks could be classified into the lower Early Carboniferous Akeshake Formation; （2） This clastic rocks are rapidly accumulating near source volcanic-magmatic rocks， the main provenance of clastic material is the Early Carboniferous intrusive and the Dahalajunshan Formation volcanic rocks in the southern margin of the basin， the Nalati structural belt and late Early Carboniferous volcanic clastics in the south also contributes to the material. （3） The results show that there are at least three major volcanic magmatic events in the southern margin of Yining massif during Paleozoic， which are concentrated in ca.393～370 Ma， ca.365～350 Ma， ca.345-325 Ma. Volcanic activity still existed in the Yining massif during the deposition of the late Early Carboniferous Akeshake Formation.

Key words：Yining Massif;Atengtao Mountain;Akeshake Formation;Detrital zircon;U-Pb dating