新疆西昆仑独尖山地区新生代火山岩地球化学特征及其构造意义

2023-01-12郑春波李芝荣袭著鹏于森万全政邹键

山东国土资源 2022年12期

郑春波，李芝荣，袭著鹏，于森，万全政，邹键

(1．平度市自然资源局，山东青岛 266700；2．山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

0 引言

新疆西昆仑独尖山地区地处青藏高原西北缘，位于康西瓦断裂带与阿尔金断裂带和东昆仑断裂带的交会处[1-7]，其大地构造位置特殊，新生代以来的构造活动和火山活动强烈[8-13]，为研究新生代以来青藏高原的岩石圈演化、印度板块的影响范围、欧亚板块对青藏高原构造格局的影响等科学问题提供了理想场所。目前已发现有黑石北湖、阿克苏、泉水沟、阿什库勒等火山岩区，学者们普遍认为青藏高原西北缘新生代火山岩具有相似的地球化学性质，一般表现为高度富钾，相对富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损重稀土元素和高场强元素，说明火山岩在形成过程中可能经历过多次富集，并且有部分地壳端元的加入[8,14-16]。但是对火山岩岩浆来源及其动力机制一直存在较大争议，主流观点包括软流圈上涌[17-18]、地壳部分熔融[19]、岩石圈地幔拆沉作用[20-21]和俯冲板片混杂岩[22]。

本文依托“新疆西昆仑温泉—独尖山一带1∶5万四幅区域地质调查”项目，在野外地质调查的基础上，对西昆仑独尖山地区第四纪乌鲁克库勒组火山岩进行详细的岩石学、岩相学、岩石地球化学研究，探讨该火山岩的源区性质、深部过程和成岩方式，为进一步论证青藏高原碰撞后的隆升机制提供更多的地质学依据。

1 区域地质背景

研究区位于青藏高原西北缘，西昆仑造山带东段，东西昆仑结合部位(图1a)，区内物质组成和构造样式十分复杂，呈现出多层次、多样式、多机制、多阶段的构造演化和变形特点。研究区最早有地质记录的是晚石炭世-早奥陶世花岗闪长岩岩片，其后依次发育了二叠纪硫磺达坂砂岩组、二叠纪卡拉勒塔什群、中二叠世卡拉孔木组、中二叠世黄羊岭组、三叠纪巴颜喀拉山群、中三叠世西长沟组、三叠纪阿塔木帕下组等地层。零星发育早二叠世辉长辉绿岩、晚三叠世—早侏罗世二长花岗岩—石英闪长岩。自侏罗纪开始，区内进入陆内构造演化阶段，发育新近纪(玄武)安山岩、火山集块岩，晚更新世玄武岩和第四纪冰碛、冲洪积等松散沉积(图1b)[23-24]。

a：Ⅰ—塔里木陆块；Ⅱ—铁克里克断隆带；Ⅲ—北昆仑早古生代岩浆弧带；Ⅳ—中昆仑微陆块；Ⅴ—南昆仑晚古生代残弧带；Ⅵ—巴颜喀拉晚古生代-中生代边缘裂陷盆地；Ⅶ—甜水海-北羌塘陆块群；Ⅷ—喀拉昆仑-南羌塘陆块；Ⅸ—明铁盖地块；①—铁克里克北缘断裂；②—柯岗断裂；③—库地-其曼于特蛇绿构造混杂岩带；④—苏巴什-柳什塔格蛇绿构造混杂岩带；⑤—康西瓦-木孜塔格蛇绿构造混杂岩带；⑥—郭扎错-西金乌兰湖-金沙江结合带；⑦—龙木错-双湖结合带；⑧塔阿西-岔路口构造混杂岩带。b：1—第四纪现代冰川；2—第四纪冲洪积堆积物；3—第四纪乌鲁克库勒组安山质、玄武质火山岩；4—三叠纪巴颜喀拉山群岩屑砂岩、粉砂岩；5—三叠纪阿塔木帕下组砾岩、砂岩；6—二叠纪黄羊岭岩群凝灰岩、板岩、碎屑岩；7—二叠纪卡拉勒塔什岩群；8—二叠纪硫磺达坂砂岩；9—二叠纪再依勒克组碎屑岩；10—石炭纪龙门沟组灰岩；11—震旦纪柳什塔格玄武岩；12—古元古代双雁山片岩；13—前寒武纪再依勒克黑云花岗闪长岩；14—志留纪硫磺达坂斑状黑云英闪岩；15—志留纪硫磺达坂黑云英闪岩；16—三叠纪二长花岗岩；17—橄榄岩；18—辉绿岩脉；19—逆断层及产状；20—正断层及产状；21—地质界线；22—层理产状；23—片理产状；24—采样点及编号图1 新疆西昆仑独尖山一带大地构造位置图(a据文献[24]及地质简图(b))

根据《新疆维吾尔自治区岩石地层》(2012版)，将1∶25万伯力克幅区调阿什库勒火山岩与阿塔木帕下火山岩厘定为第四纪乌鲁克库勒组[25]，其分布于西昆仑中央地层小区东部乌鲁克库勒(湖)一带，木孜塔格地层小区西部阿塔木帕下一带，火山岩分布总面积约251km2，部分火山锥保存完好，个别锥体相对高度达150m，锥体直径约6km，火山口直径200m，锥顶呈深达50m的漏斗状负地形。下伏地层关系不明，未见上覆地层。主要岩石类型为辉石安山岩、玄武质浮岩及少量安山岩，并含少量砂岩、片麻岩捕虏体，最大厚度约100m。

2 火山岩地质及岩石学特征

2.1 地质特征

研究区乌鲁克库勒组出露于北部阿克苏河西侧，出露面积约50km2，可识别的火山口、火山锥或子火山有数十个，形态保存完好的有十余处，航片及卫星照片上马蹄形、环形的火山清晰可见(图2a)。火山熔岩顺沟流淌，受河流切割形成熔岩阶地(图2c)。根据火山岩分布范围，研究区内乌鲁克库勒组火山岩分为阿塔木帕下火山岩区和阿什库勒火山岩区。

a—阿什库勒火山岩影像特征；b—阿塔木帕下火山口宏观特征；c—熔岩阶地特征；d—乌鲁克库勒组(Qw)不整合于三叠纪花岗岩(T3ηγ)；e—杏仁状玄武岩野外特征；f—气孔状玄武岩野外特征；h—紫灰色气孔状玄武岩镜下特征(Px—辉石)(正交偏光)；i—灰黑色气孔状玄武岩镜下特征(Cc—方解石)(正交偏光)；j—杏仁状安山玄武玢岩镜下特征(正交偏光)图2 独尖山地区乌鲁克库勒组火山岩特征

阿塔木帕下火山岩区主要分布于阿特塔木达坂南一带，火山岩多位于盆地及河沟两侧，为侵蚀切割区，火山熔岩流沿克里雅河流动，局部可达数十千米，局部被进一步切割成黑色阶地，规模相对较大。该火山岩区分布有5处火山口，火山锥一般均遭破坏，熔岩层的表部和火山口附近常形成了较多的浮岩及火山渣(图2b)，岩性以爆发相凝灰质(角)砾岩、火山渣及溢流相玄武岩、玄武安山岩为主，此外在阿塔木帕下火山岩中含大量花岗岩捕虏体(图2d)。

阿什库勒火山岩主要分布于北部阿什库勒盆地一带，研究区内分布有4处火山口，火山活动方式以中心式喷发为主，火山集块等火山碎屑(呈紫红色、暗紫色，渣状)堆于火山口附近，形成最高近200m的火山锥，火山锥之外为大面积分布的熔岩被，地貌总体较平坦，熔岩流沿一定方向流动，形成高地，规模较大。岩性以爆发相凝灰质(角)砾岩、火山渣及溢流相玄武岩、玄武安山岩、浮岩为主，局部发育浅火山岩相玢岩。

2.2 岩石学特征

2.2.1 灰黑色气孔状玄武岩

灰黑色，斑状结构，间粒间隐结构，岩石由斑晶(1%～2%)和基质(≥98%)组成，斑晶主要为斜长石和辉石，粒径0.55～1mm，基质主要由斜长石(约占73%)和玻璃质(约占24%)组成，少量辉石(微量)和磁铁矿(约占3%)等，较自形的斜长石板条组成的不规则格架中充填玻璃质和少量辉石、磁铁矿等，构成间粒间隐结构。岩石发育气孔构造，气孔呈椭圆状或不规则状，孔径<18mm(图2f、图2i)，部分气孔充填方解石和少量石英、长石等。

2.2.2 紫灰色气孔状玄武岩

紫灰色，斑状结构，间粒间隐结构，岩石由斑晶(1%±)和基质(99%)组成。斑晶为辉石，半自形柱状，粒径0.6～0.9mm，具轻微的绿帘石化。基质由微晶斜长石(约占88%)、辉石(约占5%)、磁铁矿(约占2%)和玻璃质(约占4%)组成，较自形斜长石板条组成的不规则格架中充填细小的辉石和磁铁矿以及隐晶质，构成间粒间隐结构，基质具极其轻微的绿帘石化和绢云母化。岩石发育气孔构造，气孔呈椭圆状或不规则状，孔径<5mm(图2e、图2h)。

2.2.3 黑灰色杏仁状安山玄武玢岩

黑灰色，斑状结构，基质填隙交织结构，块状、杏仁状构造，岩石主要由斜长石、纤闪石、透辉石、铁质物组成。斑晶(10%～15%)以斜长石为主，呈半自形板状，粒径0.2～2mm，为中基性斜长石；纤闪石(<3%)呈柱粒状，系原岩中的角闪石次变形成；透辉石含量极少，呈等轴粒状，粒径<0.05mm，斑晶矿物杂乱散布。基质(>60%)以斜长石为主，呈细小的微晶状，板条状杂乱分布，分布均匀，其间分布有铁质物，呈填间结构，铁质物呈微晶粒状，粒径<0.05mm,均匀分布，有零星细小的透辉石散布。杏仁体(25%～30%)形状不规则，多呈次圆状，粒径0.5～4mm不等，充填物大部分已淋失，仅是有极少的碳酸盐矿物残留，多呈孔洞状，杂乱散布(图2j)。

3 岩石地球化学特征

本次研究样品均采自地质剖面和主干路线，选择具有代表性的新鲜岩石进行岩石地球化学分析，共计5件样品，其中阿塔木帕下火山岩区2件，阿什库勒火山岩区3件，岩性均为玄武岩。样品主量、微量和稀土元素的测试工作由核工业新疆理化分析测试中心鉴定完成。主量元素利用Axiosm Ax型原子吸收分光光度计进行测试，FeO由氢氟酸、硫酸溶样，采用重铬酸钾滴定的容量法进行测试，误差≤2%；微量和稀土元素利用NexION 350X型电感耦合等离子质谱仪及ICAP6300型电感耦合等离子原子发射仪完成，误差≤5%，分析结果见表1、表2。

表1 乌鲁克库勒组火山岩主量元素分析结果表单位：%

表2 乌鲁克库勒组火山岩微量元素分析结果表单位：×10-6

3.1 主量元素特征

样品主量元素分析结果见表1，表中数据为去除烧失量后进行归一化处理的数据，从分析结果上看，与中国同类玄武岩、安山岩的平均化学成分[26]相比，岩石SiO2、FeO、CaO、K2O、P2O5含量较高，Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O偏低，TiO2介于玄武岩与安山岩之间。

样品碱总量为6.31%～7.10%，平均为6.63%，里特曼指数为2.22～2.67，平均为2.42，为钙碱性。N2O/K2O比值为0.71～0.79，平均0.76，属钾质系列。铁镁指数FM平均为81.81，反映出全铁占铁、镁总量的含量，即岩浆分离结晶作用程度较高。固结指数为8.27～14.36，平均为12.04，表明岩石是幔源岩浆经过分异或同化而成。铝质指数(A/CNK)为0.63～0.73，平均值为0.67，岩石属于偏铝质。在硅-碱TAS分类图中(图3a)，样品点均落入安山岩区；在AR-SiO2图解中，样品点均落入钙碱性区域(图3b)。

Pc—苦橄玄武岩；B—玄武岩；O1—玄武安山岩；O2—安山岩；O3—安山岩；R—流纹岩；S1—粗面玄武岩；S2—玄武质粗面安山岩；S3—粗面安山岩；T—粗面岩、粗面英安岩；F—副长石岩；U1—碱玄岩、碧玄岩；U2—响岩质碱玄岩；U3—碱玄质响岩；Ph—响岩；Ir—Irvine分界线，上方为碱性，下方为亚碱性图3 乌鲁克库勒组火山岩TAS分类图[27]和AR-SiO2图解[28]

3.2 火山岩微量元素特征

研究区火山岩样品微量元素特征见表2。从表中可看出，乌鲁克库勒组火山岩微量元素与中国大陆岩石圈化学元素丰度值[29]相比，B、F、Sr、K、Rb、U、Th、Ba、Re、Nb、Ta、P、Zr、Hf、Ti、Li、Be、Pb等元素较高，为富集型，平均含量多为大陆岩石圈丰度值的1～2倍，元素F、Ba、Nb、Zr、Hf、Ti、Ni、Cr、Li、Be、Pb尤为富集，普遍为大陆岩石圈丰度值的2倍以上，其中大离子亲石元素Ba达到74.73倍。Ni、CR等元素贫化，显示亏损状态。

从微量元素原始地幔标准蛛网图(图4a)中可看出，火山岩标准化分布型式呈向右缓倾曲线，右端近平直。大离子亲石元素Ba等元素呈峰值，显示富集；高场强元素Nb呈槽，Th、U呈峰，反映区内玄武岩与陆壳有密切关系，受地壳物质混染作用明显。

3.3 火山岩稀土元素特征

研究区火山岩样品稀土元素特征见表3。与中国大陆岩石圈化学元素丰度值[29]相比，14种元素均表现为富集。乌鲁克库勒组火山岩稀土总量∑REE平均值807.86×10-6，轻稀土总量LREE平均值为774.30×10-6，重稀土HREE平均值为33.56×10-6，轻重稀土比值∑LREE/∑HREE介于21.32～25.39，平均值为23.04，表明火山岩轻、重稀土分异较大；LaN/YbN介于56.74～74.50，平均值63.64。曲线向右陡倾，富LREE。δEu异常不明显。从稀土元素球粒陨石标准化图解(图4b)中看出，曲线向右陡倾，表现为左高右低，轻稀土斜率较大，重稀土微倾斜状，反映出轻稀土具明显的分馏特征，重稀土分馏不明显。

图4 研究区火山岩微量元素原始地幔标准蛛网图(a)和稀土元素配分曲线图(b)[30]

表3 乌鲁克库勒组火山岩火山岩稀土元素分析结果表单位：×10-6

4 讨论

4.1 形成时代

关于西昆仑第四纪乌鲁克库勒组时代前人已作了一些工作，刘嘉麟等[9]在阿什库勒火山岩区获得最老的火山岩年龄，其K/Ar年龄为2.8Ma；邓万明[8]在乌鲁克库勒湖北部获得一个热释光年龄为(7.4士0.4)万年，认为该处火山岩可能在最近1万年内还有过喷发活动。邓万明[14]在阿克苏河一带火山岩下部烘烤层中获得的热释光年龄为(0.56±0.034)Ma，显示火山活动时间应为中更新世。

4.2 岩浆来源

在同位素地球化学研究中，Sr和Nd两种同位素的结合使用，比蛛网图的形式更能直观地表达岩石中成因的大量信息。研究区火山岩样品Sr-Nd同位素分析结果见表4，从表中数据可以看出，样品87Sr/86Sr值为0.708～0.711，平均为中等偏高的玄武岩；εNd值为-3.9～-7.8，具有较大的负值，说明研究区火山岩中有地壳物质的加入。

表4 研究区火山岩样品Sr-Nd同位素分析结果表

样品Sr、Nd同位素成分投影如图5a，投影点均落入EMⅡ的范围之内，EMⅡ被普遍认为是俯冲后再循环的大陆壳物质与地幔岩发生混合作用的产物，结合样品主、微量元素特征，笔者认为，研究区第四纪乌鲁克库勒组火山岩源区应属于轻稀土元素富集的一种壳幔混合地幔。

a—DMM-亏损地幔；EMⅠ—富集Ⅰ型地幔；EMⅡ—富集Ⅱ型地幔；HIMU—异常型地幔；BE—地球总成分；PREMA—普通地幔b：Ⅰ—大洋玄武岩，Ⅱ—大陆裂谷型玄武岩、安山岩，Ⅲ—岛弧造山带玄武岩、安山岩；c：A—N型MORB；B—E型MORB；C—碱性板内玄武岩；D1—岛弧拉斑玄武岩；D2—岛弧钙碱性玄武岩图5 乌鲁克库勒组火山岩样品Sr-Nd同位素投影图(a)[31]、ATK图解(b)[34]、Th-Ta-Hf构造环境判别图解(c)[35]

4.3 构造环境分析

研究区乌鲁克库勒组火山岩为一套火山熔岩、火山碎屑岩建造，火山熔岩以玄武岩、玄武质安山岩及安山岩为主。在ATK图解中(图5b)，样品均落入Ⅱ区(大陆裂谷型玄武岩)；在玄武岩Th-Ta-Hf/3构造环境判别图解中(图5c)，均落入岛弧钙碱性玄武岩区，指示研究区新生代火山岩可能形成于大陆岛弧环境。

研究区新生代乌鲁克库勒组火山岩与青藏高原北缘新生代火山岩基本一致，属钾玄岩系列，岩浆源深达地幔，而且岩石在形成过程中受到大量地壳物质的混染，但大部分是下地壳的物质，地幔提供了使其熔融的能量。结合区域地质及大地构造背景[31-33]，青藏高原北缘新生代火山岩空间上比较明显分布于三叠纪巴颜喀拉山群的两侧，而巴颜喀拉山群是晚古生代残留洋盆中堆积的巨厚复理石，是由于冈瓦纳大陆裂解板块向北强烈挤压残留的古特提斯洋体系，残留洋壳发生被动的再俯冲，同时携带了部分巴颜喀拉山群在深部熔融的产物。新生代火山岩实际上是这种作用的继续，新生代以来，青藏高原处在北侧塔里木板块、南侧印度板块，东侧的扬子板块的围限之中，由于印度板块的碰撞及北向俯冲，同时受到北部塔里木板块和东部扬子板块的阻挡，形成了以南北向的构造压应力为主、同时受到几个方向阻挡的构造格局，在这种格局中，边缘动力通过远程效应施加于原特提斯体系，残留的洋壳再也不能被容纳于大陆板内而发生向南北两侧的(陆内)俯冲，从而形成了具有大陆岛弧特点的新生代火山岩。