新疆西天山石炭紀火山巖成因探討

新疆西天山廣泛出露石炭系火山巖和沉積巖（大哈拉軍山群），以流紋巖、粗面巖、粗面安山巖、中酸性黑巖和少量玄武巖為主體。它由上流紋巖、粗面巖、黑巖砂巖、石灰巖透鏡體、底部玄武巖、粗面安山巖和山地角礫巖組成，最大厚度為7500m。在以往的研究中，這是一起與造山后褶皺巖漿有關的火山巖。最近，一些科學家認為，這座火山巖是與地幔柱有關的大火山巖省。主要原因是火山巖分布廣泛，基性玄武巖具有正nd值（“考慮到私家車事故后，巖屑巖的含碳量很大，體積很大。作者懷疑其母巖的峰值可能來自當時的舊軟流圈地幔柱。根據文獻，這是基于這種火山巖。此外，以往的火山巖固定年份主要基于ar-ar和k-ar方法。例如，西天山西部特克斯林場附近的次火山巖（輝長山）的39-40年生高度為326ma。西天目以東阿尤拉拉山脈的巖屑巖和次火山巖的年齡分別為39年和40年。k-ar，西天目。本文報道了這座火山巖中第一個獲得的鋯粉巖氧化物年齡，結合成分和地球化學的研究，以及西南部山區巖屑巖和巖漿的大地構造環境。1火山-沉積建造伊犁-中天山板塊呈楔形向東尖滅,在其南北兩側均發育古生代造山帶.天山主干斷裂是伊犁板塊與其北部造山帶的邊界,尼古拉耶夫線是伊犁板塊與西南天山造山帶的分界線(圖1(a)).沿天山主干斷裂出露牙曼蘇組火山-沉積巖,沿尼古拉耶夫線出露大哈拉軍山組火山-沉積巖.雖然大哈拉軍山組火山-沉積建造覆蓋在元古宙或志留系變質巖上,但沉積物的性質差別很大.在西南天山地區,火山活動強烈,形成了巨厚的火山-沉積建造.石炭紀火山活動向東逐漸減弱直到消亡,取而代之的是海陸交互相的磨拉石建造.在西南特克斯-昭蘇縣一帶,大哈拉軍山組主要由流紋巖、粗面巖、粗面安山質凝灰巖、粗面安山巖、輝石安山玢巖夾凝灰角礫巖組成,以角度不整合(或者呈斷裂接觸關系)覆蓋在上志留統阿克牙子組之上.在西天山西段昭蘇南部地區,該套火山巖不整合覆蓋在含榴輝巖的藍片巖帶上(昭蘇幅1︰20萬區域地質調查報告,1978).在新源縣南部的那拉提山北坡,大哈拉軍山組火山-沉積建造不整合覆蓋在震旦系特克斯群變質巖上(或者呈斷層接觸關系).火山巖和碎屑巖-碳酸巖的厚度各占一半,形成間歇式火山噴發-海陸交互相沉積盆地.在西天山東段巴侖臺-莫托薩拉地區(位于圖1(a)東部之外),早石炭世的沉積為馬鞍橋組的磨拉石建造(缺失火山巖),以角度不整合覆蓋在元古宙巴侖臺群變質巖上.該磨拉石建造被認為是天山古生代洋盆閉合后板塊拼貼-碰撞擠壓造山作用的產物.2粗面安山火山巖我們實測并研究了兩個火山巖剖面,它們在空間上的直線距離約100km(圖1(a)).剖面Ⅰ位于新源縣城南的那拉提山北坡,火山巖直接與粉砂巖-砂巖夾礫巖層(底礫巖)以逆沖斷層的形式接觸(圖1(b)).火山巖剖面主要由底部的玄武巖-玄武質粗面安山巖夾凝灰巖、中部的粗面安山巖-粗面巖夾凝灰巖、以及頂部的粗面巖、流紋巖-流紋斑巖組成.此火山巖剖面中出現兩個中厚層灰巖夾層,晚古生代花崗巖侵入到粗面質安山巖中.剖面Ⅱ位于拉爾敦達坂以北的那拉提山北坡,火山巖直接覆蓋在志留系變質巖上,呈逆沖斷裂接觸關系(圖1(c)).火山巖主要由底部的粗面安山玢巖(夾少量中等程度蝕變的玄武玢巖)和粗面安山巖、粗面巖、中部的凝灰巖和流紋巖以及上部的粗面巖和粗面安山巖組成.花崗巖侵入到粗面安山巖中.西南天山石炭紀火山巖在TAS圖解上從玄武巖沿粗面質系列連續變化到流紋巖(圖1(d)數據見表1),主要屬于高鉀系列和中鉀系列巖石.采自剖面Ⅱ的粗面安山巖和粗面巖樣品屬于鉀玄質系列(圖1(e)).剖面Ⅱ中玄武質巖石少見,僅在其中下部呈夾層出現(但發生了明顯碳酸鹽化和綠簾石化,本文因此對此蝕變玄武巖未做微量元素分析,僅把樣品TS190和TS185表示在圖1(d),(e)中以便比較).盡管Na2O和Al2O3的含量與SiO2含量之間沒有明顯的相關關系,但CaO,MgO,FeO,Fe2O3,MnO和TiO2對SiO2顯示出的明顯負相關關系(未顯示Harker圖)可能表明,巖漿的結晶分異演化對西天山石炭紀火山巖的巖石組合有重要控制作用.3粗面安山巖地球化學特征利用北京大學地球與空間科學學院的ICP-MS對火山巖的樣品進行微量元素分析(精度為2%～5%).分析結果列在表2并表示在圖2中.剖面II中火山巖樣品的稀土元素配分模式圖解(圖2(a))顯示:盡管流紋巖的稀土元素含量很高,但流紋巖與粗面巖具有類似的稀土配分模式圖,均表現出輕稀土強烈富集而重稀土相對虧損的特點((La/Yb)N=3.8～5.1).流紋巖(δEu=0.74)和粗面巖(δEu=0.71～0.73)的Eu負異常明顯.雖然所有粗面安山巖均富集輕稀土元素((La/Yb)N=3.5～6.9),但樣品TS207和TS207-1幾乎不表現出Eu的異常而區別于樣品TS194和TS140這些火山巖樣品的原始地幔標準化多元素圖解均表現出明顯Ta-Nb虧損,Cs,Rb,Ba,Th,U和Pb富集的地球化學特征(圖2(b)).Sr在流紋巖和粗面巖中明顯虧損,粗面安山巖不虧損Sr.流紋巖最強烈富集ZrHf和稀土元素.剖面Ⅰ中玄武巖的稀土元素含量明顯低于其上覆的粗面安山巖,盡管它們表現出類似的稀土配分模式圖解(圖2(c)).玄武巖均表現出輕稀土中等程度富集((La/Yb)N=3.7～5.7)和Eu負異常(δEu=0.84～0.92)的地球化學特征.粗面安山巖樣品表現出輕稀土強烈富集((La/Yb)N=3.5～7.4)的特征,并具Eu負異常(δEu=0.73～0.93).流紋巖樣品的稀土元素地球化學特征介于玄武巖和粗面安山巖之間,表現出輕稀土富集和Eu負異常的特征.盡管剖面Ⅰ的火山巖樣品在原始地幔標準化多元素圖解上變化很大,但與剖面Ⅱ中的火山巖樣品一樣,均表現出明顯Ta-Nb虧損,Cs,Rb,Ba,Th,U和Pb富集的特征(圖2(d)).Sr在流紋巖中強烈虧損,稀土元素,Zr和Hf在粗面安山巖中明顯富集.4鋯石的u-pb-ma-massa1從在剖面Ⅰ和剖面Ⅱ底部采集的火山巖樣品中分選出鋯石,進行SHRIMP年代學研究.鋯石SHRIMP測定工作在北京離子探針中心完成.從剖面Ⅰ底部玄武巖中分選的鋯石編號為TS01(圖1(b)),從剖面Ⅱ底部粗面安山巖中分選的鋯石編號為TS02(圖1(c)).對鋯石的陰極發光(CL圖像)研究表明,鋯石均具明顯巖漿環帶,沒有被后期改造的痕跡.因此認為,所分選出來的鋯石是從巖漿中結晶出來的,鋯石核部或者代表早期巖漿房中的結晶產物,或者代表早期巖漿鋯石的殘余.測定結果分別列在表3和4中并分別表示在圖3和4中.樣品TS01中的鋯石以長柱狀為主,巖漿結晶環帶清楚.個別鋯石具有核,且鋯石核也具巖漿環帶(圖3(a)).鋯石的232Th/238U比值在0.24～1.28區間變化,表觀年齡在334Ma～394.9Ma之間變化(表3),大部分測點反映了鋯石邊緣與其核部的混合年齡(因為大部分鋯石比較小,而且鋯石的邊與核并不總是很明顯).剔除那些明顯核部鋯石的5個測點后,對其余13個測點計算得到的一個平均年齡值為353.7±4.5Ma(MSWD=1.7,圖3(c)).這些年齡測定值均落在U-Pb諧和線上(圖3(b)).粗面安山巖中的鋯石(樣品TS02)以短柱狀為主巖漿結晶環帶清楚(圖4(a)),鋯石的232Th/238U比值在0.21～1.33區間變化,表觀年齡在293.0Ma～465.4Ma之間變化(表4).共13個測定數據表示在圖4(b)中所有年齡測定值均落在U-Pb諧和線上,并分成明顯的兩個年齡組.其中8個測點計算得到的一個平均年齡值為(312.8±4.2)Ma(MSWD=1.7,圖4(c)),代表了鋯石邊部的結晶年齡.而比較老的年齡(>350Ma)或者反映了鋯石邊與其核的混合年齡值(表觀年齡比較高的鋯石均很小,～50μm,見圖4(a)),或者代表巖漿房中更早期的巖漿結晶階段.SHRIMP測定的鋯石均來自火山巖剖面的底部.西天山地區最早噴發的玄武巖(鋯石樣品TS01)主要形成于～354Ma,而其～100km以東出露的粗面安山巖(代表該地區最早噴發的火山巖)主要形成于～313Ma.這兩個年齡分別屬于早石炭世和晚石炭世.一期巖漿活動不可能形成如此長期的大規模分布的火山巖.這意味著大哈拉軍山組火山-沉積巖不可能是同一地質時期火山-沉積作用的產物,而應該被解體成不同的組(本文不做進一步討論).5討論5.1大拉軍山組火山巖形成機制許多研究表明,古南天山洋在晚泥盆世-石炭紀期間閉合[9,11～14],并且塔里木地塊與伊犁地塊的最后碰撞發生在石炭紀末期.但古地磁研究表明閉合發生在晚石炭世-早二疊世.根據火山巖主要分布在伊犁地塊南北兩側的特征,早期的研究認為該套火山巖是與“伊犁裂谷”有關的裂谷火山巖系.這一結論與該火山巖的鈣堿性特征以及中性巖占絕大多數的巖石組成(非雙峰式火山巖)相矛盾.事實上西天山地區直到二疊紀才發育雙峰式火山巖組合主要依據基性火山熔巖的正εNd值和分布面積較廣的特征,最近有人推測大哈拉軍山火山巖可能是古地幔柱的組成部分.由于缺乏大火成巖省常見的巖石組合、該套火山巖出露面積相對較小、該套火山巖中基性火山熔巖出露很局限以及該套火山巖的年齡寬度巨大(>40Ma),大哈拉軍山組火山巖的“古地幔柱”成因模式僅僅是一種假設.西南天山地區在早石炭世及其以前應該處在一個大陸邊緣(伊犁-中天山板塊南緣)的活動時期,古南天山洋還沒有完全消減,俯沖作用仍在繼續.微量元素地球化學分析表明,西天山火山巖樣品具有島弧地球化學特征,如富集大離子親石元素(LILE)和輕稀土元素(LREE)而虧損高場強元素(HFSE)和重稀土元素(HREE)等(圖2).在Sr/Y-Y圖解上(圖5(a)),所有中酸性火山巖樣品均落在島弧區.西天山火山巖在Zr/Hf-Sr/Y協變圖上的投影點落在KamchatkaAleutian島弧火山巖的范圍內(圖5(b)),在Ba/Th-Th圖解上,西天山火山巖完全落在全球島弧玄武巖區域內(圖5(c)).本文獲得的資料表明,西天山出露的這套以中酸性為主的火山巖是古南天山洋向伊犁-中天山板塊俯沖形成的島弧火山巖.我國西天山西延進入吉爾吉斯坦和塔吉克斯坦境內,分別與那里的Atbash帶和Fan-Karategin藍片巖帶相連接.在這兩個帶的北側均發育火山島弧.古南天山洋斷斷續續的俯沖作用一直持續到晚石炭世末期.在巴什吉爾-謝爾普霍夫地區發育的早石炭世鈣堿性火山巖是島弧環境的產物.沒有理由認為這些島弧會在我國境內突然轉變成“裂谷”或者“地幔柱”.基于本文的地球化學資料并結合最新的大地構造研究成果,我們認為西天山分布廣泛的大哈拉軍山組火山巖代表古南天山洋洋殼向伊犁-中天山板塊俯沖所形成的火山島弧.5.2成因及地球化學特征在島弧環境中,巖漿源區物質最可能包括:(1)地幔楔中的橄欖巖;(2)俯沖帶流體;(3)俯沖板片部分熔融形成的熔體;(4)大陸地殼物質(包括洋底沉積物)的同化混染.西南天山石炭紀中酸性火山巖具有低Sr/Y比值和高Y含量的地球化學特征表明不可能是Adakite巖(圖2和5(a)).西天山石炭紀火山巖具有比較大的Zr/Nb比值變化范圍(7.4～36.4,表2),表明其巖漿源區組成比較復雜(島弧火山巖的Zr/Nb比值一般在10～60范圍內變化).用Yb標準化的HFSE比值可以消除或減少部分熔融和高壓分離結晶作用對元素含量產生的影響,從而得到巖漿源區的地球化學性質.在Zr/Yb-Nb/Yb圖解上,西天山玄武巖(MgO>6.0wt.%)均分布在富集地幔范圍內(圖6(a)).這與該火山巖具有高LILE/HFSE和LREE/HREE比值的地球化學性質一致,反映出巖漿源區是經過俯沖帶流體(或者熔體)改造后的富集地幔楔特征.但是與Antilles島弧鏈和Kamchatka-Aleutian島弧火山巖相比,俯沖帶流體對西天山石炭紀火山巖巖漿源區的影響相對較弱(表現在較低的Sr/Th和Ba/Th比值上).Ba是俯沖帶流體中非常富集的元素,高Ba/Th比值(>300)一般指示俯沖帶流體對巖漿源區的貢獻比較顯著,西天山火山巖的Ba/Th比值低于180(表2,圖5(c)),說明俯沖帶流體對巖漿源區的影響不很顯著.富集型島弧巖漿一般含俯沖帶沉積物的熔體這種組分的存在可以通過Th/Ce比值而識別出來西南天山火山巖的Th/Ce比值在0.11～0.33之間變化(表2).從Th/Ce-Sr/Th圖解(圖6(b))中可以看出,玄武巖和中酸性火山巖的Th/Ce比值明顯高于MORB和OIB而與平均大陸地殼接近,部分中酸性火山巖的Th/Ce比值甚至遠遠高于大陸地殼的平均值.洋底沉積物的加入是一種合理的解釋,因為洋底沉積物中高度富集Th,而且Ce在熱液體系中比Th更活躍而容易從體系中遷移出來,從而增加巖漿源區的Th/Ce比值.在Ba/Th-Th協變圖上(圖5(c)),玄武巖樣品(MgO>6.0wt.%,Th平均值為2.95ppm)落在OIB-MORB附近,中酸性火山巖樣品由于含Th比較高(Th=4.1～13.3ppm)而遠離玄武巖樣品,顯示出洋底沉積物加入對中酸性火山巖巖漿成分的影響效果.中酸性火山巖樣品中鋯石含量相對玄武巖明顯增加說明Zr在晚期巖漿中具有顯著的相容性,而Nb和Y由于不進入獨立礦物相中而繼續表現出強不相容性.因此,巖漿結晶分異作用會導致在Nb/Y比值不變的情況下,Zr/Y比值迅速增加.這正是在西天山火山巖中所觀察到的現象(圖6(c)).在Nb/Y-Zr/Y圖解中,除個別玄武巖樣品落在地幔演化區域,多數玄武巖樣品和所有中酸性火山巖樣品均落在遠離地幔的區域,并且僅有少數樣品位于地殼與E-MORB的混合線上.這種分布特征無法用殼-幔簡單混合過程解釋.幔源巖漿的結晶分異作用(FC過程)能夠解釋西天山火山巖的這種地球化學演化特征.由地幔楔部分熔融產生巖漿是島弧火山巖的重要成因.地幔巖石部分熔融的模擬計算表明,石榴二輝橄欖巖部分熔融可以模擬絕大多數玄武巖樣品在(La/Yb)MN-LaMN圖解中的分布范圍(圖6(d)),玄武巖樣品可以由石榴二輝橄欖巖發生7%～11%的部分熔融來模擬,但樣品TS123僅僅需要～3%的部分熔融程度.中酸性火山巖樣品遠離石榴二輝橄欖巖的部分熔融曲線.西天山火山巖絕大多數樣品落在石榴石二輝橄欖巖與尖晶石二輝橄欖巖的部分熔融曲線所標定的范圍內(圖6(d),(e)),但這并不意味著火山巖是這兩種不同組成的地幔物質部分熔融的產物.如圖6(d)所示,同源巖漿的結晶分異作用可以導致殘余巖漿中La含量迅速增加而(La/Yb)MN比值不發生明顯變化.因此,高La流紋巖和粗面安山巖應該是基性巖漿結晶分異的結果,而非尖晶石二輝橄欖巖低程度部分熔融的產物.在Nb/Y-Zr圖解上的模擬計算表明(圖6(e)),最原始的玄武