王祚鹏,李永军,杨高学,李甘雨,李 海

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054; 2. 长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054; 3. 河北地质大学 教学发展中心，河北 石家庄 050031; 4. 西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065)

0 引 言

伊宁地块位于中亚造山带西南缘，由于其独特的地理位置和错综复杂的构造特征，是探索古亚洲洋俯冲消亡历史的重要窗口。通过对一系列1∶50 000区域地质调查工作的对比分析，结合区域重力和航磁异常特征及已发表的资料，李永军等将伊宁地块以中部近EW向展布的乌孙山—塔勒得大断裂(W-TF)为界划分为南、北两大次级构造带，本文主要聚焦于伊宁地块南构造带的研究。

伊宁地块南构造带出露大面积的晚泥盆世—早石炭世岩浆岩，它们的形成与南天山洋的演化密切相关。近年来，虽然学者们对其在高精度年代学、地球化学和同位素等方面开展了较多的研究，但是在岩石成因、形成环境等方面仍存在争议。例如，Xia等通过对天山地区石炭纪火山岩的研究，认为在石炭纪—早二叠世，中国境内的天山和相邻地区为大火成岩省，是石炭纪软流圈物质和早二叠世地幔柱演化所致，因而该时期的岩浆作用与裂谷环境有关；Xu等对伊宁地块南构造带及那拉提一带花岗岩的研究得出，南天山洋的关闭出现在晚泥盆世—早石炭世，因而之后大体量出露的火山岩浆作用与俯冲碰撞后的板片断离、加厚岩石圈的拆沉和板内拉张有关。但是，多数学者认为，该地区晚泥盆世—早石炭世岩浆岩普遍具有弧的特征，是古南天山洋向北俯冲所致，并且在深俯冲过程中出现板片回撤、撕裂及断离等系列深部地球动力学过程。总之，这些争议的存在一定程度上限制了对整个伊宁地块构造演化的深入理解。

高镁安山岩以具有高MgO含量或高Mg/Fe值为典型特征，是现代地球上出露少但具有特殊构造指示意义的一类岩石类型，其岩石成因与高温体制下洋壳俯冲熔融有关，是解决构造环境争议最有力的证据之一。近年来，随着研究的不断开展，课题组在伊宁地块南构造带特克斯县科克苏林场一带新发现了早石炭世高镁安山岩。本文对其做了详细的野外地质调查和室内分析工作，并结合相关区域资料，探讨了伊宁地块南构造带在该时期的大地构造背景，以期丰富该地区的岩石类型，为解决区域构造环境争议提供参考。

1 研究区地质背景及岩石学特征

右上角小图中，BF为博罗科努断裂,NNF为那拉提北缘断裂,W-TF为乌孙山—塔勒得断裂图1 伊宁地块科克苏林场一带地质简图和实测地质剖面Fig.1 Simplified Geological Map of Kekesu Linchang Area and Surveyed Geological Section in Yining Block

研究区位于伊宁地块南构造带特克斯县东南部科克苏林场一带[图1(a)]。区内出露地层相对单一且存在沉积间断，从下至上依次为蓟县系科克苏群、青白口系库什台群、下石炭统大哈拉军山组、下石炭统阿克沙克组及新生代地层。科克苏群和库什台群为一套区域中高温动力变质岩系，岩性包括石英岩、厚层亮晶灰岩、大理岩、白云岩及少量变砾岩，可见叠层石(sp.、for.)。区内出露的早石炭世地层整体北倾，部分地段因受后期构造应力作用而南倾，出现纵弯褶皱及次生断层。其中，大哈拉军山组在区内出露最多，可划分为上、下两段；下段岩性有灰色—深灰色玄武安山岩、安山岩、英安岩及少量凝灰岩，厚度约为250 m，而上段主要以大套深灰色安山玢岩为主，含少量玄武岩、英安岩、流纹斑岩及火山碎屑岩，厚度可达1 700 m，与下伏青白口系库什台群之间呈断层或角度不整合接触关系。阿克沙克组出露面积有限，主要岩性可见灰白色厚层状灰岩、生物碎屑灰岩及少量粉砂岩(呈夹层出现)，含有sp.、sp.等化石，整体反映的是一种滨浅海相富氧环境，与下伏地层之间为角度不整合接触。此外，研究区南部出露少量二叠纪花岗斑岩。

李婷等对该地区大哈拉军山组底部的玄武安山岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得了Pb/U加权平均年龄为(359±2)Ma，表明其产于早石炭世早期；茹艳娇对上部火山岩中的流纹质玻屑凝灰熔岩采用同样的定年方法，获得了Pb/U加权平均年龄为(359±3)Ma，同样证明该组火山岩形成于早石炭世早期。因此，科克苏林场一带大哈拉军山组火山岩为早石炭世早期火山爆发产物。

基于前人研究，本次对该地区大哈拉军山组火山岩开展详细野外地质调查及剖面测制工作。调查显示：大哈拉军山组与下伏库什台群、上覆阿克沙克组均为角度不整合接触关系，层面整体北倾；区内岩石类型主要为中性安山岩类，含有少量玄武岩及火山碎屑岩；这些岩石出露体量大，沿着山前呈带状展布。对出露最广泛的安山(玢)岩采集了相关配套分析样品[图1(b)和图2(c)]。

安山(玢)岩风化面颜色为灰色，新鲜面颜色为深灰色，具斑状结构、块状构造[图2(a)、(b)]。岩石由斑晶和基质组成。斑晶主要为斜长石(体积分数为28%)和普通辉石(7%)。其中，斜长石呈半自形、自形板状，大小不一，粒径为0.9～1.3 mm，聚片双晶发育，表面具微弱绢云母化；普通辉石为半自形短柱状，粒径为0.2～1.8 mm，裂理发育，部分发生绿泥石化或碳酸盐化。基质具玻晶交织结构或安山结构，由斜长石(体积分数为50%)和玻璃质(15%)组成。其中，斜长石呈半自形、自形极细板条状，粒度小于0.01 mm×0.04 mm，呈杂乱半定向排列；而玻璃质充填于其中且已脱玻蚀变为绿泥石和碳酸盐；此外，可见少量副矿物，如磁铁矿等。

Pl为斜长石；Aug为普通辉石；Am为角闪石图2 高镁安山岩野外照片及显微镜下图像Fig.2 Field Photos and Photomicrographs of High-Mg Andesite

2 分析方法

本次研究对伊宁地块南构造带安山岩样品进行了主量、微量元素分析，测试工作主要在长安大学国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。其中，全岩主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)分析，微量元素采用ICP-MS分析。在分析过程中，SiO、AlO、TiO、FeO含量分析误差为1%～2%，MgO和其他主量元素含量误差不超过3%；各类微量元素的不确定性不超过2%。详细操作步骤见文献[12]。

3 结果分析

3.1 主量元素特征

本次研究在伊宁地块南构造带科克苏林场一带大哈拉军山组火山岩中采集了7件全岩样品[采样位置见图1(b)，分析结果见表1]，并结合前人已发表的13件样品，分析该地区火山岩的岩石成因及产出环境。由于这些火山岩多发育气孔、杏仁构造，气孔中充填碳酸盐等富挥发性物质，所以烧蚀量大。鉴于此，在本文数据分析时，重新百分化因后期碳酸盐充填而导致不合理的分析数据。

表1 高镁安山岩主量、微量和稀土元素分析结果Table 1 Analysis Results of Major, Trace and Rare Earth Elements of High-Mg Andesite

续表 1

全岩地球化学数据显示：科克苏林场一带大哈拉军山组安山岩样品的SiO含量(质量分数，下同)变化范围大，为53.20%～60.98%，具有高的TiO含量(0.86%～1.34%，平均值为1.13%)、AlO含量(14.60%～19.11%，平均值为16.80%)、MgO含量(2.40%～5.66%，平均值为4.17%)和NaO含量(2.04%～4.61%，平均值为3.38%)，低的KO含量(0.91%～3.58%，平均值为1.60%)和PO含量(0.19%～0.32%，平均值为0.26%)；在TAS图解中，样品落入玄武质安山岩至安山岩区域[图3(a)]。鉴于部分样品烧失量(LOI)较大，本次研究采用强抗蚀变元素投图，发现样品均落入安山岩区域[图3(b)]，因此，综合判别其为安山岩。此外，所有样品的里特曼指数(0.92～3.45)和Mg值(37～58)较小，表现出中—高钾钙碱性系列岩石特征。

图(a)底图引自文献[14]；图(b)底图引自文献[15]图3 高镁安山岩TAS图解和Nb/Y-Zr/TiO2图解Fig.3 Diagrams of TAS and Nb/Y-Zr/TiO2 of High-Mg Andesite

3.2 微量元素特征

安山岩样品的稀土元素总含量变化范围大，为(93.55～188.70)×10(平均值为136.20×10)，(La/Yb)值为4.2～8.1，(La/Sm)值为1.9～3.1，(Gd/Yb)值为1.5～2.1，表明富集轻稀土元素而显著亏损重稀土元素，并且轻稀土元素内部分异程度总体大于重稀土元素。球粒陨石标准化稀土元素配分模式[图4(a)]整体右倾，显示负的Eu异常(0.64～0.87)，可能与斜长石的分异或作为源区残留相矿物有关；在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图4(b)]中，K、Ba、Th、U、Pb等大离子亲石元素富集，而Nb、Ta、Ti、P等高场强元素相对亏损，显示出俯冲带岩浆岩的地球化学印记。此外，样品含有高的Sr含量(平均值为397.0×10)、Y含量(27.9×10)，以及低的Ni含量(14.9×10)、Co含量(25.8×10)。

ws为样品含量；wp为原始地幔含量；wc为球粒陨石含量；球粒陨石和原始地幔标准化值引自文献[16]；西准噶尔别鲁阿嘎希赞岐岩数据引自文献[17]；同一图中相同线条对应不同样品图4 高镁安山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式和原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.4 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of High-Mg Andesite

此外，科克苏林场一带高镁安山岩在形成过程中呈现出显著的分离结晶趋势，具体表现在：①在La/Sm-La图解中，随着La含量的增加，La/Sm值很小，表明分离结晶在岩浆演化过程中起着重要作用；②在哈克图解(图5)中，TiO、AlO、MgO、FeO、PO含量随着SiO含量的增加而降低，成负相关关系，暗示有单斜辉石、角闪石、斜长石及磷灰石等矿物的分离；③明显的Eu负异常[图4(a)]进一步证明出现了斜长石的分离结晶。

图5 高镁安山岩哈克图解Fig.5 Harker Diagrams of High-Mg Andesite

4 讨 论

4.1 岩石类型及成因

图(a)底图引自文献[29]；图(b)、(c)底图引自文献[20]；西准噶尔别鲁阿嘎希赞岐岩数据引自文献[17]图6 高镁安山岩判别图解Fig.6 Discriminant Diagrams of High-Mg Andesite

图(a)、(c)底图引自文献[30]；图(b)底图引自文献[31]图7 高镁安山岩成因图解Fig.7 Petrogenesis Diagrams of High-Mg Andesite

与正常安第斯型安山岩相比，本次采集的安山岩样品含有高的MgO含量(2.40%～5.66%，平均值为4.39%)、SiO含量(53.20%～60.98%)，具有与高镁安山岩相似的地球化学特征[图6(a)]。高镁安山岩以具有高MgO含量或高Mg/Fe值为典型特征，是现代地球上出露少但具有特殊构造意义的一类岩石。Kamei等根据不同地球化学特征，将高镁安山岩分为赞岐质、玻安质、埃达克质和巴哈质高镁安山岩4种类型。多数情况下，赞岐质高镁安山岩的岩石成因与地幔橄榄岩、硅质熔体的平衡反应有关，这种硅质熔体则来自大洋岩石圈或俯冲带沉积物的部分熔融。地球化学特征方面，赞岐质高镁安山岩强烈富集大离子亲石元素和轻稀土元素，含有低的重稀土元素含量和高的Ni、Cr含量；玻安质高镁安山岩以高的SiO、MgO含量和非常低的TiO含量为特征，通常产于俯冲带之上的亏损型难熔地幔的含水部分熔融；在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中，其显示U型配分特征。目前报道的玻安质高镁安山岩多数与弧前盆地有关，部分产于岛弧分裂或弧后盆地的萌芽阶段；埃达克质高镁安山岩具有高的SiO和Sr含量、低的Y和Yb含量，通常来自俯冲大洋岩石圈的部分熔融，有少量地幔楔橄榄岩的混入；巴哈质高镁安山岩较为特殊，含有异常高的Sr含量(>1 000×10)、Ba含量(>1 000×10)和K/Rb值(>1 000)，多形成于地幔橄榄岩和俯冲板片硅质熔体的非平衡反应。总之，无论何种高镁安山岩，其岩石成因与板块汇聚环境下俯冲带物质、上覆地幔楔的混合作用有关，俯冲带物质除了常见于弧环境下的流体外(如Sr、K、Rb、Ba、Th等富集)，还有俯冲带沉积物部分熔融或者俯冲洋壳熔融的产物加入。

科克苏林场一带高镁安山岩样品表现出明显高的TiO含量(0.86%～1.34%)、相对低的MgO含量、Sr含量((233～532)×10)、Ba含量((206～643)×10)，表明其不同于玻安质和巴哈质高镁安山岩。同时，这些火山岩样品具有高Y含量((19.2～38.4)×10)、Yb含量((1.80～4.10)×10)，低Sr/Y值(7.4～22.1)、La/Yb值(6.2～12.0)的特征，排除了埃达克质高镁安山质岩浆的可能性。相反，他们具有相对富集的大离子亲石元素和轻稀土元素，低的重稀土元素含量，与赞岐质高镁安山岩的地球化学特征相似[图6(b)、(c)]。并且，本次分析的高镁安山岩与已报道的伊宁地块阿腾套山、西准噶尔别鲁阿嘎希地区的赞岐岩具有一定相似性(图6)。因而，科克苏林场一带安山岩应为赞岐质高镁安山岩。

4.2 构造意义

晚泥盆世—早石炭世岩浆岩的构造属性在整个伊宁地块南构造带的演化过程中扮演着重要的角色，有岛弧与裂谷之争，但主流观点趋向于前者。前已述及，科克苏林场一带火山岩具有赞岐质高镁安山岩的特征，这类岩石在现代地球上出露少但具有特殊构造指示，其形成与高温体制下洋壳俯冲熔融有关。因此，科克苏林场一带的早石炭世火山岩是南天山洋在伊宁地块南构造带之下向北俯冲的产物。

从区域角度出发，本文将伊宁地块南构造带晚泥盆世—早石炭世岩浆岩的地球化学数据做了统计分析。结果显示：该时期岩浆岩的形成均与俯冲汇聚环境有关(图8)，其地球化学特征具有富集大离子亲石元素(如Rb、Ba、Th、U、Pb)，亏损高场强元素(特别是Nb、Ta、Ti)的特征；并且，在岩石组成方面，火山岩以安山岩居多，其次为英安岩、流纹岩及少量玄武岩，整体以钙碱性系列火山岩为主；侵入岩以大面积出露的花岗质岩石为主，仅有少量基性岩脉体，并且钙碱性、高钾钙碱性I型花岗岩占主体，如王博等报道的喀勒斯峻和科克苏河早石炭世I型花岗岩等。研究证实：大体量出露的安山岩及中—高钾钙碱性I型花岗岩类主要在陆缘弧带发育，如南美洲科迪勒拉山广泛出露的该类岩石等。因此，从岩石组合及地球化学特征可以显著排除该时期的裂谷地幔柱假说，这是因为产于地幔柱环境下的岩浆岩以基性岩浆为主，如塔里木、峨眉山及西伯利亚大火成岩省等。并且，伊宁地块南构造带内已有特殊构造指示意义的岩浆记录，如347～343 Ma的乌孙山库勒萨依埃达克岩、344 Ma的乌孙山南麓富铌玄武岩、346 Ma的阿腾套山赞岐质高镁安山岩等；这些特殊岩浆组合与俯冲带流体或熔体、上覆地幔楔的相互反应有关，是典型弧岩浆的证据。

图(a)、(b)底图引自文献[55]；图(c)、(d)底图引自文献[56]；晚泥盆世岩浆岩数据引自文献[7]、[51]和[52]图8 伊宁地块南构造带晚泥盆世—早石炭世岩浆岩构造环境判别图解Fig.8 Tectonic Setting Discriminant Diagrams of Late Devonian-Early Carboniferous Magmatic Rocks in the Southern Tectonic Belt of Yining Block

此外，石炭纪沉积地层及区域不整合构造也支持上述观点。区域地层资料显示，在伊宁地块下石炭统阿克沙克组与上石炭统伊什基里克组之间存在一区域性角度不整合，此角度不整合所代表的区域性构造运动被李永军等命名为“鄯善运动”，主要体现在上、下两套地层之间在岩石组合、生物面貌、产出环境、构造样式等方面存在明显差异。例如，阿克沙克组总体为一套海相、海陆交互相碳酸盐岩-碎屑岩建造，包含丰富的腕足、珊瑚、孢粉等化石，构造形变强烈，多以复杂的不协调褶曲为主；上覆伊什基里克组为一套陆内双峰式火山岩建造，整体构造形变微弱，以宽缓的向斜构造为主。特别是在该两套地层之间存在10～32 cm的古风化壳，其上可见厚度不一的底砾岩与火山角砾岩或火山弹混杂堆积，为区域地质构造运动的典型代表。因此，区域性角度不整合的存在表明伊宁地块的主体造山运动发生在早、晚石炭世之间。

综上所述，伊宁地块南构造带晚泥盆世—早石炭世岩浆岩的形成与南天山洋向北俯冲有关。本文赞岐质高镁安山岩的发现为其提供了有力证据。

5 结 语

(1)伊宁地块南构造带科克苏林场一带发育大量早石炭世火山岩，岩石类型主要以中性安山岩类为主，含有少量玄武岩及火山碎屑岩。

(2)全岩主量元素特征显示，安山岩样品含有高的MgO、TiO、AlO含量和Mg值，低的PO含量，呈现出中—高钾钙碱性系列岩石特征；微量元素显示，样品具有高的(La/Sm)和(Gd/Yb)值，表现出富集轻稀土元素而显著亏损重稀土元素的特征，并且轻稀土元素内部分异程度总体大于重稀土元素；结合高的Y、Yb含量，低的Sr/Y、La/Yb值，样品呈现出赞岐质高镁安山岩的地球化学特征。

(3)这些赞岐质高镁安山岩的形成与高温体制下南天山洋壳向北俯冲熔融有关。本文赞岐质高镁安山岩的发现，进一步证实了伊宁地块南构造带晚泥盆世—早石炭世仍然为与弧有关的俯冲环境。

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