西昆侖阿什火山機(jī)構(gòu)及巖石學(xué)、礦物學(xué)特征

申歡歡 許建東 于紅梅 趙 波 季靈運(yùn)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

0 引言

阿什庫勒盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)于田縣境內(nèi)(81°12'～81°52'E，35°38'～35°55'N)。盆地地勢北高南低，西高東低，輪廓呈V型，平均海拔在4700m以上，面積約700km2。該盆地地處塔里木盆地的南側(cè)，青藏高原西北緣，NE向阿爾金斷裂與NW向康西瓦斷裂的“弧形”交會處，因受到這2個斷裂的剪切－推覆構(gòu)造的共同作用，構(gòu)造活動十分活躍(劉剛等，2006)。近年來，該區(qū)地震頻發(fā)，2008年3月21日6時發(fā)生了于田MS7.3強(qiáng)烈地震，引起了許多學(xué)者的關(guān)注(陳學(xué)忠等，2008;徐錫偉等，2011)。阿爾金斷裂的走滑運(yùn)動控制著火山活動，斷裂活動強(qiáng)度較小時火山活動性可能也較弱或處于休眠狀態(tài)，一旦斷裂活動強(qiáng)度增大，就可能造成劇烈的火山噴發(fā)(潘家偉，2011)。本區(qū)10余座火山組成的阿什庫勒火山群分布于盆地的南部(圖1)，除西山外其余均是在第四紀(jì)形成的(劉嘉麒等，1990)，火山保存完好，基本未遭受剝蝕。由于本區(qū)特殊的構(gòu)造位置和火山的完好保存，因此成為研究青藏高原西北緣地殼深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造及火山活動性的良好場所。

圖1 阿什庫勒盆地區(qū)域構(gòu)造位置(a)及盆地內(nèi)的火山分布情況(b)(據(jù)許建東等，2011修改)Fig.1 The tectonic location of Ashikule Basin(a)and volcano distribution inside the basin(b)(modified from XU Jian-dong et al.，2011).

由于該區(qū)自然條件惡劣，人跡罕至，因此研究程度很低。劉嘉麒等(1990)首次對該區(qū)火山群的地理坐標(biāo)、位置、高度、火山形態(tài)和時代做了系統(tǒng)統(tǒng)計，并對各火山進(jìn)行了系統(tǒng)命名，其中阿什火山為前人工作中的1號火山。劉嘉麒等(1990)和鄧萬明(1993，1998，2003)對該火山群的火山巖進(jìn)行了初步的地球化學(xué)分析，確定火山巖的巖性為富鉀粗安巖和鉀玄巖，并結(jié)合放射性同位素分析結(jié)果，認(rèn)為巖漿來源于地殼或是幔源巖漿經(jīng)過地殼時受到了混染作用。前人對該區(qū)火山群進(jìn)行了整體粗略研究，缺少對各個火山的火山機(jī)構(gòu)、巖石學(xué)等方面的詳細(xì)研究。據(jù)新疆日報(1951)報道，阿什火山于1951年有過小規(guī)模的噴發(fā)活動，這引起了許多學(xué)者的關(guān)注(鄧萬明，1989;劉嘉麒等，1990;李拴科，1991)。Liu等(1989)和劉嘉麒等(1990)對阿什庫勒火山群進(jìn)行了K－Ar年齡測定，根據(jù)年齡結(jié)果將其劃分為6個火山幕，阿什火山的熔巖臺地是在第5幕晚期烏魯克幕(距今0.20～0.12Ma)形成的，而阿什火山1951年的噴發(fā)則屬于第6幕全新世火山噴發(fā)幕，并認(rèn)為除1973年7月16日青海西部可可西里地區(qū)有火山噴發(fā)外，阿什火山是中國大陸最新的活火山。因此，對阿什火山的地質(zhì)和巖石學(xué)方面研究對了解該區(qū)火山巖漿活動特征具有重要的意義。由許建東等(2011)組成的科學(xué)考察組對阿什庫勒火山群進(jìn)行了地質(zhì)考察，初步將阿什火山分為3個噴發(fā)階段:早期的造錐階段、晚期的濺落堆積階段和末期的噴氣孔形成階段。在此基礎(chǔ)上，本次對阿什火山進(jìn)行了更為詳細(xì)的火山地質(zhì)、巖石學(xué)、礦物學(xué)方面的研究，確定了該火山的火山機(jī)構(gòu)和巖漿環(huán)境特征。

1 阿什火山的火山機(jī)構(gòu)及樣品采集

阿什火山位于阿什庫勒火山群的西北部，阿什庫勒湖的東南側(cè)(81°34'E，35°41'N)(圖1)，海拔高度4896m。該火山為中心式噴發(fā)，由火山錐和熔巖流組成。錐體保存完好(圖2a)，平面上呈近圓形，錐體底部直徑東西長約555m，南北長約593m。錐體北高南低，東高西低，錐體平均高度約75m，錐體內(nèi)緣坡度為17°～34°，錐體坡度為14°～24°(表1)。該火山錐由早期的降落錐和晚期的濺落錐組成，底部由火山渣和少量的火山彈組成，上部由熔巖餅組成(圖2b，c)。在錐體北側(cè)火口緣發(fā)現(xiàn)多個噴氣孔，許建東等(2011)把其歸為末期噴氣孔形成階段。錐體南側(cè)有一個火山缺口，推測為熔巖流溢出口(圖2d，圖3)。

圖2 阿什火山錐體及熔巖流照片F(xiàn)ig.2 The photographs of cone and lava flow，Ashi volcano.

表1 阿什火山錐體參數(shù)Table1 Structural parameters of Ashi cones

圖3 阿什火山錐體地質(zhì)圖及錐體剖面Fig.3 Geological map and profile of cone，Ashi volcano.

阿什火山熔巖流圍繞錐體分布，向北到達(dá)阿什庫勒湖，向西、向南沿周圍的山體分布(圖2e，f)，向東與烏魯克火山熔巖流相連，面積約33km2(圖1)。根據(jù)衛(wèi)星影像分析和野外觀察，把阿什火山熔巖流初步劃分為4個流動單元(圖4)。Ι單元分布面積較廣，主要流向火口的NW方向，距離火口約9km。Ⅱ單元流向火口的NE方向，距離火口約7km。Ⅲ單元分布于火口西部，離火口最遠(yuǎn)距離約7.3km。Ⅳ單元規(guī)模較小，分布于火口周圍1.2km范圍內(nèi)。

在阿什火山共采集火山巖樣品41件，其中錐體樣品4件，熔巖流樣品37件。

2 熔巖顯微結(jié)構(gòu)特征

阿什火山巖主要為黑色、灰黑色熔巖以及少量的紅色渣狀熔巖。樣品發(fā)育氣孔構(gòu)造、杏仁構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶主要為斜長石和輝石，偶見少量的橄欖石、鈦鐵礦?；|(zhì)為黑色、紅褐色，主要為玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)，微晶主要為輝石、長石和鈦鐵礦，微晶保存完好，無熔蝕和反應(yīng)邊現(xiàn)象(圖5f)。

采用線截距法在偏光顯微鏡下統(tǒng)計了斑晶、氣孔、基質(zhì)的含量，結(jié)果列于表2中，其中斑晶為去除氣孔后的含量。在表2中可以看出，斑晶總含量較低，但變化范圍比較大，在1%～15%之間，其中輝石含量為0.4%～7.5%，長石含量為0.2%～11.7%。氣孔的含量、大小和形態(tài)不一，含量為4.36%～53.55%，長軸一般＜1cm，由圓形到拉長橢圓形;基質(zhì)含量為44.7%～86.2%。

圖4 阿什火山熔巖流單元劃分及采樣位置圖Fig.4 Map showing the division of lava flow units of Ashi volcano and the sample locations.

表2 阿什火山的火山巖顯微結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計Table2 Statistical results of microstructure characteristics of volcanic rocks，Ashi volcano

圖5 阿什火山的火山巖顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.5 Microphotographs and SEM photograph of Ashi volcanic rocks.

長石和輝石斑晶，軸長一般200～500μm。部分晶體自形，保存完好，推測與熔體達(dá)到了平衡狀態(tài)(圖5a)，部分晶體半自形、他形(圖5b)。少量長石和輝石被不同程度地熔蝕，部分出現(xiàn)了篩狀結(jié)構(gòu)，具有反應(yīng)邊現(xiàn)象(圖5c，d)。部分長石出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，推測為巖漿上升過程中捕虜?shù)牡貧の镔|(zhì)(圖5e)。

3 熔巖和斑晶成分分析

3.1 主要元素成分

對19件樣品進(jìn)行了主要元素成分分析(表3)。結(jié)果顯示，阿什火山的火山巖SiO2含量變化不大，為53.85%～60.20%;MgO、FeO*(=FeO+0.9×Fe2O3)、Al2O3含量分別為2.22%～4.11%、5.60%～7.42%、13.55%～14.42%;K2O、Na2O的含量分別為 3.58%～4.39%、2.93%～3.42%，全堿含量為6.74%～7.81%，K2O/Na2O值為1.17～1.35。SiO2和K2O含量的相對關(guān)系表明，巖石為鉀玄巖系列，屬于基－中性和中性巖;TAS投點(diǎn)圖顯示，巖性為粗安巖，屬于堿性系列，部分為亞堿性系列(拉斑玄武巖系列)(圖6)。

表3 阿什火山樣品主要元素化學(xué)分析(wt/%)Table3 Major element chemical analysis of Ashi lavas(wt/%)

圖6 阿什火山的火山巖TAS圖(據(jù) Le Bas M J，1986)及K2O－SiO2圖解(據(jù)鄧萬明，1991)Fig.6 TAS diagram(after Le Bas M J，1986)and K2O－SiO2diagram(after DENG Wan-ming，1991)of Ashi volcanic rocks.

圖7 阿什火山的火山巖主要氧化物Harker圖解Fig.7 Harker diagrams of selected major oxides from Ashi volcanic rocks.

對熔巖基質(zhì)進(jìn)行了電子探針測試(表4)。結(jié)果顯示，SiO2含量為57.60%～68.93%;MgO、FeO、Al2O3含量分別為0.11%～2.31%、1.05%～6.57%、13.52%～23.45%;K2O、Na2O分別含量為2.15%～6.97%、1.91%～4.81%，Na2O+K2O含量為6.96%～10.08%?；|(zhì)成分與全巖成分相比，基質(zhì)中SiO2、Al2O3、K2O、Na2O含量升高，MgO、FeO含量降低。將基質(zhì)成分投在TAS圖中顯示，少數(shù)為粗安巖，多數(shù)為粗面巖(圖6)。

Harker圖解(圖7)顯示，阿什火山熔巖的氧化物成分分為兩部分，在TAS圖中也大致可以看出，缺少SiO2含量為58%～59%的成分。顯微鏡下發(fā)現(xiàn)有較多的殼源捕虜晶，下面斑晶成分分析也顯示有較多偏酸性的長石，推測其原因可能是受殼源混染的程度不同造成的。但Harker圖解總體上MgO、CaO與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)，K2O、Na2O與SiO2含量呈正相關(guān)，顯示了巖漿的演化與輝石的分離結(jié)晶有關(guān)。

表4 阿什火山熔巖基質(zhì)成分(wt/%)Table4 Groundmass composition of Ashi volcanic rocks(wt/%)

3.2 斑晶成分

對熔巖中的主要斑晶(長石和輝石)進(jìn)行了電子探針測試(表5，6)。結(jié)果顯示，多數(shù)斜長石斑晶SiO2含量為55.70%～63.26%，Al2O3的含量為22.40%～26.32%。從An－Ab－Or圖上可知，長石有斜長石和堿性長石2種。斜長石端元組分的變化范圍為 Or5.00～52.41、Ab34.71～68.67、An12.88～52.26，主要為更長石、中長石和拉長石。少量的堿性長石為鈉長石(An4.13、Ab94.94、Or0.93)和鈉－正長石(An9.33、Ab37.50、Or53.17)(圖8)。

表5 搖阿什火山的火山巖長石斑晶電子探針分析結(jié)果（wt／%）Table5 搖Chemical composition of plagioclase phenocryst in Ashi volcanic rocks（wt／%）

續(xù)表5

利用An－Ab在斜長石和熔體之間的分配系數(shù)可以確定斑晶與熔體是否處于平衡狀態(tài)，公式為

當(dāng)溫度 T＜1050℃、KD(An－Ab)pl－liq值為 0.10±0.05 時，長石－熔體處于平衡狀態(tài);當(dāng) T＞1050℃、KD(An－Ab)pl－liq值為 0.27±0.11 時，長石－熔體處于平衡狀態(tài)(Putirka，2008)。

斜長石探針數(shù)據(jù)有50個，根據(jù)公式(1)計算斜長石－熔體之間KD(Ab－An)pl－liq值，發(fā)現(xiàn)有37個斜長石(An＜48.33)與熔體處于不平衡狀態(tài)，這些非平衡態(tài)的長石主要為更、中長石(An25.97～48.33、Ab44.74～68.67、Or5.00～16.97)，推測為巖漿上升過程中捕獲的圍巖晶體，這與偏光顯微鏡下觀察到的外來長石斑晶是吻合的，也與理論上粗安巖中不存在An牌號很低的酸性長石是一致的。而自形斜長石－熔體之間的KD(Ab－An)pl－liq值為0.23～0.38，介于0.16～0.38之間，表明斜長石－熔體達(dá)到了平衡狀態(tài)，處于平衡狀態(tài)的斜長石為中、拉長石(An38.43～52.26、Ab40.82～51.62、Or5.78～9.99)。

輝石成分測試結(jié)果表明，輝石有斜方輝石和單斜輝石2種(圖9)。單斜輝石的端元組分為Wo37.71～41.85、En44.83～52.35、Fs8.71～14.84，CaO含量為17.55%～19.72%，Al2O3為0.41%～4.26%，TiO2為0.23%～1.26%，Mg#(100Mg/(Mg+∑Fe))為72.10～83.67;單斜輝石主要為普通輝石及少量頑透輝石和易變輝石。斜方輝石的端元組分為Wo0.51～6.96、En38.35～85.33、Fs13.25～61.07，其 SiO2含量為 37.65%～54.35%，TiO2含量為 0.15%～0.66%，Mg#為39.64～78.09;斜方輝石端元組分連續(xù)，根據(jù)En、Fs分子的含量可知，斜方輝石包括古銅輝石(En71.07～85.33Fs13.25～31.86)和紫蘇輝石(En54.72～69.90Fs32.43～41.41)及少量的鐵紫蘇輝石(En38.35～38.44Fs61.05～61.07)。

4 單斜輝石與熔體的平衡溫度和壓力

單斜輝石與熔體之間平衡狀態(tài)的判定，首先通過偏光顯微鏡下鑒定，選擇保存完好，無熔蝕及反應(yīng)邊現(xiàn)象，自形良好的晶體進(jìn)行電子探針測試，初步確定礦物－熔體達(dá)到平衡狀態(tài);然后通過Fe、Mg 2種元素在單斜輝石與熔體中的分配系數(shù)來確定的，公式為

表6 搖阿什火山的火山巖輝石斑晶電子探針分析結(jié)果（wt／%）Table6 搖Chemical composition of pyroxene phenocryst in Ashi volcanic rocks（wt／%）

續(xù)表6

上式中:cpx為單斜輝石，liq為熔體。

Thompson(1974)根據(jù)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，單斜輝石與玄武質(zhì)熔體平衡時的 KD(Fe-Mg)cpx-liq值為0.29。Irving等(1984)和Liotard等(1988)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)該值為0.2～0.4時，單斜輝石與熔體都是平衡的。最近的實(shí)驗(yàn)(Kinzler，1997;Hunter，1997)進(jìn)一步證實(shí)了該范圍的合理性。Putirka(2008)認(rèn)為，當(dāng) KD(Fe－Mg)cpx－liq=0.27±0.03時，單斜輝石與熔體處于平衡狀態(tài)。

阿什火山熔巖中單斜輝石與熔體之間的平衡指數(shù)為 KD(Fe－Mg)cpx－liq為 0.271～0.284，介于0.2～0.4之間，說明單斜輝石與熔體達(dá)到平衡。本文單斜輝石探針分析數(shù)據(jù)共19個，其中處于平衡狀態(tài)的有16個。

圖8 阿什火山長石An－Ab－Or圖(據(jù)Smith，1974)Fig.8 An－Ab－Or diagram of plagioclase in Ashi volcanic rocks(after Smith，1974).

圖9 阿什火山的火山巖輝石Wo－En－Fs圖(據(jù)Poldervaart et al.，1951)Fig.9 Wo－En－Fs diagram of pyroxene in Ashi volcanic rocks(after Poldervaart et al.，1951).

表7 單斜輝石－熔體溫度壓力計算結(jié)果Table7 Calculated equilibrium temperatures and pressures from clinopyroxene-liquid geothermometer and thermobarometer

單斜輝石－熔體溫度計最早由 Davis(1966)提出，后來 Nimis(1995)、Nimis等(1999，2000)和Putirka等(1996，2003，2008)推出了不同的溫壓計。Nimis(1995)的單斜輝石－熔體溫壓計含有很高的系統(tǒng)誤差，且在高壓條件下得到反常的低壓值;Putirka等(1996，2003，2008)系統(tǒng)誤差較小，并且提出了應(yīng)用于不同溫壓、不同巖性及是否含水條件下的標(biāo)準(zhǔn)化模型。其中Putirka等(2003)建立的單斜輝石－熔體溫壓計適用于富含SiO2的中酸性巖漿，且得到了很好應(yīng)用。該溫度計在相關(guān)系數(shù)R2=0.96時，誤差為±33℃，壓力計在相關(guān)系數(shù)R2=0.97時，誤差為±170MPa。阿什火山的巖性為中性粗安巖，因此采用Putirka等(2003)建立的單斜輝石－熔體溫壓計。

阿什火山單斜輝石－熔體平衡溫度為1104～1194℃，壓力為570～980MPa，對應(yīng)的巖漿房深度為18.92～32.29km(表7)。

5 結(jié)論

本文對阿什火山的火山地質(zhì)和火山巖進(jìn)行了詳細(xì)的研究，填補(bǔ)了該區(qū)的研究空白，得到以下初步結(jié)論:

(1)阿什火山由火山錐和熔巖流組成，火山錐保存較完整，由早期降落錐和晚期濺落錐組成。熔巖流分布面積約33km2，可劃分為4個流動單元。

(2)阿什火山的火山巖屬于鉀玄巖系列，巖性為粗安巖。發(fā)育氣孔構(gòu)造、杏仁構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶含量為1%～15%，以長石和輝石為主。長石主要為中、拉長石，輝石包括普通輝石、古銅輝石和紫蘇輝石?；|(zhì)的巖性為粗安巖和粗面巖，為玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)，微晶為長石和輝石為主。

(3)由單斜輝石－熔體溫壓計計算得到的斑晶與巖漿的平衡溫度為1104～1194℃，壓力為570～980MPa，對應(yīng)的巖漿房深度為18.92～32.29km。

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