新疆西昆侖獨尖山地區(qū)新生代火山巖地球化學特征及其構造意義

鄭春波，李芝榮，襲著鵬，于森，萬全政，鄒鍵

(1．平度市自然資源局，山東 青島 266700；2．山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

0 引言

新疆西昆侖獨尖山地區(qū)地處青藏高原西北緣，位于康西瓦斷裂帶與阿爾金斷裂帶和東昆侖斷裂帶的交會處[1-7]，其大地構造位置特殊，新生代以來的構造活動和火山活動強烈[8-13]，為研究新生代以來青藏高原的巖石圈演化、印度板塊的影響范圍、歐亞板塊對青藏高原構造格局的影響等科學問題提供了理想場所。目前已發(fā)現(xiàn)有黑石北湖、阿克蘇、泉水溝、阿什庫勒等火山巖區(qū)，學者們普遍認為青藏高原西北緣新生代火山巖具有相似的地球化學性質(zhì)，一般表現(xiàn)為高度富鉀，相對富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損重稀土元素和高場強元素，說明火山巖在形成過程中可能經(jīng)歷過多次富集，并且有部分地殼端元的加入[8,14-16]。但是對火山巖巖漿來源及其動力機制一直存在較大爭議，主流觀點包括軟流圈上涌[17-18]、地殼部分熔融[19]、巖石圈地幔拆沉作用[20-21]和俯沖板片混雜巖[22]。

本文依托“新疆西昆侖溫泉—獨尖山一帶1∶5萬四幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”項目，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎上，對西昆侖獨尖山地區(qū)第四紀烏魯克庫勒組火山巖進行詳細的巖石學、巖相學、巖石地球化學研究，探討該火山巖的源區(qū)性質(zhì)、深部過程和成巖方式，為進一步論證青藏高原碰撞后的隆升機制提供更多的地質(zhì)學依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于青藏高原西北緣，西昆侖造山帶東段，東西昆侖結合部位(圖1a)，區(qū)內(nèi)物質(zhì)組成和構造樣式十分復雜，呈現(xiàn)出多層次、多樣式、多機制、多階段的構造演化和變形特點。研究區(qū)最早有地質(zhì)記錄的是晚石炭世-早奧陶世花崗閃長巖巖片，其后依次發(fā)育了二疊紀硫磺達坂砂巖組、二疊紀卡拉勒塔什群、中二疊世卡拉孔木組、中二疊世黃羊嶺組、三疊紀巴顏喀拉山群、中三疊世西長溝組、三疊紀阿塔木帕下組等地層。零星發(fā)育早二疊世輝長輝綠巖、晚三疊世—早侏羅世二長花崗巖—石英閃長巖。自侏羅紀開始，區(qū)內(nèi)進入陸內(nèi)構造演化階段，發(fā)育新近紀(玄武)安山巖、火山集塊巖，晚更新世玄武巖和第四紀冰磧、沖洪積等松散沉積(圖1b)[23-24]。

a：Ⅰ—塔里木陸塊；Ⅱ—鐵克里克斷隆帶；Ⅲ—北昆侖早古生代巖漿弧帶；Ⅳ—中昆侖微陸塊；Ⅴ—南昆侖晚古生代殘弧帶；Ⅵ—巴顏喀拉晚古生代-中生代邊緣裂陷盆地；Ⅶ—甜水海-北羌塘陸塊群；Ⅷ—喀拉昆侖-南羌塘陸塊；Ⅸ—明鐵蓋地塊；①—鐵克里克北緣斷裂；②—柯崗斷裂；③—庫地-其曼于特蛇綠構造混雜巖帶；④—蘇巴什-柳什塔格蛇綠構造混雜巖帶；⑤—康西瓦-木孜塔格蛇綠構造混雜巖帶；⑥—郭扎錯-西金烏蘭湖-金沙江結合帶；⑦—龍木錯-雙湖結合帶；⑧塔阿西-岔路口構造混雜巖帶。b：1—第四紀現(xiàn)代冰川；2—第四紀沖洪積堆積物；3—第四紀烏魯克庫勒組安山質(zhì)、玄武質(zhì)火山巖；4—三疊紀巴顏喀拉山群巖屑砂巖、粉砂巖；5—三疊紀阿塔木帕下組礫巖、砂巖；6—二疊紀黃羊嶺巖群凝灰?guī)r、板巖、碎屑巖；7—二疊紀卡拉勒塔什巖群；8—二疊紀硫磺達坂砂巖；9—二疊紀再依勒克組碎屑巖；10—石炭紀龍門溝組灰?guī)r；11—震旦紀柳什塔格玄武巖；12—古元古代雙雁山片巖；13—前寒武紀再依勒克黑云花崗閃長巖；14—志留紀硫磺達坂斑狀黑云英閃巖；15—志留紀硫磺達坂黑云英閃巖；16—三疊紀二長花崗巖；17—橄欖巖；18—輝綠巖脈；19—逆斷層及產(chǎn)狀；20—正斷層及產(chǎn)狀；21—地質(zhì)界線；22—層理產(chǎn)狀；23—片理產(chǎn)狀；24—采樣點及編號圖1 新疆西昆侖獨尖山一帶大地構造位置圖(a據(jù)文獻[24]及地質(zhì)簡圖(b))

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)巖石地層》(2012版)，將1∶25萬伯力克幅區(qū)調(diào)阿什庫勒火山巖與阿塔木帕下火山巖厘定為第四紀烏魯克庫勒組[25]，其分布于西昆侖中央地層小區(qū)東部烏魯克庫勒(湖)一帶，木孜塔格地層小區(qū)西部阿塔木帕下一帶，火山巖分布總面積約251km2，部分火山錐保存完好，個別錐體相對高度達150m，錐體直徑約6km，火山口直徑200m，錐頂呈深達50m的漏斗狀負地形。下伏地層關系不明，未見上覆地層。主要巖石類型為輝石安山巖、玄武質(zhì)浮巖及少量安山巖，并含少量砂巖、片麻巖捕虜體，最大厚度約100m。

2 火山巖地質(zhì)及巖石學特征

2.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)烏魯克庫勒組出露于北部阿克蘇河西側，出露面積約50km2，可識別的火山口、火山錐或子火山有數(shù)十個，形態(tài)保存完好的有十余處，航片及衛(wèi)星照片上馬蹄形、環(huán)形的火山清晰可見(圖2a)。火山熔巖順溝流淌，受河流切割形成熔巖階地(圖2c)。根據(jù)火山巖分布范圍，研究區(qū)內(nèi)烏魯克庫勒組火山巖分為阿塔木帕下火山巖區(qū)和阿什庫勒火山巖區(qū)。

a—阿什庫勒火山巖影像特征；b—阿塔木帕下火山口宏觀特征；c—熔巖階地特征；d—烏魯克庫勒組(Qw)不整合于三疊紀花崗巖(T3ηγ)；e—杏仁狀玄武巖野外特征；f—氣孔狀玄武巖野外特征；h—紫灰色氣孔狀玄武巖鏡下特征(Px—輝石)(正交偏光)；i—灰黑色氣孔狀玄武巖鏡下特征(Cc—方解石)(正交偏光)；j—杏仁狀安山玄武玢巖鏡下特征(正交偏光)圖2 獨尖山地區(qū)烏魯克庫勒組火山巖特征

阿塔木帕下火山巖區(qū)主要分布于阿特塔木達坂南一帶，火山巖多位于盆地及河溝兩側，為侵蝕切割區(qū)，火山熔巖流沿克里雅河流動，局部可達數(shù)十千米，局部被進一步切割成黑色階地，規(guī)模相對較大。該火山巖區(qū)分布有5處火山口，火山錐一般均遭破壞，熔巖層的表部和火山口附近常形成了較多的浮巖及火山渣(圖2b)，巖性以爆發(fā)相凝灰質(zhì)(角)礫巖、火山渣及溢流相玄武巖、玄武安山巖為主，此外在阿塔木帕下火山巖中含大量花崗巖捕虜體(圖2d)。

阿什庫勒火山巖主要分布于北部阿什庫勒盆地一帶，研究區(qū)內(nèi)分布有4處火山口，火山活動方式以中心式噴發(fā)為主，火山集塊等火山碎屑(呈紫紅色、暗紫色，渣狀)堆于火山口附近，形成最高近200m的火山錐，火山錐之外為大面積分布的熔巖被，地貌總體較平坦，熔巖流沿一定方向流動，形成高地，規(guī)模較大。巖性以爆發(fā)相凝灰質(zhì)(角)礫巖、火山渣及溢流相玄武巖、玄武安山巖、浮巖為主，局部發(fā)育淺火山巖相玢巖。

2.2 巖石學特征

2.2.1 灰黑色氣孔狀玄武巖

灰黑色，斑狀結構，間粒間隱結構，巖石由斑晶(1%～2%)和基質(zhì)(≥98%)組成，斑晶主要為斜長石和輝石，粒徑0.55～1mm，基質(zhì)主要由斜長石(約占73%)和玻璃質(zhì)(約占24%)組成，少量輝石(微量)和磁鐵礦(約占3%)等，較自形的斜長石板條組成的不規(guī)則格架中充填玻璃質(zhì)和少量輝石、磁鐵礦等，構成間粒間隱結構。巖石發(fā)育氣孔構造，氣孔呈橢圓狀或不規(guī)則狀，孔徑<18mm(圖2f、圖2i)，部分氣孔充填方解石和少量石英、長石等。

2.2.2 紫灰色氣孔狀玄武巖

紫灰色，斑狀結構，間粒間隱結構，巖石由斑晶(1%±)和基質(zhì)(99%)組成。斑晶為輝石，半自形柱狀，粒徑0.6～0.9mm，具輕微的綠簾石化?；|(zhì)由微晶斜長石(約占88%)、輝石(約占5%)、磁鐵礦(約占2%)和玻璃質(zhì)(約占4%)組成，較自形斜長石板條組成的不規(guī)則格架中充填細小的輝石和磁鐵礦以及隱晶質(zhì)，構成間粒間隱結構，基質(zhì)具極其輕微的綠簾石化和絹云母化。巖石發(fā)育氣孔構造，氣孔呈橢圓狀或不規(guī)則狀，孔徑<5mm(圖2e、圖2h)。

2.2.3 黑灰色杏仁狀安山玄武玢巖

黑灰色，斑狀結構，基質(zhì)填隙交織結構，塊狀、杏仁狀構造，巖石主要由斜長石、纖閃石、透輝石、鐵質(zhì)物組成。斑晶(10%～15%)以斜長石為主，呈半自形板狀，粒徑0.2～2mm，為中基性斜長石；纖閃石(<3%)呈柱粒狀，系原巖中的角閃石次變形成；透輝石含量極少，呈等軸粒狀，粒徑<0.05mm，斑晶礦物雜亂散布?；|(zhì)(>60%)以斜長石為主，呈細小的微晶狀，板條狀雜亂分布，分布均勻，其間分布有鐵質(zhì)物，呈填間結構，鐵質(zhì)物呈微晶粒狀，粒徑<0.05mm,均勻分布，有零星細小的透輝石散布。杏仁體(25%～30%)形狀不規(guī)則，多呈次圓狀，粒徑0.5～4mm不等，充填物大部分已淋失，僅是有極少的碳酸鹽礦物殘留，多呈孔洞狀，雜亂散布(圖2j)。

3 巖石地球化學特征

本次研究樣品均采自地質(zhì)剖面和主干路線，選擇具有代表性的新鮮巖石進行巖石地球化學分析，共計5件樣品，其中阿塔木帕下火山巖區(qū)2件，阿什庫勒火山巖區(qū)3件，巖性均為玄武巖。樣品主量、微量和稀土元素的測試工作由核工業(yè)新疆理化分析測試中心鑒定完成。主量元素利用Axiosm Ax型原子吸收分光光度計進行測試，F(xiàn)eO由氫氟酸、硫酸溶樣，采用重鉻酸鉀滴定的容量法進行測試，誤差≤2%；微量和稀土元素利用NexION 350X型電感耦合等離子質(zhì)譜儀及ICAP6300型電感耦合等離子原子發(fā)射儀完成，誤差≤5%，分析結果見表1、表2。

表1 烏魯克庫勒組火山巖主量元素分析結果表 單位：%

表2 烏魯克庫勒組火山巖微量元素分析結果表 單位：×10-6

3.1 主量元素特征

樣品主量元素分析結果見表1，表中數(shù)據(jù)為去除燒失量后進行歸一化處理的數(shù)據(jù)，從分析結果上看，與中國同類玄武巖、安山巖的平均化學成分[26]相比，巖石SiO2、FeO、CaO、K2O、P2O5含量較高，Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O偏低，TiO2介于玄武巖與安山巖之間。

樣品堿總量為6.31%～7.10%，平均為6.63%，里特曼指數(shù)為2.22～2.67，平均為2.42，為鈣堿性。N2O/K2O比值為0.71～0.79，平均0.76，屬鉀質(zhì)系列。鐵鎂指數(shù)FM平均為81.81，反映出全鐵占鐵、鎂總量的含量，即巖漿分離結晶作用程度較高。固結指數(shù)為8.27～14.36，平均為12.04，表明巖石是幔源巖漿經(jīng)過分異或同化而成。鋁質(zhì)指數(shù)(A/CNK)為0.63～0.73，平均值為0.67，巖石屬于偏鋁質(zhì)。在硅-堿TAS分類圖中(圖3a)，樣品點均落入安山巖區(qū)；在AR-SiO2圖解中，樣品點均落入鈣堿性區(qū)域(圖3b)。

Pc—苦橄玄武巖；B—玄武巖；O1—玄武安山巖；O2—安山巖；O3—安山巖；R—流紋巖；S1—粗面玄武巖；S2—玄武質(zhì)粗面安山巖；S3—粗面安山巖；T—粗面巖、粗面英安巖；F—副長石巖；U1—堿玄巖、碧玄巖；U2—響巖質(zhì)堿玄巖；U3—堿玄質(zhì)響巖；Ph—響巖；Ir—Irvine分界線，上方為堿性，下方為亞堿性圖3 烏魯克庫勒組火山巖TAS分類圖[27]和AR-SiO2圖解[28]

3.2 火山巖微量元素特征

研究區(qū)火山巖樣品微量元素特征見表2。從表中可看出，烏魯克庫勒組火山巖微量元素與中國大陸巖石圈化學元素豐度值[29]相比，B、F、Sr、K、Rb、U、Th、Ba、Re、Nb、Ta、P、Zr、Hf、Ti、Li、Be、Pb等元素較高，為富集型，平均含量多為大陸巖石圈豐度值的1～2倍，元素F、Ba、Nb、Zr、Hf、Ti、Ni、Cr、Li、Be、Pb尤為富集，普遍為大陸巖石圈豐度值的2倍以上，其中大離子親石元素Ba達到74.73倍。Ni、CR等元素貧化，顯示虧損狀態(tài)。

從微量元素原始地幔標準蛛網(wǎng)圖(圖4a)中可看出，火山巖標準化分布型式呈向右緩傾曲線，右端近平直。大離子親石元素Ba等元素呈峰值，顯示富集；高場強元素Nb呈槽，Th、U呈峰，反映區(qū)內(nèi)玄武巖與陸殼有密切關系，受地殼物質(zhì)混染作用明顯。

3.3 火山巖稀土元素特征

研究區(qū)火山巖樣品稀土元素特征見表3。與中國大陸巖石圈化學元素豐度值[29]相比，14種元素均表現(xiàn)為富集。烏魯克庫勒組火山巖稀土總量∑REE平均值807.86×10-6，輕稀土總量LREE平均值為774.30×10-6，重稀土HREE平均值為33.56×10-6，輕重稀土比值∑LREE/∑HREE介于21.32～25.39，平均值為23.04，表明火山巖輕、重稀土分異較大；LaN/YbN介于56.74～74.50，平均值63.64。曲線向右陡傾，富LREE。δEu異常不明顯。從稀土元素球粒隕石標準化圖解(圖4b)中看出，曲線向右陡傾，表現(xiàn)為左高右低，輕稀土斜率較大，重稀土微傾斜狀，反映出輕稀土具明顯的分餾特征，重稀土分餾不明顯。

圖4 研究區(qū)火山巖微量元素原始地幔標準蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素配分曲線圖(b)[30]

表3 烏魯克庫勒組火山巖火山巖稀土元素分析結果表 單位：×10-6

4 討論

4.1 形成時代

關于西昆侖第四紀烏魯克庫勒組時代前人已作了一些工作，劉嘉麟等[9]在阿什庫勒火山巖區(qū)獲得最老的火山巖年齡，其K/Ar年齡為2.8Ma；鄧萬明[8]在烏魯克庫勒湖北部獲得一個熱釋光年齡為(7.4士0.4)萬年，認為該處火山巖可能在最近1萬年內(nèi)還有過噴發(fā)活動。鄧萬明[14]在阿克蘇河一帶火山巖下部烘烤層中獲得的熱釋光年齡為(0.56±0.034)Ma，顯示火山活動時間應為中更新世。

4.2 巖漿來源

在同位素地球化學研究中，Sr和Nd兩種同位素的結合使用，比蛛網(wǎng)圖的形式更能直觀地表達巖石中成因的大量信息。研究區(qū)火山巖樣品Sr-Nd同位素分析結果見表4，從表中數(shù)據(jù)可以看出，樣品87Sr/86Sr值為0.708～0.711，平均為中等偏高的玄武巖；εNd值為-3.9～-7.8，具有較大的負值，說明研究區(qū)火山巖中有地殼物質(zhì)的加入。

表4 研究區(qū)火山巖樣品Sr-Nd同位素分析結果表

樣品Sr、Nd同位素成分投影如圖5a，投影點均落入EMⅡ的范圍之內(nèi)，EMⅡ被普遍認為是俯沖后再循環(huán)的大陸殼物質(zhì)與地幔巖發(fā)生混合作用的產(chǎn)物，結合樣品主、微量元素特征，筆者認為，研究區(qū)第四紀烏魯克庫勒組火山巖源區(qū)應屬于輕稀土元素富集的一種殼幔混合地幔。

a—DMM-虧損地幔；EMⅠ—富集Ⅰ型地幔；EMⅡ—富集Ⅱ型地幔；HIMU—異常型地幔；BE—地球總成分；PREMA—普通地幔b：Ⅰ—大洋玄武巖，Ⅱ—大陸裂谷型玄武巖、安山巖，Ⅲ—島弧造山帶玄武巖、安山巖；c：A—N型MORB；B—E型MORB；C—堿性板內(nèi)玄武巖；D1—島弧拉斑玄武巖；D2—島弧鈣堿性玄武巖圖5 烏魯克庫勒組火山巖樣品Sr-Nd同位素投影圖(a)[31]、ATK圖解(b)[34]、Th-Ta-Hf構造環(huán)境判別圖解(c)[35]

4.3 構造環(huán)境分析

研究區(qū)烏魯克庫勒組火山巖為一套火山熔巖、火山碎屑巖建造，火山熔巖以玄武巖、玄武質(zhì)安山巖及安山巖為主。在ATK圖解中(圖5b)，樣品均落入Ⅱ區(qū)(大陸裂谷型玄武巖)；在玄武巖Th-Ta-Hf/3構造環(huán)境判別圖解中(圖5c)，均落入島弧鈣堿性玄武巖區(qū)，指示研究區(qū)新生代火山巖可能形成于大陸島弧環(huán)境。

研究區(qū)新生代烏魯克庫勒組火山巖與青藏高原北緣新生代火山巖基本一致，屬鉀玄巖系列，巖漿源深達地幔，而且?guī)r石在形成過程中受到大量地殼物質(zhì)的混染，但大部分是下地殼的物質(zhì)，地幔提供了使其熔融的能量。結合區(qū)域地質(zhì)及大地構造背景[31-33]，青藏高原北緣新生代火山巖空間上比較明顯分布于三疊紀巴顏喀拉山群的兩側，而巴顏喀拉山群是晚古生代殘留洋盆中堆積的巨厚復理石，是由于岡瓦納大陸裂解板塊向北強烈擠壓殘留的古特提斯洋體系，殘留洋殼發(fā)生被動的再俯沖，同時攜帶了部分巴顏喀拉山群在深部熔融的產(chǎn)物。新生代火山巖實際上是這種作用的繼續(xù)，新生代以來，青藏高原處在北側塔里木板塊、南側印度板塊，東側的揚子板塊的圍限之中，由于印度板塊的碰撞及北向俯沖，同時受到北部塔里木板塊和東部揚子板塊的阻擋，形成了以南北向的構造壓應力為主、同時受到幾個方向阻擋的構造格局，在這種格局中，邊緣動力通過遠程效應施加于原特提斯體系，殘留的洋殼再也不能被容納于大陸板內(nèi)而發(fā)生向南北兩側的(陸內(nèi))俯沖，從而形成了具有大陸島弧特點的新生代火山巖。

5 結論

(1)新疆西昆侖獨尖山地區(qū)第四紀烏魯克庫勒組火山巖為一套火山熔巖、火山碎屑巖建造，空間上分為阿塔木帕下和阿什庫勒2 個火山巖區(qū)，巖性以凝灰質(zhì)角礫巖、玄武巖、安山巖為主。

(2)巖石地球化學顯示烏魯克庫勒組火山巖具有偏鋁質(zhì)鉀質(zhì)鈣堿性特點，稀土元素配分曲線呈右陡傾型，輕稀土明顯富集，富集大離子親石元素，虧損高場強元素，顯示出島弧火山巖的特征。

(3)烏魯克庫勒組火山巖形成時代為中新世，同位素特征顯示其巖漿源區(qū)為殼幔混源區(qū)，同時巖石在形成過程中明顯受到下地殼物質(zhì)混染。結合區(qū)域地質(zhì)及構造演化特征，烏魯克庫勒組火山巖形成環(huán)境為大陸島弧環(huán)境。