新疆境内从前震旦纪直至近代的各个时期都有火山岩的分布,根据不同地质时期的构造活动特点,火山活动也表现为强弱不一,以及在火山岩类型、分布、数量上都有明显的差别,可以划分为4个阶段(新疆区域地质志,1993):前震旦纪阶段、震旦纪—早古生代阶段、晚古生代阶段和中新生代阶段。 前震旦纪阶段、震旦纪和早古生代寒武纪火山岩主要分布于塔里木地台区及天山、昆仑地槽褶皱系,其分布量不及新疆火山岩的30%,在断面区内没有出露。 前震旦纪火山岩由于经历了不同程度的区域变质,成为各种变质火山岩或变质岩,构成基底岩石。 古生代是新疆火山活动的主要时期,火山岩约占新疆火山岩的70%。 早古生代奥陶纪和志留纪火山岩开始增多(分布量约占新疆火山岩的20%),主要出露于天山和准噶尔地区,其次为阿尔泰、塔里木和昆仑山地区,在西伯利亚板块区的北阿尔泰的哈纳斯岩带和哈萨克斯坦-准噶尔板块区的博罗科努岩带、哈尔克岩带都有奥陶纪和志留纪火山岩。 晚古生代是新疆火山岩形成的最鼎盛时期,尤以泥盆纪和石炭纪最甚,其火山岩约占新疆火山岩的一半,在整个地学断面区内都有广泛分布。 新疆中-新生代阶段的火山活动十分微弱,仅在昆仑等地有零星分布的火山岩,1951年5月27日昆仑山阿什库勒火山喷发形成新疆,也是我国大陆内部最新的玄武质火山喷发活动。 根据断面区内火山岩分布情况,我们主要研究古生代火山岩。
一、主要火山岩带
根据新疆维吾尔自治区地质志(1993)和有关研究资料(于学元等,1995;陈哲夫等,1997)将与断面区有关的主要火山岩带(自北而南)的概况归纳和总结如下:
北阿尔泰早古生代火山岩带属于北阿尔泰早古生代陆缘活动带(包括克兰泥盆纪—石炭纪弧后盆地和卡尔巴-纳雷姆石炭纪—二叠纪岩浆弧),仅有晚奥陶世和中-晚志留世的火山岩。 晚奥陶世火山岩在岩带西段沿阿勒泰镇北部—白哈巴一线断续出露,以白哈巴地区厚度最大(达927m)。 岩性为中性、中酸性及酸性的安山岩-英安岩-流纹岩组合,局部有凝灰岩或含角砾的凝灰岩。 中-晚志留世的火山岩在岩带西中段北侧的库尔木图群中呈夹层、透镜状或不规则岩株状产出;在可可托海—库威—阿尤布拉克一线,主要为透镜状、不规则岩株状或岩枝等变质基性岩体呈线状分布。 这些岩石均已变质为斜长角闪片麻岩或黑云母斜长角闪片麻岩,其原岩主要为基性和中性的玄武岩-安山岩组合,火山岩累计厚度不超过500m(新疆维吾尔自治区地质志,1993;何国琦等,1994)。 晚奥陶世和中-晚志留世的火山岩总体上都相对低碱,后者的基性火山岩还以极富MgO(4.56%～12.73%)为特征。
南阿尔泰晚古生代火山岩带属于南阿尔泰晚古生代陆缘活动带,以泥盆纪火山岩为主,少量石炭纪火山岩,主要分布于东段的红山嘴和富蕴两个岩带,火山岩主要为中性、中酸性和酸性的安山岩-英安岩-流纹岩组合。 根据于学元等(1995)研究,南阿尔泰火山岩带西段早泥盆世火山岩在哈巴河两岸呈北西西-南东东向展布,西延至哈萨克斯坦,以角斑质-石英角斑质熔岩、火山碎屑岩为主,少量细碧质熔岩、火山碎屑岩;中泥盆世火山岩在阿舍勒地区极为发育,以细碧质熔岩、火山碎屑岩为主,局部地段出现较多的角斑质-石英角斑质熔岩、火山碎屑岩。 总的看来,南阿尔泰西段泥盆纪火山岩呈带状分布,自北而南依次为早泥盆世火山岩、中泥盆世火山岩,早泥盆世以中酸性火山岩为主,中泥盆世以基性火山岩为主,它们同属细碧岩-角斑质-石英角斑岩系。
陈哲夫等(1997)将阿尔泰火山岩分为5个喷发旋回,即晚奥陶世早期、早泥盆世、中泥盆世、晚泥盆世和早石炭世。 第一喷发旋回(晚奥陶世)底部以爆发相角砾岩、集块岩为主,夹少量熔结凝灰岩,中部以安山岩、石英安山岩为主,上部以英安岩、流纹岩为主;第二喷发旋回(早泥盆世)为细碧岩-角斑质-石英角斑岩建造。 三者含量分别为15%～20%,30%～35%和45% ～65%,SiO2,Na2O,K2O分别变化于47%～53%,54% ～64%和64% ～75%,4.6% ～5.5%,6.3% ～9.3%和5.5% ～8.3%,0.5% ～1.1%,<1%和0.52～2.00%;第三喷发旋回(中泥盆世早期)各地段岩石组合有较大差异,在阿舍勒一带以石英角斑岩为主,夹少量玄武岩和安山岩,多属拉斑系列火山岩。 下部以喷发沉积相为主(火山碎屑岩+沉积岩),而溢流熔岩较少。 向上由爆发相(集块岩)+溢流相+沉积相,溢流相的熔岩及沉积相的碎屑岩逐渐增多。 在阿勒泰市附近的阿勒泰组的下部碎屑岩夹有较多枕状细碧岩,SiO2 ,TiO2,Al2O3,Na2O分别变化于44%～52%,1.8%～2.38%,16%～17.72%,4.29%～5.9%。 Rb-Sr全岩等时线年龄(6个样品拟合相关系数为0.989)为380±27Ma, 87Sr/86Sr初始比值为0.70741 ～0.70906,可见岩浆有地壳物质的加入,与岛弧玄武岩Sr的初始比值接近;第四喷发旋回(晚泥盆世)仅出露在阿尔泰西段的阿舍勒村以北一带下部为石英角斑质或英安质的集块岩、英安岩或石英角斑岩,中部则以安山岩(或角斑岩)为主,上部以基性玄武岩为主,中性玄武岩少量,似有反序列之特征。 在全碱-硅图解中多属高铝(钙碱)系列。 该喷发旋回多为近源火山岩,由多次喷发-溢流,构成重复韵律;第五喷发旋回(早石炭世)主要发育在诺尔特上叠盆地中,为一套酸性火山岩建造,主要岩性为残斑变岩、流纹岩、英安岩、石英斑岩、霏细岩类,上部为泥质粉砂岩、硅质板岩,夹少量灰岩及钙质砂岩。 火山岩多属碱性系列。
萨吾尔晚古生代火山岩带属于准噶尔北缘古生代陆缘构造带,以泥盆纪和石炭纪的火山岩为主,是新疆晚古生代火山活动时间最长,强度最大,火山岩分布最广的地区。 准噶尔北缘西段的断面内萨吾尔晚古生代岛弧区从中泥盆世至中石炭世都有火山岩的分布,泥盆纪火山岩为玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合;石炭纪火山岩为玄武岩-安山岩-英安岩组合;早二叠世火山岩在吉木乃、乌尔苏等地有分布,一般下部为玄武岩、安山岩及中酸性火山角砾岩、凝灰岩,上部为安山岩、英安岩、流纹岩及火山角砾岩、凝灰岩,构成玄武岩-安山岩-流纹岩组合。 二叠纪该区已褶皱隆起,火山岩为大陆火山岩。
博罗科努古生代火山岩带在早古生代奥陶纪和志留纪、晚古生代泥盆纪和石炭纪均有分布,以石炭纪最为发育。 中奥陶世火山岩较少,为典型的玄武岩-流纹岩(霏细岩)组合;中泥盆世火山岩为较单一的玄武岩和钠长石化玄武岩;石炭纪火山岩以钙碱系列(玄武安山岩-安山岩-石英安山岩-流纹英安岩-英安流纹岩-流纹岩)为主,占80%以上,少量碱性系列(碱性玄武岩+玄武粗安岩+粗安岩),占15%左右。 博罗科努火山岩属钾质系列火山岩,它们属于不同构造环境下的产物,在早古生代(奥陶纪—志留纪)属扩张型裂陷槽,到泥盆纪裂陷槽聚合,自石炭纪发展成为岛弧(陈哲夫等,1997)。
伊犁石炭纪—二叠纪陆内裂谷火山岩带的伊犁盆地是天山地区早石炭世火山岩最主要分布区,盆地下部为安山岩、英安岩、流纹岩及火山碎屑岩,偶尔夹玄武岩,厚度可达4543m。火山碎屑岩与熔岩之比为1:1至1:5,属海相裂隙-中心式喷发。 中石炭世火山岩分布较早石炭世明显缩小,集中于伊犁盆地的中部,主要岩石为安山岩、英安岩、橄榄玄武岩及火山碎屑岩。 火山碎屑岩与熔岩之比为1:1至5:1,其爆发强度明显大于早石炭世,属浅海相裂隙式喷发。 早二叠世火山岩在伊犁盆地仍有大规模的分布,一般下部为酸性熔岩、英安岩夹安山岩及熔结凝灰岩,中上部为玄武岩、安山岩夹英安岩、石英斑岩及火山碎屑岩。 火山岩厚度达4211m,火山碎屑岩与熔岩之比为1:2,属陆相火山喷发环境。 晚二叠世火山岩分布明显减少,下部为流纹岩,中部拉斑玄武岩,上部安山质碎屑岩,属陆相中心式喷发。 根据岩石化学判别,伊犁盆地岩带的石炭纪和二叠纪火山岩均以钙碱性系列为主,个别为拉斑玄武岩系列和碱性系列。 火山岩组合以玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合为主,少量玄武岩-安山岩-英安岩组合(中石炭世),石炭纪火山岩具有陆缘裂谷和岛弧构造环境,二叠纪火山岩属造山后阶段的陆相火山喷发。
二、火山岩组合特征
根据火山岩喷发特点,火山岩主要包括喷溢相的火山熔岩和爆发相的火山碎屑岩,以及一部分浅成-超浅成侵入的潜火山岩。 火山熔岩一般代表了直接来自源区、较少混染的岩浆,这里研究的地学断面区内出露的火山岩也主要是熔岩相火山岩,我们通过火山熔岩的分类命名,研究它的来源和成因演化,讨论它的构造属性与板块活动特点。 由于火山岩的结晶程度差,所以我们根据岩石的化学成分,采用国际地科联推荐的火山岩TAS分类,收集了已发表的800余个新疆古生代火山岩的分析数据(新疆维吾尔自治区区域地质志,1993;何国琦等,1994;于学元等,1995;张湘炳等,1996;涂光炽,1993),结合本地学断面区火山岩的分析数据(表3-1),对新疆古生代火山岩进行统一分类命名。
由于火山作用时代、火山岩发育程度,以及研究程度的不同,各个火山区、带的火山岩数据分布是不均匀的,但它们都具有代表性。 图3-2至图3-4展示了西伯利亚板块区和哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩的化学成分与岩石类型分布的总体趋势。 可以看出,两个板块区不同岩浆带古生代火山岩覆盖了基性-中性-中酸性-酸性火山岩的全部类型,但各个火山岩带又存在差别。 如图3-2北阿尔泰火山岩分别落在玄武岩和流纹岩区,具有双峰式火山岩分布特点。 额尔齐斯-布尔根板块构造缝合带火山岩主要位于基性和中基性火山岩区,缺乏中酸性和酸性火山岩。 达尔布特-克拉美里泥盆纪—石炭纪裂陷槽的火山岩也主要集中于基性-中基性火山岩,少量中酸性-酸性火山岩(图3-3)。 以往都把新疆古生代火山岩命名为玄武岩、玄武质安山岩、安山岩、英安岩和流纹岩(均属正常系列),但在TAS图上可以发现,半数以上古生代火山岩属于偏碱性的粗面玄武岩、玄武质粗安岩、粗面岩,还有碱性流纹岩。
火山岩全碱(Na2O+K2O)的增加主要反映了K2O的增加,在SiO2-K2O图上(图3-5至图3-7)可以看出火山岩从低钾拉斑系列向钙碱系列和高钾钙碱系列演化的趋势,少数已进入橄榄安粗岩系列,大部分火山岩属于钙碱系列和高钾钙碱系列,额尔齐斯-布尔根板块构造缝合带火山岩和达尔布特-克拉美里泥盆纪—石炭纪裂陷槽的火山岩多集中于低钾拉斑系列。 在FAM图上(图3-8至图3-10)可以很明显看出,其主系列是钙碱性火山岩系列,但没有显示明显的演化关系,有相当数量的火山岩属拉斑系列火山岩。 以上表明火山岩与陆缘和岛弧环境的亲缘性。 我们在南阿尔泰姜居勒克村还发现苦橄岩 (表3-1,XJ97014),其SiO2只有41.09%,而MgO高达24.87%。
三、稀土元素和微量元素
24个断面区内各岩带的代表性火山岩稀土元素和微量元素仪器中子活化分析结果列于表3-2,其稀土元素和微量元素分布模式见图3-11至图3-13。 根据稀土元素和微量元素含量及其分布模式,基本上可以划分为3种类型:基性玄武岩、中性安山岩和中酸性-酸性英安岩与流纹岩。 玄武岩的稀土元素含量一般小于50μg/g(22～45μg/g),为球粒陨石的10～20倍,其中卡尔巴-纳雷姆石炭纪—二叠纪岩浆弧带的两个玄武岩(一个为大洋玄武岩)的稀土元素含量最低,仅为球粒陨石的10倍左右,具有大洋玄武岩典型的轻、重稀土无分离平坦的分布模式。 玄武岩一般略显Eu正异常或不显Eu异常,例外的是大洋玄武岩显示了较明显的Eu负异常,可能与少量的斜长石结晶分异有关。 个别玄武岩的稀土含量可高达101μg/g。 安山岩的稀土元素含量一般小于100μg/g(73～99μg/g),为球粒陨石的40～60倍,显示中等分离的稀土分布模式,并显示不同程度的Eu,Ba负异常,个别安山岩(YX97057)的稀土含量达到145 μg/g。 英安岩与流纹岩的稀土元素含量最高,变化也大,为(74～177)μg/g,一般为球粒陨石的50～100倍,稀土元素和微量元素分布模式具有显著的Eu,Ba负异常。 一个细碧岩(YX97002)稀土元素含量(71μg/g)和分布模式类似于中-基性玄武岩-安山岩,不显示Eu负异常。 一个石英角斑岩(YX97005)的稀土含量(129μg/g)相当于球粒陨石的100倍,其稀土分布模式类似于酸性流纹岩,呈现明显的Eu负异常。 玄武岩的稀土元素和微量元素特点表明,主要由上地幔部分熔融产生。 而安山岩-英安岩-流纹岩都经历了不同程度斜长石的结晶分离作用。
表3-1 地学断面火山岩主量元素分析结果(wB/%)
方法:X荧光光谱;分析者:中国科学院地质研究所;XJ为本子专题分析样品,YX为本专题杨主恩分析样品,下同。
图3-2 西伯利亚板块古生代火山岩TAS分类图
图3-3 哈萨克斯坦-准噶尔板块区火山岩TAS分类图(一)
图3-4 哈萨克斯坦-准噶尔板块区火山岩TAS分类图(二)
图3-5 西伯利亚板块区火山岩
图3-6 哈萨克斯坦-准噶尔板块区火山岩SiO2-K2O图(一)
图3-7 哈萨克斯坦-准噶尔板块区火山岩SiO2-K2O图(一)
图3-8 西伯利亚板块区古生代火山岩AFM图
图3-9 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩AFM图(一)
图3-10 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩AFM图(二)
图3-11 西伯利亚板块区古生代火山岩稀土元素分布模式
表3-2 地学断面火山岩微量元素分析结果(wB/10-6)
分析方法:仪器中子活化;分析者:中国科学院高能物理研究所。
续表
分析方法:仪器中子活化;分析者:中国科学院高能物理研究所。
图3-12 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩稀土元素分布模式
四、火山岩形成构造环境
消减带位于板块闭合边缘,是大洋向大陆转化区,也是褶皱造山区和岩浆活动区,它们以钙碱性火山岩系为特征。 消减带包括岛弧和大陆边缘(活动陆缘)两种环境,典型的岛弧和活动陆缘的火山岩组合特征、成分及其伴生侵入岩都存在差别(Jakes, et al.,1972; Con-die,1976;Pearce,1984),岛弧火山岩:以低钾(K2O平均为1.60%)安山岩为主, SiO250%～66%,K2O/Na2O <0.6(K2O向大陆方向增加),伴生侵入岩主要由石英闪长岩-花岗岩组合。 活动陆缘火山岩:以高钾(K2O平均为3.25%)安山岩为主,SiO256%～75%, K2O/Na2O >0.6(K2O一般变化于0.6～1.1),伴生侵入岩主要由石英二长岩-花岗岩组合。 板块碰撞俯冲阶段产生岛弧玄武岩(主要是拉斑质的)和大陆边缘玄武岩(以钙碱性岩石为主),随着从岛弧向陆缘直至大陆内部,地壳成熟度的增加岩浆化学成分从拉斑质向钙碱性岩石变化。 新疆古生代火山岩是一套岛弧-陆缘玄武质-安山质岩浆及其演化的产物,所以它们往往表现出过渡的特征,其岩石学和地球化学判别也显示两面性和过渡的特点,其主系列是陆缘特征的钙碱性火山岩,其次是具有岛弧特征的拉斑质玄武岩和安山岩。
图3-13 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩稀土元素分布模式
陈哲夫等(1997)根据戈蒂里(1968)的T指数((Al2O3-Na2O)/TiO2)>10时为造山带火山岩组合,阿尔泰火山岩的戈蒂里指数〔T〕均大于10,且有30%左右火山岩的戈蒂里指数在20%～45%之间,认为阿尔泰古生代火山岩产生于大陆边缘造山带。
何国琦等(1990)将阿尔泰火山岩分为拉斑系列(英安岩-流纹岩组合)、高铝(钙碱)系列(安山岩-英安岩-流纹岩组合)和碱性系列(玄武岩(细碧岩)-安山岩(角斑岩)-英安岩(石英角斑岩)-流纹岩(少量)组合)。 韩宝福等(1991)在研究了阿尔泰山南缘泥盆纪火山岩带并将它与现代太平洋两侧的安第斯陆缘弧火山岩和日本岛弧火山岩进行对比后指出阿尔泰山南缘泥盆纪火山岩具有大陆边缘火山岩带的性质。 安第斯陆缘火山弧中主要发育高碱拉斑玄武岩系列火山岩,碱性玄武岩系列和低碱拉斑玄武岩系列火山岩很少;日本岛弧的绝大多数火山岩属于高碱拉斑玄武岩系列和低碱拉斑玄武岩系列,很少碱性玄武岩系列火山岩;阿尔泰山南缘泥盆纪大陆边缘火山岩带则以发育碱性玄武岩系列和高碱拉斑玄武岩系列火山岩为主要特征,特别是以碱含量高区别于安第斯陆缘弧火山岩和日本岛弧火山岩。
在1gι-1gσ图上(图3-14至图3-16),几乎全部火山岩都集中于消减带(造山带)火山岩区,只有哈萨克斯坦-准噶尔板块区的萨吾尔晚古生代岛弧和谢米斯台-库兰喀孜干晚古生代岛弧有部分样品进入C区(A,B区演化的碱性系列火山岩)。 在Th-Ta-Hf/3构造环境判别图上,我们分析的断面区内玄武质火山岩均位于汇聚板块边缘玄武岩及分异岩的D区(图3-17),这与处于消减带之上地幔Th的选择性富集使该组分向Th角移动进入D区有关。 岛弧火山岩最突出的地球化学特征是,与N-MORB相比,岛弧火山岩的LILE丰度高,全岩的Th>Ta,以及Nb,Ta相对于Th,La亏损,这归结为有来自消减带物质的加入,以拉斑质与钙碱性玄武岩为主。
图3-14 西伯利亚板块区古生代火山岩里特曼-戈蒂尼图
图3-15 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩里特曼-戈蒂尼图(一)
图3-16 哈萨克斯坦-准噶尔板块区古生代火山岩里特曼-戈蒂尼图(二)
图3-17 断面区内玄武质火山岩Hf-Th-Ta(Wood,1980)
REE出现明显的Nb,Ta负异常,显示了岛弧或活动陆缘火山岩的特征,在Hf-Th-Ta图上反映了与汇聚板缘有关的环境。