西天山溫泉布拉格達瓦一帶托斯庫爾他烏組沉積特征及構造環境分析

孟令華

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

西天山造山帶位于中亞造山區的南部，北鄰哈薩克斯坦—準噶爾古板塊，南鄰塔里木古板塊，是一個經歷了多期次俯沖、碰撞和陸—陸疊覆造山而形成的復合造山帶，其構造演化與天山洋盆演化密切相關[1-2]。西天山溫泉地區廣泛發育泥盆—石炭紀火山—沉積地層，是西天山構造演化的重要物質記錄[3]。根據野外地質調查，溫泉縣城東南布拉格達瓦—巴音哈拉一帶大面積出露的NE向展布的晚泥盆世托斯庫爾他烏組地層，不整合在中泥盆世汗吉尕組和古元古代溫泉巖群之上，被早石炭世阿克沙克組不整合覆蓋(圖1b)。前人工作重點主要集中在碎屑巖地層層序、化石組合、物源特征、沉積環境等方面[4]，對正常沉積地層中的火山巖夾層研究不足。本文對托斯庫爾他烏組中火山巖夾層的噴發規律、巖石地球化學特征進行了研究，同時結合沉積物源，對其形成環境進行了探討，為西天山泥盆紀構造演化提供了新的依據。

1 地質背景

研究區大地構造位置處于天山興蒙造山系(Ⅰ級)伊寧—中天山地塊(Ⅱ級)賽里木陸緣盆地(Ⅲ級)之賽里木地塊(Ⅳ級)[5](圖1a)。地層區劃隸屬塔里木—南疆地層大區，中南天山—北山地層區，中天山—馬鬃山地層分區之溫泉地層小區[6]。晚泥盆世托斯庫爾他烏組總體上巖性比較穩定，可劃分為下、中、上三個巖性段：下段(D3ts1)，呈條帶狀NEE向展布，不整合在古元古代溫泉巖群及中泥盆世汗吉尕組之上，厚790.8～2055.0m，巖性主要為灰色、灰綠色礫巖、長石巖屑砂巖、巖屑砂巖、凝灰質長石巖屑砂巖、粉砂巖、凝灰質粉砂巖，巖石總體表現為成層性好，砂巖、粉砂巖常呈中薄層狀。中段(D3ts2)，呈條帶狀NEE向展布，與上、下段之間均為整合接觸，厚317.9～631.6m，巖性為灰色、灰綠色砂質礫巖、巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、凝灰質長石巖屑砂巖、粉砂巖、凝灰質微細砂質粉砂巖、少量流紋質玻屑凝灰巖及球粒流紋巖等，巖石以中層狀為主。上段(D3ts3)，呈條帶狀NEE向展布，上與早石炭世阿克沙克組為角度不整合關系，厚735.5m左右，巖性為灰色、深灰色粉砂巖、含粉砂細粒長石巖屑砂巖、凝灰質粉砂巖、流紋質玻屑凝灰巖、沉凝灰巖及少量球粒流紋巖等，該段總體表現為巖石顆粒普遍較細，很少見到細粒以上粒級的砂巖，以粉砂巖和凝灰巖、凝灰質細碎屑巖發育為特征(圖2)。

1—第四系；2—阿克沙克組上段；3—阿克沙克組下段；4—托斯庫爾他烏組上段；5—托斯庫爾他烏組中段；6—托斯庫爾他烏組下段；7—汗吉尕組下段；8—溫泉巖群；9—青白口紀二長花崗巖；10—實測地質界線；11—角度不整合界線；12—逆斷層；13—平移斷層；14—性質不明斷層

2 火山巖相及噴發韻律

泥盆紀火山巖呈夾層、透鏡體狀分布于晚泥盆世托斯庫爾他烏組地層中。在托斯庫爾他烏組下段及中段正常沉積地層中夾有透鏡狀零星分布的球粒流紋巖(圖3)；托斯庫爾他烏組上段地層中含大量火山碎屑巖、火山沉積碎屑巖，與正常沉積的細碎屑巖呈互層狀。

按柱狀剖面巖石成分、巖性以及噴發方式的不同，該套火山巖在布拉格達瓦一帶劃分出的火山噴發韻律見表1。上段剖面劃分出40層，總厚度735.38m，自下而上可劃分出10個噴發韻律，每個韻律以爆發相開始，以沉積相結束。第1韻律以火山碎屑巖、火山熔巖、沉積巖組成爆發相—噴溢相—沉積相韻律，以沉積巖結束，爆發指數46.85%，噴溢指數12.42%，噴溢作用較弱。第2～10韻律是由火山碎屑巖、沉積巖組成的爆發相—沉積相韻律，均以沉積巖結束，爆發指數變化規律為0.81%→93.11%→77.27%→60.2%→16.6%→14.33%→26.5%→81.36%→35.24%。火山作用具周期性間歇噴發的特征，巖相表現為爆發—噴溢—沉積—爆發—沉積—爆發的特點[7]，總體爆發指數為41.44%，噴溢指數為2.73%。

a—流紋巖透鏡體平面展布形態(鏡頭方向50°)；b—流紋巖透鏡體素描圖；①—球粒流紋巖；②—凝灰質細粒長石巖屑砂巖；③—粉砂巖

3 巖石化學特征

本次在托斯庫爾他烏組火山巖中采集了2件新鮮樣品進行主微量元素測試，巖石類型為球粒流紋巖(樣品編號0044/1)和流紋質玻屑凝灰巖(樣品編號0045/1)。測試工作由中國冶金地質總局山東局測試中心完成。分析計算結果見表2。

SiO2含量為70.14%～70.63%，鋁飽和度指數(A/NKC)為0.73～1.10，為次鋁巖石系列。里特曼指數(σ)為1.49～2.33，堿度率(AR)為2.34～3.53，K2O/Na2O值為0.42～0.88；結合SiO2-K2O圖解中(圖4)投點結果，托斯庫爾他烏組火山巖屬鈣堿性巖石系列。

表2 托斯庫爾他烏組火山巖主量元素(%)、微量元素和稀土元素(×10-6)分析計算結果

圖4 火山巖SiO2-K2O圖解(底圖據文獻[8])

另外，根據巖石中K2O，SiO2含量在火山巖K2O-SiO2含量與噴發深度的關系圖上投影(圖5a)[9]，凝灰巖樣點大致落入110 km區域，流紋巖樣點落入150km區域，說明巖漿來源于上地幔。將火山巖巖石化學成分計算出的CIPW標準礦物含量投影到Q-Or-Ab-An體系圖上(圖5b)[10]，凝灰巖樣點大致投入690 ℃左右，流紋巖樣點投入660 ℃左右，因此巖漿形成溫度為660～690 ℃。

4 構造環境分析

4.1 微量元素

微量元素Nb，Sr，P，Ti，Ba為虧損型，且流紋巖較凝灰巖虧損顯著，Ti，P元素的虧損反映與島弧環境密切相關[11]；Ti，Nb的虧損為島弧構造環境的重要標志之一[12]；富集Th，Zr元素，大致表現出與俯沖帶有關的島弧巖漿作用特征[13]。Nb/Ta為11.96～15.19，略低于原始地幔值(Nb/Ta=17)[14]，Zr/Hf為30.17～38.20，與原始地幔值(Zr/Hf=36)[15]相近。(Rb/Yb)N值為8.05～25.07，大于1，屬于強不相容元素富集分配形式，曲線形態(圖6a)與Sivell等人的新西蘭火山島弧英安巖和流紋巖的微量元素比值蛛網圖相類似[16]。稀土總量∑REE為(186.57～208.58)×10-6，輕重稀土比值為5.38～6.13，(Ce/Yb)N為3.90～4.48，(La/Yb)N為4.67～6.70，δEu為0.28～0.49(圖6b)，高稀土含量值、輕稀土富集、負Eu異常，均顯示為大陸邊緣島弧火山巖的特征[17]。

4.2 沉積物源

利用沉積巖中碎屑巖的巖石特征，可以用來分析沉積巖的物質來源。本次工作在托斯庫爾他烏組碎屑巖中采集了15件薄片鑒定樣品，碎屑巖巖石特征見表3。各種粒度碎屑巖的碎屑物主要由巖屑、長石、石英組成，多呈次棱角狀，巖屑含量一般30%～50%，多在40%左右，主要成分為流紋巖、安山巖及少量砂巖等，說明其物源區母巖以中酸性火山巖為主。據裴蒂莊(1957)成份成熟度指數公式[18](石英+燧石/長石+巖屑)，碎屑巖成份成熟度為0.13～0.29，遠小于1，說明碎屑顆粒搬運距離不遠，沉積速度較快。從由分選性、磨圓度、雜基含量三個因素決定的結構成熟度來看，分選性中等偏好，個別較差，磨圓度中等偏小，雜基含量偏少，說明結構成熟度低，沉積作用處于構造活動性較強，堆積速度快的條件之下。將表3的碎屑巖骨架成分含量投影到Crook的QFL三角圖解[19]中(圖7a)，樣點基本落入中等含量石英(雜)砂巖區，屬于安第斯型(即活動陸緣)，說明其蝕源區構造環境具活動性質[20]。在Dickinson等的碎屑含量QFL三角圖解[21]上投影(圖7b)，樣點基本落入島弧過渡帶(屬巖漿弧物源區)，說明碎屑物來源于未切割的活動島弧區。

圖5 火山巖巖漿的噴發深度(a)(底圖據文獻[9])和形成溫度(b)圖解(底圖據文獻[10])

圖6 微量元素原始地幔標準化曲線圖(a)和稀土元素配分曲線圖(b)(標準化值據文獻[15])

表3 托斯庫爾他烏組碎屑巖特征

4.3 構造環境

西天山地區歷經了前震旦紀基底形成演化階段、震旦紀—早奧陶世穩定陸殼發展階段、中奧陶世—石炭紀末板塊裂解和在拼合階段、二疊紀陸陸疊覆造山階段、中新生代盆山耦合階段等5個主要構造演化階段[1]。古生代中奧陶世—石炭紀末板塊裂解和在拼合階段奠定了西天山造山帶的區域構造格架，可細化為中奧陶世至晚志留世早古南天山洋盆形成階段、晚志留世至晚泥盆世俯沖造山階段、晚泥盆世—早石炭世初陸陸碰撞造山階段、早石炭世—晚石炭世后碰撞階段4個次級演化階段。根據本次主、微量元素分析結果，在里特曼-戈蒂里Logτ-Logσ圖解中(圖8a)，火山巖樣點均落入造山帶(島弧及活動大陸邊緣)火山巖區；在Pearce(1984)不同類型花崗巖的Rb-(Yb+Ta)構造判別圖解中[22](圖8b)，樣點落入火山弧花崗巖區。

Q—石英；F—長石；L—巖屑；Ⅰ1—未切割島弧帶；Ⅰ2—島弧過渡帶；Ⅰ3—切割島弧帶；Ⅱ1—克拉通區；Ⅱ2—大陸過渡帶；Ⅱ3—基巖隆起帶；Ⅲ—多旋回造山帶

圖8 里特曼-戈蒂里圖解(a)及大洋火山巖和大陸火山巖的判別圖解(b)

通過以上主、微量元素特征及沉積物源區分析，結合區域構造背景，認為中奧陶世以來板塊裂解形成洋盆，至泥盆紀洋盆變窄，轉入俯沖造山階段，同時發生由南向北的逆沖推覆構造并有花崗巖侵位[23]，在此背景下，形成了托斯庫爾他烏組由濱海間夾陸相—濱淺海相—淺海相的過渡的碎屑巖夾火山碎屑巖的沉積建造，反映的構造環境為消減帶俯沖碰撞的島弧環境。

5 結論

(1)西天山溫泉布拉格達瓦一帶，托斯庫爾他烏組發育一套由濱海間夾陸相—濱淺海相—淺海相過渡的碎屑巖夾火山碎屑巖的沉積建造，沉積物源主要為中酸性火山巖，碎屑顆粒沉積速度較快，屬于近源沉積；蝕源區構造環境具活動性質，形成于未切割的活動島弧。

(2)火山巖呈夾層、透鏡體狀分布于托斯庫爾他烏組地層中，火山作用具周期性間歇噴發的特征，巖相表現為爆發—噴溢—沉積—爆發—沉積—爆發的特點。火山巖屬鈣堿性巖石系列，火山巖漿對應的俯沖深度為上地幔，形成溫度為660～690 ℃。

(3)火山巖微量元素Nb，Sr，P，Ti，Ba為虧損型，Th，Zr元素富集，與島弧環境密切相關；Nb/Ta為11.96～15.19，略低于原始地幔值，Zr/Hf為30.17～38.20，與原始地幔值相近。稀土總量∑REE為(186.57～208.58)×10-6，輕重稀土比值為5.38～6.13；(Ce/Yb)N為3.90～4.48，(La/Yb)N為4.67～6.70，δEu為0.28～0.49，屬于輕稀土富集型，顯示為負銪異常。

(4)中奧陶世以來板塊裂解形成洋盆，至泥盆紀洋盆變窄，轉入俯沖造山階段，晚泥盆世托斯庫爾他烏組沉積建造所反映的構造環境為消減帶俯沖碰撞的島弧環境。