中国西北部准噶尔北部卡拉迈里缝合带的早石炭世构造环境：来自松卡尔斯组地质剖面中火山岩的约束证据

《Journal of Asian Earth Sciences》：Early Carboniferous tectonic setting of the Kalamaili suture Zone, north Junggar (NW China): Constraints from the volcanic rocks in the geological section of Songkaersu Formation

火山岩锆石U-Pb定年（344–332 Ma）和地球化学分析（富集LILEs/轻稀土，亏损HFSEs）揭示Kalamaili键合带早石炭世火山岩源于部分熔融的俯冲 slab-derived fluids 质地 mantle，指示该区在中早石炭世已进入后碰撞伸展构造环境。

　　

蔡倩茹|王金铎|张冠龙|熊正荣|于洪洲|周健|宋志华

1. 中国石油胜利油田公司石油勘探开发研究院，东营257015

摘要

中早石炭世时期以广泛的岩浆活动为特征，这是准噶尔东北部卡拉迈利缝合带的关键构造转变阶段。关于这些早石炭世火成岩的成因和构造环境仍存在争议，这限制了我们对晚古生代构造演化的理解。在本研究中，我们对卡拉迈利缝合带南部双井子北剖面和西大沟南剖面的Songkaersu组中基性火山岩进行了综合地质年代学和地球化学分析。对三个样品的锆石U-Pb定年结果显示，岩浆活动发生在344–332百万年前。这些岩石包括玄武岩、玄武安山岩和安山岩，具有钙碱性特征。其地球化学成分显示SiO₂（46.76–62.87 wt%）、MgO（1.49–6.42 wt%）和K₂O（0.23–3.68 wt%）含量变化较大，TiO₂（0.42–1.19 wt%）含量适中，而Na₂O（2.89–5.85 wt%）和P₂O₅（0.21–0.59 wt%）含量较高。大离子亲石元素（LILEs：Rb、Ba、K）和轻稀土元素（LREEs）的富集，以及高场强元素（HFSEs：Nb、Ta、Ti）的亏损，表明这些岩石具有弧相关特征。放射性同位素特征显示初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值较低（0.7039–0.7043），ε_Nd（t）和ε_Hf（t）值有显著变化（+5.0 – +7.5和+0.05 – +12.62）。这些特征表明岩石来源于先前俯冲板块流体部分熔融后的变质地幔岩石。综合地球化学和同位素结果表明，该地区处于碰撞后的板内构造环境。总体而言，这些结果表明准噶尔东北部至少在中早石炭世时期已经转变为碰撞后构造阶段。

引言

中亚造山带（CAOB），也称为阿尔泰构造拼接带，是显生宙最重要的地壳增长区域之一（Han等人，1997年；Glorie等人，2011年）。早期研究认为其演化受单一海洋板块长期俯冲和大型岛弧在海洋域内的侧向扩张控制（Sengor等人，1993年）。然而，最近的研究认为CAOB是通过新元古代至晚古生代的多个海洋地块（包括海山、增生楔体、微大陆和岛弧）逐渐增生形成的（Xiao等人，2008年；Rojas-Agramonte等人，2011年；Windley等人，2018年）。确定海洋闭合的时间和构造体制转变的机制对于重建CAOB的地质演化以及理解大陆地壳增长过程至关重要。

准噶尔盆地位于中亚造山带（CAOB）的西南部，是一个复杂的古生代增生-碰撞系统，拥有重要的烃类资源。其基底构造由古生代多阶段地块合并形成的缝合带构成，并在中晚二叠世和中生代-新生代期间受到关键板内构造作用的影响（Kuang，1993年；Zhao等人，2008年；Wang等人，2021年）。该盆地的东北边缘是阿尔泰造山带和天山造山带之间的关键连接点，晚古生代的广泛岩浆活动为重建区域地质动力学过程、岩浆演化和地壳增生机制提供了关键线索。特别是卡拉迈利缝合带，其中的火成岩序列保存了从洋中脊岩浆作用到海沟俯冲直至最终海洋闭合的海洋地壳演化记录（Liu等人，2017年；Du等人，2018年；Huang等人，2023年；Huang等人，2024年）。普遍认为泥盆纪火成岩来源于海洋俯冲环境中的弧岩浆作用（Xu等人，2013年；Huang等人，2017年；Zhao等人，2018年；Huang等人，2024年），而晚石炭世-早二叠世的岩浆作用则发生在碰撞后的伸展环境中（Sun等人，2021年；Zhang等人，2021年；Gao等人，2024年）。该带早石炭世火山岩的地球化学特征对于解读涉及海洋-大陆转换和地壳增长的晚古生代增生过程至关重要（Nie等人，2016年；Liu等人，2017年）。然而，先前关于早石炭世火成岩的形成机制有多种观点，包括洋中脊俯冲、板块回撤和碰撞后板块剥离（Su等人，2012年；Li等人，2015年；Zhang等人，2015年；Chen等人，2016年；Liu等人，2017年；Liang等人，2017年；Wang等人，2021年）。这种分歧导致了关于卡拉迈利洋闭合时间的持续争论，不同观点分别支持晚泥盆世-早石炭世初期或晚石炭世-早二叠世时期（Zhang等人，2015年；Du等人，2018年；Wang等人，2021年）。因此，对准噶尔东北部晚古生代增生历史和构造演化的理解仍然有限。

为了解决这些问题，本研究重点分析了卡拉迈利缝合带南部双井子北剖面和西大沟南剖面采集的早石炭世Songkaersu组火山岩序列。对于这一中早石炭世的主要火山喷发期，已有研究利用主量和微量元素地球化学方法探讨了岩浆来源和构造环境（Wang等人，2014年；Du等人，2018年；Yang等人，2018年；Li等人，2021年），但仅有少数研究进行了全岩或原位锆石同位素分析（Xiao等人，2011年；Du等人，2018年）。因此，本研究通过综合地质年代学、地球化学和Sr–Nd–Hf同位素分析，为准噶尔东北部卡拉迈利洋的成因机制、构造环境和闭合时间提供了更精确的约束。此外，研究结果为重建卡拉迈利洋的演化历史（包括俯冲、闭合和晚古生代的碰撞造山过程）提供了重要见解。

区域地质与构造环境

准噶尔地块由三个主要构造单元组成：东准噶尔造山带、西准噶尔造山带和准噶尔盆地。其当前的构造格局源于古生代多岛海洋俯冲、地壳增生、碰撞造山作用以及中新生代多阶段旋转构造作用的重叠效应（Xu等人，2015年；Wang等人，2016年）。东准噶尔和西准噶尔地区以火山弧组合为特征

岩石学特征

本研究分析的火山岩样本采自卡拉迈利缝合带南段的双井子北剖面和西大沟南剖面（图1，图2）。综合岩石薄片分析和元素地球化学特征表明，这些样本主要由玄武岩和安山岩组成。露头观察显示，玄武岩呈黑色至灰绿色，具有杏仁状结构；而安山岩则呈现灰色

分析方法

本研究包括15个用于地球化学分析的样本，3个锆石U-Pb同位素定年样本（2301–15、2304–20、2305–18），3个全岩Sr-Nd同位素分析样本（2301–15、2304–20、2305–18），以及1个锆石Hf同位素分析样本（2305–18）。

主要元素和微量元素

中基性岩样本的主要元素显示SiO₂（46.76–62.87 wt%）、Mg^#（34.80–60.520）、K₂O（0.23–3.68 wt%）、P₂O₅（0.21–0.59 %）和TiO₂（0.42–1.19 %）含量变化较大，而Na₂O（2.89–5.85 %）和MgO（1.49–6.42 %）相对富集。在TAS（总碱量-二氧化硅）图中，这些样本位于玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗面安山岩、安山岩和粗面安山岩区域（图4）。

全岩微量元素分析显示了陨石标准化（La/Yb）_N比值

卡拉迈利缝合带的年代地层框架

20世纪60年代进行的1:200,000比例尺区域地质测绘显示，准噶尔盆地东北部卡拉迈利缝合带周边主要暴露了从泥盆纪到石炭纪的晚古生代地层。准噶尔东北部造山带的石炭纪地层记录了晚古生代的构造演化。精确的时间框架对于重建该地区的地质演化至关重要

结论

对卡拉迈利缝合带南部双井子北剖面和西大沟南剖面Songkaersu组中基性火山岩的锆石U-Pb定年结果显示，其结晶年龄为344–332百万年前。其地球化学特征表明这些岩石来源于先前俯冲-变质地幔岩石的部分熔融。较低的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值以及变化的ε_Nd(t)和ε_Hf(t)值记录了地幔减薄和地幔上涌过程

未引用的参考文献

Griffin等人，2002年；Hibbard，1981年；Hou，2015年；Meng，2020年；Murphy和Hynes，1986年；Seng?r等人，1993年；S?aby等人，2008年；Song等人，2015年；Sparks和Marshall，1986年；Tian，2014年；Wang，2009年；Wang等人，2021年；Wang等人，2021年；Wei，2010年；Windley和Xiao，2018年；Xu等人，2013年；Zhang，2014年；Zhang等人，2020年；Zhang，2023年。

CRediT作者贡献声明

蔡倩茹：撰写 – 审稿与编辑；王金铎：数据整理。张冠龙：调查。熊正荣：验证。于洪洲：项目管理。周健：监督。宋志华：正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢山东科技大学的Yuanku Meng在同位素测试方面提供的帮助。本文得到了中国石油胜利油田博士后项目（YKB2301）的财政支持。