西天山備戰(zhàn)鐵礦石炭紀火山巖地球化學特征及巖石成因

張博　荊德龍　汪幫耀　姜常義　趙振剛

摘 要：選取西天山阿吾拉勒東段備戰(zhàn)鐵礦區(qū)出露的石炭紀火山巖為研究對象。通過對巖相學與主量、微量元素地球化學等方面的研究來約束其構造環(huán)境與巖漿源區(qū)性質。分析測試顯示該地區(qū)火山巖多屬中高鉀鈣堿性及橄欖玄粗巖系列，富集輕稀土元素及大離子親石元素（Rb、Th、K等），虧損高場強元素（Nb、Ta、Ti等）。巖石組合及地球化學特征表明：該地區(qū)火山巖形成于活動大陸弧環(huán)境，其形成與早石炭世末期北天山洋盆向位于其南部的伊犁地塊之下發(fā)生B型俯沖作用有關。另外，火山巖εNd（t）值介于0.73～4.33之間，顯示巖漿源區(qū)具虧損地幔的屬性，且母巖漿在演化過程中還經歷有結晶分異作用以及陸殼物質混染作用。

關鍵詞：地球化學；巖石成因；石炭紀；火山巖；大陸弧；西天山；新疆

中圖分類號：P588.14；P595 文獻標志碼：A

Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Carboniferous Volcanic

Rocks from Beizhan Iron Deposit of West Tianshan

ZHANG Bo1， JING De-long1， WANG Bang-yao1， JIANG Chang-yi1，2， ZHAO Zhen-gang3

（1. School of Earth Science and Resources， Changan University， Xian 710054， Shaanxi， China；

2. Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering of Ministry of

Education， Changan University， Xian 710054， Shaanxi， China； 3. No.11 Geological Party，

Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources， Changji 831100， Xinjiang， China）

Abstract： Carboniferous volcanic rocks are exposed in Beizhan iron deposit of the eastern Awulale， West Tianshan. The petrology and geochemistry characteristics of major and trace elements of Carboniferous volcanic rocks were studied to discuss the tectonic settings and petrogenesis of magmatic source. The results show that most of volcanic rocks belong to middle high-K calc-alkaline and shoshonite series； the characteristics include rich in LREE and LILE （Rb， Th and K， etc.）， and depleted in HFSE （Nb， Ta and Ti， etc.）. Rock association and geochemistry show that volcanic rocks form in active continental arc settings， which have a close correlation with the B-type subduction of North Tianshan oceanic basin towards the south beneath Yili plate during the Late Early Carboniferous. εNd（t） of volcanic rock is 0.73-4.33， suggesting that the origin magma comes from the depleted mantle. The parent magma has also experienced fractional crystallization and crustal contamination in the process of evolution.

Key words： geochemistry； petrogenesis； Carboniferous； volcanic rock； continental arc； West Tianshan； Xinjiang

0 引 言

位于中國新疆境內的西天山阿吾拉勒鐵成礦帶自西向東依次分布有式可布臺、松湖、尼新塔格—阿克薩依、查崗諾爾、智博、敦德、備戰(zhàn)等一系列與石炭紀火山作用有關的鐵礦床，且絕大多數(shù)鐵礦床賦存于石炭紀大哈拉軍山組火山巖中[1-15]。該組火山巖在西天山地區(qū)分布范圍廣泛，不同區(qū)域內具有不同類型的巖性組合，學者們對其形成環(huán)境及其源區(qū)性質的認識尚有爭議[16]。對該組火山巖構造環(huán)境的認識有：①與造山后巖漿作用有關的大陸裂谷環(huán)境[9，17-22]；②與地幔柱有關的裂谷環(huán)境[23]；③大陸邊緣或島弧環(huán)境[24-45]；④大陸減薄拉張環(huán)境[46]。對該組火山巖源區(qū)性質的認識有：①虧損地幔[5-6，10，14，30，40]；②富集地幔[26]；③地殼[47]。

西天山備戰(zhàn)鐵礦是該成礦帶東段的一個大型火山巖型鐵礦，其形成與石炭紀大哈拉軍山組火山巖之間存在十分密切的時空及成因聯(lián)系[4，7-10，22，47-53]。近年來，前人對備戰(zhàn)鐵礦區(qū)賦礦的石炭紀火山巖做了不同方面的研究工作，包括地質特征研究[4，7-10，22，48]、主量元素和微量元素地球化學研究[10，21，47]、Sr-Nd及Lu-Hf同位素地球化學研究[10，47]、鋯石U-Pb同位素年代學研究等[29，47，54-55]?？傮w而言，由于研究手段、研究層次的不同，對該地區(qū)石炭紀火山巖的構造環(huán)境及源區(qū)性質取得的認識也不盡相同。就其構造環(huán)境而言，阿麗娜等認為該地區(qū)石炭紀火山巖屬于裂谷環(huán)境產物[9，21，48]，宋相龍等認為其屬于大洋島弧環(huán)境[22]，但李大鵬認為其屬于大陸邊緣環(huán)境產物[10]；就其源區(qū)性質而言，李大鵬認為賦礦的火山巖源自虧損地幔[10]，但韓瓊等認為其來源于元古代及太古代地殼的部分熔融[47]。

石炭紀大哈拉軍山組是西天山地區(qū)一套重要的含礦地層，查明其形成的構造環(huán)境及其巖漿源區(qū)性質對研究該地區(qū)地質演化乃至成礦規(guī)律來說都是十分必要的。筆者在前人研究的基礎之上，選取西天山阿吾拉勒東段備戰(zhàn)鐵礦區(qū)內的石炭紀大哈拉軍山組火山巖為研究對象，通過系統(tǒng)的野外地質、巖相學、主量元素與微量元素地球化學、Sr-Nd同位素地球化學、鋯石U-Pb同位素年代學等方面的研究，探討西天山備戰(zhàn)鐵礦區(qū)石炭紀火山巖的構造環(huán)境及巖漿源區(qū)性質問題。

1 區(qū)域地質背景

西天山造山帶是中亞造山帶的重要組成部分。備戰(zhàn)鐵礦在大地構造位置上位于西天山伊犁地塊東緣（圖1）。伊犁地塊夾在中天山北緣斷裂與南部的尼古拉耶夫—那拉提山北坡斷裂之間，呈楔形由西向東尖滅[24]。研究區(qū)所屬的伊犁地塊北部出露的地層以石炭系最為廣布[25]，自上而下依次為伊什基里克組板內火山巖、阿克沙克組海陸交互相碎屑巖-碳酸鹽巖以及大哈拉軍山組淺?！獮I海相火山巖，各組之間總體呈角度不整合接觸關系，局部地段呈構造接觸關系。大哈拉軍山組火山巖建組于特克斯南部科克蘇河下游大哈拉軍山西側的地質剖面（圖1）[26]，該組巖性主要由上部的安山巖、英安巖、流紋巖、凝灰?guī)r夾砂巖灰?guī)r透鏡體和下部的玄武巖、粗面巖、粗面安山巖夾凝灰?guī)r和火山角礫巖組成[5]，主體屬于鈣堿性系列火山巖建造[27-28]，總體分布于博羅科努山南坡至那拉提北緣斷裂之間，呈近EW向分布，大致與地理上呈西部寬、東部狹窄，具楔狀展布的伊犁盆地相同。

圖1 西天山區(qū)域地質簡圖

Fig.1 Simplified Geological Map of West Tianshan

2 巖石學特征

圖2 備戰(zhàn)鐵礦地質圖

Fig.2 Geological Map of Beizhan Iron Deposit

備戰(zhàn)鐵礦區(qū)（圖2）出露地層為下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組，在礦區(qū)出露面積約7.5 km2，出露厚度為717.74 m，地層北傾，傾角55°～83°，主要由玄武巖、粗面玄武巖、玄武粗面安山巖、玄武安山巖、粗面安山巖、凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、熔結角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖、火山集塊巖以及薄層狀的灰?guī)r和大理巖夾層等組成。鐵礦主要產于該套地層中，呈層狀、似層狀分布（圖2）。

研究區(qū)內大哈拉軍山組火山巖由噴溢相火山熔巖及爆發(fā)相火山碎屑巖兩部分組成。火山熔巖主要為淺灰—灰綠色玄武質/玄武安山質巖石，具斑狀結構或無斑結構、塊狀構造[圖3（d）、（e）]。具斑狀結構的火山巖斑晶成分包括單斜輝石、斜長石和（或）角閃石：單斜輝石斑晶（體積分數(shù)為10%～15%）呈自形—半自形粒狀分布，粒度（d）為（0.15×0.20）～（0.75×0.85）mm；斜長石斑晶（15%～20%）呈板條狀分布，粒度為（0.08×0.50）～（0.30×1.00）mm；角閃石斑晶（3%～9%）呈柱狀分布，粒度為（0.04×0.08）～（0.30×0.70）mm；基質包括長石、單斜輝石、磁鐵礦及隱晶質，具間粒結構、填間結構或?；豢椊Y構[圖3（g）～（i）]。無斑結構的火山巖主要由單斜輝石、斜長石、角閃石、磁鐵礦及隱晶質組成：單斜輝石（體積分數(shù)為15%～25%）呈短柱狀、粒狀分布，粒度為（0.10×0.18）～（0.25×0.40）mm；斜長石（60%～70%）呈自形板條狀分布，粒度為（0.02×0.25）～（0.20×1.00）mm；角閃石（5%～15%）呈長柱狀分布，粒度為（0.05×0.10）～（0.40×0.90）mm；晶質具填間結構和間粒結構[圖3（j）、（k）]。巖石局部有一定程度的蝕變作用，表現(xiàn)為：斜長石多發(fā)生鈉黝簾石化及絹云母化；輝石及角閃石多發(fā)生透閃石化、陽起石化、綠簾石化和綠泥石化。另外，在火山巖露頭上可見部分火山熔巖發(fā)育氣孔構造[圖3（c）]，這應與巖漿含大量揮發(fā)分有關。

火山碎屑巖主要包括凝灰?guī)r、層狀凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r[圖3（f）]、熔結角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖和含角礫的火山集塊巖[圖3（b）]等。鑒于其種類較多，在此僅選擇礦區(qū)內分布最為廣泛的晶屑凝灰?guī)r進行描述。晶屑凝灰?guī)r呈淺灰—灰綠色，具火山凝灰結構和塊狀構造，主要由少量巖屑、晶屑及隱晶質/玻璃質組成。其中巖屑成分主要為灰黑色凝灰?guī)r，呈不規(guī)則狀雜亂分布，粒度為（0.01×0.03）～（0.30×0.50）mm，體積分數(shù)少于5%；晶屑成分主要為斜長石，呈不規(guī)則狀雜亂分布，粒度為（0.02×0.05）～（1.00×2.00）mm，體積分數(shù)為15%～25%；隱晶質/玻璃質成分為灰黑色致密火山塵[圖3（f）、（l）]。礦區(qū)內靠近鐵礦體的晶屑凝灰?guī)r中發(fā)育有不同類型的蝕變作用，表現(xiàn)為綠簾石化、綠泥石化、陽起石化、電氣石化和碳酸鹽化等。

圖3 火山巖照片及顯微圖像

Fig.3 Photos and Microphotographs of Volcanic Rocks

3 分析方法

在對西天山備戰(zhàn)鐵礦大哈拉軍山組火山巖樣品進行詳細的手標本以及偏光顯微鏡觀察之后，挑選了遭受蝕變相對較弱的玄武質/玄武安山質火山熔巖樣品進行清洗、粉碎、縮分，用瑪瑙研缽將其研磨至0.071 mm（200目）以下的粉末備用，然后對其進行主量元素與微量元素化學成分分析。主量元素分析在長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室用X射線熒光光譜儀分析，XRF熔片法按國家標準GB/T 14506.28—1993執(zhí)行。微量元素分析在長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室采用美國Thermo-X7電感耦合等離子體質譜儀測定，儀器工作參數(shù)包括：功率為1 200 W，霧化氣體流速為0.64 L·min-1，輔助氣體流速為 0.80 L·min-1，等離子體冷卻氣體流速為 13 L·min-1；化學分析所用試劑硝酸和氫氟酸均為由優(yōu)級純酸經亞沸蒸餾裝置制得的高純試劑，水為Millipore制得的18 mW高純水。

火山巖鋯石U-Pb同位素測試在中國冶金地質總局山東局測試中心采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法（LA-ICPMS）完成，用于分析測試的樣品采自備戰(zhàn)鐵礦區(qū)賦礦的玄武安山巖。測試中采用He作為剝蝕物質的載氣，用NIST SRM 610進行儀器最佳化，采用標準鋯石91500外部校正法進行鋯石原位U-Pb分析，采樣方式為單點剝蝕。激光束斑直徑為30 μm，頻率為10 Hz。ICP-MS數(shù)據(jù)采集選用一個峰采集一點的跳峰方式，每完成4、5個樣品分析點測一次標樣，在所測鋯石樣品15～20個點前后各測2次NIST SRM 610，并以29Si做內標測定鋯石中U、 Th和Pb含量（質量分數(shù)，下同）。鋯石同位素比值及元素含量的數(shù)據(jù)處理采用GLITTER 4.0程序。樣品的加權平均年齡計算及諧和圖繪制采用ISOPLOT 2.49程序。204Pb記數(shù)較低，未對普通鉛進行任何校正。所有測試點的同位素比值誤差類型均為1σ，最終采用的年齡為n（206Pb）/n（238U）年齡加權平均值，其誤差為2σ。

火山巖Sr、Nd同位素分析在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學重點實驗室完成（測點號分別為H-009-3、H-009-7、H-007-1、H- Ⅰ -2、H- Ⅱ -2）。Sr、Nd同位素分析樣品用HF+HNO3混合酸溶解，應用陽離子交換技術進行分離。同位素比值測定在MicroMass ISO PROBE型多接收電感耦合等離子質譜儀上進行；Sr同位素按照國際標準NBS987及實驗室標準Sr-GIG進行監(jiān)控，N（87Sr）/N（86Sr）值用0.119 4進行標準化；Nd同位素按照國際標準JNdi-1及實驗室標準Nd-GIG進行監(jiān)控，N（143Nd）/N（144Nd）值用0.721 9進行標準化；Sr、Nd同位素分析精度好于0.002%。

4 結果分析

4.1 主量元素地球化學

備戰(zhàn)鐵礦大哈拉軍山組火山巖樣品主量元素分析結果見表1?；鹕綆r樣品分類見TAS圖解（圖4）。

表1 火山巖主量元素分析結果

Tab.1 Analysis Results of Major Elements of Volcanic Rocks

注：w（·）為元素或化合物含量；wtotal為主量元素總含量。

在TAS圖解中，研究區(qū)內火山巖樣品表現(xiàn)為基性至中性的巖石系列，主要由玄武巖、粗面玄武巖、玄武安山巖、玄武粗面安山巖、粗面安山巖等組成[圖4（a）]?？紤]到K、Na等較活潑的堿金屬元素在蝕變過程中可能會對巖石產生影響，巖石中的Al、Ti、Nb、Zr、Y等元素活動性弱，可反映蝕變巖石的某些原巖性質，因此，利用0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y圖解做進一步的判別[圖4（b）]。從圖4（b）可以看出，所有樣品均落入亞堿性玄武巖及玄武安山巖范圍內，說明本區(qū)火山巖總體上可能屬于亞堿性系列。在AFM圖解[圖5（a）]中，火山巖樣品投點均落于鈣堿性系列區(qū)域，說明樣品均具鈣堿性系列演化趨勢。鈣堿性系列玄武巖中的部分樣品屬于高鋁玄武巖（w（Al2O3）>17%），高鋁玄武巖多分布在造山帶、島弧或活動大陸邊緣[10]。

圖（a）底圖引自文獻[57]；界線引自文獻[58]；圖（b）引自文獻[59]

圖4 火山巖TAS圖解及0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y圖解

Fig.4 Diagrams of TAS and 0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y for Volcanic Rocks

圖（a）引自文獻[58]；圖（b）引自文獻[56]

圖5 火山巖AFM圖解及K2O-SiO2圖解

Fig.5 Diagrams of AFM and K2O-SiO2 for Volcanic Rocks

在Peccerillo等提出的K2O-SiO2圖解[56]中，樣品多屬中高鉀鈣堿性系列以及橄欖玄粗巖系列[圖5（b）]。屬于橄欖玄粗巖系列（或稱鉀玄巖系列、橄欖安粗巖系列等）的火山巖樣品在TAS圖解中主要落于堿性玄武巖系列范圍內，在AFM圖解中則位于鈣堿性系列范圍內，總體屬于鈣堿性系列。在K2O-SiO2圖解中，其相當于玄武巖SiO2含量的巖石，K2O含量隨SiO2含量的增加而呈陡正斜率上升，這和巖漿在高壓巖漿房內的輝石結晶分異有關[56]。在一般情況下，橄欖玄粗巖系與鈣堿性巖套密切伴生[60]，在AFM圖上的投影也更清晰地表明橄欖玄粗巖系列與鈣堿性巖的這種親緣關系。

4.2 稀土元素及微量元素地球化學

備戰(zhàn)鐵礦火山巖稀土元素及微量元素分析結果見表2?；鹕綆r稀土元素總含量為（66.92～185.50）×10-6，樣品輕、重稀土元素之間的分餾程度較強（w（La）N/w（Yb）N=1.57～12.24，平均值為5.93），輕稀土元素內部分餾程度較強（w（La）N/w（Sm）N=1.26～3.39，平均值為2.37），重稀土元素內部分餾程度中等（w（Gd）N/w（Yb）N=1.32～3.11，平均值為1.90）。從球粒隕石標準化稀土元素配分模式可以看出，備戰(zhàn)鐵礦火山巖樣品稀土元素配分模式應屬輕稀土元素（LREE）富集型[圖6（a）]。

絕大多數(shù)火山巖樣品無明顯Ce負異常（δ（Ce）=0.89～1.15，平均值為0.98），說明其形成時應處于低氧或缺氧的還原環(huán)境[61]。除1件火山巖樣品（H-009-6）Eu異常大于1之外，其余火山巖樣品均具有Eu負異常（δ（Eu）=0.46～1.02，平均值為0.85）。這是因為當巖漿體系處于還原環(huán)境時， Eu主要以Eu2+的形式存在。這時，Eu2+會因其堿性度與REE3+整體差別太大而分離。由于斜長石對Eu的分配系數(shù)遠大于其他稀土元素，在巖漿分離結晶過程中斜長石的分離結晶會使得巖漿產生Eu負異常[62]。

從原始地幔標準化微量元素蛛網圖可以看出，大多數(shù)火山巖樣品表現(xiàn)出了相似的配分模式，曲線形態(tài)基本一致[圖6（b）]。絕大多數(shù)火山巖樣品大

表2 火山巖微量元素及稀土元素分析結果

Tab.2 Analysis Results of Trace and Rare Earth Elements of Volcanic Rocks

注：wREE為稀土元素總含量；w（·）N為元素含量球粒隕石標準化后的值；δ（·）為元素異常。

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；wp為原始地幔含量；圖中線條對應不同樣品；球粒隕石標準化值和

原始地幔標準化值引自文獻[61]

圖6 火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式及原始地幔標準化微量元素蛛網圖

Fig.6 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of Volcanic Rocks

離子親石元素（Rb、Th、U、K）有不同程度富集，而高場強元素（Nb、Ta和Ti）及Ba則有明顯虧損。其中 Nb、Ta 等高場強元素的虧損表明其巖漿可能來自于俯沖帶之上熔融的地幔楔[63]， Rb、Th、U、K等大離子親石元素的相對富集則可能是俯沖板片發(fā)生脫水產生比較富集大離子親石元素的流體交代上覆地幔楔所致，Ba作為一種地球化學性質較為活潑的元素，其虧損可能是由于后期蝕變作用引起的。

4.3 鋯石U-Pb同位素年代學

備戰(zhàn)鐵礦火山巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb定年分析結果見表3。樣品所分選出來的鋯石部分顆粒因破碎過細而不完整，但絕大多數(shù)顆粒呈自形―半自形柱狀、四方雙錐狀及復四方雙錐狀，無色透明，粒徑為40～200 μm。樣品的陰極發(fā)光（CL）圖像顯示鋯石顏色比較均勻，具有明顯且典型的、平直對稱生長的多層同心韻律環(huán)帶（圖7）。本樣品19個測點均位于鋯石巖漿環(huán)帶部位。在19個測點中，鋯石Th含量為（52.56～298.50）×10-6之間，U含量為（114.04～423.84）×10-6。w（Th）/w（U）值為0.46～0.93，且U、Th含量之間呈現(xiàn)出比較良好的線性關系，這些鋯石均屬典型的巖漿鋯石。

樣品19個測點均為有效數(shù)據(jù)點。從測定結果可以看出，19個數(shù)據(jù)點的U-Pb年齡較為集中，都投影在n（207Pb）/n（235U）-n（206Pb）/n（238U）諧和曲線上或其附近，表明這些鋯石顆粒在形成后的U-Pb同位素體系基本封閉，無U或Pb同位素的明顯加入或丟失。n（206Pb）/n（238U）年齡介于318.0～323.3 Ma之間，n（206Pb）/n（238U）和n（207Pb）/n（235U）諧和性較好，得出的n（206Pb）/n（238U）加權平均年齡為（320.6±2.2）Ma，平均標準權重偏差（MSWD）為0.094（19個測點）（圖8）。

4.4 Sr、Nd同位素組成

對5件火山巖樣品（H-009-3、H-009-7、H-007-1、H-Ⅰ-2、H-Ⅱ-2）進行Sr-Nd同位素測試，分析結果見表4。本研究中獲得備戰(zhàn)鐵礦大哈拉軍山組火山巖鋯石U-Pb年齡為（320.6±2.2）Ma，利用此值對研究區(qū)火山巖Sr-Nd同位素參數(shù)進行計算。Sr、Nd同位素分析數(shù)據(jù)顯示：研究區(qū)火山巖初始N（87Sr）/N（86Sr）值介于0.704 7～0.706 8之間，表現(xiàn)為富集型；εNd （t）值介于0.73～4.33之間，表現(xiàn)為虧損型。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）圖解中，火山巖樣品投點均落于第一象限內的Lesser Antilles島及其附近（圖9）。數(shù)據(jù)點向右下方偏離地幔系列且數(shù)據(jù)點排列斜率低于地幔系列的斜率；εNd（t）值與初始N（87Sr）/N（86Sr）值之間呈現(xiàn)明顯的負相關關系，這是由蝕變洋殼及其上覆的陸源沉積物之間的混合作用引起的[64]。

5 討 論

5.1 成巖時代

李大鵬等對備戰(zhàn)鐵礦區(qū)大哈拉軍山組火山巖以及礦區(qū)南部穿插于該組火山巖中的花崗巖進行過年代學研究工作[29，54-55]。本研究獲得備戰(zhàn)鐵礦區(qū)大哈拉軍山組火山巖鋯石U-Pb年齡為（320.6±2.2）Ma，表明該地區(qū)大哈拉軍山組火山巖的形成時代為早石炭世末期。茹艷嬌研究表明，大哈拉軍山組火

表3 火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析結果

Tab.3 Analysis Results of LA-ICP-MS Zircon U-Pb Dating for Volcanic Rocks

注：n（·）/n（·）為不同元素同位素比值，n（·）為元素的物質的量。

圖7 火山巖鋯石陰極發(fā)光圖像

Fig.7 CL Images of the Zircons of Volcanic Rocks

圖8 火山巖鋯石U-Pb年齡諧和曲線及年齡分布

Fig.8 Zircon U-Pb Concordia Diagram and Distribution of Ages of Volcanic Rocks

山巖形成時間總體上具有自伊犁地塊西部向東部逐漸變年輕的趨勢[30] ；年齡（320.6±2.2）Ma的獲得與此認識具有一致性（圖10）。

5.2 構造環(huán)境分析

針對大哈拉軍山組火山巖的形成環(huán)境，現(xiàn)今仍有不同認識。區(qū)域地質資料及前人研究成果表明，處在新疆西天山腹地的伊犁地塊具有成熟度較高的前寒武紀結晶基底[25，29，32，37-38]，且北天山洋盆在晚泥盆世—早石炭世期間向伊犁地塊之下俯沖消減，中天山北緣斷裂附近出露的一系列蛇綠混雜巖即是

表4 火山巖Sr-Nd同位素分析結果

Tab.4 Sr-Nd Isotopic Analysis Results of Volcanic Rocks

注：εNd=[（N（143Nd）/N（144Nd））i/（N（143Nd）/N（144Nd））CHUR-1]×104，εSr=[（N（87Sr）/N（86Sr））i/（N（87Sr）/N（86Sr））CHUR-1]×104，下標i表示初始比值，下標CHUR表示球粒隕石均一源與樣品同時的比值，N（·）/N（·）為同一元素同位素比值，N（·）為該元素的原子豐度；εNd（t）為年齡t對應的εNd值；εSr（t）為年齡t對應的εSr值；計算備戰(zhàn)鐵礦火山巖初始N（87Sr）/N（86Sr）值及εNd （t）值使用年齡320.6 Ma進行計算。

證據(jù)[16，26，29，34，37，65-67]。鑒于研究區(qū)地處伊犁盆地東緣，其火山巖鋯石U-Pb年齡為（320.6±2.2）Ma，該地區(qū)大哈拉軍山組火山巖的形成極有可能與晚泥盆世―早石炭世期間北天山洋盆向伊犁地塊之下俯沖有關。

結合巖石組合分析，在伊犁地塊阿吾拉勒地區(qū)廣泛分布的大哈拉軍山組火山巖主要由玄武巖、玄武安山巖、安山巖、粗面安山巖、粗面英安巖、流紋巖等熔巖及相應的火山碎屑巖組成[30]，巖石化學系列多屬中高鉀鈣堿性及橄欖玄粗巖系列[25]。Innocenti等認為鈣堿性火山巖-高鉀鈣堿性火山巖-橄欖玄粗巖系組合是造山帶火山巖特有的—種組合[68]。橄欖玄粗巖系列火山巖主要產于島弧、活動大陸邊緣或者板內伸展構造環(huán)境[32，69]。作為造山帶中重要的火成巖系列，高鉀鈣堿性火山巖與橄欖玄粗巖系列巖石在空間上常分布在主弧帶靠弧后的一側，在時間上主要出現(xiàn)于整個俯沖作用過程的晚期階段[60，70]。因此，該巖石組合的出現(xiàn)很可能表明北天山洋向伊犁地塊之下的俯沖作用結束于早石炭世末期。

從巖石地球化學方面考慮，研究區(qū)內大哈拉軍山組火山巖多數(shù)樣品表現(xiàn)出大離子親石元素和輕稀土元素不同程度富集及高場強元素明顯虧損的地球

MORB為洋中脊玄武巖；圖件引自文獻[71]

圖9 火山巖εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）圖解

Fig.9 Diagram of εNd（t）-initial N（87Sr）/N（86Sr） of

Volcanic Rocks

化學特征，具島弧火山巖的特征，表明其形成與大洋板塊的俯沖作用有關[43，61]。

底圖引自文獻[30]和[31]

圖10 西天山大哈拉軍山組火山巖形成年齡分布

Fig.10 Age Distribution of the Volcanic Rocks of Dahalajunshan Formation in West Tianshan

另外，樣品的Wright堿度率（A.R）為1.01～2.12，平均值為1.59，而A.R值小于3.9的火山巖多見于島弧或者活動大陸邊緣這一構造環(huán)境[27]。Hf/3-Th-Ta、Th/Yb-Nb/Yb、Y/15-La/10-Nb/8、log τ-log σ等構造環(huán)境判別圖解也可以為該觀點提供一定佐證（圖11）。

在Hf/3-Th-Ta圖解[72]中，多數(shù)火山巖樣品投點集中落于火山弧玄武巖區(qū)域，反映其具有島弧鈣堿性火山巖的特征[圖11（a）][73]；在log τ-log σ圖解中，火山巖樣品投點集中分布于造山帶及島弧區(qū)，顯示研究區(qū)內火山巖趨同于島弧或大陸邊緣的形成環(huán)境[圖11（b）]；在Y/15-La/10-Nb/8圖解中，多數(shù)火山巖樣品投點落于火山弧玄武巖區(qū)[圖11（c）]；在Th/Yb-Nb/Yb圖解中，絕大多數(shù)火山巖樣品投點落于大陸島弧火山巖與大洋島弧火山巖的重疊部分，且明顯偏向于大陸島弧火山巖區(qū)域，表明火山巖與大陸弧更具親緣性[圖11（d）]。

上述證據(jù)充分表明：備戰(zhàn)鐵礦區(qū)大哈拉軍山組火山巖形成于位于俯沖帶之上的活動大陸弧環(huán)境，其形成應與早石炭世末期北天山洋盆（即準噶爾洋盆）向伊犁地塊之下發(fā)生的B型俯沖作用有關。

圖（a）、（b）中，A為正常型洋中脊玄武巖（N-MORB），B為富集型洋中脊玄武巖和板內拉斑玄武巖，C為板內堿性玄武巖，D為火山弧玄武巖，τ=（w（Al2O3）-w（Na2O））/w（TiO2）；圖（c）中，1區(qū)為火山弧玄武巖，2區(qū)為大陸玄武巖，3區(qū)為大洋玄武巖，1A區(qū)為鈣堿性玄武巖，1C區(qū)為火山弧拉斑玄武巖，1B區(qū)為1A區(qū)與1C區(qū)的重疊區(qū)域，2A區(qū)為大陸玄武巖，2B區(qū)為弧后盆地玄武巖，3A區(qū)為大陸內裂谷區(qū)

的堿性玄武巖，3B區(qū)與3C區(qū)為富集型洋中脊玄武巖，3D區(qū)為正常型洋中脊玄武巖；圖（a）引自文獻[72]；圖（b）引自文獻[77]；圖（c）引

自文獻[78]；圖（d）引自文獻[79]

圖11 火山巖構造環(huán)境判別圖解

Fig.11 Discrimination Diagrams for Tectonic Settings of Volcanic Rocks

5.3 地殼混染、分離結晶及源區(qū)性質

高w（Th）N/w（Nb）N值（遠大于1）、w（La）/w（Sm）值（大于4.5）及低w（Nb）/w（La）值（小于1）往往被作為地殼物質混染作用的微量元素指標[74-76]。研究區(qū)內火山巖樣品的w（Th）N/w（Nb）N值均遠大于1，介于1.07～27.70，平均值為6.32；w（La）/w（Sm）值最高可達5.26；w（Nb）/w（La）值介于0.13～0.87，平均值為0.41。另外，火山巖樣品具有較高Zr含量（（54.81～283.67）×10-6，平均值為175.47×10-6）、高w（Zr）/w（Y）值（3.10～11.96，平均值為7.01）以及含量較低且含量不穩(wěn)定的相容元素（Cr、Co、Ni）的特征。以上微量元素特征均表明， 巖漿在演化過程中受到一定程度的地殼物質混染作用。

除了受到地殼物質混染以外，巖漿在演化過程中還存在有結晶分異作用，表現(xiàn)為：除K2O、Na2O含量與SiO2含量之間表現(xiàn)出正相關關系之外，火山巖大部分主量元素（TiO2、TFe2O3、MnO、MgO、CaO、Al2O3、P2O5）含量與SiO2含量在整體上呈現(xiàn)出負相關關系；MgO、TFe2O3含量與SiO2含量具有負相關關系，說明存在橄欖石和鉻鐵礦的分離結晶作用；CaO、Al2O3含量與SiO2含量呈現(xiàn)出負相關關系， CaO含量與w（CaO）/w（Al2O3）值之間具有極好的正相關關系，表明存在單斜輝石及斜長石的分離結晶作用，因為單斜輝石的晶出可導致巖漿中CaO 含量與w（CaO）/w（Al2O3）值的降低[26]；另外，K2O含量與TiO2含量總體上呈正相關關系，表明巖漿系統(tǒng)里可能沒有鈦鐵礦物的析出（圖12）。

圖12 火山巖哈克圖解

Fig.12 Harker Diagrams of Volcanic Rocks

大陸弧是地幔和洋殼（以及其上的陸源物質）發(fā)生物質交換的有利地區(qū)。在該環(huán)境中可能的巖漿源區(qū)主要有3種：①由玄武巖組成，并含少量深海沉積物質的俯沖洋殼；②位于洋殼之上、火山弧之下的地幔楔，其主要由橄欖巖組成；③位于火山弧之下的陸殼[34，80]。地球化學特征顯示研究區(qū)火山巖富集輕稀土元素及大離子親石元素，明顯虧損高場強元素（如Nb、Ta和Ti），其中Nb、Ta虧損被認為是濕地幔楔部分熔融形成的陸緣弧玄武巖的主要鑒別特征之一[61]。微量元素地球化學特征表明，研究區(qū)內火山巖在成因上與受到俯沖帶流（熔）體交代的地幔楔部分熔融有關[79]。該交代作用過程可簡略概括為：俯沖洋殼上覆沉積物脫水變質產生比較富集大離子親石元素（如K、Rb、Sr、U、Th及輕稀土元素等）的流體進入處于俯沖帶位置之上的地幔楔，然后與其發(fā)生交代作用，繼而誘發(fā)地幔楔中地幔巖的部分熔融形成玄武質巖漿，此過程是地球中K與H2O深循環(huán)的重要機制[81]。

值得注意的是，俯沖帶流（熔）體對地幔楔的這種交代作用會使巖石圈地幔的Sr、Nd同位素解耦[82]。這是因為相比Nd同位素來說，Sr同位素對流（熔）體交代及地殼混染極為敏感，所以其不能真實反映巖漿源區(qū)性質。但是，Nd同位素組成在此過程中受到的影響較小，更能代表源區(qū)特征。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）圖解（圖9）中，研究區(qū)火山巖樣品的高εNd （t）值顯示出其虧損的巖漿源區(qū)特征，這與汪幫耀等在和備戰(zhàn)鐵礦區(qū)相鄰的查崗諾爾鐵礦區(qū)、智博鐵礦區(qū)以及尼新塔格鐵礦區(qū)得出的結論一致[5-6，14]，也說明該地區(qū)在早石炭世末期與俯沖帶有關的幔源玄武質巖漿通過島弧最終疊加到大陸地殼上[81]。

綜上所述，西天山阿吾拉勒地區(qū)備戰(zhàn)鐵礦區(qū)大哈拉軍山組火山巖的巖漿源區(qū)是由受來自消減殘留板片析出流（熔）體交代的地幔楔部分熔融形成。Sr-Nd同位素組成顯示出其虧損的巖漿源區(qū)特征，且其母巖漿的演化過程中經歷有一定程度的結晶分異作用和地殼物質混染作用。

6 結 語

（1）西天山備戰(zhàn)鐵礦區(qū)石炭紀火山巖主要為中基性玄武巖、玄武安山巖及相應的火山碎屑巖。巖石地球化學顯示該地區(qū)火山巖多屬中高鉀鈣堿性及橄欖玄粗巖系列，火山巖整體上富集輕稀土元素以及大離子親石元素（如K、Rb、Th等），相對虧損高場強元素（如Nb、Ta、Ti等） 。

（2）鋯石U-Pb同位素測年揭示該地區(qū)石炭紀火山巖年齡為（320.6±2.2）Ma。區(qū)域地質資料及地球化學分析均佐證該地區(qū)石炭紀火山巖形成于活動大陸弧環(huán)境，且其形成與早石炭世末期北天山洋盆向伊犁地塊之下發(fā)生B型俯沖作用這一過程有關。

（3）Sr-Nd同位素地球化學特征表明，該地區(qū)石炭紀火山巖可能形成于受消減殘留板片析出流（熔）體交代的虧損地幔楔的部分熔融作用，其主量元素與微量元素地球化學特征還顯示母巖漿在演化過程中經歷有結晶分異作用及陸殼物質的混染作用。

野外工作期間得到了新疆地質礦產勘查開發(fā)局第三地質大隊田敬佺工程師的全力協(xié)助，樣品分析測試工作由長安大學王柱命、何克老師完成，在此一并表示感謝！

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