西天山备战铁矿石炭纪火山岩地球化学特征及岩石成因
张博 荆德龙 汪帮耀 姜常义 赵振刚
摘 要：选取西天山阿吾拉勒东段备战铁矿区出露的石炭纪火山岩为研究对象。通过对岩相学与主量、微量元素地球化学等方面的研究来约束其构造环境与岩浆源区性质。分析测试显示该地区火山岩多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列，富集轻稀土元素及大离子亲石元素（Rb、Th、K等），亏损高场强元素（Nb、Ta、Ti等）。岩石组合及地球化学特征表明：该地区火山岩形成于活动大陆弧环境，其形成与早石炭世末期北天山洋盆向位于其南部的伊犁地块之下发生B型俯冲作用有关。另外，火山岩εNd（t）值介于0.73～4.33之间，显示岩浆源区具亏损地幔的属性，且母岩浆在演化过程中还经历有结晶分异作用以及陆壳物质混染作用。
关键词：地球化学；岩石成因；石炭纪；火山岩；大陆弧；西天山；新疆
中图分类号：P588.14；P595 文献标志码：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
位于中国新疆境内的西天山阿吾拉勒铁成矿带自西向东依次分布有式可布台、松湖、尼新塔格—阿克萨依、查岗诺尔、智博、敦德、备战等一系列与石炭纪火山作用有关的铁矿床，且绝大多数铁矿床赋存于石炭纪大哈拉军山组火山岩中[1-15]。该组火山岩在西天山地区分布范围广泛，不同区域内具有不同类型的岩性组合，学者们对其形成环境及其源区性质的认识尚有争议[16]。对该组火山岩构造环境的认识有：①与造山后岩浆作用有关的大陆裂谷环境[9，17-22]；②与地幔柱有关的裂谷环境[23]；③大陆边缘或岛弧环境[24-45]；④大陆减薄拉张环境[46]。对该组火山岩源区性质的认识有：①亏损地幔[5-6，10，14，30，40]；②富集地幔[26]；③地壳[47]。
西天山备战铁矿是该成矿带东段的一个大型火山岩型铁矿，其形成与石炭纪大哈拉军山组火山岩之间存在十分密切的时空及成因联系[4，7-10，22，47-53]。近年来，前人对备战铁矿区赋矿的石炭纪火山岩做了不同方面的研究工作，包括地质特征研究[4，7-10，22，48]、主量元素和微量元素地球化学研究[10，21，47]、Sr-Nd及Lu-Hf同位素地球化学研究[10，47]、锆石U-Pb同位素年代学研究等[29，47，54-55]。总体而言，由于研究手段、研究层次的不同，对该地区石炭纪火山岩的构造环境及源区性质取得的认识也不尽相同。就其构造环境而言，阿丽娜等认为该地区石炭纪火山岩属于裂谷环境产物[9，21，48]，宋相龙等认为其属于大洋岛弧环境[22]，但李大鹏认为其属于大陆边缘环境产物[10]；就其源区性质而言，李大鹏认为赋矿的火山岩源自亏损地幔[10]，但韩琼等认为其来源于元古代及太古代地壳的部分熔融[47]。
石炭纪大哈拉军山组是西天山地区一套重要的含矿地层，查明其形成的构造环境及其岩浆源区性质对研究该地区地质演化乃至成矿规律来说都是十分必要的。笔者在前人研究的基础之上，选取西天山阿吾拉勒东段备战铁矿区内的石炭纪大哈拉军山组火山岩为研究对象，通过系统的野外地质、岩相学、主量元素与微量元素地球化学、Sr-Nd同位素地球化学、锆石U-Pb同位素年代学等方面的研究，探讨西天山备战铁矿区石炭纪火山岩的构造环境及岩浆源区性质问题。
1 区域地质背景
西天山造山带是中亚造山带的重要组成部分。备战铁矿在大地构造位置上位于西天山伊犁地块东缘（图1）。伊犁地块夹在中天山北缘断裂与南部的尼古拉耶夫—那拉提山北坡断裂之间，呈楔形由西向东尖灭[24]。研究区所属的伊犁地块北部出露的地层以石炭系最为广布[25]，自上而下依次为伊什基里克组板内火山岩、阿克沙克组海陆交互相碎屑岩-碳酸盐岩以及大哈拉军山组浅海—滨海相火山岩，各组之间总体呈角度不整合接触关系，局部地段呈构造接触关系。大哈拉军山组火山岩建组于特克斯南部科克苏河下游大哈拉军山西侧的地质剖面（图1）[26]，该组岩性主要由上部的安山岩、英安岩、流纹岩、凝灰岩夹砂岩灰岩透镜体和下部的玄武岩、粗面岩、粗面安山岩夹凝灰岩和火山角砾岩组成[5]，主体属于钙碱性系列火山岩建造[27-28]，总体分布于博罗科努山南坡至那拉提北缘断裂之间，呈近EW向分布，大致与地理上呈西部宽、东部狭窄，具楔状展布的伊犁盆地相同。
图1 西天山区域地质简图
Fig.1 Simplified Geological Map of West Tianshan
2 岩石学特征
图2 备战铁矿地质图
Fig.2 Geological Map of Beizhan Iron Deposit
备战铁矿区（图2）出露地层为下石炭统大哈拉军山组，在矿区出露面积约7.5 km2，出露厚度为717.74 m，地层北倾，倾角55°～83°，主要由玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗面安山岩、玄武安山岩、粗面安山岩、凝灰岩、晶屑凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩以及薄层状的灰岩和大理岩夹层等组成。铁矿主要产于该套地层中，呈层状、似层状分布（图2）。
研究区内大哈拉军山组火山岩由喷溢相火山熔岩及爆发相火山碎屑岩两部分组成。火山熔岩主要为浅灰—灰绿色玄武质/玄武安山质岩石，具斑状结构或无斑结构、块状构造[图3（d）、（e）]。具斑状结构的火山岩斑晶成分包括单斜辉石、斜长石和（或）角闪石：单斜辉石斑晶（体积分数为10%～15%）呈自形—半自形粒状分布，粒度（d）为（0.15×0.20）～（0.75×0.85）mm；斜长石斑晶（15%～20%）呈板条状分布，粒度为（0.08×0.50）～（0.30×1.00）mm；角闪石斑晶（3%～9%）呈柱状分布，粒度为（0.04×0.08）～（0.30×0.70）mm；基质包括长石、单斜辉石、磁铁矿及隐晶质，具间粒结构、填间结构或玻基交织结构[图3（g）～（i）]。无斑结构的火山岩主要由单斜辉石、斜长石、角闪石、磁铁矿及隐晶质组成：单斜辉石（体积分数为15%～25%）呈短柱状、粒状分布，粒度为（0.10×0.18）～（0.25×0.40）mm；斜长石（60%～70%）呈自形板条状分布，粒度为（0.02×0.25）～（0.20×1.00）mm；角闪石（5%～15%）呈长柱状分布，粒度为（0.05×0.10）～（0.40×0.90）mm；晶质具填间结构和间粒结构[图3（j）、（k）]。岩石局部有一定程度的蚀变作用，表现为：斜长石多发生钠黝帘石化及绢云母化；辉石及角闪石多发生透闪石化、阳起石化、绿帘石化和绿泥石化。另外，在火山岩露头上可见部分火山熔岩发育气孔构造[图3（c）]，这应与岩浆含大量挥发分有关。
火山碎屑岩主要包括凝灰岩、层状凝灰岩、晶屑凝灰岩[图3（f）]、熔结角砾凝灰岩、火山角砾岩和含角砾的火山集块岩[图3（b）]等。鉴于其种类较多，在此仅选择矿区内分布最为广泛的晶屑凝灰岩进行描述。晶屑凝灰岩呈浅灰—灰绿色，具火山凝灰结构和块状构造，主要由少量岩屑、晶屑及隐晶质/玻璃质组成。其中岩屑成分主要为灰黑色凝灰岩，呈不规则状杂乱分布，粒度为（0.01×0.03）～（0.30×0.50）mm，体积分数少于5%；晶屑成分主要为斜长石，呈不规则状杂乱分布，粒度为（0.02×0.05）～（1.00×2.00）mm，体积分数为15%～25%；隐晶质/玻璃质成分为灰黑色致密火山尘[图3（f）、（l）]。矿区内靠近铁矿体的晶屑凝灰岩中发育有不同类型的蚀变作用，表现为绿帘石化、绿泥石化、阳起石化、电气石化和碳酸盐化等。
图3 火山岩照片及显微图像
Fig.3 Photos and Microphotographs of Volcanic Rocks
3 分析方法
在对西天山备战铁矿大哈拉军山组火山岩样品进行详细的手标本以及偏光显微镜观察之后，挑选了遭受蚀变相对较弱的玄武质/玄武安山质火山熔岩样品进行清洗、粉碎、缩分，用玛瑙研钵将其研磨至0.071 mm（200目）以下的粉末备用，然后对其进行主量元素与微量元素化学成分分析。主量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室用X射线荧光光谱仪分析，XRF熔片法按国家标准GB/T 14506.28—1993执行。微量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用美国Thermo-X7电感耦合等离子体质谱仪测定，仪器工作参数包括：功率为1 200 W，雾化气体流速为0.64 L·min-1，辅助气体流速为 0.80 L·min-1，等离子体冷却气体流速为 13 L·min-1；化学分析所用试剂硝酸和氢氟酸均为由优级纯酸经亚沸蒸馏装置制得的高纯试剂，水为Millipore制得的18 mW高纯水。
火山岩锆石U-Pb同位素测试在中国冶金地质总局山东局测试中心采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICPMS）完成，用于分析测试的样品采自备战铁矿区赋矿的玄武安山岩。测试中采用He作为剥蚀物质的载气，用NIST SRM 610进行仪器最佳化，采用标准锆石91500外部校正法进行锆石原位U-Pb分析，采样方式为单点剥蚀。激光束斑直径为30 μm，频率为10 Hz。ICP-MS数据采集选用一个峰采集一点的跳峰方式，每完成4、5个样品分析点测一次标样，在所测锆石样品15～20个点前后各测2次NIST SRM 610，并以29Si做内标测定锆石中U、 Th和Pb含量（质量分数，下同）。锆石同位素比值及元素含量的数据处理采用GLITTER 4.0程序。样品的加权平均年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT 2.49程序。204Pb记数较低，未对普通铅进行任何校正。所有测试点的同位素比值误差类型均为1σ，最终采用的年龄为n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值，其误差为2σ。
火山岩Sr、Nd同位素分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学重点实验室完成（测点号分别为H-009-3、H-009-7、H-007-1、H- Ⅰ -2、H- Ⅱ -2）。Sr、Nd同位素分析样品用HF+HNO3混合酸溶解，应用阳离子交换技术进行分离。同位素比值测定在MicroMass ISO PROBE型多接收电感耦合等离子质谱仪上进行；Sr同位素按照国际标准NBS987及实验室标准Sr-GIG进行监控，N（87Sr）/N（86Sr）值用0.119 4进行标准化；Nd同位素按照国际标准JNdi-1及实验室标准Nd-GIG进行监控，N（143Nd）/N（144Nd）值用0.721 9进行标准化；Sr、Nd同位素分析精度好于0.002%。
4 结果分析
4.1 主量元素地球化学
备战铁矿大哈拉军山组火山岩样品主量元素分析结果见表1。火山岩样品分类见TAS图解（图4）。
表1 火山岩主量元素分析结果
Tab.1 Analysis Results of Major Elements of Volcanic Rocks
注：w（·）为元素或化合物含量；wtotal为主量元素总含量。
在TAS图解中，研究区内火山岩样品表现为基性至中性的岩石系列，主要由玄武岩、粗面玄武岩、玄武安山岩、玄武粗面安山岩、粗面安山岩等组成[图4（a）]。考虑到K、Na等较活泼的碱金属元素在蚀变过程中可能会对岩石产生影响，岩石中的Al、Ti、Nb、Zr、Y等元素活动性弱，可反映蚀变岩石的某些原岩性质，因此，利用0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y图解做进一步的判别[图4（b）]。从图4（b）可以看出，所有样品均落入亚碱性玄武岩及玄武安山岩范围内，说明本区火山岩总体上可能属于亚碱性系列。在AFM图解[图5（a）]中，火山岩样品投点均落于钙碱性系列区域，说明样品均具钙碱性系列演化趋势。钙碱性系列玄武岩中的部分样品属于高铝玄武岩（w（Al2O3）>17%），高铝玄武岩多分布在造山带、岛弧或活动大陆边缘[10]。
图（a）底图引自文献[57]；界线引自文献[58]；图（b）引自文献[59]
图4 火山岩TAS图解及0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y图解
Fig.4 Diagrams of TAS and 0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y for Volcanic Rocks
图（a）引自文献[58]；图（b）引自文献[56]
图5 火山岩AFM图解及K2O-SiO2图解
Fig.5 Diagrams of AFM and K2O-SiO2 for Volcanic Rocks
在Peccerillo等提出的K2O-SiO2图解[56]中，样品多属中高钾钙碱性系列以及橄榄玄粗岩系列[图5（b）]。属于橄榄玄粗岩系列（或称钾玄岩系列、橄榄安粗岩系列等）的火山岩样品在TAS图解中主要落于碱性玄武岩系列范围内，在AFM图解中则位于钙碱性系列范围内，总体属于钙碱性系列。在K2O-SiO2图解中，其相当于玄武岩SiO2含量的岩石，K2O含量随SiO2含量的增加而呈陡正斜率上升，这和岩浆在高压岩浆房内的辉石结晶分异有关[56]。在一般情况下，橄榄玄粗岩系与钙碱性岩套密切伴生[60]，在AFM图上的投影也更清晰地表明橄榄玄粗岩系列与钙碱性岩的这种亲缘关系。
4.2 稀土元素及微量元素地球化学
备战铁矿火山岩稀土元素及微量元素分析结果见表2。火山岩稀土元素总含量为（66.92～185.50）×10-6，样品轻、重稀土元素之间的分馏程度较强（w（La）N/w（Yb）N=1.57～12.24，平均值为5.93），轻稀土元素内部分馏程度较强（w（La）N/w（Sm）N=1.26～3.39，平均值为2.37），重稀土元素内部分馏程度中等（w（Gd）N/w（Yb）N=1.32～3.11，平均值为1.90）。从球粒陨石标准化稀土元素配分模式可以看出，备战铁矿火山岩样品稀土元素配分模式应属轻稀土元素（LREE）富集型[图6（a）]。
绝大多数火山岩样品无明显Ce负异常（δ（Ce）=0.89～1.15，平均值为0.98），说明其形成时应处于低氧或缺氧的还原环境[61]。除1件火山岩样品（H-009-6）Eu异常大于1之外，其余火山岩样品均具有Eu负异常（δ（Eu）=0.46～1.02，平均值为0.85）。这是因为当岩浆体系处于还原环境时， Eu主要以Eu2+的形式存在。这时，Eu2+会因其碱性度与REE3+整体差别太大而分离。由于斜长石对Eu的分配系数远大于其他稀土元素，在岩浆分离结晶过程中斜长石的分离结晶会使得岩浆产生Eu负异常[62]。
从原始地幔标准化微量元素蛛网图可以看出，大多数火山岩样品表现出了相似的配分模式，曲线形态基本一致[图6（b）]。绝大多数火山岩样品大
表2 火山岩微量元素及稀土元素分析结果
Tab.2 Analysis Results of Trace and Rare Earth Elements of Volcanic Rocks
注：wREE为稀土元素总含量；w（·）N为元素含量球粒陨石标准化后的值；δ（·）为元素异常。
ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；图中线条对应不同样品；球粒陨石标准化值和
原始地幔标准化值引自文献[61]
图6 火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式及原始地幔标准化微量元素蛛网图
Fig.6 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of Volcanic Rocks
离子亲石元素（Rb、Th、U、K）有不同程度富集，而高场强元素（Nb、Ta和Ti）及Ba则有明显亏损。其中 Nb、Ta 等高场强元素的亏损表明其岩浆可能来自于俯冲带之上熔融的地幔楔[63]， Rb、Th、U、K等大离子亲石元素的相对富集则可能是俯冲板片发生脱水产生比较富集大离子亲石元素的流体交代上覆地幔楔所致，Ba作为一种地球化学性质较为活泼的元素，其亏损可能是由于后期蚀变作用引起的。
4.3 锆石U-Pb同位素年代学
备战铁矿火山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年分析结果见表3。样品所分选出来的锆石部分颗粒因破碎过细而不完整，但绝大多数颗粒呈自形―半自形柱状、四方双锥状及复四方双锥状，无色透明，粒径为40～200 μm。样品的阴极发光（CL）图像显示锆石颜色比较均匀，具有明显且典型的、平直对称生长的多层同心韵律环带（图7）。本样品19个测点均位于锆石岩浆环带部位。在19个测点中，锆石Th含量为（52.56～298.50）×10-6之间，U含量为（114.04～423.84）×10-6。w（Th）/w（U）值为0.46～0.93，且U、Th含量之间呈现出比较良好的线性关系，这些锆石均属典型的岩浆锆石。
样品19个测点均为有效数据点。从测定结果可以看出，19个数据点的U-Pb年龄较为集中，都投影在n（207Pb）/n（235U）-n（206Pb）/n（238U）谐和曲线上或其附近，表明这些锆石颗粒在形成后的U-Pb同位素体系基本封闭，无U或Pb同位素的明显加入或丢失。n（206Pb）/n（238U）年龄介于318.0～323.3 Ma之间，n（206Pb）/n（238U）和n（207Pb）/n（235U）谐和性较好，得出的n（206Pb）/n（238U）加权平均年龄为（320.6±2.2）Ma，平均标准权重偏差（MSWD）为0.094（19个测点）（图8）。
4.4 Sr、Nd同位素组成
对5件火山岩样品（H-009-3、H-009-7、H-007-1、H-Ⅰ-2、H-Ⅱ-2）进行Sr-Nd同位素测试，分析结果见表4。本研究中获得备战铁矿大哈拉军山组火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，利用此值对研究区火山岩Sr-Nd同位素参数进行计算。Sr、Nd同位素分析数据显示：研究区火山岩初始N（87Sr）/N（86Sr）值介于0.704 7～0.706 8之间，表现为富集型；εNd （t）值介于0.73～4.33之间，表现为亏损型。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解中，火山岩样品投点均落于第一象限内的Lesser Antilles岛及其附近（图9）。数据点向右下方偏离地幔系列且数据点排列斜率低于地幔系列的斜率；εNd（t）值与初始N（87Sr）/N（86Sr）值之间呈现明显的负相关关系，这是由蚀变洋壳及其上覆的陆源沉积物之间的混合作用引起的[64]。
5 讨 论
5.1 成岩时代
李大鹏等对备战铁矿区大哈拉军山组火山岩以及矿区南部穿插于该组火山岩中的花岗岩进行过年代学研究工作[29，54-55]。本研究获得备战铁矿区大哈拉军山组火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，表明该地区大哈拉军山组火山岩的形成时代为早石炭世末期。茹艳娇研究表明，大哈拉军山组火
表3 火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果
Tab.3 Analysis Results of LA-ICP-MS Zircon U-Pb Dating for Volcanic Rocks
注：n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量。
图7 火山岩锆石阴极发光图像
Fig.7 CL Images of the Zircons of Volcanic Rocks
图8 火山岩锆石U-Pb年龄谐和曲线及年龄分布
Fig.8 Zircon U-Pb Concordia Diagram and Distribution of Ages of Volcanic Rocks
山岩形成时间总体上具有自伊犁地块西部向东部逐渐变年轻的趋势[30] ；年龄（320.6±2.2）Ma的获得与此认识具有一致性（图10）。
5.2 构造环境分析
针对大哈拉军山组火山岩的形成环境，现今仍有不同认识。区域地质资料及前人研究成果表明，处在新疆西天山腹地的伊犁地块具有成熟度较高的前寒武纪结晶基底[25，29，32，37-38]，且北天山洋盆在晚泥盆世—早石炭世期间向伊犁地块之下俯冲消减，中天山北缘断裂附近出露的一系列蛇绿混杂岩即是
表4 火山岩Sr-Nd同位素分析结果
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，下标i表示初始比值，下标CHUR表示球粒陨石均一源与样品同时的比值，N（·）/N（·）为同一元素同位素比值，N（·）为该元素的原子丰度；εNd（t）为年龄t对应的εNd值；εSr（t）为年龄t对应的εSr值；计算备战铁矿火山岩初始N（87Sr）/N（86Sr）值及εNd （t）值使用年龄320.6 Ma进行计算。
证据[16，26，29，34，37，65-67]。鉴于研究区地处伊犁盆地东缘，其火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，该地区大哈拉军山组火山岩的形成极有可能与晚泥盆世―早石炭世期间北天山洋盆向伊犁地块之下俯冲有关。
结合岩石组合分析，在伊犁地块阿吾拉勒地区广泛分布的大哈拉军山组火山岩主要由玄武岩、玄武安山岩、安山岩、粗面安山岩、粗面英安岩、流纹岩等熔岩及相应的火山碎屑岩组成[30]，岩石化学系列多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列[25]。Innocenti等认为钙碱性火山岩-高钾钙碱性火山岩-橄榄玄粗岩系组合是造山带火山岩特有的—种组合[68]。橄榄玄粗岩系列火山岩主要产于岛弧、活动大陆边缘或者板内伸展构造环境[32，69]。作为造山带中重要的火成岩系列，高钾钙碱性火山岩与橄榄玄粗岩系列岩石在空间上常分布在主弧带靠弧后的一侧，在时间上主要出现于整个俯冲作用过程的晚期阶段[60，70]。因此，该岩石组合的出现很可能表明北天山洋向伊犁地块之下的俯冲作用结束于早石炭世末期。
从岩石地球化学方面考虑，研究区内大哈拉军山组火山岩多数样品表现出大离子亲石元素和轻稀土元素不同程度富集及高场强元素明显亏损的地球
MORB为洋中脊玄武岩；图件引自文献[71]
图9 火山岩εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解
Fig.9 Diagram of εNd（t）-initial N（87Sr）/N（86Sr） of
Volcanic Rocks
化学特征，具岛弧火山岩的特征，表明其形成与大洋板块的俯冲作用有关[43，61]。
底图引自文献[30]和[31]
图10 西天山大哈拉军山组火山岩形成年龄分布
Fig.10 Age Distribution of the Volcanic Rocks of Dahalajunshan Formation in West Tianshan
另外，样品的Wright碱度率（A.R）为1.01～2.12，平均值为1.59，而A.R值小于3.9的火山岩多见于岛弧或者活动大陆边缘这一构造环境[27]。Hf/3-Th-Ta、Th/Yb-Nb/Yb、Y/15-La/10-Nb/8、log τ-log σ等构造环境判别图解也可以为该观点提供一定佐证（图11）。
在Hf/3-Th-Ta图解[72]中，多数火山岩样品投点集中落于火山弧玄武岩区域，反映其具有岛弧钙碱性火山岩的特征[图11（a）][73]；在log τ-log σ图解中，火山岩样品投点集中分布于造山带及岛弧区，显示研究区内火山岩趋同于岛弧或大陆边缘的形成环境[图11（b）]；在Y/15-La/10-Nb/8图解中，多数火山岩样品投点落于火山弧玄武岩区[图11（c）]；在Th/Yb-Nb/Yb图解中，绝大多数火山岩样品投点落于大陆岛弧火山岩与大洋岛弧火山岩的重叠部分，且明显偏向于大陆岛弧火山岩区域，表明火山岩与大陆弧更具亲缘性[图11（d）]。
上述证据充分表明：备战铁矿区大哈拉军山组火山岩形成于位于俯冲带之上的活动大陆弧环境，其形成应与早石炭世末期北天山洋盆（即准噶尔洋盆）向伊犁地块之下发生的B型俯冲作用有关。
图（a）、（b）中，A为正常型洋中脊玄武岩（N-MORB），B为富集型洋中脊玄武岩和板内拉斑玄武岩，C为板内碱性玄武岩，D为火山弧玄武岩，τ=（w（Al2O3）-w（Na2O））/w（TiO2）；图（c）中，1区为火山弧玄武岩，2区为大陆玄武岩，3区为大洋玄武岩，1A区为钙碱性玄武岩，1C区为火山弧拉斑玄武岩，1B区为1A区与1C区的重叠区域，2A区为大陆玄武岩，2B区为弧后盆地玄武岩，3A区为大陆内裂谷区
的碱性玄武岩，3B区与3C区为富集型洋中脊玄武岩，3D区为正常型洋中脊玄武岩；图（a）引自文献[72]；图（b）引自文献[77]；图（c）引
自文献[78]；图（d）引自文献[79]
图11 火山岩构造环境判别图解
Fig.11 Discrimination Diagrams for Tectonic Settings of Volcanic Rocks
5.3 地壳混染、分离结晶及源区性质
高w（Th）N/w（Nb）N值（远大于1）、w（La）/w（Sm）值（大于4.5）及低w（Nb）/w（La）值（小于1）往往被作为地壳物质混染作用的微量元素指标[74-76]。研究区内火山岩样品的w（Th）N/w（Nb）N值均远大于1，介于1.07～27.70，平均值为6.32；w（La）/w（Sm）值最高可达5.26；w（Nb）/w（La）值介于0.13～0.87，平均值为0.41。另外，火山岩样品具有较高Zr含量（（54.81～283.67）×10-6，平均值为175.47×10-6）、高w（Zr）/w（Y）值（3.10～11.96，平均值为7.01）以及含量较低且含量不稳定的相容元素（Cr、Co、Ni）的特征。以上微量元素特征均表明， 岩浆在演化过程中受到一定程度的地壳物质混染作用。
除了受到地壳物质混染以外，岩浆在演化过程中还存在有结晶分异作用，表现为：除K2O、Na2O含量与SiO2含量之间表现出正相关关系之外，火山岩大部分主量元素（TiO2、TFe2O3、MnO、MgO、CaO、Al2O3、P2O5）含量与SiO2含量在整体上呈现出负相关关系；MgO、TFe2O3含量与SiO2含量具有负相关关系，说明存在橄榄石和铬铁矿的分离结晶作用；CaO、Al2O3含量与SiO2含量呈现出负相关关系， CaO含量与w（CaO）/w（Al2O3）值之间具有极好的正相关关系，表明存在单斜辉石及斜长石的分离结晶作用，因为单斜辉石的晶出可导致岩浆中CaO 含量与w（CaO）/w（Al2O3）值的降低[26]；另外，K2O含量与TiO2含量总体上呈正相关关系，表明岩浆系统里可能没有钛铁矿物的析出（图12）。
图12 火山岩哈克图解
Fig.12 Harker Diagrams of Volcanic Rocks
大陆弧是地幔和洋壳（以及其上的陆源物质）发生物质交换的有利地区。在该环境中可能的岩浆源区主要有3种：①由玄武岩组成，并含少量深海沉积物质的俯冲洋壳；②位于洋壳之上、火山弧之下的地幔楔，其主要由橄榄岩组成；③位于火山弧之下的陆壳[34，80]。地球化学特征显示研究区火山岩富集轻稀土元素及大离子亲石元素，明显亏损高场强元素（如Nb、Ta和Ti），其中Nb、Ta亏损被认为是湿地幔楔部分熔融形成的陆缘弧玄武岩的主要鉴别特征之一[61]。微量元素地球化学特征表明，研究区内火山岩在成因上与受到俯冲带流（熔）体交代的地幔楔部分熔融有关[79]。该交代作用过程可简略概括为：俯冲洋壳上覆沉积物脱水变质产生比较富集大离子亲石元素（如K、Rb、Sr、U、Th及轻稀土元素等）的流体进入处于俯冲带位置之上的地幔楔，然后与其发生交代作用，继而诱发地幔楔中地幔岩的部分熔融形成玄武质岩浆，此过程是地球中K与H2O深循环的重要机制[81]。
值得注意的是，俯冲带流（熔）体对地幔楔的这种交代作用会使岩石圈地幔的Sr、Nd同位素解耦[82]。这是因为相比Nd同位素来说，Sr同位素对流（熔）体交代及地壳混染极为敏感，所以其不能真实反映岩浆源区性质。但是，Nd同位素组成在此过程中受到的影响较小，更能代表源区特征。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解（图9）中，研究区火山岩样品的高εNd （t）值显示出其亏损的岩浆源区特征，这与汪帮耀等在和备战铁矿区相邻的查岗诺尔铁矿区、智博铁矿区以及尼新塔格铁矿区得出的结论一致[5-6，14]，也说明该地区在早石炭世末期与俯冲带有关的幔源玄武质岩浆通过岛弧最终叠加到大陆地壳上[81]。
综上所述，西天山阿吾拉勒地区备战铁矿区大哈拉军山组火山岩的岩浆源区是由受来自消减残留板片析出流（熔）体交代的地幔楔部分熔融形成。Sr-Nd同位素组成显示出其亏损的岩浆源区特征，且其母岩浆的演化过程中经历有一定程度的结晶分异作用和地壳物质混染作用。
6 结 语
（1）西天山备战铁矿区石炭纪火山岩主要为中基性玄武岩、玄武安山岩及相应的火山碎屑岩。岩石地球化学显示该地区火山岩多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列，火山岩整体上富集轻稀土元素以及大离子亲石元素（如K、Rb、Th等），相对亏损高场强元素（如Nb、Ta、Ti等） 。
（2）锆石U-Pb同位素测年揭示该地区石炭纪火山岩年龄为（320.6±2.2）Ma。区域地质资料及地球化学分析均佐证该地区石炭纪火山岩形成于活动大陆弧环境，且其形成与早石炭世末期北天山洋盆向伊犁地块之下发生B型俯冲作用这一过程有关。
（3）Sr-Nd同位素地球化学特征表明，该地区石炭纪火山岩可能形成于受消减残留板片析出流（熔）体交代的亏损地幔楔的部分熔融作用，其主量元素与微量元素地球化学特征还显示母岩浆在演化过程中经历有结晶分异作用及陆壳物质的混染作用。
野外工作期间得到了新疆地质矿产勘查开发局第三地质大队田敬佺工程师的全力协助，样品分析测试工作由长安大学王柱命、何克老师完成，在此一并表示感谢！
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摘 要：选取西天山阿吾拉勒东段备战铁矿区出露的石炭纪火山岩为研究对象。通过对岩相学与主量、微量元素地球化学等方面的研究来约束其构造环境与岩浆源区性质。分析测试显示该地区火山岩多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列，富集轻稀土元素及大离子亲石元素（Rb、Th、K等），亏损高场强元素（Nb、Ta、Ti等）。岩石组合及地球化学特征表明：该地区火山岩形成于活动大陆弧环境，其形成与早石炭世末期北天山洋盆向位于其南部的伊犁地块之下发生B型俯冲作用有关。另外，火山岩εNd（t）值介于0.73～4.33之间，显示岩浆源区具亏损地幔的属性，且母岩浆在演化过程中还经历有结晶分异作用以及陆壳物质混染作用。
关键词：地球化学；岩石成因；石炭纪；火山岩；大陆弧；西天山；新疆
中图分类号：P588.14；P595 文献标志码：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
位于中国新疆境内的西天山阿吾拉勒铁成矿带自西向东依次分布有式可布台、松湖、尼新塔格—阿克萨依、查岗诺尔、智博、敦德、备战等一系列与石炭纪火山作用有关的铁矿床，且绝大多数铁矿床赋存于石炭纪大哈拉军山组火山岩中[1-15]。该组火山岩在西天山地区分布范围广泛，不同区域内具有不同类型的岩性组合，学者们对其形成环境及其源区性质的认识尚有争议[16]。对该组火山岩构造环境的认识有：①与造山后岩浆作用有关的大陆裂谷环境[9，17-22]；②与地幔柱有关的裂谷环境[23]；③大陆边缘或岛弧环境[24-45]；④大陆减薄拉张环境[46]。对该组火山岩源区性质的认识有：①亏损地幔[5-6，10，14，30，40]；②富集地幔[26]；③地壳[47]。
西天山备战铁矿是该成矿带东段的一个大型火山岩型铁矿，其形成与石炭纪大哈拉军山组火山岩之间存在十分密切的时空及成因联系[4，7-10，22，47-53]。近年来，前人对备战铁矿区赋矿的石炭纪火山岩做了不同方面的研究工作，包括地质特征研究[4，7-10，22，48]、主量元素和微量元素地球化学研究[10，21，47]、Sr-Nd及Lu-Hf同位素地球化学研究[10，47]、锆石U-Pb同位素年代学研究等[29，47，54-55]。总体而言，由于研究手段、研究层次的不同，对该地区石炭纪火山岩的构造环境及源区性质取得的认识也不尽相同。就其构造环境而言，阿丽娜等认为该地区石炭纪火山岩属于裂谷环境产物[9，21，48]，宋相龙等认为其属于大洋岛弧环境[22]，但李大鹏认为其属于大陆边缘环境产物[10]；就其源区性质而言，李大鹏认为赋矿的火山岩源自亏损地幔[10]，但韩琼等认为其来源于元古代及太古代地壳的部分熔融[47]。
石炭纪大哈拉军山组是西天山地区一套重要的含矿地层，查明其形成的构造环境及其岩浆源区性质对研究该地区地质演化乃至成矿规律来说都是十分必要的。笔者在前人研究的基础之上，选取西天山阿吾拉勒东段备战铁矿区内的石炭纪大哈拉军山组火山岩为研究对象，通过系统的野外地质、岩相学、主量元素与微量元素地球化学、Sr-Nd同位素地球化学、锆石U-Pb同位素年代学等方面的研究，探讨西天山备战铁矿区石炭纪火山岩的构造环境及岩浆源区性质问题。
1 区域地质背景
西天山造山带是中亚造山带的重要组成部分。备战铁矿在大地构造位置上位于西天山伊犁地块东缘（图1）。伊犁地块夹在中天山北缘断裂与南部的尼古拉耶夫—那拉提山北坡断裂之间，呈楔形由西向东尖灭[24]。研究区所属的伊犁地块北部出露的地层以石炭系最为广布[25]，自上而下依次为伊什基里克组板内火山岩、阿克沙克组海陆交互相碎屑岩-碳酸盐岩以及大哈拉军山组浅海—滨海相火山岩，各组之间总体呈角度不整合接触关系，局部地段呈构造接触关系。大哈拉军山组火山岩建组于特克斯南部科克苏河下游大哈拉军山西侧的地质剖面（图1）[26]，该组岩性主要由上部的安山岩、英安岩、流纹岩、凝灰岩夹砂岩灰岩透镜体和下部的玄武岩、粗面岩、粗面安山岩夹凝灰岩和火山角砾岩组成[5]，主体属于钙碱性系列火山岩建造[27-28]，总体分布于博罗科努山南坡至那拉提北缘断裂之间，呈近EW向分布，大致与地理上呈西部宽、东部狭窄，具楔状展布的伊犁盆地相同。
图1 西天山区域地质简图
Fig.1 Simplified Geological Map of West Tianshan
2 岩石学特征
图2 备战铁矿地质图
Fig.2 Geological Map of Beizhan Iron Deposit
备战铁矿区（图2）出露地层为下石炭统大哈拉军山组，在矿区出露面积约7.5 km2，出露厚度为717.74 m，地层北倾，倾角55°～83°，主要由玄武岩、粗面玄武岩、玄武粗面安山岩、玄武安山岩、粗面安山岩、凝灰岩、晶屑凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩以及薄层状的灰岩和大理岩夹层等组成。铁矿主要产于该套地层中，呈层状、似层状分布（图2）。
研究区内大哈拉军山组火山岩由喷溢相火山熔岩及爆发相火山碎屑岩两部分组成。火山熔岩主要为浅灰—灰绿色玄武质/玄武安山质岩石，具斑状结构或无斑结构、块状构造[图3（d）、（e）]。具斑状结构的火山岩斑晶成分包括单斜辉石、斜长石和（或）角闪石：单斜辉石斑晶（体积分数为10%～15%）呈自形—半自形粒状分布，粒度（d）为（0.15×0.20）～（0.75×0.85）mm；斜长石斑晶（15%～20%）呈板条状分布，粒度为（0.08×0.50）～（0.30×1.00）mm；角闪石斑晶（3%～9%）呈柱状分布，粒度为（0.04×0.08）～（0.30×0.70）mm；基质包括长石、单斜辉石、磁铁矿及隐晶质，具间粒结构、填间结构或玻基交织结构[图3（g）～（i）]。无斑结构的火山岩主要由单斜辉石、斜长石、角闪石、磁铁矿及隐晶质组成：单斜辉石（体积分数为15%～25%）呈短柱状、粒状分布，粒度为（0.10×0.18）～（0.25×0.40）mm；斜长石（60%～70%）呈自形板条状分布，粒度为（0.02×0.25）～（0.20×1.00）mm；角闪石（5%～15%）呈长柱状分布，粒度为（0.05×0.10）～（0.40×0.90）mm；晶质具填间结构和间粒结构[图3（j）、（k）]。岩石局部有一定程度的蚀变作用，表现为：斜长石多发生钠黝帘石化及绢云母化；辉石及角闪石多发生透闪石化、阳起石化、绿帘石化和绿泥石化。另外，在火山岩露头上可见部分火山熔岩发育气孔构造[图3（c）]，这应与岩浆含大量挥发分有关。
火山碎屑岩主要包括凝灰岩、层状凝灰岩、晶屑凝灰岩[图3（f）]、熔结角砾凝灰岩、火山角砾岩和含角砾的火山集块岩[图3（b）]等。鉴于其种类较多，在此仅选择矿区内分布最为广泛的晶屑凝灰岩进行描述。晶屑凝灰岩呈浅灰—灰绿色，具火山凝灰结构和块状构造，主要由少量岩屑、晶屑及隐晶质/玻璃质组成。其中岩屑成分主要为灰黑色凝灰岩，呈不规则状杂乱分布，粒度为（0.01×0.03）～（0.30×0.50）mm，体积分数少于5%；晶屑成分主要为斜长石，呈不规则状杂乱分布，粒度为（0.02×0.05）～（1.00×2.00）mm，体积分数为15%～25%；隐晶质/玻璃质成分为灰黑色致密火山尘[图3（f）、（l）]。矿区内靠近铁矿体的晶屑凝灰岩中发育有不同类型的蚀变作用，表现为绿帘石化、绿泥石化、阳起石化、电气石化和碳酸盐化等。
图3 火山岩照片及显微图像
Fig.3 Photos and Microphotographs of Volcanic Rocks
3 分析方法
在对西天山备战铁矿大哈拉军山组火山岩样品进行详细的手标本以及偏光显微镜观察之后，挑选了遭受蚀变相对较弱的玄武质/玄武安山质火山熔岩样品进行清洗、粉碎、缩分，用玛瑙研钵将其研磨至0.071 mm（200目）以下的粉末备用，然后对其进行主量元素与微量元素化学成分分析。主量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室用X射线荧光光谱仪分析，XRF熔片法按国家标准GB/T 14506.28—1993执行。微量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用美国Thermo-X7电感耦合等离子体质谱仪测定，仪器工作参数包括：功率为1 200 W，雾化气体流速为0.64 L·min-1，辅助气体流速为 0.80 L·min-1，等离子体冷却气体流速为 13 L·min-1；化学分析所用试剂硝酸和氢氟酸均为由优级纯酸经亚沸蒸馏装置制得的高纯试剂，水为Millipore制得的18 mW高纯水。
火山岩锆石U-Pb同位素测试在中国冶金地质总局山东局测试中心采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICPMS）完成，用于分析测试的样品采自备战铁矿区赋矿的玄武安山岩。测试中采用He作为剥蚀物质的载气，用NIST SRM 610进行仪器最佳化，采用标准锆石91500外部校正法进行锆石原位U-Pb分析，采样方式为单点剥蚀。激光束斑直径为30 μm，频率为10 Hz。ICP-MS数据采集选用一个峰采集一点的跳峰方式，每完成4、5个样品分析点测一次标样，在所测锆石样品15～20个点前后各测2次NIST SRM 610，并以29Si做内标测定锆石中U、 Th和Pb含量（质量分数，下同）。锆石同位素比值及元素含量的数据处理采用GLITTER 4.0程序。样品的加权平均年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT 2.49程序。204Pb记数较低，未对普通铅进行任何校正。所有测试点的同位素比值误差类型均为1σ，最终采用的年龄为n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值，其误差为2σ。
火山岩Sr、Nd同位素分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学重点实验室完成（测点号分别为H-009-3、H-009-7、H-007-1、H- Ⅰ -2、H- Ⅱ -2）。Sr、Nd同位素分析样品用HF+HNO3混合酸溶解，应用阳离子交换技术进行分离。同位素比值测定在MicroMass ISO PROBE型多接收电感耦合等离子质谱仪上进行；Sr同位素按照国际标准NBS987及实验室标准Sr-GIG进行监控，N（87Sr）/N（86Sr）值用0.119 4进行标准化；Nd同位素按照国际标准JNdi-1及实验室标准Nd-GIG进行监控，N（143Nd）/N（144Nd）值用0.721 9进行标准化；Sr、Nd同位素分析精度好于0.002%。
4 结果分析
4.1 主量元素地球化学
备战铁矿大哈拉军山组火山岩样品主量元素分析结果见表1。火山岩样品分类见TAS图解（图4）。
表1 火山岩主量元素分析结果
Tab.1 Analysis Results of Major Elements of Volcanic Rocks
注：w（·）为元素或化合物含量；wtotal为主量元素总含量。
在TAS图解中，研究区内火山岩样品表现为基性至中性的岩石系列，主要由玄武岩、粗面玄武岩、玄武安山岩、玄武粗面安山岩、粗面安山岩等组成[图4（a）]。考虑到K、Na等较活泼的碱金属元素在蚀变过程中可能会对岩石产生影响，岩石中的Al、Ti、Nb、Zr、Y等元素活动性弱，可反映蚀变岩石的某些原岩性质，因此，利用0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y图解做进一步的判别[图4（b）]。从图4（b）可以看出，所有样品均落入亚碱性玄武岩及玄武安山岩范围内，说明本区火山岩总体上可能属于亚碱性系列。在AFM图解[图5（a）]中，火山岩样品投点均落于钙碱性系列区域，说明样品均具钙碱性系列演化趋势。钙碱性系列玄武岩中的部分样品属于高铝玄武岩（w（Al2O3）>17%），高铝玄武岩多分布在造山带、岛弧或活动大陆边缘[10]。
图（a）底图引自文献[57]；界线引自文献[58]；图（b）引自文献[59]
图4 火山岩TAS图解及0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y图解
Fig.4 Diagrams of TAS and 0.000 1Zr/TiO2-Nb/Y for Volcanic Rocks
图（a）引自文献[58]；图（b）引自文献[56]
图5 火山岩AFM图解及K2O-SiO2图解
Fig.5 Diagrams of AFM and K2O-SiO2 for Volcanic Rocks
在Peccerillo等提出的K2O-SiO2图解[56]中，样品多属中高钾钙碱性系列以及橄榄玄粗岩系列[图5（b）]。属于橄榄玄粗岩系列（或称钾玄岩系列、橄榄安粗岩系列等）的火山岩样品在TAS图解中主要落于碱性玄武岩系列范围内，在AFM图解中则位于钙碱性系列范围内，总体属于钙碱性系列。在K2O-SiO2图解中，其相当于玄武岩SiO2含量的岩石，K2O含量随SiO2含量的增加而呈陡正斜率上升，这和岩浆在高压岩浆房内的辉石结晶分异有关[56]。在一般情况下，橄榄玄粗岩系与钙碱性岩套密切伴生[60]，在AFM图上的投影也更清晰地表明橄榄玄粗岩系列与钙碱性岩的这种亲缘关系。
4.2 稀土元素及微量元素地球化学
备战铁矿火山岩稀土元素及微量元素分析结果见表2。火山岩稀土元素总含量为（66.92～185.50）×10-6，样品轻、重稀土元素之间的分馏程度较强（w（La）N/w（Yb）N=1.57～12.24，平均值为5.93），轻稀土元素内部分馏程度较强（w（La）N/w（Sm）N=1.26～3.39，平均值为2.37），重稀土元素内部分馏程度中等（w（Gd）N/w（Yb）N=1.32～3.11，平均值为1.90）。从球粒陨石标准化稀土元素配分模式可以看出，备战铁矿火山岩样品稀土元素配分模式应属轻稀土元素（LREE）富集型[图6（a）]。
绝大多数火山岩样品无明显Ce负异常（δ（Ce）=0.89～1.15，平均值为0.98），说明其形成时应处于低氧或缺氧的还原环境[61]。除1件火山岩样品（H-009-6）Eu异常大于1之外，其余火山岩样品均具有Eu负异常（δ（Eu）=0.46～1.02，平均值为0.85）。这是因为当岩浆体系处于还原环境时， Eu主要以Eu2+的形式存在。这时，Eu2+会因其碱性度与REE3+整体差别太大而分离。由于斜长石对Eu的分配系数远大于其他稀土元素，在岩浆分离结晶过程中斜长石的分离结晶会使得岩浆产生Eu负异常[62]。
从原始地幔标准化微量元素蛛网图可以看出，大多数火山岩样品表现出了相似的配分模式，曲线形态基本一致[图6（b）]。绝大多数火山岩样品大
表2 火山岩微量元素及稀土元素分析结果
Tab.2 Analysis Results of Trace and Rare Earth Elements of Volcanic Rocks
注：wREE为稀土元素总含量；w（·）N为元素含量球粒陨石标准化后的值；δ（·）为元素异常。
ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；图中线条对应不同样品；球粒陨石标准化值和
原始地幔标准化值引自文献[61]
图6 火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式及原始地幔标准化微量元素蛛网图
Fig.6 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of Volcanic Rocks
离子亲石元素（Rb、Th、U、K）有不同程度富集，而高场强元素（Nb、Ta和Ti）及Ba则有明显亏损。其中 Nb、Ta 等高场强元素的亏损表明其岩浆可能来自于俯冲带之上熔融的地幔楔[63]， Rb、Th、U、K等大离子亲石元素的相对富集则可能是俯冲板片发生脱水产生比较富集大离子亲石元素的流体交代上覆地幔楔所致，Ba作为一种地球化学性质较为活泼的元素，其亏损可能是由于后期蚀变作用引起的。
4.3 锆石U-Pb同位素年代学
备战铁矿火山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年分析结果见表3。样品所分选出来的锆石部分颗粒因破碎过细而不完整，但绝大多数颗粒呈自形―半自形柱状、四方双锥状及复四方双锥状，无色透明，粒径为40～200 μm。样品的阴极发光（CL）图像显示锆石颜色比较均匀，具有明显且典型的、平直对称生长的多层同心韵律环带（图7）。本样品19个测点均位于锆石岩浆环带部位。在19个测点中，锆石Th含量为（52.56～298.50）×10-6之间，U含量为（114.04～423.84）×10-6。w（Th）/w（U）值为0.46～0.93，且U、Th含量之间呈现出比较良好的线性关系，这些锆石均属典型的岩浆锆石。
样品19个测点均为有效数据点。从测定结果可以看出，19个数据点的U-Pb年龄较为集中，都投影在n（207Pb）/n（235U）-n（206Pb）/n（238U）谐和曲线上或其附近，表明这些锆石颗粒在形成后的U-Pb同位素体系基本封闭，无U或Pb同位素的明显加入或丢失。n（206Pb）/n（238U）年龄介于318.0～323.3 Ma之间，n（206Pb）/n（238U）和n（207Pb）/n（235U）谐和性较好，得出的n（206Pb）/n（238U）加权平均年龄为（320.6±2.2）Ma，平均标准权重偏差（MSWD）为0.094（19个测点）（图8）。
4.4 Sr、Nd同位素组成
对5件火山岩样品（H-009-3、H-009-7、H-007-1、H-Ⅰ-2、H-Ⅱ-2）进行Sr-Nd同位素测试，分析结果见表4。本研究中获得备战铁矿大哈拉军山组火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，利用此值对研究区火山岩Sr-Nd同位素参数进行计算。Sr、Nd同位素分析数据显示：研究区火山岩初始N（87Sr）/N（86Sr）值介于0.704 7～0.706 8之间，表现为富集型；εNd （t）值介于0.73～4.33之间，表现为亏损型。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解中，火山岩样品投点均落于第一象限内的Lesser Antilles岛及其附近（图9）。数据点向右下方偏离地幔系列且数据点排列斜率低于地幔系列的斜率；εNd（t）值与初始N（87Sr）/N（86Sr）值之间呈现明显的负相关关系，这是由蚀变洋壳及其上覆的陆源沉积物之间的混合作用引起的[64]。
5 讨 论
5.1 成岩时代
李大鹏等对备战铁矿区大哈拉军山组火山岩以及矿区南部穿插于该组火山岩中的花岗岩进行过年代学研究工作[29，54-55]。本研究获得备战铁矿区大哈拉军山组火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，表明该地区大哈拉军山组火山岩的形成时代为早石炭世末期。茹艳娇研究表明，大哈拉军山组火
表3 火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果
Tab.3 Analysis Results of LA-ICP-MS Zircon U-Pb Dating for Volcanic Rocks
注：n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量。
图7 火山岩锆石阴极发光图像
Fig.7 CL Images of the Zircons of Volcanic Rocks
图8 火山岩锆石U-Pb年龄谐和曲线及年龄分布
Fig.8 Zircon U-Pb Concordia Diagram and Distribution of Ages of Volcanic Rocks
山岩形成时间总体上具有自伊犁地块西部向东部逐渐变年轻的趋势[30] ；年龄（320.6±2.2）Ma的获得与此认识具有一致性（图10）。
5.2 构造环境分析
针对大哈拉军山组火山岩的形成环境，现今仍有不同认识。区域地质资料及前人研究成果表明，处在新疆西天山腹地的伊犁地块具有成熟度较高的前寒武纪结晶基底[25，29，32，37-38]，且北天山洋盆在晚泥盆世—早石炭世期间向伊犁地块之下俯冲消减，中天山北缘断裂附近出露的一系列蛇绿混杂岩即是
表4 火山岩Sr-Nd同位素分析结果
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，下标i表示初始比值，下标CHUR表示球粒陨石均一源与样品同时的比值，N（·）/N（·）为同一元素同位素比值，N（·）为该元素的原子丰度；εNd（t）为年龄t对应的εNd值；εSr（t）为年龄t对应的εSr值；计算备战铁矿火山岩初始N（87Sr）/N（86Sr）值及εNd （t）值使用年龄320.6 Ma进行计算。
证据[16，26，29，34，37，65-67]。鉴于研究区地处伊犁盆地东缘，其火山岩锆石U-Pb年龄为（320.6±2.2）Ma，该地区大哈拉军山组火山岩的形成极有可能与晚泥盆世―早石炭世期间北天山洋盆向伊犁地块之下俯冲有关。
结合岩石组合分析，在伊犁地块阿吾拉勒地区广泛分布的大哈拉军山组火山岩主要由玄武岩、玄武安山岩、安山岩、粗面安山岩、粗面英安岩、流纹岩等熔岩及相应的火山碎屑岩组成[30]，岩石化学系列多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列[25]。Innocenti等认为钙碱性火山岩-高钾钙碱性火山岩-橄榄玄粗岩系组合是造山带火山岩特有的—种组合[68]。橄榄玄粗岩系列火山岩主要产于岛弧、活动大陆边缘或者板内伸展构造环境[32，69]。作为造山带中重要的火成岩系列，高钾钙碱性火山岩与橄榄玄粗岩系列岩石在空间上常分布在主弧带靠弧后的一侧，在时间上主要出现于整个俯冲作用过程的晚期阶段[60，70]。因此，该岩石组合的出现很可能表明北天山洋向伊犁地块之下的俯冲作用结束于早石炭世末期。
从岩石地球化学方面考虑，研究区内大哈拉军山组火山岩多数样品表现出大离子亲石元素和轻稀土元素不同程度富集及高场强元素明显亏损的地球
MORB为洋中脊玄武岩；图件引自文献[71]
图9 火山岩εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解
Fig.9 Diagram of εNd（t）-initial N（87Sr）/N（86Sr） of
Volcanic Rocks
化学特征，具岛弧火山岩的特征，表明其形成与大洋板块的俯冲作用有关[43，61]。
底图引自文献[30]和[31]
图10 西天山大哈拉军山组火山岩形成年龄分布
Fig.10 Age Distribution of the Volcanic Rocks of Dahalajunshan Formation in West Tianshan
另外，样品的Wright碱度率（A.R）为1.01～2.12，平均值为1.59，而A.R值小于3.9的火山岩多见于岛弧或者活动大陆边缘这一构造环境[27]。Hf/3-Th-Ta、Th/Yb-Nb/Yb、Y/15-La/10-Nb/8、log τ-log σ等构造环境判别图解也可以为该观点提供一定佐证（图11）。
在Hf/3-Th-Ta图解[72]中，多数火山岩样品投点集中落于火山弧玄武岩区域，反映其具有岛弧钙碱性火山岩的特征[图11（a）][73]；在log τ-log σ图解中，火山岩样品投点集中分布于造山带及岛弧区，显示研究区内火山岩趋同于岛弧或大陆边缘的形成环境[图11（b）]；在Y/15-La/10-Nb/8图解中，多数火山岩样品投点落于火山弧玄武岩区[图11（c）]；在Th/Yb-Nb/Yb图解中，绝大多数火山岩样品投点落于大陆岛弧火山岩与大洋岛弧火山岩的重叠部分，且明显偏向于大陆岛弧火山岩区域，表明火山岩与大陆弧更具亲缘性[图11（d）]。
上述证据充分表明：备战铁矿区大哈拉军山组火山岩形成于位于俯冲带之上的活动大陆弧环境，其形成应与早石炭世末期北天山洋盆（即准噶尔洋盆）向伊犁地块之下发生的B型俯冲作用有关。
图（a）、（b）中，A为正常型洋中脊玄武岩（N-MORB），B为富集型洋中脊玄武岩和板内拉斑玄武岩，C为板内碱性玄武岩，D为火山弧玄武岩，τ=（w（Al2O3）-w（Na2O））/w（TiO2）；图（c）中，1区为火山弧玄武岩，2区为大陆玄武岩，3区为大洋玄武岩，1A区为钙碱性玄武岩，1C区为火山弧拉斑玄武岩，1B区为1A区与1C区的重叠区域，2A区为大陆玄武岩，2B区为弧后盆地玄武岩，3A区为大陆内裂谷区
的碱性玄武岩，3B区与3C区为富集型洋中脊玄武岩，3D区为正常型洋中脊玄武岩；图（a）引自文献[72]；图（b）引自文献[77]；图（c）引
自文献[78]；图（d）引自文献[79]
图11 火山岩构造环境判别图解
Fig.11 Discrimination Diagrams for Tectonic Settings of Volcanic Rocks
5.3 地壳混染、分离结晶及源区性质
高w（Th）N/w（Nb）N值（远大于1）、w（La）/w（Sm）值（大于4.5）及低w（Nb）/w（La）值（小于1）往往被作为地壳物质混染作用的微量元素指标[74-76]。研究区内火山岩样品的w（Th）N/w（Nb）N值均远大于1，介于1.07～27.70，平均值为6.32；w（La）/w（Sm）值最高可达5.26；w（Nb）/w（La）值介于0.13～0.87，平均值为0.41。另外，火山岩样品具有较高Zr含量（（54.81～283.67）×10-6，平均值为175.47×10-6）、高w（Zr）/w（Y）值（3.10～11.96，平均值为7.01）以及含量较低且含量不稳定的相容元素（Cr、Co、Ni）的特征。以上微量元素特征均表明， 岩浆在演化过程中受到一定程度的地壳物质混染作用。
除了受到地壳物质混染以外，岩浆在演化过程中还存在有结晶分异作用，表现为：除K2O、Na2O含量与SiO2含量之间表现出正相关关系之外，火山岩大部分主量元素（TiO2、TFe2O3、MnO、MgO、CaO、Al2O3、P2O5）含量与SiO2含量在整体上呈现出负相关关系；MgO、TFe2O3含量与SiO2含量具有负相关关系，说明存在橄榄石和铬铁矿的分离结晶作用；CaO、Al2O3含量与SiO2含量呈现出负相关关系， CaO含量与w（CaO）/w（Al2O3）值之间具有极好的正相关关系，表明存在单斜辉石及斜长石的分离结晶作用，因为单斜辉石的晶出可导致岩浆中CaO 含量与w（CaO）/w（Al2O3）值的降低[26]；另外，K2O含量与TiO2含量总体上呈正相关关系，表明岩浆系统里可能没有钛铁矿物的析出（图12）。
图12 火山岩哈克图解
Fig.12 Harker Diagrams of Volcanic Rocks
大陆弧是地幔和洋壳（以及其上的陆源物质）发生物质交换的有利地区。在该环境中可能的岩浆源区主要有3种：①由玄武岩组成，并含少量深海沉积物质的俯冲洋壳；②位于洋壳之上、火山弧之下的地幔楔，其主要由橄榄岩组成；③位于火山弧之下的陆壳[34，80]。地球化学特征显示研究区火山岩富集轻稀土元素及大离子亲石元素，明显亏损高场强元素（如Nb、Ta和Ti），其中Nb、Ta亏损被认为是湿地幔楔部分熔融形成的陆缘弧玄武岩的主要鉴别特征之一[61]。微量元素地球化学特征表明，研究区内火山岩在成因上与受到俯冲带流（熔）体交代的地幔楔部分熔融有关[79]。该交代作用过程可简略概括为：俯冲洋壳上覆沉积物脱水变质产生比较富集大离子亲石元素（如K、Rb、Sr、U、Th及轻稀土元素等）的流体进入处于俯冲带位置之上的地幔楔，然后与其发生交代作用，继而诱发地幔楔中地幔岩的部分熔融形成玄武质岩浆，此过程是地球中K与H2O深循环的重要机制[81]。
值得注意的是，俯冲带流（熔）体对地幔楔的这种交代作用会使岩石圈地幔的Sr、Nd同位素解耦[82]。这是因为相比Nd同位素来说，Sr同位素对流（熔）体交代及地壳混染极为敏感，所以其不能真实反映岩浆源区性质。但是，Nd同位素组成在此过程中受到的影响较小，更能代表源区特征。在εNd（t）-初始N（87Sr）/N（86Sr）图解（图9）中，研究区火山岩样品的高εNd （t）值显示出其亏损的岩浆源区特征，这与汪帮耀等在和备战铁矿区相邻的查岗诺尔铁矿区、智博铁矿区以及尼新塔格铁矿区得出的结论一致[5-6，14]，也说明该地区在早石炭世末期与俯冲带有关的幔源玄武质岩浆通过岛弧最终叠加到大陆地壳上[81]。
综上所述，西天山阿吾拉勒地区备战铁矿区大哈拉军山组火山岩的岩浆源区是由受来自消减残留板片析出流（熔）体交代的地幔楔部分熔融形成。Sr-Nd同位素组成显示出其亏损的岩浆源区特征，且其母岩浆的演化过程中经历有一定程度的结晶分异作用和地壳物质混染作用。
6 结 语
（1）西天山备战铁矿区石炭纪火山岩主要为中基性玄武岩、玄武安山岩及相应的火山碎屑岩。岩石地球化学显示该地区火山岩多属中高钾钙碱性及橄榄玄粗岩系列，火山岩整体上富集轻稀土元素以及大离子亲石元素（如K、Rb、Th等），相对亏损高场强元素（如Nb、Ta、Ti等） 。
（2）锆石U-Pb同位素测年揭示该地区石炭纪火山岩年龄为（320.6±2.2）Ma。区域地质资料及地球化学分析均佐证该地区石炭纪火山岩形成于活动大陆弧环境，且其形成与早石炭世末期北天山洋盆向伊犁地块之下发生B型俯冲作用这一过程有关。
（3）Sr-Nd同位素地球化学特征表明，该地区石炭纪火山岩可能形成于受消减残留板片析出流（熔）体交代的亏损地幔楔的部分熔融作用，其主量元素与微量元素地球化学特征还显示母岩浆在演化过程中经历有结晶分异作用及陆壳物质的混染作用。
野外工作期间得到了新疆地质矿产勘查开发局第三地质大队田敬佺工程师的全力协助，样品分析测试工作由长安大学王柱命、何克老师完成，在此一并表示感谢！
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