2016, Vol. 32
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;
3. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队, 哈密 839000
2. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Science, Beijing 100037, China;
3. No.6 Geological Party, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources, Hami 839000, China
中国天山造山带近东西向横亘于新疆中北部，东起甘新交界，向西延伸至中亚境内，位于中亚造山带的西南缘。传统上，沿乌鲁木齐-库尔勒公路，将天山造山带划分为东部的东天山和西部的西天山。从晚古生代开始，西天山地区经历了一系列复杂的、不同性质的碰撞造山(Windley et al.，1990)和增生造山(Xiao et al.，2009;高俊等，2009)活动，形成了一条受不同性质大陆边缘影响的复杂构造带。西天山独特的构造环境，强烈而频繁的岩浆活动，导致西天山地区出露广泛的与古生代地壳双向增生有关的火山岩，其中以石炭纪大哈拉军山组为代表，研究程度也相对较高(朱永峰等，2005，2006a，b; 龙灵利等，2008; 朱志新等，2011)。近年来，西天山地区自西向东相继发现了一系列赋存在大哈拉军山组火山岩中的高品位铁矿床(图 1; 李凤鸣等，2011)，形成了资源潜力丰富的阿吾拉勒铁铜成矿带(冯金星等，2010)。西天山地区的铁矿储量大、富矿多、富矿比例高、矿化特征显著，对于探索增生造山过程中的富铁矿成矿作用具有非常优越的条件。然而，由于大哈拉军山组分布面积广泛，岩性组成复杂，其大地构造背景仍存在着大陆裂谷或与地幔柱有关的裂谷环境(车自成等，1996; 夏林圻等，2004)、活动大陆边缘或岛弧环境(Zhu et al.，2005; 钱青等，2006; Wang et al.，2007; 孙林华等，2007; 龙灵利等，2008)等争议。另外，大哈拉军山组火山岩持续时间长(从晚泥盆世到晚石炭世)，可能与多期地质事件有关，近年来部分学者建议将大哈拉军山组解体(朱永峰等，2006b; 李永军等，2009)。在此背景下，本文对铁木里克铁矿区的火山岩展开岩相学、岩石地球化学、LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和Hf同位素研究，获得的新数据为探讨铁木里克铁矿区大哈拉军山组火山岩的形成时代、岩浆来源及构造背景，同时为阿吾拉勒铁矿带含矿火山岩的研究提供新的岩石地球化学与年代学资料。
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图 1 西天山构造框架图(据Zhu et al.，2009) Fig. 1 The tectonic sketch map of the western Tianshan(modified after Zhu et al.，2009) |
新疆西天山传统上被划分为北天山、中天山和南天山三个部分(黄汲清等，1980)。经过近些年来的研究工作，Gao et al.(2009)进一步将西天山自北向南划分为：北天山弧增生体、伊犁地块北缘活动陆缘、伊犁地块、伊犁地块南缘活动陆缘、中天山复合弧地体、西天山(高压)增生楔和塔里木北部被动大陆边缘。阿吾拉勒铁矿带处于伊犁地块之内。伊犁地块地处准噶尔板块与塔里木板块之间，自西向东呈楔形尖灭，其南北两侧发育晚古生代缝合带(肖序常等，1992; 何国琦等，1994; Gao et al.，1998; 董连慧等，2010)。伊犁地块与其北部的北天山弧增生体以天山主干断裂为界，与中天山复合弧地体以尼古拉耶夫线为界。伊犁地块内部覆盖有厚层的新生代沉积物，周边出露有各时代的地层。与阿吾拉勒铁矿带成矿关系密切的主要是石炭纪大哈拉军山组、阿克沙克组和伊什基里克组，其中以大哈拉军山组分布范围最广，岩性也最为复杂，主要由玄武岩、玄武粗面安山岩、流纹岩、粗面岩、粗面粗面安山岩及中酸性凝灰岩组成(新疆维吾尔自治区地质矿产开发局，1993)。
西天山地区侵入岩广泛分布，根据时代和岩石组合从北向南可以划分为六个岩石构造带，依次为北天山北缘巴音沟晚古生代侵入岩带、北天山博罗科努-依连哈比尔尕晚古生代侵入岩带、伊犁盆地乌孙山-阿吾拉勒山晚古生代侵入岩带、伊犁盆地乌孙山-阿吾拉勒山晚古生代侵入岩带、那拉提-中天山古生代侵入岩带、南天山晚古生代侵入岩带以及塔里木北缘古生代侵入岩带。结合已有资料，可以大体上恢复出西天山古生代期间几个主要的岩浆侵入活动时期，分别是奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪。早石炭世及其以前的古生代侵入岩呈带状分布于各山系中，主要为一套与洋盆收敛俯冲有关的钙碱性侵入岩，石炭纪及其之后的古生代侵入岩则具有面状分布的特征，主要为一套与同碰撞有关的富铝花岗岩和后造山的富钾花岗岩(朱志新等，2011)。
阿吾拉勒铁铜成矿带构造格局复杂，构造线方向总体为东西向。研究区断裂构造错综复杂，主要为受南北向构造应力所形成的区域性断裂和受火山构造控制的环状断裂以及放射状断裂系。研究区火山机构发育，由西到东分布多个的火山活动中心(陈毓川等，2008)，如铁木里克火山活动中心(控制铁木里克和巴依吐玛等铁矿)、吐尔拱火山活动中心(控制着式可布台等铁矿)、艾肯达坂火山活动中心(控制着智博和查岗诺尔等铁矿)。与火山构造有关的断裂裂隙十分发育，表现为环状及辐射状断裂。
铁木里克铁矿位于阿吾拉勒铁铜成矿带中段，距离新源县城西北约30km，在行政区划上隶属于新源县管辖。大地构造环境上处在阿吾拉勒晚古生代弧后盆地北侧。矿区内岩浆活动强烈，主要出露有石炭纪大哈拉军山组和伊什基里克组火山岩。侵入岩以肉红色的花岗斑岩以及灰黑色的闪长岩和辉长岩为主。矿区断裂构造按展布方向可分为三组，分别是北西向、东西向和北东向三组，以北西向断裂为主。规模较大的断裂主要为呈北西走向的和统哈拉盖断裂和则克台断裂，对铁木里克铁矿体具有控制作用。铁木里克铁矿的赋矿围岩主要是大哈拉军山组的流纹岩、安山岩和粗面安山岩，流纹岩是铁矿的上盘围岩，安山岩和粗面安山岩为铁矿的下盘围岩，上下盘围岩之间未发现直接的接触关系，下盘围岩之间具有较明显的岩性界面，局部地区粗面安山岩呈透镜体包裹在安山岩之中，同时下盘围岩局部含有少量的流纹质凝灰岩。围岩蚀变主要为绿泥石化、绿帘石化以及硅化和碳酸盐化，呈带状分布(图 2)。
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图 2 铁木里克矿区平面地质图 Fig. 2 Geological map of the Tiemulike iron deposit |
本次研究所用的火山岩样品采自矿体围岩露头以及岩芯样品，挑选新鲜的样品进行岩石地球化学分析以及锆石U-Pb测年和Hf同位素的研究。其中流纹岩主要采自矿体上盘围岩，共顺层采集4件样品，每个样品之间间隔为5m；安山岩和粗面安山岩采自矿体下盘围岩，共10件样品，主要沿安山岩与粗面安山岩的接触界线顺层采集，具体样品采集位置见图 2。
安山岩新鲜面呈深灰色或浅灰色，风化面呈灰白色。斑状结构，块状构造。显微镜下斑晶主要为斜长石(25%)，粒径大多在0.1~0.5mm之间；基质为致密隐晶质长石和石英，呈深灰色，含量约为70%；副矿物主要为磁铁矿(4%)和榍石(1%)以及极少量的磷灰石，磁铁矿呈星点状分布，榍石主要沿岩石中的裂隙分布(图 3)。该岩石直接形成矿体的底板围岩。可见呈粗粒半自形碳酸盐类矿物，绿泥石以及长石表面的绢云母化。粗面安山岩颜色为深绿色，斑状结构，具有大的的斜长石斑晶(15%)和正长石斑晶(5%)，斑晶粒径大都在1mm以上，大的可以超过5mm，斜长石斑晶可见明显的聚片双晶，正长石则发育卡式双晶。岩石基质蚀变严重，遭受强烈的绿泥石化和轻微的绢云母化，不呈现明显的粗面结构，岩石节理中有许多方解石脉和片状的镜铁矿脉充填，片状的镜铁矿表面有褐铁矿污染。流纹岩颜色整体呈灰白色，斑状结构，流纹构造，表面发育大量的气孔。斑晶主要为斜长石(10%)和石英(20%)，粒径大小约0.5~1.5mm，基质主要为隐晶质的长石及风化后的粘土矿物组成，镜铁矿分散在基质中，部分镜铁矿发生褐铁矿化呈土黄色。
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图 3 西天山铁木里克矿区火山岩显微岩相特征 (a)粗面安山岩中的斜长石和钾长石斑晶，正交偏光；(b)安山岩中的斜长石斑晶，正交偏光；(c)流纹岩中的黑云母和方解石，正交偏光；(d)辉长岩的辉长结构，正交偏光；(e)流纹岩中的方解石细脉；(f)安山岩钾化脉中的榍石；(g)粗面安山岩中的绿泥石；(h)流纹岩中的绿帘石；(i)粗面安山岩中粗粒半自形的方解石.Pl-斜长石；Kf-钾长石；Mt-磁铁矿；Bi-黑云母；Cal-方解石；Px-辉石；Ttn-榍石；Chl-绿泥石；Ep-绿帘石 Fig. 3 Thin section microphotographs of volcanic rocks from Tiemulike iron deposit，western Tianshan (a)plagioclase phenocrysts in trachyandesite，crossed nicols;(b)plagioclase and K-feldspar phenocrysts in andesite，crossed nicols;(c)biotite and calcite in rhyolite，crossed nicols;(d)gabbro structure in gabbro，crossed nicols;(e)fine veins of calcite in rhyolite;(f)potassic veins with titanite in andesite;(g)chlorite in trachyandesite;(h)epidote in rhyolite;(i)subhedral calcite in trachyandesite. Pl-plagioclase; Kf-K-feldspar; Mt-magnetite; Bi-biotite; Cal-calcite; Px-pyroxene; Ttn-titanite; Chl-chlorite; Ep-epidote |
火山岩样品的主量元素、微量元素以及稀土元素分析、测试在中国地质科学院国家测试中心完成。将样品无污染粉碎至200目，主量元素SiO2、Al32O、TFe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、TiO2、MnO、P52O等采用X射线荧光法(XRF)在X荧光光谱仪(3080E)上测定，FeO采用滴定法分析，LOI为高温加热后重量和灼烧后重量之差。微量元素和稀土元素利用电感耦合等立体质谱法(ICP-MS)在离子质谱仪(X-series)上测试完成。分析结果见表 1。
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表 1 铁木里克铁矿区火山岩全岩主量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10-6)地球化学分析数据 Table 1 Major element(wt%)and trace element(×10-6)compositions of the volcanic rocks in Tiemulike iron deposit |
火山岩样品经破碎后，采用常规重力和磁选方法分选区锆石，在双目镜下挑选锆石制靶用于U-Pb测年。在进行U-Pb同位素分析前，首先对锆石进行透射光和反射光显微照相以及阴极发光图像分析观察锆石结构，以便选取适宜的测试点位及进行合理的数据解释。U-Th-Pb同位素分析在中国地质大学(北京)科学研究院LA-ICP-MS实验室完成，所用仪器为连接New Wave 193ss激光剥蚀系统的Agilent 7500a型质谱仪。激光剥蚀束斑直径为36μm，可控激光能量8.5J/cm2，采集时间为45s，以He为载气，流量为0.8L/min。激光剥蚀方式为单点方式，激光器工作频率为10Hz。电感耦合等离子体质谱仪的冷却气为氮气，流量为15L/min，辅助器为氩气，流量为1.15L/min。年龄计算以标准锆石91500(Wiedenbeck et al.，1995)为外标进行同位素比值分馏校正，TEMORA标样(417Ma)和Qinghu标样(160Ma)作为整个测试和计算过程的标样。同位素比值和元素含量的计算采用Glitter(ver.4.4)软件。利用ISOPLOT程序(Ludwig et al.，2001)获得协和年龄和图解。分析结果见表 2。
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表 2 铁木里克铁矿床火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data of volcanic rocks from Tiemulike iron deposit |
锆石Hf同位素在中国地质科学院矿产资源研究所LA-ICP-MS实验室Neptune多接收等离子体质谱和Newwave UP123紫外激光剥蚀系统(LA-ICP-MS)上进行的。在已经完成测年实验，并且年龄数据协和有效的锆石上的其他部分进行对应的Hf同位素分析。实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，剥蚀直径采用55μm，测定时使用锆石国际标样GJ1作为参考物质，分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2007)。分析过程中锆石标准GJ1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282015±28(2SD，n=10)，与文献报道值(侯可军等，2007)在误差范围内完全一致。分析结果见表 3。
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表 3 铁木里克铁矿床MC-LA-ICP-MS Lu-Hf同位素分析结果 Table 3 MC-LA-ICP-MS Lu-Hf isotopic analysis data of Tiemulike iron deposit |
根据火山岩的Zr/TiO2-Nb/Y微量元素分类图解(图 4a)，矿区内的火山岩主要是流纹岩，安山岩和粗面安山岩，显示为酸性-中性的连续岩石系列。在Ta/Yb-Th/Yb分类图解中(图 4b)，多数样品落在钙碱性系列，极个别安山岩样品落在钾玄岩系列。铁木里克火山岩Al2O3含量介于8.42%~16.23%，火山岩全碱含量(Na2O+K2O)较高，介于3.05%~8.23%。TiO2含量介于0.26%~0.53%，整体含量较低。其中流纹岩中的SiO2含量主要在72.09%~74.13%，Al2O3含量介于12.10%~12.55%，TiO2含量介于0.26%~0.30%，全碱含量(Na2O+K2O)为6.02%~6.74%。安山岩中的SiO2含量主要在66.18%~67.36%，Al2O3含量介于8.42%~15.11%，TiO2含量介于0.26%~0.37%，全碱含量(Na2O+K2O)为3.05%~7.85%。粗面安山岩中SiO2含量主要在57.45%~59.84%，Al2O3含量介于10.79%~16.23%，TiO2含量介于0.32%~0.53%，全碱含量(Na2O+K2O)为4.38%~8.67%。在哈克图解中(图 5)，大部分主量元素(如TiO2、MnO、MgO、FeO、P2O5、Al2O3)与SiO2含量整体呈负相关性，表明这些岩石可能由同一母岩浆结晶分异演化形成，经历了角闪石、黑云母、榍石、斜长石、磷灰石等矿物的分离结晶；K2O和Na2O由于在后期蚀变过程中的活动性(Large et al.，2001)，其含量与SiO2的相关性并不明显。
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图 4 Zr/TiO2-Nb/Y图解(a，底图据Winchester and Floyd，1977; Pearce，1996修改)和Th/Yb-Ta/Yb图解(b，底图据Pearce，1982) Fig. 4 Zr/TiO2 vs.b/Y(a，after Winchester and Floyd，1977; Pearce，1996)and Th/Yb vs. Ta/Yb plot(b，after Pearce，1982) |
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图 5 火山岩哈克图解 Fig. 5 Harker diagrams of volcanic rocks |
在原始地幔微量元素标准化蛛网图(图 6a)上，不同岩性火山岩样品表现出类似的配分模式，均不同程度的富集大离子亲石元素(LILE；如K、Rb、Th)而明显亏损高场强元素(HFSE；如Nb、Ta、Ti)，与岛弧火山岩的地球化学特征类似(Pearce，1983)。各类岩石明显具有Sr的亏损，表明岩浆可能经历过长石的分离结晶。此外，与典型的岛弧火山岩富集Ba的特征不同，部分岩石出现Ba的亏损，Rottura et al.(1998)认为Ba相对于Rb，Th亏损是后碰撞伸展岩浆活动的标志之一。
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图 6 铁木里克矿区火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分图(b)(标准化值据Sun and McDonough，1989) Fig. 6 Primitive-mantle-normalized spider diagrams(a)and chondrite-normalized REE patterns(b)of volcanic rocks in Tiemulike iron deposit(normalization values after Sun and McDonough，1989) |
铁木里克铁矿区流纹岩稀土含量较高，粗面安山岩以及安山岩稀土元素含量较低，稀土元素总量差异较大(表 1)。在球粒陨石标准化的图解中(图 6b)，只有流纹岩出现较弱的轻稀土分馏，其它样品没有出现明显的轻重稀土元素分馏。轻稀土内部分异较明显，(La/Sm)N比值为0.88~4.76，重稀土元素内部元素分异较弱，(Gd/Yb)N比值为0.37~1.31，配分曲线较平坦。除了个别粗面安山岩具有弱的Eu的正异常外，其它不同岩性的火山岩具有负Eu异常。值得注意的是，由于安山岩以及流纹岩样品中出现绿帘石以及褐帘石等富集轻稀土元素的矿物，可能导致轻稀土元素进入到这些矿物中，造成岩石中的轻稀土亏损，同时大部分俯冲的低钾榴辉岩以及或许石榴石橄榄岩过于亏损不相容元素(U、Th、Rb、Ba、Sr、LREE)，产生不出安山岩中这些元素的标准含量(Gill，1974; Lopez-Escobar et al.，1977)。
4.3 测年结果 4.3.1 安山岩采自铁木里克铁矿区的安山岩样品中的锆石粒径约50~150μm，以自形粒状为主，少数呈短柱状。在阴极发光图像中(图 7a)，锆石具有环带结构，受成矿热液改造发生弱变质，Th/U比值介于0.50~1.05，具有岩浆锆石的特点(Rubatto，2002)，U、Th含量分别为115.0×10-6~399.1×10-6，61.29×10-6~354.2×10-6，17个点的206Pb/238U的年龄值介于310±5Ma~327±5Ma，加权平均结果为320.8±2.5Ma(MSWD=0.28)(图 8a)，该年龄代表了安山岩形成的年代；值得注意的是，该样品中有10个特殊点，其中5个加权平均年龄为346.1±5.4Ma，可能代表了区域上早期岩浆活动的年龄，另外5个加权平均值为306.5±4.8Ma，可能代表了后期岩浆条件下锆石生长的年龄。
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图 7 安山岩(a)、粗面安山岩(b)和流纹岩(c)锆石阴极发光(CL)图像及测试位置 Fig. 7 Cathodoluminescence(CL)images of selected zircons from andesite(a)，trachyandesite(b)and rhyolite(c) |
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图 8 铁木里克铁矿区火山岩锆石U-Pb年龄(a、c、e)及锆石稀土元素配分图(b、d、f) (a、b)样品TM05：安山岩；(c、d)样品TM06：粗面安山岩；(e、f)样品TM12：流纹岩 Fig. 8 Concordia diagram of U-Pb zircon analytical results(a，c，e)and chondrite-normalized REE patterns in zircon(b，d，f)for volcanic rocks from Tiemulike iron deposit (a，b)Sample TM05: andesite;(c，d)Sample TM06: trachyandesite;(e，f)Sample TM12: rhyolite |
粗面安山岩样品中的锆石粒径约100~180μm，以自形粒状为主。在阴极发光图像中(图 7b)，锆石大多数具有环带结构，少量受成矿热液改造发生弱变质，U、Th平均含量分别为117.8×10-6~438.6×10-6，65.10×10-6~544.6×10-6，Th/U比值介于0.52~1.29，具有岩浆锆石的特点。粗面安山岩锆石U-Pb测年结果(图 8c)：23个点的206Pb/238U的年龄值介于312±5Ma~332±7Ma，加权平均结果为318.8±2.3Ma(MSWD=0.41)，该年龄代表了粗面安山岩形成的年代；与安山岩结果类似，粗面安山岩中也有6个特殊点的加权平均值为307.0±4.5Ma，推测其可能分别代表了与晚期岩浆活动有关的锆石年龄。
4.3.3 流纹岩流纹岩样品中的锆石粒径约50~150μm，以自形粒状为主，少数呈短柱状。在阴极发光图像中(图 7c)，锆石颜色明暗不均一，可能有部分锆石受到成矿热液的改造发生轻微蚀变，透射光下锆石中含有大量的包裹体以及矿物子晶也指示锆石可能后期受到成矿热液的影响，但是锆石中的稀土元素配分模式表明锆石依旧是岩浆锆石。锆石中的U、Th含量分别为84.76×10-6~178.0×10-6，50.09×10-6~166.7×10-6，Th/U比值介于0.54~0.94。流纹岩锆石U-Pb测年结果(图 8e)：13个点的206Pb/238U的年龄值介于305±6Ma~324±7Ma，加权平均结果为319.1±3.5Ma(MSWD=0.31)，该年龄代表了流纹岩形成的年代；与粗面安山岩、安山岩结果类似，该样品中也出现了340Ma以及305Ma左右的年龄，暗示区域上岩浆的喷发具有多旋回、多期次的特点。
4.4 锆石Hf同位素数据对经过了锆石U-Pb定年的测点，对应位置又进行了Lu-Hf同位素测试，所选的锆石点为加权平均年龄为320Ma左右的颗粒较大的锆石，结果如表 3所示。流纹岩测试了13个点，安山岩测试了17个点，粗面安山岩进行了23个点的Lu-Hf同位素测试。流纹岩、安山岩以及粗面安山岩中的εHf(t)的值分布都较为集中，流纹岩中的εHf(t)在+6.2~+12.0之间，对应的tDM2为566~933Ma，其中两个特殊点由于锆石被打穿，所以所得的测试结果与整体差别较大；安山岩中的εHf(t)在+9.6~+11.6之间，对应的tDM2为589~723Ma；粗面安山岩中的εHf(t)在+7.6~+11.9之间，对应的tDM2为574~845Ma(图 9)。
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图 9 铁木里克铁矿区火山岩εHf(t)-t图解(a)和176Hf/177Hf-t图解(b) Fig. 9 εHf(t)vs. t diagram(a)and 176Hf/177Hf vs. t diagram(b)for volcanic rocks in Tiemulike iron deposit |
岩石地球化学数据表明，铁木里克铁矿区火山岩普遍富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土富集(LREE)，亏损高场强元素(HFSE)和重稀土元素(HREE)，总体接近于岛弧火山岩的特征。根据中性岩大地构造判别图解(图 10)，本文火山岩主要落入火山弧环境。在花岗岩类大地构造判别图解中(图 11)，铁木里克中性火山岩主要落入火山弧环境，酸性样品落入火山弧与洋脊火山岩的过渡区域。铁木里克铁矿区的火山岩主要为钙碱性-钾玄岩系列，Meschede(1986)认为这种富钾的火山岩主要出现在俯冲作用的晚期阶段或者是出现在构造体系由俯冲转向碰撞后的伸展阶段(Hawkesworth et al.，1995; Liégeois et al.，1998; Duggen et al.，2005)。近年来，罗勇等(2009)报道西天山东部存在石炭纪富钾火山岩，暗示可能存在构造体系由挤压向伸展的转变。上述分析表明，铁木里克铁矿区发育的石炭纪火山岩可能形成于岛弧俯冲作用的晚期，局部地区可能存在碰撞后的岩浆喷发。许多研究显示，石炭纪火山岩的形成与古南天山洋在晚泥盆世到石炭纪的闭合密切相关(夏林圻等，2002)，虽然火山岩主要分布在伊犁地块两侧，但是由于区域上出露大面积的中性岩以及火山岩主要属于钙碱性系列，因此不可能与裂谷环境有关(车自成等，1996)，事实上西天山地区直到二叠纪才出现与裂谷环境有关的双峰式火山岩；另外依据基性火山熔岩的正εNd值和分布面积较广的特征，最近有人推测大哈拉军山组火山岩可能是古地幔柱的组成部分(夏林圻等，2004)，但是区域上未见到典型的与大火成岩省有关的岩石组合，而且火山岩的分布范围也较小，因此与地幔柱活动形成的裂谷有关的火山岩成因模式也仅仅可能是一种假说。
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图 10 中性岩大地构造判别图解(据Müller and Groves，1997) Fig. 10 Tectonic discrimination diagrams for intermediate rocks(modified after Müller and Groves，1997) |
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图 11 花岗岩类构造环境判别图解(据Pearce et al.，1984) Fig. 11 Tectonic discrimination diagrams for granitoids rocks(modified after Pearce et al.，1984) |
根据测年结果，从西往东，大哈拉军山组火山岩呈现出变年轻的趋势(Zhu et al.，2005，2009; 朱永峰等，2005; 翟伟等，2006; 安芳和朱永峰，2008; 蒋宗胜等，2012; 段士刚等，2014)，而成矿作用与成岩作用密切相关，相关的研究也表明成矿作用也显示出逐渐变新的趋势。本文测得的中酸性火山岩的锆石U-Pb年龄约为320Ma，与朱永峰等(2005)在新源县城南测得的中酸性火山岩的SHRIMP年龄较为接近，可能是同期岩浆作用的产物。朱永峰(2006a)在新源城南石炭纪火山岩Sr-Nd同位素研究发现，新源地区大哈拉军山组火山岩岩浆源区在时间-空间上显示出一定的变化趋势，结合区域地质资料，西天山地区从早石炭世到晚石炭世，构造体制从俯冲体制向碰撞后环境转变(赵振华等，2003; Zhao et al.，2008)。进入二叠纪以后，天山地区广泛发育双峰式火山岩组合，标志着转入裂谷式构造环境(舒良树等，2005)。综上所述，本文认为矿区内产出的320Ma左右的富钾中酸性火山岩可能属于俯冲过程中大陆岛弧岩浆作用的产物，在比较漫长的岛弧演化过程中，来自俯冲带中的俯冲洋壳及上覆沉积物发生脱水熔融形成熔体交代地幔楔，使其发生部分熔融形成富镁的安山质母岩浆，酸性岩石在母岩浆在上升侵位过程中通过岩浆结晶分异作用而形成，可能与上地壳物质发生了低程度的混染。
5.2 岩浆源区性质探讨在岛弧环境中，岩浆源区可能包含多种物质来源，其中最主要的可能包括以下几种：(1)地幔楔中的橄榄岩；(2)俯冲带中的流体；(3)俯冲板片部分熔融形成的熔体；(4)大陆地壳物质(包括洋底沉积物)的同化混染(Bédard，1999; MacDonald et al.，2000; Hawkesworth et al.，1997; Elburg et al.，2002; Zhu et al.，2009)。根据微量元素地球化学数据，铁木里克铁矿区出露的火山岩具有低Sr/Y比值和高Y含量的地球化学特征，表明不可能与Adakite质闪长岩和流纹岩有关；Zr/Nb比值变化范围较大，从25.10~52.46(岛弧火山岩的Zr/Nb比值一般在10~60之间变化)(Davidson，1996)，表明岩浆源区组成比较复杂。Ba跟Rb是俯冲带流体中非常容易富集的流体，因此Ba/Y和Rb/Y的比值可以反应俯冲带流体对岩浆源区的贡献。在Ba/Y-Nb/Y图解和Rb/Y-Nb/Y图解中(图 12)可以看出，火山岩在形成过程中明显受到岛弧俯冲过程中洋壳和陆缘物质释放的流体的混染。岛弧岩浆一般含俯冲带沉积物，这种组分的存在可以通过Th/Ce的比值识别出来，在Th/Ce-Sr/Th图解(图 13)中可以看出，铁木里克铁矿床火山岩的Th/Ce比值明显高于MORB和OIB，甚至远远高于大陆地壳的平均值。洋底沉积物的加入是一种合理的解释，因为洋底沉积物中高度富集Th，而且Ce在热液体系中比Th更容易从体系中迁移出来，从而增加岩浆源区的Th/Ce比值。
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图 12 Ba/Y-Nb/Y图解和Rb/Y-Nb/Y图解(据 Kepezhinskas et al.，1997; Woodhead et al.，1998) Fig. 12 Ba/Y vs. Nb/Y diagram and Rb/Y vs. Nb/Y diagram(modified after Kepezhinskas et al.，1997; Woodhead et al.，1998) |
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图 13 Th/Ce-Sr/Th图解 Fig. 13 Th/Ce vs. Sr/Th diagram |
锆石Hf同位素表明铁木里克铁矿床晚石炭世中酸性火山岩主要来自于早古生代新生陆壳的部分熔融。在岛弧环境下，洋底沉积物在俯冲过程中脱水产生流体，流体的参与使得地幔楔发生部分熔融形成火山岩与铁矿的母岩浆。原始的母岩浆底侵到下地壳，形成新生下地壳，新生下地壳再发生部分熔融，在经历结晶分异和地壳混染作用形成安山质岩浆，沿区域断裂向上运移喷出地表，形成火山喷发中心以及区域内广泛分布的钙碱性火山岩(图 14)。朱永峰等(2006a)通过Sr-Nd同位素对新源地区中酸性火山岩进行研究发现，新源城南火山岩剖面上部的中酸性火山岩具有相对低的εNd(t)值(-0.22~+0.87)和高且变化大的初始87Sr/86Sr值(0.7045~0.7068)，下部玄武岩具有相对高的εNd(t)值且变化范围大的初始87Sr/86Sr值，暗示晚期喷发的中酸性火山岩的岩浆源区可能已经属于岛弧演化的后期阶段，有可能属于碰撞后阶段的岩浆活动。但是在喷发过程中由于洋底沉积物的加入以及地壳物质的混染，以至于随着岩浆的演化火山岩的岩浆源区越来越多的呈现出大陆地壳的性质。进一步的Sr-Nd同位素地球化学显示，新源地区早石炭世玄武质岩石(350Ma)可能是在早期南天山洋闭合过程中俯冲岛弧环境下由二辉橄榄岩经过7%~11%的部分熔融形成的，而同期的中酸性火山岩则是由基性岩浆经过结晶分异过程形成；而晚石炭世(320~310Ma)的岩浆来源可能主要是早古生代新生陆壳的部分熔融(蒋宗胜，2014)，标志着西天山中西部地区构造体制已经发生明显的转变，开始由俯冲-碰撞格局向大陆裂谷转换。
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图 14 (La/Yb)N-SiO2图解和Dy/Yb-SiO2图解(据Sun and McDonough，1989) Fig. 14 (La/Yb)N vs. SiO2 diagram and Dy/Yb vs. SiO2 diagram(modified after Sun and McDonough，1989) |
本文的地球化学资料表明，铁木里克铁矿区火山岩为中性-酸性连续序列，以中酸性火山岩为主。火山岩主要以钙碱性系列为主，富集轻稀土元素(LREE)和大离子亲石元素(LILE；如Rb、Th、K)，亏损重稀土元素(HREE)和高场强元素(HSFE；如Nb、Ta)，整体表现出大陆岛弧火山岩的地球化学特征，代表古南天山洋洋壳向伊犁-中天山板块俯冲所形成的火山岛弧。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得的火山岩年龄在318Ma左右，跟朱永峰等(2005)新源县城南火山岩剖面中的中酸性岩SHRIMP年龄比较接近，并且两者具有一致的地球化学特征，说明二者可能是同一母岩浆演化的产物。锆石Hf同位素显示，铁木里克铁矿出露的火山岩主要来自于早古生代的新生陆壳重熔。综合区域地质资料，认为矿区内出露的318Ma的钙碱性系列火山岩可能属于俯冲过程末期阶段至碰撞后伸展阶段岩浆作用的产物。
致谢 感谢中国地质大学(北京)科学研究院张红雨老师在锆石U-Pb定年实验过程中提供的帮助，感谢苏犁老师在岩石地球化学数据分析和讨论方面给予的宝贵建议；野外工作得到了新疆地矿局第六地质大队领导及铁木里克铁矿项目组成员的大力支持，审稿老师和编辑部老师提出了宝贵的修改意见，极大的提高了文章的质量，表示感谢。
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