摘要
银帮山地区位于东天山阿奇山—雅满苏构造带东部，本文对该区的中酸性火山岩进行研究，以期探讨岩石成因及为东天山地区构造演化提供重要支撑。研究结果表明，银帮山地区以安山岩、英安岩、流纹岩、流纹斑岩以及角砾凝灰岩和晶屑凝灰岩为主，岩石地球化学特征显示火山岩具有高的 SiO2（54.04%～ 82.76%，平均为 68.85%）和 Na2O+K2O（6.07%~10.14%）、贫 MgO（0.15%~3.59%）和 FeOT （0.34%~7.98%）特征，为准铝-弱过铝质（A/CNK=0.69~1.30）的高钾钙碱性系列岩石。岩石具有相对富集轻稀土和大离子亲石元素、亏损重稀土和高场强元素的特征，显示与形成于弧环境下的I型花岗岩类似。同位素特征显示火山岩具有低的Sr同位素初始比值和正的εNd(t) 值，暗示其为地幔岩浆演化后的产物，可能来源于地幔玄武质岩浆。结合前人综合研究认为银帮山地区中酸性岩形成于与俯冲有关的靠近活动大陆边缘的弧前盆地环境。
Abstract
Yinbangshan area is located in the eastern Aqishan-Yamansu tectonic belt of eastern Tianshan, Xinjiang. Intermediate-felsic volcanic rocks in the Yinbangshan area were studied to discuss petrogenesis and to provide evidence for tectonic evolution of eastern Tianshan. The results reveal that Yamansu Formation in Yinbangshan is mainly composed of dacite, rhyolite, rhyolite porphyry, breccia tuff, and crystalline tuff. The geochemical characteristics show that these volcanic rocks have high SiO2 (54.04%-82.76%, 68.85% on average) and Na2O+K2O (6.07%-10.14%), low MgO (0.15%-3.59%) and FeOT (0.34%-8.51%), and belong to high K2O (3.87%-9.98%), metaluminous-peraluminous (A/CNK=0.68-1.30), calc-alkaline series. The volcanic rocks are generally enriched in LREE relative to the HREEs with negative europium anomalies in the chondrite-normalized pattern. They are enriched in large ion lithophile elements and depleted in high field strength elements in the primitive mantle-normalized trace element diagram, indicating similar geochemical characteristics to I-type granitoids. Isotope characteristics indicate that volcanic rocks have low initial Sr isotope ratios and positive εNd(t) values, suggesting that they are products of mantle magma evolution and may have been formed through crystallization differentiation of mantle basaltic magma. We suggest that volcanic rocks from Yinbangshan area were formed in fore-arc basin setting that formed in close to active continental margin island arc in subduction zone.
0 引言
造山带是大陆构造的重要单元，是研究构造环境与地球动力学的天然场所（邓晋福等，2004）。造山带内的中酸性火成岩的成因、演化、来源以及构造环境的研究，长期以来都是造山带形成和演化的前沿研究课题（Jahn et al.，2000；翟明国，2017）。东天山地区作为中亚造山带重要的组成部分，从早古生代到晚古生代经历了复杂的多期地质构造演化过程（Şengör et al.，1993；李锦轶等，2006；Windley et al.，2007；Xiao et al.，2013），其构造单元划分及其板块的裂解、俯冲、碰撞闭合的演化等问题备受关注。阿奇山—雅满苏带位于新疆东天山南缘，带内晚古生代岩浆活动强烈，特别是石炭纪中酸性火成岩广泛发育。尽管前人对该带火成岩已经有过大量的研究，然而对该带岩石所属构造属性存有认识上的不同见解，即带内岩石特征尽管显示出具有弧岩浆岩特征，但其属于岛弧、大陆弧、弧前（后）盆地或裂谷的构造属性仍存有争议（周济元等，2001；王京彬等，2006；徐仕琪等，2011；Luo et al.，2015；Zhang et al.，2016；孙志远等，2018；龙灵利等，2019；Sun et al.，2020）。此外，已有研究大都关注于基性和中性火山岩的研究（陈富文等，2003；侯广顺等，2006； Luo et al.，2015；Sun et al.，2020），而中酸性火山岩的研究相对缺乏。中酸性火成岩作为大陆地壳的重要组成部分，其成因和来源详细记录了陆壳的形成、演化、壳幔相互作用过程等关键信息（吴福元等，2007；Zhang et al.，2021；冷秋锋等，2022）。因此，本文选取东天山阿奇山—雅满苏带东部的银帮山地区中酸性火山岩为研究对象，通过系统的岩相学和岩石地球化学研究，探讨其岩石成因、形成构造环境，为研究东天山地区构造格局和演化提供重要的依据。
1 地质背景
新疆东天山地区位于中亚造山带的南部（图1a），其在古生代经历了复杂的构造-岩浆演化事件 （肖序常等，1992；Windley et al.，2007）。东天山地区从北向南依次分为博格达—哈尔里克构造带、觉罗塔格构造带和中天山地块（图1b）。根据断裂构造及矿床类型展布关系，进一步可以把觉罗塔格构造带划分为吐哈盆地南缘铜矿带（北带）、康古尔金矿带（中带）和阿奇山—雅满苏铁（铜）-银多金属矿带（南带）3 个不同的单元（王京彬等，2006）。阿奇山—雅满苏带向北以雅满苏—苦水断裂为界与康古尔剪切带相邻，向南以阿奇克库都克—沙泉子断裂为界和中天山地块相邻（图1b），是东天山重要的构造-成矿带。带内主要出露石炭纪火山岩地层，主要为一套海相—浅海相火山岩-火山碎屑岩-碳酸盐建造（苏春乾等，2009；李源等，2011；罗婷等， 2012），以及少量二叠纪和第四纪地层。其中石炭纪地层包括下石炭统阿奇山组（C1a）、雅满苏组（C1y）和上石炭统土古土布拉克组（C2tg）、底坎儿组 （C2d）（侯广顺等，2006；李航等，2018）。带内侵入岩体有闪长质岩体和花岗质岩体，包括花岗闪长岩、石英闪长岩、钾长花岗岩岩体等，主要为晚古生代岩体（吴昌志等，2006；周涛发等，2010），部分早中生代岩体（雷如雄等，2013；Zhao et al.，2019a）。
银帮山地区位于阿奇山—雅满苏带东部，区内地层除第四系外，主要为下石炭统雅满苏组，是一套以中性和酸性火山岩为主，夹少量基性火山岩及碳酸盐岩的海相火山岩系。下石炭统雅满苏组第二岩性段主要岩性为灰白色流纹岩、流纹质凝灰岩、灰绿色石英角斑质凝灰岩以及红褐色—黄褐色流纹质凝灰岩夹薄层生物碎屑灰岩。下石炭统雅满苏组第一岩性段主要岩石类型为英安岩、英安质凝灰岩、灰白色流纹岩、石英角斑质凝灰岩、霏细斑岩夹含角砾凝灰岩。
2 岩相学特征
银帮山地区产出的岩性以中酸性火山岩为主，岩石类型主要为安山岩、英安岩、流纹岩、流纹斑岩以及角砾凝灰岩和晶屑凝灰岩。野外地质特征显示英安岩火山岩地层和流纹岩火山岩地层呈整合接触关系（图2a）。
手标本样品显示英安岩呈浅褐色或棕色，块状构造（图2b），可见斑状结构，斑晶主要为石英、斜长石和少量钾长石（图2d）。斜长石斑晶含量 15%～20%，斑晶长条状、短柱状，少量棱角柱状，部分长石边部已被熔蚀，斑晶粒度大小差别较大，100~300 μm，可见聚片双晶和卡-钠复合双晶，消光角 Np^（010）=10°~16°，干涉色一级灰白，部分斜长石碳酸盐化和黏土化（图2d）。钾长石斑晶含量 10%～20%，呈短柱状、正方形状，少量呈长条状，大部分钾长石表面已黏土化，边部部分被熔蚀，晶形被改造，不见聚片双晶和卡-钠复合双晶，干涉色一级灰白—黄白。石英斑晶较小，介于50~200 μm，呈他形粒状，椭圆状，表面干净。基质细粒—微晶质，主要为长英质矿物，基质部分碳酸盐化和黏土化。
流纹岩呈灰白色或浅黄白色，块状构造（图2 c），手标本未见明显斑状，或见少斑结构，斑晶含量 <10%。斑晶为斜长石、石英和钾长石。斜长石短柱状，自形晶较好，粒径200~300 μm（图2e），表面弱碳酸盐化。钾长石自形—半自形，短条状，粒径 100~300 μm，表面有分解物而变浑浊，呈尘土状，干涉色一级灰—灰白，平行消光，可见卡斯巴双晶，负光性，沿斑晶周围有碳酸盐矿物交代（图2f）。基质细粒微晶质，由细小石英和斜长石小颗粒组成霏细结构和显微微晶结构（图2f）。
角砾凝灰岩具有角砾凝灰结构（图2g），角砾为英安质岩石，角砾粒径 1000~3000 μm，含量 80%～85%，角砾棱角被熔蚀呈光滑边（图2g）。角砾斑晶较大的为斜长石斑晶，斑晶长轴粒径约1000 μm，角砾间隙由火山玻璃、细小晶屑和部分石英玻璃填充胶结，角砾间隙矿物可见绿泥石化（图2g）。部分角砾为微小斑晶组成，细小长柱状微晶斜长石杂乱分布，微晶斜长石粒径100~200 μm（图2h）。晶屑凝灰岩呈晶屑凝灰结构（图2i），晶屑主要为斜长石，粒径大小 100~300 μm，晶屑粒度大小比较均一，含量 85%～90%，晶屑间隙胶结物由火山玻璃充填，含量 10%～15%。
图2银帮山地区火山岩野外出露照片（a）、手标本照片（b~c）及显微照片（d~i）
Pl—斜长石；Qtz—石英；Kfs—钾长石；Chl—绿泥石
3 分析测试方法
挑选新鲜的样品用于主量、微量和 Sr-Nd 同位素分析，分析和测试工作均由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。主量元素在分析过程中，首先称取样品加入到适量硼酸中，然后高温熔融成玻璃片，最后在 Axios mAX 型荧光光谱仪 （XRF）上测定氧化物含量，分析精度优于5%。部分样品Total数据未达到99%，可能由于样品采集于矿区周围，受到少量蚀变所致。微量元素分析使用 Finnigan MAT Element I 型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）完成，分析精度小于 3%，参照 DZ/T 0223-2001 电感耦合等离子体质谱方法通则，测试环境为温度 20 °C，湿度 30%。岩石 Rb、Sr、Sm、Nd 同位素测试仪器为热电离质谱仪（TIMS），仪器型号为 ISOPROBE-T。所有样品的87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd 同位素比值统一采用86Sr/88Sr = 0.1194 和146Nd/144Nd = 0.7219 进行标准化校正（Depaolo，1988）。详细的Sr-Nd 同位素分析流程见Niu et al.（2012）。
4 结果
4.1 主量元素
银帮山地区火山岩主量元素分析结果见表1，火山岩的 SiO2 含量为 54.02%~82.76%，平均为 68.85%；MgO 含量为 0.15%~3.59%；Mg# 值为 10.58~55.37，平均为 29.45；FeOT含量变化较大，为 0.34%~7.98%；Al2O3含量变化较大，介于 8.35%~18.04%，平均为 13.69%。 K2O 含量为 4.29%~9.98%，平均为 7.02%。CaO 含量为 0.06%~2.96%，平均为 1.03%。在 Nb/Y-Zr/Ti 图解中，火山岩样品几乎均落在亚碱性的英安岩和流纹岩区域（图3a），属于中酸性岩石。Al2O3饱和度（A/CNK）变化较大，为 0.69~1.30，属于准铝质 — 过铝质岩石（图3b）。全碱含量 （Na2O+K2O）较高，介于 6.07%~10.14%，K2O/Na2O 变化较大，为 1.09~79.35，平均为 30.25，属富钾质岩石，在 SiO2-K2O 图中，为钾玄岩石系列（图3c）。 AFM 图解中，岩石明显有趋向于富集 Na2O+K2O 的变化，在图中属于钙碱性系列岩石（图3d）。
图3银帮山地区火山岩Nb/Y-Zr/Ti图解（a，据Cox et al.，1979修改）、A/CNK-A/NK图解（b，据Maniar and Piccoli，1989修改）、SiO2-K2O图解（c，据Ringwood，1975修改）和AFM图解（d，Irvine and Baragar，1971）
4.2 稀土和微量元素
银帮山地区火山岩稀土和微量元素分析结果见表1，火山岩稀土元素总量（∑REE）变化较大，介于 30.19×10-6~202.04×10-6，平均为107.16×10-6；LREE值为23.21×10-6～176.23×10-6，平均为90.64×10-6，HREE 值为 5.55～30.94，平均为 16.51，（LREE/HREE）N 为 3.33~9.31，平均为 5.49。结果表明火山岩具有少的稀土元素总量、较高的LREE/HREE比值以及明显的负铕异常。在稀土元素球粒陨石标准化配分图中，显示轻稀土相对重稀土富集的右倾配分趋势（图4a），并且火山岩显示出相似的标准化配分曲线，指示他们可能是同源岩浆演化的产物。微量元素原始地幔标准化图显示火山岩样品总体上Rb、Ba、La、Ce 等大离子亲石元素相对富集，Nb、Ta、Y、Lu等高场强元素相对亏损（图4b），且Sr元素也相对亏损。
4.3 Sr-Nd同位素
Sr-Nd同位素分析结果见表2。岩石Rb和Sr含量分别为 262×10-6～375×10-6、96×10-6～524×10-6， Sm 和 Nd 含量分别为 7.5×10-6～8.7×10-6、41.5～44.8×10-6。岩石87Rb/86Sr=2.0689～7.8933、87Sr/86Sr= 0.709515～0.739759； 147Sm/144Nd=0.1086～0.1176， 143Nd/144Nd=0.512547～0.512554，根据银帮山火山岩的年龄为335.5 Ma（龙灵利等，2019），以该年龄计算 Sr、Nd 同位素初始值，Sr 初始比值（87Sr/86Sr）i = 0.699620～0.702008。值得注意的是，样品Y5823-6 的 Rb 含量较高，可能导致其 Sr 同位素初始比值较低，但总体上指示幔源岩浆来源。εNd（t）为 1.61～2.14（平均为 1.88）。Nd 的二阶段模式年龄 T2DM为 0.91～0.96 Ga。
表1新疆银帮山地区火山岩主量（%）和微量（10-6）元素地球化学数据
续表1
表2新疆银帮山地区火山岩Rb-Sr及Sm-Nd同位素地球化学数据
5 讨论
5.1 岩石成因和来源
银帮山地区中酸性火山岩地球化学特征显示具有高的 SiO2 （54.02%~82.76%）和 K2O（4.29%~9.98%）含量，相对富碱（6.07%~10.14%）富铝 （8.35%~18.04%）和贫 MgO（0.15%~3.59%），为高钾钙碱性系列和准铝质-过铝质系列岩石（图3b~d）。火山岩微量元素中大离子亲石元素（Rb，Th，U 等）相对富集，Ba、Nb、Ta、Sr等元素相对亏损，稀土元素中富集 LREE 相对亏损 HREE 且同时具有负铕异常 （图4a），均显示与弧型的I 型花岗岩相似的特征（张旗等，2012；Wang et al.，2021）。在10000Ga/Al-FeO/ MgO 和 10000Ga/Al-Y 判别图中，样品均落入 I&S型区域（图5a~b），同时 SiO2-P2O5图中也显示具有 I 型花岗岩的演化趋势（图5c），表明银帮山地区中酸性火山岩属于I型花岗岩类岩石。
研究表明，I 型中酸性火山岩的来源类型可能有两种：（1）来自玄武质岩浆的演化形成，故具有幔源岩浆地球化学的特征（Bacon and Druitt，1988；Bo‐ nin，2004）；（2）不同来源的幔源基性岩浆作用引起的地壳物质部分熔融形成（Tepper et al.，1993； Guf‐ fanti et al.，1996）。尽管银帮山地区中酸性火山岩具有较低的 MgO（0.15%~3.59%）和 Mg#值（10.58~55.37），但其具有低的 Sr 初始比值（（87Sr/86Sr）i = 0.699620～0.702008）和正的 εNd（t）值（1.61～2.14），表明火山岩母岩浆主要来源于幔源岩浆（Rapp and Watson，1995；王焰等，2000）。此外，火山岩样品的 La/Nb值在 0.97~4.37，与幔源岩浆相似（DePaolo and Daley，2000），并且 Nb/Ta值为 9.48~15.22，大于地壳平均值（Sun and McDonough，1989），表明可能为地幔岩浆演化后的产物（Rollinson，1993）。因此，银帮山地区中酸性火山岩可能来源于地幔玄武质岩浆。一般岩浆岩中微量元素和氧化物的比值可以反映源岩特征（Patiño，1999），例如由泥质岩产生的熔体具有变化较小且较低的 FeO、MgO、TiO2含量；若与玄武质或角闪质岩浆混合，可使 FeO、MgO 含量增加；由火山岩或黑云片麻岩变质形成的片麻岩产生的熔体，FeO、MgO含量增加（胡能高等，2006）；而由变质碎屑岩（变质泥岩、杂砂岩）部分熔融形成的熔体具有高的 K2O/Na2O 以及 Al2O3/（FeO+MgO）值（Al‐ therr et al.，2000；Kaygusuz et al.，2008）。在（Al2O3+ FeOT+MgO+TiO2）-Al2O3/（FeOT+MgO+TiO2）图解中，显示样品投点多数位于角闪岩部分熔融区域（图6a），表明火山岩熔融源区主要来源于基性的岩浆岩。然而，在 CaO/（Na2O+K2O）-CaO/Al2O3 和 CaO/ Na2O-CaO/FeOT图解中，除了多数样品落在了花岗岩部分熔融区域外，部分样品落在杂砂岩部分熔融区域（图6b~c），表明其岩浆源区可能部分来自杂砂岩的部分熔融，这和在 Rb/Sr-Rb/Ba 图解中样品位于杂岩派生熔体周围的判别结果一致（图6d），并且这和I型中酸性火成岩的源岩普遍认识一致（Sylves‐ ter，1998）。因此笔者认为，研究区火山岩源区主要为岩浆岩的熔融，但有少量杂砂岩熔融的贡献。
图5银帮山地区火山岩成因类型图解
a—10000Ga/Al-FeO/MgO（底图据Whalen et al.，1987）；b—10000Ga/Al-Y（底图据Whalen et al.，1987）；c—SiO2-P2O5（底图据Chappell and White，1992）
图6银帮山地区中酸性火山岩（Al2O3+FeOT+MgO+TiO2）-Al2O3/（FeOT+MgO+TiO2）图解（a，底图据Kaygusuz et al.，2008）、 CaO/（Na2O+K2O）-CaO/Al2O3图解（b，底图据Yang et al.，2016）、CaO/Na2O-CaO/FeOT图解（c，底图据Yang et al.，2016），和 Rb/Sr-Rb/Ba图解（d，底图据Sylvester，1998）
5.2 构造环境及动力学意义
前述研究显示，银帮山地区中酸性火山岩以英安岩、流纹岩、流纹斑岩以及角砾凝灰岩和晶屑凝灰岩为主，在地球化学上属于亚碱性的钙碱性系列火山岩，且火山岩显示右倾轻稀土富集分配模式以及富集大离子亲石元素亏损高场强元素，具有典型弧岩浆岩特征（Atherton and Tarney，1979），该类型岩石一般产于与俯冲消减作用密切相关的构造背景（Drummond and Defant，1990；Müller et al.，1992）。通常认为在俯冲消减带内，随俯冲深度增加，从大洋岛弧到大陆岛弧方向，即横穿岛弧或活动大陆边缘的剖面上，其 K2O 含量逐渐增加（赵振华等， 2004），因此结合研究区火山岩具有高 K2O、高碱 （K2O+Na2O）、贫 TiO2的特点，认为其可能形成于弧环境下的分布靠近大陆板块方向的环境且具有典型大陆边缘的特点（Condie，1986；邓晋福等，2004）。微量元素含量及其比值在岩浆演化过程中受后期热事件影响较小，对恢复古构造环境具有重要指示意义（赵振华，1997）。银帮山火山岩样品的 Th/Ta 比值主体为 8.99~20.86，Ta/Yb 值主体为 0.12~0.60， Zr/Nb 值为 15.97~45.20，Zr/Y 值为 5.86~24.51，均属于弧火山岩范围内（Pearce et al.，1984；Pearce and Peate，1995）。在 Y-Sr/Y 以及 Nb/Yb-Th/Yb 判别图解中（图7a~b），样品点均集中在经典弧和大陆边缘弧区域，在 Y-Nb 和（Y+Nb）-Rb 判别图解中也几乎均落入到火山弧花岗岩区域（图7c~d），因此综合以上讨论及结合前人研究，笔者认为银帮山地区中酸性火山岩可能形成于俯冲带大陆边缘的构造背景。
尽管关于阿奇山—雅满苏带中晚古生代石炭纪火山岩的构造背景有过不同的认识，包括有岛弧 （马瑞士等，1993；姬金生等，1994；周济元等， 2001）、弧后（间）盆地（Luo et al.，2015；Zhang et al.， 2016；罗婷等，2019）、裂谷（秦克章等，2002；陈富文等，2003）、裂陷槽（芮宗瑶等，2002；王京彬等， 2006）等，但其处于岛弧的构造背景近些年已逐渐被大部分学者接受，这与本研究上述讨论的结果一致。然而，带内石炭纪的火山岩地层为深海—浅海火山熔岩-火山沉积岩-碳酸盐岩建造，为一套海相火山-沉积岩系（王京彬等，2006；徐仕琪等，2011； 李航等，2018；孙志远等，2018；龙灵利等，2019），该套海相火山岩系具有富钠的特征（孙志远等，2019； Sun et al.，2020），并且带内发育了大量与海相火山-沉积作用有关的矿床，包括银帮山矿床、雅满苏矿床、红云滩矿床、库姆塔格矿床等（王京彬等，2006； 徐仕琪等，2011；郑仁乔，2015；龙灵利等，2019；Sun et al.，2020）。因此可以推测，石炭纪火山岩所处的构造背景应为靠近大陆边缘的弧前或弧后盆地环境。然而，弧后盆地环境一般发育以基性火山为主的双峰式火山岩组合（Wareham et al.，2001），且为拉斑系列岩石（张招崇等，2016），因此笔者认为研究区钙碱性的中酸性岩石组合并非形成于弧后环境。加之前人研究认为在早石炭纪（350~320 Ma） 阿奇山—雅满苏带仍处于俯冲阶段的局部伸展环境（Du et al.，2018；Zhao et al.，2019b），这和银帮山火山岩的年代学一致（335.5 Ma，龙灵利等，2019）。因此，笔者认为银帮山石炭纪中酸性火山岩形成于与俯冲有关的靠近活动大陆边缘的弧前盆地环境。
图7银帮山地区中酸性火山岩Y-Sr/Y（a，底图据Drummond and Defant，1990）、Nb/Yb-Th/Yb（b，底图据Pearce and Peate， 1995）、Y-Nb（c，底图据Pearce et al.，1984）和（Y+Nb）-Rb（d，底图据Pearce et al.，1984）判别图解
WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；Syn-COLG—同碰撞花岗岩；ORG—大洋中脊花岗岩
6 结论
（1）银帮山地区中酸性火山岩以英安岩、流纹岩、流纹斑岩以及角砾凝灰岩和晶屑凝灰岩为主，岩石地球化学特征显示火山岩具有高的 SiO2 和 Na2O+K2O、贫 MgO 和 FeOT的特征，为准铝—弱过铝质的高钾钙碱性系列岩石。
（2）中酸性火山岩岩石具有相对富集轻稀土和大离子亲石元素、亏损重稀土和高场强元素的特征，显示与形成于弧环境下的I型花岗岩类似。
（3）同位素特征显示火山岩具有低的 Sr同位素初始比值和正的εNd（t） 值，暗示其为地幔岩浆演化后的产物，可能来源于地幔玄武质岩浆。结合前人综合研究认为银帮山地区中酸性岩形成于与俯冲有关的靠近活动大陆边缘的弧前盆地环境。
致谢 本文写于北京矿产地质研究院有限责任公司建院70周年之际，有幸成为北京矿产地质研究院有限责任公司的一员，由衷感谢院里的领导和同事的培养与帮助，在此祝贺北京矿产地质研究院有限责任公司蓬勃发展，再攀高峰，书写更辉煌的篇章。
