Analysis of White Pollution of River Aluminum in Stone CoalMining Area in Haoping River Basin and Its Causes
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摘要:
矿山酸性水及其伴生的重金属污染是含黄铁矿矿山最主要、综合治理难度最大的污染问题。为了查明蒿坪河流域废弃石煤矿开采河流铝的白色污染及成因问题，2021年以来进行了卫星遥感解译、无固定翼无人机航测、样品采集与分析、主要河流断面水质动态监测等工作。结果表明：① 研究区河流普遍存在铝的白色污染，其形成可见3种模式：两条沟道不同酸碱度的河水混合后形成白水带；河道河水自然跌水后在河床形成白色污染物；河水自然演化形成酸性水、酸性磺水与酸性白水。② 河水铝离子污染普遍且超标严重，216件河水中Al离子平均含量为8.6 mg/l，样品超标率65.8%，19条河流断面3次河水中Al离子的平均超标率90.48%。③ 河流中铝来自于石煤矿及其围岩中酸性溶解作用长石的结果，废渣堆底部流水是河流铝的主要污染源。④ 河水中铝离子与pH具有显著的负相关关系，河水酸度愈大，河水中铝离子含量愈高；河水中白色无定形胶凝状物形成后，河水中铝离子含量显著降低。河水pH的升高，是河流白色污染物形成的主要因素。河水中铝的白色污染物具有无定形特点，化学组分复杂，是硫酸根、氢氧根及铝构成的复杂化合物。铝的白色无定形胶凝状物具有吸附河水中重金属离子的能力。研究成果可为研究区铝的污染防治提供重要的理论依据。
Abstract:Acid mine drainage and its associated heavy metal pollution are the most important mine pollution problems in pyrite−bearing mining areas and the most difficult to comprehensively treat. In order to find out the white pollution and causes of aluminum mining rivers from abandoned stone coal mines in the Haoping river basin, satellite remote sensing interpretation, non−fixed−wing UAV aerial survey, sample collection and analysis, and dynamic monitoring of water quality in major river sections have been carried out since 2021. The results show that, ①white pollution of aluminum is common in rivers in the study area, and three patterns can be seen: the two channels are mixed with river water with different pH degrees to form white water belts; after the natural fall of the river water, white pollutants are formed on the rock surface of the riverbed; river water naturally evolves to form acidic water, acidic sulfur water, and acidic white water. ②Aluminum ion pollution in river water was widespread and seriously exceeded the standard, the average content of Al ions in 216 river waters was 8.6 mg/l, the sample exceeded the standard rate by 65.8%, and the average excess rate of Al ions in the three river waters of 19 river sections was 90.48%. ③ The aluminum in the river comes from the result of the acid water dissolution of feldspar in the stone coal mine and its surrounding rock, and the flowing water at the bottom of the waste residue pile is the main source of pollution of the river aluminum. ④ Aluminum ions in river water have a significant negative correlation with pH, and the greater the acidity of river water, the higher the content of aluminum ions in river water; after the formation of white amorphous gels in river water, the content of aluminum ions in river water decreased significantly. The increase in the pH of river water is the main factor in the formation of white pollutants in rivers. The white pollutants of aluminum in river water have amorphous characteristics, complex chemical composition, and are complex compounds composed of sulfate, hydroxide and aluminum. The white amorphous gel of aluminum has the ability to adsorb heavy metal ions in river water. The research results can have important theoretical and practical application value for the pollution prevention and control of aluminum in the research area.
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在大地构造上，中亚造山带（CAOB）位于东欧克拉通，南接塔里木-华北克拉通，北邻欧洲与西伯利亚克拉通，是现今全球分布规模最大的显生宙增生型造山带（Windley et al., 2007；王盟等，2023），是研究古亚洲洋俯冲、闭合和显生宙大陆地壳生长的经典地区（Xiao et al., 2013, 2015）。天山造山带位于中亚造山带的南缘，西起乌兹别克斯坦，向东经哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、中国，一直延伸至蒙古国西南部，记录了古生代时期古亚洲洋的一系列俯冲增生及弧陆碰撞等造山作用事件，形成了包括微陆块、增生楔、海山和岛弧体系的复合型造山单元（肖序常等，1990；何国琦等，1994；李锦轶等，1999；肖文交等，2006；Xiao et al., 2013, 2015）。根据地形条件、岩浆岩分布、地质单元组成和演化历史上的差异，天山造山带一般以托克逊-库米什公路为界，进一步可以分为东天山和西天山，其中西天山进一步又可细分为北天山、中天山和南天山（Gao et al., 1998；白云来等，2004）。
西天山造山带发育有大量的晚古生代岩浆岩，构成了若干条总体平行于缝合带的岩浆岩带，一般认为这些岩浆岩记录了古亚洲洋各个分支洋盆的俯冲、闭合以及碰撞等关键信息（王作勋等，1990；Long et al., 2011），是研究古亚洲洋形成与演化最为理想的地质素材。总体来讲，西天山晚古生代岩浆岩主要包括与蛇绿岩形成有关的石炭纪基性熔岩、基性侵入岩和斜长花岗岩（徐学义等，2006）；与板块俯冲有关的活动大陆边缘环境下的石炭纪钙碱性花岗岩和中基性的火山岩以及相应的侵入岩等（姜常义等，1995；车自成等，1996；夏林圻等，2003；王博等，2006；黄惠明等，2021）；与同碰撞有关的偏铝、过铝质花岗岩等（韩宝福等，2004；杨天南等，2006；张招崇等，2009；Long et al., 2011）；以及与后碰撞阶段有关的流纹岩、花岗岩和双峰式火山岩等（韩宝福等，2006；杨兴科等，2006；Han et al., 2010；Shu et al., 2011；刘冬冬等，2012）。与其他类型岩石相比，位于缝合带的混杂岩对于解析洋盆的形成与演化具有重要的科学意义。由南向北，西天山造山带包括3条重要的古生代混杂岩带，它们分别是南天山库米什−米斯布拉克−东天山红柳河混杂岩带、中天山干沟−米什沟混杂岩带以及北天山巴音沟混杂岩带。这些混杂岩带的组成、结构及其所揭示的大地构造意义始终是国内外地学研究的热点前沿问题（邬继易等，1989；肖序常等，1990；王作勋等，1990；肖序常等，1992；高俊等，1993；何国琦等，1994；汤耀庆等，1995；高长林等，1995；高俊等，1995；李锦轶等，1999；Gao et al., 2001；李向民等，2002；夏林圻等，2002；舒良树等，2004；肖文交等，2006；徐学义等，2006；Charvet et al., 2011）。
北天山晚古生代混杂岩带位于北天山伊连哈比尔尕晚古生代构造岩浆带内，从艾比湖，经巴音沟向东延伸至后峡一带（王作勋等，1990；肖序常等，1992），其中巴音沟混杂岩带是北天山混杂岩带的典型代表，是研究北天山洋的形成、闭合以及大地构造环境的绝佳选择，多年来，有学者对其物质组成、结构、古生物、岩石学和年代学等方面相继开展了一些研究（邬继易等，1989；王作勋等，1990；肖序常等，1992；何国琦等，1994；高长林等，1995；徐学义等，2006；刘冬冬等，2012）。然而，前人的工作主要集中在基性岩，而对巴音沟混杂岩带中的中性岩研究较为薄弱，且对其岩石、矿物、地球化学的综合性研究也较为匮乏。与基性混杂岩相比，钙碱性的安山岩通常代表了地壳的平均组成，其成因、构造环境和后期演化更为复杂，有可能代表了地壳最为原始的化学组成，或与地幔平衡的原始岩浆等。另外，安山岩主要形成于活动大陆板块边缘地区，是汇聚板块边缘最具典型的岩石代表（郑永飞，2022），为了解俯冲带相关的岩浆形成过程以及大陆地壳形成演化和壳幔相互作用提供了重要的信息。因此，对其成因和形成时代的限定有助于更全面的理解研究区古亚洲洋俯冲和闭合的过程。
此外，北天山洋闭合的时间仍然存在着激烈的争议，部分学者认为北天山地区的碰撞造山作用于早石炭世末期已经结束，区内出露的石炭纪—二叠纪火山岩应该与地幔柱得活动有关（Xia et al., 2004；Xia et al., 2020）。例如，李永军等（2010）根据岩石组合、构造接触关系、变形特征和古生物等方面的证据，认为北天山古生代洋盆的闭合时间为早石炭世晚期。Han 等 （2010）对缝合带中的钉合岩体开展了详细的研究，认为钉合岩体的形成时代（316 Ma）限定了北天山洋闭合的上限时间。然而，一些学者提出直到早石炭世时北天山洋仍然没有闭合，北天山地区石炭纪火山岩是形成于汇聚板块边界的弧火山作用的产物（Yu et al., 2016；An et al., 2017）。例如，Li等（2015） 认为早二叠世时北天山洋依然可能存在，基于对增生杂岩中形成的岛弧型岩浆岩的系统性研究；Li等（2015）进一步指出，俯冲带的回撤同样可以在增生杂岩中形成岛弧型的岩浆岩。因此，对代表性样品开展系统的年代学和地球化学研究有望成为解决上述问题的关键，对约束北天山洋盆的俯冲、闭合过程具有重要的科学意义。
鉴于上述，本次研究选择北天山巴音沟中的中性火山岩-安山岩作为研究对象，通过对其开展进行详细的野外地质调查、高精度的锆石U-Pb测年、全岩主微量元素和电子探针EPMA等综合分析，探讨安山岩形成的精确时代、岩石成因以及区域构造意义，为北天山洋的演化提供新的地质学证据。
1. 区域地质特征和研究背景
在大地构造上，西天山造山带夹持于准噶尔地块和塔里木地块之间（图1a），以大型区域断裂为界，可以进一步划分为4个构造单元，分别为北天山增生杂岩带、伊犁地块、中天山地块和南天山增生杂岩带（邬继易等，1989；肖文交等，2006；Li et al., 2015）。其中，位于西天山造山带北缘的北天山增生杂岩带，长约为300 km，宽约为30 km，整体走向呈NWW至SEE向展布，向北推覆到准噶尔盆地的中新生代沉积地层之上（Han et al., 2010）。北天山增生杂岩带主要由代表大洋岩石圈残片的蛇绿岩和一套晚古生代泥盆纪至石炭纪的海相复理石沉积岩系组成（王盟等，2022）。综上所述，巴音沟混杂岩带位于北天山增生杂岩带的腹地，是研究北天山增生杂岩带构造演化最为理想的代表，其中研究区位于巴音沟混杂岩带的北缘（图1a、图1b）。
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巴音沟混杂岩分布于巴音沟、沙大王以及奎屯河一带（图1b）。出露地层主要有石炭纪的沙大王组、巴音沟组以及由超镁铁质-镁铁质的岩石和部分硅质岩、角砾岩等组成的混杂岩。据新疆维吾尔自治区乌苏幅（L-45-31）1: 20万区域地质图描述，巴音沟组主要分布在巴音沟、屯河、四棵树河等地，在巴音沟一带出露比较完整，故命名为巴音沟组。巴音沟组由灰绿色、浅灰绿色、灰色块状、厚层状凝灰岩、晶屑−岩屑凝灰岩和一套基性−中性火山熔岩及火山碎屑岩组成。文中将巴音沟组中的中基性熔岩归属于巴音沟混杂带的组成部分，认为其是古天山洋盆俯冲和演化的产物。前人对其开展了部分研究，认为该区广泛分布的泥盆纪—石炭纪地层为一套拉张环境形成的火山−碎屑熔岩系，以火山岩为主，碎屑岩相对较少（肖序常等，1992；夏林圻等，2002）。在巴音沟地区，由于后期构造作用的强烈改造，混杂岩中的超镁铁质−镁铁质岩石呈无根块状、岩片或透镜状分布于火山岩、沉积岩之中，与薄层状硅质岩互层产出（肖序常等，1990，1992；高长林等，1995）。另有对本工作区相邻的伊宁县北30 km的阿希火山岩研究表明：安山岩与同期浅水相陆源沉积岩层伴生，反映了火山岩浆作用的不连续性，具有多次喷发的特征。此外，与之伴生的大量华力西中期的弧型花岗岩、花岗闪长岩和闪长岩的地质与地球化学研究结果表明该火山岩形成于俯冲带之上的活动大陆边缘环境（王博等，2006）。伊犁北缘的巴音沟-莫托沙拉沟岩带中的地幔橄榄岩、辉长岩和洋壳沉积物等构造残片沿伊犁陆块的北缘边界延伸逾250 km，出现在伊犁块体的北缘，与伊犁岛弧火山岩有很好的空间配置关系（夏林圻等，2004；王博等，2006），显示了在构造上的亲缘性。
2. 岩石学特征
野外调查显示，出露于巴音沟的安山岩以构造透镜体的形式产出，野外出露良好，样品整体较为新鲜，无明显的构造变形和后期强烈的风化蚀变（图2a、图2b）。野外调查显示，巴音沟安山岩为典型的块状结构，部分安山岩具有枕状构造的特征（图2b），在空间展布上，灰绿色的安山岩与蛇纹石化的地幔橄榄岩为典型的岩浆侵位接触关系，且岩块内可见地幔橄榄岩的岩块。安山岩的出露面积～1000 m2，具体采样为坐标为N（44°05′8.14″），E（84°47′38″），采样高程（H）为1799 m。
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图 2 北天山巴音沟安山岩野外分布照片Figure 2. Field exposures of the Bayingou andesite rocks in the North Tianshan belt在夯实的野外调查基础之上，对本次研究的岩石样品进行详细的镜下岩相学观测，并结合电子探针和岩石化学分析结果，采自巴音沟的火山岩为典型的安山岩。岩石为典型的斑状结构，斑晶以自形-半自形的斜长石为主，基质主要为斜长石微晶和部分镁铁质矿物（角闪石和黑云母），可见杏仁构造（杏仁体为方解石）。镜下薄片显示，安山岩的主要矿物组成为斜长石、钠长石、角闪石、石英等（图3），其中部分较大颗粒的长石在后期已经发生黝帘石化和绢云母化，角闪石发生绿泥石化，岩石矿物组合见表1，绿泥石可能为辉石、角闪石等蚀变的产物。
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图 3 巴音沟组中酸性火山岩显微照片（a～c）和电子背散射图像（d～f）An. 钙长石；Chl. 绿泥石；Cc. 方解石；Pl. 斜长石；Q. 石英Figure 3. (a～c) Petrographic and (d～f) BSE pictures of the mid-acid volcanic rocks from the Bayingou Formation表 1 北天山巴音沟安山岩电子探针（EPMA）分析结果（%）Table 1. Electronic probe microanalyses （EPMA） results of the andesite from the Bayingou in the North Tianshan belt（%）测点号 矿物名称 SiO2 Na2O Cr2O3 K2O MgO Al2O3 MnO CaO FeO TiO2 NiO Total 2 斜长石 56.915 5.41 0.016 0.149 0.015 27.137 0.027 9.748 0.5 0.047 0.02 99.984 13 60.359 7.042 0.001 0.284 24.648 0.015 6.77 0.309 0.017 99.445 17 63.423 8.101 0.001 0.472 22.686 4.638 0.244 0.002 0.017 99.584 23 58.159 6.047 0.016 0.132 0.047 26.454 8.683 0.493 0.024 100.055 24 56.751 5.489 0.028 0.172 0.018 27.013 0.041 10.027 0.348 0.005 99.892 26 59.989 6.461 0.009 0.272 25.173 0.036 7.326 0.34 0.029 0.022 99.657 40 62.344 7.375 0.001 0.151 0.002 23.767 0.003 5.852 0.142 0.014 0.017 99.668 46 61.304 6.977 0.427 0.015 23.88 0.023 6.641 0.361 0.007 99.635 47 60.685 6.872 0.043 0.295 24.567 0.015 6.659 0.32 0.011 99.467 55 59.994 7.326 0.019 0.955 0.034 23.977 0.003 5.153 0.404 0.042 0.035 97.942 61 60.494 7.136 0.028 1.243 0.052 24.689 0.007 4.968 0.42 0.031 0.03 99.098 65 59.829 7.335 0.009 0.234 0.012 24.754 6.746 0.321 0.036 0.011 99.287 66 58.474 7.152 0.225 25.07 0.012 6.254 0.34 0.009 97.536 76 60.631 7.286 0.018 0.295 0.023 24.165 0.023 6.316 0.324 0.002 99.083 77 57.5 5.238 0.012 0.815 0.049 26.319 8.352 0.533 0.014 98.832 19 钠长石 67.771 10.623 0.053 0.137 0.381 18.761 0.016 0.076 1.146 0.048 99.012 20 68.142 10.075 0.071 0.165 0.391 19.071 0.021 0.043 1.169 0.016 99.164 35 69.394 11.223 0.061 0.019 18.736 0.016 0.02 0.139 99.608 60 69.1 11.565 0.117 0.016 19.12 0.017 0.051 0.193 0.007 100.186 62 68.806 11.525 0.02 0.006 19.131 0.001 0.156 0.062 0.015 99.722 64 67.953 11.335 0.021 0.221 0.029 19.475 0.12 0.125 0.012 99.291 75 68.963 11.078 0.015 0.045 0.007 19.073 0.042 0.06 0.058 99.341 3 绿泥石 30.442 0.069 0.251 0.028 12.129 14.459 0.64 0.502 29.314 0.038 87.872 16 30.737 0.078 0.413 0.029 12.365 14.243 0.577 0.413 28.525 0.051 87.431 31 62.715 8.213 0.048 0.017 18.643 0.036 0.113 0.104 89.889 32 60.968 7.539 0.025 0.037 19.073 0.061 0.154 0.005 87.862 42 32.093 0.86 0.08 0.048 10.929 15.544 0.662 0.368 28.306 0.047 88.937 43 30.764 0.032 0.138 0.018 11.628 14.215 0.682 0.457 30.105 0.015 88.054 45 30.226 0.003 0.144 0.018 13.302 14.571 0.651 0.45 28.593 0.056 0.049 88.063 48 29.927 0.025 0.23 0.009 13.847 15.114 0.532 0.348 27.425 87.457 49 30.151 0.014 0.171 0.018 13.485 15.023 0.501 0.43 27.875 0.025 0.024 87.717 54 30.632 0.07 0.389 0.015 13.683 14.923 0.429 0.487 26.853 0.007 87.488 70 30.14 0.031 0.145 0.058 12.597 14.394 0.598 0.288 30.028 0.001 88.28 72 30.632 0.075 0.035 0.144 12.825 14.994 0.45 0.454 29.716 0.021 0.012 89.358 5 石英 98.789 0.037 0.061 0.138 0.121 0.577 0.028 0.033 0.44 100.224 8 99.054 0.137 0.024 0.04 0.001 0.658 0.019 0.058 0.068 100.059 10 98.93 0.074 0.048 0.076 0.025 0.571 0.02 0.011 0.181 0.002 99.938 28 98.645 0.188 0.023 0.071 0.029 0.803 0.01 0.044 0.348 100.161 29 98.374 0.042 0.09 0.009 0.714 0.01 0.103 0.102 0.128 0.012 99.584 51 98.634 0.136 0.058 0.138 0.009 0.749 0.008 0.059 0.109 0.046 0.039 99.985 53 99.027 0.003 0.001 0.007 0.01 0.013 0.031 0.02 0.034 99.146 58 99.417 0.028 0.019 0.005 0.023 0.006 0.125 0.025 99.648 67 98.585 0.085 0.015 0.096 0.352 0.028 0.031 0.015 0.045 99.252 71 99.796 0.007 0.013 0.029 0.005 0.022 0.006 0.007 0.027 0.047 0.008 99.967 7 方解石 2.067 0.405 0.644 0.176 0.605 1.033 1.289 47.545 1.18 0.03 54.974 25 0.057 0.022 0.039 0.022 0.105 53.871 0.492 0.008 54.616 27 0.06 0.027 0.042 0.004 0.109 53.79 0.441 0.001 54.474 34 0.017 0.011 0.163 0.143 54.128 0.552 55.014 39 0.056 0.011 0.163 0.014 0.176 50.362 0.625 51.407 44 0.06 0.015 0.005 0.111 0.006 0.164 54.08 1.005 0.037 55.483 52 0.068 0.005 0.068 0.018 0.955 54.038 0.172 0.021 0.05 55.395 57 0.622 0.018 0.045 0.002 0.26 0.08 1.451 52.228 0.451 55.157 63 4.242 0.035 0.012 0.01 1.414 0.201 0.572 48.864 1.118 0.062 0.018 56.548 4 沸石 60.83 7.585 0.034 0.084 0.119 19.712 0.002 0.172 0.58 0.011 89.129 6 60.674 10.162 0.026 0.028 20.377 0.205 91.472 9 62.423 8.772 0.045 0.055 0.004 19.111 0.006 0.232 0.16 90.808 11 60.543 8.485 0.022 0.003 0.016 19.13 0.056 0.183 88.438 15 55.393 12.474 0.016 0.01 0.017 21.925 0.003 0.073 0.013 89.924 18 61.957 7.973 0.029 0.05 0.054 18.774 0.009 0.172 0.413 0.022 0.007 89.46 21 58.749 5.846 0.05 1.413 0.753 20.822 0.056 0.667 1.594 0.309 90.259 36 60.719 9.445 0.018 0.049 19.801 0.017 0.107 0.139 0.028 90.323 37 57.103 11.794 0.009 0.017 21.753 0.024 0.125 0.021 0.005 90.851 59 58.065 10.85 0.023 0.008 21 0.014 0.163 0.002 90.125 68 59.588 9.734 0.01 0.056 0.075 20.065 0.142 0.254 0.173 0.05 90.147 69 58.883 10.254 0.042 0.032 20.875 0.06 0.03 0.224 0.021 90.421 74 58.608 10.42 0.047 0.047 20.652 0.029 0.068 0.245 90.116 3. 分析方法
3.1 矿物化学成分
本次的矿物电子探针EPMA成分分析在中国地质科学院地质研究所自然资源部大陆动力学重点实验室完成，使用的仪器型号为日本电子公司的JEOL JXA-8800R（型号为Inca Energy型电子探针），探针束流20 nA，实验测试的加速电压稳定在15.0 kV，电子束斑半径为5 μm。
3.2 全岩地球化学分析
本次测试的安山岩全岩主微量化学成分分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成。全岩主量元素成分分析使用熔片X射线荧光光谱法（XRF）完成，并用等离子光谱和化学法对测试结果进行互相检验。全岩微量元素中的部分元素，主要包括Sr、Nb、V、Ni、Cr、Zr、Hf、Th、Ba、U等采用熔片XRF和酸溶等离子质谱ICP-MS法测定，其中轻重稀土元素采用ICP-MS法完成测定。实验过程中，同时完成GSR3和GSR5两个国家标准样品以及是哪个平行样品进行数据质量的监控。在分析精度方面，全岩主量元素优于5%，微量元素优于10%。
3.3 锆石LA-ICP-MS U-Pb测年
本次研究中安山岩的锆石分选工作在河北省地质矿产与开发局廊坊区域地质调查队实验室完成。岩石样品经常规物理粉碎、重力浮选、人工重砂和电磁分选等方法，筛选出纯度较高的锆石颗粒。随后，在双目镜下再次进行矿物的晶形和形态的观察，确保最终挑选的锆石纯度大于99%，并且无裂缝，晶形整体上较为完整。3个样品分选的锆石数量均在300粒以上，其中随机挑选100～150锆石粒，用环氧树脂进行制靶，随后用不同型号的砂纸和磨料将锆石靶表面抛光到锆石颗粒厚度的二分之一左右，具体的制靶流程及注意事项见相关文献（宋彪等，2002）。下一步工作是将抛光好的锆石进行内部结构和构造的分析，完成反射光和透射光照相。锆石的阴极发光CL图像的采集在中国地质科学院北京离子探针中心完成。CL阴极发光主要查明锆石的内部结构、成因，为选择适当的测点位置进行测年提供依据参考。在对锆石详细的矿物学和CL图像分析的基础上，本次的锆石的原位U-Pb同位素年龄分析在自然资源部中国地质调查局天津地质调查中心测试分析中心完成。本次锆石定年所采用的仪器型号为Finnigan Neptune型LA-ICP-MS以及与之配套的激光New wave UP 193剥蚀系统。激光剥蚀束斑的直径为35 μm，激光剥蚀样品的深度约为20～30 μm，频率为8～10Hz。本次实验中，采用国际标准锆石91500作为外标进行数据质量的检测，锆石的元素含量分析采用人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610作为外标进行监控，29Si作为内标元素进行校正。数据处理采用软件ICPMSDataCal 10.0程序完成，具体的数据处理流程见Liu等（2008）。最后，对测试的数据进行普通铅校正（Andersen，2002），年龄计算及谐和图绘制采用植入Excel中的ISOPLOT程序完成（Ludwig, 2003）。
4. 分析结果
4.1 矿物学分析结果
矿物电子探针分析结果见表1。分析结果表明：安山岩中的长石为斜长石与钠长石，斜长石An的牌号主要集中在30～50，为中长石；沸石为方沸石，呈长条状，无晶形，填充于气孔中，指示富水环境；方解石呈脉状和粒状分布。
4.2 主量元素分析结果
安山岩全岩主量元素分析结果见表2。文中所有样品的主量元素化学成分作图和讨论均是扣除挥发分（LOI）后归一化的结果。本次分析样品的SiO2含量为57.15%～65.94%，除1个样品外，其余岩石SiO2含量均小于65%，属于中性岩类。在火山岩硅碱图岩性分类中（图4a），除两个样品落在英安岩区域外，其余9个样品点均分布在安山岩区域，与野外观察和电子探针分析结果相符。镜下薄片分析显示，部分样品石英脉发育，可能导致其全岩SiO2含量升高，投点位于英安岩区域。所有样品均位于Irvine线以下（碱性和亚碱性分界线），属于亚碱性系列。此外，所测试的样品具有较大的Al2O3含量变化，变化范围介于12.57%～16.15%，平均为15.15%，显示出高Al的地球化学特征；Fe2O3T含量为4.74%～9.60%，平均为6.24%；MgO含量较低（＜3%，平均为2.20%）。同时，样品的TiO2、CaO和P2O5含量较低，平均值分别为0.89%、3.69%和0.17%。全碱（K2O+Na2O）含量为5.22%～6.46%，且Na2O大于K2O，K2O/Na2O值在0.17～0.76，平均值为0.40，具有钠质的地球化学特征；里特曼指数σ为1.51～2.29（平均1.98＜3.3），属于钙碱性系列。在SiO2 vs. K2O判别图解中（图4b），多数样品显示出中钾钙碱性系列的地球化学特征，一个样品落入高钾钙碱性系列区域。
表 2 北天山巴音沟安山岩主量元素地球化学分析结果（%）Table 2. Major （%） elemental compositions of the andesite from the Bayingou in the North Tianshan belt样品号 924-1 924-2 924-4 924-9 925-2 925-5 925-7 926-1 926-6 926-7 926-9 SiO2 62.80 62.84 63.68 65.94 62.69 62.29 61.08 58.18 58.22 60.34 57.15 TiO2 0.65 0.86 0.78 0.74 0.71 0.99 0.64 0.98 0.97 0.96 1.52 Al2O3 15.18 15.12 14.83 14.86 16.05 14.9 12.57 15.63 15.82 16.15 15.51 Fe2O3T 2.54 4.35 2.95 2.49 2.15 1.9 2.44 5.37 5.31 3.33 6.83 FeOT 2.29 3.92 2.66 2.24 1.94 1.71 2.20 4.83 4.78 3.00 6.15 FeO 2.46 1.65 2.48 2.6 3.25 2.89 2.3 2.82 2.96 2.82 2.77 MnO 0.10 0.11 0.1 0.1 0.1 0.11 0.14 0.15 0.15 0.13 0.22 MgO 1.72 1.82 1.91 1.83 2.32 1.92 1.92 2.84 2.83 2.28 2.79 CaO 3.05 2.85 3.47 2.67 2.53 3.94 6.48 3.65 3.53 4.64 3.78 Na2O 5.02 3.56 4.17 3.9 5.26 5.38 3.64 3.84 4.17 4.53 4.47 K2O 1.44 2.7 1.66 2.5 1.07 0.93 1.58 2.01 1.73 1.26 1.05 P2O5 0.15 0.17 0.15 0.14 0.11 0.21 0.12 0.17 0.18 0.21 0.28 LOI 4.35 3.28 3.57 2.26 3.35 3.61 6.21 4.25 3.67 3.13 2.70 Total 99.46 99.31 99.75 100.03 99.59 98.86 99.12 99.89 99.54 99.78 99.07 CaO/（FeOT+MgO） 0.73 0.51 0.73 0.62 0.53 0.98 1.47 0.47 0.46 0.84 0.44 Al2O3/（FeOT+MgO） 0.46 0.28 0.39 0.46 0.54 0.57 0.39 0.23 0.24 0.37 0.18 Mg# 57.53 45.56 56.53 59.52 68.34 66.90 61.15 51.45 51.60 57.80 44.97 Na2O+K2O 6.46 6.26 5.83 6.4 6.33 6.31 5.22 5.85 5.9 5.79 5.52 K2O/Na2O 0.29 0.76 0.40 0.64 0.20 0.17 0.43 0.52 0.41 0.28 0.23 FeOT/MgO 1.33 2.15 1.39 1.22 0.83 0.89 1.14 1.70 1.69 1.31 2.20 里特曼指数σ 2.11 1.98 1.64 1.79 2.03 2.06 1.51 2.25 2.29 1.93 2.15 注：LOI为烧失量；Fe2O3T为全铁含量。 ![]()
图 4 安山岩TAS图解（a）（Le et al., 2002）（碱性与亚碱性系列分界线来自Irvine et al.，1971）；安山岩的SiO2 vs. K2O图解（Morrison, 1980）（b）Figure 4. （a） TAS diagram for the andesite; （b） SiO2 vs. K2O diagram for the andesites在哈克图解中 （图5a～图5g），样品SiO2与MgO、MnO、TiO2、P2O5、Fe2O3T等氧化物之间没有明显的线性关系，表明岩浆在结晶过程中没有经历明显的矿物分离结晶过程。
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图 5 北天山巴音沟安山岩全岩主量元素哈克图解Figure 5. Harker diagrams of the whole-rock major elements for the andesite in the North Tianshan belt4.3 微量元素分析结果
微量元素分析结果见表3。在原始地幔标准化微量元素蜘蛛网模式图上（图6a），所测的样品均明显富集大离子亲石元素，如Rb、Ba、K和Pb等，亏损高场强元素Nb、Ti和P，具有与大陆地壳或俯冲带环境的弧岩浆岩相似的地球化学特征（Gill, 1981; Kelemen, 1995）。另外，样品具有弱的Zr-Hf正异常（Zr/Hf=28.04～31.85）（图6a）和低的Sr/Y值（6.58～17.67），显示出正常的弧岩浆岩地球化学特征（非埃达克岩）。
表 3 北天山巴音沟安山岩全岩微量元素地球化学分析结果（10−6）Table 3. Whole-rock trace （×10−6 ） elemental compositions of the andesite from the Bayingou in the North Tianshan belt样品号 924-1 924-2 924-4 924-9 925-2 925-5 925-7 926-1 926-6 926-7 926-9 La 15.5 17.3 17.6 15.4 13.7 9.84 14.7 11.2 11.2 7.92 8.63 Ce 37.4 38.10 39.10 34.80 31.90 24.70 34.00 27.30 27.80 19.50 21.60 Pr 4.97 4.90 5.06 4.56 4.35 3.66 4.47 3.81 3.83 2.86 3.27 Nd 21.5 21.4 21.4 19.2 18.9 17.8 19.1 17.9 18.3 13.9 16.40 Sm 5.52 5.29 5.32 4.84 5.02 5.46 4.82 5.03 5.04 4.06 5.14 Eu 1.46 1.48 1.38 1.23 1.43 1.64 1.29 1.37 1.55 1.61 1.62 Gd 5.48 5.42 5.15 4.50 4.85 6.06 4.88 5.14 5.21 4.49 5.26 Tb 0.89 0.86 0.82 0.75 0.78 0.99 0.78 0.85 0.84 0.74 0.86 Dy 5.73 5.33 5.1 4.58 5.03 6.36 4.92 5.15 5.4 4.64 5.42 Ho 1.21 1.13 1.1 0.99 1.11 1.35 1 1.08 1.1 0.97 1.11 Er 3.42 3.24 3.18 2.71 3.09 3.85 2.96 2.93 3.23 2.72 3.08 Tm 0.52 0.47 0.45 0.41 0.48 0.55 0.42 0.44 0.47 0.38 0.47 Yb 3.59 3.36 3.2 2.86 3.35 3.82 2.99 3.03 3.26 2.53 3.14 Lu 0.54 0.5 0.51 0.42 0.53 0.58 0.42 0.44 0.48 0.39 0.44 Sr 198 222 199 180 199 366 416 280 302 424 400 Rb 23.4 52.7 28.5 44.2 28.2 16 38.1 51 30.8 15.1 15.5 Ba 302 722 285 650 451 1177 635 387 804 1022 1000 Th 3.65 2.94 3.36 3.03 3.05 1.07 2.73 2.16 1.92 0.75 0.92 Nb 4.7 3.72 4.26 4.28 3.46 1.84 3.21 3.01 2.66 1.51 2.09 Zr 180 129 140 138 139 92.9 115 124 108 67.3 72.6 Hf 5.65 4.44 4.55 4.53 4.76 3.36 3.67 4.07 3.79 2.4 2.54 Zr/Hf 31.85 29.05 30.76 30.46 29.20 27.65 31.33 30.47 28.50 28.04 28.58 Y 30.1 28.4 28.2 23.9 27.8 32.8 26.8 27.3 27.4 24 26.8 V 75.5 109 102 95.4 80.9 68.1 75.2 141 137 120 181 Cr 83.5 67.5 75.2 43.9 36.4 48.3 70.3 31.9 31.7 27.5 50.1 Ni 14.3 13.5 11.3 9.54 9.65 15.3 8.56 12.6 11 15.2 17.1 U 1.32 1.01 1.21 0.9 1.02 0.64 0.82 0.78 0.73 0.46 0.51 Pb 11.7 8.16 8.58 8.53 10 6.84 8.28 6.58 7.18 4.6 3.93 Sr/Y 6.58 7.82 7.06 7.53 7.16 11.16 15.52 10.26 11.02 17.67 14.93 La/Yb 4.32 5.15 5.50 5.38 4.09 2.58 4.92 3.70 3.44 3.13 2.75 La/Nb 3.30 4.65 4.13 3.60 3.96 5.35 4.58 3.72 4.21 5.25 4.13 （La/Yb）N 2.91 3.47 3.71 3.63 2.76 1.74 3.31 2.49 2.32 2.11 1.85 Th/Yb 1.02 0.88 1.05 1.06 0.91 0.28 0.91 0.71 0.59 0.30 0.29 Nb/Yb 1.31 1.11 1.33 1.50 1.03 0.48 1.07 0.99 0.82 0.60 0.67 ∑REE 107.7 108.8 109.4 97.3 94.5 86.7 96.8 85.7 87.7 66.7 76.4 Eu/Eu* 0.81 0.85 0.81 0.81 0.89 0.87 0.81 0.82 0.92 1.15 0.95 Ce/Ce* 1.03 1.00 1.00 1.01 1.00 1.00 1.02 1.01 1.03 0.99 0.98 ![]()
Figure 6. （a） Primitive mantle normalized trace element patterns of the andesite from the Bayingou formation in the North Tianshan belt and （b） Chondrite-normalized REE distribution pattern of the andesite from the Bayingou formation in the North Tianshan belt所有样品显示相似的稀土配分模式，在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图上（图6b），测试的样品具有轻稀土（LREE）富集的右倾型分布特征，LREE的值介于49.85×10−6～89.86×10−6，平均值为72.94×10−6；重稀土（HREE）的值介于16.86×10−6～23.56×10−6，平均值为19.57×10−6。LREE/HREE值在2.68～4.65之间变化，（La/Yb）N值介于1.74～3.71，显示出轻稀土略富集的特征。稀土总量∑REE为66.71×10−6～109.37×10−6， 低于地壳平均组成。样品Eu/Eu*值为0.81～0.95，存在弱的Eu负异常（图6a），表明岩浆源区可能经历了少量斜长石分离结晶作用（Hugh, 1993）。
4.4 安山岩锆石U-Pb年代学分析结果
选取安山岩中的33颗锆石进行U-Pb同位素分析（表4），安山岩中的锆石多为无色透明，大部分为自形−半自形，呈短柱状−长柱状，颗粒长×宽为100～200 μm×50～90 μm，长宽比为1∶1到3∶1。锆石阴极发光图像（CL）显示锆石发育较窄的震荡环带（图7），表明锆石结晶时的岩浆温度较低，微量元素的扩散速度较慢。结合锆石晶形以及无继承性锆石的发现，表明所有锆石均具有岩浆成因锆石的特征（Rubatto et al., 2000）。锆石Th/U值为0.06～0.69，除一颗锆石为0.06外，其余颗粒Th/U值均＞0.30，平均值为0.39，进一步表明其为岩浆成因。获得的锆石206Pb/238U表面年龄集中于320～330 Ma之间，加权平均年龄为（324.1±1.1） Ma（MSWD=1.5）（图8）。在206Pb/238U vs. 207Pb/235U同位素年龄谐和图上，数据点基本位于谐和曲线上（图8），表明锆石在形成后没有明显的Pb丢失。因此，该年龄代表巴音沟安山岩的形成时代，属于早石炭世晚期霍夫期。
表 4 北天山巴音沟安山岩锆石LA-ICP-MS测年结果Table 4. LA-ICP-MS U-Pb dating results of zircons from the andesite from the Bayingou Formation in the North Tianshan belt测点号 含量（×10−6） 同位素比值 年龄（Ma） Pb U 206Pb/238U 1σ err% 207Pb/235U 1σ err% 207Pb/206Pb 1σ err% 208Pb/232Th 1σ err% 232Th/238U 1σ err% 206Pb/238U 1σ 207Pb/235U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 1 2.46 48.65 0.0509 0.0005 1.01 0.4910 0.0484 9.86 0.0699 0.0072 10.35 0.0102 0.0006 5.89 0.3900 0.0010 0.26 320.2 3.2 405.6 40.0 926.1 212.5 2 5.89 114.73 0.0520 0.0004 0.71 0.3818 0.0171 4.48 0.0532 0.0024 4.49 0.0115 0.0004 3.11 0.3851 0.0018 0.46 326.8 2.3 328.4 14.7 339.3 101.7 3 3.43 68.20 0.0510 0.0004 0.87 0.4336 0.0380 8.77 0.0617 0.0059 9.49 0.0123 0.0008 6.15 0.3211 0.0009 0.28 320.5 2.8 365.7 32.1 663.4 203.4 4 3.96 76.61 0.0511 0.0004 0.82 0.4148 0.0265 6.40 0.0588 0.0037 6.36 0.0102 0.0003 2.69 0.5403 0.0020 0.37 321.5 2.6 352.4 22.5 560.7 138.6 5 3.38 66.77 0.0520 0.0005 0.90 0.3837 0.0330 8.61 0.0535 0.0047 8.77 0.0102 0.0005 5.03 0.3676 0.0008 0.20 326.6 2.9 329.8 28.4 352.2 198.1 6 2.69 51.63 0.0511 0.0005 0.96 0.3895 0.0542 13.92 0.0553 0.0081 14.58 0.0160 0.0009 5.36 0.3836 0.0017 0.45 321.2 3.1 334.0 46.5 424.5 325.3 7 3.90 76.00 0.0516 0.0004 0.75 0.3816 0.0332 8.70 0.0537 0.0048 8.92 0.0142 0.0006 3.97 0.3441 0.0011 0.33 324.1 2.4 328.3 28.5 358.1 201.4 8 5.83 111.22 0.0520 0.0003 0.65 0.3888 0.0241 6.20 0.0542 0.0034 6.19 0.0140 0.0004 3.07 0.4061 0.0015 0.38 326.8 2.1 333.5 20.7 380.1 139.2 9 3.34 62.51 0.0524 0.0005 0.86 0.3803 0.0491 12.91 0.0527 0.0070 13.38 0.0153 0.0007 4.32 0.4272 0.0011 0.25 329.0 2.8 327.3 42.3 315.1 304.3 10 11.55 223.71 0.0510 0.0003 0.58 0.3702 0.0110 2.98 0.0526 0.0016 2.96 0.0115 0.0003 2.42 0.5087 0.0010 0.21 320.8 1.9 319.8 9.5 312.6 67.3 11 5.42 103.17 0.0518 0.0004 0.68 0.3794 0.0229 6.03 0.0531 0.0032 6.02 0.0120 0.0003 2.76 0.4993 0.0059 1.19 325.7 2.2 326.6 19.7 332.7 136.4 12 2.91 57.39 0.0509 0.0004 0.86 0.3815 0.0352 9.22 0.0543 0.0051 9.35 0.0110 0.0005 4.22 0.4392 0.0009 0.21 320.2 2.8 328.1 30.3 384.4 210.1 13 2.68 51.16 0.0508 0.0004 0.85 0.4204 0.0443 10.54 0.0600 0.0065 10.81 0.0172 0.0006 3.71 0.3792 0.0006 0.16 319.7 2.7 356.3 37.6 602.7 233.9 14 4.39 86.08 0.0513 0.0004 0.75 0.4469 0.0252 5.64 0.0632 0.0035 5.50 0.0119 0.0004 3.72 0.3669 0.0040 1.10 322.2 2.4 375.1 21.2 716.3 116.8 15 3.76 72.06 0.0520 0.0004 0.84 0.3779 0.0492 13.02 0.0527 0.0072 13.61 0.0125 0.0006 5.08 0.4344 0.0026 0.60 326.9 2.8 325.5 42.4 315.4 309.5 16 3.53 67.76 0.0524 0.0004 0.80 0.3759 0.0327 8.70 0.0521 0.0047 8.97 0.0124 0.0006 4.48 0.4036 0.0014 0.34 329.0 2.6 324.0 28.2 288.0 205.0 17 7.24 143.78 0.0514 0.0003 0.60 0.3859 0.0132 3.41 0.0544 0.0018 3.37 0.0129 0.0004 3.20 0.3014 0.0010 0.32 323.4 1.9 331.4 11.3 387.9 75.7 18 3.41 66.79 0.0509 0.0004 0.81 0.4694 0.0326 6.95 0.0669 0.0046 6.89 0.0140 0.0006 4.29 0.3302 0.0010 0.29 320.0 2.6 390.8 27.2 834.1 143.5 19 3.09 62.22 0.0519 0.0004 0.81 0.3807 0.0514 13.49 0.0533 0.0075 14.10 0.0440 0.0022 4.91 0.0628 0.0003 0.56 325.9 2.6 327.6 44.2 339.6 319.3 20 7.71 150.00 0.0513 0.0003 0.62 0.3793 0.0136 3.59 0.0537 0.0019 3.51 0.0155 0.0004 2.59 0.3429 0.0019 0.54 322.2 2.0 326.5 11.7 357.3 79.2 21 9.60 185.82 0.0518 0.0003 0.60 0.3872 0.0123 3.17 0.0542 0.0017 3.11 0.0170 0.0004 2.61 0.2968 0.0010 0.33 325.6 1.9 332.3 10.5 379.8 69.9 22 5.06 99.43 0.0508 0.0003 0.68 0.3780 0.0275 7.27 0.0539 0.0039 7.26 0.0180 0.0006 3.31 0.2832 0.0021 0.75 319.7 2.2 325.5 23.7 367.6 163.6 23 3.38 67.54 0.0517 0.0004 0.76 0.4205 0.0279 6.63 0.0590 0.0039 6.57 0.0090 0.0004 4.13 0.3271 0.0007 0.21 325.1 2.5 356.4 23.6 565.5 143.1 24 4.69 88.59 0.0519 0.0004 0.73 0.3863 0.0346 8.96 0.0540 0.0049 9.03 0.0210 0.0008 3.65 0.3040 0.0007 0.23 326.3 2.4 331.7 29.7 369.4 203.4 25 8.48 164.62 0.0515 0.0003 0.60 0.3781 0.0132 3.49 0.0533 0.0018 3.43 0.0160 0.0004 2.69 0.3283 0.0010 0.31 323.4 1.9 325.6 11.4 341.1 77.6 26 3.25 60.72 0.0525 0.0005 0.87 0.3877 0.0443 11.44 0.0536 0.0063 11.70 0.0150 0.0006 3.69 0.4349 0.0014 0.32 329.7 2.9 332.7 38.0 353.5 264.3 27 2.78 53.94 0.0523 0.0007 1.27 0.3883 0.0692 17.83 0.0539 0.0318 59.02 0.0130 0.0014 10.51 0.3458 0.0015 0.42 328.5 4.2 333.1 59.4 365.3 1330.4 28 2.68 52.49 0.0512 0.0005 0.89 0.3960 0.0377 9.52 0.0561 0.0056 9.92 0.0130 0.0005 4.09 0.3775 0.0027 0.73 321.6 2.9 338.7 32.2 457.8 219.9 29 9.74 176.04 0.0519 0.0003 0.57 0.3961 0.0104 2.64 0.0553 0.0014 2.60 0.0130 0.0003 2.08 0.6929 0.0019 0.28 326.4 1.9 338.8 8.9 424.6 57.9 30 2.99 56.37 0.0509 0.0004 0.83 0.4416 0.0487 11.04 0.0629 0.0072 11.44 0.0200 0.0009 4.52 0.3515 0.0016 0.45 320.3 2.6 371.4 41.0 704.0 243.4 31 19.42 353.67 0.0516 0.0003 0.57 0.3778 0.0061 1.62 0.0531 0.0008 1.57 0.0150 0.0003 1.85 0.5965 0.0011 0.18 324.6 1.9 325.4 5.3 331.4 35.7 32 2.91 54.48 0.0525 0.0004 0.78 0.3802 0.0369 9.70 0.0526 0.0053 10.11 0.0143 0.0005 3.39 0.4416 0.0007 0.16 329.6 2.6 327.2 31.7 310.1 230.2 33 3.05 57.83 0.0512 0.0005 0.91 0.3748 0.0401 10.71 0.0531 0.0060 11.25 0.0155 0.0006 3.99 0.4440 0.0008 0.18 321.8 2.9 323.2 34.6 333.5 255.1 注：表中所列误差均为1σ误差。 ![]()
图 7 北天山巴音沟安山岩中锆石阴极发光CL图像Figure 7. Cathodoluminescence (CL) images of the andesite from the Bayingou in the North Tianshan belt![]()
图 8 北天山巴音沟安山岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图（a）和加权年龄图（b）Figure 8. (a) Concordia diagram and (b) weighted average age diagram of zircon LA-ICP-MS U-Pb data for the andesite from the Bayingou in the North Tianshan belt5. 讨论
野外调查表明，所测的样品基本新鲜无蚀变，且主量元素分析表明所有样品的烧失量LOI较低，介于2.26%～6.21%，平均值为3.67%，烧失量LOI和U、Pb、Rb等元素之间没有明显的线性相关关系。因此，本次研究所采集的安山岩整体上较为新鲜，蚀变作用对元素含量的变化影响较小（Ashwal et al., 2006）。
5.1 岩石成因
安山岩的研究虽然已经超过半个多世纪，但安山岩的岩石成因仍然存在着巨大的争议（Wang et al., 2023）。安山岩成因和构造环境较为复杂，目前成因仍存在较大的争议，主要包括玄武质岩浆的分离结晶；俯冲洋壳及其沉积物的直接熔融；基性岩浆和酸性岩浆混合（Streck et al., 2007）；基性地壳的部分熔融以及含水地幔的部分熔融等（Wood et al., 2009）。文中巴音沟安山岩整体具有相对低的MgO（＜3%）、Ni（8.56×10−6～17.1×10−6）、Cr（27.5×10−6～83.5×10−6）和V含量（68.1×10−6～181×10−6），与含水地幔直接熔融产生的高MgO、Cr、Ni特征不一致。如果来自于地幔源区，后期必须经历较高程度的分离结晶作用，但在La vs. La/Yb图解中（图9a），所有样品均显示出部分熔融趋势，分离结晶作用不明显。此外，如果样品经历明显的分离结晶作用，研究区需要有伴生的同源的基性岩浆作用，并且它们之间往往存在着紧密的演化关系。然而，野外调查显示，在空间上，除了少量的超镁铁质岩石外，缺乏基性岩浆结晶分异的典型岩石组合，即缺乏时空上密切联系的玄武岩−安山岩−英安岩−流纹岩组合。因此，笔者研究的安山岩样品可能不是交代地幔的部分熔融以及幔源岩浆结晶分异的产物。俯冲洋壳及其沉积物的直接熔融也是产生安山岩的一个重要途径。通常，俯冲洋壳的部分熔融形成的安山岩通常显示出轻稀土分馏强烈并特别亏损重稀土，具有埃达克岩的地球化学，这与文中的安山岩中的地球化学特征明显不一致（表3，图6a、图6b），暗示了研究区的安山岩不是起源于俯冲洋壳及其沉积物直接的熔融。另外，安山岩样品具有明显的Pb（3.93×10−6～11.7×10−6）正异常和高的Th（0.75×10−6～3.65×10−6）、U（0.46×10−6～1.32×10−6）含量，显示出典型陆壳地球化学特征，明显高于平均上地幔值（Rudnick et al., 2003）。此外，样品的La/Nb值为3.30～5.35，也远高于地幔的数值（1.0），接近于地壳平均值（2.2）（Rudnick et al., 2003），进一步表明文中研究的安山岩有来自于壳源物质的贡献。但值得注意的是，本次研究的安山岩样品具有高的Mg#值（＞45），类似于高Mg#安山岩的部分地球化学特征（Kelemen, 1995）。实验岩石学表明，基性地壳部分熔融产生的长英质熔体的Mg#值通常＜45（Rapp et al., 1995），高Mg#值暗示了幔源物质的贡献。此外，样品总的稀土含量低于地壳平均组成，也表明安山岩形成过程中有地幔物质加入。在图9b中，所有样品位于地壳熔体和地幔熔体的AFC曲线上，进一步暗示了地幔物质在安山岩成岩过程中的作用。结合安山岩成因模型，笔者研究的安山岩可能是壳幔混合的结果，在MgO vs. FeOT图解中（图5h），所有样品均落入岩浆混合的趋势线上，也进一步支持这一推论，表明安山岩是岩浆混合的产物。此外，哈克图解中的非线性关系也可能是岩浆混合作用的结果。在主量元素判别图解中（图9c），安山岩样品具有低的Al2O3/（FeOT+MgO）值（摩尔比值），落在变玄武岩或变英云闪长岩的区域附近，表明安山岩可能源自基性下地壳的部分熔融，这与样品具有弱的Eu异常或无Eu异常特征相吻合。
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图 9 北天山巴音沟安山岩岩石地球化学图解 La vs. La/Yb图解（a）（矿物分离结晶模拟据Ersoy et al., 2010）、Mg# vs. SiO2 图解（b）（地壳AFC曲线据Stern et al., 1996）、主量元素成分判别图解（c）（底部据Altherr et al., 2000修）、Y vs. Sr/Y图解（d）（据Tatsumi, 2006）Figure 9. (a) Petro-geochemical diagrams of the andesite in Bayingou of the North Tianshan belt La vs. La/Yb diagram, (b) Mg# vs. SiO2 diagram, (c) Major element compositional diagram and (d) Y vs. Sr/Y diagram实验岩石学证明，在压力约为0.8Gpa时，基性下地壳发生部分熔融时，残留相为角闪石+斜长石±斜方辉石，但是无石榴子石；当压力升高到1.6GPa时，主要矿物残留相为石榴子石+单斜辉石±角闪石±斜长石±斜方辉石。本次研究的安山岩样品均落入岛弧安山岩区域（图9d），而非加厚地壳的埃达克岩区域，和阿留申、濑户内以及小笠原岛弧的高Mg安山岩明显不同，表明北天山巴音沟安山岩岩浆源区深度不大，这与研究的安山岩样品没有明显的HREE亏损相一致。结合研究区地质背景，笔者研究的安山岩可能形成于俯冲的弧环境即汇聚板块边缘，交代的地幔楔物质发生部分熔融产生的基性岩浆底侵于基性下地壳并使其发生熔融，产生的熔体与地幔岩浆混合是巴音沟安山岩的可能的成岩模式。
5.2 构造环境
长期以来，巴音沟中基性火山熔岩形成的构造环境划分存在着较大的分歧。部分学者这些中基性火山岩主要形成于伸展背景的弧后盆地（王作勋等，1990；高长林等，1995），但舒良树等（2001）认为这些中基性火山岩熔岩很可能形成与弧前盆地环境。肖序常等（1992）认为这些中基性火山岩和北天山晚古生代洋盆的形成有关，是洋盆演化后期的残留物，并且进一步指出北天山洋盆的打开和准噶尔古生代洋盆向北的俯冲导致岩石圈的拉伸有关。另外，还有部分学者得出，巴音沟混杂岩主要形成于碰撞造山的后期，形成于典型的伸展环境，是裂谷拉伸向大洋裂谷转换时的产物，记录了红海型洋盆早期的演化历史记录（夏林圻等，2002，2003；徐学义等，2006）。
前已述及，笔者研究的巴音沟混杂岩中的安山岩与全球典型岛弧安山岩（Condie, 1981；张保民等，1992）具有非常相似的地球化学特征，仅显示Al2O3、CaO、Eu稍低，高场强元素Hf稍高的特征。在三角图解Ti/100-Zr-Y×3图解（图10）中，样品落入岛弧拉斑和MORB及岛弧钙碱性区域，进一步支持这些安山岩可能形成于俯冲的岛弧环境或洋中脊环境。但笔者研究的样品为典型的中性岩，不是洋中脊玄武岩。此外，样品稀土和微量元素组成也与洋中脊玄武岩典型的左倾稀土配分模式和亏损不相容元素不相符，因此，文中研究的安山岩非古生代洋盆残留，而很有可能形成于典型的弧环境。参考近十年来对大陆边缘和大陆内部钙碱性火山岩的研究发现，研究区内安山岩不具备“伸展型钙碱性火山岩”的典型特征（Mccarron et al., 1998；李伍平等，1999），也表明该安山岩可能形成于俯冲带环境。此外，文中的安山岩样品具有低的TiO2、K2O+Na2O和P2O5含量，以及低的Fe2O3T%/MgO%（＜2.0）和K2O/Na2O值（＜0.8），显示出弧火山岩的地球化学特征（李伍平等，1999）。
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图 10 安山岩Ti/100-Zr-Y×3图解（Pearce et al., 1973）A. 岛弧拉斑玄武岩区；B. MORB、岛弧拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩区；C. 钙碱性玄武岩区；D. 板内玄武岩Figure 10. Ti/100-Zr-Y×3 diagram of the andesite在俯冲带环境中，弧岩浆岩的源区物质主要来自于以下4个方面：①地幔楔中富水橄榄岩的部分熔融。②俯冲带中的熔/流体交代岩。③俯冲板片部分熔融形成的熔体。④大陆地壳物质的同化混染（李伍平等，1999；李源等，2011）。在岩浆作用过程中，部分高场强元素，如Zr、Hf、Nb等元素在蚀变和变质作用过程中具有良好的稳定性，是判别岩石成因和岩浆源区的良好示踪剂（Hugh, 1993；Macdonald et al., 2000）。故选用Hf、Th、Nb等元素的相关图解来判别岩石的形成环境。在与板块俯冲有关的火山岩的Th/Yb vs. Nb/Yb图解（图11a）中，所有样品都落在大陆岛弧火山岩和大洋岛弧火山岩的重叠区域，显示出巴音沟安山岩很有可能形成于汇聚板块的边缘环境，而非裂谷环境；在La/Yb-Th/Yb判别图解中（图11b）中，所有样品也均落入岛弧环境中，具有俯冲带岩浆岩的地球化学特征（Kelemen et al., 1990）。
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Figure 11. （a） Th/Yb versus Nb/Yb for the andesite and （b） La/Yb vs. Th/Yb diagram for the andesite综合本研究和前人在本研究区附近开展的基性岩与酸性岩的工作，火山岩自SE向NW显示由基性−中性−酸性的演化规律，反映形成于岛弧或活动大陆边缘钙碱性火山系列的演化规律（宋红伟等，2019；李继磊，2021）。此外，在野外所见的安山岩与其他岩石，经镜下鉴定有一部分为岩屑凝灰岩、凝灰质粉砂岩和岩屑砂岩。凝灰质粉砂岩代表较深水沉积，而岩屑砂岩代表了浅水沉积的环境，这一点在地质报告及前人的研究中也得到了证实（王博等，2006；刘冬冬等，2012）。这些火山岩岩浆具有不连续喷发的特点，同样可以说明此火山岩形成于俯冲带之上的弧火山环境中。
笔者研究的安山岩样品呈钙碱性，富集大离子亲石元素，相比较重稀土而言，轻稀土则相对富集，具有右倾的配分模式，且亏损Nb、Ti、P等高场强元素，也显示出弧岩浆岩的地球化学特征，是俯冲作用过程中，俯冲板片脱水，含水流体相携带LREE和大离子亲石元素等流体活动性元素进入上覆地幔楔，而高场强元素保留在残余板片中（宋彪等，2002），说明岩浆源区受到俯冲带流体的交代或者其母岩浆源区是俯冲流体交代地幔楔部分熔融的产物。较高的Ba/La值（表3）说明俯冲带流体对弧岩浆源区的影响较为显著。随后，地幔楔部分熔融形成的母岩浆使其上覆的基性下地壳发生熔融，中−基性岩浆混合形成岛弧特征的安山质岩浆。巴音沟的安山岩与邻区阿尔巴萨依组火山岩和阿希火山岩的稀土、微量元素地球化学特征十分相似，表明其可能形成于相似的构造背景，即形成于俯冲带之上的岛弧构造环境。
5.3 火山岩时代
北天山带的主体由泥盆系凝灰质砂岩、凝灰岩、板岩、千枚岩、灰岩和中基性火山岩，下石炭统凝灰质粉砂岩，以及上石炭统碎屑岩和火山碎屑岩组成，上述岩石组合被认为是增生杂岩的组成部分（Condie, 1989；Wang et al., 2016）。其与伊犁地块和中天山地块以北天山缝合带为界（图1a），这条缝合带由北天山断裂带、高压变质作用形成的蓝闪石-多硅白云母片岩、以及混杂岩残片构成（Condie, 1989；Xiao et al., 2013；Wang et al., 2016）。长期以来，对巴音沟组蛇绿岩时限的界定是通过基性的辉长岩、辉绿岩与酸性的斜长花岗岩的锆石U-Pb测年与放射虫硅质岩中放射虫及牙形石微体化石定年确定的，如蛇绿混杂岩中斜长花岗岩和辉长岩的锆石U-Pb年龄分别为（324.8±7.1）Ma和（344.0±3.4）Ma（徐学义等，2006；Li et al., 2015）。因而，笔者对巴音沟组中性安山岩岩石地球化学和年代学的研究，在岩石共生组合方面填补了对于中性岩年代学的空白，也有助于确定不同岩性岩石之间的共生组合关系，并进一步确定火山岩的形成环境。
本次研究对巴音沟火山岩中安山岩进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年，结果显示，该安山岩的年龄为（324.1±1.1）Ma，从锆石形态、锆石内部结构及锆石的U-Pb同位素等方面来分析，安山岩的锆石并非在喷发过程中捕获的锆石，也并非经历后期变质的变质锆石，代表着安山岩形成的年龄，这一年龄代表着大洋板块向大陆板块之下俯冲并经部分熔融所形成的安山岩岩浆在喷发就位过程的时限。
巴音沟混杂岩周围出露大量的花岗岩体，部分花岗岩体切穿了混杂带（徐学义等，2006；Han et al., 2010），表明花岗岩侵入时间在北天山洋闭合之后。洋壳硅质岩中所含的晚泥盆世—早石炭世的放射虫化石（肖序常等，1992）以及斜长花岗岩中锆石的SHRIMP U-Pb年龄（325±7）Ma（徐学义等，2006），共同界定了洋盆消减的时限。Han 等（2010）对上述花岗岩进行了详细的SHRIMP锆石U-Pb定年，得到其年龄在315～266 Ma范围内，与天山北部准噶尔盆地对应，属于后碰撞时期；依据斜长花岗岩的研究，得到准噶尔南缘的巴音沟混杂岩带的形成时限为325～316 Ma。此外，本组安山岩与本区斜长花岗岩以及邻区同带的阿尔巴萨组火山岩、前峡组火山岩和四棵树花岗闪长岩对比发现，基性−中性−酸性火山岩均属于钙碱性火山岩，且形成年代也较为相近。巴音沟斜长花岗岩（324.8±7.1）Ma（徐学义等，2006），阿尔巴萨组流纹岩（307.2±1.3）Ma（刘冬冬等，2012），四棵树花岗闪长岩（315.9±2.5）Ma（Han et al., 2010）。岩石共生组合与地球化学方面均符合岛弧−活动大陆边缘带的特点，表明北天山地区在早石炭世晚期—晚石炭世早期发生俯冲，北天山洋在该时期尚未闭合。
6. 结论
（1）巴音沟安山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年的加权平均年龄为（324.1±1.1）Ma（MSWD=1.5），代表了古亚洲洋开始俯冲后安山岩形成的时代，即早石炭世晚期。
（2）巴音沟安山岩是幔源岩浆和壳源岩浆混合的产物，其中幔源岩浆与俯冲流体交代上覆地幔楔的部分熔融有关，壳源岩浆是基性下地壳的部分熔融。
（3）对比西天山及邻区石炭纪火山岩岩石学和地球化学表明，西天山石炭纪火山岩中的安山岩形成于俯冲带之上的大陆边缘环境，是北天山洋向伊犁−中天山板块俯冲的产物。
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图 2 黄泥沟支沟河水汇入蒿坪河主河道后的白水带照片
Figure 2. Photo of the white water zone after the water of the Huangnigou branch flows into the main channel of the Haoping river
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图 3 陈家沟河水与魔芋厂排水混合后的白水带照片
Figure 3. Photo of the white water band after mixing the water of the Chenjiagou river with the drainage of the konjac factory
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图 8 小米溪沟下游沟道白色浑浊河水照片
Figure 8. Photo of white turbid river water in the lower channel of Xiaomixigou
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图 9 小米溪沟河水汇入主河道后的白色胶状物照片
Figure 9. Photo of white gel after the water of Xiaomixigouflows into the main channel
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图 10 屠家沟废弃矿硐积水潭磺水与白水胶状物照片
Figure 10. Photo of yellow and white water glue in the pondof Tujiagou abandoned mine
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图 11 勉汝河河道黄色与白色较状物照片
Figure 11. Photo of yellow and white contrasts in the course of the Mianru river
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图 12 地表水样品中铝离子污染等级百分比图
Figure 12. Percentage of aluminum ion contamination levels in surface water samples
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图 13 研究区河水Al离子超标倍数等级点状分布图
Figure 13. The dot–like distribution of Al ions exceeding the standard multiple grade in the study area
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图 14 七堰沟中上游河水中白色污染形成与废石渣堆的关系图
Figure 14. The relationship between white pollution in the middle and upper reaches of the Qiyangou river and the waste residue pile
表 1 研究区河水中有关参数含量特征值统计表
Table 1 Characteristic values of relevant parameter content in river water in the study area
特征值 pH值 Al（mg/L） SO42–（mg/L） 最小值 2.76 0.012 6.21 最大值 9.34 186 6963 平均值 5.94 8.6 478.58 众数 6.68 –① 169.0 中位数 6.35 0.67 135.0 标准离差 1.43 82.58 997.1 标准限值③ 6～9 0.2② 250 注：①污染物未检出的含量按0处理；②铝执行生活饮用水卫生标准（GB5749–2006）；③其余污染物执行《地表水环境质量标准（GB3838–2002）》二类水标准。 
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表 2 主要河流断面3期河水样品污染物参数的平均值统计表
Table 2 Average of pollutant parameters of river water samples from phase 3 of major river sections
河流名称及断面 pH值 Al（mg/L） Fe（mg/L） SO42−（mg/L） 蒿坪河（滴水崖水库下游） 7.31 0.079 0.014 110.000 北沟口 6.97 0.696 0.014 73.033 铁炉沟口 7.25 0.066 0.014 95.433 堰沟河口 5.65 2.033 0.116 321.333 陈家沟口 4.6 11.881 0.076 471.000 涂家沟口 7.18 0.338 0.030 256.500 七堰沟口 6.32 1.818 0.014 135.833 大（小）沟口 7.42 3.349 0.244 150.333 板沟口 5.94 0.603 0.023 154.500 大磨沟口 7.08 0.201 0.033 170.500 小磨沟口 3.61 45.542 0.796 1133.333 黄泥沟口 4.03 43.061 0.368 856.667 猪槽沟口 4.27 59.106 0.406 926.667 大堰沟口 7.21 2.203 0.017 265.167 蒿坪河入汉江回水区断面 7.32 1.783 0.011 90.000 蒿坪河入汉滨区断面 7.34 0.322 0.050 163.750 勉汝河 6.88 0.498 0.014 86.933 小米溪沟废渣坝下 3.26 179.657 8.023 3336.667 小米溪沟污水处理厂出水口下游 3.39 119.734 13.133 2250.833 小米溪沟口 4.42 53.927 0.176 1171.167 大米溪沟口 7.55 0.249 0.014 98.167 标准限值 6~9 0.2 0.3 250
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表 3 研究区石煤矿石及围岩中主要化学组分含量
Table 3 The content of chemical components in rock, coal ore and surrounding rock in the study area
SiO2（%） Al2O3（%） FeO（%） Fe2O3（%） MnO（%） 石煤矿石 47.60 6.52 2.4 1.75 0.076 石煤角砾岩 39.87 16.29 1.8 5.57 0.044 粗面岩和碱性玄武岩 40.24 12.12 8.17 6.33 0.162 板岩 52.84 13.09 2.49 3.93 0.12
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表 4 露天煤矿2#废渣堆底部渗流水pH及污染物含量及超标倍数
Table 4 pH and pollutant content and excessive multiple of seepage water at the bottom of the 2# waste residue pile in open–pit coal mine
送样号 pH值 Al SO42− TFe 备注 含量（mg/L） 超标倍数 含量（mg/L） 超标倍数 含量（mg/L） 超标倍数 S21-1 3.0 116 579 3250 12 42.6 141 废渣堆底部渗流水 S21-2 3.02 152 759 4920 18.68 63.501 210.67 S21-4 3.06 134 669 2080 7.32 27.45 90.5 S21-5 3.26 57.6 287 2100 7.4 68.901 228.67 S21-6 3.15 4.98 23.9 2070 7.28 306.579 1020.93 S21-7（对照点） 6.62 1 - - - 上游支沟清水 相关标准值 6～9 0.2 250 0.3
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表 5 七堰沟上游溪水中pH及污染物超标倍数统计表
Table 5 The pH and pollutants in the upstream stream of Qi Yangou exceeded the standard multiple
采样点 pH Al SO42– TFe 河流颜色 S21-11 4.44 40.25 – – 沟脑溪流清水 S21-16 4.37 76.50 0.104 – 沟脑溪流清水 S21-17 4.50 40.05 – – 河水白色浑浊 S21-12 7.08 – – – 清水 S21-13 8.05 – – – 局部可见磺水 S21-14 5.53 3.05 – – 可见白色污染 S21-15 6.36 0.75 – – 河水白色浑浊 S21-18 4.80 10.05 – – 河床可见白色沉淀物 注：“–”表示未超标地表水二类标准。
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表 6 河水中pH值与污染物的相关关系统计表
Table 6 Correlation between pH and pollutants in river water
pH值 Al Fe SO42– pH 1 Al −0.799** 1 Fe −0.576** 0.824** 1 SO42- −0.814** 0.993** 0.822** 1 注：*表示p<0.05；**表示p<0.01。
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表 7 小米溪沟河水沿程河水颜色、pH值及Al离子含量统计表
Table 7 The color, pH and aluminum ion content of the river along the Xiaomixigou river
样号 河水颜色 pH值 Al（mg/L） S423 石煤矿废渣库坝下10 m处清水 3.14 243.20 S424 河水进入酸碱中和处理站之前的清水 3.18 248.88 S425 酸碱中和处理站排水，清水 8.9 11.00 S427 处理站排水与河水混合后河水，淡黄色 8.72 7.67 S428 淡黄色 3.75 120.78 S429 黄色，浑浊 3.91 89.03 S430 黄色，浑浊 4.53 109.19 S432 中游黄中带白，浑浊 3.61 122.57 S433 下游黄白，浑浊 3.74 92.81 S434 汉江汇水前黄中带白，浑浊 4.51 85.25
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1. 黄河，王涛，童英，张建军，王朝阳. 中国西天山古生代岩浆岩时空架构、源区特征及构造背景. 西北地质. 2024(06): 25-43 . 
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