汇聚板块边缘镁铁质岩浆岩通常记录了俯冲地壳物质再循环,是研究俯冲带不同类型壳幔相互作用、俯冲带构造演化和造山带地幔性质的重要载体。位于中亚造山带中国境内西南端的西天山被认为是古亚洲洋的分支在俯冲消减过程中由多陆块、岛弧、海山和增生杂岩发生碰撞或者拼贴的产物。伊犁-中天山板块自早古生代以来受到了北部北天山洋板片俯冲、南部南天山洋板片俯冲的影响,是研究不同类型壳幔相互作用的理想区域。伊犁-中天山板块南北两侧出露有古生代时期不同性质的镁铁质岩浆岩,为识别不同性质俯冲地壳物质再循环以及恢复造山带构造演化历史提供了良好的研究对象。本博士学位论文对西天山北部和南部的古生代镁铁质岩浆岩进行了详细的岩石学和地球化学研究,通过识别不同时代镁铁质岩地幔源区中的再循环地壳组分,定性和定量确定了不同性质板片来源的物质加入地幔源区和不同类型的壳幔相互作用,揭示了大洋板块俯冲的构造演化过程,进一步深化了对俯冲带不同类型地球化学传输过程的认识。很长时间以来,学者们普遍认为,板片流体（富水溶液和含水熔体）交代上覆地幔楔橄榄岩在俯冲带镁铁质火成岩的形成过程中发挥了关键作用。然而,近年来也有学者认为,在板片-地幔界面形成的混杂岩,以固体形式底辟进入上覆地幔楔发生部分熔融,可能也是形成俯冲带弧岩浆岩的重要机制。因此,俯冲地壳物质再循环的形式以及岛弧火成岩的成因机制,一直是俯冲带地球系统科学研究重要的课题。本学位论文通过对西天山北带两类晚古生代镁铁质火成岩的综合研究,识别出俯冲板片来源的富水溶液和沉积物来源的含水熔体在弧岩浆岩的形成中起着关键作用,而非混杂岩底辟形式。锆石和榍石U-Pb定年表明辉长闪长岩和辉绿岩脉的结晶年龄分别为320-317Ma和307Ma。这些镁铁质岩石均呈现典型的岛弧型微量元素分布特征,但在Li同位素和Sr-Nd-Hf同位素组成以及其它地球化学指标上显示出一系列差异。辉长闪长岩富集流体活动性元素（如Rb、Ba、K、Pb和Sr）,具有高的δ7Li和δ18o值,以及亏损的Sr-Nd-Hf同位素组成。相比之下,辉绿岩则表现出富集大离子亲石元素、轻稀土元素和Th等熔体流动元素的特征,具有相对较低δ7Li值、略微富集的Sr-Nd-Hf同位素组成。这两种类型的镁铁质火成岩的Li同位素组成与板片流体指标（如Rb/Nd、Sr/Nd、Nb/U、Th/La、Th/Nd和Th/Yb比值）之间既有系统差异也有明显的相关性。有关这些地球化学差异表明,它们的地幔源区受到了俯冲大洋板片产生的两种不同性质流体的交代作用,而非壳幔混杂岩底辟所导致的。其中,辉长闪长岩的地幔源区受到了玄武质洋壳和远洋沉积物来源的富水溶液的交代作用,而辉绿岩的地幔源区主要受到了远洋沉积物来源的含水熔体的交代作用。这种定性区别也得到了微量元素和Sr-Nd-Li同位素定量模拟计算的支持。因此,这些镁铁质火成岩为理解大洋带中俯冲地壳物质再循环的形式,识别和区分俯冲隧道内不同性质的交代介质（富水溶液和含水熔体）及其与地幔楔橄榄岩的相互作用提供了地球化学证据。俯冲的大洋地壳主要由玄武质洋壳和上覆的沉积物组成,玄武质洋壳和沉积物来源的流体可能都影响着俯冲带之上的弧岩浆作用。虽然俯冲洋壳来源的流体可分为富水溶液和含水熔体,但是在具体研究俯冲带镁铁质岩浆岩地幔源区成因时,对所涉及的这些流体的来源、性质和比例还不明确。本学位论文通过对西天山南带晚古生代镁铁质火成岩全岩主-微量元素和Sr-Nd-Hf-Li同位素,以及锆石Hf-O同位素的联合研究,有效识别和区分了玄武质洋壳和沉积物来源的富水溶液。锆石U-Pb定年表明这些镁铁质岩浆岩的形成时代为313±3Ma至305±1Ma。它们均呈现岛弧型微量元素分布特征、亏损的全岩Nd-Hf同位素但略富集的Sr同位素组成（0.7039-0.7057）。它们还显示出正的锆石εHf（t）值和稍高的锆石δ18O值（5.2-7.6‰）。除此之外,这些样品还具有低的（La/Yb）N、Th/La、Th/Nb和Th/Nd 比值,高的Ba/Th、Ba/La、Pb/Ce和Li/Y 比值,表明它们的地幔源区受到了俯冲洋壳来源富水溶液的交代。全岩Sr同位素与Th/La和Rb/Nb 比值之间存在一定的相关性,表明除了蚀变玄武质洋壳衍生的富水溶液外,陆源沉积物来源的富水溶液对其地幔源区也具有一定贡献。比地幔略高的锆石δ18O值但不同程度降低的全岩δ7Li值（-0.8～3.5‰）,也表明在这些镁铁质火成岩的地幔源区中包含蚀变大洋玄武岩和陆源沉积物来源的富水溶液。微量元素和Sr-Nd-Li同位素的模拟计算也进一步证实了这一推论,即这些镁铁质火成岩的地球化学成分可以通过亏损的MORB地幔橄榄岩与俯冲板片来源的混合流体在弧下深度发生交代反应生成超镁铁质交代岩来解释。因此,地幔楔的化学交代作用是将地壳物质混入大洋俯冲带之上弧岩浆岩地幔源区的关键机制。尽管高镁安山岩（HMA）因其独特的地球化学成分和重要的地质意义而受到越来越多的关注,然而对其成因还没有达成共识。本学位论文通过对西天山北带晚古生代高镁安山岩的研究表明,俯冲陆源沉积物来源的含水熔体在高镁安山岩的形成过程中发挥着关键性作用。西天山北带阿希地区的HMA由玄武安山岩和安山岩组成,它们都表现出岛弧型的微量元素分布特征和弱富集的Sr-Nd-Hf同位素组成。其中一些样品显示出比正常大洋中脊玄武岩（MORB）明显更高的Ba/La、Ba/Th、Rb/Nb和U/Th比值。此外,相对于正常MORB,大多数样品具有较高的Th/Nb、Th/Yb和Th/Nd比值,但相对低的Nb/U比值,类似于陆源沉积物。全岩Nd同位素组成随Rb/Nb 和Th/Yb比值的变化表明,来自俯冲洋壳（蚀变的玄武质洋壳和上覆的陆源沉积物）的富水溶液和陆源沉积物的含水熔体对高镁安山岩的地幔源区都有贡献。此外,锆石高的δ18O值和相比于MORB富集的Hf同位素组成表明,HMA地幔源区中除了俯冲洋壳衍生的富水溶液的贡献之外,还包含陆源沉积物衍生的含水熔体。与玄武安山岩相比,安山岩的大离子亲石元素（LILE）和轻稀土元素（LREE）含量普遍较高,Sr-Nd-Hf同位素也相对富集。这些差异表明安山岩的地幔源区中包含了比玄武安山岩更多的俯冲沉积物衍生的含水熔体。因此,这些熔流体分别与地幔橄榄岩反应形成相对富硅和贫硅的辉石岩,分别作为安山岩和玄武安山岩的地幔源区岩石。这种定性解释通过从俯冲洋壳到地幔楔的地球化学传输的定量模拟得到验证。模拟计算表明,向地幔楔橄榄岩中添加约3%的俯冲洋壳的富水溶液和4-12%的陆源沉积物的含水熔体可以解释HMA的地球化学成分。因此,西天山北带HMA为古生代大洋俯冲带壳幔相互作用提供了地球化学证据,俯冲陆源沉积物衍生的含水熔体在形成高镁安山岩岩石化学饱满、地球化学富集的地幔源区过程中起主导作用。