新疆百口泉闪长岩中高An 值斜长石的成因及岩石学意义*

陈博 朱永峰

CHEN Bo1 and ZHU YongFeng2

1. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，西安地质矿产研究所，西安 710054

2. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871

1. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits，MLR;Xi’an Institute of Geology and Mineral Resources，Xi’an 710054，China

2. School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

2014-04-30 收稿，2014-07-25 改回.

1 引言

岩浆成因的高An 值斜长石(An80-100)常出现在岛弧高铝玄武岩中(Crawford et al.，1987;Fournelle and Marsh，1991)，在洋内弧前环境下发育的玻安岩(Danyushevsky et al.，1997)，以及大洋中脊玄武岩中也有产出高An 值斜长石的实例(Sinton et al.，1993)。由于其形成过程对限定岩浆起源及岩浆演化有重要作用，有关探讨其成因及形成条件的研究工作未曾间断。早期的研究表明形成高An 值斜长石的熔体具有富水的特征，或具有异常高的CaO/Na2O(～3，质量比)，和极高的Al2O3含量(＞16% ～17%)。近年来的研究发现，岩浆中的水饱和程度、岩浆成分、结晶压力以及氧逸度都对高An 值斜长石的产出有控制作用。有关高铝玄武岩的实验发现，高An 值斜长石的形成需要岩浆中的水含量超过6%(Sisson and Grove，1993)，而对于低钾拉斑玄武质体系，最适宜的结晶条件为2 ～3kbar，水饱和状态(Takagi et al.，2005);对于水含量较低的玻安岩，极高的Ca/Na 以及Al/Si 是重要因素，这意味着熔体具有极亏损的特征(Panjasawatwong et al.，1995)。这些实验研究取得的认识，已被天然样品中与斜长石平衡的熔融包裹体的成分所验证(Sisson and Layne，1993;Sobolev and Chaussidon，1996;Roggensack et al.，1997)。随着对高An 值斜长石成因认识的深入，利用其探讨寄主岩石的成因及岩浆演化过程成为可能。Izbekov et al.(2002)通过对1996 年喷发的Karymsky 安山岩中高An 值斜长石斑晶的研究，发现在安山岩喷发之前，曾经有玄武质岩浆注入并与之发生混合;Latypov and Egorova(2012)利用斜长石An 值的变化反演玄武质岩浆在岩浆房中原位结晶的物理过程。

新疆西准噶尔在晚古生代晚期(320 ～300Ma)发育显著的岩浆作用，形成了不同规模的中酸性岩体、岩株。针对这些侵入体的岩石学和Sr、Nd、Hf 同位素研究表明，这些岩体的形成与幔源岩浆高度分异，并与壳源岩浆不同程度混合有关(Han et al.，1997;韩宝福等，1999;Chen and Jahn，2004;Geng et al.，2009;Tang et al.，2010)。大量镁铁质微粒包体(MME)的发现是岩浆混合作用发生的证据(Chen and Jahn，2004;Li et al.，2013)，但对于幔源岩浆早期的分异过程，目前还知之甚少。我们在西准噶尔百口泉地区，发现了含高An 值斜长石(An80-90)的闪长岩体，高An 值斜长石的发现，提供了幔源岩浆参与的直接证据，也为岩浆分异过程提供了重要线索，本文将通过对高An 值斜长石矿物学特征的研究及对其成因的探索，来讨论百口泉闪长岩体的成岩过程。

图1 西准噶尔及邻区大地构造格架简图(a)和西准噶尔地区区域地质图(b，据Zhu et al.，2013)Fig.1 Simplified sketch map of the West Junggar and its adjacent regions (a)and geological map of the West Junngar (b，modified after Zhu et al.，2013)

图2 百口泉地区地质简图及野外照片(a)百口泉及邻区地质图;(b)百口泉岩体附近地质简图及采样点分布;(c)百口泉闪长岩被花岗岩破碎呈岩块及角砾Fig.2 Sketch geological map of Baikouquan area and field photos(a)sketch geological map of Baikouquan and adjacent area;(b)simplified geological map of Baikouquan diorite，showing the sample locatilies;(c)field photos showing dioritic blocks in granite

2 区域地质

新疆西准噶尔地区位于中亚造山带中部(图1a，b)，夹持于成吉斯-塔尔巴哈台褶皱带和天山造山带之间，向西与东哈萨克斯坦相接，两者被认为有共同的演化历史(Zhao and He，2013)。该地区古生代的地质构造演化非常复杂，从早古生代以来持续发育的俯冲增生作用形成了一系列蛇绿岩及增生杂岩，晚古生代发育的岩浆作用形成了在这一地区分布广泛的早石炭世火山沉积建造、晚石炭世-早二叠世大规模中酸性侵入体以及岩墙群(Xiao et al.，2008;Choulet et al.，2012;Zhao and He，2013;Xu et al.，2013;Zhu et al.，2013)。唐巴勒-玛依勒、达拉布特-萨尔托海、白碱滩-百口泉代表了西准噶尔地区主要的蛇绿混杂岩带。这些蛇绿岩的形成时代以及混杂岩带中的岩石组合反映了该地区从早古生代到晚古生代早期经历了多期洋内俯冲、增生过程。晚古生代的中酸性侵入体主要为正长花岗岩，还有部分为闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩。钙碱性系列的岩体、岩株的形成时代为310 ～320Ma，以正长花岗岩为主的岩基形成时代稍晚，为300 ～310Ma(韩宝福等，2006;苏玉平等，2006;魏少妮等，2011;Geng et al.，2009;Yin et al.，2010;Tang et al.，2010;Shen et al.，2012;Li et al.，2013)。这些侵入体普遍具有正的εNd(t)、εHf(t)和低的(87Sr/86Sr)i，具有幔源岩浆与壳源岩浆混合的特征(韩宝福等，1999;Chen and Jahn，2004;Chen and Arakawa，2005)。

在克拉玛依东北50km 百口泉附近产出的闪长岩位于红山岩体边缘(图2a)，出露形状呈狭长状，长约10km，最宽处约3km。在先前的地质图及大量的文献中均被标识为红山岩体的一部分。野外工作发现该岩体侵入到下石炭统凝灰岩中(图2b)，由闪长岩为主，局部出现辉石闪长岩、石英闪长岩和花岗闪长岩，与以正长花岗岩为主的红山岩体不同。在百口泉闪长岩的局部观察到被浅色花岗岩侵入的现象，浅色花岗岩将闪长岩破碎成大小不一、棱角分明的岩块，这些岩块又被浅色花岗岩胶结(图2c)。花岗质的侵入过程很可能对应于红山岩体的形成，因此百口泉闪长岩的形成应该早于红山岩体。

3 岩石学

图3 百口泉闪长岩显微照片(a)百口泉闪长岩主要组成矿物;(b)自形斜长石中包裹浑圆状的高An 值斜长石，构成核-幔结构;(c)斜长石边缘被低An 值斜长石交代形成幔-边结构;(d)发育核-幔-边结构的斜长石;(e、f)角闪石边缘被紫苏辉石和黑云母交代，f 为e 的局部. (a-d)为正交偏光下，(e、f)为单偏光下. Amp-角闪石;Bt-黑云母;Cpx-单斜辉石;Ilm-钛铁矿;Hy-紫苏辉石;Pl-斜长石;Qtz-石英Fig.3 Microphotos of diorite(a)mineral assemblages of the Baikouquan diorite;(b)high-An plagioclase patch in euhedral plagioclase;(c)the rim of plagioclase replaced by low-An plagioclase;(d)the plagioclase with core-mantle-rim structure;(e，f)the rim of amphibole replaced by biotite and hypersthene. Fig.3f is enlarge scale of Fig.3e. (a-d)under cross-polarized light;(e，f)under plane-polarized light. Amp-amphibole;Bt-biotite;Cpx-clinopyroxene;Hyhypersthene;Ilm-ilmenite;Pl-plagioclase;Qtz-quartz

百口泉闪长岩主要由斜长石(70%)、角闪石(14%)、单斜辉石(10%)、石英(3%)黑云母(2%)和钛铁矿(1%)组成(图3a，b)，另有锆石、磷灰石、榍石等副矿物。部分样品中石英含量高(10% ～25%)，为石英闪长岩和花岗闪长岩。闪长岩中斜长石呈自形板柱状，大多发育环带，由核部到边部成分逐渐向富钠质方向变化:由拉长石(平均成分:An58Ab42)逐渐变化到中长石(平均成分An41Ab59);部分斜长石成分相对均匀，无明显环带，成分为拉长石。角闪石呈两种方式产出，一种为短柱状、自形-半自形晶;另一种以不规则状出现在单斜辉石边缘，为交代单斜辉石的产物，两种角闪石的成分一致，均为镁质普通角闪石。单斜辉石呈半自形-自形柱状，边缘多被角闪石或黑云母交代，其成分属于透辉石-普通辉石(En34-39Fs16-19Wo42-49)。黑云母，多分布在角闪石、单斜辉石边缘(图3a)，为交代产物。黑云母成分中含较高的Ti(TiO2约5%)且多与含钛磁铁矿伴生。石英和钛铁矿都呈他形分布在主要矿物间隙。

在一些自形的斜长石的内部包裹着浑圆状或不规则状的斜长石内核(Pl-C)(图3b)。被包裹的斜长石核的边缘多具有港湾状的边界，而内部则裂隙发育，多呈筛孔状，鲜有包裹体。包裹它的自形斜长石(Pl-M)则发育较少的裂隙。与主体斜长石不同，斜长石包裹体没有成分环带，具有极高的钙含量(An 值多在80 以上，部分达到90 以上)(表1)，与包裹它的斜长石之间构成成分的突变(图4a，b)。受浅色花岗岩侵入影响的闪长岩局部发育接触变质，变质矿物组合为:钠质斜长石(An20Ab80)+黑云母+紫苏辉石+钛铁矿。钠质斜长石以次生边(Pl-R)的形式生长在原生斜长石的外侧(图3c)，原生斜长石由核部到边部成分连续变化，而变质成因的斜长石与原生斜长石之间形成突变(图4c，d)。一些斜长石晶体包裹高An 值斜长石，也受到晚期交代作用影响，形成核-幔-边结构(图3d)。变质形成的黑云母，与原生黑云母成分相似，呈多个晶体积聚生长，或与紫苏辉石共生交代原生镁铁质矿物。图3e，f 中展示了两期交代过程:首先是闪长岩成岩过程中，较早结晶的单斜辉石被角闪石交代，仅保留部分单斜辉石残片;在接触变质阶段，由角闪石构成的辉石假象的边缘被黑云母+紫苏辉石组合取代。

表1 斜长石电子探针数据(wt%)Table 1 Representative major element analyses (wt%)of plagioclase core，mantle and rim from Baikouquan diorite

图4 斜长石成分核-幔-边的变化(a、c 为BSE 图像)Fig.4 The composition variations of plagioclase from core to mantle and rim (a，c are BSE photos)

图5 闪长岩(样品J-47)锆石阴极发光图像(a)及定年结果(b、c)Fig.5 Cathodoluminescence (CL)images of zircons (a)and zircon SHRIMP dating results (b，c)from diorite (Sample J-47)

4 锆石U-Pb 年代学

从闪长岩样品J-47 中分选出锆石进行SHRIMP 年代学研究。样品测试在北京离子探针中心完成。测试数据列于表2。样品J-47 中的锆石呈柱状、宽板状，粒径均在100μm以上，阴极发光图像(CL)较暗，部分锆石具有明显的岩浆环带，而部分则不明显(图5a)。锆石的Th、U 含量普遍较高，选择测试的14 个测点中Th 含量:683 ×10-6～3227 ×10-6，U 含量:783 ×10-6～2356 ×10-6，Th/U:0.9 ～1.65。14 个测点均很好的落在谐和线上或附近，其中有2 个测点的表观年龄相对年轻，为298Ma 和299Ma，其他测点的表观年龄在304～325Ma。14 个测点的加权平均年龄为316.9 ± 2.9Ma(MSWD=1.5)(图5b，c)，该数据代表其结晶年龄。

5 地球化学

含高An 值斜长石的闪长岩样品SiO2约53%，含有较高的Al2O3(约20%)、CaO(约9%)，Mg 值较高(≥39)(表3)。花岗闪长岩样品则具有较低的Al2O3、CaO 和Mg 值。图6 中统计了该区域内同时代的中酸性侵入体的数据，这些数据包括克拉玛依岩体的辉石闪长岩、闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩(贺敬博和陈斌，2011;Chen and Arakawa，2005;Li et al.，2013)以及克拉玛依岩体东南侧的闪长岩岩墙(Yin et al.，2010)。这些数据在SiO2与Al2O3、K2O、CaO、MgO 的协变图解中，除了个别样品外，大多数样品近线性分布。三个偏离趋势线的样品被解释为由单斜辉石或角闪石的堆晶造成(Chen and Arakawa，2005)。百口泉闪长岩和花岗闪长岩基本分布在这条演化趋势线上。

表2 百口泉闪长岩(样品J-47)SHRIMP 定年结果Table 2 The zircon SHRIMP dating results of Baikouquan diorite (Sample J-47)

图6 百口泉闪长岩及邻区中酸性侵入岩SiO2 与Al2O3、K2O、CaO、MgO 协变图解Fig.6 Plots of SiO2with Al2O3，K2O，CaO，MgO in Baikouquan diorite and adjacent intrusions

百口泉闪长岩及花岗闪长岩样品的稀土元素含量均在球粒陨石的10 倍以上(表4)。各样品的配分模式均呈右倾型，但分异程度不高。(La/Yb)N在3.3 ～5.0 间。所有样品都没有明显Eu 异常或具有弱正异常(图7a)。在微量元素蛛网图中各样品具有相似配分模式:富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U，亏损Nb、Ta、P、Ti(图7b)。对比前人数据(贺敬博和陈斌，2011;Chen and Arakawa，2005;Yin et al.，2010;Li et al.，2013)，百口泉中酸性侵入体与该区域内同时代的侵入体具有相似的元素配分模式。

表3 百口泉侵入体主量元素分析结果(wt%)Table 3 Major elements compositions (wt%)of Baikouquan intrusive rocks

表4 克拉玛依百口泉侵入体微量元素分析结果(×10 -6)Table 4 Trace elements compositions (×10 -6)of Baikouquan intrusive rocks

图7 百口泉闪长岩、花岗闪长岩稀土元素配分模式(a)及微量元素蛛网图(b)(标准化值据 Sun and McDonough，1989)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b)of Baikouquan diorite and granodiorite (normalization values after Sun and McDonough，1989)

百口泉辉石闪长岩的Sr、Nd 同位素组成均一，87Sr/86Sr:0.7040 ～0.7045，143Nd/144Nd:0.5129 (表5)。由 锆 石SHRIMP 获得的辉石闪长岩年龄为316.9Ma，以此得到初始87Sr/86Sr 为0.7037 ～0.7039，εNd(t)为6.7 ～7.2。百口泉闪长岩(87Sr/86Sr)i、εNd(t)分布范围与克拉玛依岩体基本一致(Chen and Arakawa，2005)，并且与西准噶尔包古图地区的同时代中酸性岩体也大致重合，在地幔演化序列内(Shen et al.，2012)。

6 讨论:高An 值斜长石的成因及意义

百口泉闪长岩中的高An 值斜长石均以包裹体形式出现在自形斜长石中，其成分范围为An80～An90，与包裹它的自形斜长石(An50～An60)具有很宽的成分间隔。闪长岩中的镁铁质矿物从单斜辉石到角闪石，再到黑云母的结晶顺序反映了岩浆体系从贫水向富水方向演化。而高An 值斜长石被低An 值斜长石包裹的现象则反映了岩浆由富水向贫水环境转变。这一矛盾与矿物化学特征都说明，不同类型的斜长石不是同源岩浆连续演化的产物。一些产出于岛弧玄武岩中的高An 值斜长石被看作捕虏晶，认为它们来源于循环到深部的俯冲板片(Kimata et al.，1995)。在阿留申海沟中发现的富钙质斜长石(An90)巨晶支持这种捕虏晶成因模式(Fournelle and Marsh，1991)。但是，高An 值斜长石在百口泉闪长岩中普遍存在的现象，以及还没有发现其他类型的捕虏晶和捕虏体的事实并不支持捕虏晶模式。另一方面，百口泉闪长岩的主、微量元素和同位素数据也没有因为含高An值斜长石而偏离区域内同时期岩浆产物的演化趋势(图6、图7)，这表明在闪长岩的成岩过程中，外来物质的混染并不显著。

表5 百口泉闪长岩Sr-Nd 同位素分析结果Table 5 Sr-Nd isotopic results of diorite in Baikouquan

图8 高An 值斜长石与闪长岩的成因关系示意图图中展示了不同期次的岩浆侵入事件，高An 值斜长石是早期玄武质岩浆结晶产物，晚期具有演化特征的岩浆再次充填到处于晶粥状态的岩浆房中，高An 值斜长石被卷入，并作为循环晶保留在闪长岩中Fig. 8 Diagram illustrating possible origins of high-An plagioclase in dioriteThe high-An plagioclase were probably formed from earlier basaltic magma intrusive event. The magma chamber was recharged by an evolved magma in later stage and the high-An plagioclase were involved as antecrysts

在与百口泉闪长岩邻近的克拉玛依岩体中，发现了大量代表岩浆混合作用的镁铁质微粒包体(MME)，这些包体中的斜长石也发育核-幔-边结构(贺敬博和陈斌，2011)，但没有发现高An 值斜长石。其中高钙斜长石核部成分为An50-60，与百口泉闪长岩中自形斜长石的核部成分一致。百口泉闪长岩与克拉玛依岩体中的暗色包体具有相似的矿物组合及相近的主量元素组成，这说明百口泉闪长岩与暗色包体成分相近，代表了经历过一定程度演化的熔体或是岩浆混合后的产物，而高An 值斜长石则可能是由未经历演化的幔源岩浆直接结晶形成。因此，尽管百口泉高An 值斜长石不是寄主岩浆直接结晶的产物，但它与闪长岩的成岩过程可能密切相关，属于同一岩浆体系。Wes Hildreth 在2001 年Penrose 会议上使用了“antecryst”这个术语表示在进入寄主岩浆之前经历过一次或多次再循环但起源于岩浆系统之内的晶体。这个概念在多个研究实例中使用，在探讨岩浆系统的演化阶段上发挥了独特的作用(Miller et al.，2007;Bach et al.，2012)。罗照华等(2013)使用“循环晶”来表述这个概念，我们借用这个概念在图8 中构建了一种较为简单的模式:来自地幔的玄武质岩浆侵入到壳层的岩浆房中，最初的结晶发生在岩浆房的边部，结晶相为高An 值斜长石。在岩浆房内还处于未固结的“晶粥”状态时，新一期次的岩浆再次充填进入。再次充填的岩浆可能与早期岩浆同源，但在成分上具有演化后的特征，或是由早期的同源岩浆而引发的壳源物质熔融形成。当岩浆再次充填的过程中，早期结晶的高An 值斜长石被卷入到晚期充填的岩浆中，并且由于热力学不平衡而发生溶蚀，只有部分残晶被新结晶出的斜长石包裹而得以保留。

Takagi et al.(2005)针对拉斑玄武岩的实验研究认为2～3kbar 是适宜高An 值斜长石结晶的压力范围，而高铝玄武岩在富水条件下的实验结果与之相似(Foden and Green，1992)，因为更高的结晶压力将导致富钙的单斜辉石结晶从而抑制高An 值斜长石的形成。目前还不能对百口泉闪长岩中高An 值斜长石的结晶条件作出限定，这需要在高An 值斜长石中寻找与其平衡的矿物和熔体包裹体。但是对闪长岩的结晶条件可以做出大致估算。Hammarstrom and Zen(1986)提出的角闪石Al 压力计被广泛应用，其对岩浆结晶压力估算的准确性还受熔体成分、温度、氧逸度等条件制约。我们使用Anderson and Smith(1995)修正的普通角闪石Al 压力计，该压力计增加了温度参数，要求的矿物组合包括:角闪石+斜长石+正长石+黑云母+石英+铁钛氧化物。除了正长石之外，其他矿物相均存在于百口泉闪长岩中。Hollister et al.(1987)提出，正长石的缺少会导致角闪石Al压力计的计算结果偏高，因此本文计算的压力代表了百口泉闪长岩结晶的最高压力。此外，为了限定氧逸度的影响，Anderson and Smith(1995)提出该压力计适用于Fe/(Fe+Mg)＜0.65 的角闪石，百口泉闪长岩中的角闪石Fe/(Fe +Mg)的范围为:0.40 ～0.43，满足角闪石Al 压力计使用条件。斜长石-角闪石温度计(Holland and Blundy，1994)用于估算温度。用作计算的角闪石成分列于表6，斜长石的成分选取与角闪石相接触处的平均值(An42Ab56Or2)，计算结果也列于表6。利用斜长石—角闪石温度计估算的温度为866 ～913℃，计算出的压力为:1.2 ～2.9kbar。利用角闪石成分计算出的压力区间可能反映了变压结晶过程，这与适宜高An值斜长石结晶的压力范围接近，与图8 所推测的结晶过程不矛盾。

表6 百口泉闪长岩中角闪石边部电子探针数据及温度-压力计算Table 6 Representative major element analyses of amphibole rims from Baikouquan diorite and pressure-temperature estimate

西准噶尔晚石炭世中酸性侵入体被认为是幔源岩浆分异并与壳源岩浆不同程度混合的产物。壳幔岩浆混合和结晶分异在不同类型的岩石成因上起重要作用。大量镁铁质包体的发现成为岩浆混合作用发生的有力证据(Chen and Jahn，2004;Li et al.，2013)。尽管对克拉玛依岩体的同位素模拟显示，壳源物质对岩浆演化的贡献较低(Chen and Arakawa，2005;贺敬博和陈斌，2011)，但这可能是由于参与混染的壳源物质具有和地幔源区相近的同位素特征导致。在西准噶尔地区还没有发现同时代基性、超基性分异产物，通常认为这些结晶分异的早期岩相在更深部侵位。与幔源岩浆相关的镁铁质微粒包体，在岩浆混合过程中受到不同程度改造，无论是微观还是宏观特征都不能真实反映原始岩浆的属性。因此，对于幔源岩浆的性质及演化过程目前并不清晰。由于高An 值斜长石是玄武质岩浆早期分异的产物，因此百口泉闪长岩中的高An 值斜长石提供了幔源岩浆参与的直接证据，也为探讨初始岩浆组成及分异过程提供了重要线索。有关高An 值斜长石的实验研究显示其母岩浆具有富水(水近饱和)、亏损(极高的CaO/Na2O 和Al2O3/SiO2)的特征，高An 值斜长石的出现意味着地幔源区经历过充分的流体交代和显著的岩浆抽取。但是对于原始岩浆成分及演化过程的认识还需要结合其他相关信息开展更为精细的工作。在闪长岩中发现作为循环晶出现的高An 值斜长石，不仅为探讨这些问题提供了新的方向，对于揭示整个岩浆系统的演化过程和探讨火成岩中晶体成因的复杂性也有特殊作用。

7 结论

新疆西准噶尔百口泉地区的闪长岩形成于316.9 ±2.9Ma，其地球化学特征与西准噶尔地区同时代的钙碱性侵入岩系列相似。百口泉闪长岩中的高An 值斜长石是循环晶，不是寄主岩浆结晶的产物，但与形成闪长岩的岩浆系统相关。高An 值斜长石代表了幔源岩浆早期的结晶相，在后期闪长岩成岩过程中被卷入而保留。高An 值斜长石的产出表明地幔源区经历过充分的流体交代和显著的熔体抽取，对于揭示整个岩浆系统的演化过程有重要意义。

致谢 本研究的实验室工作得到中国科学院矿产资源重点实验室毛骞博士、北京离子探针中心刘守偈博士、北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室马芳副教授的协助;匿名审稿专家提出了详细的审稿意见和修改建议，对于完善本文并开阔作者思路帮助很大;特此感谢。

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