新疆北山地区红石山岩体橄榄石与铬尖晶石成分特征及成因意义

夏昭德，夏明哲，范亚洲

（1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054；2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054）

新疆北山地区红石山岩体橄榄石与铬尖晶石成分特征及成因意义

夏昭德1，2，夏明哲1，2，范亚洲1

（1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054；2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054）

红石山镁铁质-超镁铁质岩体，位于塔里木板块东北部的新疆北山地区，岩体平面为长条状，出露面积大于100 km2。岩体的堆晶韵律和堆晶旋回发育，属典型的层状岩体，每个旋回之间为突变接触关系，旋回内部为迅速或渐变过渡关系。岩石类型丰富，主要有纯橄岩、（含长）单辉橄榄岩、橄长岩、橄榄辉长岩、辉长岩和少量辉石岩。橄榄石和铬尖晶石是重要的早期结晶矿物。通过电子探针分析证明：橄榄石的Fo值为76～90.2，总体上随基性程度的降低，Fo降低。铬尖晶石Cr#为54～69，变化范围较小，落于典型层状岩体的铬尖晶石组成范围。模拟计算表明，形成红石山岩体的地幔部分熔融程度高（17.29%～18.92%，平均为18.41%）、原生岩浆为高温（1 290℃～1 330℃）、高镁（MgO=13.63%）的苦橄质岩浆，这为塔里木二叠纪地幔柱活动提供了新的证据。

红石山；橄榄石；铬尖晶石；地幔部分熔融；苦橄质岩浆

塔里木板块东北部新疆北山地区二叠纪岩浆岩非常发育，出露百余个镁铁质-超镁铁质岩体，西起罗东、坡北岩体，东至红石山、漩涡岭、笔架山、笔架山东岩体（图1）。其中，坡北岩体中坡一、坡十侵入体和笔架山岩带中红石山岩体赋存有镍（铜）硫化物矿（化）体。其锆石U-Pb谐和年龄为260～286 Ma，均属二叠纪［1-6］。前人研究表明，红石山岩体形成过程中经历多期岩浆贯入［7-8］。夏芳等通过PGE和Re-Os同位素地球化学研究认为，形成红石山岩体的母岩浆为高镁玄武质岩浆，岩浆演化过程中有较多地壳物质混入［9］。分离结晶作用和地壳物质混染促使岩浆中的硫饱和进而熔离成矿。本文拟从橄榄石和铬尖晶石两种早期结晶矿物入手进行系统研究，探讨红石山岩体的母岩浆性质和物理化学条件。

图1 新疆北山地区红石山岩体地质图Fig.1 Simplified sketch of the Hongshishan intrusion in the Beishan areas，Xinjiang

1 地质概况

红石山岩体，是笔架山岩带中出露最好的镁铁质-超镁铁质岩体之一，位于蚕头山北-小青山断裂南侧，赋存于笔架山复式背斜的次级背斜的核部。岩体南侧多为石炭系红柳园组以及零星的长城系古硐井岩群；北侧为古元古界北山岩群和石炭系红柳园组。北山岩群为一套角闪岩相中-深变质岩系；长城系古硐井岩群为一套高绿片岩相变质岩；石炭系红柳园组为一套浅海相陆源碎屑岩夹碳酸盐岩、火山熔岩及火山碎屑岩。岩体与北山岩群为断层接触关系；岩体南部与红柳园组为侵入接触关系，北部与红柳园组大理岩间存在一条强挤压片理化带，呈弧形，片理面倾向N，显示岩体形成后经历了向北推挤过程（图2-a，b）。岩体呈NE向展布，平面形态为长条状，出露面积大于100 km2。岩体走向为70°～80°，倾向NE，倾角50°～80°。

2 岩相划分

近年来，新疆地矿局第六地质大队对红石山镍矿区进行了地表探槽工程和深部钻探工程，沿探槽测制了多条剖面并对红石山岩体地质图进行修编（图1）。红石山岩体地表出露岩石可分为橄榄岩相和辉长岩相，此外，还分布少量辉石岩。其中橄榄岩相主要岩石类型有纯橄岩、单辉橄榄岩、含长单辉橄榄岩；辉长岩相主要岩石类型有橄长岩、橄榄辉长岩、辉长岩。橄榄岩相主要出露于岩体中心部位的低洼部处，出露面积占岩体总面积的35%；辉长岩相在岩体中部零星出露，而在岩体北部和南部出露广泛，出露面积占岩体总面积的65%；辉石岩主要分布于TC7以北和TC32以南。通过钻孔岩心详细编录发现，16号勘探线至23号勘探线间的钻孔岩心从地表至-1 100 m，纯橄岩、单辉橄榄岩和含长单辉橄榄岩分布较多，而16线以西钻孔Zk32-1和Zk24-1岩心中岩性主要为橄榄辉长岩，仅含少量单辉橄榄岩。据钻孔岩心编录及地表观测发现，红石山岩体堆晶韵律和堆晶旋回发育（图2-c，d），属典型层状岩体，每个旋回间为突变接触关系，内部为迅速或渐变过渡关系。

图2 红石山岩体野外照片及岩心照片Fig.2 The field and drill photo of the Hongshishan intrusion

3 分析方法与结果

橄榄石和铬尖晶石组成在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用JXI-8100型电子探针分析，加速电压15 kV，束电流1.0×10-8A，束斑直径1 μm。

3.1 橄榄石

橄榄石是最重要的造岩矿物之一，赋存于纯橄岩、单辉橄榄岩、橄长岩、橄榄辉长岩及（暗色）辉长岩中，主要为堆晶相。橄榄石晶体多为浑圆状，粒径为1～3 mm，裂理发育，多发生蛇纹石化，并沿边缘及裂隙析出粉尘状磁铁矿。

据电子探针分析及计算的端元分子结果发现（表1），橄榄石的Fo值为76.00～90.21，多属贵橄榄石，个别属镁橄榄石。在纯橄岩中，橄榄石的SiO2含量为40.76%～41.54%，Fo值为87.73～90.21，NiO含量为0.21%～0.24%。在单辉橄榄岩中，橄榄石的SiO2含量为39.93%～41.18%，Fo值为84.35～87.60，NiO含量为0.13%～0.30%。在含长单辉橄榄岩中，橄榄石的SiO2含量为39.68%～41.30%，Fo值为83.25～86.70，NiO含量为0.04%～0.29%。在橄长岩中，橄榄石的SiO2含量为39.59%～41.46%，Fo值为82.62～87.27，NiO含量为0.05%～0.23%。在（暗色）橄榄辉长岩中，橄榄石的SiO2含量为38.68%～40.55%，Fo值为76～88.65，NiO含量为0.01%～0.26%。在辉石岩中，橄榄石的SiO2含量为38.55%～39.39%，Fo值为78.74～78.82，NiO含量为0.07%～0.11%。（暗色）辉长岩中，橄榄石的SiO2含量为39.73%～41.08%，Fo值为84.9～85.83，NiO含量为0～0.17%。从纯橄岩、单辉橄榄岩、含长单辉橄榄岩，橄榄辉长岩、辉长岩到辉石岩，橄榄石中的Fo逐渐降低，纯橄岩中Fo值最高90.21。随着Fo降低，SiO2含量也降低（图3）。MnO、CaO含量一般变化不大。NiO含量未显示出趋势性变化，整体而言，橄榄岩相中（纯橄岩、单辉橄榄岩、含长单辉橄榄岩）NiO含量多大于0.2%，辉长岩相中，仅个别样品中橄榄石的NiO含量大于0.2%。

表1 红石山岩体橄榄石电子探针分析数据表Table 1 The electron microprobe analysis of olivine in the Hongshishan intrusion单位:%

图3 红石山岩体橄榄石Fo与其它组分相关图解Fig.3 Fo content versus other components diagrams for the olivine from the Hongshishan intrusion

3.2 铬尖晶石

在各类岩石中均可见铬尖晶石，多分布于橄榄石多的橄榄岩相中。铬尖晶石，呈褐红色，半自形粒状或浑圆状分布于橄榄石颗粒中或边缘，粒径一般小于0.5 mm，含量小于1%。

单辉橄榄岩中，铬尖晶石的成分：Cr2O3为34.285%～45.87%，MgO为1.42%～7.34%，FeOT为31.22%～48.03%，Al2O3为7.89%～18.98%，TiO2为0.62%～3.96%，相应的Cr#［Cr#=100Cr/（Cr+Al）］变化范围为54～78，Mg#［Mg#=100Mg/（Mg+Fe2+）］为8～34。在含长单辉橄榄岩中，铬尖晶石的成分：Cr2O3为34.58%～43.44%，MgO为4.20%～10.27%，FeOT为28.67%～43.62%，Al2O3为13.05%～21.43%，TiO2为1.18%～1.76%，相应的Cr#变化范围为55～69，Mg#为21～48。在橄长岩中，铬尖晶石的成分：Cr2O3为34.15%～42.05%，MgO为6.02%～9.60%，FeOT为31.74%～36.97%，Al2O3为16.25%～23.60%，TiO2为0.90%～1.59%，相应的Cr#变化范围为51～62，Mg#为28～46。

暗色橄榄辉长岩中，铬尖晶石的成分：Cr2O3为26.18%～34.70%，MgO为2.23%～5.00%，FeOT为45.84%～55.45%，Al2O3为9.26%～14.70%，TiO2为1.17%～5.64%，相应的Cr#变化范围为61～65，Mg#为11～24。

辉长岩和斜长岩中，铬尖晶石的成分：Cr2O3为35.68%～41.48%，MgO为5.22%～6.83%，FeOT为33.28%～38.07%，Al2O3为16.73%～17.84%，TiO2为0.76%～1.46%，相应的Cr#变化范围为58～61，Mg#为26～32。

在铬尖晶石主量元素相关图解中（图4），Cr2O3与Al2O3和FeOT呈负相关关系，FeO与MgO也表现为负相关关系，MgO与Al2O3表现为正相关关系，是岩浆结晶的铬尖晶石特征［10］。各类岩石中，铬尖晶石的Cr#为54～69，变化范围较小；Mg#变化范围较大8～48（表2），在Cr#-Mg#图解和Cr-Al-Fe3+图解中（图5），这些铬尖晶石均落入典型层状岩体的铬尖晶石组成范围。

图4 红石山岩体铬尖晶石的主量元素相关图Fig.4 The major elements correlation diagram of spinels from the Hongshishan intrusion

4 讨论

4.1 原生岩浆性质

目前主要基于矿物与岩浆之间的平衡原理，通过全岩Mg#与Ni丰度、液相线橄榄石Fo分子与全岩铁含量来估算原生岩浆的MgO含量，进而确定原生岩浆性质［14］。

实验岩石学和理论模型表明，原生岩浆的性质主要取决于地幔源区熔融时的温度和压力。玄武质岩石的Mg#（Mg#=Mg/（Mg+Fe））是鉴别原生岩浆的一个重要标志。在红石山岩体中，一件橄榄辉长岩样品的Mg#值为0.71，对应的MgO含量为10.23%，Ni丰度为322.8×10-6，接近原生岩浆组成，反映出原生岩浆为高镁拉斑玄武岩浆［15］。

一般来讲，Mg-Fe在橄榄石-熔体间的分配系数Kd［KdOl-Melt=（FeO/MgO）Ol/（FeO/MgOmagma）=0.3～0.33］为一相对稳定的值［14］。由于最早结晶的橄榄石（液相线橄榄石）会与残余晶间液体发生再平衡作用，这种作用使得橄榄石成分发生改变，MgO含量降低，相应的Fo值也会降低。所以，Fo值最高的橄榄石组分可能更接近于液相线橄榄石的组成，此时估算出的熔体的MgO含量才能更接近于原生岩浆的MgO含量。此外，当橄榄石中最高Fo值较小时，反映出早期橄榄石与残余液体反应强，其估算出的MgO值会明显小于原生岩浆的MgO值，此时所估算的MgO值意义不大。Breddam研究证明与地幔柱有关的超镁铁质原生岩浆中最初结晶的橄榄石的Fo分子为90～91［16］。Hess认为结晶出Fo=88～91的橄榄石是鉴别原生岩浆的重要标志［17］。在红石山岩体的纯橄岩中，橄榄石Fo值最高达90.2，全岩的FeOT含量为7.91%［15］，估算得出原生岩浆的MgO含量为13.63%，由此估算的原生岩浆的MgO含量高于据Mg#和Ni丰度方法估算的相应值，可能更接近原生岩浆，所以红石山岩体的原生岩浆属苦橄质岩浆（MgO%＞12%）。

表2 红石山岩体尖晶石电子探针分析数据表Table 2 The electron microprobe analysis of spinel in the Hongshishan intrusion单位：%

4.2 物理化学条件

岩浆温度橄榄石是岩浆中结晶最早的主要造岩矿物，其结晶温度是岩浆的液相线温度，即固相开始晶出的温度。根据橄榄石与熔体平衡原理，橄榄石的结晶温度T=1066+12.067Mg#+312.3（Mg#）2［14，19］。红石山岩体的最早结晶的橄榄石Fo值为90.2，从而计算得到橄榄石结晶温度约为1 331℃，接近岩浆的液相线温度，一般拉斑玄武质岩浆温度为1 150℃～1 225℃［20］。因此，形成红石山岩体的岩浆温度比一般玄武岩浆温度高100℃～180℃，表明其岩浆属高温岩浆。据Fe-Mg在共生的橄榄石和尖晶石中的分配关系，可估算出橄榄石和铬尖晶石达到化学平衡的温度。Fabries获得了尖晶石-橄榄石地质温度计［21］：T（℃）=（4 250Cr#+1 343）/（lnK0D+1.825Cr#+0.571）-273，其中Cr#=Cr/（Cr+Al）；lnK0D=0.34+1.06（Cr#）2。在红石山岩体的单辉橄榄岩中，包裹于橄榄石中的铬尖晶石的Cr#为0.78，计算得到二者的平衡温度为1 290℃。由上可知，红石山岩体的橄榄石-尖晶石平衡温度比橄榄石结晶温度略低，可能与氧逸度变化有关［10］。

熔融压力O’Neil在对尖晶石二辉橄榄岩和石榴石二辉橄榄岩相平衡进行实验研究时［22］，得出Fe3+和Cr3+在尖晶石中的摩尔分数之和同压力之间存在线性关系，提出了铬尖晶石压力计算公式：P= P0+27.9（X+X），式中：P和P0——单位均为108Pa，P0选取18.7；X和X-Fe3+和Cr在整个铬尖晶石中的摩尔分数。对红石山岩体铬尖晶石进行计算，得到压力范围为2.89～3.36 GPa，平均3.05 GPa。其中单辉橄榄岩的压力范围为3.04～3.36 GPa；含长单辉橄榄岩的压力范围为2.96～3.17 GPa；橄长岩的压力范围为2.89～3.09 GPa；橄榄辉长岩的压力范围为3.10～3.25 GPa；斜长岩-辉长岩的压力范围为3.03～3.05 GPa（表3）。

图5 红石山岩体铬尖晶石组成图解Fig.5 The compositions of spinels from the Hongshishan intrusion in the Beishan area，Xinjiang

Dick等地幔部分熔融程度研究表明［23］，地幔橄榄岩中Cr#值随着地幔岩部分熔融程度和结晶压力的增高而增高。因此通常选用Cr#来作为推测地幔源区熔融程度和压力的指示标志。Hellebrand等提出了计算地幔部分熔融的公式［24］：F=10ln（Cr#+100）+ 24，式中：Cr#=100Cr/（Cr+Al）；F—以%表示，适用条件为Cr#值为10～60。红石山岩体中有11个铬尖晶石样品的Cr#值可用于估算地幔部分熔融程度，计算得到F值为17.29%～18.92%，平均为18.41%（表4）。

4.3 构造意义

秦克章等通过锆石年代学和同位素等方面的研究认为，新疆东天山和北山地区镁铁-超镁铁岩形成是～280 Ma塔里木地幔柱活动的产物［6，25］。据论证，形成红石山岩体的地幔部分熔融程度高，其岩浆为高温高镁的苦橄质岩浆。此外，在同一地区同一时代的漩涡岭、坡北和罗东镁铁-超镁铁质岩体中均发现苦橄质原生岩浆（漩涡岭MgO 14%；坡北MgO 12.4%；罗东MgO 14.7%）［18］，是塔里木二叠纪地幔柱活动的有力证据，这种部分熔融程度高的高温高镁岩浆应该是地幔柱头部熔融的产物。

5 结论

红石山岩体是一个堆晶层理和堆晶旋回发育的层状岩体，该岩体主要由橄榄岩相和辉长岩相组成，有少量辉石岩相。通过橄榄石和铬尖晶石的矿物晶体化学研究认为，形成红石山岩体的地幔经过较高程度的部分熔融，原生岩浆为高温高镁的苦橄质岩浆，为塔里木地幔柱活动提供了新证据。

表3 上地幔压力计算结果Table 3 Crystallization pressure of Cr-spinel in the upper mantle

表4 地幔部分熔融程度计算结果表Table 4 Partial melting degrees of the upper mantle

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The Olivine and Chrome Spinel Composition Characteristics of the
Hongshishan Mafic-Ultramafic Intrusion in the Beishan Area，Xinjiangand its Genesis

Xia Zhaode1，2，Xia Mingzhe1，2，Fan Yazhou1，2
（1.School of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi，710054，China；2.Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geological Engineering of Ministry of Education，Chang’an University，Xi，an，Shaanxi，710054，China）

s:The Hongshishan mafic-ultramafic intrusion，located in the Beishan terrane，northeastern Tarim Block，NW China，is elongated plane and the exposed area over 100 km2.The intrusion belongs to layered intrusion with cumulate texture and rhythmic layering，and the contact relationships of each cycle is mutation and the internal cycle is a quick or gradual transition.The Hongshishan intrusion is composed of dunite，clinopyroxene peridotite，troctolite，olivine gabbros，gabbros and minor pyroxenite.and the main minerals are olivine，pyroxene and plagioclase.Olivine and chromites are important early crystallization of minerals.The electron microprobe analysis proved that the Fo value of olivine is 76 to 90.2 reduced from dunite to gabbro The Cr#of Chromites is 54 to 69，the range is small，belong to the typical composition range for chromites in layered intrusions.Simulations show that the degree of mantle partial melting is high up to 17.29%～18.92%（an average of 18.41%）and the primary magma is high temperature（1 290℃～1 330℃）and high magnesium（MgO=13.63%）of Picritic magma，providing the new evidence for Tarim Permian mantle plume activity.

Hongshishan；Olivine；Chromites；Mantle partial melting；Picritic magma

1000-8845（2015）01-33-08

P578.4+6；P578.94+2

A

项目资助：国家自然科学基金（41302070，41102045）、中国地质调查局国土资源大调查（1212011120498，12120113043100）和中央高校基本科研业务费专项（2014G1271066）联合资助

2014-03-14；

2014-03-31；作者E-mail：karlde@163.com

夏昭德（1984-），男，湖南桃江人，讲师，2012届长安大学地球化学专业博士，主要从事岩浆岩岩石成因与成矿作用研究: