东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体辉石矿物学特征及其地质意义

2019-07-18刘艳荣吕新彪刘民武王富贵

地球科学与环境学报 2019年4期

刘艳荣，吕新彪，刘民武，栾燕，王富贵

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054；2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054；3.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北武汉 430074；4.甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州 730050)

0 引言

东天山造山带是中亚造山带的一部分，包括觉罗塔格构造带和中天山地块(图1)。沿觉罗塔格构造带分布着众多镁铁—超镁铁质岩体，从西到东依次有香山、黄山南、黄山、黄山东、葫芦、串珠、图拉尔根和四顶黑山等(图1)，随着对黄山、黄山东、葫芦和图拉尔根等岩体的不断勘探，已证实该区是中国岩浆型Cu-Ni-(PGE)硫化物矿床的重要产地[1]。图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体位于觉罗塔格构造带的东北段，与区域内已探明储量的大型铜镍硫化物矿床密切相关。前人对该矿床的矿物岩石学、岩(矿)石地球化学、同位素地球化学、成矿年代及矿床成因等开展了一系列研究[2-5]，总体认为铜镍成矿与镁铁—超镁铁质岩体有关，成岩时代为晚石炭世—早二叠世，岩浆来源于俯冲板片交代过的亏损型地幔源区，在上升过程中经历过结晶分异[6-7]和微弱的地壳物质混染[4,8]，但目前对混染物质的性质及混染过程研究还比较欠缺。此外，岩体形成的构造背景仍存有争议，主要有碰撞后伸展环境[2,9]或地幔柱与造山带叠置环境[10-12]。

辉石是镁铁—超镁铁质岩体的主要造岩矿物之一，也是图拉尔根岩体所有岩相的主要矿物之一，该类矿物蕴含着丰富的成岩、成矿作用信息。不少学者对新疆东天山黄山东、黄山南、香山等岩体中的辉石进行了研究[13-18]，明确了岩体的母岩浆性质，分析了岩体经历的地壳混染过程，计算了辉石结晶的温压条件，并探讨了岩体形成的构造背景。图拉尔根岩体中辉石的研究已较为深入[19-21]，如计算得出的辉石结晶温度为1 050 ℃～1 170 ℃，岩体的母岩浆为亚碱性拉斑玄武质岩浆，但是对辉石结晶压力的研究还比较薄弱，对岩浆源区和岩体形成的构造背景分析还缺乏相应的矿物学证据，岩浆上侵过程中，地壳混染物质的性质和混染过程尚不明确。基于此，本文拟采用电子探针(EPMA)和LA-ICPMS技术，详细分析图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体不同岩相中辉石的矿物化学组成，揭示岩体的岩浆来源及岩浆性质，计算岩体结晶的温压条件，探讨岩体成岩过程中的结晶分异和地壳混染作用，为图拉尔根铜镍矿床的成因研究提供新的资料。

1 岩体地质特征

东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体侵位于中—上石炭统的含角砾晶屑凝灰岩、含角砾岩屑晶屑凝灰岩中，呈NE—SW向延伸，东段浅，延伸地表至250 m深度以下，西段深，顶板厚100～400 m，底板厚400～800 m，实际延伸已控制到1 300 m深度[22]。地表圈定岩体长740 m，宽20～60 m，出露面积约0.026 km2，平面形态呈东北宽、西南窄，中间略有膨大[图2(a)]。岩体向深部延伸较深且变宽变大，具波状起伏、膨大狭缩特征，向深部有变陡趋势[图2(b)]。岩体在平面或剖面上均呈环带状产出，岩性从中心向外依次为角闪橄榄岩相、辉石橄榄岩相和辉长岩相。根据各岩相间的接触关系，第一期次为辉长岩相，岩石类型为(角闪)辉长岩，岩石呈灰白色，具辉长结构、块状构造，其中斜长石体积分数为60%～75%，辉石为20%～35%，角闪石为3%～15%，主要分布在岩体外围，与围岩凝灰岩呈突变接触，多被后期岩浆吞噬而呈透镜体产出，在区内出露面积很小；第二期次为辉石橄榄岩相，是含矿岩相之一，多沿角闪橄榄岩相边部呈薄的环带状产出，与辉长岩相呈突变接触关系，因辉石和橄榄石含量略有变化，岩石类型可细分为二辉橄榄岩和橄榄辉石岩，岩石呈黑灰色或黑绿色，具自形—他形粒状结构、包橄结构、海绵陨铁结构和块状构造，其中橄榄石体积分数为40%～70%，斜长石为8%～25%，单斜辉石为10%～40%，斜方辉石为10%～25%，角闪石为3%～7%；第三期次为角闪橄榄岩相，是主要的含矿岩相，位于岩体中部，与两侧辉石橄榄岩相渐变、突变接触关系均有出现，主要岩石类型为角闪辉石橄榄岩，岩石呈深黑色，具自形—他形粒状结构、堆晶结构、海绵陨铁结构、块状构造和流动构造，其中橄榄石体积分数为80%～90%，单斜辉石为3%～8%，斜方辉石为2%～5%，斜长石为2%～5%，角闪石为5%～15%，岩石多发生蛇纹石化、滑石化、透闪石化、绿泥石化等蚀变。

①为大南湖—头苏泉岛弧；②为小热泉子—梧桐窝子弧内盆地；③为康古尔—黄山韧性剪切带；④为雅满苏弧后盆地；底图引自文献[11]，有所修改图1 东天山大地构造位置及镁铁—超镁铁质岩体分布Fig.1 Tectonic Location and Distribution of Mafic-ultramafic Intrusions in East Tianshan

2 岩相学特征

辉石是东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体的主要造岩矿物，单斜辉石在各个岩相均有存在，斜方辉石主要分布在角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相。在角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中，斜方辉石和单斜辉石常呈自形—他形粒状以堆晶矿物[图3(a)]或充填于橄榄石晶间[图3(b)、(c)]的形式产出，有时呈巨大晶体包裹粒度较小的橄榄石[图3(d)、(e)]；在辉长岩相中，单斜辉石与自形程度相近的斜长石构成辉长结构[图3(f)]。斜方辉石边缘常被角闪石和单斜辉石交代形成反应边结构，主要发生蛇纹石化、滑石化和透闪石化蚀变；单斜辉石边缘和表面常被角闪石交代形成反应边结构或补丁状结构，主要发生透闪石化、纤闪石化和绿泥石化蚀变。

3 分析方法

本次研究样品主要采自东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体P-11勘探线ZK1106钻孔和P-13勘探线ZK1307钻孔，样品均制备成0.05 mm厚的探针片。辉石主量元素分析在长安大学成矿作用及其动力学实验室电子探针室采用日本电子生产的JXA-8100型电子探针仪完成。测试条件为：加速电压15 kV，电流10 nA，分析束斑直径约1 μm，检测限0.01%。辉石稀土、微量元素分析在长安大学成矿作用及其动力学实验室LA-ICPMS室完成，分析仪器为美国Analyte Excite型准分子激光器和美国安捷伦7700E型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。测试条件为：激光波长193 nm，激光剥蚀半径50 μm，激光脉冲5 Hz，能量密度5.9 J·cm-2，检测限小于41×10-6。

底图引自文献[23]，有所修改图2 图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体地质简图及P-11勘探线剖面Fig.2 Geological Sketch Map and Section of P-11 Exploration Line of Tulargen Mafic-ultramafic Intrusion

Ol为橄榄石；Cpx为单斜辉石；Opx为斜方辉石；Pl为斜长石；Amp为角闪石图3 岩石显微照片Fig.3 Photomicrographs of Rocks

4 结果分析

4.1 主量元素

东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体辉石主量元素成分及计算的阳离子数和端元组分见表1。其中，斜方辉石中SiO2含量(质量分数，下同)为53.39%～58.45%，MgO为29.57%～31.83%，CaO为0.32%～1.38%，FeO为9.05%～12.65%，TiO2为0.00%～0.78%，Al2O3为0.53%～2.42%，Na2O为0.00%～0.08%，Cr2O3为0.06%～0.63%；单斜辉石中SiO2含量为49.89%～53.62%，MgO为15.55%～17.87%，CaO为20.26%～21.60%，FeO为3.77%～5.33%，TiO2为0.42%～1.95%，Al2O3为2.30%～4.44%，Na2O为0.20%～0.55%，Cr2O3为0.62%～1.40%，总体表现出低Ti、Al、Na特征。角闪橄榄岩相、辉石橄榄岩相和辉长岩相中单斜辉石的Mg#平均值分别为86.95、86.87、86.30，随着岩石基性程度降低，略有下降趋势。角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中辉石的成分非常接近；与它们相比，辉长岩相中单斜辉石的SiO2、CaO、Cr2O3含量略低，FeO含量略高，Al2O3含量变化不大(表1)。

根据Morimoto的辉石分类命名方案[24]，图拉尔根岩体中斜方辉石种属为古铜辉石(Wo牌号为0.61～2.72，En牌号为79.82～84.34，Fs牌号为13.89～19.39)，单斜辉石种属为透辉石和顽透辉石(Wo牌号为42.25～45.92，En牌号为46.55～51.20，Fs牌号为6.28～8.96)(图4)。与觉罗塔格构造带的同类岩体[15-17]相比，图拉尔根岩体斜方辉石和单斜辉石En牌号的变化范围较小，表明该岩体岩浆分异程度较低。

OPX表示斜方辉石；CPX表示单斜辉石；底图引自文献[24]图4 辉石分类图解Fig.4 Classification Diagram of Pyroxenes

表1 辉石电子探针分析结果Tab.1 Electron Microprobe Analysis Results of Pyroxenes

4.2 稀土、微量元素

东天山图拉尔根镁铁—超镁铁质岩体角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中斜方辉石的稀土元素总含量较低(表2)，为(2.14～5.14)×10-6，球粒陨石标准化稀土元素配分模式相似，轻、重稀土元素含量之比(LREE/HREE)为0.11～0.22，轻稀土元素亏损，重稀土元素富集，为左倾型[图5(a)]，表明样品为同一岩浆来源。斜方辉石的微量元素含量较单斜辉石低，多小于原始地幔，原始地幔标准化微量元素蛛网图为左倾型[图5(b)]，大离子亲石元素(Ba、Th、Sr)亏损，高场强元素(Zr、Hf、HREE)富集。

单斜辉石的稀土元素总含量相对较高(表3)。其中，辉长岩相中单斜辉石的稀土元素总含量为(23.02～41.53)×10-6，平均值为30.65×10-6；角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中单斜辉石的稀土元素总含量分别为(18.67～43.31)×10-6和(15.72～38.38)×10-6，平均值分别为27.97×10-6和25.02×10-6。各岩相中单斜辉石的稀土元素配分模式均比较相似[图5(c)]，轻稀土元素较重稀土元素明显亏损，整体表现为两端轻、重稀土元素亏损，中间中稀土元素略富集的微弱上凸弧形，表明样品是从同一母岩浆中结晶出来的，中稀土元素富集可能是单斜辉石富Ca的缘故。此外，在辉长岩相中有一个单斜辉石数据明显异常，稀土元素总含量高达87.66×10-6，轻、重稀土元素含量之比为4.77，轻稀土元素明显富集，这可能是后期流体作用引起的[25]。大部分单斜辉石(辉长岩相中异常辉石除外)的大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr)亏损，而高场强元素(Nd、Y、HREE)较为富集[表3、图5(d)]，与新疆北山地区坡北岩体单斜辉石的微量元素特征[26]非常相似。大离子亲石元素亏损表明岩体可能来源于亏损地幔[8]，Nb/Ta值和Zr/Hf值显示分馏明显，Nb和Zr显示负异常，Ta和Hf具有弱的正异常，这与它们在单斜辉石和玄武岩熔体间的分配系数相符，表明其主要经历了结晶分异作用。辉长岩相中异常单斜辉石的微量元素蛛网图呈“M”型[图5(d)]，大离子亲石元素相对富集，是遭受交代作用改造的结果[25]。

表2 斜方辉石微量元素分析结果Tab.2 Analysis Results of Trace Elements of Orthopyroxenes

5 讨论

5.1 矿物结晶条件

分析岩浆结晶的温度(T)和压力(P)对成矿作用及成矿过程研究具有重要意义。Putrika对使用广泛且适用于镁铁质体系(单斜辉石Mg#值高于0.75)的Brey等提出的二辉石温度计[27]和Bertrand 等提出的二辉石压力计[28]进行了全球回归校正，校正后二辉石温压计的计算精度明显提高，公式详见文献[29]。计算得到的图拉尔根岩体辉石结晶温度为978 ℃～1 059 ℃(表4)，与早期柯君君得到的辉石结晶温度(1 050 ℃～1 170 ℃)[20]比较相近，和黄山东、香山、白石泉等岩体的辉石结晶温度[13,15,30]也相差不大。计算得到的辉石结晶压力(除两个数据为7.43 kbar和8.04 kbar外)主要为0.71～4.80 kbar(表4)，倪志耀研究认为黄山东岩体辉石的结晶压力为0.58～10.58 kbar[13]，冯延清等计算得出圪塔山口、香山、黄山和黄山东等岩体辉石的平均结晶压力为3.1～3.3 kbar[17]。综上所述，本次估算的辉石结晶温度和压力基本可以代表辉石结晶时的温压参数。图拉尔根岩体具有单期岩浆多次脉动贯入的特征[31]，至少存在两个岩浆房[32]，个别辉石结晶压力较大，推测其可能在深部岩浆房或岩浆上侵过程中就已陆续进行结晶。

表3 单斜辉石微量元素分析结果Tab.3 Analysis Results of Trace Elements of Clinopyroxenes

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；同一图中相同线条对应不同样品；底图引自文献[37]图5 辉石球粒陨石标准化稀土元素配分模式和原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.5 Chondrite-normalized REE Patterns and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagrams of Pyroxenes

表4 辉石结晶温度和压力Tab.4 Crystallization Temperatures and Pressures of Pyroxenes

5.2 岩浆来源及性质

5.2.1 母岩浆性质

前人对图拉尔根岩体的母岩浆性质已经进行了部分研究。在岩石系列划分SiO2-全碱图解上，样品落在亚碱性玄武岩区，在AFM图解上，样品又全部落入拉斑玄武岩区，表明图拉尔根岩体属于亚碱性拉斑玄武岩系列[4]；橄榄石成分及岩石铂族元素特征也证实其母岩浆为高镁玄武岩[4,6]。单斜辉石成分也可以从一定程度上限定母岩浆的成分特征[33-36]。图拉尔根岩体单斜辉石和斜方辉石均具低 Al、Ti、Na特征。在单斜辉石SiO2-Na2O-TiO2图解(图6)中，样品位于拉斑玄武岩系列，在单斜辉石SiO2-Al2O3图解(图7)中，样品位于亚碱性系列区域，这表明岩体母岩浆为亚碱性拉斑玄武质岩浆，这同在薄片鉴定过程中发现的斜方辉石与单斜辉石共生等拉斑玄武岩特征相一致。综上所述，图拉尔根岩体的母岩浆为亚碱性拉斑玄武质岩浆。

底图引自文献[35]图6 单斜辉石SiO2-Na2O-TiO2图解Fig.6 Diagram of SiO2-Na2O-TiO2 of Clinopyroxenes

底图引自文献[36]图7 单斜辉石SiO2-Al2O3图解Fig.7 Diagram of SiO2-Al2O3 of Clinopyroxenes

5.2.2 岩浆源区

实验岩石学表明含水和无水的玄武质岩浆具有不同的演化轨迹，单斜辉石和斜长石的结晶顺序由岩浆含水量控制，即富水岩浆中单斜辉石结晶早于斜长石，贫水岩浆中斜长石结晶早于单斜辉石[38-39]。镜下观察发现图拉尔根岩体中单斜辉石结晶早于斜长石，表明岩浆形成于富水环境。高压条件下无水的玄武质岩浆中辉石也可能会提前结晶，但这需要高于0.5～0.8 GPa的压力环境[40]，而图拉尔根岩体的结晶压力多小于该压力。此外，岩体中含有丰富的原生角闪石和黑云母，说明岩浆形成于富水环境(如岛弧玄武质岩浆)[41]。前人研究表明，无水环境下单斜辉石类质同象置换方式为ⅥMgⅣSi2↔ⅥTiⅣAl2，而在富水环境下为ⅥMgⅣSi2↔ⅥFe3+ⅣAl[42-43]，因此，单斜辉石的Al/Ti值可以用来识别造山带俯冲板片交代作用。一般来说，与弧有关的玄武岩中单斜辉石Al/Ti值高于与裂谷有关的玄武岩中单斜辉石。根据单斜辉石AlZ(占据单斜辉石四面体位置的ⅣAl)与Ti(占据单斜辉石八面体位置的Ti)之间的关系(图8)可以看出，图拉尔根岩体显示出与弧有关的趋势。东天山含Cu、Ni的镁铁—超镁铁质岩体成岩年龄主要集中于270～300 Ma[10-11]，显示在早二叠世有一次大规模的幔源岩浆侵入，该时期大洋俯冲已经停止，而转为碰撞造山晚期的驰张伸展阶段[3,44]。由于碰撞造山作用，早期俯冲板片拆沉进入地幔源区熔融，形成类似于岛弧的玄武质岩浆，岩浆源区可能继承了岛弧岩浆的某些特征[2]。结合岩体的元素地球化学和Nd、Sr、Pb等同位素地球化学研究[4,41]，认为图拉尔根岩体是被俯冲板片交代过的亏损地幔发生部分熔融的产物。

底图引自文献[42]图8 单斜辉石AlZ-TiO2图解Fig.8 Diagram of AlZ-TiO2 of Clinopyroxenes

5.2.3 地幔熔融程度

橄榄岩中各矿物含量以及矿物(尤其是单斜辉石)的主量、微量元素组成反映陆下岩石圈地幔的饱满、难熔性质[45]，如橄榄石Fo牌号，单斜辉石和尖晶石Cr#值，单斜辉石Al、Yb含量等参数均可反映地幔熔融程度。随着地幔部分熔融程度的升高，高度不相容元素丰度急剧下降，因为它们在部分熔融和地幔交代过程中具强烈活动性，而Y和重稀土元素在部分熔融和地幔交代过程中是相对不活动组分，所以能够较好地反映部分熔融程度。对于橄榄岩的部分熔融而言，一般分离部分熔融相比于批次部分熔融更接近实际情况，因此，本文采用分离熔融模型来估算岩体的部分熔融程度。其表达式[45]为

Ccpx=(C0/Xcpx)(1-F)1/DcpxXcpx-1

(1)

式中：Ccpx为残留单斜辉石中某元素的含量；C0为源岩中某元素的初始含量；Xcpx为源岩中单斜辉石含量，公式中取0.2；Dcpx为单斜辉石中某元素在结晶相/液相中的分配系数；F为部分熔融程度。

根据图拉尔根岩体同位素地球化学特征[4,8,41]，选择亏损地幔端元N-MORB组分(Y含量为28×10-6，Yb含量为3.05×10-6)[37]作为源岩，Y和Yb的Dcpx值分别为0.42、0.40。模拟计算的结果在YbN-YN图解(图9)中可以看出，岩体主要经历了13%～20%的部分熔融。此外，本文还利用橄榄石Fo牌号来判断岩体的部分熔融程度。图拉尔根岩体橄榄石Fo牌号为81.6～84.3，从而得到母岩浆中MgO含量为11.47%[6]；利用母岩浆中MgO含量(w(MgO)melt)来估算部分熔融程度的公式为F=0.0324 9w(MgO)melt-0.234[46]；计算得出岩体的部分熔融程度为13.9%。综上所述，图拉尔根岩体主要经历了13%～20%的部分熔融作用。

w(·)N为元素含量原始地幔标准化后的值；图中百分数代表岩体的部分熔融程度图9 单斜辉石YbN-YN图解Fig.9 Diagram of YbN-YN of Clinopyroxenes

5.3 结晶分异和地壳混染

图拉尔根岩体角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中单斜辉石和斜方辉石的矿物化学组分(主量、微量元素)均变化不大，表明这两个岩相的岩浆分异程度整体较低，与野外观察到的两个岩相局部呈渐变接触的现象是一致的。辉长岩相中单斜辉石Mg#值和CaO含量有所降低，FeO含量略为增大，符合拉斑玄武岩从富Mg向富Fe的演化趋势。此外，辉长岩相中Cr2O3含量具有降低的趋势，这可能是因为相对于其他金属阳离子，Cr3+具有最高的晶体场稳定化能[47]，使得 Cr3+优先进入先期结晶的辉石中。同一母岩浆随着结晶分异作用的进行，由于稀土元素在单斜辉石和熔体之间的分配系数低于1，残余岩浆中的稀土元素总含量将会增加，所以后结晶的矿物比先结晶的矿物含有更高的稀土元素总含量，辉长岩相中单斜辉石的稀土元素总含量较角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相略高，也表明辉长岩后结晶。

辉石中的Al组分主要受岩浆中的αAl2O3、αSiO2及其他高价阳离子(Fe3+、Cr3+、Ti4+)影响[48]，而高价阳离子含量主要受到Al替代Si时电价平衡的控制，由于其含量较少，不会对Al含量产生明显影响。在超镁铁质岩体中橄榄石的大量结晶使得母岩浆中SiO2含量急剧上升，至晚期单斜辉石结晶时αSiO2较高，其Al2O3含量则会明显降低。图拉尔根岩体角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中单斜辉石的SiO2含量较高，这两个岩相中斜方辉石的大量出现也指示岩浆体系SiO2过饱和，而辉长岩相中单斜辉石的Al2O3含量没有明显的降低趋势，这些都无法通过岩浆正常结晶演化来解释。前人研究表明，图拉尔根岩体混染了部分地壳物质[49]；Ta、Th、Yb等微量元素及S、Sr、Nd等同位素的定量模拟结果表明，岩体在上升过程中经历了低于5%的地壳物质混染[4,8,41]。因此，推测角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相中的单斜辉石具有较高的SiO2含量，可能是富硅地壳物质混染所致，而辉长岩相中的单斜辉石具有较高的Al2O3含量，推测是岩浆演化过程中富铝围岩发生混染的结果。

世界级铜镍硫化物矿床研究表明，岩浆型铜镍硫化物矿床形成的关键在于岩浆中的S元素达到饱和并与亲铜元素结合形成硫化物，随后硫化物熔体从硅酸盐岩浆中熔离出来，在一定空间内与足够的硅酸盐岩浆混合使亲铜元素品位提高，并保存于合适的空间[50-51]。在岩浆演化过程中，橄榄石、铬铁矿、辉石等富铁矿物的结晶将造成岩浆中FeO含量降低、SiO2含量升高，从而促使岩浆中S元素溶解度降低并达到饱和。图拉尔根岩体虽然经历了一定的结晶分异作用，但分异程度不高，因此，结晶分异作用不是形成图拉尔根岩浆硫化物矿床的唯一条件。Irvine通过实验研究证明，富SiO2物质的加入可使岩浆中S元素溶解度降低[52]。角闪橄榄岩相和辉石橄榄岩相受到过富硅地壳物质的混染，这对促使S元素溶解度降低并达到饱和非常有利，因此，富硅地壳物质的混染可能是图拉尔根岩体发生硫化物熔离的关键因素。