新疆东天山黑白山镁铁超镁铁岩地球化学、U-Pb年代学、Hf同位素特征及地质意义

舍建忠　冯长丽　贾健　段旭杰　邸晓辰　曹江宇　李兴俭

摘  要：黑白山镁铁超镁铁岩位于新疆中天山地块与觉罗塔格构造带的分界断裂——阿其克库都克大断裂南侧约4 km处。该岩体主要由阳起石化橄榄辉石岩、辉橄岩、辉石岩、蚀变细粒辉长岩组成，对岩体的主微量及稀土元素地球化学特征研究表明，岩体属铁质镁铁超镁铁岩，具低钾拉斑玄武质岩的分异特征; 岩石具相对较低SiO2（43.90%～52.80%）、相对富Na2O（0.38%～2.97%），贫K2O（0.11%～0.47%）及Na2O>K2O特征;MgO值变化大且较高（4.25%～32.49%），较高Mg#（63.94～82.98），相对富集轻稀土（（La/Yb）N为2.03～5.76），富集大离子亲石元素Rb，Ba，U，La，亏损高场强元素Nb，Ta，Ce，Ti，强烈富集Pb，说明岩石具幔源特征和岛弧岩浆特征。LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄（392.7±4.5）  Ma表明，该岩体属早泥盆世岩浆活动的产物。Hf同位素等地球化学特征和岩相学显示，岩浆起源于含有早期俯冲洋壳的亏损软流圈地幔，在岩浆演化过程中受到地壳及围岩混染，但混染作用较弱。黑白山岩体的发现为北天山洋在早古生代沿阿其克库都克断裂向南俯冲提供了新的证据。

关键词：镁铁超镁铁岩;锆石U-Pb年龄;Hf同位素;地球化学特征;黑白山;东天山

中亚造山带是世界上典型的增生型造山带，出露大量的基性-超基性岩体，是研究地壳垂向增生和壳幔相互作用过程的天然实验室[1]，东天山是其重要组成部分，位于中亚造山带南缘，与铜镍矿相关的古生代中性-中基性-基性-超基性岩十分发育，含矿岩体以规模小、多阶段侵入、岩相分带清晰、成群成带出现为特点，小岩体成大矿是普遍的成矿现象，是我国铜镍矿床的主要产地之一[2-5]。东天山地区基性-超基性岩多数沿深大断裂及次级断裂分布，根据区域构造位置及深大断裂可将东天山基性-超基性岩由北向南划分为3个带，黄山-镜儿泉带、中天山地块和北山裂谷3个构造-岩浆带 [6]。中天山地块中除东部天宇和白石泉等镁铁超镁铁岩前人做了较详细研究外，其他地方出露的镁铁超镁铁岩研究文献几乎没有。新疆地调院承担的“新疆东天山成矿带中段1∶5万综合地质调查”项目在中天山地块卡瓦布拉克断裂西侧新发现了泥盆纪黑白山镁铁超镁铁岩，通过系统的岩相学、岩石地球化学、锆石U-Pb年代学和Hf同位素研究，为进一步探讨东天山地区构造演化提供新的依据。

1  岩体地质背景

東天山黑白山镁铁超镁铁岩位于中天山地块（喀拉塔格地块）（图1），该地块夹持于塔里木板块和准噶尔-哈萨克斯坦板块之间，由卡瓦布拉克断裂、阿其克库都克断裂及赛力克沙依-星星峡断裂分别与阿奇山-雅满苏晚古生代岛弧带、南天山北缘及北山裂谷北缘相分隔[7，8]。区内出露前寒武变质基底，由星星峡岩群和卡瓦布拉克组所组成，总体为一套变质火山-沉积岩系，以黑云母斜长片麻岩、条带状混合岩、白云质大理岩和云母片岩、石英片岩为主，局部夹有斜长角闪岩[8，9]。在这些变质岩中分布着不同时代、不同成因的花岗岩[10]，并见晚石炭世—二叠纪双峰式火山岩沿着阿其克库都克断裂分布[7]。

黑白山镁铁超镁铁岩北侧距鄯善县约130 km，距阿其克库都克大断裂南侧约4 km处、阿齐山铅锌矿正南9 km处，严格受阿其克库都克大断裂及次级断裂控制，总体呈近EW向展布，与区域构造线方向一致，岩体呈孤包零散出露，侵入到青白口纪地层中，北东方向为著名的东天山白灵山岩体。东天山基性-超基性岩除个别岩体如海豹滩、土墩-黄山东、镜儿泉明显外，大多数岩体出露较差。因其相对抗风化剥蚀能力差，多分布于地势低洼处，被残坡积物覆盖，仅有少量孤包出露，以往地质科研工作较难发现。

2  岩相学特征

黑白山镁铁超镁铁岩主要岩石类型有阳起石化橄榄辉石岩、辉橄岩、辉石岩、蚀变细粒辉长岩，各岩石类型间无明显的接触界线。

阳起石化橄榄辉石岩  呈灰绿色，半自形粒状结构，块状构造，主要矿物由普通辉石（10%）、阳起石（75%）、橄榄石（10%）、磁铁矿（2%）、方解石（3%）组成。岩石含半自形柱状普通辉石，普通辉石沿边缘多被纤维柱状阳起石交代，普通辉石之间发育有半自形粒状橄榄石，橄榄石中包有细粒磁铁矿，阳起石之间发育有细粒方解石。

辉橄岩  呈灰绿色，半自形粒状结构，块状构造，主要矿物由橄榄石（82%）、普通辉石（10%）、磁铁矿（3%）、方解石（3%）组成。岩石含自形、半自形粒状橄榄石，橄榄石多蛇纹石化，在橄榄石裂纹中分解出尘状磁铁矿。橄榄石之间发育有半自形柱状普通辉石，普通辉石边缘多被阳起石交代，在橄榄石之间发育有半自形粒状方解石。

辉石岩  呈灰绿色，半自形粒状结构，块状构造，主要矿物由普通辉石（82%）、阳起石（10%）、黝帘石（2%）、斜长石（5%）、方解石（1%）组成。岩石含半自形柱状普通辉石，普通辉石边缘多被纤柱状阳起石交代，在普通辉石之间发育半自形板状斜长石，斜长石表面发育次生黝帘石，辉石之间含粒状黝帘石，在辉石裂隙中含次生方解石。

橄榄辉石岩  呈灰绿色，细粒辉长结构，块状构造，主要矿物由拉长石（55%）、普通辉石（30%）、绿泥石（10%）、磁铁矿（5%）组成。拉长石呈半自形板状，拉长石表面发育次生黝帘石，拉长石表面蚀变不清。在拉长石之间含半自形柱状和粒状普通辉石，沿普通辉石边缘发育细小片状绿泥石，在普通辉石之间发育自形和半自形粒状钛铁矿，钛铁矿现多白钛石化。

3  样品采集及分析方法

样品选取探槽内新鲜岩石，硅酸盐、稀土、微量元素样品6件。测试单位为新疆维吾尔自治区矿产实验测试中心，主量元素使用X射线荧光光谱仪（XRF）进行测试，精度在0.1%以内;微量元素采用ICP-MS（ElementⅡ）（Agilent7500a）测试。

锆石U-Pb年龄样品为辉长岩，锆石单矿物分选由河北省区域地质矿产调查研究所完成;阴极发光显微图像由北京锆年领航科技有限公司完成;锆石U-Pb同位素分析由中国科学院广州地球化学研究所实验室的激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS）上进行。U-Pb同位素分馏用标准锆石91 500作为外标予以校正，每测6个未知样品后插入一次91 500标样测定，以确保测试标样和样品仪器条件完全一致。激光光束束斑直径30 μm，以29Si作为内标测定锆石的U、Th、Pb含量。锆石测定点Pb 同位素比值、U-Pb 表面年龄和 U-Th-Pb 含量采用GLITTER程序和 Isoplot 程序进行数据处理。

锆石原位复位Hf同位素测试由中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，使用Neptune型多接收等离子体质谱仪和Geolas Pro型激光剥蚀系统联用方法完成，详细测试流程见侯可军等[11]。测试竖斑直径为44 μm。测试位置与测年点位相同或靠近。每分析10个样品测点插入一次标样测定（锆石标准GJ-1，GJ-1的测试精准度为0.282 030±40（2SE））。

4  分析结果

4.1  主量元素特征

样品主量和微量元素数据见表1。从表中可知，样品SiO2含量为43.90%～52.80%，属基性-超基性岩，其中辉石岩、辉橄岩具MgO含量较高（17.20%～32.49%），相对富Na2O（平均0.58%），贫K2O（平均0.25%）及Na2O>K2O的特征;辉长岩MgO含量较低（4.25%～7.02%），相对富Na2O（平均2.85%），贫K2O（平均0.36%），具显著的Na2O>K2O特征。所有样品Al2O3，CaO含量变化大（Al2O3=5.21%～25.15%、CaO=3.34%～16.34%），这与样品中基性斜长石种类及含量有关，Mg#介于63.94～82.98之间，低于蛇绿岩中变质橄榄岩的值（Mg#=89～91）[12，13]，主要与橄榄石、斜方辉石的堆晶作用有关。镁铁比为1.74～4.8，属铁质基性超基性岩[14]。在TAS图解中（图2-a），样品落在玄武岩大类及亚碱性系列内，在SiO2-K2O相关图解中均为低钾拉斑系列（图2-b）。据哈克图解，Fe2O3T与MgO呈正相关性，Al2O3，CaO，Na2O，K2O，TiO2与MgO呈负相关性，样品随MgO含量升高，Al2O3，CaO，Na2O，K2O降低（图3），说明样品为橄榄石、斜方辉石和单斜辉石为主的堆晶，TiO2降低，与它在结晶分异过程中的不相容性有关。

4.2  微量元素特征

樣品的稀土总量偏低（∑REE为17.82×106～53.78×10-6），（La/Yb）N介于2.03～5.76，说明轻重稀土元素之间和重稀土元素内部的分馏程度中等，LREE/HREE较不稳定，介于2.87～5.66，δEu值（0.79～2.14）变化较大，辉石岩、辉橄岩类呈负异常，辉长岩类呈正异常，这是因为岩浆结晶分异过程中，长石在晚期岩相中富集造成的。在REE球粒陨石标准化分布图解中（图4-a），所有样品均表现出相同的变化趋势，主体呈轻稀土富集、重稀土相对亏损的右倾特点，表明黑白山镁铁超镁铁岩来自同一源区，是同一原始岩浆分异演化的产物。微量元素原始地幔标准化蛛网图中（图4-b），显示出较一致的分布模式，大多数样品表现出Nb，Ta，Ce和Ti明显的负异常，Sr，Nd，Zr和Hf轻微的负异常，Rb，Ba，U，La和Pb的正异常，表明与俯冲作用或大陆地壳物质具一定亲缘性[15]。

4.3  U-Pb同位素

阴极发光图像显示锆石多呈长柱状，呈自形-半自形，晶面整洁光滑，无裂纹。环带状构造特征明显（图5-a），表现出岩浆成因锆石特点。由表2可知，Th含量变化范围为16.27×10-6～120.78×10-6，U含量变化范围为56.92×10-6～346.83×10-6，样品锆石均具较高Th/U比值，为0.29～0.65，多介于0.3～0.4（表2），显示岩浆锆石U、Th成分特征[16]。测得15颗锆石年龄数据多落于谐和线上或附近，个别数据落于谐和线右侧附近，表明受后期热事件干扰，少量铅丢失[17]。15个数据206Pb/238U年龄加权平均值（392.7±4.5） Ma（n=15，MSWD=0.20）（图5-b），代表黑白山岩体形成年龄为早泥盆世。

4.4  铪同位素

本次对测年锆石进行了复位Lu-Hf同位素分析，所有测试位置与U-Pb测年点位相同或相近。由表3可知，锆石176Lu /177Hf 比值最大值0.000 781，说明锆石形成后放射成因Hf 积累较少[18]，所测定的176Hf /177Hf 比值代表其形成时体系的 Hf 同位素组成[19]。176Hf /177Hf 比值为0.282 775～0.282 841，εHf（t）为正值（8.46～10.75），均值9.40，二阶段Hf模式年龄（tDM2）在769～842 Ma之间，均值785.72 Ma，与其形成年龄（392.7 ±4.5） Ma 相差较大。

5  讨论

5.1  岩浆演化

原始岩浆从源区地幔源经部分熔融作用开始生成、到迁移至岩浆房、再到最终喷出地表，是一个不断结晶分异、物质不断带出或带入、岩浆和矿物间平衡和再平衡的过程[20]。黑白山岩体与白石泉含铜镍矿镁铁-超镁铁岩体同处于中天山地块。据前人研究，白石泉岩体的母岩浆是含水的高镁拉斑玄武质岩浆[15]，虽然两者形成时代相差较大，前者形成时代为早泥盆世，后者形成时代为早二叠世[21]，但两者具有相近的Mg（白石泉MgO=15.87%～31.88%，Mg#=75～83）含量[15]，较低的相溶元素Cr，Co和Ni含量，说明黑白山岩体来源于分异程度相对较高的岩浆[22]。在Harker图解中，MgO与TFe2O3具正相关性（图3），说明岩浆在上升侵位过程中经历了橄榄石和斜方辉石分离结晶作用，而MgO与TiO2，Al2O3，CaO之间具负相关性，暗示富含Ti矿物（金红石、钛铁矿和榍石）、磷灰石和单斜辉石非主要结晶相[23]。对于橄榄石和辉石而言，Mg与Co，Ni是相容元素，该岩体Co ，Ni与MgO呈正相关性，说明该岩体发生过橄榄石、辉石的结晶作用。

综上所述，原始岩浆演化过程中经历了橄榄石、辉石和斜长石分离结晶作用，与岩相学特征一致。

5.2  源区特征及地壳混染

样品具高MgO、高Cr的特征，表明黑白山岩体具幔源特征，岩石稀土元素分布曲线呈先陡后缓右倾曲线（图4），富集大离子亲石元素（Rb，Ba）、LREE和活泼高场强元素（U）、亏损高场强元素（Nb，Ta，Ti，Zr，Hf）的特征和低TiO2（小于 1%）（表1），表明黑白山岩体具幔源特征和岛弧岩浆特征[24]。锆石复位测试176Hf /177Hf 比值为0.282 775～0.282 841，εHf（t）为正值（8.46～10.75），二阶段Hf模式年龄（TDM2）在769～842 Ma之间，均值785.72 Ma，与其形成年龄（392.7 ±4.5） Ma相差较大，在T-176Hf/177Hf和T-εHf（t）图中，样品落入球粒陨石和亏损地幔之间（图6），暗示其形成于球粒陨石εHf（t）值较大分异的亏损地幔的岩浆，有俯冲洋壳物质加入。

幔源岩浆在上升或侵位过程中一般都会受到不同程度地壳混染[25]。黑白山岩体亏损高场强元素Ta，Nb，Th和Ti，富集LILE和LREE，且Ta / La比值（0.017～0.040）低于原始地幔（Ta/La=0.06[26]），说明在上升或侵位过程中可能存在壳源物质混染[23]。一般MORB和OIB的Nb/U值较高（37±10）且均一 [27]，而大陆地壳Nb/U值通常很低[28]，因此Nb/U值可作为判别地壳混染的一个指标，同样铁镁质岩石中的高La/Nb值和低Zr/Ba值一般认为是软流圈与下地壳混合的结果[29]。黑白山岩体Nb/U值2.83～9.33，低于MORB和OIB，较高La/Nb值（1.71～2.59）和较低Zr/Ba值（0.36～1.64），说明黑白山岩体存在壳源物质混染。另地壳中富集Zr和Hf元素，地壳混染会导致Zr和Hf元素含量显著增高[30]，而样品中Zr和Hf元素无明显异常（图4-b），其较低的含量指示壳源物质混染程度较低。锆石的复位测试176Hf/177Hf测试值（现今值）、初始值和Lu/Hf比值变化均较小，也说明岩浆源区性质较单一，俯冲壳源物质加入较少。上述事实表明，岩浆演化过程中可能有较弱的地壳混染作用。

5.3  形成环境及构造意义

黑白山岩体玄武岩类样品主量元素TiO2多介于0.18%～0.99%之间，平均0.50%，TiO2 含量较低，明显低于洋脊玄武岩TiO2的均值1.5%，P2O5变化介于0.01%～0.08%，平均0.04%，与洋岛玄武岩的P2 O5平均含量0.14%相差甚远，暗示此玄武岩非大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩。高场强元素Nb，Ta，zr，Hf在蚀变和变质等过程中具很好的稳定性，因此是岩石成因和源区性质的示踪剂，并且，一般岛弧玄武岩和部分亏损型洋中脊玄武岩（N-MORB）的Ta，Nb丰度分别小于0.7×10-6和12×10-6，Nb/La<1，Hf/Ta>5，La /Ta>15 ;而板内玄武岩（WPB）、过渡型洋中脊玄武岩（T-MORB）和富集型洋中脊玄武岩（E-MORB）则正好相反。本次样品中玄武岩类样品Ta丰度为0.07×10-6～0.17×10-6，Nb丰度为0.98×10-6～3.7×10-6，含量较低，Nb/La比值0.43～0.58，Hf/Ta比值8.13～15.71，La/Ta比值25～58，表明该玄武岩类岩体成因环境与WPB、T-MORB、E-MORB岩石构造环境无关，类似于岛弧玄武岩或N-MORB的形成环境。我们采用不同构造环境判别图来进一步分析黑白山岩体形成环境，在2Nb-Nb /4-Y构造判别图解中，样品投影点落入火山弧玄武岩区（图7-a），在Ti/100-Zr-Sr/2构造判别图解中，样品投影点落入岛弧拉斑玄武岩区和钙碱性玄武岩区（图7-b），在Zr/117-Th-Nb/16构造判别图解中，样品投影点落入破坏板块边缘玄武岩区（图7-c）。上述特征说明样品具与俯冲有关的环境特征。

长期以来，对东天山造山带内觉罗塔格地区大地构造背景及演化存在争议，归纳起来主要有以下3种认识：①为晚古生代裂陷槽[31-34]，这种观点被普遍应用于其范围内基础地质工作;②为晚古生代被动大陆边缘[35，36];③为塔里木板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块缝合带[37-41]。中天山东北缘天宇与白石泉岩体源区特征极为相似，即岩浆起源于有少量俯冲板片贡献的亏损地幔[15]，说明觉罗塔格构造带比中天山地块更接近俯沖带，提供了北天山洋早二叠世向南俯冲的依据。尾亚Ⅰ型花岗岩（469 Ma）、火山岩（477 Ma）以及混合花岗岩（452 Ma）的出现，表明了北天山洋于早古生代沿沙泉子断裂向南俯冲，并于石炭纪末封闭[42]，而此次新发现的黑白山岩体为北天山洋于早古生代沿阿其克库都克断裂向南俯冲提供了新的证据。

6  结论

（1） 黑白山岩体中的辉长岩锆石U-Pb测年表明，该镁铁超镁铁岩体的形成年代为早泥盆世（392.7 ±4.5） Ma，本次为该地区首次发现早泥盆世镁铁超镁铁岩，形成时代区别于前人认识的石炭纪、二叠纪和新元古代。

（2） 黑白山岩体属铁质镁铁超镁铁岩，具高MgO，Cr，低TiO2的特征，富集大离子亲石元素（Rb，Ba），LREE和活泼高场强元素（U）、亏损高场强元素（Nb，Ta，Ti，Zr，Hf）的特征，表明黑白山岩体具幔源特征和岛弧岩浆特征。

（3） 主微量元素、铪同位素特征显示，岩浆起源于含有早期俯冲洋壳的亏损软流圈地幔，在岩浆演化过程中受到地壳及围岩混染，但混染作用较弱。

（4） 黑白山岩体的发现，为北天山洋于早古生代沿阿其克库都克断裂向南俯冲提供了新的证据。

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Abstract：The Heibaishan mafic ultramafic rock is located about 4 km south of the Akkekuduk fault， the boundary fault between the Middle Tianshan block and the Jelotag tectonic belt in Xinjiang province. The rock mass is mainly composed of anolitic pyroxenite， pyroxenite， pyroxenite and altered fine gabbro. The study on the geochemical characteristics of the main， trace and rare earth elements of the rock mass shows that the rock mass belongs to ferromagnesian ultramafic and has the differentiation trend of low potassium tholeiite. Rocks with relatively low SiO2 （43.90% ～ 52.80%）， relatively rich Na2O （0.38% ～ 2.97%）， poor K2O （0.11% ～ 0.47%） and Na2O > K2O， the characteristics of the MgO style change of value and higher （4.25% ～ 32.49%）， high Mg# （63.94 ～ 82.98）， the relative enrichment of light rare earth （La/Yb N 2.03 ～ 5.76）， the enrichment of large ion lithophile Rb， Ba，U，La， loss of high field strength elements Nb，Ta，Ce，Ti， strong enrichment of Pb， It shows that the rocks have mantle-derived characteristics and island arc magmatic characteristics. The zircon LA-ICP-MS U-PB age （392.7 ±4.5Ma） indicates that the rock mass is a product of early Devonian magmatic activity. The geochemical characteristics of hafnium isotopes and petrology show that the magma originated from the asthenosphere with the loss of the subducted oceanic crust at the early stage， and was mixed by the crust and surrounding rocks during the magma evolution， but the mixing was weak. The discovery of the Heibaishan rock mass provides a new evidence for the southern subduction of the Northern Tianshan Ocean along the Akhikkuduk fault in the early Paleozoic.

Key words：Mafic ultramafic rock;Zircon U-Pb age; Hf isotope;Geochemical characteristics; Heibaishan;East Tianshan