喀喇昆仑岔路口地区麦美奇质岩石的发现及其构造意义：岩石学、矿物学和地球化学证据

2021-09-24杨万志田江涛郭秀玮

世界地质 2021年3期

杨万志，田江涛，郭秀玮

1. 新疆维吾尔自治区地质调查院，乌鲁木齐 830000；2. 上海大学力学与工程科学学院，上海 200444

0 引言

喀喇昆仑--西昆仑造山带是特提斯构造域的重要组成部分，自元古代晚期以来该区经历了特提斯洋盆的多次开启、消减、闭合以及微陆块的拼合与大陆增生造山过程，因其复杂的地质演化历史以及其特殊的大地构造位置而成为青藏高原周缘造山带与特提斯构造演化研究的关键地区之一，并取得了大量研究成果[1--17]。然而从上述研究中不难看出，晚古生代—早中生代是喀喇昆仑--西昆仑造山带构造演化研究中的关键时期，但对此在许多重大基础地质问题上还存在认识上的分歧。Xiao et al.[3]根据大地构造相解剖认为该区晚古生代—晚三叠世应为与古特提斯洋消减(俯冲)有关的活动大陆边缘环境，而来自于花岗岩年代学和岩石成因研究则认为该区晚二叠—中三叠世(258～241 Ma)和中--晚三叠世(234～210 Ma)分别存在碰撞和后碰撞伸展环境[18--19]，魏永峰等[14]则通过团结峰地区新发现蛇绿混杂岩研究认为该区晚二叠—中三叠世属于陆间裂谷--初始洋盆环境，另有研究者通过花岗岩同位素年代学统计结果认为该区早--中三叠世属于被动大陆边缘环境[20]。与此类似的是关于喀喇昆仑--西昆仑造山带内微地块拼贴的时代与样式也存在不同的观点，如西昆仑地体和甜水海地体碰撞拼合时间包括中晚二叠世[7]、晚三叠世[21--22]、中三叠世[18,23]和晚侏罗世[6]，甜水海地体和喀喇昆仑地体的碰撞拼合时间包括晚三叠世[24]、早侏罗世[9,21--23]和晚侏罗世[6]。

上述争议之所以出现，其中一个重要原因是缺乏对造山带内火成岩组合的系统研究。虽然近年来对该区花岗质岩石进行了较为详细的年代学和地球化学研究并取得了显著的进展[18,19,23,25--27]，但由于花岗岩成因类型的多样性导致对其构造属性解释的不确定性[28]。而与花岗岩研究相比，前人对镁铁质--超镁铁质岩的研究显得较为薄弱[17]，特别是对超基性熔岩的报道十分有限[29]。鉴于此，笔者报道了喀喇昆仑岔路口地区超基性熔岩的岩石学、矿物学和地球化学特征，讨论了这些超基性熔岩的岩石类型归属、母岩浆性质、熔融条件及其构造背景，为限定区域构造演化提供了新资料。

1 地质背景与样品描述

喀喇昆仑—西昆仑地区位于青藏高原西北部，在构造上分别以康西瓦—阿尼玛卿、乔尔天山—金沙江和班公湖缝合带为界，自北向南可以划分出西昆仑地体、甜水海地体、喀喇昆仑地体和科西斯坦地体，总体上呈北西向展布，向东大致可以与高原东部主要构造带相连接(图1a、b)。作为羌塘地体的次级构造单元，喀喇昆仑地体基底由石英片岩、云母片岩、千枚岩和板岩等前寒武纪浅变质岩系组成，其上为泥盆系或石炭系不整合覆盖[23]，盖层广泛发育中新界和部分上古生界。北东侧甜水海地体出露前寒武纪甜水海群，为一套被动大陆边缘环境下形成的变质碎屑岩夹灰岩、大理岩和硅质岩等滨浅海相沉积，沉积时代为740～540 Ma[9]。部分研究者将甜水海地体和喀喇昆仑地体合称为甜水海微陆块喀喇昆仑--甜水海地体[7,8,30]。区内侵入岩主要为白垩纪花岗质岩石(图1b)，其中早白垩世花岗闪长岩和英云闪长岩主要分布于红其拉甫、卡拉其古、乔戈里峰和温泉一带[10,12,13,25,27]，晚白垩世花岗质岩石则以林济塘南侧班公山脉片麻状花岗岩[25]和红其拉甫的闪长岩[13]为代表。向北在甜水海地块上出露三叠纪花岗岩[19]。

图1 喀喇昆仑—西昆仑大地构造划分[3](a、b)和研究区地质简图(c、d)Fig.1 Tectonic division of Karakorum--West Kunlun[3] (a, b) and simplified geological map of study area (c,d)

研究区位于喀喇昆仑地体东南部林济塘中生代盆地内(图1c)，出露地层主要为中下二叠统神仙湾组、中三叠统上河尾滩组(T2s)、上三叠统克勒青河组(T3k)、道腾格湖组(T3d)以及广泛分布的侏罗系和白垩系(图1d)。其中以“双峰式”火山岩为特征的上三叠统道腾格湖组是内蒙古自治区第三地质矿产勘查开发院(2018)在岔路口一带从上白垩统铁笼滩组中新厘定的一个组级单位(1)内蒙古自治区第三地质矿产勘查开发院. 新疆甜水海地区1∶5万高地幅、道腾格幅、红山头幅、碧龙潭幅四幅区调报告[S]. 乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区地质资料馆，2018.，主体岩性为玄武岩、玄武质火山角砾岩夹硅质岩，顶部出现英安岩。根据该组与下伏中--下二叠统神仙湾组和上覆地层上白垩统铁笼滩组均呈角度不整合接触以及在英安岩中取得的锆石U--Pb年龄(210 Ma)将其厘定为晚三叠世。中三叠世上河尾滩岩群为四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队(2016)所建立(2)四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队. 新疆西昆仑地区1∶5万团结峰幅、岔路口幅、河尾滩幅、兴山幅、南大沟幅等5幅区调报告[S]. 北京：全国地质资料馆，2016.，主要由一套基性--超基性侵入岩、枕状玄武岩、基性火山碎屑岩及含放射虫硅质岩等组成的蛇绿岩残片构成，根据获取的锆石U--Pb年龄251 Ma(辉绿玢岩)、228 Ma(辉长岩)、242 Ma(辉绿玢岩)、254 Ma(枕状玄武岩)以及放射虫硅质岩研究成果，将其时代归属为中三叠世。

区内及相邻地区超基性熔岩分布较少(图1c)，仅见于乔尔天山、温泉断裂和道腾格湖南东(3)内蒙古自治区第三地质矿产勘查开发院. 新疆甜水海地区1∶5万高地幅、道腾格幅、红山头幅、碧龙潭幅四幅区调报告[S]. 乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区地质资料馆，2018.等地。本次发现的超基性熔岩(玻基纯橄岩和玻基辉橄岩)出露于兴雅谷地上三叠统道腾格湖组中(图1d)，呈夹层状断续分布于玄武岩及硅质岩中，顶部为一层性质不明的砾岩以及其上的英安岩覆盖，总体上构成了深海相火山--沉积建造。在相邻地段可见辉长岩、辉绿岩等基性侵入岩，但因覆盖严重未见两者接触关系。为了保证样品的代表性和分析测试的准确性，对研究区超基性熔岩出露点进行了分散取样，并在详细显微岩相学研究基础上尽量选取蚀变轻微的样品用以矿物化学成分和全岩主微量元素分析。岩石类型和代表性样品的岩相学特征描述：①玻基纯橄岩(代表性样品为2020Jx--23)：玻基斑状结构(图2a、b)，块状构造。斑晶均为橄榄石，含量50%～60%，多呈自形半自形晶，粒径多为1.5～3.5 mm，多具不同程度蛇纹石化，部分蚀变轻微。基质主体由玻璃质组成，含少量单斜辉石微晶。玻璃质多具脱玻化形成羽状或束状含钛普通辉石雏晶集合体(图2c、d)，部分微晶状普通辉石发育中空骸晶结构(图2c、d)。局部可见杏仁构造(图2e)，由绿泥石和少量玉髓构成。②玻基辉橄岩(代表性样品2020Jx--43)：玻基斑状结构(图2f)，块状构造。橄榄石斑晶含量35%～45%，多呈自形--半自形晶，粒径多为1.5～3 mm，多具明显皂石化(图2f)。含钛普通辉石斑晶含量约25%～35%，多呈自形--半自形柱状，长度多为2～3 mm，紫色并具弱多色性。基质主要由玻璃质和少量微晶状含钛普通辉石构成，玻璃质脱玻化形成羽状或束状雏晶集合体(图2g)。此外可见少量蚀变矿物淡斜绿泥石，局部可见杏仁构造(图2h)。

a(单偏光)和b(正交偏光)：玻基纯橄岩中玻基斑状结构，橄榄石斑晶多呈自形晶；c(单偏光)和d(正交偏光)：玻基纯橄岩中羽状或束状普通辉石雏晶集合体和中空骸晶结构；e(正交偏光)：玻基纯橄岩中玻基斑状结构和杏仁构造；f(正交偏光)：玻基辉橄岩中玻基斑状结构及自形普通辉石斑晶和半自形橄榄石斑晶；g(正交偏光)：玻基辉橄岩中羽状或束状普通辉石雏晶集合体；h(正交偏光)：玻基辉橄岩中的杏仁构造。矿物代号：Ol.橄榄石；Aug.普通辉石；Srp.蛇纹石；Sap.皂石。图2 研究区超基性熔岩的显微照片Fig.2 Microscopic photos of ultramafic lavas in study area

2 矿物化学成分

2.1 分析方法

矿物化学成分分析在新疆维吾尔自治区矿产实验研究所电子探针室采用日本JAX--8100 型电子探针完成测定。仪器运行条件为：束电流10 nA，加速电压20 kV，分析束直径为1～5 μm。标样采用中国地质科学院矿产研究所提供的GSB标准样品，并采用ZAF法进行校正，分析精度为0.01%。

2.2 分析结果

岔路口地区超基性熔岩中橄榄石斑晶电子探针分析结果见表1。11件样品25个测点获得的SiO2含量为38.68%～40.58%(平均值为39.80%)，MgO含量(去掉一个最低值42.88%和一个最高值48.37%)为44.43%～46.72%(平均值为45.72%)，TFeO为11.67%～13.32%(平均12.62%)。总体来看，其主要化学成分变化不大，计算得出的Fo值(Fo = 100 × (XMgO) / (XMgO+ XFeO))为85.60～87.71(平均86.59)，均为镁含量较高的贵橄榄石。在单件样品中，橄榄石斑晶Fo值变化幅度较小，除样品Jx--23变化幅度可达1.1外，其他样品不同测试点Fo值变化幅度为0.01～0.75。Ni含量(Ni=10 000× XNiO/ MNiO)主要为1 100×10-6～2 381×10-6，仅个别测试点(Jx9--1为699×10-6；Jx13--1为864×10-6)较低。其中四件单件样品Ni含量变化较大(943×10-6～1 304×10-6)，三件单件样品Ni含量变化较小(16×10-6～79×10-6)。这些不同测点的Ni含量与SiO2和MgO含量、Fo值以及Mn和Cr等均未无明显相关趋势。

表1 岔路口地区超基性熔岩橄榄石电子探针分析(10-2)及相关参数

不同样品中橄榄石主要化学成分特征变化不大，暗示这些橄榄石为同源且成分类似的岩浆结晶而成，即这些不同样品中橄榄石具有相同成因。而单件样品中不同测点橄榄石Fo值变化较小，表明这些橄榄石斑晶为岩浆平衡结晶的产物并在其形成后基本没有遭受残余熔体或外来岩浆的改造。一般认为，橄榄石中Fo值和Ni含量取决于母岩浆成分、岩浆结晶分异和硫化物熔离作用以及橄榄石与后期晶间熔体所发生的交换反应[31--32]。如果母岩浆中MgO及Ni含量高，那么结晶形成的橄榄石Fo值及Ni含量也相对较高。对于岩浆结晶分异或硫化物熔离作用来说存在两种情况，一是在硫不饱和条件下发生结晶分异时橄榄石中Ni含量将随Fo值的减小而减小，即两者呈正相关，但在硫饱和条件下岩浆硫化物熔离作用将导致橄榄石出现Ni的亏损。如果早期晶出的橄榄石与晶间熔体发生物质交换则橄榄石的Fo值与Ni含量会降低[33]。而本文橄榄石具有较高的Fo值以及多数样品Ni含量较高，两者并不存在明显相关趋势，表明其母岩浆中的MgO及Ni含量较高。部分样品中Ni含量较低以及部分单件样品中Ni含量变化范围较大可能与硫化物熔离作用有关，但尚不能排除橄榄石与晶间熔体硫化物发生反应所致[31]。

3 全岩地球化学

3.1 分析方法

全岩主量元素和微量元素分析均在新疆维吾尔自治区矿产实验研究所完成。主量元素分析采用扫描型波长色散荧光光谱仪(XRF--1800)分析，分析精度在0.1%以内。微量元素采用ICP--MS(Element II)(Agilent 7500a)完成测试，分析精度为：当元素含量>10×10-6时，精度优于5%；当元素含量<10×10-6时，精度优于10%。

3.2 分析结果

3.2.1 主量元素

岔路口超基性熔岩的主量元素测试结果见表2。所有样品SiO2含量为38.51%～42.86%(平均40.47%)，均为超基性岩类。去掉烧失量以后，在火山岩TAS分类图中均落在苦橄玄武岩区(图3)。MgO含量为26.81%～31.28%(平均28.48%)，TFeO=12.17%～14.52%(平均13.36%)，Mg#值较高(0.77～0.82，平均为0.79)，TiO2=1.00%～1.45%(平均1.23%)，Na2O+K2O=0.17%～0.67%(平均0.43%)，Na2O/K2O主要为1.04%～1.79%(去掉样品2020Jx--26低值0.77%)。按火山岩分类原则所有样品均属于高镁苦橄岩类[34]，与岩相学观察相一致。

图3 岔路口地区超基性熔岩的TAS图解Fig.3 TAS diagram for ultramafic lavas in Chalukou area

3.2.2 痕量元素

岔路口地区超基性熔岩的稀土总量(ΣREE)为73.42×10-6～141.62×10-6，轻稀土元素含量(ΣLREE)为66.02×10-6～127.74×10-6，重稀土元素含量(ΣHREE)为4.88×10-6～9.14×10-6，轻稀土元素组与重稀土元素组以及两组元素之间都具有明显分馏，其稀土元素球粒陨石标准化配分曲线为明显富集型(图4a)，(La/Yb)N为8.23～17.46，Eu异常不明显(δEu=0.90～0.99)。其特征与峨眉山大火成岩省中部分苦橄岩的稀土配分曲线相似(但后者ΣREE较高[35])，重稀土强烈亏损可能反映出源区有石榴石留存。但与喀喇昆仑东南部拉达克二叠纪“科马提岩”相比，则后者具有更低的ΣREE(平均36×10-6)和轻稀土略富集、重稀土轻微亏损的稀土元素组成[29]。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图4b)上，Th、Nb、La、Pr、Nd表现出明显富集，而Ba、K、Sr明显亏损，其他元素异常不明显，其特征与许多洋岛玄武岩相似而与N型MORB存在明显区别[36]。

图4 岔路口地区超基性熔岩的稀土配分模式(a)[37]和微量元素蛛网图(b)[38]Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a)[37] and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b)[38] for ultramafic lavas in Chalukou area

表2 岔路口地区超基性熔岩主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析结果

4 讨论

4.1 麦美奇质岩石

麦美奇岩(亦称玻基纯橄岩)指一种高MgO超基性熔岩或浅成岩，因最先在西伯利亚地台麦美奇河流域发现而命名[39]。其主要特征为岩石具玻基斑状结构，斑晶为自形--半自形橄榄石(多已蚀变)，含量可达50%～60%，基质主体为黑色火山玻璃，有时在玻璃基质中有少量含钛普通辉石微晶，基本不含斜长石[40--41]。Maitre et al.[34]在其新版火山岩分类和系统命名方案中，从岩石化学角度将这类高镁(MgO>18%)火山岩分为两种类型，即科马提岩(30%18%、TiO2<1%)和麦美奇岩(30%18%、TiO2>1%)，两者主要区别是其TiO2含量。但从岩相学及其形成时代上来看，科马提岩更强调鬣刺结构的存在及其主要形成于前寒武纪。显然，作为两个不同的分类和命名体系，前者更注重地质观察与岩石形成过程，而后者在岩石化学领域中意义重大。

按Maitre et al.[34]岩石化学分类方案，岔路口地区超基性熔岩属麦美奇岩。但从岩相学上看，虽然本文样品多具玻基斑状结构，但除少量样品斑晶均为橄榄石外，多数样品除橄榄石斑晶外还存在较多辉石斑晶。因此就其岩相学命名而言前者为玻基纯橄岩(即典型麦美奇岩)，而后者属玻基辉橄岩(非传统麦美奇岩)。目前国内有关麦美奇岩的报道较少(表3)，除俞惠隆[42]首次报道的湖北大红山玻基纯橄岩为典型麦美奇岩外，其他3个地区所报道的“麦美奇岩”都存在不确定性。如甘肃北山南部“麦美奇岩”具有较低的TiO2含量，在岩石化学分类上具有科马提岩属性，而塔里木盆地西北部和云南西北部报道的“麦美奇岩”虽然符合岩石化学分类，但缺乏岩相学标志。由此可见，目前关于麦美奇岩的分类和命名尚存在不同的认识。考虑到目前广泛使用的岩石化学分类方案和传统岩相学标志，建议将岔路口地区(包括塔里木盆地西北部、云南西北部)符合麦美奇岩化学分类原则但缺乏岩相学标志的这类高镁超基性熔岩暂称为“麦美奇质岩石”，以区别于符合“双标”的麦美奇岩。

表3 国内“麦美奇岩”及其主要岩石化学数据

4.2 母岩浆性质与熔融条件

岩相学研究表明，本文麦美奇质岩石包含大量自形橄榄石斑晶，表明其母岩浆在地下深部稳定停留了较长时间并可能发生了结晶分异作用，由此导致现今取得的岩石化学成分与原生母岩浆成分可能发生了较大偏离，对此有必要对其母岩浆性质作出定性或半定量限定。

圆点代表开始熔融时的温度和压力。固相线左边数字代表液相中MgO的含量。戈尔戈纳苦橄岩和苦橄玄武岩、西格陵兰苦橄岩、夏威夷、冰岛和大洋中脊的温度和压力据文献[47].图5 饱满橄榄岩熔融形成的原始岩浆的温度--压力图解[47]Fig.5 Adiabatic temperature paths for primary magmas produced by melting of fertile peridotite

综上所述，认为该区麦美奇质岩石的母岩浆为高镁(MgO≥18.18%)麦美奇质岩浆，与该岩浆平衡的地幔熔融温度和压力下限分别为1 580℃和3.9 GPa。

4.3 形成时代与构造意义

目前对研究区麦美奇质岩石的具体形成时代还难以准确把握。虽然前人依据该组顶部英安岩中获得的锆石U--Pb年龄(210 Ma)将包括麦美奇质岩石在内的道腾格湖组归属为上三叠统(4)内蒙古自治区第三地质矿产勘查开发院. 新疆甜水海地区1∶5万高地幅、道腾格幅、红山头幅、碧龙潭幅四幅区调报告[S]. 乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区地质资料馆，2018.，但据观察“顶部”英安岩与下伏玄武岩等岩石之间存在一层厚度不大断续分布的砾岩，由于该组中存在较多的玄武质火山角砾岩，初步的野外观察以及条件所限尚不能确定伏于英安岩之下的这层砾岩是火山角砾岩还是具有底砾岩性质的构造角砾岩。据此还难以将包括麦美奇质岩石在内的“下伏”火山岩的形成时代确定为晚三叠世，而仅能将其时代限定为>210 Ma。考虑到在相邻地区所获得的基性岩的锆石U--Pb年龄多集中在228～254 Ma(5)四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队. 新疆西昆仑地区1∶5万团结峰幅、岔路口幅、河尾滩幅、兴山幅、南大沟幅等5幅区调报告[S]. 北京：全国地质资料馆，2016.，结合道腾格湖组与下伏中--下二叠统呈不整合接触这一地质事实，暂时将本文麦美奇质岩石的形成时代限定为晚二叠世—晚三叠世，对此尚须做进一步工作。

关于该区及邻区晚二叠世—晚三叠世的构造环境一直存有重大争议，如被动大陆边缘环境[20]、俯冲环境[3]、碰撞和后碰撞伸展环境[18--19]和陆间裂谷--初始洋盆环境[14]。从基性--超基性岩构造环境判别图解(图6)中可以看出，该区麦美奇质岩石主要投影在板内环境或富集型洋中脊环境，反映其构造环境可能类似于裂谷或洋盆环境。而近年来在西昆仑团结峰地区(紧邻研究区西北角)晚二叠世—中三叠世蛇绿岩残片的发现，为麦美奇质岩石形成于洋盆环境提供了佐证。结合道腾格湖组双峰式火山岩的存在①可以认为该区麦美奇质岩石形成于与洋盆环境有关的伸展背景。那么这种伸展背景的地球动力学原因是什么？

图6 岔路口地区超基性熔岩Th--Hf--Zr--Nb体系构造判别图解[52]Fig.6 Geotectonic triangular diagrams of Th--Hf--Zr--Nb system for ultramafic lavas in Chalukou area

从微量元素组成上看，该区麦美奇质岩石具有较高的不相容微量元素含量，且在微量元素蛛网图(图4b)呈现出Th、Nb、Nd明显富集和Ba、K、Sr明显亏损，其特征与许多洋岛玄武岩相似而与N型MORB存在明显区别[36]。Putirka[49]采用橄榄石--液相平衡原理，利用橄榄石斑晶估算了夏威夷、冰岛和大洋中脊熔岩的地幔熔融温度，结果表明夏威夷、冰岛分别比大洋中脊的地幔熔融温度至少高250℃和165℃，相应软流圈地幔潜在温度分别高出213℃～235℃和162℃～184℃。本文估算的麦美奇质岩浆熔融温度下限为1 580℃和3.9 GPa，接近威夷、冰岛熔岩所估算的熔融温度[49](1 637℃～1 688℃)以及峨眉山大火成岩省苦橄岩熔融温度[50](1 630℃～1 680℃)，可能反映了类似的构造背景。显然，这些具有洋岛地球化学属性的熔岩所反映出来的高异常地幔潜在温度需要大量额外热能的补给，目前许多研究者将其驱动力归属于地幔柱[43,47--51]。

综上所述，笔者认为研究区麦美奇质岩石形成于晚二叠世—晚三叠世的伸展环境，其地球动力学背景与地幔柱有关。