弧地壳深部岩浆结晶分异过程：来自中祁连西段哈马尔达坂杂岩体的年代学、地球化学和热力学模拟研究*

孙晓奎 王超 李航 郝江波 喻遵谱 张帅 马得青 李雪

大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，西安 710069

由于安山质弧岩浆与大陆地壳的平均成分一致，因此，学者们认为显生宙以来的大陆地壳主要形成于俯冲带岩浆作用(Taylor and McLennan, 1985; Rudnick, 1995; Rudnick and Gao, 2003)。但是，来自俯冲带地幔楔的原始岩浆通常为玄武质熔体(Kay and Kay, 1985; Groveetal., 2003; Kelemenetal., 2014; Schmidt and Jagoutz, 2017)，那么初始玄武质弧地壳如何转变为安山质-长英质地壳？一直是地学界关注的热点课题之一。

近年来，不同学者针对弧岩浆分异过程开展了大量研究工作，对弧岩浆演化过程和大陆地壳形成机制提出了不同认识：(1)初始含水玄武质弧岩浆主要通过分离结晶作用形成基性-超基性堆晶岩和衍生的中性-酸性熔体(Greeneetal., 2006; Müntener and Ulmer, 2006; Jagoutz, 2010, 2014)。由于密度差异，弧堆晶体通过拆沉作用返回地幔，促使弧地壳向中性组分变化(Kay and Kay, 1985; Kay and Kay, 1991, 1993; Jull and Kelemen, 2001; Kelemen and Behn, 2016)；(2)原始弧地壳的部分熔融、地壳混染和岩浆混合等过程之间的相互作用可以形成中性-酸性熔体和基性-超基性残留体(Atherton and Petford, 1996; Sissonetal., 1996; Tatsumietal., 2008; Annenetal., 2006)。越来越多的研究表明，上述这些岩石学过程主要发生于弧地壳深部(DeBari and Greene, 2011; Tatsumietal., 2008; Jagoutz, 2014)。因此，现今剥露至地表的中下地壳弧侵入杂岩体可以为研究弧岩浆演化过程和机制提供良好的载体，如巴基斯坦东北部的Kohistan洋内弧杂岩(Jagoutzetal., 2007; Dhuimeetal., 2007, 2009)、阿拉斯加的Talkeetna弧杂岩(DeBari and Coleman, 1989; Greeneetal., 2006)、北美白垩纪科迪勒拉弧(Saleebyetal., 2003; Leeetal., 2006; Duceaetal., 2015)和中国西藏中生代冈底斯弧基底杂岩(朱弟成等, 2018; 张泽明等, 2019; Guoetal., 2020)。

近年来在中祁连西段盐池湾地区发现了大量的弧岩浆岩，记录了大陆地壳形成演化的重要信息(Wangetal., 2017; Zhaoetal., 2020)。最近，本文作者在该地区的哈马尔达坂发现了由辉石角闪石岩、角闪辉长岩、角闪石岩和闪长岩等侵入岩构成的杂岩体。哈马尔达坂杂岩体被同时期的岛弧火山岩直接覆盖，代表了隆升剥蚀后的深部弧岩浆侵入体，为研究弧岩浆演化过程提供了重要载体。

通过对哈马尔达坂杂岩体开展系统的野外地质调查、岩石学、地球化学和Sr-Nd-Hf同位素分析、锆石U-Pb年代学、结晶温压条件估算和热力学模拟等工作，本文揭示了岩浆结晶分异作用在弧岩浆演化过程中具有重要作用。

1 区域地质背景

祁连造山带处于阿拉善地块、塔里木地块和柴达木地块之间，是秦祁昆造山系的一部分(图1a)。祁连造山带可划分为北祁连、中祁连和南祁连三个构造带(图1a)。祁连造山带出露的岩石记录了从新元古代大陆裂解、洋盆打开、早古生代洋壳俯冲和沟-弧-弧后盆地体系的形成，再到大陆碰撞/俯冲和折返等一系列复杂的地质演化过程(张建新等, 2015; Songetal., 2013; Xuetal., 2006; Xiaoetal., 2009; Wangetal., 2017; Yuetal., 2021)。

图1 祁连造山带地质简图(a, Wang et al., 2017)、盐池湾地区哈马尔达坂杂岩体及采样位置地质图(b)及哈马尔达坂杂岩体地质剖面图(c)Fig.1 Simplified geological map of Qilian orogenic belt (a, after Wang et al., 2017), geological map of the Hamardaban Complex and sampling location in Yanchiwan (b) and geological section map of the Hamardaban Complex (c)

北祁连造山带发育新元古代至早古生代蛇绿岩、榴辉岩和蓝片岩、岛弧火山岩、花岗质杂岩体和志留纪复理石建造、泥盆纪磨拉石建造以及石炭纪-三叠纪沉积岩系等(张建新等, 1998; 左国朝等, 2002; 吴才来等, 2006, 2010; 夏林圻等, 2016; 宋述光等, 2009)。中祁连构造带主要由前寒武纪基底、早古生代岩浆岩(中酸性侵入岩、岛弧火山岩、少量基性-超基性岩体) 和古生代沉积岩组成，其中的前寒武纪基底包括野马南山群、湟源群、马衔山群深变质岩系和党河群、湟中群、兴隆山群浅变质岩系，时代上主要集中在中-新元古代(张建新等, 2015; 夏林圻等, 2016)，古生代岩浆岩主要形成于530～410Ma之间(Wangetal., 2017; Zhaoetal., 2020)。南祁连构造带主要为新元古代-奥陶纪沉积岩系和古生代中-酸性侵入体，侵入体主要形成时代为460～445Ma(Lietal., 2019)。

中祁连构造带中的早古生代岩浆岩较为发育，岩石类型丰富。近年来，在中祁连南缘东段拉脊山地区识别出534～500Ma的洋底海山和490～440Ma的由玻安岩、洋岛玄武岩和岛弧火山岩组成的洋内弧盆体系(Songetal., 2013, 2017)，在木里地区报道了520～492Ma的辉长岩(Yanetal., 2019)和453～444Ma的埃达克质岛弧火山岩(Yangetal., 2019)；在中祁连西段盐池湾地区多诺若尔群中发现具有弧后盆地岩浆性质的高钾-钾玄质岛弧火山岩(HKSV)、似MORB型玄武岩、OIB型玄武岩以及玻安岩组成的中基性火山岩组合(约475Ma；Zhaoetal., 2020)。这些地区的岩浆岩构成的弧岩浆岩带，它们共同记录了俯冲带不同阶段的演化历史。

与在中祁连地块西段盐池湾弧后盆地火山岩紧密伴生着一镁铁质-超镁铁质杂岩体。该杂岩体位于盐池湾地区北部的哈马尔达坂。哈马尔达坂杂岩体主要由辉石角闪石岩、角闪辉长岩、角闪石岩和闪长岩组成(图1b, c)。辉石角闪石岩、角闪辉长岩和角闪石岩主要分布在岩体的北部，而闪长岩类分布在岩体的南部。南部的闪长岩中主要矿物为角闪石和长英质矿物，北部的镁铁质岩石中角闪石等矿物的颗粒较大，堆晶现象发育。二者呈渐变过渡接触(图1c)。该杂岩体南侧毗邻约475Ma的玄武岩和玄武安山岩(Zhaoetal., 2020)。

本文对该杂岩体中的不同岩石类型进行了岩石学、全岩地球化学和同位素分析研究。详细的岩石类型及矿物组合见表1。

表1 哈马尔达坂杂岩体主要岩石类型及矿物组合

2 岩石学特征

2.1 镁铁质-超镁铁质岩石

角闪辉长岩具有中-粗粒状结构，主要矿物组成为角闪石(55%～60%)、单斜辉石(10%～15%)、斜长石(20%～25%)以及绢云母(Se)、透闪石(Tr)等蚀变矿物(图2a, b)。单斜辉石呈自形粒状，发育次角闪石化现象。角闪石为自形-半自形的粒状堆晶结构，矿物颗粒边界明显，粒径介于2～10mm之间。粒间他形斜长石存在于角闪石之间的缝隙中，发生了较明显的绢云母化蚀变现象。同时，存在自形角闪石包裹残余单斜辉石的包含结构(图2b)及磁铁矿出溶现象。

图2 哈马尔达坂杂岩体代表性样品的野外及显微镜下照片(a)角闪辉长岩；(b)角闪辉长岩，可见堆晶角闪石中有单斜辉石残余及磁铁矿出溶；(c)辉石角闪石岩；(d)角闪石岩，可见120°三联点的角闪石粒状镶嵌接触；(e)石英闪长岩；(f)闪长岩. 矿物缩写：Hb-角闪石；Cpx-单斜辉石；Pl-斜长石；Q-石英；Bt-黑云母；Mt-磁铁矿；Ep-绿帘石；Tr-透闪石Fig.2 Field photos and photomicrographs of representative samples of the Hamardaban Complex(a) hornblende gabbro; (b) hornblende gabbro shows clinopyroxene residues and magnetite exsolution in cumulate hornblende; (c) pyroxene hornblendite; (d) hornblendite with 120° triangles of granular contact of hornblende; (e) quartz diorite; (f) diorite. Mineral abbreviation: Hb-hornblende; Cpx-clinopyroxene; Pl-plagioclase; Q-quartz; Bt-biotite; Mt-magnetite; Ep-epidote; Tr-tremolite

辉石角闪石岩具有中等粒状结构，主要矿物组成为角闪石(70%～75%)、单斜辉石(5%～10%)、斜长石(15%～20%)以及滑石(Tlc)、绿泥石(Chl)等蚀变矿物(图2c)。角闪石呈自形-半自形，矿物颗粒边界平直，粒径介于2～3.0mm之间，部分蚀变为透闪石。辉石主要为单斜辉石，呈半自形，矿物颗粒有绿泥石化现象。

角闪石岩呈粒状堆晶结构，主要由角闪石(85%～90%)、斜长石(10%～15%)以及少量黑云母、磷灰石(Ap)和磁铁矿等矿物组成。可见自形角闪石的再生长、且被较晚期粒间他形斜长石充填的正堆晶结构(Orthocumulate texture)(图2d)。角闪石颗粒呈粒状，多为自形晶，粒径大小在0.2～0.5mm，彼此以直线镶嵌接触，可看到120°三联点接触。斜长石多为半自形-他形，且发育绢云母化蚀变。辉石角闪石岩和角闪石岩中的角闪石主要以堆晶矿物相的形式产出。

2.2 闪长岩类

石英闪长岩主要由角闪石(65%～70%)、斜长石(20%～25%)、石英(10%～15%)等矿物组成(图2e)。角闪石多为自形晶，矿物边界平直。石英与斜长石呈他形存在于角闪石之间的空隙中，斜长石发育绢云母化。

闪长岩呈块状构造，中-细粒半自形结构，主要由角闪石(60%～65%)、斜长石(30%～35%)、辉石(5%～10%)、石英(5%～10%)等矿物组成。副矿物有绿帘石、磷灰石、磁铁矿等(图2f)。角闪石多为自形晶，矿物边界平直。辉石有绿泥石化现象。石英与斜长石呈他形存在于角闪石、辉石之间的空隙中。闪长岩类中的角闪石颗粒多为半自形到自形晶，较镁铁质-超镁铁质岩石中的角闪石含量少。

3 分析方法

本文对代表性样品进行了全岩主微量元素、全岩Sr-Nd-Hf同位素、锆石U-Pb年代学及单矿物电子探针主量元素分析。岩石地球化学分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。根据样品岩性选择不同实验参数完成细碎过程，获得直径小于200目、用于全岩地球化学分析的粉末。主量元素分析在XRF(Rugaku RIX 2100) 仪上测定。微量元素分析在Elan 6100 DRC型ICP-MS上完成，样品测试中用标样BCR-2、BHVO-1和AGV-1进行监控。

全岩Sr-Nd-Hf同位素测试是在武汉上谱分析科技有限责任公司完成的。Sr-Nd-Hf同位素分析采用德国Thermo Fisher Scientific公司的MC-ICP-MS(Neptune Plus)。BCR-2(玄武岩)和RGM-2(流纹岩)(USGS)选择作为流程监控标样。两个监控标样的同位素分析测试值与推荐值(Lietal., 2012) 在误差范围内一致。分析准确度和精密度满足高精度的Sr-Nd-Hf同位素分析要求。

锆石的分选在廊坊市宇能岩矿技术服务有限公司利用重磁分离法完成，锆石的制靶过程在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。在双目镜显微镜下对分离出来的锆石进行挑选，选出结晶好、无裂隙及包裹体的锆石，固定于环氧树脂上并抛光至锆石颗粒核部露出。锆石的阴极发光(CL)分析在装有Mono CL3+阴极发光装置系统的扫描电镜上完成，而U-Pb年龄测定及微量元素分析均在连接Geolas 2005激光剥蚀系统的 Agilient 7500a型ICP-MS上进行。测定过程中激光剥蚀斑束直径为24μm，每测定6个样品点测定1次91500、GJ-1和NIST610。分析方法及测试流程见Yuanetal.(2008)。对分析数据的处理使用Glitter 4.0，年龄数据计算、谐和图使用Isoplot R制作完成。

电子探针分析(EPMA)在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。矿物化学成分测试利用JEOL JXA-8230电子探针分析(EPMA)完成。加速电压15kV，电流10nA，测定的主要矿物为角闪石，分析束斑设定为2μm。

4 分析结果

4.1 岩石地球化学特征

全岩地球化学数据结果见表2，主量元素二元图解是在无水基础上重新计算进行分析的。

4.1.1 镁铁质-超镁铁质岩石

辉石角闪石岩与角闪辉长岩样品具有低的SiO2含量，介于39.34%～46.48%。辉石角闪石岩具有较低的Mg#值(52.3～54.6)、MgO(6.19%～6.93%)和高的CaO(12.74%～13.73%)、Al2O3(19.04%～20.26%)、Fe2O3T(11.98%～14.64%)、TiO2(0.81%～1.00%)和变化较大的P2O5含量(图3a-g)。角闪辉长岩具有高的Mg#值(70.5～74.6)、MgO(10.82%～14.29%)、Fe2O3T(10.53%～11.35%)和CaO含量，其Al2O3和TiO2含量比辉石角闪石岩和角闪石岩略低(图3c, f)。角闪石岩的SiO2含量为50.56%～53.88%，MgO含量为7.21%～8.52%，与高钾岛弧玄武岩(18CQL-18)类似。从辉石角闪石岩、角闪辉长岩到角闪石岩，CaO、Fe2O3T、TiO2的含量依次降低(图3b, e, f)。

图3 哈马尔达坂杂岩体的主量元素二元图解图中黑色与灰色虚线分别为以玄武岩(18CQL-18)为初始岩浆成分，利用热力学模拟软件MCS(Magma Chamber Simulator)计算的堆晶演化线(Cumulate Lines of Descent, CLD)与熔体演化线(Liquid Lines of Descent, LLD). 图a中黑色与灰色实线分别代表实验岩石学模拟下的Kohistan弧的CLD与LLD(据Müntener et al. 2018). 文献数据中的玄武岩(18CQL-18)作为初始岩浆成分，HKSV为与该杂岩体毗邻的高钾岛弧玄武岩，数据均引自Zhao et al. (2020)Fig.3 Binary diagrams of major elements against SiO2 of Hamardaban ComplexIn the figure, the black and gray dotted lines are the Cumulate Lines of Descent (CLD) and Liquid Lines of Descent (LLD) calculated by the thermodynamic simulation software MCS (Magma Chamber Simulator) with basalt (18CQL-18) as the initial magmatic composition. The black and gray solid lines in figure a represent the CLD and LLD of Kohistan arc under experimental petrological simulation, respectively (according to Müntener et al. 2018). Basalt (18CQL-18) in the literature data is the initial magmatic component, and HKSV is the high-k basalt adjacent to the complex. The data quoted from Zhao et al. (2020)

角闪辉长岩和辉石角闪石岩亏损轻稀土，与N-MORB稀土配分特征相似，但比N-MORB稀土含量低(图4a)。角闪石岩略富集轻稀土，呈右倾型稀土配分模式(图4a)。在微量元素组成上，所有样品均富集大离子亲石元素(LILE)(如Rb、Ba、Pb、Sr)，并亏损高场强元素(HFSE)(如Nb、Ta、Zr和Hf)，具有弧岩浆的特征。与盐池湾高钾岛弧玄武岩相似，但其总体含量略低(图4b)。

图4 哈马尔达坂杂岩体的球粒陨石标准化稀土元素配分图(a、c)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b、d)E-MORB与N-MORB数据及球粒陨石和原始地幔值引自Sun and McDonough (1989).盐池湾高钾岛弧玄武岩(HKSV)数据引自Zhao et al. (2020)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a, c) and primitive-mantle normalized spider diagrams (b, d) of the Hamardaban ComplexE-MORB, N-MORB data and normalization values from Sun and McDonough (1989). The Yanchiwan High-K basalt (HKSV) from Zhao et al. (2020)

图5 哈马尔达坂杂岩体辉石角闪石岩(样品18NQL-11)代表性锆石CL图像及锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 Typical zircon CL image and zircon U-Pb age concordia diagrams of pyroxene hornblendite (Sample 18NQL-11)

4.1.2 闪长岩类

闪长岩类样品具有稍高的SiO2含量(53.81%～59.94%)和K2O含量(2.10%～3.47%)，属于高钾钙碱性系列岩石(图3i)。闪长岩类样品的Mg#(42.3～53.0)、MgO(2.42%～3.25%)、CaO、Fe2O3T、TiO2含量较低，而Al2O3(17.31%～18.37%) 和Na2O与K2O含量高。其中CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3T、TiO2和P2O5的含量均有随SiO2含量的升高而降低的变化趋势(图3b-g)。Na2O与K2O有随着SiO2含量的增加而升高的变化趋势(图3h, i)。变化范围基本在盐池湾高钾岛弧玄武岩区域内。与镁铁质-超镁铁质岩石相比，闪长岩类样品具有低的MgO、CaO、Fe2O3T、TiO2，表明其具有更演化的特征。

闪长岩类岩石∑REE在43.8×10-6～45.9×10-6，LREE/HREE比值在3.35～3.97之间，具有右倾的稀土元素配分曲线，中稀土呈凹型的配分型式(图4c)。在微量元素组成上，所有样品均富集LREE和LILE以及亏损HFSE，表现出与弧岩浆岩类似的微量元素地球化学特征，与盐池湾高钾岛弧玄武岩特征一致(图4d)。

4.2 锆石U-Pb年龄

本文对哈马尔达坂杂岩体中的辉石角闪石岩进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年，数据结果见表3。锆石呈现自形-半自形，大部分呈板状，弱的生长条环带(图5)。结合CL图像、透射光、反射光图像，本文选取22个点进行U-Pb同位素分析，锆石的Th/U比值在0.39～2.15之间。所有的测点均落在谐和线上，辉石角闪石岩加权平均年龄为473±1Ma(MSWD=2.23)(图5)，代表了该杂岩体侵位的年龄，其形成时代为中奥陶世，与相邻的高钾岛弧玄武岩(HKSV)的形成时代(475Ma)几乎一致(Zhaoetal., 2020)。

表3 哈马尔达坂杂岩体辉石角闪石岩(样品18NQL-11)锆石U-Pb定年结果表

图6 哈马尔达坂杂岩体Sr-Nd-Hf同位素组分图解(a) εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解；(b) εNd(t)-εHf(t)图解；(c)全岩εNd(t)值-全岩MgO；(d) (87Sr/86Sr)i值-全岩MgO图解. 图a、b中不同端元混合曲线采用据Tao et al. (2018)Fig.6 Diagrams of Sr-Nd-Hf isotopic composition of the Hamardaban Complex(a) εNd(t) vs. (87Sr/86Sr)i; (b) εNd(t) vs. εHf(t) (b); (c) whole rock MgO vs. whole rock εNd(t) value; (d) whole rock MgO vs. (87Sr/86Sr)i. The mixing curves in Fig.6a, b from Tao et al. (2018)

4.3 Sr-Nd-Hf同位素地球化学特征

本文对哈马尔达坂杂岩体中的角闪辉长岩、角闪石岩、石英闪长岩和毗邻的原始岛弧玄武岩样品进行了全岩Sr-Nd-Hf同位素分析(表4)。样品的初始Sr同位素组成(即(87Sr/86Sr)i)、εNd(t)与εHf(t)值采用岩体的锆石U-Pb年龄(t=473Ma)进行计算。

岩石样品的初始Sr-Nd同位素组成较为均一，(87Sr/86Sr)i比值介于0.7035～0.7053之间，εNd(t)=+3.9～+5.1。其中有一件玄武岩样品(18CQ-15)具有高的(87Sr/86Sr)i比值(0.7061)，εNd(t)=+1.2。总体来说，哈马尔达坂杂岩体与相邻的原始岛弧玄武岩具有一致的Sr-Nd同位素组成，εNd(t)值为+3.9～+5.1，表明其岩浆源区具有亏损特征。Hf同位素只有两个样品测出数据，分别为玄武岩(18CQ-15)εHf(t)=+10.8和角闪石岩(20CQL-3)εHf(t)=+13.1(图6)。

4.4 角闪石温度-压力-氧逸度计算

为了确定哈马尔达坂杂岩体的形成条件，本文对辉石角闪石岩和闪长岩中的角闪石进行了矿物温压及氧逸度计算。角闪石的主量元素组成见表5。依据Leakeetal.(1997)的命名方法，辉石角闪石岩中的角闪石为韭闪石和少量浅闪石(图7a)，闪长岩中的角闪石均为镁角闪石(图7b)。

图7 哈马尔达坂杂岩体中角闪石Mg/(Mg+Fe2+)-Si分类图解(a、b)、P-T图解(c)及T-logfO2图解(d)Fig.7 Mg/(Mg+Fe2+) vs. Si classification diagram (a, b), P vs. T diagram (c) and T vs. logfO2 diagram (d) of hornblende from the Hamardaban Complex

Ridolfietal.(2010)通过对钙碱性岩浆中的天然角闪石和合成角闪石的测试，基于结构和矿物化学提出了角闪石温度、压力、fO2和熔体H2O含量的计算公式。Erdmannetal.(2014)利用不同类型的角闪石成分去验证Ridolfietal.(2010)的公式，认为他们提供的角闪石结晶温度和fO2的计算公式是合理的。因此，本文利用Ridolfietal.(2010)的公式计算了哈马尔达坂杂岩体不同岩性中角闪石结晶时的温度和氧逸度(表5)。计算结果显示，哈马尔达坂杂岩体中镁铁质-超镁铁质岩石中的角闪石结晶温度高(887～978℃)，闪长岩类中的角闪石结晶温度相对较低(814～844℃)(图7c)，镁铁质-超镁铁质岩石和闪长岩类中的角闪石具有相似的氧逸度(NNO+0.7～NNO+1.4，大多数为NNO+1.0)(图7d)。

前人利用石英+碱性长石+斜长石+角闪石+黑云母+钛-铁氧化物+磁铁矿+熔体+流体体系进行了多次的校正，得到了许多压力计模型(Schmidt, 1992; Larocque and Canil, 2010; Ridolfietal., 2010; Krawczynskietal., 2012; Mutchetal., 2016)。但是哈马尔达坂杂岩体缺失利用角闪石全Al压力计的寄主岩石的上述特定矿物组合。因此，本文选择Krawczynskietal.(2012)基于火成角闪石AlⅥ含量和结晶压力相关性经验公式来计算哈马尔达坂杂岩体中不同岩性的角闪石结晶压力，并结合Schmidt (1992)提出的角闪石Al压力计来辅助确定它们的结晶压力(表5)。计算结果表明利用不同压力计计算的结果误差很小(平均误差η=0.05GPa)。因此，我们选用Krawczynskietal.(2012)的温压计结果，结果显示辉石角闪石岩(18NQL-11)的结晶压力为0.47～0.72GPa，闪长岩的结晶压力为0.25～0.43GPa(图7c)。按照1GPa相当于33km的条件估算，辉石角闪石岩的形成深度在16～24km之间，闪长岩的形成深度在9～14km之间，表明该杂岩体形成于中下地壳深度。

5 讨论

5.1 岩石成因

5.1.1 岩浆源区

哈马尔达坂杂岩体和伴生的原始岛弧玄武岩具有相似的全岩Sr-Nd-Hf同位素组成，结合该杂岩体与玄武岩形成的时代一致，表明它们来自于同一岩浆源区(图6)。本文选择与哈马尔达坂杂岩体紧密伴生的高钾原始岛弧玄武岩(18CQL-18，Zhaoetal., 2020)作为哈马尔达坂杂岩体的初始岩浆，即起始成分(C0)。该样品Mg#>67，MgO>8%，具有高Cr(>200×10-6)和Ni(>80×10-6)的特征，与原始弧熔体接近(Kelemenetal., 2014; Schmidt and Jagoutz, 2017)。为估算原始弧玄武岩源区的部分熔融程度，本文分别以尖晶石二辉橄榄岩和石榴子石二辉橄榄岩为源岩，利用Shaw (1970)的非模式批次部分熔融方程来进行评估计算。在La/Sm-Sm/Yb与Sm/Nd-Sm/Yb的对比图中(图8)，显示其源区与尖晶石二辉橄榄岩亏损地幔约1%～5%熔融产生的岩浆相似。结合Sr-Nd-Hf同位素数据，采用两端元(亏损地幔+沉积物熔体)混合模型来进行模拟计算(Taoetal., 2018)，显示原始弧岩浆大约有0.5%～1.0%的沉积物熔体加入地幔源区(图6a, b)。据Zhaoetal.(2020)对高钾原始岛弧玄武岩的岩浆源区的温度和压力进行计算，其形成温度为1250～1420℃，压力介于1.8～2.0GPa(40～65km)之间。因此，我们推断该原始弧岩浆来源于受到0.5%～1.0%的沉积物熔体交代的亏损地幔源区，是在40～65km的深度下的尖晶石二辉橄榄岩亏损地幔经历约1%～5%熔融产生的玄武质岩浆，来自加厚的弧下岩石圈地幔熔融的产物。原始玄武质岩浆在上升侵位过程中，与围岩混染会造成熔体(87Sr/86Sr)i和MgO的负相关以及εNd(t)和MgO的正相关趋势。哈马尔达坂杂岩体样品的(87Sr/86Sr)i、εNd(t)值均不随MgO含量变化，表明地壳混染作用不明显(图6c, d)。

5.1.2 分离结晶作用

图8 哈马尔达坂杂岩体镁铁质-超镁铁质岩石Sm/Yb-La/Sm (a)和Sm/Yb-Sm/Nd (b)图解图中曲线是利用Shaw (1970)的非模式批次部分熔融(Non-modal batch melting)方程得到的熔体曲线，分别代表在石榴石和尖晶石二辉橄榄岩条件下亏损地幔(DM)和原始地幔(PM)的部分熔融曲线(底图据Aldanmaz et al., 2000)，DM和PM的成分来自于Sun and McDonough (1989)Fig.8 Diagrams of Sm/Yb vs. La/Sm (a) and Sm/Yb vs. Sm/Nd (b) for mafic-ultramafic rocks of the Hamardaban ComplexThe curves in figures show the melt curves by using the Non-modal batch melting equation of Shaw (1970), which are the partial melting curves of depleted mantle (DM) and primitive mantle (PM) under the conditions of garnet and spinel-lherzolite respectively (according to Aldanmaz et al., 2000). The components of DM and PM from Sun and McDonough (1989)

镁铁质-超镁铁质岩主要由岩浆早期结晶的矿物堆积形成，呈现角闪石核部含有早期单斜辉石的包含结构(图2b)、自形角闪石被他形斜长石充填的堆晶结构(图2d)。在地球化学成分上，镁铁质-超镁铁质岩富铁贫硅，具有较高的MgO含量(6.19%～14.29%，Mg#=52.3～74.6)。镁铁质-超镁铁质岩具有随着SiO2减少，Mg#的强烈减少和Al2O3的强烈增加的特征，与实验岩石学资料中含水弧岩浆形成的堆晶岩Mg#-SiO2中的“Z”型趋势的第二段具有类似特征(图3a, Dessimozetal., 2012; Chinetal., 2018; Müntener and Ulmer, 2018; Tassaraetal., 2021; Jagoutz and Klein, 2018)。相容元素Cr和Ni的含量从角闪辉长岩至辉石角闪石岩是逐渐降低的，反映了辉石和/或角闪石的分离结晶作用，上述矿物的分离结晶导致了岩浆不断朝富集Al2O3的方向演化，形成演化的闪长岩类岩石。辉石角闪岩比角闪辉长岩和角闪石岩具有高的Al2O3含量(图3c)，说明岩浆结晶早期斜长石未发生结晶。角闪辉长岩中发现角闪石包裹他形的单斜辉石包含结构(图2b)，说明原始弧岩浆中角闪石的形成可能是以早期单斜辉石和熔体的反应置换出现的，即角闪石的形成可以通过残余熔体与早期形成的单斜辉石反应来实现(Smith, 2014中的图2d)。角闪石岩和辉石角闪石岩中的角闪石大多是自形的(图2c, d)，表明其是从岩浆熔体中直接堆晶形成的(Smith, 2014)。同时所有镁铁质-超镁铁质堆晶岩具有高的Fe2O3T和TiO2含量(图3e, f)，指示了Ti-Fe氧化物的堆晶。Ti-Fe氧化物(磁铁矿、钛铁矿等)充填于角闪石颗粒间(图2b)，说明Ti-Fe氧化物的结晶晚于角闪石。角闪石岩可见自形角闪石适度再生长且被较晚期粒间他形斜长石充填的正堆晶结构(Orthocumulate texture)，表明斜长石的结晶晚于角闪石(图2d)。上述现象进一步说明原始弧岩浆在富H2O的环境下能促进高钙单斜辉石结晶，抑制斜方辉石和斜长石结晶，并在中下地壳压力下促使早期角闪石和Ti-Fe氧化物结晶，使岩浆向低Mg、高Al、Si的方向演化。镁铁质-超镁铁质堆晶岩的矿物结晶序列可归结为单斜辉石→角闪石+副矿物(铁-钛氧化物)→斜长石，这与深部富H2O(饱和)原始弧岩浆的分离结晶实验结果一致(Krawczynskietal., 2012; Ulmeretal., 2018)。

表5 哈马尔达坂杂岩体的角闪石主量元素(wt%)数据及温度-压力-氧逸度计算表

闪长岩类为中细粒半自形结构，在矿物组成上，主要由半自形的角闪石和斜长石组成，含少量细粒的磷灰石、磁铁矿、绿帘石等。含水矿物角闪石为主要的矿物相，反映了其母岩浆具有富水的特征。在地球化学成分上，闪长岩类是一套向富硅贫铁方向演化的钙碱性系列岩石。闪长岩类的SiO2与Mg#及其他主量元素具有结晶分异的线性关系(图3)，且具有低MgO(2.42%～3.25%)、低Cr(4.0×10-6～9.1×10-6)和Ni(3.9×10-6～5.7×10-6)含量，表明其是原始玄武质熔体在中下地壳经历以角闪石为主的结晶分异形成的。

综合岩相学和地球化学特征，镁铁质-超镁铁质堆晶岩与闪长岩类具有相似的矿物结晶顺序、全岩同位素组成，说明二者代表了分离结晶过程中的互补成分。镁铁质-超镁铁质岩是在基性岩浆房内由单斜辉石、角闪石、斜长石、Ti-Fe氧化物和磷灰石等堆晶矿物构成的堆晶岩，主要由岩浆早期结晶的矿物聚集而成，而闪长岩类是从基性岩浆房内抽离的富硅的熔体在中下地壳经历以角闪石为主的结晶分异的产物。

在中压条件下，角闪石是控制含水玄武岩分离结晶的重要矿物相(Groveetal., 2002, 2003; Sissonetal., 2005)，弧下富含角闪石的堆晶岩的生成和稳定对弧岩浆产物演化起着重要的控制作用(Davidsonetal., 2007; Kratzmannetal., 2010; Smith, 2014; Velázquez Santanaetal., 2020)。岩相学观察表明哈马尔达坂杂岩体中角闪石的含量从镁铁质-超镁铁质岩(辉石角闪石岩、角闪辉长岩、角闪石岩)到闪长岩和石英闪长岩逐渐减少，证明角闪石是重要的分离结晶相。角闪辉长岩中自形-半自形的粒状堆晶结构(图2a, b)，角闪石岩中粒状自形角闪石被他形斜长石充填的堆晶结构(图2d)，也表明该岩体中存在显著的角闪石结晶分异作用。与HREE相比，角闪石中富集MREE，而石榴石中优先富集HREE(Tiepoloetal., 2007)。因此，熔体中的石榴石和角闪石分异都会产生增加的(La/Yb)N比，但石榴石分异会产生增加的(Dy/Yb)N比值，而角闪石分异则产生稳定或降低的(Dy/Yb)N比值(Davidsonetal., 2007)。哈马尔达坂杂岩体中闪长岩类岩石具有下凹型稀土配分型式(图4c)，并且随着SiO2含量的增加，(La/Yb)N比值增加，(Dy/Yb)N比值降低(图9a, b)，说明角闪石的分异作用有效地生成了富SiO2的熔体，该富SiO2熔体从岩浆房内抽离出来，使原始岛弧岩浆向富硅的方向发展，形成了闪长岩。

图9 哈马尔达坂杂岩体SiO2-(La/Yb)N(a)和SiO2-(Dy/Yb)N(b)图解Fig.9 Diagrams of SiO2 vs. (La/Yb)N (a) and SiO2 vs. (Dy/Yb)N (b) of the Hamardaban Complex

图10 使用瑞利分馏公式(a、b)和EME-AFC软件(c、d)模拟闪长岩的微量元素蛛网图与REE配分模式图(球粒陨石和原始地幔值引自Sun and McDonough, 1989)图中初始岩浆(C0)选用玄武岩(18CQL-18)作为起始成分. 图a、b为利用瑞利分馏(Rayleigh fractionation)公式计算的闪长岩类的分离结晶程度；图c、d中显示闪长岩(16BD-11-4)与模拟值具有很好的拟合程度Fig.10 Trace element spider diagrams and REE pattern diagrams of diorite simulated by Rayleigh fractionation (a, b) and EME-AFC (c, d) (normalization values after Sun and McDonough, 1989)The initial magma component (C0) is sample 18CQL-18 (basalt). Fig.10a, b show the fractional crystallization degree of diorite calculated by Rayleigh fractionation formula. The simulation results show that diorite has a good fit with the simulation value in Fig.10c, d

图11 利用EME-AFC与MCS模拟岩浆分离结晶过程图解图中初始岩浆(C0)选用玄武岩(18CQL-18)作为起始成分，利用EME-AFC模拟了玄武质岩浆分离结晶过程中的LLD(黑色虚线)及CLD(灰色实线)，用MCS模拟了玄武质岩浆的LLD(灰色虚线). 类比数据为本次研究数据. 实验岩石学熔体和堆晶岩文献数据来自Nandedkar et al. (2014)(0.7GPa)，高钾岛弧玄武岩(HKSV)数据引自Zhao et al. (2020)Fig.11 Diagrams of simulating magma fractional crystallization process by EME-AFC and MCSThe initial magma component (C0) is sample 18CQL-18 (basalt). The LLD (black dotted line) and CLD (gray solid line) in the fractional crystallization process of basaltic magma are simulated by EME-AFC, and the LLD (gray dotted line) of basaltic magma is simulated by MCS. Data of experimental petrological melt and cumulate from Nandedkar et al. (2014) (0.7GPa). The high-K basalts (HKSV) from Zhao et al. (2020)

5.2 岩浆结晶分异过程模拟

为评估含水原始玄武质熔体分离结晶形成闪长质(安山质)岩浆过程中母岩浆的分离结晶程度，本文利用微量元素模拟其岩浆演化过程。如上文所述，镁铁质-超镁铁质岩石与闪长岩类分别代表堆晶体和分异的熔体，不能代表原始的母岩浆。因此，本文选取与该岩体毗邻的高钾原始岛弧玄武岩(18CQL-18，Zhaoetal., 2020) 作为该岩体的母岩浆，即起始成分(C0)，模拟其岩浆演化过程与结晶分异程度。

本文使用瑞利分馏(Rayleigh fractionation)公式Cliq/C0=F(D-1)模拟闪长岩类岩石在地壳中发生的相对分离结晶程度，其中Cliq是残余熔体中元素的含量，C0是初始成分中元素的含量，F是残余熔体部分以及D是分配系数。本次主要模拟了在薄片中观察到的主要硅酸盐造岩矿物(即角闪石、单斜辉石、黑云母和斜长石)和副矿物(磷灰石、磁铁矿、钛铁矿)的分异过程。该模型结果合理地再现了闪长岩类的微量元素及REE模式的演化，如富集LILE和LREE，亏损HFSE，稀土元素表现出右倾配分型式，中稀土呈凹型配分型式等特征。模拟结果与闪长岩类具有较好的契合程度，表明该闪长岩类岩石可以通过原始岩浆45%～67%分离结晶形成(图10a, b)。

本文进一步利用热力学软件(EME-AFC：Burton-Johnsonetal., 2019与MCS：Bohrsonetal., 2020)模拟了哈马尔达坂杂岩体的堆晶演化线(Cumulate Lines of Descent, CLD)与熔体演化线(Liquid Lines of Descent, LLD)，并与实验岩石学在0.7GPa下分离结晶实验的结果(Nandedkaretal., 2014)进行了类比(图11)。与现有的AFC模型相比，EME-AFC能够模拟长英质岩浆体系和以含水矿物相(角闪石和黑云母)分异为主的岩浆体系。在合理的参数范围内，模拟采用的分离结晶的矿物组合及含量为：单斜辉石(5.5%)、角闪石(67%)、斜长石(20%)、黑云母(5%)及少量的副矿物磷灰石(0.45%)、磁铁矿(1.5%)、钛铁矿(0.5%)，来提供与闪长岩类岩石最接近的矿物组合与拟合程度。

结合岩浆形成的温-压条件与模拟数据结果显示，在中等压力、800～1000℃和氧逸度为NNO+1的条件下，EME-AFC能够合理的再现玄武质熔体在结晶分异过程中的CLD与LLD。模拟结果显示，闪长岩类岩石与模拟的LLD具有较好的拟合程度，如MgO、FeOT、Al2O3、Na2O、K2O(图11a-c, e, f)等主量元素。但是TiO2、MnO与SiO2(图11g, h)的变化稍有偏差，可能与钛铁矿等副矿物的早期结晶有关。同样微量元素显示模拟结果与目标成分(闪长岩类)一致，具有富集LILE(如Cs、Rb、Ba、K)和LREE，亏损HFSE(如Nb、Ta、Zr、Hf)，中稀土呈凹型配分型式等特征(图10c, d)。同时闪长岩类岩石与MCS模拟的LLD及实验岩石学在0.7GPa条件下分离结晶形成的熔体也具有良好的拟合程度。利用MCS模拟的结果显示(图11a, d-g)，闪长岩类岩石可以通过原始弧熔体体积的50%～67%分离结晶形成。镁铁质-超镁铁质岩石与EME-AFC模拟的CLD和实验岩石学在0.7GPa条件下分离结晶形成的堆晶岩特征基本一致。但与实验岩石学结果类比显示，镁铁质-超镁铁质堆晶岩具有相对较高的K2O和P2O5含量(图11f, i)，这可能是自然界堆晶岩内磷灰石的选择性堆晶以及粒间熔体导致的(Xuetal., 2019)。虽然角闪石岩具有堆晶岩的特征，但是其地球化学特征与作为初始岩浆的高钾岛弧玄武岩相似，且根据岩相学观察发现堆晶角闪石岩中的角闪石的颗粒粒径比其他类型的堆晶岩都要小，推测该角闪石岩是岩浆房结晶分异晚期堆晶的产物。此外，本文也不能排除熔体和堆晶体的混合或者反应作用的影响。如闪长岩也可能是先期堆晶体和熔体混合形成的晶粥，这也解释了闪长岩具有高Al2O3和弱正Eu异常的原因。另外，角闪石岩也可以是早期堆晶体和熔体反应后再堆晶的产物(Smith, 2014)，这些复杂的成因过程还需要后续的进一步研究。

综上所述，哈马尔达坂杂岩体的地球化学特征与热力学模拟软件模拟的分离结晶结果和实验岩石学(在0.7GPa条件下)含水玄武质熔体的分离结晶的结果一致，说明该岩体是原始玄武质岛弧岩浆结晶分异的产物。在没有地壳同化混染的情况下，闪长岩类岩石是原始玄武质熔体体积的50%～67%分离结晶生成的熔体组分，而镁铁质-超镁铁质堆晶岩代表了结晶分异作用残留的堆晶物(图11)。结合岩相学和地球化学特征，进一步说明镁铁质-超镁铁质堆晶岩和闪长岩类是互补的，分别代表相似幔源玄武质岩浆结晶分异的堆晶演化线(CLD)和熔体演化线(LLD)。

图12 哈马尔达坂杂岩体的壳内分异及成因模式示意图(据Lee et al., 2006修改)Fig.12 Schematic diagram of crustal differentiation and petrogenetic model of the Hamardaban Complex (modified after Lee et al., 2006)

5.3 岩石成因模式

在地幔楔中，俯冲洋壳和相关的沉积物会发生脱水熔融作用、并释放富集不相容元素的含水熔/流体，从而引起受交代的地幔橄榄岩发生部分熔融形成玄武质熔体(Elliottetal., 1997)。含水原始玄武质熔体会侵入下地壳，经历中压(约0.7GPa)条件下的结晶分异，并在50%～70%的结晶分异程度时可以形成演化的安山质-英安质熔体和成分互补的基性-超基性堆晶岩(Nandedkaretal., 2014)。本文研究结果表明，哈马尔达坂杂岩体是含水的幔源玄武质熔体经历结晶分异的产物，其结晶分异历史为含水原始玄武质熔体在中下地壳经历以角闪石为主的结晶分异形成演化的具有安山质成分的闪长岩类，并残留下镁铁质-超镁铁质堆晶岩(辉石角闪石岩，角闪辉长岩，角闪石岩)(图12)。实验岩石学资料与热力学模拟计算表明，含水原始玄武质熔体至少需要50%～67%结晶分异程度才能形成中性闪长岩类。研究结果进一步说明角闪石分异在俯冲带弧岩浆深部演化过程中起重要作用。角闪石的结晶分异作用导致熔体中的SiO2含量增加，从而有效地生成了富硅熔体，推动岩浆向富硅的方向演变，从而形成新生的安山质地壳。

6 结论

(1)野外地质和岩石地球化学特征表明哈马尔达坂杂岩体主要有两类岩石类型：镁铁质-超镁铁质堆晶岩和中性的闪长岩类。锆石U-Pb定年结果显示该杂岩体的形成时代为473±1Ma，与相邻高钾岛弧玄武岩的形成时代一致。

(2)哈马尔达坂杂岩体中的闪长岩类是受沉积物熔体交代的地幔楔橄榄岩部分熔融形成的原始玄武质熔体，在中下地壳经历以角闪石为主的结晶分异形成的。镁铁质-超镁铁质岩石代表分离结晶过程形成的堆晶体。角闪石主导下的结晶分异作用产生富SiO2的衍生熔体，形成新生的安山质(地壳)岩浆。

(3)通过热力学模拟计算与实验岩石学对比可见，哈马尔达坂杂岩体是含水的幔源玄武质熔体在中压(约0.7GPa)和氧逸度接近NNO+1的条件下、经历50%～67%的分离结晶作用而形成的产物。镁铁质-超镁铁质堆晶岩与闪长岩类具有相似的矿物结晶顺序与全岩同位素组成，表明它们是结晶分异的互补成分，分别代表了相似幔源玄武质岩浆的CLD和LLD。

致谢感谢两位审稿人和编辑部老师对本文提出了宝贵的建议和修改意见！