印度尼西亚纳比雷地区高镁闪长岩的发现及其意义

张 波,徐英豪,王国栋,崔晓亮,李增胜,苏尚国*,陈学根

(1. 中国地质调查局发展研究中心,北京 100037; 2. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083; 3. 临沂大学 资源环境学院，山东 临沂 276005; 4. 临沂大学 山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276005; 5. 河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038; 6. 山东省地质科学研究院 山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013; 7. 自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013)

0 引 言

高镁安山岩/闪长岩(HMA)是一类分布稀少但具有特殊地球化学特征和特殊地质意义的岩石，通常指MgO含量高于5%、FeOT/MgO值低于1.5、Mg#值不低于45的安山岩/闪长岩[1-4]。它们的形成可能与俯冲沉积物熔体与地幔橄榄岩相互作用有关[5-9]，或与地壳、地幔橄榄岩的拆沉有关[10-12]。研究表明，高镁安山岩/闪长岩形成环境与斑岩型铜金矿床类似[13]，与斑岩型铜金矿床具有紧密的亲和关系，是大型斑岩型矿床的找矿标志[14-19]。探讨高镁安山岩/闪长岩的成因及其形成环境对于揭示洋壳俯冲作用、区域构造演化以及金属矿化方面都有非常重要的意义[12,20-23]。

印度尼西亚纳比雷地区位于新几内亚中央造山带中部偏西北位置，该造山带形成年龄为3.1 Ma，是世界上最年轻的造山带[24-26]。前人研究主要集中在大陆碰撞造山和相关的岩浆作用[27-28]，斑岩型铜金矿床的特征与形成[29-30]，而同样是位于中央造山带的纳比雷地区岩浆作用显著，且铜金矿化较为发育，暂未发现与该地区相关的研究。课题组在纳比雷地区考察过程中发现了一套具有类似高镁闪长岩特征的闪长岩发育，本文通过对该地区高镁闪长岩的野外地质调查，结合岩石学、地球化学特征分析，探讨纳比雷地区高镁闪长岩成因及其地球动力学背景，为新几内亚中央造山带的地球动力学演化研究以及寻找斑岩型铜金矿床提供科学依据。

1 区域地质背景

位于印度尼西亚巴布亚省的纳比雷地区地处新几内亚岛西半部分(图1)[24-26]。新几内亚岛处于斜向快速收敛的澳大利亚板块和太平洋板块边界区域，是世界上最复杂的构造地区之一，自古生代以来就一直处于活动大陆边缘和岛弧环境，是澳大利亚克拉通北缘与加洛林板块、太平洋板块之间复杂相互作用的结果[26,31-32]。该区域的构造运动始于晚白垩世，向北东发生大规模的俯冲碰撞作用至早中新世[33-39]。新几内亚岛在多期构造运动中形成了大量构造地体，前人将其分为弗莱地台、新几内亚中央造山带、增生岛弧地体等3个不同的构造单元(图1)[26-28,34,37-39]。

图件引自文献[26]，有所修改图1 新几内亚岛大地构造单元及主要铜金矿床分布Fig.1 Map Showing the Distribution of Tectonic Units and Main Cu-Au Deposits in New Guinea

(1)弗莱地台(Fly Platform)，位于新几内亚岛西南部与澳大利亚相连接，北部以巴布亚逆冲断层与巴布亚新几内亚造山带为界，由澳大利亚克拉通基底和白垩纪至古近纪被动大陆边缘碳酸盐台地组成，上覆第四纪磨拉石建造。弗莱地台总体上未遭受区域上新生代造山活动的影响，仅在北部有着较为明显的变质变形作用[40-41]。

(2)新几内亚中央造山带，发育有寒武系—志留系页岩、志留系—泥盆系白云岩和二叠系—第三系海相沉积。该造山带是在澳大利亚板块北部边缘进入增生岛弧下方的俯冲带时产生的碰撞作用产生的[42]。在澳大利亚板块断裂过程中，软流圈和岩石圈地幔减压熔融产生岩浆，并在断裂带等构造薄弱部位上涌就位。这一短暂的岩浆作用时期(4.4～2.6 Ma)形成了该地区大量的斑岩型-矽卡岩型铜金矿床(如Grasberg,Ok Tide,Porgera等)，构成了一条新几内亚岛斑岩型铜金成矿带[43-44]。

(3)增生岛弧地体，占据了新几内亚岛北部以及新不列颠、新爱尔兰和布干维尔岛链。该地体的岩石类型从新几内亚岛强烈变形和断裂的沉积构造单元，到岛链中的安山岩、玄武岩、凝灰岩和火山碎屑均有发育。区域岩浆活动具有多期次的特征，主要包括始新世晚期至早中新世Melanesia弧岩浆活动(25 Ma)、中新世Marimuni 弧岩浆活动(20.9 Ma)、晚中新世—更新世Marimuni 弧岩浆活动(<7 Ma)和晚中新世—上新世同碰撞岩浆活动(7.5～1.0 Ma)[25,45]。

2 岩体地质与岩相学特征

在印度尼西亚纳比雷地区发现的高镁闪长岩位于新几内亚中央造山带西北部，毗邻北部增生岛弧地体(图1)，距东南部的Grasberg矿区约150 km。区域主要岩石单元包括由破碎强烈的黑色或绿色蛇纹岩、橄榄岩组成的超基性岩，斜长角闪岩，闪长岩和高镁闪长岩等。其中，高镁闪长岩在闪长岩体中呈岩株状产出。此外，研究区内还发育少量闪长玢岩脉及石英脉等(图2)，由于地表覆盖较厚，基岩露头主要分布于河谷等冲刷强烈的地区。本文在高镁闪长岩中采集了7件样品，其中6件新鲜无蚀变样品用于主量、微量元素分析，1件矿化蚀变样品用于化学分析。样品采样位置见图2。

图2 纳比雷地区地质简图Fig.2 Simplified Geological Map of Nabire Area

高镁闪长岩呈灰黑色，具细粒等粒结构、块状构造，野外常见闪长玢岩脉侵入其中[图3(a)、(b)]。主要矿物组成为角闪石(体积分数为45%～50%)、斜长石(40%～50%)，含少量黑云母(<5%)，副矿物以黄铁矿、榍石、磷灰石、锆石为主。矿物粒径一般低于1 mm，仅斜长石可达1.5 mm。角闪石呈半自形粒状，偶见菱形假象，局部发生蚀变作用，形成黑云母、绿泥石，具有溶蚀结构；斜长石呈半自形板状，多育聚片双晶，部分斜长石具有溶蚀结构和环带结构[图3(c)、(d)]。

矿化蚀变高镁闪长岩呈灰褐色，岩石破碎，裂隙中填充黑色铁锰质矿物，岩石表面普遍发育褐铁矿化及孔雀石化。镜下可以观察到大量黄铜矿和黄铁矿发育。黄铜矿呈他形，粒径一般低于0.1 mm，呈星散状分布于矿物内及矿物颗粒间，体积分数约为10%；黄铁矿颗粒较大，呈自形—半自形粒状分布于矿物颗粒间，体积分数约为5%[图3(e)、(f)]。

3 分析方法

全岩主量、微量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品粉末熔成玻璃饼后，主量元素分析采用4000/40 AxiosmaxX射线荧光光谱仪分析完成，FeO含量采用50 mL滴定管滴定完成，灼失量采用P124S电子分析天平测定完成；稀土、微量元素分析采用X Serise 2电感耦合等离子体质谱仪完成，实验流程依据国家标准《硅酸盐岩石化学分析方法》(GB/T 14506.X—2010)[46]的相关部分。主量元素分析精度和准确度优于5%，稀土、微量元素分析精度和准确度一般优于10%。

4 结果分析

本次研究对6件高镁闪长岩完成了全岩主量、微量元素分析，结果见表1。

表1 高镁闪长岩主量和微量元素分析结果Table 1 Analysis Results of Major and Trace Elements of High-Mg Diorites

4.1 主量元素特征

纳比雷地区高镁闪长岩样品岩石SiO2含量(质量分数，下同)为52.10%～58.52%，Al2O3含量为15.17%～17.64%，K2O+Na2O含量为3.36%～5.82%，K2O含量较低(0.05%～1.44%)，MgO含量为4.51%～10.88%，Mg#值为50.07～72.50，与此同时，前人已经通过充分的实验岩石学模拟的高镁安山岩[49-50]、Chichijima高镁安山岩[51]、Setouchi高镁安山岩[35,52]限定判别高镁闪长岩的特征范围[53]。从图5可以看出，本文样品与实验岩石学高镁安山岩、Setouchi高镁安山岩具有很强的相似性，可以进一步确定纳比雷地区闪长岩为高镁闪长岩。

Pl为斜长石;Amp为角闪石;Ccp为黄铜矿;Py为黄铁矿图3 高镁闪长岩野外照片及显微镜下图像Fig.3 Specimen Photos and Micrographs of High-Mg Diorites

图(a)底图引自文献[47];图(b)底图引自文献[48]；图(c)底图引自文献[1]图4 高镁闪长岩Nb/Y-Zr/Ti图解、FeOT/MgO-TiO2图解和SiO2-Mg#图解Fig.4 Diagrams of Nb/Y-Zr/Ti, FeOT/MgO-TiO2 and SiO2-Mg# for High-Mg Diorites

CaO含量为1.89%～8.05%，里特曼指数为0.82～2.64。在Nb/Y-Zr/Ti图解中，所有样品落入安山岩和安山岩/玄武岩区域[图4(a)][47];在FeOT/MgO-TiO2图解中，样品表现出钙碱性系列特征[图4(b)][48];在SiO2-Mg#图解中，样品基本落入高镁安山岩/高镁闪长岩区域[图4(c)]。

4.2 微量元素特征

纳比雷地区高镁闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式[图6(a)]呈现不明显的右倾特征。稀土元素总含量为(25.0～71.4)×10-6，轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)为1.85～4.60，(La/Yb)N值为0.97～3.58，(Gd/Yb)N值为0.86～1.24。高镁闪长岩样品具有轻微富集轻稀土元素的特征，呈现较为平坦的重稀土元素分布模式和弱的负Eu异常(0.62～1.24)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图6(b)]中，样品富集K、Rb、Sr等大离子亲石元素，相对亏损Nb、P、Ti等高场强元素，显示出类似于与俯冲带相关的岩浆岩成分的特征[54]。

线段PQ表示高镁安山岩MgO最低含量;底图引自文献[53]图5 高镁闪长岩SiO2-MgO图解和FeOT/MgO-SiO2图解Fig.5 Diagrams of SiO2-MgO and FeOT/MgO-SiO2 for High-Mg Diorites

5 讨 论

5.1 岩石成因

印度尼西亚纳比雷地区高镁闪长岩MgO含量为4.51%～10.88%，Mg#值为50.70～72.50，Ni含量为(8.33～101.32)×10-6，Cr含量为(11.9～204.0)×10-6，表明高镁闪长岩的原生岩浆经历了橄榄石和辉石的分离结晶作用[55-56]。同时，Mg#值与Ni、Cr含量成正相关关系同样证实了这一观点[56-57]。此外，高镁闪长岩样品在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中未出现明显的Eu异常(0.62～1.24)[图6(a)]，指示高镁闪长岩的原生岩浆未发生斜长石的结晶分异[58]。值得注意的是，样品D029-1具有异常高的MgO含量(10.88%)、Cr含量(204.0×10-6)和Ni含量(101.31×10-6)以及Mg#值(72.50)，而SiO2含量(52.69%)更接近基性侵入岩，暗示在岩浆结晶分异过程中可能发生了富镁矿物(橄榄石或辉石)的堆晶作用[59-60]。

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；球粒陨石和原始地幔标准化值引自文献[71]图6 高镁闪长岩样品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.6 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of High-Mg Diorites

纳比雷地区高镁闪长岩富集大离子亲石元素(如Rb、Ba、K等)，亏损高场强元素(如Nb、Ta、Zr、Hf等)，并出现了明显的Nb-Ta负异常[图6(b)]，说明高镁闪长岩的原生岩浆可能遭受了明显的地壳混染[61]。前人研究表明,Nb/La、U/Nb和Th/La值可以作为评估幔源岩浆受地壳混染的指标[62-63]。从图7可以看出，随着SiO2含量的升高，Nb/La、U/Nb、Th/La值近乎不变，说明原生岩浆在上升过程中并未发生明显的地壳混染，元素的变化主要受岩浆分离结晶控制[62-64]。

FC为分离结晶作用趋势;CC为地壳混染作用趋势图7 高镁闪长岩SiO2-Nb/La图解、SiO2-U/Nb图解和SiO2-Th/La图解Fig.7 Diagrams of SiO2-Nb/La, SiO2-U/Nb and SiO2-Th/La for High-Mg Diorites

国内外学者对高镁安山岩/闪长岩的研究显示，其成因机制主要有：①含水地幔橄榄岩部分熔融[49,65]；②拆沉下地壳部分熔融的熔体与地幔橄榄岩发生反应的产物[11,66-67]；③中酸性岩浆与基性岩浆混合[68]；④俯冲沉积物熔体与上覆地幔橄榄岩相互作用的产物[2,5,32,69]。高温高压实验表明干的地幔橄榄岩并不能产生高Mg的岩浆[70]，但是含水的地幔橄榄岩却可以产生高Mg的熔体[49,65]。这些熔体具有低FeOT含量(4.04%～5.36%)和TiO2含量(0.55%～0.70%)、高CaO含量(8.53%～9.99%)和Al2O3含量(17.2%～21.7%)[49]。与之相比，纳比雷地区高镁闪长岩具有更低的Al2O3含量(15.17%～17.64%)和CaO含量(1.89%～8.05%)以及更高的TiO2含量(0.59%～1.11%)。此外，由地幔橄榄岩部分熔融形成的高镁闪长岩中一般含有高Fo值橄榄石的纯橄岩包体[72]。这也与纳比雷地区高镁闪长岩中缺乏包体的野外地质现象矛盾。因此，纳比雷地区高镁闪长岩的原生岩浆不可能由含水地幔橄榄岩部分熔融形成。

纳比雷地区高镁闪长岩样品具有低的Sr含量((41.89～469.22)×10-6)和偏高的Y含量((11.68～25.09)×10-6)、Yb含量((1.16～2.69)×10-6)，以及较低的Sr/Y值(2.44～29.87)、La/Yb值(1.35～4.99)。高镁闪长岩样品含有大量角闪石等含水矿物，指示岩浆具有较高的水逸度[66-67]。这些特征表明纳比雷地区高镁闪长岩与加厚下地壳拆沉熔融产生的熔体、地幔反应产生的埃达克质高镁闪长岩岩浆特征(通常具有高Sr，低Y、Yb，高Sr/Y，无水环境等特征)[11,66-67,72]存在显著的区别，说明纳比雷地区高镁闪长岩并非由拆沉下地壳部分熔融的熔体与地幔橄榄岩相互反应的产物。

起源于下地壳部分熔融的中酸性熔体可与陆壳内部古老造山带地幔橄榄岩相互作用，形成高镁闪长岩[73]。由这种方式产生的高镁闪长岩常含有一定数量的橄榄石捕虏晶或者橄榄岩捕虏体，并且具有与埃达克质高镁安山岩类相同的地球化学特征。本文对纳比雷地区高镁闪长岩的野外地质调查与岩相学研究中均未发现橄榄石捕虏晶或者橄榄岩捕虏体，说明纳比雷地区高镁闪长岩不可能是中酸性岩浆熔体在地壳深度内与古老地幔橄榄岩发生反应的产物[15]。

本文样品具有相对富集大离子亲石元素(K、Rb、Sr等)、亏损高场强元素(Nb、P、Ti等)的特征，可能与被俯冲相关流体/熔体交代改造的岩石圈地幔源区有关[74]。不同类型的改造特征可以通过微量元素比值来区分，海相沉积物中会相对富集Th和Ta，而U和Nb相对亏损[75]，纳比雷地区高镁闪长岩Th/Nb值(0.36～0.87)变化范围较大，U/Th值(0.27～0.49)变化范围较小，在Th/Nb-U/Th图解中落入板片或沉积物熔体加入的趋势上，且位于上地壳(UCC)和全球俯冲带沉积物(GLOSS)区间(图8)[75]，暗示纳比雷地区高镁闪长岩可能是俯冲沉积物熔体与上覆地幔橄榄岩相互作用的产物[76]，而不是由消减板片部分熔融产生的熔体或流体与楔形地幔反应形成的产物[11]。

DM为亏损地幔;OIB为洋岛玄武岩;LCC为下地壳;UCC为上地壳;GLOSS为全球远洋沉积物图8 高镁闪长岩Th/Nb-U/Th图解Fig.8 Diagram of Th/Nb-U/Th for High-Mg Diorites

5.2 构造背景及成矿启示

纳比雷地区高镁闪长岩主要产出于与洋壳俯冲作用有关的岛弧环境，主要属钙碱性系列，亏损Nb、P、Ti等元素，在Hf/3-Th-Ta图解(图9)中投点于岛弧玄武岩区域[77]，说明其形成于岛弧环境。再者，岩石成因分析表明，纳比雷地区高镁闪长岩是俯冲沉积物熔体与上覆地幔橄榄岩相互作用的产物，具备这种形成条件的环境亦为岛弧环境[78]。综合以上述讨论以及前人对构造演化的研究，本文认为纳比雷地区高镁闪长岩主要形成于洋壳俯冲作用的岛弧环境，印证了新几内亚岛构造环境[28,79]。

N-MORB为普通型洋中脊玄武岩;E-MORB为富集型洋中脊玄武岩;底图引自文献[77]图9 高镁闪长岩Hf/3-Th-Ta图解Fig.9 Diagram of Hf/3-Th-Ta for High-Mg Diorites

高镁安山岩/闪长岩类不仅能反演俯冲环境下岩石圈地幔的演化过程，其本身也与Cu、Ni、Au等金属矿产的形成密切相关，对于解决地球动力学演化以及寻找找矿标志等重大问题具有重要意义[36,53,80-81]。大型—超大型斑岩型铜金矿床和热液金矿床往往产出于岩浆弧环境中，这是由于俯冲进入地幔中的洋壳具有高的氧逸度，其产生的高氧逸度流体或熔体会导致地幔释放出Cu、Au等成矿元素[82-84]。例如，斑岩型铜矿床成矿与板片俯冲过程中产生的流体或熔体可能携带了大量Fe2O3有关，而富Fe2O3的流体或熔体进入地幔楔将导致地幔中氧逸度增高，使地幔中的金属硫化物被氧化，从而有利于地幔中的亲铜元素(如Cu、Au等)进入熔体[80,85]。纳比雷地区所在的新几内亚中央造山带发育大量斑岩型-矽卡岩型铜金矿床(如Grasberg,Ok Tide等)，构成了一条新几内亚岛斑岩型铜金成矿带。纳比雷地区高镁闪长岩发育区域有多处岩金采矿点，本文所采集的一件发育矿化蚀变的高镁闪长岩化学分析样品(D032-1)[图2和图3(e)、(f)]Au含量为1.28×10-6，Cu含量为1.13%。结合野外地质特征和镜下观察发现，这些成矿元素可能来自高镁闪长岩深部，通过有利构造在浅表富集成矿，暗示纳比雷地区具有斑岩型铜金矿床的找矿潜力。

基于以上讨论，本文提出纳比雷地区高镁闪长岩和斑岩型铜金矿床的形成过程(图10)：①在约50 Ma前，澳大利亚板块开始向北运动，在约25 Ma北缘洋壳俯冲到太平洋板块之下[86]；②随着俯冲深度的增加，温度和压力逐渐升高，俯冲沉积物熔体会发生脱水变质反应产生流体/熔体[87]；③这些来自俯冲带的流体/熔体上升进入地幔楔，诱发地幔楔中的地幔橄榄岩从干的状态进入含水状态[53]，并发生部分熔融，产生高镁闪长岩岩浆；④岩浆在之后的上侵过程中经历了分离结晶作用，受流体交代的富集大陆岩石圈地幔不仅具有较高的初始Cu含量，而且还释放大量的H2O和流体，增加了氧逸度，有利于铜金成矿[21-22]；⑤随着澳大利亚板块继续向北俯冲，在6～3 Ma，碰撞造山活动开始，新几内亚俯冲带的碰撞过程以西巴布亚造山带的核心发生大规模的走滑断裂为结束标志(4～2 Ma)[88]；⑥而这一走滑事件为高镁闪长岩岩浆的上升形成了通道[21,29]，富含Cu、Au等成矿物质的熔体在快速上升到地壳浅处时，由于温度的降低和压力的释放而有利于成矿[22]。上述一系列的岩浆活动和构造运动过程造就了举世闻名的新几内亚岛斑岩型铜金成矿带，其主体部分的岩浆-成矿时期分别集中在中新世(17～10 Ma)和晚中新世—上新世(7.0～2.6 Ma)。

6 结 语

(1)印度尼西亚纳比雷地区闪长岩SiO2含量为52.10%～58.52%，Al2O3为15.17%～17.64%，MgO为4.51%～10.88%，Mg#值大于50，富集大离子亲石元素K、Rb、Sr等，相对亏损高场强元素Nb、P、Ti等，属于典型的高镁闪长岩。

图件引自文献[83]，有所修改图10 俯冲沉积物熔体与上覆地幔橄榄岩相互作用及成矿过程示意图Fig.10 Schematic View of Interaction and Metallogenic Process Between Subduction Sediment Melt and Overlying Mantle Peridotite

(2)纳比雷地区高镁闪长岩是俯冲沉积物熔体与上覆尖晶石地幔橄榄岩相互作用的产物。

(3)纳比雷地区高镁闪长岩形成于岛弧环境，具有高氧逸度和高含水量的特征，有利于地幔中Cu、Au元素进入到熔体中，形成斑岩型铜金矿床，推测纳比雷地区可能具有巨大的成矿潜力。

苏尚国：

沙海无垠戈壁长，

地调红旗迎风扬。

六十春秋功名藏，

绿水青山续华章。

热烈祝贺西安地质调查中心组建六十周年！衷心祝愿西安地质调查中心再续辉煌！