西准噶尔达拉布特地幔橄榄岩弧前成因的矿物地球化学和氧同位素证据

钱丰，田亚洲，武勇，杨经绥

1) 贵州大学资源与环境工程学院，喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳，550025；2) 中核集团核工业北京地质研究院，铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京，100029；3) 南京大学地球科学与工程学院， 南京，210023；4) 中国地质科学院地质研究所，自然资源部深地动力学重点实验室地幔研究中心，北京，100037

内容提要: 达拉布特蛇绿岩位于中亚造山带西南缘，是古亚洲洋的扩张、俯冲、消减和闭合过程的产物，保留了洋盆形成及构造演化信息。前人对达拉布特蛇绿岩的形成大地构造背景始终未取得统一的认识。为探讨蛇绿岩所代表的构造演化过程，笔者等以达拉布特蛇绿岩中的地幔橄榄岩为研究对象，通过详细的矿物地球化学及其氧同位素研究，对达拉布特地幔橄榄岩成因及构造背景提出新的制约。达拉布特方辉橄榄岩中橄榄石Ni/Co值为21～22，Ni/Mn值为3.0～7.8具有部分熔融残余的特征，此外，橄榄石中不相容元素相对于正常地幔橄榄石亏损，表明方辉橄榄岩为部分熔融的残余组分。方辉橄榄岩中尖晶石Cr# 为47～52、TiO2含量0.01%～0.04%，橄榄石Fo为90.34%～90.98%指示方辉橄榄岩经历>20%的部分熔融。方辉橄榄岩中橄榄石δ18 Oolivine值+5.1～+6.2‰、单斜辉石δ18Ocpx值+5.6～+6.9‰，其变化范围较大且整体高于正常地幔中橄榄石和单斜辉石的δ18 O值，矿物间氧同位素分馏系数Δ18OOpx—olivine平均-0.3‰，Δ18OOpx—cpx平均-0.7‰，显著区别于正常地幔中平衡的氧同位素分馏系数，具有明显的交代作用特征。结合方辉橄榄岩橄榄石中亏损的微量元素特征，认为方辉橄榄岩可能受到流体交代作用的影响，俯冲壳源物质脱水形成的高δ18O流体交代地幔橄榄岩导致了矿物与矿物间不平衡的氧同位素特征。通过尖晶石与单斜辉石成分判别，尖晶石与单斜辉石的主量元素具有介于弧前与深海地幔之间的过渡型特征，与俯冲初始阶段形成的地幔橄榄岩相似。综合矿物地球化学与氧同位素特征，笔者等认为达拉布特地幔橄榄岩为形成于弧前初始俯冲环境。板块俯冲导致弧前扩张形成新洋壳，上涌的软流圈MORB-like熔体与俯冲壳源物质熔融形成熔/流体与地幔橄榄岩相互作用，形成达拉布特地幔橄榄岩。

蛇绿岩形成及就位过程记录了大洋扩张、俯冲、消亡等造山过程，并伴生地幔岩浆活动的改造(Coleman, 2014)。通过对蛇绿岩的研究可以为恢复古洋盆形成、闭合及大地构造演化提供重要依据(Woelki et al., 2018; Yang Yaqi et al., 2019a, b; 刘飞等，2021)。地幔橄榄岩作为蛇绿岩重要组成部分下伏于堆晶单元底部，被认为是原始地幔部分熔融分离出洋壳岩浆后的残余组分(王浩等，2020)。由于残余组分不相容元素显著地亏损，其地球化学特征能够有效识别渗透熔体或流体的性质和来源，对于探讨地幔演化及构造环境具有巨大的潜力(Robinson et al., 2015; Jean and Shervais, 2017)。

图1 中亚造山带构造简图(a, 据Jahn et al., 2004；)与西准噶尔地质简图(b, 据Liu Bo et al., 2017修改)Fig. 1 Simplified map of the Central Asian Orogenic Belt (a, after Jahn et al., 2004) and Simplified Geological Map of the West Junggar Region (b, modified after Liu Bo et al., 2017)

西准噶尔达拉布特蛇绿岩是新疆境内出露的规模最大也最为典型的蛇绿岩带(图1)，被认为是中亚造山带古亚洲洋盆的扩张、俯冲、闭合和消减过程的产物(Chen Shi et al., 2013; 刘金霖，2014; 李海等，2021; Zhu Qingmin et al., 2021)。长期以来，达拉布特蛇绿岩被国内外学者作为重建古亚洲洋形成及构造演化的研究对象(Chen Shi et al., 2013; 刘金霖，2014; Yang Gaoxue et al., 2015, 2019；Qiu Tian, 2017; 田亚洲等，2019；杨华燊，2020；李海等，2021)，对蛇绿岩形成的构造背景取得了一些进展和不同认识。例如，①通过对全岩及矿物地球化学研究认为蛇绿岩形成于弧前盆地(杨华燊，2020; Zhu Qingmin et al., 2021)；②认为达拉布特MORE型岩石形成于洋中脊环境(雷敏等，2008)；③根据铬铁矿中含水矿物包裹体以及铬铁矿与拉斑玄武岩的相关性认为形成于受俯冲作用影响的弧后盆地(田亚洲，2015a)；④根据蛇绿岩两侧地层岩性(陈石和郭召杰，2010)和地球物理探测(李海等，2021)认为是残余洋盆的闭合导致蛇绿岩构造侵入等，现阶段研究表明对达拉布特蛇绿岩形成的大地构造背景和俯冲模式的认识依旧分歧很大。近年来，随着蛇绿岩铬铁矿中金刚石等超高压、强还原性和壳源矿物的发现(Yang Jingsui et al., 2007, 2021; Robinson et al., 2015) ，又增加了深部地幔以及俯冲再循环物质参与了蛇绿岩的形成及演化的新问题。作为古洋壳的残留，蛇绿岩无论在其早期的形成和后期的侵位过程中，都可能受到海底热液或俯冲流熔体的参与，并可能导致其地幔源区的物质组成发生改变。如何识别地幔中存在的不同物源及产生的影响，成为判别蛇绿岩形成构造环境的一个值得重视的问题。

图 2 西准噶尔中部地质简图(据新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993 修改)Fig. 2 Simplified geological map of the central West Junggar (modified after Bureau of Geology and Mineral Resources of Xinjiang, 1993#)

基于地幔中亏损或再富集事件对地幔橄榄岩的改造，其矿物的主微量及同位素特征保留了地幔演化、岩浆分异、部分熔融或是和流体/熔体之间相互作用的重要记录，可以为探究蛇绿岩形成的大地构造背景提供有力的依据(Birner et al., 2017; Rogkala et al., 2019)。随着近年来矿物原位测试技术的提高，使得矿物氧同位素(王静等， 2020)变化可以被准确识别。鉴于氧同位素在地幔与地壳中存在显著的差异，以及受俯冲地壳影响的地幔岩石会产生明显的氧同位素改变，地幔岩石的氧同位素组成的变化可以有效地用来识别地幔中俯冲壳源物质再循环记录(Liu Chuanzhou et al., 2014)。据此，笔者等以达拉布特地幔橄榄岩为研究对象，在岩石学、矿物学及地球化学研究的基础上结合矿物氧同位素特征，拟对达拉布特蛇绿岩形成的大地构造背景给出新的制约。

1 达拉布特蛇绿岩地质特征

西准噶尔地区位于中亚造山带的西南缘(图1a)，区内广泛出露早古生代以来的沉积地层，其中以石炭系半深海—大陆破相火山—碎屑沉积建造为主。区内地层普遍受到晚石炭系花岗岩熔体的侵入(龚一鸣和纵瑞文，2015)(图2)。通过锆石U-Pb定年确定花岗岩体的侵入时限在310～295 Ma(韩宝福等， 2006; Geng Hongyan et al., 2009)。区内从北到南发育了巴尔雷克、玛依勒、达拉布特等左行走滑断裂，断裂以NE—SW走向平行分布，对区内蛇绿岩的分布产生了影响(Choulet et al., 2012; 陈宣华等， 2014)。沿断裂走向出露巴尔雷克521 Ma(温志刚等，2016)、玛依勒572 Ma(Yang Gaoxue et al., 2012)、克拉玛依414 Ma(徐新等， 2006)、达拉布特392 Ma(辜平阳等，2009)等多条古生代蛇绿混杂岩带，其年龄范围从寒武纪至早泥盆世。这些蛇绿岩被认为产在西伯利亚板块和哈萨克斯坦—准噶尔板块汇聚而成的古生代造山带，是研究古亚洲洋演化的天然实验室。

图3 西准噶尔达拉布特蛇绿岩分布简图(据李行等， 1987)Fig. 3 Spatial distribution map for the Darbute ophiolite from West Junggar (after Li Hang et al., 1987&)

图4 西准噶尔达拉布特地幔橄榄岩矿物背反射图像(a、b)和显微照片(c、d、e、f、g、h)Fig. 4 Back-scattered electron image(a, b) and photomicrographs(c, d, e, f, g, h) of mineral for mantle peridotite from Darbute, West Junggar图(b)来自纯橄岩；图(a、c、d、e、f、g、h)来自方辉橄榄岩。 Srp—蛇纹石； Spl—尖晶石； Opx—斜方辉石； Cpx—单斜辉石； Ol—橄榄石Fig. (b) is from dunites; Fig (a, c, d, e, f, g, h) are from the harzburgites. Srp—serpentine; Spl—spinel; Opx—orthopyroxene; Cpx—clinopyroxene; Ol—olivine

西准噶尔中部地区位于西准噶尔北部的谢米斯台断裂与南部的巴尔雷克断裂、玛依勒断裂和达尔布特断裂之间(图2)。该地区出露泥盆纪至早石炭世海相地层以及达拉布特与白碱滩两条蛇绿混杂岩带，且广泛发育晚石炭世至早二叠世花岗岩侵入体(Zhu Qingmin et al., 2021)。被认为是泥盆纪至早二叠世洋陆转换的产物。其中，达拉布特蛇绿岩带以NE—SW走向展布于达拉布特断裂带北侧， 大致平行于达拉布特断裂带层(图2)。蛇绿岩呈北东走向延至白杨沟，而南西方向因庙儿沟花岗岩体的侵位所截，全长近100 km，宽约5 km，最宽处可达8 km，总出露面积约50 km2，是新疆境内目前为止所发现面积最大的蛇绿岩带(Choulet et al., 2012; 陈石等， 2016; 林伟等， 2017; 王国灿和张攀， 2019)。带中包括了10个不同规模的超镁铁岩体，从北东到南西向依次为：木哈塔依、鲸鱼、萨尔托海、达拉布特、科果拉、坎土拜拉、苏鲁乔克、阿克巴斯套和阿音巴斯套等(图3)。达拉布特蛇绿岩受后期强烈的构造运动影响，蛇绿岩原有层序被破坏，其内部组构复杂。原来下部层序的铁镁质或超铁镁质岩石逆冲至复理石沉积地层之上，或者蛇绿岩顶部的深海沉积物和枕状玄武岩被洋壳底部或地幔橄榄岩覆盖(陈石和郭召杰，2010)。蛇绿岩带内原有层序被破坏，不同类型的岩性混杂在一起呈蛇绿混杂岩带(李行等，1987)。前人通过对不同基性岩的年代学研究分别获得获得391±6 Ma(辜平阳等， 2009)、391±6 Ma，368±11 Ma 和 375±2 Ma(杨高学，2012)、392.5±2.9 Ma(田亚洲等，2015b)的达拉布特蛇绿岩的年龄，其年龄在西准噶尔地区众多蛇绿岩中最年轻，被认为是板块碰撞最终结合部位(朱宝清等，1994)。达拉布特蛇绿岩分别与下石炭统太勒古拉组、上石炭统包古图组以及希贝库拉斯组的沉积地层相邻，它们分别位于蛇绿岩的南北两侧，岩性为凝灰岩、凝灰质粉砂岩夹紫红色玄武岩、安山岩、火山角砾岩和硅质岩(李海等，2021)。通过化石、沉积学研究认为两侧地层呈滨海相。两侧地层年代学时代为上石炭世(宋春晖等，1996)。根据对侵入花岗岩体的研究发现达拉布特蛇绿岩内部及两侧的花岗岩侵入年龄在310 Ma左右，达拉布特蛇绿岩中阿克巴斯套岩体被阿克巴斯套花岗岩体所截，两者为侵入接触(苏玉平等，2006)。阿克巴斯套花岗岩体锆石U-Pb定年结果为303 ± 3 Ma(苏玉平等，2006; 韩宝福等， 2006)，萨尔托海蛇绿岩受到也格孜卡拉花岗岩的侵入，也格孜卡拉花岗岩锆石SHRIMP U-Pb 年龄测定确定的侵入时限为308 ± 3 Ma(陈石等, 2010)。并在其中发现埃达克岩、高镁闪长岩等组合，据此有学者提出这一期A型花岗岩侵入形成于洋脊俯冲，认为俯冲阶段的板片窗效应作用导致软流圈物质上涌形成拉斑质和碱性岩浆(Geng Hongyan et al., 2009; 刘希军等，2009)。然而，洋脊俯冲意味着下插洋脊受新生洋壳的推动，达拉布特蛇绿岩在年龄上是西准噶尔地区最年轻的蛇绿岩，区域构造地质上未发现较新洋壳(陈石等，2010)。也有学者认为侵入的花岗岩质岩浆形成于后碰撞阶段的造山后伸展背景下(韩宝福等， 2006；Geng Hongyan et al., 2009)。在萨尔托海蛇绿岩侵入的也格孜卡拉花岗岩被认为是典型的“钉合岩体”，它的侵入年代可以约束达拉布特蛇绿岩侵位年代在308 ± 3 Ma之前(陈石等，2010)。

2 蛇绿岩地幔橄榄岩的特征

达拉布特蛇绿岩所出露的各岩石单元较全，但受后期构造作用的改造呈混杂堆积。岩石普遍蛇纹石化。超镁铁质岩石类型有方辉橄榄岩、纯橄榄岩、二辉橄榄岩，其中以方辉橄榄岩为主，纯橄榄岩与二辉橄榄岩较少，常常以透镜状产于方辉橄榄岩中。而在铁镁质岩方面分别为橄长岩、辉长岩、辉绿岩、枕状熔岩和块状玄武岩。其中橄长岩、辉长岩、辉绿岩以岩脉形式侵入地幔岩中。笔者等测试样品来自达拉布特蛇绿岩带中部的萨尔托海方辉橄榄岩。

达拉布特超镁铁质岩类以方辉橄榄岩为主，且普遍发育强烈的蛇纹石化，蛇纹石通常发育于岩石表面或沿破裂面分布，仅保留少量较新鲜方辉橄榄岩。所采样品方辉橄榄岩表面呈黑绿色、灰绿色或土黄色。由于矿物间的差异风化，岩石表面斜方辉石颗粒相对凸起。岩石为块状构造，细—中粒结构。其中尖晶石含量<3%，常与单斜辉石以蠕虫状交互伴生(图4a、d、f)；单斜辉石含量<3%，与尖晶石紧密伴生，呈他形，粒径50～200 μm(图4c、d)；斜方辉石含量15%～20%，粒径1～4 mm，呈浑圆状或以港湾状与橄榄石或单斜辉石伴生。沿边缘及解理缝发育蛇纹石化(图4g)，部分斜方辉石完全蛇纹石化，多呈假象；橄榄石含量75%～80%，多为半自形，粒径1～3 mm，普遍发育碎裂结构，部分波状消光，通常沿裂隙发育蛇纹石化(图4h)，受强烈蛇纹石化影响的橄榄石呈岛状。橄榄石蚀变形成的纤维状蛇纹石集合体呈网状、环状分布。部分橄榄石呈浑圆状包裹在斜方辉石中(图4g)。

3 测试方法

尖晶石、橄榄石、单斜辉石单矿物的电子探针分析在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成，测试分析仪器型号为 JXA-8100，工作时加速电压为 15.0 kV，探针束流为 20 nA，电子束斑直径为 5 μm。

橄榄石微量元素含量在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室利用LA-ICP-MS分析完成。基于ReSolusion 193 nm激光剥蚀系统与Agilent 7700x电感耦合等离子质谱完成测试。氦气作载气，每个采集周期包括30 s的空白信号和60 s的样品信号。分析方法：①外标样选择：橄榄石以NIST 610.T1-G, StHs6/8, GOR128-G为标准物质。标样的元素含量依据GeoReM 数据库(http：//georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。②都采用多外标、无内标法(Liu Yongsheng et al., 2008)对元素含量进行定量计算。样品的数据均采用多外标、无内标法校正，选用29Si作为归一化元素。③对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量计算)采用软件ICPMSDataCal (Liu Yongsheng et al., 2008, 2010)完成。

橄榄石、单斜辉石、斜方辉石的原位氧同位素分析是在北京核工业地质研究所用Cameca IMS-1280 SIMS获得。氧同位素分析时Cs+离子被用作一次离子轰击样品颗粒，轰击能量为20 kV，离子束的强度为13～46 nA，束斑大小为10～15 μm，视场光阑宽度设置为6×6 mm, 入口狭缝宽约120 μm, 能量狭缝宽度为40 eV，质量分辨率为2400(50%峰宽)。利用两个法拉第杯同时采集16O和18O的信号，放大电路的高阻分别为1010Ω和1011Ω，16O信号的强度范围为16×109～35×109cps(每秒计数)，方法详细描述可参考(Li Xianhua et al., 2010; Tang Guoqiang et al., 2019)。针对不同矿物分别采用06JY31CPX、06JY31OPX、06JY34OL标样校正仪器。橄榄石标样06JY34OL的δ18O值+5.25‰；单斜辉石标样06JY31CPX的δ18O值+5.19‰；斜方辉石标样δ18O值+5.54‰(Tang Guoqiang et al., 2019)。

4 矿物主、微量特征

笔者等选取达拉布特方辉橄榄岩11件样品进行测试，测试结果结果如下。

图5 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩橄榄石球粒陨石标准化稀土元素配分图与原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig. 5 Chondrite-normalized REE pattern and primitive mantle-normalized trace element diagrams for olivine in harzbourgite from Darbute, West Junggar 原始地幔数据与球粒陨石值来自(McDonough et al., 1995)Chondrite normalization values and primitive mantle-normalization values are from (McDonough et al., 1995)

表1 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中橄榄石主要元素特征(%)Table 1 The characteristics of major elements of olivine in harzbourgite from Darbute of West Junggar(%)

4.1 橄榄石

橄榄石电子探针测试共14个点，测试结果见表1。方辉橄榄岩中橄榄石Fo值位于90.34%～90.98%，为典型的镁橄榄石。方辉橄榄岩的NiO含量为0.367%～0.531%，橄榄石MnO含量在0.09%～0.14%。

方辉橄榄岩橄榄石LA-ICP-MS测试共8个点，稀土及微量元素测试结果见表2。方辉橄榄岩橄榄石稀土与微量元素总体含量较低，呈轻稀土亏损配分模式。微量元素中流体活动性元素U、Pb、Li元素相对富集。而Nb、La、Sr、Zr、Y元素相对亏损。不相容元素V含量0.55×10-6～3.26×10-6、Ca含量< 264×10-6低于正常地幔橄榄石V含量12×10-6～76×10-6、Ca含量785×10-6～1284×10-6(Witt-Eickschen and O’Neill, 2005 )。而Li含量<1.72 ×10-6、Sc含量2.71×10-6～4.81×10-6，与普兰亏损的地幔橄榄岩相当Li含量0.52×10-6～2.95×10-6、V含量0.36×10-6～4.25×10-6、Sc含量2.20×10-6～7.50 ×10-6(Su Benxun et al., 2019)。可能为部分熔融后的残余组分。

表2 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中橄榄石微量稀土元素含量(×10-6)Table 2 The characteristics of trace elements and REE content for olivine in harzbourgite from Darbute of West Junggar (×10-6)

4.2 尖晶石

尖晶石电子探针测试共13个点，测试结果见表3。高Cr尖晶石Cr#>0.6，而高Al尖晶石Cr#<0.6(Zhou Meifu et al., 2014)。方辉橄榄岩尖晶石Al2O3含量在24.24%～29.99%之间，Cr2O3的含量40.55%～43.85%，其Cr#值在0.47～0.51，为高Al尖晶石，与Kzldag方辉橄榄岩中尖晶石Cr#值0.45～0.51相似(Chen Chen et al., 2018)。MgO含量12.16%～13.14%，FeO含量15.82%～21.52%， Mg#值55%～58%。方辉橄榄岩尖晶石Fe3+#较低< 2.43，可能代表部分熔融导致的Fe3+的流失(Canil et al., 1994)，TiO2含量0.01～0.04%，在地幔橄榄岩范围内TiO2<0.72%，Fe3+#< 10(Ghosh et al., 2012)。

4.3 单斜辉石

单斜辉石电子探针测试共16个点，测试结果见表4。MgO含量16.05%～20.12%，平均16.97%，FeO在1.69%～3.43%，Mg#值为90.74～94.27与Kzldag初始俯冲地幔橄榄岩单斜辉石Mg#值92～94相似(Su Benxun et al., 2020)。CaO含量17.21%～23.89%，平均22.62%；Cr2O3在1.05%～1.24%之间；Al2O3在2.51%～3.92%之间，低于深海地幔橄榄岩，TiO2含量<0.03%，与弧前地幔橄榄岩相似(Pagé et al., 2008)。

5 矿物原位氧同位素特征

达拉布特方辉橄榄岩中矿物氧同位素SIMS测试共38个点，其中橄榄石16个点，单斜辉石14个点，斜方辉石8个点，氧同位素测试结果见表5，分别为：橄榄石δ18Oolivine值为+5.1‰～+6.2‰，平均值+5.8‰；单斜辉石δ18Ocpx值为+5.6‰～+6.9‰，平均值+6.2‰；斜方辉石δ18OOpx值为 +5.3‰～+5.7‰ ，平均值+5.5‰；橄榄石和单斜辉石都整体高于正常地幔橄榄石δ18OOl值5.18 ± 0.28‰和单斜辉石δ18Ocpx平均值+5.69‰(Mattey et al., 1994)，且具有较大的变化范围。而斜方辉石的δ18OOpx值位于正常地幔范围内且相对均一。矿物间氧同位素分馏系数Δ18Ocpx—olivine平均+0.4‰、Δ18OOpx—olivine平均-0.3‰、Δ18OOpx—cpx平均-0.7‰，显著区别于正常地幔Δ18Ocpx—olivine、Δ18OOpx—olivine和Δ18OOpx—cpx分别平均为0.4‰、0.5‰和0.1‰(Xu Yigang et al., 1996；Chazot et al., 1997)。

表3 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中尖晶石主要元素特征(%)Table 3 The characteristics of major elements of splines in harzbourgite from Darbute of West Junggar(%)

表4 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩单斜辉石电子探针分析结果(%)Table 4 The characteristics of major elements of clinopyroxenes in harzbourgite from Darbute of West Junggar(%)

6 地幔橄榄岩成因特征

6.1 部分熔融过程及特征

橄榄石中Ni、Co和Mn不受变质作用的影响，因此，Ni/Co和Ni/Mn值可用于区分地幔部分熔融和岩浆结晶分异(Wang Jing et al., 2021)。熔融残留的橄榄石中Ni/Co与 Ni/Mn值，大于硅酸盐地球(BSE)Ni/Co值20，Ni/Mn值2(McDonough et al., 1995)，并与早期亏损地幔的研究报告的数值一致(Sobolev et al., 2007)，而岩浆分离结晶的橄榄石显示较低的Ni/Co和Ni/Mn值(分别<20和<2)。达拉布特地幔橄榄岩中橄榄石Ni/Co值为21～22，Ni/Mn值为3.0～7.8，大于硅酸盐地球Ni/Co与 Ni/Mn值，呈熔融残余特征。此外，样品中不相容元素V含量0.55×10-6～3.26×10-6、Ca含量< 264×10-6相对正常地幔橄榄石V含量12×10-6～76×10-6、Ca含量785×10-6～1284×10-6更低(Witt-Eickschen and O’Neill, 2005 )，代表部分熔融后亏损的残余组分。

随熔融程度逐步提高，单斜辉石率先熔融消耗，因此地幔橄榄岩中单斜辉石的含量可作为部分熔融程度的指标(Dick et al., 1984a)。岩石中单斜辉石含量与尖晶石的形态变化随岩石部分熔融程度变化而改变，部分熔融程度由低到高的过程中尖晶石由半自形、细粒(二辉橄榄岩体)→他形、粗粒(含单斜辉石方辉橄榄岩)→他形、蠕虫状(方辉橄榄岩)，而单斜辉石含量逐渐减少(Leblanc, 1980; 赵斌等，2020)。本文方辉橄榄岩中尖晶石以蠕虫状和他形的单斜辉石共生(图4a、d、f)，单斜辉石含量<3%以副矿物产出。指示了方辉橄榄岩和纯橄岩都经历过较高程度的部分熔融作用。

表5 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩单斜辉石、橄榄石、斜方辉石氧同位素

图6 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩(a)尖晶石Cr# —橄榄石Fo图解与(b)尖晶石Cr# — TiO2图解Fig. 6 Illustration of (a) spinel Cr# — olivine Fo and (b) spinel Cr# — TiO2 in harzburgites from Darbute of West Junggar深海地幔橄榄岩(ABP)区域据文献(Dick et al., 1984a)；弧前地幔橄榄岩(FAP)及被动大陆边缘区域来自(Pearce et al., 2000)；橄榄石—尖晶石地幔序列(OSMA)区域来自(Arai, 1994)；弧后地幔橄榄岩区域来自(Lian Dongyang et al., 2016); Kzldag方辉橄榄岩数据来自(Chen Chen et al., 2018)；南公珠错方辉橄榄岩来自(张利等，2016)；Nui Nua方辉橄榄岩来自(Ngo et al., 2016)abyssal mantle peridotite region according to (Dick et al., 1984a); fore-arc mantle peridotites and the passive continental margin from (Pearce et al., 2000); The mantle olivine array (OSMA) is from (Arai, 1994); Back-arc mantle peridotite region according to (Lian Dongyang et al., 2016); Kzldag harzburgites data from (Chen Chen et al., 2018); South Gongzhucuo harzburgites from (Zhag Li et al., 2016&); Nui Nua harzburgites from (Ngo et al., 2016)

图7 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中橄榄石和辉石氧同位素组成(1000℃与1200℃的平衡分馏线来自Chiba et al., 1989)Fig. 7 Oxygen isotopic composition in olivine and pyroxenes in harzburgites for Darbute from West Junggar(the equilibrium fractionation lines at 1000℃ and 1200℃ are from Chiba et al., 1989)

由于Cr和Al在部分熔融过程具有不同的相容性，Cr是相容元素，而Al不相容(Dick et al., 1984b)。本文方辉橄榄岩尖晶石的Cr2O3含量随部分熔融程度升高的趋势而Al2O3含量下降，呈负相关关系如(图8c)，代表方辉橄榄岩受部分熔融的影响。尖晶石中 Cr、Al较大的变化反应用 Cr#值100 Cr/(Cr+Al)表现。随着寄主岩石部分熔融程度的增加，Cr#值也随之增加，因此 Cr#值被用来指示地幔亏损程度(鲍佩声等， 1999)。根据Hellebrand等(2001)提出Cr#<0.6尖晶石部分熔融程度计算公式：F= 10 × ln(Cr#)+ 24，F代表部分熔融程度，Cr#值为铬尖晶石中 Cr/(Cr+Al)。带入达拉布特方辉橄榄岩尖晶石的Cr#值可得到方辉橄榄岩部分熔融程度16%～17%。在尖晶石Mg#— Cr#图解与Cr#— TiO2图解中方辉橄榄岩的部分熔融程度大致20%(图8a)。此外，橄榄石的Fo值和尖晶石中Cr#值n(Cr)/[n(Cr)+n(Al)]的组成关系可以被用于表征岩浆源区的亏损程度及不同构造背景下部分熔融的差异(Arai et al.，1998)。本文中方辉橄榄岩尖晶石 Cr#— 橄榄石 Fo 图解与Cr#— TiO2图解中显示具有较高的部分熔融程度>20%，代表了部分熔融后亏损的残余组分(图6a、b)。

图8 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中尖晶石图解(图a据Chen Chen et al., 2018；图b 据Kamenetsky et al., 2001；图c、d 据Lian Dongyang et al., 2016)Fig. 8 Illustration of spinel in harzburgites from Darbute of West Junggar (Fig. a according to Chen Chen et al., 2018; Fig. b according to Kamenetsky et al., 2001; Fig. c, d according to Lian Dongyang et al., 2016)高Cr与高Al尖晶石数据来自(Zhou Meifu et al., 2014)；Kzldag方辉橄榄岩数据来自(Chen Chen et al., 2018)；南公珠错方辉橄榄岩来自 (张利等，2016)；Nui Nua方辉橄榄岩来自(Ngo et al., 2016)High Cr and high Al spinel data from (Zhou Meifu et al., 2014); Kzldag harzburgites data from (Chen Chen et al., 2018); Nan Gongzhucuo harzburgites from (Zhang Li et al., 2016&); Nui Nua harzburgites from (Ngo et al., 2016)

6.2 矿物氧同位素特征对交代熔流体的约束

岩石和矿物的氧同位素组成可有效限制岩石成因条件、机制、岩浆源和任何可能的流体—围岩相互作用(Liu Chuanzhou et al., 2014)。地壳中不同组分的氧同位素具有较大差异，蚀变洋壳δ18O值为0～+12‰、碎屑沉积物δ18O 值为+12‰～+20‰、碳酸盐和硅酸盐中远洋沉积物δ18O值为+20‰～25‰(Eiler et al., 1998)。相对于近地表低温环境下水—岩反应所造成的岩石大范围δ18O 变化，上地幔岩石的δ18O具有相对均一的值，正常地幔的总体δ18O为+5.5 ± 0.4‰(Mattey et al., 1994)。正常地幔中不同矿物的氧同位素被很好的限制在特定范围内，其中橄榄石5.18 ± 0.28‰，在+4.8‰～+5.5‰之间；单斜辉石δ18Ocpx值+5.4‰～+6.1‰，平均+5.69‰；斜方辉石δ18Ocpx范围内+5.25‰～+5.9‰，平均+5.57‰(Mattey et al., 1994；Chazot et al., 1997)。辉石与橄榄石相比具有较高δ18O值，矿物之间的氧同位素分馏也十分有限：Δ18Ocpx—olivine、Δ18OOpx—olivine和Δ18OOpx—cpx分别平均为0.4‰、0.5‰和0.1‰(Xu Yigang et al., 1996；Chazot et al., 1997)。地幔岩石或原始幔源岩浆中δ18O偏离正常地幔δ18O值5.5 ± 0.4‰范围或是矿物之间氧同位素的不平衡的现象都被认为是受到流体、熔体交代作用的影响，其形成或演化过程受到外来组分的参与或改造。因此，地幔橄榄岩的氧同位素组成可以很好地示踪上地幔发生的许多地质过程，是指示其原岩或来源的敏感指标(张宏福等，2008)。达拉布特方辉橄榄岩中各矿物的氧同位素值分别为：橄榄石δ18Oolivine值+5.1‰～+6.2‰，平均+5.8‰；单斜辉石δ18Ocpx值+5.6‰～+6.9‰，平均+6.2‰；而斜方辉石δ18OOpx值+5.3‰～+5.7‰ ，平均+5.5‰，在正常地幔的斜方辉石δ18Ocpx范围内+5.25‰～+5.9‰，平均+5.57‰(Mattey et al., 1994)。橄榄石与单斜辉石整体高于正常地幔值且具有较大的变化范围，而斜方辉石的δ18OOpx值位于正常地幔范围内且相对均一。Δ18OOpx—olivine平均-0.3‰，Δ18OOpx—cpx平均-0.7‰，显著区别于正常地幔Δ18OOpx—olivine和Δ18OOpx—cpx的平均值分别为0.5‰和0.1‰(Xu Yigang et al., 1996；Chazot et al., 1997)，表现出矿物之间氧同位素不平衡(图7a、b)。

鉴于达拉布特地幔橄榄岩普遍蛇纹石化，在讨论橄榄石微量特征以及矿物氧同位素特征所代表的地质背景时需要甄别矿物中元素与同位素变化是地幔内熔流体作用还是近地表低温热液蚀变导致。橄榄石在水溶液中比辉石具有更高的溶解度，其反应速率比辉石更快(李静超等， 2019)。我们通过橄榄石的主微量成分特征探讨蛇纹石化对样品中矿物的影响。橄榄石的蛇纹石化会导致主量成分Al2O3上升而NiO下降，微量元素中Sr、As、Sb上升而Li、Cs下降(黄瑞芳等，2013)，蚀变的橄榄石中Li含量0.24×10-6～0.36×10-6、Cr含量184×10-6～388×10-6、Ti含量10.1×10-6～46.0×10-6(Su Benxun et al., 2019)。本文方辉橄榄岩样品中并未观察到相似变化。橄榄石微量元素以及矿物中的氧同位素特征代表地幔中熔流体作用的影响。

斜方辉石中的δ18OOpx位于正常地幔范围且相对均一，同位素组成没有明显的后期改造特征，这可能是方辉橄榄岩中分析测试的斜方辉石颗粒较大的>1 mm粒径的原因，使得它在熔流体作用下具有更强的抗改造能力。因此斜方辉石的氧同位素组成代表方辉橄榄岩初始δ18O在正常地幔范围内。而橄榄石与单斜辉石中δ18O值显著地高于正常地幔范围，说明作为部分熔融残余的地幔橄榄岩在形成后又受到高δ18O熔流体的交代作用影响。与橄榄石相比，单斜辉石δ18O具有变化范围更大且更高的δ18O值。这与交代作用中橄榄石相对稳定，不易受后期熔/流体作用影响的特征相符( 李佩等，2012；Tang Yanjie et al., 2014)。地幔中的氧同位素在高温条件下趋于均一化(Liu Chuanzhou et al., 2014)。由于橄榄石是受亚固相元素扩散作用最小的矿物，因此最有可能在交代后元素热扩散过程中保留前期熔/流体特征的影响(苏本勋等，2021)。橄榄石较单斜辉石具更低且稳定的氧同位素δ18O说明在受高δ18O熔流体交代后迅速冷却，缺乏在持续高温下扩散至均一的过程，这也解释了矿物以及矿物之间δ18O的不平衡，暗示交代介质可能富水导致熔体迅速冷却。在橄榄石和辉石氧同位素组成图解中不同样品的橄榄石与辉石之间δ18O投图相对离散，与1000℃与1200℃的平衡分馏线相偏离(Chiba et al., 1989)(图7a、b)。然而，方辉橄榄岩中橄榄石的球粒陨石标准化图解以及微量元素蛛网图解中都显示橄榄石强烈的亏损，没有表现出交代导致的LREE富集(图5)。这与橄榄石中高δ18O的特征不符。由于俯冲板块脱水形成的流体中微量元素含量比板块熔融形成的熔体小3个数量级(Liu Chuanzhou et al., 2014)。橄榄石中两种相互矛盾的特征可以被俯冲板块脱水形成的流体交代解释。

由俯冲带进入地幔中的俯冲板片是地幔中最显著的壳源物质来源，强烈地影响着地幔源区的物质组成。与俯冲相关的流体及脱水后熔融的熔体在地幔中发生的岩浆作用成为制约幔源岩石地化特征的重要原因。鉴于上地壳普遍较高的δ18O值，方辉橄榄岩矿物及矿物间的δ18O异常，可能是俯冲地壳脱水形成的高δ18O流体与亏损地幔橄榄岩交代形成。

7 达拉布特地幔橄榄岩构造背景

由于 Cr3+、Al3+、Ti4+在尖晶石中的扩散速率低而较少受后期冷却的亚固态再平衡作用影响，更多的保留形成初始时期的特征。因此，常被用来探究尖晶石形成的原生环境(Arai et al., 1998；赵慧等， 2019)。尖晶石Cr#值变化不仅能代表岩石部分熔融程度还可以反映岩石形成环境 (Dick et al., 1984b)。高Cr尖晶石与高Al尖晶石通常以Cr#= 0.6 为界，而铬铁岩中尖晶石Cr#值范围较窄，高Cr尖晶石Cr#范围0.70～0.81；高Al尖晶石Cr#范围39～50(Zhou Meifu et al., 2014)。高Cr尖晶石与岛弧环境下玻安质熔体具有亲缘性，而高Al尖晶石表现为洋中脊似MORB型熔体的影响(Kamenetsky et al., 2001; Zhou Meifu et al., 2014)。本文中方辉橄榄岩尖晶石Cr#值在0.47～0.51高于南公珠错洋中脊方辉橄榄岩Cr#值0.18%～0.24%，低于Nui Nua弧前方辉橄榄岩Cr#值0.70%～0.74%，位于高Cr与高Al尖晶石之间(图8a)，与Kzldag方辉橄榄岩中尖晶石Cr#值0.45～0.51相似，后者被认为形成于初始俯冲阶段(Chen Chen et al., 2018)。在TiO2— Al2O3图解中方辉橄榄岩尖晶石的Al2O3含量26.62%～29.99%位于洋中脊地幔橄榄岩与俯冲型地幔橄榄岩之间，与代表俯冲初始阶段的Kzldag方辉橄榄岩相似(图8b)。在Cr2O3— Al2O3图解中，方辉橄榄岩全部落于深海橄榄岩与弧前橄榄岩的重合区域，靠近弧后地幔橄榄岩范围(图8c)。受俯冲物质源区影响的地幔橄榄岩由于Fe2O3、CO2、H2O等含量的加入往往具有较高的Fe3+含量与氧逸度。部分熔融过程中Fe3+优先进入熔体中，使残余地幔橄榄岩中Fe3+含量减少氧逸度下降(Canil et al., 1994)。尖晶石中Fe3+#、 Cr#值能约束形成的大地构造背景(Lian Dongyang et al., 2016)。在Fe3+#— Cr#图解中方辉橄榄岩尖晶石的Fe3+#较低，大多落于深海地幔橄榄岩与弧前地幔橄榄岩重合区域(图8d)。

在橄榄石Fo —尖晶石Cr#图解中，通过橄榄石Fo与尖晶石Cr#判别方辉橄榄岩的形成背景，本文中方辉橄榄岩样品尖晶石Cr#高于南公珠错深海地幔橄榄岩，与Kzldag地幔橄榄岩相似都落于弧前与深海地幔橄的交汇处(图6、8a)。尖晶石中TiO2的含量能反映熔体—岩石作用影响(Xiong Qing et al., 2017)。地幔橄榄岩与 MORE熔体的交代作用能显著地提高尖晶石中TiO2的含量，而Cr#值变化不大，而与玻安质熔体相互作用过程会导致TiO2与Cr#值提高，因此Cr#与 TiO2的组合被用来指示岩石形成及演化的构造背景。在尖晶石Cr#— TiO2图解中，方辉橄榄岩尖晶石样品位于深海地幔橄榄岩、弧前地幔橄榄岩交汇范围 (图6b)。

图9 西准噶尔达拉布特方辉橄榄岩中单斜辉石图解(图据Lian Dongyang et al., 2016)Fig. 9 Illustration of clinopyroxenes in harzburgites from Darbute (figure according to Lian Dongyang et al., 2016)深海地幔橄榄岩及弧前地幔橄榄岩据 (Pagé et al., 2008); 南公珠错方辉橄榄岩来自(张利等，2016)； Song Ma 方辉橄榄岩(Ngo et al., 2016)； Kzldag方辉橄榄岩数据来自(Su Benxun et al., 2020)abyssal mantle peridotite and pre-arc mantle peridotite according to (Pagé et al., 2008); Nan Gongzhucuo harzburgites from (Zhang Li et al., 2016&); Song Ma harzburgites ( Ngo et al., 2016); Kzldag harzburgites data from (Su Benxun et al., 2020)

在单斜辉石Mg#— Al2O3、TiO2、Cr2O3、CaO图解中本文方辉橄榄岩中单斜辉石位于南公珠错深海地幔橄榄岩与Song Ma弧前地幔橄榄岩之间，与Kzldag初始俯冲阶段形成的地幔橄榄岩相似。

方辉橄榄岩中橄榄石与单斜辉石的高δ18O特征指示了俯冲带环境的流体交代作用。代表了达拉布特地幔橄榄岩具有俯冲壳源物质参与。方辉橄榄岩中尖晶石和单斜辉石的判别图解都落于深海地幔橄榄岩与弧前地幔橄榄岩之间(图6、图8、图9)。达拉布特地幔橄榄岩中方辉橄榄岩表现出由深海地幔橄榄岩向弧前地幔橄榄岩过度的趋势。这种过渡特征代表了MORB型岩浆作用以及聚敛型板块俯冲作用的共同影响。地幔橄榄岩中由深海至弧前特征的演化可以被俯冲初始阶段的板块活动所解释(Marchesi et al., 2016; 杨华燊，2020)。

结合达拉布特地幔橄榄岩矿物地球化学及其氧同位素特征，笔者等认为达拉布特蛇绿岩形成于弧前初始俯冲环境。在板块俯冲初始阶段，由于板块断裂导致的压力释放导致软流圈物质减压熔融形成类似MORB型岩浆。随着板块俯冲下沉，板块脱水熔融形成的熔流体与上涌的软流圈岩浆相互作用强烈地影响着上部地幔岩石的地化特征(Arculus et al., 2015；Stern and Gerya，2018)。俯冲板块流体交代使得地幔橄榄岩经历更高程度的部分熔融，并导致橄榄石与单斜辉石的高δ18O特征，形成兼具深海与弧前地幔橄榄岩特征的方辉橄榄岩。

8 结论

笔者等结合矿物主微量及氧同位素测试分析对达拉布特地幔橄榄岩进行研究。主要结论如下：

(1)达拉布特方辉橄榄岩中橄榄石Ni/Co值为21～22，Ni/Mn值为3.0～7.8具有部分熔融残余的特征，此外，橄榄石中不相容元素相对于正常地幔橄榄石亏损，表明方辉橄榄岩为部分熔融的残余组分。方辉橄榄岩中尖晶石Cr#为47～52、TiO2含量0.01%～0.04%，橄榄石Fo为90.34%～90.98%在部分熔融图解中指示方辉橄榄岩经历>20%的部分熔融。

(2)方辉橄榄岩中橄榄石与单斜辉石中δ18O值整体高于正常地幔橄榄石和单斜辉石的δ18O范围，矿物间氧同位素分馏系数Δ18OOpx—olivine平均-0.3‰、Δ18OOpx—cpx平均-0.7‰显著区别于正常地幔表现为氧同位素不平衡，结合橄榄石中LREE亏损特征，认为方辉橄榄岩可能经历了俯冲壳源物质脱水形成的高δ18O流体的交代作用。

(3)尖晶石与单斜辉石的主量元素具有介于弧前与深海地幔之间的过渡型特征，与俯冲初始阶段形成的地幔橄榄岩相似。结合矿物地球化学及其氧同位素特征，笔者等认为达拉布特地幔橄榄岩为形成于弧前初始俯冲环境。板块俯冲导致弧前扩张形成新洋壳，上涌的软流圈MORB-like熔体与俯冲壳源物质熔融形成的溶/流体与地幔橄榄岩相互作用，形成达拉布特地幔岩橄榄岩。

致谢：本论文的研究得到东华理工大学杨东光教授对电子探针实验给予的帮助，中国科学院地球化学研究所戴智慧研究员对LA-ICP-MS 实验给予的帮助，杨亚琦研究员与芮会超博士对本文进行了认真审阅，并提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢！