内蒙朝克山辉长岩中单斜辉石矿物化学特征及地质意义

2024-01-22张永玲张治国刘希军田昊李得超肖让肖尧

西北地质 2024年1期

张永玲，张治国，*，刘希军，田昊，李得超，肖让，肖尧

（1.河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000；2.桂林理工大学，广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心，广西桂林 541004；3.中国科学院新疆生态与地理研究所新疆矿产资源研究中心，新疆乌鲁木齐 830011）

蛇绿岩通常被认为是构造侵位于大陆边缘造山带或陆缘的非原地的上地幔和已消失的古大洋地壳的岩石碎片，它是研究人员研究古洋盆和造山带构造演化、恢复和重建区域地质演化过程的最佳样品（Pearce et al.，1984；臧遇时等，2013；杨剑洲等，2019；Liu et al.，2020，2021）。中亚造山带（Central Asian Orogenic Belt）是古亚洲洋经历早新元古代的裂解、古生代的俯冲增生拼贴以及晚古生代碰撞闭合造山而形成的世界最大的增生型造山带之一（图1a）（Windley et al.，2007；Xiao et al.，2009；张治国等，2019；Zhang et al.，2021；张向飞等，2023）。中亚造山带东段内蒙古造山带内部发育多条不连续的NE-NEE向蛇绿岩带、从北向南依次为二连浩特-贺根山蛇绿岩带、交其尔-锡林浩特蛇绿岩带、索伦-林西蛇绿岩带和温都尔庙蛇绿岩带（图1b）（张旗等，2001；Miao et al.，2008；党智财等，2022）。最北部的二连浩特-贺根山蛇绿岩带普遍被认为是华北板块和西伯利亚板块最后碰撞的缝合线向东延伸的部分（Miao et al.，2008；黄波等，2016），但该蛇绿岩带形成环境争议较大，主要观点有洋中脊成因（包志伟等，1994；Nozaka et al.，2002）和俯冲带成因（洋内弧后盆地和岛弧边缘盆地）（Li，2006；Miao et al.，2008；王成等，2018）。前人亦对贺根山蛇绿岩带的镁铁质岩的岩体野外地质特征、岩石学及岩石地球化学特征开展了大量研究（Miao et al.，2008；Jian et al.，2012；Wang et al.，2020；黄波等，2021），但对镁铁质岩石的矿物学工作还鲜有涉及。

图1 中亚造山带主要构造单元构造图（a）及研究区大地构造位置示意图（b）（据王树庆等，2008）Fig.1 (a) Tectonic map of the main tectonic units of the Central Asian Orogenic Belt and(b) Geological map showing the tectonic units of study area

单斜辉石是超镁铁质-镁铁质岩体中较为常见的造岩矿物，其化学成分记录了岩浆成因、岩浆物理化学条件以及岩浆形成的构造环境等多方面的重要信息（Nisbet et al.，1977；邱家骧，1987；白志民，2000；鄢全树等，2007；闫纪元等，2014），因而单斜辉石是研究超镁铁质-镁铁质岩体成因的重要物质？笔者对内蒙地区朝克山蛇绿岩中辉长岩中单斜辉石开展了系统的矿物学和矿物地球化学研究，旨在揭示该辉长岩的单斜辉石矿物化学特征，约束其岩浆性质、演化过程及其物理化学条件，探讨其岩石所属系列和成因特征，为朝克山蛇绿岩的成因提供约束。

1 地质背景和样品来源

朝克山蛇绿岩地处中亚造山带东段的内蒙-大兴安岭造山带，属于二连浩特-贺根山蛇绿岩带的一部分（图1b）。朝克山蛇绿岩带出露面积约为100 km2，以构造混杂状产出为主，岩石层序不完整，主要由蛇纹石化的超镁铁质岩、火成堆晶结构的块状辉长岩、辉绿岩墙及深海沉积物等组成。围岩主要为晚侏罗世—早白垩世的基性和酸性火山岩、二叠纪—白垩纪基性和中酸性侵入体（黄波等，2021）。蛇绿岩单元由蛇纹石化方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、层状和块状辉长岩、辉绿岩、辉绿岩墙（脉）、斜长花岗岩、基性熔岩和硅质岩组成（图2、图3a、图3b）。

图2 朝克山地区地质简图（据王树庆等，2008）Fig.2 Geological sketch of the Chaokeshan region

图3 朝克山地区辉长岩的野外露头（a～b）、显微照片（d～f）及单斜辉石环带结构背散电子图（g～h）Fig.3 (a-b) Outcrop images,(d-f) Representative photomicrographs and (g-h) the backscattered electronicimages of the clinopyroxenes’ ring-band structure of the Chaokeshan gabbro

文中辉长岩样品采集于朝克山西南及北部。辉长岩呈辉长结构，交代假象结构，块状构造。主要造岩矿物为辉石、斜长石、角闪石、黑云母、磁铁矿、钛铁矿和磷灰石等，蚀变矿物为绢云母、绿帘石、绿泥石（Chl）等组成（图3c～图3f）。辉石呈自形、柱状，无色，辉石解理，主要为单斜辉石中的普通辉石，解理弯曲变形，主要粒径为0.5～2 mm，含量约为30%。斜长石呈半自形、柱状，强烈的蚀变为高岭石、方柱石等矿物的集合体，轻微的蚀变为绢云母化、绿帘石化，与辉石呈辉长结构、嵌晶含长结构，主要粒径为0.2～2 mm，部分粒径为2～5 mm，含量约为55%。角闪石呈自形，柱状，浅绿-褐色，闪石解理，部分在辉石边部呈反应边，粒径为0.2～2 mm，部分粒径为2～5 mm，含量约为12%。黑云母呈他形、片状，强烈的绿泥石化，保留其特征残留，粒径为0.2～0.5 mm，含量约为2%。副矿物主要为磁铁矿、钛铁矿，磷灰石等，粒径为0.1～1 mm。在电子背散射图像中，单斜辉石颗粒具有无环带的特征（图3g～图3h）。

2 分析方法

矿物主量元素分析、原位微量元素分析，以及全岩样品的主量元素分析均在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成。

2.1 电子探针单矿物主量元素分析

矿物主量元素分析所用的仪器为：JEOLJXA8230型电子探针（EPMA）。分析前用透反射偏光显微镜（NIKONECLIPSE50iPOL）镜观察电子探针片并标记待分析的矿物颗粒。仪器分析条件为：加速电压为15 kV，束流为20 nA，束斑直径为5 µm，使用ZAF 法校正处理。矿物主量元素的详细操作流程以及分析方法参见Huang 等（2007）。

2.2 单矿物原位微量元素分析

原位微量元素分析所用的的仪器为：ICP-MS 为Agilent 7 500 型四级杆质谱仪。进样系统为GeoLas HD 193 nm ArF 准分子激光剥蚀系统。测试分析方法同单矿物锆石LA-ICP MS 锆石U-Pb 定年，矿物微量元素的详细操作流程以及分析方法参见Liu 等（2010）。

3 地球化学特征

3.1 矿物主量元素

朝克山辉长岩中单斜辉石电子探针分析结果见表1。朝克山单斜辉石SiO2含量为50.75%～52.99%，TiO2含量为0.27%～0.86%，FeO*含量为5.08%～9.69%，MgO 含量为13.13%～15.81%，Mg#值为71～84（Mg#=molar Mg/[Mg +Fe2+] × 100；Mg 和Fe2+均为原子数），Na2O 含量为0.26%～0.43%，CaO 含量为21.50%～24.39%和Al2O3含量为2.03%～3.77%。根据Morimoto（1988）提出的辉石分类命名方案，朝克山单斜辉石均位于Q-J 图解（Q=Ca+Mg+Fe2+，J=2Na+）的Ca-Mg-Fe 区域内（图4a）。它们的En（100 × Mg/[Mg +Ca+Fe]）、Wo（100 × Ca/[Mg+Ca+Fe]）和Fs（100 ×Fe/[Mg+Ca+Fe]）（各元素均为原子数）值分别为39～45、45～51 和8～16，在En-Wo-Fs 三元图解中落在透辉石范围内（图4b）。

表1 朝克山辉长岩的单斜辉石的主量元素组成分析结果表（%）Tab.1 Major element compositions (%) of clinopyroxene in Chaokeshan gabbro

图4 朝克山蛇绿岩中辉长岩的单斜辉石图解（据Mahoney et al.，1998）Fig.4 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

3.2 矿物微量元素

朝克山辉长岩中单斜辉石微量结果见表2。稀土总含量（ΣREE 含量）为53.53×10-6～94.83×10-6，稀土元素球粒陨石标准化REE 配分模式（图5a）表现为轻稀土元素亏损（[La/Sm]N=0.12～0.22），重稀土元素平坦（[Gd/Yb]N=0.83～1.33），无明显Eu 异常（Eu/Eu*=EuN/ [LaN*SmN]1/2=0.78～1.09），表明原始岩浆在演化过程中经历了程度微弱的斜长石分离结晶作用。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中（图5b），所有样品显示大离子亲石元素（LILE）相对富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf、Ti 相对亏损，与俯冲带岩浆地球化学特征一致。

表2 朝克山辉长岩的单斜辉石的微量元素数据表（10-6）Tab.2 Trace element compositions of clinopyroxene in gabbro from the Chaokeshan(10-6)

图5 朝克山蛇绿岩中辉长岩的单斜辉石REE 球粒陨石标准化图(a)和不相容元素原始地幔标准化图解(b)Fig.5 (a) Chondrite-normalized rare earth element (REE) and (b) primitive mantle-normalized multi-element variation patterns for clinopyroxenes within the gabbroic rocks from the Chaokeshan ophiolitic

4 讨论

4.1 单斜辉石的演化

根据矿物和地球化学组成特征，火成岩中单斜辉石的组成变化可以很好地记录母岩浆初始组成的差异，主要由巨晶单斜辉石、堆积岩中的单斜辉石和斑晶-微晶单斜辉石3 种类型，它们具有不同来源深度和成分（Nisbet et al.，1977）。单斜辉石中的Al 的配位与温压关系密切，具有特殊意义。即高温低压条件下有利于Al 在四次配位中代替Si，而低温高压条件下有利于Al 在六次配位中代替其他阳离子。岩浆结晶分异的演化过程，由地幔到地壳，伴随高温向低温或高压向低压变化，是Al 由六次配位向四次配位转化的过程（陈光远等，1987）。根据AlⅥ/AlⅣ可以定性衡量单斜辉石的结晶压力（Aoki et al.，1968；Thompson，1974；Wass，1979），划分不同压力下形成的单斜辉石（Aoki et al.，1973）。在AlⅥ-AlⅣ图中（图6a），所有单斜辉石中AlⅥ变化范围为0.18～0.23，AlⅣ变化范围为0.18～0.23；AlⅥ/AlⅣ变化范围为0.18～0.23，单斜辉石主要落在玄武岩包体中的单斜辉石区域内，表明该套岩石形成于相对高温低压环境（Sherafat et al.，2012）。此外，单斜辉石具有相对高Si、低Al 的特征，单斜辉石在Si-Al 图中（图6b）均落入碱性或拉斑玄武岩中辉石斑晶区域。

图6 朝克山蛇绿岩中辉长岩的单斜辉石图解（据Aoki et al.，1973；邱家骧等，1996）Fig.6 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

火成岩中单斜辉石的Si 与Al 具有互不相容性，故其组合能反映其母岩浆性质（Le Bas，1962）。来自SiO2不饱和碱性玄武质岩浆中的单斜辉石，其四面体中Si 的含量较低，而Al 的含量较高，相反过饱和的拉斑玄武质岩浆中结晶出的单斜辉石，其四面体中Si 的含量较高，而Al 的含量较低（Kushiro，1960）。透辉石中Al2O3的含量通常为1%～3%（赖绍聪等，2005）。本研究区的单斜辉石具有相对高的Al2O3（2.03%～3.77 %）含量和较低的SiO2(50.75%～52.99%)，与不饱和碱性岩浆系列具有明显的对应关系。在Al2O3-SiO2图中（图7a），样品全部落入亚碱性岩区域，暗示其母岩浆可能为亚碱性岩浆。同时在Ti-（Ca+Na）图中（图7b），除样品（CKS-08-06）为拉斑玄武系列，其余均属于碱性玄武系列。综上所述，朝克山岩体的母岩浆可能为亚碱性的拉斑玄武质岩浆向碱性玄武质岩浆演化的趋势。

图7 朝克山蛇绿岩中辉长岩的单斜辉石图解（据邱家骧等，1996）Fig.7 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

4.2 单斜辉石结晶温度和压力

确定单斜辉石与寄主岩石是否达到平衡，可由单斜辉石与熔体间的Fe-Mg 分配系数也可用来探讨斑晶是否与全岩Mg#值平衡（Streck,2005）。该分配系数计算如下：KD（Fe-Mg）cpx-melt=（FeO/MgO）cpx/（FeO/MgO）melt。朝克山辉长岩中的单斜辉石斑晶与熔体之间的Fe-Mg 分配系数计算结果见表3。众多学者认为该分配系数为0.2～0.4 时即可视为达到了平衡（Irving et al.，1984；Kinzler，1997）。Putirka（2008）通过实验标定单斜辉石-熔体平衡温度和压力计算公式，并测定了KD（Fe-Mg）cpx-melt=0.28±0.08 达到平衡。Putirka（2008）通过实验标定单斜辉石-熔体之间的平衡温度和压力计算了朝克山辉长岩中单斜辉石的温度和压力。由计算结果（表3）可知，虽然4 个样品（CKS-08-01、CKS-08-02、CKS-08-04 和CKS-08-06）同为朝克山辉长岩，但它们中的单斜辉石结晶温度、压力以及与熔体之间的平衡系数却不相同，CKS-08-01辉长岩中的单斜辉石结晶温度为1 099～1 184 ℃，与熔体之间的平衡系数为0.289～0.298，平衡压力为3.2～5.8 kbar，深度相当于11～19 km，平均值为14 km。CKS-08-02 辉长岩中的单斜辉石结晶温度为1 122～1 194 ℃，与熔体之间的平衡系数为0.292～0.296，平衡压力为2.8～5.6 kbar，深度相当于9～18 km，平均值为15 km。CKS-08-04 辉长岩中的单斜辉石结晶温度为1 169～1 242 ℃，与熔体之间的平衡系数为0.293～0.299，平衡压力为2.1～6.4 kbar，深度相当于7～21 km，平均值为14 km。CKS-08-06 辉长岩中的单斜辉石结晶温度为1 168～1 193 ℃，与熔体之间的平衡系数为0.275～0.282，平衡压力为1.5～5.6 kbar，深度相当于5～18 km，平均值为13 km。所有辉长岩样品中的单斜辉石与熔体达到了平衡，且所有辉长岩中单斜辉石-熔体平衡深度相似。单斜辉石结晶温度较高，深度变化区间较大，辉石结晶深度（5～21 km）明显大于大洋地壳的平均厚度（5～6 km），反映了明显的深源特征。

表3 单斜辉石-熔体平衡温度、压力、深度及其与全岩之间Fe-Mg 分配系数表Tab.3 Temperature,pressure,depth of monoclinopyroxene melt equilibrium and Fe-Mg distribution coefficient with the whole rock

4.3 单斜辉石形成的构造环境

前人对贺根山蛇绿岩带从镁铁质侵入岩和火山岩岩石化学和沉积岩及岩石组合角度已做过详细的工作，但是对朝克山研究甚少。王树庆等（2008）对朝克山蛇绿岩的全岩进行地球化学和同位素研究，从稀土配分模式上看，主要显示为LREE 的亏损，类似于大洋中脊玄武岩（MORB）的特征。N-MORB 标准化的微量元素蛛网图上显示富集LILEs、高场强元素（HFSE）Nb 和Ta 相对亏损，与岛弧地球化学特征一致。蛇绿岩基性单元的同位素特征具有正的εNd（t）值（+8.4～+9.7），表明它们来自亏损地幔源区。文中朝克山辉长岩中的单斜辉石在球粒陨石标准化REE 配分图上表现为轻稀土元素亏损，重稀土元素平坦，无明显Eu 异常，类似于大洋中脊玄武岩（N-MORB）的特征。微量元素原始地幔标准化配分图显示大离子亲石元素（LILE）相对富集，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf 和Ti 相对亏损，表明母岩浆形成过程中受到板片俯冲流体的影响，具有弧后盆地玄武岩的特征。在研究区单斜辉石F1-F2 图解上（图8），大多数样品落入岛弧和洋中脊区域。朝克山辉长岩中单斜辉石化学成分判定成岩构造环境判别结果与朝克山辉长岩的成岩构造环境一致。

图8 朝克山蛇绿岩中辉长岩的单斜辉石在F1-F2 双因子判别图解（据邱家骧等，1987）Fig.8 F1-F2 factor discriminant diagram of compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

综上所述，笔者所有这些证据均认为朝克山蛇绿岩兼有亏损型洋脊玄武岩（N-MORB）和岛弧玄武岩双重地球化学特征，反映其来源和形成过程受到洋脊扩张作用和俯冲消减作用共同控制，这种特征的蛇绿岩产出的构造环境形成于弧后盆地环境。