西昆侖庫(kù)地蛇綠巖的成因及構(gòu)造意義

楊 軍，蔡柯柯，趙志強(qiáng)，王世偉，甘海濤

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)，四川 雙流 610213;2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局607地質(zhì)隊(duì)，重慶 400056)

引言

西昆侖造山帶位于青藏高原西北緣和中央造山帶的最西段，屬古亞洲構(gòu)造域、秦祁昆構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域的結(jié)合部位［2-4］。大地構(gòu)造位置特殊［5-6］，陸內(nèi)消減、走滑作用強(qiáng)烈，一直以來(lái)被認(rèn)為是研究喀喇昆侖西昆侖地質(zhì)演化的重要地區(qū)。但該區(qū)的自然條件惡劣，野外地質(zhì)調(diào)研工作困難，地質(zhì)調(diào)查研究程度非常低，目前仍是我國(guó)造山帶中研究程度較低的地區(qū)之一。顯生宙以來(lái)大致經(jīng)歷的原特提斯洋和古特提斯洋兩個(gè)演化階段是西昆侖造山帶主要特征［5、7］，也因此保存了兩條重要的蛇綠巖帶即庫(kù)地-其曼于特蛇綠構(gòu)造混雜巖帶和康西瓦-蘇巴什蛇綠構(gòu)造混雜巖帶。其中蛇綠巖帶的分布、形成時(shí)代、形成環(huán)境等一系列問(wèn)題還存在很大分歧，需要進(jìn)一步研究。這包括庫(kù)地蛇綠巖構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識(shí)就存在大洋中脊［8-11］和弧后盆地［12-16］兩種不同認(rèn)識(shí)，這些不同觀點(diǎn)的原因可能是該區(qū)蛇綠巖組成單元出露不全且遭到后期的強(qiáng)烈破壞。鉻鐵礦是蛇綠巖的專(zhuān)屬礦產(chǎn)，在鉻鐵礦及其圍巖地幔橄欖巖中都存在礦物鉻尖晶石，其礦物學(xué)特征和元素組成可以反映成巖成礦環(huán)境［17］以及礦物結(jié)晶時(shí)所處地幔的狀態(tài)［18］，如地幔的物質(zhì)組成、賦存環(huán)境、物理化學(xué)狀態(tài)以及地幔熔融程度。這些信息對(duì)探討成礦物質(zhì)來(lái)源、成礦作用過(guò)程、深部地幔狀態(tài)和構(gòu)造環(huán)境及其演化均具有重要的科學(xué)意義。因此，通過(guò)對(duì)鉻尖晶石形成環(huán)境的研究，有助于提高人們對(duì)其所在的蛇綠巖產(chǎn)出構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識(shí)，能更好地探討西昆侖庫(kù)地蛇綠巖的地質(zhì)意義。

筆者通過(guò)對(duì)前人資料的深入歸納與總結(jié)，對(duì)庫(kù)地蛇綠巖中礦物學(xué)與玄武巖的地球化學(xué)進(jìn)行對(duì)比研究。計(jì)算巖體的部分熔融程度及形成過(guò)程中的氧逸度，結(jié)合玄武巖的稀土元素特征，進(jìn)而探討其相應(yīng)的構(gòu)造環(huán)境。在此基礎(chǔ)上提出了庫(kù)地地幔橄欖巖可能是由洋中脊到俯沖帶演化過(guò)程的結(jié)果。

1 地質(zhì)背景

庫(kù)地蛇綠巖出露于葉城南新藏公路135～156km地段內(nèi)，位于康西瓦大型走滑斷裂帶的北側(cè)，桑珠大坂-公格爾山古斷裂帶的北緣，北鄰阿卡子達(dá)坂(圖1)，是西昆侖造山帶十分重要的巖石-構(gòu)造單元。最早可追索到汪玉珍1983年［12］提出的出露在新藏公路134～160km之間的一些超鎂鐵質(zhì)巖和基性火山巖以及復(fù)理石建造。庫(kù)地超鎂鐵巖包括庫(kù)地北變質(zhì)橄欖巖和庫(kù)地南堆晶橄欖巖兩類(lèi)。庫(kù)地北變質(zhì)橄欖巖，位于庫(kù)地村的北側(cè)，巖體長(zhǎng)5.2km，寬4.4km，其西界有海西期花崗巖的侵入，其余邊界均被斷層所包圍，巖體東南側(cè)圍巖可能是太古代片麻巖(圖2)。變質(zhì)橄欖巖主要由方輝橄欖巖和少量純橄欖巖組成，可見(jiàn)偉晶輝石巖脈、偉晶輝長(zhǎng)巖脈和中粗粒輝長(zhǎng)巖脈等貫入，是喀喇昆侖-西昆侖地區(qū)庫(kù)地蛇綠巖套中的上地幔殘?bào)w，是一個(gè)推覆的構(gòu)造巖片［1］。庫(kù)地村南有3條貫穿在太古代片麻巖中的超基性巖脈，脈長(zhǎng)100m ～1.5km，寬10～20m，主要由純橄欖巖和少量方輝橄欖巖組成，具有明顯的堆晶結(jié)構(gòu)，為超鎂鐵質(zhì)堆晶巖［19］。

圖1 新疆昆侖山構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖［20］Fig.1 Schematic map showing tectonic setting and geology of western Kunlun Mountains，Xinjiang(after Hao Jie et al.，2003)

2 巖相學(xué)特征

庫(kù)地蛇綠巖主要包括超鎂鐵質(zhì)巖和基性火山巖以及復(fù)理石建造等［12］，但常被構(gòu)造肢解，呈不完整連續(xù)特征，主要出露于庫(kù)地北布孜萬(wàn)達(dá)坂一帶，在庫(kù)地南也有零星分布。庫(kù)地北蛇綠巖中超基性巖體位于庫(kù)地橋西的布孜萬(wàn)達(dá)坂和托排士達(dá)坂之間，以大型構(gòu)造透鏡體的形式出露在片麻巖系中，長(zhǎng)8.8km，寬 5.2km，面積約 44km2［19］。蛇綠混雜巖體傾向北西，混雜巖體西部被早古生代輝綠巖侵入，北側(cè)邊界與西合休巖組以斷層接觸。東南側(cè)圍巖為長(zhǎng)城系賽圖拉巖群黑云石英片巖，南西側(cè)為早古生代中期石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖［19］。

庫(kù)地蛇綠巖從布孜萬(wàn)溝至托排士達(dá)坂出露的巖性有:底部為變質(zhì)橄欖巖，巖石類(lèi)型主要為純橄巖、方輝橄欖巖、斜輝橄欖巖、輝橄巖和蛇紋巖等，以純橄巖和方輝橄欖巖最為常見(jiàn);中部為方輝橄巖、輝石巖、輝長(zhǎng)巖互層狀產(chǎn)出的鎂鐵質(zhì)堆晶巖，及少量的鈉長(zhǎng)花崗巖;上部為結(jié)晶粗大的輝長(zhǎng)巖及鈉長(zhǎng)花崗巖呈互層狀，組成堆晶巖的上部層位;頂部為綠簾陽(yáng)起片巖夾石英巖、黝簾透閃巖，與堆晶成因的基性雜巖為斷層接觸?？傮w上以中上部層序組合為主，其它地段尚有部分輝綠巖、輝綠玢巖、石英輝長(zhǎng)巖，伴生的沉積巖有硅質(zhì)巖和火山碎屑巖等［22］。

圖2 庫(kù)地地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖［21］Fig.2 Simplified geological map of the Kuda area(after Li Yong’an et al.，1994)

庫(kù)地蛇綠巖體分異較好，自下向上巖相分帶可大致依次劃分為純橄巖相—純橄巖 +方輝橄巖相—輝石巖+輝長(zhǎng)巖相—陽(yáng)起石片巖相。巖體內(nèi)局部可見(jiàn)輝長(zhǎng)偉晶巖脈。鉻鐵礦主要分布于純橄巖相+輝橄巖相中。富鉻鐵礦體呈豆莢狀，構(gòu)造有塊狀、浸染狀、條帶狀和似層狀，結(jié)構(gòu)主要為細(xì)粒粒狀。礦石礦物為鉻尖晶石，呈褐紅色半透明，半自形粒狀，粒徑0.1～2.0mm，多數(shù)為 0.5～1.0mm，形成鑲嵌集合體。集合體間被纖閃石集合體充填，形態(tài)不規(guī)則，空隙大小 0.1～2mm，多數(shù)為 0.5～1.3mm。脈石礦物主要有橄欖石和纖閃石，橄欖石呈等軸粒狀，局部碎裂，沿裂隙有蛇紋石化蝕變，粒徑1～2mm，多數(shù)為1.5mm。纖閃石中可見(jiàn) 0.003～0.02mm粒狀鎳黃鐵礦，礦石中半定向裂紋纖閃石被菱鎂礦細(xì)脈斜切，寬0.02mm。

3 礦物化學(xué)特征

本文共統(tǒng)計(jì)分析了庫(kù)地地幔橄欖巖和鉻鐵礦中橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和鉻尖晶石的化學(xué)成分，表1列出了代表性樣品的礦物電子探針?lè)治鼋Y(jié)果。一般認(rèn)為橄欖石的Fo值越大，說(shuō)明其形成深度越大、熔融程度越高［23］。庫(kù)地巖體中橄欖石Fo值約為91。從圖3a可知庫(kù)地地幔橄欖巖中的橄欖石主要為深海地幔橄欖巖的特征，指示其殘留了早期深海橄欖石的礦物化學(xué)組分特征。斜方輝石和單斜輝石在巖相之間無(wú)論在產(chǎn)出，還是在含量上差別都不明顯。而在單斜輝石和斜方輝石的礦物化學(xué)圖解上，可知庫(kù)地地幔橄欖巖中兩輝石可能形成于弧前地幔橄欖巖的位置(圖3b、c)，因此庫(kù)地地幔橄欖巖的礦物化學(xué)表明存在部分熔融和地幔交代作用，呈現(xiàn)既有深海地幔橄欖巖和弧前地幔橄欖巖的特征(圖3)。

鉻尖晶石的化學(xué)組成可以作為其寄主巖石—地幔橄欖巖的成因指示標(biāo)志。這是因?yàn)榧饩男纬墒艿蒯ｉ蠙鞄r熔融程度、形成壓力的控制。因此利用尖晶石的Cr#和橄欖石的Mg#的關(guān)系可以推測(cè)其寄主巖石的部分熔融程度、形成壓力及構(gòu)造環(huán)境［24］。庫(kù)地地幔橄欖巖中鉻尖晶石的Cr#＞60，表明其形成于俯沖型地幔橄欖巖特征［18］。

根據(jù)橄欖石與鉻尖晶石之間的Mg、Fe平衡，以及斜方輝石-單斜輝石的固液相平衡，采用不同溫度計(jì)對(duì)庫(kù)地地幔橄欖巖和鉻鐵礦進(jìn)行估算［25-28］。溫度的計(jì)算是假定壓力在1.5GPa的條件下形成，對(duì)于同一個(gè)樣品采用不同的溫度計(jì)，結(jié)果相差不超過(guò)250℃。計(jì)算結(jié)果在1370～1390℃之間，與前人計(jì)算地幔橄欖巖的形成溫度1365～1369℃［19］接近。此外，鉻尖晶石-斜方輝石的形成溫度為906～920℃［29］，表明斜方輝石經(jīng)歷了更高程度的部分熔融，指示庫(kù)地地幔橄欖巖部分熔融/巖石-熔體反應(yīng)的溫度變化范圍較大，在906～1390℃之間。

依據(jù)橄欖石與斜方輝石的反應(yīng)平衡，以及與鉻尖晶石之間的化學(xué)組分關(guān)系:

T為估算的溫度，P形成時(shí)的壓力假定在1.5GPa條件下。=Fe3+/ΣFe(鉻尖晶石中)，=Al/ΣR3+(鉻尖晶石中)，=Fe2+/(Fe2++Mg)［26］。因此，利用礦物產(chǎn)出明顯，并且具相互平衡的礦物對(duì)，例如橄欖石-鉻尖晶石，橄欖石-斜方輝石對(duì)庫(kù)地地幔橄欖巖形成過(guò)程氧逸度進(jìn)行估算，計(jì)算結(jié)果為 Δlog(fO2)FMQ=0.5～0.8。從結(jié)果可知庫(kù)地地幔橄欖巖的Δlog(fO2)FMQ大于洋中脊型方輝橄欖巖的值，位于俯沖帶型方輝橄欖巖和洋中脊型純橄巖之間，指示薄殼狀純橄巖可能與浸染狀鉻鐵礦形成于相似的氧逸度環(huán)境，進(jìn)一步佐證庫(kù)地地幔橄欖巖經(jīng)歷了巖石-熔體過(guò)程。對(duì)比于洋中脊和俯沖帶構(gòu)造背景，地幔橄欖巖包括方輝橄欖巖、純橄巖，鉻尖晶石的Cr#與Δlog(fO2)FMQ呈現(xiàn)明顯不同的構(gòu)造區(qū)間［33-34］。從圖4可知，庫(kù)地地幔橄欖巖形成于不同的氧逸度環(huán)境，這與上述礦物學(xué)中橄欖石、斜方輝石和單斜輝石的化學(xué)成分指示一致。

表1 庫(kù)地地幔橄欖巖中代表性礦物化學(xué)組成(wt%)Table 1 Chemical compositions in the representative minerals from the Kuda mantle peridotites(wt%)

4 地球化學(xué)特征

蛇綠巖形成構(gòu)造環(huán)境的厘定對(duì)恢復(fù)一個(gè)地區(qū)在地質(zhì)歷史上的板塊構(gòu)造格局起到關(guān)鍵性作用。有人提出只有少數(shù)蛇綠巖是大洋中脊擴(kuò)張的產(chǎn)物，多數(shù)蛇綠巖代表的是板塊俯沖消減帶上的島弧和弧后盆地、大陸邊緣海等小洋盆。Pearce和Cann［34-35］最先提出根據(jù)化學(xué)成分來(lái)限定巖漿起源的大地構(gòu)造背景，并建立了構(gòu)造-巖漿判別圖解。研究表明，Hf、Ti、Zr、Y、Nb 和 Sr等元素是判別不同大地構(gòu)造環(huán)境玄武巖的最有效的判別因子［34-35］。本文收集了庫(kù)地蛇綠巖層序中上層玄武巖的數(shù)據(jù)來(lái)源［14-15］。圖5為庫(kù)地蛇綠巖的玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解，在Ti/100-Zr-Y×3圖解(圖5a)上，玄武巖落入洋中脊玄武巖區(qū);在Hf/3-Th-Ta圖解上，庫(kù)地玄武巖投在N-MORB玄武巖區(qū);Zr/Y-Zr圖解上，以及Th/Yb-Ta/Yb圖解中，玄武巖都位于N-MORB玄武巖區(qū)。結(jié)合早期報(bào)道過(guò)的玄武巖的稀土元素和微量元素配分模式［10、14］，并從上述不活潑元素的判別圖解上看，玄武巖屬于洋中脊環(huán)境。在地幔橄欖巖、輝石巖和輝長(zhǎng)巖中含水礦物角閃石、綠簾石等的出現(xiàn)，暗示其受到后期流體的改造［36-37］，而這種流體形成于板塊俯沖帶上，庫(kù)地鉻鐵礦中角閃石的發(fā)現(xiàn)佐證了這一特征［29］。不同于其它蛇綠巖體弧后盆地和多島弧的觀點(diǎn)［38-39］，在我國(guó)典型的雅魯藏布江縫合帶東段羅布莎蛇綠巖同樣是在大洋中脊形成后，經(jīng)歷了一個(gè)俯沖帶環(huán)境的演化過(guò)程［40-43］，本文所討論的庫(kù)地蛇綠巖可能也屬這種類(lèi)型。

圖3 庫(kù)地地幔橄欖中橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石的成分圖解Fig.3 Compositional diagrams of olivine，orthopyroxene，clinopyroxene and spinel from theKuda mantle peridotites

圖4 庫(kù)地地幔橄欖巖的氧逸度圖解［33］Fig.4 Oxygen fugacity vs.Cr#of the different lithologies of the Kuda mantle peridotites(after Dare et al.，2009)

5 討論及結(jié)論

5.1 地幔橄欖巖的演化過(guò)程

圖5 庫(kù)地蛇綠巖中玄武巖、輝長(zhǎng)巖和輝石巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(據(jù)a.Pearce and Cann，1973;b.Wood，1980;c.Pearce et al.，1979;d.Pearce，1984)Fig.5 Discrimination diagrams for the tectonic interpretation of basalts，gabbro and pyroxenite from the Kuda ophiolite in western Kunlun Mountains

部分熔融可使地幔虧損，并達(dá)到礦物相消失的熔融點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，富集的二輝橄欖巖部分熔融程度達(dá)到20%情況下轉(zhuǎn)變成殘余的方輝橄欖巖，而在50%～60%的條件下形成純橄巖［47-49］。在無(wú)水條件下，單斜輝石易轉(zhuǎn)變成流體。當(dāng)巖石中只有5%～7%的單斜輝石時(shí)流體有所減少，而方輝橄欖巖轉(zhuǎn)變成流體的比例有所增加［49］。所以，地幔橄欖巖中單斜輝石的比例越低，指示此巖石發(fā)生部分熔融的程度越高［18、49］。

礦物化學(xué)特征結(jié)果表明，庫(kù)地地幔橄欖巖位于深海地幔橄欖巖區(qū)，并具有比原始地幔更低的CaO、Al2O3和FeOT含量，是由于地幔橄欖巖發(fā)生部分熔融過(guò)程中這些相容元素被抽走從而殘留的結(jié)果。庫(kù)地地幔橄欖巖的礦物學(xué)特征，與其對(duì)應(yīng)的是蛇綠巖上部玄武巖地球化學(xué)特征，指示庫(kù)地地幔橄欖巖經(jīng)歷了洋中脊至俯沖帶環(huán)境的改造過(guò)程(圖5)，地幔橄欖巖中角閃石的發(fā)現(xiàn)也證明了這一過(guò)程［29］。從圖6可知，庫(kù)地地幔橄欖巖多位于島弧橄欖巖的位置，部分熔融程度較高，達(dá)到了～30%，顯示可能在俯沖帶的位置發(fā)生了巖石/熔體的反應(yīng)，而指示部分熔融程度增加，鉻尖晶石的鉻值增加。庫(kù)地巖體中純橄巖的鉻尖晶石Cr#、單斜輝石Al2O3含量及橄欖石的Fo值，也同樣顯示庫(kù)地地幔橄欖巖部分熔融程度達(dá)～30%，呈現(xiàn)俯沖型地幔橄欖巖的特征。

圖6(a)庫(kù)地地幔橄欖巖中鉻尖晶石的Cr#-單斜輝石的Al2O3(wt%)圖;(b)庫(kù)地地幔橄欖巖中橄欖石的Fo值-鉻尖晶石的Cr#的成分圖(Pearce et al.，2000)Fig.6 a.Variation diagram of Al2O3(wt%)in clinopyroxene vs.Cr#in coexisting spinel from the Kuda mantle peridotites;b.Variation diagram of Cr#in spinel vs.Fo contents in coexisting olivine from the Kuda mantle peridotites(after Pearce et al.，2000)

5.2 構(gòu)造意義

對(duì)于蛇綠巖的形成環(huán)境，有人提出只有少數(shù)蛇綠巖是大洋中脊擴(kuò)張的產(chǎn)物，多數(shù)蛇綠巖代表的是板塊俯沖消減帶上的島弧和弧后盆地、大陸邊緣海等小洋盆［45］?；诖藛?wèn)題，筆者認(rèn)為，在對(duì)輝石巖、輝長(zhǎng)巖進(jìn)行鋯石U-Pb年齡解釋之前，有必要先查明其巖石化學(xué)類(lèi)型，弄清楚形成構(gòu)造環(huán)境。侵位于地幔橄欖巖中的輝長(zhǎng)(綠)巖顯然與典型蛇綠巖剖面中位于堆晶巖之上的席狀巖墻群不同。一般認(rèn)為，此類(lèi)基性分凝體為地幔巖的同源熔出物［50］，是以巖脈(墻)的形式被抽出而固結(jié)的產(chǎn)物［51］。通過(guò)上述分析，可推斷庫(kù)地蛇綠巖的輝石巖、輝長(zhǎng)巖應(yīng)屬同源產(chǎn)出，輝長(zhǎng)巖的主量元素及稀土元素都呈典型的特征［14］。并且獲得石英輝長(zhǎng)巖鋯石SHRIMP年齡510 ±4Ma［16］、偉晶輝長(zhǎng)巖 SHRIMP年齡525 ±2.9Ma 和玄武巖 428 ± 19Ma［6］。在 2Nb-Zr/4-Y 環(huán)境判別圖解和Th/Yb-Ta/Yb構(gòu)造圖解上樣品都在洋中脊玄武巖的區(qū)域(圖5)。此外，Rb-Sr全巖的年齡為359～297±45Ma，Sm/Nd模式年齡 為698～976Ma［1］，K-Ar 全巖年齡為 817 ± 29Ma［21］，全巖Sm-Nd等時(shí)線年齡為 824±23Ma［52］。由此進(jìn)一步證明西昆侖庫(kù)地蛇綠巖中輝長(zhǎng)輝綠巖與正常洋中脊玄武巖具有親緣性，形成于洋中脊環(huán)境。玄武巖也具同樣的特征，但微量元素的特征顯示可能也與后期流體的交代作用富集有關(guān)［7］。庫(kù)地地幔橄欖巖的礦物學(xué)和氧逸度特征表明巖體先期形成于洋中脊環(huán)境，后期經(jīng)歷了俯沖帶環(huán)境的改造，形成了俯沖型地幔橄欖巖的礦物學(xué)特征。這可對(duì)比于雅魯藏布江縫合帶蛇綠巖，同樣是在大洋中脊形成后，經(jīng)歷了一個(gè)俯沖帶環(huán)境的演化過(guò)程［53-54］。

綜上所述，西昆侖庫(kù)地蛇綠巖體構(gòu)造背景相似于雅魯藏布江縫合帶蛇綠巖。庫(kù)地地幔橄欖巖中礦物組合、礦物化學(xué)成份及玄武巖地球化學(xué)結(jié)果，顯示巖體經(jīng)歷了～30%的強(qiáng)部分熔融作用，并且經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即為早期的洋中脊構(gòu)造背景，以及后期就位過(guò)程中的俯沖帶環(huán)境的改造，是多階段不同構(gòu)造背景演化的結(jié)果。

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