新疆北山地區(qū)紅石山巖體橄欖石與鉻尖晶石成分特征及成因意義

夏昭德，夏明哲，范亞洲

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054）

新疆北山地區(qū)紅石山巖體橄欖石與鉻尖晶石成分特征及成因意義

夏昭德1，2，夏明哲1，2，范亞洲1

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054）

紅石山鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體，位于塔里木板塊東北部的新疆北山地區(qū)，巖體平面為長條狀，出露面積大于100 km2。巖體的堆晶韻律和堆晶旋回發(fā)育，屬典型的層狀巖體，每個(gè)旋回之間為突變接觸關(guān)系，旋回內(nèi)部為迅速或漸變過渡關(guān)系。巖石類型豐富，主要有純橄巖、（含長）單輝橄欖巖、橄長巖、橄欖輝長巖、輝長巖和少量輝石巖。橄欖石和鉻尖晶石是重要的早期結(jié)晶礦物。通過電子探針分析證明：橄欖石的Fo值為76～90.2，總體上隨基性程度的降低，F(xiàn)o降低。鉻尖晶石Cr#為54～69，變化范圍較小，落于典型層狀巖體的鉻尖晶石組成范圍。模擬計(jì)算表明，形成紅石山巖體的地幔部分熔融程度高（17.29%～18.92%，平均為18.41%）、原生巖漿為高溫（1 290℃～1 330℃）、高鎂（MgO=13.63%）的苦橄質(zhì)巖漿，這為塔里木二疊紀(jì)地幔柱活動(dòng)提供了新的證據(jù)。

紅石山；橄欖石；鉻尖晶石；地幔部分熔融；苦橄質(zhì)巖漿

塔里木板塊東北部新疆北山地區(qū)二疊紀(jì)巖漿巖非常發(fā)育，出露百余個(gè)鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體，西起羅東、坡北巖體，東至紅石山、漩渦嶺、筆架山、筆架山東巖體（圖1）。其中，坡北巖體中坡一、坡十侵入體和筆架山巖帶中紅石山巖體賦存有鎳（銅）硫化物礦（化）體。其鋯石U-Pb諧和年齡為260～286 Ma，均屬二疊紀(jì)［1-6］。前人研究表明，紅石山巖體形成過程中經(jīng)歷多期巖漿貫入［7-8］。夏芳等通過PGE和Re-Os同位素地球化學(xué)研究認(rèn)為，形成紅石山巖體的母巖漿為高鎂玄武質(zhì)巖漿，巖漿演化過程中有較多地殼物質(zhì)混入［9］。分離結(jié)晶作用和地殼物質(zhì)混染促使巖漿中的硫飽和進(jìn)而熔離成礦。本文擬從橄欖石和鉻尖晶石兩種早期結(jié)晶礦物入手進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討紅石山巖體的母巖漿性質(zhì)和物理化學(xué)條件。

圖1 新疆北山地區(qū)紅石山巖體地質(zhì)圖Fig.1 Simplified sketch of the Hongshishan intrusion in the Beishan areas，Xinjiang

1 地質(zhì)概況

紅石山巖體，是筆架山巖帶中出露最好的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體之一，位于蠶頭山北-小青山斷裂南側(cè)，賦存于筆架山復(fù)式背斜的次級背斜的核部。巖體南側(cè)多為石炭系紅柳園組以及零星的長城系古硐井巖群；北側(cè)為古元古界北山巖群和石炭系紅柳園組。北山巖群為一套角閃巖相中-深變質(zhì)巖系；長城系古硐井巖群為一套高綠片巖相變質(zhì)巖；石炭系紅柳園組為一套淺海相陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖、火山熔巖及火山碎屑巖。巖體與北山巖群為斷層接觸關(guān)系；巖體南部與紅柳園組為侵入接觸關(guān)系，北部與紅柳園組大理巖間存在一條強(qiáng)擠壓片理化帶，呈弧形，片理面傾向N，顯示巖體形成后經(jīng)歷了向北推擠過程（圖2-a，b）。巖體呈NE向展布，平面形態(tài)為長條狀，出露面積大于100 km2。巖體走向?yàn)?0°～80°，傾向NE，傾角50°～80°。

2 巖相劃分

近年來，新疆地礦局第六地質(zhì)大隊(duì)對紅石山鎳礦區(qū)進(jìn)行了地表探槽工程和深部鉆探工程，沿探槽測制了多條剖面并對紅石山巖體地質(zhì)圖進(jìn)行修編（圖1）。紅石山巖體地表出露巖石可分為橄欖巖相和輝長巖相，此外，還分布少量輝石巖。其中橄欖巖相主要巖石類型有純橄巖、單輝橄欖巖、含長單輝橄欖巖；輝長巖相主要巖石類型有橄長巖、橄欖輝長巖、輝長巖。橄欖巖相主要出露于巖體中心部位的低洼部處，出露面積占巖體總面積的35%；輝長巖相在巖體中部零星出露，而在巖體北部和南部出露廣泛，出露面積占巖體總面積的65%；輝石巖主要分布于TC7以北和TC32以南。通過鉆孔巖心詳細(xì)編錄發(fā)現(xiàn)，16號勘探線至23號勘探線間的鉆孔巖心從地表至-1 100 m，純橄巖、單輝橄欖巖和含長單輝橄欖巖分布較多，而16線以西鉆孔Zk32-1和Zk24-1巖心中巖性主要為橄欖輝長巖，僅含少量單輝橄欖巖。據(jù)鉆孔巖心編錄及地表觀測發(fā)現(xiàn)，紅石山巖體堆晶韻律和堆晶旋回發(fā)育（圖2-c，d），屬典型層狀巖體，每個(gè)旋回間為突變接觸關(guān)系，內(nèi)部為迅速或漸變過渡關(guān)系。

圖2 紅石山巖體野外照片及巖心照片F(xiàn)ig.2 The field and drill photo of the Hongshishan intrusion

3 分析方法與結(jié)果

橄欖石和鉻尖晶石組成在長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用JXI-8100型電子探針分析，加速電壓15 kV，束電流1.0×10-8A，束斑直徑1 μm。

3.1 橄欖石

橄欖石是最重要的造巖礦物之一，賦存于純橄巖、單輝橄欖巖、橄長巖、橄欖輝長巖及（暗色）輝長巖中，主要為堆晶相。橄欖石晶體多為渾圓狀，粒徑為1～3 mm，裂理發(fā)育，多發(fā)生蛇紋石化，并沿邊緣及裂隙析出粉塵狀磁鐵礦。

據(jù)電子探針分析及計(jì)算的端元分子結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表1），橄欖石的Fo值為76.00～90.21，多屬貴橄欖石，個(gè)別屬鎂橄欖石。在純橄巖中，橄欖石的SiO2含量為40.76%～41.54%，F(xiàn)o值為87.73～90.21，NiO含量為0.21%～0.24%。在單輝橄欖巖中，橄欖石的SiO2含量為39.93%～41.18%，F(xiàn)o值為84.35～87.60，NiO含量為0.13%～0.30%。在含長單輝橄欖巖中，橄欖石的SiO2含量為39.68%～41.30%，F(xiàn)o值為83.25～86.70，NiO含量為0.04%～0.29%。在橄長巖中，橄欖石的SiO2含量為39.59%～41.46%，F(xiàn)o值為82.62～87.27，NiO含量為0.05%～0.23%。在（暗色）橄欖輝長巖中，橄欖石的SiO2含量為38.68%～40.55%，F(xiàn)o值為76～88.65，NiO含量為0.01%～0.26%。在輝石巖中，橄欖石的SiO2含量為38.55%～39.39%，F(xiàn)o值為78.74～78.82，NiO含量為0.07%～0.11%。（暗色）輝長巖中，橄欖石的SiO2含量為39.73%～41.08%，F(xiàn)o值為84.9～85.83，NiO含量為0～0.17%。從純橄巖、單輝橄欖巖、含長單輝橄欖巖，橄欖輝長巖、輝長巖到輝石巖，橄欖石中的Fo逐漸降低，純橄巖中Fo值最高90.21。隨著Fo降低，SiO2含量也降低（圖3）。MnO、CaO含量一般變化不大。NiO含量未顯示出趨勢性變化，整體而言，橄欖巖相中（純橄巖、單輝橄欖巖、含長單輝橄欖巖）NiO含量多大于0.2%，輝長巖相中，僅個(gè)別樣品中橄欖石的NiO含量大于0.2%。

表1 紅石山巖體橄欖石電子探針分析數(shù)據(jù)表Table 1 The electron microprobe analysis of olivine in the Hongshishan intrusion單位:%

圖3 紅石山巖體橄欖石Fo與其它組分相關(guān)圖解Fig.3 Fo content versus other components diagrams for the olivine from the Hongshishan intrusion

3.2 鉻尖晶石

在各類巖石中均可見鉻尖晶石，多分布于橄欖石多的橄欖巖相中。鉻尖晶石，呈褐紅色，半自形粒狀或渾圓狀分布于橄欖石顆粒中或邊緣，粒徑一般小于0.5 mm，含量小于1%。

單輝橄欖巖中，鉻尖晶石的成分：Cr2O3為34.285%～45.87%，MgO為1.42%～7.34%，F(xiàn)eOT為31.22%～48.03%，Al2O3為7.89%～18.98%，TiO2為0.62%～3.96%，相應(yīng)的Cr#［Cr#=100Cr/（Cr+Al）］變化范圍為54～78，Mg#［Mg#=100Mg/（Mg+Fe2+）］為8～34。在含長單輝橄欖巖中，鉻尖晶石的成分：Cr2O3為34.58%～43.44%，MgO為4.20%～10.27%，F(xiàn)eOT為28.67%～43.62%，Al2O3為13.05%～21.43%，TiO2為1.18%～1.76%，相應(yīng)的Cr#變化范圍為55～69，Mg#為21～48。在橄長巖中，鉻尖晶石的成分：Cr2O3為34.15%～42.05%，MgO為6.02%～9.60%，F(xiàn)eOT為31.74%～36.97%，Al2O3為16.25%～23.60%，TiO2為0.90%～1.59%，相應(yīng)的Cr#變化范圍為51～62，Mg#為28～46。

暗色橄欖輝長巖中，鉻尖晶石的成分：Cr2O3為26.18%～34.70%，MgO為2.23%～5.00%，F(xiàn)eOT為45.84%～55.45%，Al2O3為9.26%～14.70%，TiO2為1.17%～5.64%，相應(yīng)的Cr#變化范圍為61～65，Mg#為11～24。

輝長巖和斜長巖中，鉻尖晶石的成分：Cr2O3為35.68%～41.48%，MgO為5.22%～6.83%，F(xiàn)eOT為33.28%～38.07%，Al2O3為16.73%～17.84%，TiO2為0.76%～1.46%，相應(yīng)的Cr#變化范圍為58～61，Mg#為26～32。

在鉻尖晶石主量元素相關(guān)圖解中（圖4），Cr2O3與Al2O3和FeOT呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)eO與MgO也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，MgO與Al2O3表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，是巖漿結(jié)晶的鉻尖晶石特征［10］。各類巖石中，鉻尖晶石的Cr#為54～69，變化范圍較??；Mg#變化范圍較大8～48（表2），在Cr#-Mg#圖解和Cr-Al-Fe3+圖解中（圖5），這些鉻尖晶石均落入典型層狀巖體的鉻尖晶石組成范圍。

圖4 紅石山巖體鉻尖晶石的主量元素相關(guān)圖Fig.4 The major elements correlation diagram of spinels from the Hongshishan intrusion

4 討論

4.1 原生巖漿性質(zhì)

目前主要基于礦物與巖漿之間的平衡原理，通過全巖Mg#與Ni豐度、液相線橄欖石Fo分子與全巖鐵含量來估算原生巖漿的MgO含量，進(jìn)而確定原生巖漿性質(zhì)［14］。

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和理論模型表明，原生巖漿的性質(zhì)主要取決于地幔源區(qū)熔融時(shí)的溫度和壓力。玄武質(zhì)巖石的Mg#（Mg#=Mg/（Mg+Fe））是鑒別原生巖漿的一個(gè)重要標(biāo)志。在紅石山巖體中，一件橄欖輝長巖樣品的Mg#值為0.71，對應(yīng)的MgO含量為10.23%，Ni豐度為322.8×10-6，接近原生巖漿組成，反映出原生巖漿為高鎂拉斑玄武巖漿［15］。

一般來講，Mg-Fe在橄欖石-熔體間的分配系數(shù)Kd［KdOl-Melt=（FeO/MgO）Ol/（FeO/MgOmagma）=0.3～0.33］為一相對穩(wěn)定的值［14］。由于最早結(jié)晶的橄欖石（液相線橄欖石）會(huì)與殘余晶間液體發(fā)生再平衡作用，這種作用使得橄欖石成分發(fā)生改變，MgO含量降低，相應(yīng)的Fo值也會(huì)降低。所以，F(xiàn)o值最高的橄欖石組分可能更接近于液相線橄欖石的組成，此時(shí)估算出的熔體的MgO含量才能更接近于原生巖漿的MgO含量。此外，當(dāng)橄欖石中最高Fo值較小時(shí)，反映出早期橄欖石與殘余液體反應(yīng)強(qiáng)，其估算出的MgO值會(huì)明顯小于原生巖漿的MgO值，此時(shí)所估算的MgO值意義不大。Breddam研究證明與地幔柱有關(guān)的超鎂鐵質(zhì)原生巖漿中最初結(jié)晶的橄欖石的Fo分子為90～91［16］。Hess認(rèn)為結(jié)晶出Fo=88～91的橄欖石是鑒別原生巖漿的重要標(biāo)志［17］。在紅石山巖體的純橄巖中，橄欖石Fo值最高達(dá)90.2，全巖的FeOT含量為7.91%［15］，估算得出原生巖漿的MgO含量為13.63%，由此估算的原生巖漿的MgO含量高于據(jù)Mg#和Ni豐度方法估算的相應(yīng)值，可能更接近原生巖漿，所以紅石山巖體的原生巖漿屬苦橄質(zhì)巖漿（MgO%＞12%）。

表2 紅石山巖體尖晶石電子探針分析數(shù)據(jù)表Table 2 The electron microprobe analysis of spinel in the Hongshishan intrusion單位：%

4.2 物理化學(xué)條件

巖漿溫度橄欖石是巖漿中結(jié)晶最早的主要造巖礦物，其結(jié)晶溫度是巖漿的液相線溫度，即固相開始晶出的溫度。根據(jù)橄欖石與熔體平衡原理，橄欖石的結(jié)晶溫度T=1066+12.067Mg#+312.3（Mg#）2［14，19］。紅石山巖體的最早結(jié)晶的橄欖石Fo值為90.2，從而計(jì)算得到橄欖石結(jié)晶溫度約為1 331℃，接近巖漿的液相線溫度，一般拉斑玄武質(zhì)巖漿溫度為1 150℃～1 225℃［20］。因此，形成紅石山巖體的巖漿溫度比一般玄武巖漿溫度高100℃～180℃，表明其巖漿屬高溫巖漿。據(jù)Fe-Mg在共生的橄欖石和尖晶石中的分配關(guān)系，可估算出橄欖石和鉻尖晶石達(dá)到化學(xué)平衡的溫度。Fabries獲得了尖晶石-橄欖石地質(zhì)溫度計(jì)［21］：T（℃）=（4 250Cr#+1 343）/（lnK0D+1.825Cr#+0.571）-273，其中Cr#=Cr/（Cr+Al）；lnK0D=0.34+1.06（Cr#）2。在紅石山巖體的單輝橄欖巖中，包裹于橄欖石中的鉻尖晶石的Cr#為0.78，計(jì)算得到二者的平衡溫度為1 290℃。由上可知，紅石山巖體的橄欖石-尖晶石平衡溫度比橄欖石結(jié)晶溫度略低，可能與氧逸度變化有關(guān)［10］。

熔融壓力O’Neil在對尖晶石二輝橄欖巖和石榴石二輝橄欖巖相平衡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)［22］，得出Fe3+和Cr3+在尖晶石中的摩爾分?jǐn)?shù)之和同壓力之間存在線性關(guān)系，提出了鉻尖晶石壓力計(jì)算公式：P= P0+27.9（X+X），式中：P和P0——單位均為108Pa，P0選取18.7；X和X-Fe3+和Cr在整個(gè)鉻尖晶石中的摩爾分?jǐn)?shù)。對紅石山巖體鉻尖晶石進(jìn)行計(jì)算，得到壓力范圍為2.89～3.36 GPa，平均3.05 GPa。其中單輝橄欖巖的壓力范圍為3.04～3.36 GPa；含長單輝橄欖巖的壓力范圍為2.96～3.17 GPa；橄長巖的壓力范圍為2.89～3.09 GPa；橄欖輝長巖的壓力范圍為3.10～3.25 GPa；斜長巖-輝長巖的壓力范圍為3.03～3.05 GPa（表3）。

圖5 紅石山巖體鉻尖晶石組成圖解Fig.5 The compositions of spinels from the Hongshishan intrusion in the Beishan area，Xinjiang

Dick等地幔部分熔融程度研究表明［23］，地幔橄欖巖中Cr#值隨著地幔巖部分熔融程度和結(jié)晶壓力的增高而增高。因此通常選用Cr#來作為推測地幔源區(qū)熔融程度和壓力的指示標(biāo)志。Hellebrand等提出了計(jì)算地幔部分熔融的公式［24］：F=10ln（Cr#+100）+ 24，式中：Cr#=100Cr/（Cr+Al）；F—以%表示，適用條件為Cr#值為10～60。紅石山巖體中有11個(gè)鉻尖晶石樣品的Cr#值可用于估算地幔部分熔融程度，計(jì)算得到F值為17.29%～18.92%，平均為18.41%（表4）。

4.3 構(gòu)造意義

秦克章等通過鋯石年代學(xué)和同位素等方面的研究認(rèn)為，新疆東天山和北山地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖形成是～280 Ma塔里木地幔柱活動(dòng)的產(chǎn)物［6，25］。據(jù)論證，形成紅石山巖體的地幔部分熔融程度高，其巖漿為高溫高鎂的苦橄質(zhì)巖漿。此外，在同一地區(qū)同一時(shí)代的漩渦嶺、坡北和羅東鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體中均發(fā)現(xiàn)苦橄質(zhì)原生巖漿（漩渦嶺MgO 14%；坡北MgO 12.4%；羅東MgO 14.7%）［18］，是塔里木二疊紀(jì)地幔柱活動(dòng)的有力證據(jù)，這種部分熔融程度高的高溫高鎂巖漿應(yīng)該是地幔柱頭部熔融的產(chǎn)物。

5 結(jié)論

紅石山巖體是一個(gè)堆晶層理和堆晶旋回發(fā)育的層狀巖體，該巖體主要由橄欖巖相和輝長巖相組成，有少量輝石巖相。通過橄欖石和鉻尖晶石的礦物晶體化學(xué)研究認(rèn)為，形成紅石山巖體的地幔經(jīng)過較高程度的部分熔融，原生巖漿為高溫高鎂的苦橄質(zhì)巖漿，為塔里木地幔柱活動(dòng)提供了新證據(jù)。

表3 上地幔壓力計(jì)算結(jié)果Table 3 Crystallization pressure of Cr-spinel in the upper mantle

表4 地幔部分熔融程度計(jì)算結(jié)果表Table 4 Partial melting degrees of the upper mantle

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The Olivine and Chrome Spinel Composition Characteristics of the
Hongshishan Mafic-Ultramafic Intrusion in the Beishan Area，Xinjiangand its Genesis

Xia Zhaode1，2，Xia Mingzhe1，2，F(xiàn)an Yazhou1，2
（1.School of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi，710054，China；2.Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geological Engineering of Ministry of Education，Chang’an University，Xi，an，Shaanxi，710054，China）

s:The Hongshishan mafic-ultramafic intrusion，located in the Beishan terrane，northeastern Tarim Block，NW China，is elongated plane and the exposed area over 100 km2.The intrusion belongs to layered intrusion with cumulate texture and rhythmic layering，and the contact relationships of each cycle is mutation and the internal cycle is a quick or gradual transition.The Hongshishan intrusion is composed of dunite，clinopyroxene peridotite，troctolite，olivine gabbros，gabbros and minor pyroxenite.and the main minerals are olivine，pyroxene and plagioclase.Olivine and chromites are important early crystallization of minerals.The electron microprobe analysis proved that the Fo value of olivine is 76 to 90.2 reduced from dunite to gabbro The Cr#of Chromites is 54 to 69，the range is small，belong to the typical composition range for chromites in layered intrusions.Simulations show that the degree of mantle partial melting is high up to 17.29%～18.92%（an average of 18.41%）and the primary magma is high temperature（1 290℃～1 330℃）and high magnesium（MgO=13.63%）of Picritic magma，providing the new evidence for Tarim Permian mantle plume activity.

Hongshishan；Olivine；Chromites；Mantle partial melting；Picritic magma

1000-8845（2015）01-33-08

P578.4+6；P578.94+2

A

項(xiàng)目資助：國家自然科學(xué)基金（41302070，41102045）、中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查（1212011120498，12120113043100）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2014G1271066）聯(lián)合資助

2014-03-14；

2014-03-31；作者E-mail：karlde@163.com

夏昭德（1984-），男，湖南桃江人，講師，2012屆長安大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)博士，主要從事巖漿巖巖石成因與成礦作用研究: