西天山小哈拉軍山富鈦磁鐵礦輝長(zhǎng)巖的巖石成因及其構(gòu)造環(huán)境*

賀鵬麗 黃小龍** 楊帆 王雪 李武顯

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5106402. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590

中亞造山帶是全球最大的顯生宙增生型造山帶(Cawoodetal., 2009)，由多個(gè)地質(zhì)體拼貼而成，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化歷史，是研究大陸地殼生長(zhǎng)以及大陸增生成礦理論的天然實(shí)驗(yàn)室(圖1a, Jahnetal., 2006; Windleyetal., 2007; Kr?neretal., 2017)。中國(guó)天山是中亞造山帶西南部重要的組成部分，出露了大量的晚古生代巖漿巖，記錄了造山帶晚古生代的演化過(guò)程。前人對(duì)天山造山帶的碰撞拼貼的時(shí)間存在較大爭(zhēng)議。其中，有關(guān)最后閉合的南天山洋的閉合時(shí)間，即伊犁-中天山地塊和塔里木板塊(圖1b)碰撞時(shí)間有不同的觀點(diǎn)：晚泥盆世(Xiaetal., 2004)、晚泥盆世-早石炭世(Allenetal., 1993; Charvetetal., 2007; Wangetal., 2011)、早-中石炭世(Biske and Seltmann, 2010; Lietal., 2018; Tongetal., 2018)、晚石炭世(Gaoetal., 2011; Hanetal., 2011; Han and Zhao, 2018)和晚二疊世-中三疊世(Zhangetal., 2007; Xiaoetal., 2013)。隨著研究不斷深入，南天山洋閉合的主要爭(zhēng)議集中在晚石炭世(320～300Ma)和晚二疊世-中三疊世。對(duì)高壓變質(zhì)巖中鋯石年齡的地質(zhì)意義認(rèn)識(shí)不清，以及巖漿巖的地球化學(xué)性質(zhì)及其形成的構(gòu)造環(huán)境存在多解性是造成這種認(rèn)識(shí)差異的主要原因。因此，系統(tǒng)研究天山造山帶晚古生代巖漿巖的時(shí)空格架和巖石成因機(jī)制對(duì)深入理解其構(gòu)造演化具有重要意義。

在東天山-北山地區(qū)發(fā)育豐富的二疊紀(jì)鎂鐵-超鎂鐵Cu-Ni硫化物礦床，如黃山、鏡兒泉、大草灘、白石泉巖體等(任明浩等, 2013; Suetal., 2013; Maoetal., 2018)，可能與塔里木早二疊世地幔柱活動(dòng)相關(guān)(Qinetal., 2011; Suetal., 2015)。西天山晚古生代則主要發(fā)育賦存于晚石炭世火山巖沉積巖中的鐵礦床或礦化現(xiàn)象，如智博、查崗諾爾、闊拉薩依鐵礦等(Zhangetal., 2012, 2015a; 高永偉等, 2017)。研究表明這些鐵礦床的Fe經(jīng)歷了兩階段富集過(guò)程，早期為來(lái)源于俯沖帶的巖漿經(jīng)演化形成富鐵巖漿，晚期通過(guò)水巖反應(yīng)形成富Fe流體(Zhangetal., 2012, 2015a; 高永偉等, 2017)。相對(duì)而言，西天山的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)侵入巖的富Fe或Cu礦化較為罕見，但特克斯縣東北部的哈拉達(dá)拉晚石炭世末期的層狀輝長(zhǎng)巖(～300Ma)發(fā)育有富釩鈦磁鐵礦層(圖1c, 高紀(jì)璞等, 1991; 賀鵬麗等, 2013; Heetal., 2016)，目前可見的鐵礦化規(guī)模有限。先前研究表明，哈拉達(dá)拉層狀輝長(zhǎng)巖富釩鈦磁鐵礦是地幔柱疊加于造山帶構(gòu)造背景下產(chǎn)生的高溫、貧水、低氧逸度原始巖漿經(jīng)充分結(jié)晶分異的結(jié)果(Heetal., 2016)。另外，前人研究發(fā)現(xiàn)特克斯縣東南方向約10km的小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖(圖1c)亦具有富鈦磁鐵礦巖石類型，且認(rèn)為與哈拉達(dá)拉層狀輝長(zhǎng)巖可能為同期巖漿活動(dòng)(郭璇和朱永峰, 2011)，但并不清楚是否同樣為地幔柱活動(dòng)的產(chǎn)物，對(duì)其巖漿源區(qū)特征以及富鐵的機(jī)制也未有研究。因此，本文將通過(guò)詳細(xì)的礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究，確定小哈拉軍山富鈦磁鐵礦輝長(zhǎng)巖的形成時(shí)代，探討其巖漿性質(zhì)、源區(qū)特征、富鐵的機(jī)制及其形成的構(gòu)造環(huán)境，從而為深入理解西天山晚古生代構(gòu)造演化提供有用信息。

1 地質(zhì)背景及其樣品描述

中國(guó)天山造山帶東西綿延約1700km，沿托克遜-庫(kù)米什公路分割為東、西兩部分。西天山北接準(zhǔn)噶爾盆地，南臨塔里木克拉通，自北向南由北天山造山帶、伊犁-中天山地塊和南天山造山帶組成(圖1b)。南天山造山帶由塔里木克拉通和伊犁-中天山地塊碰撞、南天山洋消失形成，可能代表了中亞造山帶西南部增生造山活動(dòng)的結(jié)束(Xiaoetal., 2010; Hanetal., 2011)。前人對(duì)南天山造山帶形成時(shí)間有很大爭(zhēng)議，主要集中在晚石炭世(Gaoetal., 2011; Hanetal., 2011; Klemdetal., 2015; Alexeievetal., 2019)和晚二疊世-中三疊世(Xiaoetal., 2013; Xiao and Santosh, 2014)兩種認(rèn)識(shí)。北天山造山帶由蛇綠巖和高壓變質(zhì)巖帶及古生代火山-沉積地層和巖漿巖組成，屬于伊犁-中天山地塊和準(zhǔn)噶爾盆地碰撞拼貼、北天山洋閉合形成的巖漿弧。伊犁-中天山是哈薩克斯坦微陸塊向東延伸的部分，其含有前寒武紀(jì)基底及古生代火山-沉積蓋層。前寒武紀(jì)變質(zhì)巖和沉積巖的鋯石年齡結(jié)果顯示，伊犁-中天山前寒武紀(jì)基底年齡變化很大，從中太古代(～2.8Ga)至新元古代(～0.8Ga)均有出現(xiàn)，但其峰值年齡為1.4～1.8Ga和0.8～1.2Ga(Wangetal., 2014; Gaoetal., 2015; Heetal., 2015; Huangetal., 2016; Zhuetal., 2019)。伊犁-中天山出露南北兩條古生代巖漿帶，分別屬于南天山洋和北天山洋向伊犁-中天山俯沖形成的弧火山巖，主要形成于志留紀(jì)到早石炭世，并疊加了晚石炭世-二疊紀(jì)火山沉積巖和侵入巖(龍靈利等, 2007; Gaoetal., 2009; Hanetal., 2010; Zhangetal., 2015b; Heetal., 2016)。

圖1 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖位置

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖位于特克斯縣城東南方向約10km處(圖1c)。巖體在平面上呈NW-SE向的長(zhǎng)條狀展布，出露面積約5km2。巖體侵入到北面的石炭系火山-沉積地層和南面的前寒武系地層中。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖呈輝長(zhǎng)-輝綠結(jié)構(gòu)和似斑狀構(gòu)造，主要組成礦物為斜長(zhǎng)石(40%～60%)、單斜輝石(10%～30%)、角閃石(10%～30%)和磁鐵礦(4%～10%)，少量為黑云母、榍石、磷灰石等。斜長(zhǎng)石呈自形柱狀，顆粒大小變化較大，具有明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，邊部常包裹自形粒狀磁鐵礦，部分泥化或絹云母化(圖2)。單斜輝石多呈破碎狀，常包裹磁鐵礦，部分綠泥石化或碳酸鹽化(圖2a-c)。角閃石較為新鮮，常呈半自形-他形破碎狀，包裹磁鐵礦(圖2a, b)。磁鐵礦呈自形粒狀，大部分呈間隙礦物充填于斜長(zhǎng)石格架中，但少數(shù)呈包裹體包裹于其他礦物(圖2)。碳酸鹽具有明顯的次生成因特征，呈不規(guī)則狀，并且與其他次生礦物(如綠泥石)共生，部分呈碳酸鹽脈(圖2c, d)。本次研究對(duì)9塊巖石樣品進(jìn)行了礦物成分和全巖地球化學(xué)主、微量元素及Sr-Nd同位素分析，并對(duì)樣品TKS89進(jìn)行了鋯石U-Pb年齡分析。

圖2 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的巖相學(xué)特征(a)半自形-他形的單斜輝石(Cpx)和角閃石(Am)充填在自形的斜長(zhǎng)石(Pl)格架中，斜長(zhǎng)石部分泥化，磁鐵礦(Mag)包裹在單斜輝石和角閃石中，磁鐵礦占比約8%(正交偏光)；(b)部分細(xì)粒磁鐵礦包裹在半自形-他形的角閃石中，磁鐵礦占比約4%，單斜輝石發(fā)生綠泥石化，(單偏光)；(c)粗粒斜長(zhǎng)石具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)，邊部包裹自形粒狀磁鐵礦，磁鐵礦占比約2%，次生碳酸鹽(Cal)呈他形充填(正交偏光)；(d)輝綠結(jié)構(gòu)，鎂鐵質(zhì)礦物多發(fā)生碳酸鹽化或綠泥石化，可見碳酸鹽脈，磁鐵礦占比約6%，但斜長(zhǎng)石核部未見磁鐵礦包裹體(正交偏光)Fig.2 Petrography of the Xiaohalajunshan gabbro(a) subhedral-anhedral clinopyroxene (Cpx) and amphibole (Am) are interstitial phases between euhedral plagiolcase (Pl); plagioclase is partially pelitized; some magnetites (Mag) are enclosed in clinopyroxene and amphibole; magnetite is ～8% in this thin-section (crossed-polarized light); (b) some small-grained magnetites are enclosed in subhedral-anhedral amphibole; magnetite is ～4% in this thin-section; clinopyroxene has been altered to chlorite (plane-polarized light); (c) coarse-grained plagioclase shows zoning texture and has euhedral magnetite inclusions in the rim; magnetite is ～2% in this thin-section; the secondary carbonate is irregular in shape (crossed-polarized light); and (d) some sample show ophitic texture; mafic minerals are usually altered into carbonatization or chloritization, and carbonate veins are common; magnetite is ～6% in this thin-section but magnetite inclusion is absent in the core of plagioclases (crossed-polarized light)

2 分析方法

本文涉及的分析測(cè)試均在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

鋯石U-Pb年齡由CAMECA IMS-1280二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)定，詳細(xì)的分析方法參見Lietal. (2010)，測(cè)定的監(jiān)控標(biāo)樣Qinghu鋯石的U-Pb諧和年齡為161±2Ma(2σ，n=6，推薦值159.5±0.2Ma，Lietal., 2013)。

全巖主量元素?cái)?shù)據(jù)采用Rigaku RIX 100e型X射線熒光光譜儀(XRF)測(cè)定，元素分析精度優(yōu)于1%～5%。微量元素?cái)?shù)據(jù)采用Perkin-Elmer Sciex ELAN 6000型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析，絕大多數(shù)元素的分析精度為1%～5%。全巖Sr-Nd同位素采用Neptune Plus多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)測(cè)定， 流程監(jiān)控標(biāo)樣BHVO-2的

Sr-Nd同位素含量分別為87Sr/86Sr=0.703503±0.000011，143Nd/144Nd=0.512993±0.000006，儀器監(jiān)控標(biāo)樣NBS987的87Sr/86Sr=0.710267±16(n=6，95%的置信區(qū)間)，Jndi-1的143Nd/144Nd=0.512115±6(n=4，95%的置信區(qū)間)，與推薦值0.512115±5(Tanakaetal., 2000)一致。詳細(xì)的樣品前處理及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法參見Heetal. (2016)。

礦物電子探針成分分析及其背散射電子圖像使用CAMECA SX-Five場(chǎng)發(fā)射電子探針完成。定量分析工作條件為：加速電壓15kV，探針電流20nA，束斑直徑2～5μm，采用PAP(Pouchou & Pichoir)修正法進(jìn)行基體校正(Pouchou and Pichoir, 1991)。根據(jù)元素強(qiáng)度和性質(zhì)不同，元素峰位分析時(shí)間選擇8～120s之間，單側(cè)背景時(shí)間為峰位時(shí)間的一半。分析過(guò)程采用美國(guó)SPI公司的硅酸鹽礦物或氧化物作為標(biāo)樣，高含量元素檢測(cè)限為100×10-6～300×10-6，微量元素的檢測(cè)限優(yōu)于100×10-6。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖樣品TKS89的鋯石數(shù)量較少，且顆粒較小，呈破碎的短柱狀，長(zhǎng)邊從50μm到小于20μm變化，可能是由于樣品前處理過(guò)程中過(guò)度破碎造成。鋯石的CL圖像呈現(xiàn)出清晰且較寬的振蕩環(huán)帶，其Th、U含量變化較大(分別為40×10-6～803×10-6，111×10-6～1161×10-6)，具有較高的Th/U比值(Th/U=0.14～2.81，表1)，表明為巖漿成因鋯石。其中，1、3、8和10號(hào)分析點(diǎn)的206Pb/238U年齡明顯老于其他分析點(diǎn)，并且變化范圍較大(2322～840Ma)，顯示繼承鋯石的特征，在伊犁-中天山地塊前寒武紀(jì)變質(zhì)基底的年齡范圍(0.8～2.8Ga)。另外，12號(hào)分析點(diǎn)具有最低的206Pb/204Pb比值，其普通Pb比例明顯較高，因而產(chǎn)生較大的206Pb/238U年齡校正誤差。 其他的11個(gè)分析點(diǎn)具有相近的206Pb/238U年齡(288±5Ma～305±5Ma)，所得的U-Pb諧和年齡(295±3Ma；2σ)與加權(quán)平均206Pb/238U年齡(295±3Ma；2σ)一致(圖3)，代表了小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的形成年齡，與特克斯縣城東北部同樣侵入到石炭系中的哈拉達(dá)拉含釩鈦磁鐵礦層狀輝長(zhǎng)巖的形成年齡(300±1Ma; Heetal., 2016)一致。

表1 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖鋯石SIMS U-Pb定年分析結(jié)果

圖3 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖鋯石SIMS U-Pb年齡Fig.3 Zircon SIMS U-Pb age for the Xiaohalajunshan gabbro

3.2 全巖主、微量元素及Sr-Nd同位素特征

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的SiO2(45.64%～47.97%)、Al2O3(16.06%～17.05%)、TiO2(1.87%～2.12%)變化較小，而CaO (6.26%～10.28%)變化較大 (表2)。其MgO(3.77%～5.89%)含量較低，F(xiàn)e2O3T(10.29%～11.88%)含量較高，因而具有較低的Mg#(Mg/(Mg+FeT)×100%=42～51)值(表2)。K2O含量為0.55%～1.70%，屬于鈣堿性-高K鈣堿性系列巖石；另外，其Na2O含量較高(3.11%～4.83%)，因此具有較低的K2O/Na2O比值(0.18～0.40)；總堿含量中等，屬于亞堿性玄武巖系列。樣品的燒失量較高(4.00%～6.73%)，但是除了Rb、Ba、Pb變化較大外，其他微量元素均協(xié)同變化，各樣品具有一致的稀土元素配分曲線和微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4)。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的稀土元素總量較高(111×10-6～145×10-6)，但相對(duì)于OIB(Sun and McDonough, 1989)其輕、重稀土分異較弱(La/Yb=6.05～7.66)，沒有明顯的Eu異常(δEu=0.98～1.06)(圖4)。微量元素蛛網(wǎng)圖中顯示出明顯的Nb、Ta負(fù)異常以及輕微的Zr、Hf負(fù)異常和Sr正異常，但未見明顯的Ti異常(圖4)。所分析樣品的Cr(31.0×10-6～75.9×10-6)和Ni(23.9×10-6～44.0×10-6)含量相對(duì)較低，但V含量較高(200×10-6～243×10-6)。

圖4 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖全巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(a)及原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b) OIB、E-MORB、球粒隕石和原始地幔值均來(lái)自Sun and McDonough (1989).文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)自郭璇和朱永峰(2011),圖6同F(xiàn)ig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element diagrams (b) for the Xiaohalajunshan gabbroThe OIB, E-MORB, chondrite and primitive mantle date are all from Sun and McDonough (1989). Literature data from Guo and Zhu (2011), also in Fig.6

表2 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖全巖主要氧化物(wt%)和微量元素(×10-6)含量分析結(jié)果

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的87Sr/86Sr初始比值變化相對(duì)較大(0.7045～0.7067)，而143Nd/144Nd初始比值變化較小，具有正的εNd(t)值(2.34～3.30)(表3、圖5)，相對(duì)于哈拉達(dá)拉層狀輝長(zhǎng)巖顯示出略為富集的Nd同位素特征(圖5)。

圖5 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖全巖(87Sr/86Sr)i-εNd(t)圖解文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源：伊犁-中天山前寒武紀(jì)基底(Long et al., 2011; Xiong et al., 2019)；西南天山花崗巖類(>320Ma)(Gao et al., 2009; Long et al., 2011; Gou et al., 2012及其相關(guān)文獻(xiàn))；石炭紀(jì)火山巖(Zhu et al., 2009; Ge et al., 2015)；哈拉達(dá)拉層狀輝長(zhǎng)巖(龍靈利等, 2012; He et al., 2016). MORB和OIB范圍據(jù)Huang et al. (2012)Fig.5 The diagram of (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) for the Xiaohalajunshan gabbroSr-Nd isotopic data sources: Yili-Central Tianshan Precambrian granitic gneisses (Long et al., 2011; Xiong et al., 2019); Paleozoic granites (>320Ma) in Southwest Tianshan (Gao et al., 2009; Long et al., 2011; Gou et al., 2012, and reference therein); Carboniferous volcanic sedimentary sequence (Zhu et al., 2009; Ge et al., 2015); Haladala layered gabbro (Long et al., 2012; He et al., 2016). Fields of MORB and OIB are after the compilations of Huang et al. (2012)

表3 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖全巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果

3.3 礦物成分

3.3.1 單斜輝石

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖中的單斜輝石成分較均勻，MgO較低(12.72%～14.90%)，F(xiàn)eOT相對(duì)較高(8.26%～9.48%)，因此Mg#較低(71～76)(表4)，端元成分為Wo44.3-48.7En40.4-44.2Fs10.0-11.7，屬于透輝石-次透輝石系列。另外，單斜輝石的Na2O含量較低(0.36%～0.55%)，TiO2含量較高(1.31%～2.60%)，Al2O3含量變化較大(2.97%～6.60%)。

表4 單斜輝石代表性電子探針分析結(jié)果(wt%)

3.3.2 角閃石

角閃石成分變化較大，主要為鎂綠鈣閃石。角閃石的Al2O3含量變化較大(6.83%～11.10%)，并具有高TiO2(2.11%～4.45%)和低Mg#(53～68)的特征(表5)。

表5 角閃石代表性電子探針分析結(jié)果(wt%)

3.3.3 斜長(zhǎng)石

粗粒斜長(zhǎng)石顯示出明顯的韻律環(huán)帶或正環(huán)帶的結(jié)構(gòu)特征，細(xì)粒斜長(zhǎng)石具有正環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征。斜長(zhǎng)石成分變化較大(An20.1-69.2Ab30.1-76.2Or0.7-4.9)，屬于奧長(zhǎng)石-培長(zhǎng)石范圍，以拉長(zhǎng)石為主，粗粒斜長(zhǎng)石邊部和細(xì)粒斜長(zhǎng)石具有奧長(zhǎng)石-中長(zhǎng)石成分(表6)。斜長(zhǎng)石的FeOT含量變化很大(0.28%～0.81%)，與An呈較好的正相關(guān)關(guān)系。

表6 斜長(zhǎng)石代表性電子探針分析結(jié)果(wt%)

3.3.4 磁鐵礦

磁鐵礦中FeOT(63.49%～85.32%)、TiO2(5.20%～23.30%)和V2O3含量(0.17%～0.65%)含量變化較大，屬于鈦磁鐵礦。鈦磁鐵礦成分變化范圍主要為TiO2=17%～20%和FeOT=70%～74%，并具有較高的V2O3含量(0.50%～0.65%)(表7)， 略低于峨眉山基性-超基性釩鈦磁鐵礦床釩鈦磁鐵礦中V含量(V2O3=0.45%～0.93%; Liuetal., 2015)。

表7 鈦磁鐵礦代表性電子探針分析結(jié)果(wt%)

4 巖石成因與富鐵機(jī)制

4.1 后期蝕變與地殼混染

所研究樣品有不同程度的蝕變現(xiàn)象，如單斜輝石的綠泥石化和碳酸鹽化，斜長(zhǎng)石的絹云母化和泥化等，因而全巖地球化學(xué)成分具有較高的燒失量(4.00%～6.73%)。這說(shuō)明巖漿后期熱液蝕變對(duì)全巖主量和易活動(dòng)性元素有較明顯的影響，如CaO、Rb、Ba等含量均與LOI存在明顯的相關(guān)性(圖6a-c)，但Mg#、Sr、REE及高場(chǎng)強(qiáng)元素等非活動(dòng)性元素受蝕變作用的影響不大(圖6d-g)，仍可以反映巖漿成分特征。另外，樣品Sr-Nd同位素組成與LOI并沒有明顯的協(xié)變關(guān)系(圖6h-i)，表明樣品較大的Sr同位素變化并非蝕變作用結(jié)果。由于MORB、OIB等地幔成因基性巖與地殼組分具有顯著不同的Nb/U和Nb/Ta(Sun and McDonough, 1989; Rudnick and Gao, 2003)，并且所研究樣品的87Sr/86Sr初始比值與Nb/U、Nb/Ta顯示出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖略)，表明其Sr同位素變化主要由地殼混染造成。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖中存在2322～840Ma的繼承鋯石年齡，暗示其形成過(guò)程中可能存在前寒武紀(jì)變質(zhì)基底的混染作用。伊犁-中天山前寒武紀(jì)花崗片麻巖具有很高的(87Sr/86Sr)i(平均值為～0.7223; Longetal., 2011; Xiongetal., 2019)，但是小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖大部分樣品的(87Sr/86Sr)i較低，最低值接近于原始地幔值(0.7045，圖5)，表明其所受的地殼混染程度并不高。同樣地，樣品的Nb/La比值變化小(0.51～0.58)，但是Nb/Ta比值(17.1～19.6)明顯高于地殼值(平均地殼11.4; Rudnick and Gao, 2003)，也表明其所受的地殼混染程度較小。因此，本文所獲得的全巖地球化學(xué)組成可用于探討其原始巖漿性質(zhì)。

圖6 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖蝕變對(duì)全巖元素及同位素影響圖解Fig.6 The diagrams of whole-rock elements and isotopes versus loss on ignition (LOI) for the Xiaohalajunshan gabbro

4.2 巖漿結(jié)晶分異

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的礦物成分顯示相對(duì)演化的特征，如單斜輝石和角閃石的Mg#較低(分別為71～76和53～68)，斜長(zhǎng)石的An牌號(hào)較低(20～69，表6)。根據(jù)礦物接觸關(guān)系，輝長(zhǎng)巖呈輝綠結(jié)構(gòu)，部分斜長(zhǎng)石呈粗粒自形柱狀晶體，角閃石、單斜輝石和鈦磁鐵礦充填于細(xì)粒自形柱狀斜長(zhǎng)石的礦物間隙(圖2)，表明斜長(zhǎng)石最先結(jié)晶。鈦磁鐵礦主要充填于其他礦物間隙，其次為角閃石包裹體，少量為單斜輝石包裹體(圖2)。以上礦物形態(tài)和接觸關(guān)系表明鈦磁鐵礦和單斜輝石結(jié)晶早于角閃石。雖然斜長(zhǎng)石最先結(jié)晶，但樣品的全巖稀土元素配分曲線并未顯示明顯的Eu異常(δEu=0.98～1.06)，其原因可能包括兩方面：(1)輝長(zhǎng)巖的形成過(guò)程中并沒有明顯的斜長(zhǎng)石結(jié)晶分異；(2)巖漿氧逸度較高，Eu主要以3+的形式存在，因而在斜長(zhǎng)石-熔體的分配系數(shù)較低，即使發(fā)生斜長(zhǎng)石的結(jié)晶分異也不會(huì)導(dǎo)致全巖體系出現(xiàn)明顯的Eu異常(Aigner-Torresetal., 2007)。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明，在玄武質(zhì)巖漿體系，當(dāng)氧逸度接近于大氣值時(shí)，斜長(zhǎng)石中Eu的分配系數(shù)與其他REE相近(Aigner-Torresetal., 2007)。由小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的角閃石成分獲得的氧逸度為NNO～NNO+1(表5)，與島弧玄武巖接近。但是，相對(duì)較早期結(jié)晶的單斜輝石中Mg#與Fe2+/FeT比值呈正相關(guān)(表4)，反映隨著巖漿演化，單斜輝石Fe2+/FeT比值降低，巖漿氧逸度升高。因此，早期巖漿的氧逸度應(yīng)顯著低于角閃石計(jì)算的晚期巖漿氧逸度，表明早期巖漿體系為相對(duì)還原條件。實(shí)際上，鈦磁鐵礦主要充填于其他礦物間隙，作為包裹體主要出現(xiàn)在相對(duì)晚結(jié)晶的角閃石、單斜輝石以及粗粒斜長(zhǎng)石的邊部，這些特征也表明巖漿氧逸度在早期演化過(guò)程中相對(duì)較低，直至演化晚期才升高。因此，輝長(zhǎng)巖無(wú)明顯Eu異常現(xiàn)象應(yīng)歸因于巖漿演化過(guò)程中沒有發(fā)生明顯的斜長(zhǎng)石結(jié)晶分異作用，其全巖主微量元素及其比值的二元圖解所顯示出來(lái)的成分變化主要是單斜輝石、鈦磁鐵礦和角閃石結(jié)晶分異的綜合結(jié)果(圖7)。角閃石和鈦磁鐵礦均富集Fe、Ti和V，因此巖漿中Fe、Ti和V含量主要由角閃石和鈦磁鐵礦的結(jié)晶分異過(guò)程控制(圖7)。隨著Mg#降低，全巖TiO2呈兩種趨勢(shì)降低(圖7b)，主要是由于Ti在鈦磁鐵礦-熔體中分配系數(shù)大于角閃石-熔體體系，因此分別指示鈦磁鐵礦和角閃石的結(jié)晶分異趨勢(shì)。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖主要礦物中只有鈦磁鐵礦富集Nb(Klemmeetal., 2006; Johnetal., 2011; Xiongetal., 2011)，因此隨著TiO2和Nb含量呈正相關(guān)關(guān)系主要反映了鈦磁鐵礦的結(jié)晶分異作用(圖7e)。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖具有較高的Nb/Ta反映巖漿源區(qū)可能有金紅石殘留，而角閃石的結(jié)晶分異是全巖Nb/Ta隨著TiO2含量的降低而降低的主要因素(圖7f)。

圖7 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖成分受結(jié)晶分異影響圖解箭頭表示根據(jù)https://earthref.org/KDD/中分配系數(shù)計(jì)算獲得的礦物結(jié)晶分異后殘余熔體演化趨勢(shì). 圖例和數(shù)據(jù)來(lái)源同圖6Fig.7 The binary diagrams show the effect of fractional crystallization on whole-rock elemental compositions of the Xiaohalajunshan gabbrosDirection of arrow represents melt evolution after mineral fractionation, roughly calculated using mineral-melt partition coefficients in https://earthref.org/KDD/. Symbols and data sources are the same as in Fig.6

4.3 富Fe-Ti早期巖漿

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖富集鈦磁鐵礦(達(dá)8%以上；圖2)，全巖具有較高的Fe2O3T(10.29%～11.88%)、TiO2(1.87%～2.12%)和V(200×10-6～243×10-6)含量，可能為結(jié)晶分異導(dǎo)致巖漿Fe、Ti含量增加的結(jié)果，也可能為富Fe、Ti地幔源區(qū)部分熔融產(chǎn)生了富Fe、Ti巖漿。由于鈦磁鐵礦結(jié)晶晚于斜長(zhǎng)石，因此斜長(zhǎng)石中Fe含量隨An變化的特征很好地反映了鈦磁鐵礦結(jié)晶前巖漿中Fe含量的變化規(guī)律。斜長(zhǎng)石中Fe含量取決于Fe的分配系數(shù)，而Fe的分配系數(shù)與巖漿SiO2含量呈正相關(guān)(Lundgaard and Tegner, 2004)。由于樣品的SiO2變化很小，巖漿氧逸度也變化較小，表明其巖漿演化過(guò)程中的斜長(zhǎng)石-巖漿的Fe分配系數(shù)基本保持不變，斜長(zhǎng)石中FeOT隨An降低而降低的特征(圖8c)反映了斜長(zhǎng)石演化過(guò)程中巖漿FeOT含量降低的變化趨勢(shì)。因此，輝長(zhǎng)巖的早期巖漿就具有高Fe-Ti含量，并不是由于貧Fe-Ti礦物(橄欖石、斜長(zhǎng)石等)的結(jié)晶分異造成了巖漿體系的Fe-Ti含量逐漸升高。另外，與塔里木大火成巖省(瓦吉里塔格巖體、哈拉達(dá)拉巖體)和峨眉山大火成巖省(攀枝花巖體、新街巖體)中富Fe-Ti(-V)氧化物礦層狀鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體相比，小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的主要造巖礦物均具有較高的FeOT和TiO2(圖8)：(1)與哈拉達(dá)拉含釩鈦磁鐵礦層狀輝長(zhǎng)巖和攀枝花富Fe-Ti-V氧化物礦層狀基性-超基性巖體中的單斜輝石(Heetal., 2016; Gaoetal., 2017; Tangetal., 2017; Wangetal., 2018)相比，小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的單斜輝石具有更高的Fe、Ti含量；與瓦吉里塔格富Fe-Ti-V氧化物礦的層狀基性-超基性巖體的單斜輝石(Lietal., 2012; Caoetal., 2014; Weietal., 2014, 2015)相比，小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的單斜輝石在相同F(xiàn)e含量時(shí)顯示出更高的Ti含量(圖8a, b)；(2)斜長(zhǎng)石也表現(xiàn)出具有和其他富Fe-Ti-V氧化物礦基性-超基性巖體相似的Fe含量，而明顯高于攀枝花新街巖體富硅貧礦樣品中斜長(zhǎng)石的Fe含量(董歡, 2016)(圖8c)；(3)角閃石比攀枝花富礦樣品中的角閃石(Gaoetal., 2017; Tangetal., 2017; Wangetal., 2018)具有更高的Fe含量(圖8d)。因此，巖相學(xué)、全巖地球化學(xué)及礦物成分特征均顯示小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的巖漿具有富Fe、Ti的特征，為富Fe、Ti的地幔源區(qū)部分熔融形成的富Fe、Ti巖漿。

圖8 小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖主要礦物成分變化(a、b)單斜輝石TiO2 對(duì)FeOT和斜長(zhǎng)石An-FeOT；(d)角閃石FeOT-TiO2. 各巖體的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源：新街巖體(董歡, 2016)；瓦吉里塔格巖體(Li et al., 2012; Cao et al., 2014; Wei et al., 2014, 2015)；哈拉達(dá)拉巖體(He et al., 2016)；攀枝花巖體(Gao et al., 2017; Tang et al., 2017; Wang et al., 2018)Fig.8 The compositional variation of main minerals from the Xiaohalajunshan gabbro(a, b) TiO2 vs. FeOT and of clinopyroxene; (c) An vs. FeOT of plagioclase; (d) FeOT vs. TiO2 of amphibole. Literature data of all intrusions: Xinjie (Dong, 2016); Wajilitage (Li et al., 2012; Cao et al., 2014; Wei et al., 2014, 2015); Haladala (He et al., 2016); Panzhihua (Gao et al., 2017; Tang et al., 2017; Wang et al., 2018)

5 西天山早二疊世巖漿活動(dòng)的構(gòu)造環(huán)境

前人對(duì)天山晚石炭世-二疊紀(jì)巖漿活動(dòng)的構(gòu)造環(huán)境存在很大爭(zhēng)議，主要包括俯沖構(gòu)造體系與碰撞后伸展構(gòu)造的兩種認(rèn)識(shí)。部分學(xué)者認(rèn)為晚石炭世-二疊紀(jì)仍處于板塊俯沖階段，該時(shí)期的巖漿活動(dòng)與俯沖體系有關(guān)(毛啟貴等, 2006; Aoetal., 2010; Xiaoetal., 2013)；另有部分學(xué)者認(rèn)為西天山地區(qū)的板塊俯沖在晚石炭世已經(jīng)結(jié)束，二疊紀(jì)的巖漿活動(dòng)屬于碰撞后伸展階段的產(chǎn)物(Gaoetal., 2011; Longetal., 2011; Gouetal., 2012; Liuetal., 2016; Xiaetal., 2016)，研究區(qū)這一時(shí)間段的花崗巖類多為板內(nèi)A型花崗巖(Zhang and Zou, 2013b; Lietal., 2015)，基性巖漿巖的Nb-Ta-Ti負(fù)異常等島弧特征繼承自先前俯沖板片脫水交代的地幔特征(Yanetal., 2015; Liuetal., 2016)。

小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖位于哈拉達(dá)拉層狀輝長(zhǎng)巖體南部約10km處，二者成巖年齡相近，均具有富鈦磁鐵礦的巖相學(xué)特征，原始巖漿的水含量和氧逸度均較低(高紀(jì)璞等, 1991; Heetal., 2016)，因此，二者具有相似的巖漿源區(qū)和構(gòu)造背景，可能屬于同期的富Fe-Ti基性巖漿演化的結(jié)果。詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究表明，哈拉達(dá)拉含磁鐵礦層狀輝長(zhǎng)巖具有明顯的地幔柱巖漿活動(dòng)的特征，很可能是塔里木地幔柱在天山造山帶這一構(gòu)造薄弱帶的早期巖漿活動(dòng)(Heetal., 2016)。小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖并非形成于單純的碰撞后伸展作用：(a)碰撞后巖漿由于熔融程度較低且經(jīng)歷強(qiáng)烈的地殼混染作用，一般為富K、低Na的巖漿(中-高K鈣堿性-粗玄巖-超鉀質(zhì)巖系列；Bonin, 2004)，而該輝長(zhǎng)巖雖然為中-高K鈣堿性巖漿，卻具有較低的K2O/Na2O比值；(b)碰撞后伸展形成的巖漿活動(dòng)熔融程度低，規(guī)模較小，但區(qū)域航磁異常顯示特克斯的哈拉達(dá)拉和小哈拉軍山基性巖體僅位于異常區(qū)東南角(高紀(jì)璞等, 1991)，小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖和約25km2的哈拉達(dá)拉層狀巖體均未見較原始的礦物(如高Fo橄欖石或高M(jìn)g#輝石等)和巖石類型(Heetal., 2016)，表明該區(qū)域深部可能存在更大規(guī)模的隱伏巖體；(c)V-Ti磁鐵礦化的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體通常與地幔柱活動(dòng)密切相關(guān)(Pirajno, 2000; 徐義剛等, 2013)。因此，小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖很可能也是塔里木早二疊世地幔柱活動(dòng)產(chǎn)物。西天山早二疊世廣泛分布雙峰式巖墻、A型花崗巖、玄武巖和基性侵入巖，酸性巖高的鋯飽和溫度，以及高壓-超高壓變質(zhì)巖的分布均表明西天山早二疊世受到塔里木地幔柱的作用(Liuetal., 2013; Zhang and Zou, 2013a, b; Zhangetal., 2014; Hanetal., 2019)。實(shí)際上，如果西天山地區(qū)在早二疊世已處于造山碰撞后的伸展階段(Gaoetal., 2011; Longetal., 2011; Gouetal., 2012; Liuetal., 2016; Xiaetal., 2016)，將成為塔里木大火成巖省范圍內(nèi)地幔柱活動(dòng)最易于表現(xiàn)和優(yōu)先表現(xiàn)出來(lái)的地區(qū)(Heetal., 2016)。另外，前人研究表明，塔里木大火成巖省巖漿活動(dòng)時(shí)間為270～300Ma(Xuetal., 2014)，因此，形成于295Ma的小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖很可能也是塔里木地幔柱在西天山的巖漿活動(dòng)產(chǎn)物，其地幔源區(qū)在造山帶閉合之前實(shí)際上為受大洋板片俯沖的地幔楔。在板片俯沖過(guò)程中，一方面地幔楔因受俯沖流體及沉積物組分的交代富集而易于熔融產(chǎn)生弧巖漿，另一方面俯沖的大洋板片可能會(huì)部分以輝石巖或榴輝巖的形式滯留于地幔楔，這可能也是該地區(qū)晚石炭世火山沉積巖普遍發(fā)育鐵礦床重要原因。造山帶閉合之后，地幔柱活動(dòng)的疊加作用可能也促進(jìn)了前造山帶之下的富輝石巖地幔源區(qū)發(fā)生較大程度部分熔融，因而形成的哈拉達(dá)拉與小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖同時(shí)顯示出俯沖流體交代的微量元素組成特征和富集Fe-Ti等元素的特征。

6 結(jié)論

對(duì)西天山小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖系統(tǒng)的礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖形成于295±3Ma，全巖富集大離子親石元素和輕稀土元素，相對(duì)虧損的重稀土和高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb-Ta)，Nd同位素略虧損，Sr同位素略富集，形成于造山帶前俯沖板片交代富集的地幔源區(qū)。

(2)小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖的具有富Fe-Ti的原始巖漿，并且早期巖漿的水含量和氧逸度相對(duì)較低。

(3)小哈拉軍山輝長(zhǎng)巖與相鄰的哈拉達(dá)拉富V-Ti磁鐵礦層狀輝長(zhǎng)巖具有相似的巖漿源區(qū)和礦化特征，可能都是塔里木早二疊世地幔柱在西天山造山帶這一構(gòu)造薄弱帶的巖漿活動(dòng)表現(xiàn)。

致謝感謝在樣品處理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予大力支持的王鑫玉、涂湘林、胡光黔、馬金龍、夏小平等老師。李永軍教授和另外兩位審稿人認(rèn)真評(píng)閱本文并提出了寶貴修改意見，謹(jǐn)致謝忱。