新疆色爾特能地區(qū)超鎂鐵巖巖石地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境分析

黃鑫，楊鏡明，王忠陽

(核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊 830011)

0 引言

超鎂鐵巖按成因分為熱侵位巖漿巖型和構(gòu)造成因的蛇綠巖型，因其對于研究地質(zhì)構(gòu)造演化和鉻鐵礦、銅鎳礦找礦勘查意義重大，倍受地質(zhì)學(xué)者關(guān)注[1]。東天山是中亞地區(qū)天山造山系的重要組成部分(圖1)，是廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)地區(qū)[1-6]。關(guān)于東天山地區(qū)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵巖體產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境，目前尚存如下不同的認(rèn)識：二疊紀(jì)地幔柱背景[2]、后碰撞演化[1,7-10]、俯沖相關(guān)的Alaskan型巖體[3]、以及“slab-window”模式[11]，地幔柱與造山帶疊加的產(chǎn)物[2]等認(rèn)識。

新疆色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖塊位于康古爾韌性剪切帶西端(圖2)，有學(xué)者認(rèn)為其屬于MORB型蛇綠巖，為洋中脊產(chǎn)物，形成時(shí)代為奧陶紀(jì)[12]，也有學(xué)者認(rèn)為是土墩-白鑫灘-白梁山-路北基性-超基性巖漿巖帶的西延部分，屬熱侵位巖漿巖，形成于二疊紀(jì)的后碰撞伸展環(huán)境。

本文以色爾特能超鎂鐵巖為研究對象，以野外一線實(shí)際地質(zhì)特征和巖石組合為基礎(chǔ)，通過巖石學(xué)和巖石地球化學(xué)研究，分析色爾特能超鎂鐵巖的巖石成因，探討形成時(shí)的大地構(gòu)造環(huán)境，力圖為恢復(fù)色爾特能地區(qū)構(gòu)造演化歷史和找礦勘查工作提供幫助。

圖1 東天山區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)新疆地礦局2004年資料，修編)Fig.1 Geological sketch of the east Tianshan area1.鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖；2.鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)相關(guān)混雜巖；3.斷裂；4.前寒武紀(jì)地塊；5.志留-泥盆紀(jì)花崗巖類；6.石炭紀(jì)花崗巖類

圖2 色爾特能地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)郭新成等2008年資料，修編)Fig.2 Geological sketch of Serteneng area1.下石炭統(tǒng)小熱泉子組安山質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r；2.下石炭統(tǒng)干墩組千枚巖夾少量玄武巖、英安巖、角斑巖；3.石炭紀(jì)二長花崗巖；4.玄武巖-凝灰?guī)r；5.輝長巖；6.超鎂鐵巖；7.斷裂；8.采樣位置

1 地質(zhì)背景和巖石學(xué)特征

新疆色爾特能一帶的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖發(fā)育。超鎂鐵巖塊5個(gè)，長500～1200 m，寬5～20 m，不規(guī)則透鏡狀，總面積約0.3 km2。輝長巖體6個(gè)，規(guī)模長600～3000 m，寬200～600 m，呈透鏡狀，總面積約2 km2(圖2)。在色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖北部出露的地層為石炭系下統(tǒng)小熱泉子組(C1x)，其地層巖性為一套安山質(zhì)火山巖建造；南側(cè)出露的地層為石炭系下統(tǒng)干墩組(C1g)，其地層巖性為一套強(qiáng)片理化淺變質(zhì)碎屑巖建造。色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖與地層均為斷層接觸，其整體走向均與南北兩端的構(gòu)造線斜交。

色爾特能超鎂鐵巖發(fā)生強(qiáng)烈的片理化和蛇紋石化，基本已全部蝕變成蛇紋巖。巖石顏色以暗綠色和棕黑色為主，具明顯的磷片變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。巖石中的主要礦物為蛇紋石，同時(shí)可見少量殘留的輝石，但輝石的典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征已不明顯(圖3)。其中，蛇紋石顏色為灰輝色，形狀為顯微他形鱗片狀，大小0.01～0.12 mm，含量為95%以上，含少量鐵質(zhì)，定向性較為明顯；輝石顏色為古銅色，形狀為自形-半自形柱狀，大小0.24～2.44 mm，含量為5%以下，均為普通輝石，具蛇紋石化、纖閃石化，局部可見沿解理彎曲揉碎。副礦物主要為微量鈦磁鐵礦，形狀為顯微半自形粒狀、板狀，大小0.03～0.14 mm，多呈浸染狀、細(xì)脈狀分布。

圖3 色爾特能超鎂鐵巖鏡下照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photo of Serteneng ultra-basic rockSep.蛇紋石；Py.輝石；Tm.鈦磁鐵礦

2 巖石地球化學(xué)特征

本次研究在色爾特能4個(gè)超鎂鐵巖塊中，各采集1件具有代表性的樣品進(jìn)行測試分析。分析項(xiàng)目為主量元素、微量元素和稀土元素。

測試單位為中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所。首先進(jìn)行樣品風(fēng)化面切除、酸淋濾等預(yù)處理，以減少巖石形成后后期蝕變作用對元素的影響，從而保證測試的準(zhǔn)確性和代表性。主量元素采用熔片X-射線熒光光譜法(XRF)測定，相對誤差小于5%。微量元素和稀土元素用ICP-MS法測定。微量元素精度控制：含量超過10×10-6時(shí)，相對誤差小于5%；低于10×10-6時(shí)，相對誤差小于10%。具體試驗(yàn)分析流程，參見文獻(xiàn)[13]。

2.1 主量元素特征

由于色爾特能超鎂鐵巖樣品燒失量普遍較高(11.60%～11.99%，平均值為11.78%)(表1)，扣除燒失量后將主量元素折算成100%，再進(jìn)行討論。

色爾特能超鎂鐵巖w(SiO2)=40.50%～41.92%，平均值為41.21%；w(Al2O3)=1.19%～1.77%，平均值為1.53%；w(MgO)=36.15%～37.96%，平均值為36.95%；w(MnO)=0.12%～0.13%，平均值為0.13%；w(Cr2O3)=0.32%～0.36%，平均值為0.33%；w(NiO)=0.17%～0.21%，平均值為0.19%；w(TFeO)=6.98%～7.87%，平均值為7.30%。Mg#=94.71～97.73，m/f=8.03～9.42(>6.5)，屬鎂質(zhì)超鎂鐵巖。色爾特能超鎂鐵巖的Mg#、m/f值較高，普遍大于世界同類巖石的值，與國內(nèi)值接近(表2)。色爾特能超鎂鐵巖總體表現(xiàn)出高M(jìn)g、高Cr、低Si和貧Al的特征。

在標(biāo)準(zhǔn)礦物圖解(圖4)中，樣品處于斜方輝石橄欖巖區(qū)。

圖4 色爾特能超鎂鐵巖Ol-Opx-Cpx圖Fig.4 Ol-Opx-Cpx diagram of Serteneng ultra-basic rockOl.橄欖巖；Opx.斜方輝石；Cpx.單斜輝石1.純橄欖巖；2.方輝橄欖巖；3.二輝橄欖巖；4.單輝橄欖巖；5.橄欖方輝輝石巖；6.橄欖二輝巖；7.橄欖單輝輝石巖；8.方輝輝石巖；9.二輝輝石巖；10.單斜輝石巖

2.2 稀土元素和微量元素特征

色爾特能超鎂鐵巖測試分析數(shù)據(jù)(表1)表明，其稀土總量w(ΣREE)=1.44×10-6～2.92×10-6，平均值為2.13×10-6，w(La)N/w(Yb)N=3.09～5.49，平均值為4.12，配分模式為近平坦型(圖5)，有一定程度的輕稀土富集；δEu=0.48～1.09，平均值0.78，輕微負(fù)銪異常；δCe=0.53～0.60，平均值0.56，負(fù)鈰異常明顯，表明色爾特能超鎂鐵巖在就位前曾處于海相環(huán)境[17]。微量元素富集Ba、U、Ta，虧損Nb(圖6)。

表1 色爾特能超鎂鐵巖石全巖化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Bulk analysis of Serteneng ultra-basic rock

表2 世界及中國地區(qū)超鎂鐵巖主量元素成分對比Table 2 Comparison of major elements of ultra-basic rocks in China and other counties all over the world

圖5 色爾特能超鎂鐵巖稀土元素配分模式圖及部分熔融模型(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.5 REE pattern and partial melting model of Serteneng ultra-basic rocks

圖6 色爾特能超鎂鐵巖微量元素比值蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.6 Spider diagram of trace element’s ratio of Serteneng ultra-basic rocks

3 討論

3.1 巖石成因

樣品在w(Al2O3)—w(SiO2)圖解(圖7)上位于貧鋁質(zhì)區(qū)，在w(TFeO)—w(MgO)—w(CaO)圖解(圖8)上位于鎂質(zhì)區(qū)中，由此可知色爾特能超鎂鐵巖屬于鎂質(zhì)超鎂鐵巖具有貧鋁質(zhì)特點(diǎn)。

圖7 色爾特能超鎂鐵巖w(Al2O3)—w(SiO2)圖解Fig.7 w(Al2O3)-w(SiO2) diagram of the ultra-basic rocks

圖8 色爾特能超鎂鐵巖w(TFeO)—w(MgO)—w(CaO)圖解Fig.8 w(TFeO)-w(MgO)-w(CaO) diagram of the ultra-basic rocks

樣品在w(TFeO)—w(MgO)—w(Na2O+K2O)圖解(圖9a)中位于鎂鐵-超鎂鐵堆積蛇綠巖區(qū)，在w(MgO)—w(CaO)—w(Al2O3)圖解(圖9b)中位于變質(zhì)橄欖巖區(qū)，由此認(rèn)為色爾特能超鎂鐵巖為變質(zhì)橄欖巖，屬于蛇綠巖套范疇，是其底部組成部分。

超鎂鐵巖中w(MgO)值和Mg#值的大小對于研究其部分熔融和虧損程度十分重要[19]。一般而言，巖石中的Mg#、w(MgO)值與易熔組分w(CaO)、w(Al2O3)、w(SiO2)值呈負(fù)相關(guān)，Mg#值越大或w(MgO)值越高，w(CaO)、w(Al2O3)、w(SiO2)值越低，說明巖石鐵鎂質(zhì)暗色礦物越多、巖石越基性，巖石則熔融程度越高、虧損越強(qiáng)烈。色爾特能超鎂鐵巖的w(MgO)平均值為36.93%，與模擬地幔巖值(37.67%[20])接近；w(Al2O3)值平均為1.54%、w(CaO)值平均為0.28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始地幔巖值(w(Al2O3)=4.45%[21]，w(CaO)=3.55%[21])；色爾特能超鎂鐵巖中的鎳、鉻元素含量高(表1和表2)。以上特征表明，色爾特能超鎂鐵巖為地幔橄欖巖，屬于原始地幔的地幔殘余(圖10)。

在一定程度上，橄欖巖的全巖地球化學(xué)可以用來示蹤其部分熔融歷史[24]，地幔熔融過程可以通過微量元素之間的協(xié)變關(guān)系予以精準(zhǔn)模擬[25]，定量模擬過程的關(guān)鍵在于選擇不受后期蝕變和俯沖交代作用影響或影響較為微弱的元素，一般不采用在熔體滲透及熔體/殘?bào)w相互作用過程中活動(dòng)性太強(qiáng)的元素，如強(qiáng)不相容元素Zr、Hf、Nb、Ta等[26]。重稀土元素的遷移和分配幾乎只受部分熔融程度的影響，在后期板塊俯沖和蝕變作用過程中仍能保持性質(zhì)穩(wěn)定，能有效指示部分熔融程度[27-28]。從部分熔融模式圖中可以看出，色爾特能超鎂鐵巖稀土配分模式類似于N-MORB型(圖5)，具輕稀土略微富集的特征，是后期大洋巖石圈俯沖消減過程中流體交代作用的結(jié)果；色爾特能超鎂鐵質(zhì)巖為原始地幔經(jīng)2%～10%程度部分熔融后的地幔殘余，微量元素Nb虧損明顯(圖6)，很可能是后期板塊俯沖作用的結(jié)果。由此認(rèn)為色爾特能超鎂鐵巖經(jīng)歷了較為復(fù)雜的形成(原始地幔部分熔融，造成稀土元素，尤其是輕稀土元素的明顯虧損)和后期改造(俯沖消減作用中流體交代，輕稀土元素富集和稀土元素總量的增加)過程。

3.2 構(gòu)造環(huán)境

由野外調(diào)查可知，色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石多呈拉長的透鏡狀、帶狀展布，片理化十分發(fā)育，礦物見明顯的定向性排列，發(fā)生強(qiáng)烈的蛇紋石化，與賦存中型銅鎳礦的路北-云海鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石特征[29-32]明顯不同。巖塊與圍巖地層石炭系下統(tǒng)小熱泉子組和干墩組均為斷裂接觸，走向與南北兩帶的構(gòu)造線均成角度斜交，表明其整體為構(gòu)造侵位。

圖9 色爾特能超鎂鐵巖w(TFeO)—w(MgO)—w(Na2O+K2O)圖解(a)，w(MgO)—w(CaO)—w(Al2O3)圖解(b)Fig.9 w(TFeO)-w(MgO)-w(Na2O+K2O) diagram (a), w(MgO)-w(CaO)-w(Al2O3) diagram(b) of the ultra-basic rocksB.大洋中脊玄武巖平均成分；K.科馬奇巖；M+U.鎂鐵和超鎂鐵堆積蛇綠巖；H.變質(zhì)橄欖巖；MC.鎂鐵質(zhì)堆晶巖；UC.超鎂鐵質(zhì)堆晶巖；MP.變質(zhì)橄欖巖；S.斯科加爾德液體趨勢

圖10 w(MgO)/w(SiO2)—w(Al2O3)/w(SiO2)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[22-23])Fig.10 w(MgO)/w(SiO2)-w(Al2O3)/w(SiO2) diagram

李文鉛等在康古爾-色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖帶中段的恰特尕力超鎂鐵質(zhì)巖石中采集輝長巖進(jìn)行SHRIMP鋯石U-Pb年齡定年，獲得494 Ma±10 Ma的結(jié)果，表明其形成生成時(shí)代為奧陶紀(jì)[12]。色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖被石炭紀(jì)花崗巖侵入，恰特尕力段鎂鐵-超鎂鐵巖被下二疊統(tǒng)火山磨拉石不整合覆蓋，說明色爾特能鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石在晚石炭世之前已經(jīng)完成構(gòu)造就位。

色爾特能超鎂鐵巖輕稀土微弱富集，而洋中脊型蛇綠巖明顯虧損輕稀土元素[33]，二者明顯不同。虧損的Ti元素可以用來指示是俯沖帶島弧環(huán)境[34]；同大洋中脊地幔w(TiO2)=0.1%～0.4%[35]含量相比，色爾特能超鎂鐵巖(w(TiO2)=0.04%～0.05%)明顯偏低，與消減帶蛇綠巖(SSZ)中超鎂鐵巖(w(TiO2)<0.1%)接近。微量元素，Ba、U、Ta富集，Nb、Ti虧損。Nb的虧損表明，色爾特能超鎂鐵巖的形成環(huán)境明顯區(qū)別于典型的大洋中脊環(huán)境，與島弧環(huán)境類似。而形成于洋內(nèi)弧后盆地環(huán)境的蛇綠巖可以同時(shí)兼具大洋中脊和島弧的特征[36]。

綜上所述，認(rèn)為色爾特能超鎂鐵巖屬于蛇綠巖范疇，是SSZ型蛇綠巖下部變質(zhì)橄欖巖的組成部分，形成于俯沖帶環(huán)境中洋內(nèi)弧后盆地。

4 結(jié)論

(1)色爾特能超鎂鐵巖出露規(guī)模較小，受構(gòu)造改造強(qiáng)烈，劈理化和蛇紋石化十分發(fā)育，基本已經(jīng)全部蝕變成蛇紋巖，依據(jù)地球化學(xué)相關(guān)圖解，推測原巖為斜方輝石橄欖巖。

(2)色爾特能超鎂鐵巖m/f值>6.5(m/f=8.03～9.42)。稀土元素總含量較低，w(ΣREE)=1.44×10-6～2.92×10-6，配分模式為輕稀土弱富集的近平坦型，其w(La)N/w(Yb)N=3.09～5.49，具負(fù)Eu異常(δEu=0.48～1.09，平均值0.78)和負(fù)Ce異常(δCe=0.53～0.60，平均值0.56)。微量元素Ba、U、Ta富集，Nb、Ti虧損。為原始地幔大約2%～10%部分熔融后的地幔殘余。

(3)色爾特能超鎂鐵巖屬于蛇綠巖范疇，是SSZ型蛇綠巖下部變質(zhì)橄欖巖組成部分，形成于俯沖帶環(huán)境中洋內(nèi)弧后盆地。