西克爾橄欖巖包體揭示塔里木西北緣巖石圈地幔經(jīng)歷多期次交代改造*

卞霄 蘇玉平 鄭建平 董畢安 牛天意

中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院, 武漢 430074

大量玄武巖及其攜帶的地幔包體的研究表明陸下巖石圈地幔具有高度不均一性。這種不均勻性一般在地幔部分熔融和交代過程中產(chǎn)生。其中，部分熔融會導致玄武質(zhì)組分的虧損，形成難熔、低密度的巖石圈地幔，而交代作用則導致相反的結(jié)果(Rudnick and Fountain, 1995)。在地幔演化過程中，交代作用是虧損巖石圈地幔再富集的主要方式(Griffinetal., 2009; Tangetal., 2013)，也是使穩(wěn)定難熔巖石圈地幔發(fā)生再造的重要前提條件(Liuetal., 2021a)，故地幔交代作用的研究對認識巖石圈地幔的形成和演化具有重要作用。地幔交代作用依據(jù)有無新生礦物的生成及化學成分的變化被劃分為顯性交代、隱性交代及隱含交代，而交代介質(zhì)一般包含硅酸鹽熔體、碳酸鹽熔體及富水流體(Zong and Liu, 2018)。全球大多數(shù)地區(qū)的巖石圈地幔自形成以來普遍經(jīng)歷了多期次、不同來源的熔/流體交代作用。而隨著分析技術(shù)的進步，橄欖巖原位主/微量及同位素的研究在地幔交代作用類型、交代介質(zhì)來源的判別及交代期次的詳細劃分上具有重要貢獻。

塔里木克拉通作為中國西部最大的克拉通，新元古代至古生代期間經(jīng)歷多階段大洋俯沖，之后受早二疊世地幔柱事件影響(Zhangetal., 2013; Liuetal., 2014; Xuetal., 2014; Geetal., 2016) (圖1)。塔里木克拉通對這些事件的淺層響應(包括地殼變形、巖漿作用和成礦作用)已得到廣泛研究和論證(Tianetal., 2010; Xuetal., 2014; Heetal., 2016)。與之相反，由于地幔包體的缺乏，有關(guān)地幔過程的研究較少，僅有克拉通西北緣托云、西克爾橄欖巖包體的報道揭示該區(qū)域相對飽滿的地幔屬性(Zhengetal., 2006; Chenetal., 2014)。因而，出露于這種構(gòu)造背景下的地幔包體的研究對于揭示陸下巖石圈地幔響應特定地球動力學事件的過程至關(guān)重要。巖石圈地幔在多階段俯沖和地幔柱活動背景下是如何演化的仍需進一步的研究探討。本文擬通過對西克爾地區(qū)新生代堿性玄武巖中橄欖巖包體的原位礦物主量元素、單斜輝石微量元素及Sr同位素的研究，揭示塔里木西北緣巖石圈地幔多期次的改造和交代作用。

圖1 塔里木克拉通大地構(gòu)造位置(a)及顯示新生代玄武巖及其捕虜體出露點的區(qū)域地質(zhì)簡圖(b) (據(jù)Lu et al., 2008; Ren et al., 2020; Liu et al., 2021b修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Tarim Craton (a) and sketch geological map of the studied area showing the locations of Cenozoic basalts with xenoliths (modified after Lu et al., 2008; Ren et al., 2020; Liu et al., 2021b)

1 地質(zhì)背景與巖相學特征

塔里木盆地是一個在太古代至元古代古老變質(zhì)基底上發(fā)育起來的斷陷型克拉通盆地，出露的最古老的大陸地殼為始太古代(Longetal., 2010; Geetal., 2018)。其北緣毗鄰中亞造山帶，可從該帶出露的新元古代至早古生代蛇綠混雜巖、弧狀侵入體及高級變質(zhì)巖等巖石單元中識別出兩次向南的俯沖事件(Zhangetal., 2013; Geetal., 2016)。顯生宙以來，塔里木主要發(fā)育早二疊世和新生代兩期巖漿活動，其中二疊紀巖漿活動復雜、規(guī)模巨大且持續(xù)時間長，被認為是大火成巖省(Yangetal., 2013; Liuetal., 2014; Xuetal., 2014)。而新生代巖漿作用規(guī)模相對較小，僅在盆地南北兩側(cè)零星分布，在空間上位于裂谷帶或大型走滑斷裂附近，該時期巖漿作用和斷裂的形成均被認為是新生代印度-歐亞碰撞的遠程效應(圖1)。塔里木西北緣自盆地內(nèi)部到西南天山造山帶多處出露新生代玄武巖，包括西克爾、皮羌及托云等，且均含有麻粒巖、橄欖巖等深源包體(Zhengetal., 2006; 陳咪咪等, 2008; 李德東等, 2009; Chenetal., 2011)。塔里木西北緣新生代玄武巖主要為堿性玄武巖，SiO2含量介于42%～49%，全堿含量(K2O+Na2O)多大于4%，具有洋島玄武巖的微量元素特征(王彥斌等, 2000; 徐學義等, 2003; 李德東等, 2009; Wangetal., 2022)，噴發(fā)時代變化于20～48Ma(西克爾：～22Ma，陳咪咪等, 2008；皮羌：～46Ma，李德東等, 2009；托云：～48Ma，王彥斌等, 2000和徐學義等, 2003)。

表1 西克爾二輝橄欖巖橄欖巖主要成分特征

本文對西克爾堿性玄武巖中尖晶石相二輝橄欖巖包體(77°22′28″E、39°49′25″N)開展了研究。這些包體整體呈現(xiàn)原生粒狀至殘碎斑狀結(jié)構(gòu)，粒徑0.5～1.5cm。依據(jù)巖相和礦物化學特征這些包體可劃分為三個大類，其中不同組別的巖相學特征表述如下。A組二輝橄欖巖橄欖石含量(57%～65%)相對其他組別較高，單斜輝石含量在13%～20%之間(表1)。其中，單斜輝石以呈現(xiàn)海綿邊結(jié)構(gòu)為主要特征(圖2c, d)。盡管包體被滲透熔體脈體穿切，但與寄主巖交界處呈現(xiàn)淬冷邊結(jié)構(gòu)(圖2a-d)。更精細的巖相學特征可將A組橄欖巖作進一步劃分。A1亞組樣品熔體通道發(fā)育更加成熟，它們沿礦物顆粒邊界分布，與橄欖石和斜方輝石接觸邊界清晰，然而通道旁的單斜輝石往往海綿邊結(jié)構(gòu)更加成熟(圖2a, c)。A2亞組樣品中熔體通道較細，內(nèi)部少有礦物結(jié)晶，單斜輝石海綿邊與其無空間上的相關(guān)性(圖2d)。B、C組二輝橄欖巖單斜輝石含量相對較高(19%～22%)，其中，B組樣品礦物顆粒邊界清晰，可觀察到橄欖石三聯(lián)點結(jié)構(gòu)，指示平衡狀態(tài)(圖2e)。但與寄主巖交界處呈現(xiàn)一定的反應結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為單斜輝石反應邊結(jié)構(gòu)及斜方輝石被單斜輝石與橄欖石替代的現(xiàn)象(圖2f、圖3)。C組橄欖巖整體表現(xiàn)出與B組相似的巖相學特征(圖2g, h)。

圖2 西克爾橄欖巖包體的代表性背散射電子顯微圖(a) A1亞組二輝橄欖巖中的熔體通道；(b) A1亞組二輝橄欖巖與其宿主玄武巖之間的淬冷截然分界；(c) A1亞組二輝橄欖巖中單斜輝石(Cpx)海綿邊結(jié)構(gòu)(靠近熔體通道)；(d) A2亞組二輝橄欖巖中Cpx海綿邊結(jié)構(gòu)；(e) B組二輝橄欖巖中橄欖石(Ol)的三聯(lián)點結(jié)構(gòu)；(f) B組二輝橄欖巖中Cpx反應邊結(jié)構(gòu)；(g)富含尖晶石(Sp)的C組二輝橄欖巖；(h) C組二輝橄欖巖中斜方輝石(Opx)的邊緣部分被Ol和Cpx取代Fig.2 Representative backscattered electron micrographs of the Xikeer peridotite xenoliths(a) melt canal in sub-group A1 lherzolite; (b) quenching boundary between sub-group A1 and host basalt; (c) spongy rim of clinopyroxenes (Cpx) near melt canal from sub-group A1; (d) spongy rim of Cpx from sub-group A2; (e) triple-junction points of olivines (Ol) in Group B lherzolite; (f) reaction rim of Cpx from Group B; (g) Group C with high modal spinels (Sp); (h) Group C orthopyroxenes (Opx) partially replaced by Ol and Cpx on the rim

圖3 西克爾橄欖巖包體中單斜輝石反應邊的成分面掃圖Fig.3 Compositional mapping of Cpx with reaction rim from the Xikeer peridotites

2 分析方法

本次研究對西克爾橄欖巖包體進行了礦物(Ol、Opx、Cpx、Sp)主量元素、Cpx微量元素及Sr同位素分析，相關(guān)測試均在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成。

礦物主量元素成分分析使用備有4道波譜儀的JEOL JXA-8230電子探針測試完成。實驗電壓設定為15kV，電流為20nA，分析束斑為5μm，Si、Al、Cr、Fe、Mg、Ca和K元素特征峰的測量時間為10s，Ti、Mn、Na和Ni元素特征峰的測量時間為20s，上下背景的測量時間分別是峰測量時間的一半。X-射線強度使用ZAF校正法進行校正。SPI標準礦物作為實驗標樣，詳細實驗條件描述見Ningetal. (2019)。

單斜輝石微區(qū)原位微量元素含量使用LA-ICP-MS完成，詳細的儀器參數(shù)和分析流程見Zongetal. (2017)。GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193nm準分子激光器和MicroLas光學系統(tǒng)組成，ICP-MS型號為Agilent 7700e。數(shù)據(jù)處理中采用玻璃標準物質(zhì)BHVO-2G、BCR-2G和BIR-1G進行多外標無內(nèi)標校正，數(shù)據(jù)的離線處理采用軟件ICPMSDataCal (Liuetal., 2008)完成。

微區(qū)單斜輝石Sr同位素比值測試使用LA-MC-ICP-MS完成，激光剝蝕系統(tǒng)為Geolas HD，MC-ICP-MS為Neptune Plus。8個法拉第杯被同時用于接收Kr、Rb、Er++、Yb++和Sr的離子信號，分析束斑為120μm，激光剝蝕速率為10Hz，激光能量密度固定在～10.0J/cm2。分析結(jié)果采用“Iso-Compass”進行數(shù)據(jù)處理(Zhangetal., 2020)。Sr同位素干擾校正采用Zhangetal. (2018)的方法。兩個天然單斜輝石標樣，HNB-9 (Sr=～50×10-6)和YY12-01 (Sr=～198×10-6)，作為未知樣品監(jiān)控原位微區(qū)單斜輝石Sr同位素校正方法的可靠性。其測試結(jié)果[HNB08:87Sr/86Sr=0.70383±0.00031 (2SD), n=24; YY12-01:87Sr/86Sr=0.70351±0.00022 (2SD), n=8]與推薦值[HNB08:87Sr/86Sr=0.70385±0.00080 (2SD); YY12-01:87Sr/86Sr=0.70328±0.00103 (2SD)]在誤差范圍內(nèi)一致。

3 測試結(jié)果

3.1 礦物主量元素特征

西克爾橄欖巖中橄欖石Mg#(100×Mg/(Mg+Fetotal)摩爾比)分布于88.2～90.7之間，CaO含量均小于0.1%，且與Mg#之間無明顯相關(guān)性(電子版附表1、圖4a、圖5a)。斜方輝石的Mg#與Al2O3(易熔組分)和Cr2O3(難熔組分)表現(xiàn)出輕微的相關(guān)性(圖5b, c)。相比之下，C組樣品中的橄欖石和斜方輝石均具有顯著低的Mg#(Ol：88.2～88.5；Opx：88.8～89.6)，斜方輝石有較低的Cr2O3含量(0.12%～0.28%)；而A組樣品中橄欖石和斜方輝石具有高的Mg#(Ol：89.6～90.7；Opx：90.2～91.6) (圖5b, c、附表1、附表2)。單斜輝石的Mg#與Al2O3和TiO2之間呈現(xiàn)相對明顯的負相關(guān)關(guān)系(圖5e, f、附表3)。此外，A組單斜輝石海綿邊與其核部存在明顯成分差異。在A1亞組中，單斜輝石海綿邊相對核部具有明顯高的Mg#、CaO但低的Al2O3、Na2O含量。在A2亞組中，單斜輝石海綿邊相對核部具有高的CaO、TiO2但低的Al2O3、Na2O含量，但Mg#的差異并不明顯(圖5d-f)。同一樣品中的尖晶石則具有相對均一的組成，其Cr#(100×Cr/(Cr+Al)摩爾比)分布于10.3～25.3之間(附表4)。

圖4 西克爾橄欖巖礦物含量及其主量元素關(guān)系圖解(a)西克爾橄欖巖中橄欖石Mg#與其含量關(guān)系圖解；(b) 西克爾橄欖巖中尖晶石的 TiO2 vs. Cr#圖解；(c)西克爾橄欖巖中尖晶石Cr#與Mg#關(guān)系圖解. 不同形成時代區(qū)域引自Griffin et al. (1999)；大洋趨勢引自Boyd (1989)；部分熔融趨勢和參數(shù)來源于Xu et al. (2003)和Pearce et al. (2000)；難熔和飽滿橄欖巖的區(qū)域引自Zheng et al. (2001, 2007)Fig.4 Diagrams of mineral content and major elements of the Xikeer peridotites(a) Mg# in Ol vs. olivine modal (%) of the Xikeer peridotite xenoliths; (b) TiO2 vs. Cr# in Sp from the Xikeer peridotite xenoliths; (c) Cr# in Sp vs. Mg# in Sp of the Xikeer peridotite xenoliths. Archean, Proterozoic, and Phanerozoic fields from Griffin et al. (1999); Partial melting trends and parameters from Xu et al. (2003) and Pearce et al. (2000); Oceanic trend after Boyd (1989); Refractory and fertile fields from Zheng et al. (2001, 2007)

3.2 單斜輝石微量元素及Sr同位素特征

西克爾橄欖巖中單斜輝石微量元素成分與Sr同位素組成見附表5和表2，結(jié)果顯示這些單斜輝石呈現(xiàn)多樣的大離子親石元素(LILE)與稀土元素(REE)配分模式(圖6)。A組單斜輝石呈現(xiàn)輕稀土元素(LREE)富集的配分模式，存在Nb、Ta、Zr、Hf與Ti的負異常。A1亞組與A2亞組相比(核部)，元素負異常程度更強烈，且具有更高的87Sr/86Sr (A1：0.70451～0.70485；A2：0.70353～0.70389)。A組海綿邊相對其核部HFSE的虧損程度具有不同程度的降低，但呈現(xiàn)更大的87Sr/86Sr組成范圍(圖6a, b)。B組內(nèi)部均一的單斜輝石呈現(xiàn)與A1亞組相似的微量元素配分和Sr同位素組成，但有較低的Zr/Hf比值；而B組與寄主巖接觸的單斜輝石反應邊無明顯HFSE和Ti的負異常(圖6c, d、圖7)。C組單斜輝石相對A、B兩組具有明顯高的重稀土元素(HREE)含量，且呈現(xiàn)勺型LREE配分模式，富集LILE，具Nb、Ta負異常(圖6c, d)。其Sr同位素組成與A1核部類似，大致接近原始地幔(0.70423～0.70462) (圖8)。

圖6 西克爾橄欖巖中單斜輝石原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖及球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)熔融程度趨勢線引自Raffone et al. (2009)Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element patterns and chondrite-normalized REE patterns for Cpx from the Xikeer peridotite xenoliths (normalization values after Sun and McDonough, 1989)Products of fractional melting of the depleted mantle (gray lines) (Raffone et al., 2009) are also shown for comparison

圖7 西克爾橄欖巖中單斜輝石的(La/Yb)N-Ti/Eu (a)和Zr/Hf-Ti/Eu (b)圖解碳酸鹽和硅酸巖熔體交代作用的特征來源于Coltorti et al. (1999)和Uenver-Thiele et al. (2017)Fig.7 Plots of (La/Yb)N vs.Ti/Eu (a) and Zr/Hf vs. Ti/Eu (b) for Cpx from the Xikeer peridotite xenolithsThe shaded field for carbonatitic metasomatism and silicate metasomatism from Coltorti et al. (1999) and Uenver-Thiele et al. (2017)

圖8 西克爾橄欖巖中單斜輝石的87Sr/86Sr與Sr含量圖解圖中古老富集地幔(EM)、洋中脊玄武巖(MORB)和原始地幔(PM)的Sr同位素組成來源于Zindler and Hart (1986). 圖例與圖7一致Fig.8 87Sr/86Sr vs. Sr content for Cpx from the Xikeer peridotite xenolithsStrontium isotopic compositions of ancient enriched mantle (EM), mid-ocean ridge basalt (MORB), and primitive mantle (PM) are from Zindler and Hart (1986). Legends are the same as in Fig.7

3.3 平衡溫度

使用兩種溫度計來估算西克爾橄欖巖平衡溫度(T)：(1)Brey and K?hler (1990)方法中的斜方輝石鈣含量溫度計(即TBK)；(2)單個單斜輝石中的頑火輝石溫度計(即TNimis; Nimis and Taylor, 2000)。西克爾橄欖巖平衡溫度估算使用礦物核部成分的平均值。由于缺乏可靠的壓力計，在計算過程中我們使用尖晶石相橄欖巖壓力的合理值1.5GPa作為假定壓力(Zibernaetal., 2013)。西克爾橄欖巖TBK與TNimis的計算范圍分別為827～961℃和838～974℃，大多數(shù)TNimis都要高于TBK，這通?？梢酝ㄟ^所使用溫度計的不確定度及輝石對之間的不平衡來解釋，但不同組別樣品使用相同溫度計估算的溫度未呈現(xiàn)明顯差異，表明這些橄欖巖來源深度一致(表1)。

4 討論

4.1 西克爾地區(qū)巖石圈地幔屬性

橄欖巖包體中橄欖石、輝石的Mg#和尖晶石的Cr#隨著部分熔融程度的增高而增高，并伴隨有橄欖石和輝石的Al、Ni等元素的含量特征變化，是橄欖巖部分熔融過程中強有力的指標參數(shù)。西克爾橄欖巖中斜方輝石的Mg#與Al2O3、Cr2O3的含量具有一定的相關(guān)關(guān)系，且大部分尖晶石Cr#和TiO2含量未明顯偏離尖晶石部分熔融曲線(圖4b、圖5b, c)，這說明西克爾橄欖巖的形成主要受控于部分熔融作用。采用Batanovaetal. (1998)的方法進行計算，西克爾橄欖巖經(jīng)歷了<15%的熔體抽取(表1)。此外，這些橄欖巖中橄欖石Mg#主要分布于88.2～90.7之間，斜方輝石和單斜輝石具有相對較高的Al2O3含量，指示低部分熔融程度下形成的過渡型至飽滿型地幔。其中A組二輝橄欖巖具有比B、C組更高的橄欖石、輝石Mg#及更高的尖晶石Cr#，顯示更難熔的特征，可能代表了該地區(qū)地幔最原始的組分(圖4a-c、圖5)。而C組二輝橄欖巖尖晶石在具有低Cr#的同時，部分尖晶石具有明顯高的TiO2含量，偏離了尖晶石熔融曲線，指示了后期熔巖反應的過程(圖4b)。

Re-Os同位素體系是現(xiàn)今地幔橄欖巖研究中最有效的地質(zhì)年代計(Walkeretal., 1989)，前人在該地區(qū)利用Re-Os同位素體系計算出地幔橄欖巖合理的tRD模式年齡分布于699～318Ma之間(Chenetal., 2014)。與此同時，西克爾地幔輝石巖與橄欖巖Re-Os同位素給出290±11Ma的等時線年齡，這與塔里木地幔柱活動的時間相一致，故該研究提出西克爾巖石圈地幔于早二疊世經(jīng)歷了與塔里木地幔柱相關(guān)的年輕對流地幔的熔體抽取(Chenetal., 2014)。文中我們依據(jù)橄欖石Mg#和含量去大致判斷橄欖巖的形成年齡(Griffinetal., 1999)，在上述指標的協(xié)變圖解中，A組橄欖巖更傾向分布于元古代的范圍，而B、C組則投入顯生宙的區(qū)域(圖4a)，這與前人在該地區(qū)利用Re-Os同位素體系計算的模式年齡(699～318Ma)相吻合(Chenetal., 2014)。綜上，我們認為本文中西克爾A組二輝橄欖巖代表了形成于約新元古代(地幔柱活動前)過渡型巖石圈地幔，B、C組二輝橄欖巖則代表了形成于顯生宙飽滿的巖石圈地幔。

4.2 西克爾地區(qū)地幔多期次交代

交代作用是虧損巖石圈地幔再富集的主要方式，也是使克拉通巖石圈地幔根穩(wěn)定性降低從而發(fā)生再造的先決條件，甚至可能導致克拉通破壞，因此在巖石圈地幔演化過程中具有重要意義(Griffinetal., 2009; 張宏福，2009; Tangetal., 2013; Liuetal., 2021a)。西克爾橄欖巖中礦物的各類不平衡結(jié)構(gòu)及單斜輝石富集且多變的不相容元素組成表明他們經(jīng)歷了多期次的交代作用(圖2、圖6)，主要包括早期深部軟流圈來源及與俯沖相關(guān)的碳酸鹽交代，晚期硅酸鹽熔體交代及后期的熔體流體改造事件。

4.2.1 早期碳酸鹽熔體交代

A組二輝橄欖巖中單斜輝石核部具有LREE富集、HFSE虧損，且高(La/Yb)N但低Ti/Eu值的特征，這是典型碳酸鹽熔體交代的現(xiàn)象(圖6a-b、圖7a)。因為相對硅酸鹽體系，在碳酸鹽熔體中，Ti的分配系數(shù)低，且REE與HFSE分餾現(xiàn)象更為明顯(Rudnicketal., 1993; Yaxleyetal., 1998)。碳酸鹽熔體一般來源于深部軟流圈或與俯沖相關(guān)的循環(huán)沉積碳酸鹽等，其中循環(huán)沉積碳酸鹽會因俯沖過程中脫水、加壓等過程導致Nb、Ta、Zr、Hf等元素的強烈負異常及放射性成因Sr的大量上升；而軟流圈來源的碳酸鹽熔體一般以低的87Sr/86Sr及無強烈Nb、Ta負異常為特征而與前者區(qū)分(Kogisoetal., 1997; Harmer and Gittins, 1998; Workman and Hart, 2005; Liuetal., 2015; 劉曉寒等, 2019)。A1亞組單斜輝石核部極度虧損的HFSE，加之高于原始地幔的87Sr/86Sr值(0.70451～0.70485)，指示了俯沖相關(guān)循環(huán)沉積碳酸鹽來源的交代作用(圖6a、圖8)。相較之下，A2亞組單斜輝石核部輕微的Nb、Ta、Zr、Hf負異常及介于虧損地幔與原始地幔之間的Sr同位素組成(70353～0.70389)則歸因于深部軟流圈來源的碳酸鹽熔體交代(圖6a、圖8)。A組二輝橄欖巖的礦物組成與主量元素指示其代表未受塔里木早二疊世地幔柱影響的原始過渡型巖石圈地幔。其中，A1亞組橄欖巖經(jīng)歷來自俯沖相關(guān)的循環(huán)沉積碳酸鹽交代的解釋與塔里木西北緣存在新元古代和早古生代兩次南向俯沖事件的構(gòu)造背景相一致(Zhangetal., 2013; Geetal., 2016)。

4.2.2 晚期硅酸鹽熔體交代

B組二輝橄欖巖中單斜輝石表現(xiàn)出與A1亞組單斜輝石核部極度一致的微量元素配分模式、Sr含量及同位素組成，即HFSE虧損，(La/Yb)N值高但Ti/Eu值低，符合俯沖過程中產(chǎn)生的碳酸鹽熔體交代的特征，然而其Zr、Hf在微量元素配分模式中呈現(xiàn)極度一致的左傾趨勢從而使其與A1亞組單斜輝石相區(qū)分(圖6a, b、圖7、圖8)。由于Zr、Hf具有相似的離子半徑及電荷，故有相似的化學行為，通常不會發(fā)生顯著分餾(Jochumetal., 1989)。然在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，與碳酸鹽熔體平衡的單斜輝石一般具有高的Zr/Hf值(>38)(Rudnicketal., 1993; Yaxleyetal., 1998; Dengetal., 2017)。這與整體呈現(xiàn)出碳酸鹽交代特征的B組單斜輝石低的Zr/Hf相悖，最好的解釋是B組經(jīng)歷了含碳酸鹽成分的硅酸鹽熔體交代。結(jié)合B組單斜輝石微量元素與Sr同位素表現(xiàn)出的與俯沖來源碳酸鹽的相關(guān)性，我們認為B組經(jīng)歷了含碳酸質(zhì)成分的蝕變洋殼部分熔融產(chǎn)生的富CO2的硅酸鹽熔體交代。B組二輝橄欖巖代表了塔里木早二疊世地幔柱引發(fā)的年輕地幔對流而形成的飽滿型巖石圈地幔，因此其經(jīng)歷的交代作用應晚于早二疊世。盡管南天山洋的最終閉合發(fā)生在310～285Ma，但該時期的南天山洋為北向俯沖，俯沖洋殼位于塔里木西北側(cè)哈薩克斯坦地塊之下，故交代B組的富CO2硅酸鹽熔體并非該時期俯沖洋殼熔融產(chǎn)生，應歸因于更早的早古生代至晚古生代期間南天山洋南向俯沖洋殼的熔融(Wangetal., 2018; Zhaoetal., 2018)。塔里木西北緣新生代玄武巖的研究也表明這些巖漿源區(qū)存在俯沖再循環(huán)洋殼物質(zhì)，這揭示了再循環(huán)物質(zhì)在塔里木西北緣地幔域的長期存在(Wangetal., 2022)。綜上，我們認為塔里木西北緣新元古代至早古生代含碳酸質(zhì)的俯沖洋殼滯留在深部地幔，其熔融產(chǎn)生了富CO2的硅酸鹽熔體并交代上覆飽滿巖石圈地幔。

C組二輝橄欖巖尖晶石主量元素組成偏離熔融曲線，單斜輝石也呈現(xiàn)高TiO2及Al2O3含量，指示了熔巖反應的成因模式(圖4b、圖5d-f)。這些單斜輝石微量元素上其高含量的HREE也佐證了這個觀點(圖6c, d)，然而單一熔巖反應成因的橄欖巖單斜輝石在富集HREE的同時，LREE、MREE同樣也是富集的，稀土整體呈現(xiàn)右傾的模式，這與C組單斜輝石顯示出的勺型REE配分模式并不相符。所以，C組橄欖巖的形成是熔巖反應后疊加熔融的過程。而其單斜輝石所呈現(xiàn)的獨特勺型REE配分模式，在層析柱理論中解釋為遠離熔體源區(qū)的小體積熔體的孔隙滲流(Navon and Stolper, 1987)。從C組單斜輝石微量元素低(La/Yb)N、Zr/Hf值，但高Ti/Eu值的特征上看，這類小體積熔體應是區(qū)別于碳酸鹽的硅酸鹽熔體。然而，C組單斜輝石仍呈現(xiàn)出Nb、Ta、Zr、Hf的負異常(圖6c, d、圖7)，其經(jīng)歷了富水硅酸鹽熔體交代。

4.3 后期改造事件

西克爾二輝橄欖巖除上述交代作用外還記錄了幾期發(fā)生在他們被玄武巖攜帶至地表過程中或此前不久所發(fā)生的橄欖巖改造事件。因為單斜輝石海綿邊、反應邊等不平衡結(jié)構(gòu)在高溫的環(huán)境下并不能長時間保存(圖2)。

其中，海綿邊結(jié)構(gòu)通常形成于橄欖巖上升過程中的原位減壓熔融、熔流體滲透或熔體橄欖巖反應(Carpenteretal., 2002; Shawetal., 2006; Suetal., 2011)。盡管A1亞組二輝橄欖巖單斜輝石海綿邊存在Al2O3含量降低、Mg#升高這些指示熔融的現(xiàn)象，但其CaO含量上升、微量元素及Sr同位素組成表現(xiàn)出與核部不一致的結(jié)果，這些特征并不能通過減壓熔融去解釋(圖5d-f、圖6a, b、圖8)。A1亞組單斜輝石海綿邊相對核部輕微虧損HFSE，呈現(xiàn)較低Ti/Eu、Zr/Hf的特征依然歸因于含碳酸質(zhì)熔體交代(圖6a, b、圖7)。因此，結(jié)合CaO含量的升高，Mg#上升和Al2O3含量下降這兩者看似指示熔融程度升高的指標亦可歸因于含碳酸鹽質(zhì)熔體交代，因為碳酸鹽熔體交代會造成單斜輝石Mg#上升且富Ca和低Al的特征(Rudnicketal., 1993; Yaxleyetal., 1998)。此外，A1亞組單斜輝石海綿邊87Sr/86Sr明顯高于核部，分布于古老富集地幔范圍內(nèi)，進一步否定了A1亞組單斜輝石海綿邊原位熔融的成因模式(圖8)。A2亞組單斜輝石海綿邊的結(jié)構(gòu)及成分特征略區(qū)別于A1亞組單斜輝石海綿邊。首先，在巖相學方面，A1亞組海綿邊臨近熔體通道發(fā)育，而A2亞組并非如此(圖2c, d)；其次，盡管同A1亞組一樣，A2亞組單斜輝石海綿邊呈現(xiàn)Al2O3含量降低、CaO含量上升的特征，但并沒有明顯Mg#的上升(圖5d-f)；再者，A2亞組單斜輝石海綿邊Sr同位素的組成與含量均異常分散(圖8)。綜上，我們認為A組二輝橄欖巖在被玄武巖攜帶至地表前不久或過程中經(jīng)歷了兩種不同含碳酸質(zhì)熔體引發(fā)的不一致熔融，從而形成現(xiàn)今可觀察到的單斜輝石海綿邊結(jié)構(gòu)。

除單斜輝石海綿邊結(jié)構(gòu)外，B、C組二輝橄欖巖與寄主玄武巖交界處的單斜輝石反應邊和被單斜輝石與橄欖石替代的斜方輝石都清晰地展現(xiàn)了西克爾橄欖巖在其上升過程中被寄主玄武巖熔體的改造過程。西克爾新生代玄武巖為堿性硅不飽和玄武質(zhì)熔體(Chenetal., 2011)，單斜輝石反應邊主量元素特征顯示了在寄主玄武巖影響下，單斜輝石Si、Mg、Na含量降低但Fe、Ca、Al及Ti含量上升的反應過程(圖2f、圖3、附表3)。而斜方輝石被替代的巖相學特征與實驗巖石學中橄欖巖與硅不飽和熔體反應消耗斜方輝石形成單斜輝石和橄欖石的反應過程相一致(圖2h) (Yaxleyetal., 1991; Shawetal., 2018)。

5 結(jié)論

(1)西克爾橄欖巖主要為尖晶石相二輝橄欖巖，代表了新元古代至顯生宙的過渡至飽滿型巖石圈地幔；

(2)西克爾橄欖巖單斜輝石富集且多樣的微量元素配分模式及Sr同位素組成特征揭示了西克爾陸下巖石圈地幔經(jīng)歷了與洋殼俯沖相關(guān)的循環(huán)碳酸鹽和富CO2硅酸鹽交代、深部軟流圈來源的碳酸鹽交代及富水硅酸鹽交代；橄欖巖中礦物的核邊結(jié)構(gòu)及成分組成差異則揭示了西克爾橄欖巖包體在玄武巖將其攜帶至地表過程中及其前不久經(jīng)歷了不同類型碳酸鹽熔體滲透引發(fā)的單斜輝石不一致熔融及寄主玄武巖漿與單斜輝石和斜方輝石間的熔體-橄欖巖反應；

(3)塔里木西北緣長期多階段的洋殼俯沖和大規(guī)模地幔柱活動導致的多階段地幔改造與交代是區(qū)域巖石圈地幔不均一的根本原因。

致謝感謝本期組稿專家湯艷杰研究員的大力支持；感謝兩位匿名專家認真評閱論文并提出了許多寶貴意見和建議，極大提高了文稿的質(zhì)量。