內(nèi)蒙朝克山輝長巖中單斜輝石礦物化學特征及地質(zhì)意義

張永玲，張治國，*，劉希軍，田昊，李得超，肖讓，肖堯

（1.河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000；2.桂林理工大學，廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產(chǎn)資源研究中心，新疆 烏魯木齊 830011）

蛇綠巖通常被認為是構(gòu)造侵位于大陸邊緣造山帶或陸緣的非原地的上地幔和已消失的古大洋地殼的巖石碎片，它是研究人員研究古洋盆和造山帶構(gòu)造演化、恢復和重建區(qū)域地質(zhì)演化過程的最佳樣品（Pearce et al.，1984；臧遇時等，2013；楊劍洲等，2019；Liu et al.，2020，2021）。中亞造山帶（Central Asian Orogenic Belt）是古亞洲洋經(jīng)歷早新元古代的裂解、古生代的俯沖增生拼貼以及晚古生代碰撞閉合造山而形成的世界最大的增生型造山帶之一（圖1a）（Windley et al.，2007；Xiao et al.，2009；張治國等，2019；Zhang et al.，2021；張向飛等，2023）。中亞造山帶東段內(nèi)蒙古造山帶內(nèi)部發(fā)育多條不連續(xù)的NE-NEE向蛇綠巖帶、從北向南依次為二連浩特-賀根山蛇綠巖帶、交其爾-錫林浩特蛇綠巖帶、索倫-林西蛇綠巖帶和溫都爾廟蛇綠巖帶（圖1b）（張旗等，2001；Miao et al.，2008；黨智財?shù)龋?022）。最北部的二連浩特-賀根山蛇綠巖帶普遍被認為是華北板塊和西伯利亞板塊最后碰撞的縫合線向東延伸的部分（Miao et al.，2008；黃波等，2016），但該蛇綠巖帶形成環(huán)境爭議較大，主要觀點有洋中脊成因（包志偉等，1994；Nozaka et al.，2002）和俯沖帶成因（洋內(nèi)弧后盆地和島弧邊緣盆地）（Li，2006；Miao et al.，2008；王成等，2018）。前人亦對賀根山蛇綠巖帶的鎂鐵質(zhì)巖的巖體野外地質(zhì)特征、巖石學及巖石地球化學特征開展了大量研究（Miao et al.，2008；Jian et al.，2012；Wang et al.，2020；黃波等，2021），但對鎂鐵質(zhì)巖石的礦物學工作還鮮有涉及。

圖1 中亞造山帶主要構(gòu)造單元構(gòu)造圖（a）及研究區(qū)大地構(gòu)造位置示意圖（b）（據(jù)王樹慶等，2008）Fig.1 (a) Tectonic map of the main tectonic units of the Central Asian Orogenic Belt and(b) Geological map showing the tectonic units of study area

單斜輝石是超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖體中較為常見的造巖礦物，其化學成分記錄了巖漿成因、巖漿物理化學條件以及巖漿形成的構(gòu)造環(huán)境等多方面的重要信息（Nisbet et al.，1977；邱家驤，1987；白志民，2000；鄢全樹等，2007；閆紀元等，2014），因而單斜輝石是研究超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖體成因的重要物質(zhì)？筆者對內(nèi)蒙地區(qū)朝克山蛇綠巖中輝長巖中單斜輝石開展了系統(tǒng)的礦物學和礦物地球化學研究，旨在揭示該輝長巖的單斜輝石礦物化學特征，約束其巖漿性質(zhì)、演化過程及其物理化學條件，探討其巖石所屬系列和成因特征，為朝克山蛇綠巖的成因提供約束。

1 地質(zhì)背景和樣品來源

朝克山蛇綠巖地處中亞造山帶東段的內(nèi)蒙-大興安嶺造山帶，屬于二連浩特-賀根山蛇綠巖帶的一部分（圖1b）。朝克山蛇綠巖帶出露面積約為100 km2，以構(gòu)造混雜狀產(chǎn)出為主，巖石層序不完整，主要由蛇紋石化的超鎂鐵質(zhì)巖、火成堆晶結(jié)構(gòu)的塊狀輝長巖、輝綠巖墻及深海沉積物等組成。圍巖主要為晚侏羅世—早白堊世的基性和酸性火山巖、二疊紀—白堊紀基性和中酸性侵入體（黃波等，2021）。蛇綠巖單元由蛇紋石化方輝橄欖巖、二輝橄欖巖、層狀和塊狀輝長巖、輝綠巖、輝綠巖墻（脈）、斜長花崗巖、基性熔巖和硅質(zhì)巖組成（圖2、圖3a、圖3b）。

圖2 朝克山地區(qū)地質(zhì)簡圖（據(jù)王樹慶等，2008）Fig.2 Geological sketch of the Chaokeshan region

圖3 朝克山地區(qū)輝長巖的野外露頭（a～b）、顯微照片（d～f）及單斜輝石環(huán)帶結(jié)構(gòu)背散電子圖（g～h）Fig.3 (a-b) Outcrop images,(d-f) Representative photomicrographs and (g-h) the backscattered electronicimages of the clinopyroxenes’ ring-band structure of the Chaokeshan gabbro

文中輝長巖樣品采集于朝克山西南及北部。輝長巖呈輝長結(jié)構(gòu)，交代假象結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要造巖礦物為輝石、斜長石、角閃石、黑云母、磁鐵礦、鈦鐵礦和磷灰石等，蝕變礦物為絹云母、綠簾石、綠泥石（Chl）等組成（圖3c～圖3f）。輝石呈自形、柱狀，無色，輝石解理，主要為單斜輝石中的普通輝石，解理彎曲變形，主要粒徑為0.5～2 mm，含量約為30%。斜長石呈半自形、柱狀，強烈的蝕變?yōu)楦邘X石、方柱石等礦物的集合體，輕微的蝕變?yōu)榻佋颇富?、綠簾石化，與輝石呈輝長結(jié)構(gòu)、嵌晶含長結(jié)構(gòu)，主要粒徑為0.2～2 mm，部分粒徑為2～5 mm，含量約為55%。角閃石呈自形，柱狀，淺綠-褐色，閃石解理，部分在輝石邊部呈反應邊，粒徑為0.2～2 mm，部分粒徑為2～5 mm，含量約為12%。黑云母呈他形、片狀，強烈的綠泥石化，保留其特征殘留，粒徑為0.2～0.5 mm，含量約為2%。副礦物主要為磁鐵礦、鈦鐵礦，磷灰石等，粒徑為0.1～1 mm。在電子背散射圖像中，單斜輝石顆粒具有無環(huán)帶的特征（圖3g～圖3h）。

2 分析方法

礦物主量元素分析、原位微量元素分析，以及全巖樣品的主量元素分析均在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室完成。

2.1 電子探針單礦物主量元素分析

礦物主量元素分析所用的儀器為：JEOLJXA8230型電子探針（EPMA）。分析前用透反射偏光顯微鏡（NIKONECLIPSE50iPOL）鏡觀察電子探針片并標記待分析的礦物顆粒。儀器分析條件為：加速電壓為15 kV，束流為20 nA，束斑直徑為5 μm，使用ZAF 法校正處理。礦物主量元素的詳細操作流程以及分析方法參見Huang 等（2007）。

2.2 單礦物原位微量元素分析

原位微量元素分析所用的的儀器為：ICP-MS 為Agilent 7 500 型四級桿質(zhì)譜儀。進樣系統(tǒng)為GeoLas HD 193 nm ArF 準分子激光剝蝕系統(tǒng)。測試分析方法同單礦物鋯石LA-ICP MS 鋯石U-Pb 定年，礦物微量元素的詳細操作流程以及分析方法參見Liu 等（2010）。

3 地球化學特征

3.1 礦物主量元素

朝克山輝長巖中單斜輝石電子探針分析結(jié)果見表1。朝克山單斜輝石SiO2含量為50.75%～52.99%，TiO2含量為0.27%～0.86%，F(xiàn)eO*含量為5.08%～9.69%，MgO 含量為13.13%～15.81%，Mg#值為71～84（Mg#=molar Mg/[Mg +Fe2+] × 100；Mg 和Fe2+均為原子數(shù)），Na2O 含量為0.26%～0.43%，CaO 含量為21.50%～24.39%和Al2O3含量為2.03%～3.77%。根據(jù)Morimoto（1988）提出的輝石分類命名方案，朝克山單斜輝石均位于Q-J 圖解（Q=Ca+Mg+Fe2+，J=2Na+）的Ca-Mg-Fe 區(qū)域內(nèi)（圖4a）。它們的En（100 × Mg/[Mg +Ca+Fe]）、Wo（100 × Ca/[Mg+Ca+Fe]）和Fs（100 ×Fe/[Mg+Ca+Fe]）（各元素均為原子數(shù)）值分別為39～45、45～51 和8～16，在En-Wo-Fs 三元圖解中落在透輝石范圍內(nèi)（圖4b）。

表1 朝克山輝長巖的單斜輝石的主量元素組成分析結(jié)果表（%）Tab.1 Major element compositions (%) of clinopyroxene in Chaokeshan gabbro

圖4 朝克山蛇綠巖中輝長巖的單斜輝石圖解（據(jù)Mahoney et al.，1998）Fig.4 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

3.2 礦物微量元素

朝克山輝長巖中單斜輝石微量結(jié)果見表2。稀土總含量（ΣREE 含量）為53.53×10-6～94.83×10-6，稀土元素球粒隕石標準化REE 配分模式（圖5a）表現(xiàn)為輕稀土元素虧損（[La/Sm]N=0.12～0.22），重稀土元素平坦（[Gd/Yb]N=0.83～1.33），無明顯Eu 異常（Eu/Eu*=EuN/ [LaN*SmN]1/2=0.78～1.09），表明原始巖漿在演化過程中經(jīng)歷了程度微弱的斜長石分離結(jié)晶作用。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖中（圖5b），所有樣品顯示大離子親石元素（LILE）相對富集，高場強元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf、Ti 相對虧損，與俯沖帶巖漿地球化學特征一致。

表2 朝克山輝長巖的單斜輝石的微量元素數(shù)據(jù)表（10-6）Tab.2 Trace element compositions of clinopyroxene in gabbro from the Chaokeshan(10-6)

圖5 朝克山蛇綠巖中輝長巖的單斜輝石REE 球粒隕石標準化圖(a)和不相容元素原始地幔標準化圖解(b)Fig.5 (a) Chondrite-normalized rare earth element (REE) and (b) primitive mantle-normalized multi-element variation patterns for clinopyroxenes within the gabbroic rocks from the Chaokeshan ophiolitic

4 討論

4.1 單斜輝石的演化

根據(jù)礦物和地球化學組成特征，火成巖中單斜輝石的組成變化可以很好地記錄母巖漿初始組成的差異，主要由巨晶單斜輝石、堆積巖中的單斜輝石和斑晶-微晶單斜輝石3 種類型，它們具有不同來源深度和成分（Nisbet et al.，1977）。單斜輝石中的Al 的配位與溫壓關(guān)系密切，具有特殊意義。即高溫低壓條件下有利于Al 在四次配位中代替Si，而低溫高壓條件下有利于Al 在六次配位中代替其他陽離子。巖漿結(jié)晶分異的演化過程，由地幔到地殼，伴隨高溫向低溫或高壓向低壓變化，是Al 由六次配位向四次配位轉(zhuǎn)化的過程（陳光遠等，1987）。根據(jù)AlⅥ/AlⅣ可以定性衡量單斜輝石的結(jié)晶壓力（Aoki et al.，1968；Thompson，1974；Wass，1979），劃分不同壓力下形成的單斜輝石（Aoki et al.，1973）。在AlⅥ-AlⅣ圖中（圖6a），所有單斜輝石中AlⅥ變化范圍為0.18～0.23，AlⅣ變化范圍為0.18～0.23；AlⅥ/AlⅣ變化范圍為0.18～0.23，單斜輝石主要落在玄武巖包體中的單斜輝石區(qū)域內(nèi)，表明該套巖石形成于相對高溫低壓環(huán)境（Sherafat et al.，2012）。此外，單斜輝石具有相對高Si、低Al 的特征，單斜輝石在Si-Al 圖中（圖6b）均落入堿性或拉斑玄武巖中輝石斑晶區(qū)域。

圖6 朝克山蛇綠巖中輝長巖的單斜輝石圖解（據(jù)Aoki et al.，1973；邱家驤等，1996）Fig.6 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

火成巖中單斜輝石的Si 與Al 具有互不相容性，故其組合能反映其母巖漿性質(zhì)（Le Bas，1962）。來自SiO2不飽和堿性玄武質(zhì)巖漿中的單斜輝石，其四面體中Si 的含量較低，而Al 的含量較高，相反過飽和的拉斑玄武質(zhì)巖漿中結(jié)晶出的單斜輝石，其四面體中Si 的含量較高，而Al 的含量較低（Kushiro，1960）。透輝石中Al2O3的含量通常為1%～3%（賴紹聰?shù)龋?005）。本研究區(qū)的單斜輝石具有相對高的Al2O3（2.03%～3.77 %）含量和較低的SiO2(50.75%～52.99%)，與不飽和堿性巖漿系列具有明顯的對應關(guān)系。在Al2O3-SiO2圖中（圖7a），樣品全部落入亞堿性巖區(qū)域，暗示其母巖漿可能為亞堿性巖漿。同時在Ti-（Ca+Na）圖中（圖7b），除樣品（CKS-08-06）為拉斑玄武系列，其余均屬于堿性玄武系列。綜上所述，朝克山巖體的母巖漿可能為亞堿性的拉斑玄武質(zhì)巖漿向堿性玄武質(zhì)巖漿演化的趨勢。

圖7 朝克山蛇綠巖中輝長巖的單斜輝石圖解（據(jù)邱家驤等，1996）Fig.7 Compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

4.2 單斜輝石結(jié)晶溫度和壓力

確定單斜輝石與寄主巖石是否達到平衡，可由單斜輝石與熔體間的Fe-Mg 分配系數(shù)也可用來探討斑晶是否與全巖Mg#值平衡（Streck,2005）。該分配系數(shù)計算如下：KD（Fe-Mg）cpx-melt=（FeO/MgO）cpx/（FeO/MgO）melt。朝克山輝長巖中的單斜輝石斑晶與熔體之間的Fe-Mg 分配系數(shù)計算結(jié)果見表3。眾多學者認為該分配系數(shù)為0.2～0.4 時即可視為達到了平衡（Irving et al.，1984；Kinzler，1997）。Putirka（2008）通過實驗標定單斜輝石-熔體平衡溫度和壓力計算公式，并測定了KD（Fe-Mg）cpx-melt=0.28±0.08 達到平衡。Putirka（2008）通過實驗標定單斜輝石-熔體之間的平衡溫度和壓力計算了朝克山輝長巖中單斜輝石的溫度和壓力。由計算結(jié)果（表3）可知，雖然4 個樣品（CKS-08-01、CKS-08-02、CKS-08-04 和CKS-08-06）同為朝克山輝長巖，但它們中的單斜輝石結(jié)晶溫度、壓力以及與熔體之間的平衡系數(shù)卻不相同，CKS-08-01輝長巖中的單斜輝石結(jié)晶溫度為1 099～1 184 ℃，與熔體之間的平衡系數(shù)為0.289～0.298，平衡壓力為3.2～5.8 kbar，深度相當于11～19 km，平均值為14 km。CKS-08-02 輝長巖中的單斜輝石結(jié)晶溫度為1 122～1 194 ℃，與熔體之間的平衡系數(shù)為0.292～0.296，平衡壓力為2.8～5.6 kbar，深度相當于9～18 km，平均值為15 km。CKS-08-04 輝長巖中的單斜輝石結(jié)晶溫度為1 169～1 242 ℃，與熔體之間的平衡系數(shù)為0.293～0.299，平衡壓力為2.1～6.4 kbar，深度相當于7～21 km，平均值為14 km。CKS-08-06 輝長巖中的單斜輝石結(jié)晶溫度為1 168～1 193 ℃，與熔體之間的平衡系數(shù)為0.275～0.282，平衡壓力為1.5～5.6 kbar，深度相當于5～18 km，平均值為13 km。所有輝長巖樣品中的單斜輝石與熔體達到了平衡，且所有輝長巖中單斜輝石-熔體平衡深度相似。單斜輝石結(jié)晶溫度較高，深度變化區(qū)間較大，輝石結(jié)晶深度（5～21 km）明顯大于大洋地殼的平均厚度（5～6 km），反映了明顯的深源特征。

表3 單斜輝石-熔體平衡溫度、壓力、深度及其與全巖之間Fe-Mg 分配系數(shù)表Tab.3 Temperature,pressure,depth of monoclinopyroxene melt equilibrium and Fe-Mg distribution coefficient with the whole rock

4.3 單斜輝石形成的構(gòu)造環(huán)境

前人對賀根山蛇綠巖帶從鎂鐵質(zhì)侵入巖和火山巖巖石化學和沉積巖及巖石組合角度已做過詳細的工作，但是對朝克山研究甚少。王樹慶等（2008）對朝克山蛇綠巖的全巖進行地球化學和同位素研究，從稀土配分模式上看，主要顯示為LREE 的虧損，類似于大洋中脊玄武巖（MORB）的特征。N-MORB 標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖上顯示富集LILEs、高場強元素（HFSE）Nb 和Ta 相對虧損，與島弧地球化學特征一致。蛇綠巖基性單元的同位素特征具有正的εNd（t）值（+8.4～+9.7），表明它們來自虧損地幔源區(qū)。文中朝克山輝長巖中的單斜輝石在球粒隕石標準化REE 配分圖上表現(xiàn)為輕稀土元素虧損，重稀土元素平坦，無明顯Eu 異常，類似于大洋中脊玄武巖（N-MORB）的特征。微量元素原始地幔標準化配分圖顯示大離子親石元素（LILE）相對富集，高場強元素（HFSE）Nb、Ta、Zr、Hf 和Ti 相對虧損，表明母巖漿形成過程中受到板片俯沖流體的影響，具有弧后盆地玄武巖的特征。在研究區(qū)單斜輝石F1-F2 圖解上（圖8），大多數(shù)樣品落入島弧和洋中脊區(qū)域。朝克山輝長巖中單斜輝石化學成分判定成巖構(gòu)造環(huán)境判別結(jié)果與朝克山輝長巖的成巖構(gòu)造環(huán)境一致。

圖8 朝克山蛇綠巖中輝長巖的單斜輝石在F1-F2 雙因子判別圖解（據(jù)邱家驤等，1987）Fig.8 F1-F2 factor discriminant diagram of compositional variations of Clinopyroxenes in gabbros from the Chaokeshan ophiolitic

綜上所述，筆者所有這些證據(jù)均認為朝克山蛇綠巖兼有虧損型洋脊玄武巖（N-MORB）和島弧玄武巖雙重地球化學特征，反映其來源和形成過程受到洋脊擴張作用和俯沖消減作用共同控制，這種特征的蛇綠巖產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境形成于弧后盆地環(huán)境。

5 結(jié)論

（1）朝克山蛇綠巖中單斜輝石化學成分特征指示巖漿為既有堿性系列特征，也有拉斑系列特征，富集LILE，虧損LREE 和HFSE（如Nb、Ta、Zr、Hf 和Ti），與輝長巖全巖石的特征程度相一致，共同指示巖體母巖漿可能為亞堿性的拉斑玄武質(zhì)巖漿向堿性玄武質(zhì)巖漿演化的趨勢。

（2）朝克山蛇綠巖中單斜輝石的結(jié)晶溫度范圍為1 099～1 242 ℃，平衡壓力為1.5～6.4 kbar，形成深度5～21 km，單斜輝石形成深度明顯大于大洋地殼的平均厚度（5～6 km），反映了明顯的深源特。

（3）綜合前人的研究和單斜輝石的構(gòu)造環(huán)境判別特征，這套蛇綠巖形成于弧后盆地環(huán)境。