洞错地幔橄榄岩、均质辉长岩矿物化学特征及其构造意义

李建峰，夏斌，王冉，刘维亮

(1.中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室，广东广州510640;2.中山大学海洋学院，广东广州510006;3.长安大学地球科学与资源学院，西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西 西安710054)

0 引言

洞错蛇绿岩出露于班公湖－怒江蛇绿岩带中、西段的交接处，其地理位置很重要。邱瑞照等(2004)获得舍玛拉沟蛇绿岩中层状辉长岩Sm-Nd内部等时线年龄为191±22 Ma，K-Ar年龄140±4.07 Ma和152.30 ±3.60 Ma，据此认为洞错地区洋盆张开时间为侏罗纪，后者代表了受洋壳俯冲影响的时间;鲍佩声等(2007)研究发现洞错基性熔岩属典型洋岛玄武岩(OIB)，综合分析认为洞错蛇绿岩形成于有大量富集地幔物质上侵的洋岛(OIB)环境，并获得堆晶橄长岩中锆石SHRIMP U-Pb年龄为132±3 Ma，玄武岩全岩39Ar/40Ar年龄为137±2.7 Ma和140 ±2.8 Ma，认为洞错蛇绿岩形成于早白垩世;Wang et al.(2008)通过对洞错蛇绿岩中变质角闪岩研究认为洞错蛇绿岩形成于陆缘弧后盆地，洋盆为发育在中侏罗世的短暂小洋盆;张玉修(2007)发现洞错蛇绿岩中尖晶石兼具MORB和IAT特征，堆晶岩地球化学特征显示为MORB型，认为蛇绿岩形成于洋内俯冲带之上不成熟的弧后盆地。由前人的研究可见:①蛇绿岩的不同岩石单元记录了不同的年代学和构造地质信息，如堆晶岩和地幔橄榄岩记录了俯冲流体的作用，而玄武岩单元则没有反映;②蛇绿岩记录的最早形成年龄为早侏罗世，洋盆的主要发育阶段应当为早白垩世;③ 洞错洋盆的性质，总的来说应该是发育时间短暂的陆缘小洋盆，并可能存在洋壳俯冲和洋内热点作用。由于洞错蛇绿岩中玄武岩没有受到俯冲作用影响的特征，因此洞错地区是否存在洋壳俯冲作用尚待进一步确定。前人的研究过多的关注于蛇绿岩中的玄武岩，对于其他岩石单元研究较少，近期通过对堆晶岩的定年，西藏蛇绿岩的形成年龄研究取得了巨大进步(李建峰等，2009)，另外程学展等(2011)也讨论了罗布莎地幔橄榄岩的同位素组成及意义。本文选择洞错蛇绿岩中的地幔尖晶石二辉橄榄岩和均质辉长岩，对其开展矿物化学成分特征研究，并据此讨论蛇绿岩的形成环境，对进一步研究洞错古洋盆构造演化具有重要意义。

1 地质背景

改则洞错蛇绿岩出露于改则县洞错北约20 km处，去申拉以南，地表形态为楔状体，东西延长约50 km，西段宽约18 km，大致沿日土－改则－丁青断裂带分布，侵位于木嘎岗日群中(图1)。木嘎岗日群地层沉积韵律发育，由轻变质的砂岩、页岩、硅质岩夹薄层灰岩组成，为一套形成于大陆边缘环境的侏罗系类复理石组合。区域上蛇绿岩被下白垩统朗山组不整合覆盖(图1)。洞错蛇绿岩总厚度大于6 km，从底部至顶部依次由地幔橄榄岩、镁铁－超镁铁质堆晶杂岩、基性岩床(墙)和基性熔岩四部分组成(图1b)，但因构造肢解一个蛇绿岩剖面通常仅见其中1～2个岩石单元，同时可见砂岩呈包体构造侵入灰绿色玄武岩中(图2b)，也见蛇绿岩上不整合覆盖有白垩纪去申拉组碎屑沉积、火山碎屑沉积地层。蛇绿岩地体中各岩石单元受构造应力作用影响明显，岩石中发育较密集的近东西向延伸的片理，倾向为北，倾角较陡，产状与蛇绿岩地体附近的主要逆冲断裂一致。蛇绿岩地体与围岩接触带附近有几厘米至几十厘米宽的动热变质带或构造破碎带，发育构造角砾岩、糜棱岩和动热变质角岩，表明蛇绿岩地体在侵位过程中及侵位后，受到了较强的来自南北向挤压应力作用的影响。

图1 洞错蛇绿岩地质构造略图(a)(据Wang et al.，2008)与洞错蛇绿岩剖面图(b)Fig.1 Schematic map(a)for the geological characteristics of the Dong Tso ophiolite and areas nearby(modify from Wang et al.，2008)and the profile(b)of the Dong Tso ophiolite

图2 洞错蛇绿岩各岩石单元野外照片Fig.2 Photos showing the exposure characteristics of the Dong Tso ophiolite

洞错蛇绿岩中的地幔橄榄岩体与超镁铁堆晶岩、均质辉长岩、枕状玄武岩呈构造接触。

地幔橄榄岩主要由方辉橄榄岩、二辉橄榄岩组成，并有约占体积5% ～10%的纯橄岩。纯橄岩多以透镜状分布在地幔橄榄岩中。方辉橄榄岩为墨绿色，风化表面呈土黄色和褐黄色。地幔橄榄岩中可见一组 X 剪节理，产状为:345°∠30°和80°∠15°。

超镁铁堆晶岩由含长橄榄岩、橄榄辉石岩、纯橄岩组成。出露宽度约150 m，多处可见。岩石具有典型的堆晶结构，其次有反应边结构和嵌晶结构，块状构造。岩石多数发生蛇纹石化;有斜长石时，斜长石发生绿泥石、绿帘石化。

均质辉长岩分布在地幔橄榄岩体两侧，出露宽约3～4 km。辉绿岩呈较小的岩墙状侵入地幔橄榄岩和堆晶岩之中，多不构成独立的单元。

枕状玄武岩分布在蛇绿岩剖面顶部，出露宽约1400 m。枕状玄武岩枕体为扁椭球状，长轴介于10～120 cm之间。枕体平行排列，表面有一层厚1～4 cm的暗色冷凝薄壳，呈同心圆状，由于蚀变作用，冷凝薄壳坚硬，呈深灰、褐色。枕体表面气孔发育，多垂直于枕体表面呈放射状分布，直径多在2～5 cm之间。

含放射虫硅质岩呈薄层夹于枕状玄武岩中，夹层厚度一般在几厘米至几十厘米。

另在枕状玄武岩之上还见呈互层状产出的灰绿色玄武岩和紫红色杏仁玄武岩(图1b)，两者气孔均比较发育，岩石具块状构造。其间可夹杂外来灰岩或砂岩块体或夹层。关于此套地层划分方法不一:西藏地质矿产局(1993)年将其划为下、中侏罗统木嘎岗日群，而1∶25万改则幅填图将其划分为早白垩世去申拉组。

2 地幔橄榄岩、均质辉长岩岩相学特征

洞错蛇绿岩各岩石单元发育较为齐全，由于所研究矿物尖晶石、橄榄石、辉石等均来自于地幔橄榄岩和辉长岩部分。因此本节主要介绍上述两个岩石单元的岩石学、岩相学特征。

2.1 地幔橄榄岩

在洞错蛇绿岩剖面中(图1b)地幔橄榄岩为蛇绿岩中的主要构成部分之一。洞错蛇绿岩中的地幔橄榄岩主要为(变质)方辉橄榄岩+二辉橄榄岩。多数已经发生较强烈的蛇纹石化和碳酸盐化蚀变作用，具体如下:

尖晶石方辉橄榄岩(XDC30、XDC34，图版1，见正文后):主要组成矿物为橄榄石(50% ～60%)、斜方辉石(35% ～40%)，还有约1% ～2%的尖晶石，碎裂结构。碎斑是不规则透镜状斜方辉石，碎基则为粒度不等的橄榄石和斜方辉石、尖晶石。碎斑斜方辉石中出溶透细密辉石页片，还有两期交代透辉石。碎基中的橄榄石粒，表现为退火重结晶的“三联点”结构，橄榄石碎粒粒内扭折带清晰。尖晶石新鲜，棕黄色。微裂缝中有蛇纹石脉充填。

尖晶石二辉橄榄岩(XDC28，图版2):主要组成矿物为橄榄石(50% ～60%)、斜方辉石(30% ～35%)、单斜辉石(5%左右)，还有2% ～3%的尖晶石。岩石糜棱岩化，碎裂结构。碎斑辉石常见核幔结构。蛇纹石化的橄榄石中有三向排列的针片状矿物稀疏不均地排列。铬尖晶石碎粒多见于碎基中，它形。辉石中几乎不见出溶物。薄片中可见碳酸盐脉。

蛇纹岩(XDC37，图版3):墨绿色，网状结构，块状构造，岩石强烈蛇纹石化后糜棱岩化和碳酸盐化，原岩组构及矿物化学成分基本消失。但能见到眼球状尖晶石。

2.2 堆晶岩

堆晶岩下部主要由暗色含长橄榄岩、橄榄辉石岩和纯橄岩组成，上部则主要由层状堆晶辉长岩和均质辉长岩组成。

堆晶辉长岩:具有特征的补堆晶结构，主要矿物为角闪石(～55%)和斜长石(～40%)。棕色角闪石相连成片包裹板状斜长石及少量残留辉石，呈特殊的补堆晶嵌晶含长结构。这说明原岩为辉长岩，斜长石、辉石粒间被棕色角闪石补堆晶充填。斜长石可以分为两个世代:棕色闪石内的斜长石形成早，颗粒小;在棕色闪石外的斜长石形成晚，较粗。斜长石有葡萄石化现象。

均质辉长岩(XDC39，图版4):岩石具辉长结构。主要矿物为辉石(～45%)、斜长石(～40%)和橄榄石(～10%)。其中橄榄石颗粒呈透镜体状，普遍可见扭折带。辉石中可见沿解理缝的棒状交代物，推测为闪石。斜长石为宽板状，自形、半自形，可包裹橄榄石、辉石形成相互包裹镶嵌结构。斜长石双晶有尖灭、分叉、弯曲、断裂和错动。另外，可见少量金属氧化物。

3 样品特征与分析方法

我们选择洞错蛇绿岩中的样品 XDC28、XDC30、XDC34、XDC37和XDC39进行矿物化学成分分析，其中XDC28为尖晶石二辉橄榄岩，XDC30和XDC34为尖晶石方辉橄榄岩，XDC37为蛇纹岩，XDC39为均质辉长岩。采样点坐标分别为:XDC28(N32°20'33.5″;E84°44'04.5″;5066 m)、XDC30(N32°20'21.7″;E84°44'09.8″;4991 m)、XDC34(N32°19'34.9″;E84°44'12.2″;4894 m)、XDC37(N32°19'20.0″;E84°44'05.3″;4864 m)、XDC39(N32°19'02.0″;E84°44'02.1″;4852 m)。

样品薄片观察和照相在中国科学院广州地球化学研究所显微镜实验室的莱卡和尼康光学显微镜下观察完成。部分矿物化学成分分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室测试，仪器为JEOL公司JXA-8100M电子探针，工作电压15 kV，工作电流l×10－8A;另一部分矿物化学成分由中国科学院广州地球化学研究所边缘海地质重点实验室的SEM-EDS分析，仪器为EDAX公司的Genesis2000 X射线能谱仪，工作电压为20 kV，工作电流为10 nA。

4 矿物化学分析结果

利用电子探针和X射线能谱仪测定的矿物化学成分和相应的分析计算结果分别列于表1和表2。我们分别测定了尖晶石、斜方辉石和单斜辉石等矿物。各矿物的化学成分特征和相应的构造意义分述如下:

4.1 尖晶石

由于尖晶石的组成元素Cr、Mg为强相容元素，而Al则为强不相容元素，因此在分离结晶和部分熔融不同阶段，形成的尖晶石具有很大的化学成分差异。Dick and Bullen(1984)认为尖晶石的化学成分能够反映其形成时的环境，如温度、压力和熔体组分等。而不同构造背景下形成的尖晶石的化学成分也具有很大差异，Lee(1999)对不同的构造背景之下的尖晶石中Cr#(Cr/(Cr+Al))的变化范围进行了总结。现今，尖晶石的化学组分已经被广泛的用于识别不同构造背景下的基性和超基性岩。本文，采用尖晶石中Cr/(Al+Cr)对Mg#(Mg2+/(Mg2++Fe2+))投图来判别尖晶石寄主岩石(地幔橄榄岩和辉长岩)的形成构造背景(图3)。

洞错尖晶石二辉橄榄岩XDC-28中的尖晶石投点于深海橄榄岩区域附近，并反映其经历了少于10%的熔体提取;方辉橄榄岩 XDC30和蛇纹岩XDC37中的尖晶石投点于正常洋中脊玄武岩范围之内，分别反映了大约为13%和25%的亏损程度;另一块方辉橄榄岩XDC34中的尖晶石投点于正常洋中脊玄武岩、岛弧拉斑玄武岩和弧前的交界区域，并反映了较大的亏损(～30%)。从XDC28(尖晶石二辉橄榄岩)到XDC30、XDC37和XDC34(尖晶石方辉橄榄岩)，铬尖晶石反映的亏损程度依次增加，构成一个沿Hirose and Kawamoto(1995)所计算的逐步亏损曲线分布的趋势。总的来说，尖晶石反映了洞错地幔橄榄岩曾经经历了＜10% ～30%左右的亏损，明显不同于岛弧环境地幔橄榄岩强烈亏损的特征。而均质辉长岩XDC39的两个测点投点于辉长岩脉及其围岩附近区域。

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4.2 辉石

辉石是 Mg、Fe2+以及 Na、Al、Fe3+和Cr3+等的偏硅酸盐。其化学成分与形成环境和岩浆性质紧密相关。前人已经利用其化学成分来判断其寄主岩石形成的温、压条件(Nimis and Taylor，2000)。Nisbet and Pearce(1997)总结了不同构造背景下形成的基性岩浆中辉石斑晶的化学成分特征，并建立了利用辉石化学成分判断构造背景的图解。本文将根据Réjean et al.(2003)建立的相关图解，对辉石的寄主岩石的形成构造背景进行判别。

4.2.1 斜方辉石

洞错尖晶石二辉橄榄岩XDC28中斜方辉石的Mg#在0.90 ～0.92 之间，Al2O3含量较高(6.2% ～6.5%)，Cr2O3含量范围为 0.63% ～0.80%。而洞错均质辉长岩XDC39中的斜方辉石的Mg#在0.78～0.82 之间，Al2O3含量较低(1.41% ～1.96%)，Cr2O3含量范围为0.21% ～0.28%。将其与现在典型构造背景中的斜方辉石作对比(图4)，可见XDC28中的斜方辉石与深海橄榄岩中的斜方辉石相似;XDC39中的斜方辉石与Pito、Terevaka和Garrett等地的基性、超基性岩体中的斜方辉石相似。

图3 洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中尖晶石矿物化学成分投图Fig.3 Cr/(Cr+Al)vs Mg#diagram for spinels from the mantle peridotite and massive gabbro，Dong Tso

图4 洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中斜方辉石矿物化学成分投图Fig.4 Diagrams showing the composition variation of the orthoproxenes from the mantle peridotite and massive gabbro，Dong Tso

4.2.2 单斜辉石

镜下分析发现洞错二辉橄榄岩XDC28中的单斜辉石经具有较高的Mg含量(Mg/(Mg+Fe2++Fe3+)=0.95)，其 Al2O3含量为 4.96%，Cr2O3含量为0.82%，在图5中投点于深海橄榄岩范围之内。洞错均质辉长岩XDC39中的单斜辉石可以有两种赋存状态:一种具有等轴形态、颗粒较大，可以包含斜方辉石或者橄榄石出溶物;而另外一种则与橄榄石或斜方辉石交互出现，或者作为交代或者出溶叶片。两种单斜辉石的化学成分也具有较大的差别，前一种(测点 XDC39-15、28、33、4)具有较高的 Mg含量(Mg/(Mg+Fe2++Fe3+)=0.82% ～ 0.84%)和Cr2O3含量(Cr2O3=0.30% ～ 0.45%)，后者的Mg、Cr2O3含量均较低，分别为 0.74%和＜0.01%;但是两者具有相似的Al2O3含量。结合其形成温度(后文)分析，前者为初始岩浆结晶的产物，后者为在后期变质过程中重新达到化学平衡的单斜辉石。

4.3 地质温压计

通过Lindsley(1983)建立的辉石四边形投图，可以获得地质温度计信息。研究表明单斜辉石和斜方辉石的Ca含量随着温度的降低分别增加和减少。从图6的投图中可以看到洞错地幔橄榄岩中的斜方辉石指示的温度范围为1100～1300℃，单斜辉石指示的温度为＜500℃;而洞错均质辉长岩中的斜方辉石指示的温度范围为900～1000℃，单斜辉石指示的温度范围为 ＜500～800℃(其中测点XDC39-41指示温度＜500℃，测点XDC39-15指示温度～600℃，其余三个测点较为一致，在800℃左右)。将上述结果与镜下鉴定和测点点位相结合，不难看出:洞错均质辉长岩中的斜方辉石都具有较好的自形，呈等轴状，颗粒较大，具有初始岩浆结晶矿物的特点(图版4、5)，因此可认为两种岩石的形成温度分别为1100～1300℃和900～1000℃。而洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中的低Ca单斜辉石(XDC28-52、XDC39-41、15)具有亚固相变质结晶矿物的化学成分(图版6)，可能是在冷却和重结晶过程中重新达到化学平衡的结果，其温度也反映了变质或重结晶时的温度;均质辉长岩中其余三个高Ca单斜辉石具有等轴形态、颗粒较大，应当为初始岩浆的结晶矿物，其指示～800℃的温度，可能是由于初始岩浆优先于单斜辉石而结晶斜方辉石的结果。

图5 洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中单斜辉石矿物化学成分投图Fig.5 Diagrams showing the composition variation of the clinopyroxenes from the mantle peridotite and massive gabbro，Dong Tso

图6 洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中辉石化学成分的端元投图Fig.6 Plots showing the composition variation of the pyroxenes from the mantle peridotite and massive gabbro，Dong Tso

5 讨论

蛇绿岩的形成构造环境判别一直是蛇绿岩研究中的关键问题，也是缝合带－造山带构造演化研究中的一个重要环节。判断蛇绿岩形成构造环境的手段多样，主要的一种为根据蛇绿岩中玄武岩(壳层熔岩)的地球化学特征和同位素特征来进行判定。例如，根据不同构造环境形成的蛇绿岩中玄武岩的高场强元素含量的差别，Pearce and Cann(1973)建立了Zr/4-Y-Nb×2构造环境判别图解;Wood(1980)建立了Th-Ta-Hf/3和Th-Nb/16-Hf/3构造环境判别图解。由于不同构造环境下的玄武质岩浆化学成分必然有差异，不同构造环境的物理(温度、压力等)、化学(氧逸度、水逸度等)条件也不同，从岩浆中结晶出的矿物化学成分(尤其是其中的微量元素)均与岩浆特征和其物理化学条件有关。因此，不同构造环境下形成的蛇绿岩中的矿物化学成分往往也有差异。因此，可以根据蛇绿岩中的矿物化学成分来判断蛇绿岩的构造环境。由于尖晶石中的Cr、Al分别为强相容和强不相容元素，尖晶石中的Cr含量随着寄主岩石形成环境的不同而有明显差异，因此前人最常用的就是地幔橄榄岩中的尖晶石的Cr#对Mg#值投图，来判断蛇绿岩的形成环境。另外，辉石的化学成分也可以用来判断寄主岩石的形成环境。Réjean et al.(2003)更是建立了利用尖晶石、单斜辉石、斜方辉石、长石等矿物化学成分与现代不同构造环境下相应矿物的对比来判断其形成构造环境的图解。总之，利用蛇绿岩中的矿物化学成分来判断蛇绿岩的形成环境也是一种极其有效的手段。

洞错蛇绿岩位于班公湖－怒江缝合带中、西段的结合部位，且蛇绿岩剖面各个岩石单元发育较为完全。前人对洞错蛇绿岩也进行了一些研究，但是，对于其矿物化学成分研究不多，主要为张玉修(2007)研究了蛇绿岩地幔橄榄岩中的尖晶石化学成分，发现其投点于N-MORB、IAT和弧前橄榄岩界线附近，尖晶石反映了地幔橄榄岩经历了27% ～35%的熔体萃取。本文详细研究了洞错蛇绿岩中的尖晶石和辉石化学成分。尖晶石的分析结果显示:洞错地幔橄榄岩从尖晶石二辉橄榄岩到尖晶石方辉橄榄岩分别经历了＜10% ～约30%的亏损，显示逐步亏损的趋势;代表了亏损程度较弱的地幔橄榄岩残留(＜30%)，明显不同于岛弧环境地幔橄榄岩强烈亏损的特征。虽然张玉修(2007)通过对地幔橄榄岩的矿物学和堆晶岩地球化学研究，认为洞错蛇绿岩兼具MORB和IAT特征，形成于洋内俯冲带之上不成熟的弧后盆地，而至今未在玄武岩中发现俯冲流体交代的信息，因此洞错蛇绿岩是否受到了俯冲流体的影响，有待于进一步的矿物学和地球化学研究。辉石的化学成分特征指示尖晶石二辉橄榄岩属于典型的深海橄榄岩，与尖晶石的分析结果一致，均质辉长岩中辉石化学成分也与现代典型的辉长岩中的辉石化学成分一致。总的来说，洞错蛇绿岩的矿物(尖晶石、单斜辉石、斜方辉石)指示洞错蛇绿岩的形成演化以正常洋脊的逐步亏损为主，至于是否受到了俯冲流体的影响的问题，有待进一步研究确定。

6 结论

综上所述，通过对矿物化学成分的研究，我们可以了解岩石形成的温、压条件，形成岩石的母岩浆特点，以及岩石后期经历的变质作用等等。通过对洞错地幔橄榄岩和均质辉长岩中的矿物化学成分测试研究，我们发现:

(1)尖晶石化学成分研究表明:洞错地区尖晶石二辉橄榄岩(XDC28)投点于深海橄榄岩区域附近，经历了少于10%的熔体提取;而尖晶石方辉橄榄岩分别经历了13%～30%左右的亏损。辉石化学成分研究确认了尖晶石二辉橄榄岩属于深海橄榄岩。尖晶石和辉石化学成分研究均表明洞错均质辉长岩具有典型的基性侵入岩体的矿物化学特征。

(2)洞错地幔橄榄岩从尖晶石二辉橄榄岩到方辉橄榄岩构成的沿Hirose and Kawamoto(1995)计算的部分熔融程度增加而逐步亏损曲线分布的趋势，说明洞错蛇绿岩的形成演化以正常洋脊的逐步亏损为主。

(3)洞错均质辉长岩中的斜方辉石具有岩浆结晶的特点，其所反映的温度(900～1000℃)被解释呈均质辉长岩的形成温度;而地幔橄榄岩和均质辉长岩中的低钙单斜辉石具有变质辉石的特点，其指示的温度(＜500～600℃左右)被认为是在后期冷却变质或重结晶过程中达到再平衡时的温度。

致谢:中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员和南京大学周国庆教授认真审阅了本文，提出了许多宝贵意见，作者深表感谢!

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