内蒙古贺根山蛇绿岩中方辉橄榄岩岩石地球化学特征及构造环境分析

王成 任利民 余国飞

摘   要：贺根山蛇绿岩块位于二连浩特-贺根山缝合带中段，其橄榄岩端元主体为方辉橄榄岩，少量纯橄榄岩，均发生了较强的蛇纹石化。对方辉橄榄岩进行岩石学和岩石地球化学分析研究，结果显示：方辉橄榄岩中主要造岩矿物橄榄石为镁橄榄石（Fo=90.6～90.7），斜方辉石为顽火辉石（En=88.9～90.0），单斜辉石为透辉石，以低铝（1.82%～2.13%）和高镁（Mg#=94.2～94.7）为特征。橄榄岩主量元素表现出高Mg（MgO=34.98%～40.86%）、高Cr（Cr2O3=0.18%～0.27%）、高Ni（NiO=0.27%～0.35%）、低Si（SiO2=36.10%～41.41%）、贫Al（Al2O3=0.89%～1.58%）、低Fe（FeOT=7.58%～9.63%）特征，Mg#=91.59～92.36，m/f=9.16～10.13，属典型镁质超基性岩。稀土元素总含量较低，ΣREE为1.42×10-6～2.94×10-6，球粒陨石标准化稀土元素分布模式为轻稀土富集的弱右倾型，其（La/Yb）N=2.15～10.47，Eu异常不明显，Ce显示负异常。富集Ba，U，Pb，Sr，亏损Nb，Ta，Ti。贺根山地幔橄榄岩属变质橄榄岩，为SSZ型蛇绿岩底部组成单元，形成于俯冲带环境中洋内弧后盆地环境。

关键词：贺根山;地幔橄榄岩;蛇绿岩;洋内弧后盆地

蛇绿岩代表板块碰撞的缝合线或增生碰撞带，对古大洋岩石圈地球化学性质研究和造山带构造演化恢复具重要意义[1]。近年来，MOR型和SSZ型蛇绿岩理论体系逐步完善，通过对比研究蛇绿岩不同组成端元在岩石学、矿物学和地球化学等方面特征，可实现二者的系统区分[2-4]。

内蒙古中北部发育有4条蛇绿岩带，由北到南依次为二连浩特-贺根山蛇绿岩带、交其尔-锡林浩特蛇绿岩带、索伦敖包-林西蛇绿岩带和温都尔庙-西拉木伦蛇绿岩带[5]。贺根山蛇绿岩位于最北的二连浩特-贺根山带蛇绿岩带上，大地构造上属华北板块和西伯利亚板块最后碰撞的缝合线向东延伸部分[6-7]，是中亚造山带重要组成单元（图1）[8]。贺根山蛇绿岩作为构造作用过程的记录，可为地幔作用研究、岩石圈增生与裂解过程探讨、板块碰撞和构造环境恢复提供大量有用信息，对解决内蒙北部地质构造和演化历史等重大基础地质问题具重要意义。目前在蛇绿岩端元组成、成因类型、形成时代、构造侵位和典型矿产等方面取得了许多重要认识[9-27]，但对其形成环境及时代仍存在较大分歧，其形成环境存在着大洋中脊成因和消减带成因两种认识[6-7，10，13，15-25]。众多学者认为其产出于俯冲消减带，具体到洋内岛弧还是大陆边缘弧环境，目前还没有足够有力的地球化学资料支撑。

贺根山蛇绿岩带中出露有崇根山、贺根山、朝根山和乌斯尼黑4个大型及小坝梁等相对较小的共计30 多个超基性-基性岩块体（图1）[6、15-25] ，共同组成了由地幔橄榄岩、基性岩墙、镁铁质堆晶岩、气孔杏仁状玄武岩和放射虫硅质岩构成的完整蛇绿岩套。贺根山蛇绿岩块为贺根山蛇绿岩带中规模仅次于崇根山蛇绿岩块的第二大蛇绿岩块。本文对贺根山蛇绿岩块中方辉橄榄岩进行矿物学和岩石地球化学研究，探讨其成因及构造意义，为二连-贺根山缝合带性质和演化过程及完善古亚洲洋构造格局提供新的制约。

1  地质背景和岩石学特征

贺根山蛇绿岩块呈近菱形透镜体分布，面积约38.6 km2[18-19]。北部及南部均被下白垩统大磨拐河组复成分砾岩不整合覆盖[27-29]，东部被上石炭统—下二叠统格根敖包组酸性熔岩和火山碎屑岩喷发不整合覆盖（图2）[30-31]。贺根山蛇绿岩块由橄榄岩，气孔杏仁状玄武岩和含放射虫硅质岩组成。地幔橄榄岩出露最广，主要由方辉橄榄岩和少量透镜状纯橄榄岩组成，二者均发生了一定程度的蛇纹石化，呈断层接触 （图2-a）。地幔橄榄岩中发育较多的辉长岩和花岗斑岩脉，形成时代为白垩世，呈透镜状侵入地幔橄榄岩，晚期特征明显（图2-b）[17]。玄武岩和含放射虫硅质岩分布于橄榄岩南北两侧，与橄榄岩呈断层接触，呈构造岩片状“漂浮”于橄榄岩之上（图2）。蛇绿岩中发育有可开发利用的中型豆荚状铬铁矿床（图2-a）[18-22]。

方辉橄榄岩呈灰绿、暗绿色，具粒状结构，块状构造，主要由橄榄石（85%）、斜方辉石（15%）和少量单斜辉石（3%）组成（图3）。橄榄石为半自形粒状，大小0.2～2 mm，形成特征的网格构造，裂隙面发育纤蛇纹石，表面发育薄层利蛇纹石。斜方辉石呈半自形粒状，大小1～8 mm，填隙状分布在橄榄石之间，多发生滑石化和闪石化。单斜辉石较少，他形粒状，大小0.5～1 mm，填隙状分布。副矿物为尖晶石或磁铁矿（2%）。

2  分析方法

本文测试分析对象为方辉橄榄岩。在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产实验室利用配备4道波谱仪的JEOL JXA-8100电子探针，对不同分选矿物进行主量元素分析。加速電压15 kv，加速电流20 nA，束斑直径小于1 μm，所有测试数据均进行了ZAF校正处理。采用LA-ICP-MS对分选矿物（主要为橄榄石）进行微量元素分析，其中激光束斑直径44 μm;激光剥蚀系统为GeoLas 2005，等离子体质谱仪为Agilent7500a;激光能量50 mJ，频率8 Hz。

12件方辉橄榄岩样品主元素、微量元素和稀土元素分析，在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成。用熔片X-射线荧光光谱法（XRF）测定主量元素，采用等离子光谱和化学法测定进行互相检测;用熔片XRF和酸溶等离子质谱（ICP-MS）法测定微量元素中的V，Cr，Co，Ni，Sr，Zr，Nb，Ta，Hf，Ba，Th和U等元素，用ICP-MS法测定稀土元素，用碱溶法、沉淀酸提取Nb，Ta，Zr和Hf并用等离子质谱法进行测定。主量元素精度大于5%;微量元素含量超过10×10-6时，相对误差低于5%，低于10×10-6时，相对误差不超过10%。

3  矿物化学特征

方辉橄榄岩中橄榄石端元组分Fo为90.6～90.7，平均90.6，为镁橄榄石。橄榄石含有一定量的NiO，为0.41%～0.43%，平均0.42%，含微量的Cr2O3，为0.02%～0.03%，平均0.03% （表1）。

方辉橄榄岩中斜方辉石En端元含量变化为88.9～90.0，主要为顽火辉石（图4-a），MgO含量较高，Mg#为92.3～92.5，A12O3含量较低，为1.89%～1.98%， CaO为1.01%～1.61%（表2）。方辉橄榄岩单斜辉石含量较低，En含量49～51.1，主要为透辉石（图4-b），整体主要以高钙（21.84%～22.90%）、低铝（1.82%～2.13%）、高Mg#（94.2～94.7）为特征。

4  岩石地球化学特征

4.1  主量元素

贺根山橄榄岩中烧失量普遍较高，为9.30%～14.72%，平均12.14%（表3），扣除后将主量元素折算成100%，再进行讨论。在Ol-Opx-Cpx图解中（图5），贺根山橄榄岩样品均落在方辉橄榄岩区域，与岩石野外和镜下鉴定结果一致。

方辉橄榄岩w（SiO2）=36.10%～41.41%，平均39.28%;w（MgO）=34.98%～40.86%，平均38.37%; w（MnO）=0.09%～0.15%，平均0.12%;w（Cr2O3）=0.18%～0.26%，平均0.22%;w（NiO）=0.24%～0.31%，平均0.27%;w（FeOT）=7.58%～9.63%，平均8.29%。Mg#=91.59～92.36，m/f=9.16-10.13（>6.5），属镁质超基性岩。从表4中可看出，贺根山橄榄岩Mg#和m/f普遍大于世界同类岩石的值。总体表现出高镁高铬低硅贫铝特征。

4.2  稀土和微量元素

方辉橄榄岩稀土总量ΣREE=1.42×10-6～2.94×10-6，平均2.22×10-6，（La/Yb）N=1.72～10.47，平均5.85，稀土元素分布模式为轻稀土富集的略微右倾型（图6-a）。铕异常不明显，δEu=0.57～1.27，平均0.91。部分样品负铈异常明显，如P14-3，δCe为0.55;C-1，δCe为0.51，贺根山橄榄岩就位前处于海相环境[34]。原始地幔标准化微量元素蛛网图上（图6-b），富集Ba，U，Pb，Sr，亏损Nb，Ta。

5  讨论

5.1  岩石成因

贺根山橄榄岩在硅铝图解上位于贫铝质区（图7），在FMC图解中（图8），样品落于镁质区，由此可知贺根山橄榄岩属镁质超基性岩，具贫铝质特点。图9-a中样品位于镁铁-超镁铁堆积蛇绿岩区，图9中样品位于变质橄榄岩区。由此认为贺根山橄榄岩为变质橄榄岩，属蛇绿岩底部组成单元，与绝大多数学者研究认为是蛇绿岩观点相一致[9-26]。

超基性岩中MgO含量和Mg#值两项指标对研究部分熔融和亏损程度十分重要[38]。岩石Mg#值越大或MgO含量越高，易熔组分CaO、Al2O3、SiO2等含量越低，表明岩石熔融程度越高、亏损越强烈。贺根山橄榄岩MgO平均含量为43.68%，高于模拟地幔岩 （37.67%）[39];Al2O3平均含量为1.32%，CaO平均含量为0.52%，均远低于原始地幔岩对应值4.45%和3.55%[39]。大多数元素与MgO含量间表现出较好的相关性，CaO、A12O3、FeOT、SiO2、MnO等不相容元素与MgO含量之间为负相关，反映了岩石部分熔融程度不同[40-42]。贺根山橄榄岩Ni，Cr含量高，Ni为1 853×10-6～2 436×10-6，Cr为1 358×10-6～1 854×10-6，表明贺根山橄榄岩为亏损的地幔橄榄岩（图10）。

橄榄岩全岩地球化学可示踪部分熔融历史[42]，地幔熔融可通过微量元素间的协变关系精准模拟[45]。定量模拟过程中，一般不采用熔体渗透及熔体-残体相互作用过程中活动性太强的元素，如强不相容元素Zr，Hf，Nb，Ta等[46]，选择不受后期蚀变和俯冲交代作用影响或影响较为微弱的元素，是有效进行岩石部分熔融定量模拟的关键。重稀土元素的迁移和分配只受部分熔融程度的影响，在后期板块俯冲和蚀变过程中仍保持性质稳定，能有效指示部分熔融程度[47-48]。贺根山橄榄岩部分熔融模式图表明（图6），其稀土分布模式类似N-MORB型，后期大洋岩石圈俯冲消减过程中流体交代作用导致轻稀土富集，为原始地幔经大约10%～15%部分熔融后的地幔残余。贺根山橄榄岩Nb亏损明显，表明可能受到后期板块俯冲作用的改造。据辉石相关图解（图11），贺根山方辉橄榄岩位于当今弧前地幔橄榄岩区域内，可能指示贺根山橄榄岩形成于俯冲带环境或者是在构造就位的过程中受到了俯冲带的流-熔体的改造作用影响。近年来，地幔矿物群（30余粒金刚石、10余粒碳硅石等超高压矿物和其他至少40余种矿物，如自然元素类、硫化物、氧化物及硅酸鹽类）被发现于贺根山豆荚状铬铁矿矿石中[52];金刚石、碳硅石等超高压、强还原性矿物、锆石等地壳物质出现表明豆荚状铬铁矿形成过程较复杂，来源于地幔深部，经历了浅部过程，叠加了后期的推覆改造[53-54];也进一步证实了贺根山橄榄岩在俯冲就位的过程中受到了改造。

因此，推测贺根山超基性岩的形成大致经历了原始地幔低程度部分熔融和后期叠加的俯冲消减作用中流体交代两个过程。部分熔融阶段造成稀土元素总量亏损，尤其是轻稀土元素的亏损更加明显;流体交代，导致轻稀土元素富集和稀土元素总量的增加。

5.2  构造环境探讨

弧前、弧间、弧后盆地和大洋中脊等构造环境均可产生蛇绿岩套，消减带仰冲构造运动对于蛇绿岩的保存就位有利，绝大多数蛇绿岩应该产于与消减带有关的环境中[55]。由于受到后期构造就位过程的影响，完整的蛇绿岩套保存较少，多以变形变质程度很深的构造残片的形式存在，给蛇绿岩原岩恢复，构造属性研究和类型判别带来了较大的困难。

关于贺根山橄榄岩的成因，有学者认为属超镁铁质岩体，是早石炭世和早白垩世不同期次软流圈上涌、地壳垂向增生的结果[14]，贺根山中发育有仅产于蛇绿岩套中的豆荚状铬铁矿的客观事实，可以将该观点否定。同时本次研究无论是岩石组合特征，还是岩石地球化学特征（图9），均表明贺根山超基性岩不是简单意义上的超镁铁质侵入体，而是蛇绿岩套组成端元。部分学者认为是大洋中脊环境（MORB型）的蛇绿岩[7，9-11]，大多数学者通过对玄武岩、铬铁矿进行主量、微量元素及Sr-Nd同位素、Re-Os同位素等地球化学研究，认为二连-贺根山蛇绿岩具俯冲带特征（SSZ型），如岛弧边缘盆地体系、弧后拉张洋盆等[13，15-24]。王树庆等通过对贺根山地区气孔拉斑玄武岩进行岩石学、岩石地球化学方面的研究[13]，并同现代Mariana洋内弧后盆地和Okinawa陆缘弧后盆地的玄武岩，及洋内弧后盆地新疆库尔提蛇绿岩（同属中亚造山带）进行系统对比，认为贺根山蛇绿岩很可能形成于洋内弧后盆地环境，而非大陆边缘弧后盆地环境;王成等通过对贺根山豆荚状铬铁矿进行系统的电子探针分析[21]，也认为贺根山蛇绿岩形成于洋内弧后盆地环境。

贺根山橄榄岩轻稀土富集，洋中脊型蛇绿岩明显亏损轻稀土元素[3]，二者明显不同。亏损的Ti元素可用来指示是俯冲带岛弧环境[56];贺根山超基性岩的TiO2含量较低，为0.01%～0.02%，明显低于大洋中脊地幔的TiO2含量（0.1%～0.4%），类似于消减带蛇绿岩（SSZ）中超基性岩的TiO2含量（小于0.1%）。微量元素上，富集Ba，U，Pb，Sr，亏损Nb，Ta，Ti。Nb，Ta的亏损暗示贺根山橄榄岩的形成环境不同于典型的大洋中脊环境，类似于岛弧环境。在铬铁矿判别图解中[21]， 贺根山橄榄岩显示深海橄榄岩特征;在辉石判别图解中显示岛弧橄榄岩特征（图11），而形成于洋内弧后盆地环境的蛇绿岩可同时兼具大洋中脊和岛弧的特征[57]。

综上分析，对比前人研究成果，结合区域构造演化背景，认为贺根山橄榄岩为SSZ型蛇绿岩底部组成端元，形成于俯冲带环境中洋内弧后盆地环境。

6  结论

（1） 贺根山橄榄岩以方辉橄榄岩为主体，发育少量透镜状纯橄榄岩，二者呈断层接触关系。

（2） 方辉橄榄岩主要造岩矿物橄榄石为镁橄榄石（Fo=90.6～90.7），斜方辉石为顽火辉石（En=88.9～90.0），单斜辉石为透辉石，以低铝（1.82%～2.13%）和高镁（Mg#=94.2～94.7）为特征。

（3） 方辉橄榄岩岩石地球化学成分上，m/f值大于6.5（m/f=9.16～10.13）。稀土元素总含量较低，ΣREE为1.42×10-6～2.94×10-6，球粒陨石标准化稀土元素分布模式为轻稀土富集的弱右倾型，其（La/Yb）N=2.15～10.47，Eu异常不明显，Ce显示出一定的负异常。富集Ba，U，Pb，Sr，亏损Nb，Ta，Ti，为原始地幔经大约10%～15%部分熔融后的地幔残余。

（4） 贺根山橄榄岩属变质橄榄岩，是SSZ型蛇绿岩的底部组成单元，形成于俯冲带环境中洋内弧后盆地环境。

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Abstract： The Hegenshan ophiolite block is located in middle segment of Erlian-Hengenshan suture zone in Inner Mongolia，whose peridotites are dominated by harzburgite and dunite which have subjected to strong serpentinization.In this paper，field investigation， petrological and geochemical study on harzburgite， shows that the Fo values of olivine in harzburgite vary in the range of 90.6～90.7.The orthopyroxenes in the rocks are enstatite （En=88.9～90.0），and the clinopyroxenes are endiopside and diopside with low A12O3（Al2O3=0.89%～1.58%）contents and high Mg# （94.2～94.7） values. Geochemical analysis shows that the main elements of the peridotites are characteristic of high Mg （MgO=34.98%-40.86%），Cr（Cr2O3=0.18%～0.27%） and Ni（NiO=0.27%～0.35%），low Si（SiO2=36.10%～41.41%）， poor Al（Al2O3=1.04%～3.16%）and low Fe（FeOT=5.04%～10.66%）， with Mg# value of 91.59～92.36 and m/f value of 9.16～10.13，belong to typical magnesium ultra basic rock. Rare earth element analysis indicates that the ∑REE is extremely low（∑REE=1.42×10-6～2.94×10-6）and the normalized rare earth element partition pattern is characterized by enrichment of weak right dip type pattern. （La/Yb）N is 2.15～10.47， with not obvious Eu anomalies and slightly negative Ce anomalies. Trace elements are enriched in Ba，U，Pb，Sr，and other elements and depleted in Nb， Ta， Ti. It is considered that the Hggenshan peridotites are metamorphic peridotites and belong to the bottom unit of SSZ type ophiolite. These peridotites formed in the intra-oceanic back-arc basin setting in the subduction zone.

Key words： Hegenshan;Mantle Peridotite;Ophiolite;Intra-oceanic arc