新疆色尔特能地区超镁铁岩岩石地球化学特征及构造环境分析

黄鑫，杨镜明，王忠阳

(核工业二一六大队，乌鲁木齐 830011)

0 引言

超镁铁岩按成因分为热侵位岩浆岩型和构造成因的蛇绿岩型，因其对于研究地质构造演化和铬铁矿、铜镍矿找矿勘查意义重大，倍受地质学者关注[1]。东天山是中亚地区天山造山系的重要组成部分(图1)，是广大学者研究的热点地区[1-6]。关于东天山地区的镁铁质-超镁铁岩体产出的构造环境，目前尚存如下不同的认识：二叠纪地幔柱背景[2]、后碰撞演化[1,7-10]、俯冲相关的Alaskan型岩体[3]、以及“slab-window”模式[11]，地幔柱与造山带叠加的产物[2]等认识。

新疆色尔特能镁铁质-超镁铁质岩块位于康古尔韧性剪切带西端(图2)，有学者认为其属于MORB型蛇绿岩，为洋中脊产物，形成时代为奥陶纪[12]，也有学者认为是土墩-白鑫滩-白梁山-路北基性-超基性岩浆岩带的西延部分，属热侵位岩浆岩，形成于二叠纪的后碰撞伸展环境。

本文以色尔特能超镁铁岩为研究对象，以野外一线实际地质特征和岩石组合为基础，通过岩石学和岩石地球化学研究，分析色尔特能超镁铁岩的岩石成因，探讨形成时的大地构造环境，力图为恢复色尔特能地区构造演化历史和找矿勘查工作提供帮助。

图1 东天山区域地质简图(据新疆地矿局2004年资料，修编)Fig.1 Geological sketch of the east Tianshan area1.镁铁质-超镁铁质岩；2.镁铁质-超镁铁质相关混杂岩；3.断裂；4.前寒武纪地块；5.志留-泥盆纪花岗岩类；6.石炭纪花岗岩类

图2 色尔特能地区地质简图(据郭新成等2008年资料，修编)Fig.2 Geological sketch of Serteneng area1.下石炭统小热泉子组安山质熔岩、凝灰岩；2.下石炭统干墩组千枚岩夹少量玄武岩、英安岩、角斑岩；3.石炭纪二长花岗岩；4.玄武岩-凝灰岩；5.辉长岩；6.超镁铁岩；7.断裂；8.采样位置

1 地质背景和岩石学特征

新疆色尔特能一带的镁铁质-超镁铁质岩发育。超镁铁岩块5个，长500～1200 m，宽5～20 m，不规则透镜状，总面积约0.3 km2。辉长岩体6个，规模长600～3000 m，宽200～600 m，呈透镜状，总面积约2 km2(图2)。在色尔特能镁铁质-超镁铁质岩北部出露的地层为石炭系下统小热泉子组(C1x)，其地层岩性为一套安山质火山岩建造；南侧出露的地层为石炭系下统干墩组(C1g)，其地层岩性为一套强片理化浅变质碎屑岩建造。色尔特能镁铁质-超镁铁质岩与地层均为断层接触，其整体走向均与南北两端的构造线斜交。

色尔特能超镁铁岩发生强烈的片理化和蛇纹石化，基本已全部蚀变成蛇纹岩。岩石颜色以暗绿色和棕黑色为主，具明显的磷片变晶结构、块状构造。岩石中的主要矿物为蛇纹石，同时可见少量残留的辉石，但辉石的典型结构构造特征已不明显(图3)。其中，蛇纹石颜色为灰辉色，形状为显微他形鳞片状，大小0.01～0.12 mm，含量为95%以上，含少量铁质，定向性较为明显；辉石颜色为古铜色，形状为自形-半自形柱状，大小0.24～2.44 mm，含量为5%以下，均为普通辉石，具蛇纹石化、纤闪石化，局部可见沿解理弯曲揉碎。副矿物主要为微量钛磁铁矿，形状为显微半自形粒状、板状，大小0.03～0.14 mm，多呈浸染状、细脉状分布。

图3 色尔特能超镁铁岩镜下照片Fig.3 Microscopic photo of Serteneng ultra-basic rockSep.蛇纹石；Py.辉石；Tm.钛磁铁矿

2 岩石地球化学特征

本次研究在色尔特能4个超镁铁岩块中，各采集1件具有代表性的样品进行测试分析。分析项目为主量元素、微量元素和稀土元素。

测试单位为中国科学院广州地球化学研究所。首先进行样品风化面切除、酸淋滤等预处理，以减少岩石形成后后期蚀变作用对元素的影响，从而保证测试的准确性和代表性。主量元素采用熔片X-射线荧光光谱法(XRF)测定，相对误差小于5%。微量元素和稀土元素用ICP-MS法测定。微量元素精度控制：含量超过10×10-6时，相对误差小于5%；低于10×10-6时，相对误差小于10%。具体试验分析流程，参见文献[13]。

2.1 主量元素特征

由于色尔特能超镁铁岩样品烧失量普遍较高(11.60%～11.99%，平均值为11.78%)(表1)，扣除烧失量后将主量元素折算成100%，再进行讨论。

色尔特能超镁铁岩w(SiO2)=40.50%～41.92%，平均值为41.21%；w(Al2O3)=1.19%～1.77%，平均值为1.53%；w(MgO)=36.15%～37.96%，平均值为36.95%；w(MnO)=0.12%～0.13%，平均值为0.13%；w(Cr2O3)=0.32%～0.36%，平均值为0.33%；w(NiO)=0.17%～0.21%，平均值为0.19%；w(TFeO)=6.98%～7.87%，平均值为7.30%。Mg#=94.71～97.73，m/f=8.03～9.42(>6.5)，属镁质超镁铁岩。色尔特能超镁铁岩的Mg#、m/f值较高，普遍大于世界同类岩石的值，与国内值接近(表2)。色尔特能超镁铁岩总体表现出高Mg、高Cr、低Si和贫Al的特征。

在标准矿物图解(图4)中，样品处于斜方辉石橄榄岩区。

图4 色尔特能超镁铁岩Ol-Opx-Cpx图Fig.4 Ol-Opx-Cpx diagram of Serteneng ultra-basic rockOl.橄榄岩；Opx.斜方辉石；Cpx.单斜辉石1.纯橄榄岩；2.方辉橄榄岩；3.二辉橄榄岩；4.单辉橄榄岩；5.橄榄方辉辉石岩；6.橄榄二辉岩；7.橄榄单辉辉石岩；8.方辉辉石岩；9.二辉辉石岩；10.单斜辉石岩

2.2 稀土元素和微量元素特征

色尔特能超镁铁岩测试分析数据(表1)表明，其稀土总量w(ΣREE)=1.44×10-6～2.92×10-6，平均值为2.13×10-6，w(La)N/w(Yb)N=3.09～5.49，平均值为4.12，配分模式为近平坦型(图5)，有一定程度的轻稀土富集；δEu=0.48～1.09，平均值0.78，轻微负铕异常；δCe=0.53～0.60，平均值0.56，负铈异常明显，表明色尔特能超镁铁岩在就位前曾处于海相环境[17]。微量元素富集Ba、U、Ta，亏损Nb(图6)。

表1 色尔特能超镁铁岩石全岩化学分析结果Table 1 Bulk analysis of Serteneng ultra-basic rock

表2 世界及中国地区超镁铁岩主量元素成分对比Table 2 Comparison of major elements of ultra-basic rocks in China and other counties all over the world

图5 色尔特能超镁铁岩稀土元素配分模式图及部分熔融模型(标准化数据据文献[18])Fig.5 REE pattern and partial melting model of Serteneng ultra-basic rocks

图6 色尔特能超镁铁岩微量元素比值蛛网图(标准化数据据文献[18])Fig.6 Spider diagram of trace element’s ratio of Serteneng ultra-basic rocks

3 讨论

3.1 岩石成因

样品在w(Al2O3)—w(SiO2)图解(图7)上位于贫铝质区，在w(TFeO)—w(MgO)—w(CaO)图解(图8)上位于镁质区中，由此可知色尔特能超镁铁岩属于镁质超镁铁岩具有贫铝质特点。

图7 色尔特能超镁铁岩w(Al2O3)—w(SiO2)图解Fig.7 w(Al2O3)-w(SiO2) diagram of the ultra-basic rocks

图8 色尔特能超镁铁岩w(TFeO)—w(MgO)—w(CaO)图解Fig.8 w(TFeO)-w(MgO)-w(CaO) diagram of the ultra-basic rocks

样品在w(TFeO)—w(MgO)—w(Na2O+K2O)图解(图9a)中位于镁铁-超镁铁堆积蛇绿岩区，在w(MgO)—w(CaO)—w(Al2O3)图解(图9b)中位于变质橄榄岩区，由此认为色尔特能超镁铁岩为变质橄榄岩，属于蛇绿岩套范畴，是其底部组成部分。

超镁铁岩中w(MgO)值和Mg#值的大小对于研究其部分熔融和亏损程度十分重要[19]。一般而言，岩石中的Mg#、w(MgO)值与易熔组分w(CaO)、w(Al2O3)、w(SiO2)值呈负相关，Mg#值越大或w(MgO)值越高，w(CaO)、w(Al2O3)、w(SiO2)值越低，说明岩石铁镁质暗色矿物越多、岩石越基性，岩石则熔融程度越高、亏损越强烈。色尔特能超镁铁岩的w(MgO)平均值为36.93%，与模拟地幔岩值(37.67%[20])接近；w(Al2O3)值平均为1.54%、w(CaO)值平均为0.28%，远远低于原始地幔岩值(w(Al2O3)=4.45%[21]，w(CaO)=3.55%[21])；色尔特能超镁铁岩中的镍、铬元素含量高(表1和表2)。以上特征表明，色尔特能超镁铁岩为地幔橄榄岩，属于原始地幔的地幔残余(图10)。

在一定程度上，橄榄岩的全岩地球化学可以用来示踪其部分熔融历史[24]，地幔熔融过程可以通过微量元素之间的协变关系予以精准模拟[25]，定量模拟过程的关键在于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，一般不采用在熔体渗透及熔体/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[26]。重稀土元素的迁移和分配几乎只受部分熔融程度的影响，在后期板块俯冲和蚀变作用过程中仍能保持性质稳定，能有效指示部分熔融程度[27-28]。从部分熔融模式图中可以看出，色尔特能超镁铁岩稀土配分模式类似于N-MORB型(图5)，具轻稀土略微富集的特征，是后期大洋岩石圈俯冲消减过程中流体交代作用的结果；色尔特能超镁铁质岩为原始地幔经2%～10%程度部分熔融后的地幔残余，微量元素Nb亏损明显(图6)，很可能是后期板块俯冲作用的结果。由此认为色尔特能超镁铁岩经历了较为复杂的形成(原始地幔部分熔融，造成稀土元素，尤其是轻稀土元素的明显亏损)和后期改造(俯冲消减作用中流体交代，轻稀土元素富集和稀土元素总量的增加)过程。

3.2 构造环境

由野外调查可知，色尔特能镁铁质-超镁铁质岩石多呈拉长的透镜状、带状展布，片理化十分发育，矿物见明显的定向性排列，发生强烈的蛇纹石化，与赋存中型铜镍矿的路北-云海镁铁质-超镁铁质岩石特征[29-32]明显不同。岩块与围岩地层石炭系下统小热泉子组和干墩组均为断裂接触，走向与南北两带的构造线均成角度斜交，表明其整体为构造侵位。

图9 色尔特能超镁铁岩w(TFeO)—w(MgO)—w(Na2O+K2O)图解(a)，w(MgO)—w(CaO)—w(Al2O3)图解(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.大洋中脊玄武岩平均成分；K.科马奇岩；M+U.镁铁和超镁铁堆积蛇绿岩；H.变质橄榄岩；MC.镁铁质堆晶岩；UC.超镁铁质堆晶岩；MP.变质橄榄岩；S.斯科加尔德液体趋势

图10 w(MgO)/w(SiO2)—w(Al2O3)/w(SiO2)图解(底图据文献[22-23])Fig.10 w(MgO)/w(SiO2)-w(Al2O3)/w(SiO2) diagram

李文铅等在康古尔-色尔特能镁铁质-超镁铁质岩带中段的恰特尕力超镁铁质岩石中采集辉长岩进行SHRIMP锆石U-Pb年龄定年，获得494 Ma±10 Ma的结果，表明其形成生成时代为奥陶纪[12]。色尔特能镁铁质-超镁铁质岩被石炭纪花岗岩侵入，恰特尕力段镁铁-超镁铁岩被下二叠统火山磨拉石不整合覆盖，说明色尔特能镁铁质-超镁铁质岩石在晚石炭世之前已经完成构造就位。

色尔特能超镁铁岩轻稀土微弱富集，而洋中脊型蛇绿岩明显亏损轻稀土元素[33]，二者明显不同。亏损的Ti元素可以用来指示是俯冲带岛弧环境[34]；同大洋中脊地幔w(TiO2)=0.1%～0.4%[35]含量相比，色尔特能超镁铁岩(w(TiO2)=0.04%～0.05%)明显偏低，与消减带蛇绿岩(SSZ)中超镁铁岩(w(TiO2)<0.1%)接近。微量元素，Ba、U、Ta富集，Nb、Ti亏损。Nb的亏损表明，色尔特能超镁铁岩的形成环境明显区别于典型的大洋中脊环境，与岛弧环境类似。而形成于洋内弧后盆地环境的蛇绿岩可以同时兼具大洋中脊和岛弧的特征[36]。

综上所述，认为色尔特能超镁铁岩属于蛇绿岩范畴，是SSZ型蛇绿岩下部变质橄榄岩的组成部分，形成于俯冲带环境中洋内弧后盆地。

4 结论

(1)色尔特能超镁铁岩出露规模较小，受构造改造强烈，劈理化和蛇纹石化十分发育，基本已经全部蚀变成蛇纹岩，依据地球化学相关图解，推测原岩为斜方辉石橄榄岩。

(2)色尔特能超镁铁岩m/f值>6.5(m/f=8.03～9.42)。稀土元素总含量较低，w(ΣREE)=1.44×10-6～2.92×10-6，配分模式为轻稀土弱富集的近平坦型，其w(La)N/w(Yb)N=3.09～5.49，具负Eu异常(δEu=0.48～1.09，平均值0.78)和负Ce异常(δCe=0.53～0.60，平均值0.56)。微量元素Ba、U、Ta富集，Nb、Ti亏损。为原始地幔大约2%～10%部分熔融后的地幔残余。

(3)色尔特能超镁铁岩属于蛇绿岩范畴，是SSZ型蛇绿岩下部变质橄榄岩组成部分，形成于俯冲带环境中洋内弧后盆地。