西昆仑西北缘柯牙吾齐超镁铁岩的发现及成因

赵 民，贺永康，荆德龙，李 侃，隋清霖，赵晓健，周 凯，金谋顺

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054；2.自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，陕西西安 710054；3.西北地质科技创新中心，陕西西安 710054；4.汉中西北有色七一一总队有限公司，陕西汉中 723000)

0 引言

西昆仑造山带地处青藏高原西北和中央造山带最西段，位于特提斯和古亚洲两大构造域的汇集部位(任纪舜，1999;姜耀辉等，2000;姜春发等，2000)。潘裕生(1990,2000)、邓万明(1995)认为西昆仑是显生宙以来经历多次弧陆碰撞而形成的复合造山带。部分西方学者认为西昆仑主体为三叠纪形成的增生杂岩(Burtman and Molnar，1993;Robinson et al.，2007，2016;Rutte et al.，2017)。西昆仑造山带西临帕米尔高原,因其南部受印度洋板块向北的俯冲挤压,显生宙以来经历了复杂的构造地质演化,使西昆仑构造单元划分及其构造演化存在较大争议(Pan et a1.，1996；李荣社等，2008；Zhang et a1.，2007；刘敏等，2009；康磊等，2015)。尤其是西昆仑西段，复杂的构造背景加上恶劣的自然环境致使西昆仑西段地质构造研究程度远低于东段。

镁铁-超镁铁岩不仅能有效追踪地幔源区特征,而且很多镁铁-超镁铁质岩体本身就赋存Cr、Fe、Ti、V、Ni、Cu和PGE等矿产资源，这使得镁铁-超镁铁质岩研究一直倍受关注(张旗，2014)。截至目前，西昆仑西北缘基础地质调查和研究程度仍较低，关于超镁铁岩体的研究更是鲜有报道。本次研究在西昆仑坑希维尔-阿托依那克一带矿产调查的基础上，以在西昆仑造山带西北缘柯牙吾齐东侧首次发现的超镁铁质岩体为研究对象，对其进行岩石学、岩石地球化学研究，从而探讨其形成时代、构造环境及其成因，以期为区域上的构造演化研究和铜镍等相关找矿工作提供新的启示。

1 区域地质背景

本文西昆仑造山带构造单元划分参照潘裕生(1990,2000)的划分方案：从北到南分别以库地-其曼于特蛇绿构造混杂带和麻扎-康西瓦蛇绿构造混杂带为界划分为北昆仑地体、南昆仑地体和甜水海地体(图1a，Xiao et al.，2002;袁超等，2003;方爱民等，2003;许志琴等，2011)。

图1 西昆仑西北缘区域构造简图(a,据魏小鹏，2018)和研究区地质简图(b)

研究区属于南昆仑地体，位于麻扎-康西瓦蛇绿构造混杂带北侧，靠近于北侧的库地-其曼于特蛇绿构造混杂带(图1a)。出露地层主要包括长城系赛图拉岩群(ChST.)绢云石英片岩、黑云斜长角闪片岩夹条带状大理岩，总体受缓倾的逆冲推覆构造控制(孙宝生等,2003)，以飞来峰的形式呈不规则斑块状覆盖在石炭纪-二叠纪地层及部分侵入岩之上(图1b)；上泥盆统奇自拉夫组(D3q)分布于研究区南部，主要岩性为灰红色中粗粒岩屑砂岩、紫红色薄层细粒长石石英砂岩、灰色绢云母变质中细粒石英砂岩、浅灰绿色薄层泥质粉砂岩等；下石炭统乌鲁阿特组(C1w)为一套海相火山岩，主要由块状玄武岩、枕状玄武岩组成；下二叠统玛尔坎雀库塞山组(P1m)岩石组合主要为杂色火山碎屑岩、熔岩夹碳酸盐岩；中二叠统昆盖依套组(P2k)主体为灰岩夹碎屑岩，局部可见火山岩。各地层间多以断裂接触，局部为不整合接触。研究区NW向断裂构造发育，断裂性质复杂、规模悬殊，区域性断裂具多期次活动特点，顺断裂带普遍发育韧性动力变质岩。位于研究区西南部的吐于克特勒断裂为二叠系昆盖依套组(P2k)与泥盆系奇自拉夫组(D3q)的边界断裂(图1a)，走向北西，倾向北东，呈弧形弯曲，该断裂西部与区域塔什库尔干断裂交汇。研究区侵入岩主要有晚石炭世波斯坦铁列克岩体、喀什喀苏岩体，晚三叠世萨落依岩体、阿克萨依岩体等，分别呈岩基、岩株、岩枝和岩脉侵入到不同时代地层中，岩性以英云闪长岩、石英闪长岩和花岗斑岩等中酸性侵入岩为主(图1b)，次为蛇纹石化辉橄岩、辉长岩、辉绿岩。

2 宏观地质特征

柯牙吾齐超镁铁质岩位于吐于克特勒断裂北侧，波斯坦铁列克岩体西南侧，在地表呈不连续脉状产出，宽2～10 m，长从几十米到1 km不等，侵位于中二叠统昆盖依套组和长城纪赛图拉岩群之中，其中有一岩脉侵入于晚石炭世波斯坦铁列克岩体中，主要呈NW-SE向展布，与区域构造线走向一致(图1b)。该岩脉西部由于被积雪覆盖，延伸情况不明。

3 岩相学特征

柯牙吾齐超镁铁质岩岩性为蛇纹石化辉橄岩，岩石呈灰色-深灰绿色，块状构造，变余粒状结构、交代残留结构、堆晶结构(图2a，b)。岩石主要由橄榄石(40%～45%，少量可达60%以上)、辉石(45%)和金属矿物(10%±)组成，镁铁质矿物含量大于90%。金属矿物以磁铁矿为主。橄榄石呈粒状，粒径多在0.2～3 mm。橄榄石多被蛇纹石交代呈变余环网状结构。蛇纹石种属为胶蛇纹石，少量纤维蛇纹石，少部分也被角闪石、菱镁矿交代。有时可见橄榄石残留体呈交代残留结构。辉石晶体常被角闪石交代，有些呈交代假象结构。岩石中还见少量方解石，不规则状沿粒状橄榄石边部交代。岩石中金属矿物呈粒状，粒径大小一般在0.1～0.5 mm，星点状分布(图2b～c)。

图2 柯牙吾齐超镁铁质岩野外和显微照片

4 岩石地球化学特征

本次选取在柯牙吾齐岩体东边岩脉采集的JD-H7～9、中间岩脉采集的JD-H11～12和西边岩脉采集的17YQ-5～6共7件新鲜样品进行主量及微量元素分析，样品位置见图1b。岩石的主量元素、稀土元素和微量元素分析均在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成。主量元素用荧光光谱仪(XRF)进行测试，分析精度优于5%;稀土元素和微量元素采用美国热电公司SeriesⅡ型SX50型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行分析，分析精度和准确度优于5%～10%。全岩地球化学分析结果见表1。

4.1 主量元素

结果显示辉橄岩样品SiO2含量为42.14%～47.43%，平均44.43%，具有低的Al2O3(1.41%～3.69%，均值2.51%)、CaO(0.28%～6.59%，均值3.28%)、K2O+Na2O(0.55%～0.88%，均值0.70%)和TiO2(0.03%～0.24%,均值0.11%)，富MgO(24.69%～31.22%，平均26.76%)，FeOT(7.05%～11.65%，均值9.82%)。结果显示各主量元素含量分布于一个相对较大的范围，这反映了不同样品中不同矿物的堆积过程。如JD-H12、17YQ-5和17YQ-6三个样品Al2O3含量明显较其它样品含量小，而MgO含量较其它样品含量大，说明这三件样品单斜辉石和斜长石的结晶分异作用相对较弱，而存在一定程度的橄榄石结晶分异。

Mg#值是鉴别原始岩浆的重要参数(孙涛，2011；尤敏鑫等，2017)。柯牙吾齐辉橄岩样品Mg#值为79.98～86.70，分布相对集中，平均值为81.62，大于原生岩浆的Mg#值(68～75；Wilson，1989)，反映柯牙吾齐辉橄岩经历了橄榄石与辉石的分离结晶和堆晶作用，处于一个相对低的演化过程；m/f比值除了一个样品(JD-12)为7.82，为镁质超基性岩类，其余样品均在3～6.5，属于铁质超基性岩类(吴利仁，1963)，比较有利于形成铜镍硫化物矿床。

主量元素烧失量(LOI)值较高(6.9%～15.9%)，主要与样品蛇纹石化蚀变有关，这反映了柯牙吾齐辉橄岩经历了后期不同程度的改造。此后涉及主量元素的投图中，是剔除烧失量之后重新百分化后进行投图。在TAS图解上，所有样品均落在亚碱性系列区域(图3a)，在AFM图解中，样品均落于拉斑系列的镁铁质-超镁铁质堆晶岩区域(图3b)，反映岩石具有堆晶成因。综合判断柯牙吾齐辉橄岩为拉斑玄武岩系列。

表1 柯牙吾齐超镁铁岩主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果

续表1

图3 柯牙吾齐超镁铁岩(K2O+Na2O)-SiO2图解(a,底图据Irvine and Baragaer,1971)和AFM图解(b,底图据Coleman,1977)

4.2 微量元素

辉橄岩样品稀土元素含量普遍不高，稀土元素总量(∑REE)多小于17.84×10-6(11.41×10-6～17.84×10-6，平均14.08×10-6)，含量为原始地幔的1～10倍。轻重稀土比LREE/HREE为2.81～5.69，平均为4.46，(La/Yb)N为2.05～3.69，平均为2.9，属于轻稀土富集型。(La/Sm)N为1.92～4.29，(Gd/Yb)N为1.21～1.79，表明轻稀土元素之间各元素分馏程度比重稀土元素稍强。球粒陨石标准化曲线图总体呈现出轻稀土相对富集，重稀土平坦的略右倾的配分模式，Ce、Eu和Er显示明显富集(图4a)。δEu为1.50～3.15，平均为2.34，显示弱的Eu正异常，表明可能存在斜长石堆积作用。相容元素Ni、Cr和Co含量高，分别为1183×10-6～2346×10-6，1169×10-6～2356×10-6，84.55×10-6～152.00×10-6。在原始地幔标准化微量元素蛛网图解上(图4b)，辉橄岩样品微量元素总体呈现富集大离子亲石元素(Rb、Ba、U、Sr)和Pb，相对亏损高场强元素Nb、P、Zr、Hf、Ti以及亏损K、Sm元素，显示具有弧岩浆的特征。无论是各样品的配分曲线还是原始地幔标准化微量元素蛛网图，各样品曲线近似一致，基本平行，均显示出具有同源岩浆演化的特征。

图4 柯牙吾齐超镁铁岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough,1989)

5 讨论

5.1 岩浆源区特征

许多学者通过大量研究指出原生岩浆的鉴别与地幔橄榄岩平衡岩石地球化学标志：Green(1975)，Mg#=63～73;Sato(1977),Ni=235×10-6～400×10-6;Hess(1992),Mg#>0.68,Ni=300×10-6～400×10-6。柯牙吾齐超镁铁岩Mg#=79.98～86.70，Ni=1183×10-6～2346×10-6，均在原生岩浆范围之外。由此推断形成柯牙吾齐超镁铁岩的岩浆已不是原生岩浆。

柯牙吾齐超镁铁岩Zr/Nb介于20.70～45.18，而富集地幔和过渡型地幔Zr/Nb<18，亏损地幔Zr/Nb>18(Le Roex et al.,1983)，这表明柯牙吾齐超镁铁岩由亏损地幔部分熔融形成。国外学者研究认为高La/Sm(>4.5)值也能反映地壳物质的混染(Lassiter and Depaolo，1997)。由表1可知，JD-H7、JD-H9、JD-H11、JD-H12的La/Sm(2.98～4.17)<4.5，JD-H8、17YQ-5、17YQ-6的La/Sm(6.05～6.65)>4.5，这也指示源区岩浆可能经历了一定程度的地壳物质混染。

辉橄岩样品在Th/Yb-Nb/Yb图解中偏离MORB-OIB演化线，大部分落在岛弧火山岩区域(图5a)，说明其形成受到了俯冲组分的影响(Pearce and Peate，1995)，可能有富水沉积物或者玄武岩所产生的富水熔体进入地幔源区。在SiO2-Nb/Y图解上(图5b)，所有样品均落在低压、高度部分熔融的拉斑玄武岩浆区域内，暗示岩浆经过高度部分熔融形成。

综上，柯牙吾齐超镁铁岩源区主要为受俯冲流体或者熔体交代的亏损地幔，并经历了一定程度的地壳混染。

5.2 构造环境分析

研究区内超镁铁岩普遍发生了蛇纹石化,蛇纹石化蚀变对稀土元素(REE)和Th、以及高场强元素(HFSE)等流体不活动元素不会造成大的影响(Day et al.,2008)。为进一步探讨柯牙吾齐辉橄岩形成的构造环境，笔者选取这些抗蚀变元素对其形成环境进行构造环境判别。在Zr/117-Th-Nb/16判别图上(图6a)，样品均投在破坏板块边缘玄武岩范围；在Hf/3-Th-Nb/16图解上(图6b)，岩石表现出岩浆弧的特征,暗示柯牙吾齐超镁铁岩是俯冲作用引起的岩浆上涌侵位形成的岛弧岩浆岩。

图5 柯牙吾齐超镁铁岩样品源区性质判别图解(a,据Pearce,2008;b,据Greenough et al.,2005)

图6 柯牙吾齐超镁铁岩样品构造环境判别图解(a,据Wood et al.,1979；b,据Metzger et al.,2002)

5.3 岩石成因

超镁铁质岩石是研究地幔物质组成和演化的重要载体。根据其产出的构造背景、岩石组合、伴生矿产大体可分为5类,即蛇绿岩、义敦型岩体、阿拉斯加型岩体、层状侵入体和橄榄岩一闪长岩型岩体(张旗，2014)。研究区内出露的超镁铁岩如果仅从岩石地球化学特征分析是类似于阿拉斯加型岩体，但综合岩体产出的区域构造环境、岩石组合以及岩石地化特征，柯牙吾齐超镁铁岩又与上述5类典型超镁铁质岩石均不相同。为查明柯牙吾齐超镁铁岩成因，笔者在前述岩石地化分析基础上，结合区域构造背景对其进行初步探讨。

在研究区内发现的柯牙吾齐超镁铁岩未能采到理想的年龄样品，本次仅从该岩体与围岩关系以及与之相关已有测试年龄的岩体对其形成时代进行了初步约束。柯牙吾齐超镁铁岩侵入的最新地层为中二叠统昆盖依套组，河南省地质调查院(2012)根据该套地层中大量的古生物化石年代多为中二叠世，并结合该套地层中多处采获中二叠世的标准蜓化石(似纺锤蜓Parafusulinasp.)确定昆盖依套组地层时代为中二叠世①，这说明柯牙吾齐超镁铁岩岩浆活动不早于中二叠世。同时，从宏观分布特征看该岩体又被阿克萨依岩体错断(图1b)，说明柯牙吾齐超镁铁岩侵入形成时代应晚于阿克萨依岩体形成时代。阿克萨依岩体岩性主要为闪长花岗岩，已测得锆石U-Pb同位素年龄值为213.2±1.2 Ma(另文发表)，属于晚三叠世晚期。据此推断柯牙吾齐超镁铁岩形成时代应介于中二叠世-晚三叠世晚期之间。

而前人对于西昆仑造山带中二叠世-晚三叠世做了大量的研究工作：毕华等(1999)在西昆仑造山带已发表的同位素年龄数据统计分析基础上,认为224.70～211.39 Ma西昆仑仍存在岛弧构造环境;计文化(2005)通过西昆仑造山带沉积岩研究推测，在中二叠世晚期，古特提斯开始碰撞造山;张传林等(2005)根据西昆仑北部两类花岗岩研究,认为(240.5±1.8) Ma处于同碰撞造山环境,(228.2±1.5) Ma则为后碰撞伸展拉张环境;李荣社等(2008)通过西昆仑地层对比研究推测碰撞发生在晚二叠世-中三叠世,晚三叠世为后碰撞阶段;Yang et al.(2011)则对麻扎-康西瓦断裂西段变质事件研究后推测碰撞造山发生在中-晚三叠世；康磊等(2015)通过对西昆仑西段晚古生代-中生代花岗岩综合研究认为258～241 Ma为碰撞造山阶段，234～210 Ma为后碰撞伸展阶段。综合前人研究发现在晚三叠世(234～210 Ma)西昆仑西段处在一个后碰撞伸展的拉张环境。

另外，研究区内缺失晚二叠世-晚三叠世沉积，可能是古特提斯中二叠世晚期发生碰撞抬升所致。新疆地质调查院在位于研究区北部的萨罗依花岗斑岩体中获得的Rb-Sr等时线年龄为222±14 Ma②，属晚三叠世；本次对错断柯牙吾齐超镁铁岩脉的阿克萨依糜棱岩化石英闪长岩体进行了锆石U-Pb年代学研究，获得其形成时代为213.2±1.2 Ma(另文发表)。这些均表明，西昆仑西段在三叠纪晚期发生了地幔岩浆底侵和强烈的壳幔岩浆相互作用，处于后碰撞伸展环境(康磊等，2015；Jiang et al.，2013)。

在后碰撞伸展环境中形成的岩浆岩也可能具有岛弧或活动大陆边缘岩浆岩所特有的地球化学特征(Elliott et al. 1997；Aldanmaz et al. 2000；Wang et al. 2004)。前文主微量元素地球化学特征分析显示柯牙吾齐超镁铁岩具有俯冲作用引起岩浆上涌侵位形成的岛弧岩浆岩的特征。

综上判断，具有岛弧岩浆岩地球化学特征的柯牙吾齐超镁铁岩形成时代最大可能是晚三叠世,在古特提斯洋闭合引起碰撞后伸展的构造环境下，岩浆沿着深断裂上侵形成，其形成年龄略早于阿克萨依岩体(213.2±1.2 Ma)，源区主要为亏损地幔，受早期俯冲流体或者熔体改造并经历了一定程度的地壳混染。

6 结论

(1)柯牙吾齐超镁铁岩位于西昆仑西北缘、麻扎-康西瓦蛇绿构造混杂带北侧，呈不连续脉状产出，侵位于中二叠统昆盖依套组、长城纪赛图拉岩群和石炭纪波斯坦铁列克岩体中。

(2)柯牙吾齐超镁铁岩具有低硅、低钛、高镁、贫碱的特征，属铁质、镁质超基性岩，拉斑玄武系列。岩石富集大离子亲石元素，相对亏损高场强元素，略富集轻稀土元素，具有弱的Eu正异常。

(3)柯牙吾齐超镁铁岩形成于晚三叠世，其形成与古特提斯洋闭合引起的碰撞后伸展背景有关。

致谢自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室校培喜教授级高工在成文过程中给予了悉心指导，审稿专家及编辑同志对本文也提出了许多宝贵的修改意见，在此一并致谢！

[注 释]

① 河南地质调查院.2012.新疆1:5万昆盖山等5幅区域地质调查报告[R].

② 新疆地质调查院.1998.新疆1:5万喔尔托克幅等5幅区域地质调查报告[R].