西藏日喀则蛇绿岩镁铁质岩石Re-Os同位素特征及意义

李文霞，赵志丹，王晓丽，严 溶，路远发

(1.长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083；3.中国地质图书馆，北京 100083； 4.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

0 引 言

Re-Os同位素体系与传统亲石元素同位素体系(如Sr-Nd-Pb-Hf等)不同，Re和Os均为强亲铁元素(HSE)。在壳—幔分异过程中，Os是强相容元素，原始上地幔发生部分熔融时富集在残留相(地幔橄榄岩)；Re是中等不相容元素，优先进入到熔体相[1]。随着壳—幔分异的进行，地壳和地幔中Re/Os比值产生了很大的差异，通常地壳中Re/Os>10，而地幔中Re/Os<0.1。随着时间的不断积累，地壳和地幔的Os同位素组成显著不同，使其成为壳—幔物质循环与相互作用很好的地球化学示踪剂[2]。

经过近30年的研究，Re-Os同位素体系应用已经相当广泛，涉及各种背景产出的橄榄岩捕虏体、地幔构造岩、辉石岩、玄武岩、豆荚状铬铁矿以及Cu-Ni-PGE矿床等方面[3]。部分大洋地幔橄榄岩，如大西洋、西南印度洋、北冰洋，以及与热点或地幔柱岩浆作用有关的Hawaii等，具有非常低的Os同位素组成，其地幔被认为是古老的[4-7]。蛇绿岩的超镁铁质部分(橄榄岩)来源于上地幔，代表软流圈地幔抽取玄武质熔体后的地幔残余，其Os丰度较玄武质熔体一般高两个数量级，而Re/Os比值较低，因而其187Os/188Os比值也普遍较低(小于0.13)[6,8]。另外，橄榄岩Os同位素组成也存在很大差异，这可能是因为它们经历了多期部分熔融、亏损和交代等过程，明显改变了橄榄岩的最初成分[9-11]。洋中脊玄武岩(MORB)的Os含量非常低(0.001～0.05 ng/g)，MORB及其源区即亏损的MORB地幔(DMM)187Os/188Os比值处于原始上地幔范围内，MORB的Re-Os同位素体系会受到结晶分异和同化作用的影响[12]。另外，MORB的对流上地幔源区具有Os同位素不均一的特点[13]。尽管部分熔融是引起地幔不均一性的主要因素，但其他因素如熔体—地幔相互作用、古老岩石圈地幔再循环等也是导致地幔不均一的重要原因[6,14-15]。

在我国大量的蛇绿岩中，西藏雅鲁藏布蛇绿岩的研究开展得最早、最为详细，其在国际上的知名度也非常高。雅鲁藏布蛇绿岩Os同位素的研究主要集中于超基性岩和壳幔过渡带的铬铁矿等方面[11,16-18]。对蛇绿岩中橄榄岩的研究表明新特提斯洋地幔域的Os同位素组成存在不均一性，可能为古老大陆岩石圈地幔、大洋岩石圈地幔的再循环，以及不同S逸度熔(流)体的加入等多种过程共同作用的结果[19-20]。目前Os同位素在蛇绿岩镁铁质岩石方面的研究并不多[17,21]，主要是因为镁铁质岩石的Os含量低，数据质量不容易控制。本文Os同位素的测试在中国科学院广州地球化学研究所完成，该研究所已经建立了高精度的Os同位素测试方法，并取得了大量的研究成果[22-23]。本文尝试对位于雅鲁藏布蛇绿岩中段的日喀则蛇绿岩中的镁铁质岩石Os同位素进行研究，探讨其岩石成因及源区性质，探索雅鲁藏布蛇绿岩形成过程中Re-Os同位素的地球化学特征，进而为雅鲁藏布蛇绿岩更加系统、深入的研究提供新思路。

1 地质概况和样品

位于青藏高原最南边的雅鲁藏布缝合带(YZSZ)，作为青藏高原规模最大、最年轻的缝合带，是新特提斯洋俯冲、消亡以及随后的印度—欧亚板块碰撞的标志。蛇绿岩是缝合带重要的组成部分。根据雅鲁藏布蛇绿岩的地理分布及产出特征，一般将其划分为东段(曲水—朗县)、中段(昂仁—仁布)和西段(萨嘎以西至喜马拉雅西构造结)3部分，西段以仲巴地体为界又可以分为南支(达巴—休古嘎布蛇绿岩)和北支(达机翁—萨嘎蛇绿岩)。其中，日喀则蛇绿岩是中段蛇绿岩的典型代表，由一系列包含不同洋壳比例的岩体组成，从西向东主要包括昂仁、吉定、夏鲁、群让、白朗、大竹卡和仁布等岩体[24](图1(a))。尽管不同研究得到的雅鲁藏布蛇绿岩的形成时间存在一定的差异，但主要集中于132～119 Ma[26-28]。

1.第四系；2.第三系；3.晚白垩统；4.早白垩统；5.晚侏罗统—早白垩统；6.枕状熔岩；7.角砾状玄武岩；8.块状熔岩；9.席状岩墙群；10.辉绿岩；11.辉长岩；12.斜辉橄榄岩和辉绿岩床群；13.斜辉橄榄岩—二辉橄榄岩；14.蛇纹混杂岩；15.采样位置。图1 雅鲁藏布蛇绿岩中西段分布简图(a)和研究区日喀则地质简图(b) ((a)据朱弟成等[25]修改；(b)据王希斌等[24]修改)Fig.1 Simplified distribution map of central-western segment of theYarlung Zangpo ophiolite (a) and simplified geological map of the Xigaze ophiolite (b)

日喀则蛇绿岩保存较完整，尽管不同岩体的岩石组合不同，但自南向北总体为地幔橄榄岩、辉长岩—辉绿岩、玄武岩。蛇绿岩北侧大部分被晚白垩世的日喀则弧前盆地沉积覆盖，局部可见早白垩世晚期—晚白垩世早期的冲堆组覆盖。蛇绿岩南侧为一套中生代的嘎学群混杂堆积，其硅质岩时代主要为晚侏罗世—早白垩世[24,29]。不同地点蛇绿岩所代表的地幔源区性质不同，既有略富集的MORB型、HIMU性质的均一地幔源区，也有包含古老地幔的不均一源区[16-17，30-32]。

本文采样地点为日喀则蛇绿岩的夏鲁剖面和白朗剖面(图1(b))。夏鲁蛇绿岩位于日喀则东南方向约20 km，剖面出露大小不等的枕状玄武质熔岩(图2(a))、块状熔岩，镁铁质岩石主要为枕状、块状、气孔和杏仁状玄武质熔岩和中细粒的辉长岩及辉绿岩，岩石表面均遭受了不同程度的风化作用，新鲜面呈灰绿色、灰色和紫红色。在岩石较新鲜的露头采集了4件玄武岩和1件玄安岩，共计5件样品。白朗蛇绿岩位于白朗县西北方向约10 km处，出露大小不等的枕状熔岩，大至4.0 m×6.0 m的巨型枕状玄武岩，小的则为0.3 m×0.4 m左右的小型枕状玄武岩。岩石新鲜面呈灰黑色、灰紫色，岩石表面风化呈不同程度的灰绿色。在新鲜的露头采集了2件玄武岩和1件粗玄岩，共计3件样品。

玄武岩以半晶质结构为主，主要矿物为斜长石和辉石，颗粒较细。斜长石大多发生绿泥石化和绢云母化，部分辉石绿泥石化(图2(b))；有的玄武岩为斑状结构，含有少量辉石和斜长石斑晶(图2(c))。粗玄岩中较自形的斜长石构成不规则的空隙内充填了辉石，呈粗玄结构(图2(d))。

(a) 枕状玄武质熔岩；(b) 玄武岩(正交偏光)；(c) 斑状玄武岩(正交偏光)；(d) 粗玄岩(正交偏光)；Chl.绿泥石；Cpx. 单斜辉石；Opx. 斜方辉石；Pl. 斜长石。图2 日喀则蛇绿岩照片Fig.2 Photographs for the Xigaze ophiolite

2 测试方法

全岩主量元素测试在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，采用Leeman Labs公司生产的Prodigy型全谱直读发射光谱仪(ICP-AES)测定。全岩微量元素测试工作在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，采用安捷伦公司生产的Agilent 7700型四极杆等离子体电感耦合质谱仪(Q-ICP-MS)测定。测试的具体流程、仪器分析精密度和准确度见参考文献[33]。全岩的主量元素、微量元素测试结果参见文献[34-35]。

Re-Os同位素测试在中国科学院广州地球化学研究所运用同位素稀释法完成。Os同位素含量的分析在Thermo Fisher Scientific公司生产的Triton负离子热电离质谱仪(NTIMS)上完成，Re含量的分析通过ICP-MS测试完成。实验过程主要包括样品的分解、蒸馏分离Os、萃取分离Re和质谱测定4个步骤，具体流程参见文献[36]。获得的Re-Os同位素结果列于表1中。

3 结 果

研究区蛇绿岩镁铁质岩石的Re、Os丰度分别为0.003 6～0.056 8 ng/g和0.003 0～0.020 3 ng/g，低于原始地幔值(分别为0.35 ng/g和3.9 ng/g)[37]，但Re/Os比值高于原始地幔值(～0.1)，印证了地幔部分熔融过程中Os具有更强的相容性[38]。Re丰度低于MORB(0.68～3.0 ng/g)，Os丰度处于MORB的Os含量(0.001～0.05 ng/g)范围[2]；187Os/188Os同位素比值为0.179 54～0.671 63，平均为0.368，高于原始地幔的0.129 6[39]，也高于青藏高原特提斯洋地幔的估算值0.128 1[16]，显示为富集的特征，表明有放射性成因Os的存在。日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的Re-Os同位素总体为Re含量低，187Os/188Os同位素比值较高，且分布范围广，具有火山弧玄武岩的特征。

表1 日喀则蛇绿岩Re-Os同位素结果

4 讨 论

4.1 岩石成因

研究区蛇绿岩镁铁质岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分图表现为总体平缓、轻稀土亏损的特征，其成分和配分型式均与典型亏损的洋中脊玄武岩(N-MORB)一致(图3(a))。微量元素原始地幔标准化蛛网图的成分特征和配分型式总体与N-MORB一致，但明显富集大离子亲石元素(Rb、U、K)、亏损高场强元素(Nb、Ta、P)(图3(b))，样品Th含量大于Ta，Nb异常指数Nb/Nb*=NbPM/(ThPM×LaPM)1/2，为0.48～0.70，为Nb负异常，这些都反映了岩石不同于典型的大洋中脊玄武岩，而具有岛弧岩浆的成分[40]。另外，岩石的εNd(t)值表现为岛弧玄武岩的地球化学特征，也表明岩石源区与俯冲背景相关[35,41-42]。上述微量元素和同位素特征均表明蛇绿岩的形成与俯冲作用有关。

球粒陨石的稀土元素标准化值引自Boynton [51]；原始地幔标准化值和亏损地幔(N-MORB)、富集地幔(E-MORB)、洋岛玄武岩(OIB)数值引自Sun and McDonough [52]。图3 日喀则蛇绿岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle normalized trace elements spider diagrams (b) for theXigaze ophiolite

日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的Os同位素组成不同于太平洋和大西洋MORB，而与印度洋MORB类似。其Os含量(3.0～20.3 pg/g)处于西南印度洋脊(SWIR)的N-MORB(0.57～102 pg/g)范围内，187Os/188Os比值(0.179 5～0.671 6)较SWIR的N-MORB(0.129 5～0.302 3)范围广[43]。Os与187Os/188Os呈负相关，与SWIR的HD-MORB(重稀土略有亏损的N-MORB)类似(图4(a))。一般认为海水蚀变和壳源物质的加入均可增加放射性成因Os的含量[44]。由于海水中Os的含量相当低(约0.01 pg/g)[45-47]，若岩石的形成过程遭受了海水蚀变，则要求相当高的水/岩比[48]。尽管海水中187Os/188Os比值可高达地幔部分熔融岩浆的10倍[49]，但研究区岩石烧失量(LOI)并不高(2.0～4.6，除RK1014为7.5外)，且与海水蚀变反应敏感的元素Rb、Cs相关性不明显(图5)；同时，岩石Sr-Nd同位素特征与N-MORB近似，其Sr同位素受海水蚀变不明显[41]，这些都说明岩石受海水蚀变影响不大。再者，岩石样品的Re含量与LOI之间没有明显的相关性(图6)，Rb/Cs与Os元素之间也未表现出相关性(图4(b))，均表明岩石形成过程中Re-Os同位素体系受蚀变作用的影响不明显[6]。地壳岩石具有较高的La/Sm比值，日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的La/Sm比值为0.82～1.18，平均0.94，具有N-MORB(0.95)的特征，不同于地壳岩石；同时，日喀则蛇绿岩镁铁质岩石样品的构造投图显示其产出于远离大陆地壳的SSZ环境(图7)，即岩石形成过程未受到陆壳的影响[34-35,50]，因而岩石放射性成因Os组分亦不是大陆地壳混染的结果。

SWIR数据引自Peucker-Ehrenbrink等[43]；其他数据引自Zhang等[11]。图4 日喀则蛇绿岩Os-187Os/188Os (a)和Os-Rb/Cs(b)图解Fig.4 Plots of Os-187Os/188Os (a) and Os-Rb/Cs (b) for the Xigaze ophiolite

图5 日喀则蛇绿岩Rb-LOI (a)和Cs-LOI (b)图解Fig.5 Plots of Rb-LOI (a) and Cs-LOI (b) for the Xigaze ophiolite

图6 日喀则蛇绿岩LOI-Re图解Fig.6 Plot of LOI-Re for the Xigaze ophiolite

SSZ(FA)=SSZ弧前型；SSZ(OBA)= SSZ大洋弧后型；SSZ(BA-FA)= SSZ弧后—弧前型；岩石的成分区域据Dilek and Furnes[54]。图7 日喀则蛇绿岩Nb/Yb-Th/Yb图解(底图据Pearce[55])Fig.7 Plot of Nb/Yb-Th/Yb for the Xigaze ophiolite

东波、Yungbwa、普兰和大竹区橄榄岩数据分别引自文献[17-20]。图8 日喀则蛇绿岩Re/Os-Os图解(底图据史仁灯等[53])Fig.8 Plot of Re/Os-Os for the Xigaze ophiolite

Re-Os同位素体系自从被应用于示踪蛇绿岩成因之后，已经成功探求了熔融残留相(地幔橄榄岩)和熔体相(玄武质岩类)中Re-Os同位素的地球化学特征。玄武岩低Os含量主要受控于两种因素：一是地幔部分熔融过程中，Os优先进入到残余地幔的富Os相，使熔体中Os的含量远低于原始地幔；二是岩浆分离结晶过程中，Os优先进入到分离矿物相中[53]。在Re-Os同位素组成图解中，熔体相和残留相分别位于对角象限，雅鲁藏布蛇绿岩的橄榄岩为部分熔融的残留相，处于第Ⅱ象限，而日喀则蛇绿岩镁铁质岩石则为地幔部分熔融形成的熔体相，位于第Ⅳ象限(图8)，其分布规律主要受Re-Os同位素在部分熔融机制下的地球化学行为制约。

地幔部分熔融形成的岩浆上升，通过上地幔的纯橄岩通道时与围岩相互作用，使熔体中的Os汇聚保留于通道的围岩中，导致熔体的Re/Os比值升高；若这种纯橄岩通道系统抬升至浅部的壳—幔过渡带，后期部分熔融的岩浆上升经过时，大量熔融了通道中的普通金属硫化物，而富Os的难熔成分则留存于纯橄岩通道内，该过程进一步放大了壳—幔之间Re-Os同位素的分馏。简而言之，地幔源区部分熔融产生的熔体经长距离运移到达地壳的过程发生了强烈的Re-Os分馏，导致地幔Os同位素不均一；同时，使熔体与地幔残留相之间的Os同位素组成产生显著解耦，形成的镁铁质岩石比岩石圈地幔含有更多的放射性成因Os[56]。

4.2 源区特征

日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的产出与俯冲背景相关，其(187Os/188Os)i组成范围广，不同于典型MORB和OIB的同位素组成。由于岩石形成过程未受大陆地壳混染和蚀变的影响，因而其Os同位素组成特征与源区性质有关。

图9 日喀则蛇绿岩Os-(187Os/188Os)i图解(底图据Dale等[58])Fig.9 Plot of Os-(187Os/188Os)i for the Xigaze ophiolite

日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的(187Os/188Os)i组成与Os丰度具有负相关性(图9)，且γOs值较高，均说明其地幔源区具有不均一性[51,57]。对雅鲁藏布蛇绿岩中橄榄岩的研究表明：新特提斯洋壳形成前，其地幔源区经历的多期部分熔融和熔体/岩石作用导致了地幔亏损；另外，早期的俯冲作用使洋壳进入地幔，导致古老的大洋岩石圈保存于地幔，即再循环的富集组分存在于软流圈中，地幔再循环的熔体中也有这种古老洋壳的贡献[11]。同时，日喀则蛇绿岩镁铁质岩石在形成过程中，洋壳通过俯冲作用进入到上地幔，使玄武质岩脉存在于地幔橄榄岩中，形成“marble cake”结构的地幔[59-60]。由于镁铁质岩石具有非常低的Os丰度和高的放射性成因Os组成，这种洋壳的加入，使地幔“真实的”(187Os/188Os)i组分与高放射性成因Os同位素组分混合，导致地幔源区具有高初始Os同位素组成的同时，也表现出不均一性[61-63]。再者，洋壳俯冲进入到地幔的过程会脱水丢失大量的Re(40%～60%，甚至更多)[64-65]。由上述发生过俯冲作用的、受到洋壳混染的地幔作为岩石源区，便可以产生研究区这种Re、Os丰度低，高放射成因Os同位素组成和初始Os范围广的岩石[58]。

4.3 蛇绿岩的构造演化

日喀则蛇绿岩形成之前，特提斯洋发生过多次俯冲[19,27，66]。早期特提斯洋的俯冲及引起的大陆岩石圈地幔剥离，将古老的岩石圈地幔带入软流圈，导致地幔源区不均一；同时，与俯冲相关的岩浆作用形成的弧后盆地拉张，形成新的洋壳。随后，古老而亏损的大陆岩石圈地幔参与作用的大洋岩石圈再次发生俯冲，部分熔融产生的镁铁质岩浆经过上覆橄榄岩通道，形成现今日喀则蛇绿岩的镁铁质岩石单元[19,27，67]。

5 结 论

雅鲁藏布蛇绿岩中部的日喀则蛇绿岩，其镁铁质岩石的稀土元素及微量元素特征均与亏损的洋中脊玄武岩(N-MORB)一致，同时又具有岛弧岩浆的特点，表明日喀则蛇绿岩的形成与俯冲有关。

日喀则蛇绿岩镁铁质岩石的Re-Os同位素体系与西南印度洋脊(SWIR)的N-MORB类似，但又表现出高放射性成因Os同位素组成的特点，导致这一现象的主要原因并非后期海水蚀变和大陆地壳混染所致，而是与源区性质及形成于俯冲环境有关。

日喀则蛇绿岩的镁铁质岩石为地幔部分熔融形成的熔体相，熔体相上升过程通过上地幔内早期形成的熔体/岩石作用的纯橄岩通道，发生强烈的Re-Os分馏，使熔体与地幔残留相的Os同位素组成发生解耦，熔体中含有更多放射性成因的Os。

日喀则蛇绿岩形成前，特提斯洋发生的多次俯冲使其地幔源区经历了多期部分熔融和熔体/岩石作用，导致源区地幔包含古老的大陆和大洋岩石圈地幔。该不均一的地幔源区发生部分熔融产生的镁铁质岩浆经过上覆橄榄岩通道，形成了现今日喀则蛇绿岩的镁铁质岩石。