美姑县南红玛瑙矿区玄武岩地球化学特征和岩石成因

Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Basalt of Nanhong Agate Orefield in Meigu County

摘要: 凉山州美姑县发育一套与南红玛瑙成矿关系紧密的玄武岩，对该玄武岩元素质量分数和相关性进行分析。研究结果表明：玄武岩ω(SiO₂)为50.33%~52.51%，ω(TiO₂)为2.64%~4.08%，ω(Al₂O₃)为13.10%~13.40%，全碱ω(K₂O+Na₂O)为2.74%~4.25%，ω(MgO)为3.60%~4.94%，Mg指数为32.01~38.17。玄武岩轻稀土元素(LREE)富集、轻重稀土元素分异作用明显，具轻微Eu负异常(δω(Eu)=0.88~0.96)和轻微的Ce正异常(δω(Ce)=1.01~1.05)，富集Rb、Ba和Th等大离子亲石元素，Nb和Ta无明显异常，相对亏损K、P和Sr等元素。矿区玄武岩为碱性玄武岩，形成于板内拉张环境，为大陆裂谷构造背景。岩浆发生了轻度的源区混染，未遭受明显的地壳物质混染；经历了分离结晶作用，且发生部分熔融。玄武岩可能位于地幔热柱边部，是由石榴石二辉橄榄岩地幔部分熔融形成的，且具有由石榴石稳定区向尖晶石稳定区过渡的特征。

Abstract: A set of basalts closely related to the Nanhong Agate mineralization was developed in Meigu county of Liangshan prefecture. Element concentration of the basalts and geochemical correlation analysis were made. According to the results, the ω(SiO₂) of basalts is from 50.33% to 52.51%, ω(TiO₂) is from 2.64% to 4.08%, ω(Al₂O₃) is from 13.10% to 13.40% and ω(K₂O + Na₂O) is from 2.74% to 4.25%, ω(MgO) is from 3.60% to 4.94% and Mg index changes from 32.01 to 38.17. The light rare earth elements (LREE) of basalts are enriched, and the differentiation between LREE and HREE is obvious. Eu of the sample shows slight negative anomaly (δω(Eu) = 0.88~0.96), and Ce shows slight positive anomalies (δω(Ce) = 1.01~1.05). It is enriched in large ion lithophile elements (such as Rb, Ba and Th), shows no obvious anomaly in high field strength elements (such as Nb and Ta), and is relatively depleted in the elements (such as K, P and Sr). The basalts of the orefield are alkaline basalts, formed in an intra-plate environment, which is the tectonic setting of continental rift. The magma has mild contamination of source region, and does not suffer significant continental crust material contamination. The magma underwent the fractional crystallization and partial melting. Basalts may be located in the edge of mantle plume, formed by the partial melting of garnet peridotite mantle, and have the characteristics of transition from garnet stable region to spinel stable region.

1. 引言

凉山州美姑县南红玛瑙颜色鲜艳、质地细腻、纹理丰富，深得玉器收藏界的喜爱。自2009年发现以来，前人对美姑县南红玛瑙矿床开展了一定的研究工作，但主要集中在矿床的宝石学矿物学和岩石学特征 [1] [2] [3] [4]、致色机理研究 [5] [6]、矿床地质特征和控矿因素分析 [7] 等方面，对该矿床的赋矿围岩玄武岩尚未进行系统的研究工作。

本文在对美姑县南红玛瑙矿区玄武岩进行岩相学、岩石地球化学特征研究的基础上，探讨其岩石成因，以期为美姑县南红玛瑙矿床的成矿规律研究和成矿潜力分析提供地质依据。

2. 大地构造背景及矿区地质概况

美姑县南红玛瑙矿区大地构造位于“川滇南北构造带”与四川盆地“新华夏系沉降带”的交接地带，属川滇南北构造与四川盆地西南边缘的台褶带的交接地带 [2] [8]。主要构造线受SN构造控制，兼有NE向、NW向、NNW向及NNE向构造。

矿区出露地层主要有侏罗系中统沙溪庙组(J₂s)和自流井组(J₂z)、三叠系中统雷口坡组(T₂l)、二叠系中统峨眉山玄武岩(P₂β)和乐平组(P₂l)、震旦系上统灯影组(Z₂dy)；南红玛瑙矿体主要赋存在二叠系中统气孔状玄武岩中(图1)。玛瑙矿区主要由三个矿带组成：九口矿带的矿体地表断续出露长> 1 km，可见厚度约

Figure 1. Geological sketch of Nanhong agate orefield in Meigu county

图1. 美姑县南红玛瑙矿区地质简图

1 m~5 m，产状306˚∠12˚~34˚；联合(洛莫依达)矿带的矿体地表断续出露长约0.8 km，可见厚度约0.8 m~3 m，产状70˚~130˚∠5˚~9˚；瓦西矿带的矿体地表断续出露长 > 1 km，可见厚度约1 m~3.5 m，产状350˚~50˚∠20˚~35˚。

3. 岩相学特征

本次共采集玄武岩样品5件，其中2件样品(D0002、D0003)采自瓦西矿带、2件样品(D0004、D0005)采自联合(洛莫依达)矿带、1件样品(D0006)采自九口矿带。

玄武岩主要呈灰色、灰黑色，气孔和杏仁状构造(图2(a)、图2(b))，基质间粒间隐结构(图2(c))。矿物成分主要为斜长石、辉石、石英、绿泥石和少量方解石、隐晶质集合体等。斑晶主要为斜长石，斜长石呈自形板状、针状，大小约0.04 mm~0.60 mm，含量约9%~50%，轻微绿泥石化(图2(d))，以单体或团块状集合体均匀分布在基质中；辉石呈粒状，大小约0.01 mm~0.07 mm，含量约15%~20%，局部可见绿帘石化(图2(e))，均匀分布在斜长石颗粒间或呈细微晶充填于气孔中；石英呈细微粒状充填在气孔中，含量约5%~7%；绿泥石呈放射状、纤维状，含量约7%，分布在斜长石间或充填在气孔中(图2(e)、图2(f))。含有玛瑙的气孔从内到外先充填隐晶质石英，并发生重结晶作用形成板状、粒状石英(图2(g))，然后方解石、纤维状绿泥石依次充填，最后充填纤维状和隐晶质石英，形成圈层构造(图2(h))，含量约7%；隐晶

(a) 气孔状构造 (b) 杏仁状构造 (c) 间粒间隐结构 (d) 斜长石斑晶，绿泥石化 (e) 气孔中绿泥石和辉石，辉石局部绿帘石化(正交光) (f) 充填在气孔中细微晶石英及绿泥石 (g) 板状和粒状石英(正交光) (h) 气孔中的石英、方解石和绿泥石(正交光)Cal-方解石，Chl-绿泥石，Px-辉石，Pl₁-自形板状斜长石，Pl₂-针状斜长石，Qtz₁-纤维状石英，Qtz₂-粒状石英

Figure 2. Photos of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图2. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩照片

质集合体呈团块状分布于斜长石颗粒间(图2(a)、图2(d))，含量约20%~22%。

4. 岩石地球化学特征

样品的主量–微量–稀土元素配套分析由澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素采用硼酸锂/偏硼酸锂熔融，X荧光光谱分析(XRF)进行测定；微量元素采用四酸消解，等离子光谱(ICP-AES)进行分析；稀土元素用硝酸定容，再用等离子体质谱仪(ICP-MS)分析。测试过程按《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T0130.3-2006)进行，分析精度优于5%。

4.1. 主量元素地球化学特征

主量元素测试结果见表1，ω(SiO₂)介于50.33%~52.51%之间，平均值为51.64%，含量较高(>49%)，但低于上地壳平均值66% (文中引用上地壳的元素平均值均为Taylor 1985年标准)。ω(Al₂O₃)为13.10%~13.40%，平均值为13.30%。ω(TiO₂)为2.64%~4.08%，平均值为3.08%。ω(K₂O)为0.58%~1.72%，平均值为1.08%；ω(Na₂O)为1.68%~2.67%，平均值为2.35%；ω(K₂O + Na₂O)含量较低，介于2.74%~4.25%之间，均值为3.44%。ω(^TFe₂O₃)为13.44%~15.84%，均值为14.80%。ω(CaO)、ω(MgO)、ω(MnO)的平均值分别为8.04%、4.10%、0.22%，均高于上地壳平均值(4.20%、2.20%、0.08% )。

去除LOI后，将主要氧化物成分重新计算到100%，对样品进行TAS投图(图3(a))，4件样品落在玄武岩区，1件位于玄武安山岩区，可能是由于该玄武岩气孔中含玛瑙或基质中充填隐晶质石英而导致SiO₂含量过高所致，与薄片镜下鉴定结果基本一致，说明美姑县南红玛瑙矿区赋矿围岩以玄武岩为主。由于K、Na为碱性金属元素，其在岩石蚀变过程中较活泼，而不相容或耐熔元素Zr、Ti、Nb、Y等在岩石蚀变过程中比值基本不发生变化或变化范围较小 [9]，因此本文采用ω(Zr)/ω(TiO₂)-ω(Nb)/ω(Y)分类图(图3(b))进行投图，样品均落在碱性玄武岩区内。

4.2. 稀土元素地球化学特征

由稀土元素测试结果(表2)可知，玄武岩具有较高的稀土质量分数(ω(ΣREE) = 272.71 × 10⁻⁶~331.32 × 10⁻⁶，均值为274.65×10⁻⁶)，稀土元素球粒陨石标准化型式较简单(球粒陨石标准化数据引自文献 [12] )，所有样品都表现出一致的LREE富集的右倾型分布模式，与OIB玄武岩相似(图4)。ω(LREE)为134.56 × 10⁻⁶~296.52 × 10⁻⁶，ω(HREE)为21.89 × 10⁻⁶~34.80 × 10⁻⁶，ω(LREE)/ω(HREE)较低，为6.15~8.82 (平均为8.19)，(ω(La)/ω(Yb))_N(N表示相应元素质量分数的球粒陨石标准化)为7.33~12.54，(ω(Gd)/ω(Yb))_N为2.06~2.96，表明LREE和HREE分异作用明显，LREE发生明显富集。δω(Eu)为0.88~0.96，具轻微Eu

Table 1. Major element composition and relevant parameter value of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

表1. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩主量元素分析结果及其参数值

注：^TFe₂O₃和^TFeO为全铁的两种表达形式，ω(^TFeO)% = ω(^TFe₂O₃)% * 0.8998；Mg^＃ = 100 × (MgO/40.31)/(MgO/40.31 + ^TFeO/71.85)。

Figure 3. TAS and ω(Zr)/ω(TiO₂) versus ω(Nb)/ω(Y) diagras of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图3. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩TAS分类图 [10] 和ω(Zr)/ω(TiO₂)-ω(Nb)/ω(Y)图解 [11]

负异常；样品显示轻微Ce正异常(δω(Ce) = 1.01~1.05)。

4.3. 微量元素地球化学特征

玄武岩样品富集Rb、Ba和Th等大离子亲石元素，无明显Nb和Ta异常，且具有较高的ω(Zr)/ω(Yb)比值(72.06~135.97)，显示洋岛玄武岩的地球化学特征 [13]。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(原始地幔微量元素标准化数据引自文献 [14] ) (图5)上，其分布特征与典型的岛弧火山岩和洋中脊火山岩均有很大区别，而与洋岛玄武岩(OIB)的配分模式类似。

Table 2. Trace and rare earth elements composition of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

表2. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩微量、稀土元素组成

注：ω(K)/10⁻⁶ = ω(K₂O)% * 10,000 * 0.83013, ω(P)/10⁻⁶ = ω(P₂O₅)% * 10,000 * 0.43646。

Figure 4. Chondrite-normalized REE distribution pattern of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图4. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩稀土元素球粒陨石标准化配分图

Figure 5. Primitive mantle-standardized trace element pattern of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图5. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩微量元素原始地幔标准化蛛网图

5. 讨论

5.1. 构造环境

考虑到矿区玄武岩有不同程度的蚀变，在开展成岩构造环境研究时，除利用岩石主量元素外，特别选用一些在蚀变和变质过程中相对稳定的微量元素进行判别 [15]。Zr和Y为不活泼元素，TiO₂是比较惰性的组分，受蚀变和变质影响较小，是指示成岩构造环境的有效指标。在ω(TiO₂)-ω(Zr)和ω(Zr)/ω(Y)-ω(Zr)大地构造环境判别图解(图6(a)、图6(b))中，矿区玄武岩均位于板内玄武岩区。

Figure 6. ω(TiO₂) versus ω(Zr) and ω(Zr)/ω(Y) versus ω(Zr) discriminant diagram of tectonic setting of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图6. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩构造背景ω(TiO₂)-ω(Zr) [17] 与ω(Zr)/ω(Y)-ω(Zr) [18] 判别图

板内玄武岩一般包括洋岛玄武岩和大陆玄武岩，其发育位置分别为大洋地壳和大陆地壳。根据Chaycs关于一般玄武岩的构造环境判别函数，即“经验大洋系数”——OK = MgO + 2TiO₂-3K₂O (OK = 2~7.7为大陆玄武岩；8~9.5为裂谷系玄武岩和大洋斜长玄武岩；10~13为大洋玄武岩) [16]。本文样品OK值介于6.59~10.35之间，因而具有大陆玄武岩和裂谷系玄武岩的双重特征。

综上所述，美姑县南红玛瑙矿区碱性玄武岩形成于大陆板内拉张环境，为板内大陆裂谷构造背景，可能与康滇裂谷带形成有关。

5.2. 岩石成因

矿区玄武岩样品ω(TiO₂)为2.64%~4.08%，ω(Ti)/ω(Y)为511~672，与峨眉山玄武岩东岩区高钛特征一致 [19]。玄武岩样品的ω(MgO)、ω(Cr)、ω(Ni)和Mg^#均低于原生岩浆参考值(ω(MgO)为10%~12%，ω(Cr) > 1000 ppm，ω(Ni) > 400 ppm，Mg^#为68~75) [20] [21] [22] [23]，表明母岩浆并非原始地幔岩浆，而是发生了适度演化后的岩浆 [24]。

不相容元素的分配系数(D) < 1，在岩浆结晶时很难进入固相，常富集在液相中，因而在岩浆上涌过程中发生晶体分离作用时，不相容元素变化极小，其比值与源区比值基本一致，常用于表征源区的特征。ω(Zr)/ω(Hf) = 40.10~43.52 (平均为41.56)，接近原始地幔平均值(ω(Zr)/ω(Hf) = 33~40) [25]，显示矿区岩浆具有幔源岩浆特征。地壳物质对岩浆的污染方式有两种：一种是岩浆源区富集，一种是在岩浆上涌中受到地壳污染。幔源岩浆的ω(Lu/ω(Yb)值为0.14~0.15，而与陆壳相关的岩浆比值为0.16~0.18 [26]。矿区玄武岩ω(Lu)/ω(Yb)值为0.138~0.158(＜0.16)；而且其具有高的ω(Nb)/ω(U)平均值为22.02，与原始地幔(ω(Nb)/ω(U) = 30)接近，明显高于地壳(ω(Nb)/ω(U) = 9) [27]；ω(La)/ω(Nb)比值为1.25~1.32，接近原始地幔的值(0.94)，与典型陆壳岩石的比值(ω(La)/ω(Nb) > 12)相差较大；ω(Zr)/ω(Hf)比值(40.00~43.52)与原始地幔值(ω(Zr)/ω(Hf) = 36.25)较接近，因此，说明矿区岩浆起源于地幔源区而没有遭受到明显陆壳物质的混染，且源区发生少部分熔融 [28] [29]。地幔熔融形成的岩浆ω(La)/ω(Sm)值变化区间较小，而受到混染地壳物质时，ω(La)/ω(Sm)比值一般大于5 [30]，本文样品ω(La)/ω(Sm) = 3.92~4.17；大陆地壳一般强烈亏损Ta、Nb，因此当发生地壳混染时，微量元素蛛网图常表现为Nb和Ta的明显亏损，本文样品未见明显的Nb、Ta的亏损，表明矿区玄武岩岩浆未受到强烈的地壳混染。来自地幔柱的岩浆具有低的ω(La)/ω(Ta)比值(8~15)，而受地壳混染后的岩浆的ω(La)/ω(Ta)比值一般大于25 [31]，本文样品ω(La)/ω(Ta) = 18.61~21.38，低于25，说明未受到地壳混染，其比值高于15可能是由于源区混染造成的。由表3可知，矿区玄武岩与EM-1洋岛玄武岩最为相近，说明其起源与EM-1洋岛玄武岩起源类似，应为富集型上地幔，且与地幔柱的活动有关。

Table 3. Characteristics of incompatible elements ratio of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

表3. 美姑南红玛瑙矿区玄武岩不相容元素比值特征 [32]

综上所述，美姑县南红玛瑙矿区玄武岩起源于地幔源区且仅受到轻度的源区混染，玄武岩的部分壳源组分特征继承自地幔原岩，而非岩浆在上升过程中受到地壳物质混染所致。

在微量元素蛛网图(图5)上，大多数样品的强亲岩浆元素Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf分布集中，表明其来源于同一岩浆源区，并经历了相似的岩浆演化过程 [33]，D0005样品的强亲岩浆元素分布稍显离散，但其岩浆演化趋势与其它样品相似，说明其离散原因可能与来源于同一源区的不同部位熔融有关。样品P的亏损反映源区缺少磷灰石或者熔融程度较低；Sr的亏损和Eu的轻微负异常，暗示存在斜长石的分离结晶；在Harker图解(图7)中ω(MgO)与ω(TiO₂)、ω(Al₂O₃)、ω(Na₂O + K₂O)存在明显的负相关关系，说明存在辉石的分离结晶作用，与镜下岩矿鉴定结果相吻合。U和Ta、Zr、Th等高场强元素的富集和Y的轻微亏损，暗示其可能来源于富集型地幔 [31]。因此，矿区玄武岩岩浆起源于上地幔，这与峨眉山玄武岩源区直接来自源于上地幔部分熔融的观点一致 [33] [34]。

上地幔物质通常是由尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩相构成的，采用ω(La)/ω(Sm)-ω(Sm)/ω(Yb)图解

Figure 7. Harker diagram of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图7. 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩哈克图解

PM——原始地幔；DMM——亏损地性地幔；CLM——大陆岩石圈地地幔；LC——下地壳；CC——整个地壳；UC——上地壳

Figure 8. ω(La)/ω(Sm) versus ω(Sm)/ω(Yb) diagram of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图8. ω(La)/ω(Sm)-ω(Sm)/ω(Yb)图解

[35] 和ω(Ce)/ω(Y)-ω(Zr)/ω(Nb)图解 [36] 判别矿区玄武岩上地幔源区的物质起源，从图8和图9可以看出，大多数样品(D0005除外)集中于石榴石二辉橄榄岩熔融区内，D0005样品处于石榴石二辉橄榄岩与尖晶石辉橄榄岩过渡区内。ω(Ce)/ω(Yb)比值高表明熔融程度低或主要残留相为石榴石 [37]，本文样品ω(Ce)/ω(Yb)

Figure 9. ω(Ce)/ω(Y) versus ω(Zr)/ω(Nb) diagram of basalt of Nanhong agate orefield in Meigu county

图9. ω(Ce)/ω(Y)-ω(Zr)/ω(Nb)图解

= 22.10~40.44(均值为35.51)，具有变化区间大、均值高的特点，说明矿区玄武岩源区为石榴石稳定区，变化区间大，进一步表明具有向尖晶石过渡的特征。

因此，美姑县南红玛瑙矿区玄武岩是由石榴石二辉橄榄岩地幔部分熔融形成的，且具有石榴石稳定区向尖晶石稳定区过渡的特征，并伴随有斜长石、辉石的分离结晶作用。

峨眉山玄武岩西区(云南宾川)的玄武岩最厚可达5384 m [38]，该区及其邻区产出少量能够代表原生岩浆的苦橄岩 [39]，被视为地幔柱轴部。美姑县南红玛瑙矿区玄武岩厚约800 m，远离地幔柱轴部，可能形成于地幔热柱边部熔融或地幔热柱活动尾声。

6. 结论

1) 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩为碱性玄武岩。具有TiO₂含量高，REE总量高，轻重稀土分异作用明显，富集大离子亲石元素(Rb、Ba和Th)、Nb、Ta等高场强元素无明显异常，相对亏损K、P、Sr等元素的特点，地球化学特征和微量元素分布型式与标准洋岛型玄武岩、高钛峨眉山玄武岩相似。

2) 地球化学判别图解显示美姑县南红玛瑙矿区玄武岩应形成于大陆板内拉张环境，美姑县南红玛瑙矿区玄武岩岩浆起源于地幔源区且仅受到轻度的源区混染，其部分壳源组分特征继承自地幔原岩，而非岩浆在上升过程中受到地壳物质混染所致；岩浆可能来自于富集地幔，并与石榴石二辉橄榄岩部分熔融有关，且具有石榴石稳定区向尖晶石稳定区过渡的特征，并伴随有斜长石、辉石的分离结晶。

3) 美姑县南红玛瑙矿区玄武岩为地幔柱成因，且远离地幔柱轴部，可能形成于地幔热柱边部熔融或地幔热柱活动尾声。

基金项目

本文得到西南科技大学大学生创新创业训练计划项目(S201910619047)；西南科技大学博士基金项目(18zx712201)；西南科技大学学科建设软科学研究项目(18sxb08501)联合资助。

NOTES

^*通讯作者。