塔里木板块东北部坡北基性–超基性岩体岩浆序列研究

Study on Magmatic Sequence of the Pobei Basic-Ultrabasic Complex in the Northeast Tarim Plate

摘要: 坡北岩体位于新疆塔里木板块东北部，可划分为五个岩浆单元，对应五个岩相，分别为辉长岩相、辉长苏长岩相、橄榄辉长岩相、橄榄岩相和辉长岩岩枝。各单元岩石之间的矿物学特征存在差异，说明坡北岩体是不同期次岩浆侵入的产物。模拟计算获得橄榄岩相、橄榄辉长岩相和辉长苏长岩相岩石中橄榄石的平均结晶温度分别为：1303℃、1280℃和1204℃；橄榄岩相的原生岩浆的MgO含量为18%，属苦橄质岩浆；辉长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.61%，辉长苏长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.74%，均为玄武质岩浆。微量元素图解与Sr、Nd同位素指示岩浆演化过程中存在同化混染作用，辉长岩相和辉长苏长岩相受到的混染作用明显高于橄榄岩相和橄榄辉长岩相；辉长岩相、辉长苏长岩相和橄榄岩相的岩浆源区均为亏损岩石圈地幔，较低的部分熔融程度形成辉长岩相和辉长苏长岩相，较高的部分熔融程度形成橄榄岩相。

Abstract: The Pobei complex, located in the northeastern margin of the Tarim plate, can be divided into five magma units, corresponding to five lithofacies: gabbro facies, gabbronorite facies, olivine gabbro facies, peridotite facies and gabbro apophysis. The mineralogical characteristics of rocks from each unit are different, indicating that the Pobei complex is a product of different magma pulses. The average crystallization temperatures of olivine in peridotite facies, olivine gabbro facies and gabbronorite facies are 1303˚C, 1280˚C and 1204˚C, respectively. The MgO content of the primary magma of peridotite facies is 18%, suggesting a picritic magma. The MgO contents of the primary magma of gabbro facies and gabbronorite facies are 8.61% and 8.74%, respectively, all of which are basaltic magma. Trace element diagrams and Sr-Nd isotope indicate that contamination existed during the magmatic evolution process, and the degree of contamination in gabbro facies and gabbronorite facies is significantly higher than olivine gabbro facies and peridotite facies. The magma sources of gabbro facies, gabbronorites facies and peridotite facies are deplete lithosphere mantle, and the gabbro facies and gabbronorite facies are formed by lower degree of partial melting, while the peridotite facies is higher than them.

1. 引言

塔里木板块东北部坡北基性–超基性岩体出露面积约180 km²，其中坡一、坡七、坡十超基性侵入体中赋存铜镍硫化物矿床。近年来，部分学者对坡北岩体的形成时代、矿物特征、岩浆演化过程以及岩石成因等进行了探讨。姜常义等 [1] 获得坡北岩体中辉长岩锆石年龄为274 ± 4 Ma，并认为坡北岩体中苦橄质和玄武质原生岩浆分别生成于洋岛型地幔源区和亏损型大陆岩石圈地幔 [2] ；Xia et al. [3] 计算得到坡一侵入体的原始岩浆源区为亏损地幔，并在演化过程中受到了俯冲交代改造过的岩石圈地幔或新生地壳组分的影响；Xue et al. [4] 认为该地区基性–超基性岩体的形成与地幔柱的活动无关，是由于岩石圈的拆沉和软流圈上涌的产物。且坡北岩体经历了广泛的同化混染作用 [1] [2] [5] [6]。本次研究依托于1:5万地质专题填图，对坡北岩体中各种岩相开展了系统的岩石地球化学与矿物地球化学研究，从原生岩浆成分、同化混染程度、矿物学特征等前人仍然存在争论的方面，探讨了坡北岩浆过程与岩浆序列，认为橄榄岩相、橄榄辉长岩相和辉长苏长岩相均来源于亏损的岩石圈地幔，橄榄岩相形成于高程度部分熔融，其原生岩浆为苦橄质岩浆，而橄榄辉长岩相和辉长苏长岩相均形成于低程度部分熔融，其原生岩浆为玄武质岩浆，在上升侵位过程中受到了明显的地壳混染。

2. 岩体地质特征

坡北岩体位于新疆塔里木板块东北缘，白地洼–淤泥河断裂东南侧，呈相互连通的北东向延展岩盆状，围岩主体为中元古界白湖群黑云母片岩、黑云石英片岩、二云石英片岩、大理岩等(图1)。岩体内广泛分布有大理岩、黑云母片岩、石英片岩及交代形成的矽卡岩的围岩残留顶盖和顶垂体，发生明显的热接触变质作用。

通过1:5万专题地质填图和室内研究，根据不同岩相之间的相互接触关系将坡北基性–超基性岩体划分为5个岩浆单元，对应五个岩相，分别为辉长岩相，含少量淡色辉长岩与斜长岩；辉长苏长岩相，主要由辉长苏长岩、橄榄辉长苏长岩组成，边部含透镜状橄榄辉石岩；橄榄辉长岩相；橄榄岩相，主要由纯橄岩、含长二辉橄榄岩、二辉橄榄岩和暗色橄榄辉长岩等组成，坡一和坡十岩(矿)体即形成于该阶段；辉长岩岩枝，主要为细粒辉长岩，仅在局部呈岩枝状产出。坡北岩体中还有斜长玢岩脉、辉绿岩脉、花岗岩脉等各种后期侵入岩脉。

坡北岩体的主体是辉长岩相；辉长苏长岩相主要产出在岩体南部；橄榄辉长岩相多呈大透镜状侵入到辉长岩中；橄榄岩相中偶见橄榄辉长岩包体(图2(a)、图2(b))。说明辉长岩形成的最早，接下来是橄榄辉长岩，橄榄岩的形成相对较晚。辉长岩岩枝特征与坡北岩体中大面积出露的辉长岩相虽然侵入关系上有早晚明显差别，但是矿物组合特征一致，后面地球化学研究中将二者合并，按照岩相开展讨论。因此，坡北杂岩体形成可分为5个阶段：辉长岩、橄榄辉长苏长岩、淡色辉长岩和斜长岩构成岩体主体，为第一阶段产物；橄榄辉长苏长岩为第二阶段产物；纯橄榄岩、含长二辉橄榄岩、二辉橄榄岩和橄榄辉长岩构成第三阶段；斜长岩、淡色辉长岩和少量细粒辉长岩构成第四阶段；第五阶段为石英闪长玢岩和正长花岗岩岩枝和岩脉 [1] [7]。

Figure 1. Regional geological map of the northeastern Tarim plate (a) and the Pobei Complex (b)

图1. 塔里木板块东北部区域地质图(a)与坡北岩体地质图(b)

3. 矿物地球化学特征

3.1. 橄榄石

橄榄石的粒径及矿物化学组成呈明显的变化趋势，具体表现为：粒径、Fo值及Ni含量橄榄岩 > 橄榄辉长岩 > 橄榄辉长苏长岩，纯橄岩Fo值在89.8~90.7之间，Ni含量较高，平均值为2661.2 × 10⁻⁶；二辉橄榄岩Fo值在83.7~84.5之间，Ni含量平均值为770.1 × 10⁻⁶；含长单辉橄榄岩Fo值在81.4~82.0之间，Ni含量平均值为1301.8 × 10⁻⁶；橄榄辉长岩Fo值平均值为80.3~81.5之间，Ni含量平均值为992.7 × 10⁻⁶；橄榄辉长苏长岩Fo值平均值为63.5~65.9之间，Ni含量较低(表1)。总体呈现现从橄榄岩相到橄榄辉长岩相到辉长苏长岩相橄榄石的Fo和Ni含量逐渐减小的趋势。

坡北岩体中辉长苏长岩相、橄榄辉长岩相和橄榄岩相这三个岩相中橄榄石的Fo值与FeO呈现出较明显的相关性，与SiO₂、CaO和Ni的相关性不明显，但是较为明显的是，橄榄岩相中橄榄石的SiO₂、CaO和Ni含量最高，且分布范围较大，而辉长苏长岩相中橄榄石的SiO₂、CaO和Ni含量最低，橄榄辉长岩相中橄榄石的SiO₂、CaO和Ni含量在橄榄岩相和辉长苏长岩相之间(图3)。

根据橄榄石结晶温度计算公式： $t\left(˚\text{C}\right)=1066+12.068\times {\text{Mg}}^{\#}+\frac{312.3\times {\left({\text{Mg}}^{\#}\right)}^2}{{10}^4}$ [8] [9]

(a) 辉长岩与橄榄辉长苏长岩侵入界线；(b) 辉长岩与橄榄岩侵入界线；(c) 纯橄岩中的包橄结构、堆晶结构；(d) 橄榄辉长岩中的堆晶结构、含长结构；(e) 橄榄辉长苏长岩中的堆晶结构及钛铁矿；(f) 苏长岩中的辉长结构以及斜方辉石的角闪石反应边。Ol-橄榄石；Opx-斜方辉石；Cpx-单斜辉石；Pl-斜长石；Am-角闪石；Ilm-钛铁矿。

Figure 2. Field and microscopic photo of samples from the Pobei intrusion

图2. 坡北岩体野外及镜下特征

经计算，橄榄岩相、橄榄辉长岩相和辉长苏长岩相岩石中橄榄石的平均结晶温度分别为：1303℃、1280℃和1204℃，呈现出随Fo值降低递减的趋势。

3.2. 辉石

坡北岩体中的单斜辉石多为透辉石，少量的普通辉石，且辉长苏长岩相岩石的辉石的Fs值明显大于橄榄岩和橄榄辉长岩，橄榄岩相及橄榄辉长岩相中的斜方辉石为古铜辉石，辉长苏长岩相的斜方辉石基本都为紫苏辉石(表1、图4)。同时，镜下发现橄榄岩相、橄榄辉长岩相及辉长岩相中的辉石粒径明显比辉长苏长岩相中的辉石粒径大(图2)。

Figure 3. Correlation analysis of olivine composition for samples from the Pobei intrusion

图3. 坡北岩体橄榄石成分相关性图解

单斜辉石的成分可以很好地反映母岩浆的成分特点 [10] ，且火成岩中Si与Al具互不相容的作用,它们可以作为确定母岩浆类型的标型元素 [10] [11]。在单斜辉石的SiO₂-Al₂O₃图解上，所有样品均落在亚碱性区域，表明这四个岩相的母岩浆属亚碱性系列。在Al^Ⅳ-Si图解上，均位于拉斑玄武岩区，表明坡北岩体的母岩浆应属拉斑玄武岩系列(图4)。

3.3. 斜长石

斜长石在各类岩石中多呈填隙相，半自形—他形短柱状、板状(图2)。辉长岩相中斜长石牌号在68.3~70.7之间；在辉长苏长岩相中斜长石牌号在49.4~68.4之间，为拉长石；在橄榄辉长岩相中斜长石牌号在73.8~85.4之间，为培长石，含长结构中被包裹的斜长石牌号较高，最高可达97，为钙长石；在橄榄岩相中斜长石牌号在68.1~87.2之间。(表1、图5)。坡北岩体中各类岩石的斜长石SiO₂与An和Al₂O₃的相关性较好，呈负相关(图5)，辉长苏长岩相中斜长石的K₂O含量又比其它岩石高(表1)。

Figure 4. Classification diagram of pyroxene from the Pobei intrusion and relationship between SiO₂-Al₂O₃ and Al^IV-Si of clinopyroxene

图4. 坡北岩体辉石分类图解及单斜辉石的SiO₂-Al₂O₃、Al^IV-Si关系图

Figure 5. Classification diagram of plagioclase from the Pobei intrusion and relationship between plagioclase SiO₂-An and SiO₂-Al₂O₃

图5. 坡北岩体斜长石分类图解及斜长石SiO₂-An、SiO₂-Al₂O₃关系图

4. 岩石地球化学特征

4.1. 主量元素

岩体SiO₂含量在35.25%~50.51%之间，属基性–超基性岩类。橄榄岩相的SiO₂、Al₂O₃和CaO的含量较低，平均为38.65%、3.57%和4.52%，而TFe₂O₃和MgO含量较高，平均为11.85%和31.33%。橄榄辉长岩相的SiO₂、Al₂O₃和CaO的含量较橄榄岩相高，平均为46.91%、17.82%和15.26%，TFe₂O₃和MgO含量较橄榄岩相低，平均为5.09%和10.34%。辉长苏长岩相岩石的SiO₂、Al₂O₃和TFe₂O₃的含量较橄榄辉长岩相高，平均为48.83%、15.96%和7.92%，CaO和MgO含量较橄榄辉长岩相低，平均为12.56%和9.68%，TiO₂含量较高，平均为0.82%，最高达2.34%。辉长岩的SiO₂、TFe₂O₃和MgO含量较辉长苏长岩相岩石低，平均为49.69%、5.41%和7.45%，CaO和Al₂O₃含量较辉长苏长岩相岩石高，平均为13.57%和21.96%。整体岩石的Mg^#值在0.59~0.87之间(表2)。

从主量元素相关性图解中可以发现，橄榄岩相的演化主要受橄榄石的结晶分异控制，其次为单斜辉石，橄榄辉长岩相则同时受橄榄石，单斜辉石和斜长石的结晶分异控制，辉长岩相受单斜辉石和斜长石的结晶分异控制，辉长苏长岩相受辉石和斜长石的结晶分异控制(图6)。

4.2. 稀土与微量元素

橄榄岩相的稀土含量最低，∑REE = 3.11 × 10⁻⁶~14.60 × 10⁻⁶，有一件纯橄岩样品有明显的铕异常，δEu = 1.79，其余橄榄岩样品基本没有铕异常，δEu在1附近。(La/Yb)_N = 0.70~1.50，(La/Sm)_N = 0.52~1.37，(Gd/Yb)_N = 0.88~1.46，轻重稀土元素之间、轻稀土元素内部和重稀土元素内部分馏均较弱，这些岩石的稀土元素配分曲线呈近似平坦型(表2)。

Figure 6. Correlation diagram of major elements of the Pobei intrusion

图6. 坡北岩体主量元素相关图

橄榄辉长岩相的稀土含量较橄榄岩相高，∑REE = 8.85 × 10⁻⁶~14.41 × 10⁻⁶，铕异常较为明显，δEu = 1.56~1.91，且其轻重稀土元素之间、轻稀土元素内部和重稀土元素内部分馏均较弱。这些岩石的稀土元素配分曲线呈近似平坦型。

辉长苏长岩相岩石的稀土含量较高，∑REE = 8.05 × 10⁻⁶~22.84 × 10⁻⁶，铕异常较为明显，δEu = 1.57~5.62，样品的轻重稀土元素之间、轻稀土元素内部和重稀土元素内部分馏均较弱。稀土元素配分曲线均为近似平坦型。辉长岩相样品的稀土总含量∑REE = 14.19 × 10⁻⁶~23.21 × 10⁻⁶，铕异常较为明显，δEu = 1.81~2.06，稀土元素配分曲线呈较弱的轻稀土元素富集型(表2)。

从微量元素配分曲线可以看出，所有岩石的不相容元素与原始地幔的比值在0.1~10之间，说明亏损大多数不相容元素，这些岩石共同的特点是均有明显的Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素的负异常及亏损，可能是由于强烈的同化混染作用或形成于岛弧环境。Rb、Ba、Sr、U、Th等大离子亲石元素的含量变化范围较大，由于这些元素的化学活泼性较强，说明有流体活动的参与。大多数样品都存在Ti的负异常。(图7)。

5. 讨论

5.1. 岩浆序列特征

辉长岩相中单斜辉石主要为透辉石，斜长石牌号约为70；辉长苏长岩相(橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩、苏长岩)中橄榄石Fo约为64，Ni含量极低，单斜辉石主要为透辉石，斜方辉石主要为紫苏辉石，斜

Figure 7. Chondrite normalized REE pattern and primitive mantle normalized trace element spider diagram of samples from the Pobei intrusion

图7. 坡北岩体的球粒陨石标准化稀土元素分布模式和原始地幔标准化多元素蛛网图。(球粒陨石及原始地幔标准化值来自 [12] )

Table 1. Mineral composition of samples from the Pobei intrusion

表1. 坡北岩体单矿物电子探针数据

Table 2. Major and trace elements of rocks from the Pobei intrusion

表2. 坡北岩体主微量数据

长石牌号在50~60之间，属拉长石，这一单元的岩石可在镜下发现普遍存在钛铁矿。橄榄辉长岩中可见硫化物颗粒，橄榄石Fo值约为81，Ni含量约为1000 × 10⁻⁶，单斜辉石主要为透辉石，偶见有斜方辉石为古铜辉石，斜长石牌号在75~85之间，属培长石。橄榄岩相包括纯橄岩、含长二辉橄榄岩、二辉橄榄岩和暗色橄榄辉长岩，纯橄岩中Fo值最高，可达90以上，Ni含量最高3347.4 × 10⁻⁶；其余岩性橄榄石Fo值也在80以上，Ni含量在700 × 10⁻⁶~1200 × 10⁻⁶之间，单斜辉石主要为透辉石，斜方辉石主要为古铜辉石，斜长石牌号在70~80之间，属培长石。

坡北岩体中各岩浆单元的岩石矿物晶体化学特征具有差异(图8)，可能与岩浆侵入顺序、岩浆分异演化过程不同有关。本次专题填图初步划定岩浆侵入先后顺序为辉长岩相→辉长苏长岩相→橄榄辉长岩相→橄榄岩相→辉长岩岩枝。

Figure 8. Mineral characteristic map of rocks from the Pobei intrusion

图8. 坡北岩石矿物特征图

5.2. 原生岩浆

Mg-Fe在橄榄石–熔体之间的分配系数K_D = 0.3 ± 0.03 [8] ，是一个相对稳定的值。在岩浆结晶过程中，橄榄石是最先结晶的矿物，由于Mg的相容性比Fe高，因此Mg会比Fe先进入矿物相中，从而使最先结晶的橄榄石具有最高的Fo值，而随着岩浆结晶分异过程的进行，随后结晶出的橄榄石Fo值会降低。因此，对于橄榄岩相，利用Fo值最高的橄榄石以及样品的FeO含量就可以估算出原生岩浆的MgO含量，公式为w(MgO) = 0.56095K_D × Fo/(1 − Fo) × w(FeO)。经过初步计算，橄榄岩相岩石的原生岩浆的MgO含量为18%，属苦橄质岩浆。

Mg^#值(Mg^# = Mg/(Mg + Fe))是鉴别原生岩浆的重要标志之一，与地幔橄榄岩平衡的原生岩浆的Mg^# = 0.65~0.75 [13]。初步计算获得辉长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.61%，而辉长苏长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.74%，均为普通玄武质岩浆。

5.3. 同化混染

不同的微量元素在不同矿物中具有不同的相容性，随着结晶作用的进行，残余岩浆将亏损早期结晶相中的相容元素，并富集不相容元素，但是，总分配系数相近的元素比值并不受分离结晶作用和部分熔融作用的影响，因此，可以使用不同元素比值之间的相关变化来判断是否存在同化混染作用。各岩浆单元的岩石在La/Yb-Ce/Yb相关图中均表现出明显的正相关性，说明岩石均经历了同化混染作用。在Th/Nd-Th/Sm相关图上，表现出明显的正相关性，说明坡北岩体的原生岩浆在演化过程中均经历了壳幔物质的混合作用 [14]。Th与Nb之间的正相关性也表明存在陆壳的混染作用(图9)。

由于硅铝质的地壳物质可以使幔源岩浆的Si、Al、稀土元素和大离子亲石元素富集，而造成Cr、Mg、Ni、V、Ti和Fe的亏损 [14] - [21] ，而微量元素配分曲线图上Rb、Ba、Sr、U、Th等大离子亲石元素的富集以及大部分的Ti负异常，同时Nb、Ta等高场强元素的负异常都为同化混染作用的存在提供依据(图9)。

5.4. 岩浆源区

前人认为坡北岩体的形成与塔里木大火成岩省有关 [1] [2] [22] [23] [24] ，而岩浆源区均为亏损岩石圈地幔 [1] [2] [6] [22] [23] [24] ，且经过了俯冲交代的改造 [3] ，原生岩浆组成的不同是由于岩石圈地幔不同

Figure 9. Distinguishing diagram of crust assimilation of the Pobei intrusion

图9. 坡北岩体地壳混染作用判别图

程度的部分熔融造成的，部分熔融的程度越高，其原生岩浆的MgO含量越高，而造成不同程度部分熔融的原因则是由于岩石圈地幔受到位于其下方的地幔柱的高温的影响程度不同。在地幔柱形成的早期，当温度较低时，形成部分熔融程度较低的辉长岩和辉长苏长岩相的原生岩浆。随着时间的推移，当温度逐渐升高时，部分熔融程度随之增大，形成橄榄岩的原生岩浆。 [25] 得出坡北辉长岩年龄为276.1 ± 1.9 Ma，橄长岩年龄为269.9 ± 1.7 Ma，指示坡北岩体各岩相侵入时间相似，可能存在侵入阶段或结晶先后差异。岩浆上侵入过程中受到不同成都的上地壳混染作用。

6. 结论

1) 坡北岩体主要划分为五个岩浆单元，对应五个岩相，分别为辉长岩相、辉长苏长岩相、橄榄辉长岩相、橄榄岩相及辉长岩岩枝。

2) 橄榄岩相的原生岩浆的MgO含量为18%，属苦橄质岩浆，是亏损地幔高度部分熔融的产物。辉长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.61%，辉长苏长岩相岩石原生岩浆MgO含量为8.74%，均为普通玄武质岩浆，是亏损地幔较低的部分熔融的产物。

3) 坡北岩体各单元岩石在形成过程中均受到了不同程度的地壳混染作用，且辉长岩相和辉长苏长岩相受到的混染作用明显高于橄榄岩相和橄榄辉长岩相。