阿吾拉勒东部巩乃斯林场橄榄玄粗岩岩石地球化学特征及地质意义

马玉霞 李宁波

摘   要：西天山阿吾拉勒地区东部巩乃斯附近晚石炭世大哈拉军山组中分布着典型的橄榄玄粗岩，该岩石具高K2O（3.09%～4.26%）、K2O/Na2O（0.67～1.20）和高Al2O3 （20.30%～20.50%）特征，但是其成因还没有得到很好的限制。巩乃斯橄榄玄粗岩由具较富集的Sr-Nd同位素组成 （（87Sr/86Sr）I =0.704 471～0.704 784;εNd （t）=3.76～3.83），说明其源自于富集地幔源区。通过地球化学数据模拟发现该橄榄玄粗岩起源于尖晶石二辉橄榄地幔，相对于岩石圈地幔具较低的Ba/Rb和高Rb/Sr，结合其较高Th/Nb （1.93～1.99） 比值和Th （11.63×10-6～12.18×10-6） 含量，指示岩石富钾的特征很可能与再循环俯冲沉积物的加入有关;该岩石的高铝含量特征是由于岩浆中水含量较高导致斜长石结晶较晚形成的，而岩浆富水的特征可能与俯冲板片后撤导致板片脱水加强有关。结合该岩石地球化学特征和区域地质背景，认为巩乃斯橄榄玄粗岩形成于俯冲-碰撞转换阶段，是西天山地区构造体制转换阶段岩浆作用的产物。

关键词：阿吾拉勒;巩乃斯林场;橄榄玄粗岩;俯冲沉积物;构造背景

橄榄玄粗岩最初是在美国黄石公园发现的一种含大量钾长石的玄武质岩石，Morrison（1980）系统总结了该类岩石的岩石学和地球化学特征[1]，指出该类岩石以中基性岩为主，基性端元含有橄榄石、单斜辉石和斜长石等矿物斑晶，而在偏酸性端元的岩石中可见角闪石、黑云母等矿物;在化学组成上其主要地球化学特征包括富碱（K2O+Na2O>5%）、富钾（K2O/Na2O>0.6）、贫钛（TiO2<1.3%）、铝含量高且变化范围较大，同时富集轻稀土和大离子亲石元素。橄榄玄粗岩之所以受到地质学家广泛关注，是因为其不但具重要的构造指示意义，被作为地球动力学研究的重要“岩石探针”，而且是铜-金矿床的重要赋矿岩石。

位于新疆西天山中部的阿吾拉勒岩浆岩带是重要的铁-铜多金属成矿带，该成矿带的矿化元素有明显的时空分带。东部分布有与石炭纪岩浆岩有关的大型铁矿床，包括智博、查岗诺尔、敦德和雾岭等;西部则分布着众多与二叠纪岩浆活动有关的铜矿床（点），规模较大的有琼布拉克、群集和努拉塞等。因此，研究该地区岩浆-构造演化对于阐明相关矿床的成因具有重要意义。阿吾拉勒地区晚古生代橄榄玄粗岩的成因受到较为广泛的关注，Yang等认为该地区石炭纪和二叠纪橄榄玄粗岩形成在不同构造环境中，是交代地幔熔融的产物[2]。Yang等则认为该地区石炭纪橄榄玄粗岩的形成与地幔受到俯冲再循环的碳酸岩交代有密切关系[3]。罗勇等认为阿吾拉勒西部地区二叠纪橄榄玄粗岩形成与后碰撞弧环境有关，是交代地幔熔融的产物[4]。陈根文等认为阿吾拉勒地区二叠纪橄榄玄粗岩与同时代流纹岩组成双峰式岩浆组合，是后碰撞伸展阶段受到拆沉地壳混染的亏损地幔熔融的产物[5]。显然，该地区橄榄玄粗岩的成因还存在争议。另外，阿吾拉勒地区在晚古生代的构造体制发生了重大转折，但关于其时限和地球动力学环境仍存在不同认识：一些学者认为该地区石炭纪至二叠纪为裂谷环境[6-9]，也有学者认为该时期的岩浆活动与地幔柱有关[9]。此外，有学者认为石炭纪属岛弧环境，而二叠纪的岩浆岩则主要与板内碰撞或伸展有关[10， 11]。因此，通过对该岩浆岩带橄榄玄粗岩的研究可有效限定其构造背景，为重建阿吾拉勒乃至西天山晚古生代地球动力学过程提供新的约束。

1 区域地质概况

西天山位于我国新疆中部，是中亚造山带的重要组成部分，通常被分为3个次级构造单元，包括北天山构造增生带，伊犁-中天山板块（也被称作伊犁-中天山弧）和南天山构造增生带。本文研究的阿吾拉勒地区位于伊犁-中天山板块中部，是西天山的核心部位。阿吾拉勒地区地层出露较为复杂，主要为石炭纪和二叠系，以及沿喀什河和巩乃斯河河谷两侧分布的第四节碎屑沉积物，另有少量侏罗系分布。石炭系与二叠系有较大差异，石炭系岩石包括海相碳酸岩、玄武岩、安山岩以及少量的火山碎屑岩和砂岩等。二叠系则以火山碎屑岩、角砾岩、玄武岩、流纹岩以及砂岩为主。最新研究成果表明，在阿吾拉勒西部出露着少量元古代特克斯群地层[8]。带内的侵入岩主要形成于晚古生代，包括“A”型花岗岩[13]、埃达克岩[14]、辉长岩[15]和辉绿岩[16]等，其中部分岩石发生了不同程度的铁、铜矿化。

2 岩石学特征

巩乃斯林场橄榄玄粗岩分布在阿吾拉勒东部，地层上属石炭纪大哈拉军山组。大哈拉军山组在西天山分布非常广泛，从昭苏到巩乃斯一带均有分布，其岩石组合复杂且具穿时特征，但总体上其火山岩呈岛弧岩浆岩特征，明显的亏损Nb，Ta和Ti等高场强元素。阿吾拉勒东部地区的大哈拉军山组是西天山最重要的查岗诺尔-智博铁矿的赋矿围岩，形成年龄约310～320 Ma，属晚石炭世地层[17，18]。巩乃斯林场橄榄玄粗岩产于巩乃斯镇以西约8.5 km处，岩石呈喷出相产出，灰黑色、具斑状结构和块状构造（图1c），斑晶以长石为主（超过95%），另有少量单斜辉石斑晶。大多长石斑晶晶体大于5 mm，甚至可以达到50 mm，长石表面粗糙，发生绿泥石化和高岭土化等次生蚀变。单斜辉石则较为新鲜，粒度约1～2 mm，呈较为浑圆的状态（图1-d），少量辉石发生了绿泥石化和皂石化。基质以长石和少量辉石为主，另有一些不透明矿物。岩石的副矿物以不透明的铁钛氧化物、硫化物为主，含少量磷灰石。

3 分析方法

主量和微量元素含量及Sr-Nd同位素组成均在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。主量元素分析用Rigaku RIX 2000型荧光光谱仪（XRF）测试。微量元素的分析则采用Perkin-Elmer Sciex ELAN 6000 型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。主量元素分析相对偏差一般小于或等于5%，微量元素分析相对偏差一般小于或等于10%。Sr-Nd同位素分析利用Neptune Plus多接受器电感耦合等離子体质谱仪（MC-ICPMS）进行，Sr-Nd同位素计算参数以及步骤见[2， 19]。

4 分析结果

巩乃斯林场橄榄玄粗岩具有稳定的地球化学组成（表1），本次4个样品的主量元素变化范围为：SiO2为51.30%～52.84%，TiO2为0.69%～0.74%，CaO为5.97%～7.61%，Al2O3为20.30%～21.24%，Na2O为3.48%～4.59%，K2O为3.09%～4.26%，Fe2O3T为5.37%～6.03%，MgO为0.90%～2.22%，Mg#为26～49，P2O5为0.45%～0.49%。同时，岩石具较高全碱含量（K2O+Na2O =7.65～8.10）和K2O/Na2O比值（0.67～1.20）。在TAS图解中，岩石均落在碱性线以上（图2-a），而在SiO2-K2O图解中则全部属橄榄玄粗岩系列（图2-b）。

巩乃斯林场橄榄玄粗岩的Cr、Co和Ni含量均较低，分别为36.3×10-6～50.3×10-6、11.9×10-6～16.1×10-6和14.6×10-6～16.4×10-6，结合其较低的MgO含量，说明岩石并非地幔直接熔融的产物。微量元素原始地幔标准化蛛网图显示（图2-c），巩乃斯林场橄榄玄粗岩明显亏损Nb，Ta和Ti，但富集Rb，Th，U，Pb和Sr。岩石轻重稀土分异强烈（图2-d），其（La/Yb）N=8.57～9.01，但重稀土分异不明显（Dy/Yb）N=1.18～1.23），暗示石榴子石不是源区主要残留矿物。此外，该岩石具较弱Eu负异常（δEu=0.87～0.90），表明斜长石的分离结晶作用并不明显。巩乃斯橄榄玄粗岩具相对富集的Sr-Nd同位素组成，其（87Sr/86Sr）i值为0.704 471～0.704 784，（143Nd/144Nd）i值为0.512 418～0.512 422，对应的εNd （t）为3.76～3.83，其组成与I型富集地幔类似，明显不同于洋壳的组成，较西天山最为基性的哈拉达拉岩体（由基性-超基性岩石组成，（87Sr/86Sr）i= 0.703 8～0.705，（143Nd/144Nd）i= 0.512 542～0.512 482）略微富集[15，21，22]（图3）。

5 岩石成因

巩乃斯橄榄玄粗岩具高Al2O3（20.30%～21.24%）特征，属高铝玄武岩系列 （Al2O3大于16%）[23]。高铝玄武岩是在岛弧环境中较为常见的岩石类型[24]。目前普遍认为抑制斜长石分离结晶是形成高铝玄武岩的关键，而抑制斜长石分离结晶的途径主要有两种：①岩浆具较高的压力;②岩浆的高H2O含量[24]。实验岩石学研究显示，斜长石存在的稳定压力一般小于1.2 GPa，而在这个压力下石榴子石将成为主要矿物相之一[25]。石榴子石对稀土元素具很强的分异能力，会导致明显的重稀土分馏，但该橄榄玄粗岩重稀土分异并不明显（Dy/Yb）N=1.18～1.23，说明巩乃斯橄榄玄粗岩形成过程中石榴子石并非源区的主要残留相或分离结晶相，暗示高压环境并非是抑制斜长石结晶的主要因素，所以高的岩浆含水量更可能是导致巩乃斯橄榄玄粗岩富铝的关键。岩浆中高的水含量会强烈促进角闪石的分离结晶[26]，而角闪石具富MgO，高Nb/Ta比值，并且富集中稀土Sm的特征，因此其分离结晶会导致MgO，Nb/Ta比值降低[27， 28]，Zr/Sm比值升高。巩乃斯橄榄玄粗岩具较低的MgO含量、低Nb/Ta比值（12.8～13.1）和较高Zr/Sm比值（25.8～27.1）的特征，进一步证实了角闪石可能是主要的分离结晶相，从而说明初始岩浆可能具富水特征。

俯冲再循环物质的加入被认为是形成橄榄玄粗岩的关键控制因素之一。俯冲交代作用形成的角闪石或者金云母脉体的熔融制约了超钾质岩浆的形成[3，4，29]，而近期的实验岩石学证实，俯冲沉积物的加入也可以形成橄榄玄粗岩[30，31]。前人研究表明，地幔包体中的角闪石显示富K，Sr，LREE和HFSE特征，但其Rb和Th含量非常低[32]，而地幔中的金云母则富集K，Sr，Ba和Rb，同时具较低REE、HFSE和Th含量。因此，Ba/Rb和Rb/Sr比值被用来限定橄榄玄粗岩的源区性质[29]。巩乃斯林场橄榄玄粗岩相对于陆下岩石圈地幔或者哈拉达拉超基性岩具较低Ba/Rb 比值（4.08～9.07）和较高Rb/Sr比值 （0.09～0.18），所以金云母脉体的参与或者沉积物的加入是导致巩乃斯乃至整个阿吾拉勒地区石炭纪橄榄玄粗岩形成的关键因素（图4-a）[20，22，31，35]。巩乃斯林场橄榄玄粗岩具有较高的Th含量（11.6×10-6～12.2×10-6），其Th含量明显高于典型岛弧玄武岩，如安第斯岛弧玄武岩均值为3.77×10-6，阿留申岛弧玄武岩为1.21×10-6，平均大陆弧为2.03×10-6[33]，暗示有富Th物质加入到岩石的地幔源区。虽然U和Th是地球化学行为较相似的元素对，但是在板片俯沖脱水过程中U和Th会表现出不同的地球化学行为，U在流体中主要以铀酸根（UO2+）的形式迁移，其性质与大离子亲石元素类似，而Th则相对稳定，因此，流体交代地幔中具较高的U/Th比值[34]。不同于流体交代过程，俯冲沉积物加入到地幔源区除了会导致Th和U的含量升高外，对U/Th比值影响非常有限，但是由于其地球化学特征，Th/Nb比值会显著升高，因此，Th/Nb 与U/Th图解常被用于判别是否有沉积物的加入[24]。巩乃斯橄榄玄粗岩具高Th/Nb比值（1.93～1.99） 及较低U/Th比值（0.29～0.30），进一步说明了其地幔源区有俯冲沉积物的加入（图4-b）[24，31]。此外，金云母在地幔稳定区的深度一般大于70 km，而在该深度石榴子石将成为地幔中重要的矿物相。由于石榴子石明显的富集重稀土，且伴随着稀土元素离子半径的减小，其分配系数明显增大，所以石榴子石的出现将导致轻重稀土内部的分异。将西天山地区哈拉达拉岩体中的超基性岩作为西天山地区岩石圈地幔的初始组分，通过模拟计算发现，巩乃斯林场橄榄玄粗岩是尖晶石二辉橄榄岩，而不是石榴子石二辉橄榄岩熔融的产物，指示在其源区并无大量石榴子石的存在（图4-c）[36-37]。综上所述，巩乃斯橄榄玄粗岩是有俯冲沉积物加入的尖晶石二辉橄地幔熔融的产物。

6 岩石形成的构造背景

橄榄玄粗岩主要形成在两种构造环境，大多形成于岛弧或活动大陆边缘，另一种则是大陆边缘内侧或板内环境。为了更好的判别橄榄玄粗岩形成的构造环境，Muller等将其产出环境归结为5种，并给出相应图解[38]，具体包括：大陆弧（CAP）、后碰撞弧（PAP）、初始洋弧（IOP）和晚期洋弧（LOP）以及板内环境（WIP）。上述图解投影显示（图5），巩乃斯林场橄榄玄粗岩属弧岩浆作用的产物，更可能形成于后碰撞弧环境。阿吾拉勒地区的石炭纪橄榄玄粗岩显示出了大陆弧和后碰撞弧两种构造背景，暗示了石炭纪阿吾拉勒地区的构造体制发生了转换。该观点也得到了其他地质事实的支持：①石炭纪阿吾拉勒地区有典型钙碱性岩石分布[2]，并发育有碳酸盐岩地层沉积;②西南天山的超高压变质带的峰期变质年龄为319 Ma[39]，而位于北天山的巴音沟蛇绿岩的年龄早于316 Ma[40]，暗示在晚石炭世西天山地区洋盆已经发生闭合;③在石炭纪末期和二叠纪初期西天山出现了磨拉石建造，过铝质淡色花岗岩脉（285 Ma）[12]，含石榴子石流纹岩（281～300 Ma）和“A”型花岗岩（296～307 Ma）[13，41]，进一步说明二叠纪西天山地区的构造体制已经转化为陆内环境。由于古大洋板块向北俯冲在伊犁-中天山地块之下，在西天山地区广泛分布着具有岛弧火山岩特征的岩浆岩，岩石形成时代由西向东逐渐变年轻，包括巩乃斯橄榄玄粗岩在内的阿吾拉勒地区东部岛弧性质岩浆岩主要形成在晚石炭世[42]。在晚石炭世发生的大洋闭合和板块拼接使整个西天山地区在二叠纪进入了后碰撞演化阶段。在构造性质转化过程中，由于板块阻力或俯冲板块拖曳力使板片脱水进一步加强，最终导致了俯冲沉积物和大量流体进入地幔，并最终形成了巩乃斯橄榄玄粗岩。

7 结论

（1） 阿吾拉勒地区巩乃斯橄榄玄粗岩的成因与俯冲沉积物加入其地幔源区有直接关系，而其较高的铝含量是岩浆富水抑制斜长石分离结晶的结果;

（2） 阿吾拉勒乃至整个西天山地区在石炭―二叠纪发生了构造体制的转化，而巩乃斯橄榄玄粗岩的成因可能与西天地区构造体制转化过程中板片后撤引起的俯冲板片强烈脱水有关。

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Abstract：The Late Carboniferous Gongnaisi shoshonite is distributed in the Gongnaisi area，the eastern Awulale Mountains，Chinese Western Tianshan.The Gongnaisi shoshonite belongs to Dahalajunshan Formtian and is characterized by high K2O （3.09%～4.26 %），Al2O3 （20.30%～20.50 %） contents and high K2O/Na2O ratios （0.67～1.20），but its petrogenesis is still unclear.The Gongnaisi shoshonite has relatively enriched Sr-Nd isotopic composition（（87Sr/86Sr）I= 0.704 471～0.704 784，εNd （t） = 3.76～3.83），indicate it derived from an enriched mantle source.Its relatively lower Ba/Rb but higher Rb/Sr than these of the subcontinental lithosphere mantle，combined with its high Th/Nb （1.93～1.99） and Th （11.63～12.18 ppm），implying some subducted sedimentary has been input in its mantle source.Based on our batch partial model also indicate that the shoshonite has a spinel lherzolite source.Besides，its high Al2O3 can be attributed to the high H2O content in the primary magma. Combined with the geochemical characteristics and regional geological background， it is considered that the shoshonite in Gongnaisi was formed in the subduction collision transition stage， which is the product of magmatism during the tectonic regime transformation stage in the Western Tianshan area.

Key words：Shoshonite;Awulale;Subducted sedimentary;Tectonic settings