内蒙古突泉县牤牛海地区超镁铁质岩地球化学及源区特征

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付俊彧, 汪岩, 钟辉, 等. 内蒙古突泉县牤牛海地区超镁铁质岩地球化学及源区特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(4): 1172-1186 复制到剪切板

Fu Junyu, Wang Yan, Zhong Hui, et al. Geochemistry and Source Characteristics of Ultramafic Rocks in Tuquan Mangniuhai, Inner Mongolia[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2017, 47(4): 1172-1186. 复制到剪切板

内蒙古突泉县牤牛海地区超镁铁质岩地球化学及源区特征

付俊彧, 汪岩, 钟辉, 宋维民, 孙巍, 那福超, 钱程, 杨雅军, 庞雪娇, 江山

中国地质调查局沈阳地质调查中心, 沈阳 110034

收稿日期: 2016-10-20

作者简介: 付俊彧(1966—), 男, 教授级高级工程师, 主要从事区域地质与大地构造研究工作, E-mail:fjyxy@163.com

通信作者: 汪岩(1968—)男, 教授级高级工程师, 主要从事区域地质与火成岩研究工作, E-mail:wy68413@163.com

基金项目: 中国地质调查局地质调查项目（121201207000171401，1212011220435，DD20160048-01，DD20160343-08，DD20160343-09，DD20160345-17）

摘要: 内蒙古突泉县牤牛海地区发育超镁铁质岩，主要岩石类型为蛇纹石化橄榄岩、辉石橄榄岩、异剥辉石橄榄岩和蛇纹岩，局部蛇纹岩中可见显微鬣刺假象结构，包括蛇纹石呈假像的柱状中空骸晶结构、鱼骨状或羽状结构。岩石化学具有高镁（w（MgO）为33.63%~39.44%）、铬（2 200×10^-6~17 200×10^-6）、镍（1 900×10^-6~3 000×10^-6），高CaO/Al₂O₃（0.56~39.01，平均为7.05），低钛（w（TiO₂）为0.01%~0.02%）、低铝（w（Al₂O₃）为0.03%~0.36%）、低碱（w（K₂O+Na₂O）为0.03%~0.65%）特征，类似科马提岩；Mg^#值（平均为87）与纯橄榄岩（86）接近；稀土元素（w（∑REE）为0.32×10^-6~2.79×10^-6）明显低于大洋脊含量，轻稀土富集（LREE/HREE为2.80~16.68），Eu正异常明显（δEu为0.59~4.84）；微量元素富集大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Sr，亏损高场强元素（HFSE）Nb、P等。说明超镁铁质岩石岩浆源自亏损软流圈地幔，并受到俯冲流体交代作用，形成于岛弧环境。牤牛海超镁铁质岩与西部包括突泉围场、好老鹿场、超日海乌拉、梅劳特乌拉、苏尼特左旗二道井一带超镁铁质岩共同构成一条近东西向展布的超镁铁质岩（蛇绿岩）带，通过地质建造分析，认为该构造带可能为华北板块与西伯利亚板块最终缝合带。

关键词: 内蒙古牤牛海超镁铁质岩岩石地球化学亏损软流圈地幔

Geochemistry and Source Characteristics of Ultramafic Rocks in Tuquan Mangniuhai, Inner Mongolia

Fu Junyu, Wang Yan, Zhong Hui, Song Weimin, Sun Wei, Na Fuchao, Qian Cheng, Yang Yajun, Pang Xuejiao, Jiang Shan

Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110034, China

Supported by Geological Survey Project of China Geological Survey(121201207000171401, 1212011220435, DD20160048-01, DD20160343-08, DD20160343-09, DD20160345-17)

Abstract: There are ultramafic rocks in Tuquan Mangniuhai, Inner Mongolia. The main rock types are serpentine peridotite, pyroxene peridotite, diallage peridotite, and serpentinite. Under a microscope, the"spinifex"structure is visible, and the columnar hollow skeleton crystal structure in the fake image of serpentine, fishbone, or pinnate structure as well. The petrochemistry is characterized by high Mg (w(MgO)33.63%-39.44%), Cr(2 200×10^-6-17 200×10^-6), and Ni(1 900×10^-6-3 000×10^-6); high CaO/Al₂O₃(0.56-39.01, an average of 7.05);low Ti (w(TiO₂) 0.01%-0.02%), Al (w(Al₂O₃)0.03%-0.36%), and alkali (w(K₂O+Na₂O) 0.03%-0.65%), similar to that of komatite. The average forsteritic index (87) closes to that of dunite (86); w(∑REE)(0.32×10^-6-2.79×10^-6)is significantly lower than that of ocean ridge, and the LREE/HREE (2.80-16.68) show LREE enrichment with a positive Eu anomaly; the rock is enriched in large ion lithophile elements (LILE) Rb, Ba、Sr, while it is depleted of high field-strength element (HFSE) Nb, P. The results indicate that the mafic magma originated from the depleted asthenosphere mantle, and was altered by subduction in an island arc tectonic environment. The Mangniuhai ultramafic rocks with those in Tuquanweichang, Haolaoluchang, Chaorihaiwula, Meilaotewula Erdaojing of Sonid Left Banner constitute a nearly East-West ultramafic rocks (ophiolite) belt. Based on the analysis of the geological formation, the authors conclude that the structural belt may be the final suture zone of the North China plate and the Siberia plate.

Key words: Inner Mongolia Mangniuhai ultramafic rock petrogechemistry depleted asthenosphere mantle

0 引言

超镁铁质岩来源于地幔，受深大断裂控制，在地球上的分布有限，且主要是深成岩，超镁铁质喷出岩则出露更少；同时与超镁铁质岩有关的矿产主要有铬、镍、钴、铂族金属等稀有金属、非金属金刚石及贵金属，因而倍受地质学家重视。大兴安岭中南段沿华北板块北缘，自西拉木伦构造带往北至二连—贺根山构造带断续出露有近东西向展布或北东向展布的超镁铁质岩带，主要包括温都尔庙—柯单山带、索伦山—林西带、二连浩特—苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗带、查干敖包—贺根山带等，自20世纪80年代以来，陆续有学者对这些构造带中出露的超镁铁质岩进行了研究^[1-12]。分析区域地质背景及超镁铁质岩出露的空间展布特征可知，出露于突泉县牤牛海一带的超镁铁质岩，应是二连浩特—苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗超镁铁质岩带向东的延伸部分。突泉县牤牛海一带的超镁铁质岩，早在20世纪70年代末，长春地质学院与黑龙江省地质研究所联合开展的“辽、吉、黑三省基性、超基性岩分布与成矿预测”项目曾做过概略研究，但限于技术手段等原因，研究不深入。近年，笔者在开展东北地区基础地质综合研究项目过程中，对牤牛海地区出露的超镁铁质岩石进行了详细的野外调研工作，试图通过研究其地球化学和源区特征，为进一步认识大兴安岭南部地区超镁铁质岩石构造环境及探讨西伯利亚板块与华北板块的最终缝合位置提供新的证据。

1 区域地质背景

研究区位于兴蒙造山带东部，西伯利亚板块与华北板块之间的结合部位。兴蒙造山带是西伯利亚板块与华北板块之间大陆边缘长期发展演化的结果。新近研究资料表明，研究区具体位于华北板块北缘增生带，锡林浩特—西乌旗—科右中旗古生代岩浆岩带^①东端, 锡林浩特—西乌旗—牤牛海断裂带与嫩江断裂交汇部位(图 1)，地理位置位于内蒙古东部突泉县突泉镇东南的牤牛海一带。锡林浩特—西乌旗—科右中旗古生代岩浆岩带呈近东西向展布，零星出露古元古界宝音图岩群中级变质岩系、早古生代锡林郭勒片麻岩^①，下寒武统^②^[13]、泥盆系^③④^[14]－中二叠统海相陆源碎屑-中酸性火山碎屑沉积岩和上二叠统陆相河湖相沉积岩；发育奥陶纪石英闪长岩-英云闪长岩^[15]、石炭纪石英闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩组合、二叠纪辉石闪长岩-闪长岩-石英闪长岩-花岗闪长岩-英云闪长岩-二长花岗岩组合，均表现为活动陆缘岛弧型岩浆岩组合特征^⑤。这些古生代侵入岩总体近东西向展布，构成古生代岛弧岩浆岩带。在该岩浆岩带北侧为石炭纪—二叠纪古亚洲洋残余洋盆，南侧为林西—扎鲁特(二叠纪)边缘海盆地，东侧与松辽盆地以嫩江断裂带相隔^⑤。

1.全新世湖积；2.全新世风积；3.全新世冲洪积；4.中新世玄武岩；5.下白垩统火山岩；6.下二叠统火山岩及碎屑沉积岩；7.超镁铁质岩；8.样品采集地；9.不整合界线。图 1 研究区地质略图 Figure 1 Geological scheme of the study area

图选项

① 付俊彧，杨雅军，刘世伟，等.大兴安岭成矿带北段基础地质综合研究报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2013.

① 张长捷，鲍庆中，吴之理，等.内蒙古1:25万西乌珠穆沁旗幅区域地质调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2005.

② 付俊彧，宋维民，陶楠，等.内蒙古1:5万孟恩套勒盖等5幅区域地质调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2013.

③ 刘建雄，吕希华，王忠，等.内蒙古1:5万都日不勒吉幅等3幅区域地质调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2004.

④ 何会文，张明，郭文军，等.内蒙古1:5万西巴彦花幅等3幅区域地质调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2010.

⑤ 付俊彧，杨雅军，刘世伟，等.大兴安岭成矿带北段基础地质综合研究报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2013.

研究区出露的最老地层为下二叠统海相陆源碎屑沉积岩、中性-中酸性火山岩，下白垩统出露中性、酸性火山熔岩及其碎屑岩，零星出露新近纪玄武岩，大面积出露全新统冲洪积、湖沼沉积、风砂堆积。超镁铁质岩多被全新世风积砂及冲洪积物掩盖，地表出露面积很小。本次研究的样品采自牤牛海西南的一露天采石坑，地理坐标：121°52′33″E，45°13′00″N。

2 采样和样品岩相学特征

由于牤牛海地区全新世风积砂掩盖，超镁铁质岩在地表出露差，1:20万区调^①利用地面磁法圈定其产出状态。测量结果表明，在牤牛海西南侧岩体呈镰形，而在牤牛海东南侧呈哑铃状；后者均被风积砂所掩盖。本次研究样品均采自牤牛海西南六合屯碱窝铺北的采石坑中(图 1、图 2a)，采石坑长约200 m，深6~10 m。岩石蚀变较强，主要见有蛇纹石化和碳酸盐化；遭受较强的变形，形成网结状构造，发育强劈理化构造及“眼球状”构造透镜体(图 2b)，劈理倾向北东20°，倾角20°~30°，据构造透镜体与劈理间夹角，显示岩体遭受后期往北北东向的滑脱剪切特征。

a.超镁铁质岩局部宏观露头(发育弧形断层破碎带)；b.超镁铁质岩内部眼球状刚性块体斜列(左行滑脱剪切)；c.枕状熔岩露头及定向排列；d.枕状熔岩枕状体斜列。图 2 牤牛海超镁铁质岩野外露头特征 Figure 2 Field outcrop of ultramafic rocks in mangniuhai

图选项

① 周玉章，龚庆颜. 1:20万科尔沁右翼中旗幅区域地质矿产调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，1973.

露头岩石多呈灰褐色、灰紫色、灰绿色和灰黑色。岩石类型以蛇纹石化橄榄岩为主，包括有蛇纹石化辉石橄榄岩，蛇纹石化异剥辉石橄榄岩，蛇纹石化超镁铁质岩，蛇纹岩(科马提岩？)。局部见蛇纹岩，多呈粒状、鳞片变晶结构，偶见蛇纹石呈鬣刺草状，宏观岩石见枕状构造(图 2c、d)，原岩可能为类似科马提质超镁铁质喷出岩。各岩石间多以断层破碎带接触。

蛇纹石化超镁铁质岩 原岩为超镁铁质侵入岩，强蛇纹石化。主要矿物成分为暗色矿物及均质体矿物(图 3a)，现已发生强蛇纹石化及碳酸盐化作用，蛇纹石及碳酸盐呈网脉状交代，使原岩中的矿物呈弧岛状残留。暗色矿物：粒径为0.5~4.0 mm，约占55%，呈不规则宽板状，部分隐约显示一组解理，近平行消光，成分应以橄榄石为主，被两期蛇纹石交代，早期为纤蛇纹石，晚期为叶蛇纹石，叶蛇纹石呈脉状穿切纤蛇纹石。均质体矿物：被蛇纹石分割为近浑圆粒状、弧岛状，显均质性，表面被蛇纹石及碳酸盐星散交代，析出麻点状磁铁矿，粒径为0.8~2.2 mm，约占40%，可能为石榴石(或尖晶石？)；磁铁矿，他形粒状，不透明，粒径为0.1~0.4 mm，约占5%。

a.强蛇纹石化超镁铁质岩；b.强碳酸盐化强蛇纹石化辉石橄榄岩；c.强蛇纹石化异剥辉石橄榄岩；d.蛇纹岩；e.蛇纹岩中见羽状雏晶；f.蛇纹岩见中空骸晶结构；g.蛇纹岩中见鬣刺结构及鱼骨状结构；h.碳酸盐化蛇纹石化岩中见鬣刺结构。Atg.叶蛇纹石；Px.辉石。图 3 牤牛海超镁铁质岩微观特征 Figure 3 Crossed polarized light micrographs of ultramafic rock in mangniuhai

图选项

蛇纹石化辉石橄榄岩 发生强蛇纹石化及强碳酸盐化作用，仅残留少量辉石及橄榄石。辉石呈他形粒状，见一组完全解理，叶蛇纹石沿解理缝交代(图 3b)，残留辉石粒径为0.8~3.0 mm，占7%~8%。橄榄石锥面粒状，裂纹发育，裂纹中析出铁质成分，蚀变特征为内部蛇纹石化、边缘碳酸盐化呈假象，粒径为0.4~1.0 mm，约占5%。其余暗色矿物呈他形粒状，单偏光下显示轮廓，被铁质质点状集合体所替代，具叶蛇纹石交代环边。蛇纹石化分三期：早期沿辉石解理缝交代；中期叶蛇纹石呈叶片状，少量呈放射状，集合体呈脉状交代；晚期胶蛇纹石呈脉状穿切叶蛇纹石。隐晶碳酸盐呈团块状集合体交代暗色矿物边缘。

蛇纹石化异剥辉石橄榄岩 发生强蛇纹石化作用，残留异剥辉石呈宽板状(图 3c)，蛇纹石沿异剥辉石裂理交代，显示裂纹彼此平行细而密特征。异剥辉石粒径为0.6~2.0 mm，占35%~40%。橄榄石被磁铁矿分割为大小不等粒状，单偏光下轮廓较清晰，强蛇纹石化，析出铁质成分呈麻点状分布，约占50%。磁铁矿他形粒状集合体呈网脉状分布，约占10%。

蛇纹岩(科马提岩？) 纤维变晶结构、纤维粒状变晶结构、鳞片变晶结构，原岩结构全部消失(图 3d)。主要矿物见蛇纹石、铬尖晶石，少量磁铁矿及碳酸盐矿物。纤蛇纹石无色，一级灰干涉色，呈纤维状、梳状及部分放射状集合体，沿橄榄石裂纹交代或全部交代。叶蛇纹石叶片状，干涉色一级黄白，沿暗色矿物(辉石？)解理交代。部分蛇纹石交代原暗色矿物并保留原矿物假像，如羽状骸晶(图 3e)、中空骸晶(图 3f)、鬣刺草状及鱼骨状结构(图 3g、h)。尖晶石(铬尖晶石)呈粒状双锥状、自形四方形，极高突起，半透明状，深红色，边缘不透明，均质体粒径为0.2~0.8 mm。

3 地球化学特征 3.1 测试方法

本次研究采取了14件较新鲜样品进行岩石地球化学分析，其中主量元素、稀土及微量元素均在国土资源部东北矿产资源监督检测中心分析完成。主量元素用X射线荧光光谱(XRF)方法完成(其中FeO分析采用的是重铬酸钾容量法)，精度为1%~5%；微量元素用ICP质谱方法分析完成，精度一般优于10%。

3.2 测试结果 3.2.1 主量元素

超镁铁质岩主量元素分析(表 1)表明，牤牛海地区超镁铁质岩SiO₂质量分数变化较小，为(35.98~40.64)×10^-2，以富MgO((33.63~39.44)×10^-2)、TFeO((4.71~12.74)×10^-2)和贫MnO((0.04~0.24)×10^-2)、TiO₂((0.01~0.02)×10^-2)、Al₂O₃((0.03~0.36)×10^-2)、K₂O+Na₂O((0.03~0.65)×10^-2)为特征。Mg^#值为80~93，平均为87，高于幔源玄武质原生岩浆(Mg^#=68~75)^[16]，与纯橄榄岩(86) 接近^[17]。反映岩浆未发生过明显的结晶分异作用。在AFM图解(图 4)上，显示沿拉斑玄武岩系列趋势线分布与岛弧有关的超镁铁质堆晶岩特征。

表 1 牤牛海超镁铁质岩主量元素、稀土及微量元素质量分数 Table 1 Contents of major, trace elements and REE for Mangniuhai ultramafic rock

序号	送样号	岩性	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅	烧失量	总和
1	DX10005-1	蛇纹石化蚀变岩	37.72	0.01	0.07	7.37	0.68	0.11	35.84	2.73	0.58	0.07	0.003	14.91	100.09
2	DX10005-3	蛇纹石化凝灰岩	39.50	0.01	0.32	7.08	0.50	0.10	37.24	1.30	0.28	0.03	0.003	13.34	99.69
3	DX10005-4	蛇纹石化蚀变岩	40.49	0.01	0.03	7.22	0.65	0.07	37.83	0.41	0.37	0.04	0.003	12.59	99.69
4	DX10005-5	蛇纹石化蚀变岩	39.00	0.01	0.10	8.56	1.42	0.07	37.04	0.61	0.32	0.04	0.002	12.48	99.64
5	MP1b4	强蛇纹石化超镁铁质岩	37.64	0.02	0.29	6.25	1.08	0.24	35.11	2.79	0.01	0.02	0.040	14.70	98.19
6	MP1b6	强蛇纹石化超镁铁质岩	39.86	0.02	0.23	6.65	1.35	0.08	37.75	0.57	0.01	0.07	0.040	12.69	99.32
7	MP1b7	碳酸盐化蛇纹石化辉石橄榄岩	40.52	0.01	0.19	4.13	0.99	0.12	39.44	0.59	0.05	0.09	0.030	13.29	99.45
8	MP1b8	强蛇纹石化超镁铁质岩	38.36	0.01	0.27	8.72	0.99	0.06	37.22	0.15	0.05	0.08	0.040	13.39	99.35
9	MP1b9	蛇纹岩(科马提质)	37.69	0.01	0.20	6.36	1.66	0.06	37.54	1.62	0.04	0.09	0.030	14.23	99.53
10	MP1b10	碳酸盐化蛇纹石化超镁铁质岩	35.98	0.02	0.36	9.22	1.44	0.07	33.63	2.21	0.06	0.10	0.050	16.27	99.42
11	MP1b11	碳酸盐化蛇纹石化岩	39.92	0.02	0.21	7.13	1.80	0.05	36.48	0.74	0.00	0.06	0.040	13.14	99.58
12	MP1b12	强蛇纹石化超镁铁质岩	40.64	0.01	0.18	5.46	1.17	0.04	37.96	0.15	0.06	0.09	0.030	13.50	99.29
13	DB1603b1	蛇纹石化超镁铁质岩	37.98	0.01	0.22	9.65	2.52	0.14	36.06	0.15	0.10	0.10	0.040	12.55	99.51
14	DB1603b2	强蛇纹石化异剥辉石橄榄岩	37.52	0.01	0.34	10.95	2.88	0.08	34.74	0.29	0.10	0.09	0.040	12.43	99.47
序号	送样号	岩性	La	Ce	Pr	Nd	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb
1	DX10005-1	蛇纹石化蚀变岩	0.61	0.16	0.040	0.16	0.150	0.020	0.020	0.010	0.030	0.010	0.010	0.001	0.010
2	DX10005-3	蛇纹石化凝灰岩	0.70	0.95	0.140	0.48	0.240	0.060	0.070	0.010	0.050	0.010	0.030	0.003	0.040
3	DX10005-4	蛇纹石化蚀变岩	0.04	0.39	0.020	0.08	0.180	0.040	0.030	0.000	0.030	0.000	0.010	0.002	0.020
4	DX10005-5	蛇纹石化蚀变岩	0.25	0.76	0.020	0.09	0.210	0.090	0.040	0.004	0.050	0.010	0.020	0.003	0.030
5	MP1b4	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.14	0.27	0.032	0.13	0.019	0.014	0.018	0.003	0.020	0.004	0.020	0.003	0.014
6	MP1b6	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.18	0.65	0.036	0.14	0.019	0.013	0.022	0.005	0.030	0.005	0.014	0.003	0.029
7	MP1b7	碳酸盐化蛇纹石化辉石橄榄岩	0.28	0.52	0.056	0.22	0.037	0.010	0.028	0.007	0.040	0.009	0.036	0.006	0.060
8	MP1b8	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.12	0.22	0.023	0.12	0.020	0.013	0.025	0.008	0.058	0.013	0.037	0.007	0.031
9	MP1b9	蛇纹岩(科马提质)	0.27	0.51	0.054	0.18	0.038	0.017	0.030	0.006	0.032	0.009	0.043	0.007	0.048
10	MP1b10	碳酸盐化蛇纹石化超镁铁质岩	0.07	0.14	0.015	0.07	0.013	0.016	0.012	0.002	0.013	0.003	0.009	0.004	0.024
11	MP1b11	碳酸盐化蛇纹石化岩	0.06	0.12	0.016	0.04	0.007	0.006	0.015	0.001	0.007	0.001	0.011	0.003	0.013
12	MP1b12	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.15	0.32	0.032	0.13	0.022	0.009	0.010	0.003	0.012	0.001	0.008	0.003	0.017
13	DB1603b1	蛇纹石化超镁铁质岩	0.21	0.36	0.063	0.30	0.057	0.026	0.037	0.009	0.044	0.010	0.021	0.005	0.029
14	DB1603b2	强蛇纹石化异剥辉石橄榄岩	0.18	0.14	0.048	0.22	0.038	0.014	0.043	0.007	0.034	0.011	0.025	0.006	0.047
序号	送样号	岩性	Lu	Y	Rb	Ba	Li	Th	U	Nb	Ta	Sr	Zr	Hf	Co	Sc
1	DX10005-1	蛇纹石化蚀变岩	0.001	0.24	1.02	12.46	5.39	3.13	9.98	0.33	0.57	49.67	17.52	0.31	102.39	11.65
2	DX10005-3	蛇纹石化凝灰岩	0.010	1.22	1.17	5.22	3.51	1.22	4.84	0.14	3.16	33.60	16.78	0.43	105.81	12.45
3	DX10005-4	蛇纹石化蚀变岩	0.001	0.17	0.55	16.20	2.30	0.70	2.54	0.13	0.41	23.62	16.49	0.30	88.39	12.04
4	DX10005-5	蛇纹石化蚀变岩	0.004	0.26	1.09	4.55	0.91	0.67	6.78	0.07	0.40	25.15	17.74	0.32	97.57	12.65
5	MP1b4	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.004	0.14	2.64	4.66	1.42	0.83	0.74	2.30	0.56	36.10	15.70	0.04	118.00	3.78
6	MP1b6	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.005	0.15	0.78	6.98	1.88	0.37	6.96	2.74	1.08	32.40	14.40	0.05	120.00	6.28
7	MP1b7	碳酸盐化蛇纹石化辉石橄榄岩	0.010	0.30	2.58	4.23	1.30	0.50	0.19	2.55	1.10	15.80	15.00	0.06	106.00	9.01
8	MP1b8	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.005	0.40	1.59	8.33	3.43	0.18	1.87	2.54	0.59	18.80	15.00	0.07	122.00	5.09
9	MP1b9	蛇纹岩(科马提质)	0.011	0.34	1.07	17.80	2.22	0.27	5.25	3.13	0.49	68.90	13.70	0.06	116.00	9.98
10	MP1b10	碳酸盐化蛇纹石化超镁铁质岩	0.007	0.11	1.38	15.60	2.26	0.12	3.65	2.85	0.78	95.60	13.80	0.38	76.10	10.60
11	MP1b11	碳酸盐化蛇纹石化岩	0.004	0.05	0.43	4.31	2.03	0.45	6.04	2.43	0.75	27.20	14.60	0.03	90.00	8.41
12	MP1b12	强蛇纹石化超镁铁质岩	0.004	0.10	1.30	6.74	3.07	0.13	3.67	2.61	0.80	28.70	15.30	0.05	95.60	8.54
13	DB1603b1	蛇纹石化超镁铁质岩	0.008	0.36	0.23	16.00	2.66	0.10	6.74	2.16	1.04	21.30	15.30	0.06	137.00	10.10
14	DB1603b2	强蛇纹石化异剥辉石橄榄岩	0.008	0.34	1.49	3.13	2.48	0.13	5.68	2.95	1.10	19.90	15.40	0.04	127.00	8.97
序号	送样号	岩性	Cr	Ni	V	Mg^#	CaO/Al₂O₃	∑REE	LREE/HREE	δEu	(La/Yb)_N	La/Nb	La/Ta	Zr/Hf	Zr/Y
1	DX10005-1	蛇纹石化蚀变岩	2 200	2 200	49.58	88	39.01	1.20	16.68	0.59	73.64	1.85	1.07	56.53	72.58
2	DX10005-3	蛇纹石化凝灰岩	2 200	2 500	46.88	89	4.05	2.79	12.37	1.08	12.80	4.99	0.22	38.77	13.77
3	DX10005-4	蛇纹石化蚀变岩	2 300	2 500	29.81	89	13.60	0.84	7.62	1.18	1.26	0.33	0.11	55.26	99.24
4	DX10005-5	蛇纹石化蚀变岩	2 300	3 000	26.04	86	6.12	1.59	8.74	2.06	5.74	3.63	0.64	54.64	68.11
5	MP1b4	强蛇纹石化超镁铁质岩	17 200	1 900	28.60	89	9.62	0.69	6.99	2.28	7.17	0.06	0.25	424.32	112.14
6	MP1b6	强蛇纹石化超镁铁质岩	2 900	2 300	15.50	89	2.48	1.15	9.22	1.94	4.45	0.07	0.17	282.35	96.00
7	MP1b7	蛇纹石化辉石橄榄岩	2 600	2 400	19.20	93	3.11	1.32	5.73	0.91	3.35	0.11	0.25	267.86	50.00
8	MP1b8	强蛇纹石化超镁铁质岩	6 900	2 600	28.00	87	0.56	0.70	2.80	1.78	2.78	0.05	0.20	223.88	37.50
9	MP1b9	蛇纹岩(科马提质)	3 300	2 500	21.90	88	8.10	1.26	5.74	1.49	4.03	0.09	0.55	232.20	40.29
10	MP1b10	蛇纹石化超镁铁质岩	3 200	2 300	45.60	84	6.14	0.40	4.47	4.84	2.15	0.03	0.09	36.32	125.45
11	MP1b11	碳酸盐化蛇纹石化岩	2 900	2 200	23.90	87	3.52	0.32	4.32	2.12	3.31	0.02	0.08	486.67	286.27
12	MP1b12	强蛇纹石化超镁铁质岩	2 800	2 800	19.90	90	0.83	0.72	11.52	1.92	6.33	0.06	0.19	332.61	153.00
13	DB1603b1	蛇纹石化超镁铁质岩	3 300	2 600	26.40	83	0.68	1.19	6.18	1.76	5.19	0.10	0.20	273.21	42.50
14	DB1603b2	蛇纹石化异剥辉石橄榄岩	3 000	2 600	30.30	80	0.85	0.82	3.61	0.76	2.75	0.06	0.16	394.87	45.29
注：主量元素质量分数单位为%；微量元素质量分数单位为10^-6。

表选项

TH.拉斑玄武岩系列；CA.钙碱性系列。底图据文献[18-19]。图 4 超镁铁质岩AFM图解 Figure 4 Ultramafic rock AFM diagram

图选项

玄武质岩浆演化过程实际上是岩浆从源区抽取后侵位上升到岩浆房或者浅部冷却结晶的过程^[20]。其主量元素MgO相关图(哈克图)常被用来解释岩浆冷却结晶过程。在哈克图解(图 5)中，尽管有部分氧化物等较为分散，但总体上，超镁铁质岩的主量元素及某些地球化学参数有明显的相关性。参数Mg^#和(La/Yb)_N随MgO演化呈富集或略富集的特征(图 5)；Al₂O₃、CaO、K₂O、P₂O₅、TFeO、TiO₂、MnO和Sr、δEu随MgO演化呈亏损的特征(图 5)。

图 5 MgO与其他主量元素、部分微量元素及特征参数的相关图解 Figure 5 Plots of major elements, some trace elements and characteristic parameters against MgO

图选项

3.2.2 稀土元素

超镁铁质岩的稀土元素质量分数极低(表 1)，w(∑REE)=0.32×10^-6~2.79×10^-6，明显低于大洋中脊含量；富集轻稀土元素，LREE/HREE=2.80~16.68；Eu正异常明显(δEu=0.59~4.84，平均为1.75)，存在斜长石的堆晶作用。在球粒陨石标准化曲线图(图 6a)上，各样品曲线一致性较好，轻稀土(LREE)富集，重稀土(HREE)相对略亏损且平坦，轻重稀土分馏较为明显((La/Yb)_N=1.26~73.64)，一般为2.15~12.80，平均为7.81，暗示超镁铁质岩浆未发生过明显的交代作用，显示原生岩浆特点，其形成与交代富集岩石圈地幔(La/Yb＞30) 无关^[22]。

球粒陨石和原始地幔据文献[21]。图 6 研究区稀土元素标准化曲线和微量元素蛛网图 Figure 6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams

图选项

3.2.3 微量元素

超镁铁质岩的微量元素分析结果见表 1。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 6b)上，为右倾锯齿状，富集Rb、Ba、U、Th、K、Sr等大离子亲石元素(LILE)，亏损Nb、P、Hf、Ti等高场强元素(HFSE)和重稀土元素Yb、Y，且Nb/Ta=0.04~6.39，显示Nb、Ta有明显的分馏。w(Sr)=15.80×10^-6~95.60×10^-6，明显低于大陆地壳Sr平均质量分数325×10^-6^[21]；Zr/Hf=36.32~486.67，平均为225.68，明显高于原始地幔(36.27) 和大陆地壳值(11.00)^[23]，暗示该期玄武质岩浆受地壳混染的可能性不大。

4 讨论 4.1 源区特征

由于牤牛海地区超镁铁质岩石样品相对于原始地幔明显亏损易熔组分，如K₂O(0.02×10^-2~0.10×10^-2)、Na₂O(0.00×10^-2~0.58×10^-2)、CaO(0.15×10^-2~2.79×10^-2)、Al₂O₃(0.03×10^-2~0.36×10^-2)及TiO₂(0.01×10^-2~0.02×10^-2)等；具有高MgO(33.63×10^-2~39.44×10^-2)和Mg^#值(80~93)；稀土元素具有明显的Eu正异常(δEu=0.59~4.84，平均为1.75)；相容元素如Co、Cr和Ni的质量分数分别为76.10×10^-6~137.00×10^-6、2 200×10^-6~17 200×10^-6和1 900×10^-6~3 000×10^-6，明显偏高。因此，这些岩石可能源自亏损地幔。由于岩石具有高MgO、CaO/Al₂O₃值(0.56~39.01，平均7.05，＞1.00)，高Cr、Ni含量和低碱的特征，结合个别岩石发育羽状、鬣刺草状、鱼骨状蛇纹石，类似南非Barberton山区科马提岩的特征^[24-26]。因此，牤牛海超镁铁质岩石主体是经部分熔融作用演化的岩浆侵入形成，少部分岩石可能具科马提质喷出岩特征。

大洋地壳俯冲时，析出的水和其他挥发物质交代上覆地幔楔，可以降低地幔橄榄岩的固相线温度，促使其熔融^[23]。因此，流体交代作用对于形成火成岩的某些地球化学特征是有重要意义的。从微量元素特征来看，研究的超镁铁质岩石富集大离子亲石元素(LILE)如Rb、Ba、Sr，亏损高场强元素(HFSE)如Nb、P、Ti等，元素地球化学特征主要反映了其源区的地球化学性质，说明形成这些超镁铁质岩石的源岩可能经历了俯冲流体交代作用。

另外，一些微量元素比值也能很好地反映源区的特征，如Nb/U和Nb/La值与源区物质有关，而与岩浆过程无关^[27]。样品的Nb/U值一般为0.01~3.11，明显低于大陆壳(中国东部地壳Nb/U值为9.6)，显然未发生地壳混染作用。原始地幔和大洋中脊的Nb/La值＞1.0，而大陆地壳Nb/La平均值约为0.7；样品的Nb/La值一般为3.01~40.50，明显高于原始地幔和大洋中脊的比值，说明地幔源区受到俯冲流体的交代作用影响。源于软流圈地幔的玄武岩，其La/Nb值约＜1.5，La/Ta值约＜22^[28]，牤牛海超镁铁质岩石的La/Nb值为0.02~4.99，平均为0.82(以＜1.5居多)，La/Ta=0.08~1.07(明显小于22)，显示本期岩石具有源于软流圈地幔的玄武岩特征。

Nb和Ta，Zr和Hf这两对元素由于具有相近的离子半径和电负性^[29]而具有相似的地球化学性质，因此Nb/Ta、Zr/Hf很难随着分离结晶和部分熔融等岩浆过程而改变，可以反映源区的性质。本区超镁铁质岩石相对高的Nb/Ta(0.04~6.39) 和Zr/Hf(36.32~486.67) 表明该期玄武质岩浆受地壳混染的可能性不大^[30]，其地幔源区可能经历了酸性熔体的变质改造^[31]。

通过上面的讨论，本文认为牤牛海地区超镁铁质岩石源区是受俯冲流体交代的亏损软流圈地幔。

4.2 超镁铁质岩石形成的构造环境

超镁铁质岩石多为蛇绿岩带的重要组成部分，发育于板块结合带，与板块俯冲消减作用相关^[32-33]。研究区超镁铁质岩石富集Rb、Ba、U、Th、K、Sr大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREE)，亏损Nb、P、Hf、Ti高场强元素(HFSE)和重稀土元素Yb、Y，显示与岛弧环境相关的成因信息。尤其Th、Ce的富集是岛弧钙碱性火山岩的特征^[34]。另外，研究区超镁铁质岩石具有低K(w(K₂O)=(0.02~0.10)×10^-2)、低Na(w(Na₂O)=(0.00~0.58)×10^-2)、低P(w(P₂O₅)=(0.002~0.050)×10^-2)特征，与洋脊拉斑玄武岩类似，但其Ti质量分数却极低(w (TiO₂)=(0.01~0.02)×10^-2，＜1×10^-2)，与岛弧环境的拉斑玄武岩^[35]相近；Zr/Y=13.77~286.27，平均为88.73(明显＞3)；La/Ta=0.08~1.07(明显＜50)，均显示岛弧钙碱性玄武岩特征^[34]。一些地球化学构造环境判别图解中，研究区超镁铁质岩也表现出了岛弧环境特征：在TiO₂-K₂O-P₂O₅判别图(图 7)中^[36]，样品点均落在了大陆玄武岩区；在AFM图解(图 4)中^[19]，显示与岛弧有关的超镁铁质堆晶岩特征；在10TiO₂-Al₂O₃-10K₂O判别图(图 8)中^[37]，样品点基本落在了岛弧、造山带玄武岩、安山岩区；在TiO₂-10MnO-10P₂O₅图(图 9)中^[38]，样品点均落在了岛弧钙碱性玄武岩区。

OT.大洋玄武岩；CT.大陆玄武岩。图 7 研究区TiO₂-K₂O-P₂O₅判别图解 Figure 7 TiO₂-K₂O-P₂O₅ diagram in the study area

图选项

Ⅰ.大洋玄武岩；Ⅱ.大陆玄武岩、安山岩；Ⅲ.岛弧、造山带玄武岩、安山岩。图 8 研究区10TiO₂-Al₂O₃-10K₂O判别图解 Figure 8 TiO₂-Al₂O₃-10K₂O diagram in the study area

图选项

OIT.洋岛拉斑玄武岩；OIA.洋岛碱性玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩；IAT.岛弧拉斑玄武岩；CAB.岛弧钙碱性玄武岩。图 9 研究区TiO₂-10MnO-10P₂O₅判别图解 Figure 9 TiO₂-10MnO-10P₂O₅ diagram in the study area

图选项

结合岩浆源区特征，牤牛海地区超镁铁质岩石可能形成于消减带上与亏损软流圈地幔源有关的岛弧环境。

4.3 地质意义

通常认为超镁铁质岩中不存在原生锆石，锆石多来源于围岩的捕获。本次工作在一个蛇纹石化蚀变岩石样品中取得132~131、241~239、277~271 Ma三组锆石U-Pb(LA-ICP-MS)年龄。研究区超镁铁质岩强烈变形，而邻近超镁铁质岩出露的早白垩世火山地层、中－晚侏罗世火山-沉积地层、中－晚三叠纪侵入体均无变形^①，这间接地说明前两组年龄为后期岩浆热事件扰动的反映。区域上早—中二叠世大石寨期岩浆活动强烈，为岛弧-弧后盆地型海相火山-沉积建造，而中二叠世哲斯期为相对稳定的陆源碎屑岩-碳酸盐建造，二者构造环境发生了巨大变化，后一组年龄(277~271 Ma)正对应这一构造环境变化时期，并且该时期地质体在区域上发生较强烈构造变形。因此，该年龄基本可以代表研究区超镁铁质岩形成时代。

① 付俊彧，宋维民，陶楠，等.内蒙古1:5万孟恩套勒盖等5幅区域地质调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，2013.

研究区超镁铁质岩出露于牤牛海西南，在牤牛海东南及东北，前人也报导有蛇纹岩、辉绿岩^②；在牤牛海西北方向的突泉苇场等地也发现蛇纹石化超镁铁质岩^③(蛇纹石化橄榄岩和滑石岩)，分别取得锆石U-Pb (LA-ICP-MS)年龄为(345.3±1.9) 和(303.4±1) Ma；在牤牛海西南方向的科尔沁右翼中旗布敦花牧场也发现有蛇纹石化橄榄岩^①，取得锆石U-Pb(LA-ICP-MS)年龄为(289±3) Ma。往西南依次有:扎鲁特旗好老鹿场一带，下部铁镁质堆积岩(辉石橄榄岩、橄榄辉长岩、辉石岩)；中部块状角闪辉长岩、层状角闪辉长岩(362 Ma，单颗粒锆石U-Pb，稀释法)、辉长岩；上部有基性火山岩及沉积岩，构成晚泥盆世蛇绿岩组合。超日海乌拉一带出露有斜辉橄榄岩，呈北东走向，与格根敖包组断层接触^①，并在其中获得(285.9±4.1) Ma(锆石U-Pb LA-ICP-MS)年龄，形成时代为早二叠世；西乌旗北梅劳特乌拉超基性岩(蛇绿岩)，包括绢石蛇纹岩、片理化蛇纹岩、变辉橄蛇纹岩、辉长岩和辉绿岩脉(墙)，其时代为泥盆纪^②。再往西可能与苏尼特左旗二道井一带出露的蛇绿岩带相接。这些断续出露的超镁铁质岩，指示出一条近东西向展布构造带的存在(图 1)。已有报导，这些超镁铁质岩及镁铁质岩具有蛇绿岩性质，包括本次研究的超镁铁质岩石局部宏观岩石见枕状构造、显微镜下偶见蛇纹石呈鬣刺草状，说明牤牛海地区超镁铁质岩石也可能为上述蛇绿岩的组成部分，形成时代为泥盆纪至早二叠世末，以牤牛海地区发现的超镁铁质岩形成时代最晚(277~ 271 Ma)。

② 周玉章，龚庆颜.1:20万科尔沁右翼中旗幅区域地质矿产调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心，1973.

③ 宋维民，刘世伟，陶楠，等.内蒙古1:5万前他克吐等5幅区域地质矿产调查报告.沈阳：沈阳地质调查中心.2016.

① 聂童春，林敏，韩志定，等.内蒙古1:25万霍林郭勒市幅区域地质调查报告.呼和浩特:内蒙古自治区地质调查院，2012.

② 张长捷，鲍庆中，吴之理，等.内蒙古1:25万西乌珠穆沁旗幅区域地质调查报告.沈阳:沈阳地质调查中心，2005.

该构造带南北两侧地质建造具有明显差别：构造带北侧为晚古生代霍林郭勒—索伦残余海盆地(D₂-P)沉积，主要出露有下二叠统寿山沟组、大石寨组，中二叠统哲斯组，上二叠统林西组以及新近发现存在中泥盆统大民山组^[14]和上泥盆统—下石炭统色日巴彦敖包组，在大民山组中发现的化石与北兴安地区发现的化石相同；构造带南侧为锡林浩特西乌旗科尔沁右翼中旗岛弧岩浆岩带(O、C、P)，包括奥陶纪英云闪长岩、花岗闪长岩，石炭纪英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩，二叠纪辉石闪长岩、闪长岩、花岗闪长岩、英云闪长岩及二长花岗岩等，并出露早古生代锡林郭勒杂岩及前寒武纪基底残块。在该岩浆岩带之南为林西—阿鲁科尔沁陆缘裂陷-边缘海盆地，该盆地在晚石炭世表现为陆缘裂陷盆地特点，沉积一套包括阿木山组及本巴图组的陆源碎屑岩-碳酸盐岩建造；而早—中二叠世随着北侧板块俯冲作用增强，逐渐形成边缘海盆地，出现早二叠世大石寨期中—基性火山岩喷发，中—晚二叠世盆地逐步向前陆盆地转化。

牤牛海地区超镁铁质岩的发现、时代及形成构造背景的确定，对大地构造演化的认识是一个有力的支持；进而证明苏尼特左旗—西乌旗—牤牛海构造带是一条重要的构造带，可能为华北板块与西伯利亚板块最终缝合带。

5 结论

1) 内蒙古突泉县牤牛海地区超镁铁质岩岩石类型以蛇纹石化橄榄岩为主，少量蛇纹岩，且其中可见发育有显微鬣刺假象结构，包括蛇纹石呈假象的柱状中空骸晶结构、鱼骨状或羽状结构，宏观见枕状构造，原岩可能具科马提质喷出岩特征。

2) 超镁铁质岩石明显亏损易熔组分，如K₂O、Na₂O、CaO、Al₂O₃、TiO₂等；富集大离子亲石元素(LILE)如Rb、Ba、Sr，亏损高场强元素(HFSE)如Nb、P等。说明超镁铁质岩石岩浆源自亏损软流圈地幔，可能形成与消减带有关的岛弧环境。

3) 自牤牛海往西，依次出露有突泉蛇纹石化橄榄岩和滑石岩(345和303 Ma)、好老鹿场蛇绿岩(362 Ma)、超日海乌拉斜辉橄榄岩(286 Ma)、西乌旗北梅劳特乌拉超基性岩(蛇绿岩)，再往西可能与苏尼特左旗二道井一带出露的蛇绿岩带相接，其共同构成一条近东西向展布的构造带。该构造带南北两侧晚古生代地质建造差异明显，可能为华北板块与西伯利亚板块最终缝合带。

致谢: 刘世伟教授级高级工程师在野外调研工作中给予了悉心指导，中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员、吉林大学地球科学学院葛文春教授在本文成文过程中提出了宝贵建议，审稿专家提出许多中肯的意见，在此一并表示感谢！

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201704115
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊

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付俊彧, 汪岩, 钟辉, 宋维民, 孙巍, 那福超, 钱程, 杨雅军, 庞雪娇, 江山

Fu Junyu, Wang Yan, Zhong Hui, Song Weimin, Sun Wei, Na Fuchao, Qian Cheng, Yang Yajun, Pang Xuejiao, Jiang Shan

内蒙古突泉县牤牛海地区超镁铁质岩地球化学及源区特征

Geochemistry and Source Characteristics of Ultramafic Rocks in Tuquan Mangniuhai, Inner Mongolia

吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(4): 1172-1186

Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2017, 47(4): 1172-1186.

http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201704115

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收稿日期: 2016-10-20

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