2017, Vol. 33
2. 北京矿产地质研究院, 北京 100012;
3. 有色金属矿产地质调查中心, 北京 100012
2. Beijing Institute of Geology for Mineral Resources, Beijing 100012, China;
3. China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey, Beijing 100012, China
富辉橄玄岩是一种富镁玄武岩，以富含单斜辉石斑晶为特征，被认为是苦橄岩或者橄榄石玄武岩的变种 (Della-Pasqua and Varne, 1997)，具有一些原始岩浆的特征，表现在橄榄石斑晶富镁，全岩具有高Mg#以及Cr、Ni含量的特征。目前报道的富辉橄玄岩仅产于岛弧，如瓦努阿图 (Barsdell and Berry, 1990; Eggins, 1993; Della-Pasqua and Varne, 1997; Peate et al., 1997)，小安德烈斯 (Arculus, 1976; Thirlwall et al., 1996; Woodland et al., 2002)，阿留申群岛 (Kay and Kay, 1985; Nye and Reid, 1986; Singer et al., 1992)，所罗门群岛 (Mann et al., 1998; Schmidt et al., 2004; Schuth et al., 2004; Rohrbach et al., 2005)，巴布亚新几内亚 (Kennedy et al., 1990)，以及勘察加半岛 (Yamamoto, 1988; Kamenetsky et al., 1995; Portnyagin et al., 2005; Rohrbach et al., 2005)。世界上典型的岛弧富辉橄玄岩被认为产出于热异常的岛弧环境 (Dickinson and Synder, 1979; Mann et al., 1998; Simonov et al., 2010)，准噶尔北缘富辉橄玄岩也被认为形成于具有热异常的岛弧环境，总体存在3种模式，如地幔柱叠加于岛弧环境 (陈毓川等, 2004)，洋壳俯冲过程中板片断离引起的软流圈上涌作用 (苏慧敏等, 2008)，以及洋脊俯冲过程中伴随的板片窗异常热构造 (沈晓明等, 2010)。
洋脊俯冲是俯冲增生以及洋盆闭合过程中的普遍现象，被用来解释准噶尔北缘-阿尔泰地区晚古生代发生的地质作用，且得到越来愈多的学者的认可。其中准噶尔北缘中泥盆世埃达克岩、高镁安山岩和富铌玄武岩岩石组合 (杨文平等, 2005; Zhang et al., 2005a; 万博和张连昌, 2006; 张招崇等, 2006; 赵振华等, 2006) 被认为是洋脊俯冲过程中板片窗边缘洋壳熔融的结果；老山口地区的苦橄岩 (Zhang et al., 2008) 以及青河口岸A型花岗岩 (Shen et al., 2011) 的形成与洋脊俯冲作用有着密切关系 (沈晓明等, 2010)；同时，该区高温低压的区域变质作用 (沈晓明等, 2010) 以及420Ma之后亏损地幔物质的大规模上涌 (Sun et al., 2009) 也被认为是洋脊俯冲作用的结果。当扩张的洋中脊俯冲到消减带之下，来自软流圈地幔的岩浆处在温度较高的弧下区域而得不到有效的冷却，导致俯冲的大洋板片生长停止，并沿着离散的洋中脊板块边缘形成板片窗 (Dickinson and Synder, 1979)。软流圈地幔物质通过板片窗上涌，将导致俯冲带上覆板片以及地幔楔的地温梯度急剧升高，并产生一系列特殊构造、岩浆岩、变质岩及沉积岩等特殊组合，以及上覆板块的快速隆升与拉张，形成一系列弧前和弧后盆地 (Thorkelson, 1996)，并伴有岩石圈与地壳的减压熔融以及高温低压的变质作用 (Brown, 1998; Iwamori, 2000)。板片窗构造是洋脊俯冲的重要内容，其存在与否直接关系到几个问题：其一，板片窗之下产生的熔浆的成分、性质以及其部分熔融程度；其二，是否有起源于板片窗处地幔源区的熔浆上涌进入岛弧岩浆房；其三，通过板片窗上涌的岩浆作用在岩石学、矿物学以及地球化学等方面的表现。老山口地区富辉橄玄岩是拉张环境下地幔岩浆作用的结果，其岩石学、岩石化学对是否存在二元地幔结构、软流圈上涌过程以及相伴随的岩浆混合过程等关键问题的讨论有着重要作用。
地球动力学模型的差异将导致岩浆系统演化历史以及地球化学成分的差异，同时记录于一套具有成因联系的岩石组合中。单斜辉石斑晶是富辉橄玄岩的主要斑晶类型，其成分受控于母岩浆成分以及平衡常数，因此其成分特征不仅可以反映单斜辉石斑晶形成时的物理化学条件 (Nimis, 1995, 1999; Nimis and Ulmer, 1998) 和构造环境 (Nisbet and Pearce, 1977)，同时还记录熔浆成分的变化过程。本文中我们发现了具有特殊结构的一类单斜辉石斑晶，并对其进行系统的成分分析，同时补充了部分岩石主量元素和微量元素数据，用以探讨富辉橄玄岩岩石成因、岩浆作用过程以及构造背景。
2 地质背景研究区位于北西向的额尔齐斯-玛因鄂博断裂南侧，额尔齐斯-玛因鄂博断裂以北为阿尔泰山造山带，以南为准噶尔板块 (图 1)。研究区的地层呈北西向展布，出露的地层以泥盆系和石炭系为主，二叠系和奥陶系仅零星出露 (图 1)。上奥陶统加波萨尔组为滨海-浅海相陆源碎屑-海底火山喷发-碳酸岩建造。下泥盆统托让格库都克组为玄武岩-安山玄武岩的双峰式火山岩建造。中泥盆统包括北塔山组和蕴都卡拉组，蕴都卡拉组整合于北塔山组之上，其中北塔山组以基性-中基性火山岩、火山碎屑岩及火山碎屑沉积岩为主，间夹少量碳酸盐岩建造，蕴都卡拉组为中酸性火山岩为主的海陆交互相火山沉积建造。上泥盆统卡希翁组为滨-浅海相夹陆相火山碎屑-正常碎屑沉积岩，局部见玄武岩和流纹岩。下石炭统姜巴斯套组、那林卡拉组和巴塔玛依内山组为海陆交互相碎屑岩夹偏碱性火山岩建造。上石炭统哈尔加乌组为陆相碎屑岩建造。二叠系为陆相火山-沉积岩系。新生界为陆相砂砾岩。区内侵入岩分布广泛，基性、中性和酸性岩均有出露，以酸性岩为主。
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图 1 准噶尔北缘老山口一带区域地质简图 (据陈毓川等, 2004; 柴凤梅等, 2012) Fig. 1 Regional geological sketch map of the Laoshankou at the northern margin of Junggar (after Chen et al., 2004; Chai et al., 2012) |
老山口北塔山组地层下部产出2层超镁铁熔岩 (Zhang et al., 2008)，第一层为厚约10m的苦橄岩，第二层为厚约20~50m的富辉橄玄岩，2层超镁铁熔岩之间为玄武岩；中部主要为玄武岩和安山岩，其中安山岩位于玄武岩之上。2层超镁铁熔岩在产出层位、岩相特征以及主量元素等方面具有显著的差异，且与玄武岩、玄武岩和安山岩的界线均清楚。本文富辉橄玄岩样品采自准噶尔北缘老山口地区的北塔山组地层中 (图 1)。
3 岩相学特征富辉橄玄岩 (Ankaramite) 是一种富含辉石和橄榄石斑晶的玄武岩，具有较高的MgO含量，同时镁铁矿物以单斜辉石为主，以辉石/橄榄石体积大于2为特征；岩石中斜长石组分较少，因此岩石CaO/Al2O3通常大于1.2。富辉橄玄岩具有一些原始岩浆的特征，表现在岩石具有较高的Mg#和较高含量的Cr和Ni等相容元素 (Della-Pasqua and Varne, 1997)。岩石呈斑状结构、块状构造，斑晶主要为单斜辉石，其体积比可高达40%，自形、新鲜，常可见八边形横截面以及相互近于垂直的两组节理，有时可见少量的橄榄石，多已蛇纹石化，仅保留橄榄石轮廓，基质为全晶质，普遍很细，为微晶单斜辉石和斜长石，含有少量钛铁氧化物。
单斜辉石是富辉橄玄岩中最为主要的斑晶，其体积分数可占全岩的45%左右，粒度不等，最大可达4000μm (图 2a)，普遍集中在800~2000μm之间 (图 2b-d)。单斜辉石斑晶新鲜，基本未受蚀变，纵面呈短柱状 (图 2d, e)，横截面形态以八边形为主 (图 2a, b, f)，少量为四边形 (图 2c)。
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图 2 辉石斑晶显微照片及其素描图 虚线为裂隙；MIs-熔体包裹体群 Fig. 2 Microscopic photographs of clinopyroxene phenocrysts and their sketches The dotted lines represent cracks; MIs represent melt inclusions |
单斜辉石斑晶通常具有沿着其生长环带分布的熔体包裹体群，熔体包裹体群的分布规律表明其为原生熔体包裹体。熔体包裹体群在单斜辉石斑晶中的此种分布特征与单斜辉石斑晶粒度大小具有显著关系，其中粒度较小的单斜辉石中熔体包裹体群的分布较为清晰，粒度较大的单斜辉石中熔体包裹体群的分布特征则略微模糊 (图 2a, b)。粒度较小的辉石斑晶通常可见1~3个沿着辉石环带分布的熔体包裹体群 (图 2c, d)。粒度较大的单斜辉石中熔体包裹体粒度较大，且通常发生了不同程度的破裂以及蚀变作用，因此大斑晶中熔体包裹体群的分布没有小斑晶显著，但将蚀变和破裂的熔体包裹体勾勒出来，其整体也具有沿着辉石环带分布的规律，其中大辉石斑晶中熔体包裹体群的整体边界与单斜辉石辉石晶面大致平行 (图 2a, b)。此外，还有一类单斜辉石斑晶具有显著的核幔结构，核部和边部的界线是大致平行晶面的熔体包裹体群，核部辉石不仅包含了原生熔体包裹体，还包含了较多沿单斜辉石裂理或节理分布的假次生熔体包裹体，边部较为洁净，不含熔体包裹体 (图 2e, f)。
4 测试方法全岩主量元素和微量元素组成在核工业北京地质研究院实验室完成。主量元素在Philips PW2404型X射线荧光光谱仪上完成，采用熔片法进行分析，其中SiO2、Al2O3、MgO、CaO和TFe2O3检测限为0.1%，MnO、Na2O、K2O、P2O5、TiO2检测限为0.01%；CO2含量用电位法完成，检测限为0.1%；H2O+和H2O-含量用重量法完成，检测限为0.1%；FeO用容量法测定，检测限为0.1%。微量元素测定在ELEMENT电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS) 上完成，采用In内标溶液，分析精度为3%，检测限为0.002×10-6(La)~0.02×10-6(Ce)。
薄片采用常规方法磨制，厚度为0.03mm。在显微镜下观察，并对形态完整且具有显微结构的单斜辉石斑晶进行挑选，最终选取粒度存在大小差异的几类单斜辉石斑晶，进行单斜辉石电子探针成分及成分环带分析。单斜辉石电子探针分析在中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜与电子探针实验室完成，实验仪器为JEOL JXA-8100型电子探针，工作条件为加速电压15kV、电流1×10-8A，束斑5μm，ZAF修正法。单斜辉石晶体化学式计算采用4个阳离子以及6个O离子为标准。
5 测试结果 5.1 岩石成分老山口富辉橄玄岩全岩分析数据列于表 1。岩石主量元素含量变化较小，其SiO2和TiO2含量变化很窄，变化范围分别为48.17%~50.60%，0.44%~0.60%；MgO含量很高且变化范围大，变化范围为14.40%~19.43%；全碱总量小于2.76%。
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表 1 老山口富辉橄玄岩主量 (wt%) 及微量 (×10-6) 元素 Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) elements analyses of Laoshankou ankaramite |
所有样品的稀土总量很低，变化范围为24×10-6~34×10-6，具有非常一致的稀土标准化配分模式 (图 3a)，显示轻稀土略微富集，中、重稀土平坦的配分模式，其中 (La/Sm)N和 (La/Yb)N范围分别为1.2~1.8和1.5~2.4；不显示Eu异常，δEu变化范围为0.88~1.06。
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图 3 老山口富辉橄玄岩球粒陨石标准化稀土元素配分图 (a) 和原始地幔标准化微量元素蛛网图 (b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) 前人数据引自Zhang et al., 2008 Fig. 3 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element variation diagram (b) of Lanshankou ankaramite (normalization values after Sun and McDonough, 1989) Published data of bulk rock are cited from Zhang et al., 2008 |
样品在多元素原始地幔标准化蛛网图上显示富集大离子亲石元素，如Sr、K、Rb和Ba等，亏损高场强元素，如Nb、Zr和Ti等，重稀土平坦的特征 (图 3b)。相容元素Co、Ni、Cr含量变化范围较大，分别为44.5×10-6~81.5×10-6、102.8×10-6~476.4×10-6、399.8×10-6~1176×10-6，而相容元素Sc含量则较小，含量集中在39.8×10-6~43.6×10-6区间内。
5.2 矿物成分富辉橄玄岩中辉石均为单斜辉石，未见斜方辉石，其电子探针分析结果列于表 2。富辉橄玄岩中单斜辉石表现出高Al2O3、MgO、Na2O和低CaO的特征。根据Morimoto (1988)提出的辉石分类命名方案对单斜辉石进行分类，富辉橄玄岩中的单斜辉石属于Ca-Mg-Fe辉石族 (图 4a)：其中核部具有较多假次生熔体包裹体的辉石为透辉石，如图 4中的Cpx3和Cpx4；有沿着斑晶生长环带分布的原生熔体包裹体群的单斜辉石为富铁顽透辉石和顽透辉石，其中富铁顽透辉石与透辉石成分较为接近，在Wo-En-Fs辉石分类图解以及Mg#-Cr#协变关系图解上表现连续变化关系 (图 4a, b)；顽透辉石的Mg#较高，并且有着其独立的Mg#-Cr#的协变关系 (图 4b)。
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表 2 老山口富辉橄玄岩单斜辉石氧化物成分(wt%) Table 2 Oxide contents (wt%) of clinopyroxene from of Laoshankou ankaramite |
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图 4 辉石Wo-En-Fs分类图解 (a) 和辉石Mg#-Cr#关系图解 (b) Mg#=Mg/(Mg+Fe)×100；Cr#=Cr/(Cr+Al)×100；Cpx of P：苦橄岩中的单斜辉石；Cpx of A：富辉橄玄岩中的单斜辉石；Cpx of B：玄武岩中的单斜辉石；灰色数据为前人发表数据，蔡劲宏等, 2007; 苏慧敏等, 2008; Zhang et al., 2008; 张贺和张招崇, 2012 Fig. 4 classification of clinopyroxene (a) and plot of Cr# vs. Mg# (b) for clinopyroxene Cpx of P: clinopyroxene of picrite; Cpx of A: clinopyroxene of ankaramite; Cpx of B: clinopyroxene of basalt; Data of grey are published data and cited from Cai et al., 2007; Su et al., 2008; Zhang et al., 2008; Zhang and Zhang, 2012 |
顽透辉石 (Cpx1, 图 4a)，其Wo、En和Fs端元组分变化范围分别为34.03~36.43，54.71~59.47以及4.12~7.02，晶体化学式中几乎不含Fe3+。顽透辉石从核部到边部显示震荡的生长环带，Mg#的最低值出现的位置与同熔体包裹体群出现的位置相吻合 (图 5a)。被3期熔体包裹体群分成的4期生长环带总体上表现Mg#降低的趋势，熔体包裹体群出现指示着Mg#显著增高。
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图 5 辉石斑晶素描图及其成分环带 (a) Cpx 1顽透辉石斑晶，其斑晶内部存在3圈沿着晶体环带分布的熔体包裹体群；(b) Cpx 2富铁顽透辉石斑晶，1圈沿着斑晶环带分布的熔体包裹体群将斑晶分为核部和边部；(c) Cpx 3透辉石斑晶，其核部含有较多熔体包裹体，熔体包裹体群的边界大致同斑晶环带平行；(d) Cpx 4透辉石斑晶，其核部含有大量的假次生熔体包裹体，所有熔体包裹体的外部边界同晶面大致平行.虚线为裂隙或裂理；MIs-熔体包裹体群 Fig. 5 Sketches and chemical zoning patterns of clinopyroxene phenocrysts (a) Cpx 1 is endiopside, with 3 groups of melt inclusions distributing along its growth zoning; (b) Cpx-2 is ferric endiopside and is divided into core and rim by one group of melt inclusions lining along its growth zoning; (c) Cpx 3 is diopside, with melt inclusions distributing along its growth zoning; (d) Cpx-4 is diopside, with a large number of pseudo secondary melt inclusions in its core, and the out line of the melt inclusions appear identical with the phenocryst. The dotted lines represent cracks; MIs means melt inclusions |
富铁顽透辉石 (Cpx2, 图 4a) Wo、En和Fs端元组分变化范围分别为40.32~43.49，46.37~49.77以及8.45~10.01，晶体化学式中含Fe3+较多。富铁顽透辉石颗粒较小，可能为基质辉石，显示明显的结构环带 (图 5b)，斑晶被熔体包裹体群一分为二，核部辉石Mg#较低，边部辉石Mg#增加至86左右，Cr#表现了同样的变化规律 (图 5b)。
透辉石斑晶 (Cpx3和Cpx4, 图 4a) Wo、En和Fs端元组分分别为45.43~47.34，44.47~47.38以及5.49~8.18，晶体化学式中几乎不含Fe3+。该类辉石核部含有较多假次生熔体包裹体，边部较为洁净，几乎不含熔体包裹体，从核部到边部，Mg#由85增至90左右，Cr#的增高规律则更为显著 (图 5c, d)。
6 讨论老山口富辉橄玄岩的主量元素成分稳定 (表 1)，SiO2含量介于48.8%~52.0%，FeOT含量变化区间为9.3%~11.3%，MgO含量变化范围为12.2%~18.4%，同时TiO2含量介于0.41%~0.67%，Na2O+K2O介于1.68%~2.76%，与世界岛弧地区典型的富辉橄玄岩类似，具有高镁、低钛和低碱的特征，符合IUGS 2000对苦橄岩的地球化学定义 (Bas, 2000)。该岩石富含单斜辉石斑晶，具有较高的CaO/Al2O3比值 (大于1) 和较高的相容元素含量，显示富集大离子亲石元素和轻稀土，亏损高场强元素的地球化学特征，与岛弧地区产出的富辉橄玄岩 (ankaramite) 具有一致的岩石学和岩石地球化学特征 (Della-Pasqua and Varne, 1997)。
6.1 岩浆过程单斜辉石斑晶占老山口富辉橄玄岩中的40%左右，其主体为透辉石 (如图 4a所示)，基质辉石则为富铁顽透辉石 (蔡劲宏等, 2007; 苏慧敏等, 2008; Zhang et al., 2008; 张贺和张招崇, 2012)，两者有着相近的Wo-En-Fs组成，相似的Mg#-Cr#成分变异趋势 (如图 4b)，是主体岩浆房中岩浆作用的产物。本次测定的透辉石斑晶核部Mg#约为85，同北塔山组地层中玄武岩中单斜辉石最高值相等，具有相对演化的成分特征；单斜辉石Mg#和Cr#从核部到边部逐渐增高，显示典型的反环带特征 (如图 5c, d)；基质辉石显示2阶段生长模式 (如图 5b)，以沿环带分布的熔体包裹体群为界，核部Mg#和Cr#较低，边部Mg#和Cr#较高。透辉石斑晶的的反环带表明主体岩浆房过程为高Mg#熔浆的连续上涌过程，上涌的熔浆富含Cr等相容元素；基质辉石的2阶段生长模式则表明高Mg#的熔浆的上涌过程持续至岩浆喷发阶段，并且可能对岩浆的喷发作用起到一定作用。
6.2 富辉橄玄岩岩石成因原始岩浆的成分对了解其源区的性质、部分熔融的物理化学条件以及岩浆的演化过程起着关键的作用。老山口富辉橄玄岩有着较高的全岩Mg#，较高的Cr、Ni、Co等相容元素含量，显示了原始岩浆的的成分特征 (Green, 1976)。前人通过Putirka et al. (2003)提出的辉石-熔体温度压力计对老山口地区富辉橄玄岩、苦橄岩和玄武岩岩浆房的温度和压力进行了计算，得出苦橄岩岩浆房压力约为1.8GPa左右，温度范围为1335~1356℃；富辉橄玄岩的岩浆房压力集中在1.66~2.13GPa之间，温度范围为1350~1387℃；玄武岩的岩浆房压力在1.13~1.23GPa之间，温度约为1080℃(蔡劲宏等, 2007; 苏慧敏等, 2008; Zhang et al., 2008; 张贺和张招崇, 2012)。因此，包括老山口富辉橄玄岩在内的北塔山组基性火山岩起源压力超过1.0GPa，而在1.0GPa以上的压力条件下单斜辉石将取代橄榄石成为液相线矿物 (Gust and Perfit, 1987)，因此判断单斜辉石与全岩的Mg-Fe平衡问题是探讨其是否为原始岩浆的关键。
大量的高温高压试验表明单斜辉石与玄武岩平衡时，单斜辉石与玄武岩熔体之间的Mg-Fe分配系数KdFe-Mg介于0.20~0.40之间 (Thomson, 1974; Grove and Baker, 1984; Yaxley and Green, 1998; Kogiso and Hirschmann, 2001; Kogiso et al., 2003; Pertermann and Hirschman, 2003)。本文参照前人提出的判别橄榄石和全岩是否平衡的办法 (Révillon et al., 1999; Krishnamurthy et al., 2000; 张招崇和王福生, 2003)，绘制了Mg#(辉石)-Mg#(岩石) 图解 (图 6)，用单斜辉石和玄武质熔体的平衡常数范围限定其平衡区域，即样品成分落在平衡区域即可视为平衡，样品落在平衡区域之下则表明岩石中存在过剩的单斜辉石斑晶。如图 6所示，富辉橄玄岩随着全岩Mg#的降低，其内单斜辉石Mg#总体略微增高，其中全岩Mg#较高的富辉橄玄岩样品落在平衡区域之下，表明全岩中存在显著过剩的单斜辉石斑晶；本次测定的样品全岩Mg#较低，其主体透辉石Mg#较低落在平衡趋势线之下，边部Mg#较高落在了平衡区域，而顽透辉石在完全落在了平衡区域中，因此低Mg#富辉橄玄岩样品的单斜辉石堆积作用较为微弱。
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图 6 辉石Mg#-全岩Mg#散点图 前人发表数据蔡劲宏等, 2007; Zhang et al., 2008 Fig. 6 Binary diagram of Mg# of clinopyroxene vs. Mg# of bulk rock Published data are cited from Cai et al., 2007; Zhang et al., 2008 |
老山口富辉橄玄岩主体样品的La含量同La/Sm比值显示正相关关系 (如图 7a)，仅有少量样品落在主体趋势线的右侧，表明少量样品可能经历了微弱的分离结晶作用，同时分离结晶作用在富辉橄玄岩的形成过程中不占主导地位。本文对主体趋势线两端的富辉橄玄岩样品的进行混合模拟 (如图 7b)，结果表明混合样品的La含量和La/Sm比值也呈显著的正相关关系，混合趋势线与部分熔融趋势线几乎无法区分 (如图 7a, b)，因此主体样品La含量同La/Sm比值的正相关关系可能是同一源区部分熔融的结果，也有可能是岩浆混合的结果。
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图 7 老山口富辉橄玄岩La/Sm-La图解 (a) 和岩浆混合图解 (b) 前人数据引陈毓川等, 2004; Zhang et al., 2008; 柴凤梅等, 2012 Fig. 7 Binary diagram of La/Sm vs. La (a) of ankaramites from Laoshankou and magma mixing diagram (b) Published data are cited from Chen et al., 2004; Zhang et al., 2008; Chai et al., 2012 |
富辉橄玄岩的相容元素Co、Ni、Cr含量变化范围极大 (如图 8a-c)，其部分样品的的Co、Cr、Ni含量与苦橄岩相当，具有原始熔浆的成分特征；部分样品相容元素极低，其Co、Cr、Ni含量则同玄武岩相当。岩浆在部分熔融过程中其相容元素含量变化不大，因此部分熔融过程却解释不了老山口富辉橄玄岩Co、Cr、Ni等相容元素含量变化特征。岩浆混合作用可能是富辉橄玄岩形成的主要岩浆作用，其不仅可以解释富辉橄玄岩La含量同La/Sm比值的正相关关系，还可以解释Co、Cr、Ni含量宽大的变化范围，并得到单斜辉石辉石反环带的直接支持。上涌的熔浆在岩浆房中发生混合作用持续到了岩浆的喷发阶段，而喷发过程中混合的熔浆卷进了不同比例的单斜辉石斑晶，致使富辉橄玄岩显示不同程度的单斜辉石堆晶特征。
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图 8 老山口北塔山组富辉橄玄岩、苦橄岩和玄武岩主要相容元素柱状图 前人数据陈毓川等, 2004; Zhang et al., 2008; 柴凤梅等, 2012 Fig. 8 Histograms of major compatible elements for ankaramite, picrite and basalt from Beitashan Formation, Laoshankou district Published data are cited from Chen et al., 2004; Zhang et al., 2008; Chai et al., 2012 |
顽透辉石与富辉橄玄岩中主体透辉石斑晶在Wo-En-Fs组成和Mg#-Cr#成分变异趋势有着显著差异 (如图 4a, b)，其更高的Mg#表明其结晶于更为富MgO的熔浆中。单斜辉石Al2O3和Na2O含量与其结晶压力有着密切关系，更高的Al2O3和Na2O含量指示着更高的结晶压力 (Kushiro, 1960; Thompson, 1974; McCarthy and Patiño Douce, 1998)。顽透辉石Al2O3变化范围为1.66%~4.23%，平均值为2.33%，Na2O部分范围为0.29%~0.55%，平均值为0.39%，系统高于透辉石斑晶的相应值 (Al2O3: 1.07%~1.83%; Na2O: 0.05%~0.27%)，结晶于比透辉石斑晶更高的压力条件下。因此，顽透辉石结晶于比主体岩浆房更深和更高温的岩浆房中，是被上涌的高Mg#熔浆携带而来的深源斑晶。
富辉橄玄岩的微量元素显示了显著的岩浆混合地球化学行为，其部分样品Cr、Ni、Co等相容元素含量极低，与本区玄武岩相当 (如图 8)，部分样品Cr、Ni、Co等相容元素含量极高，接近本区苦橄岩样品 (如图 8)，具有原始熔浆的特征。上涌的熔浆可能就是苦橄质熔浆，首先苦橄质熔浆具有足够高的Cr、Ni、Co等相容元素含量，能够使混合后的熔浆具有接近原始熔浆的相容元素含量；其次，苦橄质熔浆具有极高的Mg#，其连续上涌造成的混合作用可以使透辉石斑晶的Mg#逐渐升高；然后，苦橄岩中透辉石斑晶与富辉橄玄岩中顽透辉石有着相同的Mg#变化范围和Mg#-Cr#成分变异趋势 (如图 4b)，其极高的Mg#足够与顽透辉石的Mg#平衡；最后，本区在中泥盆世产生过苦橄质岩浆活动，形成了老山口北塔山组地层底部厚约10m的苦橄岩层。
6.4 板片窗近年来对准噶尔地区构造演化的研究成果表明本区古生代经历了大洋扩张、板块俯冲、碰撞和后碰撞过程，其中对于准噶尔古大洋的闭合时限及古大洋俯冲的方向尚存有争议，但对该区中泥盆世的俯冲消减环境具有一致认识 (陈毓川等, 2004; Zhang et al., 2005b, 2008; 张招崇等, 2006; 赵振华等, 2006; 沈晓明等, 2010)，并认为洋脊俯冲作用是影响本区晚古生代岩浆作用、岩浆岩组合以及变质作用的重要模式 (Sun et al., 2009; 沈晓明等, 2010; Shen et al., 2011)。洋脊俯冲作用造成了本区晚古生代大规模幔源物质上涌，使得本区在420Ma之后形成的岩浆岩显示新生物质的成分特征 (Sun et al., 2009)，形成了本区泥盆纪地层中的埃达克岩-高镁安山岩-富铌玄武岩岩石组合 (张海祥等, 2003; Zhang et al., 2005a; 张招崇等, 2006; 赵振华等, 2006)，其局部拉张作用形成了本区中晚泥盆世的A型花岗岩 (Shen et al., 2011)，并造成了区域上普遍的高温低压变质作用 (Sun et al., 2009; 沈晓明等, 2010)。
本区卡拉先格尔地区的埃达克岩和口岸地区的A型花岗岩是洋脊俯冲作用的产物，其中卡拉先格尔地区埃达克岩的成岩年龄为381~376Ma (张招崇等, 2006)，是板片窗边缘俯冲洋壳部分熔融的产物 (Yogodzinski et al., 2001; Sisson et al., 2003)，而口岸A型花岗岩成岩年龄为382~367Ma，形成于板片窗之上的拉张环境 (沈晓明等, 2010; Shen et al., 2011)。老山口富辉橄玄岩赋存于北塔山组地层中，而北塔山组地层中玄武岩的锆石U-Pb年龄为380.5±2.2Ma (柴凤梅等, 2012)，因此老山口富辉橄玄岩的成岩时代为中泥盆世。老山口富辉橄玄岩与本区埃达克岩及A型花岗岩具有成岩时代相近和空间相邻的特征，可能也是板片窗相关岩浆活动的产物。区内中泥盆世苦橄质岩浆是板片窗处软流圈部分熔融的产物 (沈晓明等, 2010)，其通过板片窗连续上涌并进入富辉橄玄岩的主体岩浆房中，造成了富辉橄玄岩的形成及其岩浆混合作用特征。
7 结论(1) 单斜辉石斑晶中沿着其生长环带分布的熔体包裹体群指示着单斜辉石Mg#和Cr#的一次显著增加过程，是岩浆混合作用的微观标志；
(2) 老山口富辉橄玄岩是岩浆混合的产物，高Mg#熔浆连续上涌造成了透辉石斑晶反环带以及岩石微量元素的岩浆混合特征；
(3) 老山口富辉橄玄岩普遍具有单斜辉石堆晶效应，其中高Mg#富辉橄玄岩的堆晶效应显著，而低Mg#富辉橄玄岩的堆晶效应微弱；
(4) 上涌的高Mg#熔浆可能是板片窗处软流圈地幔部分熔融产生的苦橄质岩浆；
(5) 洋脊俯冲作用使板片窗处软流圈地幔发生高程度部分熔融，其产生的苦橄质熔浆连续上涌进入富辉橄玄岩主体岩浆房中，进而促使富辉橄玄岩形成。
致谢 论文的撰写和修改得到了施光海教授、蔡克大研究员和匿名审稿人的指导及帮助；电子探针测试得到了中国科学院地质与地球物理研究所毛骞和马玉光高级工程师指导；在此一并表示诚挚的感谢。| [] | Arculus RJ. 1976. Geology and geochemistry of the alkali basalt-andesite association of Grenada, Lesser Antilles island arc. Geological Society of America Bulletin, 87(4): 612–624. DOI:10.1130/0016-7606(1976)87<612:GAGOTA>2.0.CO;2 |
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