2018, Vol. 34
2. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 西安 710064;
3. 教育部西部矿产资源与地质工程重点实验室, 西安 710064
2. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Ministry of Land and Resources, Xi'an 710064, China;
3. Key Laboratory of Western China's Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Xi'an 710064, China
镁铁-超镁铁质岩体主要由堆晶岩组成，全岩成分并不能代表原始岩浆的成分(Veksler, 2009)，利用全岩微量元素成分研究其地幔源区性质和构造环境往往会存在多解性(Niu et al., 2002)。矿物成分研究可以有效解决镁铁-超镁铁质岩体成因问题。橄榄石一般最早从玄武质熔体中结晶出来，在硫不饱和的情况下亲铁元素Ni主要进入橄榄石中(DNi橄榄石/硅酸盐熔体=2.86~13.6; Takahashi, 1978)，而当岩浆中发生硫化物熔离，Ni会强烈进入硫化物中(DNi硫化物熔体/硅酸盐熔体=575~836; Peach et al., 1990)，导致随后结晶的橄榄石亏损Ni，因此橄榄石成分可以用来反演熔体的硫化物饱和过程(Li et al., 2004)。单斜辉石记录了岩浆重要的物理化学信息，不但可以用来计算岩浆分离结晶过程中的温度和压力(Brey and Köhler, 1990; Nimis and Ulmer, 1998)，还可以用来指示岩浆硅饱和度和硫溶解度(Naldrett and von Gruenewaldt, 1989; 薛胜超等, 2015)。
中天山地块、觉罗塔格构造带和塔里木板块东北缘的北山裂谷带发育有大量二叠纪镁铁-超镁铁质岩体，其中多个岩体赋存有岩浆型铜镍硫化物矿床，如黄山东、坡一、天宇和图拉尔根(Gao and Zhou, 2013; Zhou et al., 2004; Qin et al., 2011; Su et al., 2011, 2012; Xia et al., 2013; 姜常义等, 2006, 2012; Liu et al., 2016, 2017a; 焦建刚等, 2017)。北山裂谷带中含矿的坡北杂岩体主要由坡一、坡三、坡十、坡东等岩体组成，其中坡一岩体超镁铁质岩石和坡东岩体镁铁质岩石中赋存硫化物矿体。前人通过对含矿的坡一岩体全岩Sr-Nd-Os同位素分析认为坡北杂岩体的地幔源区可能是南天山洋向塔里木板块之下俯冲过程中被流体交代的大陆下岩石圈地幔(Xia et al., 2013)，或为亏损的软流圈地幔(Yang et al., 2014; Liu et al., 2016; Xue et al., 2016a)，或为形成于二叠纪地幔柱轴部既有洋岛型地幔源区特征又有亏损型大陆下岩石圈地幔的特征(姜常义等, 2006, 2012)。另一方面，不同学者通过模拟计算均认为坡一岩体母岩浆亏损铂族元素(PGE)(Yang et al., 2014; Liu et al., 2016; Xue et al., 2016a)，但分歧在于PGE亏损是由于地幔低程度部分熔融导致硫化物在源区发生熔离造成的(Yang et al., 2014)，还是由于原始岩浆上升侵位到达深部岩浆房后地壳硫的加入导致硫化物熔离造成的(Xue et al., 2016b)，亦或是侵位之前太古宙地壳中硫促进了硫化物饱和，而在侵位时无硫化物大理岩的混染抑制了硫化物饱和(Liu et al., 2017b)。因此，坡北杂岩体的地幔源区性质、岩浆演化过程和硫化物熔离的时间和机制仍然存在争议。虽然坡北杂岩体中新发现的坡东含矿岩体规模为小型，但容矿岩石不同于坡一岩体，为找矿勘探指明了新的方向。而且坡一和坡东两个含矿岩体的矿物学成分和铂族元素的综合研究可能对坡北杂岩体岩浆演化过程和硫化物熔离机制提出新的认识。因此，本次研究系统分析了坡一和坡东岩体不同岩相带中橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和斜长石的成分以及坡东岩体不同岩相PGE含量，以此来反演其原始岩浆的分离结晶过程，讨论硫化物熔离的时间及控制因素，并研究其形成的大地构造环境。
1 地质背景塔里木板块东北缘北山构造带为一晚古生代裂谷带(图 1a)，北与库鲁克塔格地块相连，南与敦煌地块相隔，在裂谷带内部又以白地洼-淤泥河断裂带和骆驼峰-矛头山断裂带为界分为北、中、南三个带(校培喜, 2004; 图 1b)。北山裂谷带结晶基底为古元古界北山群(肖渊甫等, 2004)，沉积盖层下部为长城系古硐井岩群、杨吉布拉克岩群以及蓟县系爱尔基干群(肖渊甫等, 2004)，上部为震旦系汗格尔乔克组(姜常义等, 2006)。北山地区二叠纪处于强烈的火山活动期，形成了多个镁铁-超镁铁质杂岩体。
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图 1 塔里木板块东北缘大地构造图(a)，觉罗塔格、中天山和北山镁铁-超镁铁质岩体分布图(b)和坡北杂岩体地质简图(c) (据校培喜, 2004①; 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2015②) Fig. 1 The tectonic map of the northeastern margin of the Tarim Craton (a), the occurrence of Permian mafic-ultramafic intrusions in the Jueluotage, Middle-Tianshan and Beishan belts (b) and simplified geological map of the Pobei complex (c) |
① 校培喜. 2004.笔架山幅1:25万区域地质调查(修测).西安:西安地质矿产研究所基础地质调查研究室
② 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队. 2015.新疆坡北铜镍矿成矿规律与富矿定位预测
北山二叠纪镁铁-超镁铁质岩体主要分布在两个带中：东部笔架山岩带，包括旋窝岭、笔架山和红石山等岩体，西部坡北岩带，包括坡一、坡三、坡十、坡东和罗东等岩体(图 1b)。坡北镁铁-超镁铁质杂岩体位于白地洼-淤泥河断裂东南侧，长20km，宽10km，出露面积约200km2，呈相互连通的北东向延展岩盆状(图 1c)。岩体直接围岩主要为长城系古硐井岩群的黑云母片岩、石英岩、黑云母二长变粒岩等，其次为下石炭统粗粒大理岩(姜常义等, 2012)。前人对坡北杂岩体进行了专题地质填图，根据岩浆性质和含矿性特征将其划分为2个岩浆亚序列和5个岩浆单元。其中2个岩浆亚序列对应两类岩浆矿床的赋矿岩相(Liu et al., 2017a; 焦建刚等, 2017)，早期岩浆亚序列为氧化物型矿床，矿体主要赋存在辉长苏长岩中或含磁铁辉长岩与大理岩的交界处，晚期岩浆亚序列为硫化物型矿床，矿体主要赋存在橄榄岩类中。五个岩浆单元分别为：第一单元主要为辉长岩；第二单元主要为辉长苏长岩、橄榄辉长苏长岩，边部含透镜状辉石岩；第三单元主要为橄榄辉长岩，含少量橄榄辉长苏长岩；前三个单元构成了第一岩浆亚序列；第四单元主要由超镁铁质岩石组成，岩石类型有纯橄榄岩、含长二辉橄榄岩、二辉橄榄岩、暗色橄榄辉长岩等，构成了第二岩浆亚序列，坡一和坡十岩体形成于该阶段；第五单元主要为细粒辉长岩，局部呈岩枝状产出(焦建刚等, 2017)。
坡一岩体位于坡北杂岩体南西段，是近些年发现的主要含矿岩体，赋存有超大型铜镍硫化物矿床，呈不规则岩盆状，长约2.5km，宽约1.0km，沿近东西向展布，岩体基本上被第四系覆盖，仅在边部有零星的基岩出露。坡一岩体主要由纯橄榄岩、二辉橄榄岩和橄榄二辉岩组成，说明该岩体为橄榄石和辉石的堆晶岩(Xia et al., 2013)。坡一岩体辉长岩锆石U-Pb年龄为276~278Ma(李华芹等, 2006; Xue et al., 2016a)，而橄长岩的锆石U-Pb年龄为269.9±1.9Ma，略晚于辉长岩(Xue et al., 2016a)。
新近在坡北杂岩体东部勘探过程中发现坡东岩体也赋存有硫化物矿体。该岩体位于坡北岩体中段，主要组成岩相为辉石橄榄岩、橄榄辉长苏长岩、辉长岩、苏长岩(图 2a)。坡东岩体中辉长岩的锆石U-Pb年龄为273.5±2.9Ma(焦建刚等, 2018)，与坡一岩体中辉长岩的年龄一致。坡十岩体为直径约1.8km的不规则近圆状岩体，出露面积约2.5km2，主要由单辉橄榄岩和纯橄榄岩组成，该岩体在橄榄岩相带底部已发现43个矿(化)体。坡十岩体中角闪辉长岩的形成时代为274±4Ma(姜常义等, 2006)，而辉长岩略早于角闪辉长岩，其锆石U-Pb年龄为284±2.2Ma(Qin et al., 2011)，与坡东岩体中辉长岩年龄一致。坡三超镁铁质岩体沿北东-南西向延长约1.5km，最大宽度为0.5km，出露面积约0.75km2。该岩体中辉长岩、辉长苏长岩和橄榄辉长岩构成了岩体的1~3阶段，而辉石岩和二辉橄榄岩构成岩体的4~5阶段(Ma et al., 2016)。辉长岩的锆石U-Pb年龄为275.8±2.7Ma(Ma et al., 2016)，与坡一、坡东岩体中辉长岩和坡十岩体中角闪辉长岩的形成时代一致。
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图 2 坡东岩体地质简图(a)和坡东岩体27号勘探线剖面图(b) (据新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2015) Fig. 2 Simplified geological map (a) and a cross-section along the No.27 prospecting line (b) of the Podong intrusion |
坡东岩体中超镁铁质岩石(纯橄榄岩和二辉橄榄岩)长约2km，宽几十米至200m，面积约0.16km2，与该岩体中镁铁质岩石(橄榄辉长岩、辉长岩和辉长苏长岩)呈侵入接触关系(焦建刚等, 2018)。坡东岩体中富硫化物矿体主要赋存在辉长苏长岩相中，不同于坡一岩体(图 2b)。硫化物矿体倾向北东，厚度一般为十几米，矿石构造以浸染状、海绵陨铁状和块状为主，在苏长岩中的块状硫化物最多连续长达1m(新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2015)，硫化物主要为磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿和少量黄铁矿(焦建刚等, 2018)。
前人通过大比例尺专题填图发现，坡一岩体超镁铁质岩石中纯橄榄岩、橄榄二辉岩、二辉橄榄岩和含长二辉橄榄岩之间呈渐变过渡关系，而镁铁质岩石和超镁铁质岩石之间表现为侵入接触关系(焦建刚等, 2017)。坡一岩体中硫化物矿体与超镁铁质岩石中纯橄榄岩和辉石橄榄岩相关系密切，主要产于这两种岩相底部或靠近其底部以悬浮状产出，厚度变化较大10~80m(Xia et al., 2013)，矿体形态与岩体底部形态基本相似，呈似层状或透镜状产出。矿石具有自形-半自形粒状结构，构造以星散浸染状-稀疏浸染状为主(新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2015)。目前探明的Ni资源量为54.81万吨，铜21.25万吨、钴5.75万吨，镍矿石品位一般0.2%~0.6%，局部可达0.97%(王亚磊等, 2013)。硫化物主要为磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿，常出现在硅酸盐堆晶矿物粒间(Xia et al., 2013)。
3 岩相学特征 3.1 坡东岩体辉长苏长岩具有辉长结构，主要由25%~30%单斜辉石、~20%斜方辉石和45%~50%斜长石组成。单斜辉石和斜方辉石均以自形-半自形短柱状或宽板状产出，粒度一般为0.15×0.2mm~0.3×2mm，常可见到单斜辉石和斜长石互相包含，斜方辉石中包含有单斜辉石和斜长石，少见单斜辉石或斜长石中包含斜方辉石。斜长石呈自形-半自形长柱状或宽板状产出，粒度一般为0.3×0.4mm~0.6×2.5mm，颗粒较新鲜，少量蚀变矿物主要为绢云母。橄榄辉长苏长岩结构与辉长苏长岩相似，橄榄石含量一般10%~15%，常以自形-半自形粒状或者不规则状产出，粒度0.3×0.5mm~1.5×2.0mm，在其边部可以见到斜方辉石的反应边，橄榄石常包含在斜长石和辉石中，斜方辉石中包含有单斜辉石，少见单斜辉石中包含斜方辉石(图 3a)。在橄榄辉长苏长岩中常出现5%~10%的硫化物，以镍黄铁矿和黄铜矿为主，粒度0.2×0.5mm~0.5×3.0mm，往往以不规则状发育在硅酸盐矿物粒间，并包含有辉石和橄榄石颗粒(图 3b)。
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图 3 坡北杂岩体岩相学特征 (a)坡东岩体橄榄辉长苏长岩中斜方辉石(Opx)与斜长石(Pl)自形程度接近，形成辉长结构，单斜辉石(Cpx)包含在斜方辉石中，正交偏光，样品PDZK27-2-459；(b)坡东岩体橄榄辉长苏长岩中镍黄铁矿(Pn)和黄铜矿(Ccp)分布在单斜辉石和橄榄石(Ol)粒间，反射光，样品PDZK27-2-459；(c)坡东岩体橄榄二辉岩中橄榄石和斜长石在单斜辉石和斜方辉石粒间，正交偏光，样品PDZK27-2-9；(d)坡一岩体辉长苏长岩中斜长石与斜方辉石和单斜辉石自形程度相近，形成辉长结构，正交偏光，样品PB-1；(e)坡一岩体橄榄单辉辉石岩中橄榄石在单斜辉石粒间，正交偏光，样品P23-5；(f)坡一岩体单辉橄榄岩中单斜辉石在橄榄石粒间，正交偏光，样品Ib-21 Fig. 3 Photomicrographs of rocks from the Poyi and Podong intrusions (a) an ophitic texture with euhedral orthopyroxene (Opx) and plagioclase (Pl), and clinopyroxene (Cpx) inclusion in orthopyroxene. Cross polar, under transmitted light, sample PDZK27-2-459; (b) Pentlandite (Pn) and chalcopyrite (Ccp) in the interstices of clinopyroxene and olivine (Ol), under reflected light, sample PDZK27-2-459; (c) olivine and plagioclase in the interstices of clinopyroxene and orthopyroxene. Cross polar, under transmitted light, sample PDZK27-2-9; (d) an ophitic texture with euhedral orthopyroxene, clinopyroxene and plagioclase. Cross polar, under transmitted light, sample PB-1; (e) olivine in the interstices of clinopyroxene. Cross polar, under transmitted light, sample P23-5; (f) clinopyroxene in the interstices of olivine. Cross polar, under transmitted light, sample Ib-21 |
橄榄二辉岩具有中堆晶结构和包橄结构，主要由15%~20%橄榄石、25%~30%单斜辉石、30%~35%斜方辉石、10%~15%斜长石和1%~2%硫化物组成(图 3c)。橄榄石常以自形-半自形粒状或不规则状产出，粒度0.4×0.5mm~1.5×2.5mm，常包含在斜长石和辉石中。单斜辉石和斜方辉石均以自形-半自形短柱状或宽板状产出，粒度一般为1×1.5mm~2.5×3.5mm，二者常包含在斜长石中。斜长石在镁铁质矿物粒间以不规则填隙状产出，粒度一般为0.4×0.5mm~1.5×2.5mm。硫化物在硅酸盐矿物粒间以星点状产出。
3.2 坡一岩体坡一岩体中辉长岩具有辉长结构(图 3d)，主要由40%单斜辉石、55%斜长石组成和5%斜方辉石组成。单斜辉石常呈短柱状，粒度0.3×0.5mm~1.0×2.0mm，斜长石自形程度与单斜辉石相近，粒度0.2×0.3mm~0.5×1.5mm。橄榄单辉辉石岩具有中堆晶结构，主要由75%~80%单斜辉石、20%~25%橄榄石和少量斜长石(3%)组成。单斜辉石以自形-半自形短柱状或粒状产出，粒度0.5×0.5mm~3.0×3.5mm。橄榄石在单斜辉石粒间以粒状或不规则状产出(图 3e)，粒度0.5×1.0mm~2.0×3.0mm，常包含在单斜辉石中形成包橄结构。单斜辉石和橄榄石粒间发育有少量他形斜长石，应是该类岩石中较晚结晶的矿物。
单辉橄榄岩具有中堆晶结构(图 3f)，主要由~80%橄榄石、~12%单斜辉石、~6%斜长石和~2%硫化物组成。橄榄石常以自形-半自形粒状或不规则状产出，粒度0.5×1.0mm~4.0×4.0mm，普遍发育包橄结构。单斜辉石为自形-半自形短柱状，粒度一般为0.3×0.4mm~1.5×2.0mm。斜长石在镁铁质矿物粒间以不规则填隙状产出，粒度一般为0.5×0.8mm~1.0×1.2mm，与单斜辉石之间的关系不明显。在橄榄石粒间的硫化物以不规则星点状产出，粒度一般为0.04×0.08mm~0.12×0.2mm。
4 分析方法 4.1 矿物成分分析橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和斜长石主量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室的JEOL JXA-8100型电子探针上完成。实验条件为：加速电压15kV，测试电流20nA，束斑直径为1μm，主量元素的计数时间为20s和10s，微量元素的计数时间为40s。橄榄石分析的标样为：Si、Mg、Fe和Ni为橄榄石；Ti为金红石；Al和Ca为石榴子石；Na为长石；Mn为MnO。辉石分析的标样为：Si、Fe、Mg和Ca为透辉石，Na和Al为硬玉；Ti、Cr和Mn分别为TiO2、Cr2O3和MnO；K为长石；Ni为橄榄石。斜长石分析的标样：Si、Al和Na为钠长石；Ca为斜长石，K为钾长石，Fe为石榴子石，Ti为TiO2。主量元素的分析误差为2%，微量元素的分析误差为5%，所有元素的检测限为0.01%。数据利用ZAF方法进行校正，以排除测试过程中的噪音和干扰。
4.2 全岩亲铁元素和Cu分析全岩Ni和Cu含量分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用Agilent 7500a型电感耦合等离子质谱(ICP-MS)完成。样品粉末利用HF+HNO3溶液在190℃条件下在溶样弹中溶解48小时。分析测试过程中选择BHVO-2(玄武岩)、AGV-2(安山岩)和BCR-2(玄武岩)作为标样。分析精度优于10%。
全岩PGE分析测试在国家地质实验测试中心利用硫镍火试金-碲共沉淀方法完成(漆亮和黄小文, 2013)。称样10~20g，加入硫磺、羟基镍、硼酸钠、碳酸钠、硼砂、面粉均匀混合后置于坩埚中，再加Os同位素稀释剂。在1150℃条件下加热熔融1.5h后将熔体注入铁模，冷却后取出镍扣。将镍扣粉碎后用浓盐酸溶解，加入碲共沉淀剂沉淀后，将不溶物滤出，加王水于100℃加热溶解1h，转入比色管中定容，然后利用ICP-MS (TJAPQ-EXCELL)进行元素含量分析。分析测试过程中Os、Ir、Ru和Pd空白值小于0.03×10-9，Pt和Rh空白值小于0.06×10-9。
5 分析结果 5.1 矿物成分 5.1.1 橄榄石坡一岩体纯橄榄岩中橄榄石的MgO含量为47.6%~49.6%，FeO含量为8.7%~11.7%，相应具有坡北杂岩体中最高的Fo值88.0mol%~90.9mol%和Ni含量1910×10-6~3764×10-6(表 1)，Fo值变化范围并不大，而Ni含量相差1854×10-6，二者之间的相关性并不明确(图 4)。斜长橄榄岩中橄榄石的MgO含量为44.05%~45.26%，FeO含量为14.63%~16.28%，Fo值83.3mol%~84.7mol%，低于纯橄榄岩中相应值，Ni含量259×10-6~1281×10-6(表 1)。二辉橄榄岩和单辉橄榄岩中橄榄石成分相似，MgO含量为42.46%~43.98%，FeO含量为15.99%~19.06%，Fo值80.1mol%~82.9mol%。橄榄单辉辉石岩中橄榄石MgO含量为34.08%~35.07%，FeO含量为24.97%~28.85%，具有非常低的Fo值68.3mol%~71.5mol%和Ni含量0~629×10-6(表 1、图 4)。坡一岩体中镁铁质岩石不同岩性之间橄榄石成分差别较大，其中橄榄辉长苏长岩中橄榄石成分与二辉橄榄岩和单辉橄榄岩相似，MgO含量分别为29.30%~42.80%，FeO含量为10.93%~18.58%，Fo值80.5mol%~82.8mol%，Ni含量为71×10-6~1839×10-6(表 1、图 4)。辉长岩代表岩浆演化晚期的产物，因为其橄榄石具有低MgO含量30.98%~32.93%，高FeO含量30.35%~32.77%，及最低的Fo值63.0mol%~66.1mol%和Ni含量0~157×10-6(表 1、图 4)。
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图 4 坡一和坡东岩体不同岩相中橄榄石Fo值和Ni含量图解 坡十岩体数据来自苏本勋等(2011)；坡三岩体数据来自Ma et al. (2016) Fig. 4 Plot of Fo versus Ni for olivine grains from the Poyi and Podong intrusions Data of the Poshi intrusion from Su et al. (2011), Posan intrusion from Ma et al. (2016) |
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表 1 坡一和坡东岩体中橄榄石成分(wt%) Table 1 Composition of olivine of the Poyi and Podong intrusions (wt%) |
坡东岩体橄榄辉长苏长岩中橄榄石MgO含量为38.37%~42.57%，FeO含量为17.95%~23.54%，Fo值为74.8mol%~81.0mol%，Ni含量为990×10-6~2782×10-6(表 1、图 4)。橄榄二辉岩中橄榄石成分与橄榄辉长苏长岩相中橄榄石成分相似，MgO含量为39.12%~42.87%，FeO含量为18.31%~24.06%，Fo值74.5mol%~80.8mol%，Ni含量912×10-6~2522×10-6(表 1、图 4)。
5.1.2 单斜辉石坡一和坡东岩体不同岩相带的单斜辉石成分相似，MgO含量为13.88%~22.03%，CaO含量为11.97%~24.13%，FeO含量为3.22%~10.96%，Al2O3含量为0.44%~3.64%，TiO2含量为0.10%~1.27%(表 2)。经计算得到坡一和坡东岩体中单斜辉石的Wo(硅灰石)含量为24mol%~49mol%，En(顽火辉石)含量为41mol%~61mol%，Fs(斜铁辉石)含量为4mol%~18mol%，为普通辉石(表 2、图 5)。
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图 5 坡一和坡东岩体中单斜辉石和斜方辉石分类图解(据Morimoto, 1988) Fig. 5 Diagram of classification for clinopyroxene and orthopyroxene from the Poyi and Podong intrusions (after Morimoto, 1988) |
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表 2 坡一和坡东岩体中单斜辉石成分(wt%) Table 2 Composition of clinopyroxene of the Poyi and Podong intrusions (wt%) |
坡一和坡东岩体中辉长岩和辉长苏长岩的斜方辉石MgO含量为21.26%~28.06%，低于其他岩性中斜方辉石的MgO含量23.90%~31.26%，而FeO含量为13.73%~23.03%，高于其他岩性中斜方辉石的FeO含量8.08%~19.20%，而CaO含量基本一致为0.18%~7.67%。经过计算得到坡一和坡东镁铁质岩石中斜方辉石端元分子为：Wo为1mol%~5mol%，En为61mol%~82mol%，Fs为16mol%~37mol%，为紫苏辉石(表 3、图 5)，超镁铁质岩石中斜方辉石端元分子为：Wo 0~16mol%，En为72mol%~86mol%，Fs为13mol%~26mol%，为古铜辉石(表 3、图 5)。
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表 3 坡一和坡东岩体中斜方辉石成分(wt%) Table 3 Composition of orthopyroxene of the Poyi and Podong intrusions (wt%) |
坡一岩体超镁铁质岩石和橄榄辉长苏长岩中斜长石成分较接近，SiO2含量为43.92%~50.41%，CaO和Al2O3含量分别为13.15%~18.67%和31.88%~35.6%，An值为68mol%~97mol%(表 4)。坡东岩体不同岩石类型中斜长石的成分较为集中，SiO2含量为47.60%~54.20%，CaO和Al2O3含量分别为11.79%~16.35%和29.00%~33.53%，An值主要集中在58mol%~80mol%(表 4)。而坡一岩体橄榄辉长岩和辉长苏长岩中斜长石具有最高SiO2含量为52.36%~55.30%，及最低的CaO、Al2O3含量和An值，分别为9.94%~12.06%、29.07%~31.52%和47mol%~59mol%(表 4)。
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表 4 坡一和坡东岩体中斜长石成分(wt%) Table 4 Composition of plagioclase of the Poyi and Podong intrusions (wt%) |
坡东岩体中橄榄二辉岩、橄榄辉长苏长岩、辉长岩和苏长岩在原始地幔标准化的PGE配分模式图上均具有PGE相对于Ni和Cu的亏损(图 6)。其中橄榄二辉岩中Os含量为0.31×10-9~1.85×10-9，Ir含量为0.36×10-9~1.32×10-9，Cu和Pd的含量分别为1000×10-6~1900×10-6和5.20×10-9~8.99×10-9(表 5)，Cu/Pd比值介于192, 308~225, 904。Ir和Ni，Cu和PPGE显示出良好的正相关关系(图 7)。橄榄辉长苏长岩和苏长岩的PGE含量相似，Os含量为0.56×10-9~2.85×10-9，Ir含量为1.18×10-9~3.81×10-9，Cu和Pd的含量分别为600×10-6~1500×10-6和2.58×10-9~9.65×10-9(表 5)，Cu/Pd比值介于155, 440~269, 461，苏长岩样品在配分模式图上表现出明显的Pt负异常(图 6)。Ir与Ni，Ru显示出较好的正相关关系，而与Cu、Pt和Pd的相关性不明显(图 7)。辉长岩中Os含量为0.59×10-9~1.66×10-9，Ir含量为0.55×10-9~1.91×10-9，Cu和Pd的含量分别为1000×10-6~2100×10-6和4.70×10-9~10.40×10-9(表 5)，Cu/Pd比值介于187, 394~212, 766，Ir与Ni，Ru和Pd表现出良好的正相关关系，而与Pt的相关性不明显(图 7)。
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表 5 坡东岩体亲铜元素含量 Table 5 Chalcophile element concentration of rocks from the Podong intrusion |
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图 6 坡一和坡东岩体中不同岩相铂族元素原始地幔标准化配分模式图 坡一岩体超镁铁质岩石数据来自Xue et al. (2016a)；原始地幔标准化值据Barnes and Maier (1999) Fig. 6 Primitive mantle-normalized chalcophile element patterns for the rocks of the Poyi and Podong intrusions Data of ultramafic rocks of the Poyi intrusion from Xue et al. (2016a). Normalized values from Barnes and Maier (1999) and reference therein |
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图 7 坡一和坡东岩体中不同岩相Ir相对Ni (a)、Cu (b)、Ru (c)、Pt (d)、Pd (e)及Pt相对Pd (f)图解 Fig. 7 Plots of Ir vs. Ni (a), Cu (b), Ru (c), Pt (d), Pd (e) and Pt vs. Pd (f) for the rocks from the Poyi and Podong intrusions |
坡一和坡东岩体不同岩相中单斜辉石的MgO和CaO含量、斜长石的An值和SiO2含量连续变化，而且呈负相关关系(图 8)，说明坡一和坡东岩体具有相似的原始岩浆成分。前人对坡一和坡东岩体不同岩相全岩的微量元素分析显示其具有相似的稀土元素配分模式图和微量元素蛛网图(Xia et al., 2013; Xue et al., 2016a; 焦建刚等, 2018)，进一步说明坡一和坡东岩体可能是同一个原始岩浆演化的产物。Xue et al. (2016a)和Liu et al. (2017b)分别获得坡一的原始岩浆成分，两人计算得到的岩浆成分大体相似，区别在于后者加入0.06%的Cr2O3，从而更客观的反映了坡一岩体中铬铁矿的结晶过程。但从整体来看铬铁矿含量不足1%，所以我们关注主要矿物成分变化，采用Xue et al. (2016a)得到的坡一岩体原始岩浆成分并设定压力为2kbar，氧逸度为FMQ+1，然后利用MELTS软件(Ghiorso and sack, 1995; Asimow and Ghiorso, 1998)对坡北杂岩体原始岩浆的分离结晶过程进行了模拟(图 9)。模拟结果显示，在岩浆冷凝过程中橄榄石首先结晶，当分离结晶程度分别为18%和29%左右时单斜辉石和斜长石分别开始结晶，斜方辉石为硅酸盐矿物中最晚结晶(图 9)。另一方面，岩相学观察显示单斜辉石和斜长石包含橄榄石而它们又被斜方辉石所包含(图 3)，说明模拟结果与岩相学观察一致。
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图 8 坡一和坡东岩体中不同岩相中单斜辉石MgO-CaO图解(a)和斜长石An-SiO2含量(b)图解 Fig. 8 The plot of MgO vs. CaO of clinopyroxene (a) and An value vs. SiO2 of plagioclase (b) from the Poyi and Podong intrusions |
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图 9 坡北杂岩体原始岩浆分离结晶过程和S含量变化图解 Fig. 9 The modeling of fractional crystallization process and SCSS variation of primary magma of the Pobei complex |
由于Ni在熔体中硫化物不饱和时主要受控于橄榄石分离结晶，而硫化物饱和时则强烈进入硫化物中(Barnes and Maier, 1999)，因此橄榄石的Ni含量可以用来判断岩浆是否发生过硫化物熔离。如果橄榄石中Ni的含量低于橄榄石分离结晶趋势线，那么岩浆中Ni的亏损则是由硫化物熔离造成的(Li et al., 2001)。本次研究中坡一岩体纯橄榄岩中橄榄石具有最高Fo值(90.9mol%；表 1、图 4)，与前人在坡一超镁铁质岩石中得到的最高Fo值(91mol%；Xue et al., 2016a)一致，因此我们利用其模拟计算得到的坡一岩体原始岩浆中FeO和MgO含量(分别为9.31%和14.91%；图 4；Xue et al., 2016a)，并结合本次研究中具有最高Fo值的橄榄石成分，对坡北杂岩体原始岩浆的橄榄石分离结晶过程进行了模拟。结果表明，坡一、坡十和坡三岩体纯橄榄岩中橄榄石成分连续变化，而且与分离结晶的趋势线基本一致(图 4)，而坡一岩体斜长橄榄岩中橄榄石Fo和Ni含量低于趋势线(图 4)，说明当斜长石开始结晶时，岩浆已经发生了硫化物熔离。
对原始岩浆分离结晶过程中熔体S含量变化的模拟也说明在分离结晶早期发生了硫化物熔离(图 9)。坡一岩体纯橄榄岩和异剥橄榄岩为岩体中粒间熔体最少的堆晶岩相，微量元素比值可以近似代表原始岩浆的相应比值，其La/Sm、Sm/Yb和La/Yb比值(Xia et al., 2013; Xue et al., 2016a)与尖晶石二辉橄榄岩地幔19%部分熔融形成的熔体成分相似(Shaw, 1970)。假设地幔中S平均含量为200×10-6(Palme and O'Neill, 2014)，那么坡北杂岩体地幔源区在19%部分熔融条件下形成的熔体中S含量应为1050×10-6(图 9中A点)。另一方面，坡北杂岩体分离结晶过程中，硫化物饱和时熔体的S含量(Sulfur Content at Sulfide Saturation, SCSS)可以通过以下公式进行计算：lnXS=-1.76-0.474(104/T)-0.021P+5.559XFeO+2.565XTiO2+2.709XCaO-3.192XSiO2-3.049XH2O(1)，其中压力P单位为kbar，T为开氏温度，X为各氧化物的摩尔百分比(Li and Ripley, 2009)。利用MELTS软件计算得到其原始岩浆的温度为1433℃，代入公式(1)得到其原始岩浆SCSS为2363×10-6(图 9中B点)，明显高于1050×10-6。因此，原始岩浆在分离结晶早期不会达到硫饱和，而随着分离结晶作用的进行，岩浆温度逐渐降低，橄榄石的分离结晶使岩浆中FeO含量降低，都造成岩浆SCSS不断降低(Li and Ripley, 2009; Liu et al., 2017b)。而S在橄榄石和单斜辉石中为不相容元素，残余岩浆中S含量会不断升高(图 9)，当坡北杂岩体原始岩浆经过~20%的分离结晶时，两条曲线相交指示岩浆中S达到饱和而发生熔离。由于硫化物密度较大，形成后向下运移与堆晶矿物橄榄石共生，形成坡一岩体中与超镁铁质岩石相关的硫化物矿体。
6.2.2 晚期硫化物熔离坡一岩体中二辉橄榄岩、单辉橄榄岩和橄榄辉长苏长岩中橄榄石的成分在橄榄石分离结晶趋势线之上(图 4)，说明早期硫化物熔离之后的残余岩浆中S再一次不饱和。但坡东岩体中与苏长岩和辉长苏长岩相关的硫化物矿体的发现说明岩浆在晚期可能又经历了一次硫化物熔离。坡东岩体苏长岩在PGE原始地幔标准化配分模式图上具有明显的Pt相对Rh和Pd的负异常，可能是热液蚀变引起的，因为PGE中Pt最容易受热液蚀变影响(Barnes et al., 1985)，所以不能用来讨论硫化物熔离。而橄榄二辉石岩、辉长岩和辉长苏长岩没有明显的Pt相对Rh和Pd的负异常(图 6)，说明其PGE含量没有受到后期热液蚀变的影响。同时，Ir与Ni，Ru，Pt和Pd具有良好的正相关关系(图 7a, c-e)，说明PGE也未受到单硫化物固溶体(MSS)分离结晶的影响。因此，其PGE含量虽与超镁铁质岩石相似，但相对Ni和Cu明显呈负异常(图 6)，而且Cu/Pd比值(155, 440~225, 904)远高于地幔值(7000; Barnes and Maier, 1999)。同时，坡一岩体中橄榄单辉辉石岩和辉长岩中橄榄石的Fo和Ni含量均在分离结晶趋势线之下(图 4)，均暗示晚期硫化物熔离可能发生在橄榄辉长苏长岩形成之前。
岩浆的分离结晶虽然会造成S溶解度降低而导致硫化物熔离，但坡北杂岩体晚期硫化物熔离的主导因素是地壳混染，因为：(1)橄榄辉长苏长岩和苏长岩中斜方辉石的大量出现说明此时岩浆中SiO2含量很高，如中亚造山带东段红旗岭铜镍硫化物矿床7号岩体富含斜方辉石，被认为是地壳混染造成的(Wei et al., 2013)；(2)地壳混染会降低幔源岩浆中Nb的含量，造成Nb负异常和(Nb/La)PM比值降低(Rudnick and Gao, 2003)。坡一、坡东和坡十岩体中橄榄辉长苏长岩和辉长岩全岩微量元素蛛网图上具有明显的Nb负异常，而且三个岩体中辉长岩的(Nb/La)PM比值为0.04~0.42，平均值为0.22，而超镁铁质岩石的(Nb/La)PM比值较高，为0.07~0.61，平均值为0.30(颉炜等, 2011; Xue et al., 2016b; 焦建刚等, 2017)；(3)坡一、坡十和坡东岩体中辉长岩全岩εNd(t)值(-1.8~+6.7)也明显低于橄榄岩和辉石岩(+4.7~+8.6)(颉炜等, 2011; 姜常义等, 2012; 焦建刚等, 2018)。
坡东岩体橄榄二辉岩和橄榄辉长苏长岩中橄榄石Fo值低于坡一岩体中超镁铁质岩石，且变化范围明显较大(75.3mol%~81.0mol%)，而Ni含量却高于后者，并且橄榄辉长苏长岩中橄榄石的Fo和Ni含量表现出负相关关系(图 4)。最新的勘探资料表明，坡东岩体中发现的铜镍硫化物矿(化)体主要赋存在辉长苏长岩相中(图 3b)，因此我们认为坡东岩体橄榄二辉岩和橄榄辉长苏长岩中橄榄石较高的Ni含量、变化较大的Fo值及其与Ni含量的负相关关系是由于橄榄石和熔离出的硫化物熔体在不平衡状态下发生成分交换造成的(Li and Naldrett, 1999)。当橄榄石颗粒间有硫化物熔体存在时，二者之间会发生Fe和Ni的交换：NiO橄榄石+FeS硫化物=NiS硫化物+FeO橄榄石，造成橄榄石Fo较大的变化范围，随着橄榄石Ni含量的升高而Fo值降低，表现出负相关关系，如加拿大Voisey’Bay矿床的浸染状硫化物矿石中橄榄石由于和硫化物发生Fe-Ni交换导致Fo值和Ni含量负相关(Li and Naldrett, 1999)。与坡东岩体橄榄二辉岩和橄榄辉长苏长岩中橄榄石发生反应的可能就是坡北杂岩体演化晚期由于地壳混染而导致熔离出的硫化物。
综合坡一和坡东岩体不同岩相带中橄榄石的成分、模拟计算的S含量和分离结晶过程，我们认为坡北杂岩体的原始岩浆到达浅部岩浆房以后，其化学成分早期的变化主要受控于橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用，并达到S饱和导致硫化物熔离，形成坡一岩体中与超镁铁质岩石密切相关的硫化物矿体。这一阶段岩体地壳混染并不强烈，可能仅在深部混染了少量的地壳硫促进了硫化物饱和(Liu et al., 2017b)。而在晚期阶段，苏长岩和辉长苏长岩相的母岩浆经历了强烈的地壳混染，一方面造成岩浆富SiO2，结晶过程中形成了大量的斜方辉石，另一方面也造成了硫化物熔离，熔离出的硫化物堆积在橄榄辉长苏长岩相底部，并与其中的橄榄石发生Fe-Ni交换，形成坡东岩体中橄榄石较高的Ni含量、变化较大的Fo值及二者负相关关系。
6.3 大地构造环境塔里木板块东北缘北山裂谷带、中天山地块和觉罗塔格构造带中大量二叠纪镁铁-超镁铁质含矿岩体的构造环境目前仍然存在争论，有的学者认为这些岩体为与俯冲相关的Alaska型岩体(Xiao et al., 2004; Han et al., 2010)、或为二叠纪塔里木大火成岩省(TLIP)岩浆活动的产物(Zhou et al., 2004; Mao et al., 2008; Liu et al., 2016)、或为造山带后碰撞岩石圈拆沉-软流圈上涌的产物(Xue et al., 2016a, b)，或为地幔柱与造山带叠加的产物(Qin et al., 2011; Su et al., 2012)。
熔体分离结晶过程中，金属离子进入单斜辉石晶格的方式因构造环境的不同而不同，造成其元素含量之间产生明显差别和分异，因此单斜辉石成分可用于识别不同的构造环境(Loucks, 1990)。在拉张环境中(如大陆裂谷、弧后盆地、大洋中脊和热点)，拉斑玄武质岩浆由于富Ti导致Al主要通过ⅵMgⅳSi2↔ⅵTiⅳAl2替代的方式进入单斜辉石晶格，形成CaTiAl2O6分子。而在岛弧环境中，岩浆富H2O且氧逸度高，Al则主要通过ⅵMgⅳSi↔ⅵFe3+ⅳAl替代的方式进入单斜辉石晶格，形成CaFe3+Al2SiO6分子，所以岛弧环境的堆晶岩中单斜辉石一般具有比拉张环境单斜辉石更高的呈四次配位的Al离子百分比和占据单斜辉石八面体位置Ti的比值(AlZ/Ti)(Loucks, 1990)。本次研究选择坡一和坡东岩体中地壳混染程度较低的超镁铁质岩石的单斜辉石进行讨论，计算结果表明坡一和坡东岩体超镁铁质岩石中单斜辉石的TiO2含量和AlZ的百分比接近，其中AlZ的百分比为0.8~7.8mol.%，TiO2含量为0.21~0.83%，不同于弧环境中堆晶单斜辉石成分，而与裂谷环境堆晶岩中单斜辉石成分相似(图 10)，与前人对坡三和坡十的认识一致(苏本勋等, 2011; Ma et al., 2016)。因此，我们认为坡北杂岩体可能形成于和塔里木二叠纪(~280Ma)地幔柱活动相关的裂谷环境。
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图 10 坡北杂岩体不同岩相中单斜辉石TiO2含量和AlZ图解 坡一和坡东岩体数据来自本次研究；坡十超镁铁质岩石数据来自苏本勋等(2011)；坡三超镁铁质岩石数据来自Ma et al. (2016) Fig. 10 The plot of TiO2 content versus AlZ of clinopyroxene from the Pobei complex Data of Poyi and Podong intrusions from this study; ultramafic rocks of Poshi intrusion from Su et al. (2011) and ultramafic rocks of Posan intrusion from Ma et al. (2016) |
然而，坡北杂岩体中受地壳混染影响较小的超镁铁质岩石全岩εNd(t)值最高可达+8 (Yang et al., 2014)，接近同时期的亏损地幔值，说明其来源于亏损地幔，并不是地幔柱物质熔融的直接产物。另一方面，坡北杂岩体不同类型岩石的全岩稀土元素均表现为平坦型，没有轻稀土相对重稀土的富集，微量元素蛛网图中高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf和Ti)只有Nb因地壳混染而显示较弱的负异常(Xia et al., 2013; Xue et al., 2016a; Ma et al., 2016; 姜常义等, 2012)。因此，其地幔源区可能并不是受古生代南天山洋长期北向俯冲(Su et al., 2011)交代的岩石圈地幔。坡北杂岩体中橄榄岩相La/Sm，Sm/Yb和La/Yb比值(Table A3; Xue et al., 2016a)指示其来源于尖晶石二辉橄榄岩组成的源区(Gurenko and Chaussidon, 1995)。因此，我们认为坡北杂岩体来源于较浅的以尖晶石二辉橄榄岩为主的亏损岩石圈地幔，地幔柱在源区部分熔融过程中提供了大量的热(Qin et al., 2011)。
7 结论塔里木板块东北缘北山构造带中坡北杂岩体形成于裂谷环境，源区为尖晶石二辉橄榄岩为主的亏损岩石圈地幔，地幔柱在源区部分熔融过程中提供了大量的热。坡北杂岩体中含硫化物矿体的坡一和坡东岩体可能是同一原始岩浆分离结晶的产物。原始岩浆在分离结晶过程中主要硅酸盐矿物结晶顺序为：橄榄石→橄榄石+单斜辉石→橄榄石+单斜辉石+斜长石→单斜辉石+斜长石+斜方辉石。橄榄石和单斜辉石20%的分离结晶导致岩浆在演化的早期发生硫化物熔离，形成与坡一岩体超镁铁质岩石相关的矿体。而由于地壳物质的混染，在岩浆演化的晚期阶段再次发生硫化物熔离，形成与坡东岩体镁铁质岩石相关的矿体，并导致坡一岩体和坡东岩体中镁铁质岩石普遍亏损PGE。
致谢 本次研究野外工作得到了新疆地质矿产开发局地质六队总工邓刚教授级高工，王恒、王鹏高工的帮助；两名匿名审稿人和编辑部老师提出的宝贵修改意见使本文更加完善；在此一并表示感谢。
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