内蒙古乌素图地区属于大青山正断层的一部分，主要产出蛇纹石化大理岩，前人在该地区的研究很少，其成因和原岩恢复尚不明确。本文基于该区的蛇纹石化样品进行详细的岩相学、矿物学和地球化学特征研究，来探讨蛇纹石化大理岩的形成机制。

内蒙古地区南部为华北地台区，北部是位于华北地台和西伯利亚地台间的地槽区，是兴蒙造山带的重要组成部分，其间分布有多条蛇绿岩带(李英杰等，2012)。乌素图地区位于内蒙古省会呼和浩特市区西北约13 km处，构造位置位于大青山山前正断层中的土左旗-乌素图段(毕克齐段，长49 km)和乌素图-奎素段(呼和浩特段，长46 km)之间(阿那尔等，2013；何仲太，2007)。

样品采集地点位于内蒙古呼和浩特市西约15～20 km大青山脚下的古乌素图。所属大地构造位置为华北板块北缘造山带、内蒙台隆阴山断隆、大青山南麓(图 1)。大青山南北两侧，分别有两大断裂带，主脉上升而呈地垒构造即大青山断隆。区内地质构造特征受此两大构造控制，造成本区断层大体呈北东-北东东向展布，褶皱呈北西-北北西向展布。样品为大青山断隆上的最古老结晶岩系，地层所属为下太古界集宁岩群(Ar₁J)。岩性特征为，上部主要为含石墨大理岩、金云母大理岩、蛇纹石化大理岩、蛇纹石化橄榄大理岩夹片麻岩；下部主要为矽线榴石斜长片麻岩、含石墨黑云斜长片麻岩、含石墨矽线榴石斜长片麻岩、含榴石石墨堇青片麻岩、榴石浅粒岩、榴石长石石英岩等。其中，蛇纹石化大理岩和蛇纹石化橄榄大理岩为文章研究对象。

图 1

图 1 乌素图地区区域地质图 Fig. 1 The geological map of Wusutu area 1 -第四系；2-下白垩统李三沟组；3-中侏罗统大青山组；4-上二叠统脑包沟组；5-中元古界马家店群；6-中太古界乌拉山岩群；7-中太古界集宁岩群；8-古太古界兴和岩群；9-实测角度不整合界限；10-实测正断层/实测逆断层；11-实测逆掩断层；12-倒转岩层产状；13-岩层产状；14-取样位置

内蒙古乌素图地区岩石类型以蛇纹石化大理岩为主，为了研究岩石的原岩类型、蛇纹石类型、岩石矿物类型及含量等，对采集的样品进行了岩石学和矿物学特征分析。

蛇纹石化大理岩，呈灰白色，具块状构造，蛇纹石颜色为翠绿色-墨绿色，在大理岩中以粒状、串珠条带状分布。内蒙古乌素图地区蛇纹石化大理岩的原岩均为橄榄石大理岩，橄榄石大致呈0.5～3.0 mm透镜化粒状假象或压扁条带状，已经完全被显微鳞片状蛇纹石交代，多数发生透镜化，长轴半定向分布，部分蛇纹石呈条纹状定向分布；方解石受压力作用，多数发生细粒化，呈0.1～0.5 mm微粒，少数呈0.5～1.5 mm透镜状，细粒方解石集合体呈条带状或纹带状定向分布，在眼球体两侧形成拖尾；微细粒状方解石(即糜棱岩化微细粒方解石)占60％～70%，眼球状透镜状方解石约为10%，眼球状透镜状白云石为10%，假象橄榄石(蛇纹石完全取代)为5％～25%，条纹状定向分布蛇纹石约5%，部分样品含有少量透闪石，具有粒状变斑结构和交代假象结构(图 2)。样品中可见细粒方解石组成的细脉穿插于蛇纹石和大的方解石颗粒中，可以推测在蛇纹石化完成之后又发生过碳酸盐化。

图 2

图 2 蛇纹石化大理岩显微镜下特征 Fig. 2 Microphotos showing characteristics of the serpentinized marble from the Wusutu area srd为蛇纹石Cal为大理石

扫描电镜实验所用仪器为ZEISS公司的SUPRA型背散射电子发射扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)，在东北大学秦皇岛分校扫描电镜实验室完成，本次对3块岩石样品进行测试，共进行了18个点(面)的微区EDS分析。

X射线衍射实验所用仪器为D8 DISCOVER型X射线衍射仪，试验参数为：Cu靶Kα辐射，扫描步长为0.08(°)/s，衍射角范围为5°～80°。分析单位为东北大学秦皇岛分校X射线衍射分析实验室，分析结果见 图 3、 图 4和图 5。

图 3

图 3 MW-11 SEM图像和XRD谱峰 Fig. 3 SEM image and XRD spectrum of sample MW-11

图 4

图 4 MW-13 SEM图像和XRD谱峰 Fig. 4 SEM image and XRD spectrum of sample MW-13

图 5

图 5 MW-15 SEM图像和XRD谱峰 Fig. 5 SEM image and XRD spectrum of sample MW-15

扫描电镜分析和X射线衍射分析结果表明，乌素图地区蛇纹石化大理岩中的蛇纹石主要为3种类型：叶蛇纹石、利蛇纹石和纤蛇纹石(何仲太，2007)。叶蛇纹石在镜下主要呈现鳞片状形态，富有较多Si元素且Mg元素含量少，利蛇纹石在镜下多呈纤维状或者毛毡状，纤蛇纹石主要为隐晶质的纤维状集合体，并且具有较多的Fe元素和Al元素。经过分析样品MW-11蛇纹石中的Fe元素和Al元素的含量较多，Si元素含量相对较多，扫描电镜下形貌多为鳞片状集合体、毛毡状和纤维状的片状(何仲太，2007；黄瑞芳等，2013)推测样品MW-11中蛇纹石类型为叶蛇纹石、利蛇纹石和纤蛇纹石(图 3)，通过EDS分析可知一部分岩石没有完全蛇纹石化，在能谱下表现出方解石、白云石和蛇纹石共生，具有两者混合的元素特征；样品MW-13蛇纹石中Fe元素和Al元素的含量较多，在扫描电镜下的形态多为发散的毡状集合体，少部分为纤维状成卷轴状的集合体矿物和片状的矿物(图 4)，推测样品MW-13蛇纹石的类型主要以利蛇纹石为主，含有一部分纤蛇纹石和叶蛇纹石；样品MW-15蛇纹石在镜下中Fe元素和Al元素的含量较多，扫描电镜下形态多为纤维状(图 5)，推测蛇纹石种类多为利蛇纹石。3块岩石样品均不含有Cr元素。

X射线衍射实验数据显示，样品MW-11中主要为白云石、方解石、少量叶蛇纹石和利蛇纹石；MW-13中主要为白云石、方解石和利蛇纹石；MW-15中主要矿物为白云石、方解石、少量叶蛇纹石和利蛇纹石。总的来说3块样品中矿物组成相差不大，衍射峰的衍射强度和衍射角基本相同，其主要矿物均为白云石和方解石，含有少量的利蛇纹石、叶蛇纹石或两者均有，所有样品中均没有纤蛇纹石而在扫描电镜下局部可见纤蛇纹石；同时，白云石和方解石含量远远大于蛇纹石的总量。

在详细的野外勘察、扫描电镜以及显微镜下的岩相学研究的基础上，选取典型样品进行全岩分析。将样品进行清洗、烘干、碎样至200目以下，送至廊坊市中铁物探勘察有限公司进行测试分析。主量元素测试使用仪器为ARL Advant，X 波长色散X荧光光谱仪和SX2-10-13箱式高温炉；测试方法据GB/T 14506.28-2010，依据GB/T 14506.14-2010对氧化亚铁测定；测试时温度为20℃，湿度为30%。

微量元素和稀土元素测试采用X series 2等离子体质谱仪；依据GB/T 14506.30-2010和GB／T14506.29-2010进行测试。微量元素测试温度20℃，湿度45％～50%。稀土元素测试仪器为稀土元素，测试温度为28℃，湿度为45％～50%。

由主量元素分析结果(表 1)可见：①岩石样品中各种氧化物的含量变化不大，岩石的化学成分主要为CaO和MgO，其含量总和为49.13％～50.5%，Ca/Mg值(0.97～1.68)接近1 ︰ 1，其原岩镁质含量相对较高，推测研究的蛇纹石化大理岩原岩为白云质灰岩；②SiO₂的含量为9.83％～14.31%，平均为11.81%，Al₂O₃的含量为1.6％～1.7%，平均为1.62%，其余氧化物的含量均低于1%，可见研究区的大理岩来自于碎屑成分含量极低的白云质灰岩(朱继存，2000)；③样品中P₂O₅的含量为0.034％～0.04%，根据前人统计的数据可知(毕明丽等，2008；刘铁庚，1988)沉积型碳酸盐岩中P₂O₅含量常少于1%，与此推测研究区蛇纹石化大理岩原岩为沉积型碳酸盐岩；④样品中Fe₂O₃的含量大于FeO的含量，其形成环镜可能是弱氧化环境或者成岩后遭受了某种作用发生了氧化反应(刘铁庚，1990)。

表 1

表 1 乌素图地区蛇纹石化大理岩主量元素成分 Table 1 Major element contents of the serpentinized marble from the Wusutu area (%) 氧化物类型 MW-11 MW-13 MW-15 Al2O3 1.61 1.60 1.66 CaO 28.24 35.41 30.84 Fe2O3 1.00 0.838 1.05 K2O 0.183 0.256 0.205 MgO 20.89 15.09 19.09 SiO2 14.31 9.83 11.30 Na2O <0.06 <0.06 <0.06 MnO 0.029 0.024 0.023 P2O5 0.040 0.034 0.036 TiO2 0.027 0.023 0.029 FeO 0.208 0.287 0.309 LOI 33.67 36.88 35.77 MgO+CaO 49.13 50.5 49.93 K2O+Na2O <0.25 <3.2 <0.27 Ca/Mg 0.97 1.68 1.15 注：Ca/Mg为离子比值。

表 1 乌素图地区蛇纹石化大理岩主量元素成分 Table 1 Major element contents of the serpentinized marble from the Wusutu area

由微量元素分析结果(表 2)可看出，该区蛇纹石化大理岩富集V、Zn、Ni、Zr、Sr、Ba等元素，亏损Nb、Ta、U、Th、Pb、Rb等元素。

表 2

表 2 乌素图地区蛇纹石化大理岩微量元素成分 Table 2 Trace element contents of the serpentinized marble from the Wusutu area (μg/g) 元素类型 MW-11 MW-13 MW-15 Li 0.54 1.46 1.18 Be 0.13 0.39 0.13 Sc 1.64 1.42 1.81 V 43.7 39.8 42.1 Cr 5.32 5.00 5.00 Co 2.88 2.09 2.13 Ni 8.87 8.89 8.55 Cu 3.64 10.2 6.95 Zn 10.7 24.2 20.5 Ga 1.65 1.20 1.39 Rb 0.27 0.48 0.33 Sr 83.1 276 96.1 Zr 14.2 9.13 10.7 Nb 0.53 0.39 0.25 Cs 0.035 0.068 0.035 Ba 114 63.5 49.9 Hf 0.645 0.36 0.49 Ta 0.057 0.033 0.035 Pb 1.49 7.66 4.80 Th 0.88 0.32 0.55 U 0.87 0.14 0.19

表 2 乌素图地区蛇纹石化大理岩微量元素成分 Table 2 Trace element contents of the serpentinized marble from the Wusutu area

根据测试结果，可知：①研究区不同样品中除Ba和Sr外其余微量元素含量相差不大，各微量元素变化趋势具有一致性；②前人研究表明，Zr和Th可作为研究陆源碎屑物质对岩石成岩时期影响大小的代表性元素(张景山，1994)且当其含量多于2%时碳酸盐岩中的稀土元素含量就会受到影响(张永北等，1997)，乌素图地区蛇纹石化大理岩中Zr元素的平均含量为11.34 μg/g，Th元素含量平均值为0.58 μg/g，按地壳中的Zr元素总含量为240 μg/g、Th元素总含量为10.5 μg/g来计算，Zr元素约为4%，Th元素约为5%，由此可见研究区岩石样品原岩受到陆源碎屑物质影响的程度非常低；③岩浆成因的碳酸盐常富Th、贫U(Taylor and McLennan，1985)，而沉积成因的碳酸盐岩恰好相反，岩石样品中的w(Th)/w(U)值为1～2.8，根据Th和U可以推断研究区的蛇纹石化大理岩为沉积型碳酸盐岩。此外，根据Nb、Zr和Hf等含量低于地壳中平均含量的岩石为沉积成因碳酸盐岩(Nothdurft et al.，2004；刘磊和杨晓勇，2013)，也可以推断研究区蛇纹石化大理岩为沉积型碳酸盐岩。

由稀土元素测试结果(表 3)可见，3个样品稀土元素总量(Σ REE)为9.55～12.99 μg/g)，轻重稀土比(LREE/HREE)较大(5.70～10.78)。球粒陨石标准化和北美页岩标准化结果(表 4，图 6a)可见，球粒陨石标准化稀土元素配分型式整体呈左高右低的形态，说明轻稀土元素相对于重稀土元素较为富集，其中轻稀土元素段倾角较大，轻稀土元素之间分异明显，其中Eu亏损明显与计算得到的一致(δEu为0.73～0.97，均值为0.81；δCe为0.83～0.86，均值为0.85)。重稀土元素段较为平缓，重稀土元素之间分异性有所减弱，其中Tb-Yb段具有轻微亏损现象，只有MW-15样品中Tm元素具有轻微富集现象；样品中Ce、Eu 亏损都不显著，也可以反映出其原岩形成时受到部分陆源物质的影响，其沉积环境相对比较稳定。

表 3

表 3 乌素图地区蛇纹石化大理岩稀土元素成分 Table 3 REE composition of serpentinized marbles from the Wusutu area (μg/g) 元素 MW-11 MW-13 MW-15 La 2.47 2.83 2.76 Ce 3.90 4.71 4.79 Pr 0.44 0.54 0.60 Nd 1.62 2.05 2.32 Sm 0.24 0.41 0.47 Eu 0.06 0.13 0.11 Gd 0.25 0.40 0.44 Tb 0.03 0.07 0.08 Dy 0.17 0.43 0.51 Ho 0.04 0.09 0.12 Er 0.12 0.29 0.33 Tm 0.02 0.05 0.06 Yb 0.15 0.32 0.34 Lu 0.03 0.05 0.06 ΣREE 9.55 12.36 12.99 LREE 8.73 10.67 11.05 HREE 0.81 1.70 1.94 LREE/HREE 10.78 6.28 5.70 注：球粒陨石标准使用Boynton and Wark(1984)的数据，北美页岩标准使用Haskin and Gehl(1962)的数据。

表 3 乌素图地区蛇纹石化大理岩稀土元素成分 Table 3 REE composition of serpentinized marbles from the Wusutu area

表 4

表 4 乌素图地区蛇纹石化大理岩稀土元素标准化参数值 Table 4 Chondrite-normalized and NASC-normalized REE parameters of serpentinized marbles from the Wusutu area 标准化类型 参数 MW-11 MW-13 MW-15 平均值 球粒陨石标准化 δEu 0.74 0.97 0.73 0.81 δCe 0.83 0.86 0.86 0.85 (La/Yb)N 11.10 5.96 5.47 7.51 北美页岩标准化 δEu 1.07 1.41 1.06 1.18 δCe 0.80 0.82 0.81 0.81 (La/Yb)N 1.60 0.86 0.79 1.08

表 4 乌素图地区蛇纹石化大理岩稀土元素成分 Table 4 Chondrite-normalized and NASC-normalized REE parameters of serpentinized marbles from the Wusutu area

图 6

图 6 乌素图蛇纹石化大理岩稀土元素球粒陨石(a)和北美页岩(b)标准化分布型式图 Fig. 6 Cehondrite-normalized REE patterns(a) and NASC-normalized REE patterns(b)of serpentinized marbles from the Wusutu area

而稀土元素北美页岩标准化分布型式图(图 6b)整体呈轻微左低右高的形态，重稀土元素相对轻稀土元素来说富集，可反映出原岩是在海相环境中沉积形成的；曲线较为平缓，说明各元素之间分异较差，样品MW-11的一致性稍差与其余两块样品之间具有一定差异，总体来说Ce元素亏损，Nd轻微亏损，Eu、Ho、Tm元素略微富集。

利用A-C-FM图解(王立功，2011)来对本区蛇纹石化大理岩进行原岩恢复。在 A-C-FM 图解中(图 7)，蛇纹石化大理岩样品点均落在X 亚组主钙质碳酸盐岩区内，判断其原岩为碳酸盐沉积岩。

图 7

图 7 蛇纹石化大理岩A-C-FM 图解(据王立功，2011) Fig. 7 The A-C-FM discrimination diagram of the serpentinized marble(modified after Wang Ligong，2011)

为了区分是何种成因的碳酸盐岩石，在 MgO-CaO 图解(章少华等，1996)中进行投点(图 8)，大理岩样品点均落在白云岩区及其延伸范围内，判断蛇纹石化大理岩的原岩应是白云岩。

图 8

图 8 区分碳酸盐岩石的 MgO-CaO 图解(章少华等，1996) Fig. 8 The MgO-CaO discrimination diagram of carbonate rocks(after Zhang Shaohua et al .，1996)

此外，主量元素也可判断地层的沉积环境。如沉积岩的 Fe，Mn，Al等元素含量对区分其成因类型具有重要的意义，因为沉积岩中 Fe、Mn 的富集主要与热水沉积作用的存在有关，因而可用于区分热水沉积与非热水沉积(徐跃通，1998)。Jewell和Stallard(1991)提出沉积岩中 W(Al)/W(Al+Fe+Mn)值可以判断沉积物质的来源，当值大于 0.5时，其物源应为陆源，值小于 0.5时为热水注入。本区蛇纹石化大理岩分析样品的 W(Al)/W(Al+Fe+Mn)值为 0.47～0.5，反映本区蛇纹石化大理岩的物质来源为海相沉积，可能有热水沉积参与。

蛇纹石化大理岩富含镁，原岩为白云岩。该套岩石应形成于干燥气候条件下的有障壁岛存在封闭海盆中。沉积岩层中的镁铝含量比(m=100×MgO/Al₂O₃)是沉积环境的标志之一(张士三，1990)，在由淡水向海水过渡的沉积环境中，沉积岩层的m值随沉积环境中水体的盐度增加而增加，淡水环境下m<1；陆海过渡性沉积环境为1<m<10；海水沉积环境为10<m<500，陆表海的m>500。本区内的蛇纹石化大理岩m值为943～1297，平均值为1130，显示出陆表海的特性。由此可推断出乌素图地区蛇纹石化大理岩原岩为陆表海相沉积型白云岩。

(1)乌素图地区蛇纹石化大理岩主要以方解石和白云石为主，含有少量蛇纹石，其中蛇纹石以利蛇纹石为主要类型，含有少量的叶蛇纹石和纤蛇纹石，蛇纹石呈鳞片状交代了原先为透镜化粒状假象或压扁条带状的橄榄石。

(2)乌素图地区的蛇纹石化大理岩化学成分主要为CaO和MgO，两者含量之和为49.13％～50.5%，Ca/Mg 离子数比值为0.97～1.68，富集V、Ni、Sr、Ba等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、U、Th等高场强元素。Σ REE为9.55～12.99 μg/g，Ce元素在球粒陨石和北美页岩标准化后都明显亏损，Eu元素在球粒陨石标准化后为亏损，北美页岩标准化后为富集。

(3)乌素图地区蛇纹石化大理岩原岩为陆表海相沉积型白云岩，受陆源物质影响小，其沉积环境比较稳定。
致谢： 内蒙古地质调查局的同志们在野外采样过程中提供帮助，东北大学秦皇岛分校扫描电镜实验室、X射线衍射实验室工作人员在实验过程中给予指导，在此一并致谢！