大火成岩省(Large Igneous Province)是近年来国际地学界广泛关注的科学前沿之一，是指连续的、体积庞大(覆盖面积通常超过10万km²)、由镁铁质火山岩及伴生的侵入岩所构成的岩浆建造，且大规模的岩浆作用在较短的时间内完成(Coffin and Eldholm, 1994)。它们广泛分布于全球各大板块，并且普遍存在于地质历史的各个主要时期，是检验地幔柱假说，揭示地球内部物质及岩浆动力学过程的重要研究对象，记录了地球在某一特定历史时期物质和能量的迁移过程和地球在某一特定历史时期重大地质事件的环境变化与生物灭绝等(Coffin and Eldholm, 1994；Tomlinson and Condie, 2001；Arndt et al., 2001；Isley and Abbott, 2002；Ernst and Buchan, 2003；Bryan and Ernst, 2008)。自Morgan(1971)首次提出地幔柱(Mantle Plume)概念，即起源于地球内部核-幔边界、上升的圆筒状物质流，经过40多年的发展，地幔柱理论已成为继20世纪十大科技成果之一的板块构造理论后的又一重大发现，它不仅解释了大陆内部及大洋内部巨大火成岩省的成因，而且在解释不同行星系及其之间的起源和演化、陆壳及洋壳垂向运动、地磁反转、生物灭绝、全球气候变化、海平面周期上升、太古代科马提岩成因方面亦颇为成功。热幔柱构造与板块构造具有一定的成因联系，正是板块俯冲作用导致核-幔边界附近D”层热扰动而形成了热幔柱构造(Maruyama，1994)。地幔柱理论可以较好地解释在大陆内出现巨量玄武岩(即大火成岩省事件)所需的巨大能量、物质的时空演化特征和形成的动力学机制及其对大型-超大型钒钛磁铁矿床等形成机制及其环境与生物突变现象(如Naldrett et al., 1999；Courtillot et al., 1999；Ernst and Buchan, 2003；Pirajno et al., 2008；Bryan and Ernst, 2008；Xu et al., 2014)。塔里木早二叠世大火成岩省是继中国发现和确认260 Ma左右发育的峨眉山大火成岩省之后的第2个被国际地球科学界认可的大火成岩省。

塔里木板块是中国境内的3大主要板块之一，在中亚大地构造演化过程中具有十分重要的位置，且具有较丰富的矿产和油气资源。尤其在晚石炭世-二叠纪构造体制转换期，塔里木板块与西伯利亚板块发生了俯冲-增生造山及其后伸展作用等一系列地质构造事件，以及大规模的岩浆活动和岩浆-热液成矿作用。其中，尤以发生在早二叠世的塔里木大火成岩省事件影响范围最广(杨树锋等, 2006, 2014；Li et al.，2011；Xu et al., 2014)。近十多年来，对塔里木二叠纪大火成岩省及其与地幔柱和大规模成矿的关系研究越来越多地吸引了地质矿床学家的极大关注，对其来自不同源区组分和岩浆演化及与地幔柱和成矿关系等研究方面取得了一定的认识(如姜常义等, 2004a, 2004b；陈汉林等, 2006, 2009；Yang et al., 2007；厉子龙等，2008；Zhang et al., 2008, 2010b；Zhou et al., 2009；Tian et al., 2010；Li et al., 2011, 2012a, 2012b, 2014a, 2014b；Qin et al., 2011；徐义刚等，2013；励音骐，2014；杨树锋等，2014；Xu et al., 2014；Wei et al., 2014；Zou et al., 2015)。本文将结合近年来国内外的最新研究成果，对塔里木大火成岩省的时空分布、岩石地球化学特征、成因演化、动力学过程和成矿潜力进行综述，进一步阐明塔里木大火成岩省时空演化特征与岩浆动力学及其与地幔柱成因及成矿关系。

塔里木大火成岩省的主体为在塔里木盆地内部和周缘广泛分布的大陆溢流玄武岩，主要位于塔里木盆地的西部，于地表露头、钻井岩心及地震勘探资料中均有大量揭露，残余面积超过20万km²(图 1)。其中玄武岩在地表出露较好的地点主要有柯坪地区的印干、四石厂和开派兹雷克剖面(Zhou et al., 2009；Yu et al., 2011；Wei et al., 2014)、塔西南地区的达木斯和其木干剖面(厉子龙等，2008；李洪颜等，2013)以及塔中地区的夏河南和古董山剖面(余星，2009)等。野外露头剖面中的塔里木玄武岩呈溢流相多层产出，单层厚度从几米到几十米不等，彼此之间被早二叠世的碎屑岩沉积夹层(如柯坪地区的库普库兹曼组和开派兹雷克组地层、塔西南地区的棋盘组地层等)所隔开，是多期喷发作用的结果(图 2；余星，2009；Yu et al., 2011；上官时迈等，2012)。而从塔北、塔中等地区一些钻井岩心中所恢复的玄武岩其厚度往往更甚于地表露头(图 3)，最大处超过1200 m(余星，2009；Tian et al., 2010；杨树锋等，2014)。Tian等(2010)根据油田钻井资料推测塔里木玄武岩的体量至少有30万km³，与峨眉山大火成岩省的玄武岩残余体量相当(Xu et al., 2001)。

图 1

图件修改自Li等(2011, 2014b) 图 1 塔里木大火成岩省不同岩石单元的空间分布特征 Figure 1 Spatial distribution of different rock units of the Tarim Large Igneous Province

图 2

(a-d)巴楚侵入岩与围岩接触关系；(e)柯坪地区印干剖面；(f)塔西南棋盘剖面；(g)四石厂剖面；图件修改自厉子龙等(2008)；Li等(2011) 图 2 塔里木大火成岩省代表性岩石单元与围岩等接触关系 Figure 2 Contacts of representative rock units of Tarim LIP and host rocks

图 3

(a)为近东西向露头和钻井连线剖面；(b)为近南北向露头和钻井连线剖面[详见Li等(2011)中图 1b]，其中虚线代表库普库兹曼组和开派兹雷克组玄武岩的分界线(据露头和钻井中层位对比确定)；修改自Li等(2011) 图 3 塔里木盆地内部野外露头与不同钻井岩心中的二叠纪岩浆岩发育情况 Figure 3 Spatial distribution of basalts from the field outcrops and drill cores in the Tarim Basin

为了更精确的限定塔里木玄武岩的喷发时间，不同的学者采用了不同的方法对塔里木玄武岩开展了大量的年代学研究工作，并获得一些较为可靠的年龄(表 1)。要提及的是Yu等(2011)和Zhang等(2012)分别对柯坪地区玄武岩中的岩浆锆石进行了SHRIMP和LA-ICP-MS测年，获得了较为一致的锆石U-Pb年龄(约290 Ma，表 1)。不过进一步的Hf同位素研究结果显示，这些锆石可能并非来自玄武岩本身，更有可能是外来的捕获锆石(Li et al., 2014b)。尽管如此，Wei等(2014)获得柯坪地区开派兹雷克组玄武岩的全岩⁴⁰ Ar/³⁹ Ar坪年龄也非常接近290 Ma，这一结果也与Yang等(2006)和厉子龙等(2008)在塔西南地区所获得的玄武岩⁴⁰ Ar/³⁹ Ar年龄一致(表 1)。最近，对柯坪玄武岩底部和顶部出露的中酸性凝灰岩所开展的高精度CA-TIMS锆石U-Pb测年结果也显示，该地区的玄武岩喷发持续时间在289~284 Ma(徐义刚等，2017)。除地表玄武岩之外，Tian等(2010)还通过对塔北地区一些钻井岩心中与玄武岩互为夹层的酸性火山岩进行锆石U-Pb定年，将该地区玄武岩的喷发时间限定在290.9~286.6 Ma。综合整理对塔里木不同地区玄武岩的年代学研究结果认为，塔里木早二叠世大火成岩省中大陆溢流玄武岩的喷溢时间主要集中在292~285 Ma(表 1)。不过玄武岩形成时代还有待开展进一步工作来更好地限定。

表 1

表 1 塔里木盆地二叠纪火成岩测年数据 Table 1 Geochronological data of different rock types from the Tarim Large Igneous Province

表 1 塔里木盆地二叠纪火成岩测年数据 Table 1 Geochronological data of different rock types from the Tarim Large Igneous Province

相较于巨量的大陆溢流玄武岩，中酸性火山岩在塔里木大火成岩省中所占的面积仅有约5 km²，主要分布在塔里木盆地北部的塔北隆起和库车坳陷地区(参见杨树锋等，2014中的图 1)，岩性则以流纹岩、英安岩和熔结凝灰岩为主(陈汉林等，1998；Tian et al., 2010；Liu et al., 2014)。这些长英质火山岩在野外露头剖面上多表现为与玄武岩互层的产状特点(余星，2009；上官时迈等，2012)，因此其也应是塔里木大火成岩省的产物。而钻井岩心中的长英质火山岩类除与玄武岩互层产出外，在一些钻井中还可见到厚层状的长英质火山岩层分布于玄武岩层之上(Tian et al., 2010；图 2；于峻川等，2011)，(杨树锋等，2014；图 2)，表明在塔里木大火成岩省中至少存在两期长英质的火山活动。

上述认识也被相关的年代学研究结果进一步证实。根据从长英质火山岩中所获得的锆石U-Pb年龄显示(Liu et al., 2014)，这些长英质火山岩的形成时间主要集中在2个阶段：第1阶段为291~287 Ma，与塔里木玄武岩的喷发时间基本一致；第2阶段则为283~272 Ma，与第1阶段长英质火山岩和塔里木玄武岩的形成时间存在明显的时间间隔，而和在塔里木大火成岩省内所出露的绝大多数侵入岩类(见2.3节)为同时期的岩浆活动产物。

除广泛分布的火山岩外，塔里木盆地及周缘地区一些与玄武岩形成时代相近的基性-超基性和中酸性侵入岩体、含钒钛磁铁矿基性-超基性层状岩体及双峰式岩墙和金伯利质隐爆角砾岩筒等(以下统称为侵入岩类)也多被认为是塔里木大火成岩省事件的产物(如Yang et al., 2007；Zhang et al., 2008；Li et al., 2011；位荀和徐义刚，2011；Zou et al., 2015)。这些侵入岩类在地表主要出露于巴楚地区的小海子和瓦吉里塔格以及位于塔里木板块与南天山造山带交界处的巴什索贡和皮羌等地区(图 1)。

通过对巴楚基性-超基性杂岩体与大型钒钛磁铁矿床开展系统的野外地质调查，并对基性-超基性杂岩体和酸性侵入岩体等的野外接触关系和锆石U-Pb定年，如瓦吉里塔格杂岩体中橄榄辉石岩SIMS锆石U-Pb年龄为283.2±2.0 Ma(Shangguan et al., 2015)和瓦吉里塔格杂岩体中碱性基性岩墙和闪长岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为281.4±1.7 Ma和275.2±1.2 Ma(Zou et al., 2015)，推测瓦吉里塔格杂岩体的最终侵入时间和钒钛磁铁矿床成矿时间分别为275 Ma和281 Ma。而巴楚小海子正长岩体中的SIMS、SHRIMP和LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄则集中在282~277 Ma(如Yang et al., 2007；位荀和徐义刚，2011)；巴楚双峰式岩墙中正长斑岩锆石年龄为284.3±2.8 Ma(Li et al., 2011)；皮羌辉长岩与花岗岩及巴什索贡和哈拉峻花岗岩的年龄集中在278~275 Ma(Zhang et al., 2010a；周黎霞等，2010；曹俊等，2013；Huang et al., 2015；邹思远，2016)。辉绿岩墙的形成年龄为281~272 Ma(李勇等，2007；张洪安等，2009；Zou et al., 2015；邹思远，2016)。另外根据辉绿岩与其他侵入岩的穿插关系，认为辉绿岩脉至少存在2期，一期形成早于小海子石英正长岩，主要侵入到小海子石英正长岩体周围的志留纪—泥盆纪地层中，而小海子石英正长岩体中穿插的辉绿岩脉，规模小，出露有限，应是晚期辉绿岩脉(陈咪咪等，2010)。徐义刚等(2013)统计了岩浆岩的测年结果，认为玄武岩和侵入岩的形成年龄分别主要集中在约290 Ma和约280 Ma。因此，基本厘定了塔里木侵入岩类的形成年龄主要集中在284~274 Ma，明显晚于塔里木玄武岩的喷发时间。

通过对柯坪印干剖面玄武岩层沉积夹层中的碎屑锆石开展U-Pb定年和Hf同位素特征研究，进一步限定塔里木大火成岩省地质演化历史。对锆石的形态和特征等研究认为，锆石大多呈自形或半自形的长柱状，磨圆度多数为棱角，少量为次棱角，部分锆石内部具有清晰的振荡环带结构，碎屑沉积物以近源为主(邹思远等，2013)。通过开展夹层沉积岩中碎屑锆石U-Pb定年、Hf同位素特征研究按照地层从老到新，碎屑锆石年龄峰值依次降低，依次为291、287和284 Ma，与从老到新玄武岩层中锆石年龄一致，较好地限定了塔里木大火成岩省的演化。另外，3个样品的Hf同位素具有比较好的一致性，T_DM^Hf模式年龄为1300~800 Ma，认为这些锆石可能大多数为外来源区锆石，认为它们为非来自玄武岩本身的锆石结晶(邹思远等，2013)。

利用塔里木盆地钻孔数据和地震剖面分析石炭纪到早二叠世地壳的隆升和剥蚀。基于85个钻孔/露头和2个地震剖面的地层学和沉积学分析，早二叠世和石炭纪地层之间存在一个区域不整合(Li et al., 2014a)。根据剥蚀程度的不同，石炭纪地层分为强剥蚀，中度剥蚀和弱剥蚀3个剥蚀带。剥蚀程度最强的区域在塔里木北部，向南剥蚀程度减弱。在不整合面之上，早二叠世喷发前沉积在塔里木北部最薄(＜100 m)，向南沉积逐渐变厚(＞300 m)。早二叠世喷发前沉积特点和石炭纪地层剥蚀特征相吻合，这个区域不整合代表了一个石炭纪末期的穹隆隆升，保守估计垂向和横向延伸分别达887 m和300 km，与其他地幔柱成因的大火成岩省规模相当。Li等(2014a)研究认为这个地壳隆升事件发生在大约300 Ma，持续时间很短，紧接着塔里木大火成岩省事件发生(290 Ma)，且塔里木北部或者更加偏北的区域可能是地幔柱头中心的所在(Li et al., 2014a)。

通过上述野外地质观察和室内高精度年代学研究，可以基本确定塔里木大火成岩省不同岩石类型的形成时间序列(图 4)。其中占主体的玄武岩主要形成于292~285 Ma，主要年龄段集中在290~289 Ma(库普库兹满组和塔西南以及塔北玄武岩)和288~285 Ma(开派兹雷克组玄武岩)，具有多期喷发的特点，为塔里木二叠纪大火成岩省主期玄武熔岩流的形成时间。呈点状出露的侵入岩，包括层状基性-超基性杂岩体(如橄榄辉石岩和辉长岩等)及其钒钛磁铁矿床、隐爆角砾岩筒、辉绿岩脉(以早期为主)、正长岩体和花岗岩体及双峰式岩墙(包括正长斑岩)则总体上晚于玄武岩形成，它们的形成时间在284~274 Ma。而在这两期岩浆活动的同期，都伴随有长英质火山岩浆活动。除此之外，在巴楚金伯利质隐爆角砾岩中存在U-Pb年龄为约300 Ma的斜锆石和钙钛矿等矿物(Zhang et al., 2013)，Zhang等(2013)认为塔里木大火成岩省在晚石炭世的末期可能就已经开始活动。

图 4

据Li等(2011)修改 图 4 塔里木大火成岩省中不同岩石单元时间序列 Figure 4 Temporal sequence of different rock types from the Tarim large igneous province

近年来大量的岩石地球化学研究结果表明，塔里木玄武岩大多为形成于板内构造环境的碱性高钛玄武岩(TiO₂>2.5%(wt)、Ti/Y>500；Li et al., 2014b)。它们富集大离子亲石元素和轻稀土元素，总体上具有与洋岛型玄武岩(OIB)相似的微量元素地球化学特征(余星，2009；Zhou et al., 2009；Tian et al., 2010；Zhang et al., 2010a, 2012；余星等，2017)。不过，塔里木不同地区的玄武岩在全岩主量、微量以及Sr-Nd-Hf-Pb同位素地球化学特征上也存在较为明显的变化。Li等(2012a)据此将塔里木玄武岩细分为Group 1a、Group 1b和Group 2共3个亚类，分别对应柯坪地区的开派兹雷克组玄武岩、柯坪地区的库普库兹曼组玄武岩和塔北隆起地区的胜利1、英买5、英买8和羊塔6等4口钻井岩心中的玄武岩。这3个亚类的玄武岩之间可以利用Th/Nb、Nb/Yb等一些具有指示意义的微量元素比值进行清楚地区分(图 5)，Group 1a和1b玄武岩主要根据两者具有明显不同的P₂O₅和Mg^#成分特征(Li et al., 2012a)，此外在微量元素蛛网图、Sr-Nd-Hf-Pb同位素比值关系图上也可对它们进行有效的区分(Li et al., 2012a；Li et al., 2014b)。进一步的对比结果显示，包括塔西南、塔中等大多数地区的玄武岩都具有与Group 1a玄武岩相似的地球化学特征，而Group 1b和Group 2玄武岩则仅现于塔里木盆地北部的柯坪和塔北地区。其中，Group 1b玄武岩除在柯坪地区的库普库兹曼组地层中出露外，在塔北地区的哈德1井钻井岩心中也有揭露，而Group 2玄武岩目前只有在胜利1、英买5、英买8和羊塔6这4口钻井岩心中被发现。

图 5

据Li等(2014b)修改 图 5 塔里木3类玄武岩地球化学特征差异对比 Figure 5 Comparison of geochemistry of three type basalts from the Tarim large igneous province

通过地球化学模拟和相关区域地质调查研究结果，Li等(2012a)和Li等(2014b)提出塔里木3类玄武岩的出现主要与它们各自的地幔源区性质以及所经历的地壳混染程度不同有关。总体上，3类玄武岩在其形成过程中均遭受过来自塔里木地块前寒武纪基底岩石不同程度的地壳混染。除此之外，位于塔里木盆地北部地区的Group 1b和Group 2玄武岩还很可能被来自其北侧南天山地区一些以Th-U-Pb火山岩为主的地壳物质所同化混染过。其中第二类地壳混染物质对Group 1b玄武岩的影响较为明显，致使后者在微量元素蛛网图上表现出相对于其他两类玄武岩更富集Th-U-Pb的特点(图 6)；而Group 2玄武岩相对于Group 1a和1b玄武岩具有更高ε_Nd(t)值和更低(⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr)_i值(图 7)，表明其所遭受的地壳混染程度明显低于后两者。

图 6

据Li等(2014b)修改 图 6 塔里木3类玄武岩的原始地幔标准化微量元素蛛网图 Figure 6 Spiderdiagram of primitive-mantle normalized trace elements of three type basalts from the Tarim large igneous province

图 7

据Li等(2014d) 图 7 塔里木大火成岩省中的3类玄武岩与巴楚地区基性-超基性侵入岩和正长岩类以及塔北地区苦橄岩的Sr-Nd同位素特征对比图 Figure 7 Sr-Nd isotopic diagram of three type basalts, mafic-ultramafic intrusive rocks and syenites in the Bachu area and picrite in the Tabei area from the Tarim LIP

除去地壳混染对岩石地球化学特征的影响，Li等(2014b)的模拟结果显示Group 1a和Group 1b玄武岩的地幔源区组分基本相同，应是来自塔里木地块岩石圈地幔中一个相对均一的富集型地幔源区(见Li et al., 2014b中Fig. 7)；而Group 2相较于其他2类玄武岩具有更陡的原始地幔标准化稀土元素配分曲线的倾斜度以及相对变化较大的ε_Nd(t)值，暗示其地幔源区位置更深，并且可能是来自至少2个地幔源区的岩浆经不同比例混合后的产物。

值得注意的是，无论是Group 1a、Group 1b还是Group 2玄武岩，它们都无一例外地表现出铂族元素(PGE)的极度亏损(ΣPGE < 1×10^-12)。其极高的Cu/Pd值(>10⁵)及相对较低且稳定的Pd/Ir值( < 50) 暗示塔里木玄武岩的母岩浆在最终喷出地表之前有相当数量的硫化物熔离。由于塔里木3类玄武岩所经历的地壳混染程度明显不同，因此地壳混染并不能解释塔里木玄武岩为何普遍极度亏损PGE。相应的，塔里木玄武岩母岩浆形成时的硫饱和度(SCSS)估算结果显示，地幔源区的低程度(约5%)部分熔融，导致过剩的硫化物在源区残留，才是造成塔里木玄武岩PGE普遍极度亏损的最主要原因(Li et al., 2012c)。因此，源区的部分熔融程度对塔里木大火成岩省的岩浆硫化物成矿作用具有十分重要的影响。不过Li等(2012c)在对柯坪地区多层玄武岩的PGE含量和其他地球化学特征进行对比研究后还发现，母岩浆在岩浆房中的持续补充导致同源岩浆的混合可能在柯坪玄武质岩浆演化的晚期也触发了一定程度的硫饱和和硫化物熔离。

与玄武岩相似，塔里木大火成岩省中的长英质火山岩在地球化学特征上也存在较为明显的变化。Liu等(2014)通过对塔北隆起和库车坳陷地区不同期次的长英质火山岩开展系统的锆石年代学和岩石地球化学工作，发现早期与塔里木玄武岩近同期形成的长英质火山岩和部分与侵入岩类近同期形成的长英质火山岩具有Nb-Ta明显亏损、Sr-Nd-Hf同位素富集的地球化学特征，表明其为塔里木基底岩石受底侵的幔源岩浆加热导致部分熔融的产物。而大部分与晚期侵入岩类近同期形成的长英质火山岩，则表现出Nb-Ta亏损不明显、Sr-Nd-Hf同位素特征与洋岛玄武岩相似的地球化学特征，指示其应是幔源岩浆经同化混染-结晶分异作用(即AFC过程)的结果(图 8)。

图 8

据Liu等(2014) 图 8 塔里木两类长英质火山岩(低Nb-Ta和高Nb-Ta)的形成时间关系图 Figure 8 Formation time of the two type felsic volcanic rocks (low Nb-Ta and high Nb-Ta)from the Tarim LIP

塔里木大火成岩省的侵入岩类不仅在形成时间上总体晚于玄武岩，两者在Sr-Nd等同位素特征上也有明显的不同。相较于表现出富集同位素特征的Group 1a和Group 1b玄武岩[(⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr_i)>0.706，ε_Nd(t) < -1.8]，以及同位素适度富集的Group 2玄武岩[0.705 < (⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr_i) < 0.706，-2.5 < ε_Nd(t) < 0.5]，以巴楚地区为代表的侵入岩类总体上呈现出近似于经典地幔柱成因洋岛玄武岩(OIB)的Sr-Nd同位素特征(⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr_i < 0.705，ε_Nd(t)>1；图 7)。而相关的模拟计算结果则显示，一些超基性岩的岩浆温度可达1200℃(Zhou et al., 2009)和母岩浆温度1400℃(Sun et al., 2016)，正长岩中一些锆石的饱和温度超过800℃(Liu et al., 2014)。以上证据均指示巴楚地区的侵入岩类很可能是来自于地幔柱的岩浆作用产物(Xu et al., 2014)。另外，Zou等(2015)对巴楚瓦吉里塔格的碱性基性岩墙、闪长岩及正长岩类进行元素地球化学和Sr-Nd-Pb-Hf同位素研究后认为，瓦吉里塔格杂岩体低的(⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr_i)值和较高的ε_Hf(t)和ε_Nd(t)值可以说明一个相对亏损的源区(很可能是FOZO源区)的存在，这很可能是由地幔柱源区经历了一定程度地壳混染的结果(如Zhou et al., 2009；Zhang et al., 2010b；Li et al., 2012a, 2012b)。

根据塔里木大火成岩省各主要岩石单元的时空分布和地球化学特征，可以基本恢复塔里木大火成岩省总体的岩浆演化过程，即从早期喷发的玄武岩到晚期的侵入岩类，其岩浆源区发生了从富集岩石圈地幔来源到地幔柱来源的明显转变。结合相关的地质学和岩石学证据，如晚石炭世末期塔里木盆地发生了明显的地壳抬升(Li et al., 2014a)以及塔北地区苦橄岩和巴楚地区金伯利质隐爆角砾岩筒的存在(Tian et al., 2010；励音骐等，2010)，大多数学者都认为塔里木大火成岩省的形成很可能与地幔柱上涌有关(厉子龙等，2008；余星，2009；Zhang et al., 2010b；Qin et al., 2011；Li et al., 2012a；Xu et al., 2014；Li et al., 2014b；位荀，2014；Liu et al., 2016)。

在此基础上，不同学者从不同角度尝试进一步精细刻画塔里木大火成岩省的岩浆演化过程。如余星(2009)根据塔里木3类玄武岩和侵入岩类在岩石地球化学特征上的差异，提出塔里木大火成岩省成因的二阶段熔融模式，即早期为地幔柱上升所引起的岩石圈地幔低程度部分熔融形成玄武质岩浆，晚期为上升地幔柱自身绝热减压熔融并经分异结晶作用形成侵入岩类。Li等(2012d)根据塔里木3类玄武岩和侵入岩类Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化学差异，提出塔里木大火成岩省成因的二阶段演化模式，即早期为岩石圈地幔低程度部分熔融及与软流圈物质(甚至地幔柱)的相互作用形成玄武质岩浆，晚期为亏损地幔源区为主并经分异结晶或堆晶作用形成侵入岩类。而Xu等(2014)也根据塔里木大火成岩省岩浆事件具有明显的阶段性的特点提出了地幔柱的孕育模型，强调在这一系列岩浆活动过程中地幔柱的作用发生了变化，由早期主要提供热源转换为在晚期直接提供物源。Li等(2014b)则注意到Group 2玄武岩相对于Group 1a和Group 1b玄武岩在地球化学特征上有明显的不均一性(均指除去地壳混染影响后的地球化学特征)，认为前者并非是来自一个组分均一的地幔源区，而很可能是来自地幔柱的岩浆与来自富集岩石地幔源区的岩浆经不同比例混合后的岩浆作用产物。

张传林等(2010)和Zhang等(2012)将巴楚大火成岩省分塔里木省和中亚地幔省，并具有不同的成矿系列用，认为巴楚大火成岩省的形成和二叠纪地幔柱密切相关。徐义刚等(2013)和Xu等(2014)建立塔里木大火成岩省的地幔柱模型，即塔里木岩石圈在地幔柱的烘烤下，约290 Ma时期陆下富集岩石圈地幔发生熔融形成玄武岩，当地幔柱上升到岩石圈底部地幔柱减压熔融形成约280 Ma侵入岩。杨树锋等(2014)认为塔里木大火成岩省早二叠世时期大规模玄武岩的喷溢和大面积地壳抬升、苦橄质玢岩与岩墙群的发育和瓦基里塔格大型钒钛磁铁矿矿床的产出与地幔柱活动关系密切。

综合上述学者的研究成果，本文认为地幔柱和岩石圈地幔之间的相互作用在塔里木大火成岩省多期岩浆事件中扮演了非常重要的角色。其早期高热的地幔柱引起了塔里木巨厚岩石圈地幔的低程度部分熔融，孕育了巨量大陆溢流玄武岩(包括塔北地区苦橄岩)的喷发。在这一阶段里，地幔柱的作用主要是为上部岩石圈熔融提供热源；同时在一些岩石圈厚度较小的地区(如塔北地区)还存在地幔柱与富集岩石圈地幔在物质组分上的相互作用(即Group 2玄武岩)。而后期地幔柱则在塔里木岩石圈边缘和一些较薄弱位置的进一步上升并发生自身的绝热减压熔融，为晚期侵入岩类的形成直接提供物源。本文提出了一个上涌的地幔柱不断向位于岩石圈地幔底部的塔里木大火成岩省岩浆源区注入亏损地幔物质、持续改变其同位素地球化学特征并最终形成塔里木大火成岩省各主要岩石类型的岩浆演化新模型(图 9)。

图 9

据Li等(2014b)略有修改 图 9 塔里木大火成岩省的岩浆演化模型 Figure 9 Magmatic evolution model for the Tarim Large Igneous Province

不过也有学者将塔里木盆地周缘的东天山、准噶尔甚至阿勒泰等地在早二叠世所发生的一系列岩浆热事件与塔里木大火成岩省联系到一起，认为它们都是一个大地幔柱活动的产物(如Zhang et al., 2010a；Qin et al., 2011等)，不过这些观点仍有待开展更多的工作来进一步验证。与此同时，有个别学者不认同地幔柱的模型，如Xia等(2016)发现塔里木大火成岩省的源区可能含有约4%的H₂O，因而提出经典的地幔柱模型可能并不适用于塔里木大火成岩省。

大火成岩省是寻找钒钛磁铁矿床的重要靶区，位于巴楚地区的瓦吉里塔格钒钛磁铁矿床是目前塔里木大火成岩省中唯一正在开采的大型钒钛磁铁矿床(高玉山，2007)。本文将在此对该矿床的形成机制做一简要总结，并评估其成矿潜力。

峨眉山大火成岩省中如红格大型钒钛磁铁矿床的形成与其基性-超基性层状岩体成因关系密切(Wang and Zhou, 2013)。在塔里木大火成岩省中瓦吉里塔格基性-超基性层状岩体与产出的大型钒钛磁铁矿床在成因上也非常密切，后者可以认为是一种典型的与基性-超基性层状岩体关系密切的岩浆矿床(Li et al., 2012a；Cao et al., 2014)，开展其矿物岩石地球化学特征与成岩成矿机制及成矿潜力评估等研究有助于进一步阐明塔里木大火成岩省的岩浆演化过程。

辉石岩为层状岩体中最主要的岩石类型，也是重要的容矿母岩之一，其岩石中的主要矿物为单斜辉石。单斜辉石细分成粗粒辉石岩和细粒辉石岩2个亚类。粗粒的单斜辉石颗粒之间常由细粒的橄榄石、斜长石及钛铁氧化物等矿物填充。辉石颗粒之间被钛铁氧化物粒状集合体包裹呈筛状，构成海绵陨铁结构。层状岩体中的钛铁氧化物则主要为钛磁铁矿和钛铁矿，橄辉岩、辉长岩及粗粒辉石岩中的磁铁矿TiO₂含量的变化较大，而富矿细粒辉石岩中磁铁矿的TiO₂含量则相对较高且变化较小，暗示前3者中磁铁矿在冷却过程中有程度不一的TiO₂出溶现象。层状岩体中的磁铁矿有2种存在形式，一种形式是呈他形填充于硅酸盐矿物之间，另一种则以包裹体的形式出现在单斜辉石、斜长石甚至部分橄榄石中，表明瓦吉里塔格层状岩体应该经历了2期钛铁氧化物的分异结晶过程。在共生的钛铁氧化物中常见钛铁矿以定向排列的薄片状出溶体形式出现在磁铁矿中，暗示层状岩体的母岩浆在最终侵位于地壳后是在一个相对缓慢冷却的环境中结晶分异的(Li et al., 2012c)。另外，Cao等(2014)通过对瓦吉里塔格含钒钛磁铁矿基性-超基性层状岩体的岩石矿物学和Sr-Nd-Hf同位素研究，认为其母岩浆为铁钛富集，且岩浆分异晚期可能经历高氧逸度和富挥发分条件下铁钛熔体的结晶过程。

通过对巴楚小海子地区超镁铁质岩的岩石学研究，认为其部分熔融程度在10%左右，高于塔里木各类玄武岩(≤5%)。其所能测到的橄榄石最高的Fo值为85，即母岩浆在固液相平衡时所结晶出来的橄榄石Fo值应为85，指示了其中有堆晶相的物质加入。利用巴楚小海子南闸超镁铁质岩的全岩主量元素和橄榄石电子探针数据，与来自翁通爪哇高原玄武岩、西凯罗斯洋中脊玄武岩、高格纳科马提岩进行了橄榄石迭代模拟计算，由于小海子的超镁铁质岩墙实际上是由超镁铁质岩的母岩浆熔体成分和堆晶的橄榄石与辉石成分混合而成，根据元素的质量平衡原理，可以用公式将其表示为：

(1)

式中，M表示超镁铁质岩(混合物)组分，L表示母岩浆熔体组分，C表示加入的堆晶组分，x表示母岩浆熔体在超镁铁质岩中所占的比例。根据改进的公式(1)，通过改变不同的比例值(如x)，以橄榄石和熔体之间铁镁分配系数与迭代算法为基础，基于橄榄石质量平衡原理，利用PRIMELT2软件，并结合全岩组分和堆晶组分进行模拟计算得到，获得的母岩浆熔体成分为SiO₂=45.0%~48.8%(wt.)，MgO=9.93%~18.56%(wt.)，FeO_T=5.85%~14.17%(wt.)，CaO=7.54%~11.52%(wt.)，Al₂O₃=8.70%~11.62%(wt.)和TiO₂=0.00%~3.43%(wt.)(Sun et al., 2016)。根据模拟计算的结果，代入温度计算公式t_P(℃)=1463+12.74MgO-2924/MgO(据Herzberg，2002; Herzberg et al., 2007)，可得小海子超镁铁质岩母岩浆熔体的温度大概为1300~1550℃，平均温度约为1400℃，且随着铁钛氧化物含量的增加而增加。这比正常的岩石圈地幔温度还要高出将近100℃(Putirka，2005; Putirka et al., 2007)，推断可能受到了地幔柱活动的影响。

基于以上矿物学和母岩浆熔体成分等研究，提出巴楚基性-超基性杂岩体(含大型钒钛磁铁矿床，形成于280 Ma左右)应来源于深度约为150 km的亏损上地幔，由于地幔柱上涌的影响，其母岩浆在其岩浆源区低程度部分熔融时很有可能就是富铁和钛的，且其岩浆源区的部分熔融程度较低(Li et al., 2012c)。结合相关的地质及地球物理资料认为，这些母岩浆在从深部地幔上升至浅部地壳的过程中，又经历了广泛缓慢冷却的结晶分异作用，形成了含钒钛磁铁矿的基性-超基性层状岩体，最后侵位于岩石圈厚度较薄的瓦吉里塔格地区。

采用Matlab软件利用surf等绘图函数绘制了矿区元素含量三维曲面图，通过对钒-钛-铁元素富集趋势的分析，有效地进行了成矿预测。

对瓦吉里塔格钒钛磁铁矿矿床3个勘探线剖面12个钻孔共计2116组样品数据的TFe₂O₃、TiO₂、V₂O₅3个变量相关性讨论并进行多元线性回归分析，并对钻孔中辉石岩、辉长岩、橄辉岩等岩石中3种元素逐步回归分析。对所有样品数据进行相关分析计算后发现TFe₂O₃、TiO₂、V₂O₅成正相关。以LnTFe₂O₃和LnTiO₂为自变量，LnV₂O₅为因变量建立多元线性回归方程为V=-4.877+0.685Fe+0.443Ti，获得较好的拟合程度。该公式从已知的TFe₂O₃和TiO₂含量较准确计算出V₂O₅值，可大大减少V₂O₅的化验分析工作量和降低分析测试成本(赵亚莉等，2016)。另外，在Matlab中，利用surf等绘图函数绘制矿区TFe₂O₃、TiO₂和V₂O₅含量在空间分布变化图(赵亚莉等，2016)，通过其含量空间分布立体图可以反映瓦吉里塔格钒钛磁铁矿区北部为明显的富集区域。

虽然在塔里木大火成岩省与地幔柱及成矿效应等方面取得了一些重要成果和进展，但仍存在不少的科学问题，包括：

(1) 塔里木大火成岩省的空间分布范围。塔里木大火成岩省只限于塔里木盆地内部，还是分布在整个新疆地区，甚至新疆周缘地区？

(2) 塔西南及邻区中酸性岩与稀有稀土矿成因机制方面的研究还有待进一步加强，从而更好地阐明塔里木大火成岩省的形成与稀有稀土成矿的耦合关系；

(3) 对塔里木大火成岩省的岩浆动力学(与地幔柱的成因联系)及其与成矿耦合关系方面尚待进一步厘定，尤其是铜镍硫化物矿床在塔里木深部是否存在。

致谢: 感谢国家973项目首席科学家徐义刚研究员、03课题长王焰研究员和本课题组成员宋彪、赵亚莉、陈宁华、刘浩滢等在课题执行过程中的大力支持；对塔里木油田公司、Langmuir C H院士、汤中立院士、杨树锋院士、陈汉林教授、任钟元研究员、张招崇教授、秦克章研究员、余星副研究员和成军工程师等在塔里木地质研究工作中给予的支持表示感谢。