2013, Vol. 29
2. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871
2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
东天山发育许多碰撞后镁铁-超镁铁质岩体，包括黄山东、香山、黄山、葫芦、马蹄、土墩、图拉尔根和白石泉等。这些岩体多与Cu-Ni硫化物矿床有关，并且形成于280~290Ma (毛启贵等，2006；吴华等，2005; Han et al., 2010)，与碰撞后花岗质岩石(有的被称为埃达克岩；张连昌等，2004；熊小林等，2005) 大致同期形成。白石泉岩体是其中代表性岩体之一。关于该镁铁-超镁铁质岩体和相关Cu-Ni硫化物矿床的成因，近几年已经有不少研究(毛景文等, 2002, 2006；Qin et al., 2003; 李锦轶等，2006；吴华等，2005；Xiao et al., 2004；毛启贵等，2006；王京彬等，2006；顾连兴等，2007；李月臣等，2006; Tang et al., 2012)。主要的认识可以总结为：(1) 岩体起源于被俯冲带熔/流体交代的岩石圈地幔(李金祥等，2007) 或软流圈地幔(柴凤梅等, 2006, 2007; Chai et al., 2008)，但岩浆在上升侵位过程中没有受到地壳物质的混染(柴凤梅等，2007；李金祥等，2007)；(2) 包括白石泉岩体在内的镁铁-超镁铁质岩体属于阿拉斯加型岩体，形成于与晚石炭-早二叠大洋板片俯冲有关的岛弧环境或活动陆缘环境(Xiao et al., 2004；毛启贵等，2006)；但Qin et al. (2003)和吴华等(2005)认为这些镁铁-超镁铁质岩体属于碰撞后伸展环境下岩浆作用的结果，与俯冲过程没有直接联系。另外，关于Cu-Ni硫化物矿床的形成，是与分离结晶导致的硫饱和有关(李金祥等，2007；柴凤梅等，2007)，还是与地壳混染导致的金属硫化物溶解度降低而从岩浆中熔离出来有关(Naldrett, 1999；Tang et al., 2012)，也是一直争论的问题。
东天山地区发育众多镁铁-超镁铁岩，但还鲜有Os同位素数据发表。Os同位素体系由于其特殊的地球化学性质，在示踪镁铁-超镁铁岩是否受到地壳的混染，以及是在源区还是在侵位过程中被混染，都具有不可替代的作用(Chesley et al., 2004)。有关Os同位素详细的示踪原理可参考Chen et al. (2009)。前人虽然有不少研究工作，但并没有系统的同位素研究，这限制了对其源区性质和壳幔相互作用过程的研究。本文选择东天山白石泉镁铁-超镁铁岩体进行Nd-Sr同位素，尤其是Os同位素研究，试图澄清上述争论性问题。
2 区域地质概况白石泉镁铁-超镁铁杂岩体和相关的Cu-Ni硫化物矿床位于中天山地块北缘，阿齐库都克-沙泉子断裂带南侧(图 1)。白石泉岩体主要岩石类型有辉石橄榄岩、橄榄辉石岩、橄长岩、辉长岩和闪长岩等, 其中镁铁-超镁铁岩具有明显的堆晶结构(柴凤梅等，2007)。该岩体发育有Cu-Ni硫化物矿床，含矿岩石为单辉橄榄岩和斜长橄辉岩，铜镍矿化在时空上与岩体的侵位密切相关(图 2)，矿床成因类型为岩浆熔离型铜镍硫化物矿床(吴华等，2005)。主要岩石类型的特征描述如下。
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图 1 东天山地区地质简图(据李金祥等，2007；秦克章等，2003) Fig. 1 Sketch geological map of East Tianshan, NW China (modified after Li et al., 2007; Qin et al., 2003) |
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图 2 白石泉镁铁-超镁铁质杂岩体(据柴凤梅等, 2007) Fig. 2 Map showing the distribution of the Baishiquan mafic-ultramafic complex (modified after Chai et al., 2007) |
辉石橄榄岩(图 3a)：半自形粒状结构，主要组成矿物是橄榄石(50%)、单斜辉石(20%)、角闪石(10%~15%)、斜长石(10%~15%) 和少量黑云母(5%)。橄榄石有少许蛇纹石化，粒间和橄榄石裂开可见铜矿化；有的橄榄石有辉石反应边。
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图 3 白石泉杂岩体代表性岩石类型的显微照片 ol-橄榄石; cpx-单斜辉石; pl-斜长石; hb-角闪石 Fig. 3 Microphotographs of the representative rock types in the Baishiquan complex Ol-olivine; cpx-clinopyroxene; pl-plagioclase; hb-hornblende |
辉石岩(图 3b)：半自形粒状结构，主要由单斜辉石(60%~75%) 组成，还有少量角闪石(10%) 和斜长石等。辉石多呈半自形短柱状，有的蚀变成角闪石。
橄长岩(图 3c)：主要由橄榄石(25%~30%) 和斜长石(55%~70%) 组成，还有少量的辉石、角闪石等。
辉长岩：半自形粒状结构，主要由辉石(30%~40%) 和斜长石(40%~50%) 组成，还有少量角闪石(10%)。斜长石主要为半自形板柱状，有环带结构；辉石为短柱状或长柱状；角闪石呈粒间壮分布，形成较晚。
辉长闪长岩(图 3d):主要由斜长石(50%~60%)、单斜辉石(25%~35%) 组成，还有少量角闪石等。
角闪石岩：半自形细粒-中粒粒状结构，堆晶结构，主要含有角闪石(70%~80%)、斜长石(15%~20%) 组成，还有少量辉石和金属矿物。
闪长岩：呈灰白色，半自形粒状结构。主要由角闪石(20%~30%)、斜长石(45%~60%) 和少量辉石、石英等组成。斜长石有明显环带结构。
详细的岩石学描述可参考李金祥等(2007)、柴凤梅等(2007)。
3 分析方法全岩主量元素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成, 样品粉末熔成玻璃饼后用X射线荧光光谱(XRF) 方法测定, 测试精度优于1%。微量元素分析在中国地质大学(北京) 地学实验中心完成。采用两酸(HNO3+HF) 高压反应釜溶样方法对样品粉末进行溶解。采用等离子质谱仪(ICPMS; Agilent 7500a) 来测定元素含量。含量高于10×10-6元素的误差小于5%, 低于10×10-6元素误差小于10%。
元素Rb、Sr、Sm和Nd的分离和纯化是在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室, 通过传统的阳离子交换柱法实现的。质谱分析在天津地质矿产研究所完成, 通过负热电离质谱法(N-TIMS) 在TRITON上进行测定。Rb、Sr、Sm、Nd的含量是通过同位素稀释剂法获得的, 元素Rb的误差是2%, Sr的误差是0.5%~1%, Sm和Nd误差小于0.5%。143Nd/144Nd和87Sr/86Sr的原始测量值分别对146Nd/144Nd=0.7219和86Sr/88Sr=0.1194进行校正。样品测试过程中, Jndi Nd标样给出的测试值143Nd/144Nd=0.512111±4 (2σ), NBS-987 Sr标样给出的测试值87Sr/86Sr=0.710231±12 (2σ), 以同样化学流程处理的BCR-2标样给出如下测试值: Sm=6.547×10-6, Nd=28.799×10-6, 147Sm/144Nd=0.1376, 143Nd/144Nd=0.512624±3 (2σ), Rb=46.59×10-6, Sr=330.11×10-6, 87Rb/86Sr=0.407610, 87Sr/86Sr=0.705050±0.000005 (2σ)。
Re-Os同位素分析在日本海洋-地球科学和技术研究所(JAMSTEC) 完成，Re和Os含量以及Os同位素成分是利用Carius管(Shirey and Walker 1995) 和微蒸馏方法(Roy-Barman, 1993) 分析得出。溶样量为1~3g，并与185Re和190Os稀释剂一起放入Carius管中加热至少24h (240℃)。详细的Re和Os化学分离过程见Chen et al. (2009)。Os同位素质谱分析在Finnigan TRITONR上完成(一个氧气阀、九个法拉第杯和一个计数器)，详细分析方法见Suzuki et al. (2004)和Chen et al. (2009)。
4 分析结果 4.1 主量和微量元素我们选择白石泉岩体中2个橄榄岩(BSQ-6, BSQ-8)、1个辉石岩(BSQ-10)、2个辉长岩(BSQ-15, BSQ-17)，将其全岩化学成分列于表 1(更多分析见李金祥等，2007)，SiO2=55%~47%, MgO=23%~6%，FeO=14%~5%，CaO=17%~3%。可见成分变化很大，反映堆晶过程中形成从超镁铁岩(橄榄岩) 到中性岩(闪长岩) 的复杂岩石序列。
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表 1 白石泉镁铁-超镁铁杂岩体的主量(wt%) 和微量(×10-6) 元素 Table 1 Major (wt%) and trace elements (×10-6) of the Baishiquan mafic-ultramafic complex |
在全岩球粒陨石标准化稀土元素模式图(图 4a) 上，不同的岩石类型具有类似的稀土模式，都表现出轻稀土富集，但辉石橄榄岩Eu异常不明显，而其它岩石类型Eu或为正异常，或为负异常，可能与其中斜长石的含量有关。一致的稀土特征和密切的时空关系，表明这些岩石类型是同源岩浆分离结晶和堆晶的结果(柴凤梅等，2007)。
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图 4 白石泉镁铁-超镁铁岩的球粒陨石标准化稀土模式图(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) Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) for the Baishiquan complex (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
在全岩原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图 4b)，这些岩石类型具有类似的微量元素特征，比如，大离子亲石元素(Rb、Ba、Th) 富集，但K亏损；高场强元素(Nb、Ti) 亏损，而P有正异常。
4.2 Nd-Sr同位素白石泉杂岩体全岩Nd-Sr同位素成分列于表 2。可见两个辉石橄榄岩的初始Sr和Nd同位素成分(以280Ma计算) 分别是0.7032~0.7046和εNd(t)=5.4~5.6，其它岩石类型(辉石岩、辉长岩等) 则具有比较高的Sr同位素比值(0.7062~0.7066) 和比较低的Nd同位素成分(εNd(t)=0.8~-0.9)。这些岩石的Nd-Sr同位素成分呈反相关关系(图 5)。
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表 2 白石泉杂岩体的Nd-Sr同位素成分 Table 2 Nd-Sr isotopic data of the Baishiquan complex |
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图 5 白石泉镁铁-超镁铁岩体的全岩Nd-Sr同位素成分 DM-亏损地幔；EM-富集地幔.空心圈数据来自Chai et al. (2008) Fig. 5 Whole-rock Nd-Sr isotopic data of the Baishiquan complex DM-depleted mantle; EM-enriched mantle. Open circles data after Chai et al. (2008) |
白石泉杂岩体的Os同位素成分列于表 3。橄榄岩(BSQ-8) 的Os含量为60.5×10-12，远低于地幔橄榄岩的Os含量(3200×10-12; Walker et al., 1989)，表明其为堆晶成因，与前面所述的堆晶结构一致；其Os同位素比值为0.245，也明显高于地幔橄榄岩(< 0.13; Walker et al., 1989)。其它岩石类型的Os含量也比较低，在29×10-12~80×10-12之间，并且非常富含放射性成因Os (187Os/188Os=0.295~1.18)。
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表 3 白石泉杂岩体全岩Re-Os同位素 Table 3 Whole-rock Re-Os isotopic data of the Baishiquan complex |
白石泉杂岩体主要由镁铁-超镁铁质岩石组成，前人的研究多数认为其在侵位过程中没有地壳混染(李金祥等，2007；柴凤梅等，2007)。然而，我们的数据却表明，白石泉杂岩体在侵位过程中有显著的地壳混染。主要证据如下：
(1) 白石泉杂岩体的Nd和Sr同位素成分变化很大(表 2)，这暗示岩浆体系在演化过程中可能是开放的。其中相对早期的堆晶体辉石橄榄岩的Nd-Sr同位素成分(ISr=0.7032~0.7046，εNd(t)=5.4~5.6) 比较接近亏损地幔，但其它形成较晚的岩石类型(如辉石岩和辉长岩) 则具有比较低的εNd(t) 值(0.8~-0.9) 和较高的Sr同位素比值(ISr=0.7062~0.7066)。重要的是，白石泉杂岩体的Nd-Sr同位素成分呈线性反相关关系(图 5)，这表明地壳(具有较高的Sr同位素比值和较低的Nd同位素比值) 的混染是很明显的，该杂岩体的Sr-Nd同位素成分的变化应该是不同程度地壳混染的结果。
(2) 白石泉杂岩体具有比较高的Os同位素比值(0.245~1.18)，远高于地幔橄榄岩( < 0.13; Walker et al., 1989)，即使是最早堆晶形成的辉石橄榄岩的Os同位素比值(0.245) 也明显高于地幔橄榄岩。这么富含放射性成因Os的特征只能是母岩浆在侵位到地壳之后被地壳物质混染所致。理由如下：Os是强相容元素，而Re是中等程度不相容元素，这种地球化学性质的巨大差别使得Os在地幔熔融过程中主要残留在地幔岩中，而Re则主要进入玄武质熔体，导致地幔岩具有很低的Re/Os比值，而地壳具有很高的Re/Os比值。随着时间演化，地幔岩具有很低的Os同位素比值( < 0.13；比球粒陨石还要低)，而地壳岩石(尤其老地壳) 具有很高的Os同位素比值(太古代基性麻粒岩可达80以上，TTG也达5~10；Burton et al., 2000; Chesley et al., 2004; Chen et al., 2009)。重要的是，地幔岩由于具有很高的Os含量(平均3200×10-12; Walker et al., 1989)，远高于任何交代介质的Os含量(1×10-12~100×10-12；Chesley et al., 2004)，使得地幔橄榄岩的Os同位素体系不会受到任何后期地幔交代作用的影响而保持很低的Os同位素比值，这已经被大量地幔橄榄岩Os同位素数据所证实(Walker et al., 1989; Reisberg and Lorand, 1995)。所以，白石泉镁铁-超镁铁岩的高放射性Os同位素比值反映了其母岩浆在侵位过程中(而不是在地幔源区) 被地壳物质强烈混染。
(3) 从Os同位素与Sr-Nd同位素相关性(图 6) 可以看出，白石泉杂岩体的Os同位素比值与Sr同位素比值成正相关，而与Nd同位素比值呈反相关。这与其母岩浆侵位过程中被地壳物质混染的结论是一致的，因为地壳物质具有较高的Sr同位素比值和较低的Nd同位素比值。
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图 6 白石泉杂岩体的全岩Nd-Sr同位素成分与Os同位素成分相关性 Fig. 6 Plots showing the relationships between the whole-rock Nd-Sr isotopic and Os isotopic compositions |
综上所述，白石泉杂岩体的母岩浆在侵位过程中受到地壳物质的显著混染，这与Tang et al. (2012)的研究一致，而与以往多数研究认为的没有地壳混染的结论(柴凤梅等，2007；李金祥等，2007) 截然不同。
5.2 地幔源区特征柴凤梅等(2007)和李金祥等(2007)对白石泉杂岩体的不同岩石类型做了许多岩石化学分析，一致认为其原始岩浆应该是来自地幔的高镁玄武质岩浆，这对其Cu-Ni矿化是有利的(Keays, 1995)。
如前所述，白石泉杂岩体的特征是富集LREE (图 4a) 和大离子亲石元素(Rb、Th、Ba、Sr等；图 4b)，但亏损高场强元素(Nb、Ti等；图 4b)。其中Sr在100×10-6~660×10-6之间。这些特征表明该杂岩体的母岩浆来自一个曾被交代富集的地幔源区。
虽然我们的Nd-Sr-Os同位素数据一致表明白石泉杂岩体母岩浆在侵位过程中受到了显著的地壳混染，但两个早期堆晶成因的辉石橄榄岩具有较低Os同位素比值，其Nd-Sr同位素成分(ISr=0.7032~0.7046，εNd(t)=5.4~5.6) 应该最接近其地幔源区的Nd-Sr同位素成分。然而，这两个橄榄岩的Nd-Sr同位素成分与亏损地幔类似，这与白石泉杂岩体富集LREE和大离子亲石元素的不一致特征说明其母岩浆应该来自一个年轻的被交代富集的岩石圈地幔，而这种交代富集事件显然与中亚造山带在古生代期间大规模的板片俯冲有关。由于俯冲带熔/流体对地幔楔交代富集事件的时间与该富集地幔发生熔融的时间(280Ma；毛启贵等，2006；吴华等，2005) 相隔较近，致使白石泉杂岩体虽然具有富集的微量元素特征，但却基本保持了亏损地幔的同位素性质。这种现象在中亚造山带的碰撞后岩浆中非常普遍(Han et al., 1997; Jahn et al., 2000; Chen and Jahn, 2004; Chen and Arakawa, 2005)。
从图 1中可以看出，白石泉杂岩体发育在中天山地块上(北部边缘)。中天山地块一直被认为是具有前寒武的结晶基底(如元古宙的星星峡群和卡瓦布拉克群)，这显然与白石泉杂岩体所来自的年轻岩石圈地幔(具有类似亏损地幔的Nd-Sr同位素性质) 相抵触，因为古老岩石圈地幔起源的岩浆一般都富集放射性成因Sr而亏损放射性成因Nd (负的εNd值和较高的ISr值；Chen et al., 2003; Chen and Zhai, 2003)。其原因可能有两种：其一，白石泉杂岩体可能不是发育在中天山地块上，而是发育在其北部的古生代增生弧体系上；其二，中天山地块可能并非前寒武老地壳，或者规模至少没有图 1所示那么大。该问题显然是重要的，有待于进一步同位素数据的积累来解决。
5.3 地球动力学背景Xiao et al. (2004)和毛启贵等(2006)认为包括白石泉岩体在内的东天山镁铁-超镁铁质岩体属于阿拉斯加型岩体，其形成与晚石炭-早二叠期间古亚洲样板片俯冲形成的岛弧环境有关。然而，典型的阿拉斯加型超镁铁岩体的母岩浆以富含流体(H2O、CO2)、CaO和高CaO/Al2O3比值为特征(ankaramatic; Green et al., 2004; Tian et al., 2011)，主要造岩矿物是橄榄石、单斜辉石和角闪石，而斜长石和斜方辉石稀少，岩石类型以纯橄岩、单辉橄榄岩、单斜辉石岩和角闪石岩为主(Himmelberg and Loney, 1995; Chen et al., 2009; Tian et al., 2011)。这似乎与白石泉杂岩体不太吻合，后者主要造岩矿物是橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石和角闪石等，岩石类型以二辉石橄榄岩、橄长岩、橄榄辉石岩(二辉石岩)、角闪石岩、辉长岩和闪长岩为主(柴凤梅等，2007；李金祥等，2007)。我们认为白石泉杂岩体实际上是介于阿拉斯加型和布什维尔德型镁铁-超镁铁岩之间的一种过渡类型，因为布什维尔德型杂岩体的母岩浆是相对“干”的，形成于低压环境下的分离结晶作用，主要矿物是橄榄石、斜方辉石和斜长石，而单斜辉石和角闪石稀少，主要岩石类型是纯橄岩、方辉橄榄岩和橄长岩等。
前人的岩石学研究(柴凤梅等，2007；李金祥等，2007) 和本文的同位素地球化学研究已经表明，白石泉杂岩体的地幔源区是古生代期间才被俯冲带熔/流体交代富集的岩石圈地幔，但该富集地幔并不是在被俯冲交代期间发生部分熔融，而是在碰撞造山后的岩石圈伸展环境下形成了白石泉杂岩体(以及东天山其它镁铁-超镁铁岩体; Qin et al., 2003)，主要证据如下：(1) 东天山地区镁铁-超镁铁岩体通常是块状构造，没有明显的变形；(2) 年代学研究表明，这些幔源岩体主要形成于280~290Ma，与区域大规模玄武质岩浆作用(包括塔里木和柳园地区) 几乎同时(夏林圻等，2004；毛景文等，2006)，也与该区大规模花岗质岩浆作用(包括A型花岗岩和中酸性钙碱性花岗岩) 同时形成，后者被多数人共识为碰撞后岩浆作用的产物(Şengör et al., 1993; Jahn et al., 2000; Han et al., 1997; Chen and Jahn, 2004; Chen et al., 2005)；(3) 区域地质和沉积碎屑(相) 研究表明，在晚石炭-早二叠期间，包括北疆在内的大部分中亚地区已经没有了俯冲消减(Feng et al., 1989; Coleman 1989)。
6 结论(1) 全岩Nd-Sr同位素和Os同位素成分一致表明，与硫化物矿床有关的白石泉镁铁-超镁铁杂岩体的母岩浆在侵位到地壳过程中被地壳物质显著混染；
(2) 白石泉杂岩体虽然分布在前寒武“中天山地块”之上(北部)，但其地幔源区却是年轻的(古生代)、被俯冲带熔流体交代的岩石圈地幔，表明其源区可能是年轻的造山带之下的岩石圈地幔，“中天山地块”分布范围可能没有之前认为的那么大；
(3) 白石泉杂岩体属于阿拉斯加型和布什维尔德型之间的过渡类型超镁铁杂岩体，形成于碰撞后造山之后的岩石圈伸展阶段。
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