2014, Vol. 30
2. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 武汉 541000
2. Wuhan Center of China Geological Survey, Wuhan 430205, China
内蒙古温根南基性-超基性岩岩体群位于华北地台西北缘，东临乌拉特中旗(图 1)，西近狼山，北临中国-蒙古边境的索伦克尔蛇绿岩带，属于东亚造山带的东部延长部分，在地质构造分区上则属于台缘坳陷(狼山-白云鄂博)。因其处在华北板块与西伯利亚板块之间，具有独特的成岩成矿系统，故一直是地质工作研究热点。
 | 图 1 内蒙古温根南基性-超基性岩体地质简图 Fig. 1 Geological sketch map of southern Wengen basic-ultrabasic complex，Inner Mogolia |
基性-超基性侵入岩是一类主要起源于多种地幔源区、大多数属于地幔岩石熔融的产物，形成于多种构造环境，国内外学者已经开展了许多相关的研究(Gibson et al., 2000; Li et al., 2000，2001，2007; Li and Ripley， 2005; 苏尚国等，2004; 李江海等，2006; Naldrett，2005; Ripley and Li， 2007; Bryan and Ernst， 2008; Zhang et al., 2009，2011)，并在各自研究领域取得了重要的成果和认识。温根南岩体为温根地区基性程度最高的岩体(图 1)，岩体主要由辉长岩-橄长岩-纯橄岩-角闪岩等岩石组成。以粗粒辉长岩面积较大，韵律层不明显。温根南岩体以往的地质研究工作集中在区域地质调查、矿产普查评价等方面，而侵入岩地球化学研究较低，岩浆成因和大地构造环境等尚不明确。本文选取温根南杂岩体有代表性的ZK0-4基性-超基性岩体钻孔剖面，在野外地质基础上，总结和借鉴前人的研究成果，依次开展岩体显微镜观察、全岩主微量元素和Sr-Nd地球化学研究，旨在揭示岩浆源区、母岩浆性质、岩浆演化，岩浆岩形成的构造动力学环境。 1 地质背景及样品采集
温根南岩体平面上近NNE向延伸，呈近椭圆形，面积3.92km2。岩体东北部较低，西北部分和南部海拔最高，西南部分海拔最低，最大高差约200m，立体上呈向西南倾斜的半漏斗状。温根南岩体为温根地区基性程度最高的岩体(图 1)，地表主要由辉长岩-橄长岩-纯橄岩-角闪岩等组成，显示了复式岩体特征，以粗粒辉长岩面积较大，韵律层不明显。岩体中心钻孔编录得知岩体纵向上，由下向上岩性分布大致为纯橄岩(图 2；钻孔ZK0-4，打穿岩体证实纯橄岩相为岩体结晶分异中的最早产物)，岩石呈黑色致密状，表面细腻，去除硫化物后，橄榄石含量90%以上，颗粒直径在0.5~3.0mm之间；橄榄辉石岩，单斜辉石含量为30%~70%，橄榄石含量为30%~70%，斜方辉石含量为1%，单斜辉石围绕橄榄石生长，包橄结构明显，与纯橄岩呈渐变过渡关系(图 3e)；橄长岩，斜长石粒径0.5~2cm，橄榄石含量为20%~60%，斜长石含量为30%~70%，无斜方辉石(图 3d)；橄榄辉长岩，橄榄石颗粒粗大，含量20%~50%，单斜辉石含量为15%~30%，斜长石含量为15%~60%，尖晶石含量为1%，含少量硫化物，地表见角闪石岩脉(图 3b)。浅色辉长岩相，为钻孔最上层岩相，岩性粒度多为中粗粒，颜色以浅绿色为主。矿物成分橄榄石含量在5%~10%之间变化，单斜辉石含量在5%~25%之间变化，斜方辉石含量在5%~10%之间变化。
 | 图 2 钻孔ZK0-4柱状图 Fig. 2 Drill column of ZK0-4 |
 | 图 3 温根南区不同岩相薄片照片 (a)-辉长苏长岩；(b)-橄榄辉长岩(包橄结构)；(c)-含尖晶石橄榄辉长岩；(d)-橄长岩；(e)-单斜橄榄辉石岩(包橄结构)；(f)-含硫化物纯橄岩(半海绵陨铁状). 除(e)为正交偏光下，其余为单偏光下.Ol-橄榄石；Opx-斜方辉石；Cpx-单斜辉石；Pl-斜长石；Srp-蛇纹石；Spl-尖晶石；Po-磁黄铁矿 Fig. 3 Microscope photos of rocks in southern Wengen，Inner Mongolian |
主微量样品采集以ZK0-4钻孔样品为主(图 2)，钻孔位于岩体中心位置，地表海拔1596m，控制深度272m，采集样品20块。
2 样品的分析与测试
主量与微量(稀土)元素分析分别使用XRF方法和ICP-MS方法。主量元素由河北省区域地质矿产调查研究所测试中心完成，微量(稀土)数据由澳实矿物广州实验室完成。主量元素测试方法为碱熔法：将0.4g加工好的岩石样品粉末、3g四硼酸锂和1g偏硼酸锂混合，加热到1100℃并且维持4min，形成玻璃体之后上机测量。微量元素和稀土元素测试方法使用酸溶法：首先将选好的岩石样品称量25mg然后放入四拂依稀罐内，加1.5mL HNO3和1.5mL HF混合溶解过夜，在电热板上去硅12h以上，之后再加入HF、HNO3和HClO3混合液3.5mL，放入温度为160℃的恒温条件下溶解5d，之后再加入HNO3溶液3mL过夜，样品溶解后在恒温板上加热蒸干，用稀硝酸溶液1%定容备测。
光薄片由河北省区域地质矿产调查研究所磨制，矿物电子探针测试在中国地质大学(北京)电子探针实验室的EPMA-1600上完成，工作条件为加速电压 15kV、电流1×10-8A，束斑1μm，应用ZAF修正法。
全岩Sr-Nd同位素测试在中国科学院地质与地球物理所固定同位素地球化学实验室完成，测试采用Finnigan MAT262多通道热离子质谱仪分析测定，仪器的准确度分别用标样NBS987和LaJolla国际标样进行监测，Sr同位素用88Sr/86Sr=0.119400进行校正，Nd同位素用146Nd/144Nd=0.721900进行校正，质谱分析流程见(Qiao，1988)。 2.1 主量元素特征
主微量元素分析结果见表 1。野外地质调查和室内岩石学研究显示研究区辉长岩类等属于堆晶成因，堆晶岩的主量元素变化是由岩石中堆晶的斜长石，橄榄石和残余熔体百分比控制的。由图 4主要氧化物含量变化可见，样品SiO2的含量总体较低，为26%~46%(部分样品硫化物含量达到10%左右导致SiO2极低)。MgO含量5.4%~38.6%，由图可见与深度的线性相关性较好，显示钻孔ZK0-4样品由超基性到基性演化的趋势，Mg#变化范围为0.39~0.77，多数样品Mg#值较高，平均为0.63，m/f=1~5，多数为铁质超基性岩(铁质超基性岩m/f=2~6.5)，表明岩体的基性程度较高。橄榄岩-纯橄岩Al2O3含量1.3%~4.8%，橄长岩-橄榄辉长岩Al2O3含量为8.6%~24.6%，反映出岩体中斜方辉石较少，而较多的斜长石和单斜辉石对Al2O3含量的变化贡献较大。全碱K2O+Na2O总体较低，为0.06%~3.4%，多数样品含量小于1%。CaO含量变化较大，为0.6%~15.2%，钻孔中由深到浅CaO含量逐渐增大，反映了岩体中由深到浅橄榄石逐渐变少，而单斜辉石、斜长石增多的事实。160~200m范围内SiO2含量偏低，200m以下的三块样品均为含硫化物极少的纯橄岩，与其上呈过渡关系的含硫化物单斜辉石橄榄岩相比，表现为全铁低(14%左右)而镁高(36%~38%)，单斜辉石橄榄岩中极高的全铁含量部分源于硫化物中Fe的贡献，同时硫化物含量的增大也压低了SiO2和MgO的绝对含量。表明纯橄岩中含硫化物极少而单斜辉石橄榄岩中硫化物含量突然增大的事实，推测单斜辉石的结晶与S的饱和同步。
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表 1 温根南岩体主量(wt%)和微量、稀土元素(×106)化学分析数据 Table 1 Analysisi result of major element(wt%) and trace element(×106)of the southern Wengen massif |
 | 图 4 钻孔ZK0-4样品主要氧化物与深度的变化关系 1-苏长辉长岩；2-橄榄辉长岩；3-橄长岩；4-单斜辉石橄榄岩；5-纯橄岩 Fig. 4 Variation of major oxides and Ni，S with depth in the southern Wengen intrusion |
总之，ZK0-4样品主要表现为富镁而低碱、低TiO2。在哈克图解(图 5)中，MgO与主要的氧化物含量总体呈线性相关关系，全岩主要氧化物含量主要由橄榄石、单斜辉石和斜长石相对百分比控制，由于硫化物含量的增加(<10%)，部分橄榄岩、纯橄岩样品表现出SiO2、MgO低而FeOT高。
 | 图 5 温根ZK0-4 MgO与主要氧化物关系图解 1-苏长辉长岩；2-橄榄辉长岩；3-橄长岩；4-单斜辉石橄榄岩；5-纯橄岩 Fig. 5 Diagram of MgO vs. major oxides in the southern Wengen intrusion |
从微量元素蜘蛛图(图 6)上可知，温根南岩体样品中微量元素总体富集程度较低，具Nb(0.1×10-6~0.7×10-6)、Hf轻微亏损，Pb、Sr显著富集的特征。Nb、Ta的亏损程度轻微有可能是形成温根南岩体的母岩浆存在地壳物质的混染作用。Sr通常以类质同像出现在斜长石中，因而Sr异常反映出样品中斜长石的摩尔含量，而纯橄岩、单斜辉石橄榄岩等样品无Sr异常。
 | 图 6 温根南基性-超基性岩体微量元素原始地幔标准化图解(标准化值据Sun and McDonough， 1989) Fig. 6 Primitive mantle-normalized trace element patterns for the southern Wengen basic-ultrabasic intrusion(normalization values after Sun and McDonough， 1989) |
除以上异常元素外，不相容元素蜘蛛图配分曲线基本相似，表明岩石为同源岩浆分异的产物，具有相似的成因。同时在岩体中不同位置均可观察到地层包体，而岩浆并未因与围岩发生同化混染而出现明显区别，因而推测岩浆与地壳物质的同化混染作用过程主要发生在深部，而不是就地侵位后发生的。
图中灰色阴影部分为苏长辉长岩的分布范围，辉长岩同样表现出明显的Nb、Ta负异常和Pb、Sr的显著正异常。富集于残余熔体微量元素是不相容元素。因而岩石中微量元素的含量高低是由岩石中残余熔体的含量决定的，与其他岩相相比，辉长岩微量元素明显富集，正是由于辉长岩为分离结晶过程后期的产物，含有较多的残余熔体。 2.3 稀土元素特征
由图 7可见除纯橄岩相外均可见明显的Eu正异常，δEu为0.76~4.73，平均1.70，Eu极高的含量反映了斜长石在岩石中的含量变化。同时，含斜长石样品均表现出明显的Eu正异常，表明斜长石多数为堆晶过程的产物。除辉长岩相外都表现出明显的Tm正异常，δTm为0.89~8.22，平均2.55，其中含硫化物较多的样品相应的δTm均较高。
 | 图 7 温根南岩体ZK0-4稀土元素随深度变化 Fig. 7 The variations of δEu，δTm，ΣREE with depth in the southern Wengen intrusion |
从ZK0-4岩石稀土配分类型可知，稀土配分曲线右倾型-平坦型(图 8)，辉长岩相-纯橄岩相稀土总含量有低到高见表 1，岩石中深部岩相总稀土含量较低，随着分异程度的增大和堆晶作用加强，岩石中的稀土含量迅速升高，反映晶间残余熔体的不同比重。计算显示除地表辉长岩样品外，(La/Sm)N变化范围为0.58~3.06，(La/Yb)N为1.33~8.07，(Ce/Yb)N为1.52~5.42。层状岩体内，岩石的稀土总丰度和轻稀土富集程度是随该岩石所处层位高度的增加而增加的，也即早期堆晶岩的(La/Yb)N比值较低，而晚期堆晶岩较高(李昌年，1992)。岩体底部的橄榄岩相总稀土含量低且轻重稀土分异不明显，随深度减小，稀土含量逐渐增大而轻重稀土分异程度变大。
 | 图 8 温根南基性-超基性岩体稀土配分曲线(标准化值据Sun and McDonough， 1989) Fig. 8 Chondrite-normalized REE patterns for the southern Wengen basic-ultrabasic intrusion(normalization values after Sun and McDonough， 1989) |
Sr-Nd同位素广泛应用于火成岩岩石物质来源研究。本文采用了微量元素与同位素测试相结合的方法，同位素取样15个。岩石Sm-Nd、Rb-Sr含量、87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、tDM列于表 2。初始值计算年龄以357Ma、(87Sr/86Sr)i、εNd(t)计算，岩石87Sr/86Sr比值位于0.70677~0.70789之间，143Nd/144Nd比值位于0.51178~0.51213之间，ISr(t)比值位于0.7067~0.7071之间，εNd(t)比值位于-15.3~-9.9之间，与赵磊等(2008)测得温根南区的5个橄榄辉长岩样品的εNd(t)=-9.1~-8.7也基本一致。在εNd(t)对初始的(87Sr/86Sr)i图解中(图 9)，投点位于下地壳与地幔之间。表明地幔岩浆源区有地壳物质的加入或在岩浆上升过程混染了地壳物质。
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表 2 温根南杂岩体Sr-Nd同位素测试数据及处理结果 Table The Sm-Nd isotopic data and calculation results of the southern Wengen complex |
 | 图 9 εNd(t)对初始的(87Sr/86Sr)i图解(据Jahn et al., 2000) Fig. 9 Plot of εNd(t)vs.(87Sr/86Sr)i(after Janhn et al., 2000) |
岩浆的化学成分取决于原岩性质，对于镁铁质-超镁铁质堆晶岩，确定其原始岩浆成分常见的方法是橄榄石与残余熔浆平衡方法(Chai and Naldrett， 1992; Li et ali>., 2000; 陶琰等，2002)。由表 3可知，温根南岩体中橄榄石最高Fo值为85.93(ZK0-4-20)，镍的含量部分未检测；应用Roeder and Emslie(1970)给出的Mg-Fe配分系数KD=0.3±0.03(KD=((FeO/MgO)olivine/FeO/MgO)liquid)，模拟得到的初始岩浆MgO=11.73%，FeO=11.38%(表 4)，因此温根南岩体属于高镁玄武质岩浆(图 10)
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表 3 橄榄石电子探针分析结果 Table 3 The results of electron microprobe analysis of olivine |
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表 4 原生岩浆全岩化学成分(wt%) Table 4 The primitive magma of whole rock chemical composition(wt%) |
 | 图 10 MgO-FeOT图解模拟计算温根南岩体原始岩浆 Fig. 10 The Sm-Nd isotopic data and calculation results of the southern Wengen complex |
原始岩浆模拟计算过程如下：为排除致密硫化物、铬铁矿及地表风化蚀变等因素对计算结果的影响，模拟计算中所有样品硫化物样品了硫化物、铬铁矿含量大于5%的样品。温根南岩体中橄榄石最高Fo值为85.93(ZK0-4-20)，推测共存熔体的MgO/FeOT=1.03(质量百分数比)，得到线L1。而钻孔样品MgO/FeOT=1.6~2.8，均大于共存熔体的1.03，所以任一温根南岩体中的堆晶岩既不能代表原始岩浆，也不是岩体的平均化学成分，而是结晶分异过程中富镁矿物(橄榄石)结晶后堆积的结果。
对原始岩浆结晶分异过程进行检查，我们应用元素比值图解MPR法(Pearce，1968; 陶琰等，2002)。橄榄石中mol%(MgO+FeO)/SiO2=2.06~2.13，平均值为2.10，与图 11a，b中趋势线斜率2.05、2.01相近。图 11c，d中斜率均为4.8反映的是控制岩石组成的橄榄石中MgO与FeOT的摩尔比值，对应的Fo=83，与橄榄石电子探针分析结果Fo=78.6~85.93范围一致。表明之前的假设成立，质量平衡方法可行。
 | 图 11 MPR验证图解(据Pearce，1968; 陶琰等，2002) Fig. 11 Diagram of molecular proportion ration(MPR)(after Pearce，1968; Tao et al., 2002) |
以所有样品的平均化学成分代表岩体大致总成分，根据质量平衡原理，共存熔体成分应位于最富镁橄榄石与岩体成分延长线(L2)上，共存熔体即位于L1与L2的交点上。
3.3 岩浆演化
Zr、Y、Th、Ta等不相容元素的比值在地幔熔融及结晶分异过程中不发生变化，它们的含量也基本不受岩石变质作用的影响，因而可以用来判别岩浆形成演化，较高的原始地幔标准化Th/Nb比值(1)和低Nb/La比值(<1)是地壳混染作用的两个可靠的微量元素指标(Saunders et al., 1992; Kieffer et al., 2004)。在地壳混染判别图解中(图 12)，温根南岩体样品全部落于遭受地壳混染范围，表明岩浆在上升过程中已遭受地壳混染。
 | 图 12 地壳混染判别图解(据Fitton et al., 1991; 夏林圻等，2007) ThN与NbN为原始地幔标准化值，其余为测试值 Fig. 12 Identification diagram of lithosphere assimilation(after Fitton et al., 1991; Xia et al., 2007) |
此外，在Sr-Nd图解中，也说明同化混染作用的存在。因此本区岩浆在演化过程中曾经经历过同化混染作用。 3.4 构造环境判别及意义
从温根南岩体Ta/Th-Zr/Nb、Th/Yb-Th/Nb、Ta/Th-Th/Yb、Nb/Th-Nb构造环境判别图可知，温根南岩体主要落在板内玄武岩(WPB)(图 13)，Niu et al.(2003)、牛耀龄(2005)研究认为，玄武质岩浆演化过程中，单斜辉石与斜长石的结晶序列是由岩浆中水的含量决定的，无水环境(如洋中脊、板内)中斜长石首先结晶而形成纯橄岩-橄长岩-辉长岩组合，含水环境(岛弧)中单斜辉石首先结晶而形成纯橄岩-单辉橄榄岩-辉长岩组合。我们对温根南镁铁质-超镁铁质岩体矿物学研究后，认为岩体中主体岩石组合为纯橄岩-橄长岩-辉长岩。因而推测温根南岩体的原生岩浆为无水或贫水环境，相应的构造环境可能是板内构造环境；这一结论与微量元素构造判别结果一致。同时岩体中也存在少量橄榄辉长岩，可能表明岩浆房深度大于25km，因为在压力大于8kbar(等同于深度大于25km)的岩浆房内，无水玄武质由于压力的影响会首先结晶普通辉石(或许早于斜长石)。
 | 图 13 温根南岩体构造环境判别图解(据Pearce and Norry， 1979; 张鸿翔等，2001) WPB-板内玄武岩；CMA-大陆边缘弧；MORB-洋中脊玄武岩；OIA-大洋弧 Fig. 13 Identification diagram of tectonic setting of southern Wengen complex(after Pearce and Norry， 1979; Zhang et al., 2001) |
温根南辉长岩中锆石SHRIMP年龄为357Ma(姚震东，2014)，与邻近的克布岩体K-Ar法测定年龄为280Ma(王楫等，1992)形成时代有较大差别。
古生代华北板块与西北利亚板块之间发生了一系列的板块俯冲、碰撞以及地幔拆沉和软流圈上涌的过程。西伯利亚板块与华北板块缝合带时间为晚古生代到早中生代已被多数学者认可，缝合带为索伦克尔蛇绿岩带。温根南岩体的研究这一复杂的构造演化过程提供了新的地质证据，初步的研究表明温根岩体形成的构造环境属于板内环境拉张，而非洋壳裂谷环境。因此，推测索伦克尔蛇绿岩带时间应在石炭纪之前缝合形成。
4 结论
(1)温根南岩体主要岩石组合为纯橄岩-橄长岩-辉长岩。这些堆晶岩的主量元素、微量元素变化由堆晶的斜长石，橄榄石，辉石和残余熔体的百分比控制。
(2)应用Sr-Nd同位素参数开展岩石母岩浆来源研究，在(87Sr/86Sr)i对εNd(t)图解上，由于Nd、Sr同位素组成变化范围，而且反映了壳幔之间特征，因此，认为其幔源岩浆源区有地壳物质的加入。
(3)岩浆的化学成分取决于原岩性质，模拟得到的初始岩浆MgO=11.73%，FeO=11.38%，表明温根南岩体属于高镁玄武质岩浆；通过原始岩浆模拟计算得出，温根南岩体中的堆晶岩既不能代表原始岩浆，也不是岩体的平均化学成分，而是结晶分异过程中富镁矿物(橄榄石)结晶后堆积的结果。
(4)从温根南岩体在Nb/La-(Th/Nb)N和La/Ba-La/Nb图解中可知，样品落于遭受地壳混染范围，表明岩体原生岩浆在上侵过程中已遭受地壳混染。
(5)从构造环境判别图可知，温根南区样品主要落在板内玄武岩(WPB)，表明温根南岩体主要形成于板内构造环境；温根南岩体辉长岩锆石SHRIMP年龄为357Ma，推测索伦克尔蛇绿岩带应在石炭纪之前缝合形成。
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