地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 267-285
引用本文
王岩, 王梦玺, 焦建刚. 扬子地块北缘新元古代望江山层状岩体矿物成分和铂族元素特征:对岩浆演化过程和构造环境的制约[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 267-285.
WANG Yan, WANG Mengxi, JIAO Jiangang. MINERAL COMPOSITION AND PLATINUM-GROUP ELEMENTS OF THE NEOPROTEROZOIC WANGJIANGSHAN LAYERED INTRUSION AT THE NORTHERN MARGIN OF THE YANGTZE BLOCK: IMPLICATIONS FOR THE PROCESSES OF MAGMA EVOLUTION AND TECTONIC SETTING[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 267-285.
扬子地块北缘新元古代望江山层状岩体矿物成分和铂族元素特征:对岩浆演化过程和构造环境的制约
王岩1 , 王梦玺1,2 , 焦建刚1,2,3     
1. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710064;
2. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 陕西 西安 710064;
3. 教育部西部矿产资源与地质工程重点实验室, 陕西 西安 710064
摘要:望江山层状岩体位于扬子地块北缘新元古代汉南杂岩带中,岩体从底部到顶部由超镁铁质岩过渡为中性岩:底部主要由辉石岩和橄长岩组成;中部为辉长苏长岩和辉长岩;上部为辉长岩和闪长岩。研究以中部岩相带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和辉长岩为对象,通过主要矿物的主微量元素和全岩主微量元素的分析,查明望江山岩体来源于尖晶石二辉橄榄岩组成的大陆下岩石圈地幔,并且地幔源区受到了来自俯冲板片流体的交代,岩体中部带的母岩浆为拉斑玄武质岩浆。钛铁矿—磁铁矿矿物对成分计算表明,母岩浆在形成时具有较高氧逸度。通过单斜辉石压力计得到岩体的侵位深度约为12.9~18 km。对岩体母岩浆橄榄石分离结晶过程的模拟计算表明,中部带橄榄石为母岩浆经过~28%分离结晶的产物。此外,铂族元素(PGE)组成暗示岩体并未经历过大规模的硫化物熔离,可能与缺乏地壳物质混染有关。岩体中单斜辉石与岛弧环境堆晶岩中单斜辉石成分相似,不同于裂谷环境中堆晶单斜辉石的成分;同时,全岩Th/Yb和Nb/Yb比值也与岛弧玄武岩比值相似,因此矿物和全岩成分均说明望江山层状岩体应形成于岛弧环境。研究认为扬子北缘在新元古代长期的俯冲过程中,大洋板片断离导致软流圈上涌,提供热源使交代大陆下岩石圈地幔部分熔融形成具有岛弧特征的镁铁质岩浆,在局部伸展环境中上升侵位形成汉南杂岩带中镁铁—超镁铁质层状岩体。
关键词矿物成分    铂族元素    硫化物熔离    望江山层状岩体    扬子地块北缘    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.026     文章编号:1006-6616(2019)02-0267-19
MINERAL COMPOSITION AND PLATINUM-GROUP ELEMENTS OF THE NEOPROTEROZOIC WANGJIANGSHAN LAYERED INTRUSION AT THE NORTHERN MARGIN OF THE YANGTZE BLOCK: IMPLICATIONS FOR THE PROCESSES OF MAGMA EVOLUTION AND TECTONIC SETTING
WANG Yan1 , WANG Mengxi1,2 , JIAO Jiangang1,2,3     
1. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710064, Shannxi, China;
2. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Ministry of Land and Resources, Xi'an 710064, Shannxi, China;
3. Key Laboratory of Western China's Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Xi'an 710064, Shannxi, China
Abstract: The Wangjiangshan layered intrusion occurs in the Neoproterozoic Hannan arc at the northern margin of the Yangtze Block, and it is composed of ultramafic to intermediate rocks from the bottom to the top. The lower zone is mainly composed of pyroxenite and troctolite, the middle zone is olivine gabbro and gabbro, and the upper zone is gabbro and diorite. This study focuses on olivine noritegabbro, noritegabbro and gabbro in the middle zone. The compositions of olivine, pyroxene and bulk-rock suggest that the Wangjiangshan intrusion was derived from subcontinental lithospheric mantle which was mainly composed of spinel lherzolite and metasomatized by subducted slab-derived fluids. The parental magma of the middle zone was tholeiitic basalt with high oxygen fugacity, inferring from the in-situ compositions of ilmenite-magnetite mineral pair. The shallow magma chamber was about 12.9 to 18 km in depth in terms of clinopyroxene geobarometry. The modeling result shows that olivine from the middle zone was a product of~28% crystallization of the parental magma. In addition, the PGE pattern of the rocks from this study indicates a lack of large-scale sulfide segregation due to the absence of crustal contamination. The composition of clinopyroxene is akin to those from island arc, but different from clinopyroxene from the rifting. Moreover, rocks from the middle zone have bulk-rock Th/Yb and Nb/Yb ratios similar to ratios of island arc basalts. Therefore, the Wangjiangshan intrusion could be formed in island arc environment. We argue that the tearing and breakoff of subduction oceanic slab resulted in asthenosphere upwelling during the Neoproterozoic long-term subduction beneath the northern margin of Yangtze. This provided a heat source for the partial melting of the metasomatized subcontinental lithospheric mantle and subsequent formation of mafic magma with island arc characteristics, which ascended in an extensional environment to form mafic-ultramafic layered intrusions in the Hannan arc.
Key words: mineral composition    platinum-group elements    sulfide segregation    Wangjiangshan layered intrusion    northern margin of the Yangtze Block    
0 引言

镁铁—超镁铁质层状岩体主要由堆晶矿物组成,与堆晶矿物共存的熔体往往由于层状岩体的压实作用和成分对流作用被排出晶粥(crystal mush)而与堆晶矿物分离[1~2],因此层状岩体中堆晶岩的全岩成分与原始岩浆的成分有所不同[3],仅用全岩成分研究不能有效约束层状岩体的成因[4]。层状岩体中矿物成分往往可以精细记录岩浆成分变化过程,例如金川岩体中贫硫化物样品中橄榄石成分记录了封闭粒间熔体对堆晶矿物成分的改造[5]。因此,层状岩体中矿物成分的研究可以用来探讨岩浆演化过程。

大陆内部赋含铜镍硫化物矿化的层状岩体主要出现在地幔柱或裂谷环境[6],如俄罗斯西伯利亚地区的Noril’sk矿床和中国攀西地区一系列晚二叠世中—小型铜镍硫化物矿床均与地幔柱活动有关[7~10]。大陆边缘赋含铜镍硫化物矿床(化)的岩体往往形成于造山作用晚期,如国内中亚造山带中铜镍硫化物矿床被认为形成于碰撞后伸展环境中[11~12]。只有少部分含矿岩体形成于俯冲环境,如产出在西班牙Ossa-Morena地区的Aguablanca岩体(~341 Ma)赋存有Ni-Cu矿床,储量为1570×104 t,Ni和Cu的品位分别为0.66%和0.46%,被认为是该地区海西期安第斯型活动陆缘岩浆活动的产物[13];国内新近发现的位于东昆仑造山带东段的夏日哈木矿床储量1×108 t,Ni和Cu的品位分别为0.8%和0.1%,形成于~412 Ma昆仑岛弧玻安质岩浆活动中[14]

形成于不同构造环境的镁铁—超镁铁质岩体通常会具有不同的地幔源区性质。形成于长期俯冲环境下的镁铁—超镁铁质岩体往往来源于交代的岩石圈地幔,如扬子北缘随枣盆地中周庵岩体(~637 Ma)的全岩Sr-Nd-Os同位素组成表明该岩体来自交代富集的大陆下岩石圈地幔(subcontinental lithospheric mantle),被认为不利于形成铜镍硫化物矿床[15]。而形成于地幔柱和造山后伸展环境的镁铁—超镁铁质岩体虽然都表现出亏损软流圈地幔的特征,但前者的地幔源区深度明显要大于后者,而且常有下地幔物质的加入[16]。因此,构造环境对镁铁—超镁铁质岩体铜镍硫化物成矿潜力评价就显得尤为重要。

扬子地块北缘新元古代汉南岛弧带中出露有大量870~746 Ma镁铁—超镁铁质岩体,包括毕机沟、望江山、罗家坝和碑坝等岩体,其中望江山层状岩体(~825 Ma)是目前报道的该地区唯一含铜镍硫化物矿化的岩体[17~19]。以往研究主要利用锆石U-Pb定年和原位氧同位素[19]、全岩主量元素、微量元素和Sr-Nd同位素对望江山岩体形成时代和地幔源区性质进行了讨论[17~18, 20]。该岩体形成的构造环境目前仍然存在争论,主要有以下三种观点:长期俯冲[17~19]、地幔柱[21~22]和俯冲—造山后伸展垮塌[23]。另一方面,望江山岩体岩浆演化过程及硫化物饱和机制尚不清楚。因此,文章以岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和辉长岩为研究对象,通过全岩主量、微量元素和铂族元素(PGE)特征,结合主要造岩矿物(橄榄石、单斜辉石和斜方辉石)及铁钛氧化物化学成分,探讨望江山岩体的母岩浆性质、岩浆演化过程及其形成的构造环境。

1 区域地质背景

华南板块由扬子地块和华夏地块组成,二者于新元古代沿江南造山带发生拼贴[24~25]。扬子地块西侧为松潘—甘孜褶皱带,北侧以秦岭—大巴山造山带为界与华北地块相隔。扬子地块周缘发育有大量新元古代的超镁铁质—镁铁质—长英质侵入岩体,主要分布于北缘的汉南杂岩带和西缘的攀(枝花)—西(昌)地区[18~19]

汉南杂岩带是扬子北缘新元古代镁铁—超镁铁质岩体出露的重要地区,这些新元古代镁铁—超镁铁质岩体近北东—南西分布,以毕机沟、望江山、碑坝和罗家坝为代表,其中毕机沟层状岩体赋含铁钛氧化物矿化、望江山层状岩体赋含铜镍硫化物矿化[18~19]。相关学者利用锆石SHRIMP和SIMS U-Pb测年得到望江山和毕机沟岩体形成时代分别为825 Ma和785 Ma[17~19],而Dong Y[20]利用LA-ICPMS锆石U-Pb定年得到望江山岩体形成时代为784.3±6.0 Ma,与前者有所不同,但均认为其形成于岛弧环境。碑坝岩体辉长岩的SHRIMP锆石U-Pb定年得到其形成时代为814±9 Ma[18],而闪长岩的SIMS锆石U-Pb年龄为869±5 Ma[19]。罗家坝辉长岩的形成时代为746±4 Ma[18]。中酸性侵入体基本与镁铁—超镁铁质岩体形成时代相同,以二里坝、五堵门和天坪河等岩体为主[26],二里坝和五堵门岩体SHIRMP锆石U-Pb年龄分别为730±6 Ma和735±8 Ma,而且二者均具有埃达克岩的地球化学特征,被认为是长期俯冲过程中新生加厚地壳重熔的产物[26]

望江山层状岩体位于汉南杂岩带北部,总体呈北东—南西向展布,出露面积约100 km2,为该带中仅次于毕机沟岩体的第二大镁铁—超镁铁质岩体,也是国内出露规模最大的新元古代层状侵入体之一[17]。望江山层状岩体侵入新元古代西乡群,西乡群自上而下分别由白勉峡组(730 Ma)、大石沟组(803~776 Ma)、孙家河组(845~826 Ma)和三湾组组成[27]。孙家河组和大石沟组火山岩为陆相火山喷发物,白勉峡组为海相火山喷发物。孙家河组为望江山岩体的主要围岩,其中火山岩系保存完整,下部为安山质凝灰岩,中部自上而下为玄武安山岩、玄武岩、中基性凝灰岩,韵律层发育,顶部为泥质岩层;大石沟组火山岩系不整合覆盖于孙家河组之上,常见玄武岩—流纹岩的火山岩组合,顶部的流纹岩和侵入相花岗岩和花岗斑岩呈过渡关系,震旦系不整合覆盖于大石沟组之上;白勉峡组主要发育中基性火山岩,其次为千枚岩化凝灰质碎屑岩和少量的硅质岩,成熟度不高[27]

2 岩体地质特征

望江山层状岩体地表形态近似为椭圆形,韵律层较为发育,岩石组合也显示出结晶分异成因层状杂岩体的一些基本特征,在结晶分异过程中形成不同层位的岩石组合、矿物成分以及地球化学特征的变化。以往研究根据岩体与底部西乡群接触关系及基底岩石构造恢复将该岩体确定为大型岩盆状侵入体[28],根据岩石类型变化将其划分为与区域上毕机沟层状岩体类似的基底带、下部超镁铁质岩带、中部辉长岩带和上部辉长闪长岩带[29](图 1)。

图 1 扬子地块北缘望江山岩体地质简图(据参考文献[30]修改) Fig. 1 Geological map of the Wangjiangshan intrusion at the northern margin of the Yangtze Block (modified after [30])

综合已有资料,望江山岩体基底带为一套混染细粒的辉长岩,含有西乡群基性火山岩和碎屑岩角砾;下部带为超镁铁质岩层,岩石类型呈现渐变的特征,自下而上由辉石岩过渡到橄长岩,最上部为橄榄辉长岩;中部带为望江山岩体的主体,主要由橄榄辉长岩,辉长苏长岩,磁铁矿辉长岩及磁铁矿苏长岩等辉长岩类组成,该带顶部的辉长岩伴有弱蚀变和磁铁矿化;上部带主要由辉长闪长岩组成,具有较为清晰的韵律层理,同时发育有少量角闪辉长岩,与下部的辉长苏长岩表现为渐变过渡的关系。因此,望江山岩体的矿物组成在垂向上变化明显,层序整体表现为超镁铁质—中性岩的演化趋势(图 1)。

3 样品采集与实验分析 3.1 样品采集

研究所用的29件新鲜样品主要采自望江山岩体中部带的辉长苏长岩、辉长岩和橄榄辉长苏长岩(图 1)。将样品磨制探针片,在岩相学研究的基础上对部分样品中的橄榄石、辉石和铁钛氧化物进行了原位成分分析;同时将样品常规碎样(< 200目)后进行全岩主量元素、微量元素和铂族元素分析。

3.2 实验分析 3.2.1 矿物主量元素

橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和铁钛氧化物(磁铁矿和钛铁矿)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15 kV,测试电流20 nA,束斑直径为1 μm,主量元素和微量元素的计数时间分别为20 s和40 s,分析误差分别为2%和5%。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。

3.2.2 单斜辉石微量元素

单斜辉石微量元素分析在南京聚谱检测科技有限公司完成,利用配备了193 nm ArF准分子激光剥蚀系统的Agilent 7700x四极杆型电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)。准分子激光发生器产生的激光能量密度为6.0 J/cm2,束斑直径为40 μm,频率为7 Hz,共剥蚀40 s,剥蚀气溶胶由氦气送入ICP-MS完成测试。CGSG-1、CGSG-2、CGSG-4、CGSG-5熔融玻璃作为盲样被用来检测数据质量。微量元素含量相对偏差优于±10%。

3.2.3 全岩主量和微量元素

全岩主量元素和微量元素分析均在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。主量元素分析过程中先对样品进行烧失量计算,熔融制成玻璃片后,使用岛津1800型X荧光光谱仪测定,分析精度一般优于2%;微量元素分析过程中,将500 mg样品粉末置于特氟龙杯中,加入1.0 ml纯HF和1.5 ml纯HNO3,在190 ℃条件下加热48小时进行溶解。定容后利用Thermo-X7型ICP-MS对微量元素进行分析。大多数微量元素分析精度优于10%。

3.2.4 全岩铂族元素

样品铂族元素含量分析在南京聚谱检测科技有限公司完成。由于Os易挥发不适用于该方法,因此本次研究分析了除Os以外的其他5个铂族元素。先称10 g样品粉末和适量稀释剂101Ru、193Ir、105Pd、194Pt置于特氟龙杯中,加入5 ml水,再缓慢加入15~30 ml HF,置于电热板上蒸干后再加入5 ml HF和15 ml HNO3,置于溶样弹中,并将高压釜密封,放入烘箱在190 ℃条件下加热24 h。取出溶样弹待缓慢冷却后,取出特氟龙杯加入2 ml HCl置于电热板上蒸干。然后加入5 ml的浓盐酸以赶走残余的HF和HNO3,蒸干后,用40 ml的2 N HCl将样品重新溶解,然后将样品溶液转移到50 ml离心管离心5分钟。将上部清液转移到特氟龙杯中,并用Te共沉淀预富集PGE。然后用王水溶解沉淀物质,过树脂柱子以去除主要的干扰元素。将溶液蒸发至2~3 ml,再转移到15 ml的离心管中以备ICP-MP分析。Ir、Ru、Rh、Pt和Pd的空白标准值分别为0.009 ng、0.008 ng、0.009 ng、0.021 ng、0.033 ng。分析精度一般优于10%。

4 岩相学特征

橄榄辉长苏长岩:辉长结构(图 2a),主要组成矿物包括斜长石(~55%)、斜方辉石(~20%)、单斜辉石(~10%)和橄榄石(~15%)。斜长石呈长条状,粒径1~3 mm,部分发生钠黝帘石化;斜方辉石粒径0.5~1 mm,常常由于和粒间熔体发生反应,形成角闪石反应边。单斜辉石与斜长石的自形结构相似,粒度近于相等,相互穿插地不规律排列。橄榄石粒径0.3~0.8 mm,自形程度较好,部分橄榄石颗粒包含在单斜辉石中形成包橄结构(图 2b)。不透明矿物主要为钛铁矿,含少量磁铁矿和黄铜矿。

a—橄榄辉长苏长岩,单斜辉石(Cpx)、斜方辉石(Opx)和斜长石(Pl)自形程度接近形成辉长结构,正交偏光,样品WJS-21;
b—橄榄辉长苏长岩,橄榄石(Ol)被次生的角闪石(Amp)所包裹,正交偏光,样品WJS-20;
c—辉长岩,铁钛氧化物分布在硅酸盐矿物粒间,正交偏光,样品WJS-4;
d—辉长苏长岩,斜长石(Pl)、斜方辉石(Opx)和单斜辉石(Cpx)均呈半自形等轴粒状,辉长结构,正交偏光,样品WJS-34
图 2 望江山岩体中不同岩石类型的岩相学特征 Fig. 2 Petrographic characteristics of different rock types from the Wangjiangshan intrusion

辉长岩:中细粒结构,辉长结构,主要组成矿物包括斜长石(~50%)、单斜辉石(~34%)、斜方辉石(~10%)以及少量的磁铁矿和钛铁矿(~6%)。斜长石呈长条状,粒径1~3 mm,部分发生钠黝帘石化,辉石呈半自形板状,粒径1~2.5 mm,辉石与斜长石的自形程度相似,粒度近于相等,而且二者常常相互包含,辉石往往蚀变为角闪石。磁铁矿和钛铁矿分布在硅酸盐矿物的粒间或包含在其中(图 2c),在磁铁矿、钛铁矿和辉石的接触部位都会形成角闪石反应边。

辉长苏长岩:中细粒结构,辉长结构,暗色矿物和浅色矿物含量接近,其中斜长石含量约为50%,单斜辉石和斜方辉石各占~25%。斜长石呈长柱状,粒径1~3 mm,局部有次生的钠黝帘石化。辉石呈半自形—它形粒状,粒径1~3 mm,常有自形的辉石包含在斜长石中,辉石往往蚀变为角闪石(图 2d)。

5 分析结果 5.1 全岩地球化学特征 5.1.1 主量元素特征

辉长苏长岩中SiO2含量为41.46%~51.28%,MgO含量介于5.12%~7.34%之间,FeO(T)的含量为7.12%~19.92%,Mg#介于34~61之间,Na2O+K2O含量为2.33%~3.19%,TiO2含量变化于0.79%~4.32%之间(表 1);橄榄辉长苏长岩为SiO2含量为46.60%~47.76%,MgO含量为7.60%~8.81%,FeO(T)的含量为12.24%~12.91%,Mg#为51~55,Na2O+K2O含量为3.38%~3.41%,TiO2的含量为1.65%~1.66%(表 1);辉长岩中SiO2为43.43%~51.15%,MgO含量为4.73%~6.19%,FeO(T)的含量为7.83%~19.53%,Mg#为35~59,Na2O+K2O含量为2.29%~4.16%,TiO2的含量为0.9%~4.25%(表 1)。不同岩性的岩石Na2O含量均大于K2O,总体显示富钠低钾的特征。全岩主量元素相关性图中(图 3),MgO和SiO2、FeO(T)、TiO2呈负相关,而与CaO相关性不明显。

表 1 望江山层状岩体各类岩石主量元素组成(%) Table 1 Major element concentrations of rocks from the Wangjiangshan intrusion (%)

图 3 望江山岩体MgO与SiO2、TiO2、CaO和FeO(T)相关图解 Fig. 3 Plots of MgO versus SiO2, TiO2, CaO and FeO(T) of samples from the Wangjiangshan intrusion
5.1.2 全岩稀土和微量元素地球化学特征

辉长苏长岩稀土总量为27.60×10-6~82.01×10-6,(La/Lu)N=1.65~3.38,Eu/Sm=0.38~0.72,δEu值为0.98~1.86(表 2);橄榄辉长苏长岩稀土总量为66.64×10-6~70.57×10-6,(La/Lu)N=1.91~2.06,Eu/Sm=0.37~0.44,δEu值为1.06~1.19(表 2);辉长岩稀土总量为34.03×10-6~98.41×10-6,(La/Lu)N=1.83~3.65,Eu/Sm=0.31~0.60,δEu值为0.89~1.68(表 2)。不同岩性的稀土配分曲线特征一致,轻稀土曲线右倾,重稀土曲线相对平坦,具有弱Eu正异常(图 4a)。微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图 4b),显示富集大离子亲石元素(LILEs)Rb、Ba和Sr,而亏损Nb、Ta、Zr和Th等高场强元素(HFSEs),Nb/Ta比值介于8.32~20.62,Zr/Hf比值介于25.78~55.23。

表 2 望江山层状岩体各类岩石微量元素与稀土元素组成(×10-6) Table 2 Trace element and REE concentrations of rocks from the Wangjiangshan intrusion (×10-6)

图 4 望江山岩体球粒陨石标准化稀土配分模式图及微量元素原始地幔标准化蛛网图(标准化数据据[31]) Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of samples from the Wangjiangshan intrusion (Normalized values are from [31])
5.1.3 全岩铂族元素特征

望江山层状岩体铂族元素分析结果见表 3。辉长苏长岩铂族元素总含量ΣPGE (Ir、Ru、Rh、Pt、Pd之和)为0.74×10-9~15.93×10-9,橄榄辉长苏长岩为2.79×10-9~13.84×10-9,辉长岩为0.55×10-9~11.90×10-9,整体低于原始地幔值(20.4×10-9)[1]。辉长苏长岩、辉长岩、橄榄辉长苏长岩的铂族元素原始地幔标准化配分模式图均显示PPGE(Rh、Pt和Pd)相对IPGE(Ir和Ru)富集,而且PGE相对Ni和Cu的亏损并不明显(图 5)。

表 3 望江山岩体不同岩相铂族元素组成(×10-9) Table 3 Platinum group element concentrations of samples from the Wangjiangshan intrusion (×10-9)

图 5 望江山层状岩体铂族元素原始地幔标准化配分模式图[1] Fig. 5 Primitive mantle-normalized PGE patterns of samples from the Wangjiangshan intrusion[1]
5.2 矿物化学成分 5.2.1 橄榄石

对蚀变较弱的橄榄辉长苏长岩中橄榄石组成进行分析(表 4)。橄榄石中MgO含量在24.54%~26.69%,FeO含量在36.64%~41.17%,相应的Fo值为51.7%~56.5%,Ni含量为165×10-6~933×10-6,Fo值和Ni含量呈正相关关系。

表 4 望江山岩体橄榄辉长苏长岩中橄榄石成分(%) Table 4 Major element concentrations of olivine from the Wangjiangshan intrusion (%)
5.2.2 辉石

辉石是望江山岩体的主要组成矿物,包括斜方辉石和单斜辉石两个大类。不同岩性中单斜辉石的成分较为均一,SiO2含量为50.45%~52.66%,MgO含量为14.08%~15.62%,CaO含量为19.42%~22.22%,TiO2含量为0.05%~0.87%,Al2O3为0.53%~2.57%,Na2O为0.17%~0.44%(表 5),Wo值为41.30~48.90,En值为41.00~44.00,Fs值为8.30~15.00,为透辉石(图 6)。

表 5 望江山岩体单斜辉石主量元素分析结果(%) Table 5 Major elements of clinopyroxene from the Wangjiangshan intrusion (%)

图 6 望江山层状岩体单斜辉石和斜方辉石的分类图解(底图据文献[32]) Fig. 6 Diagram of classification for clinopyroxene and orthopyroxene from the Wangjiangshan layered intrusion. (The base map is from [32])

单斜辉石的稀土元素总量变化范围为51.90×10-6~80.07×10-6。单斜辉石稀土元素配分模式图上显示多数样品LREE亏损,MREE-HREE呈近平坦分布(图 7a),(La/Yb)N的范围为0.35~0.65之间,(La/Sm)N的范围为0.23~0.48,(Gd/Yb)N的范围为1.15~1.58,具有负Eu异常,δEu为0.60~0.99。在单斜辉石微量元素蛛网图(图 7b)上可以看出,辉长岩和辉长苏长岩均显示亏损Ba、Rb、Sr等大离子亲石元素的特征。

图 7 望江山岩体中部带辉长岩及苏长辉长岩中单斜辉石稀土配分图解和微量元素蛛网图(标准化数据据[31]) Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of clinopyroxene from gabbro and gabbronorite of the Wangjiangshan intrusion (Normalized values are from [31])

辉长苏长岩中斜方辉石SiO2含量为53.40%~54.34%,FeO(T)含量为17.21%~20.40%,MgO含量为23.50%~25.08%,TiO2含量为0.09%~0.34%,Al2O3为0.71%~1.42%,CaO和Na2O含量依次为0.47%~3.33%和0~0.15%,Wo为1.00~6.50,En为64.5~70.1,Fs为24.60~32.30,主要为顽火辉石和易变辉石(表 6图 6);辉长岩和橄榄辉长苏长岩中斜方辉石成分相似,SiO2含量为52.64%~53.40%,FeO(T)含量为21.19%~23.84%,MgO含量为21.77%~22.53%,TiO2含量为0.01%~0.29%,Al2O3含量为0.63%~0.77%,CaO和Na2O含量依次为0.66%~1.24%和0~0.04%,Wo为1.30~2.50,En为62~64.40,Fs为34.00~36.20(表 4),为顽火辉石(表 6图 6)。

表 6 望江山岩体斜方辉石主量元素含量(%) Table 6 Major element concentrations of orthopyroxene from the Wangjiangshan intrusion (%)
5.2.3 钛铁氧化物

对望江山岩体辉长苏长岩和辉长岩中的铁钛氧化物进行主量元素分析(表 7)。在望江山岩体中,钛铁矿和磁铁矿常表现为共生矿物对,且样品中磁铁矿含量普遍高于钛铁矿。辉长苏长岩中磁铁矿的FeO(T)含量为90.72%~93.65%,Cr2O3含量为0.09%~1.81%,TiO2含量为0.12%~0.34%;钛铁矿的FeO(T)含量为45.62%~52.92%,Cr2O3含量为0%~0.08%,TiO2的含量为46.96%~53.01%。辉长岩中磁铁矿的FeO(T)含量为91.06%~90.3%,Cr2O3含量为0.01%~0.08%,TiO2含量为0.20%~0.40%;钛铁矿的FeO(T)含量为44.10%~46.06%,Cr2O3含量为0.03%~0.14%,TiO2含量为51.36%~52.83%。

表 7 望江山岩体辉长岩和辉长苏长岩中磁铁矿—钛铁矿成分(%) Table 7 Magnetite-ilmenite concentrations of rocks from gabbro and gabbronorite of the Wangjiangshan intrusion (%)

已有研究表明钛铁矿—磁铁矿共生矿物对的化学组分可以用来估算其结晶时熔体的氧逸度和平衡温度。所以根据样品辉长岩wjs-25-1和辉长苏长岩wjs-26-4的化学组分利用四种不同的方法[33~37]分别得到:辉长岩的平衡温度为475 ℃~489 ℃,氧逸度为-24.1~-23.63;辉长苏长岩的平衡温度为471 ℃~479 ℃,氧逸度为-25.8~-25.6。

6 讨论 6.1 热液蚀变

在热液蚀变的过程中,大离子亲石元素如Cs、K、Rb、Ba、Sr等容易发生活化迁移,而高场强元素(如Nb、Ta、Zr、Hf等)活动性弱[38],因此可以通过研究其他微量元素元素与Zr的相关性来判断其是否受到热液蚀变的影响[39]。望江山不同岩性样品中稀土元素La和Nd与Zr呈明显的正相关(图 8a8b),表明稀土元素在热液蚀变过程中基本未受影响,而大离子亲石元素中Sr和Ba也与Zr表现出相关性(图 8c8d),表明望江山岩体中大离子亲石元素可能未受到热液蚀变的影响,这与望江山岩体较低的烧失量(0~1.77%,表 1)一致。Sr与Zr的负相关性可能是由于斜长石的分离结晶引起的,因为在斜长石分离结晶过程中Sr表现为相容元素而Zr表现为不相容元素。铂族元素中Pt和Pd最容易受到热液蚀变的影响,而Ir在这一过程中不容易发生活化迁移[40],因此可以利用Pt与Ir的相关性判断其是否受到了热液蚀变的影响。望江山岩体不同岩性的样品中Pt与Ir正相关(图 8e),说明Pt未受热液蚀变影响。而Pd与Ir的相关性并不明确(图 8f),说明望江山岩体发生了热液蚀变,Pd在热液蚀变过程中发生了活化迁移,但热液蚀变对不同的元素影响不同,而稀土元素和铂族元素(除Pd外)未受热液蚀变的影响。因此,稀土元素和铂族元素(除Pd外)可以用来讨论望江山岩体的岩浆演化过程。

图 8 望江山岩体全岩微量元素中Zr相对La、Nd、Sr、Ba与铂族元素中Ir相对Pt、Pd的相关图解 Fig. 8 Plots of whole rock Zr concentration versus La, Nd, Sr, Ba and Ir versus Pt and Pd of samples from the Wangjiangshan intrusion
6.2 地幔源区性质

稀土元素在分离结晶过程中主要受控于磷灰石、榍石和磷钇矿等矿物,轻稀土元素倾向于进入磷灰石中,而重稀土则倾向进入榍石和磷钇矿中,因而造成轻稀土和重稀土的分异。本次研究的样品中未见磷灰石、榍石和磷钇矿等矿物,而轻重稀土元素在望江山岩体母岩浆演化过程中均表现为不相容元素,不会产生明显分异,因此样品轻重稀土元素的比值可近似代表母岩浆的相应比值。望江山辉长苏长岩的(La/Sm)N和(Tb/Yb)N分别为0.98~4.4和1.17~2.55,辉长岩(La/Sm)N和(Tb/Yb)N分别为1.06~1.92和1.30~2.10,橄榄辉长苏长岩(La/Sm)N和(Tb/Yb)N分别1.21~1.38和1.35~1.42,与来源于尖晶石二辉橄榄岩稳定域的熔体相应比值一致(图 9a),说明望江山岩体的源区为主要组成岩石为尖晶石二辉橄榄岩。另一方面,望江山岩体单斜辉石阳离子中呈四次配位的Al含量高于呈六次配位的Al[41](图 9b),表明其来源于大陆岩石圈地幔。望江山岩体Nb/Zr—Th/Zr的比值图解表明其地幔源区受到来自俯冲板片流体的交代(图 9c)。

a—望江山层状岩体(La/Sm)N—(Tb/Yb)N图解;
b—单斜辉石IVAl—VIAl关系图[41]
c—全岩微量元素Nb/Zr—Th/Zr相对图解
图 9 望江山岩体地幔源区性质判别图 Fig. 9 Discrimination plots of the nature of mantle source of the Wangjiangshan intrusion
6.3 母岩浆性质

单斜辉石的成分可以很好的反映母岩浆的成分特点[41]。在研究中望江山岩体单斜辉石都具有低TiO2和Na2O而高SiO2含量的特点,表明望江山岩体的母岩浆为拉斑玄武质岩浆(图 10)。而且,在岩石薄片中观察到了斜方辉石和单斜辉石共生等,这与拉斑玄武岩系列的矿物组合特征相吻合[42]。因此,认为望江山岩体的母岩浆可能为大陆下岩石圈地幔部分熔融形成的拉斑玄武质岩浆。

图 10 望江山岩体单斜辉石SiO2-Na2O-TiO2 相关图解[42] Fig. 10 Plot of SiO2-TiO2-Al2O3 of clinopyroxene from the Wangjiangshan intrusion[41]

另一方面,根据望江山岩体中钛铁矿—磁铁矿成分计算母岩浆形成时的氧逸度lnfO2为-23.63~-25.77,位于磁铁矿稳定区(图 11),说明中部带母岩浆形成于较高的氧逸度环境。同时,从本次研究中选择未发生蚀变并在结晶过程中达到平衡的两种辉石,利用其成分对岩体侵位时的温度和压力进行了估算。根据二辉石温度计(测温范围为900~1400 ℃)[44],得到两种辉石共结温度为901~1009 ℃。利用单斜辉石压力计(测压范围为0~24 kbar)[45~46]得到岩体中部形成时的压力为4.26~6.03 kbar,说明望江山岩体侵位的深度约12.9~18 km。

HM-赤铁矿-磁铁矿缓冲剂;FMQ-铁橄榄石-磁铁矿-石英缓冲剂;WM-方铁矿-磁铁矿缓冲剂 图 11 望江山岩体氧逸度—温度相对图解[43] Fig. 11 Oxygen fugacity vs. temperature diagram of the Wangjiangshan intrusion [43] (HM is hematite-magnetite buffer; FMQ is fayalite-magnetite-quartz buffer; WM is wustite-magnetite buffer)
6.4 硫化物熔离

在镁铁质岩浆演化过程中,控制橄榄石成分变化的主要因素除分离结晶作用外,还包括硫化物熔离作用[5]。因此,橄榄石的成分变化可以用来探讨岩浆硫化物熔离过程。在岩浆演化的过程中橄榄石的结晶可能有以下4种情况:①在橄榄石结晶的整个过程中,岩浆始终保持S不饱和,橄榄石中Ni的含量随橄榄石的Fo值降低,表现为分离结晶的趋势;②在橄榄石结晶之前,母岩浆尚未达到S饱和,但在橄榄石结晶过程中S达到饱和,开始有硫化物熔体的熔离,并且使橄榄石的Ni含量迅速降低;③在橄榄石结晶之前,母岩浆已经达到了饱和,形成的橄榄石表现为Ni亏损,并且亏损程度由橄榄石和硫化物熔体的质量比决定;④早期结晶的橄榄石与粒间硫化物熔体的Fe-Ni发生了交换反应,表现为橄榄石Fo值与Ni含量出现负相关关系[1, 47]

岩浆结晶过程中橄榄石的Ni含量严格受岩浆分离结晶和硫化物熔离控制,以每1%的分离结晶程度,计算其结晶橄榄石中MgO、FeO含量,根据残余岩浆的成分,重复以上步骤,直至橄榄石结晶完毕,得到一系列的橄榄石Fo和Ni含量,将这一系列点相连即为橄榄石分离结晶的趋势线。由于望江山岩体缺乏可直接代表母岩浆组分的冷凝边,因此在研究中利用相关学者模拟计算得到的望江山岩体母岩浆主量元素中MgO和FeO含量(分别为12.8%和7.55%)[48],以及扬子北缘与望江山岩体同时代的碧口群下部玄武岩(~821 Ma)中Ni含量(260×10-6)[49],对望江山岩体橄榄石的分离结晶过程进行了模拟。模拟结果显示橄榄辉长苏长岩中橄榄石成分在分离结晶趋势线之上,而且Fo值和Ni含量正相关,说明其成分主要受控于分离结晶作用,而且是母岩浆经过~28%分离结晶后的产物(图 12)。另一方面,由于铂族元素进入硫化物的分配系数远大于Ni和Cu[50],因此岩浆达到硫饱和后铂族元素会强烈富集在硫化物中,而导致硅酸盐熔体中PGE相对Ni和Cu亏损。在望江山岩体不同类型样品的铂族元素配分模式图上,PGE相对于Ni和Cu的亏损并不明显(图 5),表明铂族元素的变化并不受控于硫化物熔离。因此,望江山岩体母岩浆演化的早期阶段(分离结晶程度 < 28%)可能并未发生大规模的硫化物熔离。相关学者对望江山岩体全岩的Sr-Nd同位素研究表明,其初始Sr同位素比值87Sr/86Sr(i)为0.703267~0.703729,εNd(t)为+3.37~+3.83,变化范围均较小,说明该岩体在形成过程中基本未受地壳物质的混染[18, 51]。而已有研究表明,地壳混染在岩浆达到硫饱和的过程中起到了重要作用,因为SiO2加入到镁铁—超镁铁质岩浆中可以降低岩浆中硫的溶解度,造成硫化物熔离[52],特别是地壳中硫化物的加入更有利于形成大型铜镍硫化物矿床[53]。因此,研究认为望江山岩体未能发生大规模硫化物熔离的原因可能是缺少地壳混染作用[54]

图 12 望江山岩体橄榄石Fo-Ni相关图解 Fig. 12 Plot of Fo versus Ni for olivine crystals from the Wangjiangshan intrusion
6.5 构造环境

扬子地块北缘和西缘在新元古代发生了大规模的岩浆—热事件,表现为大量镁铁—超镁铁质岩体和长英质岩体的形成。扬子地块新元古代的构造环境目前仍存在着争议,主要有地幔柱、长期俯冲及造山后垮塌—裂谷这三种认识。李献华等[55]认为在华南尤其是扬子地块的西缘和北缘新元古代岩浆活动与Rodinia超级地幔柱活动有关,由于地幔柱活动,引发了华南的大陆裂谷和非造山岩浆活动,最终导致了Rodinia超级大陆的裂解;Zhou et al.[17]认为扬子地块北缘新元古代岩浆活动形成于长期俯冲的岛弧环境;而另外一些学者认为早期弧岩浆活动主要发生在~830 Ma之前,而约830~820 Ma的岩浆活动为弧—陆碰撞造山垮塌的产物,其后逐渐转变为裂谷环境[23]

在分离结晶过程中,金属离子会因为构造环境的不同而以不同方式进入单斜辉石晶格,导致其成分的差异[54],因此单斜辉石成分能够用来判断镁铁—超镁铁质岩体形成的构造环境。拉斑玄武质岩浆在拉张环境中由于富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(Al IV/Ti)[56]。望江山岩体中单斜辉石TiO2含量为0.05%~0.87%,通过计算得到阳离子中呈四次配位的AlIV含量为1.40~5.85,与岛弧环境堆晶岩中单斜辉石成分相似,而不同于裂谷环境中单斜辉石堆晶的成分(图 13a)。而且,望江山岩体全岩的Th/Yb比值为0.11~0.70,Nb/Yb比值为1.04~2.37,也与岛弧玄武岩相似(图 13b)。因此,矿物和全岩成分均说明望江山层状岩体形成于岛弧环境,同时也暗示扬子地块北缘在新元古代中期仍处于俯冲环境。

a—单斜辉石TiO2与AlIV图解(Southeastern Alaska数据引自[59],Duke Island数据引自[61], 弧堆晶和裂谷堆晶岩趋势及碱性—非碱性界线据[62]和[56]);b—全岩Th/Yb—Nb/Yb比值图解(OIB—洋岛玄武岩,MORB—岛弧玄武岩[63]) 图 13 望江山岩体构造环境判别图解 Fig. 13 Tectonic discrimination plots of the Wangjiangshan intrusion

对扬子地块北缘新元古代花山群和铁船山群中玄武岩和辉长岩的已有研究表明,其形成时代(824~817 Ma)[21, 57]与望江山岩体相同,但地球化学特征具有LREE相对HREE亏损,Nd同位素组成与亏损地幔相似的特征,说明这些玄武岩和辉长岩来源于上涌的软流圈地幔物质,可能是由于扬子北缘在这一时期经历了俯冲大洋板片的破裂和断离而引起的[58~59]。一方面,软流圈的上涌造成地幔楔温度升高引起交代岩石圈地幔部分熔融,形成镁铁质岩浆。另一方面,软流圈上涌形成的张性环境为这些岩浆的上升侵位提供了通道。因此,扬子地块北缘新元古代来自交代岩石圈地幔和软流圈地幔的镁铁—超镁铁质岩石的发育说明该地区在新元古代(890~700 Ma)总体处于俯冲环境,而在局部由于板片断离—软流圈上涌表现出拉张环境[60],形成汉南杂岩带中大规模的镁铁—超镁铁质层状岩体。

7 结论

(1) 望江山层状岩体地幔源区为尖晶石二辉橄榄岩组成的大陆下岩石圈地幔,并受到来自俯冲板片流体的交代。

(2) 母岩浆为拉斑玄武质岩浆,岩体中部带结晶温度为901~1009 ℃,压力为4.26~6.03 kbar,对应的侵位深度为12.9~18 km。

(3) 橄榄辉长苏长岩中橄榄石成分变化主要受控于分离结晶作用,是母岩浆经过~28%的分离结晶后形成的。母岩浆由于缺少地壳混染,没有发生大规模的硫化物熔离。

(4) 钛铁矿—磁铁矿成分表明岩体中部带岩石形成时体系氧逸度lgfO2为-23.63到-25.77,说明其形成于较高的氧逸度环境。岩体单斜辉石的TiO2和AlIV含量表明其具有弧堆晶单斜辉石的特征,因此望江山层状岩体形成于岛弧环境。

致谢: 东华理工大学许德如教授在成文过程中提出了宝贵的建议,在此表示感谢。

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