新疆坡北二叠纪镁铁质岩浆作用与成矿作用过程：岩石地球化学、流体化学组成与C-He-Ar同位素制约

摘要

大规模的镁铁质岩浆作用形成了大型层状镁铁-超镁铁质杂岩体，是镍、铜和铂族元素硫化物矿床形成的重要机制。塔里木克拉通东北缘的北山地区分布着坡北、红石山和漩涡岭等众多镁铁-超镁铁质杂岩体，是我国大型镁铁-超镁铁质层状杂岩体之一，其岩浆作用及硫饱和过程缺乏流体组成制约，相关流体组成与岩石地球化学相结合可制约岩浆形成演化、成矿作用及动力学背景。本文对坡北含铜镍硫化物矿床镁铁-超镁铁质杂岩体开展了岩石地球化学、流体化学组成、碳同位素及稀有气体同位素组成研究，揭示了岩浆作用的源区特征、母岩浆组成、岩浆演化流体条件和硫饱和机制，探讨岩浆成矿作用的深部动力学背景。　　本研究主要内容包括：⑴确认坡北镁铁-超镁铁质杂岩体具有地幔岩浆就地结晶演化的岩石地球化学特征：不同类型岩石主要氧化物含量与MgO含量具岩浆就地结晶分异系统变化的特征，岩石成分的变化主要受控于铬尖晶石、橄榄石、辉石和斜长石等岩浆矿物组成的变化。微量元素原始地幔标准化配分曲线较为相似，Rb、Th等大离子亲石元素富集，Nb、Ta、Ti、Zr和Hf等高场强元素亏损。稀土元素分馏较弱，具有LREE平坦型-轻度富集型配分型式，部分辉长岩样品具Sr和Eu负异常。⑵确定了岩浆演化流体化学组成及变化特征：分步加热过程中岩浆矿物流体挥发份在200-400 ℃、400-700 ℃和700-1200 ℃温度段释出，流体总量较低，平均为3695.98 mm3/g，化学组成以H2O为主(平均55 mol.％)，其次为H2(25%)和CO2(13%)。400-1200 ℃释出流体组分可代表岩浆过程的流体介质，岩浆结晶早期阶段形成的橄榄石中的流体含量为4709.2 mm3/g，以H2O(4114.7)为主，其次为CO2(323.7)、H2(150.7)和H2S(39.5)。结晶分异阶段辉石中的流体含量平均为2716.6 mm3/g，以H2O(1653.0)为主，其次为H2(468.0)、CO2(412.3)、CO（97.7）和H2S(35.4)。岩浆晚期阶段斜长石流体含量平均为1420.0 mm3/g，以H2O(825.6)为主，其次为CO2(480.6)、H2(62.5)和H2S(16.0)。较高的H2含量表明岩浆演化于相对还原的环境，演化过程中流体挥发份不断逸出、含量随之降低。⑶确定岩浆挥发份的碳同位素组成特征，为幔源流体挥发份混入地壳组分和沉积来源流体组分：不同类型岩石中辉石的CO2碳同位素组成介于-4.00～-33.56‰之间；CH4碳同位素组成为-10.39~-29.14‰，位于地幔、地壳及有机质热成因组分的范围内。大多数样品CH4同系物的碳同位素组成随碳数具有正序分布特征，部分样品出现反序分布特征。碳同位素组成表明岩浆流体挥发份来源于地幔源区，其中混入了地壳组分和沉积有机质热裂解来源组分，混染壳源组分可能来源于岩浆源区的板块俯冲沉积有机质或岩浆房中围岩的混染。⑷坡北杂岩体稀有气体同位素组成显示岩浆起源于深部地幔，可能存在地幔柱的贡献：岩浆矿物中3He/4He比值介于1.23-6.15Ra之间(1Ra=1.399×10-6)，平均为2.90 Ra，40Ar/36Ar比值位于326.42-1004.30之间，平均为535.29，3He/4He与40Ar/36Ar比值位于大气组分和地幔柱端元之间，表明坡北岩体岩浆起源的源区较深，可能有地幔柱的贡献。⑸坡北杂岩体母岩浆为地幔高程度部分熔融形成的高镁岩浆，存在岩石圈地幔、地壳及围岩沉积物的混染：采用最新的岩石化学数据和文献最高Fo值、通过橄榄石-熔体平衡原理估算母岩浆为高镁的苦橄质岩浆，为高程度部分熔融作用的产物。(Th/Nb)PM与(Th/Yb)PM和(La/Gd)PM相关图揭示岩浆源区存在N-MORB相似的亏损地幔组分，Th/Yb与Nb/Yb比值表明可能经历了俯冲流体的改造。(Th/Nb)PM、(Th/Sm)PM与SiO2含量弱的正相关关系揭示存在一定程度的同化混染分离结晶作用，约5-25%的上地壳物质的混染，烷烃气体碳同位素配分模式表明可能为围岩沉积物的混染。⑹探讨了坡北镁铁质岩浆演化中硫饱和过程及铜镍铂族硫化物矿床成矿作用：坡北层状岩体从深部（2400m）到地表，δ13CCO2逐渐变轻，δ13CCH4逐渐变重，CO2和H2S的含量增加。在岩浆房演化过程中存在外来富硫和碳流体的加入，如781米深处岩石具有最高的H2、H2O和H2S含量。H2S含量与CO2和H2含量呈弱的正相关关系，表明H2O、CO2和H2含量增加有助于硫化物的熔离，地壳混染和富H2O和CO2流体的加入是硫饱和、岩浆矿床形成的关键控制因素。⑺揭示坡北镁铁一超镁铁杂岩体的形成可能存在地幔柱的贡献：坡北杂岩体岩浆源区由深部地幔物质和受俯冲流体交代的岩石圈地幔物质组成，母岩浆具高的MgO含量，岩浆结晶温度高，表明地幔源区在较高温度下高程度的部分熔融形成苦橄质岩浆，与地幔柱有关的典型苦橄岩的母岩浆成分较为一致；He-Ar同位素揭示岩体形成过程中地幔柱的存在，可能是二叠纪塔里木地幔柱活动的产物之一。

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第一章 前言

第一节 层状杂岩体的研究意义

第二节 坡北镁铁质层状杂岩体研究现状

第三节 科学问题、研究内容及主要工作量

第二章 地质背景

第一节 大地构造背景及区域地层

第二节 岩浆活动

第三节 岩浆矿床特征

第三章 样品及实验方法

第一节 样品及样品处理

第二节 实验方法

第四章 岩石地球化学特征

第一节 主量元素

第二节 微量元素

第五章 流体挥发份化学组成特征

第一节 流体挥发份的含量及释气特征

第二节 流体挥发份化学组成

第六章 同位素地球化学

第一节 流体挥发分碳同位素

第二节 稀有气体同位素组成特征

第七章 岩浆起源

第一节 母岩浆的源区

第二节 母岩浆的组成

第三节 母岩浆流体组成与氧化还原性质

第八章 岩浆演化及硫化物熔离控制因素

第一节 岩浆演化

第二节 硫饱和及硫化物熔离控制因素

第九章 北山杂岩体动力学背景

第一节 北山杂岩体的形成时代约束

第二节 北山杂岩体形成环境的岩石地球化学制约

第三节 坡北杂岩体形成的地球动力学背景

第十章 结 论

参考文献

在读期间科学研究及成果

致谢