班公湖-怒江縫合帶東段丁青地幔橄欖巖成因：來自鉆孔ZK02地幔橄欖巖礦物學及地球化學特征約束*

徐向珍 熊發揮 張承杰 陳建 張然 閆金禹 楊經綏,5

1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458

2. 地幔研究中心，自然資源部深地動力學重點實驗室，中國地質科學院地質研究所，北京 100037

3. 中國冶金地質總局第二地質勘查院，福州 350108

4. 河北省地礦局第四地質大隊，承德 067000

5. 南京大學地球科學與工程學院，南京 210023

班公湖-怒江縫合帶是青藏高原一條重要的板塊縫合帶，是羌塘地塊和拉薩地塊拼接的縫合帶(Girardeauetal.，1984；Pearce and Deng，1988；Yin and Harrison，2000)，可能還是岡瓦納大陸的北界(王鴻禎，1983；潘桂棠等，2004)。該縫合帶自西向東延伸超過2000km，從西部的班公湖經改則、東巧、安多向東延伸，然后在丁青向南轉向怒江，通常依照其分布位置，可以劃分為西段(班公湖至改則)、中段(安多至東巧)、東段(丁青至怒江)三部分(王希斌等，1987；Deweyetal.，1988)。該縫合帶是中生代班公湖-怒江洋經歷擴張、俯沖消減、地體拼合后殘留的大洋巖石圈殘片，在建立青藏高原構造格架和恢復青藏高原演化歷史方面具有重要地質意義。

班公湖-怒江縫合帶蛇綠巖研究程度較高，但對于班公湖-怒江洋成因、時代以及演化模式等方面還存在較大爭議，包括以下幾種觀點：(1)關于班公湖-怒江洋盆的打開時間，目前存在晚二疊世-早三疊世(任紀舜和肖黎薇，2004；Panetal.，2012；Zhuetal.，2013；Chenetal.，2017；Zhangetal.，2017)、三疊紀(Kappetal.，2003；Fanetal.，2018)、早侏羅世(邱瑞照等，2004；曲曉明等，2010；宋揚等，2019)和中-晚侏羅世(王希斌等，1987；Zhangetal.，2007；Wangetal.，2008；范建軍等，2019)等多種意見，也有學者在班公湖-怒江縫合帶內發現了古特提斯洋殼的殘余，認為班公湖-怒江縫合帶所代表的中特提斯洋在晚古生代-中生代很可能連續存在(陳玉祿等，2005；潘桂棠等，2020；Panetal.，2012)；(2)對于班公湖-怒江洋盆的俯沖方向以及俯沖時間分歧更大，有人認為它向北往羌塘地塊之下俯沖(Pearce and Deng，1988；Matteetal.，1996；王玉凈等，2002； Kappetal.，2003；曲曉明等，2009)，也有人認為其向南往拉薩地塊之下俯沖(郭鐵鷹等，1991；邱瑞照等，2004；陳玉祿等，2005；朱弟成等，2006；潘桂棠等，2020；Zhongetal.，2018；Yuetal.，2021)，還有人認為它是向南向北雙向俯沖(許榮科等，2007；杜德道等，2011；Panetal.，2012)；而Zhuetal.(2013)則認為班-怒古洋盆 260Ma向南俯沖，210Ma開始雙向俯沖，140Ma左右僅保存南向俯沖, 到晚白堊世洋盆完全關閉。可以看出，前人對班公湖-怒江洋盆的開啟時間和模式、規模、俯沖極性和閉合機制等關鍵構造問題還存在較明顯的分歧。

丁青蛇綠巖位于班公湖-怒江縫合帶的東段，是班公湖-怒江縫合帶中較早開展研究的地區之一(鄭一義，1982)，也是該縫合帶中規模最大的蛇綠巖體，它記錄了班公湖-怒江縫合帶東段不同構造背景、不同時代和多期巖漿演化的重要信息。已有研究包括蛇綠巖的形成年齡、構造環境及丁青蛇綠巖體的劃分等：比如，有人認為丁青蛇綠巖體可能形成于晚三疊世-中侏羅世(李紅生，1988；劉文斌等，2002；王玉凈等，2002；強巴扎西等，2009；林靚，2015；Wangetal.，2016；薄容眾等，2019)；游再平(1997)利用40Ar -39Ar法獲得丁青蛇綠混雜巖中發現的輝長質碎斑糜棱巖塊年齡為197.3±3.3Ma(早侏羅世)，提出其代表丁青蛇綠巖的侵位年齡；前人根據丁青蛇綠巖的巖石地球化學特征，提出其形成于四種不同的構造環境，包括俯沖帶環境(張旗和楊瑞英，1985，1987；劉文斌等，2002)、洋中脊疊加洋島環境(鄒光富，1993；韋振權等，2007)、大洋中脊環境(強巴扎西等，2009)和洋島環境(Wangetal.，2016)。綜上研究可以看到丁青蛇綠巖形成時間、成因及構造演化的復雜性，需要對丁青蛇綠巖的不同組成巖石單元開展一個系統的研究，以獲得對丁青蛇綠巖的形成和演化的完整評價。

為查明丁青蛇綠巖巖體成因，劃分鉻鐵礦成礦異常區，中國冶金地質總局第二地質勘查院在巖體鉻鐵礦礦化點分布較多的位置實施了一口165.19m的鉆孔。除上部約0.5m厚的第四系殘坡積物外，其余均為地幔橄欖巖。鉆孔的實施為我們提供了從深部了解丁青地幔橄欖巖巖性空間展布和成分變化的機會，為研究蛇綠巖巖體地幔橄欖巖成因提供了重要基礎。

本文通過丁青蛇綠巖鉆孔ZK02的系統研究，根據巖相學、礦物學等特征，結合巖石地球化學數據分析，識別巖相的變化規律和分帶性，巖石成分和礦物變化的規律，探討丁青蛇綠巖地幔橄欖巖組合，評價部分熔融過程和熔體-巖石反應，從而獲得丁青蛇綠巖形成期間巖石學過程的新結果，并討論俯沖環境中形成的蛇綠巖地幔橄欖巖占主導地位的部分熔融和熔體-地幔相互作用過程。

1 地質概況

丁青蛇綠巖位于班公湖-怒江縫合帶由東西轉南東方向的彎部，是班公湖-怒江縫合帶中研究歷史較早、研究程度較高的蛇綠巖帶，該蛇綠巖巖石組合出露齊全，包括地幔橄欖巖、堆晶巖、輝長巖和斜長花崗巖，地表出露較多鉻鐵礦礦化點(鄭一義，1982；張旗和楊瑞英，1985，1987；劉文斌等，2002；李永飛和王娟，2005；韋振權等，2007)。

丁青蛇綠巖呈窄帶狀展布，寬約5～10km，長度超過150km，出露面積約550km2，是該縫合帶出露面積最大的蛇綠巖(圖1)。以丁青縣為界，丁青蛇綠巖分為東巖體和西巖體。東巖體分布于丁青縣協雄鄉至類烏齊縣卡瑪多鄉之間，地理坐標： 95°42′00″E～96°33′00″E、31°24′30″N～31°06′00″N。巖體東西長88.5km，南北寬2～6km，最寬部位達8km，面積約400km2。巖體平面形態為一長條帶狀，呈北西西-南東東走向，巖體地表傾向變化較大。巖體東部拉拉卡測區，南界傾向北東，傾角 50°～55°，北界亦傾向北東，傾角 70°～80°；巖體中部角莫龍段南界北傾，傾角30°～45°，北界南傾，傾角 50°～70°。本次鉆孔位置就位于丁青東巖體的拉拉卡測區。

圖1 青藏高原大地構造劃分圖及班公湖-怒江縫合帶內蛇綠巖的分布(a，據Liu et al.，2010)和班公湖-怒江縫合帶東段丁青地幔橄欖巖巖體地質簡圖(b，據薄容眾等，2019)BNS-班公湖-怒江縫合帶；IYS- 印度-雅魯藏布江縫合帶

丁青東蛇綠巖體各單元組合齊全，以方輝橄欖巖為主，少量純橄巖，均發育蛇紋石化；見少量堆晶輝長巖、堆晶輝石巖、輝綠巖、玄武巖、角閃蘇長巖、石英閃長巖、斜長花崗巖、硅質巖等。方輝橄欖巖與兩側地層為構造接觸關系，接觸帶內巖石強烈蝕變，主要為石英菱鎂巖。在丁青東蛇綠巖南部邊界斷層帶內可見方輝橄欖巖巖塊出露在石英菱鎂巖中(圖2a)。極少量的方輝橄欖巖以團塊狀分布于純橄巖中，直徑為數米。方輝橄欖巖野外觀察表面比較粗糙，為黃褐色、暗綠色和黑色等，可見輝石定向排列。丁青蛇綠巖的純橄巖規模較小，野外觀察為土黃色為主，大多蛇紋石化嚴重，可以呈薄殼狀、透鏡狀或條帶狀產出于方輝橄欖巖中。純橄巖與方輝橄欖巖和鉻鐵礦大多直接接觸，可見致密塊狀鉻鐵礦產于純橄巖中(圖2b)。

圖2 丁青蛇綠巖地幔橄欖巖野外露頭照片

2 鉆孔巖性柱及巖相學特征

丁青東蛇綠巖拉拉卡測區ZK02鉆孔進尺共計165.19m，除了鉆孔上部約0.5m厚的第四系殘坡積，巖心的巖性主要有方輝橄欖巖、純橄巖及含浸染狀鉻鐵礦的純橄巖，蛇紋石化蝕變嚴重。

按照巖性的不同初步劃分為17個巖性單元層(圖3)，單元層具體的起始位置及長度以及簡要的巖性特征描述如下。

圖3 班公湖-怒江縫合帶東段丁青地幔橄欖巖鉆孔ZK02巖心柱狀圖

單元層1：巖心起止深度0～0.5m，層厚0.5m，第四系殘坡積物，土黃色、灰綠色，松散結構。見少量灰綠色方輝橄欖巖風化產物。

單元層2：巖心起止深度0.5～2.7m，層厚2.2m，純橄巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。主要成分為橄欖石，顯微鏡下幾乎全蛇紋石化，見星點狀鉻尖晶石。

單元層3：巖心起止深度2.7～9.78m，層厚7.08m，方輝橄欖巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。主要造巖礦物為橄欖石和斜方輝石，蛇紋石化嚴重，偶見單斜輝石。

單元層4：巖心起止深度9.78～18.95m，層厚9.17m，純橄巖，深灰綠色，粒狀鑲嵌結構、碎斑結構。主要由橄欖石組成，灰綠色，他形粒狀，大部分蛇紋石化。

單元層5：巖心起止深度18.95～22.25m，層厚3.3m，方輝橄欖巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。主要由橄欖石和斜方輝石組成，橄欖石為灰綠色，他形粒狀，含量在80%左右；斜方輝石，黑色，灰白色，半自形粒狀，含量在20%左右，蛇紋石化嚴重。

單元層6：巖心起止深度22.25～24.75m，層厚2.5m，純橄巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。主要造巖礦物為橄欖石，灰綠色，他形粒狀，大部分蛇紋石化，含量在95%以上。見少量星點狀細粒鉻尖晶石，含量1%左右。

單元層7：巖心起止深度24.75～72.91m，層厚48.16m，方輝橄欖巖，深灰綠色，碎斑結構。主要由橄欖石和斜方輝石組成，含少量單斜輝石。其中橄欖石為灰綠色，他形粒狀，含量達80%左右，大部分蛇紋石化；輝石為黑色，半自形粒狀，粒徑可達2mm，含量為20%左右。

單元層8：巖心起止深度72.91～83m，層厚10.09m，純橄巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。該層蛇紋石化蝕變嚴重，主要造巖礦物為橄欖石，灰綠色，他形粒狀，含量在95%以上。

單元層9：巖心起止深度83～90.82m，層厚7.82m，方輝橄欖巖，巖心破碎，強蛇紋石化，可見斜方輝石假象和橄欖石殘余顆粒。

單元層10：巖心起止深度90.82～93.75m，層厚2.93m，純橄巖，碎斑結構，中度蛇紋石化，呈網狀結構，橄欖石顆粒破碎，多呈孤島狀。

單元層11：巖心起止深度93.75～126.62m，層厚32.87m，方輝橄欖巖，巖心破碎，中度到強蛇紋石化。橄欖石(60%～70%)沿裂紋和粒間發育蛇紋石化蝕變，斜方輝石約15%～25%，可見少量單斜輝石(1%左右)和鉻尖晶石(0.1～1mm，約1%～4%)。

單元層12：巖心起止深度126.62～131.07m，層厚4.45m，純橄巖，粒狀結構，塊狀構造。主要造巖礦物為橄欖石，蛇紋石化嚴重，可見少量星點狀細粒鉻尖晶石，含量小于1%。裂隙發育，見灰綠色蛇紋石細脈。

單元層13：巖心起止深度131.07～144.54m，層厚13.47m，方輝橄欖巖，粒狀碎斑結構。主要由橄欖石和斜方輝石組成，其中橄欖石為灰綠色，他形粒狀，輝石為半自形粒狀。

單元層14：巖心起止深度144.54～149.65m，層厚5.11m，純橄巖，深灰綠色，粒狀結構，塊狀構造。主要由橄欖石組成，灰綠色，他形粒狀，蛇紋石化蝕變嚴重。見少量星點狀細粒鉻尖晶石。

單元層15：巖心起止深度149.65～152.68m，層厚3.03m，含浸染狀鉻鐵礦純橄巖，碎斑結構，不等粒結構。主要由橄欖石和尖晶石組成，橄欖石蛇紋石蝕變嚴重，浸染狀鉻尖晶石見他形、半自形和自形，粒徑0.1～1.5mm之間。層內發育沿裂隙分布的蛇紋石化蝕變。

單元層16：巖心起止深度152.68～153.9m，層厚1.22m，純橄巖，粒狀鑲嵌結構，碎斑結構。主要由橄欖石和少量尖晶石組成，巖石多沿裂隙脈兩側發育中等至強蛇紋石化蝕變。

單元層17：巖心起止深度153.9～165.19m，層厚11.29m，方輝橄欖巖，該層有不同程度的蛇紋石化蝕變，橄欖石沿裂紋和粒間發育蛇紋石化，見少量單斜輝石和星點狀鉻尖晶石。

丁青鉆孔巖心各巖性巖相學特征如下：

純橄巖 丁青巖體的純橄巖大多以薄殼狀、透鏡狀或條帶狀產出于方輝橄欖巖中，與方輝橄欖巖直接接觸。丁青鉆孔中的純橄巖大多蛇紋石蝕變嚴重，主要由橄欖石組成，顯微鏡下橄欖石顆粒破碎，新鮮橄欖石多呈孤島狀，半自形粒狀，波狀消光，粒徑0.1～0.5mm之間(圖4a)。鉻尖晶石呈星點狀分布，粒徑最大可達1.2mm，邊緣可見磁鐵礦化(圖4b)。本次巖心中的純橄巖未見新鮮單斜輝石。

方輝橄欖巖 丁青鉆孔中的方輝橄欖巖蛇紋石化蝕變嚴重，碎斑結構。其中橄欖石大部分蛇紋石化，見扭折帶和波狀消光，發育碎裂結構，顯微鏡下可見新鮮橄欖石。斜方輝石普遍發生較強的塑性變形，波狀消光，扭折帶發育(圖4c)，粒徑可達3mm，邊緣或者裂隙發育蛇紋石化(圖4d, e)，可見斜方輝石包裹橄欖石和單斜輝石(4f)，大顆粒斜方輝石常出溶針狀單斜輝石。而單斜輝石多以填隙狀分布或以內部出溶體形式存在，或以斜方輝石包裹體形式存在(圖4g, h)，見少量星點狀鉻尖晶石分布在單斜輝石裂隙中或者作為包裹體存在(圖4g)。

圖4 班公湖-怒江縫合帶東段丁青地幔橄欖巖鉆孔ZK02代表性巖心顯微照片

含鉻鐵礦的純橄巖 碎斑結構，產于純橄巖和方輝橄欖巖之間，厚度約3m，由橄欖石和尖晶石組成，橄欖石蛇紋石蝕變嚴重，未見新鮮橄欖石顆粒；浸染狀鉻尖晶石見自形、半自形和他形，粒徑0.1～1.5mm之間。

丁青東蛇綠巖拉拉卡測區ZK02鉆孔巖心整體蝕變嚴重，總的來說，含鉻鐵礦純橄巖蝕變最重，次之為純橄巖，最輕為方輝橄欖巖。在方輝橄欖巖中可見新鮮橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和鉻尖晶石；在純橄巖中僅見新鮮橄欖石和鉻尖晶石；而在含鉻鐵礦的純橄巖中只見新鮮鉻尖晶石，未見新鮮橄欖石顆粒。

3 分析方法

本文精選丁青鉆孔ZK02中的26件地幔橄欖巖樣品進行了礦物電子探針和全巖地球化學分析。在顯微鏡下進行巖相學觀察后，選擇新鮮礦物進行電子探針成分測試，測試在東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室完成。儀器為JEOL-JXA8530F型，工作條件如下：工作電壓15kV，加速電流20nA，電子束斑直徑2μm。所有測試數據均采用ZAF程序進行校正處理。

在國家地質實驗測試中心完成全巖地球化學分析，其中主量元素是用熔片X-射線熒光光譜法(XRF)測定，并用化學法和等離子光譜法互檢；稀土元素和鉑族元素用ICP-MS法測定；除稀土元素外的微量元素用熔片XRF和酸溶等離子質譜(ICP-MS)法測定。為了保證分析質量，同時分析2個國家標準樣(GSR3和GSR5)和3個平行樣品。

4 分析結果

4.1 地幔橄欖巖礦物化學特征

對丁青東蛇綠巖巖體拉拉卡測區ZK02鉆孔中的主要巖性方輝橄欖巖和純橄巖中的橄欖石、輝石和鉻尖晶石等礦物進行了詳細的電子探針成分研究，分析結果如下。

4.1.1 橄欖石

共分析方輝橄欖巖和純橄巖中8個樣品的54個橄欖石電子探針成分，代表性樣品的分析結果見表1。數據顯示橄欖石均屬于鎂橄欖石，Fo值變化于88.79～93.73，其中純橄巖的橄欖石Fo值變化在88.79～91.5之間，平均為89.55，而方輝橄欖巖中的橄欖石Fo值比純橄巖變化范圍更大，在90.15～93.73，平均值為92.25。橄欖石的Fo值越大，代表其熔融程度越高(Dick and Natland，1995)，丁青鉆孔巖心兩種地幔橄欖巖的橄欖石Fo值呈連續變化(圖5、表1)。

圖5 西藏丁青鉆孔巖心不同巖相中橄欖石的成分圖解

表1 丁青地幔橄欖巖中代表性樣品的橄欖石電子探針分析結果(wt%)

此外純橄巖中的橄欖石NiO含量為0.28%～0.4%、平均值為0.33%，MnO含量為0.13%～0.21%、平均值為0.16%。而方輝橄欖巖中的橄欖石NiO含量為0.32%～0.4%、平均值為0.37%，MnO含量為0.07%～0.15%、平均值為0.11%。可見兩種巖性中橄欖石的NiO含量比較接近，Fo值與NiO呈正相關，而Fo值與MnO呈負相關(圖5)。NiO、MnO等組分在不同巖相中的分布差異性可能說明其形成條件的不同，這與丁青地幔橄欖巖的演化過程相關。

4.1.2 輝石

輝石常在各巖相帶中均有分布，丁青東巖體拉拉卡鉆孔ZK02巖心蝕變嚴重，本次工作只在方輝橄欖巖中見到新鮮的斜方輝石和單斜輝石，共獲得5個樣品的37個斜方輝石探針數據，代表性樣品的電子探針分析結果見表2，其成分En端員的含量變化于87.02～91.68，平均值為90.38，為頑火輝石。斜方輝石成分顯示NiO含量很低，大多為0.06%～0.12%，Cr2O3含量為0.27%～1.03%。而Al2O3含量變化范圍較寬，在1.02%～3.18%之間，平均值為1.89%。斜方輝石中的Al2O3含量可作為部分熔融程度的標志，Al2O3含量越低，表明其熔融程度也越大(Dick，1977)，而低Al2O3含量和高Mg#特征意味著丁青地幔橄欖巖經歷了較高程度的部分熔融(Dick and Bullen，1984)。

表2 丁青方輝橄欖巖中代表性樣品的斜方輝石電子探針分析結果(wt%)

本巖心可見新鮮單斜輝石很少，共獲得3個樣品的34個單斜輝石探針數據，表3列出了代表性樣品的分析結果，其成分En端員的含量變化于49.78～51.85，主要為透輝石，整體主要以高鈣(22.33%～25.68%)、低鋁(0.26%～2.34%)、高Mg#(93.57～96.12)為特征。

表3 丁青方輝橄欖巖中代表性樣品的單斜輝石電子探針分析結果(wt%)

從Mg#-Al2O3成分演化圖解上來看(圖6)，方輝橄欖巖中的Al2O3與Mg#呈負相關關系，位于熔融趨勢線上。

圖6 西藏丁青鉆孔巖心方輝橄欖巖中輝石的成分圖解

4.1.3 鉻尖晶石

副礦物鉻尖晶石在純橄巖和方輝橄欖巖中普遍存在，但含量低，不均勻零星分布，一般小于5%，邊緣部分大多發生磁鐵礦化。本文分析了不同巖相中的67個鉻尖晶石的化學成分，代表性結果見表4。

表4 丁青地幔橄欖巖中代表性樣品的鉻尖晶石電子探針分析結果(wt%)

結果顯示各巖相單元中鉻尖晶石的Cr2O3含量為35.97%～63.5%、平均值為51.31%，Al2O3含量為9.41%～30.31%、平均值為18.87%。鉻尖晶石的Cr#值在44.33～81.66之間，其中純橄巖中的鉻尖晶石Cr#值變化于44.33～75.29，平均值為55.86；含鉻鐵礦的純橄巖中的鉻尖晶石Cr#值非常集中，在81.1～81.66之間；而方輝橄欖巖中Cr#值變化于48.6～75.06，平均值為59.75。純橄巖和方輝橄欖巖的Cr#值變化范圍相似，大多都落入弧前地幔橄欖巖區域中，鉻尖晶石的Cr#值與Mg#呈負相關性，與阿爾卑斯型超鎂鐵巖特征相似，即Cr#值隨Mg#值升高隨之降低(Leblanc，1980)，而含鉻鐵礦的純橄巖落入玻安巖區域中(圖7a)。

圖7 丁青鉆孔地幔橄欖巖巖心不同巖相尖晶石成分圖解

在尖晶石TiO2與Cr#的對比圖(圖7b)中，丁青純橄巖和方輝橄欖巖的數據接近或與部分熔融曲線部分重疊，部分熔融程度為20%以上。純橄巖的NiO的含量稍高于方輝橄欖巖中的NiO含量，并呈不明顯減少的趨勢(圖7c)。

通過研究共生礦物組合的化學成分相互關系，可對其形成的大地構造背景、部分熔融程度等提供依據(Dick and Bullen，1984；Arai，1994；Pearceetal.，2000)。將丁青地幔橄欖巖中尖晶石 Cr#值與其共生的橄欖石的Fo值進行投圖(圖7d)，可以看出丁青方輝橄欖巖可能經歷了約20%～40%的部分熔融，其成分特征與橄欖石-尖晶石地幔序列(OSMA)中的弧前地幔橄欖巖相似。

4.2 地幔橄欖巖全巖地球化學特征

此次全巖地球化學分析包括：8件純橄巖、1件含鉻鐵礦的純橄巖和17件方輝橄欖巖。其主量元素和微量元素代表性成分見表5。

4.2.1 主量元素

在顯微鏡觀察的基礎上，盡量選擇蝕變較弱的樣品進行地球化學分析。但丁青鉆孔巖心整體蝕變比較嚴重，燒失量在12.11%～20.35%之間，為消除蝕變的影響，扣除燒失量之后對主量元素結果再進行歸一化，下面依據歸一化后的“干”成分進行討論(表5)。計算后的純橄巖SiO2含量為39.63%～41.94%，Al2O3含量為0.19%～0.87%，CaO含量為0.30%～0.45%，Fe2O3含量為8.8%～12.4%，FeO的含量為3.53%～4.4%，MgO的含量為46.64%～49.45%，從上可以看出純橄巖的成分比較穩定，屬于高鎂型地幔橄欖巖；計算后的含鉻鐵礦純橄巖SiO2含量為38.22%，Al2O3含量為1.37%，CaO含量為0.54%，Fe2O3含量為10.76%，FeO的含量為4.35%，MgO的含量為49.06%；計算后的方輝橄欖巖SiO2含量為39.64%～44.84%，Al2O3含量為0.27%～0.83%，CaO含量為0.28%～0.7%，Fe2O3含量為7.52%～11.11%，FeO的含量為1.84%～4.42%，MgO的含量為45.98%～49.16%，成分類似于純橄巖。

丁青地幔橄欖巖中的CaO含量很低(0.28%～0.70%)，這與在巖心中少見單斜輝石的現象相一致。巖心均富鎂貧鋁，MgO值位于45.98%～49.45%之間，Al2O3位于0.19%～1.37%之間。TiO2含量極低，為≤0.01%，這一特征與阿爾卑斯地區的蛇綠巖相似(Melcheretal.，2002)。

將丁青鉆孔地幔橄欖巖的主量元素對MgO含量進行投圖，發現丁青MgO含量顯著高于原始地幔，而其易熔組分SiO2、CaO、TiO2和Al2O3的含量明顯低于原始地幔，并與MgO含量呈負相關性(圖8)。對比于深海型地幔橄欖巖和俯沖型地幔橄欖巖，丁青鉆孔兩種巖性均落于俯沖型地幔橄欖巖區域中。在圖8c上可以看出丁青地幔橄欖巖的部分熔融程度較高，為26%～35%之間，并且純橄巖和方輝橄欖巖近乎重疊，這說明丁青蛇綠巖體具較高的地幔部分熔融程度，這與獅泉河蛇綠巖體的特征比較相似(邱瑞照等，2005)。

圖8 丁青鉆孔不同巖性的全巖成分Harker圖解

4.2.2 稀土元素

26件丁青鉆孔巖心的地幔橄欖巖中的稀土元素總豐度(∑REE)極低為0.07×10-6～0.71×10-6，遠低于原始地幔的含量，表明發生了明顯的虧損，可能是由于高度的部分熔融導致(表5)。

表5 丁青鉆孔巖心地幔橄欖巖全巖地球化學分析數據(主量元素：wt%；稀土和微量元素：×10-6)

續表5

純橄巖中的LREE/HREE=2.81～12.19，(La/Yb)N為2.26～12.31，(La/Sm)N為0.91～14.99，(Ce/Yb)N為1.74～8.01；含鉻鐵礦的純橄巖的LREE/HREE=2.01，(La/Yb)N為0.8，(La/Sm)N為0.99，(Ce/Yb)N為0.79；方輝橄欖巖樣品除ZK02.63.01數值比較高以外，其他16個樣品比較接近，LREE/HREE=1.67～6.09，(La/Yb)N為1.04～6.83，(La/Sm)N為1.85～6.69，(Ce/Yb)N為0.69～24.92。

地幔橄欖巖原始地幔(McDonough and Sun，1995)標準化的稀土元素配分模式近似為“V”或“U”型(圖9a)，LREE均富集型，富集程度稍有差異，純橄巖的δEu=0.26～1.53，含鉻鐵礦純橄巖的δEu值是0.66，而方輝橄欖巖的δEu=0.02～2.6，Eu從虧損到富集均有且不強烈，說明后期改造不強。

圖9 丁青鉆孔地幔橄欖巖的原始地幔標準化稀土元素配分模式圖(原始地幔值據McDonough and Sun，1995)

丁青鉆孔地幔橄欖巖的稀土元素配分模式與阿爾卑斯橄欖巖的稀土配分模式明顯不同，后者為輕稀土虧損型(Dymeketal.，1988)。而丁青鉆孔地幔橄欖巖稀土輕稀土富集，且稀土元素總量低。結合主量元素MgO含量高，推測巖體后期可能發生地幔交代作用(邱瑞照等，2005)。

4.2.3 微量元素

蛇紋石化蝕變通常會影響微量元素含量的變化，而微量元素的低含量會影響分析精度(楊經綏等，2008)。在MgO與含量相對較高的Cr、Ni和Co等微量元素的豐度變異圖上(圖8)，可以看出它們的含量與MgO具正相關性，Cr、Ni和Co含量高，且高于原始地幔值，分別為1842×10-6～39632×10-6、2030×10-6～3430×10-6和91×10-6～144 ×10-6(表5，圖8d-f)，說明這些元素可能不受蛇紋石化的影響；而大離子親石元素Rb(0.08×10-6～1.39×10-6)和Ba(0.52×10-6～12.79×10-6)等含量較低(表5)，與世界典型蛇綠巖相似，反映了地幔殘留巖石的特征(張旗和周國慶，2001)。

丁青鉆孔地幔橄欖巖微量元素總體顯示一個左高右低的斜坡特征(圖10)，其中指示俯沖帶殼源流體作用的大離子親石元素富集；另外半數高場強元素虧損，如Nb、La、Nd；而半數高場強元素相對富集，如Ta、Ce、U，表明丁青地幔橄欖巖具虧損地幔源區的特點，也參與了不同程度的俯沖帶流體交代作用。

圖10 丁青鉆孔地幔橄欖巖的原始地幔標準化微量元素蛛網圖(原始地幔值據McDonough and Sun，1995)

4.2.4 鉑族元素

PGE是鉑族元素(Platinum-group elements)的簡稱，包括元素Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt，長期作為重要的金屬資源進行研究(Keays and Davison，1976；Naldrett and Duke，1980)。PGE是高度的親鐵元素，在地球演化的初期PGE富集在地核，而在地殼和地幔中含量極低，往往低于一般檢測限的下線(Borisovetal.，1994)。Garutietal.(1997)認為地表出露的富含PGE的巖石，主要源于地幔，經歷殼幔相互作用后進入地殼，并有可能產生PGE的分異，故PGE已成為研究地球深部地幔過程的一種重要手段。根據元素組合，PGE可以分成兩個亞組：Ir亞組(即IPGE：Os、Ir和Ru)和Pd亞組(即PPGE：Rh、Pt和Pd)。對丁青鉆孔巖心地幔橄欖巖的26件鉑族元素進行地球化學分析(表6)，顯示含鉻鐵礦純橄巖的PGE總量最高為168.4×10-9，純橄巖的PGE總量相對較低，為12.8×10-6～52.38×10-9，而方輝橄欖巖的PGE總量除樣品ZK02.54.01較高為116.51×10-9，其余為9.56×10-6～48.7×10-9。

表6 丁青鉆孔巖心地幔橄欖巖鉑族元素全巖地球化學分析數據(×10-9)

從圖11和圖12中表明丁青方輝橄欖巖和純橄巖的鉑族元素特征基礎近似于原始地幔，含鉻鐵礦的純橄巖鉑族元素特征與原始地幔有較大差異。含鉻鐵礦的純橄巖中Pd/Ir=2.72，Pt/Pd=2.14，純橄巖中的Pd/Ir=0.27～20.14，Pt/Pd=0.41～4.1，而方輝橄欖巖中Pd/Ir=0.17～12.72，Pt/Pd=0.43～15.89，Pd/Ir與Pt/Pd呈負相關性，多數低于原始地幔值，少量高于原始地幔值(圖12)。對丁青地幔橄欖巖的原始地幔標準化顯示(McDonough and Sun，1995)，部分純橄巖和方輝橄欖巖的IPGE與原始地幔相同，PPGE低于原始地幔而呈現右傾的特征；部分純橄巖和方輝橄欖巖尤其是含鉻鐵礦純橄巖的鉑族元素特征與此相反，PPGE含量高于IPGE含量，呈現左傾特征。

圖11 丁青鉆孔地幔橄欖巖的原始地幔標準化鉑族元素圖(原始地幔值據McDonough and Sun，1995)

5 討論

5.1 丁青地幔橄欖巖的原始巖漿特征及成因

基于鉻尖晶石中Al2O3含量僅為母熔體中Al2O3含量函數的假設，利用鉻尖晶石的主要成分可以來計算鉻尖晶石結晶的母體熔體的成分和熔體的FeO/MgO比(Maurel and Maurel，1982；Mondaletal.，2006)。公式如下：

(1)

(2)

結果表明，純橄巖、含鉻鐵礦純橄巖和方輝橄欖巖結晶所用熔體的Al2O3(液態)含量分別為11.48%～16.36%、10.09%～10.29%和11.23%～16.29%，相對應的FeO/MgO值分別為1.39～2.06、1.75～1.82和1.03～5.49。

Mondaletal.(2006)認為由于玻安質巖漿的高Cr和水含量使得大量富Cr尖晶石形成。將計算的母巖漿成分與來自不同構造環境的原始巖漿成分進行比較，發現它們都落在玻安巖和洋中脊玄武巖區域中(圖13a)。

地幔氧逸度是制約幔源巖漿巖演化的關鍵變量。從低氧化狀態到高氧化狀態上地幔fO2顯示大規模非均質性，主要受再循環過程和氧化地殼物質加入到中度還原環境下控制(Ballhausetal.，1991)。已發現俯沖帶上的地幔楔比其它構造環境中的地幔更富氧(Ballhausetal.，1990；Parkinson and Arculus，1999)。豆莢狀鉻鐵礦及圍巖地幔橄欖巖為地幔中發生的深層物理和化學過程提供了直接證據。因此，對這些巖石利用熱力學數據獲得的氧逸度fO2數據，可以來確定巖石圈地幔的氧化還原條件。

對于某一特定的氧化還原反應，體系的氧逸度與溫度和壓力密切相關。溫度和壓力固定時，該氧化還原反應所限定的氧逸度也固定，這樣的氧化還原反應又被稱作氧逸度緩沖對。對同一個氧逸度緩沖對而言，體系的氧逸度與溫度密切相關,表明拋開溫度單獨談氧逸度是沒有意義的，因此本文使用相對氧逸度來消除氧逸度比較中樣品的溫度差異所帶來的不便。

經過前人不斷研究，利用橄欖巖中共存的橄欖石、斜方輝石和鉻尖晶石(Mg-Fe交換)溫度計，可以很容易地估算形成豆莢狀鉻鐵礦及其共生橄欖巖的巖漿系統的氧逸度fO2(O’Neill and Wall，1987；Ballhausetal.，1990，1991；Sack and Ghiosro，1991)。由于丁青鉆孔巖心中純橄巖和方輝橄欖巖中的斜方輝石含量很少，以及含鉻鐵礦純橄巖的強蛇紋石化，本文將利用共存的橄欖石和鉻尖晶石對的電子探針成分來估算丁青鉆孔中的純橄巖和方輝橄欖巖的地幔氧逸度(fO2)(表7)(Ballhausetal.，1990，1991；Sack and Ghiosro，1991)。公式如下：

(3)

fO2值以相對于FMQ(橄鐵鋁石-磁鐵礦-石英)緩沖對單位表示，其中ΔlogfO2(FMQ)表示給定溫度和壓力條件下，實際氧逸度與FMQ緩沖對所代表的氧逸度之間的差值。對比于MOR和SSZ構造背景的火山巖，地幔橄欖巖中鉻尖晶石的Cr#值與ΔlogfO2(FMQ)呈現明顯不同的構造區間(Parkinson and Pearce，1998；Pearceetal.，2000；Dareetal.，2009)。結果顯示丁青鉆孔巖心中純橄巖氧逸度整體介于FMQ=-3.05～-0.71，而方輝橄欖巖氧逸度整體介于FMQ=-3.89～+1.47(圖13b；表7)。可以看出丁青鉆孔巖心中的純橄巖和方輝橄欖巖都記錄了不同程度的氧化作用，其氧化作用或多或少與大洋島弧橄欖巖的氧化狀態一致，并且與俯沖帶環境中地幔楔的氧化狀態相同(Parkinson and Arculus，1999；Pearceetal.，2000)。同樣值得注意的是，純橄巖和方輝橄欖巖中鉻尖晶石的fO2值落于洋中脊地幔-俯沖帶巖漿相互作用帶上，這種現象被解釋為方輝橄欖巖熔體(記錄洋中脊或弧后盆地特征)和俯沖帶熔體(記錄較高fO2值)之間相互作用的結果(Parkinson and Pearce，1998；Dareetal.，2009；Uysaletal.，2012，2017)。

表7 與丁青鉆孔巖心地幔橄欖巖平衡的母熔體的FeO/MgO、Al2O3(wt%)和ΔlogfO2(FMQ)含量范圍

圖13 丁青鉆孔巖心地幔橄欖巖計算的(FeO/MgO)熔體-Al2O3熔體圖解(a，據Barnes and Roeder，2001)和氧逸度ΔlogfO2(FMQ)-尖晶石Cr#值圖解(b，據Parkinson and Pearce，1998；Dare et al.，2009)

丁青鉆孔巖心中純橄巖和方輝橄欖巖的橄欖石Fo值有一定差異(圖5)，Fo值變化于88.79～93.73，橄欖石的Fo值越高代表部分熔融程度越高(Dick and Natland，1995)。斜方輝石的Al2O3含量低，在1.02%～3.18%之間，低Al2O3含量和高Mg#特征意味著丁青地幔橄欖巖經歷了較高程度的部分熔融(Dick，1977；Dick and Bullen，1984)。單斜輝石被認為是快速消耗的礦物，至少在尖晶石相二輝橄欖巖中是這樣(Jaquesand Green，1980)，地幔橄欖巖中單斜輝石的比例越低代表此巖石發生部分熔融的程度越高(Dick and Bullen，1984；Kostopoulos，1991)。丁青鉆孔中方輝橄欖巖極少見新鮮單斜輝石，而純橄巖和含鉻鐵礦純橄巖中不含新鮮單斜輝石，指示丁青地幔橄欖巖總體部分熔融程度較高，與含水熔融實驗一致(Gaetani and Grove，1998)。從尖晶石成分圖解中可以看出丁青地幔橄欖巖可能經歷了約20%～40%的部分熔融作用(圖7)。

地幔橄欖巖中MgO含量高低代表其地幔虧損程度或部分熔融程度，MgO含量越高，CaO、Al2O3和SiO2等易熔組分含量越低，說明其部分熔融程度越高(Coleman，1977；Nicolas and Prinzhofer，1983；Hartmann and Wedepohl，1993)。從丁青鉆孔巖心中主要組成巖石類型方輝橄欖巖和純橄巖的MgO和Al2O3含量來看(圖8c)，丁青地幔橄欖巖應經歷了大于25%以上的中高程度部分熔融作用，這與鉻鐵礦成分圖解解釋相一致。

此外，丁青鉆孔巖心中各巖相的Pt/Pd=0.41～15.89，Pd/Ir=0.17～20.14，其中含鉻鐵礦的純橄巖中Pd/Ir=2.72，Pt/Pd=2.14，純橄巖中的Pd/Ir=0.27～20.14，Pt/Pd=0.41～4.1，而方輝橄欖巖中Pd/Ir=0.17～12.72，Pt/Pd=0.43～15.89，且Pd/Ir與Pt/Pd呈負相關性，大多低于原始地幔值(圖12c)。這可能是由于地幔橄欖巖及鉻鐵礦中Ir、Pd分配系數要高于Pt(Borisovetal.，1994)。對丁青鉆孔巖心中的地幔橄欖巖原始地幔標準化顯示(McDonough and Sun，1995)，部分純橄巖和方輝橄欖巖的鉑族元素特征基本類似于原始地幔，后期巖漿作用或部分熔融作用不明顯，與已報道的蛇綠巖中的地幔橄欖巖特征相似(Talkington and Watkinson，1986；Zhouetal.，1998)。

5.2 丁青蛇綠巖的構造環境

隨著蛇綠巖研究程度的不斷深入，Pearceetal.(1984)將蛇綠巖分為洋中脊(MOR)型和俯沖帶(SSZ)型。而在造山帶中出露的蛇綠巖非常復雜，并非僅單一的某種形式(Dick and Bullen，1984；王希斌等，1995)。目前，有關班公湖-怒江縫合帶東段丁青蛇綠巖形成的構造環境還存在明顯分歧，如在丁青東巖體發現玻鎂安山巖類，認為它產生于洋內消減帶之上的弧前環境(張旗和楊瑞英，1985，1987；劉文斌等，2002；邱瑞照等，2005)；另外也有學者提出洋中脊疊加洋島環境(鄒光富，1993；韋振權等，2007)、大洋中脊環境(強巴扎西等，2009)和洋島環境(Wangetal.，2016)。

由于橄欖石和熔體之間的平衡伴隨水的加入能保持不變(Gaetani and Grove，1998)，因此橄欖石的Fo成分可以揭示地幔橄欖巖經歷的部分熔融程度。丁青鉆孔巖心中的地幔橄欖巖含有不同數量鉻尖晶石和高鎂橄欖石(Fo88.79-93.73)，經歷了不同程度的部分熔融(圖5)。斜方輝石以低Al2O3含量為特征，與這些礦物平衡的尖晶石顆粒具有高Cr#值，丁青鉆孔巖心中方輝橄欖巖中的斜方輝石和單斜輝石均落入弧前地幔橄欖巖區域中(圖6；Pagéetal.，2008)。丁青地幔橄欖巖中尖晶石的Cr#值與橄欖石Fo值之間的相關性遵循典型的橄欖石-尖晶石地幔序列(Arai，1994)，方輝橄欖巖和純橄巖均落入弧前地幔橄欖巖成分區域中(圖7d)。

根據橄欖巖熔融反應和鉻鐵礦礦物化學的證據，我們認為丁青地幔橄欖巖發生過與玻安質巖漿有關的流體交代事件。在巖漿條件下，尖晶石的Mg#和Al2O3含量是尖晶石結晶時熔體中Mg#值和Al2O3含量的函數，因此尖晶石的Al2O3含量取決于熔體的成分(Kamenetskyetal.，2001)。根據鉻尖晶石成分及其FeO/MgO比率可以確定母體熔體中的Al2O3和TiO2含量(Kamenetskyetal.，2001)。丁青地幔橄欖巖中的鉻尖晶石具高Cr#值和低Al2O3、TiO2含量，通常與保存在島弧中的鉻鐵礦相關。在鉻尖晶石的Mg#-Cr#和TiO2-Cr#圖解中(圖7a，7b)，含鉻鐵礦的純橄巖均落入玻安巖中，這可能是高溫熔體地幔交代成因(Batanovaetal.，1998)，也可能為玻安質熔體與方輝橄欖巖反應的結果(Zhouetal.，1996)。

此外，丁青鉆孔巖心中方輝橄欖巖的斜方輝石呈現Al2O3含量與Mg#值呈弱負相關性，Al2O3與Cr2O3呈正相關性(圖6a, b)。單斜輝石也顯示顯著的部分熔融趨勢，Mg#值和Al2O3呈明顯負相關性(表3、圖6c)。結合斜方輝石極低的CaO含量(≤2.67%)表明至少在部分熔融的后期階段單斜輝石不飽和。在部分熔融過程中，作為相容元素的Cr2O3從斜方輝石中萃取出來導致單斜輝石中含較高的Cr2O3。丁青巖心中橄欖石的Fo值為88.79～93.73，與殘余地幔橄欖巖中橄欖石相似(Takahashi，1986)。相比于正常地幔橄欖巖中的橄欖石有更高的NiO含量，認為高NiO含量的橄欖石可能是巖石-熔體反應的結果(圖5a，Ishimaru and Arai，2008)。Kelemenetal.(1998)還觀察到橄欖石Ni的含量和斜方輝石的含量有正相關性。在SSZ環境中的熔體或富H2O-SiO2流體的滲透作用，形成富NiO的橄欖石(Nakamura and Kushiro，1974)。在橄欖石的Fo-NiO和Fo-MnO圖解中顯示并不在部分熔融趨勢線上(圖5)，目前尚不清晰這種富Ni的流體來源。

另外從圖6-圖8可知丁青鉆孔巖心中地幔橄欖巖多落入弧前地幔橄欖巖或俯沖型地幔橄欖巖區域中，部分熔融程度較高達～30%，巖石/熔體的相互作用明顯。與其對應的是不同巖相間氧逸度值也主要落于洋中脊地幔-俯沖帶巖漿相互作用帶上(圖13b)。

丁青鉆孔巖心中地幔橄欖巖的稀土元素總豐度(∑REE)極低為0.07×10-6～0.71×10-6，遠低于原始地幔的含量，顯然是當部分熔融程度較大時，富含稀土元素的主要礦物相已全部進入熔體，從而導致了稀土元素總量較低的現象。丁青鉆孔巖石組合研究表明方輝橄欖巖和純橄巖為熔融程度較高的上地幔熔融殘余物質，應該虧損稀土元素，而丁青鉆孔中的地幔橄欖巖均顯示輕稀土富集，可能的解釋是后期發生地幔交代作用(邱瑞照等，2005)。因此結合巖石組合及其全巖地球化學特征，推測丁青鉆孔巖心中的方輝橄欖巖和純橄巖先經歷了較強的部分熔融，后經歷了俯沖消減過程中的流體交代，導致輕稀土元素富集。

在對丁青蛇綠巖中出露的玄武巖、輝長巖和輝綠巖進行詳細的巖相學和地球化學研究后，提出玄武巖形成于洋島環境，輝長巖形成于大陸邊緣裂谷環境，而輝綠巖兼具N-MORB和E-MORB的特征，形成于弧后擴張脊環境(薄容眾等，2019)。

前人(張旗和楊瑞英，1987；劉文斌等，2002)通過對丁青東巖體中輝長巖、輝綠巖及斜長花崗巖的地球化學特征進行分析，認為丁青東巖體形成于俯沖帶之上的弧前環境。本文通過丁青鉆孔巖心的研究，同樣驗證了丁青東巖體可能形成于俯沖帶之上的弧前環境這一觀點，這不同于雅魯藏布江縫合帶普蘭、當窮、羅布莎巖體，后者被認為形成于MOR和SSZ兩種構造環境(Liuetal.，2010；Xuetal.，2011，2019；徐向珍等，2011；Lietal.，2015；Xiongetal.，2020)。

6 結論

(1)丁青鉆孔巖心中的地幔橄欖巖以方輝橄欖巖為主，含少量的純橄巖和含鉻鐵礦純橄巖。巖石化學具有富鎂、貧鋁和貧鈣特點，屬于熔融程度較高的地幔殘余物質。巖石具有明顯不同于阿爾卑斯蛇綠巖的輕稀土元素富集特點，說明丁青地幔橄欖巖先經歷了較強程度的部分熔融，后經歷了俯沖消減過程中的流體交代。

(2)丁青鉆孔地幔橄欖巖的礦物學分析數據揭示丁青方輝橄欖巖可能經歷了約20%～40%的部分熔融。由于熔融-巖石反應，尖晶石的成分有從地幔部分熔融殘余成分端元向玻安巖成分端元演化的趨勢。

(3)丁青鉆孔巖心中地幔橄欖巖的鉻尖晶石成分計算不同巖性對應的母熔體Al2O3含量分別為11.48%～16.36%(純橄巖)、10.09%～10.29%(含鉻鐵礦的純橄巖)和11.23%～16.29%(方輝橄欖巖)，對應的FeO/MgO值分別為1.39～2.06、1.75～1.82和1.03～5.49，與不同構造環境原始巖漿成分相比較，發現丁青地幔橄欖巖大多處于玻安巖范圍。

(4)丁青鉆孔巖心中純橄巖氧逸度整體介于FMQ=-3.05～-0.71，方輝橄欖巖氧逸度整體介于FMQ=-3.89～+1.47，與其對應的是不同巖相間氧逸度值主要落于洋中脊地幔-俯沖帶巖漿相互作用帶上，可能指示了俯沖帶之上的弧前環境。

致謝東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室李凱旋老師協助完成了礦物電子探針分析測試；東華理工大學郭國林教授和中國地質大學(武漢)張鵬飛教授認真審閱了本文并提出了寶貴的修改意見；在此一并表示感謝！