球状岩石（orbicular）指具有球状构造的岩石总称，因其独特的结构构造、形态、形成机理及稀有性而备受关注.构造特征表现为不同结构、不同矿物组成的同心壳层围绕中心核有规律地排列.自Von Buch 于1802 年发现并命名以来^[1]，因其漂亮的构造、美丽和出露稀少而被视为“地质上珍品”^[1-3].目前全球报道的球状岩仅100 余处，包括火成岩、变质岩和混合岩^[1]，花岗岩、花岗片麻岩和混合岩约占40%，闪长岩约占27%，辉长岩约占11%.中国球状岩石的出露更稀少，目前仅有3 处报道：浙江石角超镁铁质球状岩石^[3]、河北滦平球状闪长岩^[4-6]及湖北黄陵球状花岗闪长岩^[7].最近，笔者所在团队在内蒙古乌拉盖苏木一带开展综合地质调研时，在晚侏罗世微细粒少斑状正长岩岩株中识别出一套球状酸性浅成岩组合类型，即球状碱性流纹斑岩和球状微细粒花岗岩，这是中国第4 例球状岩报道，也是首例浅成球状碱性流纹斑岩和球状微细粒花岗岩组合为特征的球状岩，为中国球状岩增添了新的成员和研究基地.

1.   地质背景与产出状况

乌拉盖苏木一带中奥陶世石英闪长岩体岩性以中细粒黑云母石英闪长岩为主，局部见闪长岩，常见其被晚期的闪长玢岩脉和花岗岩、正长岩脉或岩柱穿侵^①.此次新发现的球状碱性流纹斑岩和球状微细粒花岗岩组合产自侵入中奥陶世石英闪长岩体的晚侏罗世微细粒少斑状正长岩岩株中.地理位置位于内蒙古东乌珠穆沁旗乌拉盖苏木北西约15km 处，大地构造位置处于多宝山岛弧南西段，贺根山-黑河构造带北侧附近（图 1），中生代隶属于大兴安岭火山岩带西南坡.球状岩出露面积小，近南北向带状展布，断续延伸近100m, 宽10~50m, 面积约1000km².球状岩岩石宏观色率偏深，类似中基性岩类；岩石类型打破以往单一性的特点，由球状（粒）碱性流纹斑岩、球粒微细粒文象花岗岩和球粒微细粒钠闪石花岗岩组成，具不同类型的球状构造；周围的主岩为微细粒少斑状正长岩，呈岩株状产出.球状岩出露区的南侧球状体较多，且球体形态明显较大（图版Ⅰ-a~i）；向北侧与中奥陶世石英闪长岩接触部位球状体不清晰且明显偏小（图版Ⅰ-j）.

① ① 内蒙古自治区国土资源厅.1∶25 万区域地质调查报告( 新庙幅).2008.

图  1  乌拉盖苏木地区地质略图及球状岩出露位置

1—下奥陶统铜山组；2—上志留统卧都河组；3—上石炭统-下二叠统宝力高庙组；4—中侏罗统塔木兰沟组；5—上侏罗统满克头鄂博组；6—上侏罗统玛尼吐组；7—上新统百岔河组；8—上新统五岔沟组；9—上更新统；10—全新统；11—中奥陶世石英闪长岩；12—下二叠统石英闪长岩；13—晚侏罗世黑云母正长花岗岩；14—晚侏罗世少斑状正长岩；15—晚侏罗世花岗斑岩；16—地质界线；17—推测断层；18—球状岩产出位置

Figure  1.  Geological sketch map of Wulagaisumu area, showing the position of the exposed orbicular rocks

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  图版Ⅰ  a.灰紫色单壳层球粒流纹斑岩；b.肉红色单壳层球粒流纹斑岩；c.浅灰绿色单壳层球状流纹斑岩；d.深灰色多壳层球状流纹斑岩；e.灰绿色多壳层球状流纹斑岩；f.多壳层球状流纹斑岩中扁豆状球状体；g.单壳层球状流纹斑岩过渡为球粒流纹斑岩；h.肉红色无明显壳层球粒文像花岗岩；i.灰紫色无明显壳层球粒钠闪石花岗岩；j.灰紫色、灰白色球粒流纹岩(球粒稀疏偏小)

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2.   岩相学特征

岩体主要由球状流纹斑岩、球粒微细粒花岗岩和主岩三部分组成.

2.1   球状流纹斑岩

根据壳层结构、球状体大小等，可划分为无壳层球粒碱性流纹斑岩、单壳层球状碱性流纹斑岩和多壳层球状碱性流纹斑岩.

2.1.1   无壳层球粒碱性流纹斑岩

岩石呈深灰色、灰紫色、肉红色等，由球粒和球间基质组成，球粒含量为50%~95%，直径多集中在0.5~2mm 之间，球粒定向排列呈流动构造.依据球粒、球间基质特征等可划分为2 种类型.

（1） 岩石呈深灰色、灰紫色.球粒呈深灰色、灰紫色（图版Ⅰ-a），含量为50%~90%，球粒形态不规则，呈团块状，部分与基质相互穿插，界线不清晰，球粒体由暗色纤维及长英质隐晶集合体组成，大部分暗色纤维呈放射状排列，球粒无核心，呈扇形消光；大部分球粒体不具有层圈构造，少量球粒内部暗色纤维呈放射状或扇形分布，边缘沿切向分布，隐约显示层圈构造（图版Ⅱ-a）.球间基质呈浅灰褐色，显微文象嵌晶结构，由长英质隐晶集合体或嵌有较自形长柱状碱性长石微晶的文象体组成，少见细小他形粒状石英（图版Ⅱ-b）.

  图版Ⅱ  a.无壳层或隐约壳层球粒及球粒间基质(+)；b.基质中的显微嵌晶结构(+)；c:无壳层球粒聚集特征(+)；d.被微裂隙分割成雁行式暗色的矿物(-)；e.球内多球粒相连特征及隐晶质球核(-)；f.球体的单、薄壳层及球间基质特征(+)

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（2） 岩石呈肉红色，微裂隙较发育.球粒呈肉红色（图版Ⅰ-b），含量为85%~55%，球粒呈浑圆状，见几个球粒聚集，其间界线不清晰，部分球粒呈梳状、扇形分布，浑圆状球粒层与梳状、扇形球粒层相间分布，构成流纹构造（图版Ⅱ-c）.部分浑圆状、椭圆状球粒中见暗色隐晶质集合体，呈放射状分布于球粒核部，或呈团块状、环带状分布于球粒边缘（图版Ⅱ-c）.球间基质充填他形石英，局部可见暗色隐晶质呈较自形六边形、长条形嵌于石英中（图版Ⅱ-c）.岩石中发育微裂隙，微裂隙中为长英质成分，局部可见少量暗色矿物被分割呈雁行式分布，沿微裂隙两侧见梳状、扇形球粒生长（图版Ⅱ-d）.

2.1.2   单壳层球状碱性流纹斑岩

岩石呈深灰色，由球体和球间基质组成，球体与球间基质界线较清晰（图版Ⅰ-c）.

球体呈深灰色，椭圆状、浑圆状，可见多个球体相连，外形不规则，球体边界清晰， 内呈放射状或环状结构，含量为70%~80%，球状体直径多集中在0.5~2cm 之间.球体内部呈放射状、扇形结构，由多个球粒相互连接构成球状体.球粒由暗色纤维及长英质隐晶集合体组成，大部分暗色纤维呈放射状排列，呈扇形消光，球粒之间界线不清晰.部分球状体核心为隐晶质，由隐晶暗色矿物及长英质成分组成，正交偏光下呈团块状消光（图版Ⅱ-a），核心成分由内至外结晶程度增强.球状体具薄外壳，外壳由长柱状、针柱状碱性闪石沿球状体切向方向环绕所致（图版Ⅱ-e）.

球间基质呈浅灰色，为碱性流纹斑岩，呈显微嵌晶结构，斑状结构.斑晶由碱性闪石、条纹长石组成，其中碱性闪石呈近均质体，显示微弱多色性，粒径0.05~0.15mm, 约占20%，结晶程度明显好于球状体中的碱性闪石；条纹长石为半自形长柱状，近平行消光，含正长石，表面模糊泥化，被嵌于长英质隐晶集合体（基质）中，边缘折光率小于长英质隐晶集合体，粒径为0.08~0.18mm, 约占15%.基质由他形粒状石英或长英质隐晶集合体中嵌有大量半自形长柱状条纹长石组成，约占65%（图版Ⅱ-f）.

2.1.3   多壳层球状碱性流纹斑岩

岩石呈灰色，由球体和球间基质组成，球体与球间基质界线较清晰，岩貌特征见图版Ⅰ-d.球体呈深灰色，椭圆状、浑圆状，可见多个球体相连，球体内呈放射状结构和同心圈层构造，含量为90%~95% ，球状体直径多集中在2~8cm 之间，个别达10cm.球间基质呈浅灰褐色，为碱性流纹斑岩，呈显微嵌晶结构，斑状结构，斑晶由碱性闪石、条纹长石组成，基质为嵌有条纹长石的长英质隐晶集合体.

岩相分析显示，球状体内部主要成分为长英质球粒，由内至外层球粒轮廓逐渐清晰.据球状体内部成分、结构及杏仁体特征大致分内、中及外3 层.

球状体内部层具明显层圈构造（图版Ⅱ-f），由内至外分3 个亚层.亚1 层为核心层，成分为长英质隐晶质成分及隐晶暗色矿物集合体，局部含气孔，气孔中充填粒状石英及针柱状、放射状角闪石（图版Ⅱ-b）.亚2 层为长英质隐晶集合体、少量针柱状角闪石及隐晶褐铁质成分，含气孔，气孔中充填粒状石英及针柱状、放射状角闪石.亚3 层较厚，成分为长英质隐晶集合体及大量针柱状角闪石，因长英质隐晶集合体含量变化，略显韵律性.

中部层含大量气孔杏仁体，杏仁体之间均为长英质隐晶集合体组成的球粒及隐晶暗色矿物.由内至外杏仁体形态分别为叠瓦式、雨滴状及不规则状（图版Ⅱ-c），杏仁体充填物的边缘为梳状玉髓、内部为粒状石英，少见石英中包含水草状、针柱状角闪石集合体，石英带状消光特征明显.叠瓦式杏仁体的长短轴比大部分在0.6×0.4mm~3.6×0.8mm之间，其间充填的球粒呈扇形，于扇形切线方向见针状角闪石集合体呈弧形分布，且内弧朝向内部层，显示叠瓦式特征.叠瓦式杏仁体之间可见较小豆粒状杏仁体，其长短轴比在0.05×0.03mm~0.6×0.4mm 之间.雨滴状杏仁体集合体呈放射状，一向延长特征明显，长短轴比在0.05 × 0.03mm~2.0 ×0.4mm 之间.不规则状杏仁体长短轴比在0.4 ×0.4mm~1.2×1.1mm 之间.

外部层以云朵状、棉絮状、放射状的长英质隐晶集合体组成的球粒为主，其上点缀放射状、烟花状杏仁体（图版Ⅱ-d）.隐约显示环状构造，主要由长英质成分不均匀分布形成（图版Ⅱ-e）.局部见球状碱性流纹斑岩的包裹体（图版Ⅱ-f）.

2.2   球粒微细粒花岗岩

根据矿物组成，可分为球粒微细粒文象花岗岩和球粒微细粒钠闪石花岗岩.

2.2.1   球粒微细粒文象花岗岩

岩石呈肉红色，由球粒（75%）及球间基质（25%）组成，球粒与球间基质界线较清晰（图版Ⅰ-h）.球粒近圆状，内呈放射状，球粒直径多集中在0.5~2mm 之间；球间基质呈文象结构或文象嵌晶结构（图 2-a）.

图  2  球状微细粒花岗岩显微镜下特征

a.球粒微细粒文像花岗岩(+)；b.球粒微细粒钠闪石花岗岩(+)

Figure  2.  Micro-section photos of spherule micro fine-grained granite

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球粒呈肉红色，大部分呈圆状，少量椭圆状，扇形或形态不规则，局部可见几个球粒聚集，之间界线较清晰.球粒成分为长英质纤维及铁质纤维，放射状分布，球粒无核心，呈十字消光、扇形消光，部分球粒表面嵌有半自形长柱状碱性长石.半自形长柱状碱性长石粒径在0.1~0.25mm 之间，沿球粒切向、径向分布，或与纤维斜交.球粒中的长英质纤维显示文象结构，文象体发育程度由球粒中心至边缘增强.部分球粒边缘见粒状石英环绕，隐约呈球壳状.

球间基质由碱性长石和石英组成.碱性长石与石英构成文象体或呈自形-半自形长柱状、板柱状，成分为条纹长石，为碱性长石交代斜长石而成，局部残留的斜长石显示聚片双晶，粒径0.1~0.45mm.石英呈他形粒状或与碱性长石构成文象体，部分粒状石英中嵌有微粒状碱性长石.文象体表现为石英呈象形文字形嵌于碱性长石中，石英消光位一致.

2.2.2   球粒微细粒钠闪石花岗岩

岩石呈灰紫色，岩石由球粒（55%）及球间基质（45%）组成，球粒与球间基质界线较清晰（图版Ⅰ-i）.球粒呈浑圆状，内呈放射状，直径多集中在0.8~2mm 之间；球间基质呈显微文象结构、微细粒花岗结构（图 2-b）.

球粒呈深灰色，大部分球粒外形呈浑圆状，局部见2~3 个球粒相连，相连球粒之间边界不清晰或有清晰的分界线.球粒内部呈放射状结构，由碱性长石、石英构成的隐晶质集合体与放射状针柱状碱性闪石组成.碱性闪石长径从球粒内部至边缘逐渐增大，可从0.03~0.4mm, 指示其由外向内生长.球粒无核心，十字消光或放射状消光.球粒边缘发育长英质文象体，隐约呈球壳状.

球间基质由由钠闪石（15%）、条纹长石（50%）及石英（35%）组成.钠闪石呈半自形长柱状、板柱状，暗蓝绿色，具多色性，反吸收，粒径在0.05~0.15mm之间.条纹长石呈半自形板柱状、粒状，被嵌于石英中，局部与石英构成文象体，粒径在0.1~0.3mm 之间.石英呈他形粒状，部分与碱性长石文象交生.

2.3   主岩

主岩指不含球状体的部分或球状体稀疏处球外的岩石^[1-3].球状岩的主岩为晚侏罗世微细粒少斑状正长岩岩株，岩性主要为微细粒少斑状正长岩、微细粒文象花岗岩和石英微晶正长岩，其中微细粒少斑状正长岩为主体、微细粒文象花岗岩和石英微晶正长岩为边缘相.本次发现的球状岩组合主要产自边缘相的微细粒文象花岗岩中.

微细粒文象花岗岩呈肉色、灰紫色，少斑状结构，基质为微细粒花岗结构、文象结构，块状构造.斑晶为石英，不规则粒状，内部有熔蚀筛孔，其间充填基质成分，粒径在0.4~0.6mm 之间，约占1%~2%.基质由半自形柱状条纹长石、他形粒状石英及钾长石与石英构成的文象体组成，粒径0.1~0.5mm, 其中钾长石表面模糊，发生强泥化（图 3）.岩石中发育石英细脉，粗细较均匀.

图  3  微细粒文象花岗岩显微镜下特征

Figure  3.  Micro-section photos of microfine-grained graphic granite

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3.   讨论

球状岩石具有独特的结构构造，地表罕见，表明其形成条件及过程极其复杂.为探讨其成因，从球状体的分布和岩相学特征方面，前人做了大量的工作^{[5， 8-9]}，对其成因解释也存在不同观点：一种认为是由两岩体接触带上特定的“构造陷井”结晶形成，其独特的球状构造可能由耗散结构理论的自组织机理所造成^{[3-4， 10-13]}；另一种认为是岩浆同化捕虏体和岩浆结晶综合作用形成^{[5， 8-9， 14-16]}.与国内外典型的球状岩进行对比分析（表 1），乌拉盖苏木球状岩的岩石类型首次以组合的形式出现，其球状构造类型更具多样性，球状体的成因也相对复杂.

表  1  部分国内外典型球状岩成因对比

Table  1.  Genetic comparison between typical orbicular rocks in China and abroad

岩体	岩性	结构	成因
乌拉盖苏木球状岩	球状流纹斑岩、球状微细粒 （文象）花岗岩	单壳层、多壳层、无壳层	岩浆结晶作用，交代作用，原生结晶岩塑性固结，岩 浆运移过程中快速结晶
黄陵球状花岗闪长岩[7]	球状花岗闪长岩	单壳层、多壳层、无壳层	岩浆结晶作用，交代作用
石角-璜山复式岩体[3]	球状超镁铁质岩	多壳层	中深地壳环境岩体接触带结晶作用
滦平球状闪长岩[4]	球状闪长岩	单壳层、多壳层	岩浆结晶作用，交代作用，岩浆同化作用+结晶作用
Baskil岛弧岩体[8]	球状辉长岩	多壳层	原生结晶岩塑性固结，岩浆运移过程中快速结晶
Loreto岩体[15]	球状辉长岩	无壳层	绝热过冷的环境中结晶
Huaco花岗岩[9]	球状花岗岩	多壳层	过冷的熔体中异相成核结晶
Ploumanach复式岩体[16]	球状花岗岩	无壳层	绝热空间存在温度接近液相线岩浆

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对于乌拉盖苏木球状岩石而言，球状岩的球间基质多见显微文象嵌晶结构、显微嵌晶结构、雏晶结构、微细粒花岗结构、文象结构等，表现出由浅成-超浅成侵入岩特征.

球粒微细粒花岗岩中，球粒内由中心至边缘，文象体发育程度增强、碱性闪石长径逐渐增大，部分球粒边缘见粒状石英环绕，反映了其核心部位优先快速结晶，球粒生长环境由内向外，最后碱性长石及石英达到共结点形成文象体后，岩浆中残留SiO₂形成粒状石英沿球粒边缘环绕，表现为岩浆结晶作用特征；球间基质中长石晶形均为自形-半自形柱状，石英他形粒状充填，也属典型的岩浆结晶结构.无壳层球粒碱性流纹斑岩的球粒与球粒微细粒花岗岩的球粒特征相似，而球间基质和球粒界线清晰且相互穿插、球粒定向排列组成流动构造特征，反映岩浆结晶作用的同时，可能存在原生结晶岩（球粒）塑性固结在岩浆运移过程中的快速结晶过程.

单壳层球状碱性流纹斑岩的球状体由多个球粒相互连接构成，核部或为隐晶质团块体，且外层矿物结晶程度明显好于内层，说明球状体与球粒的关系密切，且其形成于球粒之后或稍晚，推测球状体为原生塑性固结的结晶岩（球粒）在岩浆运移之后相对静止状态下相互堆叠形成，同时球内和壳层的碱性闪石特征也可能反映岩浆作用晚期富含气水热液熔浆的结晶作用.野外可见多处无壳层球粒碱性流纹斑岩和单壳层球状碱性流纹斑岩过渡接触（图版Ⅰ-g），反映了球粒与球状体密切共生的特征.对于多壳层球状碱性流纹斑岩而言，其可作为单壳层球状碱性流纹斑岩的一种特殊类型，其球状体内部层从中心至边部，针柱状角闪石明显增多且内含球粒包体，中部层富含大量叠瓦状、雨滴状气孔杏仁体，外部层以长英质隐晶集合体组成的球粒为主且富含烟花状、放射状杏仁体，一方面佐证前文分析的原生塑性固结结晶岩（球粒）在岩浆运移之后相对静止状态下相互堆叠特征和岩浆作用晚期富含气水热液作用，另一方面说明岩浆接近地表的快速冷凝特征.

球粒和球状体中可见碱性长石交代斜长石特征，其内文象体中可见石英带状消光，均表现出交代作用的特点^[5].此外，球粒微细粒花岗岩、无壳层球粒碱性流纹斑岩、单壳层球状碱性流纹斑岩和多壳层球状碱性流纹斑岩的组合特征及共生关系和岩相相关性，可能综合反映了乌拉盖苏木球状酸性浅成岩岩浆结晶、岩浆运移及运移之后相对静止，以及近地表快速冷凝的形成、就位过程，推测该过程可能与一种稳定的张性环境相关.

  图版Ⅲ  a.球状体内部层呈明显圈层构造及3 个亚层特征；b.内部层亚1 层气孔中充填的粒状石英及针柱状、放射状角闪石； c.球状体中部层叠瓦式、雨滴状等气孔杏仁体；d.球状体外部层云朵状长英质隐晶集合体上点缀放射状杏仁体；e.球状体外部层长英质成分不均匀分布呈现的圈层；f.球状体外部层中碱性流纹斑岩捕虏体

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4.   结语

大兴安岭乌拉盖地区球状酸性浅成岩石主要包括球状碱性流纹斑岩和球状微细粒花岗岩，岩石由主岩、球状体和球间基质三部分组成.其中主岩为微细粒文象花岗岩，球间基质为碱性流纹斑岩和微细粒花岗岩.球状体由球核和同心球壳组成，依据球壳及球核的差异，可大致分为无壳层球粒、单壳层球状体和多壳层球状体3 种类型.结合本套球状岩的组合特征和岩相学特征等，初步认为其为张性环境下岩浆结晶作用的产物，晚期富含气水热液活动强烈，球状体中矿物结晶顺序由内向外.

本次工作仅证实了乌拉盖苏木一带存在球状岩，但其具体展布尚待深入调查，球状岩的成因仅从岩相学上进行了初步探讨，形成时代及其所反映的构造背景仍待深入研究.