南太行山平順閃長(zhǎng)巖體斜長(zhǎng)石捕虜晶特征及其對(duì)殼幔巖漿混合過(guò)程的記錄

張海東，劉建朝，彭素霞，張?zhí)K楠，王得權(quán)

1.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

0 引言

華北克拉通在中生代期間爆發(fā)了強(qiáng)烈的構(gòu)造巖漿活動(dòng)，并可能伴隨有大規(guī)模的巖石圈減薄和拆沉作用的發(fā)生，以及新的巖石圈地幔的形成［1－8］。華北中生代巖漿巖的成因和地球動(dòng)力學(xué)背景已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并形成了一些重要研究成果。然而，對(duì)包括太行山在內(nèi)的華北中生代巖漿巖成因的認(rèn)識(shí)還有很大分歧：一部分學(xué)者根據(jù)中性巖漿巖的地球化學(xué)組成特征，認(rèn)為是由基性下地殼在加厚地殼環(huán)境下發(fā)生部分熔融形成的結(jié)果，屬于埃達(dá)克質(zhì)巖石［9－12］；另一部分學(xué)者根據(jù)巖石學(xué)和地球化學(xué)特征分析，認(rèn)為是由幔源巖漿和下地殼巖石發(fā)生部分熔融形成殼源巖漿混合而成［13－16］。對(duì)于華北中生代巖漿作用形成機(jī)制的正確理解，不僅有助于了解巖漿形成過(guò)程，而且還有助于理解地球動(dòng)力學(xué)背景。最近，筆者在對(duì)平順閃長(zhǎng)巖體開(kāi)展研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一種具有特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜長(zhǎng)石捕虜晶，這種斜長(zhǎng)石不僅具有更復(fù)雜的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，而且具有更基性的斜長(zhǎng)石核部（An＝93～63），這無(wú)疑對(duì)巖漿形成機(jī)制的進(jìn)一步探討有重要的啟示意義。本次旨在通過(guò)系統(tǒng)描述，在詳細(xì)分析斜長(zhǎng)石微區(qū)巖相學(xué)結(jié)構(gòu)和成分特征的基礎(chǔ)上，探討巖漿巖的形成機(jī)制，以期為認(rèn)識(shí)華北中生代構(gòu)造巖漿活動(dòng)機(jī)制提供重要的參考依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及巖石特征

大興安嶺—太行山南北重力梯度帶把華北克拉通分為東西兩部分：東部為巖石圈厚度薄、地溫梯度高的冀魯遼地塊，西部為巖石圈厚度大、地溫梯度低的鄂爾多斯地塊（圖1a）［17］。該重力梯度帶亦是華北巖石圈減薄作用強(qiáng)弱變化的過(guò)渡帶［17］。平順雜巖體分布在太行山重力梯度帶的南段，分布廣泛，呈北北東向串珠狀分布（圖1b），常以“松塔狀”或“傘狀”的巖蓋、巖株、巖脈產(chǎn)出。巖石類型主要為橄欖角閃輝長(zhǎng)巖、角閃閃長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖，其中，閃長(zhǎng)巖分布規(guī)模最大，橄欖角閃輝長(zhǎng)巖和角閃閃長(zhǎng)巖規(guī)模較小，后兩者呈巖株分布于閃長(zhǎng)巖體中（圖1c）。閃長(zhǎng)巖中發(fā)現(xiàn)大量具特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜長(zhǎng)石晶體。

橄欖角閃輝長(zhǎng)巖呈黑色—深黑綠色，自形—半自形中粒輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，發(fā)育典型的球形風(fēng)化，主要組成礦物有斜長(zhǎng)石（28%～48%）、單斜輝石（15%～25%）、普通角閃石（10%～25%）、橄欖石（5%）、黑云母（2%～5%）、磁鐵礦（2%～5%），副礦物有尖晶石、鋯石等。橄欖石和單斜輝石晶體常發(fā)育由細(xì)小角閃石和黑云母組成的熔蝕反應(yīng)邊。輝石呈他形，分布在斜長(zhǎng)石晶體間空隙內(nèi)。閃長(zhǎng)巖－二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖呈深灰色—淺灰色，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要組成礦物為斜長(zhǎng)石（50%～70%）、普通角閃石（20%～40%）、正長(zhǎng)石（3%～20%）、石英（2%～10%）、磁鐵礦（2%～5%），副礦物有磷灰石、榍石等（圖2a）。斜長(zhǎng)石自形程度較好，個(gè)別晶體具有特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，核部蝕變強(qiáng)，幔部蝕變?nèi)?，且核幔間存在明顯的分界（圖2b—d）。

2 樣品采集和分析方法

斜長(zhǎng)石樣品均取自于平順閃長(zhǎng)巖體，所有研究樣品都進(jìn)行了偏光顯微鏡和電子探針背散射電子像的觀察，取典型斜長(zhǎng)石進(jìn)行系統(tǒng)的成分分析。定量分析使用長(zhǎng)安大學(xué)教育部地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室Cameca SX50型電子探針完成。工作條件為：加速電壓15kV，加速電流20nA，束斑直徑＜1μm，所有測(cè)試數(shù)據(jù)都進(jìn)行了ZAF處理。為了分析斜長(zhǎng)石的成分變化規(guī)律，選擇部分典型單顆粒斜長(zhǎng)石從核心到邊緣，設(shè)定測(cè)試剖面，測(cè)試點(diǎn)一般為各環(huán)帶中心位置，詳見(jiàn)圖2，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 平順地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)［18］修改）Fig.1 Geological sketch map of the relief framework in Pingshun（modified from reference［18］）

3 斜長(zhǎng)石內(nèi)部環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征

斜長(zhǎng)石是研究區(qū)閃長(zhǎng)巖的主要造巖礦物，它可以存在于巖漿演化各個(gè)時(shí)期，大部分呈半自形—自形，短柱狀，偶見(jiàn)具有特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜長(zhǎng)石（圖2b—d）。這類斜長(zhǎng)石分布較少，顆粒較大，長(zhǎng)度一般為100～220μm，環(huán)帶結(jié)構(gòu)明顯，且在核部與幔部之間有一明顯渾圓狀、港灣狀、孤島狀、篩狀等溶蝕帶，通過(guò)光學(xué)鑒定，溶蝕帶主要組成礦物為絹云母和綠簾石。

偏光顯微鏡下照片（圖2b—d）和表1測(cè)試數(shù)據(jù)都清晰表明：?jiǎn)蝹€(gè)斜長(zhǎng)石顆粒從核部到幔部成分具有明顯變化，圖2b中斜長(zhǎng)石核部較大，An值變化為66—63—60，形態(tài)基本保留了原有斜長(zhǎng)石晶體的形態(tài)，但受到相當(dāng)程度的溶蝕，呈篩狀；而幔部環(huán)帶相對(duì)簡(jiǎn)單，An值變化為17—13。圖2c中斜長(zhǎng)石核部相對(duì)較小，呈島狀，分帶性不明顯，An值為78；而幔部相對(duì)較大，占整個(gè)礦物顆粒的70%左右，分帶性較復(fù)雜，An值變化為63—58—44。圖2d中斜長(zhǎng)石核部相對(duì)更大，幾乎占據(jù)了整個(gè)礦物顆粒的80%以上，An值變化為93—87—77—69；而幔部寬度較窄，分帶性不明顯，An值變化為16—12—0。它們整體變化趨勢(shì)是由核部的基性斜長(zhǎng)石（An值最高達(dá)93）經(jīng)溶蝕帶突變?yōu)獒２扛烩c斜長(zhǎng)石（An值最低0），且成分存在高低小波動(dòng)。另外，其他主量元素在斜長(zhǎng)石環(huán)帶間也存在規(guī)律性變化，表現(xiàn)為CaO、FeO、MnO和Al2O3在斜長(zhǎng)石核部含量較高，幔部含量低，而Na2O、K2O和SiO2卻在斜長(zhǎng)石幔部含量高，核部含量低。

圖2 閃長(zhǎng)巖中斜長(zhǎng)石環(huán)帶結(jié)構(gòu)Fig.2 Micrographs showing the textual disequilibrium in plagioclase crystals from diorite

表1 平順地區(qū)閃長(zhǎng)巖中斜長(zhǎng)石電子探針?lè)治鯰able 1 Microprobe analysis data of plagioclase from diorite in Pingshun areas

表1（續(xù)）

4 討論

4.1 斜長(zhǎng)石環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因

斜長(zhǎng)石的環(huán)帶特征記錄了其結(jié)晶時(shí)巖漿演化的物理化學(xué)條件，是認(rèn)識(shí)巖漿演化機(jī)制的重要依據(jù)。Vance［19］、Tsuchiyanma［20］、謝磊等［21］、李武顯等［22］和李昌年［23］等在這方面都曾取得了一些重要進(jìn)展，這為本文奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

平順閃長(zhǎng)巖體中偶見(jiàn)具有特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜長(zhǎng)石，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：1）斜長(zhǎng)石的核部由鈣含量高的基性斜長(zhǎng)石組成，An值大于93；這種類型的斜長(zhǎng)石較罕見(jiàn)，只在閩東南平潭火成雜巖中有報(bào)道，被解釋為輝長(zhǎng)巖漿在早期較高溫度下結(jié)晶的產(chǎn)物。筆者考慮到研究區(qū)內(nèi)輝長(zhǎng)巖中基性斜長(zhǎng)石An值偏高（An＝63～93）和起源于EMI型富集地幔［24］的特征，推測(cè)這種高富鈣基性斜長(zhǎng)石是幔源巖漿早期高溫下結(jié)晶的產(chǎn)物。2）斜長(zhǎng)石晶體內(nèi)發(fā)育溶蝕帶，這說(shuō)明斜長(zhǎng)石在晶出以后地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，引起這種變化的原因一是斜長(zhǎng)石晶體被轉(zhuǎn)入溫度更高的或者更基性的巖漿中［23］，二是巖漿攜帶斜長(zhǎng)石晶體迅速上升至地殼淺部，壓力突然降低而導(dǎo)致巖漿中大量水及揮發(fā)性組分逸出［22］。斜長(zhǎng)石核部已經(jīng)是幔源巖漿高溫結(jié)晶的產(chǎn)物，其不太可能被轉(zhuǎn)入更高或更基性的巖漿中，因此第一種可能性不存在。那么這種溶蝕帶是否由斜長(zhǎng)石被快速攜帶至地殼淺部所致？結(jié)合平順地區(qū)區(qū)域構(gòu)造和雜巖體巖石學(xué)、地球化學(xué)特征（特別是具有微弱的正Eu異常）以及地幔包體和橄欖石捕虜晶的發(fā)現(xiàn)［24－25］，可以推測(cè)研究區(qū)應(yīng)該位于拉張的構(gòu)造環(huán)境［26－27］，巖漿具有快速上升侵位的特征［28］，說(shuō)明斜長(zhǎng)石溶蝕帶由第二種原因形成。3）圖2b—d中斜長(zhǎng)石晶體幔部較窄、An值偏低，與閃長(zhǎng)巖中斜長(zhǎng)石An值（10～28）相當(dāng)，說(shuō)明基性巖漿組分注入較少，主要是由中酸性巖漿作用形成；而圖2c中斜長(zhǎng)石幔部相對(duì)較寬，An值偏高（63—58—44），如此An值高的斜長(zhǎng)石幔部顯然不可能是由中酸性巖漿單獨(dú)作用形成，很可能是由殼?；旌蠋r漿作用形成。

據(jù)劉建朝等［24］的研究，平順雜巖體具有高M(jìn)g#，高 Sr、Cr、Ni，LILE、LREE 富集和 HFSE、HREE虧損特征，顯示巖漿起源于EMI，并受到下地殼物質(zhì)混染。張海東對(duì)閃長(zhǎng)巖的Sr－Nd－Pb同位素組成進(jìn)行了分析，結(jié)果為εNd（125Ma）＝－15.54～－8.36、ISr＝0.705 6～0.707 3，顯示殼幔巖漿混合成因的特點(diǎn)（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。這些研究表明平順閃長(zhǎng)巖起源于下地殼，在上升侵位的過(guò)程中，與起源于EMI的幔源巖漿發(fā)生混合，形成具有殼幔雙重屬性的閃長(zhǎng)巖。另外，這一結(jié)論得到了斜長(zhǎng)石捕虜晶核部、幔部中CaO、FeO、MnO、Al2O3、Na2O、K2O和SiO2含量變化規(guī)律的支持。

4.2 巖漿混合過(guò)程的示蹤

通過(guò)上述對(duì)平順閃長(zhǎng)巖中特殊斜長(zhǎng)石環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征的研究，表明這些斜長(zhǎng)石的核部是輝長(zhǎng)巖漿早期高溫結(jié)晶的產(chǎn)物，后被攜帶快速上升至地殼淺部與閃長(zhǎng)巖漿混合形成斜長(zhǎng)石幔部，是巖漿混合作用存在的直接證據(jù)［22］。張海東認(rèn)為，平順輝長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖的SHRIMP鋯石U－Pb年齡分別為（123.4±1.7）和（125.5±2.3）Ma（數(shù)據(jù)未發(fā)表），說(shuō)明它們近同時(shí)形成，并為這兩種巖漿能夠混合提供最直接的證據(jù)。另外，輝長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖中可見(jiàn)不同類型暗色、淺色包體［29］，這也為研究區(qū)存在巖漿混合作用提供了間接證據(jù)。

綜上所述，研究區(qū)巖漿混合大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

第一階段：起源于EMI型富集地幔的幔源巖漿底侵，并作用于下地殼，所攜帶的熱使下地殼開(kāi)始熔融形成殼源巖漿［24，26］；隨著幔源巖漿溫度的緩慢降低，開(kāi)始慢慢結(jié)晶，形成許多高富鈣的基性斜長(zhǎng)石（An＞63）。

第二階段：在擠壓構(gòu)造向拉伸構(gòu)造體制轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，太行山深大斷裂帶開(kāi)始形成［29－31］，幔源巖漿和殼源巖漿沿著構(gòu)造通道快速上升并侵位于地殼淺部，高富鈣基性斜長(zhǎng)石由于壓力突然降低而被溶蝕形成不規(guī)則的溶蝕帶。

第三階段：殼幔兩種巖漿在上升、侵位的過(guò)程中局部開(kāi)始發(fā)生混合，在基性斜長(zhǎng)石基礎(chǔ)上結(jié)晶生長(zhǎng)富鈉斜長(zhǎng)石。當(dāng)幔源巖漿混入比例很少時(shí)，混合巖漿成分可能為中酸性巖漿，因此，斜長(zhǎng)石幔部組成成分與閃長(zhǎng)巖中斜長(zhǎng)石牌號(hào)相似，An值為10～28；當(dāng)幔源巖漿混入比例增大時(shí)，混合巖漿基性組分增加，形成的斜長(zhǎng)石幔部偏基性，An值為63；隨著兩種巖漿的充分混合，混和巖漿中基性組分開(kāi)始下降，結(jié)晶出的斜長(zhǎng)石An值開(kāi)始降低（An＝63—58—44—17—0）。

5 結(jié)論

1）在平順閃長(zhǎng)巖中發(fā)現(xiàn)了具有特殊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斜長(zhǎng)石，核部為高富鈣的基性斜長(zhǎng)石，幔部為富鈉的斜長(zhǎng)石，二者之間存在明顯由絹云母和綠簾石組成的溶蝕帶，這是巖漿混合的最直接證據(jù)。

2）斜長(zhǎng)石環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征研究表明，斜長(zhǎng)石核部高富鈣的基性斜長(zhǎng)石（An＞63）是幔源巖漿早期高溫結(jié)晶的產(chǎn)物，后被沿著太行山深大斷裂帶快速攜帶至地殼淺部發(fā)生溶蝕，形成不規(guī)則的溶蝕帶，之后殼幔巖漿發(fā)生混合，在基性斜長(zhǎng)石基礎(chǔ)上形成幔部相對(duì)富鈉的斜長(zhǎng)石（An＝63—58—44—17—0）。

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