南太行叩天井地區(qū)中生代超基性巖中捕擄體的成因礦物學(xué)研究

秦超，唐玉瑩，金雅楠，范琳琳，白富生，張聚全

河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050031

0 引言

華北克拉通破壞的概念自20世紀(jì)90年代提出以來，就是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的課題，對于華北克拉通破壞的時(shí)間、機(jī)制與范圍也取得了諸多進(jìn)展[1-2]。邯邢地區(qū)位于華北克拉通中部，其內(nèi)部巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，鄭建民[3]歸納總結(jié)前人對邯邢地區(qū)巖漿活動(dòng)的研究，提出邯邢地區(qū)巖漿活動(dòng)大致分為四個(gè)階段，第一階段為基性—超基性巖系列；第二階段為中性偏基性的閃長巖系列；第三階段為二長巖系列；第四階段為堿性正長巖類。叩天井地區(qū)地處邯邢地區(qū)武安西南部，出露有第一階段超基性巖群，河北區(qū)調(diào)一隊(duì)對叩天井超基性巖利用K-Ar同位素測年得到一個(gè)259 Ma的年齡，認(rèn)為其形成于華力西晚期，雖然不同學(xué)者對該年齡仍存在爭議，但是從該巖體產(chǎn)狀、巖石組合及其地球化學(xué)特征上來看，其很可能是一次獨(dú)立巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。叩天井基性—超基性巖體群中發(fā)育大量的閃長質(zhì)包體，包體是記錄地質(zhì)演化過程最直接證據(jù)之一，對火成巖中巖石包體的研究對認(rèn)識大陸巖石圈演化、性質(zhì)和起源以及火成巖的成因具有重要意義[4]，有助于揭示巖漿活動(dòng)的特征和成礦作用過程，角閃石是叩天井地區(qū)基性—超基性巖閃長質(zhì)包體中的常見礦物，其礦物成分受結(jié)晶時(shí)的溫度、壓力、氧逸度和含水量等因素的控制，角閃石的礦物成分能夠很好的記錄其結(jié)晶時(shí)寄主巖漿的物理化學(xué)條件等信息[5-9]。本文通過對角閃石在巖相學(xué)特征的基礎(chǔ)上結(jié)合電子探針分析，計(jì)算了角閃石結(jié)晶時(shí)的溫壓、氧逸度及水含量等物理化學(xué)條件，探討了包體的成因，試圖揭示中生代華北克拉通大規(guī)模破壞前的巖漿活動(dòng)特征及其地球動(dòng)力學(xué)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通結(jié)晶基底主要由三個(gè)構(gòu)造單元所構(gòu)成，分別為東部陸塊、中部古元古代造山帶和西部陸塊[10，11]，太行山南段位于華北克拉通中部造山帶，被認(rèn)為是東部和西部陸塊在1.85 Ga碰撞而產(chǎn)生的陸陸碰撞帶，前人研究認(rèn)為自1.85 Ga至早中生代，華北克拉通始終持續(xù)穩(wěn)定演化[12]，中生代以華北克拉通發(fā)生大規(guī)模的巖漿活動(dòng)導(dǎo)致巖石圈大規(guī)模減薄，其時(shí)代為晚三疊世至早白堊世[3]。區(qū)域內(nèi)結(jié)晶基底為晚古生代—早古生代贊皇群，上覆巖層依次為中元古界長城系砂巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、石炭系—三疊系砂巖、泥巖、頁巖和粉砂巖。區(qū)域內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，受近北北東向大興安嶺—太行山山前斷裂帶控制，該區(qū)發(fā)育一系列南北向—北北東向次一級斷裂[13]，李黎明[14]研究認(rèn)為有四條隱伏的基底斷裂帶：邢臺(tái)基底斷裂帶、紫山—礦山基底斷裂帶、磁山基底斷裂帶和安林—平順基底斷裂帶。它們與北北東向大興安嶺—太行山山前斷裂帶共同控制區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)。區(qū)域內(nèi)成礦巖體自西向東分為三個(gè)近平行的巖漿巖巖帶和八個(gè)主要巖體，分別為西部巖帶：符山巖體；中部巖帶：固鎮(zhèn)巖體、武安巖體、礦山巖體和綦村巖體；東部巖帶：新城巖體、洪山巖體和白沙巖體[13]。

2 巖體地質(zhì)特征

天井巖體群位于邯邢地區(qū)西南部，出露的巖漿巖為以海西期侵入巖為主的天井巖體群，出露面積約為0.6 km2（圖1），呈帶狀，脈狀，小巖株?duì)町a(chǎn)出。區(qū)域構(gòu)造是以正斷層為主格架，多條北北東向—北東向及次一級的南北向—北西向斷裂控制區(qū)域內(nèi)超基性—基性侵入巖的產(chǎn)出狀態(tài)，前人對叩天井超基性巖體群中角閃輝橄巖進(jìn)行K-Ar全巖同位素分析，認(rèn)為角閃輝橄巖年齡在259 Ma[15]。巖性主要為基性—超基性的含橄欖輝石角閃巖、輝石角閃巖超基性—基性的輝石角閃閃長巖、角閃閃長巖[16]。

圖1 叩天井地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the KouTianjing

3 樣品特征及分析方法

3.1 樣品特征

研究選取叩天井超基性巖包體的典型樣品進(jìn)行分析，包體為青灰色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。暗色礦物主要為角閃石、橄欖石、輝石，淺色礦物大多為長石，副礦物主要為磷灰石、磁鐵礦、鉻鐵礦。角閃石呈半自形的柱狀或針狀，顆粒大小1~3 mm，可以看到角閃石蝕變，可見到包含結(jié)構(gòu)，部分可以看到角閃石具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)（圖2a）；輝石常以自形的柱狀或板狀存在，顆粒大小約為1~2 mm，含量較少；長石主要為鉀長石和鈉長石，顆粒大小約為1.5 mm，常見雙晶；磁鐵礦和鉻鐵礦常呈自形立方體或不規(guī)則他形，鉻鐵礦可見環(huán)帶結(jié)構(gòu)（圖2c），顆粒<1 mm；磷灰石分散在薄片中，顆粒更??；常見包含結(jié)構(gòu)；橄欖石蝕變嚴(yán)重。

圖2 叩天井超基性巖中包體巖相學(xué)特征Fig.2 Petrographic characteristics of inclusions in ultrabasic rocks of KouTianjing

3.2 分析方法

礦物分析測試工作在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所完成，儀器型號為JEOL JXA-8230電子探針儀，運(yùn)行條件為硅酸鹽和氧化物的加速電壓為15kV，硫化物為20kV，束流為20 nA，光束尺寸為5 um。使用天然礦物質(zhì)和合成材料作為標(biāo)準(zhǔn)，所有標(biāo)準(zhǔn)品在使用前進(jìn)行均勻性測定進(jìn)行定量分析。使用ZAF校正程序進(jìn)行矩陣校正。角閃石電子探針數(shù)據(jù)分析利用Geokit軟件完成。分析結(jié)果見表1。

表1 角閃石電子探針分析數(shù)據(jù)Table 1 Amphibole electron probe analysis data

4 分析結(jié)果

角閃石化學(xué)成分顯示，SiO2變化在43.02%~47.1%，Al2O3變化范圍在10.64%~13.73%，F(xiàn)eO變化在9.30%~12.03%，MgO變化在14.27%~16.69%，CaO變化在11.18%~11.99%，Na2O變化范圍為1.91%~2.45%，Ti2O變化在0.08%~0.41%，K2O變化在0.30%~0.39%，總體超基性巖捕擄體為富鎂、鈣，貧鉀、鈦的特征?；贚eake[17]等對角閃石進(jìn)行分類（圖3），研究區(qū)超基性巖中捕擄體中的角閃石主要為韭閃石，少部分為淺閃石。

圖3 角閃石成分分類圖解（底圖據(jù)Leake等[17]）Fig.3 Classification of amphibole

5 討論

5.1 溫壓條件

角閃石廣泛產(chǎn)出于多種巖漿巖、變質(zhì)巖、熱液脈和蝕變巖中，角閃石的成分能夠記錄巖漿演化的物理化學(xué)條件等重要信息[5-7]。通過相關(guān)研究不僅可以確定角閃石的成因類型，而且可以為進(jìn)一步探討巖石成因和物質(zhì)來源提供重要的地球化學(xué)信息。Hammarstrom和Zen[18]最早根據(jù)巖漿巖接觸變質(zhì)作用的研究表明，火成巖中角閃石的Al含量與平衡壓力之間存在較好地線性關(guān)系，并提出利用角閃石全鋁含量計(jì)算其結(jié)晶時(shí)的壓力，得到如下經(jīng)驗(yàn)公式（式1）：

Hollister[19]等和Schmidt[20]分別通過實(shí)驗(yàn)對該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)（式2、3）：

其中A1T是角閃石結(jié)構(gòu)式中A1原子總數(shù)。Ridolfi通過研究發(fā)表了獨(dú)立的角閃石組分估算其形成壓力的經(jīng)驗(yàn)公式（式4）此公式適用于由地幔至上地殼的壓力范圍，該溫壓計(jì)比前兩者提出的角閃石全鋁壓力計(jì)減少了約280 MPa的誤差，此后Ridolfi[21]和Renzulli[22]通過實(shí)驗(yàn)研究表明該公式在壓力P≤500 MPa時(shí)是可以參考的，且誤差小于±44 MPa：

因此本研究選用此壓力計(jì)對研究區(qū)的角閃石進(jìn)行壓力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示（圖4a），研究區(qū)角閃石形成壓力范圍在241 Mpa~535 Mpa，平均為413 Mpa，對應(yīng)深度8.5 km~19 km，平均為14.6 km。（按照地殼平均密度為2 700 kg/m3計(jì)算）。

圖4 角閃石溫度、壓力（a）、含水量（c）及氧逸度圖解（b，d）（圖a、b、c據(jù)Ridolfi等[21]，d據(jù)Dada[24]等）。Fig.4 Calculation of temperature-pressure （a）, T-H2Omelt（c）and oxygen fugacity （b，d） of amphibole

Putirka[23]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，角閃石的結(jié)晶溫度與其Al原子數(shù)、Ti原子數(shù)和Na原子數(shù)具正相關(guān)關(guān)系，與Si原子數(shù)和Mg#值有負(fù)相關(guān)關(guān)系，并提出角閃石的結(jié)晶溫度與其組分的關(guān)系式（誤差±30℃）：

其中SiAmp、TiAmp、NaAmp分別代表基于23個(gè)氧原子計(jì)算出來的角閃石的陽離子個(gè)數(shù)，F(xiàn)etotalAm代表鐵陽離子的總數(shù)。

計(jì)算結(jié)果顯示，角閃石結(jié)晶溫度變化在853℃~933℃，平均為901℃。

5.2 氧逸度及含水量

前人[21，25-27]研究表明氧逸度對巖漿演化和巖石成因有重要影響，而角閃石的成分可以用來推斷其形成時(shí)熔體的氧逸度及水含量。Anderson和Smith[27]提出的ⅣAl-Fe/（Fe+Mg）氧逸度圖解，能夠半定量的評價(jià)氧逸度的大小，Ridolfi[23]通過大量角閃石實(shí)驗(yàn)，提出了利用角閃石分子式計(jì)算其結(jié)晶時(shí)巖漿氧逸度及含水量的的計(jì)算公式（式6、7），

其中，Mg*=Mg+Si/47-[6]Al/9-1.3[6]Ti+Fe3+/3.7=Fe2+/5.2-BCa/20-ANa/2.8+A[]/9.5，誤差為±0.22（log units）。

[6]Al*=[6]Al+[4]Al/13.9-（Si+[6]Ti）/5-CFe2+/3-Mg/1.7+（BCa+A[]）/1.2+ANa/2.7-1.56K-Fe#/1.6，F(xiàn)e#=Fe3+/（Fetotal+Mg+Mn），誤差為±0.41%。根據(jù)該公式計(jì)算出來叩天井地區(qū)角閃石結(jié)晶時(shí)巖漿的氧逸度變化范圍在ΔNNO+1.3~+2.1（logfo2=-10.2~-8.7）（圖4b、4d），表明研究區(qū)角閃石結(jié)晶時(shí)處于高的氧逸度條件下。

利用其計(jì)算含水量的方法，對研究區(qū)角閃石結(jié)晶時(shí)巖漿含水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明角閃石結(jié)晶時(shí)的深部巖漿房含水量高為6.8%~8.4%，說明角閃石的結(jié)晶與富水熔體有關(guān)，而富水熔體可能是原始巖漿相對富水（圖4c）。

5.3 巖漿源區(qū)及性質(zhì)

姜常義[28]提出，殼源角閃石的Al2O3的含量不超過10%，且Si/（Si+Ti+Al）≥0.775，而幔源的角閃石Al2O3多大于10%且Si/（Si+Ti+Al）＜0.765，研究區(qū)角閃石Al2O3的含量為10.64%~13.73%，平均為12.67%，顯示為地幔源區(qū)，在角閃石TiO2-Al2O3圖解（圖5a）中研究區(qū)角閃石數(shù)據(jù)數(shù)落入幔源區(qū)域。根據(jù)Ridolfi和Renzulli[24]通過研究發(fā)現(xiàn)，角閃石中KA和AlIV的含量是有效地反應(yīng)巖漿堿度的重要參數(shù)，在KA和AlIV相關(guān)性圖解投圖（圖5b）顯示，叩天井超基性巖捕擄體中的角閃石都落在了鈣堿性區(qū)域，表明原始巖漿為鈣堿性巖漿。巖漿源區(qū)和地幔中的水含量是驗(yàn)證華北克拉通破壞的重要因素之一，華北克拉通受多個(gè)俯沖帶控制，其巖石圈的水可能與多個(gè)俯沖帶脫水釋放有關(guān)，李洪顏[29]等研究表明石炭紀(jì)華北克拉通北緣受中亞造山影響已經(jīng)發(fā)生活化，Zhang[30]等認(rèn)為華北地區(qū)出現(xiàn)最早的巖漿巖為一套石炭紀(jì)鈣堿性巖石，并認(rèn)為其是古亞洲洋向南俯沖于華北克拉通北緣的結(jié)果，Xie[31]等和Chen[32]等則認(rèn)為華南板塊向華北板塊俯沖導(dǎo)致軟流圈地面上涌致使華北巖石圈地幔熔融。從本研究區(qū)巖漿來源及高含水量的特點(diǎn)可以推測，華北克拉通內(nèi)部在晚古生代到早中生代可能受到這兩種作用的影響，進(jìn)而認(rèn)為華北克拉通內(nèi)部發(fā)生小規(guī)模的破壞可能始于晚古生代至在中生代階段。

圖5 角閃石TiO2-Al2O3 圖解（a，底圖據(jù)姜常義等[28]）和KA-AlⅣ圖解（b，底圖據(jù) Ridolfi和Renzull[22]）Fig 5 TiO2-Al2O3 diagram and KA-AlⅣ diagram of amphibole

6 結(jié)論

（1）根據(jù)角閃石主量元素測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行相應(yīng)的分類投圖，叩天井超基性巖捕擄體中的角閃石主要鈣鎂角閃石，少部分為淺閃石。

（2）角閃石溫壓計(jì)計(jì)算結(jié)果顯示角閃石形成溫度為883℃~983℃，壓力介于241 Mpa~535 Mpa，對應(yīng)形成深度為8.5 km~19 km，氧逸度為ΔNNO+1.3~+2.1，平衡熔融體中的水含量為6.8%~8.4%，母巖漿源自幔源區(qū)域，為鈣堿性巖漿。

（3）從巖漿高含水量的特點(diǎn)推測，華北克拉通內(nèi)部可能是在石炭—晚三疊受古亞洲洋向南俯沖和華南華北板塊碰撞共同作用影響的發(fā)生的一次小規(guī)模破壞事件。