灤平小白旗角閃石榴斜長二輝麻粒巖變質作用P-T軌跡及構造意義

吳偉哲

河北地質大學 地球科學學院，河北 石家莊 050031

0 引言

華北克拉通是世界上現存最古老的克拉通，有著3.8 Ga的演化歷史[1]，記錄了地球上許多重要的構造事件。長期以來，關于華北克拉通早前寒武基底形成和構造演化歷史就備受爭議：趙國春(2002)等認為西部克拉通由陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊沿孔茲巖帶在1 950 Ma拼合，而后東西部陸塊在18.5 Ga拼合形成統一的克拉通基底，中央造山帶出露的大量高級變質巖就是在此次碰撞中形成[2]。翟明國等(2006)提出的則是“多期克拉通化的模型”，他們認為華北克拉通基底在2.5 Ga形成，在經歷了2.5 Ga～2.3 Ga的寂靜期后，于2.0 Ga～1.8 Ga的第二次克拉通化形成了豐鎮、晉豫、膠料三個活動帶，期間俯沖碰撞形成了高級變質巖[3]。

高級變質巖作為造山帶下地殼的重要組成部分，形成的特定條件和時代包含許多重要的地質信息，記錄了地殼的形成和演化過程。我國對冀北高壓變質巖的研究已有20多年的歷史，取得了許多成果。李江海(1998)在承德-灤平地區發現一條寬約20 km～40 km，呈北東向展布的高壓麻粒巖帶[4]。區內高壓麻粒巖早期變質礦物以石榴石和被包裹的單斜輝石與石英為特點，因此早期變質礦物組合為Grt+Cpx+Qtz。中期以石榴石和周圍的冠狀結構為代表，變質礦物組合為Grt+Cpx+Pl±Amp±Opx。第三期以環繞在石榴石周圍的角閃石和斜長石后成合晶為特點。早期變質組合溫度為710℃～750℃，由于缺少斜長石，因此沒有估算出變質壓力。第二期的礦物組合是Grt+Cpx+pl±Amp±Opx，溫度在710℃～750℃，壓力為1.0 GPa～1.2 GPa。第三次礦物組合變質溫壓約630℃～680℃,0.5GPa～0.7 GPa。

張振利2012年在編寫區域地質志過程中，通過野外調查，又在冀北發現多個高壓變質巖產地，其中桑干-承德構造帶就多達25處。論文選取此次調查在灤平小白旗西中發現的閃石榴斜長二輝麻粒巖，通過詳細的巖相學研究，劃分出不同變質作用的期次，利用溫壓計的計算，繪制出變質作用的P-T軌跡圖，探討華北克拉通北緣的構造演化歷史。

1 區域地質背景

樣品采自華北克拉通中部造山帶北緣承德地區，屬于崇禮上巖群(系指分布于冀北地區原單塔子群中的變質表殼巖部分及原崇禮群部分變質表殼巖)。該巖群經歷中級區域變質作用、混合巖化作用和強烈變形改造，變質程度達角閃巖相的表殼巖組合[4]。由于后期構造改造使其支離破碎，多以捕虜體和殘留體形式存在。樣品以復式透鏡狀產于新太古代晚期變質深成巖中。

圖1 冀北高壓麻粒巖帶及其相鄰巖石分布略圖

在崇禮—赤城一帶，該巖群圍繞崇禮下巖群呈環帶分布；豐寧—灤平一帶構造線方向呈北東東向展布。該巖群寬約20～40 km，南北兩側巖石有較大差別。南側以奧長花崗巖—英云閃長巖—石英閃長質片麻巖為主，少量含鐵建造(BIF)麻粒巖相表殼巖；北側是角閃巖相巖石，以斜長角閃巖—變粒巖等表殼巖系為主，且有少量角閃巖相TTG和花崗質片麻巖。高壓麻粒巖相帶主要以強烈變形的花崗質片巖和出露的麻粒巖透鏡體和巖片組成。高壓麻粒巖主要是石榴石麻粒巖、榴斜長角閃巖和斜長角閃巖。高壓麻粒巖透鏡體多為橢球狀，長度數米或數十米，部分透鏡體拉長，與圍巖片麻巖一起卷入褶皺，形成了薄互層狀條帶，條帶寬數厘米，長可達數十米。透鏡體展布方向與區域片麻理展布方向一致。透鏡體核部變形較弱，邊部逐漸增強，礦物定向排列，角閃巖相退變質向邊部增強。透鏡體和巖片成群分布，局部露頭成串珠狀，較大范圍看，二者成斷續的巖帶。花崗片麻巖作為圍巖，變形程度遠大于高壓麻粒巖透鏡體和巖片，主要組成礦物為斜長石、條紋長石、石英、黑云母或角閃石。

2 巖相學特正

灤平小白旗西角閃石榴斜長二輝麻粒巖主要由角閃石、斜長石、石榴石、透輝石、紫蘇輝石、石英組成，粒度不一，略顯定向分布，粒間彎曲或較平直鑲嵌狀。主要礦物含量為：角閃石(10%～15%)+斜長石(20%～25%)+單斜輝石(25%～30%)+石榴石(15%～20%)+斜方輝石(10%～15%)+石英(5%±)，次要礦物有鈦鐵礦(<5%)+磁鐵礦(<5%)，副礦物為絹云母(<2%)+皂石(<2%)。角閃石不以細蠕蟲狀的后成合晶為特征，而是以顆粒狀產出，自形程度高，粒徑可達2 500 μm，多色性明顯(圖2a)。小部分斜長石被角閃石包裹在(圖2b)，其他部分與斜方輝石、單斜輝石共生，自形程度較好，粒徑可達750 μm。斜長石發育聚片雙晶(圖2b)，表面輕微絹云母化。石榴石淡粉紅色，有呈大的變斑晶產出，可見有石英、單斜輝石包體，也有呈基質產出，但是自形程度都較低，表現為不規則殘留狀(圖2c)，可能是因為早期礦物置換。單斜輝石他形，柱狀，多色性弱，與斜方輝石、石榴石、角閃石等共生。斜方輝石也為他形，柱狀，粒狀，多色性明顯，粒度不大，500 μm～700 μm。石英與斜長石角閃石共生，他形粒狀，數量較少，應為峰期殘留礦物。

a.角閃石榴斜長二輝麻粒巖主要礦物斜長石和角閃石，角閃石顆粒較大，幾乎占滿整個視域；b.石榴石變斑晶包裹斜長石和角閃石，斜長石呈聚片雙晶生長；c.石榴石與斜長石、單斜輝石共生，石榴石呈不規則殘留狀，可能涉及的反應是Grt+Cpx+Q=Pl+Opx；d.他形狀單斜輝石與角閃石、斜長石和斜方輝石共生；e.巖石中少量的石英，可能為早期殘留；f.顆粒較大的角閃石夾在石榴石和單斜輝石之間，可能是由石榴石與單斜輝石反應得來，涉及的變質反應為Grt+Cpx+H2O+Qtz→Pl+Amp；g.圍繞石榴石的“白眼圈”，是高壓麻粒巖典型的降壓反應結構，可能的反應為Grt+Cpx+Q=Pl+Opx；h.圍繞單斜輝石生長的斜方輝石后成合晶反應結構，指示降壓階段礦物代碼：Grt-石榴子石；Cpx-單斜輝石；Pl-斜長石；Opx-斜方輝石；Mt-磁鐵礦

3 變質期次及溫壓計算

根據巖石中的礦物組合和反應結果，可以將斜長角閃石榴二輝麻粒巖分成三個變質期次：(1)峰期高壓麻粒巖相(M1)：代表性礦物是大顆粒的石榴石變斑晶和單斜輝石變斑晶以及石英和斜長石。運用Ravna E K(2000)的Grt-Cpx的溫壓計[5]計算，得出的溫度和壓力分別為636℃～719℃，7.9～11 kbar。(2)峰后中壓麻粒巖相(M2)：代表性礦物為斜方輝石+單斜輝石+斜長石±石英。在圖(2，g)可見典型的白眼圈結構。圖(2h)中圍繞單斜輝石生長的斜方輝石后成合晶也指示降壓反應。利用McCarthy T C和Patino Douce A E(1998)的Cpx-Pl-Qz壓力計[6]和 Taylor W R(1998)的Opx-Cpx溫度計[7]對該期次的溫度和壓力進行限定，結果顯示，中壓二輝麻粒巖相溫度在775℃～861℃之間，壓力為5.6～7.1kbar。(3)角閃巖相(M3)：代表性礦物為斜長石和角閃石。使用T V Gerya、L L Perchuk等(1997)角閃石單礦物溫度計、壓力計[8]進行計算，得出的溫度為649℃～653℃，壓力為4.2～4.3 kbar。

4 礦物化學

石榴子石：主要為鐵鋁榴石(Alm)、鎂鋁榴石(Prp)、錳鋁榴石(Sps)、鈣鋁榴石(Grs)。除TiO2、Cr2O3、MnO含量較低外，Al2O3、FeO、MgO、CaO含量都較高。對應的鐵鋁榴石(Alm)端元成分在57.08%～58.48%之間，平均值為57.72%。鎂鋁榴石(Prp)端元成分19.63%～21.95%，平均值20.67%。錳鋁榴石(Sps)2.97%～3.48%，平均值3.21%。鈣鋁榴石(Grs)17.28%～18.10%，平均值17.66%。從上面四個端元礦物成分的變化可以看出，石榴石中礦物含量變化較小。由于石榴石較能反應巖石所經歷的變質演化過程，為了探究巖石的演化，研究中選取了一個外形相對完整的石榴石，對其從核-幔-邊進行電子探針測試，結果顯示FeO、MgO、CaO、MnO含量分別為21.38%～21.66%；26.156%～26.813%；5.13%～5.854%；1.27%～1.51%，對應的Alm、Prp、Grs、Sps四個端元組分含量分別為56.88%～58.01%，平均57.29%；19.63%～22.75%，平均21.66%；16.77%～17.35%，平均16.94%；2.80%～2.98%，平均2.84%(表略，備索，后同)。由此可以看出，石榴石成分從核部到邊部都相對均一，沒有明顯的變化(圖3a)。這可能是石榴石在高溫環境下均一化的結果，因此石榴石不存在明顯的成分環帶。

單斜輝石：以包體形式賦存于石榴子石內部，或與斜方輝石、斜長石等礦物共生。二者礦物成分相差不大。根據輝石的三角圖(3b)可看出，它們均為次透輝石和普通輝石，表現為高含量的CaO、MgO和FeO，Al2O3含量次之，TiO2、CrO、MnO、Na2O、K2O含量較低。其中，CaO含量在19.83%～22.29%之間，平均含量為21.60%，對應的硅灰石(Wo)端元含量為41.82%～45.89%，平均含量為44.70%。MgO含量為11.16%～13.67%，對應的頑火輝石(En)端元組分含量為34.16%～37.3%，平均含量為35.63%。FeO含量為9.257%～12.4%，平均為10.785%，對應的Fs(鐵灰石)端元組分含量為16.13%～19.08%，平均為17.42%。Al2O3含量在2.033%～3.061%之間變化，平均值為2.69%。

斜方輝石：以基質形式產出，與斜長石、單斜輝石、角閃石共生。根據輝石的三端元成分圖解(圖3b)可以看出它們都屬于紫蘇輝石，以高MgO、FeO為特征。FeO含量為26.56%～27.67%，平均含量27.02%，對應的鐵輝石(Fs)端元含量為44.54%～46.12%，平均含量為45.22%。MgO含量在18.14%～18.70%，平均含量為18.36%，對應的頑火輝石(En)組分為52.84%～53.99%，平均含量為53.53%。

(a)底圖據Coleman(1965)[9] (b)底圖據常麗華等(2005)

斜長石：有的以“白眼圈”形式環繞在石榴石周圍，有的與角閃石、單斜輝石、石英等礦物共生。通過電子探針對后三種產出形式的斜長石進行測試，并用數據進行了斜長石三端元(Or-Ab-An)成分投圖(圖4)，可以看出在三端元圖上它們分布集中，都落在中長石區。礦物成分變化不大，以低含量K2O，高CaO為特點。CaO、Na2O、K2O含量分別為7.89%～8.66%，平均值8.422%；5.94%～6.65%，平均值6.43%；0.25%～0.40%，平均值0.33%。對應的An、Ab、Or端元組分含量40.17%～41.98%，平均值41.15%；56.08%～58.03%，平均值56.95；1.42%～2.33%，平均值1.88%。

圖4 長石的Or-Ab-An圖解底圖據賴紹聰等(2003)[10]

角閃石：薄片中的角閃石有呈邊變斑晶形式產出，也有呈基質形式產出。與其他礦物相比，角閃石顆粒較大。礦物中CaO、Na2O含量較高，K2O含量低，分別為7.89%～8.66%，5.94%～6.65%，0.25%～0.40%。由圖5中可以看出，樣品中角閃石都落在韭閃石和鐵韭閃石區，只有一個點落在鐵閃石區。從圖6的角閃石(Al-Ti)圖解可看出，角閃石都落在麻粒巖相區，因此它們經歷了麻粒巖相變質作用(劉平華，2010)[12]。由于高壓麻粒巖相不可能生成角閃石，所以它們可能是在中低壓條件下由石榴石或單斜輝石退變形成。

圖5 角閃石Si-Mg/(Mg+Fe2+)圖解底圖據Deer等(1997)[11]

圖6 角閃石AlⅣ-Ti成分圖解(底圖據靳是琴(1991)[13])

5 變質作用P-T軌跡與大地構造意義

前人對華北克拉通中部高壓麻粒巖做了大量的研究，取得許多重要成果。王仁民等(1991)認為麻粒巖相是洋殼的俯沖與重熔作用使深源殘渣包體形成的[14]。郭敬輝(1993)對懷安蔓菁溝早前寒武高壓麻粒巖進行研究，認為較為完好的高壓麻粒巖代表早前寒武最底部陸殼，原巖在約2.7 Ga從地幔中分異出來，可能是經殼下墊托作用加在早期陸殼底部，并隨后經歷高壓變質作用改造成為石榴輝石麻粒巖。在早元古代晚期碰撞構造環境中高壓麻粒巖受到地殼規模的大型逆沖作用發生上升[15]。趙國春(2009)用“東西部陸塊碰撞模型”解釋華北克拉通中部帶高壓麻粒巖，他認為高壓麻粒巖相的變質作用P-T條件和地熱溫度超出了一般的地溫梯度，因此高壓麻粒巖相只能形成于成倍加厚的地殼中。正是華別克拉通東西部板塊在18.5 Ga碰撞使地殼成倍加厚，發生了麻粒巖相變質作用，而隨后的拆沉作用使巖石快速折返，形成了廣泛發育的斜長石+斜方輝石的后成合晶結構。最后巖石向地殼淺部抬升，發生角閃巖相退變質作用，形成角閃巖相礦物組合[16]。Kusky and Li(2003)認為華北克拉通是東部陸塊與西部陸塊沿南北走向中部造山帶拼合而成，但是他提出的東西部陸塊界限和兩個陸塊的拼合時間與趙國春不同。之后的1.92～1.85 Ga華北克拉通與北緣哥倫比亞超大陸的一部分碰撞，形成了內蒙-晉冀造山帶，期間發生了廣泛的變質作用，形成大量高級變質巖石[17]。翟明國(2007)認為華北克拉通在2.5 Ga由7個微陸塊拼合，完成克拉通化。2.3～1.95 Ga期間華北克拉通經歷了經歷了一次擠壓構造事件，形成了膠遼、晉豫、豐鎮三個活動帶，造成西、東、北、中部活動帶邊界的碰撞和碰撞后的伸展，使陸塊邊緣基底掀翻，露出地表的部分巖石達到榴輝巖—麻粒巖相[18]。

結合巖相學特征、礦物組合、礦物化學特征和各個階段溫壓條件計算結果，可以確定灤平小白旗西角閃石榴斜長二輝麻粒巖經歷了順時針變質演化P-T軌跡。由于樣品中不保存有進變質階段礦物組合，因此只討論峰期高壓麻粒巖相、中壓麻粒巖相和角閃巖相幾個階段。從圖7可看出，巖石在地殼37 km達到峰期高壓麻粒巖相，形成了以為石榴石+單斜輝石+石英為代表的礦物組合，隨后巖石向地殼淺部抬升，壓力從7.9～11 kbar降低到5.6～7.1 kbar，同時伴隨溫度明顯上升，形成了斜方輝石礦物。薄片中保留的“白眼圈”結構斜長石說明此階段是個快速的地質過程，地殼的快速抬升形成了這種不平衡結構。此次折返使巖石從地殼37 km上升到23 km。到達地殼23 km后，巖石繼續向上抬升，經歷的是顯著的降溫降壓過程，形成了穩定的角閃巖相礦物組合，以大顆粒角閃石和斜長石為代表，此時巖石抬升到地殼14 km，至此演化結束。

圖7 宣化西區麻粒巖P-T軌跡

6 結論

(1)灤平小白旗西角閃石榴斜長二輝麻粒巖經歷了三期的變質作用：(1)峰期高壓麻粒巖相(M1)，代表性礦物是石榴石+單斜輝石+石英。(2)中壓二輝麻粒巖相(M2)：代表性礦物為斜方輝石+單斜輝石+斜長石±石英。(3)角閃巖相(M3)：代表性礦物為斜長石+角閃石。

(2)使用傳統地質溫壓計估算出三個期次的溫度壓力分別為636℃～719℃，7.9～11 kbar；775℃～861℃，5.6～7.1 kbar，649℃～653℃，4.2～4.3 kbar。構建出的變質作用P-T軌跡為順時針型，峰后升溫降壓，與碰撞造山的地質背景相對應。

(3)結合變質作用P-T軌跡和巖相學特征，可以確定灤平小白旗西角閃石榴斜長二輝麻粒巖經歷強烈的退變質作用，形成大量角閃石和斜長石。單斜輝石和斜方輝石的后成合晶結構表明巖石經過壓力降低、溫度升高的地質過程。

(4)灤平小白旗西角閃石榴斜長二輝麻粒巖的發現，為華北克拉通中部造山帶前寒武變質演化提供了新的素材，也為區域上冀北地區的變質演化研究提供更多的約束。