南太行叩天井地區中生代超基性巖中捕擄體的成因礦物學研究

秦超，唐玉瑩，金雅楠，范琳琳，白富生，張聚全

河北地質大學，河北石家莊050031

0 引言

華北克拉通破壞的概念自20世紀90年代提出以來，就是國內外學者重點研究的課題，對于華北克拉通破壞的時間、機制與范圍也取得了諸多進展[1-2]。邯邢地區位于華北克拉通中部，其內部巖漿活動強烈，鄭建民[3]歸納總結前人對邯邢地區巖漿活動的研究，提出邯邢地區巖漿活動大致分為四個階段，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。叩天井地區地處邯邢地區武安西南部，出露有第一階段超基性巖群，河北區調一隊對叩天井超基性巖利用K-Ar同位素測年得到一個259 Ma的年齡，認為其形成于華力西晚期，雖然不同學者對該年齡仍存在爭議，但是從該巖體產狀、巖石組合及其地球化學特征上來看，其很可能是一次獨立巖漿活動的產物。叩天井基性—超基性巖體群中發育大量的閃長質包體，包體是記錄地質演化過程最直接證據之一，對火成巖中巖石包體的研究對認識大陸巖石圈演化、性質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的特征和成礦作用過程，角閃石是叩天井地區基性—超基性巖閃長質包體中的常見礦物，其礦物成分受結晶時的溫度、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晶時寄主巖漿的物理化學條件等信息[5-9]。本文通過對角閃石在巖相學特征的基礎上結合電子探針分析，計算了角閃石結晶時的溫壓、氧逸度及水含量等物理化學條件，探討了包體的成因，試圖揭示中生代華北克拉通大規模破壞前的巖漿活動特征及其地球動力學意義。

1 區域地質背景

華北克拉通結晶基底主要由三個構造單元所構成，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，被認為是東部和西部陸塊在1.85 Ga碰撞而產生的陸陸碰撞帶，前人研究認為自1.85 Ga至早中生代，華北克拉通始終持續穩定演化[12]，中生代以華北克拉通發生大規模的巖漿活動導致巖石圈大規模減薄，其時代為晚三疊世至早白堊世[3]。區域內結晶基底為晚古生代—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。區域內部構造復雜，受近北北東向大興安嶺—太行山山前斷裂帶控制，該區發育一系列南北向—北北東向次一級斷裂[13]，李黎明[14]研究認為有四條隱伏的基底斷裂帶：邢臺基底斷裂帶、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域內巖漿活動。區域內成礦巖體自西向東分為三個近平行的巖漿巖巖帶和八個主要巖體，分別為西部巖帶：符山巖體；中部巖帶：固鎮巖體、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 巖體地質特征

天井巖體群位于邯邢地區西南部，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，小巖株狀產出。區域構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—北西向斷裂控制區域內超基性—基性侵入巖的產出狀態，前人對叩天井超基性巖體群中角閃輝橄巖進行K-Ar全巖同位素分析，認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 叩天井地區區域地質圖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行分析，包體為青灰色，中粒結構，塊狀構造。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，可見到包含結構，部分可以看到角閃石具有環帶結構（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則他形，鉻鐵礦可見環帶結構（圖2c），顆粒<1 mm；磷灰石分散在薄片中，顆粒更小；常見包含結構；橄欖石蝕變嚴重。

圖2 叩天井超基性巖中包體巖相學特征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科學院礦產資源研究所完成，儀器型號為JEOL JXA-8230電子探針儀，運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。使用天然礦物質和合成材料作為標準，所有標準品在使用前進行均勻性測定進行定量分析。使用ZAF校正程序進行矩陣校正。角閃石電子探針數據分析利用Geokit軟件完成。分析結果見表1。

表1 角閃石電子探針分析數據Table 1 Amphibole electron probe analysis data

4 分析結果

角閃石化學成分顯示，SiO2變化在43.02%~47.1%，Al2O3變化范圍在10.64%~13.73%，FeO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。基于Leake[17]等對角閃石進行分類（圖3），研究區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Leake等[17]）Fig.3 Classification of amphibole

5 討論

5.1 溫壓條件

角閃石廣泛產出于多種巖漿巖、變質巖、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條件等重要信息[5-7]。通過相關研究不僅可以確定角閃石的成因類型，而且可以為進一步探討巖石成因和物質來源提供重要的地球化學信息。Hammarstrom和Zen[18]最早根據巖漿巖接觸變質作用的研究表明，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系，并提出利用角閃石全鋁含量計算其結晶時的壓力，得到如下經驗公式（式1）：

Hollister[19]等和Schmidt[20]分別通過實驗對該經驗公式進行了改進（式2、3）：

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

因此本研究選用此壓力計對研究區的角閃石進行壓力計算，計算結果顯示（圖4a），研究區角閃石形成壓力范圍在241 Mpa~535 Mpa，平均為413 Mpa，對應深度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Ridolfi等[21]，d據Dada[24]等）。Fig.4 Calculation of temperature-pressure （a）, T-H2Omelt（c）and oxygen fugacity （b，d） of amphibole

Putirka[23]通過實驗研究發現，角閃石的結晶溫度與其Al原子數、Ti原子數和Na原子數具正相關關系，與Si原子數和Mg#值有負相關關系，并提出角閃石的結晶溫度與其組分的關系式（誤差±30℃）：

其中SiAmp、TiAmp、NaAmp分別代表基于23個氧原子計算出來的角閃石的陽離子個數，FetotalAm代表鐵陽離子的總數。

計算結果顯示，角閃石結晶溫度變化在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，能夠半定量的評價氧逸度的大小，Ridolfi[23]通過大量角閃石實驗，提出了利用角閃石分子式計算其結晶時巖漿氧逸度及含水量的的計算公式（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，Fe#=Fe3+/（Fetotal+Mg+Mn），誤差為±0.41%。根據該公式計算出來叩天井地區角閃石結晶時巖漿的氧逸度變化范圍在ΔNNO+1.3~+2.1（logfo2=-10.2~-8.7）（圖4b、4d），表明研究區角閃石結晶時處于高的氧逸度條件下。

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

5.3 巖漿源區及性質

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，研究區角閃石Al2O3的含量為10.64%~13.73%，平均為12.67%，顯示為地幔源區，在角閃石TiO2-Al2O3圖解（圖5a）中研究區角閃石數據數落入幔源區域。根據Ridolfi和Renzulli[24]通過研究發現，角閃石中KA和AlIV的含量是有效地反應巖漿堿度的重要參數，在KA和AlIV相關性圖解投圖（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域，表明原始巖漿為鈣堿性巖漿。巖漿源區和地幔中的水含量是驗證華北克拉通破壞的重要因素之一，華北克拉通受多個俯沖帶控制，其巖石圈的水可能與多個俯沖帶脫水釋放有關，李洪顏[29]等研究表明石炭紀華北克拉通北緣受中亞造山影響已經發生活化，Zhang[30]等認為華北地區出現最早的巖漿巖為一套石炭紀鈣堿性巖石，并認為其是古亞洲洋向南俯沖于華北克拉通北緣的結果，Xie[31]等和Chen[32]等則認為華南板塊向華北板塊俯沖導致軟流圈地面上涌致使華北巖石圈地幔熔融。從本研究區巖漿來源及高含水量的特點可以推測，華北克拉通內部在晚古生代到早中生代可能受到這兩種作用的影響，進而認為華北克拉通內部發生小規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，底圖據姜常義等[28]）和KA-AlⅣ圖解（b，底圖據 Ridolfi和Renzull[22]）Fig 5 TiO2-Al2O3 diagram and KA-AlⅣ diagram of amphibole

6 結論

（1）根據角閃石主量元素測試數據進行分析并進行相應的分類投圖，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）角閃石溫壓計計算結果顯示角閃石形成溫度為883℃~983℃，壓力介于241 Mpa~535 Mpa，對應形成深度為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%，母巖漿源自幔源區域，為鈣堿性巖漿。

（3）從巖漿高含水量的特點推測，華北克拉通內部可能是在石炭—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生的一次小規模破壞事件。