福建省侏罗纪-白垩纪花岗岩角闪石-斜长石矿物温压计的地质意义

黎敦朋， 肖爱芳， 刘文元

(福州大学紫金矿业学院，福建 福州 350108)

出露于地表形成于不同深度的花岗岩是研究地壳岩石隆升剥露等构造过程的重要标尺之一。通过花岗岩结晶压力的估算与结晶深度的换算，结合花岗岩时代或同位素年龄，可为研究地壳岩石不同时期的隆升剥露幅度与速率提供可靠数据，这对研究不同构造单元的差异隆升与剥露幅度和过程提供了重要信息。对于不同构造单元的花岗闪长质、闪长质岩石，角闪石由于其在很大温压范围内的稳定性(P=1 ～23 kbar，T=400 ～1150 ℃)，因而成为一种估算花岗岩结晶深度的最常用的矿物之一(Blundy et al.，1990;Stein et al.，2001)。

国内近年在应用矿物温压计估算花岗岩形成深度与构造过程方面，已取得了众多成功的实例:艾晓玲等(2000)对大别山刘家洼杂岩体通过角闪石与长石矿物化学研究，应用Holland 等(1994)共生角闪石-斜长石温度计估算其结晶温度为730 ～810 ℃，应用Schmidt(1992)的角闪石压力计估算粗粒闪长岩结晶深度约20 km、辉石闪长岩和细粒闪长岩的结晶深度约为7 ～8 km，从而确定刘家洼杂岩为同构造剥露的侵入杂岩体;龚松林(2004)对黄陵岩体应用Holland 等(1994)共生角闪石-斜长石温度计估算黄陵庙花岗闪长岩的平均结晶温度为695 ℃、三斗坪英云闪长岩的平均结晶温度为749 ℃，应用Schmidt(1992)的角闪石压力计估算得出黄陵庙花岗闪长岩结晶深度约为15.8 km、三斗坪英云闪长岩结晶深度约为14.6 km，结合黄陵花岗岩的时代得出岩体平均古隆升速率为0. 09 km/Ma，表明岩体形成后经历了缓慢的隆升剥露作用;张拴宏等(2007)对华北地块北缘晚古生代-中生代花岗岩应用角闪石-斜长石温压计对结晶压力和深度进行了估算。结果表明，晚古生代-早中生代期间内蒙古隆起与燕山断褶带之间存在强烈的差异隆升及剥露作用;曾令森等(2007)对苏鲁超高压变质岩中的石岛复合花岗岩体，应用Schmidt(1992)的角闪石压力计估算得出同位素年龄为215 Ma 的石岛花岗岩平均结晶深度约为15.2 km，暗示苏鲁超高压变质岩约在215 Ma 前后已快速折返至小于15 km 的深度;雷敏等(2010)对铜陵地区的中酸性侵入岩应用矿物温压计得出岩体的结晶深度为4 ～7 km，闪长质包体形成于12 ～15 km，堆积岩包体形成于45 ～65 km 的认识;陆丽娜等(2011)对胶西北郭家岭花岗闪长岩应用角闪石-斜长石温压计和流体包裹体的研究，得出从东向西岩体结晶深部由6 km→10 km→13 km，结晶温度也越来越高，暗示早白垩世以来胶东地区地壳隆升速率可能是不均匀的，西部相对东部隆升更快剥露更多。

目前对福建省不同构造单元的隆升剥露幅度及其差异仍未开展过系统的研究。本文通过对福建省闽东构造带与闽西南构造带侏罗纪以来的5个花岗闪长岩、闪长岩体的共生角闪石-斜长石矿物的电子探针分析和温压计的研究，计算了岩体的结晶温度与压力，估算了岩体的结晶深度，探讨了闽东构造带与闽西南构造带侏罗纪以来的岩石隆升剥露幅度及地壳隆升速率。

1 区域地质背景与样品描述

1.1 区域地质背景

福建省位于中国东南沿海，在大地构造位置上处于欧亚板块的东南缘，与菲律宾板块隔台湾海峡相接，为环太平洋中、新生代构造—岩浆活动带的一部分，是全球构造—岩浆活动最强烈的地区之一(郑声俭等，1999)。福建省划分为三大构造单元:即闽西北构造带、闽西南构造带和闽东构造带(福建省地质矿产局，1984;吴淦国等，2000)。

闽西北构造带、闽西南构造带之间由南平—宁化北东东向构造岩浆带分隔，闽东构造带与闽西北构造带、闽西南构造带由政和—大埔北北东向断裂带为界(图1)。福建省内的三大构造单元分别经历了不同的地质演化历史和岩浆演化过程。闽西北构造带以新太古代变质基底和元古代变质岩的广泛出露为其主要特色，发育古元古界、古生代—中生代花岗岩。闽西南构造带以缺失新太古界和中元古界、志留系和下中泥盆统，发育古生界及古生代—中生代花岗岩。闽东构造带以缺失新太古界、古元古界、下震旦统和古生界—中三叠统，广泛出露晚中生代陆相酸—中酸性火山岩及燕山期花岗岩为主要特征(张庆龙等，2008)。

福建省三大构造单元具有不同的构造—岩浆分布与演化特征，其分别经历了不同的地质演化历程。福建省境内花岗岩可以划分110个单元，归并27个超单元(序列)，其中花岗闪长岩-闪长岩类超单元有上坪超单元、夏茂超单元、石头坂超单元、新街超单元、钟腾超单元、吴东山超单元、湖村超单元等12个，独立单元有光坑单元、洋地单元、双峰单元3个(郑声俭等，1999;福建省地质矿产开发局，1998)，广泛发育角闪石-斜长石共生矿物，这对开展角闪石-斜长石温压计估算岩体结晶深度和隆升剥露过程提供了良好的条件。

1.2 样品描述

本研究在闽东构造带与闽西构造带共采集了5组花岗岩样品(图1)，每组样品在同一岩体的不同位置各采集4 件样品，开展角闪石-斜长石结晶温度与压力研究，各样品特征见表1，各样品矿物主要成份为斜长石、角闪石、石英，次要矿物钾长石、黑云母，微量矿物为锆石、榍石、钛铁矿等。

2 分析方法

样品磨制成薄片，用树脂粘在载玻片上，在薄片上不盖盖玻片。在偏光显微镜下选择角闪石-斜长石共生的合适测点进行标注，然后对薄片镀碳，共生角闪石-斜长石的成份在福州大学福建省矿产资源重点实验室JXA-8230 电子探针分析仪上测试。测试条件:电压20.00 kV，电流10 nA，束斑直径5 μm，室内温度21 ℃。由于角闪石、斜长石由中心至边缘的成份存在一定差异，一般最大差异小于2%，因此，每个分析数据结果均由矿物中心至边缘的2 ～3个测点的数据平均值得出。不同岩体的不同位置各采集了4 块样品进行共生角闪石、斜长石成份测定(表2，3)。

表1 采样花岗岩特征表Table 1 Characteristics of the sampling granite

图1 福建省构造单元划分(a)与侏罗纪以来花岗岩分布图(b)Fig.1 Fujian tectonic units(a)and granite distribution since Jurassic(b)

3 分析结果

不同岩体角闪石成份测定结果如表2，其中样品SX3 角闪石成份总量仅为91.48%，数据总量偏低，不作为研究数据。表2 中FeO* 为全铁，Fe3+和Fe2+在全铁中的配位由Plagioclase-Hornblende Thermobarometry (Holland et al.，1994)程序计算获得。根据Leake(1997)对角闪石的分类方法，所研究岩体的角闪石均为钙质角闪石，主要为镁角闪石、浅闪石和铁浅闪石(图2)，其中三明花岗闪长岩体(SM1-4)和尤溪花岗闪长岩体(YX2-3)样品的(Na+K)A值大于0.5，其余样品的(Na+K)A值小于0.5。所有角闪石总体投影在中酸性侵入岩区(图3)，表明岩体中的角闪石基本没有蚀变，属岩浆成因。各岩体角闪石的Fe3+/(Fe2++ Fe3+)比值显示，除政和闪长岩的ZH2，ZH3 样品和沙县花岗闪长岩体的SX1 样品的氧逸度较低，其Fe3+/(Fe2++ Fe3+)比值小于0. 2;其余样品的Fe3+/(Fe2++ Fe3+)比值为0.21 ～0.35，其中三明花岗闪长岩体的氧逸度相对较高，其Fe3+/(Fe2++Fe3+)比值为0.50 ～0.55。各岩体角闪石的Fetol/(Fetol+ Mg)比值总体较低，除三明花岗闪长岩体样品和尤溪花岗闪长岩体的YX2，YX3 样品的Fetol/(Fetol+ Mg)比值大于0.4，其余样品的Fetol/Fetol+ Mg 比值0.30 ～0.36。

对不同岩体斜长石成份测定结果如表3。除政和闪长岩ZH4 样品的An 为14.9 和尤溪花岗闪长岩YX2、YX3 样品的An 大于36 外，其余样品An 为20 ～35。

3.1 岩体结晶温度估算

Holland 等(1994)提出了用平衡共生的角闪石-斜长石矿物对成份计算成岩温度的方法，基于“浅闪石+4 石英=透闪石+钠长石”的平衡反应，建立了适用于含石英花岗岩的温度计TA:

表2 角闪石电子探针数据表Table2 Amphibole electron probe date

图2 角闪石成份分类图解(据Leake，1997)Fig.2 Amphibole composition classification(after Leake，1997 )

图3 钙质角闪石的Si-Ti 变异图及成因类型划分Fig.3 Ti-Si diagram of calcic amphiboles and their genetic classification

此外，基于“浅闪石+钠长石= 钠透闪石+钙长石”的平衡反应，建立了适用于含石英或无石英侵入岩的温度计TB:

上述TA、TB公式中的各项含义见Holland 等(1994)。

根据Stein(2001)的使用经验，角闪石-斜长石温度计的计算温度与其它独立方法计算的变质岩温度非常吻合。本文应用Holland 等(1994)提出的角闪石-斜长石温度计，得出各岩体的结晶温度如表4。闽侯石英闪长岩TA为682 ～739 ℃、TB为610 ～648 ℃，TA＞TB;沙县花岗闪长岩TA为585 ～714 ℃、TB为626 ～678 ℃，其中SX2 样品TB＞TA，可能该样品角闪石与斜长石未达到平衡;尤溪花岗闪长岩TA为688 ～805 ℃、TB为685 ～777 ℃，TA＞TB;政和闪长岩TA为637 ～689 ℃、TB为596 ～660℃，其中ZH3 样品TB＞TA，可能该样品角闪石与斜长石未达到平衡;三明花岗闪长岩TA为757 ～772℃、TB为696 ～720 ℃，TA＞TB。

Anderson 等(1995)分析指出，TB比TA更加准确，本研究通过角闪石-斜长石温度计计算的花岗岩结晶温度TB为596 ～777 ℃，表明闪石-斜长石矿物在固相线附近(～700 ℃)结晶。

3.2 岩体结晶压力与侵位深度估算

Hammarstorm 等(1986)首先提出了角闪石全铝(AlT)含量和角闪石压力(P)之间的关系［P(±3 kbar)= -3.92 +5.03AlT］，即角闪石全铝AlT随压力P 的增加而线性增加，在含有七种固态相(石英、钾长石、斜长石、黑云母、角闪石、榍石、Fe-Ti 氧化物)+熔体+挥发份的花岗岩中，角闪石可以用作压力计。随后的研究(Hollister et al.，1987)和实验研究(Johnson et al.，1989;Schmidt，1992)证实角闪石中全铝AlT和压力P 相关，并提出了稍加修正的经验公式。对于这几种压力计公式的表述，马昌前等(1994)、陆丽娜等(2011)已经做过详细的介绍，

本文不再赘述。

表3 斜长石电子探针数据表Table3 Plaqioclase electron probe date

表4 不同岩体的结晶温度、压力及结晶深度Table Granite crystallinzation temperature,pressure and crystallization depths

上述几个不依赖温度校正的压力计给出了非常接近的压力，但遗憾的是，这些实验校正都没有对压力反应进行完全的研究，也没有对其它相的组分进行论述。事实上所有的压力计都有一个温度依赖关系而且常受到其它参数变化的影响。然而，在过去的数十年，很多岩石学的研究，都报道了由该压力计不经任何基于温度的修正就得出的压力。因此，这些结论常常引起争议。基于上述情况，Anderson 等(1995)根据Johnson 等(1989)和Schmidt(1992)的角闪石铝压力计以及Blundy 等(1990)的角闪石-斜长石温度计，考虑了压力、温度和氧逸度三个重要参数对角闪石AlT含量的控制，提出一个全新的压力计公式:

这个压力计与温度相关，随着压力的增大，温度对压力的影响也随之增加。如果没有温度的控制，角闪石压力计可能得出过大的深成岩厚度或倾斜度;此外，氧逸度是一个新的限制因素，它控制着Fe/(Mg+Fe)和Fe3+/Fe2++ Fe3+的比值，一般fO2越低，Fe2+出现越多。Anderson 等(1995)建议在使用角闪石全铝压力计时，最好选用0.4 ＜Fe/(Fe +Mg)＜0. 65 且Fe3+/(Fe2++ Fe3+≥0. 25(或者Schmidt(1992)建议的0.2)的角闪石，低fO2可能导致计算的压力值偏高。

同时，根据龚松林(2004)的总结，在应用该压力计的过程中，除了上述氧逸度的条件外，还需要注意下面的一些前提条件:(1)矿物组合石英、斜长石、钾长石、角闪石、黑云母、榍石和磁铁矿/钛铁矿必须和熔融物同时存在;(2)压力计仅仅能被用于2 ～13 kbar 压力范围内结晶的岩体;(3)和角闪石共存的斜长石牌号应该排列在An25 和An35 之间;(4)角闪石在花岗岩类的固相线附近(～700 ℃)结晶;(5)角闪石也应该和钾长石共存，因为后者的活度也影响角闪石的Al 含量;(6)考虑最后三个先决条件的影响，成分测定点必须位于与石英和/或钾长石相互接触的角闪石边缘。

在角闪石结晶时，花岗质岩浆仍以融熔状态为主，这时的结晶压力可视为上覆静岩压力，若取上地壳平均密度为ρ =2 700 kg/m3，根据P =ρgD 可以求出岩体结晶的深度D，本次研究应用Anderson等(1995)角闪石压力计，对符合或基本符合压力计适用条件的样品计算得出的岩体结晶深度见表4。得出早白垩世闽侯石英闪长岩的平均结晶深度约为3.4 km，早白垩世沙县花岗闪长岩的平均结晶深度约为4.4 km，晚侏罗世政和闪长岩的平均结晶深度约为7.1 km，晚侏罗世尤溪花岗闪长岩的平均结晶深度约为7.1km，早侏罗世三明花岗闪长岩的平均结晶深度为16.3 km。周珣若等(1994)对闽东构造带早白垩世的漳州花岗岩的矿物压力计计算，得出岩体结晶深度3 km 的认识;张师(1991)对闽东构造带早白垩世的福州花岗岩和鼓山花岗岩的黑云母分解曲线研究，获得岩浆开始固结的压力分别为80 MPa、90 MPa，若取上地壳平均密度为ρ=2 700 kg/m3，计算得出福州花岗岩和鼓山花岗岩的结晶深度分别为3.0 km，3.4 km。显然，本文获得早白垩世闽侯石英闪长岩的平均结晶深度3.4 km 与张师(1991)、周珣若等(1994)在闽东构造带早白垩世花岗岩结晶深度基本一致，说明本研究得出的花岗岩结晶深度基本可靠。

4 讨论与结论

4.1 讨论

福建省不同构造单元中晚三叠世经历了印支造山作用，奠定了主体构造格架，在早侏罗世，局部地区存在海相沉积，中侏罗世以后，福建省全区表现为陆相沉积。闽东构造带在侏罗纪以来总体表现为火山凹陷盆地，沉积了厚度较大的火山岩，大面积出露侏罗纪-白垩纪火山-侵入岩，很少出露古生代地层，暗示白垩纪以来地壳的隆升剥露幅度较小。闽西南构造带在侏罗纪以来总体表现为“盆岭”构造格局，呈现凹陷盆地与隆升剥蚀区并存的特征，沉积了一定厚度的火山岩和碎屑岩，出露较多古生代及前寒武纪地层，表现为断块差异升降运动相对较强特点。值得注意的是在早侏罗世闽西南的龙岩永定一带出露有下侏罗统藩坑组裂谷火山岩，暗示闽西南构造带在早侏罗世发生了一定程度的伸展裂陷作用。

出露于地表的花岗岩的隆升剥露幅度等于它们的结晶深度。根据角闪石-斜长石温压计估算的现在出露于地表的早白垩世花岗岩的结晶深度在闽东构造带约为3 km、闽西南构造带约为4 km，即早白垩世花岗岩的结晶以后的隆升剥露幅度约为3 km，4 km，因此，早白垩世花岗岩结晶以后地壳的隆升剥露幅度约为3 ～4 km，并显示早白垩世以来闽西南构造带的隆升剥露幅度较闽东构造带略大。根据角闪石-斜长石温压计估算结果，现在出露于地表的晚侏罗世花岗岩的结晶深度在闽东构造带与闽西南构造带基本一致，约为7 km，即晚侏罗世花岗岩结晶以后的隆升剥露幅度约为7 km。根据早白垩世以来花岗岩的隆升剥露幅度，推算晚侏罗世闽东构造带的隆升剥露幅度为4 km、闽西南构造带的隆升剥露幅度为3 km，得出晚侏罗世花岗岩结晶以后在早白垩世期间的地壳隆升剥露幅度约为3～4 km。

此外，笔者对闽西南构造带现在出露于地表的早侏罗世花岗岩的角闪石-斜长石温压计估算的结晶深度约为16 km，得出早侏罗世花岗岩结晶以后地壳隆升剥露了约16 km，在中晚侏罗世的隆升剥露幅度约为9 km。

根据国际地层表(章森桂等，2009)，侏罗纪下限为(199.6 ±0.6)Ma、侏罗纪上限为(145. 5 ±4.0)Ma，早侏罗世-中侏罗世、中侏罗世-晚侏罗世的时间界线分别为(175. 6 ±2. 0)Ma、(161. 2 ±2.0)Ma，早白垩世-晚白垩世的时间界线为(99.6±0.90)Ma。如果花岗岩的结晶时代以上限计算，即早侏罗世花岗岩的结晶时代以早侏罗世末(175.6 Ma)计算、晚侏罗世花岗岩的结晶时代以晚侏罗世末(145.5 Ma)计算、早白垩世花岗岩的结晶时代以早白垩世末(99.6 Ma)计算，那么估算得出早侏罗世花岗岩在中晚侏罗世(175.6 ～145.5 Ma)的隆升剥露速率约为300 m/Ma，晚侏罗世花岗岩在早白垩世(145.5 ～99.6 Ma)的隆升剥露速率约为65 ～87 m/Ma，早白垩世花岗岩在晚早白垩世以后(99.6 ～0 Ma)的隆升剥露速率约为30 ～40 m/Ma，显示研究区花岗岩从中侏罗世开始地壳隆升剥露幅度和速率具有逐渐减小的规律。

4.2 结论

通过角闪石-斜长石温压计的估算和讨论，得出如下结论:

(1)闽西南构造带出露于地表不同时期花岗岩的结晶压力分别为早侏罗世花岗岩431.3 MPa、晚侏罗世花岗岩187. 2 MPa、早白垩世花岗岩108.3 MPa，对应的花岗岩结晶深度分别为16 km，7 km，4 km;闽东构造带出露于地表的不同时期花岗岩结晶压力分别为晚侏罗世花岗岩186.8 MPa、早白垩世花岗岩89.5 MPa，对应的花岗岩结晶深度分别为7 km，3 km。

(2)闽东构造带与闽西南构造带花岗岩中晚侏罗世以来(175.6 ～0 Ma)岩石隆升剥露幅度约为16 km，早白垩世以来(145.5 ～0 Ma)岩石隆升剥露幅度约为7 km，晚早白垩世以来(99.6 ～0 Ma)岩石隆升剥露幅度约为3 ～4 km，显示二个构造单元的隆升剥露幅度差异不显著，不存在强烈的差异隆升作用。

(3)进一步的计算得出:早侏罗世花岗岩在中晚侏罗世(175.6 ～145.5 Ma)的隆升剥露速率约为300 m/Ma，晚侏罗世花岗岩在早白垩世(145.5 ～99.6 Ma)的隆升剥露速率约为65 ～87 m/Ma，早白垩世花岗岩在晚白垩世以来(99.6 ～0 Ma)的隆升剥露速率约为30 ～40 m/Ma，显示研究区花岗岩自中侏罗世以来地壳隆升剥露速率具有逐渐减小的规律。

致谢:感谢中国地质科学院地质力学研究所张拴宏研究员在温压计数据计算中的指导，感谢审稿人有益的修改建议。本研究矿物CIPW 的计算应用了长江大学路远发教授开发的geoKit 程序、角闪石-斜长石结晶温度与压力的计算应用了美国南加州大学J. Lawford Anderson 教授编写的角闪石-斜长石温压测算软件，在此表示衷心感谢!

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