南太行叩天井地区中生代超基性岩中捕掳体的成因矿物学研究

秦超，唐玉莹，金雅楠，范琳琳，白富生，张聚全

河北地质大学，河北石家庄050031

0 引言

华北克拉通破坏的概念自20世纪90年代提出以来，就是国内外学者重点研究的课题，对于华北克拉通破坏的时间、机制与范围也取得了诸多进展[1-2]。邯邢地区位于华北克拉通中部，其内部岩浆活动强烈，郑建民[3]归纳总结前人对邯邢地区岩浆活动的研究，提出邯邢地区岩浆活动大致分为四个阶段，第一阶段为基性—超基性岩系列；第二阶段为中性偏基性的闪长岩系列；第三阶段为二长岩系列；第四阶段为碱性正长岩类。叩天井地区地处邯邢地区武安西南部，出露有第一阶段超基性岩群，河北区调一队对叩天井超基性岩利用K-Ar同位素测年得到一个259 Ma的年龄，认为其形成于华力西晚期，虽然不同学者对该年龄仍存在争议，但是从该岩体产状、岩石组合及其地球化学特征上来看，其很可能是一次独立岩浆活动的产物。叩天井基性—超基性岩体群中发育大量的闪长质包体，包体是记录地质演化过程最直接证据之一，对火成岩中岩石包体的研究对认识大陆岩石圈演化、性质和起源以及火成岩的成因具有重要意义[4]，有助于揭示岩浆活动的特征和成矿作用过程，角闪石是叩天井地区基性—超基性岩闪长质包体中的常见矿物，其矿物成分受结晶时的温度、压力、氧逸度和含水量等因素的控制，角闪石的矿物成分能够很好的记录其结晶时寄主岩浆的物理化学条件等信息[5-9]。本文通过对角闪石在岩相学特征的基础上结合电子探针分析，计算了角闪石结晶时的温压、氧逸度及水含量等物理化学条件，探讨了包体的成因，试图揭示中生代华北克拉通大规模破坏前的岩浆活动特征及其地球动力学意义。

1 区域地质背景

华北克拉通结晶基底主要由三个构造单元所构成，分别为东部陆块、中部古元古代造山带和西部陆块[10，11]，太行山南段位于华北克拉通中部造山带，被认为是东部和西部陆块在1.85 Ga碰撞而产生的陆陆碰撞带，前人研究认为自1.85 Ga至早中生代，华北克拉通始终持续稳定演化[12]，中生代以华北克拉通发生大规模的岩浆活动导致岩石圈大规模减薄，其时代为晚三叠世至早白垩世[3]。区域内结晶基底为晚古生代—早古生代赞皇群，上覆岩层依次为中元古界长城系砂岩、寒武系—奥陶系碳酸盐岩、石炭系—三叠系砂岩、泥岩、页岩和粉砂岩。区域内部构造复杂，受近北北东向大兴安岭—太行山山前断裂带控制，该区发育一系列南北向—北北东向次一级断裂[13]，李黎明[14]研究认为有四条隐伏的基底断裂带：邢台基底断裂带、紫山—矿山基底断裂带、磁山基底断裂带和安林—平顺基底断裂带。它们与北北东向大兴安岭—太行山山前断裂带共同控制区域内岩浆活动。区域内成矿岩体自西向东分为三个近平行的岩浆岩岩带和八个主要岩体，分别为西部岩带：符山岩体；中部岩带：固镇岩体、武安岩体、矿山岩体和綦村岩体；东部岩带：新城岩体、洪山岩体和白沙岩体[13]。

2 岩体地质特征

天井岩体群位于邯邢地区西南部，出露的岩浆岩为以海西期侵入岩为主的天井岩体群，出露面积约为0.6 km2（图1），呈带状，脉状，小岩株状产出。区域构造是以正断层为主格架，多条北北东向—北东向及次一级的南北向—北西向断裂控制区域内超基性—基性侵入岩的产出状态，前人对叩天井超基性岩体群中角闪辉橄岩进行K-Ar全岩同位素分析，认为角闪辉橄岩年龄在259 Ma[15]。岩性主要为基性—超基性的含橄榄辉石角闪岩、辉石角闪岩超基性—基性的辉石角闪闪长岩、角闪闪长岩[16]。

图1 叩天井地区区域地质图Fig.1 Regional geological map of the KouTianjing

3 样品特征及分析方法

3.1 样品特征

研究选取叩天井超基性岩包体的典型样品进行分析，包体为青灰色，中粒结构，块状构造。暗色矿物主要为角闪石、橄榄石、辉石，浅色矿物大多为长石，副矿物主要为磷灰石、磁铁矿、铬铁矿。角闪石呈半自形的柱状或针状，颗粒大小1~3 mm，可以看到角闪石蚀变，可见到包含结构，部分可以看到角闪石具有环带结构（图2a）；辉石常以自形的柱状或板状存在，颗粒大小约为1~2 mm，含量较少；长石主要为钾长石和钠长石，颗粒大小约为1.5 mm，常见双晶；磁铁矿和铬铁矿常呈自形立方体或不规则他形，铬铁矿可见环带结构（图2c），颗粒<1 mm；磷灰石分散在薄片中，颗粒更小；常见包含结构；橄榄石蚀变严重。

图2 叩天井超基性岩中包体岩相学特征Fig.2 Petrographic characteristics of inclusions in ultrabasic rocks of KouTianjing

3.2 分析方法

矿物分析测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所完成，仪器型号为JEOL JXA-8230电子探针仪，运行条件为硅酸盐和氧化物的加速电压为15kV，硫化物为20kV，束流为20 nA，光束尺寸为5 um。使用天然矿物质和合成材料作为标准，所有标准品在使用前进行均匀性测定进行定量分析。使用ZAF校正程序进行矩阵校正。角闪石电子探针数据分析利用Geokit软件完成。分析结果见表1。

表1 角闪石电子探针分析数据Table 1 Amphibole electron probe analysis data

4 分析结果

角闪石化学成分显示，SiO2变化在43.02%~47.1%，Al2O3变化范围在10.64%~13.73%，FeO变化在9.30%~12.03%，MgO变化在14.27%~16.69%，CaO变化在11.18%~11.99%，Na2O变化范围为1.91%~2.45%，Ti2O变化在0.08%~0.41%，K2O变化在0.30%~0.39%，总体超基性岩捕掳体为富镁、钙，贫钾、钛的特征。基于Leake[17]等对角闪石进行分类（图3），研究区超基性岩中捕掳体中的角闪石主要为韭闪石，少部分为浅闪石。

图3 角闪石成分分类图解（底图据Leake等[17]）Fig.3 Classification of amphibole

5 讨论

5.1 温压条件

角闪石广泛产出于多种岩浆岩、变质岩、热液脉和蚀变岩中，角闪石的成分能够记录岩浆演化的物理化学条件等重要信息[5-7]。通过相关研究不仅可以确定角闪石的成因类型，而且可以为进一步探讨岩石成因和物质来源提供重要的地球化学信息。Hammarstrom和Zen[18]最早根据岩浆岩接触变质作用的研究表明，火成岩中角闪石的Al含量与平衡压力之间存在较好地线性关系，并提出利用角闪石全铝含量计算其结晶时的压力，得到如下经验公式（式1）：

Hollister[19]等和Schmidt[20]分别通过实验对该经验公式进行了改进（式2、3）：

其中A1T是角闪石结构式中A1原子总数。Ridolfi通过研究发表了独立的角闪石组分估算其形成压力的经验公式（式4）此公式适用于由地幔至上地壳的压力范围，该温压计比前两者提出的角闪石全铝压力计减少了约280 MPa的误差，此后Ridolfi[21]和Renzulli[22]通过实验研究表明该公式在压力P≤500 MPa时是可以参考的，且误差小于±44 MPa：

因此本研究选用此压力计对研究区的角闪石进行压力计算，计算结果显示（图4a），研究区角闪石形成压力范围在241 Mpa~535 Mpa，平均为413 Mpa，对应深度8.5 km~19 km，平均为14.6 km。（按照地壳平均密度为2 700 kg/m3计算）。

图4 角闪石温度、压力（a）、含水量（c）及氧逸度图解（b，d）（图a、b、c据Ridolfi等[21]，d据Dada[24]等）。Fig.4 Calculation of temperature-pressure （a）, T-H2Omelt（c）and oxygen fugacity （b，d） of amphibole

Putirka[23]通过实验研究发现，角闪石的结晶温度与其Al原子数、Ti原子数和Na原子数具正相关关系，与Si原子数和Mg#值有负相关关系，并提出角闪石的结晶温度与其组分的关系式（误差±30℃）：

其中SiAmp、TiAmp、NaAmp分别代表基于23个氧原子计算出来的角闪石的阳离子个数，FetotalAm代表铁阳离子的总数。

计算结果显示，角闪石结晶温度变化在853℃~933℃，平均为901℃。

5.2 氧逸度及含水量

前人[21，25-27]研究表明氧逸度对岩浆演化和岩石成因有重要影响，而角闪石的成分可以用来推断其形成时熔体的氧逸度及水含量。Anderson和Smith[27]提出的ⅣAl-Fe/（Fe+Mg）氧逸度图解，能够半定量的评价氧逸度的大小，Ridolfi[23]通过大量角闪石实验，提出了利用角闪石分子式计算其结晶时岩浆氧逸度及含水量的的计算公式（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，误差为±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），误差为±0.41%。根据该公式计算出来叩天井地区角闪石结晶时岩浆的氧逸度变化范围在ΔNNO+1.3~+2.1（logfo2=-10.2~-8.7）（图4b、4d），表明研究区角闪石结晶时处于高的氧逸度条件下。

利用其计算含水量的方法，对研究区角闪石结晶时岩浆含水量进行计算，结果表明角闪石结晶时的深部岩浆房含水量高为6.8%~8.4%，说明角闪石的结晶与富水熔体有关，而富水熔体可能是原始岩浆相对富水（图4c）。

5.3 岩浆源区及性质

姜常义[28]提出，壳源角闪石的Al2O3的含量不超过10%，且Si/（Si+Ti+Al）≥0.775，而幔源的角闪石Al2O3多大于10%且Si/（Si+Ti+Al）＜0.765，研究区角闪石Al2O3的含量为10.64%~13.73%，平均为12.67%，显示为地幔源区，在角闪石TiO2-Al2O3图解（图5a）中研究区角闪石数据数落入幔源区域。根据Ridolfi和Renzulli[24]通过研究发现，角闪石中KA和AlIV的含量是有效地反应岩浆碱度的重要参数，在KA和AlIV相关性图解投图（图5b）显示，叩天井超基性岩捕掳体中的角闪石都落在了钙碱性区域，表明原始岩浆为钙碱性岩浆。岩浆源区和地幔中的水含量是验证华北克拉通破坏的重要因素之一，华北克拉通受多个俯冲带控制，其岩石圈的水可能与多个俯冲带脱水释放有关，李洪颜[29]等研究表明石炭纪华北克拉通北缘受中亚造山影响已经发生活化，Zhang[30]等认为华北地区出现最早的岩浆岩为一套石炭纪钙碱性岩石，并认为其是古亚洲洋向南俯冲于华北克拉通北缘的结果，Xie[31]等和Chen[32]等则认为华南板块向华北板块俯冲导致软流圈地面上涌致使华北岩石圈地幔熔融。从本研究区岩浆来源及高含水量的特点可以推测，华北克拉通内部在晚古生代到早中生代可能受到这两种作用的影响，进而认为华北克拉通内部发生小规模的破坏可能始于晚古生代至在中生代阶段。

图5 角闪石TiO2-Al2O3 图解（a，底图据姜常义等[28]）和KA-AlⅣ图解（b，底图据 Ridolfi和Renzull[22]）Fig 5 TiO2-Al2O3 diagram and KA-AlⅣ diagram of amphibole

6 结论

（1）根据角闪石主量元素测试数据进行分析并进行相应的分类投图，叩天井超基性岩捕掳体中的角闪石主要钙镁角闪石，少部分为浅闪石。

（2）角闪石温压计计算结果显示角闪石形成温度为883℃~983℃，压力介于241 Mpa~535 Mpa，对应形成深度为8.5 km~19 km，氧逸度为ΔNNO+1.3~+2.1，平衡熔融体中的水含量为6.8%~8.4%，母岩浆源自幔源区域，为钙碱性岩浆。

（3）从岩浆高含水量的特点推测，华北克拉通内部可能是在石炭—晚三叠受古亚洲洋向南俯冲和华南华北板块碰撞共同作用影响的发生的一次小规模破坏事件。