南太行山平顺闪长岩体斜长石捕虏晶特征及其对壳幔岩浆混合过程的记录

张海东，刘建朝，彭素霞，张苏楠，王得权

1.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054

2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054

0 引言

华北克拉通在中生代期间爆发了强烈的构造岩浆活动，并可能伴随有大规模的岩石圈减薄和拆沉作用的发生，以及新的岩石圈地幔的形成［1－8］。华北中生代岩浆岩的成因和地球动力学背景已经引起了国内外学者的广泛关注，并形成了一些重要研究成果。然而，对包括太行山在内的华北中生代岩浆岩成因的认识还有很大分歧：一部分学者根据中性岩浆岩的地球化学组成特征，认为是由基性下地壳在加厚地壳环境下发生部分熔融形成的结果，属于埃达克质岩石［9－12］；另一部分学者根据岩石学和地球化学特征分析，认为是由幔源岩浆和下地壳岩石发生部分熔融形成壳源岩浆混合而成［13－16］。对于华北中生代岩浆作用形成机制的正确理解，不仅有助于了解岩浆形成过程，而且还有助于理解地球动力学背景。最近，笔者在对平顺闪长岩体开展研究过程中发现了一种具有特殊环带结构的斜长石捕虏晶，这种斜长石不仅具有更复杂的环带结构，而且具有更基性的斜长石核部（An＝93～63），这无疑对岩浆形成机制的进一步探讨有重要的启示意义。本次旨在通过系统描述，在详细分析斜长石微区岩相学结构和成分特征的基础上，探讨岩浆岩的形成机制，以期为认识华北中生代构造岩浆活动机制提供重要的参考依据。

1 地质背景及岩石特征

大兴安岭—太行山南北重力梯度带把华北克拉通分为东西两部分：东部为岩石圈厚度薄、地温梯度高的冀鲁辽地块，西部为岩石圈厚度大、地温梯度低的鄂尔多斯地块（图1a）［17］。该重力梯度带亦是华北岩石圈减薄作用强弱变化的过渡带［17］。平顺杂岩体分布在太行山重力梯度带的南段，分布广泛，呈北北东向串珠状分布（图1b），常以“松塔状”或“伞状”的岩盖、岩株、岩脉产出。岩石类型主要为橄榄角闪辉长岩、角闪闪长岩和闪长岩，其中，闪长岩分布规模最大，橄榄角闪辉长岩和角闪闪长岩规模较小，后两者呈岩株分布于闪长岩体中（图1c）。闪长岩中发现大量具特殊环带结构的斜长石晶体。

橄榄角闪辉长岩呈黑色—深黑绿色，自形—半自形中粒辉长结构，块状构造，发育典型的球形风化，主要组成矿物有斜长石（28%～48%）、单斜辉石（15%～25%）、普通角闪石（10%～25%）、橄榄石（5%）、黑云母（2%～5%）、磁铁矿（2%～5%），副矿物有尖晶石、锆石等。橄榄石和单斜辉石晶体常发育由细小角闪石和黑云母组成的熔蚀反应边。辉石呈他形，分布在斜长石晶体间空隙内。闪长岩－二长闪长岩呈深灰色—浅灰色，半自形粒状结构，块状构造，主要组成矿物为斜长石（50%～70%）、普通角闪石（20%～40%）、正长石（3%～20%）、石英（2%～10%）、磁铁矿（2%～5%），副矿物有磷灰石、榍石等（图2a）。斜长石自形程度较好，个别晶体具有特殊环带结构，核部蚀变强，幔部蚀变弱，且核幔间存在明显的分界（图2b—d）。

2 样品采集和分析方法

斜长石样品均取自于平顺闪长岩体，所有研究样品都进行了偏光显微镜和电子探针背散射电子像的观察，取典型斜长石进行系统的成分分析。定量分析使用长安大学教育部地质实验室Cameca SX50型电子探针完成。工作条件为：加速电压15kV，加速电流20nA，束斑直径＜1μm，所有测试数据都进行了ZAF处理。为了分析斜长石的成分变化规律，选择部分典型单颗粒斜长石从核心到边缘，设定测试剖面，测试点一般为各环带中心位置，详见图2，测试结果见表1。

图1 平顺地区地质简图（据文献［18］修改）Fig.1 Geological sketch map of the relief framework in Pingshun（modified from reference［18］）

3 斜长石内部环带结构特征

斜长石是研究区闪长岩的主要造岩矿物，它可以存在于岩浆演化各个时期，大部分呈半自形—自形，短柱状，偶见具有特殊环带结构的斜长石（图2b—d）。这类斜长石分布较少，颗粒较大，长度一般为100～220μm，环带结构明显，且在核部与幔部之间有一明显浑圆状、港湾状、孤岛状、筛状等溶蚀带，通过光学鉴定，溶蚀带主要组成矿物为绢云母和绿帘石。

偏光显微镜下照片（图2b—d）和表1测试数据都清晰表明：单个斜长石颗粒从核部到幔部成分具有明显变化，图2b中斜长石核部较大，An值变化为66—63—60，形态基本保留了原有斜长石晶体的形态，但受到相当程度的溶蚀，呈筛状；而幔部环带相对简单，An值变化为17—13。图2c中斜长石核部相对较小，呈岛状，分带性不明显，An值为78；而幔部相对较大，占整个矿物颗粒的70%左右，分带性较复杂，An值变化为63—58—44。图2d中斜长石核部相对更大，几乎占据了整个矿物颗粒的80%以上，An值变化为93—87—77—69；而幔部宽度较窄，分带性不明显，An值变化为16—12—0。它们整体变化趋势是由核部的基性斜长石（An值最高达93）经溶蚀带突变为幔部富钠斜长石（An值最低0），且成分存在高低小波动。另外，其他主量元素在斜长石环带间也存在规律性变化，表现为CaO、FeO、MnO和Al2O3在斜长石核部含量较高，幔部含量低，而Na2O、K2O和SiO2却在斜长石幔部含量高，核部含量低。

图2 闪长岩中斜长石环带结构Fig.2 Micrographs showing the textual disequilibrium in plagioclase crystals from diorite

表1 平顺地区闪长岩中斜长石电子探针分析Table 1 Microprobe analysis data of plagioclase from diorite in Pingshun areas

表1（续）

4 讨论

4.1 斜长石环带结构的成因

斜长石的环带特征记录了其结晶时岩浆演化的物理化学条件，是认识岩浆演化机制的重要依据。Vance［19］、Tsuchiyanma［20］、谢磊等［21］、李武显等［22］和李昌年［23］等在这方面都曾取得了一些重要进展，这为本文奠定了良好的研究基础。

平顺闪长岩体中偶见具有特殊环带结构的斜长石，其主要表现为以下几个方面：1）斜长石的核部由钙含量高的基性斜长石组成，An值大于93；这种类型的斜长石较罕见，只在闽东南平潭火成杂岩中有报道，被解释为辉长岩浆在早期较高温度下结晶的产物。笔者考虑到研究区内辉长岩中基性斜长石An值偏高（An＝63～93）和起源于EMI型富集地幔［24］的特征，推测这种高富钙基性斜长石是幔源岩浆早期高温下结晶的产物。2）斜长石晶体内发育溶蚀带，这说明斜长石在晶出以后地质环境发生了巨大变化，引起这种变化的原因一是斜长石晶体被转入温度更高的或者更基性的岩浆中［23］，二是岩浆携带斜长石晶体迅速上升至地壳浅部，压力突然降低而导致岩浆中大量水及挥发性组分逸出［22］。斜长石核部已经是幔源岩浆高温结晶的产物，其不太可能被转入更高或更基性的岩浆中，因此第一种可能性不存在。那么这种溶蚀带是否由斜长石被快速携带至地壳浅部所致？结合平顺地区区域构造和杂岩体岩石学、地球化学特征（特别是具有微弱的正Eu异常）以及地幔包体和橄榄石捕虏晶的发现［24－25］，可以推测研究区应该位于拉张的构造环境［26－27］，岩浆具有快速上升侵位的特征［28］，说明斜长石溶蚀带由第二种原因形成。3）图2b—d中斜长石晶体幔部较窄、An值偏低，与闪长岩中斜长石An值（10～28）相当，说明基性岩浆组分注入较少，主要是由中酸性岩浆作用形成；而图2c中斜长石幔部相对较宽，An值偏高（63—58—44），如此An值高的斜长石幔部显然不可能是由中酸性岩浆单独作用形成，很可能是由壳幔混合岩浆作用形成。

据刘建朝等［24］的研究，平顺杂岩体具有高Mg#，高 Sr、Cr、Ni，LILE、LREE 富集和 HFSE、HREE亏损特征，显示岩浆起源于EMI，并受到下地壳物质混染。张海东对闪长岩的Sr－Nd－Pb同位素组成进行了分析，结果为εNd（125Ma）＝－15.54～－8.36、ISr＝0.705 6～0.707 3，显示壳幔岩浆混合成因的特点（数据未发表）。这些研究表明平顺闪长岩起源于下地壳，在上升侵位的过程中，与起源于EMI的幔源岩浆发生混合，形成具有壳幔双重属性的闪长岩。另外，这一结论得到了斜长石捕虏晶核部、幔部中CaO、FeO、MnO、Al2O3、Na2O、K2O和SiO2含量变化规律的支持。

4.2 岩浆混合过程的示踪

通过上述对平顺闪长岩中特殊斜长石环带结构特征的研究，表明这些斜长石的核部是辉长岩浆早期高温结晶的产物，后被携带快速上升至地壳浅部与闪长岩浆混合形成斜长石幔部，是岩浆混合作用存在的直接证据［22］。张海东认为，平顺辉长岩和闪长岩的SHRIMP锆石U－Pb年龄分别为（123.4±1.7）和（125.5±2.3）Ma（数据未发表），说明它们近同时形成，并为这两种岩浆能够混合提供最直接的证据。另外，辉长岩和闪长岩中可见不同类型暗色、浅色包体［29］，这也为研究区存在岩浆混合作用提供了间接证据。

综上所述，研究区岩浆混合大致经历了以下几个阶段：

第一阶段：起源于EMI型富集地幔的幔源岩浆底侵，并作用于下地壳，所携带的热使下地壳开始熔融形成壳源岩浆［24，26］；随着幔源岩浆温度的缓慢降低，开始慢慢结晶，形成许多高富钙的基性斜长石（An＞63）。

第二阶段：在挤压构造向拉伸构造体制转化的过程中，太行山深大断裂带开始形成［29－31］，幔源岩浆和壳源岩浆沿着构造通道快速上升并侵位于地壳浅部，高富钙基性斜长石由于压力突然降低而被溶蚀形成不规则的溶蚀带。

第三阶段：壳幔两种岩浆在上升、侵位的过程中局部开始发生混合，在基性斜长石基础上结晶生长富钠斜长石。当幔源岩浆混入比例很少时，混合岩浆成分可能为中酸性岩浆，因此，斜长石幔部组成成分与闪长岩中斜长石牌号相似，An值为10～28；当幔源岩浆混入比例增大时，混合岩浆基性组分增加，形成的斜长石幔部偏基性，An值为63；随着两种岩浆的充分混合，混和岩浆中基性组分开始下降，结晶出的斜长石An值开始降低（An＝63—58—44—17—0）。

5 结论

1）在平顺闪长岩中发现了具有特殊环带结构的斜长石，核部为高富钙的基性斜长石，幔部为富钠的斜长石，二者之间存在明显由绢云母和绿帘石组成的溶蚀带，这是岩浆混合的最直接证据。

2）斜长石环带结构特征研究表明，斜长石核部高富钙的基性斜长石（An＞63）是幔源岩浆早期高温结晶的产物，后被沿着太行山深大断裂带快速携带至地壳浅部发生溶蚀，形成不规则的溶蚀带，之后壳幔岩浆发生混合，在基性斜长石基础上形成幔部相对富钠的斜长石（An＝63—58—44—17—0）。

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