河南省鹤壁地区地幔捕掳体中尖晶石的矿物化学特征及其地质意义

侯广顺，魏世鹏，袁稳，张艳林，齐永安，向世红，李英杰

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.河南省有色金属地质勘查总院，河南 郑州 450052；3.河南理工大学 化学化工学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

来自古生代金伯利岩和中新生代玄武岩中地幔捕掳体的证据表明，中生代以来，华北板块东部经历了明显的克拉通破坏[1-6]。华北克拉通破坏范围的主体分布在太行山以东地区[7-9]。太行山东侧的岩石圈地幔被置换成大洋型地幔，太行山西侧仍保留较厚的古老克拉通型地幔[10]，东侧岩石圈厚度70～80 km，西侧85～120 km，东西两侧的岩石圈厚度存在约30 km的突变[11]。因此，太行山构造带是华北克拉通东部破坏区与西部相对稳定区的过渡带，其深部地幔特征对揭示华北克拉通破坏具有重要的意义，是研究华北克拉通岩石圈演化的关键地区。

沿郯庐断裂带，华北板块东部在山东蒙阴和辽宁复县出露有古生代金伯利岩。对这些金伯利岩体中携带的金刚石捕掳晶和橄榄岩包体进行研究，结果表明：古生代时期，华北克拉通的岩石圈地幔为方辉橄榄岩型古老难熔地幔，并且当时华北岩石圈具有约200 km的厚度[4，12]。中新生代山东昌乐-山旺、栖霞、安徽女山、河北汉诺坝等碱性玄武岩中的包体以二辉橄榄岩型新生饱满易熔地幔为主，表明中新生代以来，华北克拉通岩石圈地幔已经发生大规模的置换[1，6]。

河南鹤壁地区位于太行山构造带上(图1)，出露有金伯利岩带、新生代橄辉玢岩带和橄榄玄武岩带[12-13]。这些深源岩浆岩携带的大量地幔捕掳体，是研究华北克拉通破坏的重要对象，鹤壁地区也因此成为研究华北岩石圈的地幔窗口。

图1 华北克拉通区域地质简图及地幔捕虏体中尖晶石Cr#，Mg#的分布

Fig.1 North China Craton simplified regional geological map and spinel Cr#、Mg#distribution from mantle xenolith

前人对上峪橄辉玢岩中尖晶石相橄榄岩的研究结果表明，尖晶石方辉橄榄岩为古老难熔地幔的代表，并经历了部分交代作用[14-16]。侯广顺等[17]研究了土门金伯利岩中石榴石相橄榄岩地幔捕掳体的矿物化学特征，发现石榴石相岩石圈地幔属于过渡型岩石圈地幔。迄今为止，尚缺少金伯利岩中代表岩石圈地幔浅部相的尖晶石研究。本文报道了土门金伯利岩和上峪橄辉玢岩中地幔捕掳体的尖晶石矿物化学特征，并与华北克拉通东部的地幔尖晶石对比，探讨该地区岩石圈地幔的性质。

1 区域地质概况

鹤壁地区位于我国南北重力梯度带上[15]，东侧以太行山深大断裂带为界限，紧接华北板块坳陷区，西侧为太行山隆起与鄂尔多斯地块相邻[16](图1)，是中生代以来太平洋板块对欧亚板块影响由强到弱的过渡地带。

研究区内出露地层主要为寒武系和奥陶系，岩性为灰岩、泥灰岩、白云质灰岩和页岩等。地层产状比较平缓，局部发育宽缓向斜和背斜构造。区域内断裂构造比较发育，有北北东向、北西西向等多组小断层，主要断层走向呈北北东向，鹤壁地区古生代金伯利岩的分布也主要受北北东向断裂控制。金伯利岩主要出露在姬家山、蒋家顶和化象一带，区域内已经发现有70多处露头点。新生代橄辉玢岩出露在上峪村附近(图2)。

图2 鹤壁地区地质简图

野外考察表明，鹤壁地区金伯利岩体分布面积很小，一般仅几十平方米，大多数岩体呈似层状、脉状产出，顺层侵入奥陶系马家沟组灰岩中。关于鹤壁地区金伯利岩的地质特征，侯广顺等[17]已有详细描述。金伯利岩露头呈灰绿色、蓝灰色，块状构造，局部显示流动构造。金伯利岩具有斑状结构，斑晶分布不均匀，含量约30%。其中斑晶主要是橄榄石和金云母等。除少量残留的金云母外，其他原生矿物主要根据后期蚀变矿物和残留晶形进行恢复。金伯利岩中的捕掳体类型丰富，但已普遍蚀变。金伯利岩中地幔捕掳体岩石类型主要为尖晶石二辉橄榄岩，石榴石二辉橄榄岩、纯橄岩和辉石岩等。

上峪新生代橄辉玢岩为一漏斗状岩管，侵位于奥陶系马家沟组石灰岩中，局部可见烘烤边。上峪橄辉玢岩的侵位时代为新生代，距今约为4 Ma[12，15]。上峪橄辉玢岩顶部出露直径300 m左右，向下逐渐收缩至数米。橄辉玢岩非常新鲜，呈灰黑色，斑状结构，块状构造。橄辉玢岩的主要矿物组成为辉石和橄榄石，基质为隐晶质和辉石微晶组成。橄辉玢岩中含有大量的含钛普通辉石巨晶。橄辉玢岩携带的地幔捕掳体岩石类型主要有尖晶石方辉橄榄岩、尖晶石二辉橄榄岩和石榴石二辉橄榄岩等。

2 样品特征和处理方法

金伯利岩中的地幔捕掳体采自鹤壁市姬家山乡土门村一个废弃的金刚石探矿平洞内，洞口坐标为114°05′39.0″和35°57′3.9″。此处金伯利岩以层状侵入奥陶系马家沟组灰岩，地幔捕掳体均匀分布在金伯利岩中，呈椭球状，大小2～10 cm。其橄榄石已大多蚀变为蛇纹石和滑石等矿物，辉石蚀变为滑石和绿泥石等(图3(a))，尖晶石保存良好，比较新鲜，晶形一般呈半自形到它形，部分保留有晶面，粒径0.3～0.5 mm。

(a)土门金伯利岩中橄榄岩捕掳体；(b)上峪橄辉玢岩中橄榄岩捕掳体;Oli:橄榄岩捕掳体;Ol:橄榄岩;Spl:尖晶石

图3 鹤壁地区尖晶石相橄榄岩捕掳体照片

Fig.3 Photos of the spinel phase peridotite xenoliths in
the Hebi regin

上峪橄辉玢岩的地理坐标为114°09′20.1″和35°50′55.3″。尖晶石二辉橄榄岩一般呈卵圆状、角砾状，大小2～6 cm。捕掳体呈黄绿色，它形粒状结构，主要由镁橄榄石、顽火辉石、铬透辉石和铬尖晶石等组成(图3(b))。镁橄榄石含量在80%左右，一般呈它形粒状，粒径大小2～4 mm；顽火辉石质量分数10%～15%，呈它形至半自行，平行消光；铬透辉石质量分数3%～5%，它形；尖晶石一般位于辉石与橄榄石颗粒之间，也有部分包裹于顽火辉石颗粒内，粒径0.3 mm左右。

鹤壁上峪地区橄辉玢岩出露则比较新鲜，把采集的包体样品制作成探针薄片，如图4所示。

Ol:橄榄岩;Spl:尖晶石;Pyr:辉石

因土门金伯利岩中的捕掳体强烈风化，采用人工重砂的方法从捕掳体中挑选出尖晶石。具体过程如下：剥离捕掳体表层，以免受到寄主岩的混染；初步手工破碎、筛选；用跳汰法淘选出重砂，然后在双目镜下挑出尖晶石单矿物；把尖晶石制成环氧树脂靶，在体式镜下拍照标记。挑选出来的尖晶石单矿物照片和体式镜下照片如图5所示。

尖晶石矿物化学成分测试在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室进行，采用JXI-8T00型电子探针，加速电压15 kV，束电流1.8×10-8A，束斑直径1 μm。

(a)尖晶石单矿物照片 (b)靶上部分尖晶

3 尖晶石的矿物化学特征

土门金伯利岩橄榄岩捕掳体中的尖晶石矿物化学成分列于表1。其成分特征如下：w(FeO)为10.49%～ 47.63%，w(MgO)为5.42%～ 19.76%，w(MnO)为0.03%～ 0.48%，w(Al2O3)为0.86%～ 51.01%，w(Cr2O3)为16.76%～52.66%，w(SiO2)为0～ 1.31%，w(NiO)为0～0.26%，w(TiO2)为0～0.28%，w(V2O3)为0.01%～0.19%。尖晶石的Mg#(100×n(Mg)/n(Mg+Fe))的值介于21.58 ～78.66，尖晶石的Cr#(100×n(Cr)/n(Cr+Al))值介于18.06 ～97.62。

表1 土门地区金伯利岩捕掳体中尖晶石的化学成分

续表 %

样品号w(SiO2)w(TiO2)w(Al2O3)w(Cr2O3)w(FeO)w(MnO)w(MgO)w(CaO)w(NiO)w(Na2O)w(K2O)w(P2O5)w(V2O3)TotalCr#Mg#L0602-3-40.05 -46.84 21.67 12.03 0.12 18.05 -0.24 0.01 --0.04 99.05 23.68 74.59 L0602-3-50.00 0.06 33.29 35.53 14.99 0.08 14.92 -0.11 -0.00 -0.11 99.11 41.73 66.06 L0602-3-6--51.01 16.76 10.49 0.03 19.76 -0.23 -0.01 0.04 0.08 98.40 18.06 78.66 L0602-3-70.03 -25.21 43.32 17.42 0.31 12.02 -0.10 --0.02 0.11 98.54 53.54 57.44 L0602-3-80.06 0.11 16.82 49.36 22.90 0.18 10.52 -0.04 0.02 --0.08 100.08 66.32 47.31 L0602-3-90.01 0.28 20.77 47.38 18.35 0.15 12.33 -0.16 0.06 0.02 -0.18 99.68 60.48 56.78 L0602-6-10.05 0.12 19.06 49.62 14.38 0.14 15.12 -0.14 ---0.03 98.67 63.59 67.27 L0602-6-20.07 0.13 19.47 47.19 19.22 0.12 11.78 -0.09 --0.12 0.07 98.26 61.92 54.52 L0602-6-40.01 0.13 7.94 33.61 47.63 0.34 6.70 -0.40 0.00 -0.03 0.18 96.97 73.97 21.58 L0602-6-50.03 0.12 19.08 46.39 22.27 0.21 10.81 -0.08 0.01 -0.05 0.10 99.13 61.99 48.70 L0602-6-60.05 0.14 14.82 51.85 21.59 0.21 10.31 -0.04 -0.01 0.07 0.12 99.21 70.12 48.29 L0602-6-70.01 0.09 17.28 46.02 24.20 0.23 10.35 -0.13 --0.03 0.06 98.38 64.12 45.55 L0602-6-80.04 0.07 40.06 27.23 12.96 0.09 18.03 -0.26 ---0.07 98.80 31.31 73.13 L0602-6-90.06 0.04 20.33 44.74 23.18 0.24 9.74 0.02 0.09 -0.01 0.06 0.14 98.64 59.62 45.12 L0602-6-10-0.17 19.08 47.91 20.63 0.15 11.34 -0.10 0.03 --0.06 99.49 62.74 51.81 L0602-6-110.00 0.16 20.18 42.25 23.82 0.30 11.46 -0.09 0.00 0.01 -0.06 98.32 58.41 48.48 L0602-6-12--15.22 49.12 24.04 0.27 9.72 ---0.00 0.01 0.09 98.48 68.41 44.17 L0602-6-130.02 0.06 17.60 48.14 23.34 0.24 9.32 -0.10 ---0.19 99.01 64.73 43.85 L0602-6-140.04 0.15 18.28 48.76 19.76 0.18 11.61 -0.09 0.00 0.00 -0.09 98.97 64.15 53.46

“-”代表测试下限

上峪橄辉玢岩橄榄岩捕掳体中尖晶石的矿物化学成分列于表2。尖晶石组成特征w(FeO)为11.01%～ 48.10%，w(MgO)为4.10%～ 18.98%，w(MnO)为0.04%～0.20%，w(Al2O3)为2.06%～50.64%，w(Cr2O3)为17.45%～50.21%，w(SiO2)为0～0.14%，w(NiO)为0.03%～ 0.31%，w(TiO2)为0～0.25%，w(V2O3)为0～0.17%。尖晶石的Mg#(100×n(Mg)/n(Mg+Fe))的值介于14.28 ～ 77.01，变化很大，尖晶石的Cr#(100×n(Cr)/n(Cr+Al))值介于18.78～64.10。

表2 上峪地区地幔橄辉玢岩中尖晶石的化学成分

续表 %

名称w(SiO2)w(TiO2)w(Al2O3)w(Cr2O3)w(FeO)w(MnO)w(MgO)w(CaO)w(NiO)w(Na2O)w(K2O)w(P2O5)w(V2O3)TotalCr#Mg#L0603-6-150.03 -50.61 17.45 11.80 0.09 18.69 -0.27 ---0.04 98.98 18.78 75.60 L0603-6-260.00 -40.62 27.70 12.65 0.03 17.22 -0.18 0.03 --0.05 98.48 31.39 72.70 L0603-6-29-0.02 45.08 22.17 13.51 0.13 16.65 -0.16 --0.03 0.04 97.78 24.81 70.68 L0603-6-30--45.21 23.18 12.87 0.09 17.31 -0.11 0.01 -0.01 0.05 98.84 25.59 72.46 L0603-6-310.01 -18.74 49.89 20.15 0.20 9.88 -0.05 0.02 0.01 0.01 0.14 99.10 64.10 48.96 L0603-6-380.01 -36.97 33.20 12.21 0.14 16.86 -0.07 0.04 0.01 -0.10 99.61 37.59 72.98 L0603-6-440.04 -45.61 21.08 14.06 0.05 18.14 -0.22 0.01 --0.09 99.31 23.67 71.62 L0603-7-60.04 0.12 27.36 39.76 16.60 0.11 14.31 -0.06 0.02 0.00 -0.15 98.53 49.36 62.77 L0603-7-100.14 0.06 50.24 18.37 11.50 0.08 18.50 -0.19 0.04 --0.04 99.17 19.70 75.87 L0603-7-150.02 -2.06 41.30 48.10 0.34 4.10 -0.20 0.05 -0.02 0.17 96.34 93.07 14.28 L0603-7-160.02 -21.52 45.42 20.39 0.20 10.04 -0.07 --0.05 0.08 97.80 58.61 49.06

“-”代表测试下限

总体上，本文研究的尖晶石呈现富Cr、Al和Mg而贫Ti的特征。土门和上峪的尖晶石普遍表现出如下规律：随着Cr#值变大，MgO、Al2O3质量分数逐渐下降，呈明显的负相关关系;FeO质量分数逐渐升高，呈较明显的正相关关系。土门地区TiO2平均质量分数0.105 3%。上峪地区TiO2质量分数变化比较大，除L0603-6-2和L0603-7-6两个样品的TiO2质量分数较高(分别为0.25%和0.12%)以外，其他样品的TiO2质量分数都比较低，平均质量分数0.063%。

从矿物成分看，土门金伯利岩和新生代上峪橄辉玢岩中橄榄岩捕掳体的尖晶石成分特征相似。在Cr#-Mg#协变图解中(图6)，可以看出两处的尖晶石具有大致相同的分布范围。大量研究表明，山东蒙阴代表古生代难熔型岩石圈地幔[18]，山东蒙阴地区尖晶石的w(MgO)为8.802%～10.947%，w(Al2O3)为1.855%～8.04%，w(Cr2O3)为57.95%～ 64.17%，Mg#值介于35.93～47.87，Cr#值介于82.862～ 95.62。汉诺坝中新世玄武岩中橄榄岩捕掳体以二辉橄榄岩为主，研究发现其岩石圈地幔主体来自部分熔融程度小于5%的地幔，同时存在经过高度部分熔融抽提(15%～20%)后的难熔地幔，还存在具有过渡类型的岩石圈地幔(5%～10%)，表明汉诺坝岩石圈地幔既有饱满型地幔，同时又有难熔地幔[19]。汉诺坝新生代玄武岩捕掳体中尖晶石的w(MgO)为14.96%～21.40%，w(Al2O3)为21.71%～59.63%，w(Cr2O3)为6.85%～47.55%，Mg#值介于63.1～79.4，Cr#值介于7.2 ～ 59.5。昌乐-山旺等地区尖晶石代表了中新生代饱满型岩石圈地幔，其主体为部分熔融程度1%～5%的地幔，具有较低的部分熔融抽提程度[2]。昌乐-山旺橄榄岩中尖晶石的w(MgO)为17.74%～ 21.90%，w(Al2O3)为38.35%～58.12%，w(Cr2O3)为6.82%～30.16%，Mg#值介于62.1～80.6，Cr#值介于8.0～ 34.4。鹤壁地区的尖晶石大致介于山东蒙阴和汉诺坝、昌乐-山旺两个端元组分之间，具有较明显的过渡特征。值得注意的是，土门金伯利岩捕掳体中的尖晶石还具有少量较高Cr#、较低Mg#的样品，其Cr#值比蒙阴地区的尖晶石还高，表明土门也具有部分难熔型岩石圈地幔。

图6 尖晶石的Cr#-Mg# 关系图

4 地幔温压条件

Jacques Fabries[20]根据尖晶石矿物化学成分提出计算地幔温压条件的公式，据其给出的系数，推出公式为

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，lnK3=0.47,lnK4=1.45，指尖晶石中铬原子的含量，在1 025～1 200 ℃内lnK5的数值约为2。本文利用电价差值法计算出Fe3+的含量[21]。根据式(1)～(5)，计算结果表明：土门金伯利岩中尖晶石的结晶温度1 031～1 071 ℃，少数可以达到1 100 ℃以上；上峪尖晶石的结晶温度1 050～1 090 ℃。根据前人的经验公式[22]，经计算,土门的压力区间为1.68 ～ 2.29 GPa，集中分布在1.70 ～ 1.88 GPa；上峪地区的压力区间为1.71 ～ 2.19 GPa，集中分布在1.71 ～ 1.88 GPa。

在p-t相图上(图7)，土门和上峪的尖晶石温压主要落在尖晶石和石榴石的相变线附近，指示捕掳体来自于尖晶石相与石榴石相的过渡相或共生相范围内，大致对应地幔深度53～71 km。从p-t相图可以看出，所有颗粒都落在60 mW/m2地幔热流线之上，并且接近0.9Tm线(地幔固相线)。与Y.O’Reilly等[23]总结的全球不同构造单元地幔热流和温压剖面相对比，鹤壁地区当时处于很高的地幔热流状态之下，暗示了岩石圈地幔的不稳定状态。

图7 土门和上峪地幔捕掳体中尖晶石p-t相图

5 地幔部分熔融程度

华北克拉通岩石圈地幔经历了复杂的部分熔融和地幔交代作用。橄榄岩捕掳体中尖晶石的矿物化学组成可以反映鹤壁地区岩石圈地幔饱满或亏损的性质[25]。E.Hellebrand等[26]提出了根据尖晶石成分计算部分地幔部分熔融程度的经验公式，即F=10×lnCr#+24(10

6 讨 论

6.1 岩石圈地幔性质

尖晶石是地幔捕掳体中比较稳定的矿物相，可以反映岩石圈地幔的性质[24-25]。与石榴石相岩石圈地幔相比，尖晶石相地幔代表岩石圈的浅部相。岩石圈地幔的交代和破坏是自深部向浅部进行的地质作用。因此，尖晶石相岩石圈地幔往往更相对容易得到保留。ZHENG J P等[15]发现鹤壁地区尖晶石方辉橄榄岩为古老岩石圈地幔残留，这也成为华北克拉通岩石圈地幔的一个重要端元组分。一般认为古老克拉通地幔尖晶石具有较高的Cr#值和较低的Mg#值，即难熔型地幔，例如山东蒙阴地区地幔类型。新生代大洋型岩石圈地幔尖晶石具有低的Cr#值和较高的Mg#值，即饱满型地幔，例如昌乐-山旺地区地幔类型。

山东蒙阴地区古生代尖晶石Mg#值介于35.93～47.87，Cr#值介于82.862～ 95.62。汉诺坝新生代玄武岩捕掳体中尖晶石Mg#值介于63.1～79.4，Cr#值介于7.2 ～ 59.5[27-29]。昌乐-山旺中新生代橄榄岩中尖晶石其Mg#值介于62.1～80.6，Cr#值介于8.0～ 34.4[19]。与昌乐-山旺和汉诺坝地区橄榄岩中尖晶石相比，土门金伯利岩橄榄岩捕掳体中的尖晶石(表1)有较高的Cr2O3，较低的MgO和Al2O3。与蒙阴地区样品中的尖晶石相比，有高的MgO和Al2O3，低的Cr2O3。土门金伯利岩中尖晶石的Mg#和Cr#值变化范围相对比较宽，部分样品投入到昌乐-山旺橄榄岩中和汉诺坝地区的区域内，部分样品与代表典型克拉通老地幔性质的蒙阴样品中Mg#和Cr#值变化范围较接近。表明土门既有难熔程度较高的样品，这与蒙阴样品接近；也有相对饱满的样品，与昌乐-山旺的样品特征相似。这与侯广顺等[17]得出的结论是一致的。

ZHENG J P等[15]认为鹤壁上峪地区主体是残留的难熔地幔含有少量的饱满型地幔和过渡型地幔，汉诺坝地区以过渡型地幔为主。本文研究发现(表2)，上峪地区橄辉玢岩中的尖晶石与汉诺坝、土门地区相近地区的尖晶石主量元素相近且上峪地区的尖晶石Cr#和Mg#值变化均匀、宽泛(图6)，认为上峪地区也主要为过渡型地幔。

岩石圈地幔性质与橄榄岩经历的熔融程度相关。从地幔熔融程度可以看出，土门和上峪的尖晶石熔融程度介于蒙阴与昌乐-山旺的尖晶石之间，也从侧面支持其为过渡型地幔的特征。

6.2 地幔热状态

地幔热状态是岩石圈稳定与否的一个直接反映。南非Kaapvaal稳定克拉通热流值为31～36 mW/m2[30-31]；南印度Dharwar克拉通热流值为31～40 mW/m2[32]。太古代Superior克拉通热流值为27～59 mW/m2，早元古代Trans Hudson 克拉通的平均热流值为42 mW/m2；晚元古代的Grenville克拉通的平均热流为41 mW/m2[33]。

侯广顺等[17]通过土门地幔捕掳体镁铝榴石-橄榄石温度计估算了地幔热流，认为鹤壁地区地幔热流偏高。本文地幔捕掳体的尖晶石相温压结果与之相似，并且所得到的地幔热流值更高，大于65 mW/m2，指示温度接近地幔固相线。与上述稳定克拉通相对比，鹤壁地区地幔热流值明显偏高。这指示了该地区岩石圈地幔的不稳定性，这很可能与华北克拉通的破坏有关。

7 结 论

(1)鹤壁地区土门金伯利岩和上峪橄辉玢岩中的地幔捕掳体中的尖晶石以中等的Cr#和Mg#为主，介于以蒙阴难熔型地幔和以汉诺坝、昌乐-山旺所代表的饱满型地幔之间，指示鹤壁地区地幔性质为过渡型岩石圈地幔。

(2)温压计算表明，土门金伯利岩中尖晶石的结晶温度集中在1 031～1 071 ℃；上峪尖晶石的结晶温度为1 050 ℃～1 090 ℃。计算得出土门的压力集中在1.70 ～ 1.88 GPa，上峪地区的压力集中在1.71 ～ 1.88 GPa[22]。p-t相图指示对应地幔热流值高于60 mW/m2。这表明鹤壁地区岩石圈地幔处于明显偏高的热状态，可能与华北克拉通的破坏有关。