滦平小白旗角闪石榴斜长二辉麻粒岩变质作用P-T轨迹及构造意义

2020-11-25吴伟哲

河北地质大学学报 2020年5期

吴伟哲

河北地质大学地球科学学院，河北石家庄 050031

0 引言

华北克拉通是世界上现存最古老的克拉通，有着3.8 Ga的演化历史[1]，记录了地球上许多重要的构造事件。长期以来，关于华北克拉通早前寒武基底形成和构造演化历史就备受争议：赵国春(2002)等认为西部克拉通由阴山陆块和鄂尔多斯陆块沿孔兹岩带在1 950 Ma拼合，而后东西部陆块在18.5 Ga拼合形成统一的克拉通基底，中央造山带出露的大量高级变质岩就是在此次碰撞中形成[2]。翟明国等(2006)提出的则是“多期克拉通化的模型”，他们认为华北克拉通基底在2.5 Ga形成，在经历了2.5 Ga～2.3 Ga的寂静期后，于2.0 Ga～1.8 Ga的第二次克拉通化形成了丰镇、晋豫、胶料三个活动带，期间俯冲碰撞形成了高级变质岩[3]。

高级变质岩作为造山带下地壳的重要组成部分，形成的特定条件和时代包含许多重要的地质信息，记录了地壳的形成和演化过程。我国对冀北高压变质岩的研究已有20多年的历史，取得了许多成果。李江海(1998)在承德-滦平地区发现一条宽约20 km～40 km，呈北东向展布的高压麻粒岩带[4]。区内高压麻粒岩早期变质矿物以石榴石和被包裹的单斜辉石与石英为特点，因此早期变质矿物组合为Grt+Cpx+Qtz。中期以石榴石和周围的冠状结构为代表，变质矿物组合为Grt+Cpx+Pl±Amp±Opx。第三期以环绕在石榴石周围的角闪石和斜长石后成合晶为特点。早期变质组合温度为710℃～750℃，由于缺少斜长石，因此没有估算出变质压力。第二期的矿物组合是Grt+Cpx+pl±Amp±Opx，温度在710℃～750℃，压力为1.0 GPa～1.2 GPa。第三次矿物组合变质温压约630℃～680℃,0.5GPa～0.7 GPa。

张振利2012年在编写区域地质志过程中，通过野外调查，又在冀北发现多个高压变质岩产地，其中桑干-承德构造带就多达25处。论文选取此次调查在滦平小白旗西中发现的闪石榴斜长二辉麻粒岩，通过详细的岩相学研究，划分出不同变质作用的期次，利用温压计的计算，绘制出变质作用的P-T轨迹图，探讨华北克拉通北缘的构造演化历史。

1 区域地质背景

样品采自华北克拉通中部造山带北缘承德地区，属于崇礼上岩群(系指分布于冀北地区原单塔子群中的变质表壳岩部分及原崇礼群部分变质表壳岩)。该岩群经历中级区域变质作用、混合岩化作用和强烈变形改造，变质程度达角闪岩相的表壳岩组合[4]。由于后期构造改造使其支离破碎，多以捕虏体和残留体形式存在。样品以复式透镜状产于新太古代晚期变质深成岩中。

图1 冀北高压麻粒岩带及其相邻岩石分布略图

在崇礼—赤城一带，该岩群围绕崇礼下岩群呈环带分布；丰宁—滦平一带构造线方向呈北东东向展布。该岩群宽约20～40 km，南北两侧岩石有较大差别。南侧以奥长花岗岩—英云闪长岩—石英闪长质片麻岩为主，少量含铁建造(BIF)麻粒岩相表壳岩；北侧是角闪岩相岩石，以斜长角闪岩—变粒岩等表壳岩系为主，且有少量角闪岩相TTG和花岗质片麻岩。高压麻粒岩相带主要以强烈变形的花岗质片岩和出露的麻粒岩透镜体和岩片组成。高压麻粒岩主要是石榴石麻粒岩、榴斜长角闪岩和斜长角闪岩。高压麻粒岩透镜体多为椭球状，长度数米或数十米，部分透镜体拉长，与围岩片麻岩一起卷入褶皱，形成了薄互层状条带，条带宽数厘米，长可达数十米。透镜体展布方向与区域片麻理展布方向一致。透镜体核部变形较弱，边部逐渐增强，矿物定向排列，角闪岩相退变质向边部增强。透镜体和岩片成群分布，局部露头成串珠状，较大范围看，二者成断续的岩带。花岗片麻岩作为围岩，变形程度远大于高压麻粒岩透镜体和岩片，主要组成矿物为斜长石、条纹长石、石英、黑云母或角闪石。

2 岩相学特正

滦平小白旗西角闪石榴斜长二辉麻粒岩主要由角闪石、斜长石、石榴石、透辉石、紫苏辉石、石英组成，粒度不一，略显定向分布，粒间弯曲或较平直镶嵌状。主要矿物含量为：角闪石(10%～15%)+斜长石(20%～25%)+单斜辉石(25%～30%)+石榴石(15%～20%)+斜方辉石(10%～15%)+石英(5%±)，次要矿物有钛铁矿(<5%)+磁铁矿(<5%)，副矿物为绢云母(<2%)+皂石(<2%)。角闪石不以细蠕虫状的后成合晶为特征，而是以颗粒状产出，自形程度高，粒径可达2 500 μm，多色性明显(图2a)。小部分斜长石被角闪石包裹在(图2b)，其他部分与斜方辉石、单斜辉石共生，自形程度较好，粒径可达750 μm。斜长石发育聚片双晶(图2b)，表面轻微绢云母化。石榴石淡粉红色，有呈大的变斑晶产出，可见有石英、单斜辉石包体，也有呈基质产出，但是自形程度都较低，表现为不规则残留状(图2c)，可能是因为早期矿物置换。单斜辉石他形，柱状，多色性弱，与斜方辉石、石榴石、角闪石等共生。斜方辉石也为他形，柱状，粒状，多色性明显，粒度不大，500 μm～700 μm。石英与斜长石角闪石共生，他形粒状，数量较少，应为峰期残留矿物。

a.角闪石榴斜长二辉麻粒岩主要矿物斜长石和角闪石，角闪石颗粒较大，几乎占满整个视域；b.石榴石变斑晶包裹斜长石和角闪石，斜长石呈聚片双晶生长；c.石榴石与斜长石、单斜辉石共生，石榴石呈不规则残留状，可能涉及的反应是Grt+Cpx+Q=Pl+Opx；d.他形状单斜辉石与角闪石、斜长石和斜方辉石共生；e.岩石中少量的石英，可能为早期残留；f.颗粒较大的角闪石夹在石榴石和单斜辉石之间，可能是由石榴石与单斜辉石反应得来，涉及的变质反应为Grt+Cpx+H2O+Qtz→Pl+Amp；g.围绕石榴石的“白眼圈”，是高压麻粒岩典型的降压反应结构，可能的反应为Grt+Cpx+Q=Pl+Opx；h.围绕单斜辉石生长的斜方辉石后成合晶反应结构，指示降压阶段矿物代码：Grt-石榴子石；Cpx-单斜辉石；Pl-斜长石；Opx-斜方辉石；Mt-磁铁矿

3 变质期次及温压计算

根据岩石中的矿物组合和反应结果，可以将斜长角闪石榴二辉麻粒岩分成三个变质期次：(1)峰期高压麻粒岩相(M1)：代表性矿物是大颗粒的石榴石变斑晶和单斜辉石变斑晶以及石英和斜长石。运用Ravna E K(2000)的Grt-Cpx的温压计[5]计算，得出的温度和压力分别为636℃～719℃，7.9～11 kbar。(2)峰后中压麻粒岩相(M2)：代表性矿物为斜方辉石+单斜辉石+斜长石±石英。在图(2，g)可见典型的白眼圈结构。图(2h)中围绕单斜辉石生长的斜方辉石后成合晶也指示降压反应。利用McCarthy T C和Patino Douce A E(1998)的Cpx-Pl-Qz压力计[6]和 Taylor W R(1998)的Opx-Cpx温度计[7]对该期次的温度和压力进行限定，结果显示，中压二辉麻粒岩相温度在775℃～861℃之间，压力为5.6～7.1kbar。(3)角闪岩相(M3)：代表性矿物为斜长石和角闪石。使用T V Gerya、L L Perchuk等(1997)角闪石单矿物温度计、压力计[8]进行计算，得出的温度为649℃～653℃，压力为4.2～4.3 kbar。

4 矿物化学

石榴子石：主要为铁铝榴石(Alm)、镁铝榴石(Prp)、锰铝榴石(Sps)、钙铝榴石(Grs)。除TiO2、Cr2O3、MnO含量较低外，Al2O3、FeO、MgO、CaO含量都较高。对应的铁铝榴石(Alm)端元成分在57.08%～58.48%之间，平均值为57.72%。镁铝榴石(Prp)端元成分19.63%～21.95%，平均值20.67%。锰铝榴石(Sps)2.97%～3.48%，平均值3.21%。钙铝榴石(Grs)17.28%～18.10%，平均值17.66%。从上面四个端元矿物成分的变化可以看出，石榴石中矿物含量变化较小。由于石榴石较能反应岩石所经历的变质演化过程，为了探究岩石的演化，研究中选取了一个外形相对完整的石榴石，对其从核-幔-边进行电子探针测试，结果显示FeO、MgO、CaO、MnO含量分别为21.38%～21.66%；26.156%～26.813%；5.13%～5.854%；1.27%～1.51%，对应的Alm、Prp、Grs、Sps四个端元组分含量分别为56.88%～58.01%，平均57.29%；19.63%～22.75%，平均21.66%；16.77%～17.35%，平均16.94%；2.80%～2.98%，平均2.84%(表略，备索，后同)。由此可以看出，石榴石成分从核部到边部都相对均一，没有明显的变化(图3a)。这可能是石榴石在高温环境下均一化的结果，因此石榴石不存在明显的成分环带。

单斜辉石：以包体形式赋存于石榴子石内部，或与斜方辉石、斜长石等矿物共生。二者矿物成分相差不大。根据辉石的三角图(3b)可看出，它们均为次透辉石和普通辉石，表现为高含量的CaO、MgO和FeO，Al2O3含量次之，TiO2、CrO、MnO、Na2O、K2O含量较低。其中，CaO含量在19.83%～22.29%之间，平均含量为21.60%，对应的硅灰石(Wo)端元含量为41.82%～45.89%，平均含量为44.70%。MgO含量为11.16%～13.67%，对应的顽火辉石(En)端元组分含量为34.16%～37.3%，平均含量为35.63%。FeO含量为9.257%～12.4%，平均为10.785%，对应的Fs(铁灰石)端元组分含量为16.13%～19.08%，平均为17.42%。Al2O3含量在2.033%～3.061%之间变化，平均值为2.69%。

斜方辉石：以基质形式产出，与斜长石、单斜辉石、角闪石共生。根据辉石的三端元成分图解(图3b)可以看出它们都属于紫苏辉石，以高MgO、FeO为特征。FeO含量为26.56%～27.67%，平均含量27.02%，对应的铁辉石(Fs)端元含量为44.54%～46.12%，平均含量为45.22%。MgO含量在18.14%～18.70%，平均含量为18.36%，对应的顽火辉石(En)组分为52.84%～53.99%，平均含量为53.53%。

(a)底图据Coleman(1965)[9] (b)底图据常丽华等(2005)

斜长石：有的以“白眼圈”形式环绕在石榴石周围，有的与角闪石、单斜辉石、石英等矿物共生。通过电子探针对后三种产出形式的斜长石进行测试，并用数据进行了斜长石三端元(Or-Ab-An)成分投图(图4)，可以看出在三端元图上它们分布集中，都落在中长石区。矿物成分变化不大，以低含量K2O，高CaO为特点。CaO、Na2O、K2O含量分别为7.89%～8.66%，平均值8.422%；5.94%～6.65%，平均值6.43%；0.25%～0.40%，平均值0.33%。对应的An、Ab、Or端元组分含量40.17%～41.98%，平均值41.15%；56.08%～58.03%，平均值56.95；1.42%～2.33%，平均值1.88%。

图4 长石的Or-Ab-An图解底图据赖绍聪等(2003)[10]

角闪石：薄片中的角闪石有呈边变斑晶形式产出，也有呈基质形式产出。与其他矿物相比，角闪石颗粒较大。矿物中CaO、Na2O含量较高，K2O含量低，分别为7.89%～8.66%，5.94%～6.65%，0.25%～0.40%。由图5中可以看出，样品中角闪石都落在韭闪石和铁韭闪石区，只有一个点落在铁闪石区。从图6的角闪石(Al-Ti)图解可看出，角闪石都落在麻粒岩相区，因此它们经历了麻粒岩相变质作用(刘平华，2010)[12]。由于高压麻粒岩相不可能生成角闪石，所以它们可能是在中低压条件下由石榴石或单斜辉石退变形成。

图5 角闪石Si-Mg/(Mg+Fe2+)图解底图据Deer等(1997)[11]

图6 角闪石AlⅣ-Ti成分图解(底图据靳是琴(1991)[13])

5 变质作用P-T轨迹与大地构造意义

前人对华北克拉通中部高压麻粒岩做了大量的研究，取得许多重要成果。王仁民等(1991)认为麻粒岩相是洋壳的俯冲与重熔作用使深源残渣包体形成的[14]。郭敬辉(1993)对怀安蔓菁沟早前寒武高压麻粒岩进行研究，认为较为完好的高压麻粒岩代表早前寒武最底部陆壳，原岩在约2.7 Ga从地幔中分异出来，可能是经壳下垫托作用加在早期陆壳底部，并随后经历高压变质作用改造成为石榴辉石麻粒岩。在早元古代晚期碰撞构造环境中高压麻粒岩受到地壳规模的大型逆冲作用发生上升[15]。赵国春(2009)用“东西部陆块碰撞模型”解释华北克拉通中部带高压麻粒岩，他认为高压麻粒岩相的变质作用P-T条件和地热温度超出了一般的地温梯度，因此高压麻粒岩相只能形成于成倍加厚的地壳中。正是华别克拉通东西部板块在18.5 Ga碰撞使地壳成倍加厚，发生了麻粒岩相变质作用，而随后的拆沉作用使岩石快速折返，形成了广泛发育的斜长石+斜方辉石的后成合晶结构。最后岩石向地壳浅部抬升，发生角闪岩相退变质作用，形成角闪岩相矿物组合[16]。Kusky and Li(2003)认为华北克拉通是东部陆块与西部陆块沿南北走向中部造山带拼合而成，但是他提出的东西部陆块界限和两个陆块的拼合时间与赵国春不同。之后的1.92～1.85 Ga华北克拉通与北缘哥伦比亚超大陆的一部分碰撞，形成了内蒙-晋冀造山带，期间发生了广泛的变质作用，形成大量高级变质岩石[17]。翟明国(2007)认为华北克拉通在2.5 Ga由7个微陆块拼合，完成克拉通化。2.3～1.95 Ga期间华北克拉通经历了经历了一次挤压构造事件，形成了胶辽、晋豫、丰镇三个活动带，造成西、东、北、中部活动带边界的碰撞和碰撞后的伸展，使陆块边缘基底掀翻，露出地表的部分岩石达到榴辉岩—麻粒岩相[18]。

结合岩相学特征、矿物组合、矿物化学特征和各个阶段温压条件计算结果，可以确定滦平小白旗西角闪石榴斜长二辉麻粒岩经历了顺时针变质演化P-T轨迹。由于样品中不保存有进变质阶段矿物组合，因此只讨论峰期高压麻粒岩相、中压麻粒岩相和角闪岩相几个阶段。从图7可看出，岩石在地壳37 km达到峰期高压麻粒岩相，形成了以为石榴石+单斜辉石+石英为代表的矿物组合，随后岩石向地壳浅部抬升，压力从7.9～11 kbar降低到5.6～7.1 kbar，同时伴随温度明显上升，形成了斜方辉石矿物。薄片中保留的“白眼圈”结构斜长石说明此阶段是个快速的地质过程，地壳的快速抬升形成了这种不平衡结构。此次折返使岩石从地壳37 km上升到23 km。到达地壳23 km后，岩石继续向上抬升，经历的是显著的降温降压过程，形成了稳定的角闪岩相矿物组合，以大颗粒角闪石和斜长石为代表，此时岩石抬升到地壳14 km，至此演化结束。