南太行山平順閃長巖體斜長石捕虜晶特征及其對殼幔巖漿混合過程的記錄

張海東，劉建朝，彭素霞，張蘇楠，王得權

1.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054

2.中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054

0 引言

華北克拉通在中生代期間爆發了強烈的構造巖漿活動，并可能伴隨有大規模的巖石圈減薄和拆沉作用的發生，以及新的巖石圈地幔的形成［1－8］。華北中生代巖漿巖的成因和地球動力學背景已經引起了國內外學者的廣泛關注，并形成了一些重要研究成果。然而，對包括太行山在內的華北中生代巖漿巖成因的認識還有很大分歧：一部分學者根據中性巖漿巖的地球化學組成特征，認為是由基性下地殼在加厚地殼環境下發生部分熔融形成的結果，屬于埃達克質巖石［9－12］；另一部分學者根據巖石學和地球化學特征分析，認為是由幔源巖漿和下地殼巖石發生部分熔融形成殼源巖漿混合而成［13－16］。對于華北中生代巖漿作用形成機制的正確理解，不僅有助于了解巖漿形成過程，而且還有助于理解地球動力學背景。最近，筆者在對平順閃長巖體開展研究過程中發現了一種具有特殊環帶結構的斜長石捕虜晶，這種斜長石不僅具有更復雜的環帶結構，而且具有更基性的斜長石核部（An＝93～63），這無疑對巖漿形成機制的進一步探討有重要的啟示意義。本次旨在通過系統描述，在詳細分析斜長石微區巖相學結構和成分特征的基礎上，探討巖漿巖的形成機制，以期為認識華北中生代構造巖漿活動機制提供重要的參考依據。

1 地質背景及巖石特征

大興安嶺—太行山南北重力梯度帶把華北克拉通分為東西兩部分：東部為巖石圈厚度薄、地溫梯度高的冀魯遼地塊，西部為巖石圈厚度大、地溫梯度低的鄂爾多斯地塊（圖1a）［17］。該重力梯度帶亦是華北巖石圈減薄作用強弱變化的過渡帶［17］。平順雜巖體分布在太行山重力梯度帶的南段，分布廣泛，呈北北東向串珠狀分布（圖1b），常以“松塔狀”或“傘狀”的巖蓋、巖株、巖脈產出。巖石類型主要為橄欖角閃輝長巖、角閃閃長巖和閃長巖，其中，閃長巖分布規模最大，橄欖角閃輝長巖和角閃閃長巖規模較小，后兩者呈巖株分布于閃長巖體中（圖1c）。閃長巖中發現大量具特殊環帶結構的斜長石晶體。

橄欖角閃輝長巖呈黑色—深黑綠色，自形—半自形中粒輝長結構，塊狀構造，發育典型的球形風化，主要組成礦物有斜長石（28%～48%）、單斜輝石（15%～25%）、普通角閃石（10%～25%）、橄欖石（5%）、黑云母（2%～5%）、磁鐵礦（2%～5%），副礦物有尖晶石、鋯石等。橄欖石和單斜輝石晶體常發育由細小角閃石和黑云母組成的熔蝕反應邊。輝石呈他形，分布在斜長石晶體間空隙內。閃長巖－二長閃長巖呈深灰色—淺灰色，半自形粒狀結構，塊狀構造，主要組成礦物為斜長石（50%～70%）、普通角閃石（20%～40%）、正長石（3%～20%）、石英（2%～10%）、磁鐵礦（2%～5%），副礦物有磷灰石、榍石等（圖2a）。斜長石自形程度較好，個別晶體具有特殊環帶結構，核部蝕變強，幔部蝕變弱，且核幔間存在明顯的分界（圖2b—d）。

2 樣品采集和分析方法

斜長石樣品均取自于平順閃長巖體，所有研究樣品都進行了偏光顯微鏡和電子探針背散射電子像的觀察，取典型斜長石進行系統的成分分析。定量分析使用長安大學教育部地質實驗室Cameca SX50型電子探針完成。工作條件為：加速電壓15kV，加速電流20nA，束斑直徑＜1μm，所有測試數據都進行了ZAF處理。為了分析斜長石的成分變化規律，選擇部分典型單顆粒斜長石從核心到邊緣，設定測試剖面，測試點一般為各環帶中心位置，詳見圖2，測試結果見表1。

圖1 平順地區地質簡圖（據文獻［18］修改）Fig.1 Geological sketch map of the relief framework in Pingshun（modified from reference［18］）

3 斜長石內部環帶結構特征

斜長石是研究區閃長巖的主要造巖礦物，它可以存在于巖漿演化各個時期，大部分呈半自形—自形，短柱狀，偶見具有特殊環帶結構的斜長石（圖2b—d）。這類斜長石分布較少，顆粒較大，長度一般為100～220μm，環帶結構明顯，且在核部與幔部之間有一明顯渾圓狀、港灣狀、孤島狀、篩狀等溶蝕帶，通過光學鑒定，溶蝕帶主要組成礦物為絹云母和綠簾石。

偏光顯微鏡下照片（圖2b—d）和表1測試數據都清晰表明：單個斜長石顆粒從核部到幔部成分具有明顯變化，圖2b中斜長石核部較大，An值變化為66—63—60，形態基本保留了原有斜長石晶體的形態，但受到相當程度的溶蝕，呈篩狀；而幔部環帶相對簡單，An值變化為17—13。圖2c中斜長石核部相對較小，呈島狀，分帶性不明顯，An值為78；而幔部相對較大，占整個礦物顆粒的70%左右，分帶性較復雜，An值變化為63—58—44。圖2d中斜長石核部相對更大，幾乎占據了整個礦物顆粒的80%以上，An值變化為93—87—77—69；而幔部寬度較窄，分帶性不明顯，An值變化為16—12—0。它們整體變化趨勢是由核部的基性斜長石（An值最高達93）經溶蝕帶突變為幔部富鈉斜長石（An值最低0），且成分存在高低小波動。另外，其他主量元素在斜長石環帶間也存在規律性變化，表現為CaO、FeO、MnO和Al2O3在斜長石核部含量較高，幔部含量低，而Na2O、K2O和SiO2卻在斜長石幔部含量高，核部含量低。

圖2 閃長巖中斜長石環帶結構Fig.2 Micrographs showing the textual disequilibrium in plagioclase crystals from diorite

表1 平順地區閃長巖中斜長石電子探針分析Table 1 Microprobe analysis data of plagioclase from diorite in Pingshun areas

表1（續）

4 討論

4.1 斜長石環帶結構的成因

斜長石的環帶特征記錄了其結晶時巖漿演化的物理化學條件，是認識巖漿演化機制的重要依據。Vance［19］、Tsuchiyanma［20］、謝磊等［21］、李武顯等［22］和李昌年［23］等在這方面都曾取得了一些重要進展，這為本文奠定了良好的研究基礎。

平順閃長巖體中偶見具有特殊環帶結構的斜長石，其主要表現為以下幾個方面：1）斜長石的核部由鈣含量高的基性斜長石組成，An值大于93；這種類型的斜長石較罕見，只在閩東南平潭火成雜巖中有報道，被解釋為輝長巖漿在早期較高溫度下結晶的產物。筆者考慮到研究區內輝長巖中基性斜長石An值偏高（An＝63～93）和起源于EMI型富集地幔［24］的特征，推測這種高富鈣基性斜長石是幔源巖漿早期高溫下結晶的產物。2）斜長石晶體內發育溶蝕帶，這說明斜長石在晶出以后地質環境發生了巨大變化，引起這種變化的原因一是斜長石晶體被轉入溫度更高的或者更基性的巖漿中［23］，二是巖漿攜帶斜長石晶體迅速上升至地殼淺部，壓力突然降低而導致巖漿中大量水及揮發性組分逸出［22］。斜長石核部已經是幔源巖漿高溫結晶的產物，其不太可能被轉入更高或更基性的巖漿中，因此第一種可能性不存在。那么這種溶蝕帶是否由斜長石被快速攜帶至地殼淺部所致？結合平順地區區域構造和雜巖體巖石學、地球化學特征（特別是具有微弱的正Eu異常）以及地幔包體和橄欖石捕虜晶的發現［24－25］，可以推測研究區應該位于拉張的構造環境［26－27］，巖漿具有快速上升侵位的特征［28］，說明斜長石溶蝕帶由第二種原因形成。3）圖2b—d中斜長石晶體幔部較窄、An值偏低，與閃長巖中斜長石An值（10～28）相當，說明基性巖漿組分注入較少，主要是由中酸性巖漿作用形成；而圖2c中斜長石幔部相對較寬，An值偏高（63—58—44），如此An值高的斜長石幔部顯然不可能是由中酸性巖漿單獨作用形成，很可能是由殼幔混合巖漿作用形成。

據劉建朝等［24］的研究，平順雜巖體具有高Mg#，高 Sr、Cr、Ni，LILE、LREE 富集和 HFSE、HREE虧損特征，顯示巖漿起源于EMI，并受到下地殼物質混染。張海東對閃長巖的Sr－Nd－Pb同位素組成進行了分析，結果為εNd（125Ma）＝－15.54～－8.36、ISr＝0.705 6～0.707 3，顯示殼幔巖漿混合成因的特點（數據未發表）。這些研究表明平順閃長巖起源于下地殼，在上升侵位的過程中，與起源于EMI的幔源巖漿發生混合，形成具有殼幔雙重屬性的閃長巖。另外，這一結論得到了斜長石捕虜晶核部、幔部中CaO、FeO、MnO、Al2O3、Na2O、K2O和SiO2含量變化規律的支持。

4.2 巖漿混合過程的示蹤

通過上述對平順閃長巖中特殊斜長石環帶結構特征的研究，表明這些斜長石的核部是輝長巖漿早期高溫結晶的產物，后被攜帶快速上升至地殼淺部與閃長巖漿混合形成斜長石幔部，是巖漿混合作用存在的直接證據［22］。張海東認為，平順輝長巖和閃長巖的SHRIMP鋯石U－Pb年齡分別為（123.4±1.7）和（125.5±2.3）Ma（數據未發表），說明它們近同時形成，并為這兩種巖漿能夠混合提供最直接的證據。另外，輝長巖和閃長巖中可見不同類型暗色、淺色包體［29］，這也為研究區存在巖漿混合作用提供了間接證據。

綜上所述，研究區巖漿混合大致經歷了以下幾個階段：

第一階段：起源于EMI型富集地幔的幔源巖漿底侵，并作用于下地殼，所攜帶的熱使下地殼開始熔融形成殼源巖漿［24，26］；隨著幔源巖漿溫度的緩慢降低，開始慢慢結晶，形成許多高富鈣的基性斜長石（An＞63）。

第二階段：在擠壓構造向拉伸構造體制轉化的過程中，太行山深大斷裂帶開始形成［29－31］，幔源巖漿和殼源巖漿沿著構造通道快速上升并侵位于地殼淺部，高富鈣基性斜長石由于壓力突然降低而被溶蝕形成不規則的溶蝕帶。

第三階段：殼幔兩種巖漿在上升、侵位的過程中局部開始發生混合，在基性斜長石基礎上結晶生長富鈉斜長石。當幔源巖漿混入比例很少時，混合巖漿成分可能為中酸性巖漿，因此，斜長石幔部組成成分與閃長巖中斜長石牌號相似，An值為10～28；當幔源巖漿混入比例增大時，混合巖漿基性組分增加，形成的斜長石幔部偏基性，An值為63；隨著兩種巖漿的充分混合，混和巖漿中基性組分開始下降，結晶出的斜長石An值開始降低（An＝63—58—44—17—0）。

5 結論

1）在平順閃長巖中發現了具有特殊環帶結構的斜長石，核部為高富鈣的基性斜長石，幔部為富鈉的斜長石，二者之間存在明顯由絹云母和綠簾石組成的溶蝕帶，這是巖漿混合的最直接證據。

2）斜長石環帶結構特征研究表明，斜長石核部高富鈣的基性斜長石（An＞63）是幔源巖漿早期高溫結晶的產物，后被沿著太行山深大斷裂帶快速攜帶至地殼淺部發生溶蝕，形成不規則的溶蝕帶，之后殼幔巖漿發生混合，在基性斜長石基礎上形成幔部相對富鈉的斜長石（An＝63—58—44—17—0）。

（References）：

［1］Menzies M A，Xu Y.Geodynamics of the North China Craton［J］.Geodynamics Series，1998，27：155－165.

［2］鄧晉福，趙海玲，莫宣學，等.中國大陸根柱構造：大陸動力學的鑰匙［M］.北京：地質出版社，1996：1－115.Deng Jinfu，Zhao Hailing， Mo Xuanxue，et al.Continental Roots－Plume Tectonics of China：Key to the Continental Dynamics［M］.Beijing：Geological Publishing House，1996：1－115.

［3］鄭建平.中國東部地幔置換作用與中新生代巖石圈減薄［M］.武漢：中國地質大學出版社，1999：1－126.Zheng Jianping.Mesozoic－Cenozoic Mantle Replacement and Lithospheric Thinning Beneath the Eastern China［J］.Wuhan：China University of Geosciences Press，1999：1－126.

［4］Gao Shan，Rudnick R L，Yuan Hongling，et al.Recycling Lower Continental Crust in the North China Craton［J］.Nature，2004，432：892－896.

［5］吳福元，葛文春，孫德有，等.中國東部巖石圈減薄研究中的幾個問題［J］.地學前緣，2003，10（3）：51－60.Wu Fuyuan， Ge Wenchun，Sun Deyou，et al.Discussions on the Lithospheric Thinning in Eastern China［J］.Earth Scinence Frontiers，2003，10（3）：51－60.

［6］吳福元，徐義剛，高山，等.華北巖石圈減薄與克拉通破壞研究的主要學術爭論［J］.巖石學報，2008，24（6）：1145－1174.Wu Fuyuan， Xu Yigang， Gao Shan， et al.Lithospheric Thinning and Destruction of the North China Craton［J］.Acta Petrologica Sinica，2008，24（6）：1145－1174.

［7］Xu Yigang.Diachronous Lithospheric Thinning of the North China Craton and Formation of the Daxing’anling－Taihangshan Gravity Lineament［J］.Lithos，2007，96（1/2）：281－297.

［8］Chen Bin，Zhai Mingguo，Shao Jian.Petrogenesis and Significance of the Mesozoic North Taihang Complex：Major and Trace Element Evidence［J］.Science in China：Series D，2003，46（9）：941－952.

［9］王強，許繼鋒，趙振華，等.大別山燕山期虧損重稀土元素花崗巖類的成因及其動力學意義［J］.巖石學報，2001，17（3）：551－564.Wang Qiang，Xu Jifeng，Zhao Zhenhua，et al.The Petrogenesis and Geodynamic Significances of HREE Depleted Granitolds During Yanshan Period in the Dabie Mountains［J］.Acta Petrologica Sinica，2001，17（3）：511－564.

［10］劉紅濤，孫世華，劉建明，等.華北克拉通北緣中生代高Sr花崗巖類：地球化學與源區性質［J］.巖石學報，2002，18（3）：257－274.Liu Hongtao，Sun Shihua，Liu Jianming，et al.The Mesozoic Higher Granitoids in the Northern Marginal Region of North China Craton：Geochemistry and Source Region［J］.Acta Petrologica Sinica，2002，18（3）：257－274.

［11］張旗，王焰，劉紅淘，等.中國埃達克巖的時空分布及其形成背景［J］.地學前緣，2003，10（4）：385－400.Zhang Qi，Wang Yan，Liu Hongtao，et al.On the Space－Time Distribution and Geodynamic Environments of Adakites in China［J］.Earth Scinence Frontiers，2003，10（4）：385－400.

［12］肖龍，Rapp P R，許繼鋒.深部過程對埃達克質巖石成分的制約［J］.巖石學報，2004，20（2）：219－228.Xiao Long，Rapp P R，Xu Jifeng.The Role of the Deep Processes on the Composition of Adakitic Rocks［J］.Acta Petrologica Sinica，2004，20（2）：219－228.

［13］劉玲，陳斌，劉安坤.北太行山紫荊關基性巖體的成因：巖石學和地球化學證據［J］.地球科學，2009，34（9）：165－175.Liu Ling，Chen Bin，Liu Ankun.Petrogenesis of the Zijingguan Mafic Pluton，Northern Taihang Orogen：Constraints from Petrology and Geochemistry［J］.Earth Science，2009，34（9）：165－175.

［14］Chen B，Jahn B M，Zhai M G.Sr－Nd Isotopic Characteristics of the Mesozoic Magmatism in the Taihang－Yanshan Orogen，North China Craton，and Implications for Archean Lithosphere Thinning［J］.J Geol Soc London，2003，160：963－970.

［15］Peaeock S M，Rushmer T，Thompson A B.Partial Melting of Subducting Oceanic Crust［J］.Earth Planet Sei Lett，1994，121：227－244.

［16］Zhang H F，Zheng J P.Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Mesozoic Basalts from the North China Craton：A Case Study in Fuxin，Liaoning Province［J］.Chinese Science Bulletin，2003，48（9）：924－930.

［17］Wang J Y，Chen M X，Wang J A，et al.On the Evolution of Geothermal Regime of North China Basin［J］.Journal of Geodynamics，1985（4）：133－148.

［18］袁學誠.巖石圈地球物理構造格架圖［M］.北京：地質出版社，1996：217.Yuan Xuecheng.Tectonic Framework of Lithospheric Geophysical［M］.Beijing：Geological Publishing House，1996：217.

［19］Vance J Z.Zoning in Igneous Plagioclase：Patchy Zoning［J］.J Geol，1962，73：636－651.

［20］Tsuchiyanma A.Dissolution Kineties of Plagioclase in the Melt of the System Diopside－Albite－Anorthite，and Origin of Dusty Plagioclase in Andesites［J］.Contrih Mineral Petrol，1985，89：1－16.

［21］謝磊，王德滋，王汝成，等.浙江普陀花崗雜巖體中的石英閃長質包體：斜長石內部復雜環帶研究與巖漿混合史記錄［J］.巖石學報，2004，20（6）：1397－1401.Xie Lei，Wang Dezi，Wang Rucheng，et al.Complex Zoning Texture in Plagioclases from the Quartz Diorite Enclave in the Putuo Granitic Complex，Zhejiang Province：Record of Magma Mixing［J］.Acta Petrologica Sinica，2004，20（6）：1397－1401.

［22］李武顯，董傳萬，周新民.平潭和漳州深成雜巖中斜長石捕虜晶與巖漿混合作用［J］.巖石學報，1999，15（2）：286－290.Li Wuxian， Dong Chuanwan， Zhou Xinmin.Plagioclase Xenocryst and Magma Mingling in Pingtan and Zhangzhou Complexes［J］.Acta Petrologica Sinica，1999，15（2）：286－290.

［23］李昌年.巖漿混合作用及其巖漿評述［J］.地質科技情報，2002，21（4）：49－54.Li Changnian.Magma Mixing and Magma Reviewed［J］.Geological Science and Technology Information，2002，21（4）：49－54.

［24］劉建朝，張海東，劉淑文，等.太行山南段雜巖體成因研究［J］.地質論評，2009，55（3）：318－328.Liu Jianchao，Zhang Haidong，Liu Shuwen，et al.Study on Genesis of the Intrusive Complex in Pingshun Area，Southern Taihang Mountains［J］.Geological Review，2009，55（3）：318－328.

［25］朱永峰.埃提哲爾花崗斑巖及其暗色微粒包體中的斜長石斑晶［J］.北京大學學報：自然科學版，1995，31（3）：366－372.Zhu Yongfeng.Plagioclase Phenocrysts from Eldjurti Granite and Mafic Microgranuclar Enclave［J］.Acta Scicentiarum Naturalum Universities Pekinesis，1995，31（3）：366－372.

［26］于介江，柳佳成，張嘉惠，等.黑龍江省東北部街津口—撫遠地區花崗閃長斑巖的鋯石U－Pb定年及其地質意義［J］.吉林大學學報：地球科學版，2013，43（5）：1489－1500.Yu Jiejiang，Liu Jiacheng，Zhang Jiahui，et al.Zircon U－Pb Dating of the Granodiorite－Porphyries in Jiejinkou－Fuyuan Area， Northeastern Heilongjiang Province and Its Geological Significance［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（5）：1489－1500.

［27］韓世炯，孫景貴，邢樹文，等.中國東北部陸緣內生金礦床成因類型、成礦時代及地球動力學背景［J］.吉林大學學報：地球科學版，2013，43（3）：716－733.Han Shijiong，Sun Jinggui，Xing Shuwen，et al.Genetic Types，Metallogenic Epoch and Geodynamic Settings of Endogenetic Gold Deposits in the Epicontinental Region，Northeast China［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（3）：716－733.

［28］Xu Wenliang，Wang Chunguang，Yang Debin，et al.Dunite Xenoliths and Olivine Xenocrysts in Gabbro from Taihang Mountains：Characteristics of Mesozoic Lithospheric Mantle in Central China［J］.Journal of Earth Science，2010，21（5）：692－710.

［29］張海東，劉建朝，戈小紅，等.晉南平順地區兩巖漿巖帶內在聯系及找礦意義［J］.中國地質，2010，37（5）：1511－1519.Zhang Haidong，Liu Jianchao，Ge Xiaohong，et al.The Intrinsic Relation of Two Magmatic Belts in Pingshun Area of Southern Shanxi and Its Prospecting Significance［J］.Geology in China，2010，37（5）：1511－1519.

［30］張海東，劉建朝，陳正樂，等.山西平順地區矽卡巖型鐵礦礦床地質特征及成礦物質來源探討［J］.地質與勘探，2010，46（4）：634－642.Zhang Haidong，Liu Jianchao，Chen Zhengle，et al.Geological Characteristics of Skarn Iron Deposits and Their Mineralization Material Source in the Pingshun Area，Shanxi Province［J］.Geology and Exploration，2010，46（4）：634－642.

［31］羅照華，鄧晉福，趙國春，等.太行山造山帶巖漿活動特征及其造山過程反演［J］.地球科學，1997，22（3）：280－284.Luo Zhaohua，Deng Jinfu，Zhao Guochun，et al.Characteristics of Magmatic Activities and Orogenic Process of Taihangshan Intraplate Orogen［J］.Earth Science，1997，22（3）：280－284.