鈣堿性火成巖的角閃石全鋁壓力計(jì)
——回顧、評(píng)價(jià)和應(yīng)用實(shí)例

汪洋

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京，100083

內(nèi)容提要: 定量地獲得巖體結(jié)晶時(shí)的壓力，對(duì)于探討其剝蝕深度及了解造山帶的構(gòu)造熱演化史等方面有重要意義。對(duì)于鈣堿性侵入巖而言，可以應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)鈣堿性火成巖結(jié)晶壓力進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于不同角閃石壓力計(jì)公式的選擇，前提是滿足它們各自的適用條件，否則所得結(jié)果沒有意義。角閃石全鋁壓力計(jì)不能用于估算A型花崗巖的結(jié)晶壓力，更不能用于計(jì)算變質(zhì)巖的變質(zhì)壓力。對(duì)于結(jié)晶溫度低于750℃的鈣堿性中酸性巖體而言，Anderson和Smith(1995)的溫度校正意義不大。Ridolfi等(2010)提出的指數(shù)關(guān)系角閃石壓力計(jì)公式適用于鈣堿性火山巖中角閃石斑晶的結(jié)晶壓力估算。Uchida等(2007)的黑云母全鋁壓力計(jì)缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，不建議使用。應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)所得到薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體侵位深度的區(qū)域變化，指示了云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤的掀斜；低角度正斷層(拆離斷層)可以通過高角度正斷層的掀斜旋轉(zhuǎn)而形成。

如何定量地獲得火成巖，尤其是侵入巖, 結(jié)晶時(shí)的壓力，進(jìn)而得到巖體的侵位深度或火山巖巖漿房的深度，對(duì)于探討巖漿作用過程的物理機(jī)制，以及了解剝蝕深度、約束造山帶的構(gòu)造熱演化史等方面有著重要意義(Anderson, 1996; Anderson et al., 2008)。令人遺憾的是，由于巖漿巖的主要造巖礦物在結(jié)晶過程中的相平衡反應(yīng)的熵變化大而體積變化小，對(duì)壓力并不敏感，所以適用于巖漿巖體系的地質(zhì)壓力計(jì)并不多(Philipotts and Ague, 2009)。對(duì)于常見的鈣堿性巖漿巖，可以應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)結(jié)晶壓力進(jìn)行估計(jì)(Hammarstrom and Zen, 1986; Anderson et al., 2008)。然而，角閃石全鋁壓力計(jì)存在多種版本的回歸公式，對(duì)使用者造成了困擾。還有一些研究者不顧及角閃石全鋁壓力計(jì)的適用條件，將其應(yīng)用于A型花崗巖的結(jié)晶壓力估計(jì)(張拴宏等, 2007)，甚至用于估計(jì)角閃巖相變質(zhì)巖的變質(zhì)壓力(涂文傳等, 2013)。因此，本文在系統(tǒng)回顧角閃石全鋁壓力計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)該壓力計(jì)的適用條件、回歸公式選擇等方面進(jìn)行了總結(jié)；同時(shí)列舉了應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)解釋地質(zhì)構(gòu)造的若干實(shí)例。

Uchida等(2007)認(rèn)為可以應(yīng)用鈣堿性長(zhǎng)英質(zhì)侵入巖中黑云母的全鋁含量估算巖體的結(jié)晶壓力。這種黑云母全鋁壓力計(jì)已在國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究中被多次應(yīng)用(王建平等, 2009; 駱文娟等, 2010; 康志強(qiáng)等, 2010; 李曉偉等, 2011; 東前等, 2011; 劉學(xué)龍等, 2013)。但是，黑云母全鋁壓力計(jì)只是針對(duì)日本有限地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定得出的，其普遍適用性和真實(shí)性有待驗(yàn)證。所以，本文利用幾個(gè)典型鈣堿性巖體的礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)黑云母全鋁壓力計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)，探討其是否可靠。

1 適用于侵入巖的角閃石全鋁壓力計(jì)

1.1 線性關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)

Hammarstrom和Zen(1986)通過接觸變質(zhì)礦物組合、冷卻史、地層學(xué)重建等方法對(duì)科迪勒拉造山帶的鈣堿性侵入巖體進(jìn)行了研究，指出鈣堿性巖體在近固相線下的結(jié)晶壓力與角閃石的全鋁含量(Altot)的線性關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：

P=-0.392 + 0.503n(Altot)r2= 0.80

(1)

公式(1)中P的單位是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中全部Al(即包括Ⅳ和Ⅵ次配位的Al)的摩爾分?jǐn)?shù)。誤差為±0.3GPa。

角閃石全鋁壓力計(jì)的基礎(chǔ)是相律。在9相(角閃石+黑云母+斜長(zhǎng)石+堿性長(zhǎng)石+石英+ Fe—Ti氧化物+熔體+流體相)、10組分(SiO2—TiO2—Al2O3—Fe2O3—FeO—MgO—CaO—Na2O—K2O— H2O)體系中存在三個(gè)自由變量，即：氧逸度、溫度和壓力。當(dāng)氧逸度由二價(jià)鐵鈦氧化物或綠簾石所緩沖，同時(shí)溫度接近于等溫固相線(存在花崗質(zhì)流體)時(shí)，壓力便為唯一的變量，此時(shí)壓力是角閃石中全鋁含量的唯一影響因素(Schmidt, 1992)。

Hollister等(1987)在Hammarstrom和Zen工作的基礎(chǔ)上增加統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量，擴(kuò)展了適用的壓力范圍，得到下列經(jīng)驗(yàn)公式：

P=-0.476 + 0.564n(Altot)r2= 0.97

(2)

公式(2)中P的單位是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，誤差為 ±0.1GPa。Hollister等(1987)的理論分析表明：當(dāng)結(jié)晶壓力高于0.2 GPa時(shí)，含角閃石的鈣堿性巖漿其固相線對(duì)壓力不敏感，并且溫度變化范圍最多不超過100℃；而當(dāng)結(jié)晶壓力低于0.2 GPa時(shí)，固相線溫度隨壓力降低顯著升高，導(dǎo)致溫度對(duì)角閃石中的全鋁含量的影響更為顯著；所以，角閃石的全鋁含量與壓力之間線性回歸關(guān)系式只適用于結(jié)晶壓力高于0.2 GPa的情況。

Johnson和Rutherford(1988, 1989)通過在H2O、CO2飽和，760℃，壓力大于0.2 GPa條件下的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證并標(biāo)定了角閃石全鋁含量與結(jié)晶壓力的相關(guān)關(guān)系，得到線性回歸公式：

P=-0.354 + 0.428n(Altot)

(3)

P=-0.346 + 0.423n(Altot)r2= 0.99

(4)

公式(3)和(4)中P的單位都是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，公式(4)的誤差為±0.05 GPa。

Schmidt(1992)通過在H2O飽和，675℃，壓力大于0.2 GPa條件下的實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定角閃石全鋁含量與結(jié)晶壓力的相關(guān)關(guān)系為：

P=-0.301+0.476n(Altot)r2= 0.99

(5)

公式(5)中P的單位是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，誤差為±0.06 GPa。

因此，公式(1)和(2)屬于經(jīng)驗(yàn)公式，而公式(3)、(4)、(5)為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的結(jié)果；后者具有更高的精度。由于公式(3)是Johnson和Rutherford(1988)發(fā)表在AGU會(huì)議摘要集中的結(jié)果，而公式(4)是他們發(fā)表在同行評(píng)議的學(xué)術(shù)刊物上的結(jié)果，所以后來(lái)的研究者在公式(3)、(4)之間多選用后者。

Anderson和Smith(1995)認(rèn)為，應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮溫度和氧逸度對(duì)角閃石陽(yáng)離子占位的影響，適用于該壓力計(jì)的角閃石n(Fetot)/[(n(Fetot)+n(Mg)]應(yīng)當(dāng)在0.40 ～ 0.65之間；明顯超過此范圍的角閃石成分?jǐn)?shù)據(jù)不能用于估算壓力。Anderson和Smith(1995)根據(jù)Johnson和Rutherford(1989)(高溫)與Schmidt(1992)(低溫)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用內(nèi)插法，得到含溫度校正項(xiàng)的角閃石全鋁壓力計(jì)公式：

P=4.76n(Altot)-3.01-{[t-675]/85}×{0.530n(Altot)+0.005294[t-675]}

(6)

公式(6)中壓力P的單位是108Pa(即kbar)，t為攝氏溫度。Anderson和Smith推薦使用Blundy和 Holland(1990)、Holland和Blundy(1994)的角閃石—斜長(zhǎng)石溫度計(jì)估算巖漿的近固相線溫度。

圖1 角閃石全鋁含量[n(Altot)]與近固相線溫度(t)約束的結(jié)晶壓力等值線圖[據(jù)Anderson和Smith(1995)公式計(jì)算]Fig. 1 The contour map of the crystallization pressure calculated by the Al-in-hornblende [n(Altot)] and the near solidus temperature (t) [ according to the formula of Anderson and Smith (1995)]

有證據(jù)顯示，Anderson和Smith(1995)的溫度校正沒有太大的必要性。首先，當(dāng)巖體的固相線溫度低于750℃時(shí)，對(duì)應(yīng)于 50℃的溫度校正值，應(yīng)用Anderson和Smith(1995)的全鋁壓力計(jì)公式計(jì)算得到的壓力值與未經(jīng)溫度校正的壓力值之間的偏差在 0.01 ～ 0.08 GPa之間(圖1, 表1)，與其它角閃石全鋁壓力計(jì)線性公式的固有誤差( 0.06 ～ 0.1 GPa)相當(dāng)。對(duì)于鈣堿性酸性(SiO2> 67%)巖體而言，當(dāng)結(jié)晶壓力在0.2 GPa以上時(shí)，其流體飽和的近固相線溫度一般不大于750℃，多數(shù)在650 ～ 720℃之間(Wyllie,1971; Hollister et al., 1987; Anderson et al., 2008)。其次，斜長(zhǎng)石—角閃石溫度計(jì)估計(jì)的固相線溫度很可能不準(zhǔn)。這是因?yàn)榍秩霂r中的斜長(zhǎng)石在固相線溫度下常常與堿性長(zhǎng)石發(fā)生再平衡反應(yīng)，而角閃石也不一定是近固相線的結(jié)晶產(chǎn)物，導(dǎo)致斜長(zhǎng)石—角閃石溫度計(jì)估計(jì)的固相線溫度不準(zhǔn)確(Ague and Brandon, 1996; Blundy and Cashman, 2008)。因此，除非有明顯證據(jù)表明巖體具有較高(≥ 750℃)的固相線溫度，否則對(duì)于在流體飽和的近固相線條件下結(jié)晶的鈣堿性中酸性巖體而言，Anderson和Smith(1995)的溫度校正意義不大。相反，斜長(zhǎng)石—角閃石溫度計(jì)自身誤差的傳播會(huì)導(dǎo)致壓力估算結(jié)果的誤差增大。

表1 根據(jù)Anderson和Smith(1995)公式計(jì)算的不同固相線溫度時(shí)角閃石全鋁壓力值

Table 1 The estimated pressures corresponding to the different solidus temperatures using the Al-in-hornblende barometer by Anderson and Smith (1995)

n(Altot)固相線溫度(℃)6006507007508001.00.1870.1870.1560.093-1.50.4480.4320.3860.3080.1992.00.7090.6780.6160.5220.3982.50.9710.9240.8460.7370.597

注：壓力單位是GPa。n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)。- 代表計(jì)算值為負(fù)數(shù)，無(wú)實(shí)際意義。

綜合上述，對(duì)于線性角閃石全鋁壓力計(jì)公式而言，其應(yīng)用的前提條件是：

(1)由于標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的壓力范圍均在0.2 ～ 1.3 GPa(Johnson and Rutherford, 1989; Schmidt, 1992)，而且理論分析也表明經(jīng)驗(yàn)公式(1)和(2)針對(duì)結(jié)晶壓力應(yīng)該高于0.2 GPa(Hollister et al., 1987)。同時(shí)，Uchida等(2007)應(yīng)用閃鋅礦壓力計(jì)經(jīng)驗(yàn)性地標(biāo)定了日本5個(gè)巖漿熱液礦床的成礦巖體的角閃石全鋁壓力計(jì)，其結(jié)果表明結(jié)晶壓力小于0.2 GPa時(shí)，角閃石全鋁含量與巖體結(jié)晶壓力之間線性回歸關(guān)系的斜率明顯低于前述各線性關(guān)系式(參見第3節(jié))。因此，上述各公式僅適用于結(jié)晶壓力大于0.2 GPa的鈣堿性侵入巖類的壓力估算，而這一點(diǎn)常常被人們忽視。

(2)鈣堿性巖石的礦物組合為角閃石+黑云母+斜長(zhǎng)石+堿性長(zhǎng)石+石英+Fe—Ti氧化物+榍石，當(dāng)巖石礦物組合中缺少堿性長(zhǎng)石和黑云母時(shí)則不適用。

(3)該壓力計(jì)所要求的9相10組分體系平衡中，堿性長(zhǎng)石只有在近固相線時(shí)才會(huì)穩(wěn)定存在。因此，只有在近固相線溫度條件結(jié)晶的角閃石，其全鋁含量才能用于計(jì)算結(jié)晶壓力。即：公式(3)、(4)的應(yīng)用前提是巖體的固相線溫度接近760℃，公式(5)的應(yīng)用前提是巖體的固相線溫度近似為675℃。對(duì)于鈣堿性酸性(SiO2> 67%)巖體而言，當(dāng)結(jié)晶壓力在0.2 GPa以上時(shí)，其流體飽和的近固相線溫度多數(shù)在620 ～ 700℃之間。所以，Schmidt(1992)的公式更適用于大多數(shù)鈣堿性巖體的結(jié)晶壓力估算。除非能比較準(zhǔn)確地得到巖漿的固相線溫度值，否則Anderson和Smith(1995)的溫度校正公式意義有限。

(4)目前的角閃石全鋁壓力計(jì)適用于相對(duì)氧化條件下結(jié)晶的鈣堿性侵入巖。A型花崗巖中的堿性角閃石在相對(duì)還原條件下結(jié)晶，不適用角閃石全鋁壓力計(jì)。

(5)角閃石全鋁壓力計(jì)不能用于估算變質(zhì)巖的變質(zhì)壓力。近來(lái)，有的巖石學(xué)教科書(于炳松等, 2012)將角閃石全鋁壓力計(jì)作為適用于變質(zhì)巖的壓力計(jì)加以介紹，還有學(xué)者應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)估算動(dòng)力變質(zhì)巖的成巖壓力(涂文傳等, 2013)。固態(tài)條件下的變質(zhì)作用過程不滿足角閃石全鋁壓力計(jì)成立的相平衡條件，這種做法是錯(cuò)誤的。

1.2 冪函數(shù)關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)

最近，汪洋(2013)根據(jù)根據(jù)Uchida等(2007)應(yīng)用閃鋅礦壓力計(jì)標(biāo)定的P< 0.2 GPa固結(jié)巖體的角閃石全鋁含量，采用冪函數(shù)形式回歸得到：

P=0.0823 [n(Altot)]2.401r2= 0.89

(7)

公式(7)中壓力P的單位是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，適用于結(jié)晶壓力小于0.2 GPa的鈣堿性侵入巖(圖2)。

圖2 線形與冪函數(shù)關(guān)系形式的侵入巖角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)比圖Fig. 2 The comparison among the linear and the power function style Al-in-hornblende barometers 粗實(shí)線為汪洋(2013)適應(yīng)于P < 0.2 GPa的壓力計(jì)公式回歸曲線；細(xì)實(shí)線為依據(jù)Schmidt(1992)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的壓力計(jì)公式回歸公式，其中直線為Schmidt(1992)的結(jié)果，曲線為汪洋(2013)的冪函數(shù)回歸曲線；斷續(xù)線為依據(jù)Johnson和Rutherford(1989)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的壓力計(jì)公式回歸公式，其中直線為Johnson和Rutherford(1989)的結(jié)果，曲線為汪洋(2013)的冪函數(shù)回歸曲線。其中，實(shí)心圈代表來(lái)自Uchida等(2007)的數(shù)據(jù)，十字符號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)自Schmidt(1992)的數(shù)據(jù)，空心圈代表來(lái)自Johnson和Rutherford(1989)的數(shù)據(jù) The bold line is the regression curve suitable for P < 0.2 GPa (Wang, 2013). The thin line and curve represent the linear and power function regression for the Schmidt (1992) experimental data, respectively. The dashed line and curve represent the linear and power function regression for the Johnson and Rutherford (1989) experimental data, respectively. The solid circles are from Uchida et al. (2007), the crosses are from Schmidt (1992), and the open circles are from Johnson and Rutherford (1989)

基于Hollister等(1987)的理論研究，鈣堿性侵入巖的角閃石全鋁含量在小于0.2 GPa和大于0.2 GPa壓力區(qū)間內(nèi)對(duì)壓力的敏感程度不同。因此，汪洋(2013)應(yīng)用冪函數(shù)形式分別對(duì)Johnson和Rutherford(1989)與Schmidt(1992)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到如下全鋁壓力計(jì)公式：

P= 0.1307 [n(Altot)]1.842r2=0.98

(8)

P= 0.2154 [n(Altot)]1.524r2= 0.99

(9)

式中P的單位是GPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)。公式(8)適用于固相線溫度高于700℃ 的情況(Johnson and Rutherford，1989)，公式(9)適用于固相線溫度低于700℃的情況(Schmidt，1992)(圖2)。從圖2可以看出，在0.2 ～ 1.3 GPa壓力范圍內(nèi)，冪函數(shù)與線性的壓力計(jì)公式給出的結(jié)果非常接近。

如果可以較準(zhǔn)確地估計(jì)固相線溫度，可以采用內(nèi)插法將公式(8)、(9)合并為：

P= 0.1307 (1+b) [n(Altot)]1.842 (1+a)

(10)

該公式中a=2.0298×10-3(760-t)，b=7.6178×10-3(760-t)，溫度t的單位是℃。上述(8)、(9)、(10)公式適用壓力范圍不超出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.2 ～ 1.3 GPa的壓力標(biāo)定范圍；其他條件與公式(1)～(6)相同。

采用冪函數(shù)形式的優(yōu)點(diǎn)是：在小于0.2 GPa的區(qū)間內(nèi)角閃石全鋁含量隨壓力變化而變化的斜率較小，而在大于0.2 GPa壓力區(qū)間內(nèi)角閃石全鋁含量隨壓力變化而變化的斜率較大(與已有實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)一致)(圖2)。所以，一旦有小于0.2 GPa壓力區(qū)間的角閃石全鋁含量隨壓力改變的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)數(shù)據(jù)，就可以將小于0.2 GPa和大于0.2 GPa壓力區(qū)間內(nèi)角閃石全鋁含量的變化函數(shù)統(tǒng)一起來(lái)，歸納出適用于0 ～ 1.3 GPa的角閃石全鋁壓力計(jì)公式。

2 適用于火山巖的指數(shù)關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)

Ridolfi等(2010)根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)Johnson和Rutherford(1989)、Schmidt(1992)及Anderson和Smith(1995)壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用于中酸性火山巖時(shí)，計(jì)算的噴發(fā)前壓力值與地質(zhì)、地球物理資料估計(jì)的結(jié)果之間往往存在很大偏差。他們?cè)谙到y(tǒng)搜集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)角閃石全鋁壓力計(jì)重新進(jìn)行檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)并不是所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都適用于標(biāo)定壓力計(jì)公式；經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)的重新篩選，在滿足相平衡的前提下提出了新的角閃石全鋁壓力計(jì)公式：

P=19.209 exp[1.438n(Altot)]r2=0.99

(11)

公式(11)中壓力P的單位是MPa，n(Altot)為角閃石分子式中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，適用于鈣堿性火山巖中產(chǎn)出的鈣質(zhì)角閃石，要求其成分滿足：Al#≤ 0.21且n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)] > 0.5。

這個(gè)指數(shù)關(guān)系全鋁壓力計(jì)公式應(yīng)用Ridolfi等(2010)文中所附軟件可直接判別鈣堿性巖類的角閃石成分?jǐn)?shù)據(jù)是否適用于計(jì)算結(jié)晶壓力，若適合則可得到壓力估計(jì)值及其誤差。需要注意的是，公式(11)不適用于地幔來(lái)源的角閃石的壓力估計(jì)。

Ridolfi等(2010)應(yīng)用公式(11)對(duì)全球20余座活火山噴發(fā)的鈣堿性火山巖的角閃石斑晶成分進(jìn)行了壓力估算，得到的角閃石結(jié)晶壓力所對(duì)應(yīng)的巖漿房深度與地球物理證據(jù)吻合度很高。

Ridolfi等的指數(shù)形式角閃石全鋁壓力計(jì)公式與傳統(tǒng)的線性角閃石全鋁壓力計(jì)公式相比，在全鋁含量[n(Altot)]1.1 ～ 2.7范圍內(nèi)估算出的壓力值偏低(圖3)。其原因是：指數(shù)形式角閃石全鋁壓力計(jì)估算的是角閃石在熔體中結(jié)晶時(shí)的壓力值，即角閃石的結(jié)晶溫度可能顯著高于熔體的固相線溫度；相反，只有在近固相線溫度下結(jié)晶的角閃石成分才能應(yīng)用傳統(tǒng)的線性角閃石全鋁壓力計(jì)公式估算其結(jié)晶壓力。也就是說(shuō)，指數(shù)形式角閃石全鋁壓力計(jì)適用于估算火山巖斑晶結(jié)晶時(shí)的壓力，而不適用于計(jì)算侵入體的結(jié)晶壓力。

圖3 指數(shù)關(guān)系與線性關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)比較圖解Fig. 3 The comparison between exponential and linear Al-in-hornblende barometers

3 黑云母全鋁壓力計(jì)

P=0.303×n(Altot)-0.65

(12)

公式(12)中壓力P的單位是GPa，n(Altot)為黑云母分子式(基于O = 22)中Al的摩爾分?jǐn)?shù)，誤差為±0.033 GPa。一部分國(guó)內(nèi)學(xué)者已開始使用該公式估算巖體的成巖深度(王建平等, 2009; 駱文娟等, 2010; 康志強(qiáng)等, 2010; 李曉偉等, 2011; 東前等, 2011; 劉學(xué)龍等, 2013)。

然而，Uchida等給出的黑云母全鋁含量與同巖體的角閃石全鋁含量之間的線性相關(guān)性并不顯著，公式(12)的相關(guān)系數(shù)r2僅為0.36(參見Uchida et al., 2007的圖5)，而且黑云母全鋁壓力計(jì)的建立缺乏相平衡理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；因此Uchida等(2007)的黑云母全鋁壓力計(jì)不一定適用于估算鈣堿性侵入巖的結(jié)晶壓力。

根據(jù)美國(guó)西部Tuolumne巖基(Gray et al., 2008)、八達(dá)嶺巖基(白志民等, 1991)和膠東地區(qū)鈣堿性侵入巖(林景仟等, 1992)的礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)，作者對(duì)黑云母全鋁壓力計(jì)的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)。由于黑云母全鋁壓力計(jì)被認(rèn)為僅適用于壓力小于0.2 GPa的侵入巖，所以應(yīng)用汪洋(2013)提出的公式(7), 適用于低壓(P< 0.2 GPa)的角閃石全鋁壓力計(jì)公式, 對(duì)黑云母全鋁壓力計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。由于Ridolfi等的角閃石全鋁壓力計(jì)可以適用于低壓范圍，所以同時(shí)采用Ridolfi等(2010)的指數(shù)關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)公式(11)與黑云母全鋁壓力計(jì)的估算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑云母全鋁壓力計(jì)估算的壓力值與兩類角閃石壓力計(jì)公式所估算的壓力值之間的偏差均十分顯著，線性相關(guān)性很差(圖4)。這表明鈣堿性侵入巖中黑云母的全鋁含量與角閃石的結(jié)晶壓力之間不存在明顯的相關(guān)性。因此，Uchida等(2007)的黑云母全鋁壓力計(jì)不能用來(lái)估計(jì)巖漿巖的結(jié)晶壓力，冒然使用該公式會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

圖4 利用兩種角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)黑云母全鋁壓力計(jì)的標(biāo)定圖解Fig. 4 The calibration of the Al-in-biotite barometer by two kinds of Al-in-hornblende barometers PW為公式(7)計(jì)算所得壓力(汪洋, 2013)；PR為公式(11)計(jì)算所得壓力(Ridolfi et al., 2010)；PBi為黑云母全鋁壓力計(jì)，公式(12)計(jì)算所得壓力(Uchida et al., 2007)。圖中實(shí)線代表兩種壓力計(jì)公式相關(guān)系數(shù)等于1的理想狀況，斷續(xù)線是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)擬合的兩種壓力計(jì)公式所得結(jié)果的相關(guān)關(guān)系直線。方塊為美國(guó)西部Tuolumne巖體數(shù)據(jù)(Gray et al., 2008)；菱形為八達(dá)嶺巖基數(shù)據(jù)(白志民等, 1991)；圓圈為膠東地區(qū)鈣堿性侵入巖數(shù)據(jù)(林景仟等, 1992)。 PW : according to the formula (7) (Wang Yang, 2013); PR: according to the formula (11) (Ridolfi et al., 2010); PBi: according to the formula (12), i.e., the Al-in-biotite barometer (Uchida et al., 2007). The solid line represents the ideal situation in which the regression coefficient equals 1 between the data obtained by two barometers, but the dashed line is the actual regression. The squares represent the data from the Tuolumne batholith of western USA (Gray et al., 2008), the diamonds are the data from the Badaling batholith of Beijing (Bai Zhimin et al., 1991), and the circles are the data from the calc-alkaline plutons of eastern Shandong area (Lin Jingqian et al., 1992)

4 應(yīng)用實(shí)例

角閃石全鋁壓力計(jì)已被廣泛用于估算鈣堿性侵入巖的侵位深度(例如：Ague and Brandon, 1996; Stein and Dietl, 2001; 張拴宏等, 2007; 雷敏等, 2010; 劉春花等, 2013)，合理運(yùn)用角閃石全鋁壓力計(jì)可以為深入了解研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造演化提供重要信息(Anderson et al., 2008)。

4.1 云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤掀斜的巖體侵位深度證據(jù)

薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體出露于云蒙山變質(zhì)核雜巖河防口拆離斷層的下盤(西北側(cè))，由上莊輝石巖—輝長(zhǎng)巖、薛家石梁閃長(zhǎng)巖、黑山寨石英二長(zhǎng)巖和湖門二長(zhǎng)巖組成；在平面上呈長(zhǎng)軸北西—南東向展布的似橢圓狀，基性巖出露于東南端，而偏酸性端元出露在西北部；復(fù)式巖體中的閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖與二長(zhǎng)巖之間為過渡接觸關(guān)系，屬于典型的鈣堿性巖石(圖5)。黑熊山花崗巖是后期侵入的另一個(gè)巖體，而非薛家石梁原始巖漿的直接分異產(chǎn)物(汪洋, 2007)。

薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體的閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖滿足9組分10相的要求，同時(shí)其角閃石n(Fetot)/[n(Fetot)+n(Mg)]比值在0.35 ～ 0.65之間。薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體巖石為中—粗粒結(jié)構(gòu)，反映其結(jié)晶深度較大，其鋯飽和溫度(高于巖漿的固相線溫度)在650 ～ 760℃之間，因此巖漿的固相線溫度一定在700℃以下；所以采用Schmidt(1992)公式估算該巖體的結(jié)晶壓力。估算結(jié)果表明：薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體東南部上莊村北東出露的閃長(zhǎng)巖結(jié)晶壓力約0.6 GPa、侵位深度約22 km(地殼密度取2.8×103kg/m3，下同)，位于復(fù)式巖體中段南側(cè)西湖村出露的湖門二長(zhǎng)巖結(jié)晶壓力約0.36 GPa、侵位深度約15 km，復(fù)式巖體中部花果山村以北出露的石英二長(zhǎng)巖結(jié)晶壓力0.21 GPa、侵位深度約8 km(表2)。據(jù)此可以推斷出薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體經(jīng)歷了南東—北西向掀斜作用，導(dǎo)致其原始的底部出露于東南部，而頂部出露于西北部。美國(guó)西北部華盛頓州Baja British Columbia地區(qū)的Mount Stuart巖基也有類似情況(Ague and Brandon, 1996)。

角閃石壓力計(jì)的估算結(jié)果同時(shí)顯示：薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體東側(cè)出露的長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力是0.65 GPa、侵位深度約24 km。野外觀察表明，長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖發(fā)育同構(gòu)造片麻理，其侵位深度應(yīng)當(dāng)在脆性變形域之下(姬廣義等, 2004)，這與角閃石全鋁壓力計(jì)推斷的24 km侵位深度之間有很好的對(duì)應(yīng)性。位于薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體和長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖的西北側(cè)的磨石口二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、水泉溝二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖和鐵爐子二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶壓力分別為0.46 GPa、0.27 GPa和0.34 GPa，對(duì)應(yīng)的侵位深度分別為約17 km、10 km和12 km(表2)。

圖5 云蒙山薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Wang and Yao, 2013修改)Fig. 5 The simplified geological map of Xuejiashiliang—Heishanzhai composite pluton in Yunmeng Mountain area (modified after Wang and Yao, 2013) J3—上侏羅統(tǒng)髫髻山組；∈—寒武系；Pt3—新元古界下馬嶺組—景兒峪組；Pt2—中元古界薊縣系。 FS—分水嶺正長(zhǎng)巖； HM—湖門二長(zhǎng)巖；HS—黑山寨石英二長(zhǎng)巖；HX—黑熊山花崗巖；SZ—上莊輝長(zhǎng)巖；XJ—薛家石梁閃長(zhǎng)巖 J3—Upper Jurassic Tiaojishan Formation； ∈—Cambrian； Pt3—Neoproterozoic Xiamaling Formation — Jing’eryu Formation； Pt2—Mesoproterozoic Jixian Series. FS—Fenshuiling syenite； HM—Humen monzonite； HS—Heishanzhai quartz monzonite； HX—Heixiongshan granite； SZ—Shangzhuang gabbro； XJ—Xuejiashiliang diorite.

在平面位置上，薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體東南端、長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖較磨石口、水泉溝和鐵爐子二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖更靠近NNE—SSW走向的云蒙山變質(zhì)核雜巖河防口拆離斷層，結(jié)合這些巖體的侵位深度估算結(jié)果，作者推斷河防口拆離斷層下盤已發(fā)生掀斜，即靠近河防口拆離斷層的南東側(cè)地區(qū)構(gòu)造層次較深，而遠(yuǎn)離河防口拆離斷層的北西側(cè)地區(qū)構(gòu)造層次較淺。薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體的掀斜是河防口拆離斷層下盤(即云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，即：變質(zhì)核雜巖下盤在剝露過程中的背形穹彎作用導(dǎo)致侵入其中的薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體發(fā)生大角度掀斜。長(zhǎng)園閃長(zhǎng)巖的侵位年代為151 Ma，磨石口、水泉溝和鐵爐子二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖均為早白堊世早期侵位(133 ～ 137 Ma)(郁建華等, 1994; 鮑亦剛等, 2001; 孫志明等, 2007; 焦守濤等, 2013)，薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體的侵位年代為125 Ma，云蒙山變質(zhì)核雜巖發(fā)育于125 Ma(Davis et al., 2001)，因此河防口拆離斷層下盤的掀斜作用發(fā)生在125 Ma之后。云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤的掀斜指示，低角度正斷層(拆離斷層)很可能是高角度正斷層在運(yùn)動(dòng)過程中隨下盤旋轉(zhuǎn)掀斜而導(dǎo)致斷層面傾角變緩的結(jié)果(Wernicke and Axen, 1988; Buck, 1993; Lavier et al., 1999; Wang and Yao, 2013)。

4.2 北京西山早白堊世巖漿房、巖體侵位深度及其地質(zhì)意義

北京西山地區(qū)出露的髫髻山組安粗巖屬于典型的高鉀鈣堿性火山巖(汪洋等, 2001)，其頂部火山巖層的鋯石U-Pb年齡為137 Ma(袁洪林等, 2005)，下伏地層的沉積年齡介于147 ～ 144 Ma之間(Yang et al., 2006)(圖6)。

表2 云蒙山薛家石梁—黑山寨復(fù)式巖體及相鄰巖體侵位深度估算結(jié)果Table 2 The estimated emplacement depth for the Xuejiashiliang—Heishanzhai composite pluton and its neighboring plutons in Yunmeng Mountain area

注：PS為Schmidt(1992)公式計(jì)算所得壓力；PJR為Johnson和Rutherford(1989)公式計(jì)算所得壓力，與Schmidt(1992)公式計(jì)算值相對(duì)比。深度按Schmidt(1992)公式求得的壓力計(jì)算。帶*者角閃石原始成分據(jù)白志民等(1991)，其余為作者未發(fā)表數(shù)據(jù)。角閃石分子式按O=23計(jì)算。

對(duì)7個(gè)熔巖樣品的角閃石斑晶電子探針分析表明：西山地區(qū)出露的髫髻山組火山巖中角閃石斑晶均屬于鎂綠鈣閃石，而其全鋁含量從1.8變化到2.36。應(yīng)用Ridolfi等(2010)的角閃石全鋁壓力計(jì)公式及其配套的Excel表格，估算出角閃石斑晶的結(jié)晶壓力變化范圍0.26 ～ 0.57 GPa(表3)。有必要指出，Johnson和Rutherford(1989)壓力計(jì)公式(即：公式4)所估算的壓力值比Ridolfi等(2010)公式的結(jié)果高出0.08 ～ 0.16 GPa(表3)；而Anderson和Smith(1995)壓力計(jì)(即：公式6)給出的是負(fù)數(shù)值，沒有實(shí)際意義。這些角閃石斑晶的結(jié)晶溫度很高(≥ 900℃，表3)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出巖漿的固相線溫度，所以前述公式(1)～(10)均不適用。

對(duì)意大利南部斯通博利火山噴出的鉀玄巖、玄武粗安巖的研究顯示，這些巖漿中斑晶的結(jié)晶壓力為0.15 ～ 0.30 GPa(Cigolini et al., 2008)。結(jié)合地球物理證據(jù)，前人推斷斯通博利火山地表下6 ～ 12 km深度存在長(zhǎng)軸直立的瓶狀(bottle-like)巖漿房，其垂向高度約6 km(Cigolini et al., 2008; Zellmer and Annen, 2008)。對(duì)北京西山地區(qū)髫髻山組火山巖中角閃石斑晶的壓力估算結(jié)果顯示其結(jié)晶的P—T條件不同，其所記錄的壓力條件變化于0.26 ～ 0.57 GPa之間(表3)。據(jù)此推斷，在髫髻山組火山巖噴發(fā)時(shí)期，古地表之下9 ～ 21 km的深度存在高位巖漿房。由于長(zhǎng)軸呈水平方向展布的巖漿房(巖體)其垂向厚度很難超過7 km，多在3 km以內(nèi)(Cruden, 1998; Zellmer and Annen, 2008)，故而筆者推斷西山地區(qū)髫髻山組火山巖的巖漿房形態(tài)很可能也是長(zhǎng)軸直立的瓶狀，其垂向高度約12 km。

當(dāng)前對(duì)巖漿上侵的物理機(jī)制的研究表明：巖漿從源區(qū)分離運(yùn)移過程中，決定其在地殼就位的最主要因素并非浮力，而是地殼中的流變學(xué)界面，其中脆—韌性轉(zhuǎn)換帶是決定上侵巖漿就位形成侵入體或巖漿房的重要物理界面(Vigneresse and Clemens, 2000)。這意味著早白堊世早期北京西山地區(qū)上部地殼的脆—韌性轉(zhuǎn)換帶大致位于10 ～ 20 km深度。

圖6 北京西山地區(qū)東部地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)鮑亦剛等, 2001簡(jiǎn)化)Fig. 6 The sketch geological map of the eastern part of Western Hills of Beijing (simplified after Bao Yigang et al., 2001) Q—第四系；K—白堊系；JKt—髫髻山組；T3—J2—上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)；C—P—石炭系—二疊系； Pz1—下古生界；Pt—元古宇；Ar—太古宇 Q—Quaternary；K—Cretaceous strata； JKt—Tiaojishan Formation； T3—J2—Upper Triassic—Middle Jurassic; C—P—Carboniferous—Permian； Pz1—Lower Paleozoic； Pt—Proterozoic； Ar—Archean

房山巖體是北京西山地區(qū)出露的典型深成巖體(圖6)，主要由外環(huán)的石英閃長(zhǎng)巖和主體花崗閃長(zhǎng)巖組成，含有大量的鎂鐵質(zhì)微粒包體(MME)，其鋯石U-Pb年齡為131 ～ 132 Ma(蔡劍輝等, 2005; 張金陽(yáng)等, 2013)。巖相學(xué)觀察表明，房山巖體及其所含鎂鐵質(zhì)微粒包體的礦物組合滿足9組分10相的要求，同時(shí)其角閃石n(Fetot)/[n(Fetot) +n(Mg)]比值在0.41 ～ 0.49之間。房山巖體為中—粗粒結(jié)構(gòu)，反映其結(jié)晶深度較大，其鋯飽和溫度(高于巖漿的固相線溫度)在650 ～ 760℃之間，因此巖漿的固相線溫度一定在700℃以下；所以采用Schmidt(1992)公式估算該巖體的結(jié)晶壓力。對(duì)于其中的鎂鐵質(zhì)微粒包體，由于其固相線溫度高于寄主巖漿，采用Johnson和Rutherford(1989)公式估算其中的角閃石結(jié)晶壓力。在壓力估算過程中，選取環(huán)帶狀角閃石顆粒外環(huán)的成分?jǐn)?shù)據(jù)，此處最接近于近固相線條件下的平衡組分。計(jì)算結(jié)果見表4。

從表3可以看出，房山巖體的結(jié)晶壓力為0.23 ～ 0.34 GPa，對(duì)應(yīng)的深度在8.4 ～ 12.3 km之間。由于角閃石全鋁壓力計(jì)的誤差為0.05 ～ 0.06 GPa，對(duì)應(yīng)于1.8 ～ 2.2 km深度，可以取平均值10 km代表房山巖體的侵位深度。這意味著早白堊世早期北京西山東南部房山一帶上部地殼的脆—韌性轉(zhuǎn)換帶大致位于10 km深度。

中、低地溫梯度地區(qū)的上部地殼的脆—韌性轉(zhuǎn)換帶深度一般在15 km以上(Wang, 2001; Afonso and Ranalli, 2004; 汪洋, 2006)，上部地殼脆—韌性轉(zhuǎn)換帶深度約10 km表明北京西山地區(qū)在早白堊世早期(145 ～ 131 Ma)處于高地溫梯度狀態(tài)。結(jié)合該時(shí)期內(nèi)北京西山強(qiáng)烈?guī)r漿活動(dòng)所反映的地殼下部的部分熔融狀態(tài)，可以合理推斷當(dāng)時(shí)地殼的整體流變學(xué)強(qiáng)度低，這是早白世堊時(shí)期北京西山地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造變形的必要條件。

房山巖體10 km的侵位深度表明，其固結(jié)后經(jīng)歷了至少10 km的剝蝕。西山地區(qū)髫髻山組火山巖出露區(qū)位于房山巖體北西方向約20 km處(鮑亦剛等, 2001)?？梢酝扑愠霰本┪魃降貐^(qū)在131 Ma之后發(fā)生過南東—北西方向約25°的掀斜。北東走向的黃莊—高麗營(yíng)斷裂出露于房山巖體北東側(cè)，向南則隱伏于巖體以東的第四系之下(鮑亦剛等, 2001)；該斷層的正斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致位于其下盤的北京西山地區(qū)發(fā)生掀斜。

表3 北京西山地區(qū)髫髻山組火山巖巖漿房深度估算結(jié)果Table 3 The estimated chamber depth for the Tiaojishan volcanic rocks in the Western Hills of Beijing

注：T、PR分別為Ridolfi等(2010)中的公式計(jì)算所得角閃石結(jié)晶溫度與壓力(用該文所附Excel表格直接得到)；PJR為Johnson和Rutherford(1989)公式計(jì)算所得壓力，與Ridolfi等(2010)公式計(jì)算值相對(duì)比。深度按Ridolfi等(2010)公式求得的壓力計(jì)算。角閃石原始成分來(lái)自筆者未發(fā)表數(shù)據(jù)。角閃石分子式按O=23計(jì)算。

表4 房山巖體及鎂鐵質(zhì)微粒包體(MME)侵位深度估算結(jié)果Table 4 The estimated emplacement depth for the Fangshan pluton and its mafic micro-enclaves (MME)

注：MME的角閃石結(jié)晶壓力按Johnson和Rutherford(1989)公式計(jì)算，其余按Schmidt(1992)公式計(jì)算。角閃石原始成分來(lái)自作者未發(fā)表數(shù)據(jù)。角閃石分子式按O=23計(jì)算。

5 結(jié)論

角閃石全鋁壓力計(jì)是目前針對(duì)鈣堿性長(zhǎng)英質(zhì)巖漿巖結(jié)晶壓力估計(jì)的可靠礦物學(xué)方法。自然條件下結(jié)晶過程很復(fù)雜，所得壓力值難免存在一定的誤差，但仍可以利用角閃石全鋁壓力計(jì)估算鈣堿性侵入巖的結(jié)晶壓力或火山巖中角閃石斑晶的結(jié)晶壓力。筆者認(rèn)為：

(1)應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)公式的前提是滿足其適用條件，否則所得結(jié)果沒有意義。目前提出的大多數(shù)角閃石全鋁壓力計(jì)公式不適用于估計(jì)結(jié)晶壓力低于0.2 GPa的情況。特別注意的是，A型花崗巖(鐵質(zhì)花崗巖)中角閃石富鐵、形成于低氧逸度條件，不能夠滿足角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)氧逸度的要求；因此角閃石全鋁壓力計(jì)不能用于估算A型花崗巖(鐵質(zhì)花崗巖)的結(jié)晶壓力。

(2)對(duì)于在流體飽和的近固相線條件下結(jié)晶的鈣堿性中酸性巖體而言，Anderson和Smith(1995)的溫度校正意義不大，相反會(huì)增大誤差。

(3)Ridolfi等(2010)提出的指數(shù)關(guān)系角閃石壓力計(jì)公式適用于鈣堿性火山巖中角閃石斑晶的結(jié)晶壓力估算，可以定量約束火山系統(tǒng)深部巖漿房的深度。

(4)Uchida等(2007)提出的黑云母全鋁壓力計(jì)缺乏理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；其估算的壓力值明顯偏離角閃石全鋁壓力計(jì)所獲結(jié)果，而且兩者之間線性相關(guān)性很弱；不建議使用。

(5)應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)對(duì)北京幾個(gè)早白堊世鈣堿性火成巖結(jié)晶壓力的估算結(jié)果顯示：云蒙山變質(zhì)核雜巖下盤在低角度拆離斷層活動(dòng)過程中發(fā)生了明顯的掀斜；高角度正斷層在運(yùn)動(dòng)過程中下盤旋轉(zhuǎn)掀斜導(dǎo)致斷層面傾角變緩，可以導(dǎo)致低角度正斷層(拆離斷層)的形成。位于黃莊—高麗營(yíng)正斷層下盤的北京西山地區(qū)，在正斷層活動(dòng)過程中也發(fā)生了明顯的掀斜。

致謝：吳春明教授和章雨旭研究員提出了寶貴的修改建議，姚瑤、吳小林幫助清繪圖件，在此并致謝忱。