適用于殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r中暗色微粒包體的單斜輝石壓力計

孫蘭蘭++楊家喜++周爭艷++鄒莉菲++馬嬡嬡++關(guān)豪

摘要：花崗巖的殼?；旌衔镌闯梢蚣盎◢弾r中暗色微粒包體的成因信息是地質(zhì)學(xué)關(guān)注的重要研究對象，但至今還沒有適用于花崗巖中暗色微粒包體這種基性礦物組合的壓力計。依據(jù)Patino Douce模擬殼幔巖漿混合過程的試驗巖石學(xué)研究資料，發(fā)現(xiàn)具有基性礦物組合的暗色微粒包體中單斜輝石的Na、Al含量與壓力密切相關(guān)，得出了壓力與單斜輝石中的Na2O含量、Al2O3含量、硬玉分子摩爾分數(shù)、契爾馬克輝石分子摩爾分數(shù)、硬玉分子與契爾馬克輝石分子摩爾分數(shù)之和的線性關(guān)系，以及壓力與斜方輝石中Al2O3含量的線性關(guān)系，進而得出適用于殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r中暗色微粒包體的有效地質(zhì)壓力計。這一壓力計為了解殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r漿形成的深度提供了研究手段。將地質(zhì)壓力計應(yīng)用于西秦嶺天水地區(qū)車河花崗巖體及其中的暗色微粒包體研究，對了解殼?；旌献饔眯纬傻幕◢弾r等深部地質(zhì)問題具有重要意義。

關(guān)鍵詞：花崗巖；殼幔混合成因；暗色微粒包體；試驗巖石學(xué)；單斜輝石；地質(zhì)壓力計；形成深度

中圖分類號：P571；P589.1；P595文獻標志碼：A

0引言

自1969年Didier等根據(jù)花崗巖中的包體提出花崗巖的殼源型（Crustal）、幔源型（Mantle）和混合物源型（Mixed）的成因分類[12]以來，花崗巖的物源成為花崗巖成因問題的重要研究內(nèi)容[39]。數(shù)十年來，由于地球化學(xué)、同位素技術(shù)、試驗巖石學(xué)研究的快速發(fā)展以及大量的花崗巖實例研究，研究者們認識到：除了部分強過鋁花崗巖是純殼源的，拉斑質(zhì)和堿性花崗巖是純幔源的或基本是幔源的，其他分布于大陸造山帶中的花崗巖都是混合物源成因的，在其形成過程中或多或少都有幔源物質(zhì)的加入[10]。Pitcher研究表明，花崗巖的生成不僅是地殼物質(zhì)再循環(huán)作用的結(jié)果，也有幔源組分的參與，較常見的是酸性巖漿和基性巖漿的混合[11]。1991年，Castro等提出了花崗巖的S、M和H型分類，其中H型即混合花崗巖（相當(dāng)于殼幔型花崗巖）[12]。

Depaolo等通過對I型花崗巖和陸殼的研究認為，在殼幔相互作用過程中幔源巖漿提供了熱量和物質(zhì)[1318]。一些I型花崗巖中存在大量可以指示源巖信息的暗色微粒包體，并為揭示陸殼和巖石圈地幔的相互作用提供了重要證據(jù)。王濤總結(jié)并提出了混合花崗巖的類型，其中包括殼源巖漿和幔源巖漿的混合，如幔源玄武巖漿與酸性巖漿混合，充填于巖漿房的硅質(zhì)殼源巖漿與滲透到巖漿房中的地幔熔體[19]。

Barbarin在對花崗巖的分類評述中，明確提出殼源（過鋁質(zhì)花崗巖）、幔源（拉斑質(zhì)、堿性和過堿性花崗巖）及殼?；旌希ㄢ}堿性花崗巖）3種成因分類，并將它們與地球動力學(xué)環(huán)境聯(lián)系起來[10]。自然界中殼?；旌铣梢虻幕◢弾r是比較常見的。

Yang等通過鋯石Hf同位素研究證明地幔參與了花崗質(zhì)巖漿的形成[20]，試驗巖石學(xué)也支持這一觀點[21]。同時，一些學(xué)者認為地幔所提供的熱量可能是花崗巖形成的重要因素。這也使得Petford等認為底侵作用和花崗巖成因有密切的聯(lián)系[2224]。

玄武巖漿的底侵作用和幔源巖漿與殼源巖漿的混合作用是殼幔作用最直觀的表現(xiàn)形式[2526]。根據(jù)大量的花崗質(zhì)巖漿來源于殼幔相互作用這一認識，研究者們普遍認為，大量的軟流圈或上地幔上涌的幔源巖漿以底侵方式囤積在地殼底部附近。這種幔源巖漿囤積作用帶來的地幔熱源引起下部地殼發(fā)生大規(guī)模變質(zhì)作用和深熔作用，形成巨量花崗巖及未完全混合的鎂鐵質(zhì)微粒包體[25，2728]。幔源巖漿的底侵作用引發(fā)了殼幔能量和物質(zhì)的交換[2930]。

周珣若結(jié)合文獻[3]對花崗巖中暗色微粒包體與巖漿混合作用的研究，認為包體在研究巖漿混合作用過程中有十分重要的意義[31]。王德滋等認為，鎂鐵質(zhì)巖漿與長英質(zhì)巖漿之間的混合作用是導(dǎo)致殼?；煸椿◢弾r類形成的主要機制[32]。暗色、細粒且具火成巖結(jié)構(gòu)的巖石包體是指示巖漿混合作用存在的可靠證據(jù)。近些年來，對花崗巖中暗色微粒包體的研究也越來越受到重視[3335]。

Patino Douce的試驗?zāi)M了殼幔巖漿的混合過程[36]，混合巖漿早期結(jié)晶分異產(chǎn)生了基性礦物組分。通過對Patino Douce的試驗資料分析發(fā)現(xiàn)，基性礦物組分中單斜輝石的Na、Al含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）與壓力緊密相關(guān)，并由此推導(dǎo)出了殼?；旌铣梢蚧◢弾r中暗色微粒包體（Mafic Microgranular Enclave，MME）的單斜輝石壓力計。這一壓力計將為殼幔混合物源成因花崗巖漿及其中暗色微粒包體的形成深度研究提供一項新工具。

1殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r中暗色微粒包體的單斜輝石壓力計

單斜輝石是地殼和上地幔許多基性、超基性巖的重要礦物成分，它們的化學(xué)組成變化與其溫度、壓力和總的化學(xué)組成變化關(guān)系密切。通過研究這些變量如何控制輝石的化學(xué)組成，地質(zhì)學(xué)家就可能由共存礦物的簡單化學(xué)分析來推斷這些巖石的形成條件[37]。從這些基性組分中單斜輝石的化學(xué)組成方面入手，可以推算出一種單斜輝石壓力計，用以研究殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r及其中的暗色微粒包體。

對于花崗巖的殼?；旌衔镌闯梢騿栴}，很早就有學(xué)者在試驗巖石學(xué)方面進行過試驗?zāi)M研究。1995年，Patino Douce在溫度保持在1 000 ℃的條件下，分別在壓力（p）為5×105、7×105、10×105、12×105、15×105 Pa的條件下用等比例的玄武巖和黑云母片麻巖全部熔融混合，觀察并研究了不同條件下礦物結(jié)晶情況和化學(xué)成分變化情況（表1）[36]。該試驗?zāi)M了殼源巖漿和幔源巖漿的混合過程，從試驗結(jié)果基性礦物組合數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，礦物組合單斜輝石中的Na、Al含量變化總是與壓力變化關(guān)系密切。

根據(jù)Patino Douce的試驗產(chǎn)物中基性礦物組合數(shù)據(jù)，以6個氧原子為基，分別計算出單斜輝石中各組分的含量（為了對比研究，也挑選了試驗數(shù)據(jù)斜方輝石中的Al進行分析）和輝石各端元組分（表1）。他們是鈣質(zhì)單斜輝石Ca（Mg，F(xiàn)e）Si2O6、鎂鐵輝石（Mg，F(xiàn)e）2Si2O6、硬玉NaAlSi2O6、契爾馬克輝石CaAl[AlSi]O6。根據(jù)計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)單斜輝石中的Na、Al含量與壓力表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上分別得出了壓力與單斜輝石中的Na2O含量、Al2O3含量、硬玉分子摩爾分數(shù)（XJd）、契爾馬克輝石分子摩爾分數(shù)（XTsch）、硬玉分子與契爾馬克輝石分子摩爾分數(shù)之和（XJd+XTsch）的線性關(guān)系，以及壓力與斜方輝石中的Al2O3含量的線性關(guān)系，同時計算出這些線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)和相對誤差（圖1、表2）。

2討論

2.1幾種壓力計的對比

從表2中輝石的壓力計經(jīng)驗公式及相關(guān)參數(shù)可看出：壓力與單斜輝石中Na、Al有關(guān)組分表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)關(guān)系，具有較小的相對誤差，其中尤其以Al2O3含量對應(yīng)的壓力計和契爾馬克輝石對應(yīng)的壓力計線性關(guān)系最好。Putirka等研究認為通常

單斜輝石中的硬玉組分對壓力是比較敏感的[3840]，結(jié)合前人研究成果及一些花崗巖實例研究，單斜輝石中與Na有關(guān)（Na2O含量、XJd）的壓力計使用效果可能比與Al有關(guān)（Al2O3含量、XTsch）的壓力計使用效果更好。對于與Al相關(guān)的壓力計需要更進一步研究。斜方輝石壓力計相比單斜輝石壓力計線性關(guān)系略差，但在無單斜輝石存在的情況下，斜方輝石壓力計也是有參考使用價值的。

需要注意的是，盡管得出了以單斜輝石為主的壓力計，但其使用存在著限制條件，即該壓力計是應(yīng)用于暗色包體中含有一定量Na、Al的單斜輝石（Al離子數(shù)大于Na），而這些暗色包體是在殼幔巖漿混合過程中形成的，即該壓力計在有混合巖漿結(jié)晶分異過程條件下才有效。另外，該試驗是在特定條件下實現(xiàn)的，且試驗數(shù)據(jù)不夠多，對壓力計的使用還是存在一定影響的。綜合看來，該壓力計還是有較大的應(yīng)用價值。

2.2單斜輝石壓力計的地質(zhì)意義

底侵作用使殼幔邊界聚集了玄武質(zhì)巖漿，下地殼的增長是通過底侵的鎂鐵質(zhì)火山巖物質(zhì)實現(xiàn)的，殼幔邊界的長英質(zhì)巖漿在底侵作用過程中也起到了重要作用[41]。放射性穩(wěn)定同位素的一些證據(jù)也表明，底侵作用不僅起到了將地幔熱源帶到下地殼的作用，而且在此過程中幔源物質(zhì)和殼源物質(zhì)發(fā)生了廣泛的化學(xué)反應(yīng)[4143]。

Patino Douce在試驗中模擬幔源巖漿和殼源巖漿的混合，通過結(jié)晶分異產(chǎn)生了長英質(zhì)熔體和鎂鐵質(zhì)礦物組合，同位素和微量元素特征也反映出這些生成物具有幔源和殼源組分的特點[36]。在殼幔邊界，通過底侵作用幔源巖漿和殼源巖漿發(fā)生熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)，混合巖漿經(jīng)過早期結(jié)晶分異生成基性礦物組分，并跟隨剩余巖漿一起上侵。花崗巖和其中的暗色微粒包體在這樣的環(huán)境下產(chǎn)生，通過對這些基性微粒包體的研究可以反映出混合巖漿早期結(jié)晶分異時的環(huán)境條件。Patino Douce試驗反映出基性礦物組分中的Na、Al含量與壓力的密切相關(guān)關(guān)系，對于指示混合巖漿早期結(jié)晶分異的深度有著重要意義。

2.3應(yīng)用實例

西秦嶺天水地區(qū)車河花崗巖體寄主巖石為似斑狀二長花崗巖，暗色微粒包體為二長閃長巖。暗色微粒包體內(nèi)發(fā)育他形單斜輝石，這些單斜輝石顆粒被角閃石包裹。電子探針數(shù)據(jù)見表3中20組數(shù)據(jù)。

通過對比研究發(fā)現(xiàn)包體內(nèi)的單顆粒單斜輝石內(nèi)Na2O含量分布表現(xiàn)出明顯差異，近似表現(xiàn)出環(huán)帶的特征。以TSP3/3樣品中11號點的電子探針數(shù)據(jù)[圖2（b）、表3]為例，輝石顆粒中心部位（TSP3/3116）Na2O含量相對最高，達到1.21%，向邊部呈現(xiàn)出降低的趨勢。根據(jù)對應(yīng)的壓力計及深度計算（按0.275×105 Pa·km-1）大致估算出該單斜輝石的形成深度為46～76 km，形成深度部分已經(jīng)接近殼幔邊界。輝石中Al2O3含量、XJd、XTsch分布也表現(xiàn)出這種環(huán)帶的特征。這種環(huán)帶特征表明包體中的輝石是在一個壓力逐漸降低的過程中形成的，即這些輝石是在巖漿不斷上升侵位的過程中形成的。根據(jù)暗色微粒包體中單斜輝石的礦物學(xué)及地球化學(xué)特征和Patino Douce的試驗可以推測早期分異結(jié)晶過程：高溫基性巖漿與較低溫的酸性巖漿混合，致使混合后的高溫基性巖漿快速結(jié)晶分異，以單斜輝石為代表的偏基性礦物組分在此階段開始結(jié)晶，而混合結(jié)晶后的剩余巖漿繼續(xù)上侵進入上地殼。暗色微粒包體中的單斜輝石在壓力逐漸降低的過程中形成，據(jù)此可推測出這些單斜輝石在開始結(jié)晶后隨著基性巖漿繼續(xù)上侵。

通過相關(guān)壓力計的應(yīng)用，車河花崗巖暗色微粒包體的相關(guān)計算結(jié)果（表4，按0.275×105 Pa·km-1計算）部分表現(xiàn)出了不一致性，可能有如下原因：

（1）推測與契爾馬克輝石等有關(guān)的壓力計受溫度影響比較大，與Al有關(guān)的壓力計計算出的壓力和深度也會表現(xiàn)出較大誤差。相比之下，與Na有關(guān)的壓力計計算結(jié)果更可靠，對于與Al有關(guān)的壓力計需要更進一步的研究。

（2）針對車河花崗巖體及其中的暗色包體這一實例而言，暗色包體中的單斜輝石顆粒周圍多被角閃石包裹，導(dǎo)致單斜輝石邊部Na含量偏高，這種包裹現(xiàn)象對數(shù)據(jù)及計算結(jié)果或多或少都有影響。

（3）本文提出了一種針對殼?；旌衔镌闯梢蚧◢弾r中暗色微粒包體的研究思路。這個思路也存在著諸多問題，比如試驗數(shù)據(jù)太少，試驗條件大多固定受限，一些與壓力計有關(guān)的平衡反應(yīng)缺少相關(guān)試驗的研究基礎(chǔ)等。

3結(jié)語

（1）單斜輝石壓力計是針對殼幔混合物源成因花崗巖中暗色微粒包體提出的，單斜輝石中含有適量的Na、Al（Al離子數(shù)大于Na）。這些壓力計表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，在實際研究中應(yīng)用是有意義的。該系列的地質(zhì)壓力計是在試驗巖石學(xué)的基礎(chǔ)上提出的，而自然條件下殼幔巖漿混合和結(jié)晶分異比較復(fù)

雜，所得的壓力值難免存在一定誤差，實際研究中要根據(jù)具體情況分析選擇合適的對應(yīng)壓力計使用。

（2）將單斜輝石壓力計與花崗巖實例研究結(jié)合，對揭示殼幔巖漿混合過程有重要意義。地幔與下地殼巖漿在殼幔邊界混合，早期結(jié)晶分異的基性礦物組分開始結(jié)晶后隨剩余巖漿上侵，形成了花崗巖中的暗色微粒包體。實例中單斜輝石組分環(huán)帶分布特征反映了這一壓力降低上侵的過程，據(jù)此可以約束殼幔巖漿混合后開始結(jié)晶分異的深度。

（3）單斜輝石壓力計為了解殼幔混合成因花崗巖的形成深度等問題提供了新的研究手段和思路，但仍存在較多問題，如試驗數(shù)據(jù)偏少，試驗條件限制，一些平衡反應(yīng)試驗研究基礎(chǔ)的缺乏等。對于缺乏相關(guān)試驗基礎(chǔ)的與契爾馬克輝石有關(guān)的壓力計有待進一步的研究。

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