宣化西望山高壓麻粒巖的巖相學(xué)特征及變質(zhì)P-T軌跡

吳偉哲，李 賓

1.河北地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050031

0 引 言

華北克拉通中部造山帶出露有大量的高級(jí)變質(zhì)巖石，如高壓麻粒巖、退變榴輝巖。高壓麻粒巖作為一種高級(jí)變質(zhì)巖，它的礦物組合、化學(xué)成分和反應(yīng)結(jié)構(gòu)能夠用來(lái)進(jìn)行溫壓的計(jì)算，構(gòu)建出相應(yīng)的變質(zhì)P-T軌跡，推測(cè)大地構(gòu)造信息。翟明國(guó)(1992)首次報(bào)道了宣化懷安地區(qū)的高壓麻粒巖，并將其礦物組合分成三個(gè)期次，確定了三個(gè)變質(zhì)事件，計(jì)算出峰期高壓變質(zhì)作用溫度為800℃，壓力約14 kbar[1]。緊隨其后，郭敬輝(1993)在懷安蔓菁溝輝長(zhǎng)質(zhì)麻粒巖中發(fā)現(xiàn)了大量石榴輝石麻粒巖，以石榴石、單斜輝石、斜長(zhǎng)石、石英為特征，也將它們分成三個(gè)變質(zhì)作用期次，溫度為800℃±，壓力>14 kbar，構(gòu)建出的順時(shí)針P-T軌跡反應(yīng)了一個(gè)近等溫減壓的變質(zhì)過(guò)程[2]。郭敬輝、翟明國(guó)(2000)認(rèn)為宣化西望山高壓麻粒巖以含有較多的石榴石斑晶為特征，其中含包體礦物為單斜輝石+斜長(zhǎng)石+石英，它們與石榴石核部共同構(gòu)成早期的高壓變質(zhì)礦物組合，石榴石邊部發(fā)育有后成合晶反應(yīng)邊。計(jì)算得出變質(zhì)作用的條件為800～850℃，13～15 kbar[3]。

論文研究的目的在于闡述宣化西望山高壓麻粒巖的巖相學(xué)特征和礦物化學(xué)成分，運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)溫壓計(jì)構(gòu)建出高壓麻粒巖變質(zhì)作用的P-T軌跡，探索其變質(zhì)作用的演化特點(diǎn)和大地構(gòu)造意義。

1 地質(zhì)背景

華北克拉通基底主要由東部陸塊、西部陸塊和中央造山帶構(gòu)成。中央造山帶懷安—宣化一帶普遍出露大量高壓麻粒巖和退變榴灰?guī)r，其中高壓麻粒巖均具有順時(shí)針的P-T軌跡和近等溫減壓演化的特點(diǎn)。

圖1 華北克拉通桑干地區(qū)早前寒武紀(jì)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(底圖據(jù)郭敬輝(2003)[2])Fig.1 Generalized early Precambrian geological map of the tectonic units/rockassociations in Sanggan area of North China craton

宣化西望山位于桑干構(gòu)造帶東北部，屬于右所堡組，為桑干巖群的上層部位。該組構(gòu)造線(xiàn)沿近東西方向展布，發(fā)育于復(fù)式背斜的核部以及復(fù)式向斜的核部，與下伏馬市口巖組平行接觸，與崇禮下巖群谷咀子巖組呈斷層接觸關(guān)系。

高壓麻粒巖位于桑干構(gòu)造帶兩個(gè)變質(zhì)作用強(qiáng)烈的TTG雜巖之間，呈扁長(zhǎng)或橢圓狀，長(zhǎng)幾米到幾百米不等，寬幾十厘米至十幾米，少量長(zhǎng)達(dá)2～3 km，部分呈透鏡體成群產(chǎn)于英云閃長(zhǎng)質(zhì)麻粒巖和輝長(zhǎng)質(zhì)麻粒巖背景中，邊緣經(jīng)歷強(qiáng)烈的剪切變形，有礦物拉伸線(xiàn)理，分布在西望山和蔓菁溝地區(qū)；另一部分呈包體產(chǎn)于鉀質(zhì)花崗巖、混合巖和英云閃長(zhǎng)片麻巖中，大小不等，一般長(zhǎng)數(shù)十厘米到幾十米，寬十幾厘米至十幾米，形狀極不規(guī)則，有橢球狀、團(tuán)塊狀、透鏡狀，分布于整個(gè)桑干構(gòu)造帶。

2 巖相學(xué)特征

宣化西望山麻粒巖主要礦物為斜長(zhǎng)石(25%～30%)+單斜輝石(20%～25%)+石榴石(15%～20%)+斜方輝石(5%～10%)，次要礦物有鈦鐵礦(<5%)+磁鐵礦(<5%)，副礦物為黑云母(<2%)+石英(<2%)。石榴石大部分呈大的變斑晶產(chǎn)出，粒徑達(dá)7 μm(圖2f)，貫穿整個(gè)視域，部分呈基質(zhì)產(chǎn)出，與輝石、長(zhǎng)石共生。斜長(zhǎng)石多呈基質(zhì)與石榴石、輝石共生，少量以包裹體的形式在石榴石內(nèi)部產(chǎn)出(圖2a)，另外有部分斜長(zhǎng)石呈后成合晶分布在石榴子石周?chē)?，形成“白眼圈”結(jié)構(gòu)(圖2d)。斜長(zhǎng)石粒度不等，大的可達(dá)3.5 μm，小的僅為1～2 μm。單斜輝石多呈基質(zhì)與斜長(zhǎng)石、石榴石共生，少量被石榴石包裹，輝石粒度不均一，基質(zhì)的粒徑可達(dá)2.5 μm。斜方輝石呈兩種形式產(chǎn)出，一種與單斜輝石組成后成合晶(圖2c)，指示峰期過(guò)后的減壓階段，另一種與鈦鐵礦、磁鐵礦共生。另外樣品中還有少量的石英被包裹在石榴石內(nèi)部，少量的黑云母出現(xiàn)在峰期石榴石與輝石之間。

3 變質(zhì)期次及溫壓計(jì)算

根據(jù)薄片中礦物的組合及結(jié)構(gòu)，可以將此麻粒巖分為三個(gè)期次，具體如下：

(1) 峰前進(jìn)變質(zhì)階段(M1)，標(biāo)志性礦物是石榴石+被石榴石包裹的單斜輝石+斜長(zhǎng)石+石英。運(yùn)用Grt-Cpx-Pl-Q溫壓計(jì)(Ravna,E.K.2000)進(jìn)行計(jì)算[4]，峰前的溫度在627～669℃范圍內(nèi)，壓力落在8.2～8.7 kbar之間。

(2)峰期高壓麻粒巖相階段(M2)，典型礦物組合是石榴石+單斜輝石+斜長(zhǎng)石。運(yùn)用(Eckert J. O.，1991)對(duì)峰期該階段溫度壓力進(jìn)行限定[5]，溫度在728～878℃之間，壓力在10～15 Kbar之間。

a. 高壓麻粒巖中峰前典型的礦物組合：大顆粒石榴石變斑晶+被包裹的單斜輝石+斜長(zhǎng)石+石英；b.麻粒巖的主要礦物：包括石榴子石+單斜輝石+斜方輝石+斜長(zhǎng)石+磁鐵礦+鈦鐵礦；c. 典型的后成合晶結(jié)構(gòu)：斜方輝石呈后成合晶結(jié)構(gòu)圍繞單斜輝石生長(zhǎng)，是降壓的表現(xiàn)；d. 典型的“白眼圈”結(jié)構(gòu)：石榴石邊部分解成具“眼圈”結(jié)構(gòu)斜長(zhǎng)石，代表峰期過(guò)后的降壓階段；e. 典型的三邊平衡結(jié)構(gòu)；f. 含磁鐵鈦鐵石榴二輝斜長(zhǎng)麻粒巖中峰期典型的礦物組合：石榴石變斑晶+斜長(zhǎng)石+單斜輝石，石榴石顆粒較大，貫穿整個(gè)視域礦物代碼——Grt：石榴子石；Cpx：?jiǎn)涡陛x石；Pl：斜長(zhǎng)石；Opx：斜方輝石；Ilm鈦鐵礦：Mt：磁鐵礦圖2 高壓麻粒巖典型礦物組合和結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Typical textures and assemblage of the high-pressure granulites

(3)峰后退變質(zhì)中壓麻粒巖相階段(M3)，礦物組合為斜長(zhǎng)石+斜方輝石，可能涉及的反應(yīng)為石榴石+單斜輝石+石英→斜長(zhǎng)石+斜方輝石。雖然該階段的單斜輝石和石榴石都不穩(wěn)定，但是仍可用單斜輝石邊部與斜方輝石后成合晶進(jìn)行計(jì)算。斜方輝石的出現(xiàn)代表高壓麻粒巖降壓至中壓麻粒巖，因此假設(shè)壓力為7～9 kbar，運(yùn)用二輝溫度計(jì)(Taylor W. R.，1998)[6]得出溫度為771～849℃。

4 礦物化學(xué)成分

對(duì)石榴石、透輝石、斜長(zhǎng)石、斜方輝石進(jìn)行了電子探針成分分析(表1-表4)。

石榴石：主要是鐵鋁榴石、鎂鋁榴石和鈣鋁榴石?；瘜W(xué)成分以低MnO為特征(表1)，含量變化于0.71%～0.85%，相應(yīng)的錳鋁榴石(Spe)端元含量變化于0.01～0.02。FeOT含量最高，含量為23.36%～25.7%，相應(yīng)的鐵鋁榴石(Alm)端元組分為0.48～0.55。CaO變化幅度較大，含量變化范圍為6.63%～9.36%，相應(yīng)的鈣鋁榴石(Gro)端元組分在0.15～0.23之間。MgO含量變化幅度較小，在6.14%～6.71%范圍內(nèi)波動(dòng)，相應(yīng)的鎂鋁榴石(Prp)端元組分變化于0.24～0.25。在石榴石Gro(Alm+Spe)-Prp圖解中，所有石榴石均落在麻粒巖區(qū)域(圖3)。

圖3 石榴石成分三角圖(a)和輝石Wo-En-Fs分類(lèi)圖(b)(a)底圖據(jù)Coleman(1965)[7]，(b)底圖據(jù)常麗華等(2005)Fig.3 Garnet compositions plotted in the(Almandine+Spessaritine)-Grossullar-Pyrope diagram(a), Clinopyroxene classificationin the Wo-En-Fsdiagram(b)

單斜輝石：樣品中的單斜輝石主要以基質(zhì)形式存在，少量以包裹體的形式存在，兩種不同賦存狀態(tài)的透輝石成分略有差異。對(duì)基質(zhì)中的透輝石進(jìn)行核部、幔部、邊部的電子成分分析，特征見(jiàn)表 2。以變斑晶存在的透輝石CaO含量在19.49%～21.50%之間變化，Al2O3在3.0～3.98范圍內(nèi)變化，變化幅度較小，相應(yīng)的六次配位(AlVI)介于0.05～0.08。FeO和MgO的含量分別在11.00%～13.46%和10.92%～12.16%之間，相應(yīng)的XMg值變化于0.65～69。以包體存在的透輝石Cao含量在19.51%～21.43%之間變化，Al2O3在3.06～3.82范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的六次配位(AlVI)介于0.05～0.08。FeO和MgO的含量分別在9.66%～11.82%和11.74%～13.02%之間，相應(yīng)的XMg值變化于0.69～0.76。其中，F(xiàn)eO和MgO的含量都比以基質(zhì)形式存在的透輝石含量高。根據(jù)Poldervaart和Hess(1951)分類(lèi)原則可看出，兩類(lèi)不同賦存狀態(tài)的輝石都落在次透輝石區(qū)和普通輝石區(qū)。

斜長(zhǎng)石：樣品中的斜長(zhǎng)石有三種形式：一類(lèi)被大顆粒石榴石變斑晶包裹，與石榴石、單斜輝石、石英組成峰前礦物組合；第二類(lèi)以基質(zhì)形式存在，與石榴子石，單斜輝石形成高壓麻粒巖相的組成部分；另一類(lèi)斜長(zhǎng)石生長(zhǎng)在石榴子石邊部，圍繞石榴子石形成“白眼圈”結(jié)構(gòu)。不同賦存形式的長(zhǎng)石化學(xué)基本相同，且基質(zhì)斜長(zhǎng)石從核部到幔部以及邊部成分無(wú)明顯變化，主要為An41-53Ab46-56Or2.2-3。從圖4可看出，他們都落在中長(zhǎng)石區(qū)。

圖4 長(zhǎng)石的Or-Ab-An圖解(底圖據(jù)賴(lài)紹聰?shù)?2003)[8])Fig.4 Ab-Or-An diagram of the plagioclases

5 石榴石環(huán)帶

從代表性石榴子石顆粒X-Ray掃面圖可以看出(圖5)，宣化西望山麻粒巖中石榴子石成分不均一，具有典型的進(jìn)變質(zhì)生長(zhǎng)成分環(huán)帶[9]，記錄著石榴石從峰期到退變質(zhì)階段的生長(zhǎng)。從核部到邊部，鈣鋁榴石(Gro)含量顯著下降，鋁榴石(Alm)和鎂鋁榴石(Prp)含量不明顯增加。成分的不均一可能是因?yàn)槭袷L(zhǎng)期間溫度不同導(dǎo)致不同陽(yáng)離子擴(kuò)散速率不同引起的[10]。CaO、MgO、FeO含量的變化說(shuō)明：從核部到邊部，石榴石壓力持續(xù)降低，溫度持續(xù)升高，溫度與壓力并不同時(shí)達(dá)到最高，這一過(guò)程與折返早期升溫階段相對(duì)應(yīng)，和前文所用傳統(tǒng)溫壓計(jì)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果相吻合。雖然由于持續(xù)的加熱和礦物粒度差異，在600～750℃溫度下，石榴石常常被均一化而不保留有環(huán)帶，但是該樣品中，雖然溫度超過(guò)了800℃，但石榴石的環(huán)帶保留相對(duì)較好，這可能是巖石的快速抬升使石榴石沒(méi)有足夠的時(shí)間達(dá)到化學(xué)再平衡，因而才保存了初始生長(zhǎng)環(huán)帶(Chen等，1998)[11]。

a. 石榴石中Mg元素成分掃面圖，從核部到邊部，Mg含量升高；b. 石榴石中Ca元素成分掃面圖，從核部到邊部，Ca含量降低；c. 石榴石中Fe元素成分掃面圖，從核部到邊部，F(xiàn)e含量升高；d. 石榴石中Mn元素成分掃面圖，由于Mn是微量元素，因此無(wú)法明顯看出成分含量的變化圖5 石榴石成分掃面Fig.5 X-ray mapping of garnet compositional

6 氧逸度計(jì)算

氧逸度f(wàn)(O2)指的是有效氧分壓，不同的礦物共生組合平衡氧逸度值不同。礦物中Fe2+/Fe3+的遷移能夠反應(yīng)變質(zhì)流體或成礦流體的氧逸度，而運(yùn)用磁鐵礦-鈦鐵礦礦物對(duì)作為溫度計(jì)、氧逸度計(jì)的研究已經(jīng)比較成熟，如Anderson、Carmichae、Lindsley、Spencer、Stormer Jr等人提出或改進(jìn)的磁鐵礦-鈦鐵礦礦物對(duì)氧逸度計(jì)算方法。

論文對(duì)此麻粒巖中的磁鐵礦-鈦鐵礦共生組合進(jìn)行電子探針?lè)治?，運(yùn)用(Lepage, L.D., 2003)制作的Excel表格進(jìn)行溫度、氧逸度的計(jì)算[12]。結(jié)果顯示，磁鐵礦-鈦鐵礦形成溫度在391～483℃，氧逸度-27.6～-19。如圖8所示，本樣品中的氧逸度多位于FMQ緩沖線(xiàn)以上，HM緩沖線(xiàn)以下，僅有兩個(gè)點(diǎn)落在HM緩沖線(xiàn)以上。因?yàn)闃悠返难跻荻?溫度點(diǎn)分布較亂，沒(méi)有規(guī)則，于是求出平均值。如圖6，黑色方塊落在NNO緩沖線(xiàn)上，因此樣品的磁鐵礦-鈦鐵礦氧逸度屬于中高氧逸度范圍。

MH—磁鐵礦-赤鐵礦緩沖劑；NNO—鎳-鎳氧化物緩沖劑；FMQ—鐵橄欖石-磁鐵礦-石英緩沖劑；WM—方鐵礦-磁鐵礦緩沖劑；IW—鐵-方鐵礦緩沖劑；QIF—鐵-石英-鐵橄欖石緩沖劑
圖6高壓麻粒巖鈦鐵礦-磁鐵礦氧逸度圖解(底圖據(jù)Eugster(1962)[13])
Fig.6 Logf(O2) vs. temperature(t) diagram of ilmenite- magnetite of high-pressuregranulites

圖7 宣化西區(qū)麻粒巖P-T軌跡Fig.7 P-T paths of the high-pressure gramslite in Xuanhua region

7 變質(zhì)作用的P-T軌跡及大地構(gòu)造意義

根據(jù)巖相學(xué)的分期和傳統(tǒng)溫壓計(jì)的計(jì)算，得到了該區(qū)麻粒巖順時(shí)針P-T變質(zhì)軌跡(圖7)，與所恢復(fù)的P-T軌跡相同[3]。從峰前進(jìn)變質(zhì)階段(M1)到峰期高壓麻粒巖相階段(M2)經(jīng)歷了升溫升壓的過(guò)程，說(shuō)明巖石從31 km的地殼深度俯沖到了38 km左右，形成了穩(wěn)定的高壓麻粒巖相的礦物組合石榴子石(Grt)+單斜輝石(Cpx)+長(zhǎng)石(Pl)；從峰期高壓麻粒巖相階段(M2)到后期退變質(zhì)中壓麻粒巖相階段(M3)經(jīng)歷的是近等溫降壓的過(guò)程，此階段巖石從39 km的地殼深度折返到地殼29 km，形成了(圖2d)的斜長(zhǎng)石環(huán)繞石榴石的“白眼圈”結(jié)構(gòu)和(圖2c)單斜輝石與斜方輝石組成的的后成合晶組合。從礦物組合和礦物結(jié)構(gòu)未達(dá)到平衡可以看出，該變質(zhì)作用是一個(gè)快速的地質(zhì)作用，高壓麻粒巖在地殼折返中快速抬升。

翟明國(guó)(1992)、郭敬輝(1993)等[1-2]認(rèn)為華北克拉通中部造山帶所出現(xiàn)的高壓麻粒巖、退變榴輝巖是由華北克拉通東部陸塊和西部陸塊碰撞拼合而來(lái)。趙國(guó)春(2002)認(rèn)為晚太古代至古元古代期間，東部陸塊與西部陸塊可能被一個(gè)古大洋分開(kāi)，～18.5 Ga古大洋俯沖完全消失使東西部陸塊最終碰撞，碰撞引起的褶皺和推覆使地殼成倍加厚，導(dǎo)致下地殼發(fā)生中壓至高壓麻粒巖相或榴輝巖相變質(zhì)作用，隨后地殼又因?yàn)榫庾饔没蚱渌饔脵C(jī)制發(fā)生快速抬升，發(fā)生了普遍的近等溫減壓的變質(zhì)作用，形成冠狀體或后成合晶結(jié)構(gòu)。最后，基底巖石繼續(xù)抬升發(fā)生退變質(zhì)作用[16]。

8 結(jié) 論

(1)宣化西望山的麻粒巖經(jīng)歷了至少三期的變質(zhì)作用：①峰前進(jìn)變質(zhì)階段(M1)，標(biāo)志性礦物是石榴石+被石榴石包裹的單斜輝石+斜長(zhǎng)石+石英。②峰期高壓麻粒巖相(M2)，典型礦物組合是石榴石+單斜輝石+斜長(zhǎng)石。③峰后中壓麻粒巖相(M3)，礦物組合為斜長(zhǎng)石+斜方輝石。

(2)運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)溫壓計(jì)得出三個(gè)變質(zhì)期次的溫壓分別為627～669℃，8.2～8.7 kbar；671～786℃，10～13 kbar；771～849℃，7～9 kbar；P-T軌跡為順時(shí)針型，具有峰后近等溫減壓的特點(diǎn)，與碰撞造山的地質(zhì)背景相對(duì)應(yīng)。

(3)通過(guò)對(duì)估算的氧逸度結(jié)果進(jìn)行投圖，我們得出鈦鐵礦-磁鐵礦氧逸度屬于中高氧逸度范圍。

表1 宣化高壓麻粒巖中石榴石的電子探針成分表(wt%)Table 1 Garnet component of high-pressure granulite in Xuanhua region

表2 宣化高壓麻粒巖中輝石的電子探針成分表(wt%)Table 2 clinopyroxene component of high-pressure granulite in Xuanhua region

表3 宣化高壓麻粒巖中斜長(zhǎng)石的電子探針成分表(wt%)Table 3 Plagioclase component of high-pressure granulites in Xuanhua region

表4 宣化高壓麻粒巖中斜長(zhǎng)石的電子探針成分表(wt%)Table 4 Orthopyroxene component of high-pressure granulites in Xuanhua region