吳偉哲，李 賓

1.河北地質(zhì)大學 資源學院，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變質(zhì)巖，它的礦物組合、化學成分和反應結構能夠用來進行溫壓的計算，構建出相應的變質(zhì)P-T軌跡，推測大地構造信息。翟明國(1992)首次報道了宣化懷安地區(qū)的高壓麻粒巖，并將其礦物組合分成三個期次，確定了三個變質(zhì)事件，計算出峰期高壓變質(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、斜長石、石英為特征，也將它們分成三個變質(zhì)作用期次，溫度為800℃±，壓力>14 kbar，構建出的順時針P-T軌跡反應了一個近等溫減壓的變質(zhì)過程[2]。郭敬輝、翟明國(2000)認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+斜長石+石英，它們與石榴石核部共同構成早期的高壓變質(zhì)礦物組合，石榴石邊部發(fā)育有后成合晶反應邊。計算得出變質(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特征和礦物化學成分，運用傳統(tǒng)的地質(zhì)溫壓計構建出高壓麻粒巖變質(zhì)作用的P-T軌跡，探索其變質(zhì)作用的演化特點和大地構造意義。

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針的P-T軌跡和近等溫減壓演化的特點。

圖1 華北克拉通桑干地區(qū)早前寒武紀地質(zhì)簡圖(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造帶東北部，屬于右所堡組，為桑干巖群的上層部位。該組構造線沿近東西方向展布，發(fā)育于復式背斜的核部以及復式向斜的核部，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系。

高壓麻粒巖位于桑干構造帶兩個變質(zhì)作用強烈的TTG雜巖之間，呈扁長或橢圓狀，長幾米到幾百米不等，寬幾十厘米至十幾米，少量長達2～3 km，部分呈透鏡體成群產(chǎn)于英云閃長質(zhì)麻粒巖和輝長質(zhì)麻粒巖背景中，邊緣經(jīng)歷強烈的剪切變形，有礦物拉伸線理，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、混合巖和英云閃長片麻巖中，大小不等，一般長數(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、團塊狀、透鏡狀，分布于整個桑干構造帶。

2 巖相學特征

宣化西望山麻粒巖主要礦物為斜長石(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7 μm(圖2f)，貫穿整個視域，部分呈基質(zhì)產(chǎn)出，與輝石、長石共生。斜長石多呈基質(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)，另外有部分斜長石呈后成合晶分布在石榴子石周圍，形成“白眼圈”結構(圖2d)。斜長石粒度不等，大的可達3.5 μm，小的僅為1～2 μm。單斜輝石多呈基質(zhì)與斜長石、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)期次及溫壓計算

根據(jù)薄片中礦物的組合及結構，可以將此麻粒巖分為三個期次，具體如下：

(1) 峰前進變質(zhì)階段(M1)，標志性礦物是石榴石+被石榴石包裹的單斜輝石+斜長石+石英。運用Grt-Cpx-Pl-Q溫壓計(Ravna,E.K.2000)進行計算[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+斜長石。運用(Eckert J. O.，1991)對峰期該階段溫度壓力進行限定[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+斜長石+磁鐵礦+鈦鐵礦；c. 典型的后成合晶結構：斜方輝石呈后成合晶結構圍繞單斜輝石生長，是降壓的表現(xiàn)；d. 典型的“白眼圈”結構：石榴石邊部分解成具“眼圈”結構斜長石，代表峰期過后的降壓階段；e. 典型的三邊平衡結構；f. 含磁鐵鈦鐵石榴二輝斜長麻粒巖中峰期典型的礦物組合：石榴石變斑晶+斜長石+單斜輝石，石榴石顆粒較大，貫穿整個視域礦物代碼——Grt：石榴子石；Cpx：單斜輝石；Pl：斜長石；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構圖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)，礦物組合為斜長石+斜方輝石，可能涉及的反應為石榴石+單斜輝石+石英→斜長石+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行計算。斜方輝石的出現(xiàn)代表高壓麻粒巖降壓至中壓麻粒巖，因此假設壓力為7～9 kbar，運用二輝溫度計(Taylor W. R.，1998)[6]得出溫度為771～849℃。

4 礦物化學成分

對石榴石、透輝石、斜長石、斜方輝石進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成分以低MnO為特征(表1)，含量變化于0.71%～0.85%，相應的錳鋁榴石(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，相應的鎂鋁榴石(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。對基質(zhì)中的透輝石進行核部、幔部、邊部的電子成分分析，特征見表 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)分類原則可看出，兩類不同賦存狀態(tài)的輝石都落在次透輝石區(qū)和普通輝石區(qū)。

斜長石：樣品中的斜長石有三種形式：一類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；另一類斜長石生長在石榴子石邊部，圍繞石榴子石形成“白眼圈”結構。不同賦存形式的長石化學基本相同，且基質(zhì)斜長石從核部到幔部以及邊部成分無明顯變化，主要為An41-53Ab46-56Or2.2-3。從圖4可看出，他們都落在中長石區(qū)。

圖4 長石的Or-Ab-An圖解(底圖據(jù)賴紹聰?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，具有典型的進變質(zhì)生長成分環(huán)帶[9]，記錄著石榴石從峰期到退變質(zhì)階段的生長。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為石榴石生長期間溫度不同導致不同陽離子擴散速率不同引起的[10]。CaO、MgO、FeO含量的變化說明：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達到最高，這一過程與折返早期升溫階段相對應，和前文所用傳統(tǒng)溫壓計計算出來的結果相吻合。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，雖然溫度超過了800℃，但石榴石的環(huán)帶保留相對較好，這可能是巖石的快速抬升使石榴石沒有足夠的時間達到化學再平衡，因而才保存了初始生長環(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 氧逸度計算

氧逸度f(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+的遷移能夠反應變質(zhì)流體或成礦流體的氧逸度，而運用磁鐵礦-鈦鐵礦礦物對作為溫度計、氧逸度計的研究已經(jīng)比較成熟，如Anderson、Carmichae、Lindsley、Spencer、Stormer Jr等人提出或改進的磁鐵礦-鈦鐵礦礦物對氧逸度計算方法。

論文對此麻粒巖中的磁鐵礦-鈦鐵礦共生組合進行電子探針分析，運用(Lepage, L.D., 2003)制作的Excel表格進行溫度、氧逸度的計算[12]。結果顯示，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緩沖線以上，HM緩沖線以下，僅有兩個點落在HM緩沖線以上。因為樣品的氧逸度-溫度點分布較亂，沒有規(guī)則，于是求出平均值。如圖6，黑色方塊落在NNO緩沖線上，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軌跡及大地構造意義

根據(jù)巖相學的分期和傳統(tǒng)溫壓計的計算，得到了該區(qū)麻粒巖順時針P-T變質(zhì)軌跡(圖7)，與所恢復的P-T軌跡相同[3]。從峰前進變質(zhì)階段(M1)到峰期高壓麻粒巖相階段(M2)經(jīng)歷了升溫升壓的過程，說明巖石從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)的斜長石環(huán)繞石榴石的“白眼圈”結構和(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構未達到平衡可以看出，該變質(zhì)作用是一個快速的地質(zhì)作用，高壓麻粒巖在地殼折返中快速抬升。

翟明國(1992)、郭敬輝(1993)等[1-2]認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。趙國春(2002)認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古大洋分開，～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，隨后地殼又因為均衡作用或其他作用機制發(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構。最后，基底巖石繼續(xù)抬升發(fā)生退變質(zhì)作用[16]。

8 結 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峰前進變質(zhì)階段(M1)，標志性礦物是石榴石+被石榴石包裹的單斜輝石+斜長石+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+斜長石。③峰后中壓麻粒巖相(M3)，礦物組合為斜長石+斜方輝石。

(2)運用傳統(tǒng)的地質(zhì)溫壓計得出三個變質(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軌跡為順時針型，具有峰后近等溫減壓的特點，與碰撞造山的地質(zhì)背景相對應。

(3)通過對估算的氧逸度結果進行投圖，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石的電子探針成分表(wt%)Table 4 Orthopyroxene component of high-pressure granulites in Xuanhua region