基金项目: 本文受国家根底查询方案项目和国家自然科学基金(40821002、41172055) 联合赞助榜首作者简介: 钱加慧, 男, 1987年生, 硕士生, 岩石学专业, E-mail:: 山西恒山区域的巨晶状直闪石岩由石榴石、直闪石、蓝晶石、十字石、堇青石、石英、金红石、钛铁矿和少量斜长石和一般角闪石组成, 岩石SiO含量相似于中-基性岩, 但比后者更富镁铁而贫钙和碱。岩石可分为Ⅰ、Ⅱ两种类型：Ⅰ类直闪石岩含有石榴石变斑晶, 并相对低镁、钛和碱, 而含有较高铝、铁, 其高场强和稀土元素特征相似于岛弧玄武岩, 岩石的(Nd)=2.39~2.60Ga, Nd同位素特征与五台杂岩中的基性蜕变岩共同。Ⅱ类直闪石岩富含直闪石, 一般不呈现石榴石, 相对高镁、钛和碱, 而含有较低铝和铁, 高场强和稀土元素特征相似于大洋中脊拉斑玄武岩。岩相学和地球化学比照标明, 本区直闪石岩的原岩是由与五台杂岩蜕变基性岩相似的火山岩饱尝海水热液蚀变的产品, 这种水热蚀变引起基性岩中钙、碱丢掉和镁(铁) 富集, 并或许构成许多绿泥石等富水矿藏。直闪石岩的现有矿藏组合是阅历高压角闪岩相蜕变和接续的等温降压效果构成的, 其间巨晶结构是因为这种极富流体岩石在峰期之前的行进蜕变进程中许多脱水所构成的, 与这种许多脱水随同的蜕变分异效果导致了直闪石岩成分的进一步改造。Genesis of the megacryst orthoamphibole rock from Hengshan Mts, Shanxi Province: Evidence from geochemistry and Sm-Nd isotopic data1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, Ministry of Education, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;

　　山西恒山南部刘家沟-碾子沟-洪塘一带基性蜕变岩中, 广泛散布呈透镜状或似层状产出的巨晶状直闪石岩, 前人对其成因提出了多种知道：80年代初期晋北铁矿地质研讨队以为直闪石岩为一种超基性岩；王凯怡等(1996)以为其原岩为深海泥质岩；徐少康等(2002,2008) 以为直闪石岩是由早前寒武纪的蜕变基性岩在中生代遭到近地表高温热液的告知(直闪石化) 构成的；陆松年等(2003)将其原岩归为镁铁质侵入体或火山岩；庞尔成等(2010)则估测其原岩为MORB。这些知道均不同于国外学者对直闪石岩的成因了解。因而, 有必要对恒山直闪石岩进行系统的岩相学、岩石地球化学和同位素剖析, 阐明它们的岩石学特征及与国外同类岩石的异同, 以期取得更为合理的岩石成因方式。

　　恒山-五台-阜平区域坐落华北克拉通中部造山带的中段, 区内出露阜平杂岩、恒山杂岩、五台杂岩和滹沱群4个岩石-结构单元(图 1a), 是晚太古代-早元古代弧盆系统的典型代表(Zhaoet al., 2007)。

　　恒山和阜平杂岩主要由TTG片麻岩、基性高压麻粒岩、角闪岩及表壳岩组成。TTG片麻岩的锆石SHRIMP U-Pb定年标明其侵位年纪为2525~2475Ma (Guanet al., 2002；Zhaoet al., 2002；Kröneret al., 2005), 其间包裹的少量锆石年纪约2.7Ga的捕掳体岩石则指示了陈旧大陆物质的参加(Guanet al., 2002；Kröneret al., 2005)。五台杂岩主要由花岗质岩石、初级到中级蜕变的火山岩和堆积岩组成。锆石SHRIMP年代学剖析标明大大都花岗质岩石侵坐落2566~2517Ma, 蜕变火山岩原岩构成于2530~2515Ma (Wildeet al., 1997,2004a,2005), 蜕变堆积岩物源组成杂乱, 构成于弧前或弧间盆地, 堆积年代为~2500Ma (Liet al., 2008)。滹沱群出露于五台杂岩西南部, 由未蜕变到浅蜕变堆积岩及少量火山岩组成。Wildeet al.(2004b)曾对滹沱群中的长英质凝灰岩进行锆石SHRIMP年代学剖析, 得到的两组207Pb/206Pb年纪分别为2180Ma和2087Ma；杜利林等(2010,2011) 结合滹沱群底部四集庄组浅蜕变砂岩碎屑锆石中最年青的2134Ma年纪和四集庄组玄武安山岩2140Ma的年纪, 将滹沱群的初始堆积年代定为早元古代中期。

　　在五台杂岩北部的北金刚库组中发育巨晶状直闪石岩, 以透镜状或似层状出露于北金刚库组角闪岩中, 透镜体或似层状体一般几十米到上百米宽, 数百米长, 长轴与区域片麻理共同, 呈北西向展布(图 1b)。巨晶状直闪石岩本身组成常不均匀, 存在米级标准的石榴石部分富集和缺失现象。庞尔成等(2010)对洪塘金红石矿区中的直闪石岩进行了锆石SHRIMP年代学研讨, 得到其原岩年代为~2530Ma, 蜕变年纪为~1900Ma。

　　本文研讨的样品选自代县碾子沟-刘家沟-洪塘一带(图 1b), 岩石呈块状或片状结构, 微观上具有令人惊叹的巨晶结构, 依据矿藏组合中石榴石的呈现与否分为两类：Ⅰ类直闪石岩含有石榴石, 斑状变晶结构, 石榴石变斑晶常达3~5cm, 直闪石以深蓝色或黑色长柱状晶形散布, 延伸可达~3cm (图 2), 在巨大的变斑晶之间呈现由直闪石、蓝晶石、十字石、堇青石、石英、金红石和钛铁矿等组成的基质, 斜长石和一般角闪石仅见于单个样品中, 堇青石常以冠状边方式散布在石榴石、蓝晶石或十字石与直闪石触摸的边际(图 2c,d), 详细矿藏组成见表 1, 前人报导的恒山直闪石岩多具本类特征(王凯怡等, 1996；董月田等, 2002；陆松年等, 2003)；Ⅱ类直闪石岩不含石榴石, 纤维柱状变晶结构, 矿藏粒度也可达1cm左右, 主要由定向较好的直闪石组成, 含量50%~90%, 其次为蓝晶石、一般角闪石、斜长石和金红石, 少量绿泥石和钛铁矿等(庞尔成等, 2010)。为了可以更好的确保岩石化学成分剖析的可靠性, 在样品收集时特别挑选正在进行石材挖掘、矿藏成分均匀的新鲜露头, 用于无污染破坏的单件样品超越10kg。

　　样品的主量元素剖析在中国地质大学(北京) 地质进程与矿产资源国家要点试验室使用ICP-AES法测验, 测验精度为1%~3%。样品的微量元素(稀土元素) 剖析在北京大学造山带和地壳演化教育部要点试验室使用ICP-MS法进行, 详细方法拜见Liuet al.(2004), 标样GSR-3和GSR-15被用来检测剖析成果, 其剖析成果与给定参考值共同, 测验精度为2%~12%。样品的Nd同位素在天津地质矿产研讨所同位素试验室剖析, 测验仪器为美国THERMO FISHER公司出产的Triton型同位素质谱仪,146Nd/147Nd的比值使用146Nd/144Nd=0.7219进行标准化。

　　比较于五台北金刚库组基性蜕变岩, 本区直闪石岩整体显现贫钙碱而富镁铁的特色, 相似于国外报导的直闪石岩主量元素特征(Wolter and Seifert, 1984；Peck and Smith, 2005；Hinchey and Carr, 2007),Lentz (1999)称这一现象为基性岩受海水热液蚀变时的“钙质溶离和镁铁质富集”进程, 并且从图 3还可看出岩石钙碱溶离以钙质丢掉为主, 镁铁富集则以镁的升高为主。考虑到中基性火山岩中的钙在海底热液蚀变进程中有着十分显着贫化特征(Lentz, 1999), 咱们做了钙和其它相关元素之间的协变图(图 4)。整体上, 直闪石岩中除了镁相对钙呈线性负相关散布外, 碱与铁均为离散散布, 阐明随同钙的丢掉会呈现镁的富集, 并不必定随同碱的贫化和铁的富集。

　　图 5为两类直闪石岩的微量元素蛛网图。其间, Ⅰ类直闪石岩大离子亲石元素如Rb、Ba、U等含量较低, 但改变规模较大(表 2、图 5a), 标明这些具较强活动性的元素产生了显着的亏本, Sr的亏本尤为显着。高场强元素Nb=3.37×10-6~14.6×10-6, Zr=49.2×10-6~124×10-6, 单个达238×10-6, Y=6.56×10-6~49.0×10-6, Ti=3080×10-6~7339×10-6, 单个达12027×10-6, 均具有细微负异常, Ti的负异常尤为显着, Zr/Y=2.06~11.86, 大都小于5。Ⅰ类直闪石岩的上述高场强元素特征显着差异于OIB或N-MORB, 而与五台IAB型基性蜕变岩相似, 显现岛弧玄武岩性质(Pearce, 1982；夏林圻等, 2007)。Ⅱ类直闪石岩相同显现Rb、Ba、U等大离子亲石元素的不稳定性及显着的Sr负异常(表 2、图 5b), Nb、Ta、Sm、Yb等高场强元素根本不显现分异,庞尔成等(2010)以为其具有MORB特征。但Ⅱ类直闪石岩中存在Ti、Zr、Hf和Y细微亏本及Zr/Y小于5等岛弧玄武岩具有的信息, 加之样品间的微量元素规模较大, 只要少量样品的微量元素配分挨近MORB型基性蜕变岩(Sun and McDonough, 1989；Wanget al., 2004), 因而不扫除Ⅱ类直闪石岩的这种MORB型微量元素特征是后期蜕变流体影响下的“假象”。

　　图 7为使用不活动元素所做的原岩类型和结构环境判别图。在SiO2-Zr/TiO2图中(图 7a), 一切直闪石岩均落入亚碱性玄武岩到安山岩区, 与五台基性蜕变岩共同。在Zr-Nb-Y图解中(图 7b), Ⅰ类直闪石岩根本落入VAB区域, 与五台IAB型基性蜕变岩相似, 估测两者的原岩存在成因联络；Ⅱ类直闪石岩较涣散, 落入板内拉斑玄武岩或MORB区, 估测或许与该类直闪石岩较大的微量元素改变规模有关。

　　本文对Ⅰ类直闪石岩进行了Nd同位素剖析, 数据见表 3。147Sm/144Nd比值依据岩石微量元素组成按百分比核算所得,143Nd/144Nd比值为实测值。从表中可见,143Nd/144Nd比值为0.511361~0.511894,tDM(Nd)=2.39~2.60Ga, 在核算样品εNd(t) 时用2.53Ga的直闪石岩原岩年纪代入。图 8是样品εNd(t)-年纪方式图,εNd(t)=3.7~6.1, 与恒山、五台和阜平区域侵位年代为2.5Ga左右的基性蜕变岩具有共同的Nd同位素特征, 几者的Nd方式年纪也十分挨近(tDM(Nd)：阜平基性蜕变岩2.35~2.59Ga,Liuet al., 2000；恒山基性蜕变岩2.58~2.68Ga,田永清等, 1992；五台基性蜕变岩2.49~2.67Ga,田永清等, 1992；Sunet al., 1992), 标明它们从亏本地幔中分离出来的年代相同, 进一步确立了直闪石岩与区域基性蜕变岩的成因联络。与五台变泥质岩比较, 五台变泥质岩具更老的亏本地幔Nd方式年纪(tDM=2.70~2.84Ga), 代表了不同的物质来历。

　　恒山巨晶状直闪石岩的成因评论十分重视。前期曾把这些巨晶岩石当成超基性岩, 这与其SiO2含量显着不符。游振东等(1990)在研讨大别直闪石岩时曾以为其原岩为泥质岩,王凯怡等(1996)进一步依据岩石中较高的MgO/CaO和Al2O3/(Na2O+K2O) 比值, 估测其具有深海堆积物的性质, 在图 3中二者的确不易区别。但深海粘土常有着十分显着的Ce负异常(图 6a), ΣREE常大于280×10-6, (La/Yb)N7(王中刚等, 1989；沈华悌, 1990), 明显不同于直闪石岩类。此外, 与本区直闪石岩呈互层状产出的五台变泥质岩成分上高硅碱而贫镁铁, 属岛弧边际堆积(Liet al., 2008), 并且其Nd同位素特征也与Ⅰ类直闪石岩不同(图 8)。因而, 本区直闪石岩原岩不会是泥质岩或深海堆积物。徐少康等(2002,2008) 提出的近地表高温热液蚀变(直闪石化) 模型, 无法解说与直闪石共生的蓝晶石、十字石、石榴石和金红石等中高压矿藏的存在。陆松年等(2003)以为直闪石岩的原岩为某种镁铁质侵入体或火山岩, 但自然界并不存在这种富镁铁而贫钙碱的中基性岩浆。

　　本区Ⅰ型直闪石岩与国外典型直闪石岩十分相似(图 3、图 4)。国外学者经过系统的岩石地球化学研讨和试验模仿以为这类岩石的特别成分是因为海底中基性火山岩遭到热液蚀变的成果, 海水热液告知所引起的改变会集在某几种元素(如Ca、Mg及其它易受流体改造的元素) 而对其他元素影响较小(Smithet al., 1992), 尤其在稀土元素、高场强元素和相关同位素方面, 与其外围的蜕变火山岩具有较强的可比性(Peck and Valley, 2000；Hinchey and Carr, 2007)。本区Ⅰ类直闪石岩的高场强及稀土元素特征相似于岛弧玄武岩, 与五台杂岩中的IAB型基性蜕变岩挨近, Nd同位素特征也与五台杂岩中的基性蜕变岩共同。因而, 咱们咱们都以为恒山Ⅰ类直闪石岩的原岩是与五台杂岩中IAB型基性蜕变岩相似的中基性火山岩遭受海水热液蚀变的产品。直闪石岩的原岩阅历海水热液蚀变的另一佐证是直闪石岩与火山成因块状硫化物矿床(VMS) 共生(Bachinski, 1978), 五台杂岩中呈现晚太古代硫铁矿床,牛向龙等(2009)提出这种硫铁矿系为黑烟囱方式的海底喷流成因。

　　值得注意的是本区Ⅰ类直闪石岩中, 少量富CaO样品(W1029和W1027) 的稀土总量较高, 而大大都贫CaO的样品稀土总量较低。假如CaO含量指示海水蚀变程度的话, 那么这种蚀变效果或许也引起了稀土总量的下降。有许多学者研讨之后发现受海水热液蚀变会导致中基性岩丢掉钙而取得镁和水, 可构成绿泥石, 但不必定随同碱的丢掉(Humphris and Thompson, 1978；Smithet al., 1992；Villiers, 1998；Peak and Smith, 2005),图 4也标明直闪石岩中只要MgO与CaO负相关, 其他元素均离散散布。因而, 咱们不扫除部分直闪石岩的贫碱特征与蜕变脱水效果有关。

　　可是, 上述模型不能解说Ⅱ类直闪石岩低铝高钛和高镁的成分特征,庞尔成等(2010)以为其原岩为洋中脊玄武岩, 但这只是在高场强和稀土元素上有些相似, 并没有解说其呈现极点常量元素成分特征的原因。Ⅱ类直闪石岩在矿藏组成上富含直闪石和金红石, 更或许与蜕变分异效果有关。

　　恒山直闪石岩发育令人惊叹的巨晶结构, 阐明其构成进程中随同许多流体或蒸发分存在。咱们对Ⅰ类直闪石岩进行开始相平衡模仿标明：其峰期蜕变条件为1.1~1.4GPa和~650℃, 为高压角闪岩相, 所构成的特征矿藏组合为石榴石+直闪石+蓝晶石+金红石+石英±十字石, 峰期后产生等温减压效果构成堇青石和钛铁矿；许多流体的发育系为峰期蜕变之前绿泥石的递进脱水所构成的。随同许多流体分出, 不只会导致某些元素如碱金属的带出, 进一步引起直闪石岩的低碱特征, 并且产生了蜕变分异效果, 构成直闪石和金红石的部分富集, 构成Ⅱ型直闪石岩或金红石矿的矿石。因而, Ⅱ类直闪石岩的极点全岩成分和MORB型的地球化学特征或许是蜕变分异进一步影响的成果, 并不阐明其原岩便是洋中脊玄武岩。Ⅱ类直闪石岩相对富碱, 也是流体参加蜕变分异并相对富集的成果。

　　Wanget al.(2004)以五台杂岩中一起存在的MORB-IAB-埃达克岩组合为标志, 以为本区在晚太古代属典型的弧盆系统。因而, 咱们估测直闪石岩原岩的海水热液蚀变产生在相似于弧后盆地的边际有限洋盆中。这一推论契合五台杂岩中与直闪石岩互层的蜕变堆积物特征, 即主要为陆(弧) 源碎屑堆积(Liet al., 2008), 短少典型深海堆积。