冀西北姚家庄超镁铁岩-正长岩杂岩体中辉石的环带特征及意义

引用本文

刘鑫, 汤艳杰. 2018. 冀西北姚家庄超镁铁岩-正长岩杂岩体中辉石的环带特征及意义. 岩石学报, 34(11): 3315-3326

Liu X and Tang YJ. 2018. The characteristics and implication of the zonation in clinopyroxene phenocrysts from the Yaojiazhuang ultramafic-syenitic complex, northwestern Hebei Province. Acta Petrologica Sinica, 34(11): 3315-3326(in Chinese with English abstract)

冀西北姚家庄超镁铁岩-正长岩杂岩体中辉石的环带特征及意义

刘鑫^1,2 , 汤艳杰¹

1. 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049

2018-02-02 收稿; 2018-05-05 改回.

基金项目: 本文受国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项（2016YFC0600109）和国家自然科学基金项目（41725014）联合资助

第一作者简介: 刘鑫, 男, 1992年生, 硕士, 地球化学专业, E-mail:liuxin315@mails.ucas.ac.cn

通讯作者: 汤艳杰, 男, 1973年生, 研究员, 岩石地球化学专业, E-mail:tangyanjie@mail.igcas.ac.cn

摘要：冀西北姚家庄存在一套晚三叠世的超镁铁岩-正长岩杂岩体，岩体内发育具有环带特征的单斜辉石。辉石的环带有两种：简单环带和复杂环带。简单环带一般为正环带，辉石核部的MgO和Cr₂O₃含量高，SiO₂、FeO和Na₂O含量低；边部的主要氧化物含量与核部刚好相反。简单正环带可以分为两类，其中核边接触带平滑、由核到边化学成分具有渐变特征的正环带辉石可能是岩浆在分离结晶或地壳混染过程中形成。而核边接触带有熔蚀结构、由核到边化学成分突变的正环带辉石可能是早期结晶的辉石颗粒受到晚期低镁岩浆的溶蚀改造而成的。复杂环带具有核-幔-边结构，其中，核部低镁高铁、幔部高镁低铁、边部与核部相似，但其Mg^#更低，这些特征暗示了岩浆混合作用的存在，形成辉石核部的母岩浆可能来自富集的岩石圈地幔，幔部高Mg^#的特征指示了软流圈地幔物质的贡献，其边部低Mg^#的特征则指示了地壳物质的加入。具有韵律环带的复杂辉石是在岩浆多期侵入的过程中形成的。辉石环带的组成特征表明，姚家庄杂岩体是由岩浆多期侵位形成的，后期侵入的岩浆与前期就位的岩浆不断反应，形成了具有多种不同环带特征的辉石，并最终形成了空间上由外到内依次为辉石岩、辉石正长岩和正长岩的环状杂岩体。结合前人的研究成果，推测形成姚家庄岩体的岩浆主要来源于富集的岩石圈地幔，并由少量地壳组分和软流圈物质的贡献。

关键词: 冀西北晚三叠世成分环带单斜辉石岩浆混合

The characteristics and implication of the zonation in clinopyroxene phenocrysts from the Yaojiazhuang ultramafic-syenitic complex, northwestern Hebei Province

LIU Xin^1,2, TANG YanJie¹

1. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract: Ultramafic-syenitic complex in the Yaojiazhuang, northwestern Hebei Province, contains abundant clinopyroxene phenocrysts with compositional zonations, which can be divided into two kind of patterns:simple zoning and complex zoning. All the simple zonings are in normal pattern. The cores of the grains show high contents of the Al₂O₃, FeO, Na₂O and low contents of MgO and Cr₂O₃, while the rims of zonation are opposite to the cores. Two different kind of simple zonations are recognized. The chemical composition of some clinopyroxene phenocrysts changed gradually from the core to the rim of grains, which could be crystallized from the host magma of varying compositions caused by the assimilation of crustal materials or crystal fractionation. Whereas, other phenocrysts show compositional variation in an abrupt change from core to rim of grains with corrosion texture, possibly caused by the modification of early-crystallized clinopyroxenes by later magmas. The clinopyroxene phenocrysts with complex zoning have core-mantle-rim texture. The core of zonation is relatively low in Mg^#, but high in FeO content, while the mantle of zonation is clearly high in Mg^# and low in FeO content. The rim of zonation is lower in Mg^# values than the core. These observations indicate the mixing of different magmas. The core of zonation could crystallize from the host magma derived from metasomatized lithospheric mantle. The high-Mg^# mantle of zonation indicates the contribution of the asthenospheric melt, and the low-Mg^# rim of clinopyroxene phenocrysts could be resulted from the addition of crustal materials. In conclusion, the zonations of clinopyroxene phenocrysts suggest that the Yaojiazhuang complex could be formed by multiple stage magmatic intrusion. The later magmas continuously intruded and reacted with the former host magma. As a result, abundant clinopyroxene phenocrysts with compositional zonations formed, and the pyroxenite, pyroxenite-syenite, and syenite occurred in sequence. Combined with the previous studies, the parent magma of Yaojiazhuang complex could originate from the enriched lithospheric mantle, with minor contributions of asthenosphere and crustal materials.

Key words: Northwestern Hebei Province Late Triassic Compositional zonation Clinopyroxene Magma mixing

华北克拉通北缘分布着许多三叠纪的碱性侵入岩体，它们西起内蒙古包头，东到吉林省中部，主要分布在北纬40°~42°之间，构成了一条近东西向，长达1500余千米的富碱侵入岩带(张招崇和王永强, 1997; Zhang, 1999; 阎国翰等, 2000; Xiao et al., 2003; 韩宝福等, 2004; 任康绪等, 2004; 张拴宏等, 2010; Ying et al., 2011; Yang et al., 2012; Zhang et al., 2012; 陈斌等, 2013; 汤艳杰等, 2014; 牛晓露等, 2015; Zhu et al., 2016)。姚家庄岩体是华北克拉通北缘晚三叠世碱性岩带中的代表性岩体之一。它是由辉石岩、辉石正长岩以及伟晶正长岩组成的环状超镁铁岩-正长岩杂岩体。前人已对岩体中伟晶正长岩内发育的锆石进行了U-Pb定年(209.5±2.1Ma)，对全岩进行了矿物学、主微量元素地球化学以及Sr-Nd同位素分析(Zhang, 1999; 陈斌等, 2013)，揭示了姚家庄岩体起源于富集地幔，侵位过程中有少量地壳物质的混染，但是对岩浆作用过程，以及三种岩体为何呈环状展布等科学问题尚需开展进一步的研究。

我们在前期的工作中发现，姚家庄岩体辉石正长岩中的辉石普遍发育环带现象。由于岩浆演化过程中自身的分异、同化混染以及岩浆混合都会对岩浆的成分造成影响，而这些地质过程都会在辉石的成分环带中得到体现(Nisbet and Pearce, 1977; Dobosi, 1989; 邵济安等, 2005; Zhang et al., 2007; Huang et al., 2010)。因此，本文对姚家庄超基性岩-正长岩杂岩体中辉石的成分环带及其成因进行研究，并探讨姚家庄杂岩体所经历的岩浆作用过程，为进一步认识超镁铁岩-正长岩杂岩体的成因机制提供新的依据。

1 野外产状及镜下矿物特征 1.1 野外产状

姚家庄超基性岩-正长岩杂岩体位于河北省张家口市阳原县东北38km处。岩体在平面上呈不规则的椭圆形，东西长约1.8km，南北宽约1.3km，主要由三大类岩石组成：超镁铁岩(单斜辉石岩、黑云母单斜辉石岩等)、辉石正长岩和伟晶正长岩。伟晶正长岩位于岩体中心，岩体中间为辉石正长岩，最外围是以辉石岩为主的超镁铁岩。从三类岩石的空间接触关系和矿物组成可以看出，姚家庄杂岩体三类岩石的形成顺序为从辉石岩到辉石正长岩再到正长岩(图 1)。

图 1 华北克拉通北缘碱性岩体分布简图(a, 据阎国翰等, 2000)和姚家庄超镁铁岩-正长岩杂岩体地质图(b, 据陈斌等, 2013) Fig. 1 Schematic map showing the distribution of alkaline rocks along the northern margin of North China Craton (a, modified after Yan et al., 2000) and geological map of the Yaojiazhuang ultramafic-syenite complex (b, modified after Chen et al., 2013)

1.2 镜下矿物特征

对姚家庄杂岩体中三类不同岩石的薄片，在正交偏光及单偏光镜下进行观察(图 2)，伟晶正长岩的主要组成矿物为自形的正长石(＞90%)，少量的黑云母和单斜辉石。辉石颗粒未发现明显的环带。

图 2 姚家庄杂岩体中三类岩石的显微照片 Cpx-单斜辉石；Or-正长石；Bi-黑云母；Ap-磷灰石 Fig. 2 Mircoscope images of the rocks in the Yaojiazhuang complex

辉石正长岩中的主要组成矿物为正长石和辉石，其中正长石约占50%~65%，辉石含量在30%左右，还有少量的黑云母、角闪石以及磷灰石等。许多辉石颗粒都发育有明显的环带特征，有的具有简单的环带，有的具有复杂环带。

超镁铁岩(单斜辉石岩、黑云母单斜辉石岩等)分布在岩体的外带，主要由中粗粒单斜辉石(35%~75%)、黑云母(6%~30%)、磷灰石(3%~15%)、磁铁矿(3%~15%)组成，正长石充填于隙间，有明显的堆晶结构。它的辉石颗粒与辉石正长岩中的辉石颗粒相似，也发育明显的环带特征，既有简单的环带，也有复杂环带，还发现具有韵律环带的辉石。

2 辉石环带的主量元素特征

对镜下发现的辉石岩和辉石正长岩中具有环带结构的辉石做出标记，然后进行电子探针分析，来确定不同环带之间主量元素的差异。样品16YJZ03和16YJZ05的岩性为辉石正长岩，样品16YJZ07为辉石岩。首先通过背散射图像对显微镜下标定的具有环带特征的辉石进行观察，然后选出样品16YJZ03中的两颗简单环带辉石、16YJZ05中的一颗复杂环带辉石，以及16YJZ07中的一颗韵律环带辉石进行电子探针分析。

单斜辉石矿物成分是在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针与扫描电镜实验室利用JXA-8100型电子探针进行分析。加速电压15kV，电子束流2×10^-8A，电子束径1μm，元素峰位的分析时间为10s，ZAF校正，分析误差小于1%。

背散射图像显示正环带结构的辉石核部宽且颜色深，边部窄且颜色浅(图 3)，而复杂环带结构的辉石具有颜色深浅相间的韵律性特征(图 4)。我们选择环带现象较好的辉石颗粒进行电子探针分析。

图 3 简单环带辉石的BSE图像 Fig. 3 BSE images of the simply zoned clinopyroxenes

图 4 复杂环带辉石的BSE图像 Fig. 4 BSE images of the complexly zoned clinopyroxenes

2.1 简单环带辉石

简单环带基本上都为正环带，其特征如下：

(1) 在背散射(BSE)图像中，可以清楚地发现正环带辉石具有核部宽颜色深，边部窄颜色浅的特征。有些辉石颜色较深的核部边缘比较平滑(图 3b)，也有一部分辉石颜色较深的核部具有被熔蚀的港湾状边缘(图 3a, c, d)。

(2) 电子探针数据(表 1)显示，具有简单环带的辉石16YJZ03-02，核部富镁(15.39%~17.50%)、贫铁(3.68%~5.26%)，Mg^#(84~89)、Cr₂O₃(0.31%~0.54%)高，Na₂O(0.28%~0.86%)、Al₂O₃(1.26%~2.86%)和TiO₂(0.23%~0.58%)含量低；边部相对富铁(8.21%~11.26%)、贫镁(10.27%~13.05%)，Mg^#(64~73)、Cr₂O₃(0%~0.99%)较低，Na₂O(1.31%~2.30%)、Al₂O₃(3.35%~5.24%)、TiO₂(0.41%~0.70%)含量较高。辉石16YJZ03-03也表现出相同的变化趋势，核部到边部Mg^#、MgO、Cr₂O₃呈逐渐降低的趋势，而FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃呈逐渐升高的趋势。但是与16YJZ03-02相比，辉石16YJZ03-03不论是边部还是核部，它的MgO、Cr₂O₃都要低一些，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃则要高一些，说明它们可能形成于不同的岩浆，也可能形成于同一岩浆，但16YJZ03-02结晶更早，从而具有较高的MgO含量。

表 1 简单环带辉石的电子探针数据(wt%) Table 1 Electron microprobe data of the clinopyroxenes with simple zonation (wt%)

测点号	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Cr₂O₃	FeO	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	NiO	Total	Mg^#	Wo	En	Fs
16YJZ03-02-1	50.13	0.66	4.15	0.03	9.59	0.37	11.75	22.17	1.61	0.10	0.00	100.6	68.6	47.9	35.3	16.8
-2	48.90	0.70	4.14	0.05	10.13	0.32	11.91	20.43	1.40	0.04	0.02	98.1	67.7	45.2	36.7	18.1
-3	50.58	0.49	3.56	0.00	9.08	0.36	12.37	22.43	1.35	0.00	0.00	100.2	70.8	47.7	36.6	15.7
-4	51.56	0.47	3.35	0.02	8.21	0.34	13.06	22.65	1.30	0.00	0.00	101.0	73.9	47.7	38.3	14.1
-5	52.23	0.47	2.57	0.49	5.26	0.16	15.69	23.10	0.86	0.01	0.04	100.9	84.2	47.0	44.4	8.6
-6	52.18	0.58	2.86	0.35	5.12	0.15	16.00	23.07	0.65	0.01	0.00	101.0	84.8	46.7	45.0	8.3
-7	52.73	0.30	1.86	0.65	3.91	0.12	16.77	23.53	0.50	0.00	0.03	100.4	88.4	47.1	46.7	6.3
-8	52.79	0.29	1.94	0.48	4.14	0.14	15.99	22.53	0.79	0.03	0.03	99.1	87.3	46.8	46.2	6.9
-9	52.55	0.27	1.39	0.50	3.68	0.11	17.29	23.43	0.39	0.01	0.05	99.7	89.3	46.4	47.7	5.9
-10	53.83	0.27	1.34	0.51	3.82	0.11	17.50	23.38	0.37	0.00	0.02	101.2	89.1	46.0	47.9	6.1
-11	52.67	0.24	1.26	0.47	3.97	0.13	17.21	23.10	0.33	0.00	0.02	99.4	88.5	46.0	47.7	6.4
-12	52.45	0.31	1.35	0.31	4.26	0.16	17.28	22.87	0.28	0.00	0.02	99.3	87.9	45.4	47.7	6.9
-13	52.54	0.38	2.23	0.55	4.56	0.12	16.67	22.99	0.39	0.00	0.01	100.4	86.7	46.1	46.5	7.3
-14	51.73	0.44	2.58	0.41	5.18	0.17	15.39	23.49	0.78	0.00	0.00	100.2	84.1	47.9	43.6	8.5
-15	50.92	0.67	3.63	0.05	8.06	0.31	13.31	22.51	0.97	0.01	0.04	100.5	74.6	47.3	38.9	13.8
-16	51.31	0.60	3.86	0.00	10.06	0.39	12.17	22.49	1.29	0.00	0.03	102.2	68.3	47.3	35.6	17.1
-17	50.91	0.57	3.82	0.01	10.02	0.40	11.57	22.86	1.44	0.01	0.05	101.7	67.3	48.6	34.2	17.3
-18	48.51	0.70	4.90	0.04	11.26	0.34	10.27	22.41	1.37	0.02	0.03	99.8	61.9	49.0	31.2	19.8
-19	50.00	0.49	3.91	0.02	9.43	0.33	11.64	22.12	1.44	0.06	0.01	99.5	68.8	48.2	35.3	16.6
-20	48.91	0.41	5.24	0.01	10.74	0.36	9.81	21.53	1.64	0.21	0.00	98.9	61.9	49.1	31.1	19.8
16YJZ03-03-1	49.89	0.68	5.47	0.02	10.99	0.29	10.05	21.76	1.39	0.40	0.00	100.9	62.0	48.9	31.4	19.8
-2	48.83	0.66	3.79	0.02	11.55	0.34	10.21	22.06	1.47	0.05	0.00	99.0	61.2	48.4	31.2	20.4
-3	49.86	0.70	3.56	0.01	12.00	0.36	10.20	22.41	1.44	0.05	0.00	100.6	60.2	48.5	30.7	20.9
-4	48.77	0.67	4.35	0.04	11.39	0.35	9.79	21.02	1.58	0.28	0.01	98.3	60.5	48.0	31.1	20.9
-5	49.19	0.72	3.68	0.06	11.82	0.36	10.74	21.98	1.38	0.04	0.00	100.0	61.8	47.3	32.2	20.5
-6	52.94	0.45	2.04	0.26	5.79	0.14	15.86	23.13	0.44	0.02	0.00	101.1	83.0	46.4	44.3	9.3
-7	52.30	0.42	1.93	0.24	5.42	0.14	16.15	23.15	0.41	0.02	0.00	100.2	84.2	46.3	45.0	8.7
-8	52.21	0.50	1.96	0.25	5.50	0.16	16.09	23.14	0.43	0.01	0.00	100.2	83.9	46.3	44.8	8.8
-9	50.95	0.56	2.51	0.14	6.11	0.19	15.14	22.93	0.54	0.01	0.02	99.1	81.5	46.9	43.1	10.1
-10	50.39	0.71	2.99	0.04	6.69	0.19	14.61	23.11	0.59	0.01	0.04	99.4	79.6	47.4	41.6	11.0
-11	52.93	0.47	2.13	0.30	5.28	0.12	15.94	23.49	0.46	0.01	0.00	101.1	84.3	47.1	44.5	8.5
-12	49.95	0.74	3.51	0.03	7.51	0.25	13.90	23.09	0.67	0.02	0.03	99.7	76.7	47.6	39.9	12.5
-13	49.12	0.49	4.19	0.02	11.68	0.34	10.10	22.38	1.48	0.02	0.03	99.8	60.7	48.9	30.7	20.5
-14	49.33	0.45	4.18	0.02	11.59	0.32	10.29	22.46	1.34	0.01	0.00	100.0	61.3	48.8	31.1	20.2
-15	49.25	0.45	4.26	0.03	11.85	0.35	10.18	22.20	1.40	0.03	0.00	100.0	60.5	48.4	30.9	20.8
-16	48.96	0.35	4.13	0.02	12.03	0.33	9.92	21.75	1.47	0.09	0.00	99.1	59.5	48.1	30.5	21.4
-17	42.44	0.57	4.17	0.04	14.02	0.37	8.23	17.71	1.91	0.83	0.04	90.3	51.1	43.8	28.4	27.8

表 1 简单环带辉石的电子探针数据(wt%) Table 1 Electron microprobe data of the clinopyroxenes with simple zonation (wt%)

综合对比辉石的主量元素和BSE图像发现核部边缘平滑的辉石，化学成分由核到边是渐变的，如16YJZ03-02(图 3b、图 5)。核部边缘呈港湾状的辉石，化学成分由核到边是突变的，如16YJZ03-01(图 3a)和16YJZ03-03(图 3c、图 6)。

图 5 正环带辉石16YJZ03-02的电子探针剖面 Fig. 5 Electron microprobe profile of the clinopyroxene 16YJZ03-02 with normal zonation

图 6 正环带辉石16YJZ03-03的电子探针剖面 Fig. 6 Electron microprobe profile of the clinopyroxene 16YJZ03-03 with normal zonation

2.2 复杂环带辉石

除了上述正环带辉石之外，还发现具有复杂环带特征的辉石，有些还呈韵律性。它们的电子探针数据见表 2，综合BSE图像，得到以下特征。

表 2 复杂环带辉石的电子探针数据(wt%) Table 2 Electron microprobe data of the complexly zoned clinopyroxenes (wt%)

测点号	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Cr₂O₃	FeO	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	NiO	Total	Mg^#	Wo	En	Fs
16YJZ05-02-1	49.05	0.75	5.78	0.02	10.91	0.33	9.71	21.13	1.25	0.52	0.00	99.4	70.5	48.7	31.1	20.2
-2	49.02	0.73	5.75	0.04	11.08	0.37	10.02	21.46	1.21	0.23	0.00	99.9	71.2	48.4	31.4	20.2
-3	48.20	0.75	5.82	0.02	11.50	0.34	9.99	21.80	1.33	0.12	0.01	99.9	75.7	48.5	30.9	20.6
-4	48.36	0.70	5.65	0.00	11.47	0.38	9.99	21.88	1.22	0.08	0.03	99.8	73.9	48.6	30.9	20.5
-5	48.63	0.72	5.40	0.01	11.45	0.38	10.02	22.03	1.22	0.03	0.03	99.9	73.2	48.7	30.8	20.4
-6	49.04	0.74	4.23	0.02	12.63	0.35	9.66	21.56	1.51	0.02	0.01	99.8	70.9	47.8	29.8	22.5
-7	48.13	0.97	5.28	0.02	12.43	0.37	9.52	21.77	1.45	0.02	0.00	99.9	72.6	48.4	29.4	22.2
-8	48.22	0.86	5.19	0.00	12.01	0.37	9.61	21.75	1.31	0.02	0.03	99.4	71.3	48.6	29.9	21.6
-9	48.25	0.94	5.08	0.04	11.90	0.33	9.83	21.90	1.30	0.02	0.00	99.6	72.9	48.5	30.3	21.2
-10	52.94	0.38	2.03	0.34	4.30	0.12	16.32	22.88	0.35	0.00	0.00	99.7	89.3	46.7	46.3	7.0
-11	52.71	0.40	2.06	0.40	4.32	0.12	16.13	23.11	0.34	0.01	0.04	99.6	89.8	47.1	45.8	7.1
-12	52.29	0.44	2.31	0.33	4.44	0.08	16.07	23.00	0.35	0.02	0.01	99.3	90.4	47.0	45.7	7.2
-13	52.78	0.35	2.03	0.50	4.11	0.11	16.24	23.08	0.39	0.01	0.01	99.6	90.7	47.1	46.1	6.7
-14	52.56	0.32	1.93	0.32	4.60	0.15	15.56	23.09	0.54	0.01	0.01	99.1	89.8	47.7	44.7	7.6
-15	50.14	0.60	3.06	0.07	6.46	0.21	13.72	22.49	0.71	0.03	0.02	97.5	87.1	48.1	40.8	11.1
-16	51.16	0.56	2.87	0.08	6.75	0.21	13.89	22.52	0.77	0.07	0.00	98.9	85.9	47.6	40.9	11.5
-17	51.66	0.50	2.94	0.03	7.15	0.24	14.47	22.23	0.71	0.01	0.00	99.9	85.5	46.2	41.8	12.0
-18	50.85	0.77	3.82	0.06	7.69	0.27	13.99	22.00	0.75	0.02	0.00	100.2	84.6	46.1	40.8	13.0
-19	50.09	0.74	3.71	0.02	7.40	0.29	13.52	21.69	1.02	0.00	0.02	98.5	87.0	46.6	40.5	12.9
-20	51.04	0.54	3.47	0.03	8.15	0.26	12.74	21.96	1.17	0.01	0.00	99.4	82.2	47.5	38.3	14.2
-21	51.62	0.54	3.01	0.05	7.33	0.28	13.75	22.34	0.99	0.02	0.01	99.9	85.6	47.1	40.4	12.5
-22	51.29	0.61	3.25	0.03	7.17	0.23	14.29	22.20	0.80	0.00	0.00	99.9	86.4	46.4	41.5	12.1
-23	50.51	0.56	3.33	0.08	7.59	0.23	13.08	22.51	0.99	0.03	0.01	98.9	85.8	48.1	38.9	13.0
-24	50.32	0.88	4.10	0.11	6.87	0.21	13.53	22.11	1.05	0.10	0.04	99.3	88.5	47.6	40.5	11.9
-25	53.15	0.35	2.04	0.36	4.45	0.14	16.18	23.06	0.50	0.04	0.01	100.3	90.9	46.9	45.8	7.3
-26	52.06	0.44	2.25	0.40	4.38	0.12	16.03	22.79	0.50	0.02	0.02	99.0	92.4	46.9	45.9	7.2
-27	52.03	0.52	2.67	0.42	4.64	0.14	16.20	22.66	0.32	0.01	0.01	99.6	90.3	46.3	46.1	7.6
-28	52.79	0.37	2.08	0.49	4.11	0.11	16.58	22.92	0.35	0.01	0.00	99.8	91.4	46.5	46.8	6.7
-29	52.53	0.40	2.08	0.37	4.73	0.13	15.88	23.10	0.43	0.01	0.00	99.6	90.0	47.2	45.1	7.7
-30	48.90	0.52	3.35	0.02	13.76	0.40	8.93	21.40	1.51	0.02	0.04	98.8	66.2	47.7	27.7	24.6
-31	47.91	0.66	4.99	0.08	12.66	0.35	9.29	21.72	1.47	0.05	0.02	99.2	72.8	48.5	28.8	22.7
-32	48.25	0.77	4.16	0.06	14.30	0.38	8.38	20.95	1.89	0.00	0.00	99.1	66.7	47.5	26.4	26.0
-33	49.48	0.49	3.16	0.03	13.10	0.39	9.27	21.45	1.66	0.02	0.00	99.0	68.8	47.8	28.7	23.5
-34	48.76	0.63	3.69	0.11	14.39	0.37	8.49	20.89	1.74	0.02	0.01	99.1	64.2	47.2	26.7	26.1
-35	49.08	0.54	3.30	0.19	14.36	0.40	8.30	20.91	1.67	0.02	0.01	98.8	61.2	47.5	26.3	26.2
-36	49.50	0.43	2.75	0.03	15.28	0.44	8.09	20.75	1.72	0.03	0.02	99.0	59.0	46.9	25.4	27.7
-37	48.70	0.58	3.50	0.03	14.77	0.40	8.19	20.73	1.69	0.15	0.00	98.7	62.2	47.2	25.9	26.9
-38	49.56	0.46	3.95	0.03	14.12	0.35	7.77	19.45	1.99	0.71	0.00	98.4	60.2	46.8	26.0	27.2
16YJZ07-01-1	50.42	0.97	3.85	0.02	8.04	0.26	13.45	21.63	1.00	0.12	0.01	99.76	85.05	46.20	39.96	13.85
-2	49.77	1.05	4.19	0.03	8.15	0.25	13.51	21.87	0.82	0.04	0.00	99.68	85.17	46.31	39.80	13.89
-3	49.75	1.20	4.74	0.05	7.51	0.20	13.13	21.82	1.08	0.00	0.04	99.51	85.57	47.33	39.63	13.05
-4	49.35	1.24	4.82	0.04	7.55	0.21	13.20	22.09	0.96	0.01	0.01	99.48	86.76	47.50	39.47	13.03
-5	49.75	1.11	4.47	0.10	7.13	0.16	13.68	22.05	0.73	0.01	0.01	99.20	85.11	47.13	40.70	12.17
-6	53.08	0.42	1.95	0.54	3.94	0.06	16.50	22.77	0.35	0.00	0.00	99.60	89.16	46.62	46.99	6.39
-7	53.25	0.40	1.77	0.55	3.83	0.11	17.07	23.02	0.25	0.02	0.01	100.29	91.69	46.18	47.64	6.18
-8	53.37	0.38	1.61	0.55	3.74	0.07	16.91	23.33	0.27	0.01	0.02	100.26	91.71	46.82	47.21	5.98
-9	53.24	0.40	1.57	0.63	3.70	0.09	16.91	23.16	0.28	0.01	0.00	99.98	91.55	46.66	47.39	5.95
-10	52.82	0.40	1.74	0.68	3.91	0.08	16.39	23.05	0.31	0.01	0.06	99.44	90.23	47.08	46.56	6.37
-11	52.19	0.52	2.51	0.03	5.51	0.13	15.49	22.85	0.38	0.01	0.00	99.60	87.11	46.83	44.15	9.02
-12	50.50	0.70	4.10	0.02	7.42	0.16	13.34	22.42	0.71	0.04	0.01	99.43	82.91	47.80	39.58	12.62
-13	52.26	0.31	3.80	0.00	6.94	0.17	13.12	22.22	1.30	0.04	0.01	100.17	83.60	48.28	39.66	12.05
-14	52.38	0.48	2.37	0.04	5.31	0.13	15.50	23.09	0.47	0.02	0.00	99.79	88.70	47.22	44.10	8.68
-15	52.22	0.46	2.01	0.24	4.96	0.13	15.91	22.78	0.39	0.00	0.00	99.09	89.37	46.60	45.28	8.12
-16	53.11	0.42	1.97	0.34	4.47	0.11	16.40	23.14	0.34	0.02	0.00	100.32	89.99	46.72	46.05	7.23
-17	52.52	0.49	2.23	0.41	4.50	0.10	16.30	22.88	0.30	0.01	0.01	99.74	89.72	46.56	46.14	7.30
-18	52.07	0.53	2.21	0.32	4.57	0.10	16.20	22.78	0.33	0.00	0.01	99.10	90.46	46.52	46.04	7.44
-19	50.00	1.01	4.39	0.09	7.31	0.19	13.85	21.95	0.78	0.02	0.00	99.59	86.05	46.64	40.92	12.44
-20	50.04	1.00	4.03	0.08	7.09	0.19	13.65	22.17	0.86	0.01	0.01	99.13	86.57	47.34	40.53	12.12
-21	52.06	0.49	2.18	0.50	4.69	0.13	15.79	22.70	0.43	0.00	0.00	98.97	89.38	46.88	45.34	7.78
-22	52.61	0.48	2.24	0.08	5.00	0.13	16.20	22.73	0.32	0.02	0.01	99.82	88.71	46.13	45.74	8.13
-23	51.70	0.61	2.95	0.03	5.62	0.10	15.18	22.99	0.50	0.03	0.00	99.70	88.99	47.33	43.48	9.20
-24	53.52	0.32	1.48	0.48	3.99	0.08	16.66	22.90	0.40	0.01	0.07	99.89	90.22	46.49	47.06	6.45
-25	53.09	0.40	1.60	0.65	3.55	0.08	16.86	23.04	0.30	0.01	0.01	99.58	91.53	46.70	47.55	5.75
-26	52.80	0.39	1.60	0.63	3.57	0.06	16.82	23.18	0.24	0.00	0.02	99.31	91.93	46.91	47.36	5.73
-27	53.14	0.39	1.66	0.64	3.71	0.09	16.80	23.08	0.26	0.00	0.00	99.76	90.63	46.70	47.29	6.00
-28	52.73	0.43	1.86	0.60	3.94	0.09	16.66	23.07	0.26	0.00	0.02	99.63	91.11	46.70	46.93	6.37
-29	52.76	0.43	1.72	0.47	4.09	0.10	16.23	23.27	0.40	0.02	0.02	99.50	91.40	47.38	45.97	6.65
-30	49.67	1.19	5.09	0.07	7.45	0.21	12.49	21.52	1.30	0.04	0.00	99.01	83.89	47.95	38.72	13.33
-31	51.09	0.45	3.18	0.04	9.08	0.39	12.26	21.91	1.14	0.01	0.00	99.55	78.86	47.27	36.78	15.96
-32	51.25	0.34	2.96	0.06	8.92	0.40	12.34	21.98	1.25	0.02	0.00	99.51	80.94	47.34	36.98	15.68
-33	50.89	0.37	3.12	0.03	9.07	0.43	12.06	21.76	1.19	0.02	0.01	98.95	78.88	47.36	36.50	16.15
-34	51.01	0.34	3.13	0.04	9.13	0.41	11.96	21.63	1.25	0.06	0.00	98.96	78.38	47.30	36.40	16.30

表 2 复杂环带辉石的电子探针数据(wt%) Table 2 Electron microprobe data of the complexly zoned clinopyroxenes (wt%)

样品16YJZ05-02辉石具有核-幔-边环带结构，从核部、幔部、到边部，成分具有突变的特征(图 7)。核部的Mg^#(82~88)和Cr₂O₃较低，Na₂O、Al₂O₃含量高；幔部的颜色最深，其Mg^#(89~92)和Cr₂O₃的含量最高，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃的含量最低；边部颜色最浅，Mg^#和Cr₂O₃最低，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃的含量最高；核部的主要氧化物含量介于幔部和边部之间。样品16YJZ07-01(图 4b)的环带结构更复杂，具有深浅环带相间分布的韵律性特征。图 8显示，不同期次的浅色环带之间化学成分接近，Mg^#(83~86)、MgO、Cr₂O₃低，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃的含量高；深色环带之间化学成分也很接近，Mg^#(89~92)、MgO、Cr₂O₃高，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃的含量最低。

图 7 复杂环带辉石16YJZ05-02的电子探针剖面 Fig. 7 Electron microprobe profile of the clinopyroxene 16YJZ05-02 with complex zonation

图 8 复杂环带辉石16YJZ07-01的电子探针剖面 Fig. 8 Electron microprobe profile of the clinopyroxene 16YJZ07-01 with complex zonation

综合对比复杂环带辉石与简单环带辉石，发现复杂环带辉石16YJZ05-02的核部与16YJZ07-01的浅色环带化学成分相近，Mg^#为85~86，Na₂O为0.7~1.2，说明两者可能是由同一母岩浆结晶形成；16YJZ05-02的幔部与16YJZ07-01的深色环带以及上述简单辉石16YJZ03-02的核部化学成分相近，Mg^#高(84~92)，Na₂O在0.7~1.2，表明它们形成于成分相似的母岩浆。

3 辉石环带的稀土元素特征

为了更好的揭示辉石环带的成因，我们对典型的正环带辉石16YJZ03-02和复杂环带辉石16YJZ05-02进行了原位微量元素分析，每个环带打两个点。实验在中国科学院地质与地球物理研究所激光剥蚀多接收-电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)实验室进行，实验结果见表 3。

表 3 辉石环带的稀土元素数据(×10^-6) Table 3 REE data of the zoned clinopyroxenes (×10^-6)

测点号	16YJZ03-02R1	16YJZ03-02R2	16YJZ03-02C1	16YJZ03-02C2	16YJZ05-02R1	16YJZ05-02R2	16YJZ05-02M1	16YJZ05-02M2	16YJZ05-02C1	16YJZ05-02C2
Sc	48.3	37.2	55.0	62.0	48.8	60.1	56.8	62.5	41.4	55.4
V	141	161	64.9	86.5	237	287	65.7	77.1	198	172
Cr	915	47.5	3588	3748	531	401	2285	2699	15.7	231
Co	30.9	32.6	28.3	30.2	32.0	30.4	28.2	28.7	32.5	34.6
Ni	55.0	48.8	181	164	40.0	43.9	149	132	38.0	48.1
Zn	69.8	73.5	19.4	23.2	113	113	20.1	27.5	61.8	90.9
Ga	7.09	8.27	2.17	3.54	11.37	11.6	2.75	3.23	8.51	9.46
Sr	250	469	275	314	231	417	329	340	720	299
Y	22.9	26.1	6.48	8.12	21.6	12.6	6.41	7.28	29.4	28.8
Zr	565	514	18.1	39.1	541	754	24.7	35.8	245	440
Nb	0.76	0.55	＜0.53	＜0.46	1.44	＜0.53	＜0.51	＜0.64	＜0.68	0.93
La	19.9	22.6	3.27	4.85	24.4	11.9	3.58	4.75	25.1	23.3
Ce	66.4	76.9	13.0	18.3	73.4	36.2	13.8	18.5	91.7	83.2
Pr	9.42	10.9	2.12	3.12	9.94	5.00	2.86	2.93	12.7	11.3
Nd	42.0	50.0	11.4	15.9	44.8	22.0	11.2	15.2	61.8	49.3
Sm	9.76	11.0	3.29	4.22	9.96	4.60	3.77	4.07	9.88	10.2
Eu	2.66	3.34	1.07	1.53	3.28	1.58	1.23	1.24	3.42	3.70
Gd	5.88	8.43	2.53	3.34	8.46	4.29	＜3.09	2.74	11.0	7.8
Tb	1.03	1.13	＜0.42	0.49	0.88	0.46	＜0.42	0.44	1.15	1.28
Dy	5.48	6.57	1.88	2.04	4.46	2.94	＜1.92	1.75	5.71	6.38
Ho	0.96	1.15	＜0.38	0.41	1.08	0.62	＜0.41	＜0.38	0.71	1.35
Er	2.21	2.25	＜1.07	＜1.13	2.46	1.72	＜1.18	＜0.99	2.65	2.89
Tm	0.38	0.31	＜0.35	＜0.37	0.56	0.39	＜0.38	＜0.34	0.38	0.37
Yb	2.29	2.96	＜1.77	＜1.62	2.05	3.75	＜1.84	＜1.56	2.68	3.32
Lu	0.40	0.53	＜0.44	＜0.37	0.41	0.55	＜0.44	＜0.36	＜0.39	0.53
Hf	21.1	17.7	＜1.26	1.76	13.1	20.9	＜1.48	1.97	9.26	11.9
Ta	＜0.25	＜0.30	＜0.33	＜0.31	＜0.35	＜0.39	＜0.34	＜0.42	＜0.37	＜0.44

表 3 辉石环带的稀土元素数据(×10^-6) Table 3 REE data of the zoned clinopyroxenes (×10^-6)

(1) 简单环带：辉石的边部稀土总量高∑REE(168×10^-6、198×10^-6)，核部稀土总量低∑REE(38×10^-6、54×10^-6)。边部和核部的稀土配分都呈轻稀土富集、重稀土亏损的特征。两者没有明显的Eu负异常(图 9a)。

图 9 辉石环带球粒陨石标准化稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough, 1989) (a)简单环带辉石16YJZ03-02；(b)复杂环带辉石16YJZ05-02 Fig. 9 Chondrite-normalized REE patterns for the clinopyroxene zonations (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

(2) 复杂环带：复杂环带辉石的边部稀土总量高∑REE(186×10^-6、96×10^-6)，幔部稀土总量低∑REE(36×10^-6、51×10^-6)，核部稀土总量最高∑REE(204×10^-6、228×10^-6)。从配分模式来看它们都呈现轻稀土富集、重稀土亏损的特征，边部和核部的稀土配分模式更类似，没有明显的Eu负异常(图 9b)。

有些辉石重稀土的元素含量低于检测限，这种情况主要出现在简单辉石的核部以及复杂辉石的幔部。对比简单环带辉石16YJZ03-02的核部与复杂环带辉石16YJZ05-02的幔部，它们都显示高Mg^#(84~92)、环带颜色较深以及低的稀土总量(∑REE)的特征，说明它们可能是同一期的岩浆结晶形成。对于具有韵律环带的辉石16YJZ07-01，虽然未能获得其详细的稀土元素变化特征，但根据其主量元素组成特征(图 8)，我们认为其暗色环带的稀土元素特征应该与16YJZ03-02的核部以及复杂环带辉石16YJZ05-02的幔部相似，浅色环带与16YJZ03-02的边部以及复杂环带辉石16YJZ05-02的核部相似。

4 讨论 4.1 辉石环带的成因

简单环带辉石：16YJZ03-02与16YJZ03-03虽然都显示正环带结构(图 3)，但是它们核部主量元素之间存在明显的差异，16YJZ03-03(图 6)与16YJZ03-02(图 5)相比Cr₂O₃和Mg^#低，FeO、TiO₂、Na₂O、Al₂O₃的含量高，说明它们可能是不同岩浆或者同一岩浆的不同演化阶段的产物。从边部到核部，它们化学成分的变化一个是渐变式的(图 5)，一个是突变式的(图 6)。渐变式的正环带辉石可能是岩浆自身演化分离结晶导致，也可能是寄主岩浆在遭受同化混染作用的过程中不断结晶形成，目前的证据不足以判断到底是哪个因素起主导作用。突变式的正环带辉石则可能是早先结晶的辉石被后期的岩浆包裹并发生反应形成。

复杂环带辉石：辉石环带结构(图 4)的复杂说明它们经历了复杂的演化过程。它们的主微量元素组成以及核幔边结构特征，暗示存在岩浆混合作用，即早期寄主岩浆中注入了新的岩浆。早期结晶的单斜辉石(浅色、低镁、富铁)与新加入的富镁的岩浆发生反应，结果造成中心浅色的辉石周围生长了一圈深色环带(浅色核部被深色环带包裹)，并在它们之间留下不规则的接触带。之后，这类辉石又与低镁岩浆发生物质交换，形成最外围低镁富铁的边缘，如辉石颗粒16YJZ05-02，环带结构复杂(图 4a、图 7)，不同环带之间化学成分突变。而对于16YJZ07-01辉石颗粒，具有韵律环带(图 4b、图 8)，可能是富镁岩浆多次加入形成。

综合对比上面所有类型的辉石，简单辉石的核部、复杂辉石的幔部以及韵律辉石的深色环带都显示环带颜色较深、Mg^#高(84~92)、稀土总量低的特征，这与简单环带辉石边部、复杂环带辉石核部和边部以及韵律环带辉石中的浅色环带明显不同，也说明了辉石形成的过程中应该存在不同组分的岩浆混合作用。

4.2 辉石环带特征的指示意义

承上所述，在辉石形成的过程中，发生了不同组分岩浆的混合作用。如果上述推论是正确的，那么，这些岩浆源自何处？前人的研究发现，根据辉石的Al_Z(4次配位的Al所占的比例)和TiO₂之间的关系可以推测辉石母岩浆的源区特征(Loucks, 1990; Tang et al., 2012)。例如，中天山骆驼沟辉长岩中辉石具有岛弧和裂谷的双重特征(图 10)，指示其母岩浆起源于软流圈与俯冲板片交代的岩石圈地幔的相互作用(Tang et al., 2012)，而本文姚家庄辉石基本上都落在岛弧相关的演化线附近，这说明形成辉石的原始岩浆可能主要来源于被俯冲板片交代的岩石圈地幔(图 10)。相比之下，辉石低镁的边部较高镁的核部更偏离岛弧演化线，这可能是边部在岩浆演化的晚期受到地壳物质混染作用的影响所致。这与前人得到的“母岩浆起源于富集地幔并有少量地壳物质混染”的结论相一致(陈斌等, 2013)。由于交代富集的地幔或下地壳物质发生部分熔融形成的岩浆通常具有低Mg^#、高稀土总量(∑REE)的特征，而亏损地幔部分熔融形成的岩浆通常具有高Mg^#、低稀土总量(∑REE)的特征(郑建平和路凤香, 1999; Tang et al., 2013)。因此，辉石环带中具有高Mg^#、低稀土总量(∑REE)的特征指示早期结晶的单斜辉石的母岩浆起源于俯冲板片交代富集的岩石圈地幔，在岩浆演化过程中加入了亏损地幔的组分。现有研究表明，晚古生代华北克拉通的岩石圈地幔为富集地幔(池际尚和路凤香, 1996; Zhang et al., 2008)，因此，推测上述亏损地幔的组分可能来自软流圈地幔。

图 10 辉石环带的TiO₂与Al_Z关系(据Loucks, 1990) 骆驼沟辉长岩中辉石的数据引自Tang et al., 2012 Fig. 10 Plot of Al_Z (percentage of tetrahedral sites occupied by Al) vs. TiO₂ for the zoned clinopyroxenes (modified after Loucks, 1990)

综合辉石的韵律环带特征以及姚家庄岩体中辉石岩带较宽的空间展布范围，我们认为姚家庄岩体是不同来源的岩浆多期侵位的结果。起源于富集的岩石圈地幔的初始岩浆侵位之后，外围的岩浆最先开始冷却，辉石开始结晶。辉石的结晶分异形成了最外围以辉石岩为主的超镁铁岩岩体，岩体具有堆晶结构。辉石结晶期间，由于幔源岩浆的多次侵入，与早期结晶的辉石发生反应，从而形成具有韵律环带的辉石。同时，岩浆的多次加入，使得在辉石不断晶出的情况下岩浆成分变化不大，正长石一直没有结晶，从而形成了较宽的辉石岩带。之后岩浆上涌量减少，辉石结晶分异作用以及地壳物质同化混染的影响开始变得明显，岩浆的成分开始从最初的低硅向着富硅的方向演化，MgO降低，FeO增高，形成岩体中间的辉石正长岩带，这也是相比于具有同样岩浆成因的辉石岩中的辉石环带比辉石正长岩中的辉石环带具有高的Mg^#的原因。此时，结晶缓慢发育较好的辉石可能表现出具有渐变的正环带特征。而岩浆包裹的早先形成的辉石继续生长，则可能形成辉石最外圈的低镁边部。

关于岩体最中间的正长岩的成因，陈斌等(2013)通过对比它与辉石正长岩以及辉石岩在主量元素之间以及同位素之间的线性演化关系，认为它是分离结晶成因。而Zhang (1999)发现姚家庄岩体存在辉石为基质、正长石呈球状的现象(指示不混熔成因的球状构造)，以及正长岩相对于辉石岩和辉石正长岩具有低的稀土含量，认为正长岩是岩浆不混熔的结果，并非分离结晶而成。所以对于姚家庄岩体中心的伟晶正长岩的成因还存在较大分歧，尚待进一步的研究。

5 结论

河北省阳原县姚家庄超基性岩-正长岩杂岩体中辉石具有多种环带结构，韵律环带和复杂环带是形成姚家庄杂岩体的岩浆多期侵位的证据。起源于富集的岩石圈地幔的初始岩浆侵位之后，辉石最先开始结晶，形成最外围具堆晶结构的辉石岩为主的超镁铁岩带。由于幔源岩浆的多次侵入，岩浆房中的岩浆不断得到补充，辉石不断结晶，所以辉石岩带分布的范围较宽。之后，随着岩浆补给量逐渐变少，受分离结晶作用及地壳同化混染的影响，岩浆房中岩浆的成分向富硅的方向演化，导致辉石正长岩的形成。由于来源于亏损地幔具有高Mg^#特征的岩浆与寄主岩浆发生混合作用，形成了复杂环带辉石的核幔结构和韵律环带。后期受分离结晶和地壳混染作用的影响，岩浆成分向着富硅、富铁、贫镁的趋势演化，正长石分离结晶，形成辉石正长岩，此时形成的辉石具有渐变的正环带特征。

致谢电子探针分析得到毛骞和张迪老师的指导，微量元素原位分析得到杨岳衡老师的帮助。两位审稿人给本文提出了许多建设性的修改意见。在此一并表示衷心感谢。

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岩石学报 2018, Vol. 34 Issue (11): 3315-3326	PDF