許瑤 張宏福, 2**

華北克拉通東部受中-新生代構(gòu)造熱事件影響，不僅巖石圈厚度發(fā)生了大規(guī)模減薄(Menziesetal., 1993; Chen, 2009)，而且克拉通根部巖石圈地幔的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變(Fanetal., 2000; Zhengetal., 2001; Rudnicketal., 2004; Zhang, 2005)。這一克拉通破壞過(guò)程被認(rèn)為始于中生代，在早白堊世(～ 125Ma)達(dá)到峰期(Wuetal., 2005; Zhuetal., 2011)，并導(dǎo)致了劇烈的陸內(nèi)巖漿活動(dòng)(Zhangetal., 2014)。華北中生代火山巖代表了克拉通破壞過(guò)程的直接產(chǎn)物，因此它們是研究華北巖石圈地幔組成及演化的關(guān)鍵樣品。與華北其他地區(qū)不同，遼西早白堊世義縣組玄武巖具有殼幔雙重屬性(高M(jìn)gO、Cr和Ni以及類(lèi)似下地殼的微量元素和Sr-Nd-Pb同位素特征; 張宏福和邵濟(jì)安, 2008)，它們的組成特征在以往研究中被用來(lái)反演克拉通破壞峰期華北北緣巖石圈地幔的屬性和演化過(guò)程(Gengetal., 2019)。但是，關(guān)于義縣組玄武巖的巖石成因如巖漿來(lái)源及其演化過(guò)程等問(wèn)題，目前仍存在較大爭(zhēng)議。以Wangetal. (2006)為代表的研究者認(rèn)為義縣組火山巖是拆沉下地殼榴輝巖部分熔融形成的熔體與地幔橄欖巖相互作用的產(chǎn)物；而以李伍平等 (2002)、邵濟(jì)安等(2005)、張宏福和邵濟(jì)安(2008)為代表的學(xué)者則認(rèn)為義縣組火山巖是殼幔相互作用(巖漿混合)的結(jié)果，并提出其全巖高的Mg#值可能是幔源巖漿含有地幔橄欖石捕虜晶造成的。雖然前人也對(duì)義縣組火山巖的巖石成因進(jìn)行了很多研究，如大量全巖主微量地球化學(xué)和Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果被用來(lái)探討其巖漿來(lái)源(Gaoetal., 2008; Yang and Li, 2008; Gengetal., 2019)，火山巖中橄欖石斑晶和熔體包裹體的原位分析也揭示了其早期巖漿性質(zhì)(洪路兵等，2017)。然而，義縣組玄武巖的巖漿演化過(guò)程一直缺少直接有效的制約，這也是其巖石成因存在分歧的主要原因。因此，對(duì)義縣組玄武巖巖漿演化過(guò)程的研究就顯得尤為重要，這不僅可以幫助我們理解義縣組玄武巖的形成過(guò)程，而且有利于我們更準(zhǔn)確地挖掘其攜帶的地幔源區(qū)信息。

火成巖中結(jié)晶礦物的組成和結(jié)構(gòu)取決于巖漿的化學(xué)成分和結(jié)晶環(huán)境，因此巖漿在上升和噴發(fā)前的成分和演化過(guò)程常常被記錄在礦物(主要是橄欖石、輝石和斜長(zhǎng)石)的各種生長(zhǎng)環(huán)帶之中(Dobosi and Fodor, 1992; Yangetal., 1999; Streck, 2008; Huangetal., 2010)。作為幔源巖漿早期結(jié)晶的礦物，單斜輝石斑晶的環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征可以有效約束巖漿在演化過(guò)程中溫度、壓力、水含量和氧逸度等因素的變化(Piletetal., 2002; Gaoetal., 2004; Guoetal., 2007)。本文將主要對(duì)遼西早白堊世義縣組玄武巖中發(fā)育成分環(huán)帶的單斜輝石開(kāi)展詳細(xì)的礦物學(xué)和地球化學(xué)研究，以期揭示其巖漿演化的深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

1 地質(zhì)背景及巖石特征

遼西位于華北克拉通北緣(圖1a)，燕山陸內(nèi)造山帶東段，是我國(guó)華北中生代火山活動(dòng)最劇烈的地區(qū)。遼西中生代火山活動(dòng)從侏羅紀(jì)一直持續(xù)到白堊紀(jì)，其中又以早白堊世義縣組(132～120Ma; Yang and Li, 2008)火山活動(dòng)最為強(qiáng)烈及火山巖地層分布最為廣泛。義縣組總體為一套巨厚的火山巖和火山碎屑沉積巖系，主要分布在北票的金嶺寺-羊山盆地和阜新-義縣盆地。義縣組在馬神廟-宋八戶(hù)地區(qū)建立的綜合標(biāo)準(zhǔn)剖面自下而上可分成四個(gè)巖性段：底部一段為底礫巖和橄欖玄武巖; 二段主要是含珍稀化石層 (熱河生物群) 的湖相沉積巖和中性火山巖，含化石層位夾層的凝灰?guī)r定年結(jié)果在125～124Ma(Zhuetal., 2007); 三段為基性、中基性-酸性和偏堿性火山巖; 四段為中酸性和偏堿性火山巖及沉積巖(邢德和等, 2005)。義縣組火山巖自底部到頂部，整體上具有由基性向中酸性(偏堿性)演化的趨勢(shì)。

圖1 華北克拉通構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a，據(jù)Zhao et al., 2005；Yang et al., 2018)和四合屯地區(qū)地質(zhì)圖及采樣位置(b，據(jù)遼寧省地質(zhì)局，1967(1)遼寧省地質(zhì)局. 1967. 遼寧省1:20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖)

圖2 義縣組玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的背散射圖像(a-d)反環(huán)帶單斜輝石; (e-h)正環(huán)帶單斜輝石Fig.2 BSE images of zoned clinopyroxenes in the Yixian basalts(a-d) reversely-zoned clinopyroxenes; (e-h) normally-zoned clinopyroxenes

本文研究的橄欖玄武巖采自北票四合屯地區(qū)(圖1b)義縣組底部一段，采樣點(diǎn)GPS位置為：41°34′53″N、120°46′23″E。該地區(qū)義縣組地層只保存了綜合剖面中的底部?jī)啥?汪筱林等, 1998)。玄武巖呈灰黑色，具斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，手標(biāo)本中可見(jiàn)8%～10%的半自形橄欖石(0.5～3.0mm)，大多數(shù)橄欖石邊緣和裂隙邊因蝕變而呈黃褐色。大顆粒單斜輝石(0.2～3.0mm)因含量低 (～1%)主要通過(guò)鏡下薄片觀察被發(fā)現(xiàn)。玄武巖基質(zhì)主要包括斜長(zhǎng)石、單斜輝石(<0.2mm)和少量鈦鐵氧化物。四合屯玄武巖全巖具有高的MgO含量(10.8%～14.6%)、Mg#值(72～ 76)和相容元素Cr(～1411×10-6)及Ni(～377×10-6)含量(Gengetal., 2019)。盡管對(duì)于義縣組玄武巖高M(jìn)gO含量是否可以代表原始巖漿組成存在爭(zhēng)議，但前人普遍認(rèn)為義縣組玄武巖的原始巖漿來(lái)源于巖石圈地幔(李伍平等, 2002; 邵濟(jì)安等, 2005; 張宏等, 2005; 張宏福和邵濟(jì)安, 2008)。在微量元素組成上，它們富集大離子親石元素(LILE，如Rb、Ba、Pb和Sr)和輕稀土元素(LREE)，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE，如Nb、Ta、Zr、Hf和Ti)，具有輕重稀土元素強(qiáng)分餾的稀土元素配分曲線(xiàn)，這些特征都與大陸下地殼十分相似(Yang and Li, 2008; Gengetal., 2019)。四合屯玄武巖EM1型Sr-Nd同位素組成和低的Pb同位素比值同樣反映出下地殼源區(qū)特征(張宏福和邵濟(jì)安, 2008)。

表1 義縣組玄武巖具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石代表性電子探針?lè)治鼋Y(jié)果(wt%)

續(xù)表1

圖3 義縣組玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的Wo-En-Fs三角分類(lèi)圖解(據(jù)Morimoto et al., 1988)Wo-硅灰石; En-頑火輝石; Fs-鐵輝石; Di-透輝石; Hd-鈣鐵輝石; Aug-普通輝石; Pgt-易變輝石Fig.3 Diagrams of Wo-En-Fs nomenclature of zoned clinopyroxenes in the Yixian basalts (after Morimoto et al., 1988)Wo-wollastonite; En-enstatite; Fs-ferrosilite; Di-diopside; Hd-hedenbergite; Aug-augite; Pgt-pigeonite

圖5 兩個(gè)代表性正環(huán)帶單斜輝石的成分剖面圖Fig.5 Compositional traverses for two representative normally-zoned clinopyroxenes

圖6 義縣組玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的Mg#-Na2O(a)和Mg#-Al2O3(b)相關(guān)圖數(shù)據(jù)來(lái)源：新生代和古生代地幔橄欖巖：池際尚(1988), Fan and Hooper (1989), Zheng et al. (1998), Zheng et al. (2001), Chen et al. (2001); 古老下地殼麻粒巖：Zhao et al. (1999), Huang et al. (2004), Fan et al. (2005); 底侵麻粒巖：Chen et al. (2001), Liu et al. (2001), Zheng et al. (2003), Fan et al. (2005); 橄欖輝石巖：Zhang et al. (2007); 徐淮榴輝巖：許文良等(2002)Fig.6 Plots of Mg# versus Na2O (a) and Al2O3 (b) in zoned clinopyroxenes in the Yixian basaltsData source: Cenozoic and Paleozoic peridotite xenolith: Chi (1988), Fan and Hooper (1989), Zheng et al. (1998), Zheng et al. (2001), Chen et al. (2001); Lower crust granulite: Zhao et al. (1999), Huang et al. (2004), Fan et al. (2005); Underplated granulite: Chen et al. (2001), Liu et al. (2001), Zheng et al. (2003), Fan et al. (2005); Olivine pyroxenite: Zhang et al. (2007); Eclogite xenolith from the Xuzhou-Huaibei region: Xu et al. (2002)

圖7 義縣組玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的Mg#-TiO2相關(guān)圖Fig.7 Plot of Mg# versus TiO2 in zoned clinopyroxenes in the Yixian basalts

2 分析方法

單斜輝石背散射(BSE)圖像和主量元素組成是在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用JXA-8230型電子探針獲得。正常操作過(guò)程中采用15kV加速電壓、20nA的電子束電流和1～2μm的束斑直徑。單斜輝石原位微量元素分析是在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用Agilent7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)搭載RESOlution S-155-LR(193 nm)激光剝蝕系統(tǒng)(LA)完成。微量元素分析點(diǎn)位與電子探針?lè)治鳇c(diǎn)位對(duì)應(yīng)，激光剝蝕束斑直徑為67μm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借助ICPMSDataCal軟件離線(xiàn)處理(Liuetal., 2010)，單斜輝石Ca的電子探針含量作為內(nèi)標(biāo)對(duì)元素含量進(jìn)行校正。微量元素分析精度一般優(yōu)于10%，具體的分析方法和操作流程可見(jiàn)Baoetal. (2016)。

單斜輝石原位Sr同位素組成是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用Neptune Plus型多接收等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)搭載GeoLas Pro型激光剝蝕系統(tǒng)獲得。原位Sr同位素分析點(diǎn)位與原位主微量元素分析點(diǎn)位一致。分析采用的激光剝蝕束斑直徑為160μm，脈沖頻率為10Hz，能量密度為～10J/m-2。每個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)包括30s背景信號(hào)和50s樣品信號(hào)。監(jiān)控標(biāo)樣天然單斜輝石HNB08(Sr含量89.2×10-6)的測(cè)試結(jié)果(87Sr/86Sr=0.703758±0.000043; 2SD; n=47)與推薦值(0.703765±0.000004)在誤差范圍內(nèi)一致。詳細(xì)的分析方法和干擾校正策略可見(jiàn)Tongetal. (2016)和Zhangetal. (2018)。

3 分析結(jié)果

3.1 單斜輝石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)

義縣組玄武巖中的單斜輝石主要發(fā)育正環(huán)帶結(jié)構(gòu)，少量為反環(huán)帶結(jié)構(gòu)。反環(huán)帶單斜輝石顆粒較大(0.4～3.0mm)，在單偏光鏡下呈現(xiàn)“綠核”特征。BSE圖像中的反環(huán)帶單斜輝石通常由亮色核部(富鐵)、暗色幔部(富鎂)和亮色窄邊(<50μm)組成(圖2a-d)。小部分反環(huán)帶單斜輝石的核部較純凈，基本不含包裹體(圖2d)，而大部分的核部可見(jiàn)熔蝕孔洞，呈篩狀結(jié)構(gòu)(圖2a)。它們的核幔接觸面非常不規(guī)則，而且發(fā)育大量篩狀孔。然而，反環(huán)帶單斜輝石的幔部和邊部自形，BSE圖像中相對(duì)均勻的顏色表明其化學(xué)組成也相對(duì)均一(圖2c)。

正環(huán)帶單斜輝石顆粒較小(<0.5mm)，在單偏光鏡下表現(xiàn)為無(wú)色。BSE圖像中的它們由暗色核部和亮色邊部組成(圖2e-h)。不同于反環(huán)帶單斜輝石，正環(huán)帶單斜輝石的核部自形且成分均一(圖2c)，未見(jiàn)明顯的熔蝕結(jié)構(gòu)。

3.2 單斜輝石環(huán)帶的主量元素特征

反環(huán)帶和正環(huán)帶單斜輝石的主量元素組成差異明顯(表1)。反環(huán)帶單斜輝石核部Mg#值低且變化范圍寬(65.5～79.7)，而幔部Mg#值高且均一(87.7～89.2)。在單斜輝石Wo-En-Fs三角分類(lèi)圖中，反環(huán)帶單斜輝石核部以透輝石為主，而幔部主要是普通輝石(圖3)。核部相比幔部具有較高的FeO(6.33%～11.76%)、Al2O3(1.02%～3.20%)和Na2O(0.34%～1.33%)，以及較低的MgO(11.76%～14.81%)和Cr2O3(<0.48%)，而幔部表現(xiàn)出較高的MgO(16.57%～18.32%)和Cr2O3(0.55%～1.41%)，以及較低的FeO(3.65%～4.46%)、Al2O3(1.44%～2.57%)和Na2O(0.23%～ 0.48%)。邊部以低Mg#(69.7～86.9)和Cr2O3(<0.30%)，及高Al2O3(0.96%～5.97%)為特征。反環(huán)帶單斜輝石以10μm為間距的主量元素成分剖面圖(圖4)顯示其核部和幔部之間的化學(xué)組成突變，而幔部和邊部之間為漸變。

正環(huán)帶單斜輝石核部Mg#值高且均一(84.7～89.0)，而邊部Mg#值低且變化范圍寬(67.8～ 83.8)。按Wo-En-Fs三角分類(lèi)，核部以普通輝石為主，而邊部主要是透輝石(圖3)。核部相比邊部具有較高的Cr2O3(0.13%～1.33%)，及較低的Al2O3(1.45%～2.51%)和TiO2(0.10%～ 0.52%)，而邊部表現(xiàn)出較高的Al2O3(3.06%～6.20%)和TiO2(0.67%～2.08%)，及較低的Cr2O3(<0.41%)。正環(huán)帶單斜輝石以5～15μm為間距的主量元素成分剖面圖(圖5)顯示其核部和邊部之間的化學(xué)組成漸變，與它們規(guī)則的接觸界限相一致。Costaetal. (2020)根據(jù)單斜輝石的Fe-Mg擴(kuò)散速度(1200℃)開(kāi)展了擴(kuò)散年代學(xué)的模擬計(jì)算，結(jié)果表明5～300μm的距離通常需要數(shù)百年時(shí)間。值得注意的是，反環(huán)帶單斜輝石幔部與正環(huán)帶單斜輝石核部的主量元素組成高度相似(圖6、圖7)，而與反環(huán)帶單斜輝石核部和正環(huán)帶單斜輝石邊部可以很好地區(qū)分。

3.3 單斜輝石環(huán)帶的微量元素特征

在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖中，反環(huán)帶單斜輝石的核部相比幔部表現(xiàn)出更高的稀土元素含量(圖8a)。核部輕重稀土元素分餾程度小，顯示Eu的負(fù)異常(Eu/Eu*=0.30～0.91)，而幔部輕重稀土元素分餾顯著((La/Yb)N=3.73～6.63)，未見(jiàn)Eu的負(fù)異常。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中，核部和幔部普遍出現(xiàn)HFSE和部分LILE(Pb和Sr)的虧損(圖8d)，只是虧損程度略有不同，如核部顯示出更強(qiáng)的Sr的負(fù)異常。

正環(huán)帶單斜輝石的核部和邊部均表現(xiàn)出與反環(huán)帶單斜輝石幔部相似的微量元素組成(表2)。它們的稀土配分曲線(xiàn)呈勺狀(圖8b, c)，從La到Nd標(biāo)準(zhǔn)化值逐漸升高，從Nd到Lu則逐漸下降。微量元素蛛網(wǎng)圖中的核部和邊部均顯示明顯的Nb、Pb、Sr、Zr、Hf和Ti的負(fù)異常(圖8e, f)。

3.4 單斜輝石環(huán)帶的Sr同位素特征

單斜輝石原位Sr同位素分析(束斑直徑為160μm)對(duì)Sr含量的檢測(cè)下限為80×10-6，同時(shí)樣品中Rb/Sr比要小于0.1，因此我們主要對(duì)化學(xué)組成均一且滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)條件的反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部開(kāi)展了原位Sr同位素分析(表3)。反環(huán)帶單斜輝石幔部具有變化范圍較寬的富集Sr同位素組成(87Sr/86Sr=0.7058～0.7085)，正環(huán)帶單斜輝石核部的Sr同位素組成變化(87Sr/86Sr=0.7062～0.7078)類(lèi)似于反環(huán)帶單斜輝石幔部，均接近于全巖87Sr/86Sr比值(0.7062～0.7067; Gengetal., 2019)。不同的是，全巖87Sr/86Sr比值因均一化變化范圍很窄，而單斜輝石原位的87Sr/86Sr比值變化范圍很寬(圖9)。

表2 義縣組玄武巖具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石代表性微量元素組成(×10-6)

續(xù)表2

表3 義縣組玄武巖具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石原位Sr同位素組成

圖8 義縣組玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a-c)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(d-f)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a-c) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (d-f) of zoned clinopyroxenes in the Yixian basalts (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

圖9 反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部原位Sr同位素組成直方圖數(shù)據(jù)來(lái)源：華北晚白堊世和新生代橄欖巖捕虜體：Song and Frey (1989), Tatsumoto et al. (1992), Fan et al. (2000), Rudnick et al. (2004), Zhang et al. (2012), Deng et al. (2017), Zou et al. (2020); 華北東南緣早白堊世基性火山巖：Zhang et al. (2002), Ying et al. (2006), Gao et al. (2008), Yang et al. (2008), Guo et al. (2013); 華北北緣早白堊世基性火山巖：陳義賢等(1997), 周新華等(2001), Zhang et al. (2003); 蒙陰古生代金伯利巖中橄欖巖捕虜體：池際尚和路鳳香(1996), 鄭建平(1999), 張宏福和楊岳衡(2007), Zhang et al. (2008); 復(fù)縣和鐵嶺古生代金伯利巖中橄欖巖捕虜體：鄭建平(1999), Wu et al. (2006), Zhang et al. (2008); 寄主玄武巖：Geng et al. (2019); 原始地幔(P.M.)：Zindler and Hart (1986); 華北下地殼：Jahn et al. (1999)Fig.9 Histograms of in situ Sr isotopic compositions of the mantle of the reversely-zoned clinopyroxene and the core of the normally-zoned clinopyroxeneData source: Late Cretaceous and Cenozoic peridotite xenoliths from the North China Craton: Song and Frey (1989), Tatsumoto et al. (1992), Fan et al. (2000), Rudnick et al. (2004), Zhang et al. (2012), Deng et al. (2017), Zou et al. (2020); Early Cretaceous mafic volcanic rocks from the southeastern portion of the North China Craton: Zhang et al. (2002), Ying et al. (2006), Gao et al. (2008), Yang et al. (2008), Guo et al. (2013); Early Cretaceous mafic volcanic rocks from the northern margin of the North China Craton: Chen et al. (1997), Zhou et al. (2001), Zhang et al. (2003); Peridotite xenoliths in Paleozoic Mengyin kimberlites: Chi and Lu (1996), Zheng (1999), Zhang and Yang (2007), Zhang et al. (2008); Peridotite xenoliths in Paleozoic Fuxian and Tieling kimberlites: Zheng (1999), Wu et al. (2006), Zhang et al. (2008); Host basalts: Geng et al. (2019); Primitive mantle (P.M.): Zindler and Hart (1986); Lower crust in the North China Craton: Jahn et al. (1999)

4 討論

4.1 具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的來(lái)源

單斜輝石，(Ca, Mg, Fe, Al, Na)2Si2O6，作為下地殼和上地幔重要的成巖礦物相，廣泛出現(xiàn)在一系列基性-超基性巖漿巖和變質(zhì)巖中(Nakanoetal., 2007; Jankovicsetal., 2016)。遼西四合屯義縣組玄武巖包含反環(huán)帶和正環(huán)帶兩類(lèi)具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石，它們差異明顯的礦物學(xué)和原位主微量元素地球化學(xué)特征，暗示其可能具有完全不同的來(lái)源和形成過(guò)程。

部分反環(huán)帶單斜輝石因具有綠色核部在以往的研究中被稱(chēng)為“綠核輝石”，其成因解釋目前有：(1)巖漿混合作用(Duda and Schmincke, 1985; Dobosi and Fodor, 1992; Di Battistinietal., 1998; Yangetal., 1999)；(2)圍巖捕虜晶殘留和再生長(zhǎng)(Barton and van Bergen, 1981; Dobosi, 1989)；及(3)巖漿中水等揮發(fā)分含量變化(Streck, 2008)等假說(shuō)。在Mg#-Na2O/Al2O3相關(guān)圖中，反環(huán)帶單斜輝石核部主要落入了華北古老下地殼麻粒巖中單斜輝石的區(qū)域(圖6; Zhaoetal., 2001; Huangetal., 2004; Fanetal., 2005)。它們具有低Mg#和高Na2O的化學(xué)組成，而不高的Al2O3含量說(shuō)明其并非形成于高壓環(huán)境(Haaseetal., 1996)。在微量元素組成上，反環(huán)帶單斜輝石核部相對(duì)平坦的稀土配分曲線(xiàn)和明顯的Eu和Sr負(fù)異常指示其曾與斜長(zhǎng)石平衡過(guò)，同時(shí)源區(qū)并無(wú)石榴子石殘留。綜上所述，反環(huán)帶單斜輝石核部應(yīng)為來(lái)自下地殼麻粒巖的捕虜晶。如果反環(huán)帶單斜輝石核部是巖漿混合模型(分離結(jié)晶后的原始巖漿受到原始巖漿的注入補(bǔ)給)中早期結(jié)晶的斑晶，那么它們應(yīng)該具有非常均一的化學(xué)組成(黃小龍等, 2007)，這與實(shí)際情況并不相符。此外，巖漿成因的單斜輝石核部往往會(huì)逐漸向外生長(zhǎng)，核部和幔部的邊界因而是平整光滑的(Chenetal., 2013)，遼西反環(huán)帶單斜輝石核幔之間不規(guī)則的接觸關(guān)系和發(fā)育的大量篩狀孔顯示二者不是連續(xù)結(jié)晶分異的產(chǎn)物，它們的化學(xué)組成是突變的，這也得到了反環(huán)帶單斜輝石主量元素組成剖面的證實(shí)(圖4)。

不同于捕虜晶核部，反環(huán)帶單斜輝石幔部基本符合上述巖漿成因單斜輝石的特征。一方面，它們?cè)贐SE圖像中十分干凈平整，主量元素組成也對(duì)應(yīng)地很均一(表1、圖6)，其整體較高的Mg#值(87.7～89.2)和Cr2O3(0.55%～1.41%)含量顯示出明顯的幔源巖漿屬性。另一方面，為了驗(yàn)證該猜想，我們借助單斜輝石與熔體之間的Fe-Mg分配系數(shù)(KD=(Fe2+/Mg)Cpx/ (Fe2+/Mg)melt)來(lái)評(píng)估它們與全巖是否達(dá)到平衡(Strecketal., 2005)?；詭r漿體系中與熔體達(dá)到平衡的單斜輝石KD值一般介于0.22～0.32之間(Toplis and Carroll, 1995; Putirka, 1999)。在未經(jīng)明顯結(jié)晶分異或堆晶作用的巖漿中，單斜輝石斑晶的Mg#值將與全巖Mg#值構(gòu)成由KD控制的平衡曲線(xiàn)(圖10a)。張宏福和邵濟(jì)安(2008)曾提出義縣組玄武巖全巖高的MgO含量是幔源橄欖石捕虜晶代入的結(jié)果，并不是原始巖漿本來(lái)的性質(zhì)，進(jìn)一步的研究表明義縣組玄武巖中的橄欖石晶體絕大數(shù)都是具環(huán)帶結(jié)構(gòu)的幔源捕虜晶(邵濟(jì)安等, 2005; Xu and Zhang, 2020)。為了避免橄欖石捕虜晶對(duì)全巖組成的影響，我們選取邵濟(jì)安等(2005)報(bào)道的剔除橄欖石的巖石分析結(jié)果作為義縣組玄武巖的全巖組成(Mg#=63.3)，并和Gengetal. (2019)報(bào)道的未剔除橄欖石的全巖組成(Mg#=72.4)進(jìn)行比較。如圖10a所示，反環(huán)帶單斜輝石幔部的Mg#值基本落在與剔除橄欖石捕虜晶的全巖組成達(dá)到平衡的曲線(xiàn)上，同時(shí)又大多落在未剔除橄欖石捕虜晶全巖組成平衡曲線(xiàn)之下，這說(shuō)明其與全巖組成達(dá)到平衡。除了主量元素Fe-Mg，我們利用單斜輝石與玄武質(zhì)熔體之間微量元素的分配系數(shù)(Adam and Green, 2006)模擬計(jì)算了反環(huán)帶單斜輝石幔部的平衡熔體組成(圖10b, c)，平衡熔體的稀土配分曲線(xiàn)和微量元素蛛網(wǎng)圖與全巖的高度一致。

圖10 具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石Mg#值與全巖Mg#值相關(guān)圖(a)和單斜輝石斑晶的平衡熔體與全巖稀土元素配分圖(b)及微量元素蛛網(wǎng)圖(c)對(duì)比圖

圖11 義縣組玄武巖中單斜輝石斑晶結(jié)晶溫壓條件Fig.11 Temperature and pressure of crystallization of clinopyroxene phenocrysts in the Yixian basalts

類(lèi)似地，正環(huán)帶單斜輝石核部表現(xiàn)出與反環(huán)帶單斜輝石幔部高度一致的主微量元素和原位Sr同位素組成(圖6-圖9)，這說(shuō)明其也是巖漿成因斑晶，而且二者的母巖漿均是相對(duì)原始的富Mg巖漿。不同的是，正環(huán)帶單斜輝石核部具有變化范圍更寬的Mg#值，部分低Mg#核部是在相對(duì)演化巖漿體系中結(jié)晶的產(chǎn)物。

4.2 巖漿成因單斜輝石結(jié)晶的溫壓

平衡條件下單斜輝石的Na2O含量與結(jié)晶壓力呈正相關(guān)關(guān)系(Gaoetal., 2008)，義縣組玄武巖中巖漿成因單斜輝石較低的Na2O(<0.50%)和Al2O3(1.44%～2.57%)含量可以排除它們?cè)诘蒯毫ο陆Y(jié)晶的可能性(Strecketal., 2007)。對(duì)與剔除橄欖石捕虜晶的全巖組成達(dá)到平衡的反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部，本文采用Putirkaetal. (2003)建立的單斜輝石-熔體平衡溫壓計(jì)來(lái)估算其結(jié)晶的溫度和壓力。計(jì)算結(jié)果(圖11)表明反環(huán)帶單斜輝石幔部結(jié)晶壓力為0.66～1.08GPa，溫度為1180～1221℃，正環(huán)帶單斜輝石核部結(jié)晶壓力為0.54～1.06GPa，溫度為1171～1220℃，二者結(jié)晶溫壓條件基本一致。部分結(jié)晶壓力略低的正環(huán)帶單斜輝石核部與在較演化巖漿體系中結(jié)晶的低Mg#核部相對(duì)應(yīng)。結(jié)合華北北緣漢諾壩地區(qū)現(xiàn)今下地殼結(jié)構(gòu)：上部長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖下地殼深度為25～33km，下部鎂鐵質(zhì)麻粒巖下地殼深度為33～40km (Fanetal., 2005)，遼西義縣組玄武巖中單斜輝石的分離結(jié)晶主要發(fā)生在下地殼淺部(18～36km)。至于反環(huán)帶單斜輝石的下地殼捕虜晶核部，它們應(yīng)該來(lái)源于比開(kāi)始結(jié)晶的幔部更深的位置，所以?xún)H可能來(lái)自下地殼深部基性麻粒巖，并被帶入到稍淺一些的巖漿房。

4.3 具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石對(duì)巖漿演化的約束

基性火山巖中的單斜輝石常常出現(xiàn)各類(lèi)復(fù)雜的成分環(huán)帶(Gaoetal., 2008; Huangetal., 2010; Chenetal., 2013)，精細(xì)的環(huán)帶成分分析可以提供對(duì)巖漿演化過(guò)程的有效制約，因?yàn)榄h(huán)帶本身是對(duì)不同階段巖漿來(lái)源、結(jié)晶溫壓條件、揮發(fā)分含量和氧逸度等因素波動(dòng)變化的直接記錄(Piletetal., 2002; Xuetal., 2003; 黃小龍等, 2007 ; Muravyevaetal., 2014)。

前已述及，遼西義縣組玄武巖中反環(huán)帶單斜輝石核部是下地殼捕虜晶，而反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部均是巖漿成因斑晶。單斜輝石斑晶結(jié)晶溫度和壓力之間良好的線(xiàn)性關(guān)系(圖11)表明義縣組玄武巖經(jīng)歷了自大約36km(深度)開(kāi)始至18km(深度)結(jié)束的變壓分離結(jié)晶作用。它們Mg#值和TiO2含量之間明顯的負(fù)相關(guān)性(圖7)與基性巖漿在自然狀態(tài)下結(jié)晶分異的趨勢(shì)相吻合，同樣指示其巖漿經(jīng)歷了一定程度的演化。根據(jù)Rayleigh分離結(jié)晶方程，少量橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致巖漿中強(qiáng)不相容元素(LREE和LILE)濃度的升高(Leeetal., 2014)，而對(duì)巖漿中的MREE和HREE濃度幾乎沒(méi)有影響。因此模擬的平衡熔體中極度虧損的HREE繼承了原始巖漿的特征(圖10b)，而LREE的高度富集可能受到了分離結(jié)晶作用的影響。

圖12 遼西義縣組玄武巖巖漿演化過(guò)程示意圖(地殼結(jié)構(gòu)據(jù)Fan et al., 2005)Fig.12 Schematic diagram showing the evolutionary process of magmas in the crustal magma chamber that produced the Yixian basalts in western Liaoning Province (the crustal structure after Fan et al., 2005)

四合屯義縣組玄武巖全巖明顯的大陸下地殼信號(hào)(例如Rb-Ba-Pb-Sr的正異常、Nb-Ta-Zr-Hf-Ti的負(fù)異常和極低的放射性Pb同位素比值)，說(shuō)明其巖漿在演化過(guò)程中受到了殼源物質(zhì)的強(qiáng)烈影響。對(duì)于這樣的影響，反環(huán)帶單斜輝石核部下地殼捕虜晶的同化混染作用首先可以排除掉，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)平坦的稀土配分曲線(xiàn)和顯著的Pb-Sr-Eu負(fù)異常(圖8a, d)都與全巖組成不符，全巖輕重稀土元素強(qiáng)分餾，而且具有明顯的Pb-Sr正異常，無(wú)Eu的明顯異常。此外，下地殼麻粒巖中斜長(zhǎng)石的LILE和REE(Ba、Sr和Eu除外)含量都非常低(Bindemanetal., 1998)，因此它們均不能滿(mǎn)足遼西義縣組玄武巖所需要的殼源物質(zhì)成分。Wangetal. (2006)和Gaoetal. (2008)提出拆沉模式來(lái)解釋義縣組火山巖的殼源屬性：拆沉的下地殼榴輝巖在地幔深度熔融，形成的熔體與周?chē)蠙鞄r發(fā)生反應(yīng)。與費(fèi)縣玄武巖中拆沉下地殼榴輝巖來(lái)源單斜輝石相比(Na2O含量最高可達(dá)2.4%)(Gaoetal., 2008)，四合屯玄武巖中反環(huán)帶單斜輝石核部的Na2O含量主體低于1.0%，最高僅為1.3%(圖6a)，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到前者2.5GPa的結(jié)晶壓力。徐淮地區(qū)榴輝巖捕虜體中單斜輝石極高的的Na2O含量(>2.68%; 許文良等, 2002)進(jìn)一步說(shuō)明這些反環(huán)帶單斜輝石核部不可能來(lái)自拆沉的下地殼榴輝巖，而僅僅是下地殼麻粒巖中的捕虜晶。

不同于下地殼捕虜晶的同化混染和下地殼榴輝巖的拆沉作用，我們認(rèn)為義縣組玄武巖中的殼源組分可能通過(guò)中生代下地殼熔融事件，在下地殼巖漿房中以酸性熔體形式加入到原始幔源巖漿中。Jiangetal. (2007)在漢諾壩地區(qū)太古代麻粒巖地體中發(fā)現(xiàn)了具有類(lèi)似埃達(dá)克質(zhì)巖石地球化學(xué)性質(zhì)的中生代侵入巖(Kay, 1978; Defant and Drummond, 1990)，但這些以酸性巖為主的侵入巖富鉀，并表現(xiàn)出和太古代下地殼類(lèi)似的演化的Sr-Nd-Hf同位素組成，其中繼承鋯石年齡也和太古代麻粒巖地體中鋯石年齡一致。以上觀察結(jié)果表明這些埃達(dá)克質(zhì)巖石形成于古老下地殼部分熔融，Jiangetal. (2007)進(jìn)一步指出該過(guò)程可能是華北克拉通東部中生代大量埃達(dá)克質(zhì)巖漿形成的主要機(jī)制。這一結(jié)論也得到了實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的證實(shí)，高Sr/Y埃達(dá)克質(zhì)熔體可以由大陸下地殼物質(zhì)在地殼深度直接熔融形成，并不需要地幔深度的熔融溫壓條件(<40km; Qian and Hermann, 2013; Maetal., 2015)。本次研究義縣組玄武巖中下地殼單斜輝石捕虜晶的發(fā)現(xiàn)為華北東部古老下地殼在中生代的部分熔融提供了直接證據(jù)，這些單斜輝石表現(xiàn)出比古老下地殼熔出的埃達(dá)克質(zhì)熔體(Jiangetal., 2007)高得多的HREE含量，二者互補(bǔ)的HREE組成說(shuō)明它們可能分別代表了下地殼源區(qū)的殘留相和熔體相。綜上所述，我們認(rèn)為遼西義縣組玄武巖可能是在早白堊世華北東部地溫梯度整體升高和巖石圈伸展背景下，地殼中基性幔源巖漿和酸性下地殼來(lái)源巖漿混合作用形成的產(chǎn)物(圖12)。至于玄武巖中具環(huán)帶結(jié)構(gòu)單斜輝石的成因，我們認(rèn)為反環(huán)帶單斜輝石核部在古老下地殼熔融過(guò)程中被帶入稍淺一些的巖漿房中，而反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部是在兩種巖漿混合后的下地殼巖漿房中結(jié)晶的斑晶(圖12)。

通過(guò)前述研究，義縣組玄武巖中巖漿成因單斜輝石是在巖漿混合作用發(fā)生后結(jié)晶的產(chǎn)物，其成分因此不能準(zhǔn)確代表來(lái)自巖石圈地幔的原始巖漿。反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部變化范圍較寬的原位87Sr/86Sr比值(0.7058～0.7085)整體略高于華北北緣中生代基性火山巖的全巖87Sr/86Sr比值(0.7043～0.7076)，這一定程度上反映了具有相對(duì)演化Sr同位素組成的下地殼(87Sr/86Sr=0.7060～0.7132; Jahnetal., 1999)來(lái)源熔體加入的影響，但是加入的量應(yīng)該十分有限。

5 結(jié)論

(1)遼西四合屯地區(qū)早白堊世義縣組玄武巖包含兩類(lèi)環(huán)帶狀單斜輝石，大多數(shù)具有正環(huán)帶結(jié)構(gòu)，少量為反環(huán)帶。

(2)反環(huán)帶單斜輝石核部是來(lái)自下地殼基性麻粒巖的捕虜晶，而反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部是巖漿成因斑晶，它們與剔除橄欖石捕虜晶的全巖達(dá)到平衡。

(3)反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部結(jié)晶溫度為1171～1221℃，結(jié)晶壓力為0.54～1.08GPa。義縣組玄武巖的結(jié)晶分異主要發(fā)生在下地殼淺部(18～36km)。

(4)遼西義縣組玄武巖是巖漿混合作用的產(chǎn)物，其主體來(lái)自受俯沖洋殼改造的巖石圈地幔，在下地殼巖漿房或幔源巖漿上升過(guò)程中存在少量下地殼來(lái)源酸性熔體的混合作用。

致謝野外工作得到了英基豐研究員、楊蔚研究員和趙新苗研究員的幫助; 電子探針?lè)治龅玫搅藯钗膹?qiáng)老師的指導(dǎo); 微量元素分析得到了包志安老師的幫助; 原位Sr同位素分析得到了張文老師的指導(dǎo); 三位匿名專(zhuān)家給予了細(xì)致的評(píng)審; 在此一并表示衷心的感謝!