冀南武安巖體中閃長質(zhì)雜巖體的成因礦物學研究

范琳琳，金雅楠，白富生，梁 賢，吳偉哲，李 清，張聚全

河北地質(zhì)大學 地球科學學院，河北 石家莊 050031

0 引言

太行山南部的邯邢地區(qū)位于華北克拉通中部，該地區(qū)廣泛發(fā)育的“邯邢式鐵礦”是我國典型的矽卡巖型鐵礦。該區(qū)鐵礦具有規(guī)模大，礦石品位高的特征。閃長巖為該地區(qū)中生代侵入巖的主要巖性，其也是大型鐵礦的成礦母巖。因此，閃長質(zhì)雜巖體的成因研究一直受到地學研究者的關(guān)注。陳斌等[1]認為武安雜巖體源于EMⅠ型富集地幔的部分熔融，并在以鐵鎂礦物分離結(jié)晶為主的過程中被下地殼物質(zhì)混染；霍延安等[2]對固鎮(zhèn)巖體進行地球化學研究認為閃長巖是被俯沖板片熔體和流體交代后的地幔橄欖巖部分熔融物與地殼同化混染形成；史志偉等[3]認為教場閃長巖的巖漿源區(qū)具有殼?；煸刺卣?，巖漿侵位上升過程中伴隨弱結(jié)晶分異作用。閃長質(zhì)雜巖體成因的研究可以反演閃長質(zhì)雜巖形成時的巖漿作用過程，因此研究閃長質(zhì)雜巖體的成因具有重要的地質(zhì)意義，盡管前人對閃長質(zhì)雜巖體成因進行了一系列研究[4-7]，其中成因礦物學方面的研究比較薄弱。武安雜巖體是邯邢地區(qū)典型的閃長質(zhì)雜巖體，并伴隨有大規(guī)模的鐵成礦。本次研究對武安閃長質(zhì)雜巖體進行詳細的成因礦物學研究，進而探討邯邢地區(qū)閃長質(zhì)雜巖體的形成過程和機制。

1 地質(zhì)背景

武安地處華北克拉通中部的邯邢地區(qū)，中生代太行山構(gòu)造-巖漿活動帶南部。東西兩側(cè)分別以太行山山前斷裂和西柏峪深大斷裂為界。區(qū)域內(nèi)發(fā)育一系列南北向和北北東向斷裂，和區(qū)域東西向的隱伏斷裂共同控制本區(qū)中生代巖漿的侵位和分布[8]。自西向東分為三個平行的巖漿巖帶和八個主要巖體。中部帶由綦村雜巖體、礦山雜巖體、武安雜巖體、固鎮(zhèn)巖體組成，其中武安雜巖體位于中部帶的南端。西部巖漿巖帶主要由符山巖體組成，東部巖漿巖帶由新城巖體、洪山巖體、白沙巖體組成。武安巖體是邯邢鐵礦強成礦巖體之一。該地區(qū)可見太古宙贊皇群結(jié)晶基底，上覆地層與基底呈角度不整合接觸。上覆地層由老到新依次為：中元古代長城系，古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生代三疊系、白堊系，新生代第三系、第四系。武安巖體主要以二長巖、閃長巖(閃長玢巖)為主(圖1)。

1-前寒武紀地層；2-寒武紀—早奧陶世地層；3-中奧陶世地層；4-石炭紀—二疊紀地層；5-第三紀地層；6-閃長巖—二長巖雜巖體；7-正長巖雜巖體；8-鐵礦；9-斷裂；10-地層界限；11-樣品采集區(qū)

2 武安巖體的地質(zhì)特征

武安盆地為邯邢三大斷陷盆地之一。武安巖體位于該盆地西南緣南部，出露面積約50 km2，巖體呈零散分布。前人對巖體中閃長巖運用鉀氬法圈定的年齡在129 Ma～132 Ma之間，對二長巖運用鉀氬法圈定的年齡在124 Ma～126 Ma之間[9]。分別位于武安盆地東西兩側(cè)的紫山斷裂帶和礦山斷裂帶是本區(qū)發(fā)育的兩條控制武安盆地邊界的斷裂帶，兩斷裂帶均呈明顯北北東走向。本區(qū)主要巖性有：閃長巖、二長巖、斑狀角閃閃長巖及閃長玢巖等(圖2)。

a-方解石(Cal)，單偏光；b-角閃石(Am)與斜長石(Pl)環(huán)帶結(jié)構(gòu)共生，正交偏光 ；c-角閃石斑晶中可見磁鐵礦(Mag)，單偏光；d-斜長石(Pl)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，正交偏光

圖3 角閃石(a)和斜長石(b)成分特征(a底圖修改自Leake等[10]；b底圖修改自賴紹聰?shù)萚11])

3 樣品特征與分析方法

本次研究主要從武安巖體的樣品中挑選了3件具有代表性樣品進行分析。巖石呈灰綠色，半自形中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物為：角閃石和斜長石。其中，角閃石呈他形粒狀，粒徑約為0.5 mm×0.5 mm ～ 0.5 mm×1 mm，含量約為30% ～ 40%；斜長石呈半自形長條狀。粒徑約為0.3 mm×0.5 mm ～ 0.5 mm×1 mm，含量約為60% ～ 70%，顯微鏡下發(fā)現(xiàn)斜長石具環(huán)帶結(jié)構(gòu)。次要礦物為：輝石和石英。副礦物由磷灰石、鋯石、方解石和磁鐵礦構(gòu)成。

a～c-斜長石的元素面掃描；d-斜長石的BSE圖像；e-斜長石的組成剖面圖

武安閃長質(zhì)雜巖體的礦物成分分析測試在河北地質(zhì)大學電子探針實驗室完成，電子探針型號為：JEOL JXA-8230，儀器加速電壓為15 KV，電流為20 An，束斑直徑5 μm。

4 結(jié)果

本次研究分別對角閃石、斜長石進行了電子探針分析(表略，備索)，分別獲取角閃石、斜長石詳細的主量元素數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析。

4.1 角閃石

角閃石是武安閃長質(zhì)雜巖體中最重要的暗色礦物，分析角閃石的電子探針數(shù)據(jù)，角閃石中的Si集中于7.17～7.54a.p.f.u(a.p.f.u為單位化學式中原子數(shù))，Ti<0.5 ,Mg/Mg+Fe為0.72～0.78，F(xiàn)etot/(Fetot+Mg)為0.42～0.55,(Na+K)A為0.15～0.27?；贚eake等[10]對角閃石進行分類(圖3a)，結(jié)果顯示閃長質(zhì)雜巖體中角閃石大部分落入鎂角閃石區(qū)域，少數(shù)為陽起石。

4.2 斜長石

本次測試采用電子探針微區(qū)分析技術(shù)測試斜長石環(huán)部、邊部的成分，斜長石環(huán)帶BSE圖象顯示(圖4)，斜長石從核部到幔部An牌號總體呈緩慢降低趨勢，斜長石由中性向酸性方向發(fā)展。電子探針數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，斜長石核部An變化于31.1 ～ 46.4之間，Ab介于65.5 ～ 89.9之間；幔部An變化于26.5 ～ 30.8之間，Ab介于59.2 ～ 65.1之間；邊部An變化于8.7 ～ 26.2之間，Ab介于52.1 ～ 58.8之間，邊部An值快速下降，Ab值則升高。

5 討論

5.1 巖漿作用的物理化學條件

角閃石是巖漿巖中鐵的重要賦存礦物[14]，角閃石的化學成分可以指示巖漿的結(jié)晶溫度，定量獲得礦物結(jié)晶時的壓力，估算出巖漿房深度，對于探討巖漿作用過程有著重要的意義[15]。因此角閃石是研究區(qū)內(nèi)最重要的暗色礦物。

不同角閃石的礦物溫壓計有不同的使用前提。Hammarstrom等[16]認為在鈣堿性花崗巖中適用角閃石全鋁壓力計，但是該壓力計存在較大誤差。Ridolfi等[12]建立了一種適用于與俯沖相關(guān)的鈣堿性火山巖的地質(zhì)溫壓計，該溫壓計比角閃石全鋁壓力計減少了約280 MPa的誤差，前人應用此溫壓計測算魯西銅井的閃長巖、閃長玢巖和邯邢區(qū)域高鎂閃長巖的結(jié)晶物化條件，結(jié)果顯示此溫壓計同樣適用于中淺成侵入巖[17 -18]，因此本次研究應用此溫壓計估算角閃石的形成條件。

圖5 角閃石溫度(a)、壓力(b)、氧逸度(c)(d)計算(a、b、c底圖據(jù)Ridolfi等[12];d底圖據(jù)Jiang等[13])

溫壓計的計算結(jié)果顯示，角閃石形成溫度介于697℃ ～ 754℃之間，壓力介于39 MPa～ 65 MPa(圖5a)，對應的形成深度為1.5 km～ 2.4 km(以地殼密度為2 700 kg/m3為依據(jù))，相對氧逸度為ΔNNO+1.7 ～ +2.4(圖5c)，投圖顯示為高氧逸度(圖5d)。Ridolfi等[12]證實了在熔融狀態(tài)下，角閃石中的AlVI與含水量有密切的聯(lián)系，因此提出了計算含水量的方法，應用此方法得到平衡熔融體中的水含量為3.4% ～ 4.3%(圖5b)，這些物理化學條件與前人總結(jié)的邯邢地區(qū)代表巖漿侵位以后形成的角閃石的物理化學條件相符[14,18]，因此認為本區(qū)角閃石數(shù)據(jù)估算的物理化學條件為巖漿侵位之后的條件。另外，巖相學觀察也證實角閃石具有巖漿侵位之后結(jié)晶形成的特征。

5.2 斜長石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)成因及地質(zhì)意義

斜長石是巖漿演化過程中非常重要的指示礦物之一，吳平霄等[19]認為斜長石環(huán)帶能反映巖漿熔體結(jié)晶過程中的物理、化學條件變化，斜長石的環(huán)帶與其形成的地質(zhì)環(huán)境、過程密切相關(guān)。斜長石環(huán)帶可粗略分為正環(huán)帶、反環(huán)帶和韻律環(huán)帶三類。本區(qū)斜長石探針數(shù)據(jù)(表略備索)及斜長石環(huán)帶成分特征(圖4a～e)指示An牌號從核部到邊部呈降低趨勢，為正環(huán)帶。正環(huán)帶的成因一般認為是巖漿較迅速冷卻，已經(jīng)晶出的斜長石未能與殘余巖漿達到完全平衡，每一溫度區(qū)間下都保留一部分早期晶出的斜長石，導致各環(huán)帶成分不同[19]。另外，斜長石數(shù)據(jù)的Or-Ab-An 三端元投圖(圖3b)，結(jié)果顯示核部為中長石，幔部為更長石，邊部為鈉長石,由幔部到邊部An值急劇下降。環(huán)帶成分中存在Na含量的突然增高，數(shù)據(jù)顯示由核部到邊部成分出現(xiàn)一些波動(圖4e)。前人研究認為此現(xiàn)象可能是由結(jié)晶于中-基性巖漿中的斜長石，后期存在多次酸性巖漿的注入并與原巖漿房中較基性的巖漿混合所致[18,20]。

圖6 角閃石巖漿來源判別圖解(底圖據(jù)Jiang等[13])

角閃石的化學成分對指示巖漿來源具有重要意義[17]，在角閃石 TiO2-Al2O3圖解中角閃石數(shù)據(jù)多數(shù)落入殼源，少部分落入殼?；煸磪^(qū)域(圖6)，由此可知本區(qū)巖漿發(fā)生了殼幔混染。前人研究發(fā)現(xiàn)，武安巖體的閃長質(zhì)雜巖體中存在大量繼承鋯石[14,18]，繼承鋯石的主要年齡約為2.5 Ga[14]，表明有較低熔融程度的殼源物質(zhì)進入巖漿系統(tǒng)。前人[2]在邯邢固鎮(zhèn)侵入雜巖體樣品地球化學分析測定中，所有樣品在ISr- ?Nd(t)圖解中均落在殼?；旌蠀^(qū)域，證明固鎮(zhèn)雜巖體中各巖性都經(jīng)歷了殼幔相互作用。斜長石環(huán)帶數(shù)據(jù)同樣指示巖漿演化過程中發(fā)生了巖漿混合且中-基性巖漿中發(fā)生了多次酸性巖漿的注入，同時存在巖漿較迅速冷卻過程。角閃石溫壓計的計算結(jié)果代表的是巖漿侵位以后的物理化學條件，另外，角閃石具有淺部交代特征。綜合以上證據(jù)，筆者認為武安閃長質(zhì)雜巖體的形成過程為：源于地幔的基性巖漿上升至下地殼并與下地殼部分熔融產(chǎn)生的酸性巖漿發(fā)生巖漿混合，形成閃長質(zhì)巖漿，分異巖漿侵位至地殼淺部后角閃石分離結(jié)晶。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)角閃石和斜長石的主量元素測試數(shù)據(jù)進行分析并進行相應的分類投圖，武安閃長質(zhì)雜巖體中的角閃石主要為鎂角閃石和少數(shù)陽起石；斜長石環(huán)帶為正環(huán)帶，核部為中長石，邊部為更長石和鈉長石。

(2)角閃石溫壓計計算結(jié)果顯示角閃石形成溫度為697℃ ～ 754℃，壓力介于39 MPa～ 65 MPa之間，形成深度為1.5 km～ 2.4 km，氧逸度為ΔNNO+1.7 ～ +2.4，平衡熔融體中的水含量為3.4% ～ 4.3%。結(jié)合巖相學特征，判斷角閃石為巖漿侵位后形成。

(3)綜合閃長質(zhì)雜巖體的成因礦物學研究及地球化學分析和大量繼承鋯石的發(fā)現(xiàn)，武安閃長質(zhì)雜體是由來自地幔的基性巖漿在上升過程中與來自下地殼的酸性巖漿發(fā)生巖漿混合作用，分異巖漿侵位至地殼淺部形成的。