黑云母温压计在岩浆系统中的适用性研究

2020-09-28吴伟哲金雅楠范琳琳白富生张聚全

河北地质大学学报 2020年4期

李清，梁贤，吴伟哲，金雅楠，范琳琳，白富生，李宾，张聚全

1.河北地质大学资源学院，河北石家庄 050031；2.河北省地质调查院，河北石家庄 050081

0 引言

地质温压计和氧逸度是岩石物理化学的重要参数，很多的学者围绕它们做了许多研究[1-7]。但是，适用于岩浆过程研究的矿物温压计较少，这些年来基于角闪石和黑云母成分的矿物温压计研究取得一定的进展，并且在岩浆作用与成矿的研究中得到较好的应用[7]。角闪石全铝压力计广泛应用于钙碱性花岗岩，但是不适合中基性岩浆岩[8]。Ridolfi[9]等指出传统的角闪石全铝压力计对结晶压力计算会存在280 MPa的误差。经过这些年许多学者的研究，通过对角闪石温度的计算也更加的成熟，普遍被大多数人应用于角闪石的温度计算中[10-11]。Uchida[12]研究也表明，黑云母中的全铝含量和花岗岩的固结压力具有很好的正相关性，可以作为压力计使用。目前，在岩浆岩中被广泛使用的黑云母温度计最初是基于变质作用建立的[13]，其是否可以应用于岩浆系统的温度计算一直没有专门的研究与讨论。这篇文章以冀南邯邢地区綦村岩体不同岩性中共生的角闪石和黑云母为研究对象，通过角闪石和黑云母两种矿物温压计、氧逸度计的计算，对比了两者结果的差异，讨论了黑云母温度计在岩浆岩中应用的适用性问题。

1 地质背景

邯邢地区位于河北省太行山南段，大地构造位置属于华北克拉通中部带，中生代太行山构造活动带南端[14]，受到来自西北方向赞皇隆起的作用，区内地层关系自西向东由老变新依次为：太古代赞皇群，中元古代长城系，寒武系，奥陶系，石炭系，三叠系以及新生代沉积物。区内构造活动较为复杂，多出现强烈的断裂，褶皱次之。罗照华等[14]研究显示，太行山中生代侵入岩年龄为80～180 Ma，其侵入体自西向东可分为：西部符山岩体，中部綦村岩体、矿山岩体、武安岩体、固镇岩体，东部的新城岩体、洪山岩体、白沙岩体，此次研究所采集的样品就属于綦村岩体。綦村岩体位于邯邢地区北部，东西经过柳沟和贾庄，南北过马庄与大沙河，其面积大约40 km2，主要的岩性有斑状黑云母角闪闪长岩，斑状角闪闪长岩，闪长岩和二长岩，另外还有少许闪长玢岩(图1)。綦村岩体本是属于燕山期的一套中性-中偏碱性的中浅成相岩石，是由深部作用多期次侵入形成的似层状侵入体，最先侵位的要属偏基性且暗色矿物含量较多的黑云母角闪闪长岩和角闪闪长岩，黑云母闪长岩其后，最后就是二长岩侵位前者之中[15]。

2 样品描述与分析方法

2.1 岩相学特征

笔者一共选用了8个样品进行分析，其岩性分别为黑云母闪长岩、黑云母角闪闪长岩、斑状黑云母闪长岩。

样品ST17-1-1d岩性为黑云母闪长岩，灰色，半自形粒状结构，块状构造。主要矿物为角闪石和斜长石，次要矿物有黑云母和辉石。斜长石含量约70%，呈板状，颗粒大小为0.1×0.1 mm～1×1 mm，并且大量的斜长石被绢云母化；角闪石含量约20%，呈绿色长柱状晶体，颗粒大小约0.1×0.25 mm～0.5×1 mm，角闪石绿泥石化与黑云母共生(图2c、d)；黑云母为黑色短柱状，含量约5%，颗粒大小为0.25×0.75 mm～0.5×1.5 mm。

样品ST17-1-2a岩性为黑云母角闪闪长岩，灰白色，斑状结构，块状构造。主要矿物有角闪石和斜长石，次要矿物为黑云母和辉石、石英，斜长石含量约60%，板状，颗粒大小约0.1×0.25 mm～0.75×1 mm；角闪石含量约20%，颗粒大小为0.2×0.3 mm～2.5×6.5 mm(图2a、b)；黑云母被角闪石所包含，含量约为15%，颗粒大小为0.05×0.1～0.5×1.5 mm。

样品ST17-2-1a岩性为斑状黑云母闪长岩，灰黑色，似斑状结构，块状构造。主要矿物有斜长石、角闪石、辉石和黑云母，斜长石为白色板状颗粒，含量约60%，颗粒大小约为0.05×0.1 mm～0.5×1.5 mm，发生绢云母化，蚀变严重；角闪石含量约20%，绿色长柱状斑晶，颗粒大小为0.25×0.5 mm～1.5×8 mm，大多被黑云母取代；辉石含量10%，黑色短柱状，颗粒大小约0.25×0.25 mm～1.5×3 mm；黑云母含量较少，不到10%，与其他矿物发生交代反应，颗粒大小约0.5×1 mm～0.5×1.5 mm。

2.2 分析方法

笔者对于綦村岩体的实验数据测试是在河北地质大学电子探针实验室进行，仪器的型号为JEOL-JXA-8230，具体的工作环境为：加速电压15 KV，探针电流为20 nA，束斑的直径为5 μm。

3 结果与讨论

3.1 黑云母化学成分及其温度、压力、氧逸度计算

黑云母是研究区黑云角闪闪长岩的重要暗色矿物，含量约为10%，常与角闪石共生并交代角闪石边部，部分矿物会发生轻微蚀变。黑云母的化学成分能够有效的指示岩石类型、岩浆起源以及成岩过程的物理化学条件[17]。笔者对样品中的黑云母电子探针数据(表略，备索)分析，主要表现为SiO2含量34.6%～38.2%，TiO2含量为2.1%～4.2%，Al2O3含量约12.6%～15.2%，FeO含量为11.5%～19.1%，MnO含量0.04%～0.33%，MgO含量为11.5%～17.3%，Na2O含量为0.09%～0.70%，K2O含量为8.9%～9.8%，在黑云母分类图解中(图3a)，显示黑云母全部落于镁质黑云母区域。根据数据分析可得，綦村岩体的样品中黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)比值在0.24%～0.43之间，表明黑云母并未遭受后期流体的改造，属于原生黑云母[18]。

图1 綦村岩体地质图(据Deng等[16]改)Fig.1 Geological map of Qicun rock mass

a-单偏光显微镜下黑云母角闪闪长岩中黑云母包含于角闪石中；b-正交显微镜下黑云母角闪闪长岩中黑云母包含于角闪石中；c-单偏光镜下黑云母闪长岩中黑云母交代部分角闪石；d-正交显微镜下黑云母闪长岩中黑云母交代部分角闪石。Amp-角闪石；Bt-黑云母图2 綦村岩体镜下特征及黑云母与角闪石的关系Fig.2 The microscopic characteristics of Qicun rock mass andthe relationship between biotite and amphiboles

在此次样品中，对于黑云母的电子探针数据分析，绘制Mg/(Mg+Fe)—Ti图表(图3b)，得出黑云母的形成温度大约为660～750℃，平均温度为705℃。由Etsuo等[19]研究表明，黑云母中的全铝含量同花岗岩的固结压力具有很好的正相关性，其关系式如下：P(kbar)=3.03×AlT-6.53(± 0.33)。其中，AlT是指在以22个氧原子为基础计算出的黑云母中铝阳离子总数。由上可知，经过这公式计算得出黑云母的形成压力为0.3～1.6 kbar，也就是30～160 MPa。在黑云母当中，利用其化学成分进行氧逸度分析，基于黑云母的Fe3+和Fe2+的相对含量估算，从黑云母的Fe3+—Fe2+—Mg2+图解中(图3d)，可以看到落点都位于NNO和HM缓冲线之间，并且更接近NNO缓冲线，说明黑云母是在较高的氧逸度条件下形成的。根据Anderson等[20]的研究，Fe/(Fe+Mg)—Al图解也能对黑云母的氧逸度进行估算，大量的研究表明，Fe/(Fe+Mg)主要受到lgfo2控制，两者呈负相关，不受全岩的Fe/Mg比值影响[21]。在Fe/(Fe+Mg)—Al图解，綦村岩体的样品氧逸度皆位于△FMQ+1到△FMQ+3之间。

图3 a-黑云母分类图解(底图据文献[22])；b-黑云母温度计算(底图据文献[13])；c-黑云母Fe/(Fe+Mg)—Al图解(底图据文献[21])；d-黑云母Fe3+—Fe2+—Mg2+图解(底图据文献[23])Fig.3 a- Biotite classification diagram;b- Biotite temperature calculation;c- Biotite Fe/ (Fe+Mg) -Al diagram;d- Biotite Fe3+ - Fe2+ - Mg2+ diagram

3.2 角闪石化学成分及其温度、压力、氧逸度计算

角闪石是綦村黑云母角闪闪长岩主要的造岩矿物之一，其自形程度较高，多呈斑晶出现，形状为长柱状，粒径2～5 mm。角闪石含磁铁矿、黑云母等矿物颗粒，常与黑云母共生，本次样品中就有部分角闪石的边部被黑云母交代发育。

笔者对样品中的角闪石电子探针数据分析(表2)，CaB在1.7～1.9之间，(Na+K)A在0.19～0.29之间，Ti<0.50，通过Leake等[24]对角闪石进行分类(图4)，角闪石投点位于镁角闪石以及阳起石，这样品取的是黑云母角闪闪长岩角闪石斑晶的边部，属于第二期的角闪石。

角闪石的Al2O3和TiO2含量随温度和压力同时变化的曲线特征可用来大致估算其结晶时的温压条件[25]。通过数据可以看出，其角闪石Al2O3含量为1.4%～5.2%，TiO2含量为0.1%～1.2%。Ridolfi等[10]通过准确的实验数据分析，建立一种新的地质温压计，此温压计估算的结果显示，该样品角闪石处于相对低温低压的环境形成，温度为680～780℃，压力为27～68 MPa(图5)，其fO2为ΔNNO+1.8～+3.7(图6)。

3.3 计算结果对比

杨阳[27]对胶东地区不同期次形成的花岗岩进行的物理化学条件研究，以及Zhang等[28]对邯邢高镁闪长岩的计算，表明角闪石的温压计确实能够适用于岩浆岩，而且其结果也是不存在争议的。因此可以通过对比黑云母和角闪石的温压计算结果，验证黑云母的可靠性。

图4 角闪石成分特征(底图据文献[24])Fig.4 Composition characteristics of amphiboles

图5 角闪石温度压力计算(底图据文献[10])Fig.5 Calculation of temperature and pressure of amphiboles

图6 角闪石氧逸度计算(a底图据文献[26];b底图据文献[10])Fig.6 Calculation of oxygen fugacity of amphiboles

经过以上一系列的研究分析，我们计算出了黑云母和角闪石它们各自的温度、压力以及氧逸度情况，并进行了对比(图7)。从图中可以看出同一样品，黑云母和角闪石计算的温度大致上是一样的，通过黑云母计算得出的温度值与角闪石计算的温度值相差不大，其差值总体在2～5℃以内。这表明黑云母温度计计算结果是稳定可靠的，能够应用于岩浆系统。

图7 角闪石与黑云母温度对比图

压力的计算结果显示黑云母和角闪石是在低压的环境下形成的，各个样品得到的黑云母和角闪石计算结果差别还是挺大的(图8)。样品ST17-1-1d角闪石计算的压力平均为52 MPa，黑云母计算的压力平均为120 MPa；样品ST17-1-2a中，角闪石的计算压力中值为45 MPa，而黑云母计算得压力值为93 MPa；样品ST17-1-4a角闪石计算的压力平均为48 MPa，黑云母计算的压力结果为47 MPa；样品ST17-2-1a中角闪石计算的压力为34 MPa，而黑云母计算的压力平均为87 MPa；样品ST17-6-2a中，角闪石计算的压力平均为28 MPa，黑云母的计算压力值为95 MPa。不难看出，通过黑云母计算得出的结果要比角闪石计算的结果大得多，且是角闪石计算结果的2～3倍。另外角闪石与黑云母本身就处于低压的环境，所以黑云母的压力计与角闪石压力计存在一定的差别。

黑云母和角闪石的氧逸度结果显示，黑云母的投点都落在NNO缓冲线之上，在HM与NNO缓冲线之间(图3d)，根据黑云母的Fe/(Fe+Mg)—Al图解，可以看出黑云母的氧逸度为ΔFMQ+1～ΔFMQ+3。而角闪石的氧逸度fo2为ΔNNO+1.8～+3.7(图6b)，ΔFMQ+2.5～ΔFMQ+4.5，它们均是在高氧逸度条件下形成的，并且它们的氧逸度ΔFMQ值比较接近，故而可以认为黑云母和角闪石的氧逸度计算结果是正确的。