冀南武安岩体中闪长质杂岩体的成因矿物学研究

2020-02-22范琳琳金雅楠白富生吴伟哲张聚全

河北地质大学学报 2020年6期

范琳琳，金雅楠，白富生，梁贤，吴伟哲，李清，张聚全

河北地质大学地球科学学院，河北石家庄 050031

0 引言

太行山南部的邯邢地区位于华北克拉通中部，该地区广泛发育的“邯邢式铁矿”是我国典型的矽卡岩型铁矿。该区铁矿具有规模大，矿石品位高的特征。闪长岩为该地区中生代侵入岩的主要岩性，其也是大型铁矿的成矿母岩。因此，闪长质杂岩体的成因研究一直受到地学研究者的关注。陈斌等[1]认为武安杂岩体源于EMⅠ型富集地幔的部分熔融，并在以铁镁矿物分离结晶为主的过程中被下地壳物质混染；霍延安等[2]对固镇岩体进行地球化学研究认为闪长岩是被俯冲板片熔体和流体交代后的地幔橄榄岩部分熔融物与地壳同化混染形成；史志伟等[3]认为教场闪长岩的岩浆源区具有壳幔混源特征，岩浆侵位上升过程中伴随弱结晶分异作用。闪长质杂岩体成因的研究可以反演闪长质杂岩形成时的岩浆作用过程，因此研究闪长质杂岩体的成因具有重要的地质意义，尽管前人对闪长质杂岩体成因进行了一系列研究[4-7]，其中成因矿物学方面的研究比较薄弱。武安杂岩体是邯邢地区典型的闪长质杂岩体，并伴随有大规模的铁成矿。本次研究对武安闪长质杂岩体进行详细的成因矿物学研究，进而探讨邯邢地区闪长质杂岩体的形成过程和机制。

1 地质背景

武安地处华北克拉通中部的邯邢地区，中生代太行山构造-岩浆活动带南部。东西两侧分别以太行山山前断裂和西柏峪深大断裂为界。区域内发育一系列南北向和北北东向断裂，和区域东西向的隐伏断裂共同控制本区中生代岩浆的侵位和分布[8]。自西向东分为三个平行的岩浆岩带和八个主要岩体。中部带由綦村杂岩体、矿山杂岩体、武安杂岩体、固镇岩体组成，其中武安杂岩体位于中部带的南端。西部岩浆岩带主要由符山岩体组成，东部岩浆岩带由新城岩体、洪山岩体、白沙岩体组成。武安岩体是邯邢铁矿强成矿岩体之一。该地区可见太古宙赞皇群结晶基底，上覆地层与基底呈角度不整合接触。上覆地层由老到新依次为：中元古代长城系，古生代寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生代三叠系、白垩系，新生代第三系、第四系。武安岩体主要以二长岩、闪长岩(闪长玢岩)为主(图1)。

1-前寒武纪地层；2-寒武纪—早奥陶世地层；3-中奥陶世地层；4-石炭纪—二叠纪地层；5-第三纪地层；6-闪长岩—二长岩杂岩体；7-正长岩杂岩体；8-铁矿；9-断裂；10-地层界限；11-样品采集区

2 武安岩体的地质特征

武安盆地为邯邢三大断陷盆地之一。武安岩体位于该盆地西南缘南部，出露面积约50 km2，岩体呈零散分布。前人对岩体中闪长岩运用钾氩法圈定的年龄在129 Ma～132 Ma之间，对二长岩运用钾氩法圈定的年龄在124 Ma～126 Ma之间[9]。分别位于武安盆地东西两侧的紫山断裂带和矿山断裂带是本区发育的两条控制武安盆地边界的断裂带，两断裂带均呈明显北北东走向。本区主要岩性有：闪长岩、二长岩、斑状角闪闪长岩及闪长玢岩等(图2)。

a-方解石(Cal)，单偏光；b-角闪石(Am)与斜长石(Pl)环带结构共生，正交偏光；c-角闪石斑晶中可见磁铁矿(Mag)，单偏光；d-斜长石(Pl)环带结构，正交偏光

图3 角闪石(a)和斜长石(b)成分特征(a底图修改自Leake等[10]；b底图修改自赖绍聪等[11])

3 样品特征与分析方法

本次研究主要从武安岩体的样品中挑选了3件具有代表性样品进行分析。岩石呈灰绿色，半自形中细粒结构，块状构造。主要矿物为：角闪石和斜长石。其中，角闪石呈他形粒状，粒径约为0.5 mm×0.5 mm ～ 0.5 mm×1 mm，含量约为30% ～ 40%；斜长石呈半自形长条状。粒径约为0.3 mm×0.5 mm ～ 0.5 mm×1 mm，含量约为60% ～ 70%，显微镜下发现斜长石具环带结构。次要矿物为：辉石和石英。副矿物由磷灰石、锆石、方解石和磁铁矿构成。

a～c-斜长石的元素面扫描；d-斜长石的BSE图像；e-斜长石的组成剖面图

武安闪长质杂岩体的矿物成分分析测试在河北地质大学电子探针实验室完成，电子探针型号为：JEOL JXA-8230，仪器加速电压为15 KV，电流为20 An，束斑直径5 μm。

4 结果

本次研究分别对角闪石、斜长石进行了电子探针分析(表略，备索)，分别获取角闪石、斜长石详细的主量元素数据并对数据进行分析。

4.1 角闪石

角闪石是武安闪长质杂岩体中最重要的暗色矿物，分析角闪石的电子探针数据，角闪石中的Si集中于7.17～7.54a.p.f.u(a.p.f.u为单位化学式中原子数)，Ti<0.5 ,Mg/Mg+Fe为0.72～0.78，Fetot/(Fetot+Mg)为0.42～0.55,(Na+K)A为0.15～0.27。基于Leake等[10]对角闪石进行分类(图3a)，结果显示闪长质杂岩体中角闪石大部分落入镁角闪石区域，少数为阳起石。

4.2 斜长石

本次测试采用电子探针微区分析技术测试斜长石环部、边部的成分，斜长石环带BSE图象显示(图4)，斜长石从核部到幔部An牌号总体呈缓慢降低趋势，斜长石由中性向酸性方向发展。电子探针数据结果显示，斜长石核部An变化于31.1 ～ 46.4之间，Ab介于65.5 ～ 89.9之间；幔部An变化于26.5 ～ 30.8之间，Ab介于59.2 ～ 65.1之间；边部An变化于8.7 ～ 26.2之间，Ab介于52.1 ～ 58.8之间，边部An值快速下降，Ab值则升高。

5 讨论

5.1 岩浆作用的物理化学条件

角闪石是岩浆岩中铁的重要赋存矿物[14]，角闪石的化学成分可以指示岩浆的结晶温度，定量获得矿物结晶时的压力，估算出岩浆房深度，对于探讨岩浆作用过程有着重要的意义[15]。因此角闪石是研究区内最重要的暗色矿物。

不同角闪石的矿物温压计有不同的使用前提。Hammarstrom等[16]认为在钙碱性花岗岩中适用角闪石全铝压力计，但是该压力计存在较大误差。Ridolfi等[12]建立了一种适用于与俯冲相关的钙碱性火山岩的地质温压计，该温压计比角闪石全铝压力计减少了约280 MPa的误差，前人应用此温压计测算鲁西铜井的闪长岩、闪长玢岩和邯邢区域高镁闪长岩的结晶物化条件，结果显示此温压计同样适用于中浅成侵入岩[17 -18]，因此本次研究应用此温压计估算角闪石的形成条件。

图5 角闪石温度(a)、压力(b)、氧逸度(c)(d)计算(a、b、c底图据Ridolfi等[12];d底图据Jiang等[13])

温压计的计算结果显示，角闪石形成温度介于697℃ ～ 754℃之间，压力介于39 MPa～ 65 MPa(图5a)，对应的形成深度为1.5 km～ 2.4 km(以地壳密度为2 700 kg/m3为依据)，相对氧逸度为ΔNNO+1.7 ～ +2.4(图5c)，投图显示为高氧逸度(图5d)。Ridolfi等[12]证实了在熔融状态下，角闪石中的AlVI与含水量有密切的联系，因此提出了计算含水量的方法，应用此方法得到平衡熔融体中的水含量为3.4% ～ 4.3%(图5b)，这些物理化学条件与前人总结的邯邢地区代表岩浆侵位以后形成的角闪石的物理化学条件相符[14,18]，因此认为本区角闪石数据估算的物理化学条件为岩浆侵位之后的条件。另外，岩相学观察也证实角闪石具有岩浆侵位之后结晶形成的特征。

5.2 斜长石的环带结构成因及地质意义

斜长石是岩浆演化过程中非常重要的指示矿物之一，吴平霄等[19]认为斜长石环带能反映岩浆熔体结晶过程中的物理、化学条件变化，斜长石的环带与其形成的地质环境、过程密切相关。斜长石环带可粗略分为正环带、反环带和韵律环带三类。本区斜长石探针数据(表略备索)及斜长石环带成分特征(图4a～e)指示An牌号从核部到边部呈降低趋势，为正环带。正环带的成因一般认为是岩浆较迅速冷却，已经晶出的斜长石未能与残余岩浆达到完全平衡，每一温度区间下都保留一部分早期晶出的斜长石，导致各环带成分不同[19]。另外，斜长石数据的Or-Ab-An 三端元投图(图3b)，结果显示核部为中长石，幔部为更长石，边部为钠长石,由幔部到边部An值急剧下降。环带成分中存在Na含量的突然增高，数据显示由核部到边部成分出现一些波动(图4e)。前人研究认为此现象可能是由结晶于中-基性岩浆中的斜长石，后期存在多次酸性岩浆的注入并与原岩浆房中较基性的岩浆混合所致[18,20]。

图6 角闪石岩浆来源判别图解(底图据Jiang等[13])

角闪石的化学成分对指示岩浆来源具有重要意义[17]，在角闪石 TiO2-Al2O3图解中角闪石数据多数落入壳源，少部分落入壳幔混源区域(图6)，由此可知本区岩浆发生了壳幔混染。前人研究发现，武安岩体的闪长质杂岩体中存在大量继承锆石[14,18]，继承锆石的主要年龄约为2.5 Ga[14]，表明有较低熔融程度的壳源物质进入岩浆系统。前人[2]在邯邢固镇侵入杂岩体样品地球化学分析测定中，所有样品在ISr- ɛNd(t)图解中均落在壳幔混合区域，证明固镇杂岩体中各岩性都经历了壳幔相互作用。斜长石环带数据同样指示岩浆演化过程中发生了岩浆混合且中-基性岩浆中发生了多次酸性岩浆的注入，同时存在岩浆较迅速冷却过程。角闪石温压计的计算结果代表的是岩浆侵位以后的物理化学条件，另外，角闪石具有浅部交代特征。综合以上证据，笔者认为武安闪长质杂岩体的形成过程为：源于地幔的基性岩浆上升至下地壳并与下地壳部分熔融产生的酸性岩浆发生岩浆混合，形成闪长质岩浆，分异岩浆侵位至地壳浅部后角闪石分离结晶。