南太行綦村巖體中輝石的成因礦物學(xué)研究

王琳萱，張聚全，李亞琦，梁賢，李清，吳偉哲

WHANG Lin-xuan,ZHANG Ju-quan,LI Ya-qi,LIANG Xian,LI Qing,WU Wei-zhe

河北地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031

Hebei GEO University,Shijiazhuang 050031,China

0 引言

南太行地處華北克拉通的中部，中生代太行山構(gòu)造-巖漿活動帶南端。該地區(qū)廣泛發(fā)育中生代的中基性侵入巖，并伴生大量的矽卡巖型鐵礦。這些矽卡巖型鐵礦以品位高，成礦元素單一，易采選區(qū)別于其它地區(qū)的矽卡巖型鐵礦，被稱為邯邢式鐵礦[1]。沙河市綦村巖體位于邯邢鐵礦帶的北部，是邯邢式鐵礦的重要成礦母巖之一[2]。近年來，對邯邢式鐵礦的研究較多，但大多都是從成礦作用[3-6]和物質(zhì)來源[7-11]的角度進(jìn)行研究，缺乏對巖漿過程與成礦關(guān)系方面的探討。論文以成因礦物學(xué)為基本研究方法，對邯邢地區(qū)的綦村巖體中黑云母角閃閃長巖、閃長巖和二長巖三種主要巖石類型中的輝石進(jìn)行系統(tǒng)礦物化學(xué)成分研究，進(jìn)而探討巖體的成因與演化及其與成礦的關(guān)系，為區(qū)域內(nèi)矽卡巖型鐵礦的找礦勘探提供理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于河北省邢臺市西南部，大地構(gòu)造處于元古代華北克拉通中部的中央造山帶中南段，中生代太行山構(gòu)造-巖漿活動帶南段(圖1a)。區(qū)內(nèi)發(fā)育奧陶系、石炭系以及二疊系地層，綦村巖體主要圍巖為中奧陶世峰峰組、磁縣組和馬家溝組的碳酸鹽地層，巖漿活動受到北東或北北東向斷裂帶的控制[12-14]。與成礦有關(guān)的巖漿巖主要有閃長巖、閃長玢巖、二長巖、角閃閃長巖以及黑云母角閃閃長巖，通過野外取樣，研究主要基于以下三個巖性，取得的樣品分別是閃長巖、二長巖和黑云母角閃閃長巖。巖石多呈似層狀或?qū)訝罴皬?fù)雜形態(tài)的巖株產(chǎn)出，是綦村鐵礦和邯邢式鐵礦的重要成礦母巖[15](圖1b)。該巖體是邯邢地區(qū)燕山期中性、中偏堿性侵入雜巖體中最北邊的一個巖體[16]，其周圍分布著大量的鐵礦，是邯邢式鐵礦的重要集中區(qū)。

圖1 南太行綦村巖體構(gòu)造位置及地質(zhì)簡圖Fig.1 Structural location and geological map of Qicun rock mass in South Taihang

2 綦村巖體地質(zhì)特征

綦村巖體主要由綦村、西蘇莊、柳溝村、趙冊、西毛村和白塔等侵入單元構(gòu)成。其巖石類型主要包括閃長巖、二長巖、黑云母角閃閃長巖、角閃閃長巖和閃長玢巖(圖1)。不同巖性的空間分布和侵入次序均不同，其中黑云母角閃閃長巖分布在綦村的北部西蘇莊侵入單元，閃長巖分布在綦村和綦村的西北部趙冊侵入單元，還有少量侵入于黑云母角閃閃長巖之中，角閃閃長巖分布在綦村南部西毛村侵入單元及侵入于在黑云母角閃閃長巖和閃長巖之中，二長巖分布在綦村的東部柳溝村及侵入于黑云母角閃閃長巖和角閃閃長巖之中，閃長玢巖主要分布在綦村南部的白塔侵入單元中。本次研究的巖性主要為閃長巖、二長巖和黑云母角閃閃長巖。通過空間分布和野外觀察認(rèn)為綦村巖體中不同巖性的侵入次序依次是黑云母角閃閃長巖、閃長巖和二長巖。

閃長巖(圖2a)是綦村巖體中的代表性侵入巖，塊狀構(gòu)造，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，呈灰色，主要由黑云母、輝石和斜長石組成；二長巖為塊狀構(gòu)造，二長結(jié)構(gòu)，淺灰色，主要由角閃石、黑云母、輝石、堿性長石和斜長石構(gòu)成，斑狀二長巖(圖2 b)與二長巖成分相同，只是具有似斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶是斜長石和鉀長石；黑云母角閃閃長巖(圖2c和圖2d)具塊狀構(gòu)造，似斑狀結(jié)構(gòu)，灰色，主要礦物為黑云母、角閃石和斜長石。

3 巖相學(xué)特征

輝石在綦村巖體的各種巖性中廣泛分布，其主要產(chǎn)出狀態(tài)有兩種，一種為與寄主巖石呈平衡狀態(tài)，沒有反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)(圖3b，d，f)，另一種為與寄主巖石之間不平衡，存在以角閃石為主的反應(yīng)邊(圖3a，c，e)。在閃長巖中部分輝石被角閃石所交代，有明顯的角閃石反應(yīng)邊(圖3a)；有些輝石是中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，粒徑大小是0.5 mm×0.7 mm～0.5 mm×1.2 mm，主要以自生晶形式存在，不發(fā)育反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)(圖3b)，與黑云母和磁鐵礦共生。在黑云母角閃閃長巖中黑云母大量存在，部分輝石顆粒具有明顯的角閃石的反應(yīng)邊(圖3c)；輝石主要以自生晶形式大量存在，粒徑大小是0.25 mm×0.5 mm～0.6 mm×1 mm(圖3d)。在二長巖中，多數(shù)輝石被角閃石交代，有明顯的反應(yīng)邊，分布較多且分散(圖3e)；部分輝石是自生礦物，以自生晶存在(圖3f),顆粒較大，粒徑大小約0.4 mm×0.5 mm～0.6 mm×0.8 mm。

(a)-閃長巖; (b)-斑狀二長巖；(c)-黑云母角閃閃長巖；(d)-黑云母角閃閃長巖

圖2 綦村巖體手標(biāo)本圖

Fig.2 HandspecimenmapofQicunrockmass

Px-輝石；Am-角閃石；Bt-黑云母；Mag-磁鐵礦；Pl-斜長石(a)-閃長巖，正交光；(b)-閃長巖，單偏光；(c)-黑云母角閃閃長巖，正交光;(d)-黑云母角閃閃長巖，單偏光；(e)-二長巖，正交光；(f)-二長巖，單偏光。圖3 輝石在各類巖性中的巖相學(xué)特征Fig.3 Petrographic Characteristics of Pyroxene in Various Lithologies

4 測試方法

對綦村巖體閃長巖、二長巖、黑云母角閃閃長巖不同類型巖石中的31個輝石顆粒進(jìn)行了詳細(xì)的電子探針分析，測試過程在河北區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成，儀器型號JEOLJXA-8230，測試時的加速電壓為15KV，樣品電流為20nA，束斑直徑5um。將通過電子探針分析獲得的輝石數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，該計算以6個氧原子為基礎(chǔ)計算出陽離子。根據(jù)各元素之間的相關(guān)性，結(jié)合輝石命名原則，計算了輝石各端員組分的含量。

5 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計算結(jié)果表明：閃長巖、黑云母角閃閃長巖和二長巖中單斜輝石w(SiO2)為51.21%～54.662%、50.207%～54.266%和52.426%～53.675%；w(Al2O3)0.298%～2.908%、0.541%～3.362%和0.364%～1.067%；w(CaO)21.162%～24.251%、21.181%～23.754%和21.946%～23.259%；w(Na2O)0.223%～0.864%、0.197%～0.908%和0.327%～0.545%；w(MgO) 12.774%～16.441%、11.719%～16.515%和12.864%～14.041%；w(FeO)5.272%～9.426%、6.144%～10.508%和8.343%～8.971%；w(TiO2)0.003%～0.3%、0.019%～0.373%和0.023%～0.137%。表1選取了綦村巖體中三種不同巖性典型樣品的數(shù)據(jù)。

表1 綦村巖體中輝石的成分特征(wB/%)

6 討論

6.1 輝石的分類

根據(jù)國際礦物協(xié)會對輝石種屬的劃分方法，采用Q-J圖(圖4)對輝石初步分類[17]，樣品均落于Ca-Mg-Fe單斜輝石系列內(nèi)，即樣品中所有輝石均是單斜輝石。將樣品全部投圖到Wo-En-Fs三端元(圖5)中[17]，進(jìn)一步對其更細(xì)地劃分，發(fā)現(xiàn)大部分是透輝石，還有少許是普通輝石。不同巖性中CaO的含量是21.181%～24.251%，平均值是22.68%，NaO的含量是0.197%～0.908%，平均值只有0.47%。Ca的含量遠(yuǎn)大于Na的含量，因此該巖體中的透輝石均是鈣質(zhì)輝石，屬于非堿性的暗色礦物[18]。

其中Q=Ca+Mg+Fe2+,J=2×Na圖4 綦村巖體不同類型巖石中輝石的Q-J圖(修改自底圖[17])Fig.4 Q-J Diagram of Pyroxene in Different Rocks of Qicun Rock Mass(modified after[17])

其中矽卡巖中輝石數(shù)據(jù)來源參考文獻(xiàn)[20]圖5 綦村巖體內(nèi)輝石的Wo-En-Fs圖解(修改自底圖[17])Fig.5 Wo-En-Fs Diagram of Pyroxene in Qicun Rock Mass(modified after[17])

6.2 輝石的成因與不同巖性之間輝石成分的對比

從圖5可以看出，不同巖性的輝石在巖漿中形成條件不同，一部分在700℃以下形成，另一部分形成于700℃～900℃之間。其中在黑云母角閃閃長巖中，在700℃以下是早期結(jié)晶后期被帶至地殼淺部形成的晶體，在800℃～900℃之間是溫度降低巖漿定位后形成的；在閃長巖中，一部分輝石是在700℃以下形成的晶體，一部分是700℃～800℃之間的晶體；對于二長巖，大部分輝石形成于700℃以下，有少量的在700℃～800℃之間結(jié)晶。通過圖5這三類巖石中的輝石與本區(qū)域矽卡巖中輝石成分的對比，可以看出它們與矽卡巖有一定的區(qū)別，由此可以推測綦村巖體中的輝石并非來自矽卡巖，即不是矽卡巖的捕擄體，而是在巖漿系統(tǒng)中早期結(jié)晶形成后期被帶至地殼淺部的晶體和在巖漿定位后形成的晶體。

圖6是利用不同巖性主要成分做的箱圖對比圖，其中在圖6(a)中，二長巖的FeO最小值是8.343%，最大值是8.971%，這組數(shù)據(jù)的極差是0.628%，也可以算出中位數(shù)大約是8.76%，第2四分位值和第3四分位值分別是8.33%和8.99%，同理也可以分別得到黑云母角閃閃長巖和閃長巖的值。經(jīng)過對比分析可以得出不同巖性中輝石的成分差異，其中在Al2O3、CaO和Na2O中(圖6c，e，f)含量相差不大，在TiO2中黑云母角閃閃長巖的含量略多于閃長巖和二長巖，在FeO(圖6a)和MgO(圖6b)中也表現(xiàn)出明顯的差異，其中黑云母角閃閃長巖的FeO和MgO的含量高于二長巖和閃長巖，證明黑云母角閃閃長巖中的輝石含量比閃長巖和二長巖的多，即黑云母角閃閃長巖中的Fe和Mg含量較多，顏色也較深。

二長巖的樣品6個，黑云母角閃閃長巖的樣品12個，閃長巖的樣品個數(shù)13個圖6 各巖性主要成分的箱圖對比(wB/%)Fig.6 Box Map Comparison of Main Lithological Components(wB/%)

6.3 綦村巖體的成因與演化

綦村巖體的成因與其母巖漿的成分有關(guān)，前人通過研究表明單斜輝石可以反映母巖漿的成分特征[20]。在綦村巖體中通過不同巖性中輝石的SiO2-Al2O3投圖(圖7)，綦村巖體的所有樣品都處于亞堿性區(qū)域，測試表明其母巖漿屬于亞堿性系列[21]。

圖7 單斜輝石SiO2-Al2O3 圖(修改自底圖[21])

通過詳細(xì)的巖相學(xué)的研究，輝石在不同巖性中均有反應(yīng)邊，這是因?yàn)檩x石與角閃石和斜長石等礦物在巖漿房中大量存在(圖8)，由于基性巖漿的侵入，兩種巖漿混合，其中一部分輝石與其寄主巖石發(fā)生了物理化學(xué)的不平衡，被角閃石所交代產(chǎn)生了角閃石的反應(yīng)邊，之后被混合后的巖漿攜帶至地殼淺部形成捕擄晶[22]；另一部分輝石是隨巖漿一起定位后形成的自生晶。輝石的這兩種結(jié)晶形式在綦村巖體的黑云母角閃閃長巖、閃長巖和二長巖等巖性中均有出現(xiàn)，其中本區(qū)的閃長巖中存在大量的斑狀結(jié)構(gòu)印證了巖漿在侵位前就發(fā)生了大規(guī)模的結(jié)晶分離作用[23]。

綦村巖體中各種暗色礦物廣泛分布的反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)和交代結(jié)構(gòu)表明，在整個巖漿演化的過程中幔源基性巖漿與殼源酸性巖漿發(fā)生過混合作用。二長巖和閃長巖中大量存在的太古代和古元古代的繼承鋯石亦表明，本區(qū)巖漿形成過程中殼幔物質(zhì)曾經(jīng)發(fā)生過廣泛的相互作用，都參與了巖漿演化過程與成礦作用[22]。而大量繼承輝石以及高壓條件下形成的角閃石斑晶表明，在深部巖漿房中曾經(jīng)發(fā)生過以輝石和角閃石為主的結(jié)晶分離作用。由于巖漿氧逸度較高[19]，形成的角閃石和輝石具有高鎂和低鐵的特征，從而導(dǎo)致鐵在熔體中相對富集。通過巖漿房中輝石和角閃石的結(jié)晶分離作用，F(xiàn)e元素和Mg元素分離，鎂相對富集到輝石和角閃石中形成高鎂閃長巖，而鐵更多地進(jìn)入熔體，隨著巖漿定位到達(dá)淺部，壓力降低，流體從巖漿系統(tǒng)中減壓出熔，并將鐵質(zhì)大量帶出，最終形成矽卡巖型鐵礦[19]。

圖8 綦村巖體成巖模型(修改自底圖[20])Fig.8 Diagenetic model of Qicun rock mass(modified after[20])

7 結(jié) 論

(1)由Wo-En-Fs三端元投圖可看出本區(qū)域中閃長巖和二長巖中的輝石都屬于透輝石，黑云母角閃閃長巖中的輝石一部分是透輝石，一部分是單斜輝石，但該區(qū)域中三種巖性的輝石Ca的含量都很高，均是鈣質(zhì)輝石。

(2)三種巖性的輝石在巖漿中形成條件不同，一部分在700℃以下形成，另一部分形成于700℃～900℃之間；將它們與本區(qū)域矽卡巖中輝石成分進(jìn)行對比，可以看出它們與矽卡巖有一定的區(qū)別，由此可以推測綦村巖體中的輝石并非來自矽卡巖，即不是矽卡巖的捕擄體。

(3)綦村巖體的母巖漿屬于亞堿性系列。通過研究巖漿的演化，得出輝石是以兩種形態(tài)賦存在本巖體的不同巖性中，一種是巖漿系統(tǒng)中早期被交代結(jié)晶形成的捕擄晶，之后被后期的巖漿攜帶至地殼淺部的，另一類是巖漿定位以后結(jié)晶的自生晶。