黑云母溫壓計在巖漿系統(tǒng)中的適用性研究

李 清，梁 賢，吳偉哲，金雅楠，范琳琳，白富生，李 賓，張聚全

1.河北地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050081

0 引 言

地質(zhì)溫壓計和氧逸度是巖石物理化學(xué)的重要參數(shù)，很多的學(xué)者圍繞它們做了許多研究[1-7]。但是，適用于巖漿過程研究的礦物溫壓計較少，這些年來基于角閃石和黑云母成分的礦物溫壓計研究取得一定的進展，并且在巖漿作用與成礦的研究中得到較好的應(yīng)用[7]。角閃石全鋁壓力計廣泛應(yīng)用于鈣堿性花崗巖，但是不適合中基性巖漿巖[8]。Ridolfi[9]等指出傳統(tǒng)的角閃石全鋁壓力計對結(jié)晶壓力計算會存在280 MPa的誤差。經(jīng)過這些年許多學(xué)者的研究，通過對角閃石溫度的計算也更加的成熟，普遍被大多數(shù)人應(yīng)用于角閃石的溫度計算中[10-11]。Uchida[12]研究也表明，黑云母中的全鋁含量和花崗巖的固結(jié)壓力具有很好的正相關(guān)性，可以作為壓力計使用。目前，在巖漿巖中被廣泛使用的黑云母溫度計最初是基于變質(zhì)作用建立的[13]，其是否可以應(yīng)用于巖漿系統(tǒng)的溫度計算一直沒有專門的研究與討論。這篇文章以冀南邯邢地區(qū)綦村巖體不同巖性中共生的角閃石和黑云母為研究對象，通過角閃石和黑云母兩種礦物溫壓計、氧逸度計的計算，對比了兩者結(jié)果的差異，討論了黑云母溫度計在巖漿巖中應(yīng)用的適用性問題。

1 地質(zhì)背景

邯邢地區(qū)位于河北省太行山南段，大地構(gòu)造位置屬于華北克拉通中部帶，中生代太行山構(gòu)造活動帶南端[14]，受到來自西北方向贊皇隆起的作用，區(qū)內(nèi)地層關(guān)系自西向東由老變新依次為：太古代贊皇群，中元古代長城系，寒武系，奧陶系，石炭系，三疊系以及新生代沉積物。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動較為復(fù)雜，多出現(xiàn)強烈的斷裂，褶皺次之。羅照華等[14]研究顯示，太行山中生代侵入巖年齡為80～180 Ma，其侵入體自西向東可分為：西部符山巖體，中部綦村巖體、礦山巖體、武安巖體、固鎮(zhèn)巖體，東部的新城巖體、洪山巖體、白沙巖體，此次研究所采集的樣品就屬于綦村巖體。綦村巖體位于邯邢地區(qū)北部，東西經(jīng)過柳溝和賈莊，南北過馬莊與大沙河，其面積大約40 km2，主要的巖性有斑狀黑云母角閃閃長巖，斑狀角閃閃長巖，閃長巖和二長巖，另外還有少許閃長玢巖(圖1)。綦村巖體本是屬于燕山期的一套中性-中偏堿性的中淺成相巖石，是由深部作用多期次侵入形成的似層狀侵入體，最先侵位的要屬偏基性且暗色礦物含量較多的黑云母角閃閃長巖和角閃閃長巖，黑云母閃長巖其后，最后就是二長巖侵位前者之中[15]。

2 樣品描述與分析方法

2.1 巖相學(xué)特征

筆者一共選用了8個樣品進行分析，其巖性分別為黑云母閃長巖、黑云母角閃閃長巖、斑狀黑云母閃長巖。

樣品ST17-1-1d巖性為黑云母閃長巖，灰色，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石和斜長石，次要礦物有黑云母和輝石。斜長石含量約70%，呈板狀，顆粒大小為0.1×0.1 mm～1×1 mm，并且大量的斜長石被絹云母化；角閃石含量約20%，呈綠色長柱狀晶體，顆粒大小約0.1×0.25 mm～0.5×1 mm，角閃石綠泥石化與黑云母共生(圖2c、d)；黑云母為黑色短柱狀，含量約5%，顆粒大小為0.25×0.75 mm～0.5×1.5 mm。

樣品ST17-1-2a巖性為黑云母角閃閃長巖，灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有角閃石和斜長石，次要礦物為黑云母和輝石、石英，斜長石含量約60%，板狀，顆粒大小約0.1×0.25 mm～0.75×1 mm；角閃石含量約20%，顆粒大小為0.2×0.3 mm～2.5×6.5 mm(圖2a、b)；黑云母被角閃石所包含，含量約為15%，顆粒大小為0.05×0.1～0.5×1.5 mm。

樣品ST17-2-1a巖性為斑狀黑云母閃長巖，灰黑色，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有斜長石、角閃石、輝石和黑云母，斜長石為白色板狀顆粒，含量約60%，顆粒大小約為0.05×0.1 mm～0.5×1.5 mm，發(fā)生絹云母化，蝕變嚴重；角閃石含量約20%，綠色長柱狀斑晶，顆粒大小為0.25×0.5 mm～1.5×8 mm，大多被黑云母取代；輝石含量10%，黑色短柱狀，顆粒大小約0.25×0.25 mm～1.5×3 mm；黑云母含量較少，不到10%，與其他礦物發(fā)生交代反應(yīng)，顆粒大小約0.5×1 mm～0.5×1.5 mm。

2.2 分析方法

筆者對于綦村巖體的實驗數(shù)據(jù)測試是在河北地質(zhì)大學(xué)電子探針實驗室進行，儀器的型號為JEOL-JXA-8230，具體的工作環(huán)境為：加速電壓15 KV，探針電流為20 nA，束斑的直徑為5 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 黑云母化學(xué)成分及其溫度、壓力、氧逸度計算

黑云母是研究區(qū)黑云角閃閃長巖的重要暗色礦物，含量約為10%，常與角閃石共生并交代角閃石邊部，部分礦物會發(fā)生輕微蝕變。黑云母的化學(xué)成分能夠有效的指示巖石類型、巖漿起源以及成巖過程的物理化學(xué)條件[17]。筆者對樣品中的黑云母電子探針數(shù)據(jù)(表略，備索)分析，主要表現(xiàn)為SiO2含量34.6%～38.2%，TiO2含量為2.1%～4.2%，Al2O3含量約12.6%～15.2%，F(xiàn)eO含量為11.5%～19.1%，MnO含量0.04%～0.33%，MgO含量為11.5%～17.3%，Na2O含量為0.09%～0.70%，K2O含量為8.9%～9.8%，在黑云母分類圖解中(圖3a)，顯示黑云母全部落于鎂質(zhì)黑云母區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可得，綦村巖體的樣品中黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)比值在0.24%～0.43之間，表明黑云母并未遭受后期流體的改造，屬于原生黑云母[18]。

圖1 綦村巖體地質(zhì)圖(據(jù)Deng等[16]改)Fig.1 Geological map of Qicun rock mass

a-單偏光顯微鏡下黑云母角閃閃長巖中黑云母包含于角閃石中；b-正交顯微鏡下黑云母角閃閃長巖中黑云母包含于角閃石中；c-單偏光鏡下黑云母閃長巖中黑云母交代部分角閃石；d-正交顯微鏡下黑云母閃長巖中黑云母交代部分角閃石。Amp-角閃石；Bt-黑云母圖2 綦村巖體鏡下特征及黑云母與角閃石的關(guān)系Fig.2 The microscopic characteristics of Qicun rock mass andthe relationship between biotite and amphiboles

在此次樣品中，對于黑云母的電子探針數(shù)據(jù)分析，繪制Mg/(Mg+Fe)—Ti圖表(圖3b)，得出黑云母的形成溫度大約為660～750℃，平均溫度為705℃。由Etsuo等[19]研究表明，黑云母中的全鋁含量同花崗巖的固結(jié)壓力具有很好的正相關(guān)性，其關(guān)系式如下：P(kbar)=3.03×AlT-6.53(± 0.33)。其中，AlT是指在以22個氧原子為基礎(chǔ)計算出的黑云母中鋁陽離子總數(shù)。由上可知，經(jīng)過這公式計算得出黑云母的形成壓力為0.3～1.6 kbar，也就是30～160 MPa。在黑云母當(dāng)中，利用其化學(xué)成分進行氧逸度分析，基于黑云母的Fe3+和Fe2+的相對含量估算，從黑云母的Fe3+—Fe2+—Mg2+圖解中(圖3d)，可以看到落點都位于NNO和HM緩沖線之間，并且更接近NNO緩沖線，說明黑云母是在較高的氧逸度條件下形成的。根據(jù)Anderson等[20]的研究，F(xiàn)e/(Fe+Mg)—Al圖解也能對黑云母的氧逸度進行估算，大量的研究表明，F(xiàn)e/(Fe+Mg)主要受到lgfo2控制，兩者呈負相關(guān)，不受全巖的Fe/Mg比值影響[21]。在Fe/(Fe+Mg)—Al圖解，綦村巖體的樣品氧逸度皆位于△FMQ+1到△FMQ+3之間。

圖3 a-黑云母分類圖解(底圖據(jù)文獻[22])；b-黑云母溫度計算(底圖據(jù)文獻[13])；c-黑云母Fe/(Fe+Mg)—Al圖解(底圖據(jù)文獻[21])；d-黑云母Fe3+—Fe2+—Mg2+圖解(底圖據(jù)文獻[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 角閃石化學(xué)成分及其溫度、壓力、氧逸度計算

角閃石是綦村黑云母角閃閃長巖主要的造巖礦物之一，其自形程度較高，多呈斑晶出現(xiàn)，形狀為長柱狀，粒徑2～5 mm。角閃石含磁鐵礦、黑云母等礦物顆粒，常與黑云母共生，本次樣品中就有部分角閃石的邊部被黑云母交代發(fā)育。

筆者對樣品中的角閃石電子探針數(shù)據(jù)分析(表2)，CaB在1.7～1.9之間，(Na+K)A在0.19～0.29之間，Ti<0.50，通過Leake等[24]對角閃石進行分類(圖4)，角閃石投點位于鎂角閃石以及陽起石，這樣品取的是黑云母角閃閃長巖角閃石斑晶的邊部，屬于第二期的角閃石。

角閃石的Al2O3和TiO2含量隨溫度和壓力同時變化的曲線特征可用來大致估算其結(jié)晶時的溫壓條件[25]。通過數(shù)據(jù)可以看出，其角閃石Al2O3含量為1.4%～5.2%，TiO2含量為0.1%～1.2%。Ridolfi等[10]通過準確的實驗數(shù)據(jù)分析，建立一種新的地質(zhì)溫壓計，此溫壓計估算的結(jié)果顯示，該樣品角閃石處于相對低溫低壓的環(huán)境形成，溫度為680～780℃，壓力為27～68 MPa(圖5)，其fO2為ΔNNO+1.8～+3.7(圖6)。

3.3 計算結(jié)果對比

楊陽[27]對膠東地區(qū)不同期次形成的花崗巖進行的物理化學(xué)條件研究，以及Zhang等[28]對邯邢高鎂閃長巖的計算，表明角閃石的溫壓計確實能夠適用于巖漿巖，而且其結(jié)果也是不存在爭議的。因此可以通過對比黑云母和角閃石的溫壓計算結(jié)果，驗證黑云母的可靠性。

圖4 角閃石成分特征(底圖據(jù)文獻[24])Fig.4 Composition characteristics of amphiboles

圖5 角閃石溫度壓力計算(底圖據(jù)文獻[10])Fig.5 Calculation of temperature and pressure of amphiboles

圖6 角閃石氧逸度計算(a底圖據(jù)文獻[26];b底圖據(jù)文獻[10])Fig.6 Calculation of oxygen fugacity of amphiboles

經(jīng)過以上一系列的研究分析，我們計算出了黑云母和角閃石它們各自的溫度、壓力以及氧逸度情況，并進行了對比(圖7)。從圖中可以看出同一樣品，黑云母和角閃石計算的溫度大致上是一樣的，通過黑云母計算得出的溫度值與角閃石計算的溫度值相差不大，其差值總體在2～5℃以內(nèi)。這表明黑云母溫度計計算結(jié)果是穩(wěn)定可靠的，能夠應(yīng)用于巖漿系統(tǒng)。

圖7 角閃石與黑云母溫度對比圖

壓力的計算結(jié)果顯示黑云母和角閃石是在低壓的環(huán)境下形成的，各個樣品得到的黑云母和角閃石計算結(jié)果差別還是挺大的(圖8)。樣品ST17-1-1d角閃石計算的壓力平均為52 MPa，黑云母計算的壓力平均為120 MPa；樣品ST17-1-2a中，角閃石的計算壓力中值為45 MPa，而黑云母計算得壓力值為93 MPa；樣品ST17-1-4a角閃石計算的壓力平均為48 MPa，黑云母計算的壓力結(jié)果為47 MPa；樣品ST17-2-1a中角閃石計算的壓力為34 MPa，而黑云母計算的壓力平均為87 MPa；樣品ST17-6-2a中，角閃石計算的壓力平均為28 MPa，黑云母的計算壓力值為95 MPa。不難看出，通過黑云母計算得出的結(jié)果要比角閃石計算的結(jié)果大得多，且是角閃石計算結(jié)果的2～3倍。另外角閃石與黑云母本身就處于低壓的環(huán)境，所以黑云母的壓力計與角閃石壓力計存在一定的差別。

黑云母和角閃石的氧逸度結(jié)果顯示，黑云母的投點都落在NNO緩沖線之上，在HM與NNO緩沖線之間(圖3d)，根據(jù)黑云母的Fe/(Fe+Mg)—Al圖解，可以看出黑云母的氧逸度為ΔFMQ+1～ΔFMQ+3。而角閃石的氧逸度fo2為ΔNNO+1.8～+3.7(圖6b)，ΔFMQ+2.5～ΔFMQ+4.5，它們均是在高氧逸度條件下形成的，并且它們的氧逸度ΔFMQ值比較接近，故而可以認為黑云母和角閃石的氧逸度計算結(jié)果是正確的。

圖8 角閃石與黑云母的壓力對比圖

4 結(jié) 論

(1)通過黑云母和角閃石兩種礦物的分析，在黑云母的溫度計算結(jié)果相差不大，說明黑云母的壓力計不僅可以在變質(zhì)巖中使用，同時也適用于巖漿巖；

(2)在氧逸度的估算過程中，黑云母與角閃石的結(jié)果接近，表明兩者計算結(jié)果都是有效的；

(3)在低壓的條件下，黑云母的壓力計算結(jié)果要遠高于角閃石的壓力結(jié)果，所以黑云母和角閃石的壓力計存在一定的適用條件。

【致謝：衷心感謝河北地質(zhì)大學(xué)提供的電子探針實驗室，以及老師的悉心指導(dǎo)和審稿專家們的寶貴意見。】