邯邢地區(qū)中生代角閃閃長(zhǎng)巖中角閃石的成因礦物學(xué)研究

李亞琦，張聚全，王琳萱，梁 賢，李 清，吳偉哲

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

華北克拉通巖石圈減薄的現(xiàn)象，一直是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者熱烈探討的焦點(diǎn)問(wèn)題，大量的研究表明華北克拉通的破壞主要發(fā)生在中生代[1-8]，但是對(duì)于華北克拉通的破壞機(jī)制一直存在著很多爭(zhēng)議，有的學(xué)者認(rèn)為熱侵蝕作用在破壞過(guò)程中占據(jù)了主導(dǎo)地位[9]；有的學(xué)者則認(rèn)為太平洋板塊向西俯沖是控制巖石圈減薄的關(guān)鍵[10]；還有的學(xué)者提出以拆沉作用為主的破壞機(jī)制[11]。邯邢地區(qū)位于華北克拉通的中部帶上，在中生代發(fā)生了強(qiáng)烈的巖漿作用，形成廣泛的侵入巖體并且伴有矽卡巖型鐵礦產(chǎn)出。邯邢地區(qū)高鎂閃長(zhǎng)巖呈現(xiàn)出高M(jìn)gO和K2O、富集LREEs、LILEs，虧損HREEs、HFSEs，較低的87Sr/86Sr以及εNd（t）的特征[12-16]，對(duì)華北克拉通破壞過(guò)程和機(jī)制的研究有著重要意義。角閃石作為南太行高鎂閃長(zhǎng)巖主要組成礦物，記錄了巖體形成時(shí)的物理化學(xué)條件信息，能夠在很大程度上約束巖漿作用過(guò)程和機(jī)制[17]。論文通過(guò)對(duì)角閃閃長(zhǎng)巖中的角閃石進(jìn)行成因礦物分析，計(jì)算其形成時(shí)的物理化學(xué)條件，探討了角閃閃長(zhǎng)巖的成因及其演化等問(wèn)題。

1 地質(zhì)背景

邯鄲—邢臺(tái)一帶位于中生代太行山構(gòu)造—巖漿活動(dòng)帶南部，其西北部為贊皇隆起，出露大量太古代—古元古代的變質(zhì)巖，主要巖性為太古代TTG和各類(lèi)片巖、片麻巖、大理巖等。在贊皇隆起邊緣為中元古代長(zhǎng)城紀(jì)的石英砂巖。寒武紀(jì)和早奧陶世的海相沉積地層分布于贊皇隆起邊緣和研究區(qū)的西南部涉縣到磁山之間，主要巖性為頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r。中部可見(jiàn)中奧陶世的頁(yè)巖和白云巖，東南部則主要為石炭—二疊紀(jì)的頁(yè)巖、灰?guī)r和煤層。其中，中奧陶世的碳酸鹽地層是侵入巖與鐵礦的主要圍巖（圖1）。

圖1 邯邢地區(qū)地質(zhì)區(qū)域圖（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）Fig.1 Han-Xing geological area map

研究區(qū)在中生代發(fā)生了強(qiáng)烈的巖漿作用，形成大量的中基性、堿性侵入體。據(jù)前人研究將研究區(qū)內(nèi)出露的侵入巖劃分出三個(gè)巖系，包括：角閃閃長(zhǎng)巖系、正長(zhǎng)巖系、二長(zhǎng)巖系[13-16]。按照巖漿巖的空間分布，大體可以分為東、中、西三個(gè)巖漿活動(dòng)帶。東部帶主要為洪山巖體，其主要由正長(zhǎng)巖系巖石構(gòu)成。中部帶自北東向南西方向分別是綦村巖體、礦山巖體、武安巖體和固鎮(zhèn)巖體，主要由二長(zhǎng)巖系和角閃閃長(zhǎng)巖系構(gòu)成。西部帶為符山巖體，其主要為角閃閃長(zhǎng)巖系構(gòu)成。

本次研究分別選取符山巖體、固鎮(zhèn)巖體和綦村巖體中代表性的角閃閃長(zhǎng)巖進(jìn)行研究。這些角閃閃長(zhǎng)巖顏色為灰黑色，自形—半自形結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物為角閃石以及斜長(zhǎng)石，副礦物為磁鐵礦、磷灰石、鋯石等。其中角閃石含量一般為50%左右，粒度多為1 mm×4 mm。對(duì)角閃石進(jìn)行顯微鏡下觀察（圖2），在單偏光鏡下多呈現(xiàn)淺褐色，多色性明顯，呈自形—半自形柱狀，常見(jiàn)環(huán)帶現(xiàn)象。

圖2 邯邢地區(qū)中生代角閃閃長(zhǎng)巖顯微特征Fig.2 Microscopic characteristics of Mesozoic hornblende diorite in the Han-Xing area

2 測(cè)試方法及結(jié)果

2.1 測(cè)試方法

分別選取南太行具有代表性的角閃閃長(zhǎng)巖樣品進(jìn)行測(cè)試分析，樣品號(hào)分別是：ST17-6（綦村）、ST17-17b（固鎮(zhèn)）、ST17-24c（符山）。測(cè)試數(shù)據(jù)中ST17-6-3b-1、ST17-17b-1、ST17-24c-1、ST17-24c-2、ST17-24c-3、ST17-24c-4角閃石的主要礦物成分在河北區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成，其余部分電子成分分析工作在河北地質(zhì)大學(xué)電子探針實(shí)驗(yàn)室完成。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的儀器型號(hào)和測(cè)試條件相同，儀器型號(hào)都是 JEOL JXA-8230，測(cè)試時(shí)的加速電壓皆為15 KV，樣品電流為20 nA，束斑直徑 5 um，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 （續(xù)）

表1 電子探針?lè)治龅慕情W石化學(xué)成分（wB/%）Table 1 Electron probe analysis of hornblende chemical composition （wB/%）

2.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示角閃石w（SiO2）為43.04%～52.25%，w（TiO2）為0.27%～1.40%，w（Al2O3）為2.63%～10.54%，w（FeO）為10.14%～14.18%，w（MnO）為0.07%～0.40%，w（MgO）為13.98%～17.30%，w（CaO）為11.14%～12.33%，w（Na2O）為0.55%～2.95%，w（K2O）為0.10%～0.75%，顯示出其富鎂、鐵、鈣，貧鉀、鈉的化學(xué)成分特征。且角閃石具備CaB =1.73～1.89，（Na + K）A =0.06 ～0.72的陽(yáng)離子特征，由此可確定其為鈣角閃石。依據(jù)國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)角閃石專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的命名原則，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的劃分（圖3a，3b），通過(guò)進(jìn)行投圖分析可知，研究區(qū)的角閃石主要為鎂角閃石，其次為鎂鈣閃石，分別有一個(gè)樣品落在陽(yáng)起石和淺閃石的分類(lèi)投圖區(qū)域。

圖3 邯邢地區(qū)中生代角閃閃長(zhǎng)巖角閃石成分分類(lèi)圖Fig.3 Classification diagram of hornblende of Mesozoic hornblende diorite in Han-Xing area

3 討論

3.1 角閃石形成條件

通過(guò)運(yùn)用礦物溫壓計(jì)，能夠?qū)情W石的物理化學(xué)條件進(jìn)行有效分析。本次研究主要采用Ridolfi等（2010）[19]建立的計(jì)算模型，依據(jù)角閃石礦物中的主要成分對(duì)氧逸度、含水量、溫度、壓強(qiáng)等條件進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示出研究區(qū)的角閃石結(jié)晶溫度為702.08°C～924.35°C，結(jié)晶時(shí)壓力為36.55 MPa～266.21 MPa，形成于低壓條件下，結(jié)晶時(shí)的氧逸度logfO2為-13.53～-9.78，平衡熔體含水為2.78%～5.73%（圖4a，4b，4c）。

圖4 角閃石溫度（a）壓力（c）及氧逸度（b）計(jì)算（a，b，c 底圖據(jù) Ridolfi［19］ ）Fig.4 Calculation of temperature（a） and pressure （c）and oxygen fugacity （b） for hornblende

由得出的數(shù)據(jù)可知存在兩個(gè)角閃石群體，第一部分的角閃石形成溫度為907.21°C～924.35°C，壓力為245.30 MPa～266.61 MPa，形成深度為9.26 km～10.05 km，溫度壓力相對(duì)較高，形成于深部，主要分布于綦村一帶。第二部分形成溫度為860.12°C～924.35°C，壓力為36.55 MPa～157.78 MPa，形成深度為1.38 km～5.96 km，溫度壓力相對(duì)較低，形成于淺部，主要分布在固鎮(zhèn)、符山一帶。依據(jù)以上信息可知，南太行地區(qū)沿著東北方向角閃石形成的侵位深度和結(jié)晶溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。

3.2 巖石成因

邯邢地區(qū)角閃閃長(zhǎng)巖具有高M(jìn)g、富集LREEs、LILEs，虧損HREEs、HFSEs，較低的87Sr/86Sr 以及εNd（t）的特征，對(duì)于南太行高鎂閃長(zhǎng)巖的成因問(wèn)題，近年來(lái)眾多學(xué)者提出自己的見(jiàn)解，有的學(xué)者認(rèn)為巖石形成是由于富集地幔受到地殼混染[20]；有的學(xué)者認(rèn)為其形成于幔源巖漿與殼源巖漿的熔融作用[21]；有的則認(rèn)為是地殼拆沉與上升的地幔發(fā)生熱侵蝕熔融形成[22]。通過(guò)已有數(shù)據(jù)對(duì)角閃石形成的巖漿來(lái)源進(jìn)行投圖（圖5），可以看出大部分的角閃石都落在殼?；煸瓷希倭繛闅ぴ椿蚴轻Ｔ?，這也證明了研究區(qū)的高鎂閃長(zhǎng)巖是由地幔巖漿與陸殼物質(zhì)發(fā)生混染作用形成。

圖5 邯邢地區(qū)中生代角閃閃長(zhǎng)巖角閃石巖漿來(lái)源圖（底圖據(jù) Jiang C Y 等［23］）Fig.5 Source map of hornblende Mesozoic hornblende diorite magma in Han-Xing area

對(duì)角閃石氧逸度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)Fe2+/（Fe2++Mg）與AlIV進(jìn)行投圖（圖6），表明研究區(qū)角閃石形成于高氧逸度的環(huán)境中，具有高鎂低鐵的特征，這也為鐵元素在殘余熔漿中富集形成氧化物提供了有利條件。結(jié)合鐵鎂元素與Al2O3協(xié)變圖（圖7）可知，鐵鎂元素的變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律性，隨著Al2O3含量的增加，鐵元素整體呈現(xiàn)先上升后下降，鎂元素與之相反呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。在邯邢地區(qū)高鎂閃長(zhǎng)巖形成過(guò)程中，中生代巖石圈減薄導(dǎo)致邯邢地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿作用，地幔橄欖巖部分熔融，在約10 km處的巖漿房?jī)?nèi)發(fā)生駐留，結(jié)晶分離作用形成角閃石，鎂元素較多地進(jìn)入角閃石，鐵元素更多地留在熔漿中。而后巖漿侵位到近地表，流體減壓出熔，鐵元素被流體帶出與碳酸鹽地層發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生矽卡巖化，并以氧化物的形式富集成礦。因此，高氧逸度的條件導(dǎo)致南太行地區(qū)中生代的巖漿在演化過(guò)程中鎂元素在角閃石中富集形成高鎂閃長(zhǎng)巖，鐵質(zhì)隨流體出熔形成矽卡巖型鐵礦。

圖6 邯邢地區(qū)角閃石氧逸度判別圖［24］Fig.6 Identification of hornblende oxygen fugacity in Han-Xing area

圖7 鐵鎂元素協(xié)變圖Fig.7 Iron-magnesium element covariation map

4 結(jié)論

（1）邯邢地區(qū)高鎂角閃閃長(zhǎng)巖中角閃石的結(jié)晶溫度為702.08°C～924.35°C，結(jié)晶時(shí)壓力為36.55 MPa～266.21 MPa，結(jié)晶時(shí)的氧逸度logfO2為-13.53～-9.78，平衡熔體含水為2.78%～5.73%。

（2）邯邢地區(qū)角閃石形成的高氧逸度條件為高鎂閃長(zhǎng)巖以及矽卡巖式鐵礦的形成提供了有利條件。

（3）邯邢地區(qū)高鎂角閃閃長(zhǎng)巖形成于幔源基性巖漿向上侵位的過(guò)程中，與下地殼物質(zhì)發(fā)生混染，并經(jīng)歷角閃石的結(jié)晶分離作用形成。