邯邢地区中生代角闪闪长岩中角闪石的成因矿物学研究

2021-08-11李亚琦张聚全王琳萱吴伟哲

河北地质大学学报 2021年3期

李亚琦，张聚全，王琳萱，梁贤，李清，吴伟哲

河北地质大学资源学院，河北石家庄 050031

华北克拉通岩石圈减薄的现象，一直是近年来国内外学者热烈探讨的焦点问题，大量的研究表明华北克拉通的破坏主要发生在中生代[1-8]，但是对于华北克拉通的破坏机制一直存在着很多争议，有的学者认为热侵蚀作用在破坏过程中占据了主导地位[9]；有的学者则认为太平洋板块向西俯冲是控制岩石圈减薄的关键[10]；还有的学者提出以拆沉作用为主的破坏机制[11]。邯邢地区位于华北克拉通的中部带上，在中生代发生了强烈的岩浆作用，形成广泛的侵入岩体并且伴有矽卡岩型铁矿产出。邯邢地区高镁闪长岩呈现出高MgO和K2O、富集LREEs、LILEs，亏损HREEs、HFSEs，较低的87Sr/86Sr以及εNd（t）的特征[12-16]，对华北克拉通破坏过程和机制的研究有着重要意义。角闪石作为南太行高镁闪长岩主要组成矿物，记录了岩体形成时的物理化学条件信息，能够在很大程度上约束岩浆作用过程和机制[17]。论文通过对角闪闪长岩中的角闪石进行成因矿物分析，计算其形成时的物理化学条件，探讨了角闪闪长岩的成因及其演化等问题。

1 地质背景

邯郸—邢台一带位于中生代太行山构造—岩浆活动带南部，其西北部为赞皇隆起，出露大量太古代—古元古代的变质岩，主要岩性为太古代TTG和各类片岩、片麻岩、大理岩等。在赞皇隆起边缘为中元古代长城纪的石英砂岩。寒武纪和早奥陶世的海相沉积地层分布于赞皇隆起边缘和研究区的西南部涉县到磁山之间，主要岩性为页岩、砂岩、灰岩。中部可见中奥陶世的页岩和白云岩，东南部则主要为石炭—二叠纪的页岩、灰岩和煤层。其中，中奥陶世的碳酸盐地层是侵入岩与铁矿的主要围岩（图1）。

图1 邯邢地区地质区域图（据文献[18]修改）Fig.1 Han-Xing geological area map

研究区在中生代发生了强烈的岩浆作用，形成大量的中基性、碱性侵入体。据前人研究将研究区内出露的侵入岩划分出三个岩系，包括：角闪闪长岩系、正长岩系、二长岩系[13-16]。按照岩浆岩的空间分布，大体可以分为东、中、西三个岩浆活动带。东部带主要为洪山岩体，其主要由正长岩系岩石构成。中部带自北东向南西方向分别是綦村岩体、矿山岩体、武安岩体和固镇岩体，主要由二长岩系和角闪闪长岩系构成。西部带为符山岩体，其主要为角闪闪长岩系构成。

本次研究分别选取符山岩体、固镇岩体和綦村岩体中代表性的角闪闪长岩进行研究。这些角闪闪长岩颜色为灰黑色，自形—半自形结构，块状构造，主要矿物为角闪石以及斜长石，副矿物为磁铁矿、磷灰石、锆石等。其中角闪石含量一般为50%左右，粒度多为1 mm×4 mm。对角闪石进行显微镜下观察（图2），在单偏光镜下多呈现浅褐色，多色性明显，呈自形—半自形柱状，常见环带现象。

图2 邯邢地区中生代角闪闪长岩显微特征Fig.2 Microscopic characteristics of Mesozoic hornblende diorite in the Han-Xing area

2 测试方法及结果

2.1 测试方法

分别选取南太行具有代表性的角闪闪长岩样品进行测试分析，样品号分别是：ST17-6（綦村）、ST17-17b（固镇）、ST17-24c（符山）。测试数据中ST17-6-3b-1、ST17-17b-1、ST17-24c-1、ST17-24c-2、ST17-24c-3、ST17-24c-4角闪石的主要矿物成分在河北区域地质调查研究所完成，其余部分电子成分分析工作在河北地质大学电子探针实验室完成。两个实验室的仪器型号和测试条件相同，仪器型号都是 JEOL JXA-8230，测试时的加速电压皆为15 KV，样品电流为20 nA，束斑直径 5 um，分析结果见表1。

表1 （续）

表1 电子探针分析的角闪石化学成分（wB/%）Table 1 Electron probe analysis of hornblende chemical composition （wB/%）

2.2 测试结果

测试结果显示角闪石w（SiO2）为43.04%～52.25%，w（TiO2）为0.27%～1.40%，w（Al2O3）为2.63%～10.54%，w（FeO）为10.14%～14.18%，w（MnO）为0.07%～0.40%，w（MgO）为13.98%～17.30%，w（CaO）为11.14%～12.33%，w（Na2O）为0.55%～2.95%，w（K2O）为0.10%～0.75%，显示出其富镁、铁、钙，贫钾、钠的化学成分特征。且角闪石具备CaB =1.73～1.89，（Na + K）A =0.06 ～0.72的阳离子特征，由此可确定其为钙角闪石。依据国际矿物学协会角闪石专业委员会的命名原则，对其进行进一步的划分（图3a，3b），通过进行投图分析可知，研究区的角闪石主要为镁角闪石，其次为镁钙闪石，分别有一个样品落在阳起石和浅闪石的分类投图区域。

图3 邯邢地区中生代角闪闪长岩角闪石成分分类图Fig.3 Classification diagram of hornblende of Mesozoic hornblende diorite in Han-Xing area

3 讨论

3.1 角闪石形成条件

通过运用矿物温压计，能够对角闪石的物理化学条件进行有效分析。本次研究主要采用Ridolfi等（2010）[19]建立的计算模型，依据角闪石矿物中的主要成分对氧逸度、含水量、温度、压强等条件进行计算。结果显示出研究区的角闪石结晶温度为702.08°C～924.35°C，结晶时压力为36.55 MPa～266.21 MPa，形成于低压条件下，结晶时的氧逸度logfO2为-13.53～-9.78，平衡熔体含水为2.78%～5.73%（图4a，4b，4c）。

图4 角闪石温度（a）压力（c）及氧逸度（b）计算（a，b，c 底图据 Ridolfi［19］）Fig.4 Calculation of temperature（a） and pressure （c）and oxygen fugacity （b） for hornblende

由得出的数据可知存在两个角闪石群体，第一部分的角闪石形成温度为907.21°C～924.35°C，压力为245.30 MPa～266.61 MPa，形成深度为9.26 km～10.05 km，温度压力相对较高，形成于深部，主要分布于綦村一带。第二部分形成温度为860.12°C～924.35°C，压力为36.55 MPa～157.78 MPa，形成深度为1.38 km～5.96 km，温度压力相对较低，形成于浅部，主要分布在固镇、符山一带。依据以上信息可知，南太行地区沿着东北方向角闪石形成的侵位深度和结晶温度呈现逐渐升高的趋势。

3.2 岩石成因

邯邢地区角闪闪长岩具有高Mg、富集LREEs、LILEs，亏损HREEs、HFSEs，较低的87Sr/86Sr 以及εNd（t）的特征，对于南太行高镁闪长岩的成因问题，近年来众多学者提出自己的见解，有的学者认为岩石形成是由于富集地幔受到地壳混染[20]；有的学者认为其形成于幔源岩浆与壳源岩浆的熔融作用[21]；有的则认为是地壳拆沉与上升的地幔发生热侵蚀熔融形成[22]。通过已有数据对角闪石形成的岩浆来源进行投图（图5），可以看出大部分的角闪石都落在壳幔混源上，少量为壳源或是幔源，这也证明了研究区的高镁闪长岩是由地幔岩浆与陆壳物质发生混染作用形成。

图5 邯邢地区中生代角闪闪长岩角闪石岩浆来源图（底图据 Jiang C Y 等［23］）Fig.5 Source map of hornblende Mesozoic hornblende diorite magma in Han-Xing area

对角闪石氧逸度进行计算，通过对Fe2+/（Fe2++Mg）与AlIV进行投图（图6），表明研究区角闪石形成于高氧逸度的环境中，具有高镁低铁的特征，这也为铁元素在残余熔浆中富集形成氧化物提供了有利条件。结合铁镁元素与Al2O3协变图（图7）可知，铁镁元素的变化呈现出一定规律性，随着Al2O3含量的增加，铁元素整体呈现先上升后下降，镁元素与之相反呈现先下降后上升的趋势。在邯邢地区高镁闪长岩形成过程中，中生代岩石圈减薄导致邯邢地区发生强烈的岩浆作用，地幔橄榄岩部分熔融，在约10 km处的岩浆房内发生驻留，结晶分离作用形成角闪石，镁元素较多地进入角闪石，铁元素更多地留在熔浆中。而后岩浆侵位到近地表，流体减压出熔，铁元素被流体带出与碳酸盐地层发生反应，发生矽卡岩化，并以氧化物的形式富集成矿。因此，高氧逸度的条件导致南太行地区中生代的岩浆在演化过程中镁元素在角闪石中富集形成高镁闪长岩，铁质随流体出熔形成矽卡岩型铁矿。