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(dòng)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(chēng)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(lái)，對(duì)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(lái)源[7-11]的角度進(jìn)行研究，缺乏對(duì)巖漿過(guò)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(duì)邯邢地區(qū)的綦村巖體中黑云母角閃閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖三種主要巖石類(lèi)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖、二長(zhǎng)巖、角閃閃長(zhǎng)巖以及黑云母角閃閃長(zhǎng)巖，通過(guò)野外取樣，研究主要基于以下三個(gè)巖性，取得的樣品分別是閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖和黑云母角閃閃長(zhǎng)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(gè)巖體[16]，其周?chē)植贾罅康蔫F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(jiǎn)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(cè)、西毛村和白塔等侵入單元構(gòu)成。其巖石類(lèi)型主要包括閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖、黑云母角閃閃長(zhǎng)巖、角閃閃長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)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(zhǎng)巖分布在綦村的北部西蘇莊侵入單元，閃長(zhǎng)巖分布在綦村和綦村的西北部趙冊(cè)侵入單元，還有少量侵入于黑云母角閃閃長(zhǎng)巖之中，角閃閃長(zhǎng)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(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖之中，二長(zhǎng)巖分布在綦村的東部柳溝村及侵入于黑云母角閃閃長(zhǎng)巖和角閃閃長(zhǎng)巖之中，閃長(zhǎng)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(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖和黑云母角閃閃長(zhǎng)巖。通過(guò)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(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖。

閃長(zhǎng)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(zhǎng)石組成；二長(zhǎng)巖為塊狀構(gòu)造，二長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，淺灰色，主要由角閃石、黑云母、輝石、堿性長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石構(gòu)成，斑狀二長(zhǎng)巖(圖2 b)與二長(zhǎng)巖成分相同，只是具有似斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶是斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石；黑云母角閃閃長(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)巖; (b)-斑狀二長(zhǎng)巖；(c)-黑云母角閃閃長(zhǎng)巖；(d)-黑云母角閃閃長(zhǎng)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(zhǎng)石(a)-閃長(zhǎng)巖，正交光；(b)-閃長(zhǎng)巖，單偏光；(c)-黑云母角閃閃長(zhǎng)巖，正交光;(d)-黑云母角閃閃長(zhǎng)巖，單偏光；(e)-二長(zhǎng)巖，正交光；(f)-二長(zhǎng)巖，單偏光。圖3 輝石在各類(lèi)巖性中的巖相學(xué)特征Fig.3 Petrographic Characteristics of Pyroxene in Various Lithologies

4 測(cè)試方法

對(duì)綦村巖體閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)巖、黑云母角閃閃長(zhǎng)巖不同類(lèi)型巖石中的31個(gè)輝石顆粒進(jìn)行了詳細(xì)的電子探針?lè)治觯瑴y(cè)試過(guò)程在河北區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成，儀器型號(hào)JEOLJXA-8230，測(cè)試時(shí)的加速電壓為15KV，樣品電流為20nA，束斑直徑5um。將通過(guò)電子探針?lè)治霁@得的輝石數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算以6個(gè)氧原子為基礎(chǔ)計(jì)算出陽(yáng)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(jì)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(jì)算結(jié)果表明：閃長(zhǎng)巖、黑云母角閃閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)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(lèi)

根據(jù)國(guó)際礦物協(xié)會(huì)對(duì)輝石種屬的劃分方法，采用Q-J圖(圖4)對(duì)輝石初步分類(lèi)[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(duì)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(lèi)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(lái)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于二長(zhǎng)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(guò)圖5這三類(lèi)巖石中的輝石與本區(qū)域矽卡巖中輝石成分的對(duì)比，可以看出它們與矽卡巖有一定的區(qū)別，由此可以推測(cè)綦村巖體中的輝石并非來(lái)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(duì)比圖，其中在圖6(a)中，二長(zhǎng)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(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖的值。經(jīng)過(guò)對(duì)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(zhǎng)巖的含量略多于閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)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(zhǎng)巖的FeO和MgO的含量高于二長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖，證明黑云母角閃閃長(zhǎng)巖中的輝石含量比閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖的多，即黑云母角閃閃長(zhǎng)巖中的Fe和Mg含量較多，顏色也較深。

二長(zhǎng)巖的樣品6個(gè)，黑云母角閃閃長(zhǎng)巖的樣品12個(gè)，閃長(zhǎng)巖的樣品個(gè)數(shù)13個(gè)圖6 各巖性主要成分的箱圖對(duì)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖等巖性中均有出現(xiàn)，其中本區(qū)的閃長(zhǎng)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(gè)巖漿演化的過(guò)程中幔源基性巖漿與殼源酸性巖漿發(fā)生過(guò)混合作用。二長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)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(guò)程中殼幔物質(zhì)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)廣泛的相互作用，都參與了巖漿演化過(guò)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(guò)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(duì)富集。通過(guò)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(duì)富集到輝石和角閃石中形成高鎂閃長(zhǎng)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(zhǎng)巖和二長(zhǎng)巖中的輝石都屬于透輝石，黑云母角閃閃長(zhǎng)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(duì)比，可以看出它們與矽卡巖有一定的區(qū)別，由此可以推測(cè)綦村巖體中的輝石并非來(lái)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(guò)研究巖漿的演化，得出輝石是以?xún)煞N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(lèi)是巖漿定位以后結(jié)晶的自生晶。