邯邢地區中生代角閃閃長巖中角閃石的成因礦物學研究

李亞琦，張聚全，王琳萱，梁 賢，李 清，吳偉哲

河北地質大學 資源學院，河北 石家莊 050031

華北克拉通巖石圈減薄的現象，一直是近年來國內外學者熱烈探討的焦點問題，大量的研究表明華北克拉通的破壞主要發生在中生代[1-8]，但是對于華北克拉通的破壞機制一直存在著很多爭議，有的學者認為熱侵蝕作用在破壞過程中占據了主導地位[9]；有的學者則認為太平洋板塊向西俯沖是控制巖石圈減薄的關鍵[10]；還有的學者提出以拆沉作用為主的破壞機制[11]。邯邢地區位于華北克拉通的中部帶上，在中生代發生了強烈的巖漿作用，形成廣泛的侵入巖體并且伴有矽卡巖型鐵礦產出。邯邢地區高鎂閃長巖呈現出高MgO和K2O、富集LREEs、LILEs，虧損HREEs、HFSEs，較低的87Sr/86Sr以及εNd（t）的特征[12-16]，對華北克拉通破壞過程和機制的研究有著重要意義。角閃石作為南太行高鎂閃長巖主要組成礦物，記錄了巖體形成時的物理化學條件信息，能夠在很大程度上約束巖漿作用過程和機制[17]。論文通過對角閃閃長巖中的角閃石進行成因礦物分析，計算其形成時的物理化學條件，探討了角閃閃長巖的成因及其演化等問題。

1 地質背景

邯鄲—邢臺一帶位于中生代太行山構造—巖漿活動帶南部，其西北部為贊皇隆起，出露大量太古代—古元古代的變質巖，主要巖性為太古代TTG和各類片巖、片麻巖、大理巖等。在贊皇隆起邊緣為中元古代長城紀的石英砂巖。寒武紀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的西南部涉縣到磁山之間，主要巖性為頁巖、砂巖、灰巖。中部可見中奧陶世的頁巖和白云巖，東南部則主要為石炭—二疊紀的頁巖、灰巖和煤層。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 邯邢地區地質區域圖（據文獻[18]修改）Fig.1 Han-Xing geological area map

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

本次研究分別選取符山巖體、固鎮巖體和綦村巖體中代表性的角閃閃長巖進行研究。這些角閃閃長巖顏色為灰黑色，自形—半自形結構，塊狀構造，主要礦物為角閃石以及斜長石，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。對角閃石進行顯微鏡下觀察（圖2），在單偏光鏡下多呈現淺褐色，多色性明顯，呈自形—半自形柱狀，常見環帶現象。

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

2 測試方法及結果

2.1 測試方法

分別選取南太行具有代表性的角閃閃長巖樣品進行測試分析，樣品號分別是：ST17-6（綦村）、ST17-17b（固鎮）、ST17-24c（符山）。測試數據中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域地質調查研究所完成，其余部分電子成分分析工作在河北地質大學電子探針實驗室完成。兩個實驗室的儀器型號和測試條件相同，儀器型號都是 JEOL JXA-8230，測試時的加速電壓皆為15 KV，樣品電流為20 nA，束斑直徑 5 um，分析結果見表1。

表1 （續）

表1 電子探針分析的角閃石化學成分（wB/%）Table 1 Electron probe analysis of hornblende chemical composition （wB/%）

2.2 測試結果

測試結果顯示角閃石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、鈉的化學成分特征。且角閃石具備CaB =1.73～1.89，（Na + K）A =0.06 ～0.72的陽離子特征，由此可確定其為鈣角閃石。依據國際礦物學協會角閃石專業委員會的命名原則，對其進行進一步的劃分（圖3a，3b），通過進行投圖分析可知，研究區的角閃石主要為鎂角閃石，其次為鎂鈣閃石，分別有一個樣品落在陽起石和淺閃石的分類投圖區域。

圖3 邯邢地區中生代角閃閃長巖角閃石成分分類圖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

通過運用礦物溫壓計，能夠對角閃石的物理化學條件進行有效分析。本次研究主要采用Ridolfi等（2010）[19]建立的計算模型，依據角閃石礦物中的主要成分對氧逸度、含水量、溫度、壓強等條件進行計算。結果顯示出研究區的角閃石結晶溫度為702.08°C～924.35°C，結晶時壓力為36.55 MPa～266.21 MPa，形成于低壓條件下，結晶時的氧逸度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）計算（a，b，c 底圖據 Ridolfi［19］ ）Fig.4 Calculation of temperature（a） and pressure （c）and oxygen fugacity （b） for hornblende

由得出的數據可知存在兩個角閃石群體，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，溫度壓力相對較低，形成于淺部，主要分布在固鎮、符山一帶。依據以上信息可知，南太行地區沿著東北方向角閃石形成的侵位深度和結晶溫度呈現逐漸升高的趨勢。

3.2 巖石成因

邯邢地區角閃閃長巖具有高Mg、富集LREEs、LILEs，虧損HREEs、HFSEs，較低的87Sr/86Sr 以及εNd（t）的特征，對于南太行高鎂閃長巖的成因問題，近年來眾多學者提出自己的見解，有的學者認為巖石形成是由于富集地幔受到地殼混染[20]；有的學者認為其形成于幔源巖漿與殼源巖漿的熔融作用[21]；有的則認為是地殼拆沉與上升的地幔發生熱侵蝕熔融形成[22]。通過已有數據對角閃石形成的巖漿來源進行投圖（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?，這也證明了研究區的高鎂閃長巖是由地幔巖漿與陸殼物質發生混染作用形成。

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

對角閃石氧逸度進行計算，通過對Fe2+/（Fe2++Mg）與AlIV進行投圖（圖6），表明研究區角閃石形成于高氧逸度的環境中，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。結合鐵鎂元素與Al2O3協變圖（圖7）可知，鐵鎂元素的變化呈現出一定規律性，隨著Al2O3含量的增加，鐵元素整體呈現先上升后下降，鎂元素與之相反呈現先下降后上升的趨勢。在邯邢地區高鎂閃長巖形成過程中，中生代巖石圈減薄導致邯邢地區發生強烈的巖漿作用，地幔橄欖巖部分熔融，在約10 km處的巖漿房內發生駐留，結晶分離作用形成角閃石，鎂元素較多地進入角閃石，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生反應，發生矽卡巖化，并以氧化物的形式富集成礦。因此，高氧逸度的條件導致南太行地區中生代的巖漿在演化過程中鎂元素在角閃石中富集形成高鎂閃長巖，鐵質隨流體出熔形成矽卡巖型鐵礦。

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

圖7 鐵鎂元素協變圖Fig.7 Iron-magnesium element covariation map

4 結論

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

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

（3）邯邢地區高鎂角閃閃長巖形成于幔源基性巖漿向上侵位的過程中，與下地殼物質發生混染，并經歷角閃石的結晶分離作用形成。