南太行綦村岩体中辉石的成因矿物学研究

王琳萱，张聚全，李亚琦，梁贤，李清，吴伟哲

WHANG Lin-xuan,ZHANG Ju-quan,LI Ya-qi,LIANG Xian,LI Qing,WU Wei-zhe

河北地质大学 资源学院，河北 石家庄 050031

Hebei GEO University,Shijiazhuang 050031,China

0 引言

南太行地处华北克拉通的中部，中生代太行山构造-岩浆活动带南端。该地区广泛发育中生代的中基性侵入岩，并伴生大量的矽卡岩型铁矿。这些矽卡岩型铁矿以品位高，成矿元素单一，易采选区别于其它地区的矽卡岩型铁矿，被称为邯邢式铁矿[1]。沙河市綦村岩体位于邯邢铁矿带的北部，是邯邢式铁矿的重要成矿母岩之一[2]。近年来，对邯邢式铁矿的研究较多，但大多都是从成矿作用[3-6]和物质来源[7-11]的角度进行研究，缺乏对岩浆过程与成矿关系方面的探讨。论文以成因矿物学为基本研究方法，对邯邢地区的綦村岩体中黑云母角闪闪长岩、闪长岩和二长岩三种主要岩石类型中的辉石进行系统矿物化学成分研究，进而探讨岩体的成因与演化及其与成矿的关系，为区域内矽卡岩型铁矿的找矿勘探提供理论支撑。

1 区域地质背景

研究区位于河北省邢台市西南部，大地构造处于元古代华北克拉通中部的中央造山带中南段，中生代太行山构造-岩浆活动带南段(图1a)。区内发育奥陶系、石炭系以及二叠系地层，綦村岩体主要围岩为中奥陶世峰峰组、磁县组和马家沟组的碳酸盐地层，岩浆活动受到北东或北北东向断裂带的控制[12-14]。与成矿有关的岩浆岩主要有闪长岩、闪长玢岩、二长岩、角闪闪长岩以及黑云母角闪闪长岩，通过野外取样，研究主要基于以下三个岩性，取得的样品分别是闪长岩、二长岩和黑云母角闪闪长岩。岩石多呈似层状或层状及复杂形态的岩株产出，是綦村铁矿和邯邢式铁矿的重要成矿母岩[15](图1b)。该岩体是邯邢地区燕山期中性、中偏碱性侵入杂岩体中最北边的一个岩体[16]，其周围分布着大量的铁矿，是邯邢式铁矿的重要集中区。

图1 南太行綦村岩体构造位置及地质简图Fig.1 Structural location and geological map of Qicun rock mass in South Taihang

2 綦村岩体地质特征

綦村岩体主要由綦村、西苏庄、柳沟村、赵册、西毛村和白塔等侵入单元构成。其岩石类型主要包括闪长岩、二长岩、黑云母角闪闪长岩、角闪闪长岩和闪长玢岩(图1)。不同岩性的空间分布和侵入次序均不同，其中黑云母角闪闪长岩分布在綦村的北部西苏庄侵入单元，闪长岩分布在綦村和綦村的西北部赵册侵入单元，还有少量侵入于黑云母角闪闪长岩之中，角闪闪长岩分布在綦村南部西毛村侵入单元及侵入于在黑云母角闪闪长岩和闪长岩之中，二长岩分布在綦村的东部柳沟村及侵入于黑云母角闪闪长岩和角闪闪长岩之中，闪长玢岩主要分布在綦村南部的白塔侵入单元中。本次研究的岩性主要为闪长岩、二长岩和黑云母角闪闪长岩。通过空间分布和野外观察认为綦村岩体中不同岩性的侵入次序依次是黑云母角闪闪长岩、闪长岩和二长岩。

闪长岩(图2a)是綦村岩体中的代表性侵入岩，块状构造，中细粒结构，呈灰色，主要由黑云母、辉石和斜长石组成；二长岩为块状构造，二长结构，浅灰色，主要由角闪石、黑云母、辉石、碱性长石和斜长石构成，斑状二长岩(图2 b)与二长岩成分相同，只是具有似斑状结构，斑晶是斜长石和钾长石；黑云母角闪闪长岩(图2c和图2d)具块状构造，似斑状结构，灰色，主要矿物为黑云母、角闪石和斜长石。

3 岩相学特征

辉石在綦村岩体的各种岩性中广泛分布，其主要产出状态有两种，一种为与寄主岩石呈平衡状态，没有反应边结构(图3b，d，f)，另一种为与寄主岩石之间不平衡，存在以角闪石为主的反应边(图3a，c，e)。在闪长岩中部分辉石被角闪石所交代，有明显的角闪石反应边(图3a)；有些辉石是中细粒结构，粒径大小是0.5 mm×0.7 mm～0.5 mm×1.2 mm，主要以自生晶形式存在，不发育反应边结构(图3b)，与黑云母和磁铁矿共生。在黑云母角闪闪长岩中黑云母大量存在，部分辉石颗粒具有明显的角闪石的反应边(图3c)；辉石主要以自生晶形式大量存在，粒径大小是0.25 mm×0.5 mm～0.6 mm×1 mm(图3d)。在二长岩中，多数辉石被角闪石交代，有明显的反应边，分布较多且分散(图3e)；部分辉石是自生矿物，以自生晶存在(图3f),颗粒较大，粒径大小约0.4 mm×0.5 mm～0.6 mm×0.8 mm。

(a)-闪长岩; (b)-斑状二长岩；(c)-黑云母角闪闪长岩；(d)-黑云母角闪闪长岩

图2 綦村岩体手标本图

Fig.2 HandspecimenmapofQicunrockmass

Px-辉石；Am-角闪石；Bt-黑云母；Mag-磁铁矿；Pl-斜长石(a)-闪长岩，正交光；(b)-闪长岩，单偏光；(c)-黑云母角闪闪长岩，正交光;(d)-黑云母角闪闪长岩，单偏光；(e)-二长岩，正交光；(f)-二长岩，单偏光。图3 辉石在各类岩性中的岩相学特征Fig.3 Petrographic Characteristics of Pyroxene in Various Lithologies

4 测试方法

对綦村岩体闪长岩、二长岩、黑云母角闪闪长岩不同类型岩石中的31个辉石颗粒进行了详细的电子探针分析，测试过程在河北区域地质调查研究所完成，仪器型号JEOLJXA-8230，测试时的加速电压为15KV，样品电流为20nA，束斑直径5um。将通过电子探针分析获得的辉石数据进行计算，该计算以6个氧原子为基础计算出阳离子。根据各元素之间的相关性，结合辉石命名原则，计算了辉石各端员组分的含量。

5 结果

实验数据及计算结果表明：闪长岩、黑云母角闪闪长岩和二长岩中单斜辉石w(SiO2)为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选取了綦村岩体中三种不同岩性典型样品的数据。

表1 綦村岩体中辉石的成分特征(wB/%)

6 讨论

6.1 辉石的分类

根据国际矿物协会对辉石种属的划分方法，采用Q-J图(图4)对辉石初步分类[17]，样品均落于Ca-Mg-Fe单斜辉石系列内，即样品中所有辉石均是单斜辉石。将样品全部投图到Wo-En-Fs三端元(图5)中[17]，进一步对其更细地划分，发现大部分是透辉石，还有少许是普通辉石。不同岩性中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的含量远大于Na的含量，因此该岩体中的透辉石均是钙质辉石，属于非碱性的暗色矿物[18]。

其中Q=Ca+Mg+Fe2+,J=2×Na图4 綦村岩体不同类型岩石中辉石的Q-J图(修改自底图[17])Fig.4 Q-J Diagram of Pyroxene in Different Rocks of Qicun Rock Mass(modified after[17])

其中矽卡岩中辉石数据来源参考文献[20]图5 綦村岩体内辉石的Wo-En-Fs图解(修改自底图[17])Fig.5 Wo-En-Fs Diagram of Pyroxene in Qicun Rock Mass(modified after[17])

6.2 辉石的成因与不同岩性之间辉石成分的对比

从图5可以看出，不同岩性的辉石在岩浆中形成条件不同，一部分在700℃以下形成，另一部分形成于700℃～900℃之间。其中在黑云母角闪闪长岩中，在700℃以下是早期结晶后期被带至地壳浅部形成的晶体，在800℃～900℃之间是温度降低岩浆定位后形成的；在闪长岩中，一部分辉石是在700℃以下形成的晶体，一部分是700℃～800℃之间的晶体；对于二长岩，大部分辉石形成于700℃以下，有少量的在700℃～800℃之间结晶。通过图5这三类岩石中的辉石与本区域矽卡岩中辉石成分的对比，可以看出它们与矽卡岩有一定的区别，由此可以推测綦村岩体中的辉石并非来自矽卡岩，即不是矽卡岩的捕掳体，而是在岩浆系统中早期结晶形成后期被带至地壳浅部的晶体和在岩浆定位后形成的晶体。

图6是利用不同岩性主要成分做的箱图对比图，其中在图6(a)中，二长岩的FeO最小值是8.343%，最大值是8.971%，这组数据的极差是0.628%，也可以算出中位数大约是8.76%，第2四分位值和第3四分位值分别是8.33%和8.99%，同理也可以分别得到黑云母角闪闪长岩和闪长岩的值。经过对比分析可以得出不同岩性中辉石的成分差异，其中在Al2O3、CaO和Na2O中(图6c，e，f)含量相差不大，在TiO2中黑云母角闪闪长岩的含量略多于闪长岩和二长岩，在FeO(图6a)和MgO(图6b)中也表现出明显的差异，其中黑云母角闪闪长岩的FeO和MgO的含量高于二长岩和闪长岩，证明黑云母角闪闪长岩中的辉石含量比闪长岩和二长岩的多，即黑云母角闪闪长岩中的Fe和Mg含量较多，颜色也较深。

二长岩的样品6个，黑云母角闪闪长岩的样品12个，闪长岩的样品个数13个图6 各岩性主要成分的箱图对比(wB/%)Fig.6 Box Map Comparison of Main Lithological Components(wB/%)

6.3 綦村岩体的成因与演化

綦村岩体的成因与其母岩浆的成分有关，前人通过研究表明单斜辉石可以反映母岩浆的成分特征[20]。在綦村岩体中通过不同岩性中辉石的SiO2-Al2O3投图(图7)，綦村岩体的所有样品都处于亚碱性区域，测试表明其母岩浆属于亚碱性系列[21]。

图7 单斜辉石SiO2-Al2O3 图(修改自底图[21])

通过详细的岩相学的研究，辉石在不同岩性中均有反应边，这是因为辉石与角闪石和斜长石等矿物在岩浆房中大量存在(图8)，由于基性岩浆的侵入，两种岩浆混合，其中一部分辉石与其寄主岩石发生了物理化学的不平衡，被角闪石所交代产生了角闪石的反应边，之后被混合后的岩浆携带至地壳浅部形成捕掳晶[22]；另一部分辉石是随岩浆一起定位后形成的自生晶。辉石的这两种结晶形式在綦村岩体的黑云母角闪闪长岩、闪长岩和二长岩等岩性中均有出现，其中本区的闪长岩中存在大量的斑状结构印证了岩浆在侵位前就发生了大规模的结晶分离作用[23]。

綦村岩体中各种暗色矿物广泛分布的反应边结构和交代结构表明，在整个岩浆演化的过程中幔源基性岩浆与壳源酸性岩浆发生过混合作用。二长岩和闪长岩中大量存在的太古代和古元古代的继承锆石亦表明，本区岩浆形成过程中壳幔物质曾经发生过广泛的相互作用，都参与了岩浆演化过程与成矿作用[22]。而大量继承辉石以及高压条件下形成的角闪石斑晶表明，在深部岩浆房中曾经发生过以辉石和角闪石为主的结晶分离作用。由于岩浆氧逸度较高[19]，形成的角闪石和辉石具有高镁和低铁的特征，从而导致铁在熔体中相对富集。通过岩浆房中辉石和角闪石的结晶分离作用，Fe元素和Mg元素分离，镁相对富集到辉石和角闪石中形成高镁闪长岩，而铁更多地进入熔体，随着岩浆定位到达浅部，压力降低，流体从岩浆系统中减压出熔，并将铁质大量带出，最终形成矽卡岩型铁矿[19]。

图8 綦村岩体成岩模型(修改自底图[20])Fig.8 Diagenetic model of Qicun rock mass(modified after[20])

7 结 论

(1)由Wo-En-Fs三端元投图可看出本区域中闪长岩和二长岩中的辉石都属于透辉石，黑云母角闪闪长岩中的辉石一部分是透辉石，一部分是单斜辉石，但该区域中三种岩性的辉石Ca的含量都很高，均是钙质辉石。

(2)三种岩性的辉石在岩浆中形成条件不同，一部分在700℃以下形成，另一部分形成于700℃～900℃之间；将它们与本区域矽卡岩中辉石成分进行对比，可以看出它们与矽卡岩有一定的区别，由此可以推测綦村岩体中的辉石并非来自矽卡岩，即不是矽卡岩的捕掳体。

(3)綦村岩体的母岩浆属于亚碱性系列。通过研究岩浆的演化，得出辉石是以两种形态赋存在本岩体的不同岩性中，一种是岩浆系统中早期被交代结晶形成的捕掳晶，之后被后期的岩浆携带至地壳浅部的，另一类是岩浆定位以后结晶的自生晶。