新疆蒙其克辉长岩脉黑云母和角闪石矿物学特征及成因意义

赵芳 屈李华 蒋忠祥 赵同寿 周晓颖

摘  要：蒙其克辉长岩脉位于玛因鄂博断裂带南缘，属喀拉通克岩体一部分。以蒙其克辉长岩脉中黑云母及角闪石为研究对象，在岩相学观察基础上，利用电子探针对岩体中黑云母和角闪石进行矿物成分分析，限定岩体形成的温压条件、岩浆氧逸度及含水量等结晶条件，探讨岩浆演化及成岩过程。数据显示，辉长岩脉中黑云母矿物Fe2+/（Mg+Fe2+）变化范围为0.27～0.33，具富镁（MgO=16.01%～17.45%）、富铝（Al2O3=14.35%～15.75%）、贫钛（TiO2=1.69%～2.57%）、贫钙（CaO=0.19%～0.56%）特征，属镁质黑云母。角闪石矿物具富镁（MgO=10.48%～15.15%）、富钙（CaO=10.26%～11.90%）、贫钾（K2O=0.39%～1.14%）及富钠（Na2O/K2O>1.0）特征，属镁角闪石和浅闪石。通过电子探针分析黑云母及角闪石矿物化学成分，经化学式计算矿物结晶温度分别为646.97 ℃～707.82 ℃和766.27 ℃～902.38 ℃;成岩压力分别为147.84～220.87 MPa和85.0 1～297.40 MPa;侵位深度分别为5.59～8.35 km和3.21～11.24 km;氧逸度logfO2分别为-18.54～-16.49和-13.00～-10.49;同时，角闪石结晶时熔体中含水量为5.26%～6.96%。矿物成分相关比值及图解反映成岩物质主要来源于壳幔混合源，为钙碱性岩浆，蒙其克辉长岩脉的形成与俯冲作用关系密切。

关键词：新疆;黑云母;角闪石;矿物成分;结晶条件;蒙其克辉长岩脉

阿尔泰地区处于新疆西北边陲，大地构造上位于西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准格尔板块结合部位，是中亚造山带在我国的主要组成部分[1]。研究表明，阿尔泰造山带与准噶尔板块大约在360～370 Ma逐渐闭合，之后转入造山后演化阶段[2]。阿尔泰地区岩体分布广泛，发育大量花岗岩，占全区40%以上[3]。该区为我国主要成矿带，现已查明区内有众多与岩体有关的铜镍、金、稀有稀土矿床[4-7]。前人研究认为，该区岩体具多时代、多类型、多成因、多来源等特征，形成于多种构造环境[8-10]。

黑云母和角闪石是花岗岩类岩石中普遍存在的暗色造岩矿物，不同类型岩石组成矿物相似，但具不同成因。岩浆结晶或镁铁质岩浆与长英质岩浆混合过程中，矿物贯穿整个岩浆演化过程，很好的记录了岩浆演化和混合过程中不同阶段及不同端源岩浆结晶时的形成环境，其成分特征与岩浆结晶演化过程中微量化学条件紧密相关[11-12]，记录并保存了有关矿物形成的岩浆温度、压力、氧逸度及岩浆来源等岩石成因信息[13-17]。通过对花岗质岩体中黑云母和角闪石矿物成分研究，不仅能示踪岩浆成因及形成环境，也能提供岩体出熔流体性质方面信息，并对岩体成岩成矿进行评价。本文以与蒙其克花岗质岩体有关的辉长岩脉中黑云母及角闪石为研究对象（花岗质岩体另文论述），结合详细的岩相学特征，确定该岩体形成的物理化学条件。

1  地质背景

蒙其克岩体位于玛因鄂博大断裂西南侧，是喀拉通克镁铁质岩带的一部分，属萨吾尔-二台晚古生代岛弧带。岩体与区域构造线方向一致，呈NW向展布，空间上分布零散，具一定的群居性。多以岩株、岩瘤形式产出，出露总面积54.4 km2。该岩体为一个由中性到碱性组成的复式岩体，主要岩性有闪长岩、石英闪长岩、石英二长闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、碱长花岗岩等侵入体。区内发育有辉长岩脉、闪长岩脉、花岗岩脉及石英脉。其中，辉长岩脉出露零星，与侵入岩较紧密伴生，空间上呈小岩脉、NW向断续展布于玛因鄂博大断裂NE一带，其形成受区域构造控制不明显，一般多沿裂隙呈细脉分布，脉宽3～5 m，个别达30～50 m，长几至几十米，最长延伸可达百米，走向NW向1。 区内出露2套地层，分别为以滨海相火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩及中基性火山熔岩为主的下石炭统姜巴斯套组和以浅海相火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩及中基性火山熔岩为主的中泥盆统北塔山组，后者中可见大量腕足、腹足、苔藓虫、珊瑚类等类型化石（图1）?。

区域资料表明，玛因鄂博深断裂带向西与额尔齐斯构造带相连，具相似的成矿地质条件。具工业意义的矿床大多分布于额尔齐斯深断裂南西侧，玛因鄂博断裂带南侧仅发育一些金矿点及矿化点，金、铜、铅等化探异常规模较大、呈带状展布。推测在玛因鄂博深断裂南侧寻找岩金矿床、铜镍硫化物矿床具较大潜力。

2  样品描述及分析方法

辉长岩脉  呈深灰-灰黑色，具斑状、似斑状结构、致密块状构造。基质粒度0.03～0.15 mm;斑晶0.2～0.5 mm，斑晶约占32%。矿物成分为辉石（50%）、斜长石（25%）、角闪石（15%）、橄榄石（6%）及少量黑云母（3%）和金属矿物（1%）等。橄榄石呈粒状，表面多碎裂纹，部分见双晶，沿裂隙析出铁质，部分边缘有斜方辉石环边。辉石为斜方辉石和普通辉石，斜方辉石平行消光，解理可见，普通辉石粒状，内部包有细粒斜长石，部分沿边缘分布褐色角闪石。斜长石为基性斜长石，粒径粗细不等，他形粒状集合体分布于辉石粒间，有裂纹。角闪石半自形柱狀，褐色，多与辉石分布其边部。黑云母片状，红褐色，分布于斜长石粒间。金属矿物半自形-他形粒状，粒径粗细不等，呈粒状集合体不均匀分布于透明矿物粒间（图2）。将采集的样品进行电子探针片磨制，通过显微镜详细观察和挑选，选择具代表性的黑云母和角闪石颗粒进行电子探针（EPMA）化学成分分析。电子探针制片由廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成样品测试工作。电子探针仪器型号为JXA-8100型，实验条件：加速电压为15 kV，电流为20 nA，束斑大小为5 μm，元素峰位计数时间为10～20 s。所采用标样为天然矿物和人工合成氧化物，精度大于2.0%。氢氧化物的检出限为0.01%，Cl和F元素的检出限约为0.11%。

3  矿物化学成分特征

3.1  黑云母成分特征

黑云母电子探针数据和相关计算结果见表1。黑云母阳离子数计算以22个氧原子为基准，采用路远发提供的Geokit软件进行计算[18]。通过Mg-（AlⅥ+Fe3++Ti）-（Fe2++Mn）图解对黑云母成因类型进行分类[19]，投点均落于镁黑云母范围（图3-a）;将样品点投影在10×TiO2-（FeO+MnO）-MgO图解中[20]，显示为再平衡原生黑云母（图3-b）。

蒙其克辉长岩脉中黑云母特征如下：①黑云母SiO2含量32.54%～36.05%，平均34.79%;MgO含量16.01%～17.45%，平均16.63%;FeO含量13.95%～14.98%，平均14.56%;CaO含量0.19%～0.56%，平均0.32%;②黑云母Mg/（Mg+Fe2+）变化范围0.66～0.69，均值0.67，反映其化学组分具富镁特征[21]。样品Fe2+/（Mg+Fe2+）变化范围为0.27～0.33，均值0.29，较均一，反映岩浆为氧化态岩浆，黑云母未遭后期流体改造[22];③黑云母的TiO2含量1.69%～2.57%，平均2.16%;Al2O3含量14.35%～15.75%，平均15.19%。以22个氧原子為标准计算的阳离子数中6次配位铝的含量集中在0.051%～0.247%，平均0.169%。黑云母具高钛和低六次配位铝含量，反映其形成于高温及高氧逸度环境[23]。

3.2  角闪石成分特征

角闪石电子探针数据和相关计算结果见表2。以23个氧原子数为基准计算角闪石阳离子数。据国际矿物学协会推荐命名原则分类方案[24]：样品中角闪石均为钙质角闪石。按钙质角闪石进一步分类，以（Na+K）A、Ti及CaA、Fe3+、AlⅥ原子数为参数，投影到Si-Mg/（Mg+Fe2+）图解上，角闪石以镁角闪石、浅闪石、浅闪石质普通角闪石为主，少量为钙镁闪石质角闪石和镁绿钙闪石质普通角闪石，成分变化范围相对较小（图3-c，d）。

蒙其克辉长岩脉中角闪石化学成分具如下特征：富镁MgO（10.48%～15.15%，13.65%）、富钙CaO（10.26%～11.90%，11.08%）、贫钾K2O（0.39%～1.14%，0.55%）及富钠（Na2O/K2O>1.0），其中TiO2含量为0.79%～1.73%，平均0.97%;Al2O3含量为9.24%～10.74%，平均10.04%（表2）。角闪石组分中全碱（Na+K）含量随Si含量增加而减小，具较弱的负相关关系。

4  讨论

4.1  温度压力估算

研究认为，黑云母中Ti含量对温度变化最敏感，为黑云母结晶温度重要指示剂[15，26]。Henry等总结了黑云母Ti温度计算公式[15]：

其中：a=-2.3594，b=4.648 2×10-9，c=-1.728 3，XMg=Mg/（Mg+Fe2+），XMg=0.275～1.000，Ti=0.04～0.60，T准确的校正范围介于400 ℃～800 ℃。估算黑云母结晶温度为646.97 ℃～707.82 ℃（表1），平均680.17 ℃（图4）。

角闪石化学成分不仅受主岩浆成分影响，且与岩浆结晶条件（温压、氧逸度及含水量）有关[16-17，27]。Ridolfi等通过实验研究提出以角闪石分子式为基础计算其结晶时温度[26]，并在后期研究过程中对该公式进行了修正[16-17]：

T=-151.487Si*+2041，R2=0.84…（2）

式中：Si*=Si+AlIV/15-2TiⅣ-AlVI/2-TiⅥ/1.8+Fe3+/9+Fe2+/3.3+Mg/26+CaB/5+NaB/1.3-NaA/15+KA/2.3

据该公式，利用样品中角闪石化学成分计算得到角闪石结晶温度为766.27 ℃～902.38 ℃（表2，图5-a），平均861.14 ℃。

Uchida等研究认为[27]，黑云母中全铝含量与矿物结晶压力具较好的线性关系，据此提出黑云母结晶压力计算公式：

P（×100 MPa）=3.03×AlT-6.53…（3）

据压力计算得到黑云母结晶压力为147.84～220.87 MPa（表1），平均188.31 MPa。据公式P=pgD（p=2 700 ㎏/m3;g=9.8 m/s2）计算出岩体侵位深度为5.59～8.35 km，平均7.12 km。本次研究所采集的样品均在地表，岩体侵位深度为成岩后的剥蚀深度，剥蚀深度为5.59～8.35 km，平均7.12 km。

目前提出的角闪石全铝压力计算方法达6种，研究者分别为Hammarstrom等、Hollister等、Johnson等、Schmidt、Anderson等及Ridolfi等。其中，雷敏等认为前5种角闪石全铝压力计受限条件苛刻导致计算结果不准确[27-34]。Ridolfi等在前人研究基础上充分考虑可能影响准确度的各种因素[26]，通过实验模拟重新修订了角闪石全铝压力计公式[16]，此压力计适用于地幔到地壳的压力范围。

P（MPa）=19.209exp[1.438AlT] ，R2=0.99…（4）

此温压计适用于Al#≤0.21（Al#=AlVI/AlT）的角闪石，压力计算公式在P≤500 MPa时有效且误差小于44 MPa。该温压计是基于与俯冲带有关的钙碱性火山岩中的角闪石提出的。

据公式计算样品的结晶压力为85.01～297.40 MPa，平均205.65  MPa（表2，图5-a）。计算岩体侵位深度为3.21～11.24 km，平均7.77 km。

4.2  氧逸度和含水量估算

除温度和压力条件外，岩浆氧逸度与含水量对岩浆演化过程起至关重要作用[34]。实验研究认为，与磁铁矿和钾长石共生的黑云母中Fe3+、Fe2+及Mg2+值可估算结晶氧逸度[35]。从黑云母Fe3+-Fe2+-Mg图解可看出，蒙其克辉长岩脉中黑云母样品投点落于Fe2O3-Fe3O4与Ni-NiO两条缓冲线之间，反映其形成于较高的氧逸度环境下。据Wones提出的黑云母氧逸度计算公式[36]：

logfO2=-30930/（T+273）+14.98+  0.142×（P-1）/（T+273）…（5）

据黑云母温度和压力值，利用此公式计算黑云母氧逸度介于-18.54～-16.49，平均-17.40（表2）。

据Wones等提出在P=207.0 MPa条件下黑云母稳定度的logf（O2）-T图解[35]，结合黑云母Ti温度为与黑云母平衡时的岩浆温度，投点均落于NNO缓冲线附近，反映黑云母形成于较高的氧逸度环境（图6-a，b）。

角闪石中变价元素Fe的Fe3+/Fe2+比值对氧逸度的变化非常敏感[21]，Ridolfi等通过实验模拟提出角闪石结晶时的氧逸度公式[26]，并在后期对该公式进行了校正[16]，此公式被证实更有效[37]。

△NNO=1.644Mg*-4.01，R2=0.89…（6）

式中：Mg*=Mg+Si/47-AlVI/9-1.3TiⅥ+Fe3+/3.7+Fe2+/5.2-CaB/20-NaA/2.8+[]A/9.5;公式誤差为±0.22%。

据公式计算出样品中角闪石结晶时氧逸度为△NNO+0.08到△NNO+1.77，平均△NNO+1.10（表2）。通过logfO2-T估算岩浆演化对应的绝对氧逸度logfO2为-13.00～-10.49，平均-11.51（表2，图5-b）。据角闪石相对氧逸度AlIV-Fe/（Fe+Mg）判别图解[32]，样品中角闪石普遍形成于高氧逸度环境（表2，图5-c）。此外，Ridolfi等还提出据角闪石分子式计算其结晶时岩浆含水量公式[26]，并对该公式进行了校正[16]。

H2Omelt=5.215Al*+12.28，R2=0.83…（7）

式中：Al*=Al+AlIV/13.9-（Si+TiⅥ）/5-Fe2+c/3-Mg/1.7+（CaB+[]A）/1.2+NaA/2.7-1.56K-Fe#/1.6; Fe#=Fe3+/（Fetotal+Mg+Mn），此公式误差为±0.41%。

据公式计算出蒙其克各辉长岩脉中角闪石结晶时熔体中含水量为5.26%～6.96%，平均5.91%（表2，图5-d）。角闪石温度、压力、氧逸度和含水量计算均通过Ridolfi 等给出的Excel计算表格“Amp-TB”实现[16]。考虑到误差及鲍文反应序列的因素，可看出黑云母和角闪石全铝压力计、氧逸度计算结果基本一致，代表蒙其克辉长岩脉的固结温度、压力及氧逸度。

4.3  岩石成因探讨

黑云母成分特征指示岩石成因类型、物质来源和成矿潜力，具重要的成岩成矿意义。MF=[Mg/（Mg+Fe+Mn）]为划分S型（改造型）和I型（同熔型）岩浆的依据。前者MF值小于0.5，后者MF值大于0.5[38]，样品中黑云母的MF值介于0.655～0.687，符合I型花岗岩特征。黑云母中六配位体铝（AlⅥ）的含量可反映其成因，当AlⅥ介于0.353～0.561为S型，当AlⅥ介于0.144～0.224为I型[39]。样品中黑云母的AlⅥ为0.051～0.247，平均0.169，大部分落于I型花岗岩范围。不同岩浆类型具不同的镁指数Mg#=Mg/（Mg+Fe3++Fe2+）和氧化系数Fe#=Fe3+/（Fe2++Fe3+），S型形成于还原环境下，Mg#和Fe#值较低，分别为0.282～0.367和0～0.097;I型形成于氧化环境下，Mg#和Fe#值较高，分别为0.384～0.626，0.252～0.121[40]，

样品中黑云母Mg#和Fe#分别为0.660～0.690和0.021～0.273;以上特征均显示I型花岗岩特征。典型壳源黑云母MgO含量小于6%，幔源黑云母MgO含量大于15%[41]，样品中黑云母MgO含量16.01%～17.45%，反映幔源性质。黑云母FeO/（FeO+MgO）-MgO图解和Fe3+-Fe2+-Mg2+图解也显示幔源或壳幔源特征（图7-a，c）[43-44]。黑云母的MgO-Al2O3及FeO-MgO-Al2O3图解中（图7-b，d）[13]，样品投点均落于造山带钙碱性花岗岩区域，反映黑云母形成于造山带环境。

角闪石形成于热液、岩浆及变质等不同的地质作用过程中，化学成分是区分幔源、壳源及壳幔混合源型岩体的有效方法。壳源角闪石的Al2O3含量小于10%，Si/（Si+Ti+Al）比值大于0.775，镁值Mg#=[Mg/（Mg+Fe2+）]小于0.5;幔源角闪石Al2O3含量大于10%，Si/（Si+Ti+Al）比值小于0.765，镁值大于0.7;角闪石镁值介于0.5～0.7，为壳幔来源[45-47]。样品角闪石的Al2O3含量6.08%～11.02%，均值9.48%;Si/（Si+Ti+Al）比值0.76%～0.87%，均值0.79%;镁值0.56%～0.92%，均值0.75%;以上特征均显示辉长岩脉中的角闪石具壳幔混合源特征。

次生角闪石中Ti含量普遍偏低，Leake通过Ti和Si含量建立成因判别图解[47]。在角闪石的Si-Ti变异图解中[48]，角闪石主要为深源捕掳晶和花岗岩类中岩浆成因的角闪石（图8-a）。在角闪石的Mg/（Fe3++Fe2++AlⅥ）-Al/Si判别图解中（图8-b）[49]，辉长岩脉角闪石属浆成因。角闪石的Ca2+-（Fe3++Fe2+）-Mg2+图解及TiO2-Al2O3图解可判别角闪石结晶的岩浆源区性质[47，51]。角闪石矿物成分投点表明（图8-c，d），样品中角闪石具壳幔混合源和幔源特征。在角闪石的Na2O-SiO2图解中（图8-e）[51]，投点落入俯冲带上方角闪石区域，反映其形成于俯冲带之上的地幔楔，即角闪石与地幔楔岩浆演化有成因联系。角闪石的KA-AlⅣ图解也显示样品中的角闪石与钙碱性岩浆平衡[50]，其寄主岩浆属钙碱性系列（图8-f）。因此，蒙其克辉长岩脉中角闪石成岩物质来源于壳幔混合源和幔源，岩体形成与俯冲作用关系密切。

5  结论

（1） 蒙其克辉长岩脉黑云母角闪石主要为再平衡原生镁黑云母;角闪石主要以镁角闪石、浅闪石、浅闪石质普通角闪石为主，少量为钙镁闪石质角闪石和镁绿钙闪石质普通角闪石，成分变化范围相对较小。

（2） 蒙其克辉长岩脉黑云母结晶温度为646.97 ℃～707.82 ℃;成岩压力为147.84～220.87 MPa;侵位深度介于5.59～8.35 km;logfO2介于-18.54～-16.49。

（3） 蒙其克輝长岩脉的角闪石结晶温度介于766.27 ℃～902.38 ℃;成岩压力介于85.01～297.40 MPa;侵位深度介于3.21～11.24 km;角闪石结晶时氧逸度为△NNO+0.08到△NNO+1.77; 岩浆演化绝对氧逸度logfO2介于-13.00～-10.49;结晶时熔体中含水量为5.26%～6.96%。

（4） 蒙其克辉长岩脉具I型花岗岩特征，成岩物质主要来源于壳幔混合源，岩体的形成与俯冲作用关系密切，为具壳幔混合特征的钙碱性岩浆。

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