阿尔泰蒙其克晚石炭世闪长岩体矿物学特征及地质意义

屈李华，蒋忠祥，赵芳，周晓颖，孟盛向，赵同寿，伊永国，侯明利

（新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局地球物理化学探矿大队，新疆 昌吉 831100）

角闪石是花岗质岩体中常见的主要造岩矿物之一，其成分特征记录了岩浆形成条件及结晶演化等重要信息[1-2]。角闪石主要有岩浆和热液两种成因，前者在堆晶矿物固化的最后间隙内的富集熔体结晶而来；后者由岩浆矿物与热液流体反应形成[3]。研究表明，钙质角闪石成分上具有显著差异，这些差异可用来定性或定量的推断岩浆演化过程中的温度、压力、氧逸度等特征[4-7]。钙质角闪石主量元素含量受控于温度和压力，可用其化学成分指示岩浆物质来源[8]。因此，通过对钙质角闪石的研究可获得岩体形成温度、压力及氧逸度等方面的信息。在详细的野外地质调查、岩相学观察的基础上，对蒙其克闪长岩体的角闪石及斜长石开展系统的化学成分研究，探讨岩体的形成温度、压力和氧逸度条件的变化特征及对成岩的指示作用。

1 地质背景

研究区位于西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块斜向碰撞对接的构造部位。区域上以额尔齐斯-玛因鄂博深断裂为界，以北为阿尔泰褶皱系，以南为准噶尔褶皱系（图1-a）[9-12]。在阿尔泰造山带和准噶尔造山带中分布大量超基性-酸性岩体，但大多位于准噶尔造山带[13]。该构造-岩浆岩带多以岩基、岩株、岩瘤形式呈NW 向、带状分布于额尔齐斯-玛因鄂博断裂两侧。蒙其克岩体呈长条状分布于玛因鄂博断裂带南缘，为晚石炭世侵入岩序列。岩石类型主要有华力西期的闪长岩、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7 个期次的侵入体。另外，区内还见辉长岩脉、闪长岩脉及石英脉等（图1-b）。该序列主要侵入于中泥盆统北塔山组及下石炭统姜巴斯套组中，外接触带可见明显烘拷边、角岩化带，岩体中见较多围岩捕掳体。虽然额尔齐斯与玛因鄂博深断裂相连且具相似的成矿地质条件，但区域上已发现的矿产主要产于额尔齐斯断裂南侧，而玛因鄂博断裂南侧仅发现矿化点和规模较大的化探异常。

图1 研究区区域构造图（a）及蒙其克岩体地质图（b）Fig.1 Regional tectonic map of the study area(a)and geological map of Monqik intrusion(b)

2 岩相学特征

花岗闪长岩灰色，似斑状结构，块状构造。斑晶为斜长石，呈板条状，粒度0.4～5 mm，具环带结构，成分为正低突起的更长石。石英呈他形粒状，粒度1.5～2.5 mm，具波状消光。石英呈包体且数量不多，占1%～5%。黑云母呈片状，粒度0.5%～1.5 mm，约占5%～10%。基质中矿物粒度细小，粒度0.1～0.4 mm，主要由他形粒状、圆粒状石英、他形不规则状微斜长石、少量斜长石、普通角闪石、黑云母以及少量磁铁矿、磷灰石、榍石、锆石等构成，互相镶嵌分布于斑晶之间（图2-a，b）。

石英二长闪长岩灰色，中细粒半自形粒状结构，块状构造。斜长石呈板条状，粒度0.2～10 mm，斜长石边缘发生绢云母、绿泥石蚀变，具环带状结构，常见微斜长石包体，其成分为正低突起更长石。钾长石呈他形不规则状、板条状，粒度0.5～12 mm，由微斜长石和条纹长石组成，常较明显的替代斜长石。石英呈他形粒状、填隙状分布。普通角闪石呈柱状，粒度0.2～0.7 mm。黑云母呈片状，片度0.05×0.15～0.35×1.25 mm，少数被绿泥石替代，伴生绿帘石、磁铁矿、榍石、磷灰石、锆石等（图2-c，d）。

闪长岩灰绿色，柱状结构，块状构造。矿物成分主要由斜长石、角闪石组成。斜长石为自形板柱状更长石，粒径0.3～2.2 mm。角闪石呈半自形粒状、柱状，粒径0.3～1.5 mm，常具碳酸盐化。基质由等粒状0.1～0.5mm 的钠长石及少量石英组成。副矿物有钛磁铁矿、白钛石（图2-e，f）。

图2 蒙其克岩体矿物学特征Fig.2 Mineralogical characteristics of Monqik intrusion

3 分析方法及结果

3.1 分析方法

本文选取了阿尔泰地区蒙其克构造-岩浆亚带的晚石炭世侵入岩序列的中酸性岩体进行研究，均为地表取样，具体取样位置见图1-b。由于岩体中角闪石需尽量满足蚀变较弱的要求，采集时尽量避免风化岩石。选择侵入期次相近的岩石，以便后期数据的对比分析，本文采集的闪长岩、石英二长闪长岩、花岗岩闪长岩依次为晚石炭世第一、第二、第四侵入期次的岩石。样品磨片制样在廊坊所完成，对样品进行0.05 mm电子探针片的磨制，镜下挑选新鲜的角闪石及斜长石颗粒进行电子探针主量元素分析。数据分析在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成，实验仪器型号为JXA-8100，实验分析条件：加速电压15 kv，电流20 nA，束斑5 μm，元素的峰位计数时间为10～20 s。采用标样为天然矿物和人工合成氧化物，精度优于2.0%。测试的主量元素有SiO2，TiO2，Al2O3，FeO，MgO，MnO，CaO，Na2O，K2O，Cr2O3，NiO，P2O5，F 和Cl，氢氧化物的检出限为0.01%，F和Cl元素的检出限为0.11%。

3.2 分析结果

本次研究分别对蒙其克岩体花岗闪长岩、石英二长闪长岩和闪长岩的角闪石、斜长石进行电子探针分析（表1，2）。

3.2.1 角闪石

角闪石是蒙其克岩体的主要造岩矿物之一，呈绿-褐色，半自形柱状产出，粒径粗细不等，少量表面裂纹发育，局部被黑云母、绿泥石、次闪石、阳起石、碳酸盐等集合体替代，杂乱分布，也可见内部镶嵌斜长石。角闪石电子探针分析结果及相关参数见表1。岩体中角闪石成分变化不大，具富镁（MgO（10.39%～14.32% ））、富钙（CaO（11.27%～11.96%））、贫钾（K2O（0.44%～1.15%））及富钠（Na2O/K2O＞1）特征。其中，花岗闪长岩中角闪石MgO含量为12.25%～12.98%；CaO含量为11.27%～11.73%；Na2O含量为1.29%～1.46%；K2O为0.68%～0.82%；TiO2为0.91%～1.21%；Al2O3为6.21%～7.00%。石英二长闪长岩中角闪石MgO 含量为11.53%～13.01%；CaO 含量为11.43%～11.72%，Na2O 含量为1.11%～1.67%；K2O 含量为0.76%～1.03%；TiO2含量为0.68%～1.32%；Al2O3含量为6.77%～7.76%。闪长岩中角闪石MgO 含量为10.39%～14.32%；CaO 含量为11.34%～11.96，Na2O 含量为1.04%～1.56%；K2O 含量为0.44%～1.15%；TiO2含量为0.72%～1.90%；Al2O3含量为5.59%～9.75%。Harker图解显示角闪石成分符合从早期次至晚期次侵入体特点，从闪长岩→石英二长闪长岩→花岗闪长岩演化，从中性岩到酸性岩的演化特征（图3-a-h）。

图3 蒙其克岩体角闪石Harker图解Fig.3 Harker diagram of hornblende from Monqik intrusion

表1 蒙其克岩体角闪石的电子探针分析结果Table 1 Electron microprobe analyses of hornblende from the Monqik intrusion 单位：%

续表1

续表1

角闪石阳离子数计算是以23 个氧原子数为基准。据Leake[14]提出的分类方案，当角闪石的（Ca+Na）B≥1.0 时，为钙角闪石，钙角闪石的CaB普遍大于1.5，样品均属钙质角闪石（图4-a）。按照钙质角闪石进一步分类，以(Na+K)A、Ti及CaA，Fe3+，AlⅥ原子数作为参数进一步对钙质角闪石分类，投影到Si-Mg/(Mg+Fe2+)图解上，样品中角闪石为镁角闪石、浅闪石、浅闪石质普通角闪石（图4-b，c）。

3.2.2 斜长石

斜长石阳离子数以8个氧原子为基准，电子探针分析结果及相关参数见表2。斜长石在花岗质岩体中广泛发育，半自形板状，粒径（1～2.5 mm）粗细不等，双晶发育，表面多有碎裂纹，偶见环带结构，表面多发生绿帘石、方解石、粘土、绢云母、碳酸盐等矿物蚀变。虽在岩性学上选取未蚀变斜长石，但部分测试结果仍受蚀变影响，斜长石成分变化较大，An 组分含量为1.84%～75.73%；Ab 组分含量为24.21%～97.42%；Or 组分含量为0%～5.90%；主要类型有培长石、中长石、奥长石和钠长石，且培长石主要在花岗闪长岩中出现（图4-d）。

图4 蒙其克岩体中角闪石及斜长石分类图解Fig.4 The classification diagram of hornblende and feldspar from the Monqik intrusion

表2 蒙其克岩体斜长石电子探针分析结果Table 2 Electron microprobe analysesof plagioclase from the Monqik intrusion 单位：%

4 讨论

角闪石成分不仅与寄主岩浆成分有关，还与岩浆结晶时的温度、压力、氧逸度、含水量等物理化学条件有关[21]。研究表明，随着压力的升高，角闪石Si含量降低，AlT，AlⅥ和Na2O 含量升高；而AlⅣ和Ti 含量随温度的升高而增加，AlⅥ含量随温度的升高变化不明显[22-24]。岩浆形成时因结晶分异、同化混染、新岩浆注入而使物理化学条件（温度、压力、氧逸度）发生变化，矿物成分和岩相分异因物理化学条件而受影响[25]。因此，角闪石化学成分可作为判别岩石成因、揭示源区性质、恢复岩体结晶时物理化学条件的有效指示剂[20,26-29]。

4.1 角闪石成因

角闪石的成分特征可反映岩浆的源区性质及构造背景，开展相关研究既可确定角闪石的成因类型，也为探讨岩石成因和成岩物质来源提供重要的地球化学信息[30-31]。

（1）壳源角闪石的Al2O3含量一般不高于10%，而幔源的一般不低于10%；幔源角闪石的Si/(Si+Ti+AlT)比值一般不超过0.765，而壳源的不低于0.775[8]。样品Al2O3含量为5.96%～9.85%（均值7.53%），Si/(Si+Ti+AlT)值为0.77～0.87（均值0.83），反映角闪石为壳源成因。

（2）角闪石镁值[Mg/(Mg+Fe2+)]是区分壳源、壳幔源及幔源的可靠标志，不同来源的角闪石镁值也不相同，幔源镁值大于0.7，壳源镁值小于0.5，而壳幔源角闪石的镁值为0.5～0.7[32]。样品镁值为0.57～0.72，均值为0.64，反映角闪石为壳幔型成因。

（3）谢应雯认为壳幔来源的角闪石FeO+Fe2O3含量为15%～20%[33]，MgO 含量为9%～12%，CaO含量为11%～13%。样品FeO+Fe2O3含量为13.41～17.61%，平均16.07% ；MgO含量 为10.39%～14.32%，平均12.17%；CaO含量为11.27%～11.96%，平均11.60%，符合壳幔型角闪石成因特征。

（4）角闪石的Si-Ti图解显示[32,34]，除蚀变和交代成因外（C2-24、C3-5），其余角闪石均为花岗质岩浆成因（图5-a，b）。在Al/Si-Mg/(Fe3++Fe2++AlVI)图解中[25]，除C3-5 角闪石外均落于中基性岩浆角闪石区（图5-c）。从Al2O3-TiO2图解可看出[35]，角闪石具壳幔混合来源特征（图5-d），说明角闪石化学成分是地壳物质与地幔岩浆混染的结果，即上部地幔与下部地壳的玄武质岩浆经过结晶分异的产物，属于“I”型花岗岩成因的角闪石。从Na2O-SiO2图解中可看出[36]，角闪石落入俯冲带上方的角闪石区域，表明其形成于俯冲带之上的地幔楔，即成因与地幔楔岩浆演化有关（图5-e）。Al-KA图解也显示角闪石与钙碱性岩浆平衡[19]，其寄主岩浆属钙碱性系列（图5-f）。

图5 角闪石成因及构造判别图解Fig.5 Genesis and tectonic diagram of hornblende

4.2 角闪石结晶温度和压力

角闪石能在广泛的温压条件下保持稳定[37-38]，尽管其作为温度计使用已得到广泛的认可，但作为压力计仍然具较多争议[6,22,39-41]。这些温压计在花岗质岩石近固相线条件下确实有效，但其准确运用受温压区间、矿物共生组合及成分的严格限定[42-44]。例如，钙质角闪石的形成压力与其全铝含量呈线性正相关关系，但温度对角闪石中Al 含量影响很大，故此关系仅在一定的温度范围内成立[22,26-27]。

Ridolfi 据前人数据和温压计进行经验标定[5,19]，提出独立的角闪石组分估算形成温度、压力的经验公式，适用于地幔到地壳的温压力范围。

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。值得注意的是，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（1）和（2）计算岩体的结晶温度和压力（表1，图6-a）。结果显示，岩体结晶温度为762.03℃～865.12℃，均值804.36 ℃；成岩压力在82.37～221.48 MPa之间，均值为128.07 MPa。其中花岗闪长岩结晶温度为765.22℃～790.07℃，均值782.55℃；压力为88.11～108.16 MPa；均值102.25 MPa。石英二长闪长岩结晶温度为779.86℃～818.88℃，均值801.45℃；压力为102.51～133.40 MPa，均 值118.75 MPa。闪长岩结晶温度为762.03℃～865.12℃，均值819.13℃；压力为82.37～221.48 MPa，均值153.41 MPa。依据公式P=ρgD（ρ=2 700 kg/m3；g=9.8 m/s2）计算出岩体侵位深度为3.11～8.37 km，均值4.84 km。其中花岗闪长岩3.33～4.09 km，均值3.86 km；石英二长闪长岩3.87～5.04 km，均值4.49 km；闪长岩3.11～8.37 km，均值5.80 km。本文所研究样品均采自地表，故岩体侵位深度可视为岩体剥蚀深度，岩体剥蚀深度为3.11～8.37 km（平均4.84 km）。其中花岗闪长岩剥蚀深度为3.33～4.09 km（3.86 km）；石英二长闪长岩剥蚀深度为3.87～5.04 km（4.49 km）；闪长岩剥蚀深度为3.11～8.37 km（5.80 km）。通过晚石炭世花岗岩锆石U-Pb年龄（（313±1.4）Ma）估算岩体剥蚀速度为9.9～26.7 m/Ma，均值15.5 m/Ma。

4.3 角闪石含水量及氧逸度

除温度压力条件外，岩浆氧逸度和含水量也是影响岩浆演化过程的关键因素[45-46]。随温度升高角闪石中Mg 含量、Mg#，Fe3+/FeT值会增加，而Ti 含量则降低，且氧逸度含量会影响角闪石阳离子晶格占位[26,41,47-48]。角闪石中含变价元素Fe，其Fe3+/Fe2+比值对氧逸度的变化非常敏感[49]。另外，角闪石组分还受控于熔体含水量，含水量升高会导致角闪石中Ti 含量降低，Si，AlT，K 含量则升高[41,50]。研究表明，角闪石快速结晶时熔体中至少有2%～3%的水，高温下结晶时需要更高的熔体含水量[51-52]。Ridolfi 同样给出了角闪石组分估算其结晶时岩浆氧逸度的经验公式[5,19]，且该公式被证实更为有效[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；误差为±0.22%。

根据公式（3）计算出蒙其克岩体中角闪石结晶时氧逸度为△NNO+0.12 到△NNO+1.56，均值NNO+0.81（表1）。其中花岗闪长岩△NNO+0.86 到△NNO+1.13，均值△NNO+0.99；石英二长闪长岩△NNO+0.63 到△NNO+1.18，均值为△NNO+0.83；闪长岩△NNO+0.12 到△NNO+1.56，均值△NNO+0.69。通过logfO2-T 估算岩体对应的绝对氧逸度logfO2为-13.54～-12.12，均值-12.96（图6-b）。其中花岗闪长岩logfO2为-13.50～-13.08，均值-13.25；石英二长闪长岩logfO2为-13.44～-12.65，均值-12.99；闪长岩logfO2为-13.54～-12.12，均值-12.76。另外，据角闪石相对氧逸度判别图解[26]，蒙其克各类岩体中角闪石普遍形成于高氧逸度环境（图6-c）。

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

据公式（4）计算出蒙其克各岩体中角闪石结晶时熔体中含水量为4.26%～5.90%，均值5.02%。其中花岗闪长岩含水量 为4.50%～4.96%，均 值4.79%；石英二长闪长岩含水量 为4.26%～5.07%，均 值4.72% ；闪长岩含水量为4.80%～5.90%，均值5.48%（表1）。岩浆快速侵位后引起温压减小导致脱熔，熔体含水量减小（图6-d）。温度、压力、氧逸度和含水量计算均通过Ridolfi给出的Excel 计算表格“Amp-TB”实现[5]。

图6 蒙其克岩体角闪石物理化学条件图解Fig.6 The diagram of physicochemical conditions for hornblende from the Monqik intrusion rock

4.4 岩浆演化及成岩过程

蒙其克晚石炭世侵入体具空间上紧密伴生及局部群居特征。侵入体结构构造、成分等演化具从中性岩向碱性岩演化的特征，从早期至晚期，矿物成分呈渐变趋势，呈现出较为连续的岩浆演化序列，属同一演化阶段产物。在结构演化上，侵入体表现出较明显的分带特征，即从细粒→中粒→中粗粒连续变化；在空间分布上，侵入体与围岩均呈锯齿状侵入接触，围岩热接触变质作用导致侵入体边部常形成角岩化带，具烘烤蚀变边且有围岩捕虏体。各侵入体间早期以脉动接触关系为主，晚期则以涌动接触为主。岩体角闪石各侵入体具典型岩浆岩结构特征，结晶顺序及演化与岩浆岩结晶演化普遍规律相吻合。由此推断该侵入岩序列的成岩方式应为深部岩浆经多次脉动（或涌动）上侵、随岩浆结晶温度、压力差异冷凝而成。

晚石炭世侵入岩序列早期基性矿物结晶温度为762.03℃～865.12℃，压力为82.37～221.48 MPa；氧逸 度 为△NNO+0.12 到△NNO+1.56；logfO2为-13.54～-12.12；结晶时熔体中含水量为4.26%～5.90%。从闪长岩→石英二长闪长岩→花岗闪长岩的演化顺序来看，其结晶温度压力和氧逸度总体上呈逐渐降低而氧逸度增高的特征，岩浆形成深度为3.11～8.37 km，这与岩石化学成分计算出的该序列晚期岩浆地质温度接近，符合从中性岩向碱性岩演化的特征①新疆地矿局第二区域地质调查大队.依希根托别幅L46E011003区域地质调查报告，2005。角闪石判别图解反映该岩浆来源于壳幔混合源，与区内火山岩岩石化学成分较为接近，具较明显的同源性，在岩浆岩演化过程中继承了火山岩的某些特征，在拉张环境下从玄武质岩浆中分异而成。岩体钾长花岗岩锆石U-Pb年龄为（313±1.4）Ma，二长花岗岩中测得铷-锶等时线年龄值为（300±4）Ma①，板块俯冲闭合时间为360～370 Ma，而后转入造山后演化阶段[53-54]，反映岩体形成于俯冲造山环境。这与角闪石的Na2O-SiO2图解显示的俯冲带环境相一致，反映蒙其克岩体是一种与板块消减作用有关的、板块碰撞前及造山晚期阶段形成的“I”型花岗岩，并认为该“I”型花岗岩是由地幔直接派生或下部地壳的火成岩物质经过部分熔融产生的，形成于氧逸度较高条件下。

蒙其克构造-岩浆岩亚带侵入岩序列的初始阶段形成于下地壳，由于岩浆与围岩韧性差较小，岩浆处于一种假塑性体状态。盆地的拉张及构造作用导致岩浆体积急剧膨胀，体积扩张应变速率超过由岩浆的浮力所造成的挤压应变速率，使早期岩浆以断裂扩张的被动就位方式不断上侵，随着岩浆上侵，早期上升的岩浆逐渐冷却，此时结晶作用已开始，岩浆粘度逐渐增大，使岩浆就位空间进一步减小，并占有原侵位空间，促使后次形成的侵入体一次次脉动或涌动，强烈挤压围岩，使岩浆向两侧扩张，以热气球膨胀方式就位，形成该侵入岩序列。

5 结论

（1）蒙其克岩体中角闪石主要为镁角闪石、浅闪石、浅闪石质普通角闪石；斜长石为培长石、中长石、奥长石和钠长石。不同类型闪长岩中的角闪石矿物成分变化不大，但变化规律符合从中性岩到酸性岩的演化特征。

（2）蒙其克岩体结晶温度为762.03℃～865.12℃（804.36℃）；成岩压力为82.37～221.48 MPa（128.07 MPa）；侵位深度为3.11～8.37 km（4.84 km）；剥蚀速度 为9.9～26.7 m/Ma（15.5 m/Ma）；氧逸度为△NNO+0.12到△NNO+1.56（△NNO+0.81）；logfO2为-13.54～-12.12（-12.96）；结晶时熔体中含水量为4.26%～5.90%（5.02%）。

（3）蒙其克岩体形成于俯冲的构造背景下，为具有壳幔混合特征的钙碱性岩浆。蒙其克构造-岩浆岩亚带的花岗岩浆来源于下部地壳，岩石化学成分与区内火山岩岩石化学成分较接近，具较明显的同源性，在岩浆岩的演化过程中继承了火山岩某些特征，在区内拉张环境下从玄武质岩浆中分异而成。