河北武安地區(qū)斑狀角閃二長巖中角閃石礦物學(xué)特征及其對矽卡巖鐵礦成因的指示*

崔曉亮 蘇尚國** 孟維一 劉璐璐 陳晨, 2

1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 1000832. 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

矽卡巖型鐵礦一直被認(rèn)為是熱液接觸交代成因礦床(趙一鳴等, 1986)并伴隨大量矽卡巖的產(chǎn)生。矽卡巖鐵礦的致礦侵入體都發(fā)育強(qiáng)烈的鈉鈣質(zhì)蝕變并且和鈉質(zhì)交代的強(qiáng)度和成礦規(guī)模成正比，其鐵質(zhì)來源被認(rèn)為主要是高溫富揮發(fā)性流體將巖體中暗色礦物等解體消失后析出的大量鐵質(zhì)(沈保豐等, 1977, 1979, 1981; 劉英俊等, 1982; 趙一鳴等, 1983; 鄭建民, 2007)。但是，這種成因沒有得到質(zhì)量平衡計算的支持(石準(zhǔn)立等, 1983)，也不能解釋大量致密塊狀礦石存在氣孔狀和孔洞狀構(gòu)造、礦體與圍巖邊部接觸截然并且具有烘烤邊，無矽卡巖發(fā)育等現(xiàn)象。因此，另外兩種矽卡巖成礦模式被提出：礦漿貫入成因和巖漿-熱液過渡流體成因。礦漿貫入成因是深部巖漿熔離作用產(chǎn)生的鐵礦漿在巖體冷凝收縮遭受擠壓時沿著巖體接觸面侵位并結(jié)晶形成磁鐵礦(石準(zhǔn)立等, 1981, 1983; 翟裕生等, 1982; 李延河等, 2013; 陳永健等, 2014)。而巖漿-熱液過渡流體成因認(rèn)為成礦過程是一個由漿到液較長的逐漸演化的過程, 礦體常有分帶現(xiàn)象, 深部主要表現(xiàn)為礦漿型，淺部演化為熱液型(林新多等, 1984; 林新多, 1998; 裴榮富等, 1985)。這兩種成因都承認(rèn)鐵礦漿的存在，但是礦漿說不能解釋為什么高密度礦漿能夠上升侵位于低密度硅酸鹽巖石及其圍巖中，也不能區(qū)分礦漿和含礦流體。總體來說這三種成因模式區(qū)別在于含礦流體到底來自于致礦侵入體的鐵質(zhì)析出還是深部巖漿-流體作用。因此，研究巖漿-流體演化過程、含礦流體的來源和性質(zhì)是解決矽卡巖鐵礦成因的關(guān)鍵。

研究表明角閃石的化學(xué)成分可以有效地示蹤巖漿的分異演化程度及其成巖的物理-化學(xué)條件(Hammarstrom and Zen, 1986; Zhangetal., 2006; Ridolfietal., 2008, 2010; Erdmannetal., 2014; Lietal., 2016; Putirka, 2016; Petersetal., 2017; Humphreysetal., 2019)；而且角閃石結(jié)晶時巖漿的氧逸度的高低以及流體性質(zhì)都對成礦過程具有重要影響(Bietal., 2009; Duan and Jiang, 2017; Lietal., 2018)。為了解決上述問題，我們以河北武安地區(qū)為研究對象，利用電子探針和激光原位微區(qū)分析來研究該區(qū)斑狀角閃二長巖的角閃石的化學(xué)成分特征，結(jié)合詳細(xì)的巖相學(xué)觀察，通過對不同角閃石類型的分析，來約束該區(qū)巖體形成時的溫度、壓力、氧逸度、含水量等條件，進(jìn)而研究該地區(qū)的巖漿演化過程和含礦流體的性質(zhì)，為該區(qū)矽卡巖礦床成因提供新的證據(jù)。

1 地質(zhì)背景

河北武安地區(qū)位于華北克拉通中部，太行山板內(nèi)造山帶(羅照華等, 1999)的中南段(圖1a)，區(qū)內(nèi)主要斷裂以NE-NNE向為主(圖1b)。南太行地區(qū)以晚太古代到早古元古代的贊皇群為結(jié)晶基底，包括有TTG(英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖)巖石系列、斜長角閃巖、大理巖和BIF(條帶狀鐵建造)等(Zhaoetal., 2000; 鄭建民, 2007; Zhai and Santosh, 2011)。長城系砂巖呈角度不整合覆蓋贊皇群上，最后被寒武系和奧陶系的灰?guī)r覆蓋。區(qū)域構(gòu)造和巖漿巖展現(xiàn)出北北東或北北西的分布趨勢。區(qū)內(nèi)中生代巖漿活動強(qiáng)烈，侵入巖自西向東包括3個巖石系列——角閃閃長巖系列、二長巖系列和正長巖系列。其地球化學(xué)特征和中國東部中生代的大多數(shù)侵入巖相似，大部分為高鉀鈣堿性，富集大離子親石元素，虧損高場強(qiáng)元素，Eu的異常不明顯等(陳斌等, 2013)。武安雜巖體是邯邢地區(qū)中部帶與成礦關(guān)系最為密切的閃長巖-二長巖系列，主要巖體包括武安地區(qū)南部的坦嶺巖體、固鎮(zhèn)巖體和北部的礦山村巖體。前人的鋯石U-Pb定年顯示武安地區(qū)侵入雜巖年齡在120～136Ma之間(陳斌等, 2005; Lietal., 2013; Shenetal., 2013; Sunetal., 2014)，其形成時代處于整個中國東部早白至世巖漿活動事件中，這表明武安雜巖體處于華北克拉通東部強(qiáng)烈的巖石圈伸展減薄的構(gòu)造背景之中。研究發(fā)現(xiàn)邯邢地區(qū)巖漿活動主要分為兩期：前期主要為139～130Ma具有等粒結(jié)構(gòu)的一套侵入巖組合，后期為122～129Ma具斑狀結(jié)構(gòu)或似斑狀結(jié)構(gòu)的一套侵入巖組合(霍延安等, 2019; 劉璐璐等, 2019; 蔣俊毅等, 2020)。本文選取和成礦關(guān)系比較密切的斑狀角閃二長巖進(jìn)行研究，樣品分別采集于坦嶺和礦山巖體(圖1b)。

圖1 華北克拉通(a)及研究區(qū)(b)區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)蘇尚國等，2017; 霍延安等，2019)Fig.1 Regional geological maps of the North China Craton (a) and of the study area (b) (after Su et al., 2017; Huo et al., 2019)

2 巖相學(xué)特征

斑狀角閃二長巖為灰白色，具似斑狀結(jié)構(gòu)(圖2a)，塊狀構(gòu)造。斑晶為角閃石，野外可見斑晶具有一定的定向性。角閃石斑晶淺黃色-褐色(圖2a, b, d, e)，粒徑一般為2～8mm左右，含量10%～20%，部分發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)。基質(zhì)礦物主要為斜長石、鉀長石、角閃石、黑云母、輝石和少量石英等(圖2c, f, h)，副礦物有磷灰石、磁鐵礦、鈦鐵礦、榍石、鋯石(圖2h)等。

圖2 武安地區(qū)斑狀角閃二長巖巖相學(xué)特征(a)斑狀角閃二長巖結(jié)構(gòu)特征(+)；(b)褐色斑晶角閃石邊部發(fā)育反應(yīng)環(huán)邊，主要為彎曲狀黑云母和綠色角閃石，基質(zhì)黑云母較自形(-)；(c)基質(zhì)中主要礦物為環(huán)帶斜長石，基質(zhì)褐色較自形角閃石、基質(zhì)綠色角閃石，鉀長石等(+)；(d)斑晶角閃石反應(yīng)環(huán)邊具圈層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部也有裂隙與基質(zhì)相連(-)；(e)斑晶角閃石的環(huán)邊圈層，從內(nèi)向外分為三層(-)；(f)基質(zhì)中晚期他形鉀長石包裹早期透輝石、角閃石、黑云母、斜長石、磷灰石等礦物(+)；(g)斑晶角閃石環(huán)邊結(jié)構(gòu)：從內(nèi)而外依次為：褐色角閃石、黑云母帶、斜長石+透輝石帶、綠色角閃石+磁鐵礦帶(BSE)；(h)基質(zhì)中礦物組合特征(BSE)；(i)基質(zhì)角閃石，出現(xiàn)成分的明暗變化，分別對應(yīng)基質(zhì)褐色和綠色角閃石.(+)正交偏光;(-)單偏光；(BSE)背散射圖像. Amp-角閃石；Bi-黑云母；Pl-斜長石；Kfs-鉀長石；Q-石英；Mt-磁鐵礦；Ap-磷灰石；Ab-鈉長石；Act-陽起石；Di-透輝石Fig.2 Petrography of amphibole monzodiorite porphyry in Wuan area

斑狀角閃二長巖中斑晶角閃石一般為褐色，但其邊部會有一些小的綠色角閃石(圖2d, e)；基質(zhì)角閃石大部分都是他形的綠色角閃石(圖2a, c)，部分為自形-半自形的淺褐色角閃石(圖2c)，還有一些較自形的基質(zhì)角閃石核部為褐色，邊部區(qū)域被改造為綠色，在背散射下成明暗變化(圖2i)；角閃石斑晶周圍一般都有反應(yīng)環(huán)邊，按反應(yīng)程度由內(nèi)而外依次為黑云母帶、透輝石和斜長石帶、斑晶邊部綠色角閃石和磁鐵礦帶(圖2d, e)；角閃石斑晶中心一般都發(fā)生裂解，并與外部基質(zhì)通過裂隙相連，內(nèi)部發(fā)育各種礦物組合(圖2d)：鈉長石、斜長石、磷灰石、榍石、磁鐵礦等。斜長石斑晶含量較少，普遍發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2c)；基質(zhì)斜長石一般不會產(chǎn)生蝕變，只是呈長條狀分布于基質(zhì)中。鉀長石他形，包裹著早期的自形晶礦物(圖2c, f)。部分斜長石內(nèi)部被溶蝕為黑色，外部發(fā)育凈邊結(jié)構(gòu)(圖2f);黑云母褐色，半自形長條狀或葉片狀，主要為基質(zhì)中的自形黑云母(圖2f, h)和角閃石邊部的他形黑云母(圖2a, b, d, e)；輝石大部分為他形粒狀(圖2h)；磁鐵礦零星的分布在基質(zhì)中或者環(huán)繞在角閃石斑晶邊部(圖2e, g)。

3 分析方法

對角閃石等礦物的電子探針(EMPA)成分分析在中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心利用配備有四道波譜儀的JEOL JXA-8230型電子探針顯微分析儀完成。工作條件為：15kV的加速電壓，20nA的加速電流，束斑直徑為1～10μm。Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe元素特征峰的測量時間為10s，Ti和Mn元素特征峰的測量時間為20s，上下背景的測量時間分別是峰測量時間的一半。所有的測試數(shù)據(jù)都采用ZAF修正方法。標(biāo)樣為美國SPI礦物，金屬標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSB。

礦物原位微量元素分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦床成因與勘查技術(shù)研究中心(OEDC)礦物微區(qū)分析實驗室利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)完成。激光剝蝕系統(tǒng)為Cetac Analyte HE，ICP-MS為Agilent7900。點(diǎn)剝蝕頻率為8Hz，剝蝕束斑直徑為30μm，能量密度為2J/cm2。激光剝蝕信號時間為40s，前后各有20s背景信號和空白信號。礦物微量元素處理采用無內(nèi)標(biāo)多外標(biāo)方法進(jìn)行，外標(biāo)玻璃為GSE-1G、GSD-1G和BCR-2G。

4 分析結(jié)果

4.1 角閃石的主量元素特征

對斑狀角閃二長巖的角閃石進(jìn)行了主量元素分析(表1)，角閃石整體比較富鎂 (Mg#>0.59)。其中褐色斑晶角閃石的成分主要為鎂綠鈣閃石和韭閃石(圖3)，褐色基質(zhì)角閃石是鎂綠鈣閃石；綠色基質(zhì)角閃石主要成分是鎂角閃石、淺閃石和陽起石，和斑晶反應(yīng)邊部的綠色顆粒角閃石成分一樣。角閃石的主量元素成分(表1)和哈克圖解(圖4)可以看出角閃石的成分變化：褐色斑晶角閃石是低硅高鋁的(SiO2含量為39.88%～43.14%，Al2O3含量為10.41%～13.04%)；褐色基質(zhì)角閃石是中硅中鋁的(SiO2含量為43.25%～44.23%，Al2O3含量為9.27%～10.11%)，它們的成分和斑晶差別并不大；而綠色角閃石是高硅低鋁的(SiO2含量為46.46%～51.63%，Al2O3含量為3.57%～5.55%)。總的來說，斑晶和基質(zhì)的褐色角閃石是低硅高鋁的，而斑晶邊部以及基質(zhì)的綠色角閃石是高硅低鋁的。由此可見褐色角閃石成分一致，它們代表深部的結(jié)晶環(huán)境，而綠色角閃石成分一致，它們代表了淺部的結(jié)晶環(huán)境。因此，將斑晶褐色角閃石和自形-半自形的基質(zhì)褐色角閃石統(tǒng)稱為褐色角閃石；斑晶邊部以及基質(zhì)他形的綠色角閃石統(tǒng)稱為綠色角閃石。

表1 斑狀角閃二長巖中角閃石電子探針計算結(jié)果(wt%)

樣品號B2343測點(diǎn)號1-11-21-31-41-51-62-12-22-33-13-23-34-14-24-3Na2O2.432.212.282.071.000.852.392.382.372.121.901.451.131.360.86K2O1.101.021.060.900.300.280.660.840.830.910.820.530.330.600.25Total96.4896.9696.1696.2897.1897.2096.7897.9697.3096.5796.9097.2696.9896.4297.17TSi6.176.116.206.477.217.486.406.336.376.436.566.957.136.867.31TAl1.831.891.801.530.570.521.601.671.631.571.440.880.660.970.45CAl0.470.400.360.310.000.090.160.220.210.200.180.000.000.000.00CTi0.190.220.240.230.080.050.310.310.280.240.200.110.100.140.06CFe3+0.280.410.260.250.550.290.360.310.320.450.450.580.580.600.51CMg2.662.612.832.873.693.373.233.143.182.982.933.433.643.353.71CFe2+1.391.361.311.340.661.180.941.011.001.111.220.870.670.880.69CMn0.010.000.010.010.020.020.010.010.010.020.020.010.020.030.02BCa1.811.811.851.811.761.801.741.771.771.711.721.771.741.781.78BNa0.100.100.080.100.130.110.140.120.120.160.150.120.140.120.12ANa0.610.540.580.500.150.130.550.550.550.460.400.290.180.270.12AK0.210.200.200.170.060.050.120.160.160.170.160.100.060.110.05Mg#0.690.700.720.710.910.780.830.800.810.790.770.850.910.850.90T (℃)970.6969.3966.4909.8830.7705.3923.3940.1932.0902.6871.2864.3844.6881.1816.1P (MPa)515.5 501.9 420.2 265.5 44.20 45.85236.5 283.6 264.3238.7 193.0 68.8849.8677.8436.94D (km)19.4718.9515.8710.031.671.738.9310.719.989.027.292.601.882.941.39ΔNNO0.300.260.460.662.662.181.040.840.990.941.042.242.582.072.67logfO2-10.3-10.4-10.2-11.0-10.6-13.9-10.4-10.3-10.3-10.9-11.4-10.4-10.4-10.2-10.9H2Omelt6.286.495.565.213.103.974.254.484.334.454.623.133.173.373.09

圖3 角閃石分類圖(據(jù)Leake et al., 1997)Fig.3 Classification of amphiboles(after Leake et al., 1997)

圖4 角閃石的主量元素成分變化圖Fig.4 Major element compositions of amphiboles

褐色角閃石相對綠色角閃石富TiO2、Na2O、K2O，貧MgO、MnO，它們之間的CaO含量差別不大；大部分綠色角閃石的FeO含量比褐色角閃石要低，但是有小部分綠色角閃石的FeO含量比較高(圖4)。

4.2 角閃石的微量元素特征

角閃石的稀土和微量元素特征如表2和圖5所示，斑晶褐色角閃石和基質(zhì)褐色角閃石稀土和微量元素模式圖比較一致，斑晶邊部的綠色角閃石和基質(zhì)綠色的角閃石總體來說稀土和微量特征具有相似的變化。褐色角閃石和綠色角閃石稀土元素上總體趨勢比較一致，都是輕稀土相對富集，重稀土元素相對虧損的右傾曲線。褐色角閃石稀土總量高且比較集中，但是綠色角閃石稀土含量變化較大。部分綠色角閃石稀土總量很低，這可能是由于綠色角閃石結(jié)晶時周圍的流體性質(zhì)變化較大引起的；斑晶邊部和基質(zhì)中的綠色角閃石常和磷灰石、長石、榍石、磁鐵礦等一起結(jié)晶析出，這也造成它們成分上具有更多變化。相對LREE和HREE，磷灰石、榍石的分離結(jié)晶會引起MREE的虧損(Hughetal., 2000)，因此綠色角閃石出現(xiàn)的MREE虧損可能是這些小角閃石常伴隨磷灰石、榍石等結(jié)晶導(dǎo)致的。綠色角閃石具有明顯的負(fù)Eu異常和巖漿晚期它們伴生長石大量結(jié)晶有關(guān)，因為長石分離結(jié)晶過程中會將Sr、Eu帶走，導(dǎo)致了Eu的負(fù)異常。兩類角閃石的微量元素的富集和虧損大體趨勢一致，但是綠色角閃石具有更強(qiáng)的Nb、Sr、Pb、Ti的負(fù)異常。而且它們的Nb/Ta的比值差別很大，褐色角閃石Nb/Ta(20.9～39.6)要比綠色角閃石的Nb/Ta(16.6～193)小的多(表2)。褐色角閃石具有Th、U的負(fù)異常，而綠色角閃石正好相反，它的Th、U含量較高，這可能由于巖漿演化晚期Th、U濃度增加引起的。

表2 斑狀角閃二長巖中角閃石稀土和微量元素分析結(jié)果(×10-6)

圖5 角閃石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a、c)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b、d)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized rare earth element patterns(a, c)and primitive mantle-normalized spider diagram(b, d) of amphiboles(normalization values after Sun and McDonough, 1989)

5 討論

5.1 角閃石形成時的溫壓條件

武安雜巖體中鈣質(zhì)巖漿角閃石是比較常見的暗色礦物，且成分變化較大，可以有效的記錄角閃石結(jié)晶時的溫度、壓力和巖漿的成分變化(Erdmannetal., 2014; Putirka, 2016)。前人根據(jù)角閃石中的全鋁含量與結(jié)晶壓力之間良好的線性關(guān)系,提出的全鋁壓力計以及斜長石-角閃石溫度計(Holland and Blundy, 1994; Schmidt, 1992; Anderson and Smith, 1995; Shane and Smith, 2013)，上述溫壓計在花崗質(zhì)巖石近固相線條件下誤差較小，需要特定的礦物共生組合和成分限定(Anderson, 1996; 李小偉等, 2011; 汪洋, 2014; Putirka, 2016; Ridolfietal., 2018)，尤其不能計算基質(zhì)小顆粒角閃石和斑晶邊部綠色小角閃石(牛利峰和張宏福, 2005)。Ridolfietal. (2010)根據(jù)實驗提出了基于與俯沖相關(guān)的鈣堿性火山巖中新的角閃石溫壓計、氧逸度和巖漿含水量計算公式，適用于Al#(VIAl/Altot)≤0.21和Mg2+/(Fe2++Mg2+)>0.5的角閃石，并在2012年對其進(jìn)行了重新的修訂，擴(kuò)大了它的適用范圍(Ridolfi and Renzulli, 2012)。隨后該溫壓計得到大量應(yīng)用(Zhangetal., 2015; Lietal., 2016; Duanetal., 2017; Gorinietal., 2018; 龔林等, 2018; Xiongetal., 2019)，并且計算基質(zhì)小顆粒角閃石和斑晶邊部綠色角閃石的結(jié)果也和其它礦物溫壓計結(jié)果一致(Zhangetal., 2015)。因此本文利用Ridolfietal. (2010)鈣質(zhì)角閃石溫壓計公式，計算出不同角閃石形成的溫度、壓力值并進(jìn)行投圖(圖6)，顯示角閃石形成于三個階段：褐色斑晶角閃石大多形成于相對高壓(400～560MPa)和高溫(950～980℃)的條件；褐色基質(zhì)角閃石形成壓力比斑晶角閃石降低(200～300MPa)，而溫度變化不大(870～940℃)，是巖漿接近固結(jié)時快速結(jié)晶形成的；綠色角閃石都形成于相對低壓(<100MPa)和低溫(700～880℃)的條件下，它們是在巖漿侵位到淺部時結(jié)晶的。

圖6 角閃石形成的溫壓圖(據(jù)Ridolfi et al., 2010)Fig.6 The temperature-pressure diagram of amphibole (after Ridolfi et al., 2010)

根據(jù)地殼密度2.7g/m3，我們可以計算出角閃石的結(jié)晶深度。結(jié)果顯示褐色斑晶角閃石形成深度為15～20km的巖漿房，褐色基質(zhì)角閃石深度大約為7～10km的巖漿房，大部分基質(zhì)和斑晶的綠色角閃石形成于巖漿定位深度(1～3km)條件下。目前多重巖漿房系統(tǒng)已經(jīng)得到普遍認(rèn)同(Marsh, 2004; Cashmanetal., 2017; Segall, 2019; Sparksetal., 2019)，武安地區(qū)不同角閃石的結(jié)晶壓力也可以表明該區(qū)深部存在兩個巖漿房系統(tǒng)，分別為15～20km的深部巖漿房和7～10km的淺部巖漿房。武安地區(qū)存在兩期大的巖漿活動，分別為早期的等粒巖套和晚期的似斑狀巖套(劉璐璐等, 2019; 霍延安等, 2019; 蔣俊毅等, 2020)，該區(qū)大量暗色微粒包體和圍巖捕擄體的存在(劉璐璐等, 2017; 霍延安等, 2019; 崔曉亮, 2020)都是深部發(fā)生巖漿混合和地殼混染作用的證據(jù)。同時武安地區(qū)不同類型的角閃石環(huán)帶結(jié)構(gòu)和不同斜長石晶體群的出現(xiàn)都被認(rèn)為是深部存在多重巖漿房和發(fā)生多期次巖漿混合的產(chǎn)物(劉璐璐等, 2019; 崔曉亮, 2020)。

褐色斑晶角閃石在深部巖漿房大量結(jié)晶，當(dāng)巖漿逐漸演化上升到淺部巖漿房時褐色基質(zhì)角閃石形成，尤其大量半自形基質(zhì)角閃石的結(jié)晶說明巖漿房已經(jīng)處于開始降溫的狀態(tài)并快速結(jié)晶的結(jié)果，此時巖漿接近固結(jié)-半固結(jié)，失去了上升侵位的能力(Caricchietal., 2007)。從圖6我們可以看出在3～7km結(jié)晶的角閃石很少，說明該巖漿后來發(fā)生活化并進(jìn)行快速的侵位，直到它在地殼淺部定位后大量他形的綠色基質(zhì)角閃石和斑晶邊部的綠色角閃石才又大量結(jié)晶。固結(jié)-半固結(jié)巖漿如何在高粘度下快速侵位到地殼淺部是一個重要問題。前人在該區(qū)研究也發(fā)現(xiàn)了一個凍結(jié)巖漿房活化機(jī)制可以很好解釋這一問題。劉璐璐等(2017)在研究該區(qū)發(fā)現(xiàn)含70vol%斜長石斑晶的斜長斑巖的脈體，基質(zhì)由藍(lán)透閃石、條紋長石、石英，鉀長石和鈉長石，及少量磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石、榍石和鋯石等流體晶礦物組成，其成因被認(rèn)為是深部半固結(jié)巖漿房在堿性富鐵流體的加入下導(dǎo)致凍結(jié)巖漿房活化后快速侵入上地殼的。根據(jù)凍結(jié)巖漿房活化機(jī)制(羅照華等, 2014)，該區(qū)斑狀角閃二長巖的快速侵位可能也是在外來流體注入的情況下實現(xiàn)的。

5.2 巖漿氧逸度和含水量的演化

相對于溫度、f(H2O)和壓力，體系的氧逸度對硅酸鹽礦物的影響最顯著，硅酸鹽礦物的(Fe/Fe+Mg)隨著氧逸度的增加將顯著降低，將對硅酸鹽礦物的化學(xué)組成產(chǎn)生重要的影響(Anderson and Smith, 1995)。角閃石的成分可以用來推斷其形成時相應(yīng)熔體的氧逸度及水的含量(Ridolfietal., 2010)。經(jīng)過計算可知角閃石都處在高氧逸度條件下(△NNO～△NNO+2)(表1)。而且從圖7中我們可以看出，從褐色角閃石到綠色角閃石，氧逸度還有一個的升高的趨勢。角閃石氧逸度的繼續(xù)升高，反映了巖漿晚期巖漿系統(tǒng)氧逸度的升高。而巖漿體系后期更高氧逸度的出現(xiàn)可能是多期次的巖漿混合和地殼混染導(dǎo)致的(Zhangetal., 2015)。

圖7 角閃石結(jié)晶時巖漿的溫度-氧逸度變化圖Fig.7 Magma’ oxygen fugacity and temperature when amphibole crystallized

同樣利用Ridolfietal. (2010)巖漿含水量計算公式計算角閃石結(jié)晶時熔體的含水量(表1)。褐色斑晶角閃石結(jié)晶時的深部巖漿房含水量高(4.7%～6.5%)、褐色基質(zhì)角閃石形成的淺部巖漿房含水量降低(4.2%～4.6%)、而綠色角閃石結(jié)晶時的巖漿含水量很低(2.1%～4.0%)。斑晶角閃石結(jié)晶時深部巖漿房的水含量很高，這為含水礦物角閃石的提前穩(wěn)定結(jié)晶提供了條件；褐色基質(zhì)角閃石的含水量降低說明巖漿房演化后期開始固結(jié)的表現(xiàn)。由于水在熔體中的溶解度與壓力成正比(Cline, 1995)，深部富水巖漿快速侵入到淺部地殼，壓力也迅速降低，巖漿就由水不飽和熔體轉(zhuǎn)化為水飽和熔體(圖8)，從而導(dǎo)致大量流體出溶。此時巖漿中水含量降低，結(jié)晶出來的綠色角閃石的含水量也就降低了。深部多重巖漿房活動必然伴隨著大量的流體活動，每一次巖漿房快速上升過程中都會有大量的流體出溶，多期次的巖漿活動會造成大量的深部流體出溶。

圖8 水含量和壓力二元圖(據(jù)Cline, 1995)圖中曲線為在1100℃下花崗閃長質(zhì)熔體中水含量Fig.8 Water content versus pressure diagram (after Cline, 1995)

對于矽卡巖型鐵礦而言，巖漿的氧逸度對鐵礦具有重要影響。高氧逸度的條件有利于鐵礦的生成，這是因為高氧逸度條件有利于金屬元素進(jìn)入流體相，阻止其以硫化物的形式在早期沉淀，為后期的鐵礦化提供了必要條件(Meinert, 1995)。巖漿演化后期綠色角閃石的更高氧逸度條件為最后成礦流體的出溶提供了保證。同時，巖漿中高的含水量也可以促使鐵質(zhì)的富集，高含量水的巖漿更容易在低壓條件下出溶含礦流體(Cline, 1995; Robb, 2005)和揮發(fā)分。在早期階段含水流體的出溶可以阻止金屬元素的缺失，以便在后期階段鐵礦的大量沉淀(Mustardetal., 2006)。而斑狀角閃二長巖中大量角閃石、黑云母等富水富揮發(fā)分的礦物，暗示武安地區(qū)富水巖漿在分離結(jié)晶過程中分離出大量的揮發(fā)份。這些揮發(fā)分雖然含量不高卻極容易與鐵、銅等金屬元素形成易溶絡(luò)合物，有利于成礦元素的富集和遷移(鮑新尚等, 2017)。

5.3 含礦流體的性質(zhì)及成因

角閃石在巖漿上升或巖漿混合過中受到加熱時尤其對巖漿含水量和外界溫度敏感，當(dāng)巖漿上升至地表在高水壓下富水穩(wěn)定的角閃石由于周圍熔體的排氣作用而分解產(chǎn)生裂紋(Okamoto and Toriumi, 2005)。褐色斑晶角閃石內(nèi)部破裂并與外部基質(zhì)連通(圖2d)，說明巖漿經(jīng)歷了快速上升或者混合的過程。巖漿在快速上升的過程中、角閃石和熱的基性巖漿混合會在角閃石周圍形成反應(yīng)邊(Browneetal., 2003; De Angelisetal., 2015)，角閃石的反應(yīng)邊寬度大小還和巖漿上升速率成正比(Rutherford and Hill, 1993; Browne and Gardner, 2006)，斑晶角閃石周圍大量反應(yīng)邊表明巖漿上升速度很快。但是通過分析發(fā)現(xiàn)單純加熱降壓過程中出現(xiàn)的角閃石反應(yīng)邊部并沒有黑云母的出現(xiàn)(Rutherford and Hill, 1993; Browneetal., 2003; Browne and Gardner, 2006; De Angelisetal., 2015)。本次研究的斑晶角閃石邊部都有富鉀礦物黑云母的出現(xiàn)(圖2a, b, d, e)，這說明斑晶角閃石不僅僅經(jīng)歷了巖漿快速上升過程，還可能受到富鉀流體的交代作用。對于褐色基質(zhì)角閃石，其背散射圖中也有不同明暗程度的變化(圖2i)，從亮色到暗色的變化也是一個明顯的流體交代的過程。褐色角閃石和綠色角閃石的微量元素化學(xué)成分上也可以體現(xiàn)一個流體的交代過程。一般來說不相容元素在巖漿演化的晚期富集，隨著巖漿的持續(xù)的分餾，熔體中不相容元素含量就增加了(Smith, 2014)。但是我們可以看到巖漿結(jié)晶后期的綠色角閃石反而比早期褐色角閃石不相容元素降低，尤其是K、Rb、Ba、Sr等大離子親石元素，可能是這些褐色角閃石上升時和流體發(fā)生反應(yīng)，侵位到淺部后伴隨流體的大量出溶形成綠色角閃石等礦物，大離子親石元素隨流體遷移而導(dǎo)致綠色角閃石不相容元素降低。

同時，角閃石Nb/Ta值都比原始地幔和大陸地殼要高，綠色角閃石的Nb、Ta值比褐色角閃石降低但是Nb/Ta升高，有的高達(dá)193(表2)。一般造成Nb/Ta分異的深部地質(zhì)過程主要有流(熔)體和巖漿相互作用(Green, 1995; Dostal and Chatterjee, 2000)、熱遷移作用和一些特殊的巖漿活動(丁興和孫衛(wèi)東, 2014)，而綠色角閃石經(jīng)歷的更多的是巖漿與流體的相互作用。Green (1994)認(rèn)為巖漿演化后期的流體促使分異晚期的巖漿更容易富集Ta而不是Nb，使得巖漿的Nb/Ta比值隨著演化程度的增加而降低。這說明綠色角閃石的高的Nb/Ta并不是巖漿演化晚期正常的值，而必然受到來自深部的外來流體交代作用。

雖然在巖漿分異過程中可以產(chǎn)生流體，但是由于熔體與流體產(chǎn)量的關(guān)系，成礦所需的巨量流體并不能只通過深部巖體的巖漿分異作用產(chǎn)生(羅照華等, 2014)。因此，除了同源巖漿分異流體之外，成礦巖漿中還含有額外的、更深源的流體加入(Scoates and Mitchell, 2000)，它們可能是一種透巖漿流體(羅照華等, 2008)，因為地球內(nèi)部甚至地核中含有大量的流體(Yang and Scott, 2005; Lietal., 2020)，這些深部的流體就可能攜帶大量成礦物質(zhì)而活化凍結(jié)的巖漿房，之后快速侵位造成更多流體出溶成礦。

斑晶角閃石在快速侵位過程中，與外來含礦流體反應(yīng)形成反應(yīng)環(huán)邊。我們根據(jù)角閃石反應(yīng)環(huán)邊不同礦物化學(xué)成分進(jìn)行分析，得出和角閃石反應(yīng)的流體性質(zhì)及具體過程如下：

2NaCa2(Mg4Al)(Al2Si6)O22(OH)2+2Fe3++2Fe2++K+

斑晶褐色角閃石

+4H++SiO2→5Al3++Ca2++2Na++4OH-

+KMg3(AlSi3)O10(OH)2+CaMgSi2O6+Fe2+Fe23+O4

黑云母 透輝石 磁鐵礦

+Ca2(Mg4Fe2+)(Si8O22)(OH)2

(1)

綠色角閃石

通過反應(yīng)公式(1)我們可以看出，褐色斑晶角閃石在富鉀富鐵富硅流體作用下生成黑云母、 透輝石、 磁鐵礦和綠色

角閃石的礦物組合，剩余離子則富流體遷移或者生成鈉長石和斜長石。正是該含礦流體的注入使固結(jié)-半固結(jié)的巖漿房活化并快速上升，上升過程中斑晶角閃石和流體發(fā)生反應(yīng)，流體的注入也使巖漿中含水量升高，為侵位后成礦流體的大量出溶準(zhǔn)備了條件。

5.4 對邯邢鐵礦的成因指示

邯邢地區(qū)矽卡巖鐵礦的致礦侵入體都發(fā)育強(qiáng)烈的鈉鈣質(zhì)蝕變，傳統(tǒng)的矽卡巖接觸交代成因模式認(rèn)為鐵質(zhì)來源主要是巖漿分異形成的巖漿期后熱液以及淺部巖漿中的暗色礦物析出鐵質(zhì)(沈保豐等, 1977, 1979, 1981; 劉英俊等, 1982; 趙一鳴等, 1983; 鄭建民, 2007)。但是Barton and Johnson (1996)和Dilles and Einaudi (1992)認(rèn)為這種大范圍的鈉鈣質(zhì)蝕變是由巖漿熱源驅(qū)動的外部流體與致礦侵入體中的長石發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，所以巖體中析出的鐵是否能夠提出磁鐵礦的鐵質(zhì)來源還存在問題。實際觀察表明導(dǎo)致矽卡巖形成的流體可能直接來自其附近的火成巖侵入體，但是從質(zhì)量平衡的角度看，直接侵入體并不能提供足夠的高溫含礦流體(石準(zhǔn)立等, 1983)。根據(jù)成礦金屬在流體中溶解度的實驗結(jié)果，成礦金屬在流體中的溶解度與溫度、壓力正相關(guān)(Loucks and Mavrogenes, 1999)，只有深部流體才具有較大的成礦潛力(羅照華等, 2007)。Meinertetal. (2005)也認(rèn)為矽卡巖鐵礦床的成礦流體主要來自與之相關(guān)的侵入體，但隨著成礦作用的演化，可能有大量的外部流體和其他組分加入到成礦體系中，這從大量穩(wěn)定同位素和流體包裹體得到證據(jù)(Ponsetal., 2009; Zürcheretal., 2001)。還有部分學(xué)者認(rèn)為巖體中析出的鐵不足以形成大的礦床，巖體中析出的鐵也不能平衡磁鐵礦同位素的變化(陳永健等, 2014)，必須有巖漿流體帶來的鐵才能平衡(侯通等, 2010; Zhuetal., 2016)。矽卡巖鐵礦成礦過程中否有外來含礦流體的參與是必須厘清的一個問題。為此，我們從斑晶角閃石反應(yīng)邊這個析鐵反應(yīng)過程來直接分析角閃石和流體反應(yīng)前后是否達(dá)到鐵質(zhì)質(zhì)量平衡。

圖9為發(fā)育反應(yīng)邊的角閃石斑晶(圖2d)的素描圖，我們利用晶體粒度分析方法(CSD)(楊宗鋒等, 2010)計算出角閃石斑晶反應(yīng)環(huán)帶上不同礦物所占的面積比，在這個截面上等同于它們的體積比。利用各礦物FeOT平均含量計算出斑晶角閃石反應(yīng)前后含鐵量的變化，由表3計算結(jié)果我們可以看出反應(yīng)后整體含鐵量明顯增加。結(jié)合角閃石反應(yīng)環(huán)邊反應(yīng)(1)的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：單純靠巖漿中的暗色礦物析出的鐵不能達(dá)到磁鐵礦的質(zhì)量平衡，外來富鐵流體加入到成礦體系是必須的。斑晶角閃石周圍的磁鐵礦絕大多數(shù)是圍繞在它的周圍，并沒有發(fā)生搬運(yùn)，即使鐵質(zhì)來源是完全靠角閃石等暗色礦物析出的鐵，也未表現(xiàn)出聚集成礦的特征。外來含礦流體的加入，無論是對于巖漿房的活化和快速上升，還是對于斑晶角閃石反應(yīng)環(huán)邊的鐵質(zhì)質(zhì)量平衡都是必須的。外部含礦流體的注入提高了巖漿中的含水量，致使固結(jié)-半固結(jié)巖漿房活化并快速上升，壓力迅速降低，高氧逸度條件下成礦流體大量出溶。同時，巖漿快速上升將避免含礦流體因熱力學(xué)平衡而在運(yùn)動途中丟失成礦金屬，定位后必然發(fā)生大規(guī)模成礦作用(羅照華等, 2014)。

表3 角閃石斑晶反應(yīng)前后含鐵量變化計算表

圖9 斑晶角閃石及其反應(yīng)環(huán)邊素描圖Fig.9 A drawing diagram of amphibole phenocryst and its reaction rim

“邯邢式”鐵礦的成因模式可能不是傳統(tǒng)的熱液接觸交代成因模型，矽卡巖鐵礦的鐵質(zhì)來源應(yīng)該是深部含礦流體，它可以進(jìn)一步演化為“含鐵熔體-流體”或“鐵礦漿”。前人研究發(fā)現(xiàn)“鐵礦漿”中可能含有大量揮發(fā)分流體(陳永健等, 2014; 蘇尚國等, 2015)，并不是單純的礦漿，這就解決了它比重大上升難的問題。蘇尚國等(2015)據(jù)此提出“含鐵熔體-流體通道成礦系統(tǒng)”成礦模型(圖10)，認(rèn)為鐵礦漿在深部CO2及高鹽度流體的加入下，在深部巖漿房產(chǎn)生流體超壓環(huán)境，形成“含鐵熔體-流體”，“含鐵熔體-流體”沿通道(構(gòu)造薄弱帶)快速上侵就位成礦。武安玉石洼鐵礦的磁鐵礦的化學(xué)成分從深部到淺部具有從高鈦向高硅的演化趨勢(侯曉陽等, 2019)，一般高鈦磁鐵礦在早期高溫巖漿中的結(jié)晶產(chǎn)物(Buddington and Lindsley, 1964)，而高硅磁鐵礦被認(rèn)為是高揮發(fā)分和高流動性組分的特征(Shchekaetal., 1977)。玉石洼鐵礦的磁鐵礦成分變化反映了從礦漿成因過渡到流體成因的連續(xù)變化過程，表明“含鐵熔體-流體”就位的溫度、壓力條件控制磁鐵礦的成分特征及其礦物共生組合(侯曉陽等, 2019)。該模型能夠很好的解釋包括礦漿型磁鐵礦在內(nèi)的不同類型的磁鐵礦的成因以及不同類型角閃石的成因，也強(qiáng)調(diào)了外來含礦流體加入和巖漿快速侵位的必要性。

圖10 “含鐵熔體-流體通道成礦系統(tǒng)”成礦模型圖(據(jù)蘇尚國等，2015;侯曉陽等, 2019)(a)在深部巖漿房，中性-基性巖漿與碳酸鹽巖反應(yīng)形成鐵礦漿；(b)由于鐵礦漿比重大，鐵礦漿在巖漿房底部聚集；(c)由于CO2氣體和深部高鹽度流體的加入，深部巖漿房產(chǎn)生了流體超壓的環(huán)境，流體與鐵礦漿結(jié)合使其密度變輕，形成含鐵熔體-流體；(d)含鐵熔體-流體沿通道(構(gòu)造薄弱帶)上侵就位Fig.10 The metallogenic diagrammatic figure of “Iron-enriched melt-fluid channel metallogenic system” (after Su et al., 2015; Hou et al., 2019)

因此，武安地區(qū)斑狀角閃二長巖的褐色角閃石斑晶在15～20km的深部巖漿房結(jié)晶，之后在巖漿侵位到7～10km的淺部巖漿房時褐色基質(zhì)角閃石結(jié)晶，此時巖漿房接近固結(jié)-半固結(jié)狀態(tài)。隨后深部外來堿性富硅富鐵流體注入發(fā)生巖漿房的活化，巖漿快速侵位并在1～3km處定位，大量綠色基質(zhì)角閃石形成，此時壓力迅速降低使更多成礦流體出溶。這個過程中角閃石和流體發(fā)生反應(yīng)，褐色角閃石斑晶和流體反應(yīng)生成反應(yīng)環(huán)邊的綠色角閃石，褐色基質(zhì)角閃石也大部分被交代為綠色角閃石。外來富鐵流體的注入使巖漿快速侵位，高含水量和高氧逸度條件下成礦流體大量出溶，這些因素共同促進(jìn)矽卡巖鐵礦的形成。

6 結(jié)論

(1)武安地區(qū)斑狀角閃二長巖中角閃石主要分為兩類：褐色角閃石和綠色角閃石。褐色角閃石形成于高溫高壓富水高氧逸度的深部巖漿中，綠色角閃石是在低溫低壓低含水量更高氧逸度的條件下形成的。相對于褐色角閃石，綠色角閃石具有更強(qiáng)的Nb、Sr、Pb、Ti的負(fù)異常和極高Nb/Ta值，這代表綠色角閃石是在流體的交代作用下形成的。

(2)通過斑晶角閃石反應(yīng)環(huán)邊化學(xué)成分分析和計算，外來富鐵流體的加入是必須的。邯邢式鐵礦的成因并不是熱液接觸交代成因，矽卡巖鐵礦的鐵質(zhì)來源應(yīng)該是深部含礦流體。

(3)外來堿性富硅富鐵流體的注入使巖漿快速侵位，高含水量和高氧逸度條件下成礦流體大量出溶，這些因素共同促進(jìn)矽卡巖鐵礦的形成。

致謝本次樣品測試工作得到中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心林培軍、李增勝的幫助和合肥工業(yè)大學(xué)汪方躍老師的指導(dǎo)；審稿專家對文章的不足提出了有益的修改意見；在此一并表示感謝！