2016, Vol. 35
堆积岩是岩浆在演化和上移过程中从地下深处携带上来的堆晶体碎块，是了解深部岩浆作用的窗口。堆积岩由岩浆房中早期晶出的密度较大的矿物堆积堆积形成(徐夕生和邱检生，2010)，常见的堆积岩有辉石堆积岩、斜长石堆积岩、角闪石堆积岩等。近年来一些学者对产于不同地区的堆积岩进行了大量研究并取得了相应的成果。代表性的如姜常义和李良辰(1990)通过对榆树沟层状堆积岩的研究证明了榆树沟层状杂岩体经历了较为彻底的分离结晶作用；杜杨松等(2004)通过对铜陵地区角闪石堆积岩的研究进一步论证了该区在中生代发生了岩浆底侵作用； Petrone等(2014)研究发现辉长质堆积岩对其研究区内富硅质火山作用具有重大影响；Lee等(2015)认为镁铁质堆积岩的分离对形成高硅花岗岩(HSGs)至关重要。从他们的研究中可以看出堆积岩的形成与岩浆的结晶分异作用关系密切且对整个岩浆作用过程意义重大。
由于堆积岩是岩浆演化过程中的早期晶出相，因此对其进行研究可以反演当时熔体的物理化学环境，作者对安徽铜陵鸡冠山辉石闪长岩中的角闪石堆积岩进行了详细的岩相学观察和矿物电子探针分析，分析了该岩体的形成过程。
1 地质背景和前人研究成果
狮子山矿田位于安徽省铜陵市东郊约7km，是铜陵地区重要的铜金矿田之一(图 1a)。矿区主要出露中、下三叠统，经钻孔工程揭露深部可见二叠系、石炭系和上泥盆统。矿区内构造主要为北东向青山背斜和近东西向、南北向、北北东向及北北西向断裂。区内侵入岩十分发育，出露岩体岩性主要为辉石闪长岩、石英(二长)闪长岩和花岗闪长岩(图 1b)。笔者本次在鸡冠山新爆破的岩体中所采的角闪石堆积岩(N 30°54′19″，E 117°53′34″)寄主岩为鸡冠山辉石闪长岩，中细粒结构，主要成分为斜长石(含量68％～70%)，角闪石(15％～18%)，辉石(8％～10%)，黑云母(1％～2%)，副矿物为磁铁矿，磷灰石，黄铁矿等(图 2a)。关于区内辉石闪长岩的年龄，徐晓春等(2008)、吴才来等(2008)通过锆石SHRIMP U-Pb定年分别得到了139.1±2.3、138.21±0.82Ma，郭维民等(2013)利用锆石LA-ICP-MS U-Pb 定年得到139.9±0.9Ma，这些年龄在误差范围内都具有一致性。
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图 1 狮子山矿田在铜陵的位置及其主要岩体分布略图 (据杜杨松等，2004，修改) Fig. 1 A simplified sketch showing location of the Shizishan orefield(a) and the distribution of major intrusions(b) (modified after Du Yangsong et al.，2004) |
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图 2 鸡冠山辉石闪长岩中的角闪石堆积岩及其显微照片 Fig. 2 The hornblende cumulate in the Jiguanshan pyroxene diorite and its representative microphotographs (a)包体与寄主岩辉石闪长岩；(b)包体(左)与寄主岩(右)的接触部位形成黑云母边；(c)角闪石包裹磷灰石 并在磷灰石边缘形成黑云母反应边；(d)钛铁矿与主晶磁铁矿，矿物颗粒边缘形成黑云母边 |
近年来，一些学者对铜陵地区中酸性侵入岩体中发现的包体做了大量的研究并取得了丰富的成果(周珣若等，1993；邢凤鸣和徐祥，1995；吴才来等，1997；杜杨松和李铉具，2004; 杜杨松等，2004，2007a，2007b)。在狮子山矿田内，虽然前人在曹山、白芒山、鸡冠石岩体中相继发现角闪石、辉石堆积岩包体及角闪石巨晶(杜杨松等，2004；范钦成，2005；秦新龙，2007)，但是在白芒山与鸡冠石之间的鸡冠山辉石闪长岩中还未有报道。此外这些包体的矿物组分与含量也存在一定的差异。笔者发现的角闪石堆积岩主要是以角闪石(约70%)、钛铁磁铁矿(约15%)、磷灰石(约10%)为主的一套矿物组合，几乎不含辉石及长石，和以往发现的各类包体差别很大。钛铁磁铁矿与磷灰石在局部极度富集，钛铁矿客晶以出溶叶片状存在于主晶磁铁矿内。值得指出的是，这是首次在铜陵地区报道的以固溶体分离结构存在的钛铁氧化物的大量富集。
2 岩相学堆积岩主要由角闪石、钛铁磁铁矿、磷灰石以及少量黑云母组成，钛铁磁铁矿与磷灰石被角闪石包裹形成包含结构(图 2c、2d)。堆积岩与寄主岩的接触界线明显，接触位置局部被寄主岩矿物冲碎充填，暗示堆积岩包体与寄主岩不是同期结晶的。在接触界线寄主岩一边的长石具有明显的波状消光，这种波状消光可能与异常环境造成晶体内部位错有关。而接触线靠近包体一边则分布一系列黑云母边，可能是角闪石退化蚀变而成(图 2b)。
角闪石为长柱状，自形程度很好，单个颗粒长0.5～1.5cm，个别可达2cm，晶体应形成于持续稳定的环境。大颗粒角闪石内部可见钛铁磁铁矿、磷灰石颗粒，这些颗粒或集中分布或呈星点状分散分布。在角闪石与钛铁磁铁矿及磷灰石的接触部分往往发生反应形成云母边(图 2c、2d)。
磷灰石呈长柱状或六边形状，局部富集，单边光镜下为亮白色，正交镜下为一级灰，凸起较低，晶体内含大量晶质包裹体，可能是磷灰石在高温下结晶体而捕获的(图 2c)。
钛铁磁铁矿，术语是指在磁铁矿的主晶中含有规则的钛铁矿片晶(岳树勤等，1982)。本次发现的角闪石堆积岩中的钛铁磁铁矿颗粒呈自形至半自形粒状结构，颗粒大小为2mm左右，集中分布于大颗粒角闪石内部，常与磷灰石结伴而生，与磷灰石无明显的穿插关系，暗示其与磷灰石大体是同时形成的。钛铁矿在钛铁磁铁矿颗粒中沿磁铁矿(100)和(111)方向出溶，形成格状构造(图 2d)。
3 矿物化学角闪石成分分析在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成，仪器型号为JXA-8230。测试条件为加速电压15kV，电流20nA，束斑直径为5μm。对角闪石结构式基于23个氧离子，13个阳离子，其中Fe2+和Fe3+在全铁中的分配遵从Droop(1987)的方法，分析结果见表 1。由表 1可知，与杜杨松等(2004)于曹山、鸡冠石岩石中发现的堆晶角闪石相比，本次鸡冠山堆积岩中的角闪石更富Ti，这也与其中出现大量钛铁矿独立矿物相呼应。根据角闪石的TiO2-Al2O3图解(姜常义和安三元，1984)可知鸡冠山堆积岩角闪石和鸡冠石、曹山的角闪石一样，都具幔源角闪石成分特征(图 3)。依据国际矿物协会新矿物及矿物命名委员会角闪石专业委员会(IMA-CNMMN)推荐的命名方法(Leake et al.，1997，2004)，鸡冠山堆晶岩中的角闪石主要为韭闪石和镁绿钙闪石(图 4)。由钙质角闪石的Al+Ti温压等时线图(Ernst and Liu，1998)估出角闪石的结晶温度范围为890～975℃，压力主要集中在0.70～0.76 GPa(图 5)，相当于23～25km深度。这一深度位于铜陵地区下地壳深位岩浆房范围(22～30km)，基本和鸡冠山北部的曹山辉石闪长玢岩中的角闪石堆晶、南部鸡冠石花岗闪长岩的角闪石堆晶形成深度大体一致(杜杨松等，2004)，这也体现了狮子山矿田出露岩体之间的关联性。
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图 3 角闪石TiO2-Al2O3图解(底图据姜常义和安三元，1984) Fig. 3 TiO2-Al2O3 diagram of hornblendes (modified after Jiang Changyi and An Sanyuan，1984) 曹山、鸡冠石数据来源于杜杨松等(2004) |
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表 1 角闪石电子探针分析结果 Table 1 Electron microprobe analyses of hornblendes |
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图 4 鸡冠山堆积岩中角闪石分类图(底图据Leake et al.，1997，2004；图例同图 3) Fig. 4 Classification of hornblendes in the Jiguanshan cumulate(modified after Leake et al.，1997，2004) |
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图 5 角闪石Al-Ti地质温压计 (底图据Ernst and Liu，1998；图例同图 3) Fig. 5 The Al-Ti geothermobarometer of hornblende (modified after Ernst and Liu，1998) (modified after Ernst and Liu，1998) |
钛铁矿、磁铁矿的矿物成分分析在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成。共选取5对共生钛铁矿、磁铁矿矿物对。总铁的换算采用Carmichael(1966)的方法，矿物电子探针分析结果见表 2。一般岩浆成因磁铁矿中，TiO2含量可达12％～16%，常形成钛磁铁矿(李胜荣等，2008)。由本次电子探针数据可知，固溶体最终分离形成了钛铁矿和几乎纯的磁铁矿，磁铁矿中TiO2含量为0.121％～3.879%，含量较低，且呈梯度变化，暗示固溶体分离的彻底性。此外，Mn离子更容易从固溶体中迁移出来进入钛铁矿晶格。
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表 2 鸡冠山钛铁磁铁矿的电子探针分析 Table 2 Electron microprobe analyses of ilmenite-magnetite in the Jiguanshan |
本文运用Lepage(2003)总结的2种方法计算钛铁磁铁矿的平衡温度，结果列入表 3。从表 3可知，钛铁磁铁矿达到固溶体分离成稳定结构的温度为501～601℃，氧逸度logfO2为-21.50～-17.88，相对较高。需要指出的是运用这种方法计算出来的温度与氧逸度只是反映了固相线之下固溶体分离的物理化学条件，并不能代表固溶体初始结晶温度(Spencen and Lindsley，1981；Pang et al.，2008)。
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表 3 鸡冠山钛铁矿、磁铁矿的平衡温度及氧逸度 Table 3 Equilibrium temperature and fugacity of oxygen of ilmenite and magnetite in the Jiguanshan |
前人研究证实铜陵地区在中生代发生过复杂的岩浆底侵作用(唐永成等，1998；杜杨松等，2004；吕庆田等，2004)。底侵至下地壳的玄武质岩浆在下地壳岩浆房与下地壳发生不同程度的同化混染作用及轻度的演化形成一套中基性岩浆，之后因构造作用脉动上升侵位(Du et al.，2004；Li et al.，2011)。邢凤鸣和徐祥等(1995)研究发现鸡冠山辉石岩包体与其寄主岩的Nd和Sr的初始比值一致，说明区内深源包体与其寄主岩起源于同一母岩浆。高庚等(2006)对Sr-Nd-Pb-O同位素的研究发现，区内辉石闪长岩为幔源岩浆经历了地壳物质的同化混染而形成。由于同化混染作用对主量元素的影响较小(徐夕生和邱检生，2010)，而该区辉石闪长岩的SiO2含量集中在53％～55%(郭维民等，2013)，表明辉石闪长岩的母岩浆即下地壳岩浆房中的岩浆SiO2含量为53%左右，为一套中基性岩浆。
由前文可知，鸡冠山角闪石堆积岩中角闪石形成的压力主要集中在0.70～0.76 GPa，相当于23～25km深度，这一深度处于前人所认为的该地区下地壳深位岩浆房范围内(周珣若等，1993；吴才来等，1997；唐永成等，1998；吕庆田等，2003)，并与杜杨松和李铉具(2004)对邻区白芒山辉长质岩石包体计算得到的下地壳岩浆房深度大致相同。角闪石结晶时温度为890～975℃，并不能由地热增温达到，结合角闪石的TiO2-Al2O3图解及前人的研究资料(Du et al.，2004； Li et al.，2011)可知，鸡冠山角闪石堆积岩包体中的角闪石是由底侵的玄武质岩浆与下地壳发生同化混染作用形成的中基性岩浆经结晶分异作用形成的，与其北部曹山岩体，南部鸡冠山岩体中角闪石堆积晶形成的机制类似(杜杨松等，2004)。
杜杨松等(2004)在曹山、鸡冠石发现的堆晶角闪石，与本次研究得到角闪石化学成分大体一致，只是本次发现的角闪石更富钛与挥发分，结合包体中钛铁矿磁铁矿磷灰石的富集，说明其母岩浆与曹山和鸡冠石角闪石堆晶的母岩浆相比更富Fe-Ti-P。李立兴等(2007)对冀北铁钛磷灰石的研究表明，岩浆的演化可使Fe-Ti-P组分在剩余岩浆中逐渐富集并饱和;肖庆华等(2010)对新疆哈密香山岩体的研究认为地壳物质的混染促进了钛铁氧化物的沉淀，并指出富含钛铁氧化物的母岩浆可能是普通拉斑玄武质岩浆经历了橄榄石、斜方辉石、斜长石等矿物的结晶分异而形成的。钛磁铁在铜陵地区也曾作为副矿物被少量发现过，一般被认为是源自地幔岩浆(李大鹏等，2014)，结合铜陵地区鲜有橄榄石、斜方辉石的出现，笔者认为形成鸡冠山包体的母岩浆很可能并非原生岩浆，而生是一套轻度演化的局部富Fe-Ti-P的玄武质岩浆，这种岩浆底侵至下地壳深位岩浆房并对下地壳进行同化混染形成一套中基性岩浆，由于氧逸度的增加及挥发组分的加入，磷灰石、钛磁铁矿(高温下的固溶体形式)率先结晶分异，随后角闪石发生结晶作用并包裹部分早期磷灰石、钛磁铁矿，由于重力作用形成堆积结构。与此同时，这种中基性岩浆因构造脉动而上升至地壳浅部，其在上升过程中继续同化混染地壳物质，使岩浆逐渐向酸性变化最后冷却结晶形成寄主岩辉石闪长岩(高庚等，2006)，角闪石堆积岩就是这时以包体形式被带到近地表的。
岩相学资料表明，钛铁磁铁矿常与磷灰石结伴而生，并一起被大颗粒角闪石所包裹形成包含结构，说明钛铁磁铁矿与磷灰石是早于角闪石形成的。而由前文可知钛铁矿、磁铁矿固溶体分离平衡时的温度在501～601℃，氧逸度也较为持续与稳定，固溶体几乎分离成了几乎纯的钛铁矿与磁铁矿，这与本区下地壳的温度环境不符，且下地壳深部岩浆房中轻度演化的中基性岩浆并不能提供持续的氧逸度，说明这种平衡并不是在下地壳深部岩浆房中完成的。众所周知，固溶体的分离特别是高精细的出溶结构对温度及氧逸度的要求极为严苛，其形成是需要一个较为稳定缓慢冷却的环境(McEnroe et al.，2000)，钛铁矿从固溶体中的出溶也不例外，需要系统缓慢降温及持续稳定的氧逸度(Buddington and Lindsley，1964)。Bowles(1977)通过实验发现的当温度降至662℃，氧逸度logfO2 为-19.0时，钛铁矿开始从钛磁铁矿中以片晶状出溶。结合前人研究成果，笔者认为钛铁矿、磁铁矿的完全固溶体分离平衡应是在岩浆侵位至地壳浅部后，在冷却结晶过程中，随着岩浆分异程度的增加，系统氧逸度增加，系统持续提供足够的氧逸度使得钛磁铁矿固溶体中的反应Fe2TiO4+O2Fe3O4+Fe3TiO3不断向右进行，最后形成了钛铁矿片晶，其呈格状分布于几乎纯的磁铁矿主晶中的现象。目前本区只在鸡冠山辉石闪长岩中发现钛铁矿与磁铁矿的较为彻底的固溶体分离结构，可能与徐晓春等(2008)发现的该区辉石闪长岩的冷却历史略长有关。
有意思的是，狮子山矿田乃至整个铜陵矿集区，金属矿产都是以铜金为主，而铜金的富集是否与早期铁的晶出有关？距铜陵一步之遥的宁芜地区铁矿的富集也曾报道与磷灰石有密切的关系，是否也可从本次极富Fe、P的堆晶岩包体中找到答案？这都是下一步需要探究的问题。
5 结论(1)鸡冠山辉石闪长岩角闪石堆积岩中的钛铁磁铁矿(固溶体形式)和磷灰石早于角闪石而结晶，角闪石为具有幔源特征的镁绿钙闪石和韭闪石，钛铁矿和磁铁矿固溶体分离较为彻底形成几乎纯的磁铁矿。
(2)堆积岩中角闪石形成温度为890～975℃，压力为0.70～0.76 GPa，是在深度为23～25km的下地壳深位岩浆房，由底侵的玄武质岩浆与下地壳同化混染形成的中基性岩浆结晶分异而形成。钛铁矿、磁铁矿固溶体分离的平衡温度为501～613℃，logfO2为-21.50～-17.88，是在地壳浅部伴随寄主岩辉石闪长岩的冷却结晶而逐渐达到平衡的。
(3)总体来看，鸡冠山岩体的形成经历了2个过程，第1个过程是底侵的玄武质岩浆在下地壳深位岩浆房与下地壳物质同化混染形成中基性岩浆；第2个过程是这种中基性岩浆侵位并继续同化地壳物质最终在地壳浅部冷却结晶。
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