山東郯城地區安山質巖石中斑晶斜長石的復雜環帶結構: 巖漿混合作用的記錄

楊獻忠， 徐敏成， 徐衍明， 褚志遠， 肖凡， 周延

（1.中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇 南京 210016；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006）

0 引言

巖漿巖的結構與構造反映了巖石形成時的地質及物理化學條件，真實記錄了巖漿的性質和成分變化，是鑒定巖石類型和探討其形成條件的主要依據之一[1-2]。巖漿巖中發育的角閃石、輝石、黑云母、斜長石等礦物及其結構[3-5]可以示蹤巖漿混合的整個演化過程[6]，其中斜長石成分和結構的變化受到周圍巖漿的影響最為顯著[7]。巖漿混合作用形成的斜長石特殊結構多見于熔巖[2]、火山巖、次火山巖及淺成侵入巖中[5]。近年來的研究表明，深成侵入巖與下地殼花崗巖中的斜長石也具有復雜的環帶結構[8-9]。

自巖漿混合作用的概念提出以來，前人利用斜長石恢復巖漿歷史[7,10]、斜長石復雜結構與NaSiCa-1Al-1的置換關系[6]、擴散率對斜長石復雜結構的保存、斜長石結晶、熔化及熔解的動力學試驗[11]、巖漿混合作用[12]等研究，幾乎均針對基性巖漿與（中）酸性巖漿的混合作用以及其中的斜長石[6,9,13]。由于缺少野外證據和室內工作[14]，目前還沒有針對鎂鐵質巖漿混合作用及其所含斜長石特征的研究。

筆者在對山東郯城地區安山質巖體的研究過程中發現了具有復雜環帶結構的斜長石。本文介紹了該安山質巖石中斑晶斜長石內部所呈現的復雜環帶特征以及橄欖石的3個世代，探討了橄欖石的來源，為該地區中基性巖漿與超基性巖漿的混合作用提供證據。郯城地區位于郯廬斷裂帶內，先后出土了大量大顆粒金剛石，周邊分布有多個金剛石砂礦體，但尚未發現原生含金剛石巖體[15]。研究成果可為郯廬斷裂帶內的基礎地質研究及原生含金剛石巖體勘探提供參考信息。

1 地質背景

郯廬斷裂帶是中國東部濱太平洋構造域內規模最大的巨型斷裂構造帶，也是我國重要的原生金剛石成礦帶，其在山東境內的部分稱為沂沭斷裂。該斷裂縱貫山東中部，由一系列NNE向的斷裂組成斷裂系[16]（圖1（a））。斷裂系內部廣泛發育晚中生代火山作用，形成的火山巖充填在沿斷裂展布的斷陷盆地內，這些火山巖的源區普遍被認為與地幔柱活動引發的軟流圈地幔上涌有關[17-18]。

沂沭斷裂帶主要發育于中生代斷陷型陸相火山盆地中，主體火山巖白堊系青山群為一套火山熔巖和火山碎屑巖（圖1（a）），在魯東、魯西和斷裂帶內部均有發育。其中魯西主要發育中基性火山巖； 斷裂帶內南部多為中基性火山巖； 北部出現中基性火山巖夾酸性火山巖； 魯東火山巖具有雙峰式特征[19]。沂沭斷裂帶南段的郯城地區分布著一套安山質火山巖，其北部的神泉院巖體在地表出露盾狀火山機構，巖石中含大量圍巖角礫，具有明顯的爆發特征，成巖年齡為（96.5±1.4） Ma[19]。區域上，這套火山巖下伏白堊系馬連坡組淺紫色細砂巖，上覆白堊系馬朗溝組紫色礫巖，傾向北東，傾角較為平緩，但局部受構造影響達到 40°～50°。

圖1 沂沭斷裂帶地質略圖（a）與神泉院巖體剖面位置（b）[19]Fig.1 Geological sketch map of Yishu fault zone （a） and location of Shenquanyuan rock body section （b）[19]

2 巖性特征

2.1 樣品采集

神泉院火山巖位于沂沭斷裂帶南段郯城縣李莊鎮東側，為中心式噴發所形成的盾狀火山機構?；鹕綆r呈NNE向展布，平面上呈橢圓形，南北長約 3 km，東西寬約1.1 km，面積約3.2 km2（圖1（b））。該區火山巖主體巖性為粗安質熔巖及潛火山巖，火山口呈橢圓形，位于神泉院北側，主要為晚期噴發的粗安質火山熔巖，自火山口向外依次為粗安質-安山質火山熔巖與火山碎屑巖，在火山口邊緣及盾狀火山的北部發育晚期侵入的安山玢巖脈?；鹕綑C構東西兩側被大盛群馬朗溝組灰紫色砂礫巖所超覆。

沿神泉院巖體南部新建公路（圖1（b）），自西向東以平均50 m為間隔采集樣品，共5件。每件樣品磨制2個薄片，開展鏡下觀察鑒定。

2.2 宏觀與顯微特征

宏觀上巖石多呈紅褐色—紫褐色（圖2），新鮮面呈灰紫色—灰黑色，斑狀結構，氣孔狀—杏仁狀構造，局部可見杏仁體定向排列。巖石具有典型的安山質巖石特征，但可見較多細小的橄欖石斑晶。

圖2 神泉院火山巖手標本Fig.2 Hand specimens of Shenquanyuan volcanic rocks

鏡下觀察顯示巖石具斑狀結構（圖3（a）），斑晶含量約50%，直徑0.3～3 mm，大部分呈星散狀分布，少數呈聚斑狀、聯斑狀。斑晶礦物主要為斜長石和橄欖石，含少量角閃石、輝石或金云母，一些薄片中金云母含量可達15%。斑晶中的斜長石呈半自形板狀、板條狀，發育黏土化、絹云母化，部分可見熔蝕麻點; 橄欖石呈半自形短柱狀，含量約20%，發育伊丁石化、蛇紋石化，呈假象?；|主要由斜長石、橄欖石、玻璃質組成，斜長石呈半自形板條狀、長條狀微晶，粒徑0.1～0.3 mm，分布雜亂; 橄欖石呈半自形粒狀，粒徑0.05～0.2 mm，含量約5%，主要呈星散狀分布，部分聚集分布于斜長石微晶之間，多發育伊丁石化，呈假象，少量有橄欖石殘留； 玻璃質為黑褐色，填隙狀分布于斜長石粒間，局部可見脫?；龀鲠槧钚遍L石，呈似球粒結構。部分薄片的基質中也可見少量金云母、磷灰石、石榴石等礦物。

Ol.橄欖石； Pl.斜長石。圖3 郯城地區安山質巖石中斜長石斑晶及其內部結構鏡下特征Fig.3 Microscopic characteristics plagioclase phenocryst and its internal texture in andesitic rock in Tancheng area

2.3 斑晶斜長石內部結構

斜長石是本區安山質巖石的主要造巖礦物之一，存在于巖漿演化的整個時期，在斑晶和基質中均有分布。斑晶斜長石發育聚片雙晶，普遍具有環帶結構，根據內部特征可分為常見無內核的正常環帶結構（圖3（a）），以及具有內核的復雜環帶結構，后者分為3種情況:

（1）斑晶斜長石呈較寬的板條狀，外部環帶寬度較狹窄且均勻，與內核之間的邊界較清晰且規則; 內核主要成分為發育聚片雙晶的長條狀、細粒狀斜長石微晶，以及少量細粒狀伊丁石化橄欖石，可能含有鐵質及脫?；碾[晶質物質或黑色玻璃。內核中的礦物整體呈麻點狀分布，構成麻點狀結構（圖3（b））。

（2）斑晶斜長石的形狀近似正方形，外部環帶較寬且均勻，與內核之間的界線較模糊且不規則; 內核主要成分為不規則狀、蠕蟲狀的斜長石微晶，以及少量細粒狀伊丁石化橄欖石，可能含有鐵質及脫?；碾[晶質物質或黑色玻璃。內核中的礦物整體呈蠕蟲狀、麻點狀分布，構成蠕蟲狀結構（圖3（c））。

（3）斑晶斜長石呈板條狀—長條狀，外部環帶寬度不均勻，內核邊界不規則，主要成分為不均勻分布的篩孔狀、短柱狀—粒狀斜長石微晶，細粒狀伊丁石化橄欖石，以及鐵質、脫?；碾[晶質或黑色玻璃。內核中的物質整體呈篩孔狀分布，構成篩孔狀內核結構（圖3（d））。

斑晶斜長石的復雜環帶結構形態上類似于熔巖中斜長石斑晶呈現的麻點結構[2]，以及中基性巖漿和酸性巖漿混合后斑晶斜長石呈現的篩孔結構[6,9]，但2種斑晶的主要礦物組合以不同牌品的斜長石為主，本文斑晶斜長石的成分則以“微晶斜長石+細小橄欖石”為主。

3 討論

3.1 橄欖石的特征及來源

在討論郯城地區安山質巖石中斑晶斜長石復雜環帶結構的成因之前，有必要探討巖石中大量橄欖石斑晶的特征及來源。

3.1.1 橄欖石的3個世代特征

橄欖石在巖石樣品中的含量大于20%（斑晶橄欖石15%～20%，基質橄欖石約5%），分布較均勻，根據其粒徑大小及熔蝕、蝕變特征，可以識別出3個世代的橄欖石（圖4）。

第一世代橄欖石（Ol1）以斑晶形式分布于巖石中，粒徑以1～2 mm為主，少量大于3 mm，自形—半自形，以長六邊形居多，部分呈橢圓狀或菱形，熔蝕后棱角鈍化或圓化，呈似正方形或不規則狀; 凸透鏡形斑晶內部發育（變余）網狀構造，網紋和網眼都被蛇紋石交代（圖4（a）），這一特征與山東蒙陰勝利I號巖管中部分橄欖石所呈現的網狀構造[20]相似。斑晶的主要發生碳酸鹽化和蛇紋石化（圖4（b））。

第二世代橄欖石（Ol2）粒徑為0.1～1 mm，大部分約0.5 mm，為顯微斑晶，自形程度較高，以菱形或鈍化的菱形、熔蝕港灣狀居多。部分斑晶周圍發育黑色蝕變邊（圖4（c）），主要發生伊丁石化（圖4（d））。

第三世代橄欖石（Ol3）粒徑通常小于0.1 mm，多為0.05 mm左右，主要見于巖石的基質中，也可見于斑晶斜長石復雜環帶結構的內核中，一般為半自形—它形?；喟l生在橄欖石晶體的邊緣（圖4（e）），而內部多發育伊丁石化（圖4（f））。

圖4 郯城地區安山質巖石中3個世代橄欖石鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of three generation olivines in andesitic rocks in Tancheng area

3.1.2 橄欖石的來源

地幔橄欖石是古老克拉通地區產出的金伯利巖中的常見礦物[20-22]，但即使郯城地區的火山巖來源于含橄欖石的富集巖石圈地幔，理論上橄欖石含量也難以達到20%[1]，因此橄欖石可能有其他外來的巖石來源。晚中生代，尤其是白堊世中晚期，郯廬斷裂帶逐漸轉變為巨型伸展構造，斷裂引張程度不斷增強[23]，同時郯廬斷裂帶是華北克拉通巖石圈減薄中的強減薄帶，為軟流圈地幔上涌及改造原有地幔提供了良好通道，為其他物質的加入創造了良好條件[24]。

根據橄欖石的含量、形態特征以及巖石的礦物組合，郯城地區火山巖中的橄欖石可能來源于地幔成因的金伯利巖，有以下證據: ①橄欖石具有3個世代特征，不同世代的橄欖石顆粒大小明顯不同，這是金伯利巖中橄欖石所獨有的特征[20，25-30]； ②金伯利巖中橄欖石含量較高（25%～ 50%）[27]，如山東勝利I號巖筒中，呈渾圓狀橄欖石假象的蛇紋石占金伯利巖總體積的40%～50%[20],雖然地幔橄欖巖中含有大量橄欖石，但幾乎沒有世代特征，而其他基性-超基性巖石中的橄欖石含量較低; ③鏡下可見“橄欖石+金云母+石榴石”組合，這是尋找含金剛石原生金伯利巖的指示礦物組合。

3.2 斑晶斜長石復雜環帶結構的成因

在斜長石正常環帶結構中，斑晶斜長石的組分從內核向邊環改變，與正常結晶斜長石的成分變化趨勢一致[2]，表現為核部至邊緣由基性斜長石向酸性斜長石的漸變，一般被視為由中性-基性巖漿結晶演化形成[6]，其中中長石的環帶結構最為發育[1]。

除形成過程中溫度、壓力等物理條件的改變，晶體生長過程中周圍成分的變化是斜長石復雜環帶結構的根本成因[7]。郯城地區的安山質巖石為中性巖，酸性巖或超基性巖的混入可能導致巖石成分的改變。但手標本上未見巖石中存在明顯的包體或暗色礦物集合體、淬火邊、反向脈等指示基性巖與酸性巖發生混合作用的證據[12，31]，鏡下觀察未見到酸性斜長石、石英、鉀長石等酸性巖的特征礦物，因此認為研究區安山質巖石中的成分變化是基性巖與超基性巖發生混合作用的結果。

金伯利巖是一種不含長石的偏堿性超基性淺成—超淺成巖石[1]，因此郯城地區安山質巖石中的斜長石應當來自安山巖。在高溫金伯利巖巖漿與低溫安山巖巖漿的混合過程中，金伯利巖巖漿溫度下降，而安山巖巖漿溫度升高并發生部分熔融，產生不平衡的熔體，其產物分為2種情況: ①金伯利巖巖漿與安山巖巖漿沒有發生熔融的部分中，隨著溫度下降，金伯利巖巖漿、安山巖巖漿中的礦物各自結晶，安山巖中發育斑晶斜長石及正常環帶斜長石、少量角閃石和輝石斑晶，基質中可見斜長石顯微斑晶和微晶斜長石，金伯利巖中發育第一世代和第二世代橄欖石斑晶，基質中可見第三世代細小橄欖石顆粒; ②部分熔融形成的新熔體中，同時含有安山巖巖漿和金伯利巖巖漿，隨著溫度下降，熔體中安山質巖石的斜長石結晶形成具有正常環帶結構的斑晶，包裹斜長石與橄欖石形成新熔體，在顯微鏡下可見斑晶斜長石的復雜環帶的外環為正常環帶結構，而內核則為熔融后的新熔體成分，包括微晶斜長石、第三世代橄欖石及脫?；奈镔|、玻璃質、鐵質及少量其他礦物，這些礦物由于分布不均勻、顆粒大小不一致等因素而形成類似麻點狀、篩孔狀的結構; 內核部分的成分與未熔融的基質成分一致。

斑晶斜長石復雜環帶結構的內核與外環之間接觸界線的平直程度、內核大小及外環厚度，取決于新熔體周邊溫度下降的穩定性、成分均一性[11]、新熔體與斑晶斜長石外環形成過程中的物質交換[32]等因素。如果新熔體周邊溫度下降過程較穩定，且與斑晶斜長石外環在形成過程中不存在物質交換，則形成如圖3（a）所示的斑晶斜長石復雜環帶結構，反之則形成如圖3（b）和圖3（c）所示的斑晶斜長石復雜環帶結構。顯然，具有復雜環帶結構的斑晶斜長石不是巖漿早期結晶的產物，而是以安山巖巖漿與金伯利巖巖漿為主要成分，在兩者發生較充分的混合作用后結晶形成，屬于后成斑晶，斑晶斜長石復雜環帶結構的形成過程如圖5所示。

圖5 安山巖巖漿與金伯利巖巖漿混合過程中斑晶斜長石復雜環帶結構形成示意圖Fig.5 Schematic diagram of the formation of the complex zoning texture of phenocryst plagioclase during the mixed process of andesite magma and kimberlite magma

3.3 安山巖巖漿與金伯利巖巖漿的混合作用

野外調查未見金伯利巖角礫組分，以及暗色礦物集合體、淬火邊、反向脈[12，31]; 鏡下觀察未見金伯利巖的角礫或巖屑，或安山巖巖漿熔化金伯利巖或與其發生反應，雖然可見數個橄欖石斑晶聚合的類似角礫特征，但這些橄欖石之間或周圍未見金伯利巖的基質礦物。因此，該地區火山巖不是安山巖巖漿捕獲已固結金伯利巖組分的產物。

本文認為，郯城地區的安山質巖石是安山巖巖漿與金伯利巖巖漿混合后的產物。主要證據有: ①斑晶斜長石復雜環帶結構特征，這一結構特征可以示蹤整個混合巖漿的演化過程[6]; ②僅有金伯利巖中的橄欖石才具有3個世代特征; ③“橄欖石+金云母+石榴石”與“斜長石+少量輝石+少量角閃石”是2個不平衡的礦物組合,礦物之間出現明顯的不平衡現象是巖漿發生混合作用的證據[1,14,26]。

安山巖屬于中基性巖，而金伯利巖為來自地幔的超基性巖。如前所述，郯城地區的安山質火山巖來源于2種液相巖漿之間的混合，因此郯城地區安山巖與金伯利巖的巖漿混合作用是一種狹義的巖漿混合作用[12]。俯沖帶是形成安山巖的重要場所，沂沭斷裂一級構造單元在晚白堊世拉張作用的加劇，為這種巖漿混合作用創造了條件，而構造-巖漿活動形成了殼?；旌闲蛶r石[33]。

在地幔柱活動引發的軟流圈地幔上涌作用下[17-18]，來自上地幔的金伯利巖巖漿在上侵過程中會沖進下地殼的安山巖巖漿房，或進入安山巖巖漿的噴發通道，由于存在成分、溫度及密度梯度差異，2種巖漿的相遇會在一定動力驅動下產生擴散對流甚至漩渦、隱爆等，促使2種巖漿的混合趨于均勻，最終侵位至地表。

3.4 對郯城地區尋找金剛石原生礦的啟示

郯城地區已經出土了大量超過100 ct的大顆粒金剛石，以及百余顆20～90 ct的金剛石，并在新生代地層中發現了于泉、陳埠、邵家湖、柳溝、小埠嶺等5個達到工業品位的金剛石砂礦體以及其他不夠工業品位的礦點，這些砂礦體或礦點中分布著大量鎂鋁榴石等金剛石指示礦物，但至今未發現含金剛石的原生巖體。前人研究認為蒙陰盆地是郯城金剛石的供源地之一[15]; 王思琪等[30]通過系統對比郯城砂礦金剛石與蒙陰原生礦金剛石的顏色、表面形貌、晶體形態、晶體粒徑大小、結晶度等，認為可能存在不同于蒙陰金伯利巖原生礦的含礦源巖，郯城大顆粒金剛石及附近出土的指示礦物難以從150 km遠的蒙陰原生金剛石礦搬運而來，因此臨沂南部地區可作為金剛石礦的重點找礦靶區[34]?！伴蠙焓?金云母+鎂鋁榴石”是尋找金伯利巖的特征指示礦物組合，已經成為金伯利巖型金剛石礦床找礦標志[29]，本文在郯城地區發現的“橄欖石+金云母+石榴石”礦物組合是一個完整的金伯利巖礦物組合。區域上，北部蒙陰地區存在常馬莊、西峪、坡里3個金伯利巖帶[15]，結合郯城地區周邊存在磁異常、南部小埠嶺經鉆孔證實存在隱伏巖體、西北部費縣大井頭地區存在鉀鎂煌斑巖、費縣東小山地區存在煌斑巖[35]，推測該地區及其西北部可能存在第四成礦帶的費縣大井頭地區[36]，平邑—費縣—臨沂一線的深部（圖1（a））可能存在金伯利巖巖管或巖脈。

4 結論

（1）山東郯城地區發育一套安山質火山巖，主體巖性具有安山巖的基本特征，其中斑晶斜長石除發育正常的環帶結構特征外，還具有復雜環帶結構。具有復雜環帶結構的斑晶斜長石記錄了不同成分巖漿的混合演化歷史，以早期巖漿為主要成分，后期混合了不同成分巖漿結晶形成，屬于后成斑晶。

（2）斑晶斜長石復雜環帶結構的內核主要為微晶斜長石及細小橄欖石，外環為巖漿混合后斜長石正常結晶的產物； 郯城地區安山質巖石中橄欖石含量大于20%，且較均勻地分布于巖石中; 橄欖石具有明顯的3個世代特征，與金伯利巖中橄欖石的3個世代特征基本一致； 安山質火山巖出現的“橄欖石+金云母+石榴石”與“斜長石+輝石+角閃石”是2個不平衡的礦物組合。這些證據均表明，該地區安山質巖石是安山巖巖漿與金伯利巖巖漿混合作用的產物，且是一種狹義的巖漿混合作用，這對該地區尋找金剛石原生礦具有指導意義。

致謝： 南京宏創地質勘查技術服務有限公司協助了薄片制作; 成文過程中，中國地質調查局南京地質調查中心黃光昭（已故）研究員與作者進行了多次有益討論，南京大學楊經綏院士及其團隊成員提出了諸多寶貴意見; 匿名評審專家提出了建設性修改建議，在此一并致謝。