京西羊屎沟变质矿物组合及变质带_彭燕燕.pdf

第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY Fangshan magmatic rock; contact thermal metamorphism; metamorphic zone 北京西山周口店是著名的变质岩野外教学基地， 不少学者对该区变质矿物进行过研究。 刘国惠等[1]认为 该区前进式变质带具叠置–收缩的双重特征，并对该区 变质矿物形态特征进行了研究。 郭沪祺[2]认为房山岩体 北侧的片麻岩是青白口系下马岭组含碳酸盐泥岩经历 了燕山期变质作用及叠加交代作用的产物。 宋鸿林等[3] 认为房山岩体的侵入是房山变质核杂岩形成的主要因 素。 赵秀德等[4]对北京西山地区红柱石的成矿条件和工 业可利用进行了研究，认为其具有工业利用价值。 前人对北京房山地区变质岩的特征及成因进行 了一定程度分析，羊屎沟地区作为著名接触热变质 岩野外教学路线，却未对其接触热变质带进行系统 的划分。接触变质带晕是研究变质过程的天然实 验室， 为接触变质岩的研究提供了将接触变质作用和 区域变质作用以及深成岩浆作用联系起来的机会[5]。 笔者对羊屎沟地区特征变质矿物进行详细地研究， ChaoXing 第 2 期 彭燕燕等 京西羊屎沟变质矿物组合及变质带 33 并根据变质矿物组合特征进行变质带的划分，进而 对该区变质作用及过程进行初步分析。 1 区域地质背景 房山岩体地处华北板块中部， 位于 NNE 向太行 山山脉与近 EW 向燕山山脉的交汇处[6]，是华北克 拉通盆地东部燕山期中–酸性钙碱性侵入体之一， 其 周缘发育了典型的接触变质带， 按照变质程度由低– 高依次划分为黑云母带、红柱石带、铁铝榴石十字 石带和硅线石白云母带[1]。在燕山期构造活动中， 房山岩体从 SE 向 NW 方向侵入，使岩体周围岩层 遭受接触热变质，产生较宽广的变质带图 1。 ARG太古宇高级区域变质岩及混合岩；Ch长城系；Jx蓟 县系；Jxx蓟县系下马岭组；є-O寒武系及奥陶系大理岩； CT石炭–二叠系、三叠系变质沉积碎屑及火山碎屑岩；J 侏罗系火山岩及变沉积岩；γδ周口店侵入体；Rm1印支期强 变形蓝晶石、变质带或燕山期十字石带；Rm2燕山期红柱石 带；Rm3燕山期硬绿泥石带；Cm1红柱石黑云母接触变质 带；Cm2红柱石十字石接触变质带；Sm非常低级水热变 质带；▲实测剖面位置 图 1 北京西山地质简图和变质带分布图[7] Fig.1 Simplified geological map and metamorphic belt distribution in western Beijing 羊屎沟剖面位于房山岩体南缘官地村中新元古代 地层中，从北向南依次为雾迷山组Jxw大理岩，洪水庄 组Jxh泥板岩，铁岭组Jxt大理岩，下马岭组Qbx石榴 子石、红柱石云英构造片岩和长龙山组Qbch变质砂岩。 2 变质矿物特征 研究区的特征变质矿物主要赋存于大理岩、板 岩、千枚岩、片岩中。大理岩中特征变质矿物主要 有透闪石、透辉石以及少量的阳起石；板岩、千枚 岩中为伊利石、绢云母、黑云母；片岩中有黑云母、 白云母、红柱石以及少量石榴子石和堇青石。 2.1 大理岩中变质矿物JxwJxt 雾迷山组大理岩呈灰色、暗灰色和灰白色，中– 细粒变晶结构，块状构造。主要矿物为方解石、白 云石、透辉石、透闪石和少量白云母，含有极少量 的阳起石， 其中透辉石和透闪石含量质量分数,下文 所述各矿物含量均为质量分数815或更少，以 透辉石为主。 铁岭组大理岩与雾迷山组大理岩相似。 透辉石和透闪石常共生，呈条带或不规则团块 状产出， 团块大小 520 cm。 透闪石为白色–浅灰色， 单体为纤维状，集合体为放射状，含量 38。透 辉石和透闪石肉眼难区分，需借助显微镜鉴定。 在正交偏光显微镜下，透闪石的结晶颗粒细小 图 2b，呈半自形针状或柱状，集合体呈纤维状， 部分具有拉长定向构造。透辉石图 2a在镜下呈短 柱状晶体或不规则粒状，具有近正交的辉石式节理 图 2e。有时可见透闪石沿着透辉石边缘生长，交 代部分透辉石现象。矿物粒径为 0.51 mm。 阳起石在岩石中含量较少，一般肉眼较难观察到， 在显微镜下可以识别。阳起石在显微镜下呈浅绿、绿、 暗绿色， 多色性明显， 可见2组近60夹角的解理图2c。 2.2 板岩千枚岩中变质矿物Jxh Qbx 板岩、千枚岩见于洪水庄组和下马岭组上部。 泥板岩主要呈灰色–灰黑色，变余泥质结构，板状构 造。千枚岩呈灰色–灰黑色，变余泥质结构，千枚状 构造，岩石表面可见丝绢光泽。 洪水庄组岩石较破碎，粉末呈白色，手拭有滑 腻感，经镜下鉴定，首次发现岩石中含有伊利石， 在此之前未有人提出该区存在伊利石。伊利石镜下 呈极细小的鳞片状晶体，最高干涉色可达三级底图 2f。前人文献中通常将洪水庄组岩性描述为板岩或 千枚岩，本次洪水庄组中伊利石的发现，笔者认为 将研究区洪水庄组岩性定为泥板岩比较合适。 为了进一步验证这一发现，取该层岩石进行 X 射线衍射分析，得到全岩 X 射线衍射谱图图 3。从 图中可知，岩石中主要矿物有石英、正长石、伊利 石。XRD 半定量分析结果表明泥板岩中石英含量 10，伊利石含量 80，正长石含量 10。 伊利石晶体结构与白云母的基本相同，也属于 2∶1 型结构单元层的二八面体型，与白云母不同的 是层间 K的数量比白云母少，而且有水分子存在， 因此伊利石也称为水白云母或水云母[8]。 故二者的X 射线衍射光谱的特征峰基本重合，但伊利石相比于 白云母结晶度较低。Kbler[9]提出 X 射线衍射分析 中用伊利石 1 nm 衍射峰半高宽描述伊利石结晶度 的 Kbler 指数，简称 K.I 指数。对该层岩石样品进 行 XRD 衍射峰的半高宽数值的测量，结果表明该 层岩石伊利石的 XRD衍射峰的半高宽FWHM值都 ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 45 卷 Di透辉石；Tr透闪石；Act阳起石；Crd堇青石；Qtz石英；Mag磁铁矿；Ms白云母；And红柱石；ill伊利石；Ser 绢云母；a透辉石；b纤维状透闪石；c阳起石的两组近 60解理；d堇青石，晶体中有白云母、石英等包裹体；e透闪石交代透 辉石现象；f细小的鳞片状伊利石；g白云母绕过堇青石边缘生长；h绢云母绕过红柱石边缘生长；i细小鳞片状绢云母 图 2 变质矿物显微镜下特征 Fig.2 Characteristics of metamorphic minerals under microscope 图 3 洪水庄组含伊利石泥板岩 XRD衍射图谱 Fig.3 The X-ray diffraction spectrum of rock samples 大于 0.25，即 K.I0.25∆2θ。而白云母的 XRD 衍 射峰的半高宽FWHM值小于 0.25，故进一步验证 该层岩石中确实存在伊利石。 下马岭组上部板岩、 千枚岩中主要矿物有石英、 绢云母、黑云母以及少量红柱石。石英含量 15 60、绢云母含量 5480、红柱石含量 26 不等，层 9 中还可见少量黑云母。主要变质矿物以 绢云母为主。绢云母常常呈细小鳞片状，具有丝绢 光泽。镜下常为细长鳞片状，闪突起明显，一般无 色，具有定向性图 2i。从图 2h 可以看出绢云母沿 红柱石定向排列，绕过红柱石边缘生长，说明绢云 母较红柱石晚形成。 2.3 片岩中的变质矿物显微 Qbx 下马岭组片岩根据其含有的特征变质矿物分为 二云母片岩、红柱石二云母片岩、含石榴红柱石二 云母片岩。二云母片岩灰黑色，中细粒鳞片变晶 结构，片状构造，变质矿物主要为黑云母和白云母； 红柱石二云母片岩灰色，中粗粒斑状变晶结构， 以出现红柱石变斑晶为特征，常常与云母共生；石 榴红柱石二云母片岩灰黑色，中细粒斑状变晶结 构，片状构造，石榴子石、红柱石、云母等变质矿 物常常共生。 云母类为黑云母和白云母，通常以后者为主， 黑云母多呈鳞片状，多色性和吸收性明显，白云母 常为细长鳞片，闪突起明显，一般无色。在研究区 岩石中两者常共存，大部分具有定向性图 4e 图4g。在下马岭组底部层 4 中的二云母片岩中发现 磁铁矿晶体，晶型比较完好，呈半自形–自形粒状， 粒径为 0.10.2 mm，均匀地分布于云母中图 4b， 图 4f。 磁铁矿切穿云母， 表明磁铁矿较云母形成晚。 含磁铁矿的片岩紧邻断层，可能是接触交代后期含 铁元素的残余液沿断层通道进入交代形成。 ChaoXing 第 2 期 彭燕燕等 京西羊屎沟变质矿物组合及变质带 35 石榴子石以铁铝榴石为主，多呈红褐色或暗红 色，常呈完好菱形十二面体，集合体主要呈现为粒 状， 粒径 0.31.2 mm， 最大为 2 mm， 含量约 12。 显微镜下，大部分都具有裂理，有的颗粒内部含有 黑云母鳞片和石英颗粒图 4a，常与云母共生。 红柱石，多呈暗红色长柱状晶体，晶体大小不一， 小的晶体长 0.30.6 cm，断面直径约 0.5 mm；较大的 晶体长 1.01.5 cm，断面直径约 12 mm。从岩石断面 中常可清晰观察到岩石片理中红柱石定向排列现象， 含量 613。 红柱石在薄片中无色， 有时呈现淡粉红 色，可见 2组近正交的解理图 4d。横切面呈菱形，纵 切面呈长柱状，正中突起，干涉色一级黄白。在其周 围常见白云母、黑云母、石英、铁铝榴石等变质矿物 共生，常见白云母绕过红柱石现象，说明红柱石较白 云母早形成。在燕山期变质旋回中，由于受到房山岩 体侵入热动力作用，红柱石发生一些显微变形特征[10]。 如图 4c图 4d，红柱石横截面普遍发育“X”形裂理和 “环带状”构造，且在“X”形裂理中充填碳质包裹物、气 液包裹体，有时可见白云母包裹体图 4e。 3 矿物组合和变质带 研究区变质岩出露较好，构造不复杂，实测剖 面如图 5。结合偏光显微镜观察结果与 X 射线衍射 分析，进行变质带的划分。根据变质带的空间分布 及其组合关系，自距离房山岩体由近至远，可划分 为透闪石–透辉石带、二云母带、红柱石白云母带和 绢云母带，体现岩石变质程度由高到低分布。 3.1 透闪石–透辉石带 羊屎沟实测剖面中层 1 和层 3 都是碳酸盐原岩 经过接触热变质作用形成的大理岩，产出接触热变 质矿物透闪石和透辉石。在该变质带中矿物组合主 要有①透辉石透闪石白云石石英；②透辉石 透闪石阳起石白云石石英。 如图 2b 所示，透辉石边缘往往被透闪石交代， 与透闪石相比，透辉石生成的温度压力较大。透闪 石和透辉石的形成分别指示房山岩浆岩体侵入的 2 个阶段。前期高温高压的岩浆侵入，碳酸盐质围岩 发生接触热变质作用生成透辉石。后期岩浆流体温 度下降，围岩受到热流影响较小形成透闪石。故可 判断，透辉石较透闪石早形成。透闪石代表较低级 变质反应，透辉石则表示中级变质的开始，二者的 形成反应式如式1和式2所示[11]。 5CaMgCO328SiO2Ca2Mg5Si4O112OH2 3CaCO37CO2 1 CaMgCO322SiO2石英CaMgSi2O62CO2 2 Alm铁铝榴石，And红柱石，Ms白云母，Mag磁铁矿；a足球状铁铝榴石；b半自形–自形磁铁矿；c红柱石横截面“环带状” 构造；d红柱石晶体发育两组近乎正交解理；e红柱石横截面“X”形裂理中充填云母包裹体；f白云母呈定向排列，磁铁矿切穿白云 母产出；g白云母绕过红柱石边缘生长；h铁铝榴石切穿白云母产出；i红柱石、石榴子石和白云母的产出关系 图 4 变质矿物显微镜下特征 Fig.4 Characteristics of metamorphic minerals under polarized microscope ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 45 卷 Jxw雾迷山组；Jxh洪水庄组；Jxt铁岭组；Qbx下马岭组；Qbch长龙山组 图 5 羊屎沟实测剖面图 Fig.5 Measured section of Yangshigou 式中 CaMgCO32为白云石；SiO2为石英；Ca2 Mg5Si4O112OH2为透闪石；CaCO3为方解石； CaMgSi2O6为透辉石。 取实测剖面图 5 中层 1 的透辉石团块进行 X射 线衍射分析，基于 XRD 半定量分析软件，计算出大 理岩矽卡岩化硅酸盐变质矿物主要为透辉石和透闪 石 表 1，与显微镜下观察到的矿物组成一致。 值得注意的是，在变质程度比较高的雾迷山组 和铁岭组，透闪石–透辉石大理岩中间，可见变质程 度极低的洪水庄组泥板岩，为什么会出现这种变质 异常现象呢研究区羊屎沟剖面中洪水庄组层 2 的泥板岩基本保持沉积岩特征，泥质岩的层理构造 明显可见，主要矿物成分为伊利石。Kbler[12]引入 X 射线衍射技术测量伊利石结晶度K.I∆2θ，将结 晶度 Kbler 指数以 0.42 和 0.25 为界划分为成岩带、 近变质带和浅变质带。该层伊利石结晶度的 Kbler 指数为 0.250.28，所以该层岩石的变质程度属于近 变质作用。由于层 2 泥板岩的上下岩层都是厚层碳 酸盐岩，在房山岩浆岩体侵入过程中厚层且刚性的 碳酸盐岩层有可能对洪水庄组的薄泥质岩层起到保 护阻挡作用，致使岩浆热流和应力对其影响较小， 从而导致其异常低的变质程度。 3.2 二云母带 随着构造应力的增强，经进一步接触热变质作 用千枚岩转化成了各类片岩图 5 中剖面层 4层 6。该变质带主要产出接触热变质矿物黑云母和白 云母，以白云母为主，可见少量的堇青石。从层 4 层 6，云母的鳞片越来越小，结晶度越来越差，且 在层 4 接近断层的位置，发现了少量的磁铁矿。在 该变质带中矿物组合主要有①白云母黑云母石 英；②白云母黑云母石英磁铁矿；③白云母黑 云母堇青石石英。 如图 2g 所示，白云母沿堇青石定向排列，绕过 堇青石边缘生长。图 4f 中磁铁矿晶形完好，切穿白 云母产出。表明堇青石、白云母和磁铁矿的形成分 别指示岩浆岩体侵入的 3 个不同阶段。前期，岩浆 岩体侵入，围岩受到接触热变质作用形成堇青石， 随着岩浆岩体侵位增高，岩浆流体温度增高，围岩 发生更强的接触热变质作用形成了白云母并伴随着 构造变形。后期残余热液流体侵入，形成磁铁矿。 此变质带中变质岩主要由石英、白云母和黑云 母矿物组成。XRD 半定量分析表明表 1，石英含 表 1 羊屎沟实测剖面层 1层 6 岩石矿物组成特征 Table 1 Composition of rock minerals in layers 1-6 of mesured Yanshigou section 矿物种类 样品 编号 样品名称 透辉石 透闪石 石英 阳起石 黑云母 白云母 正长石 磁铁矿 伊利石 堇青石 变质带 1-1 透辉石团块风化 65 20 10 5 1-6 透辉石团块含燧石 57 40 3 2-1 泥板岩 10 10 80 3-1 透辉石团块 70 24 6 透闪石–透 辉石带 4-1 含磁铁矿二云母片岩 22 30 45 3 4-2 含磁铁矿二云母片岩 9 25 57 6 3 5-1 二云母片岩 20 32 48 6-1 含堇青石石英黑云母片岩 40 50 10 二云母带 ChaoXing 第 2 期 彭燕燕等 京西羊屎沟变质矿物组合及变质带 37 量 940，白云母 3457，黑云母 1632， 磁铁矿 06。 3.3 红柱石白云母带 图 5 实测剖面层 7层 8 的岩石类型是片岩， 以产出接触热变质矿物红柱石为主要特征。该变质 带的变质矿物主要有石榴子石、红柱石、白云母和 黑云母。其中石榴子石的含量较少12，红柱 石含量 613，云母主要以白云母为主，含量 4051，黑云母含量 712表 2。该变质带中 矿物组合主要有①石榴子石红柱石白云母黑 云母石英；②红柱石白云母黑云母石英。 如图 4g、图 4h 和图 4i，白云母沿红柱石定向 排列，绕过红柱石边缘生长，石榴子石切穿红柱石 生长，晶形较完整，表明红柱石先于白云母生成， 最终形成石榴子石。这 3 者的形成顺序指示了围岩 发生接触热变质作用的程度越来越强。 3.4 绢云母带 图 5 实测剖面的层 9层 12，主要以千枚岩和 板岩为主，主要产出绢云母，少量黑云母、红柱石 和堇青石。从层 9层 12，红柱石的含量越来越低， 绢云母的含量相应增加。在该变质带中矿物组合主 要是①红柱石绢云母黑云母石英；②绢云母 红柱石堇青石石英；③红柱石绢云母石英。 此变质带中， 变质岩主要以千枚岩和板岩为主， 夹有一小段片岩，千枚岩和板岩主要矿物为石英和 绢云母。其中绢云母含量 5480，石英含量 1560，红柱石含量少26。层 9 和层 10 含 有较多的黑云母，含量 1529。从层 8 至层 12， 红柱石含量越来越少，绢云母含量越来越高，表明 距离岩体越远变质程度越低。 表 2 羊屎沟实测剖面层 7层 12 岩石矿物组成特征 Table 2 Composition of rock minerals in layers 7–12 of measured Yanshigou section 矿物种类 样品编号 样品名称 石英 红柱石 黑云母 白云母 绢云母 石榴子石 堇青石 变质带 7-1 含红柱石石英白云母片岩 41 6 7 44 2 8-1 红柱石石英白云母片岩 25 12 12 51 8-2 红柱石、石英白云母片岩 37 13 9 40 1 红柱石–白 云母带 9-1 千枚岩 29 2 15 54 10-1 含堇青石、黑云母石英片岩 60 6 29 5 11-1 石英绢云母千枚岩 15 4 80 12-1 石英绢云母千枚状板岩 20 3 77 绢云母带 4 研究区变质作用的发展过程 研究区在区域构造上属于燕山构造带的一部 分。变质作用与区域构造作用密切相关，与燕山 期房山岩浆岩体侵入基本是同步的，并随着岩体 侵入的不同阶段发生了不同程度的接触热变质作 用。刘国惠[1]将北京房山地区的接触热变质作用 划分成 5 个期次，羊屎沟地区从变质矿物组合和 变质带的划分来看， 其接触热变质作用也归纳为 5 个阶段。 第 1 阶段，是接触热变质作用的开始。房山岩 浆岩体开始侵入，构造应力使地层发生褶皱、拱起。 由于地层隆起的幅度小，岩体与围岩的接触面倾角 缓，围岩遭受早期低温热流影响较小。原岩为泥质 岩类岩石发生低级接触热变质作用，形成板岩，主 要产出绢云母，这个阶段代表房山岩体侵入活动的 初期。 第 2 阶段，随着构造增强，地层进一步褶皱和 隆起，岩体上侵的部位增高，围岩与岩体接触面倾 角变陡。在热流增强的情况下，使得下马岭组富硅 铝的泥质原岩发生重结晶，产生红柱石和黑云母。 这个阶段代表房山岩体侵入活动的早期。 第 3 阶段，随着构造运动的发展，应力增大， 地层隆起加剧，侵入体上侵的速度加快，岩体的侵 位达到了更高点。岩浆热流温度明显升高，于是在 一定范围内，岩石的各组分发生了中级的接触热变 质作用，产生了白云母。这个阶段代表了房山岩体 侵入活动的中期。 第 4 阶段，地层的褶皱基本定型，岩体的侵位 达到了最高点，流体温度骤增，达到了极限，流体 活动强烈，含硅酸盐流体侵入雾迷山组和铁岭组富 钙镁质碳酸盐岩中，发生物质反应形成了透辉石。 堇青石和石榴子石也是这个阶段形成。这个阶段代 表了房山岩体侵入活动的晚期。 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 45 卷 第 5 阶段，构造、岩浆运动基本停止，岩浆 大部分结晶。来自岩体和围岩中的高热气液体， 随着温度降低，逐渐变成低温热液流体，沿着围 岩的孔隙或裂隙渗透或运移，部分透辉石被交代 成透闪石。层 4 中的磁铁矿也是这个阶段形成的。 这个阶段代表了房山岩体侵入活动和接触热变质 作用的终止。 5 结 论 a. 京西羊屎沟变质岩属于典型的接触热变质 作用产物。由于燕山期房山岩浆岩体侵入，高温热 流作用于岩体周围岩石，形成各种变质矿物。羊屎 沟变质岩剖面中主要变质矿物有透辉石、透闪石、 白云母、黑云母、红柱石，此外还有少量的阳起石、 石榴子石、堇青石等。 b. 根据变质矿物及其组合，自距离岩体由近至 远，可依次划分出透闪石–透辉石带、二云母带、红 柱石白云母带和绢云母带，体现岩石变质程度由高 到低变化规律。 c. 根据变质矿物接触关系及变质带的空间分 布特征，将研究区变质作用分为 5 个阶段，每个阶 段形成不同的变质矿物，其中红柱石和黑云母是岩 浆侵入早期的低温低压条件下形成；透辉石、白云 母、石榴子石和堇青石是在岩浆侵入和热流活动强 烈期形成，形成于中温和中压条件；透闪石、阳起 石和磁铁矿形成于岩浆侵入晚期的低温热流作用 阶段。 参考文献 [1] 刘国惠，伍家善. 北京房山地区的变质带[J]. 中国地质科学院 院报，1987，第16号113–137. 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