海坨山巖體中黑云母的成分特征及其指示意義

趙忠海

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

0 前言

黑云母是花崗巖中最為常見的暗色造巖礦物之一，其化學(xué)成分對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境較為敏感，受巖漿冷卻結(jié)晶時(shí)的物理化學(xué)條件（溫度、壓力和氧逸度等）控制明顯，其化學(xué)成分特征可提供熔體的物理化學(xué)條件等信息，反映巖漿演化和結(jié)晶條件（Wones etal，1965），故研究花崗巖中黑云母的主要特征，對(duì)研究其巖漿物質(zhì)來(lái)源，分析其巖漿形成環(huán)境，探討其與成巖及成礦作用的關(guān)系具有很好的指示意義（Burkhard，1991）。位于北京西北部的海坨山巖體為一大型的復(fù)式巖基，是中—酸性巖漿多期次侵入活動(dòng)的產(chǎn)物，其主要巖性為石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗巖，巖石中廣泛分布黑云母和角閃石等暗色礦物。關(guān)于海坨山巖體，前人研究工作程度較低，只是將其作為單一的花崗巖侵入體，認(rèn)為其形成于中生代晚侏羅世（郁建華等，1992），而對(duì)其巖石成因與成巖環(huán)境方面并沒有進(jìn)行深入的研究。故本文利用電子探針方法對(duì)該巖體中的黑云母進(jìn)行化學(xué)分析，進(jìn)一步了解該巖體中黑云母的成分特征，并對(duì)其在海坨山巖體巖漿物質(zhì)來(lái)源與形成環(huán)境方面的指示意義進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

海坨山巖體分布于北京市延慶區(qū)張山營(yíng)、佛峪口、東門營(yíng)、西大莊科以及河北省懷來(lái)縣狼山、東黑山口、大海坨、三間房一帶，地處延懷盆地中部，在大地構(gòu)造上位于山西地塹系NEE向展布的晉冀北張性區(qū)東北端與NW向展布的張家口—蓬萊斷裂帶的復(fù)合交會(huì)部位（劉保金等，1999）, 出露面積約300km2，平面上呈一長(zhǎng)軸方向近NNE向的橢圓形分布，受區(qū)域斷裂構(gòu)造大河南—大海坨斷裂帶及蔚縣—延慶斷裂帶控制明顯。該巖體西側(cè)與太古界變質(zhì)巖及元古界長(zhǎng)城系侵入接觸，北、東側(cè)與元古界薊縣系及中生界晚侏羅系侵入接觸，南側(cè)為新生界第四系覆蓋（圖1）。沿接觸帶可見礦化蝕變及矽卡巖化、大理巖化等接觸變質(zhì)現(xiàn)象。巖體中常見變質(zhì)巖、沉積巖捕虜體及暗色的基性斜長(zhǎng)角閃巖和中性閃長(zhǎng)巖包體，脈巖比較發(fā)育，主要為基性的輝綠玢巖、中性的閃長(zhǎng)玢巖以及酸性的正長(zhǎng)斑巖、霏細(xì)斑巖等。

海坨山巖體的主要巖性為石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗巖，根據(jù)三者之間的接觸關(guān)系判斷，該巖體中石英二長(zhǎng)巖侵入最早，二長(zhǎng)花崗巖次之，花崗巖侵入最晚。從巖石風(fēng)化程度來(lái)看，二長(zhǎng)花崗巖風(fēng)化情況最為嚴(yán)重，石英二長(zhǎng)巖次之，花崗巖最輕。

圖1 海坨山巖體區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Regional geologic sketch of the Haituo mountain pluton

2 樣品及分析方法

樣品分別采自延慶魚兒場(chǎng)溝的石英二長(zhǎng)巖、蘭角溝的二長(zhǎng)花崗巖以及海坨山的花崗巖中，所采巖石樣品均為未風(fēng)化的新鮮樣品。其中石英二長(zhǎng)巖為中—細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有鉀長(zhǎng)石（45%～50%）、斜長(zhǎng)石（30%～35%）、石英（7%～10%）、黑云母（3%～5%）和角閃石（3%～5%），副礦物主要為磷灰石及榍石；二長(zhǎng)花崗巖為中細(xì)粒狀—似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有鉀長(zhǎng)石（35%～45%）、斜長(zhǎng)石（15%～20%）、石英（23%～25%）、黑云母（3%～5%）和角閃石（2%～4%），副礦物主要為磷灰石及磁鐵礦；花崗巖為中—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有鉀長(zhǎng)石（55%～65%）、斜長(zhǎng)石（5%～15%）、石英（23%～25%）、黑云母（2%～4%）和角閃石（2%～3%），副礦物主要為磷灰石及磁鐵礦。據(jù)顯微鏡下觀察，巖體中的黑云母呈深褐色—淺褐色—黃綠色的片狀和鱗片狀，粒徑一般為 0.1～ 0.8 mm，解理較發(fā)育，多色性明顯，以原生黑云母為主，未發(fā)生明顯的蝕變。黑云母電子探針的噴碳與測(cè)試工作均委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）電子探針實(shí)驗(yàn)室完成。測(cè)試采用日本島津公司生產(chǎn)的EPMA-1600 型電子探針分析儀，加速電壓為15 kV，束流為10nA，束斑大小為1μm，主要氧化物的分析誤差約為1%。分析測(cè)試中所采用的標(biāo)樣主要有：Si、Al（斜長(zhǎng)石）、Ti（金紅石），F(xiàn)e（鐵鋁榴石），Mn（薔薇輝石），Mg（橄欖石），Ca（方解石），Na（鈉長(zhǎng)石），K（透長(zhǎng)石）等。

3 黑云母成分特征

海坨山巖體黑云母的成分分析及相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表 1，其中Fe2+和Fe3+是采用林文蔚和彭麗君（1994）提出的方法計(jì)算得出（林文蔚等，1994），陽(yáng)離子數(shù)及其它相關(guān)參數(shù)是以22個(gè)氧原子為單位計(jì)算求得。

從表1可以看出，海坨山巖體中的黑云母具有富鐵、鎂，貧硅、鋁的特征，鈦的含量較高。其FeOT的含量為15.52%～22.89%，MgO的含量為9.52%～16.00%，SiO2的含量為36.88%～41.63%，Al2O3的含量為7.47%～12.68%，TiO2的含量為2.51%～4.84%，根據(jù)Foster（1960）黑云母分類方案（Foster，1960），均屬于鎂質(zhì)黑云母（圖2）。黑云母中Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.289%～0.547%，均介于0.20%～0.55%之間，MgO/MgO+FeOT值為0.32～0.51，均介于0.30%～0.55%之間，屬于典型的巖漿成因黑云母（馬昌前等，1994）；Fe2+/(Fe2++Mg)值為0.32～0.51，比值比較均一，表明其未遭受后期流體的改造，屬于典型的原生黑云母，其成分特征能代表巖漿結(jié)晶時(shí)云母的成分特征（Stone，2000）。

圖2 海坨山巖體云母分類圖Fig.2 Diagram for biotite classi fication of the Haituo mountain pluton

4 對(duì)巖漿物質(zhì)來(lái)源與形成環(huán)境的指示意義

巖漿巖中黑云母的成分特征在一定程度上可以指示巖漿的源區(qū)性質(zhì)，能夠反映巖漿的物質(zhì)來(lái)源及其形成環(huán)境的主要特點(diǎn)。故研究黑云母的主要成分特征，對(duì)確定其寄主巖石的成因類型，分析其母巖巖漿的物質(zhì)來(lái)源，探討其成巖環(huán)境的物理化學(xué)條件等具有重要的指示意義。

4.1 巖漿物質(zhì)來(lái)源分析

黑云母的化學(xué)成分變化在很大程度上受其物質(zhì)來(lái)源的影響，故其成分特征可以指示其寄主巖石的成因類型和母巖巖漿的物質(zhì)來(lái)源。Abdel-Rahman(1994)認(rèn)為，I型花崗巖中的黑云母相對(duì)富鎂，S型花崗巖中的黑云母相對(duì)富鋁，A型花崗巖中的黑云母明顯富鐵（Abdel-Rahman，1994），海坨山巖體中的黑云母均為鎂質(zhì)黑云母，指示其寄主巖石應(yīng)為I型花崗巖；蔣國(guó)豪等認(rèn)為，幔源巖石中的黑云母富鎂，殼源巖石中的黑云母富鐵，這與Abdel-Rahman的觀點(diǎn)總體一致，海坨山巖體中黑云母的鎂、鐵含量均較高，兼具幔、殼源巖石中黑云母的成分特征（蔣國(guó)豪等，2005）；徐克勤等提出用黑云母的MF=Mg/（Mg+Fe3++Fe2++Mn）值來(lái)區(qū)分同熔型花崗巖和改造型花崗巖，認(rèn)為MF＜0.38為改造型花崗巖，反之則為同熔型花崗巖，海坨山巖體中黑云母的MF值為0.398～0.663，符合同熔型花崗巖（即I型花崗巖）的特點(diǎn)（徐克勤等，1982）；丁孝石認(rèn)為典型幔源巖石中黑云母的MgO＞15%，殼源巖石中黑云母的MgO＜6%（丁孝石，1988），海坨山巖體中黑云母的MgO為9.52～16.00%，平均為13.51%，體現(xiàn)出殼、幔源過(guò)渡的特點(diǎn)；Whalen 與Chappell,提出以黑云母中的AlVI含量來(lái)劃分S型和I型花崗巖（Whalen等，1988），認(rèn)為S型花崗巖中的黑云母具有較高的AlVI(0.353～0.561)，I型花崗巖中的黑云母具有較低的AlVI(0.144～0.224)，海坨山巖體中黑云母的AlVI為0.146～0.212，明顯具有I型花崗巖的特征；而在周作俠提出的用于判別花崗巖巖漿物質(zhì)來(lái)源的黑云母MgO-FeOT/（FeOT+MgO）圖解（周

作俠，1986）中，海坨山巖體中的黑云母亦全部投點(diǎn)于殼幔混源區(qū)內(nèi)（圖3）。綜上所述，海坨山巖體的巖石類型為I型花崗巖，其巖漿物質(zhì)來(lái)源為幔、殼混源，基本未遭受后期流體的改造。

表1 海坨山巖體黑云母母電子探針成分特征(WB%)Tab.1 Representative chemical composition of biotite in Haituo mountain pluton (in percenttage)

圖3 黑云母MgO-FeOT/(FeOT+MgO)圖Fig.3 MgO-FeOT/(FeOT+MgO) diagram of biotites

4.2 巖漿形成環(huán)境探討

黑云母的化學(xué)成分在一定程度可以反映巖漿熱液體系的物理化學(xué)條件(如氧逸度、溫度、壓力以及形成深度等)，從而指示其形成環(huán)境的主要特征。

（1）溫度和氧逸度

前人研究表明,黑云母中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和六次配位鋁AlVI能指示巖體形成時(shí)的氧逸度和溫度，一般認(rèn)為，低AlVI高Ti表明巖體形成時(shí)處于高溫高氧逸度的環(huán)境。海坨山巖體中黑云母的AlVI為0，TiO2為2.51%～4.84%，顯示了高Ti低AlVI的特征，表明其形成時(shí)的環(huán)境氧逸度和溫度都相對(duì)較高（Buddington et al，1964）。本文根據(jù)Henry等提出的黑云母的Ti溫度計(jì)公式(式中，Ti為以22個(gè)氧原子為基礎(chǔ)計(jì)算出的Ti陽(yáng)離子數(shù)；XMg=Mg/(Mg+Fe)；a=-2.3594；b=4.6482×10-9；c=-1.7283)計(jì)算求得海坨山巖體中黑云母的結(jié)晶溫度介于625℃ ～745℃之間（圖4），表明其母巖巖漿的形成溫度較高（Henry et al，2005）。

圖4 黑云母的Ti-Mg/(Mg+Fe)圖解Fig.4 Diagram of Ti-Mg/(Mg+Fe) for biotites

在反映黑云母組成與氧緩沖劑關(guān)系的 Mg-Fe3+-Fe2+圖解中（Wones，1989）,海坨山巖體中的黑云母除1個(gè)樣品投影于Fe2O3-Fe3O4緩沖線之上外，其余樣品均投影于Ni-NiO與 Fe2O3-Fe3O4兩條緩沖線之間，表明其形成于較高氧逸度條件下（圖5）。依據(jù)Wones等提出的PH2O=207MaP條件下黑云母的logfo2-T圖解（Wones et al，1965）投影（圖6）求得, 海坨山巖體中黑云母的logfo2變化范圍約為-8.5-14.5，說(shuō)明其形成于較高的氧逸度環(huán)境，這與前述結(jié)果一致。

（2）壓力和深度

礦物壓力計(jì)是研究花崗質(zhì)巖漿初始結(jié)晶時(shí)壓力的有效手段。Etsuo等研究表明，黑云母中的全鋁含量同花崗巖固結(jié)壓力具有很好的正相關(guān)特性，故可以用黑云母的全鋁含量來(lái)估計(jì)花崗質(zhì)巖石的固結(jié)壓力，其公式為P（×100MPa）=3.03×TAl-6.53(±0.33) ，其中，TAl是指在O=22基礎(chǔ)上的黑云母中鋁陽(yáng)離子總數(shù)（Etsuo et al，2007）。

根據(jù)上式計(jì)算求得海坨山巖體中黑云母的結(jié)晶壓力為101～177MPa，并在此基礎(chǔ)上，依據(jù)P=ρgH（式中，g為重力加速度，取值9.8m/s2；ρ為上覆巖層的密度，近似取值2700kg/m3）換算求得其結(jié)晶深度為3.82～6.69 km，平均為5.52km，表明海坨山巖體屬中深成相。

另?yè)?jù)呂志成等（2000）研究，花崗巖黑云母鎂質(zhì)率（Mg#=Mg/(Mg+Fe2++Mn)）可作為判斷淺源（Mg#＜0.45）和深源（Mg#＞0.45）系列的標(biāo)志（呂志成等，2000）。海坨山巖體中黑云母的鎂質(zhì)率為0.482～0.666，均大于0.45，表明該巖體屬深源系列。

圖5 黑云母的Mg-Fe3+-Fe2+圖解Fig.5 Diagram of Mg-Fe3+-Fe2+ for biotites

圖6 黑云母的logfo2-T圖解Fig.6 Diagram of logfo2-T for biotites

5 結(jié)論

海坨山巖體中的黑云母屬鎂質(zhì)黑云母，具有富鐵、鎂、鈦而貧硅、鋁的特征；黑云母的成分特征表明其寄主巖石即海坨山巖體的巖石成因?yàn)镮型花崗巖，該巖體母巖巖漿為幔、殼混源巖漿，來(lái)源于上地幔和下地殼；黑云母的結(jié)晶溫度為625℃～745℃，氧逸度為-8.5-14.5，表明其形成于溫度及氧逸度均較高的環(huán)境；根據(jù)黑云母全鋁壓力計(jì)計(jì)算，海坨山巖體中黑云母的結(jié)晶壓力為101 177MPa，由此推算其形成深度約為3.826.69 km，再結(jié)合其鎂質(zhì)率（Mg#為0.482～0.666）判斷，其寄主巖體即海坨山巖體屬中深成相侵入體。

Abdel-Rahman A M，1994.Nature of biotites from Alkaline,Calcalkaline and Peraluminous magmas[J].Journal of Petrology，35(2)：525-541.

Burkhard D J M，1991.Temperature and redox path of biotitebearing intrusives: a method of esti-mation applied to S-type and I-type granites from Australia[J].Earth and Planetary Science Letters，104(1)：89-98.

Buddington A F，Lindsley D H，1964.Iron-titanium oxide minerals and synthetic equivalents[J].Journal of Petrology，5(2)：310-357.

Etsuo U, Sho E，Mitsutoshi M，2007.Relationship between solidification depth of granitic rocks and formation of hydrothermal ore deposits [J]，Resource Geology，57(1)：47-56.

Foster M D，1960.Interpretation of the composition of trioctahedral micas[J].US Geol Survery Prof Paper，354B：1-49.

Henry D J, Guidotti C V , Thomson J A，2005.The Tisaturation surface for low-to-medium pressure metapelitic biotites: Implications for geothermometry and Ti-substitution mechanisms [J].American Mineralogist，90(2-3)：316-328.Stone D，2000.Temperature and pressure variations in suites of Archean felsic plutonic rocks, Berens river area north west superior province, Ontario, Canada[J].The Canadian Mineralogist，38(2)：455-470.

Wones D P，Eugeter H P，1965.Stability of biotite: experiment,theory, and application[J].The American Mineralogist，50：1228-1272.

Whalen，Chappell，1988.Opaque mineralogy and mafic mineral chemistry of I- type and S-type granites of Lachlan fold belt，southeast Australia[J].American Mineralogist，73(3)：281-296.

Wones D R，1989.Significance of the assemblage titanite+ magnetite + quartz in granitic rocks [J].American Mineralogist，74(7)：744-749.

Wones D R，Eugster H P，1965.Stability of biotite: experiment,theory and application[J].The American Mineralogist，50：1228-1272.

丁孝石，1988.西藏中南部各類花崗巖中黑云母標(biāo)型特征及其地質(zhì)意義[J].中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦床地質(zhì)研究所所刊，(1):33-50.

蔣國(guó)豪，胡瑞忠，謝桂青，等，2005.大吉山花崗巖體黑云母地球化學(xué)特征及其成巖成礦意義[J].礦物巖石，25(5)：58-61.

劉保金，孫振國(guó)，趙成斌，等，1999.延慶—懷來(lái)地區(qū)高分辨率淺地震反射剖面[J].地震地質(zhì)，21(4)：425-430.

林文蔚，彭麗君，1994.由電子探針分析數(shù)據(jù)估算角閃石、黑云母中的Fe3+、Fe2+[J].長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，24(2)：155-162.

馬昌前,楊坤光,唐仲華，等，1994.花崗巖類與巖漿動(dòng)力學(xué)理論方法及鄂東花崗巖類例析[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.

徐克勤，胡受奚，孫明志，等，1982.華南兩個(gè)成因系列花崗巖類及其成礦特征[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，(1)：1-10.

郁建華，付會(huì)芹，張鳳蘭，等，1992.北京地區(qū)巖漿巖深成作用[M].北京：地質(zhì)出版社.

周作俠，1986.湖北豐山洞巖體成因探討[J].巖石學(xué)報(bào)，2(1)：59-70.

呂志成，李鶴年，劉叢強(qiáng)，等，2000.大興安嶺中南段花崗巖中黑云母礦物學(xué)地球化學(xué)特征及成因意義[J].礦物巖石，20(3)：1-8.