桂東北大寧巖體黑云母礦物學(xué)特征及其對成巖作用的指示

劉 雷，劉風(fēng)雷，蔡永豐

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏 銀川 750021；2.桂林理工大學(xué) 廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心&廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006)

0 引言

花崗質(zhì)巖石是地殼的最主要成分，花崗質(zhì)巖石的成因研究對揭示地殼的形成與演化具有重要意義。華南地區(qū)出露有大量不同時代的花崗質(zhì)巖石[1]，是研究花崗質(zhì)巖石成因的理想場所。大寧巖體是華南廣西期花崗質(zhì)巖石的典型巖體之一，與該巖體伴生的還有一系列多金屬礦床[2-5]。前人對大寧巖體的基本地質(zhì)特征、形成時代、元素和同位素地球化學(xué)組成特征、巖石成因、形成構(gòu)造背景、暗色體的成因、相關(guān)礦床的地質(zhì)特征和礦床成因等方面展開了一系列的研究，并取得了較豐富的研究成果[2-12]。然而，對大寧巖體的礦物成分特征的研究目前仍相對薄弱，不利于全面理解大寧巖體的成因特征。黑云母作為花崗巖中含量最多的暗色礦物，是研究花崗巖源區(qū)特征、成巖成礦作用的理想對象[13-15]。因此，本文選擇出露在桂東北地區(qū)的大寧巖體為研究對象，對該巖體花崗巖閃長巖中的黑云母化學(xué)成分展開了系統(tǒng)研究，試圖揭示出該巖體的成因特征，并探討其形成的地質(zhì)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層-構(gòu)造

大寧巖體處于桂東北與粵西北交界處，大地構(gòu)造位置上位于華夏地塊和揚(yáng)子地塊西南端的結(jié)合部位(圖1)。巖體呈SE向分布，整體表現(xiàn)出兩端寬中間窄的啞鈴狀，出露面積約491 km2。巖體主體形成時代為廣西期，即445～398 Ma[12]。巖體西側(cè)緊鄰姑婆山巖體，南側(cè)緊鄰連陽巖體，北東分布有永和巖體、禾洞巖體和太保巖體，巖體的東南部南鄉(xiāng)—福堂一帶還可見大量呈巖脈或巖株產(chǎn)出的鉀長花崗巖[7，12]。區(qū)內(nèi)還發(fā)育與大寧巖體具有成因聯(lián)系的多金屬礦床，如冷水沖金礦、龍水金礦、張公嶺金銀鉛鋅礦、初洞金銀鉛鋅礦等[2-6]。區(qū)內(nèi)出露的地層由老至新主要有南華系、震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系和第四系，大寧巖體主要侵位于南華系、震旦系和寒武系中(圖1)。研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，斷裂構(gòu)造主要有NNE向的龍水?dāng)嗔押臀嘀荨R街?jǐn)嗔?、NE向的馬東—大龍斷裂；褶皺構(gòu)造主要有SN向的古板嶺背斜；同時發(fā)育有區(qū)域性的大寧韌性剪切帶。

圖1 桂東北大寧地區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Geotectonic location map (a) and geological sketch map (b) of Da’ning area in Northeast Guangxi1—第四系 2—石炭系 3—泥盆系 4—寒武系 5—震旦系 6—南華系 7—青白口系 8—不整合接觸 9—斷層 10—采樣點(diǎn)

1.2 花崗巖巖相學(xué)特征

大寧巖體的巖石類型多樣，沿相帶分布巖性變化明顯。其中，中心相以石英二長閃長巖為主，出露寬度最大處可達(dá)5 km；過渡相為花崗閃長巖，出露寬度最大處達(dá)20 km；邊緣相以黑云母二長花崗巖為主，出露寬度最寬處大于10 km，三者呈漸變過渡關(guān)系[7]。石英二長閃長巖分布面積約21 km2，其主要的組成礦物有斜長石、鉀長石、石英、黑云母和角閃石，副礦物主要有鋯石、磁鐵礦、榍石、磷灰石等；花崗閃長巖主要由鉀長石、斜長石、石英、黑云母和少量角閃石組成，副礦物主要有鋯石、磷灰石、磁鐵礦、榍石等，其出露面積約260 km2；黑云母二長花崗巖主要組成礦物有石英、斜長石、鉀長石和黑云母，副礦物主要有鋯石、磷灰石、磁鐵礦、榍石等，其分布面積約210 km2。

大寧巖體的另一個重要特征是發(fā)育大量鎂鐵質(zhì)微粒包體(Mafic Microgranular enclave，MME)，這些MME主要發(fā)育在過渡相花崗閃長巖中，中心相和邊緣相少見。MME與寄主巖石界線明顯，主要呈橢球狀、三角狀、氣球狀和不規(guī)則狀產(chǎn)出，大小不一，大者延伸長度達(dá)數(shù)米，小者達(dá)數(shù)厘米。

2 樣品采集及分析測試方法

本文研究的樣品采自過渡相帶的花崗閃長巖，花崗閃長巖主要由鉀長石(35%)、斜長石(35%)、石英(20%)、角閃石(5%)和黑云母(5%)組成，副礦物主要有鋯石、磷灰石、榍石、磁鐵礦等。其中，斜長石斑晶常具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2a)；鉀長石斑晶局部包裹有細(xì)粒的黑云母、石英和斜長石等礦物，斑晶周圍偶見呈環(huán)狀分布的細(xì)粒礦物(圖2b)；原生黑云母主要為褐色、褐黃色，多呈自形—半自形，片狀結(jié)構(gòu)，多色性明顯，表面較干凈，礦物顆粒長多在0.5 mm，寬多在0.2 mm(圖2b)，受到后期構(gòu)造熱事件的作用，部分黑云母發(fā)生蝕變，主要蝕變成綠泥石等，蝕變黑云母表面裂縫較發(fā)育，局部發(fā)生撓曲。

黑云母發(fā)生蝕變后，其化學(xué)成分特征不能代表其結(jié)晶時的成分組成，而應(yīng)該反映了后期蝕變的特征，因而要通過黑云母的化學(xué)成分特征來揭示其結(jié)晶的溫度和壓力等條件時，需選擇未蝕變的黑云母進(jìn)行化學(xué)成分分析測試。本文在顯微鏡下詳細(xì)觀察花崗閃長巖中黑云母的特征，選擇表面干凈、沒有發(fā)生變質(zhì)變形的新鮮原生黑云母進(jìn)行化學(xué)成分分析(圖2c)，為了進(jìn)行對比分析，同時也選擇了一顆表面裂縫較發(fā)育并局部綠泥石化的黑云母進(jìn)行化學(xué)成分分析(圖2d)。

圖2 桂東北大寧巖體花崗閃長巖顯微照片(a，b)和電子探針打點(diǎn)位置及打點(diǎn)號照片(c，d)Fig.2 Microphotographs of granodiorite (a，b) and analytical locations of EMPA (c，d) of the Da’ning rock mass in Northeast GuangxiPl—斜長石 Qtz—石英 Bt—黑云母 Kfs—鉀長石 Amp—角閃石

花崗閃長巖探針片的磨制在河北省廊坊市廊坊尚藝巖礦檢測有限公司完成，探針片磨制完成后利用電子探針對探針片上的黑云母進(jìn)行化學(xué)成分分析測試。分析測試在桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為牛津儀器生產(chǎn)的JXA8230型電子探針，分析測試條件為電流30 nA，加速電壓15 kV，束斑直徑為1 μm，次電子像6 nm，背散射電子像≤20 nm。黑云母化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)的處理，比如Fe2+和Fe3+利用林文蔚和彭麗君[16]的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，黑云母的結(jié)構(gòu)式以(O，OH，F(xiàn)/2，Cl/2)為22計(jì)算的陽離子數(shù)。

3 測試結(jié)果

大寧巖體花崗閃長巖的黑云母化學(xué)成分的分析計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可見，黑云母中w(SiO2)為35.32%～37.54%，w(TiO2)為3.07%～3.96%，w(Al2O3)為12.44%～14.02%，w(FeOT)為21.33%～27.00%，w(MgO)為7.18%～10.00%，w(Na2O)為0.06%～0.15%，w(K2O)為9.75%～10.46%，w(CaO)為0.01%～0.07%，整體表現(xiàn)出富鐵貧鎂、富鉀貧鈉、高鋁低鈣等特征。此外，黑云母的Mg/(Fe2++Mg)比值為0.34～0.49，F(xiàn)e2+/(Fe2++Mg)比值為0.51～0.66，整體表現(xiàn)出與鐵葉云母相似的特征[14](圖3a)，根據(jù)Mg/(Fe2++Mg)和Fe2+/(Fe2++Mg)比值的變化特征，可將大寧巖體花崗閃長巖的黑云母分為兩組，第一組具有高的Mg/(Fe2++Mg)比值(0.47～0.49)和低的Fe2+/(Fe2++Mg)比值(0.51～0.53)，第二組具有低的Mg/(Fe2++Mg)比值(0.34～0.36)和高的Fe2+/(Fe2++Mg)比值(0.64～0.66)。

表1 桂東北大寧巖體花崗閃長巖黑云母化學(xué)組成Table 1 List of biotite composition in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

注：IFe=Fe2+/(Fe2++Mg)，IMg=Mg/(Fe2++Mg)；Fe2+和Fe3+根據(jù)文獻(xiàn)[16]方法計(jì)算。

圖3 桂東北大寧巖體花崗閃長巖黑云母(a)MgO-FeOT/(FeOT+MgO)和(b)Fe3+-Fe2+-Mg圖解Fig.3 MgO-FeOT/(FeOT+MgO)diagram (a) and Fe3+-Fe2+-Mg diagram (b) of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

4 討論

4.1 黑云母形成的物理化學(xué)條件

黑云母是花崗巖中最常見的深色礦物，黑云母的化學(xué)成分特征研究對分析花崗巖的源區(qū)特征、成巖溫壓條件和成巖過程具有重要作用，同時，黑云母具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，是W、Sn、Cu等眾多金屬元素的載體，礦化類型不同，黑云母的化學(xué)成分特征也往往不一樣，因而黑云母還是研究成礦元素富集特征、后期熱液作用的理想對象[13-15，17]。

Henry et al.[15]的研究認(rèn)為，對于含有鈦鐵礦或金紅石的石墨過鋁質(zhì)泥質(zhì)變質(zhì)巖，黑云母中Ti的含量可以作為地質(zhì)溫度計(jì)，并根據(jù)Ti含量、Mg/(Mg+Fe)和溫度T三者的關(guān)系提出了黑云母Ti溫度計(jì)表達(dá)式(1)：

T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}1/3

(1)

其中，T為溫度，單位為℃；Ti為以22個氧原子標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算的Ti陽離子數(shù)；XMg= Mg/(Mg+Fe)；a= -2.3594，b= 4.6482×10-9，c= -1.7283；表達(dá)式標(biāo)定范圍為T= 480℃～800℃，Ti = 0.04～0.60，XMg= 0.275～1.000。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到大寧巖體花崗閃長巖中黑云母的結(jié)晶溫度，其中第一組結(jié)晶溫度為723℃～731℃，平均值為727℃，第二組結(jié)晶溫度為678℃～687℃，平均值為682℃(表1)。

顯微鏡下黑云母的特征顯示第一組黑云母呈自形結(jié)構(gòu)，表面干凈，沒有明顯變形變質(zhì)的痕跡(圖2c)，暗示其為原生黑云母，其化學(xué)成分可以代表其結(jié)晶時的成分特征；第二組黑云母表面裂縫較發(fā)育，并發(fā)生了綠泥石化(圖2d)，反映其發(fā)生了后期變形變質(zhì)作用。因而，第一組樣品計(jì)算出的上述溫度可以代表其結(jié)晶溫度，第二組樣品計(jì)算出的溫度反映的應(yīng)該是其后期發(fā)生蝕變/變質(zhì)作用的溫度，即大寧巖體花崗閃長巖中黑云母的結(jié)晶溫度為723℃～731℃，平均值為727℃，發(fā)生后期蝕變/變質(zhì)作用的溫度為678℃～687℃。

值得說明的是，由于第二組樣品反映的可能是后期蝕變/變質(zhì)作用的信息，因而根據(jù)其化學(xué)成分分析出來的形成條件并無實(shí)際意義，但為了方便對比分析，在后文的討論和圖件中也保留了第二組樣品的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

此外，大寧巖體花崗閃長巖中黑云母具有較高的Mg2+含量，在Fe3+-Fe2+-Mg2+圖解中，樣品點(diǎn)主要落入Ni-NiO緩沖線附近，暗示花崗閃長巖中黑云母結(jié)晶于較低的氧逸度條件[18](圖4a)?；◢忛W長巖黑云母同時具有較高的Al2O3含量(12.44%～14.02%，平均值為13.20%)和AlVI(0.35～0.48，平均值為0.42，以22個氧原子為單位計(jì)算的陽離子數(shù))，亦反映黑云母形成于較低的氧逸度條件[19]。根據(jù)式(1)計(jì)算獲得的黑云母結(jié)晶溫度，利用Wones and Eugster[20]提出的黑云母溫度和氧逸度關(guān)系的logfO2-T圖解(圖4b)，推測出大寧巖體花崗閃長巖第一組黑云母樣品形成的氧逸度logfO2約為-13，第二組黑云母樣品形成的氧逸度logfO2約為-15。

Uchida等[21]的研究表明花崗巖類的固結(jié)壓力P與黑云母的全鋁含量AlT呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān) 線性關(guān)系，并進(jìn)一步提出了利用黑云母全鋁含量來計(jì)算花崗巖類的固結(jié)壓力，兩者計(jì)算表達(dá)式：

圖4 桂東北大寧巖體花崗閃長巖中黑云母Fe3+-Fe2+-Mg2+ (a)和logfO2-T (b)圖解 Fig.4 Fe3+-Fe2+-Mg2+ diagram (a) and logfO2-T diagram (b) of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

P(×100 MPa)=3.03×AlT-6.53(±0.33)

(2)

其中，AlT為以22個氧原子為標(biāo)準(zhǔn)化的黑云母Al陽離子總數(shù)。采用式(2)可計(jì)算出第一組黑云母樣品的結(jié)晶壓力為121 MPa～135 MPa，平均值為127 MPa，第二組黑云母樣品的結(jié)晶壓力為68 MPa～82 MPa，平均值為75 MPa。進(jìn)一步利用壓力與深度的關(guān)系式P=ρ×g×H可以計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)晶深度，式中ρ取2700 kg/m3，g取9.8 m/s2。計(jì)算結(jié)果表明：第一組黑云母樣品的結(jié)晶深度為4.58～5.11 km，平均深度為4.81 km。

4.2 源區(qū)特征和地質(zhì)意義

黑云母的化學(xué)成分主要與源區(qū)物質(zhì)密切相關(guān)[22-23]。一般來說，產(chǎn)于俯沖帶的鈣堿性巖石由于受俯沖帶流體/熔體的作用，有利于磁鐵礦的早期結(jié)晶，晚期結(jié)晶形成的黑云母往往表現(xiàn)出富Mg、Al、貧Ti的成分特征；產(chǎn)于非造山環(huán)境中的堿性花崗巖類由于處于高溫、缺水等條件而不利于早期磁鐵礦和鈦鐵氧化物的結(jié)晶，而晚期結(jié)晶的黑云母則表現(xiàn)出富鐵的特征[17]；來源于地幔物質(zhì)的黑云母表現(xiàn)出高M(jìn)gO含量(>15%)和低FeOT/MgO比值[24-25]；源于演化程度高或高分異巖漿中的黑云母則多表現(xiàn)出低MgO含量(<6%)和高FeOT/MgO比值。在MgO-FeOT/(MgO+FeOT)圖解中，大寧巖體花崗閃長巖中黑云母樣品點(diǎn)均落入了殼源區(qū)域范圍(圖3a)，暗示其源區(qū)以殼源物質(zhì)為主。同時，黑云母整體表現(xiàn)出較高的MgO含量(7.18%～10.00%)和Fe/(Fe+Mg)比值(>0.5)，反映其源區(qū)有幔源物質(zhì)的加入。在MgO-FeOT/(FeOT+MgO)圖解中，第一組黑云母樣品靠近殼?；旌戏纸缇€(圖3a)，在Fe3+-Fe2+-Mg圖解上(圖3b)，第一組樣品落入殼?；旌蠀^(qū)域，進(jìn)一步表明樣品的源區(qū)有幔源物質(zhì)的加入，說明大寧巖體的形成是殼-幔相互作用的產(chǎn)物。

此外，前人對花崗巖黑云母化學(xué)成分的研究提出，A型花崗巖黑云母具有富鐵特征，I型花崗巖黑云母往往表現(xiàn)出富鎂特征，S型花崗巖黑云母具有高鋁特征[26]。大寧巖體花崗閃長巖中黑云母表現(xiàn)出富鎂特征，與I型花崗巖特征相似。顯微鏡下觀察顯示花崗閃長巖含有較多的角閃石(圖2b)，與I型花崗巖的礦物組成特征相似，而沒有富鋁礦物，如堇青石、石榴子石等，明顯不同于S型花崗巖，因?yàn)镾型花崗巖通常含有堇青石等富鋁礦物。

前人的年代學(xué)研究結(jié)果表明，大寧巖體的主體形成時代為早古生代，即廣西期(445～398 Ma)[12]。早古生代時期華南經(jīng)歷的一次重要構(gòu)造事件，即“加里東運(yùn)動”，這一構(gòu)造事件最早由Ting(1929)等[27]提出并命名為“廣西運(yùn)動”，后來的研究學(xué)者相繼用“早古生代造山運(yùn)動”[28]、“武夷—云開造山運(yùn)動”[29]等來描述這一構(gòu)造運(yùn)動。這一構(gòu)造運(yùn)動對華南的構(gòu)造演化產(chǎn)生了深刻影響，如在華南地區(qū)形成了大規(guī)模的泥盆系與前泥盆系變質(zhì)巖系之間的區(qū)域角度不整合，在華夏地塊及其相鄰的揚(yáng)子地塊內(nèi)產(chǎn)生了大量早古生代花崗巖(約470～410 Ma)[30-33]，同時導(dǎo)致華南地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的變形變質(zhì)作用。前人對這一構(gòu)造運(yùn)動的屬性多認(rèn)為其為陸內(nèi)造山作用[30-33]，也有學(xué)者提出其與早古生代時期的俯沖碰撞事件有關(guān)[34-38]。本文研究的桂東北大寧巖體主體形成時代為早古生代(445～398 Ma)[12]，是廣西運(yùn)動的產(chǎn)物。從區(qū)域內(nèi)分布的早古生代巖石類型和組合來看，本區(qū)主要以花崗質(zhì)巖石為主，缺少具有島弧特征的基性—超基性巖和火山巖，也沒有確切證據(jù)表明本區(qū)存在蛇綠巖，因而從巖石組合上來看，它們明顯不同于產(chǎn)于典型俯沖帶上的巖石組合，相反，它們以花崗質(zhì)巖石為主，因此，本文推測大寧巖體應(yīng)該也是形成于陸內(nèi)造山作用。在MgO-FeOT-Al2O3圖解中(圖5)，第一組樣品均落入造山帶鈣堿性花崗巖區(qū)域范圍內(nèi)，亦暗示大寧巖體形成于陸內(nèi)造山這一構(gòu)造背景。

圖5 桂東北大寧巖體花崗閃長巖黑云母 MgO-FeOT-Al2O3圖解Fig.5 MgO-FeOT-Al2O3 diagram of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

5 結(jié)論

1)桂東北大寧巖體黑云母整體表現(xiàn)出富鐵貧鎂、富鉀貧鈉、高鋁低鈣等特征，屬于鐵頁云母。

2)黑云母的結(jié)晶溫度為723℃～731℃，其結(jié)晶的壓力為121 MPa～135 MPa，結(jié)晶深度為4.58～5.11 km。發(fā)生后期蝕變/變質(zhì)作用的溫度為678℃～687℃。

3)大寧巖體成巖過程與殼—幔相互作用有關(guān)，其形成可能與華南早古生代時期的陸內(nèi)造山作用有關(guān)。

致謝：感謝桂林理工大學(xué)劉奕志老師、馬蓮花和蘇小倩在電子探針分析測試上提供幫助，感謝審稿專家提出寶貴意見和建議。