花崗巖中黑云母礦物學(xué)特征及其地質(zhì)意義

張澤鳳，胡昱杰

（1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013；2.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭014010）

1 概述

花崗巖是地殼的最主要成分，花崗巖的成因研究對(duì)揭示地殼的形成與演化具有重要意義。相對(duì)于全巖地球化學(xué)分析而言，礦物成分分析可以更精確地反映與巖漿演化及巖漿源區(qū)有關(guān)的信息，因此深入開展這方面的研究工作十分必要[7]。黑云母當(dāng)作花崗巖中最普遍可見的暗色礦物，是研究花崗巖源區(qū)特征、成巖情況和成礦作用的合理對(duì)象。對(duì)花崗巖中的黑云母化學(xué)成分展開系統(tǒng)研究，以呈現(xiàn)出花崗巖的形成成因，探討其形成的地質(zhì)意義。并且，由于其擁有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，使黑云母能夠承載多種金屬，如W、Sn、Cu 等，同時(shí)，黑云母的化學(xué)成分的不同指示不同的礦化類型，因此黑云母各種特征能夠指示成礦元素富集規(guī)律、后期熱液作用。

2 黑云母巖相學(xué)和礦物化學(xué)成分特征及其分類

根據(jù)前人研究，黑云母能夠分為三類：原生黑云母、次生黑云母（新生黑云母）、熱液黑云母（再平衡黑云母），它們分別有著不一樣的巖相學(xué)和化學(xué)成分性質(zhì)（Nachit et al.,2005）。巖漿黑云母產(chǎn)生于巖漿結(jié)成晶體階段，熱液黑云母產(chǎn)生于熱液蝕變階段。

巖相學(xué)特征：原生黑云母多呈褐色、褐黃色，多呈自形—半自形，片狀構(gòu)造，多色性顯著，表面較干凈，礦物顆粒多在0.5mm，寬多在0.2mm。部分次生黑云母遭受后期熱液蝕變作用，發(fā)生以綠泥石為主的蝕變，且蝕變黑云母的表面有裂縫發(fā)育，局部可見撓曲。熱液黑云母普遍呈細(xì)小鱗片狀集合體、彌散狀或脈狀出現(xiàn)，多色性弱，褐色不顯著或者呈現(xiàn)淺綠色。

化學(xué)成分特征：原生白云母富Ti、Mg，貧Te；熱液黑云母富Mg；次生黑云母富Fe、Ti。Foster(1960)根據(jù)黑云母的Mg-(Fe2++Mn2+)-(Fe3++AlⅥ+Ti4+)、Si-Fe/(Fe+Mg)、Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn)的特征將黑云母分為金云母、鎂質(zhì)云母、鐵質(zhì)云母、鐵葉云母（圖1a）。

3 黑云母化學(xué)成分特征對(duì)巖石成因的指示

黑云母是一種鐵鎂質(zhì)礦物，廣泛分布于花崗巖中，能夠在寬泛的溫壓范圍內(nèi)穩(wěn)定存在（Yavuz,2003）。黑云母的化學(xué)特征取決于寄主巖漿成分，并且與最新的揮發(fā)相重新平衡(Nash and Crecraft，1985；Rasmussen and Mortensen，2013)。因此，黑云母化學(xué)成分特征可以反映寄主花崗巖巖漿演化的物理化學(xué)條件(Cernyand Burt，1984；Speer，1984），并且，黑云母礦物的化學(xué)成分特征能夠指示花崗巖的成因（郭耀宇等，2015；楊陽(yáng)等，2007；等）。

ISMA 型分類標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)下最常用于辨別花崗巖的分類方法。前人對(duì)花崗巖中黑云母化學(xué)成分特征的研究指出，源于A型花崗巖的黑云母富Fe，源于I型花崗巖的黑云母富Mg，源于S 型花崗巖的黑云母富高Al（Uchida et al.,2010）?？赏ㄟ^(guò)黑云母的MF指數(shù)[MF=Mg/(Fe3++Fe2++Mg+Mn)]來(lái)辨別I型（MF>0.38，同熔型）和S型花崗巖（改造型，MF<0.38）（李克勤等，1982）（圖1b）。

圖1 黑云母（a）MgO%-FeOT/(FeOT+MgO)圖解（據(jù)劉雷等，2020）(b)Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn圖解（據(jù)徐克勤等，1982）

前人研究指出，花崗巖因其復(fù)雜的巖石成因，導(dǎo)致存在多種來(lái)源的源區(qū)物質(zhì)，主要有：古老地殼物質(zhì)的重熔、新生地殼物質(zhì)的重熔、幔源巖漿的分異或它們之間相互混合的產(chǎn)物[7]（Skjerlie and Johnston,1996；Altherr and Siebel,2002；Sisson et al.,2005；Stouraiti et al.,2018）。劉雷等（2020）等人根據(jù)MgO%-FeOT/(FeOT+MgO 圖解（圖1a，）將花崗巖源區(qū)物質(zhì)來(lái)源劃分為三類：殼源、幔源、殼?；旌?。前人研究表明，典型的幔源巖漿巖中的黑云母普遍有著較高的MgO占比（>15%）和較低的FeT(FeOT+MgO)含量[6]；但是來(lái)源于殼源巖漿巖的黑云母中的MgO（<6%）占比較低、FeT(FeOT+MgO)占比較高，而殼?；旌闲突◢弾r中的黑云母的MgO 占比和FeT(FeOT+MgO)含量在殼源和幔源之間（周作俠，1988；陽(yáng)珊等，2014；馬蓮花等，2018）。

有研究表明，黑云母的化學(xué)成分特征（Abdel-Rahman,1994；Shabani et al.,2003）有效反映了其寄主花崗巖類的構(gòu)造起源。Abdel-Rahman（1994）提出FeOT-Al2O3圖解（圖2）將花崗巖的結(jié)構(gòu)源頭劃分為三類：過(guò)鋁質(zhì)巖系（多為S型花崗巖），造山帶鈣堿性巖系（多為I 型花崗巖），非造山帶堿性巖系（多為A 型花崗巖）。一般來(lái)說(shuō)，受俯沖帶流體/熔體影響，晚期結(jié)晶的黑云母呈現(xiàn)出富鐵的性質(zhì)（周云等，2017）；來(lái)自地幔物質(zhì)的黑云母呈現(xiàn)出高M(jìn)gO 占比>15%）和低FeOT/MgO 含量（周作俠，1988；Lalonde et al.,1993）；來(lái)自演化程度高或高分異巖漿中的黑云母則揭示出低MgO占比（<6%）和高FeOT/MgO含量[1]。

圖2 MgO-FeOT-Al2O3圖解（據(jù)Abdel-Rahman，1994）

另外，黑云母有著如下特點(diǎn)：①針對(duì)不含或含少許的石榴石、堇青石或者Al2SiO5同質(zhì)多像的花崗巖，過(guò)量鋁主要由黑云母貢獻(xiàn)，所以黑云母中鋁占比直接反演母巖漿的鋁飽和度；②黑云母是最迅速有效的氧逸度指示劑[4]。溫度和氧逸度是黑云母中鈦占比的影響因素（Patino Douce,1993；Robert,1976）。Henry 等（2005）研究說(shuō)明黑云母中鈦占比、Mg/(Mg+Fe)和溫度存在非線性關(guān)系提出了黑云母的Ti 溫度計(jì)。Beane(1974)提出了T-Xphl地質(zhì)溫度計(jì)預(yù)估測(cè)算熱液黑云母的形成溫度。黑云母中的全鋁占比（TAl）與花崗巖的固結(jié)壓力有著正關(guān)聯(lián)性（Uchida et al.，2007）。Wones等（1965）借助試驗(yàn)研究說(shuō)明，巖漿熱液系統(tǒng)氧逸度越高，系統(tǒng)中的Fe3+/Fe2+值越大，F(xiàn)e2+越少，Mg2+更易進(jìn)入鎂鐵質(zhì)礦物的晶體結(jié)構(gòu)中；因此黑云母中的XMg[XMg=Mg/(Mg+Fe)]與氧逸度或硫逸度呈正相關(guān)，并且Fe3+、Fe2+和Mg2+含量能有效地指示巖漿熱液系統(tǒng)的氧逸度[5]。這些特征能更進(jìn)一步地反演寄主巖漿成分特征，指示其寄主花崗巖的巖石成因。

巖漿結(jié)晶溫度可利用黑云母Ti 溫度計(jì)計(jì)算得出，這是Henry et al.(2005)通過(guò)討論泥質(zhì)變質(zhì)巖中黑云母的Ti 和XMg的關(guān)系得出：T=｛［ln(Ti)-a-c(XMg)3］/b｝0.333(T為溫度，單位為℃)。當(dāng)中，Ti的單位為apfu，是以22個(gè) O 原 子 進(jìn) 行 計(jì) 算 ；XMg為 Mg/(Mg+Fe)；參 數(shù)a=-2.3594,b=4.6482×10-9，c=-1.7283；適用范圍：XMg在 0.275～1.000 之間，Ti 在 0.04～0.60apfu 之間，T在480℃～800℃之間，T的誤差范圍為±25℃。且研究表明不論是泥質(zhì)變質(zhì)巖還是花崗質(zhì)巖漿巖都能使用黑云母Ti 溫度計(jì)(Sarjoughian et al.,2015)。也可通過(guò)黑云母的Ti-Mg/（Mg+Fe）圖解（圖3a）來(lái)求出溫度T，公式計(jì)算和投圖兩種方式計(jì)算溫度，兩者相互對(duì)照，使準(zhǔn)確度更高。

Uchida 等（2007）通過(guò)探討黑云母的AlT含量和其寄主花崗巖類的固結(jié)壓力的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)系數(shù)為正數(shù)—正相關(guān)，由此提出花崗巖的固結(jié)壓力可利黑云母的AlT含量來(lái)計(jì)算，并且給出了計(jì)算公式：P(100MPa)=3.03×AlT-6.53(±0.33) 當(dāng)中，AlT為黑云母Al陽(yáng)離子總數(shù)（以22個(gè)O為標(biāo)準(zhǔn)）。最后根據(jù)P=ρ×g×H計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的H（結(jié)晶深度），其中ρ：2700kg/m3,g：9.8m/s2。能作為成巖固結(jié)壓力的前提是黑云母為原生黑云母。

此外，黑云母的氧逸度受控于Fe、Mg含量，當(dāng)黑云母與磁鐵礦以及鉀長(zhǎng)石共生[1]，可通過(guò)黑云母的Fe2+、Mg2+與Fe3+原子百分占比來(lái)估算結(jié)晶時(shí)巖漿體系的氧逸度（Henry et al.,2005）（圖3b）。越靠近Ni-NiO緩沖曲線，黑云母形成時(shí)的氧逸度越低[2-3]。

4 黑云母化學(xué)成分特征對(duì)花崗巖成礦作用的指示

圖3 花崗巖中黑云母(a)Mg/(Mg+Fe)-Ti圖解（據(jù)Henry et al.,2005）和(b)Fe3+-Fe2+-Mg2+圖解（據(jù)Wones and Eugster,1965）

黑云母是花崗巖類含礦性的一種重要指示礦物，沒有受到后期流體改造的黑云母揭示貧Ca、Fe2+/(Fe2++Mg)含量比較平均（Stone,2000）的性質(zhì)，暗示著其寄主花崗巖為巖漿成因，它們復(fù)雜的化學(xué)成分及其主量、微量元素可以提供與成礦作用有關(guān)的各類物理化學(xué)信息，預(yù)示著花崗巖潛在的礦化性質(zhì)。

而且，黑云母中揮發(fā)分（尤其是F 和Cl）在巖漿熱液成礦系統(tǒng)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，比如約束蒸汽飽和、與金屬元素產(chǎn)生絡(luò)合物和制約礦床的礦化類別等（Loferski et al.,1995；Monoz,1984；1992；Selby et al.,2000）。當(dāng)花崗巖中沒有白云母和螢石時(shí)，黑云母中的F 含量占花崗巖的70%～90%，剩余的10%～30%的F由磷灰石、角閃石和榍石提供(Zhang et al.,2016）。黑云母中的 F 因羥基(Cl-OH)的存在，由 F 置換 Cl 而存在；同時(shí)黑云母中F 的含量一般比Cl 高，這是由于Cl離子半徑比F/OH 的大，F(xiàn) 更容易和OH 互相代替（Monoz，1984）。Monoz（1984）借助試驗(yàn)研究表明，Mg/Fe 的值影響著黑云母中F、Cl 替換OH；有著較高M(jìn)g/Fe 的黑云母傾向含更多的F，而有著較低Mg/Fe的黑云母傾向含更多的Cl，這種關(guān)系是由結(jié)晶化學(xué)驅(qū)使的，即F-Fe 和Mg-Cl 在黑云母中占位回避原則。黑云母的Ⅳ（F）、Ⅳ（Cl）和Ⅳ（F/Cl）可以指示巖漿熱液系統(tǒng)中F 和Cl 的相對(duì)富集程度（Munoz，1984）。黑云母化學(xué)成分可以計(jì)算巖漿熱液流體中揮發(fā)分的逸度[lg(fH2O/fHCl)、lg(fH2O/fHF和 lg(fHF/fHCl)]（Munoz，1992）。確定巖漿熱液系統(tǒng)中揮發(fā)分的相對(duì)富集度和逸度，對(duì)完善含金屬礦花崗巖的成礦理論具有重要的意義（Selby et al.,2000；唐攀等，2017；Jin etal.,2018）。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開始研究黑云母中金屬含量與礦化之間的關(guān)系以及其礦物化學(xué)特征指導(dǎo)斑巖銅（鉬、金、鎢等）礦床和巖漿熱液型礦床的找礦勘查（傅金寶，1981；秦克章等，2009；李鴻莉等，2007；陳佑緯等，2010；王葳平等，2012；Warren et al.,2015；趙友東等，2016；唐攀等，2016；張龍等，2017；Jin et al.,2018）。Azadbakht 等(2019)對(duì)含礦和不含礦花崗巖黑云母進(jìn)行研究，對(duì)比含礦和不含礦花崗巖黑云母的地球化學(xué)特征，探討了含礦和不含礦花崗巖的物理化學(xué)差異（見表1）。

表1 各類含礦與不含礦花崗巖黑云母的化學(xué)特征

由表1 得出不含礦花崗巖含高TiO2、FeO、Cl、V、Co，低Na2O、K2O、P、Sr，氧逸度在HM 和FMQ 緩沖帶之間[（10～13.2)～(10～14.9）]，含水量最低，約3wt%，結(jié)晶溫度為728℃±20℃，侵位深度2±1kbar；含Cu-Mo礦化花崗巖含高TiO2、Cr、MgO、CaO、Ni、Cu、Sr、Ba，低Al2O3、F、MnO、Zn、Ga、Rb、Mo、Sn、Cs、W、Li，氧逸度在HM 和FMQ 緩沖帶之間，結(jié)晶溫度為731℃±38℃，侵位深度1.5±0.5kbar；含Mo 礦化花崗巖含低SiO2、Sr、Cu、Sc，氧逸度在HM和FMQ緩沖帶之間，含水量在4～4.5wt%之間，結(jié)晶溫度為710℃±16℃，侵位深度 3±1kbar；含 Sn-W 礦化花崗巖含高 SiO2、F、Al2O3、MnO、Na2O、K2O、Li、P、Sc、Zn、Ga、Sn、W、Cs、Rb，低TiO2、FeO、MgO、Cl、Ba、Co、Ni、Cu、V、Cr，氧逸度更接近FMQ 緩沖線，含水量最高，結(jié)晶溫度為706℃±18℃，侵位深度3±1.5kbar。

5 結(jié)論

（1）黑云母根據(jù)巖相學(xué)和化學(xué)成分特征都可分為原生、次生、熱液黑云母三類；

（2）通過(guò)黑云母的MF指數(shù)［MF=Mg/(Fe3++Fe2++Mg+Mn］可分辨花崗巖種類，當(dāng)MF>0.38，為I 型花崗巖（同熔型）；當(dāng)MF<0.38,為S型花崗巖(改造型)；A型花崗巖中黑云母有著富鐵的特點(diǎn)，I型花崗巖中黑云母普遍呈現(xiàn)出富鎂的特點(diǎn)，S 型花崗巖中黑云母有著高鋁的特點(diǎn)；

（3）利用黑云母中Fe2+、Mg2+與Fe3+離子相對(duì)含量可估算巖漿體系的氧逸度；

（4）根據(jù)黑云母中MgO含量與FeOT/(FeOT+MgO)比值，以及Fe3+、Fe2+與Mg2+離子的相對(duì)含量可判別花崗巖源區(qū)物質(zhì)（殼源，幔源，殼?；旌希?；

（5）黑云母中MgO 與Al2O3和MgO、FeOT與Al2O3的相對(duì)含量在一定程度上反映了花崗巖的形成構(gòu)造環(huán)境：過(guò)鋁質(zhì)巖系（多為S型花崗巖），造山帶鈣堿性巖系（多為I 型花崗巖），非造山帶堿性巖系（多為A 型花崗巖）三類；

（6）利用黑云母Ti溫度計(jì)可估算巖漿結(jié)晶溫度，而全鋁含量可估算花崗巖類的固結(jié)壓力；

（7）黑云母中F、Cl含量很大程度上反映了母巖漿的F、Cl含量，并將對(duì)巖漿熱液體系成礦系統(tǒng)研究提供重要信息。