廣西姑婆山花崗巖黑云母礦物化學特征及其對巖石成因和成礦的意義

蘇小倩,蔡永豐,李學森,周 云,馬蓮花,付元東

(桂林理工大學 a.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發協同創新中心;b.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室,廣西 桂林 541006)

黑云母是花崗質巖石中常見的礦物, 也是花崗質巖石中分布最廣泛的鎂鐵礦物。 黑云母的結晶化學式為A2M6T8O20(OH)4(其中：T=Si, Al;M=Mg, Fe, Mn, Cr, Ti, Zn, V;A=K, Na, Ba;OH=F, Cl, OH)， 其化學成分特征能夠提供有關巖漿的物理化學條件、成礦條件、巖石形成構造背景、巖石成因等方面的信息,以及對花崗巖體的成礦潛力等都具有重要的指示意義[1-8]。因此,對黑云母的研究已廣泛應用于巖石成因、成巖條件、成礦條件等方面[9-16]。

桂東北地區姑婆山一帶是南嶺多金屬成礦帶的重要組成部分, 同時也是重要的W、 Sn、 Nb、 Ta、 Li等有色、 稀有金屬產地之一[17-20]。 前人對姑婆山花崗巖的年代學、 地球化學、 巖石學等研究顯示，該巖體主要形成于中晚侏羅紀(160～165 Ma,LA-ICP-MS/SHRIMP 鋯石U-Pb年齡)[21-22], 其巖性以黑云母花崗巖和二長花崗巖為主, 局部出露有石英閃長巖[23], 其巖石類型多被認為具有A型花崗巖的特征[24-27], 形成于陸內由擠壓向拉張的構造轉折時期的地球動力學背景[28]。 姑婆山巖體伴生有鎢、 錫、 鉛、 鋅、 銅等有色金屬礦產(如六合坳錫礦床、 爛頭山礦田、 大廟山礦田、 可達礦田等)[28-29], 其成礦類型主要有偉晶巖型、 接觸交代矽卡巖型和高-中-低溫熱液型[30], 這些礦體的形成時代與姑婆山巖體的形成時代一致(約160 Ma)[29]。 雖然前人對姑婆山一帶分布的花崗巖及相關礦產的巖石學、地球化學、構造背景及成巖成礦時代、成礦類型等方面進行了較多的研究, 但對花崗巖礦物成分與成巖成礦關系的研究仍較少,因此,本文利用電子探針對姑婆山巖體中的黑云母進行化學成分分析,從而探討其形成條件及成巖成礦意義。

1 地質背景

廣西東北部的姑婆山花崗巖體是南嶺地區一個重要含礦花崗巖巖體[31],該巖體位于北緯24°30′—24°45′,東經111°30′—111°45′,主要分布在廣西賀州及湖南江華縣一帶,出露面積約650 km2[21]。姑婆山巖體為一多階段的復式巖體,總體呈不規則扁圓狀[32],其西南-西北緣侵入中-上泥盆統,東南部和東北部侵入于寒武系與下泥盆統,東部與桂嶺巖體相接觸[21]。研究區出露的地層主要有震旦系、寒武系、泥盆系和石炭系,其中,震旦系由灰綠色砂巖、頁巖夾多層硅質巖組成;寒武系主要為一套類復理石淺海相砂頁巖建造;泥盆系上部為紫紅色砂巖及灰綠色砂頁巖,下部主要為灰巖、泥質巖及白云質灰巖;石炭系以碳酸鹽巖為主,局部夾碎屑巖、硅質巖[33]。

在大地構造位置上, 研究區位于歐亞板塊的東南側, 其北西為揚子板塊, 南東為華夏板塊[34-36]。 區內地質構造復雜, 巖漿活動頻繁[23, 35], 姑婆山巖體侵位于南嶺東西向復雜褶皺-斷裂構造帶與湘南南北向褶皺-斷裂構造帶近末端的相交部位[37]。 南北向的紅花源-新路斷裂將姑婆山巖體分割為東西兩個部分, 分別稱為姑婆山東巖體和姑婆山西巖體[21-22]，里松巖體位于東巖體的中心部位,其出露區為一中央凹陷盆地,四周為相鄰花崗巖相帶組成的環狀中高山[38]。各巖體的巖性有較明顯差異,姑婆山東巖體以中粗粒似斑狀黑云母鉀長花崗巖為主,東巖體中的里松巖體以中細粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖為主[39],西巖體以中細粒斑狀黑云母花崗巖、細?；◢弾r為主[21,40]。細?；◢弾r侵入于主巖體及中細粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖中,而中細粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖又侵入于中粗粒似斑狀黑云母鉀長花崗巖中。本次研究區及采樣位置見圖1。

2 樣品的采集與分析

所采巖石均為新鮮樣品。 里松巖體樣品(GPS14A)為中細粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖,灰白色,斑狀結構,塊狀構造, 斑晶為鉀長石、斜長石,基質由石英、鉀長石、斜長石、角閃石、黑云母、白云母等組成,副礦物主要有鋯石、磷灰石、榍石、磁鐵礦等。東巖體樣品(GPS15A、GPS18A)為中粗粒似斑狀黑云母鉀長花崗巖,白色-肉紅色,似斑狀結構,塊狀構造,斑晶為鉀長石,基質由石英、鉀長石、斜長石、黑云母等組成,副礦物主要有鋯石、榍石、磷灰石、磁鐵礦等。西巖體樣品(GPS17A)為中細粒似斑狀黑云母花崗巖,灰白色,似斑狀結構,塊狀構造,斑晶為鉀長石,基質由石英、鉀長石、斜長石、黑云母、白云母等組成,副礦物主要有鋯石、磷灰石、榍石、磁鐵礦等。所有樣品中黑云母多為自形-半自形,片狀,具有多色性,顯微鏡下主要呈褐色至深棕褐色(圖2)。

圖1 姑婆山花崗巖體地質略圖(據文獻[21,23]修改)Fig.1 Simplified geological map of Guposhan graniteC-D—石炭系-泥盆系砂、頁巖; ∈—寒武系砂頁巖; Z—震旦系砂巖、 頁巖夾多層硅質巖; Ls—里松中細粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖; Gl—桂嶺二長花崗巖; γδ—大寧花崗閃長巖; 1—晚階段細?；◢弾r; 2—中粗粒似斑狀黑云母鉀長花崗巖; 3—中細粒斑狀黑云母花崗巖; 4—斷裂; 5—礦床; 6—采樣點

巖石光學薄片的制作在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室磨片室完成, 薄片的鑒定使用 Nikon和 Leica顯微鏡。鑒定完成后,挑選具有代表性的薄片重新拋光,將其制成電子探針片, 并在偏光顯微鏡下圈定其中新鮮未蝕變的黑云母用于礦物化學組成分析。黑云母主量元素測試在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室完成,所用儀器為JEOLJXA 8230型電子探針儀(EPMA)。測試條件：加速電壓15 kV,探針電流20 nA,束斑直徑5 μm;標樣主要采用鈉長石、磷灰石、橄欖石、鎂橄欖石、硅灰石、金云母和金紅石,校正方法為ZAF修正法。

圖2 姑婆山花崗巖顯微照片Fig.2 Microscope photographs of Guposhan graniteBt—黑云母; Pl—斜長石; Q—石英

3 黑云母礦物化學特征

由于電子探針無法區別黑云母中的Fe2+和Fe3+,因此黑云母中Fe2+和Fe3+值采用林文蔚等[41]的計算方法獲得,黑云母的結構式以陰離子(O,OH,F/2,Cl/2)數為24計算陽離子數。姑婆山花崗巖中的黑云母化學成分分析結果見表1，樣品的黑云母以富硅、鐵、鉀、鈦,貧鎂、鈉、鋁、錳、鈣為特征。黑云母的SiO2含量為32.07%～36.73%,平均35.39%;FeOT為27.26%～37.15%,平均30.48%;MgO為1.16%～6.47%,平均3.99%;K2O、Na2O、Al2O3、TiO2和MnO的平均含量分別為9.50%、0.13%、13.01%、3.05%和0.22%;樣品CaO含量低,平均為0.10%,部分樣品的CaO含量低于檢出限。

Brigatti等[42]在研究黑云母的晶格替換特征中指出,Mg2+、Fe2+、Fe3+等離子可以等價或不等價替換八面體中的Al3+,這些離子替換可以提供云母結晶時的信息。姑婆山所采樣品中黑云母的八面體占位值M-site較高,為5.96～6.64(表1),說明黑云母均屬于三八面體云母(M-site>5)[42], 又明顯偏離了三八面體的理想趨勢(圖3),說明黑云母的組成元素間存在離子的替換[6]。

依據Foster[43]提出的黑云母命名方法,并結合相關圖解對黑云母進行分類,顯示本區黑云母屬于富鐵黑云母, 富鐵黑云母可進一步分為鐵黑云母和鐵葉云母兩種類型。 從圖4可以看出, 姑婆山-2.359 4,b=4.648 2×10-9,c=-1.712 8,MF=Mg/(Fe+Mg);M-site=Mg+Fe2++Fe3++AlⅥ+Mn+Ti。氧化物的單位為wB/%。

圖3 姑婆山花崗巖黑云母的Altot-(Fe+Mg+Ti(Si-3))圖解(底圖據文獻[6])Fig.3 Altot-(Fe+Mg+Ti(Si-3)) diagram of biotite from Guposhan granite

表1 姑婆山花崗巖黑云母成分

注: 含鐵系數IFe=(Fe3++Fe2+)/(Fe3++Fe2++Mg), 鎂質率IMg=Mg/(Mg+Fe2++Mn);T={[ln(Ti)-a-c(MF)3]/b}0.333;a=

圖4 黑云母Si-Fe/(Fe+Mg) (a) 和Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn)(b)圖解(底圖據文獻[43])Fig.4 Si-Fe/(Fe+Mg) diagram(a) and Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn) diagram (b) of biotite

花崗巖中黑云母有鐵質黑云母和鐵葉云母兩種類型, 且鐵質黑云母靠近鐵葉云母區域。 黑云母的 Fe2+/(Fe2++Mg)值變化范圍小,在0.68～0.94,平均值為0.80, 說明黑云母沒有遭受到明顯的后期流體的改造作用[44]。

4 黑云母成巖成礦意義

4.1 成巖條件

4.1.1 溫度 實驗巖石學表明,在高溫高壓條件下,巖漿結晶溫度會影響黑云母中Ti元素含量的變化[45]。因此,可以利用黑云母中Ti元素的含量作為估計巖漿結晶溫度的地質溫度計[5,45-46]。對過鋁質變質泥巖中的黑云母,可以用Ti飽和溫度的計算公式(見表1注解)或者用Ti-Mg/(Mg+Fe)等溫線圖進行溫度估算[47-48]。根據前人的研究資料,姑婆山巖體A/CNK值在0.99～1.03,平均為1.01[21,27],主要表現出過鋁質的特征。在相關圖解中(圖5),姑婆山花崗巖也顯示為過鋁質巖套特征。因此,可以用上述Ti飽和溫度的計算公式來估算黑云母結晶時的溫度。結果表明,姑婆山花崗巖黑云母的結晶溫度在595.60～696.37 ℃(表1),平均溫度為664.84 ℃。在Ti-Mg/(Mg+Fe)圖解(圖6)中, 黑云母結晶溫度主要落在550～700 ℃,與上述計算結果一致。由此可以看出,姑婆山花崗巖體是在相對較高的溫度下形成的。

4.1.2 氧逸度 Wones[49]通過研究指出,與磁鐵礦和鉀長石共生的黑云母Fe3+、 Fe2+和 Mg2+原子的百分數可以用來定性地估算黑云母結晶時的氧逸度。 在顯微鏡下觀察發現, 姑婆山花崗巖中的黑云母與鉀長石-斜長石-磁鐵礦-石英共生, 符合用此方法來估算氧逸度的條件。越靠近Ni-NiO緩沖線,黑云母結晶的氧逸度越低[50]。從圖7可以看出,姑婆山花崗巖中的黑云母大多數落在Ni-NiO線與Fe2SiO4-SiO2-Fe3O4線之間且更加接近Ni-NiO緩沖線,說明姑婆山花崗巖中的黑云母形成于較低的氧逸度環境。

圖5 黑云母MgO-FeOT-Al2O3圖解(底圖據文獻[3])Fig.5 MgO-FeOT-Al2O3 diagram of biotite A—非造山的堿性巖套;C—造山帶鈣堿性巖套;P—過鋁質巖套

圖6 黑云母Ti-Mg/(Mg+Fe)等溫線圖(底圖據文獻[47])Fig.6 Ti-Mg/(Mg+Fe) diagram of biotite

圖7 姑婆山花崗巖黑云母Fe3+-Fe2+-Mg2+圖解(底圖據文獻[50])Fig.7 Fe3+-Fe2+-Mg2+ diagram of biotite

4.1.3 壓力和深度 對于花崗巖成巖壓力的計算有兩種選擇： 當花巖崗中存在角閃石+黑云母礦物組合, 且角閃石結晶完好時, 選擇角閃石作為全鋁壓力計礦物; 角閃石結晶不夠完好, 而黑云母結晶完好時, 則選擇黑云母作為全鋁壓力計礦物。 當花崗巖中不存在角閃石時, 黑云母則不適合作為全鋁壓力計[51]。 通過顯微鏡下觀察,樣品GPS14A含少量角閃石,但結晶不夠完好,因此本文采用黑云母全鋁壓力計的方法來計算成巖壓力。

黑云母全鋁含量與花崗巖的固結能力具有很好正相關特性,全鋁壓力計的關系式P=[3.03×TAl-6.53(±0.33)]×100(MPa)。 利用此壓力計估算本區黑云母的結晶壓力,結晶深度采用P=ρ·g·H進行換算,其中ρ=2 800 kg/m3,g=9.8 m/s2。姑婆山東巖體(GPS15A、 GPS18A)花崗巖黑云母的平均結晶壓力96.29 MPa, 對應的平均侵入深度為3.51 km； 西巖體(GPS17A)花崗巖黑云母的平均結晶壓力163.03 MPa, 對應的平均侵入深度為5.94 km；里松巖體(GPS14A)黑云母的平均結晶壓力為141.72 MPa,對應的平均侵入深度為5.17 km。GPS15A、GPS17A、GPS18三個樣品中均無角閃石存在,因此,姑婆山東巖體及西巖體用黑云母全鋁壓力計計算所得的深度和壓力可能存在一定的誤差,有待于進一步深入研究。

4.2 成巖意義

花崗巖中黑云母的化學成分與寄主巖石的化學成分和巖石成因之間存在著密切聯系,研究黑云母的化學成分對揭示巖漿分異演化有著重要的指示意義[9]。前人研究提出,黑云母的MgO含量可以反映巖石物質來源及成巖成礦作用的一些地球化學特征,一般幔源巖石是富鎂黑云母,殼源巖石是富鐵黑云母[52],且殼源花崗巖的MF(MF=Mg/(Fe+Mg))值一般小于0.5[53-54]。 姑婆山花崗巖中的黑云母MF值介于0.06～0.32, 平均0.20, 顯示為殼源型花崗巖特征。 在 FeOT/(FeOT+MgO)-MgO圖解中(圖8a),黑云母樣品數據均落入殼源區。因此,可以推斷姑婆山花崗巖主要是殼源型。

氧逸度、 溫度、 壓力等物理化學條件在研究巖漿演化過程中起到了重要的控制作用, 黑云母的成分特征可以反映巖漿結晶時的氧逸度、溫度、壓力等物理化學條件[5]。姑婆山花崗巖中黑云母的結晶溫度多在650 ℃以上(表1, 圖6), 形成于相對高溫的環境, 其形成時的氧逸度較低(圖7), 結晶深度平均為5.17 km。 據文獻[55]， 含錫花崗巖的成礦能力與地殼成熟度密切相關, 地殼成熟度越高,成礦潛力越大。 廣西是華南花崗巖內生錫礦著名的成礦區域, 地殼發育成熟,形成陸殼改造型花崗巖, 有W、 Sn、 Ta等特征礦產[56-57]。在Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn)的巖石成因相關圖(圖8b)中, 黑云母成分分析結果顯示,姑婆山花崗巖與華南改造型花崗巖的特征相似,表明姑婆山花崗巖體主要來源于古老地殼物質的重熔。 前人的研究提出南嶺淺源系列黑云母具有較低的含鎂系數(IMg<0.45), 而長江深源系列黑云母IMg>0.45[16,58]。 姑婆山花崗巖中黑云母IMg在0.06～0.31, 平均0.20, 暗示姑婆山花崗巖屬于南嶺淺源系列。 由表1還可看出,其形成壓力越小, 侵入深度越淺, 其含鐵指數越高。

圖8 黑云母MgO-FeOT/(FeOT+MgO)(a)和Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn)(b)圖解(底圖文獻[1,57])Fig.8 MgO-FeOT/(FeOT+MgO) diagram(a) and Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn) diagram(b) of biotite

綜上,姑婆山花崗巖黑云母屬于殼源型,成巖溫度平均為664.84 ℃,同時具有低的氧逸度。

4.3 成礦意義

黑云母具有獨特的層狀結構特點, 成為許多成礦元素的載體或富集礦物， 其化學成分對銅、 錫等成礦作用以及礦化具有良好的指示作用。 李鴻莉等[10]研究了芙蓉錫礦田騎田嶺花崗巖黑云母礦物化學特征, 認為黑云母花崗巖與Sn成礦具有密切的成因聯系; 陳慧軍等[16]對滇西古永地區花崗巖黑云母進行了研究, 表明高溫低氧逸度更有利于Sn礦的形成; 東前等[12]的研究發現, 與Cu成礦有關的黑云母具有高鎂低鐵的特征, 高氧逸度環境有利于Cu等成礦物質聚集而發生成礦作用; 與Sn成礦有關的黑云母具有高鐵低鎂的特征[59]。 姑婆山花崗巖黑云母具有高鐵低鎂的特征, 其Fe2+/(Fe2++Mg)值變化于0.68～0.94(表1, 圖4), 暗示其具有良好的錫成礦性。 另一方面, 黑云母是花崗巖中錫的主要載體, Sn元素在流體內如何分配以及富集成礦主要受到溫度和氧逸度的影響[5,49], 相對于其他礦化金屬元素, 與錫有關的巖體通常具有較低的氧逸度, 在低氧逸度條件下花崗巖更有利于錫的成礦作用[10,60-64]。 姑婆山花崗巖黑云母具有低的氧逸度,反映其有利于錫的成礦作用。

5 結 論

(1)廣西姑婆山花崗巖中的黑云母具有富鐵貧鎂和高含鐵系數等特征, 屬于殼源型鐵質黑云母。

(2)里松巖體黑云母的平均結晶壓力為141.72 MPa,對應的平均侵入深度為5.17 km,為中-深成花崗巖體。

(3)廣西姑婆山花崗巖黑云母具有較高的溫度以及低的氧逸度等特征,表明具有較大的成礦潛力,有利于錫礦的形成。

致謝:審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見和建議，桂林理工大學電子探針實驗室劉奕志老師在數據測試方面給予了指導和幫助，在此一并表示衷心地感謝！