花崗質巖石中黑云母成分區域性變化對深部物質示蹤及成礦的約束:以秦嶺地區為例*

王曉霞 王濤 陳小丹 柯昌輝 楊陽

黑云母是巖漿巖,特別是中酸性巖中最常見的暗色礦物。其成分與所在巖石的成分關系密切,常用來判別巖漿系列和成因(Abdel-Rahman, 1994, 1996; Stussi and Cuney, 1996; Belletal., 2017; Samadietal., 2021; Kazemietal., 2022; 周作俠, 1986; Yavuz, 2003a, b)、形成環境(Kumaretal., 2010; Shabnietal., 2003)、估算巖漿結晶過程物理化學條件(Hoisch, 1989; Burkhard, 1991; Holdaway, 2000; Henryetal., 2005; Li and Zhang, 2022; Bardellietal., 2023)、指示成礦可能性等(Loferski and Ayuso, 1995; 胡建等, 2006; Moshefietal., 2016, 2020; Zhangetal., 2016; 楊陽等, 2017; Baidyaetal., 2021; Fengetal., 2021; Mohammadietal., 2021; Kazemietal., 2022; Taghavietal., 2022)。同時,黑云母的成分與巖漿演化和共生礦物密切相關,能提供巖漿演化重要信息(Hoisch, 1989; Abdel-Rahman, 1994, 1996; Brigattietal., 2000; Holdaway, 2000; Samadietal., 2021)。因此,中酸性巖,尤其是花崗質巖石中黑云母一直是礦物巖石學研究的重要內容之一。

以往,對巖漿巖中黑云母的研究多集中于單個巖體或幾個巖體,主要用于巖石類型、巖漿演化和物化條件的研究,很少涉及到區域性深部物質及成礦關系方面。黑云母的區域性系統研究是否可以揭示區域性巖漿物源、物理化學條件和深部物質組成信息?是否有望提供區域成礦背景及其規律信息而成為深部物質探測的新途徑和方法?巖漿巖及其攜帶的深源包體是了解深部物質特征的重要窗口(莫宣學, 2011)。目前,已開展了巖漿巖“巖石探針”、同位素示蹤填圖為核心的深部物質探測技術方法體系的探索(王濤等, 2022及其中的參考文獻),并應用于區域巖石圈物質架構探測及其區域成礦制約的深部物質背景及成礦規律的研究,取得重要進展(王濤和侯增謙, 2018; 侯增謙和王濤, 2018; Wangetal., 2023; Zhangetal., 2023)。那么,巖漿巖中造巖礦物地球化學的研究是否也可能成為新的了解深部物質的途徑? 這方面的研究值得探索。

圖1 秦嶺造山帶早中生代花崗質侵入體分布(據Wang et al., 2021修改)Fig.1 Distribution of Early Mesozoic granitic intrusions in the Qinling orogen (modified after Wang et al., 2021)

秦嶺造山帶巖漿和成礦作用發育,特別是早中生代。這些早中生代花崗質侵入體主要分布于西秦嶺,在北秦嶺和南秦嶺構造單元均廣泛出露(盧欣祥, 2000; Wangetal., 2013, 2021)。近年,對秦嶺早中生代花崗質巖石開展了深入的巖石學、年代學、元素地球化學和同位素等研究,建立了年代學格架,確定了地球化學特征,探討其演化、成因、物源及與構造環境的關系及成礦作用等,并揭示了秦嶺造山帶在早中生代的演化、深部物質組成特征等信息(張成立等, 2008; Wangetal., 2011, 2013, 2015, 2021; Qinetal., 2009, 2010, 2013; 徐學義等, 2014; Lietal., 2015; 付長壘等, 2016; Luetal., 2016; Xiongetal., 2016)。但對巖漿結晶過程中主要礦物,特別是暗色礦物的特征及物理化學條件等的整體研究相對較少,對不同期次不同構造單元中暗色礦物的異同、巖漿結晶過程物理化學條件及變化缺乏深入了解。此外,利用暗色礦物成分和演化揭示和提取巖漿演化、成因以及物源特征等的研究較少。這直接影響著花崗質巖石物源和組成與成礦關系的研究,并制約著區域成礦規律的預測。

本文在已有研究的基礎上,系統研究秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石的黑云母成分、演化和形成的物化條件,對比和揭示其在不同構造單元中的異同及其物質背景意義,以期探索花崗質巖石中黑云母的研究對區域深部物質組成、構造單元及區域成礦規律的啟示,為深部物質探測及其成礦物質背景研究提供新的途徑。

1 地質背景

秦嶺造山帶是中央造山系的主要組成部分, 西接昆侖造山帶,東聯大別造山帶。該造山帶構造單元的劃分有多種方案(Mattaueretal., 1985; 許志琴等, 1988; 張國偉等, 2001; Meng and Zhang, 1999, 2000; 王宗起等, 2009; Dongetal., 2011; Wu and Zheng, 2013),大多數研究者認同該造山帶是由4個構造單元組成,從北到南依次為華北地塊南緣、北秦嶺、南秦嶺和揚子地塊北緣,其間被洛南-欒川斷裂、商丹縫合帶和勉略縫合帶分開(圖1)。華北地塊南緣是華北地塊的一部分,在晚期卷入到秦嶺造山帶中,其由太古宙-古元古代變質基底和中元古代-中生代的蓋層組成(張國偉等, 2001; 第五春榮等, 2018)。北秦嶺主要由元古宙-古生代變質巖組成,其中包括秦嶺、寬坪和二郎坪雜巖體及丹鳳群(Dongetal., 2011)。南秦嶺主要由元古宙結晶基底和晚元古代-三疊紀沉積蓋層組成(張國偉等, 2001; 陸松年等, 2004)。揚子地塊北緣由新太古代-元古宙變質基底和顯生宙沉積蓋層組成(張國偉等, 2001)。商丹斷裂帶是早-中古生代商丹洋俯沖及其之后的華北地塊與南秦嶺碰撞的產物(Meng and Zhang, 2000; Dongetal., 2011; Dong and Santosh, 2016)。勉略縫合帶是勉略洋關閉形成的(Lietal., 1996; 張國偉等, 2001; Xuetal., 2002; Dongetal., 2004; Dong and Santosh, 2016)。

秦嶺造山帶古生代和中生代的巖漿作用最發育。古生代花崗質侵入體主要分布在北秦嶺,記錄了華北地塊與南秦嶺俯沖增生和碰撞過程(Wangetal., 2009, 2013)。早中生代花崗質侵入體主要出現在西秦嶺,是勉略洋俯沖和(或)華北地塊與揚子地塊碰撞的結果(Dongetal., 2011; Wangetal., 2013; Dong and Santosh, 2016)。晚中生代花崗質巖石屬于中國東部大火成巖省的一部分(Dongetal., 2011; 王曉霞等, 2011; Wangetal., 2013)。

2 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石的期次及巖相學特征

秦嶺早中生代花崗質巖漿活動十分強烈,主要分布在商州以西的秦嶺地區(張成立等, 2008; Wangetal., 2013)。北秦嶺構造單元中,早中生代花崗質巖體主要侵位于前奧陶系古老變質巖系中;南秦嶺構造單元中,多出露于古生代淺變質地層中。這些早中生代花崗質巖體的巖石類型以花崗閃長巖、二長花崗巖為主,其次為石英閃長巖、黑云母花崗巖和鉀長石花崗巖等。主要巖體的巖石類型和礦物組成見表1。多數巖體中發育巖漿暗色包體,巖相分帶明顯。如南秦嶺的中川巖體(約210km2)和碌礎壩巖體(約170km2)侵位于泥盆系碳酸鹽巖-陸源碎屑巖、砂板巖和千枚狀板巖中,巖體中不同巖性在平面上呈同心圓狀分布。中川巖體由外向內依次為似斑狀黑云母二長花崗巖→含斑中粒黑云母二長花崗巖→中細粒黑云母二長花崗巖;碌礎壩巖體由外向內依次為黑云母石英閃長巖→似斑狀黑云母二長花崗巖和中粗粒黑云母二長花崗巖→含斑電氣石黑云二長花崗巖和含斑細粒黑云母二長花崗巖。兩個巖體邊部的似斑狀黑云母二長花崗巖中巖漿暗色包體發育,向內逐漸減少,中心不發育。也有一些巖體巖漿暗色包體不發育,如侵位于古生代變質碎屑巖中的柏家莊巖體(約150km2)、光頭山巖體(約900km2)和胭脂壩巖體(530km2)等。柏家莊巖體以黑云母二長花崗巖為主,其次為二云母二長花崗巖;光頭山巖體以花崗閃長巖為主,其次為二云母花崗巖;胭脂壩巖體以黑云母花崗巖為主,其次為二云母花崗巖。

研究顯示,秦嶺早中生代花崗質巖漿作用可分為252～230Ma、230～198Ma和190～185Ma三期(圖1;Wangetal., 2021)。第一期主要分布在北秦嶺的西段,部分位于中段;第二期最發育,在北秦嶺和南秦嶺構造單元中廣泛分布,在華北地塊南緣和揚子地塊北緣零星出露;第三期在北秦嶺和南秦的中部零星出露。

第一期花崗質巖體無變形或變形很弱,呈橢圓狀,巖體中可見巖漿暗色包體,呈渾圓狀,與寄主巖石界限明顯。巖體的主要巖石類型為石英閃長巖和花崗閃長巖,一般為半自形粒狀結構,塊狀構造。石英閃長巖主要由斜長石、鉀長石、角閃石、黑云母組成。斜長石(45%～50%)呈半自形-自形板狀,粒徑0.5～3mm,發育聚片雙晶,可見環帶結構;鉀長石(5%～10%)呈半自形-他形板狀,粒徑0.5～2.5mm;石英(5%～15%)呈他形粒狀,粒徑0.5～2mm;角閃石(5%～10%)呈柱狀,粒徑0.1～1.5mm;黑云母(10%～15%)多為褐色-褐綠色,多色性明顯,半自形片狀,粒徑0.3mm×0.5mm～0.8mm×2mm。副礦物為磷灰石、鋯石、榍石、磁鐵礦等?；◢忛W長巖主要由斜長石、鉀長石、石英、黑云母及少量角閃石組成。斜長石(45%～50%)呈半自形-自形板狀,粒徑0.5～3mm,發育聚片雙晶,可見環帶結構;鉀長石(10%±)呈半自形-他形板狀,粒徑0.5～2.5mm;石英(20%～25%)呈他形粒狀,粒徑0.5～3mm;黑云母(15%～20%)多為淺褐色-深褐色,半自形片狀,粒徑0.4～1.5mm;角閃石(5%±)呈柱狀,粒徑0.5～2mm。副礦物與石英閃長巖相同。巖漿暗色包體一般為閃長質,細粒半自形粒狀結構,塊狀構造,主要由黑云母(15%～20%)、角閃石(15%～20%)、輝石(0～5%,不規則狀出現在角閃石中)、石英(3%～7%)、斜長石(35%～45%)和堿性長石(5%±)組成,有的暗色包體中含有鉀長石巨晶,副礦物為榍石、磁鐵礦、針狀磷灰石、鋯石等。

第二期花崗質巖體為不規則狀或圓形,無變形。多數巖體中發育巖漿暗色包體,形態大多呈渾圓狀、橢圓狀、不規則狀,巖漿暗色包體與寄主巖石的界線截然,有的呈漸變關系。巖體的主要巖石類型為石英二長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖,其次為環斑結構花崗巖(Wangetal., 2011)和埃達克質巖石(張成立等, 2008),具半自形粒狀結構和塊狀構造。石英二長巖的斜長石(30%～35%)呈半自形-自形板狀,粒徑0.5～2mm,發育聚片雙晶,偶見環帶結構;鉀長石(25%～30%)呈半自形-他形板狀,粒徑0.5～2.5mm;石英(10%～15%)呈他形粒狀,粒徑0.5～2mm;黑云母(5%～10%)多為褐色-褐綠色,半自形片狀,粒徑0.3mm×0.5mm～0.8mm×2mm;角閃石(3%±)呈柱狀,粒徑0.1～1mm。副礦物為磷灰石、鋯石、榍石、磁鐵礦等?；◢忛W長巖與第一期中的特征基本一致,但角閃石含量較少。二長花崗巖是第二期的主要巖石類型,具似斑狀、中粒和細粒結構。似斑狀二長花崗巖中的斑晶主要為鉀長石,粒度普遍較大,最大可達2cm×3cm,占礦物總體積的15%～20%,局部可見斑晶聚集的現象?；|為中-粗粒結構,其中斜長石(25%～30%)呈半自形板狀,以更長石為主,少量中長石,發育聚片雙晶和環帶結構;石英(20%～30%),呈他形粒狀,粒徑0.5～2mm;鉀長石(15%～20%)半自形-他形板狀,可見簡單雙晶和條紋結構;黑云母(5%～8%),半自形片狀;角閃石(<3%)呈半自形柱狀,粒徑為0.5mm×1.5mm。副礦物有鋯石、榍石、磁鐵礦、磷灰石等。中粒二長花崗巖,可見含斑結構(斑晶主要為鉀長石,含量<5%),主要礦物組成為鉀長石(35%～40%)、斜長石(30%～35%)、石英(25%～30%)、黑云母(3%～8%)和角閃石(<2%)。副礦物為磷灰石、鋯石、榍石、磁鐵礦等。細粒二長花崗巖與中粒二長花崗巖的不同主要是暗色礦物含量明顯少,有的細粒二長花崗巖中出現白云母±石榴子石,其他特征基本一致。環斑結構花崗巖和似斑狀二長花崗巖的區別在于鉀長石巨晶發育環斑結構。埃達克質巖石可以是二長花崗巖和/或花崗閃長巖等巖石類型,在地球化學上具有高Sr、低Y特征。

第三期花崗質巖石一般不成獨立巖體產出,常與第二期巖體組成復式巖體或呈巖脈產出。主要巖石類型為二長花崗巖,半自形粒狀結構,主要礦物組成斜長石(25%～30%)、鉀長石(35%～40%)、石英(20%～25%)和黑云母(5%～8%)。副礦物為榍石、磷灰石、鋯石、磁鐵礦等。

3 分析方法、樣品及數據處理

黑云母的電子探針分析在中國地質科學院礦產資源研究所自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室完成。所用的儀器是日本電子JOEL公司生產的JXA-8230型電子探針分析儀和配備有4道/5道波譜儀的JXA-iHP200F電子探針分析儀。測試工作條件為:加速電壓15kV,加速電流20nA,束斑直徑5μm。所有測試數據均進行了ZAF校正處理(Yangetal., 2022)。測試元素使用天然礦物或合成氧化物作為標樣,元素標樣及檢測限如下:Cl(NaCl, 檢出限26×10-6～53×10-6)、S(BaSO4, 49×10-6～137×10-6)、F(Ca(Ca2(PO4)3F, 290×10-6～714×10-6)、Ca(Ca2(PO4)3F, 71×10-6～82×10-6)、P(V-P-K-Glass, 84×10-6～139×10-6)、K(V-P-K-Glass, 60×10-6～69×10-6)、V(V-P-K-Glass, 216×10-6～272×10-6)、Fe(Fe2O3, 282×10-6～390×10-6)、Mn(Mn2O3, 166×10-6～383×10-6)、Cr(Cr2O3, 243×10-6～438×10-6)、Ni(NiO, 202×10-6～538×10-6)、Na(NaAlSi2O6, 149×10-6～177×10-6)、Mg(MgO, 162×10-6～186×10-6)、Al(Al2O3, 247×10-6～290×10-6)、Ti(TiO2, 148×10-6～294×10-6)和Si(SiO2, 111×10-6～166×10-6)。

圖2 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母主要成分變化特征Fig.2 Major chemical composition changes of biotite from Early Mesozoic granitic rocks of the Qinling orogen

依據前文所述秦嶺早中生代花崗質巖石的形成期次,將這些巖石中的黑云母也相應地分為三期。因第三期花崗巖分布局限,本次以在北秦嶺和南秦嶺廣泛分布的第一期和第二期花崗質巖體(20個)中不同巖石類型(包括巖漿暗色包體)的黑云母為研究對象。在顯微鏡下挑出新鮮未蝕變的黑云母樣品221件,進行電子探針分析,分析結果見電子版附表1。同時,本次還收集了7個秦嶺早中生代花崗質巖體的黑云母電子探針分析結果(95件)。對本次和收集的黑云母電子探針分析數據統一采用林文蔚和彭麗君(1994)的方法,計算了Fe2+和Fe3+,在此基礎上,以22個氧原子為單位計算其陽離子數及相關參數。分析和計算結果見附表1。

黑云母的結晶溫度、壓力和氧逸度分別用下列方法計算。

黑云母的結晶溫度用黑云母Ti溫度計(Henryetal., 2005)計算。

T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}0.333。式中,T為溫度(℃),Ti為以22個氧原子為基礎計算出的黑云母中Ti的陽離子數,XMg=Mg/(Mg+Fe),a=-2.3594,b=4.6482×10-9,c=-1.7283,且XMg=0.275～1.000,Ti=0.040～0.600,T=400～800℃為準確的校正范圍。

黑云母的壓力用黑云母Al壓力計(Uchidaetal., 2007)計算。

P(GPa)=10×(3.03×TAl-6.35)(±0.033)。式中,TAl是以22個氧原子為基礎計算的黑云母中鋁陽離子數總和。

黑云母的氧逸度利用Wones (1989)提出的氧逸度公式計算。

logfO2=-30930/T+14.98+0.142×(10×P-1)/T。式中,T為溫度(K),P為壓力(GPa)。

圖3 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)圖解(底圖據Foster, 1960)圖中的離子為計算出的陽離子數,見附表1Fig.3 Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn) diagram of biotite of Early Mesozoic granitic rocks of the Qinling orogen (after Foster, 1960)

4 黑云母地球化學特征及其形成物理化學條件

4.1 黑云母地球化學特征

黑云母的成分特征顯示,北秦嶺花崗質巖石及其中暗色包體中黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)一般為0.3～0.6,南秦嶺的為0.3～0.8;北秦嶺黑云母MgO(8%～13%)、TiO2(3%～5%)含量較高,SiO2(36.3%～38.7%)、Al2O3(13%～16%)、FeO(14%～23%)、MnO(0.1%～0.6%)、Na2O(0.03%～0.3%)和F(0.2%～0.4%)的含量變化小,但Cl(0.02%～0.6%)的含量變化大;南秦嶺的SiO2(34.2%～40.6%)、Al2O3(12.7%～20.1%)、MgO(3%～15%)、TiO2(2%～4.5%)、FeO(15%～28%)、MnO(0.08%～0.9%)、Na2O(0.02%～0.45%)、SO3(0.01%～0.09%)和F(0.1%～1.6%)的含量變化大,Cl(0.01%～0.18%)的含量低(附表1、圖2)。這表明北秦嶺和南秦嶺花崗質巖石中黑云母的成分存在明顯差異。因此,北秦嶺第一期黑云母為Mg-黑云母,第二期為Mg-黑云母和Fe-黑云母;南秦嶺第一期為Mg-黑云母和Fe-黑云母,第二期成分變化范圍大,從Mg-黑云母到鐵葉云母,以Mg-黑云母和Fe-黑云母為主要,其中,巖漿暗色包體不發育的巖體中,黑云母以Fe-黑云母和鐵葉云母為主(圖3)。

圖4 秦嶺造山帶不同構造單元中早中生代花崗閃長巖中黑云母成分差異Fig.4 Difference of biotite compositions of Early Mesozoic granodiorite in different tectonic units of the Qinling orogen

其次,北秦嶺和南秦嶺同一巖石類型中,黑云母的成分也顯示出不同,如北秦嶺第一期和第二期花崗閃長巖中黑云母SiO2含量比南秦嶺的普遍變化范圍小,TiO2含量高,Al2O3含量低(附表1、圖4),也進一步表明兩個構造單元中早中生代花崗質巖石中黑云母的成分差異。

再者,北秦嶺和南秦嶺不同花崗質巖體中,寄主巖石和巖漿暗色包體中的黑云母在成分上也有差異。如北秦嶺同一巖體寄主巖石和巖漿暗色包體中黑云母的MgO、TiO2的含量普遍比南秦嶺的高,而Al2O3、FeO的含量比南秦嶺的低(附表1、圖5),也顯示出兩個構造單元中同時代花崗質巖石中黑云母成分的不同。

4.2 黑云母結晶的物理化學條件

4.2.1 溫度

秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母的結晶溫度為536～771℃,其中,北秦嶺的黑云母形成溫度為682～771℃,南秦嶺的為536～754℃,表明南秦嶺黑云母的形成溫度比北秦嶺的低,變化范圍大,巖漿暗色包體不發育的巖體中黑云母形成溫度比較低(附表1、圖6)。

4.2.2 壓力

北秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母結晶壓力為0.05～0.19GPa,南秦嶺的為0.03～0.43GPa(以0.06～0.38GPa為主),變化范圍大,其中巖漿暗色包體不發育,具有黑云母+白云母±石榴子石的巖體中黑云母形成壓力最大,多數集中在0.25～0.40GPa之間(附表1)。在出現角閃石的花崗質巖石中,利用黑云母和角閃石兩種壓力計計算的結果具有一致性(另文專述)。同一巖體由早到晚,從似斑狀二長花崗巖到細粒二長花崗巖黑云母形成壓力有增加趨勢,如中川巖體似斑狀二長花崗巖中黑云母結晶壓力為0.11～0.16GPa,含斑二長花崗巖的為0.16～0.28GPa,細粒二長花崗巖0.35～0.42GPa。秦嶺早中生代花崗質巖石形成的壓力與溫度顯示出負相關趨勢(圖7,原因見討論部分)。

圖6 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母Ti-Mg/(Mg+Fe) 圖解(底圖據Henry et al., 2005)Fig.6 Ti vs. Mg/(Mg+Fe) diagram of biotite from the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen (after Henry et al., 2005)

圖7 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母的P-T相關圖Fig.7 P-T diagram of biotite from the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

4.2.3 氧逸度

黑云母中鎂的富集程度與巖漿結晶時的氧逸度有關。高氧逸度下結晶的黑云母富鎂,磁鐵礦的含量高,低氧逸度下結晶的黑云母富鐵,磁鐵礦含量低(Castro and Stephen, 1992)。北秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母MgO的含量較高,Mg/(Mg+Fe+Mn)比值較大(0.42～0.78),表明其形成于中偏高的氧逸度條件下;南秦嶺黑云母MgO的含量變化范圍大,Mg/(Mg+Fe+Mn)比值變化范圍大(0.17～0.79),表明其形成于氧逸度變化較大的條件下。在氧逸度與黑云母成分的相關圖解中(圖8),北秦嶺的黑云母基本位于Fe3O4-Fe2O3和Ni-NiO之間,南秦嶺的變化較大,位于Fe3O4-Fe2O3和Fe2SiO2-SiO2-Fe3O4之間,以介于Fe3O4-Fe2O3和Ni-NiO之間為主,南秦嶺第二期巖漿暗色包體不發育的巖體中黑云母結晶的氧逸度比其他巖體的低。

另外,南、北秦嶺構造單元中花崗質巖石均具有榍石+磁鐵礦+石英礦物組合,利用Wones (1989)氧逸度計算方法計算結果顯示,北秦嶺花崗質巖石的氧逸度(logfO2值)為-16.96～-14.62(僅3個樣品點小于-17), 南秦嶺的為-24.00～-15.08(附表1、圖9),如果考慮到黑云母+白云母±石榴子石的巖石壓力估算比較高,除去具有這樣組合的巖石外(原因見后面的討論),南秦嶺黑云母的logfO2值主要在-20.88～-15.08之間,整體比北秦嶺的低,變化范圍大。即北秦嶺早中生代花崗質巖石結晶時的氧逸度比南秦嶺的高,變化范圍小。

圖8 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母的氧逸度(底圖據Wones and Eugster, 1965)圖中的離子為計算出的陽離子數,見附表1Fig.8 Oxygen fugacity of biotite from the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling Orogen (after Wones and Eugster, 1965)

圖9 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母氧逸度直方圖Fig.9 Histogram of biotite oxygen fugacity of Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

圖10 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石黑云母的MgO-FeOT/(FeOT+MgO)圖解(底圖據周作俠, 1986)Fig.10 MgO vs. FeOT/(FeOT+MgO) diagram of biotite in the Early Mesozoic granitic rocks of the Qinling orogen (after Zhou, 1986)

5 討論

5.1 黑云母成分、形成物理化學條件與源區物質、巖漿演化及礦物組合的關系和啟示

花崗質巖石中黑云母的成分與巖石的物源相關。在秦嶺造山帶,早中生代發育和不發育巖漿暗色包體的花崗質巖體中,黑云母的成分不同。與巖漿暗色包體不發育的巖體相比,巖漿暗色包體發育的巖體中,黑云母的MgO、TiO2、Na2O含量較高,Al2O3、FeO含量較低(圖2、圖10、附表1)。這與巖石地球化學的研究結果基本一致(Wangetal., 2013, 2021; Luetal., 2016),揭示了巖石成因類型或物源的差異。發育巖漿暗色包體的巖體具有殼?；旌咸攸c(Qinetal., 2009, 2010; Wangetal., 2011, 2021),無巖漿暗色包體的巖體主要是地殼物質部分熔融的結果(Luetal., 2016)。同時,寄主巖石和巖漿暗色包體中,黑云母的成分也不同。與巖漿暗色包體相比,寄主巖石中的黑云母FeO、Al2O3含量高,MgO、TiO2含量低(圖5),也反映了成因或物源的不同。

花崗質巖體中黑云母的成分也與巖漿演化程度相關。秦嶺早中生代花崗質巖體多數具有明顯的巖相分帶,中川巖體就是其典型代表。該巖體出露面積較大,由外向內依次為似斑狀黑云母二長花崗巖(221±1Ma)→含斑黑云母二長花崗巖→細粒黑云母二長花崗巖(217±1Ma)(柯昌輝等,2020)。該巖體中黑云母成分從外向內,Al2O3的含量增加,FeO、MgO、MnO和TiO2的含量減少;其中,含斑黑云母二長花崗巖中的黑云母成分變化范圍較大(圖11)。同時,碌礎壩巖體中黑云母成分從似斑狀黑云母二長花崗巖→中-粗粒黑云母二長花崗巖→細粒黑云母二長花崗巖也具有相似的變化特征(附表1)。這表明在巖漿演化過程中,黑云母的成分有向富Al2O3,貧FeO、MgO、MnO和TiO2方向演化的趨勢。

花崗質巖石中黑云母的成分還受巖石中礦物共生組合的影響。在具有黑云母+白云母±石榴子石組合的花崗質巖石中,黑云母Al2O3含量比其他巖石類型的高,而FeO、MnO、MgO和TiO2含量較低。如秦嶺中川巖體中,細粒黑云母二長花崗巖中出現少量白云母,其黑云母Al2O3的含量明顯比其他巖石類型的高,而FeO、MgO、MnO和TiO2相對較低(圖11)。再如秦嶺的胭脂壩和爛板凳花崗質巖體中常出現黑云母+白云母±石榴子石組合(表1),這些巖體中的黑云母比其他巖體中的富Al2O3,貧FeO、MgO和TiO2等(附表1)。這與伊朗北部和中部的黑云母及全球GEOROC數據庫中黑云母的對比研究結果是一致的(Samadietal., 2021),即在花崗質巖石中,與白云母±石榴子石共生的黑云母具有富Al,貧Fe、Mg和Ti等的特征。其原因是,在巖漿結晶過程中,巖漿足夠的富鋁,才能出現白云母+黑云母富鋁相,白云母的XMg對Ti在黑云母與白云母之間的分配起主導作用(Yang and Rivers, 2000),在黑云母+白云母±石榴子石共生的巖石中,隨著分離結晶作用的進行,黑云母的MgO含量減少,Al2O3的含量增加(Samadietal., 2021)。

圖11 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石黑云母成分與巖漿演化的關系Fig.11 Correlation between biotite composition and magmatic evolution of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

圖12 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石黑云母壓力與礦物組合關系Fig.12 Relationship between biotite pressure and mineral association of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

黑云母成分是判別花崗質巖石成因和估算巖漿結晶物理化學條件的重要手段之一。在揭示這些特征時,經常涉及到黑云母的MgO、TiO2、Al2O3含量及相關參數,因此,在應用時要考慮巖石中礦物組合和巖漿演化等影響因素,特別是估算壓力時。如秦嶺中川巖體,隨著巖漿結晶作用的進行,巖石中黑云母的TiO2、FeO、MgO含量降低,估算出的結晶溫度逐漸降低,反應了巖漿演化的冷凝結晶過程。但隨著結晶作用的進行,晚期的細粒黑云母二長花崗巖中出現少量的白云母,黑云母的Al2O3含量增加,而在估算壓力時,黑云母的Al2O3含量是重要參數。因此,在中川巖體中,用黑云母計估算出的壓力從似斑狀黑云母二長花崗巖的0.11～0.16GPa,到含斑黑云母二長花崗巖的0.16～0.28GPa,再到細粒黑云母二長花崗巖的0.35～0.42GPa,變化較大,出現黑云母+白云母的細粒黑云母二長花崗巖形成的壓力最大(圖12)。再如,秦嶺的胭脂壩和爛板凳巖體中所有的巖石幾乎均出現黑云母+白云母±石榴子石的組合,因此,在這些巖體中由黑云母估算出的壓力比其他巖體的高(0.25～0.35GPa)。由此可見,從估算的溫度來看,巖漿演化晚期出現白云母±石榴子石的巖石中黑云母結晶溫度比其他巖石類型的低(圖12),基本符合巖漿演化冷凝結晶過程,即隨著巖漿結晶作用的進行,溫度逐漸減低,但用其估算出的壓力卻逐漸升高,與巖體定位的實際情況相悖。因此,利用黑云母估算壓力時,需要慎重,需要考慮巖石中的礦物組合等因素的影響。

由上可見,秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母的成分和形成條件的不同除了受巖漿演化、巖石類型和礦物組合等的影響外,主要與巖石的成因或物源有關。

5.2 黑云母成分揭示不同構造單元深部物質組成有差異

巖漿巖中黑云母的成分特征與巖漿成因或物源關系密切。一般堿性巖中的黑云母高Na、低F;酸性巖中高Fe(Mn);中性巖中高Mn和Na;基性和超基性巖中高Mg和Ti(Samadietal., 2021),那么成分相似的巖漿巖,如花崗質巖石,其成分上的差異(在考慮巖漿演化等的基礎上),特別是區域范圍內成分上的差別,是否也可能提供巖漿物源差異的信息?

圖13 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石鋯石Hf同位素組成(據Wang et al., 2021修改)Fig.13 Hf isotopic compositions of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen (modified after Wang et al., 2021)

對北秦嶺和南秦嶺構造單元早中生代花崗質巖石中黑云母主要成分的對比研究顯示,這兩個構造單元中黑云母的成分存在著系統的差異(圖2、附表1)。北秦嶺的黑云母整體比南秦嶺的成分變化范圍小,MgO、TiO2、Cl含量較高,AI2O3和SiO2的含量較低;同時,即使是同一巖石類型,如花崗閃長巖中的黑云母成分在南、北秦嶺構造單元上也有差異,北秦嶺的成分變化范圍明顯比南秦嶺的小,具有高MgO、TiO2,低Al2O3的特征(圖6)。

圖14 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石的Nd (a)和鋯石Hf (b)同位素組成與其黑云母MgO含量的關系Nd和Hf同位素來自Wang et al., 2021,為作者之前的研究,與所研究的黑云母基本為同一樣品,Hf同位素是同一樣品不同測點的平均值Fig.14 Correlation between granitoid Nd (a) and zircon Hf (b) isotopic compositions and biotite MgO content of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

已有研究揭示,南、北秦嶺早中生代花崗質巖石的全巖Nd和鋯石Hf同位素組成不同,北秦嶺這些同位素組成變化范圍比南秦嶺小(Wangetal., 2021)。北秦嶺花崗質巖石全巖的εNd(t)值變化于-12.6～-0.2之間(主要為-9.0～-2.2),tDM(Nd)變化于0.89～1.99Ga之間(主要為1.06～1.75Ga),鋯石εHf(t)為-9.7～+4.1(主體為-5.83～-0.28),tDM(Hf)為0.94～1.71Ga(主體為1.19～1.49Ga);南秦嶺的εNd(t)值為-12.8～-0.6(主要為-11～-2.4),tDM(Nd)為0.94～2.02Ga(主要為1.01～1.78Ga),鋯石εHf(t)為-12.2～+3.8(主要-7.65～-1.05),tDM(Hf)為1.24～1.86Ga(主要1.31～1.74Ga)(Wangetal., 2021; 圖13)。全巖Nd和鋯石Hf同位素示蹤填圖揭示,北秦嶺和南秦嶺在早中生代地殼深部物質組成不同,北秦嶺深部物質比南秦嶺相對年輕,南秦嶺的組成較復雜、變化較大(Wangetal., 2021)。

同時,秦嶺早中生代花崗質巖體中同一巖石類型的全巖Nd同位素和鋯石Hf同位素與其黑云母的成分具有一定的相關性,如Nd和Hf同位素組成與黑云母MgO的含量具有大致的正相關性趨勢(圖14)。這些特征揭示,這兩個構造單元中黑云母成分的差異與南、北秦嶺早中生代花崗質巖石的同位素組成和其揭示的深部物質組成差異是一致的,或者說是吻合的。因此,黑云母的成分,特別是區域上同時代花崗質巖石中黑云母成分的對比研究,也可以反映該區域同時代花崗巖的物源差異,也可為區域深部物質背景、區域性花崗質巖石源區的判別以及不同構造單元的區別提供新的信息?？梢?不僅巖漿巖及其攜帶的深源包體是探索深部物質特征的窗口(莫宣學, 2011),巖漿巖的造巖礦物也可獲得深部物質的信息。

圖15 秦嶺造山帶早中生代花崗質巖石中黑云母Cl (a)和F (b)含量方圖Fig.15 Histograms of biotite Cl (a) and F(b) content of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

5.3 黑云母成分和形成條件對不同構造單元成礦的指示意義

另外,巖漿中的揮發性元素,如F和Cl,在巖漿和巖漿-熱液礦床的形成中起著重要作用。一般認為斑巖銅礦體系是富集Cl的(Munoz, 1984; Loferski and Ayuso, 1995)。富集Cl的流體易于從熔體中吸取Cu,并攜帶其運移(Keppler and Wyllie, 1991),Cl的絡合物是Cu運移的主要載體(Ruaya, 1988; Xiaoetal., 1998)?；◢徺|巖石中黑云母高Cl、低F,或高Cl/F 比值更有利于斑巖銅礦的形成(Tangetal., 2019; Kazemietal., 2022)。北秦嶺和南秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母的F和Cl含量有明顯差異,北秦嶺的高Cl、低F,而南秦嶺的低Cl、高F(附表1、圖15)也顯示出北秦嶺形成銅礦的潛力比南秦嶺大。

事實上,目前的研究表明,北秦嶺和南秦嶺構造單元中與早中生代花崗質巖石有關的成礦特征是不同的(Maoetal., 2002; 陳衍景等, 2004; 朱賴民等, 2009; Liuetal., 2015, 2016; 張濤等, 2015; Wuetal., 2018; 劉家軍等, 2019; 楊合群等, 2022)。北秦嶺與早中生代花崗質巖石有關的礦產以銅多金屬礦為主,如謝坑銅金鐵礦,年木耳銅砷礦,雙朋西、鐵吾西、德合隆洼銅金礦,江里溝銅鎢鉬礦,阿姨山銅鎢礦,德烏魯和布拉溝銅砷礦等;南秦嶺則以金多金屬礦為主,如早子溝、李壩、王河、趙溝、陽坡、金山、馬泉、崖灣等金礦, 寨上金鎢礦,大橋、夏德日金銻礦等。由此可見,南秦嶺和北秦嶺早中生代花崗質巖石中黑云母的成分及形成條件的差異,特別是揮發性元素和氧逸度的不同,可以為揭示其成礦特征的不同提供新信息。因此,對區域上同時代花崗質巖石中黑云母成分和形成條件的研究對區域成礦特征也具有重要的指示意義。

6 結論

(1)秦嶺造山帶南、北構造單元早中生代花崗質巖石中黑云母的成分和形成的物理條件有系統差異。北秦嶺的黑云母成分變化范圍較小,具較高的MgO、TiO2和Cl含量,早期為Mg-黑云母,晚期為Fe-黑云母;南秦嶺的成分變化范圍較大,具低Cl、高F的特征,早期為Mg-黑云母到Fe-黑云母,晚期從Mg-黑云母到鐵葉云母,變化范圍大。北秦嶺的黑云母形成溫度(682～771℃)和氧逸度(-16.96～-14.62)較高,而南秦嶺的形成溫度(536～754℃)和氧逸度(-20.88～-15.08)相對較低。

(2)花崗質巖石中黑云母的成分與巖石的物源、巖漿演化程度和礦物共生組合相關。巖漿暗色包體發育(殼?；煸?的巖體比巖漿暗色包體不發育(殼源為主)的巖體中黑云母MgO、TiO2、NaO2含量高,而Al2O3、FeO含量低;同時,寄主巖石的黑云母比巖漿暗色包體的高FeO、Al2O3含量,低MgO、TiO2含量;在花崗質巖漿演化過程中,黑云母的成分是向富Al2O3,貧FeO、MgO、MnO和TiO2方向演化的;在具有黑云母+白云母±石榴子石的花崗質巖石中,黑云母Al2O3含量較高,FeO、MnO、MgO和TiO2含量較低。因此,在利用黑云母估算巖漿結晶的物理條件時,需要考慮巖漿演化和礦物共生組合因素,特別是當巖石中出現黑云母+白云母±石榴子石組合時,估算壓力需要慎重。

(3)南、北秦嶺構造單元早中生代花崗質巖石中黑云母成分的變化規律與花崗質巖石全巖Nd同位素和鋯石Hf同位素示蹤揭示的深部物質組成的變化特征一致,即北秦嶺深部物質組成比南秦嶺的相對年輕,而且,黑云母成分變化與同位素變化,如全巖Nd同位素與黑云母MgO的含量呈現良好的線性關系。這表明花崗質巖石中黑云母成分的區域性變化反映了不同構造單元深部物質的變化,可以作為深部物質探測的一種新途徑和方法。同時,黑云母成分和形成物理條件的差異還提供了成礦種類和背景信息,如北秦嶺形成銅礦的條件比南秦嶺好。這也表明,黑云母的成分和形成物理條件也記錄了區域成礦特征和潛力的重要信息,也可視為獲取區域成礦物質背景和規律的一種途徑。

致謝非常感謝兩位評審人的寶貴意見和建議!