西秦岭格尔括合花岗闪长斑岩岩石成因:黑云母矿物学特征约束*

2015-03-15郭耀宇和文言李在春戢兴忠韩愉房维科殷超

岩石学报 2015年11期

关键词：花岗闪造山黑云母

郭耀宇和文言李在春戢兴忠韩愉房维科殷超

GUO YaoYu1，HE WenYan1，LI ZaiChun1，JI XingZhong1，HAN Yu1，FANG WeiKe2 and YIN Chao3

1. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083

2. 格萨尔黄金实业股份有限公司，玛曲 747300

3. 甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，兰州 730050

1. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China

2. Gesaer Gold Industrial Corporation，Maqu 747300，China

3. Third Institute Geological and Mineral Exploration of Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Lanzhou 730050，China

2015-03-05 收稿，2015-06-12 改回.

1 引言

西秦岭造山带是处于古亚洲洋、特提斯和西太平洋三大构造域交汇转换部位(图1a)，记录了古特提斯洋北枝构造-岩浆活动与大规模成矿作用(杨立强等，2011a，b，2015;Yang et al.，2015b)，是理解古特提斯洋北枝构造演化和复合造山过程中成矿作用的理想地区(邓军等，2011，2013;Deng et al.，2014a，b，c)。造山带内广泛发育的印支早(245 ～234Ma)、晚(225 ～205Ma)两期岩浆活动(图1b)和一系列同时期的金、铜(钼)、铅锌等矿床(化)(Li et al.，2014;邱昆峰等，2014，2015;Deng et al.，2015a，b;Deng and Wang，2015)，是秦岭造山作用过程可靠的物质记录。格尔括合岩体位于西秦岭南缘、勉略缝合带北侧，不仅在空间上与勉略缝合带密切相关，而且岩体南侧发育有大水超大型金矿床(图2)。因此，开展与印支期成矿作用同时期的该花岗岩的研究对于揭示区域构造岩浆活动及其动力学背景，约束成矿作用过程具有重要意义(Yang and Badal，2013;Yang et al.，2014，2015c，2016a，b，c;杨立强等，2014)。

图1 西秦岭大地构造位置(a，据Zheng et al.，2013)和印支期岩浆岩分布图(b，据Dong et al.，2011;Yang et al.，2015e)年龄数据来自Dong et al. ，2011 及其引文Fig.1 Tectonic location (a，after Zheng et al.，2013)and distribution map of the Indosinian igneous rocks (b，after Dong et al.，2011;Yang et al.，2015e)of West Qinling

黑云母是花岗质岩石中分布最广泛的镁铁质造岩矿物，其化学成分对寄主岩浆冷却结晶时温度、压力、氧逸度、化学成分等物理化学条件变化非常敏感(Wones and Eugster，1965)，其晶体结构可容纳长英质熔体中多种类型元素，因此可能提供寄主岩浆的性质、成岩成矿物理化学条件、岩石成因、构造环境及成矿元素富集等重要信息(Abdel-Rahman，1994;Kumar and Pathak，2010)。

Han et al.(2014)获得了格尔括合岩体及矿区内脉岩的侵位年龄210 ～215Ma，认为岩浆形成于火山弧环境下俯冲板片的部分熔融，并可能受到了不成熟沉积物的同化混染。另有学者则认为该岩体类属埃达克岩，源于陆陆碰撞导致地壳加厚的构造背景下下地壳物质的部分熔融，埃达克质岩浆快速上升过程中将含Au 热液携带地壳浅部聚集成矿(李注苍等，2014);但成矿作用时间却晚于格尔括合岩体及矿区脉岩的结晶年龄(Zeng et al.，2013)。虽然前人对该岩体开展了岩石地球化学、年代学等研究工作，但是对于该岩体的岩石成因、源区特征、地球动力学背景等及其与金成矿作用的关系等关键问题的认识仍存在分歧。因此，本文在系统地野外工作及岩相学观察的基础上，结合格尔括合岩体中黑云母成分的电子探针原位分析，对矿物形成的物理化学条件进行约束，综合区域上印支期岩浆岩已有研究成果，探讨该花岗闪长斑岩的岩石成因及形成的构造环境，为解析秦岭造山带印支期造山过程中壳幔演化、构造-岩浆活动提供矿物尺度的制约。

2 地质背景及样品描述

西秦岭造山带北以贵德-临夏-武山-唐藏断裂与祁连造山带相邻，南以阿尼玛卿-勉略缝合带与松潘-甘孜地体及碧口地体相接，西以温泉-瓦洪山断裂与东昆仑造山带、柴达木地块相隔，东部则以徽成盆地与东秦岭佛坪穹窿相连。西秦岭造山带经历了长期复杂的演化历史，出露地层主要为泥盆系-白垩系，但缺乏与俯冲碰撞相关的蛇绿岩或高压-超高压变质岩，也没有古老结晶基底出露。随着早中生代阿尼玛卿-勉略洋盆的俯冲闭合与晚三叠世华北、扬子地块的最终碰撞拼合，西秦岭北缘发育了大量印支期高钾钙碱性花岗岩类，空间上与北缘断裂带大致平行，而南缘岩浆活动则非常微弱(图1b)。

图3 格尔括合花岗闪长斑岩手标本(a)、镜下照片(b)及背散射图像(c、d)Bt-黑云母;Pl-斜长石Fig.3 Photographs showing field occurrence (a)，mineralogy and texture (b-d)of porphyritic granitoid from the Ge’erkuohe pluton

格尔括合岩体位于西秦岭南缘、勉略缝合带北侧，平面展布似圆形，出露面积约1.76km2，岩性为花岗闪长斑岩，侵入于三叠纪灰岩中，采集的样品显示出轻微的蚀变，岩体外围有大量的同源脉岩(图2)。岩体东北部边界与深灰色灰岩相接触，但未见接触变质现象，内接触带一般风化为黄色，局部呈肉红色。岩体西南界线为一波状滑动面，指示右行剪切，内接触带也存在数个小滑动面，风化为土黄色，直接围岩为三叠纪碎裂白云质灰岩，宽约5m，向外过渡为白云质灰岩。由于未见明显的围岩蚀变，推测岩体与围岩为构造接触，并造成后期滑动。

花岗闪长斑岩为红色或灰绿色，斑状结构，块状构造(图3a)。斑晶为斜长石(12% ～15%)、黑云母(8%)、角闪石(3% ～5%)。斜长石可见聚片双晶，环带结构发育，斜长石内部或者边部可见包裹有暗色矿物黑云母等矿物(图3c，d);原生黑云母多呈片状或长条状，单偏光下黄褐色，具有明显的多色性，节理不发育，部分发生了绿泥石化蚀变(图3b);角闪石多呈短柱状。副矿物有磁铁矿、磷灰石、锆石等。基质成分与斑晶基本相似，为隐晶质-微晶结构。

3 分析方法

代表性样品DS14-5、DS14-8 采自格尔括合花岗闪长斑岩体，通过岩相学观察，挑选新鲜的黑云母用于成分的电子探针原位测试。探针片喷碳与样品测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成。

黑云母成分分析采用日本电子JOEL 公司生产的JXA-8230 型电子探针分析仪，实验中的加速电压为15kV，束流为2.0 ×10-8A，束斑大小为5μm，测试的主量元素包括Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、CaO、K2O、FeO、MnO、TiO2、P2O5、F、Cl 等，主量元素的检出限约为0.01%，F 的检出限约为0.11%，Cl的检出限约为0.02%，标样矿物分别为Na、Al、Si(硬玉)、Mg(镁橄榄石)、F(黄玉)、K(钾长石)、Ca(硅灰石)、Fe(赤铁矿)、Ti(金红石)、P(磷灰石)等。

表1 格尔括合花岗闪长斑岩黑云母电子探针成分(wt%)Table 1 Electron microprobe analyses of representative primary biotities from the Ge’erkuohe pluton (wt%)

续表1Continued Table 1

4 黑云母地球化学特征及形成条件

电子探针分析结果见表1。21 个测试数据显示黑云母中氧化物质量分数之和介于94.76% ～98.62%，在含“水”矿物黑云母电子探针数据的允许误差范围之内。按照黑云母的阳离子总数8、阴离子负电价23 的理论值，参考郑巧荣(1983)的计算方法计算了黑云母的Fe2+、Fe3+，在此基础上，以22 个氧原子为基础计算了黑云母的阳离子数及部分参数(表1)。

4.1 黑云母的地球化学特征

黑云母中FeOT介于16.02% ～18.18%，平均值为17.41%;MgO 介于12.38% ～14.78%，平均值为13.14%。Fe2+/(Mg+Fe2+)比值0.22% ～0.34%，平均值为0.31%，标准差为0.03，比值较均一，表明测试的黑云母未遭受后期流体改造(Stone，2000)。此外，岩体中黑云母CaO 的质量分数大多数低于检测限，显示出无钙或贫钙特征，表明其不受或很少受大气流体循环或岩浆期后初生变质引起的绿泥石化和碳酸盐化影响(Kumar and Pathak，2010)，表明测试黑云母均为原生岩浆成因的黑云母。在黑云母的Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分类图(图4)中，黑云母成分投点均落在镁质黑云母区域，说明在格尔括合花岗闪长斑岩中仅存在镁质黑云母。

在黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg 图解中，该岩体中黑云母数据投点主要落在Fe2O3-Fe3O4缓冲剂线之上，表明其结晶于高氧逸度环境中(图5)。黑云母中Al2O3介于14.97% ～16.15%，平均值为15.38%，TiO2介于2.05 ～%2.81%，平均值为2.40%，以22 个氧原子为单位计算的阳离子数中AlⅥ为0.09 ～0.37，平均值为0.22。黑云母高钛和结构式中低AlⅥ同样指示其形成于相对高温和高氧逸度的环境(De Albuquerque，1973)。

岩体中黑云母化学成分图解显示，FeOT与MnO 呈现正相关性，FeOT、MnO 值与MgO 值呈现负相关性(图6)。黑云母结晶过程中Mg、Fe 相对于Al 有着不同的地球化学行为，导致在碱性、钙碱性及过铝质岩浆体系中形成不同种类的黑云母，其置换方式有Mg2+↔Fe2+、2Al3+↔3Fe2+、3Mg2+↔2Al3+(Abdel-Rahman，1994)。在岩浆演化的过程中，Mn 的浓度一般不足以形成独立矿物，Mn2+主要以类质同像替代Fe2+、Mg2+等进入造岩矿物中(刘英俊等，1984)。黑云母化学成分图解表明结晶过程中可能发生了Mg2+、Fe2+之间的置换反应，而Mn 则主要以类质同象替代Mg 进入黑云母晶格。

图4 黑云母Mg-(AlⅥ+Fe3+ +Ti)-(Fe2+ +Mn)分类图(据Foster，1960)Fig.4 Mg-(AlⅥ+ Fe3+ + Ti)-(Fe2+ + Mn)diagram of biotites from the Ge’erkuohe pluton in western Qinling(after Foster，1960)

该岩体黑云母中明显富卤族元素(F、Cl)，含量介于1.73% ～0.84%，明显高于0.1%，反映其岩体结晶分异程度高，挥发组分在高分异的晚期岩相中富集(Webster and Holloway，1990)。

4.2 黑云母结晶的物理化学条件

通过黑云母的Ti 温度计(Henry et al.，2005)公式:

图5 黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg 图解(据Wones and Eugster，1965)Fig.5 Fe3+-Fe2+-Mg diagram of biotites (after Wones and Eugster，1965)

其中:T 的单位为℃，Ti 为以22 个氧原子为基础计算出的黑云母中Ti 的阳离子数，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℃为准确的校正范围。计算获得岩体中黑云母的结晶温度介于629 ～684℃，平均为659℃(图7)。

Uchida et al.(2007)研究表明，黑云母中的全铝含量同花岗岩的固结压力具有很好的正相关特性，其关系式如下:

其中，TAl 是指在以22 个氧原子为基础计算出的黑云母中铝阳离子总数。利用此压力计估算的该花岗闪长斑岩黑云母结晶的压力为131 ～181MPa。侵位深度采用P=ρ·g·H 进行换算，其中ρ =2700kg/m3，g =9.8m/s2，相当于5.0 ～7.1km，平均深度为6.0km。

图7 黑云母结晶温度Ti vs. Mg/(Mg + Fe)图解(据Henry et al.，2005)Fig.7 Temperature isotherms (℃)calculated from the surface-fit equation on a Ti vs. Mg/(Mg + Fe)diagram(after Henry et al.，2005)

5 讨论

5.1 岩石成因

I 型花岗岩中的黑云母相对富镁，S 型花岗岩中的黑云母相对富铝，而A 型花岗岩中的黑云母则明显富铁(Abdel-Rahman，1994)，在黑云母的Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分类图解上投点结果表明，该岩体的黑云母均为镁质黑云母，显示出I 型花岗岩的特征。Whalen and Chappell(1988)认为I 型花岗岩中的黑云母具有较低的AlⅥ(0.144～0.224)，而S 型花岗岩中的黑云母具有较高的AlⅥ(0.353～0.561)。格尔括合花岗闪长斑岩中黑云母的AlⅥ为0.09～0.37，平均0.22，同样指示寄主岩体属于I 型花岗岩。

黑云母的氧化系数和镁质率Mg#也可作为划分I 型与S型花岗岩的依据，前者中黑云母具有较高的氧化系数(0.252～0.121)及较高的Mg#(0.384 ～0.626)，而后者的则较低(徐克勤和涂光炽，1986)。格尔括合岩体中黑云母的氧化系数为0.27 ～0.56，平均值为0.40，Mg#为0.66 ～0.78，平均值为0.69，结合该岩体岩石地球化学特征(图8a，b)，认为该岩体属于I 型花岗岩。

华南、横断山及藏南地区的壳型花岗岩中黑云母的MF值一般小于0.5，哀牢山-金沙江新生代裂谷系内幔源型碱性岩和碱性花岗斑岩中的黑云母的MF 值则为1.43 ～1.96;而德兴含铜钙碱性花岗闪长斑岩中黑云母的MF 为1.28 ～1.36，平均值为1.32(谢应雯和张玉良，1995)。格尔括合岩体黑云母MF 值范围为1.33 ～1.57，平均值为1.38，具有钙碱性花岗闪长斑岩与幔源型碱性岩两者的特征;在黑云母的FeOT/(FeOT+MgO)-MgO 图解(图9)中，格尔括合岩体中的黑云母成分落于壳幔混源区，并形成较明显的混合趋势线，上述特征反映了该岩体壳幔混源的成因特征。

区域上，西秦岭及邻区印支期花岗岩体形成时代集中，且不受某一个构造单元严格控制(图1b)。岩体内广泛分布暗色镁铁质包体，包体内多发育岩浆快速冷凝淬火形成的针状磷灰石、具有振荡环带的斜长石、不平衡岩浆矿物组合等岩浆混合作用成因的岩相学特征;两者的锆石U-Pb 年代学数据相近，主、微量元素均表现出混合成因的演化趋势;同时，区域上三叠纪花岗岩体锆石εHf(t)= -12.5 ～10.1，镁铁质包体内锆石εHf(t)= -5.5 ～8.7(Yang et al.，2015a，d，e 及其引文)。上述各种证据均表明晚三叠世西秦岭及邻区广泛发生了壳幔岩浆混合作用。结合本次黑云母的地球化学特征，认为晚三叠世西秦岭地区发生了区域性的壳幔岩浆混合作用，推测格尔括合岩体可能是由底侵的幔源岩浆与广泛部分熔融的下地壳物质混合后上升至浅部岩浆房(～6.0km，黑云母结晶平均深度)，然后发生结晶分异而形成的具有壳幔混源成因的I 型花岗岩。

图8 SiO2-K2O 图解(a，据Peccerillo and Taylor，1976)和A/CNK-A/NK 图解(b，据Shand，1943)格尔括合岩体数据来自李注苍等，2014;Han et al. ，2014Fig.8 SiO2 vs. K2O classification diagram(a，after Peccerillo and Taylor，1976)and plot of A/CNK vs. A/NK (b，after Shand，1943)

图9 格尔括合花岗闪长斑岩中黑云母的FeOT/(FeOT+MgO)-MgO 图解(据周作侠，1986)C-壳源;MC-壳幔混源;M-幔源Fig.9 FeOT/(FeOT +MgO)vs. MgO diagram of biotitie from Ge’erkuohe，western Qinling (after Zhou，1986)

图10 格尔括合花岗闪长斑岩中黑云母构造环境判别MgO-FeOT-Al2O3 图解(据Abdel-Rahman，1994)A-非造山的碱性岩套;C-造山带钙碱性岩套;P-过铝质岩套Fig. 10 MgO-FeOT-Al2O3 discrimination diagrams for tectonic settings of biotite in trachyte from Ge’erkuohe pluton (after Abdel-Rahman，1994)

5.2 构造环境

Abdel-Rahman(1994)通过对不同构造环境下岩浆岩中325 件黑云母单矿物的主量元素测试数据分析，提出了黑云母构造环境判别图解(图10)，格尔括合岩体中的黑云母的数据均投影在C 区，即造山带钙碱性区域内，但由于黑云母构造环境判别有一定的局限性，仍需结合区域同时期岩浆活动进一步约束格尔括合岩体形成的构造环境。

格尔括合岩体(213Ma)与西秦岭造山带内及邻区印支期岩浆岩，多明显地侵入于强烈变形的地层中，而岩体本身并没有发生强烈地变形，且切割围岩的构造形迹或区域主要断裂带，野外地质特征表明它们形成于勉略缝合带主变形期之后，属于后碰撞相对拉张环境下岩浆作用的产物。其次，区域上年龄相近的迷坝、光头山、鹰咀等岩体等均切割了勉略缝合带(秦江锋等，2005)，同样说明它们侵位于勉略缝合带形成之后，即后碰撞应力松弛阶段。

岩体的侵位年龄较华南、华北陆块晚三叠世碰撞造山作用过程中主要变形、变质发生的时代(217 ～236Ma，Mattauer et al.，1985;221 ～242Ma，Li et al.，1996)略晚，暗示其形成于挤压环境向伸展松弛环境转换的过渡时期。同时，该岩体与区域上同时期岩体主要显示出后碰撞高钾钙碱性花岗岩的岩石地球化学特征(Yang et al.，2015a，d，e 及其引文)。综合上述地质、地球化学证据，本文认为格尔括合岩体与西秦岭晚三叠世岩体均形成于相对伸展的后碰撞构造环境。

6 结论

格尔括合花岗闪长斑岩中黑云母属原生镁质黑云母，显示出贫钙、富镁、高钛、低AlⅥ、富挥发分(F、Cl)的特征，黑云母结晶过程中可能发生了Mg2+、Fe2+之间的置换反应，而Mn 则主要以类质同象替代Mg 进入黑云母晶格。其结晶温度为629 ～684℃，结晶压力为131 ～181MPa，相应的侵位深度为5.0 ～7.1km。

根据黑云母的地球化学特征，认为格尔括合花岗闪长斑岩体属壳幔混源成因的I 型花岗岩，黑云母结晶于相对高温和高氧逸度的环境，岩浆结晶分异程度高。

综合岩浆岩内黑云母的成分构造环境判别与区域上同时期岩浆岩地质、地球化学特征，推测格尔括合岩体形成于西秦岭晚三叠世后碰撞伸展的构造环境，可能是由底侵的幔源岩浆与广泛部分熔融的下地壳物质混合后上升至浅部岩浆房(～6.0km)，发生结晶分异而形成的具有壳幔混源成因的I 型花岗岩。

致谢研究工作得到了中国地质大学(北京)杨立强教授、李楠实验师的指导与帮助;野外工作得到了甘肃玛曲格萨尔黄金实业股份有限公司及甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院相关工作人员大力支持;黑云母电子探针测试工作得到了中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室陈振宇老师及相关人员的协助;研究生李瑞红、张志超等参与了部分研究工作;审稿人对本文提出了宝贵修改意见;在此一并对他们表示最诚挚的谢意。

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