滇西北拉巴燕山晚期花岗岩岩石成因及其成矿指示<br/>——黑云母和角闪石矿物化学证据

滇西北拉巴燕山晚期花岗岩岩石成因及其成矿指示
——黑云母和角闪石矿物化学证据

2019-02-14薛传东谢志鹏来瑞娟

岩石矿物学杂志 2019年1期

向坤，薛传东，谢志鹏，来瑞娟

(昆明理工大学地球科学系, 云南昆明 650093)

滇西北拉巴Mo(-Cu)-多金属矿床是近年来勘查发现的一个超大型燕山晚期斑岩-矽卡岩型矿床，也是西南“三江”成矿带上的重大找矿突破，有望成为我国又一个重要的钼多金属矿产资源基地。近年来实施的大量钻探工程揭露表明，区内发育一个巨大的隐伏斑状花岗岩岩基。前人已对该矿区进行了包括矿床地质、岩石地球化学、同位素年代学等方面的研究(李文昌等, 2012; 余海军等, 2015; Yangetal., 2017)，然而关于岩浆形成的物理化学条件及其成矿效应等方面研究不足，更缺乏矿物化学方面的证据，大大限制了对其矿床成因的理解和找矿勘查工作的部署。

黑云母和角闪石是花岗质岩石中普遍存在的暗色造岩矿物，其成分特征能够记录并保存有关矿物形成时的岩浆温度、压力、氧逸度、岩浆来源等岩石成因的信息(Abdel-Rahman, 1994; Henryetal., 2005; Uchidaetal., 2007; Ridolfietal., 2010)，这些条件也制约着成矿元素在熔体相、矿物相与流体相之间的分配(Stemprok, 1990; Kepperetal., 1991; Linnenetal., 1996)。因而，通过对花岗质岩石中黑云母、角闪石矿物成分的研究，不仅能示踪岩浆成因及形成环境，也能提供岩体出溶流体性质方面的信息，并可以对岩体的成矿性进行评价。本文选择拉巴矿区含矿斑状花岗岩体中黑云母和角闪石为研究对象，对其开展详细的矿物化学研究，以确定该花岗岩形成的物理化学条件及成矿效应。

1 地质背景

拉巴矿区位于云南省香格里拉县城105°方向38 km处，地处青藏高原东南缘“三江”成矿带北段的义敦弧、甘孜-理塘缝合带与扬子地块西缘过渡部位，偏向扬子地块一侧(Burchfiel and Chen, 2012; Yangetal., 2014)(图1a)。已有研究表明，在香格里拉地区发育一条近南北向分布的燕山晚期休瓦促-铜厂沟花岗质岩浆岩带，北部主体位于义敦弧岩浆岩带内，南东部跨至扬子地块，并伴生有大规模的斑岩-矽卡岩型Mo(-Cu)-多金属矿化(Wangetal., 2014; Yangetal., 2017)。

拉巴矿区出露地层主要有上二叠统黑泥哨组(P2h)玄武岩夹火山角砾岩和中三叠统北衙组(T2b)碳酸盐岩偶夹少量碎屑岩，第三系砾岩仅在局部地段零星出露。黑泥哨组与北衙组以断层接触(图1b、1c)。区内断层主要为铜厂断裂(F1)，沿铜厂坪—铜厂—拉巴河展布，总体走向NE，倾向NW，倾角56°～72°。斑状花岗岩体仅有零星露头，且面积很小。钻探资料表明，在矿区南部存在一个隐伏的斑状花岗岩基(图1b)。目前，已有的钻探工程尚未有效地控制该岩体的边界。最近研究表明，该地区斑状花岗岩体形成于晚白垩世(87.4～ 84.1Ma，Wangetal., 2014; 余海军等, 2015)。钻探揭露显示，矿体主要产于岩体顶部、岩体与围岩接触部位以及碳酸盐岩和玄武岩围岩中，多呈浸染状、脉状形式产出。勘探线剖面图(图1c)显示，在岩体与围岩接触部位多发育矽卡岩化，围岩多遭受岩体侵入的影响，普遍发育大理岩化。已有研究认为，拉巴Mo(-Cu)-多金属矿床是与岩浆热液有关的斑岩-矽卡岩型矿床(余海军等, 2015; Yangetal., 2017; Lietal., 2017)。

图 1 拉巴Mo(-Cu)矿区构造位置图(a，据Reid et al., 2007; Yang et al., 2016)、矿区地质简图[b，据余海军等(2015)修测]及勘探线剖面图(c)Fig. 1 The tectonic location (a, after Reid et al., 2007; Yang et al., 2016), simplified geological map (b, modified after Yu Haijun et al., 2015) and geological section of the Laba Mo(-Cu) deposit (c)GLSZ—甘孜理塘缝合带； JSSZ—金沙江缝合带GLSZ—Garze-Litang suture zone; JSSZ—Jinshajiang suture zone

2 样品描述及分析

镜下观察表明，矿区含矿斑状花岗岩呈浅灰-浅红色，中-粗晶粒状结构。斑晶主要有斜长石(15%～25%)、钾长石(5%～10%)、石英(15%)、黑云母(5%)、角闪石(1%～5%)，基质主要包括斜长石、石英、黑云母、角闪石(图2a、2b)，副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿和钛铁矿。其中，黑云母多为自形-半自形，呈片状、鳞片状，镜下为褐色-黄褐色，解理较发育，多色性明显，粒径一般为0.2～0.5 mm，常包裹有磷灰石、褐帘石、金红石等副矿物，黑云母斑晶的边部或内部多见有黄铁矿(图2c)。角闪石则多呈菱形状或柱状，镜下为褐绿色，多色性明显，粒径约0.1～0.3 mm(图2d)，常包裹有斜长石。这些矿物包裹体，可作为岩浆成因标志。

研究样品均采自A—A′ 勘探线剖面(图1c)的5件岩石样品，其中ZK2006-2样品取自该钻孔的191 m处，ZK2013-1、ZK2013-3、ZK2013-4、ZK2013-5样品分别取自对应钻孔的125、330、590和771 m处。在镜下优选未遭受蚀变或流体作用影响的且颗粒较大的岩浆成因黑云母和角闪石进行测试。矿物成分分析在中国地质大学(北京)电子探针实验室采用日本岛津公司生产的EPMA-1720 型电子探针仪完成，测试条件为：加速电压15 kV，束流10 nA，束斑直径1 μm，采用的标样主要有：Si、Al(斜长石)、Ti(金红石)、Fe(铁铝榴石)、Mn(蔷薇辉石)、Mg(橄榄石)、Ca(方解石)、Na(钠长石)及K(透长石)等。主要氧化物的分析误差约为0.01%，F、Cl的分析误差分别为0.11%和0.02%。

图 2 拉巴斑状花岗岩手标本(a)、正交偏光照片(b)及背散射图像(c、d)Fig. 2 Photographs showing hand specimen (a), microphotograph (b) and BSE images (c, d) of the Laba porphyritic graniteAln—褐帘石； Amp—角闪石； Ap—磷灰石； Bi—黑云母； Kfs—钾长石； Pl—斜长石； Py—黄铁矿； Qtz—石英； Rt—金红石Aln—allanite; Amp—amphibole; Ap—apatite; Bi—biotite; Kfs—K-fledspar; Pl—plagioclase; Py—pyrite; Qtz—quartz; Rt—rutile

3 分析结果

拉巴斑状花岗岩中代表性黑云母和角闪石的电子探针成分分析结果见表1和表2。表中FeO、Fe2O3含量采用林文蔚等(1994)的方法进行计算，分别以22和23个氧原子为基础计算黑云母和角闪石的阳离子系数及相关参数。

3.1 黑云母分析结果

黑云母中氧化物的总含量介于94.44%～98.60%之间，均在含水矿物黑云母电子探针数据的允许误差之内。从表1可以看出，黑云母的MgO含量介于12.77%～15.22%之间，TiO2含量2.83%～4.68%，K2O含量9.29%～11.24%，FeOT变化于14.57%～17.37%之间，Al2O3介于13.23%～14.98%之间，CaO含量最高为0.03%，Na2O含量最高为0.28%，总体表现为富Mg、Ti、K，低Ca、Na的特点。据Rieder等(1998)提出的黑云母分类方法，所有样品均为富镁黑云母。

根据Henry等 (2005)的黑云母的Ti温度计计算公式：t(℃)={ [ln(Ti)+2.359 4+1.728 3(XMg)3]/(4.648 2×10-9)}0.333(式中，Ti为以22个氧原子为基础计算的Ti阳离子数，XMg=0.275～1.000，Ti = 0.04～0.60，t=400～800℃为准确的校正范围)计算得到，花岗岩中黑云母的形成温度为705～777℃(图3、表1)。

Uchida 等 (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正相关性，其关系式为：p(100 MPa) = 3.03TAl-6.53(±0.33)，式中，TAl是以22个氧原子为基础计算的黑云母中Al阳离子的总数。已有研究指出，花岗岩中若存在角闪石+黑云母的矿物组合且角闪石含量少，则结晶程度较差；而黑云母结晶完好时，选择黑云母作为全铝压力计的计算结果才比较可靠(康志强等, 1994)。拉巴花岗岩黑云母结晶较好，均为较好的自形晶，并且含少量的角闪石，符合运用黑云母全铝压力计的前提条件，本文据此估算出拉巴斑状花岗岩黑云母的形成压力为59～133 MPa，形成深度约为2.2～5.0 km(表 1)。

图 3 拉巴斑状花岗岩中黑云母结晶温度的Ti -XMg图解(底图据Henry 等, 2005)Fig. 3 Temperature isotherms calculated from the surface-fit equation on the Ti versu XMg diagram (original diagram after Henry et al., 2005)

3.2 角闪石分析结果

从表2可以看出，所测试角闪石MgO含量介于10.55%～15.63%之间，TiO2含量0.83%～1.19%，K2O含量0.46%～1.18%，FeOT则变化于13.53%～19.20%之间，Al2O3则介于5.26%～8.97%之间，CaO含量为11.67%～12.33%，Na2O含量为1.03%～1.79%，表现为富Mg、Ca、K，低Ti、Na的特点。根据1997年国际矿物学会(IMA)及矿物命名委员会的角闪石分类方案(Leakeetal., 1997)，CaB+NaB≥1.34，NaB<0.67，该区角闪石均属于钙质角闪石亚类。

Ridolfi 等(2010)提出的角闪石温度计计算公式为：t(℃)=-151.487 Si*+2 041, 式中，Si*=Si+[4]Al/15-2[4]Ti-[6]Al/2-[6]Ti/1.8+Fe3+/9+Fe2+/3.3+Mg/26+BCa/5+BNa/1.3-ANa/15+A[空位]/2.3，空位和K仅出现在A位。采用该公式计算得到花岗岩中角闪石的形成温度为836～903℃(表2)。

Schmidt (1992)提出的角闪石压力计计算公式为：p(100 MPa)=4.76TAl-3.01，式中，TAl 指以23个氧原子为基础计算的角闪石中Al阳离子的总数。据此计算得到花岗岩中角闪石的形成压力介于121～449 MPa之间，对应深度约为4.6～17.0 km(表2)。

4 讨论

4.1 成岩物理化学条件

利用黑云母和角闪石的化学成分来指示寄主花岗岩岩石成因信息的前提，是确保所测试的矿物为岩浆结晶矿物，未遭受蚀变或流体作用的影响。由表1可见，本次测试黑云母中CaO的含量极低，表现为贫钙或无钙的特点，表明其不受绿泥石化或碳酸盐化影响(Kumar and Pathak, 2010)。黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)值介于0.29～0.39之间，较为均一，显示测试黑云母未遭受后期流体作用改造(Stone, 2000)。马昌前等(1994)统计了国内外文献中120个黑云母成分后发现，岩浆成因黑云母中Ti(以22个氧原子为基础计算的Ti阳离子数)介于0.2～0.55之间。从拉巴地区花岗岩中黑云母的Ti含量看，该花岗岩中的黑云母应属岩浆成因。因此，可以认为本次测试黑云母均为原生岩浆黑云母，上述温度、压力等计算结果可以代表黑云母结晶温度、压力。据角闪石成因图解(图4)，本次所测试的角闪石样品全部落在结晶角闪石区域，而且背散射图像也未见明显的成分变化(图2d)，可排除蚀变交代作用的影响，因此本次测试角闪石属于岩浆结晶角闪石，计算结果也可反映角闪石结晶温度、压力。黑云母和角闪石是花岗岩中常见的造岩矿物，其化学成分对寄主岩浆冷却结晶的物理化学条件变化(如温度、压力、氧逸度等)十分敏感(Wones and Eugster, 1965; Ridolfietal., 2010)，因而可以用其化学成分来指示岩浆的结晶条件。

表 2 拉巴斑状花岗岩中角闪石的电子探针分析结果(wB/%)及特征参数Table 2 Electron microproble analyses (wB/%) and characteristic parameters of amphiboles from the Laba porphyritic granite

图 4 拉巴斑状花岗岩中角闪石Ti-Si成因图解(底图据马昌前等, 1994)Fig. 4 Ti-Si diagram of amphiboles from the Laba porphyritic granite (original diagram after Ma Changqian et al., 1994)

上述计算结果显示，角闪石结晶温度明显高于黑云母。已有研究指出，富F环境可明显降低岩浆的固相线温度(Manningetal., 1984; 张德会等, 2004)，而黑云母中普遍存在F，可引起其结晶温度降低。另据Bowen反应序列，随着岩浆的冷却，角闪石会先于黑云母结晶，也会造成角闪石结晶温度高于黑云母的情况。矿物结晶的过程一直贯穿于岩浆结晶过程中，黑云母的结晶温度可代表花岗岩固结温度的上限，因此认为本区斑状花岗岩的成岩温度约为705～903℃。

Wones和Eugster (1965)利用与磁铁矿和钾长石共生的黑云母Fe2+、Fe3+和Mg的原子分数估算了黑云母结晶时的氧逸度。对于拉巴斑状花岗岩中的黑云母，均存在与斜长石-钾长石-磁铁矿共生的现象，符合此方法计算氧逸度的前提条件。在黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg图解(图5)中，该岩体中黑云母数据投点均落在缓冲线NNO(Ni-NiO缓冲线)与HM(赤铁矿-磁铁矿缓冲线)之间，表明其结晶于较高的氧逸度环境里。另外，拉巴花岗岩中Ti的含量较高，而结构式中AlⅥ值较低，这种高Ti低AlⅥ特征也可以说明拉巴花岗岩形成于氧逸度较高的环境下(Albuquerque, 1973)。根据Wones和Eugster(1965)在pH2O=2 070×105Pa的条件下，将花岗岩中黑云母投影到黑云母的LogfO2-t图解(图6a)中，可以估算出拉巴地区花岗岩形成的氧逸度为-11.8～-10.6。Ridolfi 等(2010)研究指出，利用角闪石化学成分可以估算岩浆的△NNO值(△NNO=1.644 Mg*-4.01，Mg*=Mg+Si/47-[6]Al/9-1.3[4]Ti+Fe3+/3.7+Fe2+/5.2-BCa/20-ANa/2.8+A[空位]/9.5)。将花岗岩中角闪石的温度以及△NNO 值投影到角闪石的LogfO2-t图解(图6b)中，可以估算花岗岩形成的氧逸度为-11.7～ -10.5。利用角闪石方法估算的氧逸度略高于黑云母方法，反映在岩浆结晶过程中，其氧逸度均较高，且从早到晚略为降低。

图 5 拉巴斑状花岗岩中黑云母Fe3+-Fe2+-Mg图解(底图据Wones and Eugster, 1965)Fig. 5 Fe3+-Fe2+-Mg diagram of biotites from the Laba porphyritic granite ( original diagram after Wones and Eugster, 1965)

近年来，利用花岗岩体中角闪石和黑云母的地质压力计探讨其成岩成矿深度的方法已有广泛应用(李鸿莉等, 2007; Ridolfietal., 2010;汪欢等, 2011)。黑云母计算结果显示其结晶压力为59～133 MPa，估算的深度为2.2～5.0 km；而角闪石计算结果为121～449 MPa和4.6～17.0 km。角闪石的结晶压力与深度明显大于黑云母，而黑云母结晶晚于角闪石，代表了岩浆结晶的上限。结合二者的数据分析表明，拉巴地区花岗岩岩浆房的深度至少在17.0 km，而由岩浆房上升侵位的岩枝最浅深度约在2.2 km。

4.2 岩石成因探讨

已有研究(Abdel-Rahman, 1994)指出，I型花岗岩的黑云母相对富镁，S和A型花岗岩分别富铝和富铁。拉巴花岗岩的黑云母均为富镁黑云母，指示其为I型花岗岩。Whalen和Chappel (1988)认为，I型花岗岩中的黑云母具有较低的AlⅥ值(<0.224)，S型花岗岩中的黑云母AlⅥ值较高(0.353～0.561)。此外，徐克勤等(1986)指出黑云母的Mg#值及氧化系数[Fe3+/(Fe3++/Fe2+)]也可用于划分Ⅰ型、S型花岗岩。Ⅰ型花岗岩中黑云母具较高Mg#值(0.384～0.626)和氧化系数(0.121～0.252)，结合拉巴花岗岩黑云母的低AlⅥ值(0～0.24)、高Mg#值(0.61～0.70)、高氧化系数(0.12～0.29)的特点，认为其为Ⅰ型花岗岩。这与目前对该地区花岗岩的认识也相吻合(Wangetal., 2014; Yangetal., 2016)。

花岗质岩浆的来源主要可分为壳源、壳幔混染、幔源3种。前已述及，本区角闪石均为钙质角闪石，马润则等(1997)认为钙质角闪石的成分与岩浆来源密切有关，幔源区角闪石的Si/(Si+Ti+Al)值不高于0.765。姜常义等(1984)认为幔源角闪石中的Al2O3含量一般不低于10%。本次测得角闪石的Si/(Si+Ti+Al)值(0.80～0.88)和Al2O3含量(5.26%～8.97%)排除了其幔源的可能性。Yang 等 (2017) 据该地区花岗岩全岩的Sr-Nd-Pb和锆石Hf同位素特征提出，该花岗岩起源于下地壳的部分熔融，但对其是否具有幔源物质参与未作说明。在黑云母FeOT/( FeOT+MgO)-MgO图解和角闪石TiO2-Al2O3图解(图7)中可以看出，本次获取的拉巴花岗岩体中黑云母和角闪石均落于壳幔混染区，因此认为该套花岗岩的源区应有地幔物质的参与。

4.3 对成矿的指示

黑云母的TAl在区别含矿与不含矿花岗岩方面也有很好的指示作用。基于黑云母地质压力计，刘学龙等(2013)估算了Cu-Fe和Mo矿床的形成压力为100～200 MPa，而无矿化的花岗质岩体的固结压力在300 MPa以上。相对于典型的斑岩型钼多金属矿床，成岩成矿的就位深度一般为2～6 km，这与Uchida 等(2007) 建立的黑云母TAl压力计具良好的适应性。因此，从计算的花岗岩体侵位深度结果来看，拉巴斑状花岗岩体极有可能是拉巴钼多金属矿床的成矿岩体，而非赋矿围岩。

黑云母中的F、Cl可以用来确定与花岗岩共存流体中的HF、HCl逸度(Munoz, 1992)。中酸性岩浆上升侵位时，随着结晶分离作用和温度、压力的改变，可使岩浆中含水的挥发分过饱和，进而出溶形成独立的流体(刘伟, 2001)。拉巴花岗岩中发育石英晶洞构造(图2a)，晶洞中充填的颗粒结晶较好，明显不同于石英斑晶，提供了流体出溶的证据。笔者对拉巴花岗岩的全岩分析及Sr同位素数据(另文发表)表明，该地区的岩浆是在封闭系统中冷却结晶的，另外中温蚀变脉体中石英流体包裹体激光拉曼分析(另文)证实也有F、Cl成分的存在，因此认为，这种与花岗岩共存的流体与最终出溶的流体性质相同。

岩浆成因黑云母成分既能反映岩浆挥发分的性质(张德会等, 2001)，也能反映岩浆出溶流体的性质(Webster and Holloway, 1990; Munoz, 1992)，为深入理解岩浆-热液过程提供了契机。本次测定的黑云母成分中普遍存在F、Cl且含量普遍较高。从表1中可以看出，黑云母中F、Cl含量及变化范围大致相同，所对应的流体成分基本一致，指示为同一岩浆出溶的流体。赵博等(2015)认为，F必须有能力大量进入与花岗质熔体共存的含水流体相才具有一定的成矿意义。即使岩浆允许萤石等含F矿物完全结晶，活动态的F仍会有剩余，高度富F的参与熔体相极有可能导致富F成矿流体的最终出溶。HF具有强的腐蚀性，因而十分有利于水岩反应的发生。而Cl的成矿效应比F更加显著(Railsback, 2003)。Cl大量进入与花岗质熔体共存的含水流体相的现象是非常普遍的(鲍波等, 2014)，这是因为Cl在熔体-流体系中，它偏向分配进入流体而不是熔体相中(Websteretal., 2009)。熔体中残留的Cl可促使流体从含水量很少的熔体中直接出溶，致使流体出溶的时间提早，出溶的深度增加，具有更长的时间来萃取熔体中的金属，也就有效避免成矿元素分布在早期结晶的矿物相中(张德会等, 2001)；而F的增加可促使Cl进入到熔体相中(Dingwell, 1988)。Kepper 和 Wyllie (1991)通过模拟认为，Cl可使Cu的分配系数升高，最终出溶的流体将会含大量的Cu，使得Cu基本从熔体相中萃取出来，Mo在低酸强碱、且富F的体系中易分配进入热液中，这与拉巴地区花岗岩特征相吻合。

黑云母和角闪石所有样品均取自钻孔，因此其抬升的高度计算应该是通过估算的深度再减去钻孔取样的深度，可得出该花岗岩抬升至少2.1 km。拉巴斑状花岗岩呈隐伏岩体产出，从深部钻孔揭露情况来看，岩体产出良好，且浅部蚀变类型多以绿泥石、绿帘石化为主，表现为典型斑岩型矿床的青磐岩化带，暗示着深部应有良好的矿化。