广西姑婆山花岗岩黑云母矿物化学特征及其对岩石成因和成矿的意义

2019-10-25苏小倩蔡永丰李学森马莲花付元东

桂林理工大学学报 2019年3期

苏小倩,蔡永丰,李学森,周云,马莲花,付元东

(桂林理工大学 a.广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心;b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林 541006)

黑云母是花岗质岩石中常见的矿物, 也是花岗质岩石中分布最广泛的镁铁矿物。黑云母的结晶化学式为A2M6T8O20(OH)4(其中：T=Si, Al;M=Mg, Fe, Mn, Cr, Ti, Zn, V;A=K, Na, Ba;OH=F, Cl, OH)，其化学成分特征能够提供有关岩浆的物理化学条件、成矿条件、岩石形成构造背景、岩石成因等方面的信息,以及对花岗岩体的成矿潜力等都具有重要的指示意义[1-8]。因此,对黑云母的研究已广泛应用于岩石成因、成岩条件、成矿条件等方面[9-16]。

桂东北地区姑婆山一带是南岭多金属成矿带的重要组成部分, 同时也是重要的W、 Sn、 Nb、 Ta、 Li等有色、稀有金属产地之一[17-20]。前人对姑婆山花岗岩的年代学、地球化学、岩石学等研究显示，该岩体主要形成于中晚侏罗纪(160～165 Ma,LA-ICP-MS/SHRIMP 锆石U-Pb年龄)[21-22], 其岩性以黑云母花岗岩和二长花岗岩为主, 局部出露有石英闪长岩[23], 其岩石类型多被认为具有A型花岗岩的特征[24-27], 形成于陆内由挤压向拉张的构造转折时期的地球动力学背景[28]。姑婆山岩体伴生有钨、锡、铅、锌、铜等有色金属矿产(如六合坳锡矿床、烂头山矿田、大庙山矿田、可达矿田等)[28-29], 其成矿类型主要有伟晶岩型、接触交代矽卡岩型和高-中-低温热液型[30], 这些矿体的形成时代与姑婆山岩体的形成时代一致(约160 Ma)[29]。虽然前人对姑婆山一带分布的花岗岩及相关矿产的岩石学、地球化学、构造背景及成岩成矿时代、成矿类型等方面进行了较多的研究, 但对花岗岩矿物成分与成岩成矿关系的研究仍较少,因此,本文利用电子探针对姑婆山岩体中的黑云母进行化学成分分析,从而探讨其形成条件及成岩成矿意义。

1 地质背景

广西东北部的姑婆山花岗岩体是南岭地区一个重要含矿花岗岩岩体[31],该岩体位于北纬24°30′—24°45′,东经111°30′—111°45′,主要分布在广西贺州及湖南江华县一带,出露面积约650 km2[21]。姑婆山岩体为一多阶段的复式岩体,总体呈不规则扁圆状[32],其西南-西北缘侵入中-上泥盆统,东南部和东北部侵入于寒武系与下泥盆统,东部与桂岭岩体相接触[21]。研究区出露的地层主要有震旦系、寒武系、泥盆系和石炭系,其中,震旦系由灰绿色砂岩、页岩夹多层硅质岩组成;寒武系主要为一套类复理石浅海相砂页岩建造;泥盆系上部为紫红色砂岩及灰绿色砂页岩,下部主要为灰岩、泥质岩及白云质灰岩;石炭系以碳酸盐岩为主,局部夹碎屑岩、硅质岩[33]。

在大地构造位置上, 研究区位于欧亚板块的东南侧, 其北西为扬子板块, 南东为华夏板块[34-36]。区内地质构造复杂, 岩浆活动频繁[23, 35], 姑婆山岩体侵位于南岭东西向复杂褶皱-断裂构造带与湘南南北向褶皱-断裂构造带近末端的相交部位[37]。南北向的红花源-新路断裂将姑婆山岩体分割为东西两个部分, 分别称为姑婆山东岩体和姑婆山西岩体[21-22]，里松岩体位于东岩体的中心部位,其出露区为一中央凹陷盆地,四周为相邻花岗岩相带组成的环状中高山[38]。各岩体的岩性有较明显差异,姑婆山东岩体以中粗粒似斑状黑云母钾长花岗岩为主,东岩体中的里松岩体以中细粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩为主[39],西岩体以中细粒斑状黑云母花岗岩、细粒花岗岩为主[21,40]。细粒花岗岩侵入于主岩体及中细粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩中,而中细粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩又侵入于中粗粒似斑状黑云母钾长花岗岩中。本次研究区及采样位置见图1。

2 样品的采集与分析

所采岩石均为新鲜样品。里松岩体样品(GPS14A)为中细粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩,灰白色,斑状结构,块状构造, 斑晶为钾长石、斜长石,基质由石英、钾长石、斜长石、角闪石、黑云母、白云母等组成,副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿等。东岩体样品(GPS15A、GPS18A)为中粗粒似斑状黑云母钾长花岗岩,白色-肉红色,似斑状结构,块状构造,斑晶为钾长石,基质由石英、钾长石、斜长石、黑云母等组成,副矿物主要有锆石、榍石、磷灰石、磁铁矿等。西岩体样品(GPS17A)为中细粒似斑状黑云母花岗岩,灰白色,似斑状结构,块状构造,斑晶为钾长石,基质由石英、钾长石、斜长石、黑云母、白云母等组成,副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿等。所有样品中黑云母多为自形-半自形,片状,具有多色性,显微镜下主要呈褐色至深棕褐色(图2)。

图1 姑婆山花岗岩体地质略图(据文献[21,23]修改)Fig.1 Simplified geological map of Guposhan graniteC-D—石炭系-泥盆系砂、页岩; ∈—寒武系砂页岩; Z—震旦系砂岩、页岩夹多层硅质岩; Ls—里松中细粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩; Gl—桂岭二长花岗岩; γδ—大宁花岗闪长岩; 1—晚阶段细粒花岗岩; 2—中粗粒似斑状黑云母钾长花岗岩; 3—中细粒斑状黑云母花岗岩; 4—断裂; 5—矿床; 6—采样点

岩石光学薄片的制作在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室磨片室完成, 薄片的鉴定使用 Nikon和 Leica显微镜。鉴定完成后,挑选具有代表性的薄片重新抛光,将其制成电子探针片, 并在偏光显微镜下圈定其中新鲜未蚀变的黑云母用于矿物化学组成分析。黑云母主量元素测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成,所用仪器为JEOLJXA 8230型电子探针仪(EPMA)。测试条件：加速电压15 kV,探针电流20 nA,束斑直径5 μm;标样主要采用钠长石、磷灰石、橄榄石、镁橄榄石、硅灰石、金云母和金红石,校正方法为ZAF修正法。

图2 姑婆山花岗岩显微照片Fig.2 Microscope photographs of Guposhan graniteBt—黑云母; Pl—斜长石; Q—石英

3 黑云母矿物化学特征

由于电子探针无法区别黑云母中的Fe2+和Fe3+,因此黑云母中Fe2+和Fe3+值采用林文蔚等[41]的计算方法获得,黑云母的结构式以阴离子(O,OH,F/2,Cl/2)数为24计算阳离子数。姑婆山花岗岩中的黑云母化学成分分析结果见表1，样品的黑云母以富硅、铁、钾、钛,贫镁、钠、铝、锰、钙为特征。黑云母的SiO2含量为32.07%～36.73%,平均35.39%;FeOT为27.26%～37.15%,平均30.48%;MgO为1.16%～6.47%,平均3.99%;K2O、Na2O、Al2O3、TiO2和MnO的平均含量分别为9.50%、0.13%、13.01%、3.05%和0.22%;样品CaO含量低,平均为0.10%,部分样品的CaO含量低于检出限。

Brigatti等[42]在研究黑云母的晶格替换特征中指出,Mg2+、Fe2+、Fe3+等离子可以等价或不等价替换八面体中的Al3+,这些离子替换可以提供云母结晶时的信息。姑婆山所采样品中黑云母的八面体占位值M-site较高,为5.96～6.64(表1),说明黑云母均属于三八面体云母(M-site>5)[42], 又明显偏离了三八面体的理想趋势(图3),说明黑云母的组成元素间存在离子的替换[6]。

依据Foster[43]提出的黑云母命名方法,并结合相关图解对黑云母进行分类,显示本区黑云母属于富铁黑云母, 富铁黑云母可进一步分为铁黑云母和铁叶云母两种类型。从图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。氧化物的单位为wB/%。

图3 姑婆山花岗岩黑云母的Altot-(Fe+Mg+Ti(Si-3))图解(底图据文献[6])Fig.3 Altot-(Fe+Mg+Ti(Si-3)) diagram of biotite from Guposhan granite

表1 姑婆山花岗岩黑云母成分

注: 含铁系数IFe=(Fe3++Fe2+)/(Fe3++Fe2++Mg), 镁质率IMg=Mg/(Mg+Fe2++Mn);T={[ln(Ti)-a-c(MF)3]/b}0.333;a=

图4 黑云母Si-Fe/(Fe+Mg) (a) 和Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn)(b)图解(底图据文献[43])Fig.4 Si-Fe/(Fe+Mg) diagram(a) and Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn) diagram (b) of biotite

花岗岩中黑云母有铁质黑云母和铁叶云母两种类型, 且铁质黑云母靠近铁叶云母区域。黑云母的 Fe2+/(Fe2++Mg)值变化范围小,在0.68～0.94,平均值为0.80, 说明黑云母没有遭受到明显的后期流体的改造作用[44]。

4 黑云母成岩成矿意义

4.1 成岩条件

4.1.1 温度实验岩石学表明,在高温高压条件下,岩浆结晶温度会影响黑云母中Ti元素含量的变化[45]。因此,可以利用黑云母中Ti元素的含量作为估计岩浆结晶温度的地质温度计[5,45-46]。对过铝质变质泥岩中的黑云母,可以用Ti饱和温度的计算公式(见表1注解)或者用Ti-Mg/(Mg+Fe)等温线图进行温度估算[47-48]。根据前人的研究资料,姑婆山岩体A/CNK值在0.99～1.03,平均为1.01[21,27],主要表现出过铝质的特征。在相关图解中(图5),姑婆山花岗岩也显示为过铝质岩套特征。因此,可以用上述Ti饱和温度的计算公式来估算黑云母结晶时的温度。结果表明,姑婆山花岗岩黑云母的结晶温度在595.60～696.37 ℃(表1),平均温度为664.84 ℃。在Ti-Mg/(Mg+Fe)图解(图6)中, 黑云母结晶温度主要落在550～700 ℃,与上述计算结果一致。由此可以看出,姑婆山花岗岩体是在相对较高的温度下形成的。

4.1.2 氧逸度 Wones[49]通过研究指出,与磁铁矿和钾长石共生的黑云母Fe3+、 Fe2+和 Mg2+原子的百分数可以用来定性地估算黑云母结晶时的氧逸度。在显微镜下观察发现, 姑婆山花岗岩中的黑云母与钾长石-斜长石-磁铁矿-石英共生, 符合用此方法来估算氧逸度的条件。越靠近Ni-NiO缓冲线,黑云母结晶的氧逸度越低[50]。从图7可以看出,姑婆山花岗岩中的黑云母大多数落在Ni-NiO线与Fe2SiO4-SiO2-Fe3O4线之间且更加接近Ni-NiO缓冲线,说明姑婆山花岗岩中的黑云母形成于较低的氧逸度环境。

图5 黑云母MgO-FeOT-Al2O3图解(底图据文献[3])Fig.5 MgO-FeOT-Al2O3 diagram of biotite A—非造山的碱性岩套;C—造山带钙碱性岩套;P—过铝质岩套

图6 黑云母Ti-Mg/(Mg+Fe)等温线图(底图据文献[47])Fig.6 Ti-Mg/(Mg+Fe) diagram of biotite

图7 姑婆山花岗岩黑云母Fe3+-Fe2+-Mg2+图解(底图据文献[50])Fig.7 Fe3+-Fe2+-Mg2+ diagram of biotite

4.1.3 压力和深度对于花岗岩成岩压力的计算有两种选择：当花岩岗中存在角闪石+黑云母矿物组合, 且角闪石结晶完好时, 选择角闪石作为全铝压力计矿物; 角闪石结晶不够完好, 而黑云母结晶完好时, 则选择黑云母作为全铝压力计矿物。当花岗岩中不存在角闪石时, 黑云母则不适合作为全铝压力计[51]。通过显微镜下观察,样品GPS14A含少量角闪石,但结晶不够完好,因此本文采用黑云母全铝压力计的方法来计算成岩压力。

黑云母全铝含量与花岗岩的固结能力具有很好正相关特性,全铝压力计的关系式P=[3.03×TAl-6.53(±0.33)]×100(MPa)。利用此压力计估算本区黑云母的结晶压力,结晶深度采用P=ρ·g·H进行换算,其中ρ=2 800 kg/m3,g=9.8 m/s2。姑婆山东岩体(GPS15A、 GPS18A)花岗岩黑云母的平均结晶压力96.29 MPa, 对应的平均侵入深度为3.51 km；西岩体(GPS17A)花岗岩黑云母的平均结晶压力163.03 MPa, 对应的平均侵入深度为5.94 km；里松岩体(GPS14A)黑云母的平均结晶压力为141.72 MPa,对应的平均侵入深度为5.17 km。GPS15A、GPS17A、GPS18三个样品中均无角闪石存在,因此,姑婆山东岩体及西岩体用黑云母全铝压力计计算所得的深度和压力可能存在一定的误差,有待于进一步深入研究。

4.2 成岩意义

花岗岩中黑云母的化学成分与寄主岩石的化学成分和岩石成因之间存在着密切联系,研究黑云母的化学成分对揭示岩浆分异演化有着重要的指示意义[9]。前人研究提出,黑云母的MgO含量可以反映岩石物质来源及成岩成矿作用的一些地球化学特征,一般幔源岩石是富镁黑云母,壳源岩石是富铁黑云母[52],且壳源花岗岩的MF(MF=Mg/(Fe+Mg))值一般小于0.5[53-54]。姑婆山花岗岩中的黑云母MF值介于0.06～0.32, 平均0.20, 显示为壳源型花岗岩特征。在 FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图解中(图8a),黑云母样品数据均落入壳源区。因此,可以推断姑婆山花岗岩主要是壳源型。

氧逸度、温度、压力等物理化学条件在研究岩浆演化过程中起到了重要的控制作用, 黑云母的成分特征可以反映岩浆结晶时的氧逸度、温度、压力等物理化学条件[5]。姑婆山花岗岩中黑云母的结晶温度多在650 ℃以上(表1, 图6), 形成于相对高温的环境, 其形成时的氧逸度较低(图7), 结晶深度平均为5.17 km。据文献[55]，含锡花岗岩的成矿能力与地壳成熟度密切相关, 地壳成熟度越高,成矿潜力越大。广西是华南花岗岩内生锡矿著名的成矿区域, 地壳发育成熟,形成陆壳改造型花岗岩, 有W、 Sn、 Ta等特征矿产[56-57]。在Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn)的岩石成因相关图(图8b)中, 黑云母成分分析结果显示,姑婆山花岗岩与华南改造型花岗岩的特征相似,表明姑婆山花岗岩体主要来源于古老地壳物质的重熔。前人的研究提出南岭浅源系列黑云母具有较低的含镁系数(IMg<0.45), 而长江深源系列黑云母IMg>0.45[16,58]。姑婆山花岗岩中黑云母IMg在0.06～0.31, 平均0.20, 暗示姑婆山花岗岩属于南岭浅源系列。由表1还可看出,其形成压力越小, 侵入深度越浅, 其含铁指数越高。

图8 黑云母MgO-FeOT/(FeOT+MgO)(a)和Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn)(b)图解(底图文献[1,57])Fig.8 MgO-FeOT/(FeOT+MgO) diagram(a) and Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn) diagram(b) of biotite

综上,姑婆山花岗岩黑云母属于壳源型,成岩温度平均为664.84 ℃,同时具有低的氧逸度。

4.3 成矿意义

黑云母具有独特的层状结构特点, 成为许多成矿元素的载体或富集矿物，其化学成分对铜、锡等成矿作用以及矿化具有良好的指示作用。李鸿莉等[10]研究了芙蓉锡矿田骑田岭花岗岩黑云母矿物化学特征, 认为黑云母花岗岩与Sn成矿具有密切的成因联系; 陈慧军等[16]对滇西古永地区花岗岩黑云母进行了研究, 表明高温低氧逸度更有利于Sn矿的形成; 东前等[12]的研究发现, 与Cu成矿有关的黑云母具有高镁低铁的特征, 高氧逸度环境有利于Cu等成矿物质聚集而发生成矿作用; 与Sn成矿有关的黑云母具有高铁低镁的特征[59]。姑婆山花岗岩黑云母具有高铁低镁的特征, 其Fe2+/(Fe2++Mg)值变化于0.68～0.94(表1, 图4), 暗示其具有良好的锡成矿性。另一方面, 黑云母是花岗岩中锡的主要载体, Sn元素在流体内如何分配以及富集成矿主要受到温度和氧逸度的影响[5,49], 相对于其他矿化金属元素, 与锡有关的岩体通常具有较低的氧逸度, 在低氧逸度条件下花岗岩更有利于锡的成矿作用[10,60-64]。姑婆山花岗岩黑云母具有低的氧逸度,反映其有利于锡的成矿作用。