花岗岩中黑云母矿物学特征及其地质意义

2022-02-14张泽凤胡昱杰

西部探矿工程 2022年2期

张泽凤，胡昱杰

（1.东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013；2.核工业二〇八大队，内蒙古包头014010）

1 概述

花岗岩是地壳的最主要成分，花岗岩的成因研究对揭示地壳的形成与演化具有重要意义。相对于全岩地球化学分析而言，矿物成分分析可以更精确地反映与岩浆演化及岩浆源区有关的信息，因此深入开展这方面的研究工作十分必要[7]。黑云母当作花岗岩中最普遍可见的暗色矿物，是研究花岗岩源区特征、成岩情况和成矿作用的合理对象。对花岗岩中的黑云母化学成分展开系统研究，以呈现出花岗岩的形成成因，探讨其形成的地质意义。并且，由于其拥有独特的层状结构，使黑云母能够承载多种金属，如W、Sn、Cu 等，同时，黑云母的化学成分的不同指示不同的矿化类型，因此黑云母各种特征能够指示成矿元素富集规律、后期热液作用。

2 黑云母岩相学和矿物化学成分特征及其分类

根据前人研究，黑云母能够分为三类：原生黑云母、次生黑云母（新生黑云母）、热液黑云母（再平衡黑云母），它们分别有着不一样的岩相学和化学成分性质（Nachit et al.,2005）。岩浆黑云母产生于岩浆结成晶体阶段，热液黑云母产生于热液蚀变阶段。

岩相学特征：原生黑云母多呈褐色、褐黄色，多呈自形—半自形，片状构造，多色性显著，表面较干净，矿物颗粒多在0.5mm，宽多在0.2mm。部分次生黑云母遭受后期热液蚀变作用，发生以绿泥石为主的蚀变，且蚀变黑云母的表面有裂缝发育，局部可见挠曲。热液黑云母普遍呈细小鳞片状集合体、弥散状或脉状出现，多色性弱，褐色不显著或者呈现浅绿色。

化学成分特征：原生白云母富Ti、Mg，贫Te；热液黑云母富Mg；次生黑云母富Fe、Ti。Foster(1960)根据黑云母的Mg-(Fe2++Mn2+)-(Fe3++AlⅥ+Ti4+)、Si-Fe/(Fe+Mg)、Mg-(Fe3++Al6++Ti)-(Fe2++Mn)的特征将黑云母分为金云母、镁质云母、铁质云母、铁叶云母（图1a）。

3 黑云母化学成分特征对岩石成因的指示

黑云母是一种铁镁质矿物，广泛分布于花岗岩中，能够在宽泛的温压范围内稳定存在（Yavuz,2003）。黑云母的化学特征取决于寄主岩浆成分，并且与最新的挥发相重新平衡(Nash and Crecraft，1985；Rasmussen and Mortensen，2013)。因此，黑云母化学成分特征可以反映寄主花岗岩岩浆演化的物理化学条件(Cernyand Burt，1984；Speer，1984），并且，黑云母矿物的化学成分特征能够指示花岗岩的成因（郭耀宇等，2015；杨阳等，2007；等）。

ISMA 型分类标准是当下最常用于辨别花岗岩的分类方法。前人对花岗岩中黑云母化学成分特征的研究指出，源于A型花岗岩的黑云母富Fe，源于I型花岗岩的黑云母富Mg，源于S 型花岗岩的黑云母富高Al（Uchida et al.,2010）。可通过黑云母的MF指数[MF=Mg/(Fe3++Fe2++Mg+Mn)]来辨别I型（MF>0.38，同熔型）和S型花岗岩（改造型，MF<0.38）（李克勤等，1982）（图1b）。

图1 黑云母（a）MgO%-FeOT/(FeOT+MgO)图解（据刘雷等，2020）(b)Si-Mg/(Mg+Fe2++Fe3++Mn图解（据徐克勤等，1982）

前人研究指出，花岗岩因其复杂的岩石成因，导致存在多种来源的源区物质，主要有：古老地壳物质的重熔、新生地壳物质的重熔、幔源岩浆的分异或它们之间相互混合的产物[7]（Skjerlie and Johnston,1996；Altherr and Siebel,2002；Sisson et al.,2005；Stouraiti et al.,2018）。刘雷等（2020）等人根据MgO%-FeOT/(FeOT+MgO 图解（图1a，）将花岗岩源区物质来源划分为三类：壳源、幔源、壳幔混合。前人研究表明，典型的幔源岩浆岩中的黑云母普遍有着较高的MgO占比（>15%）和较低的FeT(FeOT+MgO)含量[6]；但是来源于壳源岩浆岩的黑云母中的MgO（<6%）占比较低、FeT(FeOT+MgO)占比较高，而壳幔混合型花岗岩中的黑云母的MgO 占比和FeT(FeOT+MgO)含量在壳源和幔源之间（周作侠，1988；阳珊等，2014；马莲花等，2018）。

有研究表明，黑云母的化学成分特征（Abdel-Rahman,1994；Shabani et al.,2003）有效反映了其寄主花岗岩类的构造起源。Abdel-Rahman（1994）提出FeOT-Al2O3图解（图2）将花岗岩的结构源头划分为三类：过铝质岩系（多为S型花岗岩），造山带钙碱性岩系（多为I 型花岗岩），非造山带碱性岩系（多为A 型花岗岩）。一般来说，受俯冲带流体/熔体影响，晚期结晶的黑云母呈现出富铁的性质（周云等，2017）；来自地幔物质的黑云母呈现出高MgO 占比>15%）和低FeOT/MgO 含量（周作侠，1988；Lalonde et al.,1993）；来自演化程度高或高分异岩浆中的黑云母则揭示出低MgO占比（<6%）和高FeOT/MgO含量[1]。

图2 MgO-FeOT-Al2O3图解（据Abdel-Rahman，1994）

另外，黑云母有着如下特点：①针对不含或含少许的石榴石、堇青石或者Al2SiO5同质多像的花岗岩，过量铝主要由黑云母贡献，所以黑云母中铝占比直接反演母岩浆的铝饱和度；②黑云母是最迅速有效的氧逸度指示剂[4]。温度和氧逸度是黑云母中钛占比的影响因素（Patino Douce,1993；Robert,1976）。Henry 等（2005）研究说明黑云母中钛占比、Mg/(Mg+Fe)和温度存在非线性关系提出了黑云母的Ti 温度计。Beane(1974)提出了T-Xphl地质温度计预估测算热液黑云母的形成温度。黑云母中的全铝占比（TAl）与花岗岩的固结压力有着正关联性（Uchida et al.，2007）。Wones等（1965）借助试验研究说明，岩浆热液系统氧逸度越高，系统中的Fe3+/Fe2+值越大，Fe2+越少，Mg2+更易进入镁铁质矿物的晶体结构中；因此黑云母中的XMg[XMg=Mg/(Mg+Fe)]与氧逸度或硫逸度呈正相关，并且Fe3+、Fe2+和Mg2+含量能有效地指示岩浆热液系统的氧逸度[5]。这些特征能更进一步地反演寄主岩浆成分特征，指示其寄主花岗岩的岩石成因。

岩浆结晶温度可利用黑云母Ti 温度计计算得出，这是Henry et al.(2005)通过讨论泥质变质岩中黑云母的Ti 和XMg的关系得出：T=｛［ln(Ti)-a-c(XMg)3］/b｝0.333(T为温度，单位为℃)。当中，Ti的单位为apfu，是以22个 O 原子进行计算；XMg为 Mg/(Mg+Fe)；参数a=-2.3594,b=4.6482×10-9，c=-1.7283；适用范围：XMg在 0.275～1.000 之间，Ti 在 0.04～0.60apfu 之间，T在480℃～800℃之间，T的误差范围为±25℃。且研究表明不论是泥质变质岩还是花岗质岩浆岩都能使用黑云母Ti 温度计(Sarjoughian et al.,2015)。也可通过黑云母的Ti-Mg/（Mg+Fe）图解（图3a）来求出温度T，公式计算和投图两种方式计算温度，两者相互对照，使准确度更高。

Uchida 等（2007）通过探讨黑云母的AlT含量和其寄主花岗岩类的固结压力的相关性，发现二者的相关系数为正数—正相关，由此提出花岗岩的固结压力可利黑云母的AlT含量来计算，并且给出了计算公式：P(100MPa)=3.03×AlT-6.53(±0.33) 当中，AlT为黑云母Al阳离子总数（以22个O为标准）。最后根据P=ρ×g×H计算出所对应的H（结晶深度），其中ρ：2700kg/m3,g：9.8m/s2。能作为成岩固结压力的前提是黑云母为原生黑云母。

此外，黑云母的氧逸度受控于Fe、Mg含量，当黑云母与磁铁矿以及钾长石共生[1]，可通过黑云母的Fe2+、Mg2+与Fe3+原子百分占比来估算结晶时岩浆体系的氧逸度（Henry et al.,2005）（图3b）。越靠近Ni-NiO缓冲曲线，黑云母形成时的氧逸度越低[2-3]。

4 黑云母化学成分特征对花岗岩成矿作用的指示

图3 花岗岩中黑云母(a)Mg/(Mg+Fe)-Ti图解（据Henry et al.,2005）和(b)Fe3+-Fe2+-Mg2+图解（据Wones and Eugster,1965）

黑云母是花岗岩类含矿性的一种重要指示矿物，没有受到后期流体改造的黑云母揭示贫Ca、Fe2+/(Fe2++Mg)含量比较平均（Stone,2000）的性质，暗示着其寄主花岗岩为岩浆成因，它们复杂的化学成分及其主量、微量元素可以提供与成矿作用有关的各类物理化学信息，预示着花岗岩潜在的矿化性质。

而且，黑云母中挥发分（尤其是F 和Cl）在岩浆热液成矿系统中发挥了关键的作用，比如约束蒸汽饱和、与金属元素产生络合物和制约矿床的矿化类别等（Loferski et al.,1995；Monoz,1984；1992；Selby et al.,2000）。当花岗岩中没有白云母和萤石时，黑云母中的F 含量占花岗岩的70%～90%，剩余的10%～30%的F由磷灰石、角闪石和榍石提供(Zhang et al.,2016）。黑云母中的 F 因羟基(Cl-OH)的存在，由 F 置换 Cl 而存在；同时黑云母中F 的含量一般比Cl 高，这是由于Cl离子半径比F/OH 的大，F 更容易和OH 互相代替（Monoz，1984）。Monoz（1984）借助试验研究表明，Mg/Fe 的值影响着黑云母中F、Cl 替换OH；有着较高Mg/Fe 的黑云母倾向含更多的F，而有着较低Mg/Fe的黑云母倾向含更多的Cl，这种关系是由结晶化学驱使的，即F-Fe 和Mg-Cl 在黑云母中占位回避原则。黑云母的Ⅳ（F）、Ⅳ（Cl）和Ⅳ（F/Cl）可以指示岩浆热液系统中F 和Cl 的相对富集程度（Munoz，1984）。黑云母化学成分可以计算岩浆热液流体中挥发分的逸度[lg(fH2O/fHCl)、lg(fH2O/fHF和 lg(fHF/fHCl)]（Munoz，1992）。确定岩浆热液系统中挥发分的相对富集度和逸度，对完善含金属矿花岗岩的成矿理论具有重要的意义（Selby et al.,2000；唐攀等，2017；Jin etal.,2018）。

近年来，越来越多的学者开始研究黑云母中金属含量与矿化之间的关系以及其矿物化学特征指导斑岩铜（钼、金、钨等）矿床和岩浆热液型矿床的找矿勘查（傅金宝，1981；秦克章等，2009；李鸿莉等，2007；陈佑纬等，2010；王葳平等，2012；Warren et al.,2015；赵友东等，2016；唐攀等，2016；张龙等，2017；Jin et al.,2018）。Azadbakht 等(2019)对含矿和不含矿花岗岩黑云母进行研究，对比含矿和不含矿花岗岩黑云母的地球化学特征，探讨了含矿和不含矿花岗岩的物理化学差异（见表1）。

表1 各类含矿与不含矿花岗岩黑云母的化学特征

由表1 得出不含矿花岗岩含高TiO2、FeO、Cl、V、Co，低Na2O、K2O、P、Sr，氧逸度在HM 和FMQ 缓冲带之间[（10～13.2)～(10～14.9）]，含水量最低，约3wt%，结晶温度为728℃±20℃，侵位深度2±1kbar；含Cu-Mo矿化花岗岩含高TiO2、Cr、MgO、CaO、Ni、Cu、Sr、Ba，低Al2O3、F、MnO、Zn、Ga、Rb、Mo、Sn、Cs、W、Li，氧逸度在HM 和FMQ 缓冲带之间，结晶温度为731℃±38℃，侵位深度1.5±0.5kbar；含Mo 矿化花岗岩含低SiO2、Sr、Cu、Sc，氧逸度在HM和FMQ缓冲带之间，含水量在4～4.5wt%之间，结晶温度为710℃±16℃，侵位深度 3±1kbar；含 Sn-W 矿化花岗岩含高 SiO2、F、Al2O3、MnO、Na2O、K2O、Li、P、Sc、Zn、Ga、Sn、W、Cs、Rb，低TiO2、FeO、MgO、Cl、Ba、Co、Ni、Cu、V、Cr，氧逸度更接近FMQ 缓冲线，含水量最高，结晶温度为706℃±18℃，侵位深度3±1.5kbar。