花岗质岩石中黑云母成分区域性变化对深部物质示踪及成矿的约束:以秦岭地区为例*

王晓霞 王涛 陈小丹 柯昌辉 杨阳

黑云母是岩浆岩,特别是中酸性岩中最常见的暗色矿物。其成分与所在岩石的成分关系密切,常用来判别岩浆系列和成因(Abdel-Rahman, 1994, 1996; Stussi and Cuney, 1996; Belletal., 2017; Samadietal., 2021; Kazemietal., 2022; 周作侠, 1986; Yavuz, 2003a, b)、形成环境(Kumaretal., 2010; Shabnietal., 2003)、估算岩浆结晶过程物理化学条件(Hoisch, 1989; Burkhard, 1991; Holdaway, 2000; Henryetal., 2005; Li and Zhang, 2022; Bardellietal., 2023)、指示成矿可能性等(Loferski and Ayuso, 1995; 胡建等, 2006; Moshefietal., 2016, 2020; Zhangetal., 2016; 杨阳等, 2017; Baidyaetal., 2021; Fengetal., 2021; Mohammadietal., 2021; Kazemietal., 2022; Taghavietal., 2022)。同时,黑云母的成分与岩浆演化和共生矿物密切相关,能提供岩浆演化重要信息(Hoisch, 1989; Abdel-Rahman, 1994, 1996; Brigattietal., 2000; Holdaway, 2000; Samadietal., 2021)。因此,中酸性岩,尤其是花岗质岩石中黑云母一直是矿物岩石学研究的重要内容之一。

以往,对岩浆岩中黑云母的研究多集中于单个岩体或几个岩体,主要用于岩石类型、岩浆演化和物化条件的研究,很少涉及到区域性深部物质及成矿关系方面。黑云母的区域性系统研究是否可以揭示区域性岩浆物源、物理化学条件和深部物质组成信息?是否有望提供区域成矿背景及其规律信息而成为深部物质探测的新途径和方法?岩浆岩及其携带的深源包体是了解深部物质特征的重要窗口(莫宣学, 2011)。目前,已开展了岩浆岩“岩石探针”、同位素示踪填图为核心的深部物质探测技术方法体系的探索(王涛等, 2022及其中的参考文献),并应用于区域岩石圈物质架构探测及其区域成矿制约的深部物质背景及成矿规律的研究,取得重要进展(王涛和侯增谦, 2018; 侯增谦和王涛, 2018; Wangetal., 2023; Zhangetal., 2023)。那么,岩浆岩中造岩矿物地球化学的研究是否也可能成为新的了解深部物质的途径? 这方面的研究值得探索。

图1 秦岭造山带早中生代花岗质侵入体分布(据Wang et al., 2021修改)Fig.1 Distribution of Early Mesozoic granitic intrusions in the Qinling orogen (modified after Wang et al., 2021)

秦岭造山带岩浆和成矿作用发育,特别是早中生代。这些早中生代花岗质侵入体主要分布于西秦岭,在北秦岭和南秦岭构造单元均广泛出露(卢欣祥, 2000; Wangetal., 2013, 2021)。近年,对秦岭早中生代花岗质岩石开展了深入的岩石学、年代学、元素地球化学和同位素等研究,建立了年代学格架,确定了地球化学特征,探讨其演化、成因、物源及与构造环境的关系及成矿作用等,并揭示了秦岭造山带在早中生代的演化、深部物质组成特征等信息(张成立等, 2008; Wangetal., 2011, 2013, 2015, 2021; Qinetal., 2009, 2010, 2013; 徐学义等, 2014; Lietal., 2015; 付长垒等, 2016; Luetal., 2016; Xiongetal., 2016)。但对岩浆结晶过程中主要矿物,特别是暗色矿物的特征及物理化学条件等的整体研究相对较少,对不同期次不同构造单元中暗色矿物的异同、岩浆结晶过程物理化学条件及变化缺乏深入了解。此外,利用暗色矿物成分和演化揭示和提取岩浆演化、成因以及物源特征等的研究较少。这直接影响着花岗质岩石物源和组成与成矿关系的研究,并制约着区域成矿规律的预测。

本文在已有研究的基础上,系统研究秦岭造山带早中生代花岗质岩石的黑云母成分、演化和形成的物化条件,对比和揭示其在不同构造单元中的异同及其物质背景意义,以期探索花岗质岩石中黑云母的研究对区域深部物质组成、构造单元及区域成矿规律的启示,为深部物质探测及其成矿物质背景研究提供新的途径。

1 地质背景

秦岭造山带是中央造山系的主要组成部分, 西接昆仑造山带,东联大别造山带。该造山带构造单元的划分有多种方案(Mattaueretal., 1985; 许志琴等, 1988; 张国伟等, 2001; Meng and Zhang, 1999, 2000; 王宗起等, 2009; Dongetal., 2011; Wu and Zheng, 2013),大多数研究者认同该造山带是由4个构造单元组成,从北到南依次为华北地块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子地块北缘,其间被洛南-栾川断裂、商丹缝合带和勉略缝合带分开(图1)。华北地块南缘是华北地块的一部分,在晚期卷入到秦岭造山带中,其由太古宙-古元古代变质基底和中元古代-中生代的盖层组成(张国伟等, 2001; 第五春荣等, 2018)。北秦岭主要由元古宙-古生代变质岩组成,其中包括秦岭、宽坪和二郎坪杂岩体及丹凤群(Dongetal., 2011)。南秦岭主要由元古宙结晶基底和晚元古代-三叠纪沉积盖层组成(张国伟等, 2001; 陆松年等, 2004)。扬子地块北缘由新太古代-元古宙变质基底和显生宙沉积盖层组成(张国伟等, 2001)。商丹断裂带是早-中古生代商丹洋俯冲及其之后的华北地块与南秦岭碰撞的产物(Meng and Zhang, 2000; Dongetal., 2011; Dong and Santosh, 2016)。勉略缝合带是勉略洋关闭形成的(Lietal., 1996; 张国伟等, 2001; Xuetal., 2002; Dongetal., 2004; Dong and Santosh, 2016)。

秦岭造山带古生代和中生代的岩浆作用最发育。古生代花岗质侵入体主要分布在北秦岭,记录了华北地块与南秦岭俯冲增生和碰撞过程(Wangetal., 2009, 2013)。早中生代花岗质侵入体主要出现在西秦岭,是勉略洋俯冲和(或)华北地块与扬子地块碰撞的结果(Dongetal., 2011; Wangetal., 2013; Dong and Santosh, 2016)。晚中生代花岗质岩石属于中国东部大火成岩省的一部分(Dongetal., 2011; 王晓霞等, 2011; Wangetal., 2013)。

2 秦岭造山带早中生代花岗质岩石的期次及岩相学特征

秦岭早中生代花岗质岩浆活动十分强烈,主要分布在商州以西的秦岭地区(张成立等, 2008; Wangetal., 2013)。北秦岭构造单元中,早中生代花岗质岩体主要侵位于前奥陶系古老变质岩系中;南秦岭构造单元中,多出露于古生代浅变质地层中。这些早中生代花岗质岩体的岩石类型以花岗闪长岩、二长花岗岩为主,其次为石英闪长岩、黑云母花岗岩和钾长石花岗岩等。主要岩体的岩石类型和矿物组成见表1。多数岩体中发育岩浆暗色包体,岩相分带明显。如南秦岭的中川岩体(约210km2)和碌础坝岩体(约170km2)侵位于泥盆系碳酸盐岩-陆源碎屑岩、砂板岩和千枚状板岩中,岩体中不同岩性在平面上呈同心圆状分布。中川岩体由外向内依次为似斑状黑云母二长花岗岩→含斑中粒黑云母二长花岗岩→中细粒黑云母二长花岗岩;碌础坝岩体由外向内依次为黑云母石英闪长岩→似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩→含斑电气石黑云二长花岗岩和含斑细粒黑云母二长花岗岩。两个岩体边部的似斑状黑云母二长花岗岩中岩浆暗色包体发育,向内逐渐减少,中心不发育。也有一些岩体岩浆暗色包体不发育,如侵位于古生代变质碎屑岩中的柏家庄岩体(约150km2)、光头山岩体(约900km2)和胭脂坝岩体(530km2)等。柏家庄岩体以黑云母二长花岗岩为主,其次为二云母二长花岗岩;光头山岩体以花岗闪长岩为主,其次为二云母花岗岩;胭脂坝岩体以黑云母花岗岩为主,其次为二云母花岗岩。

研究显示,秦岭早中生代花岗质岩浆作用可分为252～230Ma、230～198Ma和190～185Ma三期(图1;Wangetal., 2021)。第一期主要分布在北秦岭的西段,部分位于中段;第二期最发育,在北秦岭和南秦岭构造单元中广泛分布,在华北地块南缘和扬子地块北缘零星出露;第三期在北秦岭和南秦的中部零星出露。

第一期花岗质岩体无变形或变形很弱,呈椭圆状,岩体中可见岩浆暗色包体,呈浑圆状,与寄主岩石界限明显。岩体的主要岩石类型为石英闪长岩和花岗闪长岩,一般为半自形粒状结构,块状构造。石英闪长岩主要由斜长石、钾长石、角闪石、黑云母组成。斜长石(45%～50%)呈半自形-自形板状,粒径0.5～3mm,发育聚片双晶,可见环带结构;钾长石(5%～10%)呈半自形-他形板状,粒径0.5～2.5mm;石英(5%～15%)呈他形粒状,粒径0.5～2mm;角闪石(5%～10%)呈柱状,粒径0.1～1.5mm;黑云母(10%～15%)多为褐色-褐绿色,多色性明显,半自形片状,粒径0.3mm×0.5mm～0.8mm×2mm。副矿物为磷灰石、锆石、榍石、磁铁矿等。花岗闪长岩主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母及少量角闪石组成。斜长石(45%～50%)呈半自形-自形板状,粒径0.5～3mm,发育聚片双晶,可见环带结构;钾长石(10%±)呈半自形-他形板状,粒径0.5～2.5mm;石英(20%～25%)呈他形粒状,粒径0.5～3mm;黑云母(15%～20%)多为浅褐色-深褐色,半自形片状,粒径0.4～1.5mm;角闪石(5%±)呈柱状,粒径0.5～2mm。副矿物与石英闪长岩相同。岩浆暗色包体一般为闪长质,细粒半自形粒状结构,块状构造,主要由黑云母(15%～20%)、角闪石(15%～20%)、辉石(0～5%,不规则状出现在角闪石中)、石英(3%～7%)、斜长石(35%～45%)和碱性长石(5%±)组成,有的暗色包体中含有钾长石巨晶,副矿物为榍石、磁铁矿、针状磷灰石、锆石等。

第二期花岗质岩体为不规则状或圆形,无变形。多数岩体中发育岩浆暗色包体,形态大多呈浑圆状、椭圆状、不规则状,岩浆暗色包体与寄主岩石的界线截然,有的呈渐变关系。岩体的主要岩石类型为石英二长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩,其次为环斑结构花岗岩(Wangetal., 2011)和埃达克质岩石(张成立等, 2008),具半自形粒状结构和块状构造。石英二长岩的斜长石(30%～35%)呈半自形-自形板状,粒径0.5～2mm,发育聚片双晶,偶见环带结构;钾长石(25%～30%)呈半自形-他形板状,粒径0.5～2.5mm;石英(10%～15%)呈他形粒状,粒径0.5～2mm;黑云母(5%～10%)多为褐色-褐绿色,半自形片状,粒径0.3mm×0.5mm～0.8mm×2mm;角闪石(3%±)呈柱状,粒径0.1～1mm。副矿物为磷灰石、锆石、榍石、磁铁矿等。花岗闪长岩与第一期中的特征基本一致,但角闪石含量较少。二长花岗岩是第二期的主要岩石类型,具似斑状、中粒和细粒结构。似斑状二长花岗岩中的斑晶主要为钾长石,粒度普遍较大,最大可达2cm×3cm,占矿物总体积的15%～20%,局部可见斑晶聚集的现象。基质为中-粗粒结构,其中斜长石(25%～30%)呈半自形板状,以更长石为主,少量中长石,发育聚片双晶和环带结构;石英(20%～30%),呈他形粒状,粒径0.5～2mm;钾长石(15%～20%)半自形-他形板状,可见简单双晶和条纹结构;黑云母(5%～8%),半自形片状;角闪石(<3%)呈半自形柱状,粒径为0.5mm×1.5mm。副矿物有锆石、榍石、磁铁矿、磷灰石等。中粒二长花岗岩,可见含斑结构(斑晶主要为钾长石,含量<5%),主要矿物组成为钾长石(35%～40%)、斜长石(30%～35%)、石英(25%～30%)、黑云母(3%～8%)和角闪石(<2%)。副矿物为磷灰石、锆石、榍石、磁铁矿等。细粒二长花岗岩与中粒二长花岗岩的不同主要是暗色矿物含量明显少,有的细粒二长花岗岩中出现白云母±石榴子石,其他特征基本一致。环斑结构花岗岩和似斑状二长花岗岩的区别在于钾长石巨晶发育环斑结构。埃达克质岩石可以是二长花岗岩和/或花岗闪长岩等岩石类型,在地球化学上具有高Sr、低Y特征。

第三期花岗质岩石一般不成独立岩体产出,常与第二期岩体组成复式岩体或呈岩脉产出。主要岩石类型为二长花岗岩,半自形粒状结构,主要矿物组成斜长石(25%～30%)、钾长石(35%～40%)、石英(20%～25%)和黑云母(5%～8%)。副矿物为榍石、磷灰石、锆石、磁铁矿等。

3 分析方法、样品及数据处理

黑云母的电子探针分析在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。所用的仪器是日本电子JOEL公司生产的JXA-8230型电子探针分析仪和配备有4道/5道波谱仪的JXA-iHP200F电子探针分析仪。测试工作条件为:加速电压15kV,加速电流20nA,束斑直径5μm。所有测试数据均进行了ZAF校正处理(Yangetal., 2022)。测试元素使用天然矿物或合成氧化物作为标样,元素标样及检测限如下:Cl(NaCl, 检出限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)。

图2 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母主要成分变化特征Fig.2 Major chemical composition changes of biotite from Early Mesozoic granitic rocks of the Qinling orogen

依据前文所述秦岭早中生代花岗质岩石的形成期次,将这些岩石中的黑云母也相应地分为三期。因第三期花岗岩分布局限,本次以在北秦岭和南秦岭广泛分布的第一期和第二期花岗质岩体(20个)中不同岩石类型(包括岩浆暗色包体)的黑云母为研究对象。在显微镜下挑出新鲜未蚀变的黑云母样品221件,进行电子探针分析,分析结果见电子版附表1。同时,本次还收集了7个秦岭早中生代花岗质岩体的黑云母电子探针分析结果(95件)。对本次和收集的黑云母电子探针分析数据统一采用林文蔚和彭丽君(1994)的方法,计算了Fe2+和Fe3+,在此基础上,以22个氧原子为单位计算其阳离子数及相关参数。分析和计算结果见附表1。

黑云母的结晶温度、压力和氧逸度分别用下列方法计算。

黑云母的结晶温度用黑云母Ti温度计(Henryetal., 2005)计算。

T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}0.333。式中,T为温度(℃),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。

黑云母的压力用黑云母Al压力计(Uchidaetal., 2007)计算。

P(GPa)=10×(3.03×TAl-6.35)(±0.033)。式中,TAl是以22个氧原子为基础计算的黑云母中铝阳离子数总和。

黑云母的氧逸度利用Wones (1989)提出的氧逸度公式计算。

logfO2=-30930/T+14.98+0.142×(10×P-1)/T。式中,T为温度(K),P为压力(GPa)。

图3 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)图解(底图据Foster, 1960)图中的离子为计算出的阳离子数,见附表1Fig.3 Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn) diagram of biotite of Early Mesozoic granitic rocks of the Qinling orogen (after Foster, 1960)

4 黑云母地球化学特征及其形成物理化学条件

4.1 黑云母地球化学特征

黑云母的成分特征显示,北秦岭花岗质岩石及其中暗色包体中黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)一般为0.3～0.6,南秦岭的为0.3～0.8;北秦岭黑云母MgO(8%～13%)、TiO2(3%～5%)含量较高,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%)的含量变化小,但Cl(0.02%～0.6%)的含量变化大;南秦岭的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%)的含量变化大,Cl(0.01%～0.18%)的含量低(附表1、图2)。这表明北秦岭和南秦岭花岗质岩石中黑云母的成分存在明显差异。因此,北秦岭第一期黑云母为Mg-黑云母,第二期为Mg-黑云母和Fe-黑云母;南秦岭第一期为Mg-黑云母和Fe-黑云母,第二期成分变化范围大,从Mg-黑云母到铁叶云母,以Mg-黑云母和Fe-黑云母为主要,其中,岩浆暗色包体不发育的岩体中,黑云母以Fe-黑云母和铁叶云母为主(图3)。

图4 秦岭造山带不同构造单元中早中生代花岗闪长岩中黑云母成分差异Fig.4 Difference of biotite compositions of Early Mesozoic granodiorite in different tectonic units of the Qinling orogen

其次,北秦岭和南秦岭同一岩石类型中,黑云母的成分也显示出不同,如北秦岭第一期和第二期花岗闪长岩中黑云母SiO2含量比南秦岭的普遍变化范围小,TiO2含量高,Al2O3含量低(附表1、图4),也进一步表明两个构造单元中早中生代花岗质岩石中黑云母的成分差异。

再者,北秦岭和南秦岭不同花岗质岩体中,寄主岩石和岩浆暗色包体中的黑云母在成分上也有差异。如北秦岭同一岩体寄主岩石和岩浆暗色包体中黑云母的MgO、TiO2的含量普遍比南秦岭的高,而Al2O3、FeO的含量比南秦岭的低(附表1、图5),也显示出两个构造单元中同时代花岗质岩石中黑云母成分的不同。

4.2 黑云母结晶的物理化学条件

4.2.1 温度

秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母的结晶温度为536～771℃,其中,北秦岭的黑云母形成温度为682～771℃,南秦岭的为536～754℃,表明南秦岭黑云母的形成温度比北秦岭的低,变化范围大,岩浆暗色包体不发育的岩体中黑云母形成温度比较低(附表1、图6)。

4.2.2 压力

北秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母结晶压力为0.05～0.19GPa,南秦岭的为0.03～0.43GPa(以0.06～0.38GPa为主),变化范围大,其中岩浆暗色包体不发育,具有黑云母+白云母±石榴子石的岩体中黑云母形成压力最大,多数集中在0.25～0.40GPa之间(附表1)。在出现角闪石的花岗质岩石中,利用黑云母和角闪石两种压力计计算的结果具有一致性(另文专述)。同一岩体由早到晚,从似斑状二长花岗岩到细粒二长花岗岩黑云母形成压力有增加趋势,如中川岩体似斑状二长花岗岩中黑云母结晶压力为0.11～0.16GPa,含斑二长花岗岩的为0.16～0.28GPa,细粒二长花岗岩0.35～0.42GPa。秦岭早中生代花岗质岩石形成的压力与温度显示出负相关趋势(图7,原因见讨论部分)。

图6 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母Ti-Mg/(Mg+Fe) 图解(底图据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)

图7 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母的P-T相关图Fig.7 P-T diagram of biotite from the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

4.2.3 氧逸度

黑云母中镁的富集程度与岩浆结晶时的氧逸度有关。高氧逸度下结晶的黑云母富镁,磁铁矿的含量高,低氧逸度下结晶的黑云母富铁,磁铁矿含量低(Castro and Stephen, 1992)。北秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母MgO的含量较高,Mg/(Mg+Fe+Mn)比值较大(0.42～0.78),表明其形成于中偏高的氧逸度条件下;南秦岭黑云母MgO的含量变化范围大,Mg/(Mg+Fe+Mn)比值变化范围大(0.17～0.79),表明其形成于氧逸度变化较大的条件下。在氧逸度与黑云母成分的相关图解中(图8),北秦岭的黑云母基本位于Fe3O4-Fe2O3和Ni-NiO之间,南秦岭的变化较大,位于Fe3O4-Fe2O3和Fe2SiO2-SiO2-Fe3O4之间,以介于Fe3O4-Fe2O3和Ni-NiO之间为主,南秦岭第二期岩浆暗色包体不发育的岩体中黑云母结晶的氧逸度比其他岩体的低。

另外,南、北秦岭构造单元中花岗质岩石均具有榍石+磁铁矿+石英矿物组合,利用Wones (1989)氧逸度计算方法计算结果显示,北秦岭花岗质岩石的氧逸度(logfO2值)为-16.96～-14.62(仅3个样品点小于-17), 南秦岭的为-24.00～-15.08(附表1、图9),如果考虑到黑云母+白云母±石榴子石的岩石压力估算比较高,除去具有这样组合的岩石外(原因见后面的讨论),南秦岭黑云母的logfO2值主要在-20.88～-15.08之间,整体比北秦岭的低,变化范围大。即北秦岭早中生代花岗质岩石结晶时的氧逸度比南秦岭的高,变化范围小。

图8 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母的氧逸度(底图据Wones and Eugster, 1965)图中的离子为计算出的阳离子数,见附表1Fig.8 Oxygen fugacity of biotite from the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling Orogen (after Wones and Eugster, 1965)

图9 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母氧逸度直方图Fig.9 Histogram of biotite oxygen fugacity of Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

图10 秦岭造山带早中生代花岗质岩石黑云母的MgO-FeOT/(FeOT+MgO)图解(底图据周作侠, 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 讨论

5.1 黑云母成分、形成物理化学条件与源区物质、岩浆演化及矿物组合的关系和启示

花岗质岩石中黑云母的成分与岩石的物源相关。在秦岭造山带,早中生代发育和不发育岩浆暗色包体的花岗质岩体中,黑云母的成分不同。与岩浆暗色包体不发育的岩体相比,岩浆暗色包体发育的岩体中,黑云母的MgO、TiO2、Na2O含量较高,Al2O3、FeO含量较低(图2、图10、附表1)。这与岩石地球化学的研究结果基本一致(Wangetal., 2013, 2021; Luetal., 2016),揭示了岩石成因类型或物源的差异。发育岩浆暗色包体的岩体具有壳幔混合特点(Qinetal., 2009, 2010; Wangetal., 2011, 2021),无岩浆暗色包体的岩体主要是地壳物质部分熔融的结果(Luetal., 2016)。同时,寄主岩石和岩浆暗色包体中,黑云母的成分也不同。与岩浆暗色包体相比,寄主岩石中的黑云母FeO、Al2O3含量高,MgO、TiO2含量低(图5),也反映了成因或物源的不同。

花岗质岩体中黑云母的成分也与岩浆演化程度相关。秦岭早中生代花岗质岩体多数具有明显的岩相分带,中川岩体就是其典型代表。该岩体出露面积较大,由外向内依次为似斑状黑云母二长花岗岩(221±1Ma)→含斑黑云母二长花岗岩→细粒黑云母二长花岗岩(217±1Ma)(柯昌辉等,2020)。该岩体中黑云母成分从外向内,Al2O3的含量增加,FeO、MgO、MnO和TiO2的含量减少;其中,含斑黑云母二长花岗岩中的黑云母成分变化范围较大(图11)。同时,碌础坝岩体中黑云母成分从似斑状黑云母二长花岗岩→中-粗粒黑云母二长花岗岩→细粒黑云母二长花岗岩也具有相似的变化特征(附表1)。这表明在岩浆演化过程中,黑云母的成分有向富Al2O3,贫FeO、MgO、MnO和TiO2方向演化的趋势。

花岗质岩石中黑云母的成分还受岩石中矿物共生组合的影响。在具有黑云母+白云母±石榴子石组合的花岗质岩石中,黑云母Al2O3含量比其他岩石类型的高,而FeO、MnO、MgO和TiO2含量较低。如秦岭中川岩体中,细粒黑云母二长花岗岩中出现少量白云母,其黑云母Al2O3的含量明显比其他岩石类型的高,而FeO、MgO、MnO和TiO2相对较低(图11)。再如秦岭的胭脂坝和烂板凳花岗质岩体中常出现黑云母+白云母±石榴子石组合(表1),这些岩体中的黑云母比其他岩体中的富Al2O3,贫FeO、MgO和TiO2等(附表1)。这与伊朗北部和中部的黑云母及全球GEOROC数据库中黑云母的对比研究结果是一致的(Samadietal., 2021),即在花岗质岩石中,与白云母±石榴子石共生的黑云母具有富Al,贫Fe、Mg和Ti等的特征。其原因是,在岩浆结晶过程中,岩浆足够的富铝,才能出现白云母+黑云母富铝相,白云母的XMg对Ti在黑云母与白云母之间的分配起主导作用(Yang and Rivers, 2000),在黑云母+白云母±石榴子石共生的岩石中,随着分离结晶作用的进行,黑云母的MgO含量减少,Al2O3的含量增加(Samadietal., 2021)。

图11 秦岭造山带早中生代花岗质岩石黑云母成分与岩浆演化的关系Fig.11 Correlation between biotite composition and magmatic evolution of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

图12 秦岭造山带早中生代花岗质岩石黑云母压力与矿物组合关系Fig.12 Relationship between biotite pressure and mineral association of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

黑云母成分是判别花岗质岩石成因和估算岩浆结晶物理化学条件的重要手段之一。在揭示这些特征时,经常涉及到黑云母的MgO、TiO2、Al2O3含量及相关参数,因此,在应用时要考虑岩石中矿物组合和岩浆演化等影响因素,特别是估算压力时。如秦岭中川岩体,随着岩浆结晶作用的进行,岩石中黑云母的TiO2、FeO、MgO含量降低,估算出的结晶温度逐渐降低,反应了岩浆演化的冷凝结晶过程。但随着结晶作用的进行,晚期的细粒黑云母二长花岗岩中出现少量的白云母,黑云母的Al2O3含量增加,而在估算压力时,黑云母的Al2O3含量是重要参数。因此,在中川岩体中,用黑云母计估算出的压力从似斑状黑云母二长花岗岩的0.11～0.16GPa,到含斑黑云母二长花岗岩的0.16～0.28GPa,再到细粒黑云母二长花岗岩的0.35～0.42GPa,变化较大,出现黑云母+白云母的细粒黑云母二长花岗岩形成的压力最大(图12)。再如,秦岭的胭脂坝和烂板凳岩体中所有的岩石几乎均出现黑云母+白云母±石榴子石的组合,因此,在这些岩体中由黑云母估算出的压力比其他岩体的高(0.25～0.35GPa)。由此可见,从估算的温度来看,岩浆演化晚期出现白云母±石榴子石的岩石中黑云母结晶温度比其他岩石类型的低(图12),基本符合岩浆演化冷凝结晶过程,即随着岩浆结晶作用的进行,温度逐渐减低,但用其估算出的压力却逐渐升高,与岩体定位的实际情况相悖。因此,利用黑云母估算压力时,需要慎重,需要考虑岩石中的矿物组合等因素的影响。

由上可见,秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母的成分和形成条件的不同除了受岩浆演化、岩石类型和矿物组合等的影响外,主要与岩石的成因或物源有关。

5.2 黑云母成分揭示不同构造单元深部物质组成有差异

岩浆岩中黑云母的成分特征与岩浆成因或物源关系密切。一般碱性岩中的黑云母高Na、低F;酸性岩中高Fe(Mn);中性岩中高Mn和Na;基性和超基性岩中高Mg和Ti(Samadietal., 2021),那么成分相似的岩浆岩,如花岗质岩石,其成分上的差异(在考虑岩浆演化等的基础上),特别是区域范围内成分上的差别,是否也可能提供岩浆物源差异的信息?

图13 秦岭造山带早中生代花岗质岩石锆石Hf同位素组成(据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)

对北秦岭和南秦岭构造单元早中生代花岗质岩石中黑云母主要成分的对比研究显示,这两个构造单元中黑云母的成分存在着系统的差异(图2、附表1)。北秦岭的黑云母整体比南秦岭的成分变化范围小,MgO、TiO2、Cl含量较高,AI2O3和SiO2的含量较低;同时,即使是同一岩石类型,如花岗闪长岩中的黑云母成分在南、北秦岭构造单元上也有差异,北秦岭的成分变化范围明显比南秦岭的小,具有高MgO、TiO2,低Al2O3的特征(图6)。

图14 秦岭造山带早中生代花岗质岩石的Nd (a)和锆石Hf (b)同位素组成与其黑云母MgO含量的关系Nd和Hf同位素来自Wang et al., 2021,为作者之前的研究,与所研究的黑云母基本为同一样品,Hf同位素是同一样品不同测点的平均值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、北秦岭早中生代花岗质岩石的全岩Nd和锆石Hf同位素组成不同,北秦岭这些同位素组成变化范围比南秦岭小(Wangetal., 2021)。北秦岭花岗质岩石全岩的εNd(t)值变化于-12.6～-0.2之间(主要为-9.0～-2.2),tDM(Nd)变化于0.89～1.99Ga之间(主要为1.06～1.75Ga),锆石εHf(t)为-9.7～+4.1(主体为-5.83～-0.28),tDM(Hf)为0.94～1.71Ga(主体为1.19～1.49Ga);南秦岭的εNd(t)值为-12.8～-0.6(主要为-11～-2.4),tDM(Nd)为0.94～2.02Ga(主要为1.01～1.78Ga),锆石εHf(t)为-12.2～+3.8(主要-7.65～-1.05),tDM(Hf)为1.24～1.86Ga(主要1.31～1.74Ga)(Wangetal., 2021; 图13)。全岩Nd和锆石Hf同位素示踪填图揭示,北秦岭和南秦岭在早中生代地壳深部物质组成不同,北秦岭深部物质比南秦岭相对年轻,南秦岭的组成较复杂、变化较大(Wangetal., 2021)。

同时,秦岭早中生代花岗质岩体中同一岩石类型的全岩Nd同位素和锆石Hf同位素与其黑云母的成分具有一定的相关性,如Nd和Hf同位素组成与黑云母MgO的含量具有大致的正相关性趋势(图14)。这些特征揭示,这两个构造单元中黑云母成分的差异与南、北秦岭早中生代花岗质岩石的同位素组成和其揭示的深部物质组成差异是一致的,或者说是吻合的。因此,黑云母的成分,特别是区域上同时代花岗质岩石中黑云母成分的对比研究,也可以反映该区域同时代花岗岩的物源差异,也可为区域深部物质背景、区域性花岗质岩石源区的判别以及不同构造单元的区别提供新的信息。可见,不仅岩浆岩及其携带的深源包体是探索深部物质特征的窗口(莫宣学, 2011),岩浆岩的造岩矿物也可获得深部物质的信息。

图15 秦岭造山带早中生代花岗质岩石中黑云母Cl (a)和F (b)含量方图Fig.15 Histograms of biotite Cl (a) and F(b) content of the Early Mesozoic granitic rocks in the Qinling orogen

5.3 黑云母成分和形成条件对不同构造单元成矿的指示意义

另外,岩浆中的挥发性元素,如F和Cl,在岩浆和岩浆-热液矿床的形成中起着重要作用。一般认为斑岩铜矿体系是富集Cl的(Munoz, 1984; Loferski and Ayuso, 1995)。富集Cl的流体易于从熔体中吸取Cu,并携带其运移(Keppler and Wyllie, 1991),Cl的络合物是Cu运移的主要载体(Ruaya, 1988; Xiaoetal., 1998)。花岗质岩石中黑云母高Cl、低F,或高Cl/F 比值更有利于斑岩铜矿的形成(Tangetal., 2019; Kazemietal., 2022)。北秦岭和南秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母的F和Cl含量有明显差异,北秦岭的高Cl、低F,而南秦岭的低Cl、高F(附表1、图15)也显示出北秦岭形成铜矿的潜力比南秦岭大。

事实上,目前的研究表明,北秦岭和南秦岭构造单元中与早中生代花岗质岩石有关的成矿特征是不同的(Maoetal., 2002; 陈衍景等, 2004; 朱赖民等, 2009; Liuetal., 2015, 2016; 张涛等, 2015; Wuetal., 2018; 刘家军等, 2019; 杨合群等, 2022)。北秦岭与早中生代花岗质岩石有关的矿产以铜多金属矿为主,如谢坑铜金铁矿,年木耳铜砷矿,双朋西、铁吾西、德合隆洼铜金矿,江里沟铜钨钼矿,阿姨山铜钨矿,德乌鲁和布拉沟铜砷矿等;南秦岭则以金多金属矿为主,如早子沟、李坝、王河、赵沟、阳坡、金山、马泉、崖湾等金矿, 寨上金钨矿,大桥、夏德日金锑矿等。由此可见,南秦岭和北秦岭早中生代花岗质岩石中黑云母的成分及形成条件的差异,特别是挥发性元素和氧逸度的不同,可以为揭示其成矿特征的不同提供新信息。因此,对区域上同时代花岗质岩石中黑云母成分和形成条件的研究对区域成矿特征也具有重要的指示意义。

6 结论

(1)秦岭造山带南、北构造单元早中生代花岗质岩石中黑云母的成分和形成的物理条件有系统差异。北秦岭的黑云母成分变化范围较小,具较高的MgO、TiO2和Cl含量,早期为Mg-黑云母,晚期为Fe-黑云母;南秦岭的成分变化范围较大,具低Cl、高F的特征,早期为Mg-黑云母到Fe-黑云母,晚期从Mg-黑云母到铁叶云母,变化范围大。北秦岭的黑云母形成温度(682～771℃)和氧逸度(-16.96～-14.62)较高,而南秦岭的形成温度(536～754℃)和氧逸度(-20.88～-15.08)相对较低。

(2)花岗质岩石中黑云母的成分与岩石的物源、岩浆演化程度和矿物共生组合相关。岩浆暗色包体发育(壳幔混源)的岩体比岩浆暗色包体不发育(壳源为主)的岩体中黑云母MgO、TiO2、NaO2含量高,而Al2O3、FeO含量低;同时,寄主岩石的黑云母比岩浆暗色包体的高FeO、Al2O3含量,低MgO、TiO2含量;在花岗质岩浆演化过程中,黑云母的成分是向富Al2O3,贫FeO、MgO、MnO和TiO2方向演化的;在具有黑云母+白云母±石榴子石的花岗质岩石中,黑云母Al2O3含量较高,FeO、MnO、MgO和TiO2含量较低。因此,在利用黑云母估算岩浆结晶的物理条件时,需要考虑岩浆演化和矿物共生组合因素,特别是当岩石中出现黑云母+白云母±石榴子石组合时,估算压力需要慎重。

(3)南、北秦岭构造单元早中生代花岗质岩石中黑云母成分的变化规律与花岗质岩石全岩Nd同位素和锆石Hf同位素示踪揭示的深部物质组成的变化特征一致,即北秦岭深部物质组成比南秦岭的相对年轻,而且,黑云母成分变化与同位素变化,如全岩Nd同位素与黑云母MgO的含量呈现良好的线性关系。这表明花岗质岩石中黑云母成分的区域性变化反映了不同构造单元深部物质的变化,可以作为深部物质探测的一种新途径和方法。同时,黑云母成分和形成物理条件的差异还提供了成矿种类和背景信息,如北秦岭形成铜矿的条件比南秦岭好。这也表明,黑云母的成分和形成物理条件也记录了区域成矿特征和潜力的重要信息,也可视为获取区域成矿物质背景和规律的一种途径。

致谢非常感谢两位评审人的宝贵意见和建议!