华北陆块南缘老牛山杂岩体岩石成因：来自黑云母的信息

齐秋菊，王晓霞，柯昌辉，李金宝

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局资源调查与评价研究院，江苏 南京 210007； 2.中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037;3.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

秦岭造山带是中国大陆中央造山带(系)的重要组成部分，由2个主缝合带(商丹缝合带和勉略缝合带)和3个块体(华北陆块南缘及北秦岭、秦岭微地块、扬子地块)组成[1-2]。秦岭造山带主要经历了新元古代、古生代和中生代造山作用和构造运动。其中，中生代又划分为两个阶段：早中生代，构造岩浆热事件主要发育于西秦岭、南秦岭[3-6]，奠定了秦岭造山带基本构造格架；晚中生代，构造岩浆热事件[7-11]主要集中发育于东秦岭，形成巨量的花岗岩体，如呈岩基产出的老牛山、华山、太山庙、合峪等岩体，以及呈小斑岩体产出的与大中型钼矿有关的金堆城、石家湾、南泥湖、木龙沟、八宝山、上房沟、黄背岭、雷门沟等岩体。老牛山岩体是一个岩浆杂岩体，主体形成于晚侏罗世(燕山期)，锆石年龄为(146±1)～(152±1)Ma[12-14]，其次为晚三叠世(印支期)，锆石年龄为(214±1)～(228±1)Ma[12,15]。老牛山杂岩体的地球化学特征表明其属于I型花岗岩，同位素特征显示其成岩物质来源于古老地壳[12，16]。前人研究资料显示老牛山杂岩体在岩石学、年代学、元素和同位素地球化学及构造等方面取得了丰硕成果，但是对岩浆结晶过程中的物理化学条件研究缺乏，特别是不同期次岩浆演化过程中的物理化学条件变化仍不清楚。黑云母化学特征研究能够有效地反映成岩过程物理化学条件变化，提供成岩物质来源、形成环境等方面的信息[17-20]。本文在系统的野外调查和岩相学观察基础上，开展老牛山杂岩体黑云母电子探针分析，进一步探讨其岩石成因和源区特征，深化对秦岭中生代花岗岩成因和岩浆演化的认识。

1 区域地质概况

华北陆块南缘由结晶基底和盖层两部分组成，结晶基底为晚太古代(2.6～2.9 Ga)片麻岩、麻粒岩和混合岩[1]。中元古代(1 770～1 780 Ma)熊耳群不整合覆盖于基底岩石之上，中元古代变碎屑岩和新元古代滨海相碳酸盐岩覆盖于熊耳群之上；寒武纪—早奥陶世碎屑岩和碳酸盐岩广泛发育，但是缺失中奥陶世，中—晚石炭世夹海相碳酸盐岩和煤线的陆源碎屑岩不整合覆盖于太古代和元古代地层上，二叠纪含煤线的陆源碎屑岩覆盖于上—中石炭统之上，随后依次出现三叠纪冲积相碎屑岩地层、侏罗纪陆相地层以及白垩纪陆相火山沉积岩[21-22]。研究区岩浆岩广泛发育，岩浆侵入活动频繁、强烈并伴有火山喷发作用，岩浆作用贯穿区内整个演化历史，东秦岭华北陆块岩浆活动主要发生在晚太古代—早元古代以后，而晚中生代(燕山期)中酸性斑岩类尤其是花岗岩广泛出露，总体面积约占本区上地壳面积的8%。

图(a)引自文献[15]；图(b)引自文献[15]和[25]图1 秦岭造山带构造简图及老牛山杂岩体地质图Fig.1 Sketch Tectonic Map of Qinling Orogen and Geological Map of Laoniushan Granitoid Complex

老牛山杂岩体位于华北陆块南缘，为一大型花岗岩基[图1(a)]，出露面积为440 km2，呈NE70°展布，出露位置中心地理坐标为(34°20′N,109°45′E)，侵位于太古宇太华群黑云角闪斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和中元古代熊耳群变细碧岩和铁铜沟组中。岩体边缘见有片麻岩和火山岩捕虏体以及岩体侵入所产的接触变质带，宽一般为500～1 000 m[23]。孙晓明等曾把该岩体分为4期：第一期为角闪二长岩，呈岩株状；第二期为黑云母闪长花岗岩，是该岩体的主体，占岩体总面积的89%，可分为中心相及边缘相，中心相为似斑状结构，斑晶主要是自形钾长石，最大可达到6.3 cm×2 cm，呈肉红色，边缘相为粗粒结构；第三期为黑云角闪二长岩及角闪二长花岗岩，呈肉红色岩株状；第四期为局部可见的二长斑岩脉[24]。齐秋菊等根据野外观察及锆石U-Pb定年，将老牛山杂岩体形成时期分为印支期和燕山期[12]。其中，印支期岩石类型为石英二长岩、石英闪长岩和粗粒黑云母二长花岗岩，主要出露在岩体的中部；燕山期为中粒—中粗粒黑云母二长花岗岩和细粒黑云母二长花岗岩，且以中粒—中粗粒黑云母二长花岗岩为主。暗色包体在老牛山杂岩体各期花岗岩中均可见，多呈椭圆状，与寄主岩石呈截然接触。

2 岩相学特征

本次研究是在石堤峪[图1(b)中A—B剖面]、东涧峪[图1(b)中C—D剖面]两条实测剖面的基础上进行的，主要岩性界限及样品采集点详见图1(b)。

2.1 石英二长岩

石英二长岩为印支期花岗岩，其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(223.06±0.88)Ma[12]，主要出露在石堤峪剖面，位于岩体的东南部，被粗粒黑云母二长花岗岩侵入。岩石呈灰白色，具中细粒结构和块状构造。组成矿物有钾长石(体积分数为20%～35%)、斜长石(40%～55%)、石英(5%～10%)、黑云母(10%～20%)及少量角闪石。石英粒径1～4 mm；斜长石呈半自形板状、板柱状，聚片双晶发育，粒度为0.5 mm×2 mm～2 mm×4 mm，局部发生绢云母化；钾长石呈半自形—他形，格子双晶发育，具条纹结构，粒度与斜长石相似，局部发生高岭土化；黑云母呈褐色，多色性明显，呈鳞片状、片状，发育一组解理，粒度为0.5 mm×0.75 mm～0.75 mm×2 mm，局部绿泥石化。石英和长石接触部位可见蠕虫状结构[图2(a)]。

2.2 粗粒黑云母二长花岗岩

粗粒黑云母二长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(214.34±0.74)Ma[12]，为印支期花岗岩，在石堤峪剖面和东涧峪剖面均有出露。岩石呈灰白色，具粗粒花岗结构、似斑状结构和块状构造。斑晶为钾长石，呈长柱状，粒度大者可达15 mm×25 mm，发育格子双晶[图2(b)]，斑晶中有小的石英、黑云母、斜长石、磁铁矿包裹体(体积分数为5%～8%)，基质由钾长石(20%～40%)、斜长石(20%～35%)、石英(20%～30%)、黑云母(10%～20%)组成。石英呈他形，粒径为4.0～5.5 mm；钾长石呈半自形—他形，发育格子双晶和简单双晶，具条纹结构，粒度为1 mm×2 mm～2 mm×6 mm，局部发生高岭土化；斜长石呈半自形—自形板状、板柱状，具细而密的聚片双晶，粒度为2 mm×4 mm～3 mm×10 mm， 局部发生绢云母化；黑云母呈片状，具多色性，发育一组解理，粒度为2 mm×4 mm～4 mm×6 mm。蠕虫状结构常见[图2(c)]。

2.3 中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩

中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩是老牛山杂岩体的主体岩性，LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(151.78±0.47)Ma[12]，为燕山期花岗岩，岩石矿物组成及特点基本与印支期粗粒黑云母二长花岗岩相同，只是粒度上有差别。岩石呈灰白色，具中粒—中粗粒花岗结构、似斑状结构和块状构造。斑晶为钾长石[图2(d)]，呈长柱状，粒度大者可达10 mm×15 mm，发育格子双晶、条纹结构，斑晶中有小的石英、黑云母、斜长石、磁铁矿包裹体(体积分数为5%～8%)，基质由钾长石(20%～40%)、斜长石(20%～35%)、石英(20%～30%)、黑云母(10%～15%)组成。石英粒径为2～4 mm；钾长石呈半自形—他形，发育格子双晶和简单双晶，具条纹结构，粒度为1 mm×2 mm～2 mm×4 mm，局部发生高岭土化；斜长石呈半自形—自形板状、板柱状，发育聚片双晶、环带结构[图2(d)]，粒度为2 mm×2 mm～3 mm×4.5 mm，局部发生绢云母化；黑云母呈片状，具多色性，发育一组解理，粒度为1 mm×2 mm～2 mm×3 mm。钾长石中可见蠕虫状结构[图2(d)]。

3 黑云母特征

本次样品采自老牛山杂岩体印支期石英二长岩和粗粒黑云母二长花岗岩、燕山期中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩，对其中的黑云母进行电子探针分析。分析测试在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成，仪器型号为JXA-88008，仪器在加速电压15 kV、电流20 nA、束斑直径5 μm的条件下工作。分析结果见表1。

电子探针分析结果表明，不同岩性黑云母成分变化不大，整体表现出富Ti、Al、Mg、K的特点。印支期花岗岩中黑云母SiO2含量(质量分数，下同)为37.51%～39.11%，TiO2含量为1.37%～2.08%，Al2O3含量为13.85%～15.49%，MgO含量为9.59%～11.77%，K2O含量为9.40%～10.87%；燕山期花岗岩中黑云母SiO2含量为36.02%～37.86%，TiO2含量为1.62%～2.16%，Al2O3含量为14.55%～15.35%，MgO含量为9.83%～10.59%，K2O含量为9.38%～10.84%。自印支期到燕山期，黑云母的成分具有一定的变化规律，主要表现为TiO2、FeOT和Al2O3含量有所升高，而MgO含量逐渐降低(图3)。从黑云母成分分类图解(图4)可以看出，老牛山杂岩体黑云母主要是镁质黑云母，个别点落在镁质黑云母与铁质黑云母过渡区域。

4 成岩物理化学条件

花岗岩中黑云母的化学成分对热液流体敏感，受寄主岩浆冷却结晶时物理化学条件控制，可提供寄主岩浆的性质、岩石成因、成岩物理化学条件等重要信息[26-31]。老牛山杂岩体中黑云母的Al2O3含量为13.89%～15.49%，TiO2含量为1.37%～2.16%，以22个氧原子为单位计算的铝阳离子数(n(AlⅥ))为0.36～0.52(表1)。根据黑云母Mg/(Mg+Fe)-Ti图解[图5(a)]，印支期石英二长岩的温度为650 ℃～700 ℃，粗粒黑云母二长花岗岩的温度为600 ℃～700 ℃，燕山期中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩的温度为650 ℃～700 ℃，较印支期粗粒黑云母二长花岗岩略高。

表1 黑云母电子探针分析结果Tab.1 Electron Microprobe Analysis Results of Biotites

注：w(·)为元素或化合物含量;n(·)为元素原子数。

图件引自文献[33]图4 黑云母成分分类图解Fig.4 Classification Diagram of Biotite Composition

黑云母中的全铝含量同花岗岩的固结压力(P)具有很好的正相关性[32]。其关系式为

P=3.03n(TAl)-6.53(±0.33)

(1)

式中：n(TAl)指以22个氧原子为基础计算的黑云母中铝阳离子总数。

图(a)引自文献[37]；图(b)引自文献[34]图5 黑云母Mg/(Mg+Fe)-Ti图解和Fe3+-Fe2+-Mg图解Fig.5 Diagrams of Mg/(Mg+Fe)-Ti and Fe3+-Fe2+-Mg of Biotites

利用式(1)估算的研究区印支期石英闪长岩、粗粒黑云母二长花岗岩和燕山期中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩中的黑云母结晶压力分别为1.95、0.98～1.71、1.47～2.01 kbar。侵位深度采用P=ρgH进行换算，其中密度(ρ)为2 700 kg·m-3，重力加速度(g)为9.8 m·s-2，测得深度(H)依次为7.38、3.72～6.47、5.55～7.61 km。印支期粗粒黑云母二长花岗岩侵位深度平均为5.15 km，较燕山期中粒—中粗粒似斑状黑云母二长花岗岩平均侵位深度(6.47 km)要浅，印支期花岗岩中黑云母结晶压力也较燕山期小。

岩相学特征表明，研究区中生代花岗岩中黑云母与钾长石-磁铁矿-石英共生，符合氧逸度计的使用条件[17]。在黑云母Fe3+-Fe2+-Mg图解中，研究区花岗岩的黑云母样品点多数落在Ni-NiO缓冲线上或附近，部分点落在Fe2SiO4-SiO2-Fe3O4与Ni-NiO缓冲线之间[图5(b)]，说明老牛山杂岩体印支期花岗岩的黑云母是在中等及较高的氧逸度条件下结晶形成的。

5 岩石成因及物质源区

老牛山杂岩体黑云母n(AlⅥ)为0.164～0.259(按11个氧原子计算)，平均为0.196，属于Ⅰ型花岗岩的黑云母(0.144～0.244)[34]。不同成因花岗岩黑云母的MF值可以用来区分同熔型和改造型花岗岩[35]，MF值低于0.38为改造型花岗岩，MF值介于0.38～0.63之间为同熔型花岗岩。研究区黑云母MF值为0.45～0.52，表明老牛山杂岩体为同熔型(Ⅰ型)花岗岩，与岩体岩石地球化学的研究结果[12]一致。

图件引自文献[20]图6 黑云母FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图解Fig.6 Diagram of FeOT/(FeOT+MgO)-MgO of Biotites

黑云母化学成分特征可以在一定程度上反演岩浆源区的性质。一般认为，典型壳源黑云母的MgO含量低于6%，而幔源黑云母的MgO含量高于15%[36]，老牛山杂岩体的黑云母MgO含量(9.59%～11.77%)介于壳源与幔源之间；在FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图解(图6)中，老牛山杂岩体花岗岩均投在了壳幔混源区并靠近壳源一侧，说明成岩物质可能来源于壳幔混源，但印支期花岗岩较燕山期花岗岩的源区物质组成，可能幔源物质更多一些。老牛山杂岩体印支期花岗岩初始N(87Sr)/N(86Sr)值为0.706 38～0.708 26，燕山期花岗岩初始N(87Sr)/N(86Sr)值为0.707 72～0.708 77，均接近或略高于上地幔初始N(87Sr)/N(86Sr)值(0.702～0.706)，模式年龄为1.7～1.9 Ga，显示其源区应为古老的壳源物质；但不同期次的成岩物质来源略有不同，印支期花岗岩的εHf(t)、εNd(t)值比燕山期的低，模式年龄及二阶段模式年龄也年轻[12]，这可能与古元古代增生地壳的参与程度有关，也可能是年轻幔源组分的加入所致，因为在老牛山杂岩体中普遍存在有岩浆暗色包体。其中，N(·)/N(·)为同一元素同位素比值，N(·)为该元素的原子丰度；εNd(t)为年龄t对应的εNd值；εHf(t)为年龄t对应的εHf值。

6 结 语

(1)华北陆块南缘老牛山杂岩体中的黑云母主要是镁质黑云母，黑云母化学组成上富Ti、Al、Mg，MF值为0.45～0.52，自印支期到燕山期黑云母的成分具有一定的变化规律，主要表现为TiO2、FeOT和Al2O3含量有所升高，而MgO含量逐渐降低。

(2)印支期花岗岩中黑云母结晶温度在600 ℃～700 ℃之间，结晶压力为0.98～1.95 kbar，相应的侵位深度为3.72～7.38 km。燕山期花岗岩中黑云母结晶温度在650 ℃～700 ℃之间，结晶压力为1.47～2.01 kbar，相应的侵位深度为5.55～7.61 km。

(3)老牛山杂岩体属于同熔型(Ⅰ型)花岗岩，具有壳幔混源成因特征，但两期花岗岩的成岩物质来源略有不同，表现为印支期花岗岩较燕山期花岗岩的源区物质组成，可能幔源物质更多一些。

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