桂东北大宁岩体黑云母矿物学特征及其对成岩作用的指示

刘 雷，刘风雷，蔡永丰

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队，宁夏 银川 750021；2.桂林理工大学 广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心&广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西 桂林 541006)

0 引言

花岗质岩石是地壳的最主要成分，花岗质岩石的成因研究对揭示地壳的形成与演化具有重要意义。华南地区出露有大量不同时代的花岗质岩石[1]，是研究花岗质岩石成因的理想场所。大宁岩体是华南广西期花岗质岩石的典型岩体之一，与该岩体伴生的还有一系列多金属矿床[2-5]。前人对大宁岩体的基本地质特征、形成时代、元素和同位素地球化学组成特征、岩石成因、形成构造背景、暗色体的成因、相关矿床的地质特征和矿床成因等方面展开了一系列的研究，并取得了较丰富的研究成果[2-12]。然而，对大宁岩体的矿物成分特征的研究目前仍相对薄弱，不利于全面理解大宁岩体的成因特征。黑云母作为花岗岩中含量最多的暗色矿物，是研究花岗岩源区特征、成岩成矿作用的理想对象[13-15]。因此，本文选择出露在桂东北地区的大宁岩体为研究对象，对该岩体花岗岩闪长岩中的黑云母化学成分展开了系统研究，试图揭示出该岩体的成因特征，并探讨其形成的地质意义。

1 区域地质背景

1.1 地层-构造

大宁岩体处于桂东北与粤西北交界处，大地构造位置上位于华夏地块和扬子地块西南端的结合部位(图1)。岩体呈SE向分布，整体表现出两端宽中间窄的哑铃状，出露面积约491 km2。岩体主体形成时代为广西期，即445～398 Ma[12]。岩体西侧紧邻姑婆山岩体，南侧紧邻连阳岩体，北东分布有永和岩体、禾洞岩体和太保岩体，岩体的东南部南乡—福堂一带还可见大量呈岩脉或岩株产出的钾长花岗岩[7，12]。区内还发育与大宁岩体具有成因联系的多金属矿床，如冷水冲金矿、龙水金矿、张公岭金银铅锌矿、初洞金银铅锌矿等[2-6]。区内出露的地层由老至新主要有南华系、震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系和第四系，大宁岩体主要侵位于南华系、震旦系和寒武系中(图1)。研究区构造发育，断裂构造主要有NNE向的龙水断裂和梧州—贺街断裂、NE向的马东—大龙断裂；褶皱构造主要有SN向的古板岭背斜；同时发育有区域性的大宁韧性剪切带。

图1 桂东北大宁地区大地构造位置(a)及地质简图(b)Fig.1 Geotectonic location map (a) and geological sketch map (b) of Da’ning area in Northeast Guangxi1—第四系 2—石炭系 3—泥盆系 4—寒武系 5—震旦系 6—南华系 7—青白口系 8—不整合接触 9—断层 10—采样点

1.2 花岗岩岩相学特征

大宁岩体的岩石类型多样，沿相带分布岩性变化明显。其中，中心相以石英二长闪长岩为主，出露宽度最大处可达5 km；过渡相为花岗闪长岩，出露宽度最大处达20 km；边缘相以黑云母二长花岗岩为主，出露宽度最宽处大于10 km，三者呈渐变过渡关系[7]。石英二长闪长岩分布面积约21 km2，其主要的组成矿物有斜长石、钾长石、石英、黑云母和角闪石，副矿物主要有锆石、磁铁矿、榍石、磷灰石等；花岗闪长岩主要由钾长石、斜长石、石英、黑云母和少量角闪石组成，副矿物主要有锆石、磷灰石、磁铁矿、榍石等，其出露面积约260 km2；黑云母二长花岗岩主要组成矿物有石英、斜长石、钾长石和黑云母，副矿物主要有锆石、磷灰石、磁铁矿、榍石等，其分布面积约210 km2。

大宁岩体的另一个重要特征是发育大量镁铁质微粒包体(Mafic Microgranular enclave，MME)，这些MME主要发育在过渡相花岗闪长岩中，中心相和边缘相少见。MME与寄主岩石界线明显，主要呈椭球状、三角状、气球状和不规则状产出，大小不一，大者延伸长度达数米，小者达数厘米。

2 样品采集及分析测试方法

本文研究的样品采自过渡相带的花岗闪长岩，花岗闪长岩主要由钾长石(35%)、斜长石(35%)、石英(20%)、角闪石(5%)和黑云母(5%)组成，副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿等。其中，斜长石斑晶常具有环带结构(图2a)；钾长石斑晶局部包裹有细粒的黑云母、石英和斜长石等矿物，斑晶周围偶见呈环状分布的细粒矿物(图2b)；原生黑云母主要为褐色、褐黄色，多呈自形—半自形，片状结构，多色性明显，表面较干净，矿物颗粒长多在0.5 mm，宽多在0.2 mm(图2b)，受到后期构造热事件的作用，部分黑云母发生蚀变，主要蚀变成绿泥石等，蚀变黑云母表面裂缝较发育，局部发生挠曲。

黑云母发生蚀变后，其化学成分特征不能代表其结晶时的成分组成，而应该反映了后期蚀变的特征，因而要通过黑云母的化学成分特征来揭示其结晶的温度和压力等条件时，需选择未蚀变的黑云母进行化学成分分析测试。本文在显微镜下详细观察花岗闪长岩中黑云母的特征，选择表面干净、没有发生变质变形的新鲜原生黑云母进行化学成分分析(图2c)，为了进行对比分析，同时也选择了一颗表面裂缝较发育并局部绿泥石化的黑云母进行化学成分分析(图2d)。

图2 桂东北大宁岩体花岗闪长岩显微照片(a，b)和电子探针打点位置及打点号照片(c，d)Fig.2 Microphotographs of granodiorite (a，b) and analytical locations of EMPA (c，d) of the Da’ning rock mass in Northeast GuangxiPl—斜长石 Qtz—石英 Bt—黑云母 Kfs—钾长石 Amp—角闪石

花岗闪长岩探针片的磨制在河北省廊坊市廊坊尚艺岩矿检测有限公司完成，探针片磨制完成后利用电子探针对探针片上的黑云母进行化学成分分析测试。分析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，所用仪器为牛津仪器生产的JXA8230型电子探针，分析测试条件为电流30 nA，加速电压15 kV，束斑直径为1 μm，次电子像6 nm，背散射电子像≤20 nm。黑云母化学成分数据的处理，比如Fe2+和Fe3+利用林文蔚和彭丽君[16]的计算方法进行计算，黑云母的结构式以(O，OH，F/2，Cl/2)为22计算的阳离子数。

3 测试结果

大宁岩体花岗闪长岩的黑云母化学成分的分析计算结果见表1。由表1可见，黑云母中w(SiO2)为35.32%～37.54%，w(TiO2)为3.07%～3.96%，w(Al2O3)为12.44%～14.02%，w(FeOT)为21.33%～27.00%，w(MgO)为7.18%～10.00%，w(Na2O)为0.06%～0.15%，w(K2O)为9.75%～10.46%，w(CaO)为0.01%～0.07%，整体表现出富铁贫镁、富钾贫钠、高铝低钙等特征。此外，黑云母的Mg/(Fe2++Mg)比值为0.34～0.49，Fe2+/(Fe2++Mg)比值为0.51～0.66，整体表现出与铁叶云母相似的特征[14](图3a)，根据Mg/(Fe2++Mg)和Fe2+/(Fe2++Mg)比值的变化特征，可将大宁岩体花岗闪长岩的黑云母分为两组，第一组具有高的Mg/(Fe2++Mg)比值(0.47～0.49)和低的Fe2+/(Fe2++Mg)比值(0.51～0.53)，第二组具有低的Mg/(Fe2++Mg)比值(0.34～0.36)和高的Fe2+/(Fe2++Mg)比值(0.64～0.66)。

表1 桂东北大宁岩体花岗闪长岩黑云母化学组成Table 1 List of biotite composition in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

注：IFe=Fe2+/(Fe2++Mg)，IMg=Mg/(Fe2++Mg)；Fe2+和Fe3+根据文献[16]方法计算。

图3 桂东北大宁岩体花岗闪长岩黑云母(a)MgO-FeOT/(FeOT+MgO)和(b)Fe3+-Fe2+-Mg图解Fig.3 MgO-FeOT/(FeOT+MgO)diagram (a) and Fe3+-Fe2+-Mg diagram (b) of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

4 讨论

4.1 黑云母形成的物理化学条件

黑云母是花岗岩中最常见的深色矿物，黑云母的化学成分特征研究对分析花岗岩的源区特征、成岩温压条件和成岩过程具有重要作用，同时，黑云母具有特殊的层状结构，是W、Sn、Cu等众多金属元素的载体，矿化类型不同，黑云母的化学成分特征也往往不一样，因而黑云母还是研究成矿元素富集特征、后期热液作用的理想对象[13-15，17]。

Henry et al.[15]的研究认为，对于含有钛铁矿或金红石的石墨过铝质泥质变质岩，黑云母中Ti的含量可以作为地质温度计，并根据Ti含量、Mg/(Mg+Fe)和温度T三者的关系提出了黑云母Ti温度计表达式(1)：

T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}1/3

(1)

其中，T为温度，单位为℃；Ti为以22个氧原子标准化计算的Ti阳离子数；XMg= Mg/(Mg+Fe)；a= -2.3594，b= 4.6482×10-9，c= -1.7283；表达式标定范围为T= 480℃～800℃，Ti = 0.04～0.60，XMg= 0.275～1.000。

根据式(1)计算得到大宁岩体花岗闪长岩中黑云母的结晶温度，其中第一组结晶温度为723℃～731℃，平均值为727℃，第二组结晶温度为678℃～687℃，平均值为682℃(表1)。

显微镜下黑云母的特征显示第一组黑云母呈自形结构，表面干净，没有明显变形变质的痕迹(图2c)，暗示其为原生黑云母，其化学成分可以代表其结晶时的成分特征；第二组黑云母表面裂缝较发育，并发生了绿泥石化(图2d)，反映其发生了后期变形变质作用。因而，第一组样品计算出的上述温度可以代表其结晶温度，第二组样品计算出的温度反映的应该是其后期发生蚀变/变质作用的温度，即大宁岩体花岗闪长岩中黑云母的结晶温度为723℃～731℃，平均值为727℃，发生后期蚀变/变质作用的温度为678℃～687℃。

值得说明的是，由于第二组样品反映的可能是后期蚀变/变质作用的信息，因而根据其化学成分分析出来的形成条件并无实际意义，但为了方便对比分析，在后文的讨论和图件中也保留了第二组样品的相关计算结果。

此外，大宁岩体花岗闪长岩中黑云母具有较高的Mg2+含量，在Fe3+-Fe2+-Mg2+图解中，样品点主要落入Ni-NiO缓冲线附近，暗示花岗闪长岩中黑云母结晶于较低的氧逸度条件[18](图4a)。花岗闪长岩黑云母同时具有较高的Al2O3含量(12.44%～14.02%，平均值为13.20%)和AlVI(0.35～0.48，平均值为0.42，以22个氧原子为单位计算的阳离子数)，亦反映黑云母形成于较低的氧逸度条件[19]。根据式(1)计算获得的黑云母结晶温度，利用Wones and Eugster[20]提出的黑云母温度和氧逸度关系的logfO2-T图解(图4b)，推测出大宁岩体花岗闪长岩第一组黑云母样品形成的氧逸度logfO2约为-13，第二组黑云母样品形成的氧逸度logfO2约为-15。

Uchida等[21]的研究表明花岗岩类的固结压力P与黑云母的全铝含量AlT呈现出明显的正相关 线性关系，并进一步提出了利用黑云母全铝含量来计算花岗岩类的固结压力，两者计算表达式：

图4 桂东北大宁岩体花岗闪长岩中黑云母Fe3+-Fe2+-Mg2+ (a)和logfO2-T (b)图解 Fig.4 Fe3+-Fe2+-Mg2+ diagram (a) and logfO2-T diagram (b) of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

P(×100 MPa)=3.03×AlT-6.53(±0.33)

(2)

其中，AlT为以22个氧原子为标准化的黑云母Al阳离子总数。采用式(2)可计算出第一组黑云母样品的结晶压力为121 MPa～135 MPa，平均值为127 MPa，第二组黑云母样品的结晶压力为68 MPa～82 MPa，平均值为75 MPa。进一步利用压力与深度的关系式P=ρ×g×H可以计算出相应的结晶深度，式中ρ取2700 kg/m3，g取9.8 m/s2。计算结果表明：第一组黑云母样品的结晶深度为4.58～5.11 km，平均深度为4.81 km。

4.2 源区特征和地质意义

黑云母的化学成分主要与源区物质密切相关[22-23]。一般来说，产于俯冲带的钙碱性岩石由于受俯冲带流体/熔体的作用，有利于磁铁矿的早期结晶，晚期结晶形成的黑云母往往表现出富Mg、Al、贫Ti的成分特征；产于非造山环境中的碱性花岗岩类由于处于高温、缺水等条件而不利于早期磁铁矿和钛铁氧化物的结晶，而晚期结晶的黑云母则表现出富铁的特征[17]；来源于地幔物质的黑云母表现出高MgO含量(>15%)和低FeOT/MgO比值[24-25]；源于演化程度高或高分异岩浆中的黑云母则多表现出低MgO含量(<6%)和高FeOT/MgO比值。在MgO-FeOT/(MgO+FeOT)图解中，大宁岩体花岗闪长岩中黑云母样品点均落入了壳源区域范围(图3a)，暗示其源区以壳源物质为主。同时，黑云母整体表现出较高的MgO含量(7.18%～10.00%)和Fe/(Fe+Mg)比值(>0.5)，反映其源区有幔源物质的加入。在MgO-FeOT/(FeOT+MgO)图解中，第一组黑云母样品靠近壳幔混合分界线(图3a)，在Fe3+-Fe2+-Mg图解上(图3b)，第一组样品落入壳幔混合区域，进一步表明样品的源区有幔源物质的加入，说明大宁岩体的形成是壳-幔相互作用的产物。

此外，前人对花岗岩黑云母化学成分的研究提出，A型花岗岩黑云母具有富铁特征，I型花岗岩黑云母往往表现出富镁特征，S型花岗岩黑云母具有高铝特征[26]。大宁岩体花岗闪长岩中黑云母表现出富镁特征，与I型花岗岩特征相似。显微镜下观察显示花岗闪长岩含有较多的角闪石(图2b)，与I型花岗岩的矿物组成特征相似，而没有富铝矿物，如堇青石、石榴子石等，明显不同于S型花岗岩，因为S型花岗岩通常含有堇青石等富铝矿物。

前人的年代学研究结果表明，大宁岩体的主体形成时代为早古生代，即广西期(445～398 Ma)[12]。早古生代时期华南经历的一次重要构造事件，即“加里东运动”，这一构造事件最早由Ting(1929)等[27]提出并命名为“广西运动”，后来的研究学者相继用“早古生代造山运动”[28]、“武夷—云开造山运动”[29]等来描述这一构造运动。这一构造运动对华南的构造演化产生了深刻影响，如在华南地区形成了大规模的泥盆系与前泥盆系变质岩系之间的区域角度不整合，在华夏地块及其相邻的扬子地块内产生了大量早古生代花岗岩(约470～410 Ma)[30-33]，同时导致华南地区发生强烈的变形变质作用。前人对这一构造运动的属性多认为其为陆内造山作用[30-33]，也有学者提出其与早古生代时期的俯冲碰撞事件有关[34-38]。本文研究的桂东北大宁岩体主体形成时代为早古生代(445～398 Ma)[12]，是广西运动的产物。从区域内分布的早古生代岩石类型和组合来看，本区主要以花岗质岩石为主，缺少具有岛弧特征的基性—超基性岩和火山岩，也没有确切证据表明本区存在蛇绿岩，因而从岩石组合上来看，它们明显不同于产于典型俯冲带上的岩石组合，相反，它们以花岗质岩石为主，因此，本文推测大宁岩体应该也是形成于陆内造山作用。在MgO-FeOT-Al2O3图解中(图5)，第一组样品均落入造山带钙碱性花岗岩区域范围内，亦暗示大宁岩体形成于陆内造山这一构造背景。

图5 桂东北大宁岩体花岗闪长岩黑云母 MgO-FeOT-Al2O3图解Fig.5 MgO-FeOT-Al2O3 diagram of biotite in granodiorite of Da’ning rock mass in Northeast Guangxi

5 结论

1)桂东北大宁岩体黑云母整体表现出富铁贫镁、富钾贫钠、高铝低钙等特征，属于铁页云母。

2)黑云母的结晶温度为723℃～731℃，其结晶的压力为121 MPa～135 MPa，结晶深度为4.58～5.11 km。发生后期蚀变/变质作用的温度为678℃～687℃。

3)大宁岩体成岩过程与壳—幔相互作用有关，其形成可能与华南早古生代时期的陆内造山作用有关。

致谢：感谢桂林理工大学刘奕志老师、马莲花和苏小倩在电子探针分析测试上提供帮助，感谢审稿专家提出宝贵意见和建议。