海坨山巖體中黑云母的成分特征及其指示意義

趙忠海

（北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195）

0 前言

黑云母是花崗巖中最為常見的暗色造巖礦物之一，其化學成分對生長環境較為敏感，受巖漿冷卻結晶時的物理化學條件（溫度、壓力和氧逸度等）控制明顯，其化學成分特征可提供熔體的物理化學條件等信息，反映巖漿演化和結晶條件（Wones etal，1965），故研究花崗巖中黑云母的主要特征，對研究其巖漿物質來源，分析其巖漿形成環境，探討其與成巖及成礦作用的關系具有很好的指示意義（Burkhard，1991）。位于北京西北部的海坨山巖體為一大型的復式巖基，是中—酸性巖漿多期次侵入活動的產物，其主要巖性為石英二長巖、二長花崗巖和花崗巖，巖石中廣泛分布黑云母和角閃石等暗色礦物。關于海坨山巖體，前人研究工作程度較低，只是將其作為單一的花崗巖侵入體，認為其形成于中生代晚侏羅世（郁建華等，1992），而對其巖石成因與成巖環境方面并沒有進行深入的研究。故本文利用電子探針方法對該巖體中的黑云母進行化學分析，進一步了解該巖體中黑云母的成分特征，并對其在海坨山巖體巖漿物質來源與形成環境方面的指示意義進行探討。

1 區域地質背景

海坨山巖體分布于北京市延慶區張山營、佛峪口、東門營、西大莊科以及河北省懷來縣狼山、東黑山口、大海坨、三間房一帶，地處延懷盆地中部，在大地構造上位于山西地塹系NEE向展布的晉冀北張性區東北端與NW向展布的張家口—蓬萊斷裂帶的復合交會部位（劉保金等，1999）, 出露面積約300km2，平面上呈一長軸方向近NNE向的橢圓形分布，受區域斷裂構造大河南—大海坨斷裂帶及蔚縣—延慶斷裂帶控制明顯。該巖體西側與太古界變質巖及元古界長城系侵入接觸，北、東側與元古界薊縣系及中生界晚侏羅系侵入接觸，南側為新生界第四系覆蓋（圖1）。沿接觸帶可見礦化蝕變及矽卡巖化、大理巖化等接觸變質現象。巖體中常見變質巖、沉積巖捕虜體及暗色的基性斜長角閃巖和中性閃長巖包體，脈巖比較發育，主要為基性的輝綠玢巖、中性的閃長玢巖以及酸性的正長斑巖、霏細斑巖等。

海坨山巖體的主要巖性為石英二長巖、二長花崗巖和花崗巖，根據三者之間的接觸關系判斷，該巖體中石英二長巖侵入最早，二長花崗巖次之，花崗巖侵入最晚。從巖石風化程度來看，二長花崗巖風化情況最為嚴重，石英二長巖次之，花崗巖最輕。

圖1 海坨山巖體區域地質略圖Fig.1 Regional geologic sketch of the Haituo mountain pluton

2 樣品及分析方法

樣品分別采自延慶魚兒場溝的石英二長巖、蘭角溝的二長花崗巖以及海坨山的花崗巖中，所采巖石樣品均為未風化的新鮮樣品。其中石英二長巖為中—細粒狀結構，塊狀構造，主要礦物有鉀長石（45%～50%）、斜長石（30%～35%）、石英（7%～10%）、黑云母（3%～5%）和角閃石（3%～5%），副礦物主要為磷灰石及榍石；二長花崗巖為中細粒狀—似斑狀結構，塊狀構造，主要礦物有鉀長石（35%～45%）、斜長石（15%～20%）、石英（23%～25%）、黑云母（3%～5%）和角閃石（2%～4%），副礦物主要為磷灰石及磁鐵礦；花崗巖為中—細粒結構，塊狀構造，主要礦物有鉀長石（55%～65%）、斜長石（5%～15%）、石英（23%～25%）、黑云母（2%～4%）和角閃石（2%～3%），副礦物主要為磷灰石及磁鐵礦。據顯微鏡下觀察，巖體中的黑云母呈深褐色—淺褐色—黃綠色的片狀和鱗片狀，粒徑一般為 0.1～ 0.8 mm，解理較發育，多色性明顯，以原生黑云母為主，未發生明顯的蝕變。黑云母電子探針的噴碳與測試工作均委托中國地質大學（北京）電子探針實驗室完成。測試采用日本島津公司生產的EPMA-1600 型電子探針分析儀，加速電壓為15 kV，束流為10nA，束斑大小為1μm，主要氧化物的分析誤差約為1%。分析測試中所采用的標樣主要有：Si、Al（斜長石）、Ti（金紅石），Fe（鐵鋁榴石），Mn（薔薇輝石），Mg（橄欖石），Ca（方解石），Na（鈉長石），K（透長石）等。

3 黑云母成分特征

海坨山巖體黑云母的成分分析及相關計算結果見表 1，其中Fe2+和Fe3+是采用林文蔚和彭麗君（1994）提出的方法計算得出（林文蔚等，1994），陽離子數及其它相關參數是以22個氧原子為單位計算求得。

從表1可以看出，海坨山巖體中的黑云母具有富鐵、鎂，貧硅、鋁的特征，鈦的含量較高。其FeOT的含量為15.52%～22.89%，MgO的含量為9.52%～16.00%，SiO2的含量為36.88%～41.63%，Al2O3的含量為7.47%～12.68%，TiO2的含量為2.51%～4.84%，根據Foster（1960）黑云母分類方案（Foster，1960），均屬于鎂質黑云母（圖2）。黑云母中Ti質量分數為0.289%～0.547%，均介于0.20%～0.55%之間，MgO/MgO+FeOT值為0.32～0.51，均介于0.30%～0.55%之間，屬于典型的巖漿成因黑云母（馬昌前等，1994）；Fe2+/(Fe2++Mg)值為0.32～0.51，比值比較均一，表明其未遭受后期流體的改造，屬于典型的原生黑云母，其成分特征能代表巖漿結晶時云母的成分特征（Stone，2000）。

圖2 海坨山巖體云母分類圖Fig.2 Diagram for biotite classi fication of the Haituo mountain pluton

4 對巖漿物質來源與形成環境的指示意義

巖漿巖中黑云母的成分特征在一定程度上可以指示巖漿的源區性質，能夠反映巖漿的物質來源及其形成環境的主要特點。故研究黑云母的主要成分特征，對確定其寄主巖石的成因類型，分析其母巖巖漿的物質來源，探討其成巖環境的物理化學條件等具有重要的指示意義。

4.1 巖漿物質來源分析

黑云母的化學成分變化在很大程度上受其物質來源的影響，故其成分特征可以指示其寄主巖石的成因類型和母巖巖漿的物質來源。Abdel-Rahman(1994)認為，I型花崗巖中的黑云母相對富鎂，S型花崗巖中的黑云母相對富鋁，A型花崗巖中的黑云母明顯富鐵（Abdel-Rahman，1994），海坨山巖體中的黑云母均為鎂質黑云母，指示其寄主巖石應為I型花崗巖；蔣國豪等認為，幔源巖石中的黑云母富鎂，殼源巖石中的黑云母富鐵，這與Abdel-Rahman的觀點總體一致，海坨山巖體中黑云母的鎂、鐵含量均較高，兼具幔、殼源巖石中黑云母的成分特征（蔣國豪等，2005）；徐克勤等提出用黑云母的MF=Mg/（Mg+Fe3++Fe2++Mn）值來區分同熔型花崗巖和改造型花崗巖，認為MF＜0.38為改造型花崗巖，反之則為同熔型花崗巖，海坨山巖體中黑云母的MF值為0.398～0.663，符合同熔型花崗巖（即I型花崗巖）的特點（徐克勤等，1982）；丁孝石認為典型幔源巖石中黑云母的MgO＞15%，殼源巖石中黑云母的MgO＜6%（丁孝石，1988），海坨山巖體中黑云母的MgO為9.52～16.00%，平均為13.51%，體現出殼、幔源過渡的特點；Whalen 與Chappell,提出以黑云母中的AlVI含量來劃分S型和I型花崗巖（Whalen等，1988），認為S型花崗巖中的黑云母具有較高的AlVI(0.353～0.561)，I型花崗巖中的黑云母具有較低的AlVI(0.144～0.224)，海坨山巖體中黑云母的AlVI為0.146～0.212，明顯具有I型花崗巖的特征；而在周作俠提出的用于判別花崗巖巖漿物質來源的黑云母MgO-FeOT/（FeOT+MgO）圖解（周

作俠，1986）中，海坨山巖體中的黑云母亦全部投點于殼?；煸磪^內（圖3）。綜上所述，海坨山巖體的巖石類型為I型花崗巖，其巖漿物質來源為幔、殼混源，基本未遭受后期流體的改造。

表1 海坨山巖體黑云母母電子探針成分特征(WB%)Tab.1 Representative chemical composition of biotite in Haituo mountain pluton (in percenttage)

圖3 黑云母MgO-FeOT/(FeOT+MgO)圖Fig.3 MgO-FeOT/(FeOT+MgO) diagram of biotites

4.2 巖漿形成環境探討

黑云母的化學成分在一定程度可以反映巖漿熱液體系的物理化學條件(如氧逸度、溫度、壓力以及形成深度等)，從而指示其形成環境的主要特征。

（1）溫度和氧逸度

前人研究表明,黑云母中Ti的質量分數和六次配位鋁AlVI能指示巖體形成時的氧逸度和溫度，一般認為，低AlVI高Ti表明巖體形成時處于高溫高氧逸度的環境。海坨山巖體中黑云母的AlVI為0，TiO2為2.51%～4.84%，顯示了高Ti低AlVI的特征，表明其形成時的環境氧逸度和溫度都相對較高（Buddington et al，1964）。本文根據Henry等提出的黑云母的Ti溫度計公式(式中，Ti為以22個氧原子為基礎計算出的Ti陽離子數；XMg=Mg/(Mg+Fe)；a=-2.3594；b=4.6482×10-9；c=-1.7283)計算求得海坨山巖體中黑云母的結晶溫度介于625℃ ～745℃之間（圖4），表明其母巖巖漿的形成溫度較高（Henry et al，2005）。

圖4 黑云母的Ti-Mg/(Mg+Fe)圖解Fig.4 Diagram of Ti-Mg/(Mg+Fe) for biotites

在反映黑云母組成與氧緩沖劑關系的 Mg-Fe3+-Fe2+圖解中（Wones，1989）,海坨山巖體中的黑云母除1個樣品投影于Fe2O3-Fe3O4緩沖線之上外，其余樣品均投影于Ni-NiO與 Fe2O3-Fe3O4兩條緩沖線之間，表明其形成于較高氧逸度條件下（圖5）。依據Wones等提出的PH2O=207MaP條件下黑云母的logfo2-T圖解（Wones et al，1965）投影（圖6）求得, 海坨山巖體中黑云母的logfo2變化范圍約為-8.5-14.5，說明其形成于較高的氧逸度環境，這與前述結果一致。

（2）壓力和深度

礦物壓力計是研究花崗質巖漿初始結晶時壓力的有效手段。Etsuo等研究表明，黑云母中的全鋁含量同花崗巖固結壓力具有很好的正相關特性，故可以用黑云母的全鋁含量來估計花崗質巖石的固結壓力，其公式為P（×100MPa）=3.03×TAl-6.53(±0.33) ，其中，TAl是指在O=22基礎上的黑云母中鋁陽離子總數（Etsuo et al，2007）。

根據上式計算求得海坨山巖體中黑云母的結晶壓力為101～177MPa，并在此基礎上，依據P=ρgH（式中，g為重力加速度，取值9.8m/s2；ρ為上覆巖層的密度，近似取值2700kg/m3）換算求得其結晶深度為3.82～6.69 km，平均為5.52km，表明海坨山巖體屬中深成相。

另據呂志成等（2000）研究，花崗巖黑云母鎂質率（Mg#=Mg/(Mg+Fe2++Mn)）可作為判斷淺源（Mg#＜0.45）和深源（Mg#＞0.45）系列的標志（呂志成等，2000）。海坨山巖體中黑云母的鎂質率為0.482～0.666，均大于0.45，表明該巖體屬深源系列。

圖5 黑云母的Mg-Fe3+-Fe2+圖解Fig.5 Diagram of Mg-Fe3+-Fe2+ for biotites

圖6 黑云母的logfo2-T圖解Fig.6 Diagram of logfo2-T for biotites

5 結論

海坨山巖體中的黑云母屬鎂質黑云母，具有富鐵、鎂、鈦而貧硅、鋁的特征；黑云母的成分特征表明其寄主巖石即海坨山巖體的巖石成因為I型花崗巖，該巖體母巖巖漿為幔、殼混源巖漿，來源于上地幔和下地殼；黑云母的結晶溫度為625℃～745℃，氧逸度為-8.5-14.5，表明其形成于溫度及氧逸度均較高的環境；根據黑云母全鋁壓力計計算，海坨山巖體中黑云母的結晶壓力為101 177MPa，由此推算其形成深度約為3.826.69 km，再結合其鎂質率（Mg#為0.482～0.666）判斷，其寄主巖體即海坨山巖體屬中深成相侵入體。

Abdel-Rahman A M，1994.Nature of biotites from Alkaline,Calcalkaline and Peraluminous magmas[J].Journal of Petrology，35(2)：525-541.

Burkhard D J M，1991.Temperature and redox path of biotitebearing intrusives: a method of esti-mation applied to S-type and I-type granites from Australia[J].Earth and Planetary Science Letters，104(1)：89-98.

Buddington A F，Lindsley D H，1964.Iron-titanium oxide minerals and synthetic equivalents[J].Journal of Petrology，5(2)：310-357.

Etsuo U, Sho E，Mitsutoshi M，2007.Relationship between solidification depth of granitic rocks and formation of hydrothermal ore deposits [J]，Resource Geology，57(1)：47-56.

Foster M D，1960.Interpretation of the composition of trioctahedral micas[J].US Geol Survery Prof Paper，354B：1-49.

Henry D J, Guidotti C V , Thomson J A，2005.The Tisaturation surface for low-to-medium pressure metapelitic biotites: Implications for geothermometry and Ti-substitution mechanisms [J].American Mineralogist，90(2-3)：316-328.Stone D，2000.Temperature and pressure variations in suites of Archean felsic plutonic rocks, Berens river area north west superior province, Ontario, Canada[J].The Canadian Mineralogist，38(2)：455-470.

Wones D P，Eugeter H P，1965.Stability of biotite: experiment,theory, and application[J].The American Mineralogist，50：1228-1272.

Whalen，Chappell，1988.Opaque mineralogy and mafic mineral chemistry of I- type and S-type granites of Lachlan fold belt，southeast Australia[J].American Mineralogist，73(3)：281-296.

Wones D R，1989.Significance of the assemblage titanite+ magnetite + quartz in granitic rocks [J].American Mineralogist，74(7)：744-749.

Wones D R，Eugster H P，1965.Stability of biotite: experiment,theory and application[J].The American Mineralogist，50：1228-1272.

丁孝石，1988.西藏中南部各類花崗巖中黑云母標型特征及其地質意義[J].中國地質科學院礦床地質研究所所刊，(1):33-50.

蔣國豪，胡瑞忠，謝桂青，等，2005.大吉山花崗巖體黑云母地球化學特征及其成巖成礦意義[J].礦物巖石，25(5)：58-61.

劉保金，孫振國，趙成斌，等，1999.延慶—懷來地區高分辨率淺地震反射剖面[J].地震地質，21(4)：425-430.

林文蔚，彭麗君，1994.由電子探針分析數據估算角閃石、黑云母中的Fe3+、Fe2+[J].長春地質學院學報，24(2)：155-162.

馬昌前,楊坤光,唐仲華，等，1994.花崗巖類與巖漿動力學理論方法及鄂東花崗巖類例析[M].武漢：中國地質大學出版社.

徐克勤，胡受奚，孫明志，等，1982.華南兩個成因系列花崗巖類及其成礦特征[J].桂林工學院學報，(1)：1-10.

郁建華，付會芹，張鳳蘭，等，1992.北京地區巖漿巖深成作用[M].北京：地質出版社.

周作俠，1986.湖北豐山洞巖體成因探討[J].巖石學報，2(1)：59-70.

呂志成，李鶴年，劉叢強，等，2000.大興安嶺中南段花崗巖中黑云母礦物學地球化學特征及成因意義[J].礦物巖石，20(3)：1-8.