武當隆起西段新元古代牌樓花崗巖中黑云母成分特征及成巖指示意義

張維峰，彭練紅，徐大良，鄧 新，劉 浩，金鑫鏢，譚 靖

(1. 中國地質調查局武漢地質調查中心， 湖北 武漢 430205； 2. 中國地質調查局花崗巖成巖成礦地質研究中心， 湖北 武漢 430205)

黑云母屬于三八面體結構的硅酸鹽礦物，分子式一般為IM3T4O10A2(其中I=K, Na, Ca, Ba; M=Li, Fe2+, Fe3+, Mg, AlⅥ, Ti, Mn; T=AlⅣ, Fe3+, Si; A=OH, F, Cl)，是花崗巖中常見的暗色礦物之一(Riederetal., 1998)。由于其結構和化學成分對巖漿的溫度、壓力、氧逸度等物理化學條件十分敏感，熱動力學條件的變化可以控制其復雜的化學成分，因此，對黑云母展開礦物化學成分的研究可以有效地反映出寄主巖體的成巖條件、演化過程及巖漿物質來源等方面的信息(Wones and Eugster, 1965; Beane, 1974; Zhu and Sverjensky, 1992; Henryetal., 2005; Uchidaetal., 2006)。有關黑云母化學成分的地質意義已經被廣泛應用于厘定巖漿演化、成巖過程和含礦性評價等方面的研究之中(De Albuquerque, 1973; Rasmussenetal., 2013; Parsapooretal., 2015; Sarjoughianetal., 2015; Zhangetal., 2015; 葉茂等, 2017; 楊陽等, 2017; 周云等, 2017)。

牌樓似斑狀二長花崗巖出露于南秦嶺武當隆起構造的西段，鋯石U-Pb年代學結果表明其形成于667.2±3.5 Ma(張維峰等, 2018)。基于巖石地球化學特征和鋯石原位Lu-Hf同位素等方面的分析，前人對其源區和地球動力學背景進行了探討(張維峰等, 2018)。然而，由于缺乏礦物學研究，其成巖過程的物理化學條件仍未查明。事實上，越來越多的研究表明，與巖漿活動有關的Cu、Au、Mo和Sn成礦作用往往受巖漿的氧逸度和溫度等物理化學條件的控制(Linnenetal., 1996; Mungall, 2002; Sunetal., 2015)。野外調查中，未見與牌樓二長花崗巖有關的礦化蝕變現象，是什么因素制約了牌樓巖體的成礦作用仍不清楚。黑云母作為牌樓花崗巖基質中的重要組成礦物之一，其礦物地球化學數據可以為巖漿固結的物理化學參數(壓力、溫度和氧逸度等)和巖石成因類型等提供直接的證據。因此，本文擬利用電子探針技術，通過對牌樓花崗巖中的黑云母進行系統的礦物化學成分研究，查明其結晶的物化參數和成巖過程，分析探討其未能成礦的關鍵控制因素，并從礦物化學成分的角度為巖石成因類型和形成的構造背景提供佐證。

1 區域地質背景

武當隆起位于南秦嶺的東端(圖1a)，出露面積約8 000 km2，為典型的隆升構造，新元古代拉伸紀武當群出露于抬升區域的核部，四周被新元古代成冰紀耀嶺河組、埃迪卡拉紀和顯生宙地層環繞(圖1b， Lingetal., 2010)。其中，武當群的主要巖性有兩組，包括變質火山-沉積巖組合和變質沉積巖組合，耀嶺河組則以變玄武質火山巖(熔巖、火山碎屑巖或凝灰巖)為主, 夾少量變酸性火山巖和變泥質巖(張業明等, 2001; Lingetal., 2010; Wangetal., 2016)。區域內新元古代巖漿活動發育，巖石類型多樣，從基性到酸性均有分布，如桃源輝長巖(679±3 Ma)、泰山廟閃長巖(631.6±0.6 Ma)、五里坪花崗巖(630.4±0.6 Ma)、竹溝口花崗巖(632.2±0.7 Ma)以及大規模出露的輝綠巖脈(Lingetal., 2008; Zhuetal., 2015; Wangetal., 2016)。

牌樓似斑狀二長花崗巖出露于十堰竹山縣牌樓以北2 km轉盤橋一帶，巖體大致呈不規則條帶狀近東西向展布，長約1 400 m，寬約200 m，呈巖枝形式侵位于武當群副變質巖中。該區域內發育兩組斷裂，近北東向的斷裂被后期近東西向斷裂切割錯斷。大量基性巖脈侵入到武當群中，少量輝長巖因區域變質作用而形成斜長角閃巖。除此之外，還出露有花崗閃長巖和牌樓花崗巖等酸性侵入巖(圖1c)。

2 樣品描述和分析方法

牌樓花崗巖具灰白色細粒似斑狀結構，塊狀構造(圖2a)。斑晶含量約占15%，主要組成礦物為斜長石(10%)、角閃石(4%)以及少量黑云母(<1%)。斜長石發育聚片雙晶或卡鈉復合雙晶；角閃石多呈長柱狀，單偏光下呈墨綠色-綠色多色性，正交鏡下呈一級橙黃干涉色，部分角閃石顆粒因自身顏色的掩蓋在正交鏡下呈現深綠色，大部分角閃石可見一組平行于長軸方向的解理，少數呈半自形的六邊形結構，發育“角閃石式”解理(圖2b、2c)。基質為顯微晶質結構，主要由石英、鉀長石、斜長石、黑云母和角閃石組成(圖2d、2e)。石英多為他形結構；鉀長石以半自形條紋結構為主(圖2e)，少數可見格子雙晶；斜長石主要為半自形聚片雙晶。基質中鉀長石含量高于斜長石。基質中黑云母為自形-半自形片狀結構，單偏光鏡下呈棕黃色-棕黑色多色性，正交鏡下因自身顏色覆蓋而呈現微弱的紫紅-黃綠色干涉色(圖2d、2e)；角閃石則為長柱狀和六邊形結構。該巖體中還可見磁鐵礦、鋯石等副礦物呈半自形-他形結構產出于基質中。根據其野外產狀和巖相學特征定名為似斑狀二長花崗巖。

圖 1 秦嶺-桐柏-大別構造簡圖(a， 據吳元保等, 2013)、武當隆起大地構造位置圖[b， 據Ling 等(2008)修編]和牌樓花崗巖出露位置圖(c)Fig. 1 Schematic geological map of the Qinling-Tongbai-Dabie orogenic belt (a， modified after Wu Yuanbao et al., 2013)， geological map of Wudang uplift (b, modified after Ling et al., 2008) and geological map of Pailou granite (c)

為了限定花崗巖形成的物化參數，本文選取基質中普遍發育的黑云母，利用電子探針技術對其進行礦物化學成分分析。分析測試在武漢地質調查中心的EPMA-1600型電子探針儀器上完成，具體工作條件如下：加速電壓15 kV，探針電流20 nA，束斑直徑1 μm，根據元素強度和性質不同，元素峰分析時間選擇在7～60 s間，絕大部分元素峰分析的時間為10 s，檢測限為100×10-6～300×10-6。標樣采用SPI公司的硅酸鹽及氧化物標樣，測試完成后對所有數據利用ZFT修正法進行處理，分析精度優于1%～2%。

圖 2 牌樓二長花崗巖手標本(a)及鏡下特征(b～e)圖(b、d為單偏光； c、e分別為b、d對應的正交偏光)Fig. 2 Hand specimen (a) and microscopic photos (b～e) of the Pailou monzogranite (b and d: plainlight; c and e: crossed nicols)Bt—黑云母； Hb—角閃石； Kfs—鉀長石； Pl—斜長石； Qz—石英Bt—biotite; Hb—hornblende; Kfs—K-feldspar; Pl—plagioclase; Qz—quartz

3 礦物化學特征

牌樓似斑狀二長花崗巖中的黑云母SiO2含量變化于32.76%～34.41%之間，TiO2含量介于1.86%～2.08%之間，Al2O3含量分布于11.89%～13.68%之間，FeOT含量變化于35.02%～37.56%之間，MgO含量變化于0.23%～0.29%之間，MnO含量在0.52%～0.75%之間，Na2O和K2O含量分別為0.03%～0.25%和7.37%～8.72%，Cl含量為0～0.05%，并且CaO和F含量可以忽略不計(表1)。

黑云母的結構式是基于22個氧原子計算獲得的，而Fe3+和Fe2+采用林文蔚等(1994)的迭代法獲得。計算的原子數結果表明，牌樓似斑狀二長花崗巖中的黑云母富Fe2+而貧Mg，XMg[Mg/(Mg+FeT)]值為0.011～0.015。除此之外，黑云母AlⅥ原子數較低(0.128～0.395)，而Ti原子數適中(0.236～0.267)，在云母成分分類圖解中，全部落入鐵葉云母區域(圖3， Foster, 1960)。

表 1 牌樓似斑狀二長花崗巖黑云母化學成分特征Table 1 Representative chemical compositions of biotite from the Pailou monzogranite

4 討論

4.1 黑云母的成因類型

按照其成因，黑云母可以劃分為巖漿黑云母和熱液黑云母(Jacobs and Parry, 1976)。 巖漿黑云母形成于巖漿結晶過程中；熱液黑云母常見于斑巖型、矽卡巖型和IOCG型等礦床的熱液蝕變過程中，可進一步細分為平衡再結晶黑云母和熱液新生黑云母(Jacobs and Parry, 1976, 1979)。巖漿黑云母和熱液黑云母不僅在巖相學上存在較大的差異，在礦物化學性質方面也有較大差別。通過對北美斑巖銅礦中的黑云母對比研究，Beane (1974) 指出中酸性巖體中的巖漿黑云母Mg/Fe<0.1，蝕變黑云母Mg/Fe>1.5且Fe3+/Fe2+<0.3。除此之外，巖漿黑云母還具有更高的TiO2(>3%)和更低的Al2O3(<15%)含量(Nachitetal., 2005)，兩者可以用TiO2-FeOT+MnO-MgO三元圖解很好地區分開來(Nachitetal., 2005)。

圖 3 云母分類圖解(據Foster, 1960)Fig. 3 The classification diagram of mica (after Foster, 1960)

牌樓花崗巖中的黑云母呈彌散狀、自形-半自形片狀產出，具有鋸齒狀、散口等特征(圖2e、2f)，未見脈狀集合體形式，其巖相學特征與巖漿黑云母相似(唐攀等, 2017)。化學成分結果顯示，這些黑云母Mg/Fe值遠小于0.1，Al2O3含量介于11.89%～13.68%之間，也與巖漿黑云母相符。然而，牌樓二長花崗巖黑云母的TiO2含量約為2 %，在相關判別圖解上落入堿性花崗巖黑云母和平衡再結晶黑云母相交的區域內，有別于大多數巖漿黑云母(圖4)。已有的巖石地球化學研究結果表明，牌樓二長花崗巖具有高含量的FeOT(張維峰等, 2018)。黑云母和角閃石作為牌樓二長花崗巖的主要賦Fe礦物，不可避免繼承其寄主巖石屬性。同時，由于黑云母礦物晶格中普遍存在TiⅥ與(Fe, Mg)Ⅵ類質同像替代(Abrecht and Hewitt, 1988)，黑云母中高含量的Fe勢必會導致較低含量的Ti。事實上，很多研究實例顯示，富FeOT的堿性花崗巖中的黑云母不一定都含有高含量的TiO2(Nachitetal., 2005)。綜合上述分析，認為用于成分分析的黑云母都屬于巖漿黑云母，因而其化學成分可以用于探討牌樓花崗巖形成的物理化學條件及成巖過程。

圖 4 黑云母的10 TiO2-FeOT+MnO-MgO成因分類圖解(據Nachit et al., 2005)Fig. 4 Genetic classification of biotite using 10 TiO2-FeOT+ MnO-MgO diagram (after Nachit et al., 2005)

4.2 黑云母結晶的物理化學條件

實驗研究表明，隨著巖漿系統氧逸度增加，熔體的Fe3+/Fe2+值增加，就會導致有更少的Fe2+與Mg2+競爭進入黑云母礦物的晶格中(Wones and Eugster, 1965)，因此黑云母分子格架中Mg2+、Fe3+和Fe2+離子的相對含量可以用于估算巖漿結晶時的氧逸度。目前利用該實驗所提出的相對氧逸度圖解已經被廣泛應用于花崗巖或者斑巖型礦床的研究中(Parsapooretal., 2015; Zhangetal., 2015; Zhangetal., 2016; 楊陽等, 2017)。如前文所述，牌樓二長花崗巖基質中廣泛發育有石英、黑云母、鉀長石及少量磁鐵礦，其巖石礦物組合符合黑云母氧逸度圖解的使用條件。礦物化學特征顯示，牌樓花崗巖中的黑云母Mg2+、Fe3+和Fe2+原子數分布范圍分別為0.057～0.075、0.256～0.462和4.518～5.135，在相關圖解上落入NNO(鎳-氧化鎳)和FMQ(鐵橄欖石-磁鐵礦-石英)氧逸度緩沖線之間(圖5)，在Wones和Eugster (1965) 的黑云母logfO2-t圖解(圖6)中，可以看出牌樓花崗巖的logfO2約為-18.1～-17.4，指示其中黑云母形成于較低的氧逸度環境。

黑云母的TiO2含量受溫度控制靈敏，并且Ti的含量又控制著黑云母的反射色(Robert, 1976)，因此Ti的含量可以有效地估算火成巖和變質巖中黑云母形成溫度(Robert, 1976; Douce, 1993)。牌樓二長花崗巖中的黑云母單偏光鏡下呈棕黃色，暗示其形成溫度較高。通過對美國529組巖漿黑云母化學成分數據的統計，Henry等(2005) 得出黑云母Ti含量與溫度和XMg的經驗公式。近些年，這一經驗公式也被拓展到斑巖系統有關的熱液黑云母中，并取得了良好的應用效果(Parsapooretal., 2015; Sarjoughianetal., 2015)。該非線性方程適用的范圍為XMg=0.275～1.000, Ti=0.04～0.60,t=480～800℃(以22個O原子為基準)。牌樓二長花崗巖黑云母的XMg值為0.011～0.015，不符合該方程的使用條件。為了定量估算其成巖溫度，筆者選取logfO2-t圖解，根據氧逸度緩沖區域及黑云母分子式中100 Fe/(Fe+Mg)值，估算牌樓二長花崗巖黑云母形成溫度范圍為640～710°C(圖6)。

圖 5 黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg2+圖解(據Wones 和Eugster, 1965)Fig. 5 The Fe3+-Fe2+-Mg2+ diagram of biotite (after Wones and Eugster, 1965)

圖 6 黑云母log fO2-t圖解(據Wones和 Eugster, 1965)Fig. 6 The log fO2-t diagram of biotite (after Wones and Eugster, 1965) MH、NNO、FMQ和IW為氧逸度緩沖曲線，虛線為黑云母100 Fe/ (Fe+Mg)等值線The solid curves of MH, NNO, FMQ and IW are oxygen fugacity buffer, and the dashed curves are isograms of 100 Fe/(Fe+Mg) in biotite

基于花崗巖中黑云母AlT與角閃石AlT壓力計和閃鋅礦地質壓力計標定的成巖壓力存在良好的線性關系，Uchida 等(2006) 提出了花崗巖中黑云母AlT與固結壓力的經驗方程：p(0.1 GPa)=3.03 AlT-6.53(±0.33)，其中AlT為黑云母以22個氧原子計算所得的Al 陽離子總數。該公式基于的數據庫來自于日本地區的I型或者I-S型花崗巖。近幾年，這一經驗公式也逐漸被拓展到A型花崗巖中，并取得了良好的運用效果(Lanetal., 2015; Caoetal., 2016)。通過上述方程換算，得出牌樓二長花崗巖黑云母形成壓力范圍為0.9～1.7 GPa。侵位深度利用p=ρgH進行換算，其中ρ取大陸地殼的平均密度2 700 kg/m3，g=10 m/s2，對應的深度相當于3.2～6.2 km。由于侵位深度離地表較近，巖漿與外界的熱擴散作用較為強烈，礦物在快速冷卻環境下往往來不及充分結晶，形成較為細粒的結構，這也與巖相學觀察的牌樓花崗巖為細粒結構這一特征相符(圖2)。

4.3 巖石成因類型和構造環境

大量的研究已經證明黑云母成分除了可以估算氧逸度、地質壓力和地質溫度以外，在某些情況下，還可以用于判斷巖石成因類型及構造背景(Abdel-Rahman, 1994; Shabanietal., 2003; Dahlquistetal., 2010; Zhangetal., 2015; 葉茂等, 2017)。通過對造山和非造山巖系中黑云母成分的系統對比研究，Abdel-Rahman (1994) 指出造山鈣堿性巖系(I型花崗巖)中的黑云母相對富Mg，過鋁質S型花崗巖中黑云母明顯富Al，而非造山堿性巖系(A型花崗巖)中黑云母富Fe、成分近鐵云母。在此結論的基礎上，Dahlquist 等(2010) 研究指出，黑云母成分中的Fe2+/(Fe2++Mg)>0.8是區分A型與I、S型花崗巖的重要判別指標。

牌樓花崗巖中的黑云母均表現為富Fe貧Mg的特征，Fe2+/(Fe2++Mg)值介于0.985～0.989之間，屬于鐵葉云母(圖3)。在黑云母MgO-FeOT-Al2O3和Fe2+/(Fe2++Mg)-F對巖石成因類型的判別圖解中，牌樓二長花崗巖中的黑云母成分均落入非造山堿性巖套范圍內(圖7)，指示牌樓二長花崗巖屬于A型花崗巖。這也與前人對其展開的巖石地球化學研究結果一致(張維峰等， 2018)。全巖主、微量元素特征表明，牌樓二長花崗巖屬于準鋁質巖石，Fe3+/(Fe3++Fe2+) 值遠大于0.153，富集高場強元素Nb和Ta，具有較高的Zr+Nb+Y+Ce含量以及10 000 Ga/Al、FeOT/(FeOT+MgO)值，顯示出A型花崗巖的特征(張維峰等， 2018)。

圖 7 黑云母MgO-FeOT-Al2O3(a,據Abdel-Rahman, 1994)和F-Fe2+/(Fe2++ Mg)圖解(b,據Dahlquist et al., 2010)Fig.7 The MgO-FeOT-Al2O3 (a, after Abdel-Rahman, 1994) and F- Fe2+/(Fe2++ Mg) (b, after Dahlquist et al., 2010) diagrams of biotite

牌樓似斑狀二長花崗巖的形成年齡為667.2±3.5 Ma，與武當隆起地區桃源輝長巖、泰山廟閃長巖、五里坪花崗巖、竹溝口花崗巖的形成年代相近(Lingetal., 2008; Wangetal., 2016)，都屬于新元古代中晚期巖漿活動的產物。巖石地球化學和同位素特征表明這些巖石均與俯沖板片斷裂或回撤后的伸展作用有關(Lingetal., 2008; Wangetal., 2016)。綜合考慮區域同時代巖漿活動屬性及本次研究獲得的牌樓二長花崗巖黑云母化學成分的指示意義，本文認為牌樓二長花崗巖也形成于非造山伸展體系下。

4.4 成礦潛力分析

近些年，越來越多的研究表明，巖漿巖自身的氧逸度和溫度等物化條件是決定其能否形成Cu、Au、Mo和Sn礦化的關鍵控制因素之一(Linnenetal., 1996; Mungall, 2002; Sunetal., 2015)。由于在高氧逸度條件下，S以SO42-或SO2的形式存在于硅酸鹽熔體中，就會導致在巖漿演化的早期階段不易發生硫化物的沉淀，從而使得Cu、Au和Mo等親硫元素在殘余熔體中逐步富集，為后續的礦化蝕變提供充足的物質來源(Sunetal., 2015)。目前，普遍認為與Cu、Au和Mo成礦作用有關的致礦巖體具有較高的氧逸度，其氧逸度多在NNO和HM氧逸度緩沖曲線之間(Parsapooretal., 2015)或大于FMQ+2(Mungall, 2002)。牌樓似斑狀二長花崗巖中黑云母所限定的氧逸度均落入FMQ和NNO所夾區域內(圖5)，暗示較低的氧逸度可能是導致其不能形成Cu、Au和Mo礦化的決定因素。

實驗研究表明，氧逸度和溫度是制約Sn在流體/熔體間分配及錫成礦的主要控制因素(temprok, 1990; Linnenetal., 1996)。在較高氧逸度條件下，Sn以Sn4+形式存在，由于其離子半徑與Ti4+相似，因而在巖漿結晶過程中，Sn4+常類質同像替代Ti4+進入早期結晶的礦物，如磁鐵礦、角閃石、黑云母等；而在低氧逸度條件下，Sn以+2價形式存在，由于其離子半徑較大，更傾向于在巖漿結晶分異晚期的熔體和流體中富集。通過系統的總結研究，temprok (1990) 指出SnO2在花崗質巖漿中的溶解度和溫度呈正相關關系，即熔體溫度越高，富集的SnO2的濃度越高。因此，低氧逸度和高溫的花崗質巖漿有利于晚期分異出的流體形成錫礦化。雖然牌樓花崗巖具有較低的氧逸度(圖5)，然而未見錫礦有關的礦化，可能與熔體形成溫度較低，不利于錫在熔體中富集有關。

5 結論

(1) 牌樓花崗巖中的黑云母為巖漿黑云母，具有富鐵貧鎂的特征，屬于鐵葉云母亞類；

(2) 黑云母的結晶溫度為640～710℃，巖體的固結壓力為0.9～1.7 GPa，logfO2變化于-18.1～-17.4之間，形成于較低氧逸度條件；

(3) 牌樓二長花崗巖屬于A型花崗巖，形成于非造山伸展構造背景；

(4) 巖漿的氧逸度較低是導致牌樓二長花崗巖不具有Cu、Au和Mo成礦潛力主要控制因素，而缺乏Sn礦化可能與巖漿溫度較低有關。

致謝衷心感謝武漢地質調查中心魏運許教授在野外的大力幫助以及審稿專家和編委的建設性意見。