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桂东北姑婆山岩体矿物学和年代学特征及其成岩成矿意义
蔡永丰1,2, 刘风雷1, 冯佐海1,2, 周云1, 曾长育3     
1. 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 广西 桂林 541004;
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 桂林 541004;
3. 广西地质调查院, 南宁 530023
摘要: 为揭示桂东北姑婆山一带花岗岩的成岩成矿特征,本文对姑婆山岩体进行了黑云母矿物化学成分分析和锆石U-Pb年代学研究。花岗岩中黑云母化学成分分析结果表明:黑云母具有富铁镁、贫钙钠的特征,w(TFeO)为26.78%~31.06%、w(MgO)为2.98%~6.60%,且w(TFeO)与w(MgO)呈明显的负相关性,说明其结晶过程中主要发生了Fe2+←→Mg2+的置换反应;黑云母的含铁指数为0.68~0.84,属于高铁黑云母,氧逸度为-17.0~-15.5,结晶温度为680~705℃,平均为695℃;黑云母的全铝压力计显示黑云母结晶的压力为69~179 MPa,平均为115 MPa,对应的侵位深度相当于2 621~6 755 m,平均深度为4 331 m。年代学分析结果显示,采自姑婆山岩体的两个代表性花岗岩样品形成年龄分别为(162±3)和(163±2)Ma,为燕山早期,与华南中生代大规模岩浆-成矿作用时代一致。综合上述分析,姑婆山岩体形成于较高温度、低氧逸度、较浅的环境,显示出良好的锡成矿性,具有良好的找矿前景。
关键词: 花岗岩    黑云母    锆石U-Pb年代学    姑婆山岩体    桂东北    
Mineral Compositional and Chronological Characteristics of Guposhan Pluton in Guangxi and Its Petrogenetic and Metallogenic Significance
Cai Yongfeng1,2, Liu Fenglei1, Feng Zuohai1,2, Zhou Yun1, Zeng Changyu3     
1. Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;
2. Collaborative Innovation Center for Exploration of Hidden Nonferrous Metal Deposits and Development of New Materials in Guangxi, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;
3. Guangxi Geological Survey Institute, Nanning 530023, China
Abstract: In order to reveal the distribution of Early Yanshanian magmatism and its petrogenetic and metallogenic significance in South China, the authors studied the mineral composition and LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronological characteristics of Guposhan pluton, which intruded in Huashan-Guposhan belt in northeast Guangxi. The geochronological analyses show two crystallized ages of (162±3) and (163±2) Ma, which are consistent with the time of Mesozoic large scale magmatism and mineralization in South China. The result of electron microprobe analyzer (EMPA) suggests that the biotite from Guposhan pluton has high TFeO and low MgO contents with Fe/(Fe+Mg) values of 0.68-0.84, resembling those of siderophyllite. The negative correlation between TFeO and MgO shows that the replacement between Fe2+ and Mg2+ occurred during crystallization of biotite. The data of biotite thermometers show high crystallization temperature of 680-705℃ and low oxygen fugacity of -17.0--15.5. The results of Al-in-biotite barometer indicate the biotite crystallization pressure is 69-179 MPa, suggesting a crystallization depth of 2 621-6 755 m. Integrated with regional geological data, it could be inferred that the Early Yanshanian (~162 Ma) granitic magmatism is a common geological process, and a large scale of lithospheric extension and thinning might be the key mechanism to drive the Mesozoic magmatism and the corresponding mineralization in South China. Relatively high temperature, low oxygen fugacity, and shallow environment are favorable for Sn mineralization.
Key words: granite    biotite    zircon U-Pb geochronology    Guposhan pluton    northeast Guangxi    

0 引言

华南在不同地质时期均发育大面积的花岗岩,这其中又以中生代花岗岩最为典型和特殊,华南中生代花岗岩分布面积约135 000 km2[1];同时,这些花岗岩与同期的钨锡等金属矿床的形成密切相关。因此,华南中生代花岗岩及其成矿作用历来是地质学家研究的焦点[2-7]。桂东北花山-姑婆山一带出露的花岗岩是华南中生代花岗岩的重要组成部分,它们主要分布在湘桂两省交界处的广西富川—贺州—钟山一带,出露面积约1 300 km2,主要包括姑婆山岩体、里松岩体、银屏岩体、新路岩体、乌羊山岩体、花山岩体、同安岩体和牛庙岩体等[8-12]。这些岩体与钨、锡、铜、铅、锌等有色金属矿产(如姑婆山钨锡矿田、新路钨锡矿田、六合坳锡矿床等)关系密切[13-14],是研究花岗岩及其成矿作用的理想区域。自20世纪50年以来,前人相继对花山-姑婆山花岗岩的基本地质特征、岩石类型、谱系单位划分、岩石成因、形成时代、构造样式、侵位过程、变形特征及其成矿作用展开了大量的研究工作,并取得了丰富成果[8-12, 14-22]。然而,对本区成矿作用的研究,前人主要关注其矿床地质特征、成矿物质来源、成矿规律和成矿模式等方面[20-21, 23],而未详细涉及到花岗岩与成矿作用的关系。黑云母是花岗岩中含量最多的暗色矿物,其化学组成记录了花岗岩的源区特征、后期热液作用和成矿元素富集规律等重要信息,是探索花岗岩及其成矿作用的重要窗口[24-25]。因此,本文重点对姑婆山花岗岩中黑云母矿物化学成分展开系统研究,结合年代学研究,尝试从矿物学的角度揭示出姑婆山花岗岩的岩石成因及其成矿作用。

1 区域地质背景

桂东北地区大地构造位置处于扬子地块与华夏地块的结合部位(图 1a),该地区的地壳演化经历了晋宁期、广西期、海西—印支期、燕山—喜马拉雅期4个阶段。晋宁期的造山事件使扬子地块和华夏地块形成统一的华南大陆;广西运动使华南板块形成了北东向和东西向“加里东褶皱带”[8],研究区进入陆内造山阶段,形成了大量广西期花岗岩,如紧邻姑婆山花岗岩的大宁岩体(419 Ma)[26];海西—印支期研究区地壳进一步抬升,再次发生陆内造山作用,产生强烈花岗质岩浆活动,如桂东北苗儿山花岗岩体(228 Ma)[27];燕山—喜马拉雅期的构造事件在华南板块形成了闻名于世的长江中下游成矿带、“钦杭”成矿带和东南沿海成矿带3条成矿带,以及同期的花岗岩和中酸性火山岩[3-5] (图 1b)。

据文献[4]修编。 图 1 华南大地构造位置简图(a)及华南地区燕山期花岗岩分布图(b) Fig. 1 Simplified tectonic map of South China(a) and sketched geological map showing distribution of Mesozoic granitic rocks in South China(b)

桂东北姑婆山岩体主要侵入于寒武系、泥盆系和石炭系(图 2)。其中:寒武系主要为一套浅变质类复理石砂页岩建造,浅海相,局部可见灰岩透镜体;该地层主要发育在岩体的东北部和东南部,与下伏地层呈角度不整合接触,岩层厚度大于4 000 m。泥盆系和石炭系主要见于该岩体的西南部和东北部。其中:泥盆系下部岩性主要为陆相和滨海相紫红色砂岩和灰黑色砂页岩;上部南北侧岩性不一,南侧主要为硅质岩,北侧为一套由中厚层灰岩、泥灰岩和白云质灰岩组成的碳酸盐岩沉积建造;本地层的岩层总厚度为3 500~4 000 m,与下伏寒武系呈角度不整合接触。石炭系下部岩性为白云岩、白云质灰岩夹灰岩和深灰色灰岩夹白云岩,岩层厚度大于200 m;中部岩性为钙质页岩、灰黑色含燧石灰岩,岩层厚度大于540 m;上部岩性主要由浅灰色白云岩夹灰岩或白云质灰岩、灰白色灰岩夹白云岩,厚度大于200 m,与下伏泥盆系呈整合接触关系。此外,在岩体西南部的泥盆系和石炭系之上发育一套侏罗系,它们之间呈角度不整合接触,侏罗系为一套含煤的内陆湖泊相沉积建造,主要岩性为紫红色角砾岩、含锰质页岩夹粉砂岩、长石砂岩、页岩、泥质细砂岩,厚度近1 500 m。

图 2 桂东北姑婆山花岗岩体地质简图 Fig. 2 Simplified geotectonic map showing Guposhan pluton in northeast Guangxi

研究区岩浆活动强烈,发育几十个大小不一岩体,除了花山-姑婆山花岗岩体外,在其周围还发育大宁岩体和桂岭岩体等。其中,本文研究的姑婆山复式岩体主要由姑婆山岩体、新路岩体和里松岩体组成(图 2)。该复式岩体主要分布在桂东北的富川、贺州和钟山一带(又称平桂地区),少部分发育在湘南的江永县,岩性主要为石英闪长岩、二长花岗岩和黑云母花岗岩等,主要侵位于寒武系、泥盆系、石炭系中。岩体的东侧与桂岭岩体呈侵入接触关系,围岩普遍可见矽卡岩化、大理岩化和角岩化,复式岩体的总面积约678 km2

研究区发育的主要断层为姑婆山断层,其沿独山—新路—贺街一带分布,延伸长度大于100 km,断层切穿寒武系、泥盆系、石炭系以及姑婆山岩体,垂直断距为200~300 m。断层面清晰,可见明显的硅化带、碎裂岩带及揉褶带,劈理发育。在姑婆山岩体内还可见陡直的断层谷,断层谷内的花岗岩变形较强、硅化明显、局部破碎,由于受挤压破碎明显,硅化较强[28]

本文研究的样品15HZ09A和15HZ17A分别采自姑婆山岩体的南端(24°31'55"N,111°34'57"E)和东北端(24°37'04"N,111°40'07"E),主要岩石类型均为中细粒斑状黑云母花岗岩(图 3a, b),主要矿物成分有斜长石(40%~50%)、石英(35%~45%)、黑云母(5%~10%)和少量白云母,副矿物主要有锆石、榍石、磷灰石、磁铁矿和钛铁矿等(图 3c, d)。显微镜下:斜长石土化明显(图 3c);石英颗粒呈他形晶,表面干净,局部破碎;少量褐绿色钠铁闪石与石英构成显微交生结构(图 3d),部分石英还表现出锯齿状和明显的熔蚀港湾状边或圆化边,说明其受到了挤压作用。

Pl.斜长石;Qtz.石英;Bt.黑云母;Arf.钠铁闪石。 图 3 姑婆山岩体野外照片(a, b)和显微照片(c, d) Fig. 3 Rock samples (a, b) and photomicrographs (c, d) of representative granite from Guposhan pluton
2 分析测试方法

岩石样品薄片和探针片的磨制、矿物鉴定、黑云母矿物的电子探针分析测试、锆石的阴极发光图像(CL)拍摄和锆石U-Pb年代学分析均在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成。在系统的矿物鉴定基础上,圈定新鲜的黑云母用于电子探针测试,电子探针分析测试所采用仪器是由牛津仪器生产的JXA-8230型电子探针,分析测试条件为加速电压15 kV,电流30 nA,束斑直径1 μm。测试的主量元素包括SiO2、TiO2、MgO、FeO、Na2O、K2O、Al2O3、CaO和P2O5等,氧化物的检出限为0.01%。

锆石的挑选采用常规的重选和磁选方法,将挑选出来的锆石和锆石标样一起粘贴在环氧树脂中进行锆石靶的制作,靶的制作在重庆宇劲科技有限公司完成,制作完成后对锆石靶进行打磨、抛光处理。随后进行反射光、透射光显微照相和阴极发光图像拍摄。锆石U-Pb定年分析仪器为激光-电感耦合等离子质谱计(LA-ICP-MS)。分析测试过程中采用TEM为标样,GJ-1为监控标样。测试完成后,利用ICPMSDataCal软件对测试数据和结果进行整理和分析,分析整理过程中普通铅的校正根据实测的204Pb进行,同位素比值误差为1σ。实验数据整理分析完成后用Isoplot软件进行U-Pb年龄谐和图、均值图等图件的绘制。

3 分析结果 3.1 矿物化学成分

样品15HZ09A和15HZ17A的黑云母化学成分见表 1。黑云母的Fe2+和Fe3+采用林文蔚[29]提出的方法进行计算;在此基础上,黑云母的结构式以22个氧来计算阳离子数。由表 1可以看出,黑云母具有富铁、镁、钛、钾,相对贫钙、钠的特征。其w(TFeO)为26.78%~31.06%、w(MgO)为2.98%~6.60%、w(TiO2)为3.08%~3.87%、w(K2O)为8.55%~10.41%;w(CaO)较低,部分低于检出限,显示出无Ca或贫Ca的特征,表明岩浆期后变质作用引起的绿泥石化和绢云母化蚀变对黑云母成分的影响很小[32],暗示其为原生岩浆成因黑云母。黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg) (IFe)和Mg/(Fe2++Mg) (IMg)值较均一,分别变化在0.68~0.84和0.16~0.32之间,反映黑云母未受后期流体的改造作用[33]。上述特征显示黑云母属于高铁黑云母,与铁叶云母相似[34] (图 4)。

表 1 姑婆山花岗岩黑云母化学组成 Table 1 Compositions of biotite from Guposhan pluton
SiO2 TiO2 Al2O3 TFeO MnO MgO CaO Na2O K2O 总量 FeO Fe2O3 Si Al
38.37 3.59 14.81 29.06 0.20 3.73 0.24 0.22 8.55 98.77 24.64 4.92 6.04 1.96
35.92 3.72 13.55 31.04 0.18 3.13 0.02 0.07 9.94 97.57 27.74 3.67 5.90 2.10
35.79 3.87 13.86 30.77 0.26 2.98 0.04 0.09 10.26 97.92 27.61 3.51 5.87 2.13
36.06 3.78 13.69 31.06 0.23 3.10 0.03 0.09 10.14 98.18 27.83 3.59 5.89 2.11
35.66 3.68 13.60 30.64 0.19 3.13 0.05 0.08 10.02 97.06 27.46 3.54 5.89 2.11
35.81 3.08 12.49 26.78 0.12 6.60 0.08 0.10 10.03 95.11 24.46 2.58 5.96 2.04
34.98 3.36 12.15 27.29 0.10 6.38 0.03 0.08 10.05 94.42 25.30 2.22 5.90 2.10
34.49 3.39 12.08 27.02 0.11 6.56 0.03 0.08 10.17 93.95 25.46 1.74 5.87 2.13
35.98 3.40 12.57 27.56 0.15 6.55 0.02 0.09 10.41 96.71 25.47 2.32 5.92 2.08
36.54 3.53 12.40 27.74 0.11 6.41 0.07 10.39 97.20 25.28 2.73 5.97 2.04
36.01 3.36 12.57 27.30 0.10 6.35 0.04 0.08 10.25 96.08 24.92 2.65 5.94 2.06
Al Ti Fe3+ Fe2+ Mn Mg Ca Na K IFe IMg T/℃ p/MPa H/m
0.78 0.42 0.58 3.24 0.03 0.87 0.04 0.07 1.72 0.79 0.21 689 179 6 754
0.52 0.46 0.45 3.81 0.02 0.77 0.02 2.08 0.83 0.17 700 141 5 346
0.54 0.48 0.43 3.79 0.04 0.73 0.01 0.03 2.15 0.84 0.16 705 158 5 953
0.53 0.47 0.44 3.80 0.03 0.76 0.01 0.03 2.11 0.83 0.17 701 145 5 495
0.54 0.46 0.44 3.79 0.03 0.77 0.01 0.03 2.11 0.83 0.17 699 149 5 621
0.41 0.39 0.32 3.40 0.02 1.64 0.01 0.03 2.13 0.68 0.32 680 88 3 342
0.32 0.43 0.28 3.57 0.01 1.61 0.01 0.03 2.16 0.69 0.31 695 79 2 976
0.29 0.43 0.22 3.62 0.02 1.66 0.01 0.03 2.21 0.69 0.31 697 80 3 033
0.35 0.42 0.29 3.50 0.02 1.61 0.03 2.18 0.69 0.31 693 85 3 193
0.35 0.43 0.34 3.45 0.02 1.56 0.02 2.16 0.69 0.31 697 69 2 621
0.39 0.42 0.33 3.44 0.01 1.56 0.01 0.03 2.16 0.69 0.31 691 88 3 308
注:除IFeImgT、p、H外,其他质量分数单位为%。Fe2+和Fe3+根据林文蔚等[29]方法计算;IFe=Fe2+/(Fe2++Mg);IMg=Mg/(Fe2++Mg);AlIV和AlVI分别表示四次配位铝和六次配位铝;T.温度;p.压力;H.侵位深度,计算方法参考文献[30-31]。
底图据文献[35]修编。 图 4 姑婆山岩体黑云母TFeO/(TFeO+MgO)-w(MgO)图解 Fig. 4 Plot of TFeO/(TFeO+MgO) versus w(MgO) of biotite from Guposhan pluton
3.2 年代学测试结果

样品15HZ09A和15HZ17A的年代学分析测试结果见表 2。姑婆山岩体中的锆石多呈现出透明—半透明状、短柱状,长宽比多在1:1~3:1之间(图 5a, b);锆石震荡环带发育,与岩浆成因锆石特征相似。LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试结果显示,样品15HZ09A的19个测试点Th/U值在0.22~1.04 (表 2)之间,与岩浆锆石Th/U值相似。17个锆石分析测试点落在谐和线上(图 5c),其206Pb/238U加权平均值为(162±3) Ma (MSWD = 0.3),代表了该样品的形成年龄;此外,有1个测试点明显偏离谐和线且年龄明显偏小,可能为受后期构造事件作用而发生Pb丢失的结果[36],在计算加权平均值时剔除该点;还有1个分析点获得了1 617 Ma的207Pb/206Pb年龄(表 2),可能为继承锆石,暗示了本区存在古老基底物质。样品15HZ17A进行了15个锆石点的分析测试,其Th/U值在0.10~0.56 (表 2)之间,其中有3个测试点明显偏离谐和线,与岩石受后期构造事件影响作用而发生Pb丢失的特征相似[36],在计算加权平均值时剔除此3个点;另外有1颗锆石分析点的年龄为931 Ma,可能代表了继承锆石;其余11个测试点均落在了谐和线上(图 5d),其206Pb/238U加权平均值为(163±2) Ma (MSWD = 2.7),代表了本样品的形成年龄。

表 2 姑婆山岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb analyses of Guposhan pluton
测试点号 Th/U 同位素比值 年龄/Ma
207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ
1 0.54 0.047 0.003 0.165 0.009 0.026 0.001 78 120 155 8 163 7
2 0.42 0.049 0.003 0.178 0.010 0.027 0.001 132 126 167 9 170 7
3 0.38 0.047 0.002 0.157 0.008 0.024 0.001 56 117 148 7 155 7
4 0.67 0.050 0.003 0.179 0.010 0.026 0.001 191 132 167 9 166 7
5 0.67 0.045 0.002 0.159 0.009 0.025 0.001 150 8 162 7
6 0.62 0.048 0.002 0.173 0.009 0.026 0.001 80 119 162 8 167 7
7 0.51 0.049 0.003 0.174 0.010 0.026 0.001 167 128 163 8 162 7
8 0.28 0.049 0.002 0.171 0.009 0.025 0.001 132 111 161 7 162 7
9 0.42 0.049 0.003 0.170 0.009 0.025 0.001 200 -71 159 8 160 7
10 0.42 0.049 0.003 0.166 0.010 0.025 0.001 128 133 156 9 159 7
11 0.37 0.052 0.006 0.185 0.023 0.026 0.001 272 259 172 20 164 9
12 0.36 0.048 0.002 0.167 0.009 0.025 0.001 95 115 157 8 160 7
13 0.37 0.046 0.002 0.159 0.008 0.025 0.001 6 117 150 7 159 7
14 0.54 0.049 0.003 0.173 0.010 0.026 0.001 124 130 162 8 165 7
15 1.04 0.052 0.003 0.164 0.011 0.023 0.001 298 143 154 9 144 6
16 0.54 0.048 0.003 0.170 0.010 0.025 0.001 117 144 159 9 162 7
17 0.33 0.047 0.002 0.163 0.008 0.025 0.001 58 107 153 7 157 7
18 0.42 0.048 0.002 0.172 0.008 0.026 0.001 100 111 162 7 166 7
19 0.22 0.100 0.004 3.369 0.148 0.244 0.010 1 617 81 1 497 34 1 405 53
20 0.37 0.055 0.002 0.194 0.006 0.026 0.001 180 5 180 5 165 6
21 0.56 0.052 0.001 0.189 0.004 0.026 0.000 176 4 176 4 167 2
22 0.30 0.050 0.001 0.183 0.006 0.027 0.000 171 5 171 5 169 3
23 0.21 0.055 0.001 0.118 0.002 0.016 0.000 113 2 113 2 99 1
24 0.31 0.051 0.001 0.177 0.004 0.025 0.000 166 3 166 3 160 2
25 0.32 0.054 0.002 0.192 0.009 0.026 0.001 179 7 179 7 164 5
26 0.36 0.050 0.001 0.172 0.004 0.025 0.000 161 3 161 3 158 2
27 0.35 0.050 0.003 0.174 0.010 0.025 0.000 163 8 163 8 162 2
28 0.37 0.053 0.001 0.144 0.003 0.019 0.000 136 2 136 2 124 1
29 0.10 0.071 0.001 1.519 0.020 0.155 0.001 938 8 938 8 931 6
30 0.37 0.052 0.002 0.181 0.007 0.025 0.000 169 6 169 6 162 2
31 0.17 0.049 0.001 0.172 0.004 0.025 0.000 161 4 161 4 161 1
32 0.30 0.053 0.001 0.154 0.003 0.021 0.000 145 2 145 2 134 1
33 0.33 0.050 0.001 0.181 0.005 0.026 0.000 169 4 169 4 166 3
34 0.17 0.049 0.001 0.175 0.003 0.026 0.000 164 3 164 3 164 1
注:1—19点号为样品15HZ09A,20—34点号为样品15HZ17A。
图 5 姑婆山岩体代表性锆石CL图像(a, b)和LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图(c, d) Fig. 5 CL pictures (a, b) and zircon U-Pb age concordia diagrams (c, d) of Guposhan pluton
4 讨论 4.1 姑婆山岩体形成时代

前人对姑婆山岩体形成时代的研究始于20世纪80年代。张德全等[16]获得姑婆山岩体的侵位年龄为148 Ma,并认为其具有I型和S型花岗岩过渡的特点;杨学明等[37]通过Rb-Sr同位素的研究得到姑婆山岩体的形成时代为(146±7) Ma。由此可以看出,前人的研究结果显示姑婆山岩体形成于燕山中期(约147 Ma)。本文对姑婆山岩体2个代表性样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分别得到(162±3)和(163±2) Ma的形成时代,暗示其形成于燕山早期。

此外,对于在空间上与姑婆山岩体共生的里松岩体和新路岩体的年代学研究前人也展开了一定工作。如:殷保安[38]得到新路岩体和里松岩体的Rb-Sr等时线年龄分别为140和164~160 Ma;广西地质矿产勘查开发局[39]获得里松岩体的形成时代为164 Ma (K-Ar年龄);张德全等[16]提出里松岩体形成于160 Ma;朱金初等[10]研究得到新路岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(151±7) Ma、里松岩体的SHRIMP锆石U-Pb年龄为(162±2) Ma;顾晟彦等[18]研究显示里松岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(163±1) Ma。

综合上述数据可以推断,姑婆山一带花岗岩的形成时序如下:第一期形成于燕山早期(164~160 Ma),以姑婆山岩体和里松岩体为代表,即姑婆山岩体和里松岩体是同期岩浆作用的产物;第二期形成于燕山中期(151~140 Ma),以新路岩体为代表。

4.2 黑云母结晶物理化学条件

Abdel-Rahman[40]研究表明,在钙碱性和过铝质岩浆体系中,黑云母结晶过程中最主要的置换方式为3Mg2+←→2Al3+;在碱性岩浆体系中,主要以Mg2+←→Fe2+和3Fe2+←→2Al3+两种置换方式为主。姑婆山花岗岩黑云母中w(TFeO)与w(MgO)呈明显的负相关性(图 6a),说明其结晶过程中主要发生了Fe2+←→Mg2+的置换反应,而w(TFeO)、w(MgO)与w(Al2O3)的相关性不明显(图 6b, c),暗示3Fe2+←→2Al3+和3Mg2+←→2Al3+的置换反应并非黑云母结晶过程中的主要特征。在岩浆演化的过程中,Mn元素的浓度一般难以形成独立矿物,Mn2+主要以类质同像替代Fe2+、Mg2+等离子进入造岩矿物中[41]。黑云母中w(MnO)与w(MgO)负相关(图 6d),而与w(Al2O3)、w(TFeO)呈明显的正相关性(图 6e, f),说明结晶过程中Mn2+主要以类质同象替代Mg2+进入黑云母晶格中。

图 6 姑婆山岩体黑云母矿物化学成分哈克图解 Fig. 6 Harker plots of mineral chemistry composition of biotite from Guposhan pluton

利用Henry等[30]提出的黑云母Ti温度计公式:

(1)

式中:T为温度,单位为℃;Ti为以22个氧原子为基础计算得到的黑云母Ti阳离子数;IMg值见表 1a =-2.359 4;b = 4.648 2×10-9c =-1.728 3;校正范围值为IMg = 0.275~1.000;Ti = 0.040~0.600;T = 400~800 ℃。

本文研究的大部分样品满足式(1)的条件,由式(1)计算获得姑婆山岩体中黑云母的结晶温度变化于680~705 ℃之间,平均值为695 ℃(表 1)。

在黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg图解(图 7a)中,姑婆山岩体中黑云母数据点主要投在了Ni-NiO缓冲线上或附近。Wones[43]研究提出,越接近Ni-NiO缓冲线,黑云母结晶的氧逸度就越低。因此,上述结果表明姑婆山岩体中黑云母结晶于低氧逸度环境中。黑云母中w(Al2O3)为12.08%~14.81%,平均值为13.07%,以22个氧原子为单位计算的阳离子数中AlVI为0.29~0.78,平均值为0.46,其较高的AlVI值亦指示其形成于低氧逸度的环境[44]。结合上述计算得到的黑云母结晶温度,通过Wones等[42]提出的黑云母lg fO2-T图解(图 7b),可以估算出姑婆山岩体的氧逸度lg fO2变化于-17.0~-15.5之间。

底图据文献[42]修编。 图 7 姑婆山岩体黑云母Fe3+-Fe2+-Mg和lg fO2-T图解 Fig. 7 Plots of Fe3+-Fe2+-Mg and lg fO2-T of biotite from Guposhan pluton

Uchida等[31]研究提出黑云母的全铝含量与花岗岩的固结压力具有很好的正相关性,二者关系式为p (100 MPa) = 3.03TAl-6.53(±0.33),其中,TAl是指在以22个氧原子为基础计算出的黑云母Al阳离子总数。利用此压力计估算的姑婆山岩体黑云母结晶的压力为69~179 MPa,平均为115 MPa。侵位深度利用公式p=ρgH进行换算,其中ρ=2 700 kg/m3g = 9.8 m/s2,换算结果显示其侵位深度相当于2 621~6 755 m,平均深度为4 331 m (表 1)。

4.3 成岩意义

Chappell等[45]提出I型和S型花岗岩的成因分类后,研究者综合矿物学、岩石学和地球化学等特征相继提出多种花岗岩的成因分类,目前最广泛使用的是ISAM型花岗岩分类[45-47]。I型花岗岩的原始定义是起源于未经风化的火成岩,特别是镁铁质到中性岩浆岩或下地壳岩浆岩,其特征矿物是含有普通角闪石,具有高Fe3+/Fe2+值镁质黑云母;S型花岗岩的最初定义是源岩以沉积岩或变质沉积岩为主,其特征矿物是含有原生白云母,并常见石榴子石、堇青石、夕线石等铝质残留体,具有低Fe3+/Fe2+值铁质白云母;A型花岗岩最早由Loiselle等[48]提出,其最初定义是碱性(alkaline)、贫水(anhydrous)和非造山环境(anorogenic)的花岗岩(即“3A”特征),其主要矿物特征是富含碱性矿物。

从矿物学角度来看,本文研究的姑婆山岩体主要矿物组成为斜长石、石英和黑云母,未发现石榴子石、堇青石等富铝矿物,与典型的S型花岗岩相异;岩石亦未发现普通角闪石,其Fe3+/Fe2+值低,为0.06~0.18,与I型花岗岩的特征相异;同时可观察到岩体含钾长石、钠铁闪石等碱性矿物(图 3),这一特征与A型花岗岩相似。因此,矿物学特征显示姑婆山岩体具有A型花岗岩的特征。在黑云母MgO-TFeO-Al2O3构造环境判别图(图 8)上,样品点均落入了非造山碱性花岗岩范围内,亦与A型花岗岩特征相似。

底图据文献[40]改编。 图 8 姑婆山岩体黑云母MgO-TFeO-Al2O3图解 Fig. 8 Plot of MgO-TFeO-Al2O3 of biotite from Guposhan pluton

从地球化学角度来看,本文通过收集、整理前人对姑婆山岩体主量和微量元素的测试结果(表 3)显示,姑婆山岩体具有富硅和富碱的特征,贫CaO、MgO,具有较高的TFeO/MgO值;富集稀土元素(REE)和高场强元素Ga、Th、U、Zr、Nb、Y,具有明显的Sr、P、Ti和Eu负异常,稀土元素球粒陨石标准化配分模式表现典型的“海鸥式”;同时,岩体还具有较高10000Ga/Al值(平均值>3.8)和较高的w(Zr+Nb+Ce+Y) (平均值>370×10-6)[8-9, 28, 49],这些地球化学特征均与A型花岗岩相似,表明姑婆山岩体的岩石类型应该属于A型花岗岩。

表 3 姑婆山岩体主量、微量元素质量分数平均值 Table 3 Average content of major and trace elements of Guposhan pluton
元素 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO K2O Na2O MnO P2O5
平均质量分数 74.47 0.20 12.57 0.66 1.39 0.26 1.01 4.86 3.64 0.04 0.06
元素 Sc V Cr Co Ni Ga Rb Sr Y Zr Nb
平均质量分数 2.64 4.19 2.84 17.32 0.59 25.47 263.38 49.96 68.90 119.79 60.97
元素 Cs Ba La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy
平均质量分数 7.03 209.08 74.99 117.09 18.47 63.58 14.60 0.69 13.77 2.39 14.09
元素 Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta Th U Bi F
平均质量分数 2.70 7.45 1.15 7.15 1.03 3.92 4.58 49.31 12.51 0.05 568.17
元素 Li Be Cu Pb Zn W Sn Mo As Sb ∑REE
平均质量分数 53.26 7.08 12.02 35.55 35.40 144.50 3.98 1.17 2.02 0.23 339.14
注:数据来源于文献[8-9, 28, 49]。主量元素质量分数单位为%;微量元素质量分数单位为10-6

从区域地质资料来看,本文研究得到姑婆山岩体形成于约162 Ma (图 5),与华南“十杭带” (广西十万大山—杭州带)内花岗岩的形成时代(165~130 Ma) [4-5]一致。对于华南“十杭带”花岗岩的形成,众多学者的研究认为其形成可能主要与古太平洋板块的俯冲消减及其产生的效应,如弧后/弧前拉张等有关[1, 3-5, 50-53],即形成于拉张的构造环境。如果这种认识正确的话,那么可以推测姑婆山岩体亦形成于拉张背景,这与A型花岗岩主要形成于拉张环境的认识一致[46-47]

因此,综合上述矿物学、地球化学、区域地质等资料推测姑婆山岩体具有A型花岗岩的特征。

4.4 成矿意义

黑云母具有特殊的层状结构,对揭示矿化富集特征和成矿关系等具有良好的指示作用[4, 54-55]。前人的研究表明,温度和氧逸度与成矿有密切关系,总体看来,锡在低氧逸度条件下易于进入流体相,形成的花岗岩利于钨锡的矿化和聚集[43];此外,锡在高温还原条件下,其亲铁性强,因而其含量会随岩浆结晶温度的升高而增多[56-57]。为了具体探明温度和氧逸度两者的关系,本文通过对与花岗质岩浆活动相关的不同金属矿产与温度、氧逸度关系的横向分析,制作了黑云母结晶温度与氧逸度图解(图 9)。从图 9可以看出:1)整体上花岗岩中黑云母的氧逸度和结晶温度具有一定的正相关性;2)与Mo成矿作用相关的花岗岩中的黑云母具有最高的结晶温度和氧逸度,而与Sn成矿作用相关的花岗岩中的黑云母则具有最低的氧逸度和较高的结晶温度;3)从Sn、U、Pb-Zn-Ag、W、Cu、Au到Mo矿,花岗岩中黑云母的氧逸度依次增加。通过前文的分析可以得出,姑婆山岩体中黑云母的较高结晶温度和低氧逸度有利于本区锡矿的形成。

底图据文献[58]改编。 图 9 含矿花岗岩黑云母结晶温度与氧逸度关系图 Fig. 9 Plot of lg fO2-T showing relation between crystallization temperature and oxygen fugacity of biotite from metallogenic granite

从区域地质资料来看,在桂东北花山-姑婆山一带发育有大面积花岗岩,部分花岗岩的w(W)高达到386×10-6w(Sn)达17×10-6 [8],反映本区花岗岩的形成应该与区内发育的钨锡多金属矿床具有成因联系。此外,在黑云母Mg-(TAl+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)三角图解(图 10)中,姑婆山岩体中的黑云母均落在了含锡钨稀土花岗岩中的铁质黑云母区域范围内,反映了其具有良好的锡成矿性。

A.含锡钨稀土花岗岩中的铁质黑云母;B.未矿化花岗岩中的黑云母;C.斑岩铜钼矿化镁质黑云母;D.钒钛磁铁矿及玢岩铁矿镁质黑云母。底图据文献[43]修编。 图 10 姑婆山岩体黑云母Mg-(TAl+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)图解 Fig. 10 Plot of Mg-(TAl+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn) of biotite from Guposhan pluton
5 结论

1) 姑婆山岩体中黑云母具有富铁镁、贫钙钠等特征,属于高铁黑云母,其结晶温度为680~705 ℃,氧逸度为-17.0~-15.5,显示出较高的结晶温度和低的氧逸度,反映该岩体具有良好的锡成矿性。

2) 姑婆山岩体黑云母结晶的压力为69~179 MPa,侵位深度为2 621~6 755 m,平均深度为4 331 m。

3) 姑婆山岩体属于A型花岗岩,形成于燕山早期(约162 Ma),与华南中生代大规模岩浆-成矿作用时代一致。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180316
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

蔡永丰, 刘风雷, 冯佐海, 周云, 曾长育
Cai Yongfeng, Liu Fenglei, Feng Zuohai, Zhou Yun, Zeng Changyu
桂东北姑婆山岩体矿物学和年代学特征及其成岩成矿意义
Mineral Compositional and Chronological Characteristics of Guposhan Pluton in Guangxi and Its Petrogenetic and Metallogenic Significance
吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(3): 842-856
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2020, 50(3): 842-856.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180316

文章历史

收稿日期: 2018-12-01

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