河南栾川矿集区燕山期两类岩体黑云母特征对比及其地质意义

许 腾，张寿庭，杨 冰，曹华文，张云辉，裴秋明，张 鹏，唐灿辉，武宗林

（中国地质大学 地球科学与资源学院，北京100083）

栾川钼多金属矿集区在大地构造位置上处于秦岭造山带东段，该矿集区内已发现多个大型—超大型斑岩－矽卡岩型钼矿床，其成因与燕山期岩浆活动关系密切。众多学者就燕山期岩浆活动与成矿关系的问题做过相应研究［1－9］，而岩体间的成岩环境对比分析却少有报道。南泥湖岩体、上房沟岩体为该矿集区典型钼多金属矿床的成矿母岩［10］，老君山岩体被认为是不成矿岩体的代表［9，11］，此3个岩体在地质特征、矿物学特征和地球化学特征等方面却较为相似。本文通过对南泥湖、上房沟、老君山岩体黑云母主元素的研究，从岩浆岩的成因类型、源区性质、成岩环境以及成岩的温度、压力、氧逸度等方面对比成矿岩体与不成矿岩体的差异，并探讨其成岩成矿的意义。

黑云母的结晶化学式为A2M6T8O20（OH）4（其中T＝Si，Al；M＝ Mg，Fe，Mn，Cr，Ti，Zn，V；A＝ K，Na，Ba；OH＝F，Cl，OH），是花岗岩中分布最广泛的造岩矿物，其化学成分特征能够提供有关岩浆来源、岩石成因类型、构造环境、成岩成矿物理化学条件及成矿元素富集程度等重要信息［12－16］，具有对成矿作用的指示意义，据此能够反演岩浆相向热液相演化的物理化学过程。

1 区域地质背景

豫西栾川钼多金属矿集区的大地构造位置处于华北克拉通南缘秦岭褶皱系东段，是东秦岭钼矿带的重要组成部分。至今该矿集区内已发现多个大型、特大型钼矿床，其类型均为斑岩－矽卡岩型矿床，为中国最重要的钼资源基地之一。

栾川矿集区的地层区划隶属于华北地层区豫西分区，构造单元分属于华北陆块南缘。华北陆块南缘具明显的地台型基底和盖层的二元结构：新太古界太华岩群为基底，中元古界长城系熊耳群、中元古界蓟县系高山河组、中元古界官道口群、新元古界栾川群和下古生界陶湾群等为其盖层岩系。东秦岭地区位于华北板块与秦岭造山带的衔接部位，区域性构造较为发育，主要展布方向为NWW—NW向，NNE—NE向构造叠加于其上。两者构成东秦岭地区典型的格子状构造体系，控制了岩浆的空间侵位，同时也控制了钼、钨、铅、锌、银等金属矿产的分布［17］。区内岩体分布较广，岩浆活动强烈且频繁，自太古代到中生代都有表现，具有多旋回、多期性的特征。其中燕山期岩浆活动较为广泛，主要形成了花岗岩岩基（如老君山岩体）和花岗斑岩岩株（如南泥湖岩体、上房沟岩体），而花岗斑岩岩株与区内大量产出的钼、钨、铅、锌、银多金属矿床具有成因上的联系（图1）。

2 岩体特征

2.1 南泥湖和上房沟岩体

南泥湖岩体和上房沟岩体均出露于华北克拉通南缘，地表出露面积小于1km2，在空间上均表现出上小下大的特征［10，19］，属于与钼矿床成矿作用密切相关的燕山期中酸性岩株［20］，其围岩均为新元古界栾川群。南泥湖岩体主要岩性为似斑状二长花岗岩，主要矿物有钾长石、黑云母、斜长石、石英等，副矿物主要有磁铁矿、榍石、磷灰石、金红石等。上房沟岩体主要岩性为钾长花岗斑岩及少量斑状黑云母花岗岩，主要矿物有钾长石、石英、黑云母等，副矿物主要有磁铁矿、锆石、黄铁矿等。二者岩石地球化学特征均表现为高硅、富碱，是具有较高分异指数的碱性—钙碱性、过铝质岩系［19］。南泥湖和上房沟岩体的年龄分别为126.4～162Ma和135.1～161Ma［2，4，17，19，21，22］。

2.2 老君山岩体

图1 栾川北部晚中生代岩浆岩分布地质简图Fig.1 Geological map of distribution of the Late Mesozoic magmatite in the north of Luanchuan（据参考文献［18］修改）

老君山岩体产于与华北克拉通南缘相邻的北秦岭构造带中，地表沿NWW－SEE方向延伸，出露面积约为394km2，与伏牛山、蟒岭组成由燕山期A型俯冲形成的改造系列花岗岩带［17］，侵入于中元古界宽坪群中。老君山岩体主要岩性为黑云母二长花岗岩，主要矿物有钾长石、斜长石、石英、黑云母，副矿物有磁铁矿、磷灰石、榍石、锆石等。岩体具有同心环带分布特征（向内斑晶变小趋势），并常伴有包体的出现。其岩石特征为富钾过铝质、碱性－钙碱性岩系，分异程度较低［11，23］。有学者将其成岩期次划分为3期，总体年龄约为107～112Ma［23］。历来学者都将老君山岩体当作不成矿岩体［11］，近年来新的勘探结果也显示出岩体并不具有成矿潜力，仅在岩体及与围岩接触带中发现零星的辉钼矿化。

3 样品采集及处理

本次实验样品采自豫西南栾川地区南泥湖、上房沟和老君山岩体中。所采样品均新鲜，通过镜下薄片观察，确认岩体中的黑云母主要以原生黑云母为主，少量黑云母伴有绿泥石化（图2）。

所采南泥湖岩体样品岩性为似斑状二长花岗岩，似斑状结构，块状构造（图2-A）。岩体中斑晶主要为钾长石、石英，质量分数约为40%，粒径为2～6mm；基质的主要矿物成分及质量分数分别为：钾长石（10%～14%）、斜长石（20%～30%）、石英（25%～35%）、黑云母（2%～5%）等；副矿物主要有金红石、磁铁矿、磷灰石、榍石等。其中黑云母呈自形－半自形片状结构，多为原生黑云母，少数黑云母被绿泥石、绢云母交代，粒径为0.1～0.6mm（图2-B）。

上房沟岩体由于自身的分带特征，自内向外发生了绢云母化、钾长石化、硅化。所采样品为钾长花岗斑岩，似斑状结构，块状构造（图2-C）。斑晶主要为钾长石、斜长石、石英、黑云母和极少量角闪石，质量分数为10%～20%，斑晶粒径一般小于3mm。副矿物主要有磁铁矿、锆石、黄铁矿、榍石等。镜下显示黑云母呈自形－半自形片状结构，多为原生黑云母，部分发生蚀变，粒径为0.1～0.5mm（图2-D）。

图2 南泥湖和上房沟、老君山花岗岩照片及花岗岩中黑云母显微照片Fig.2 Photographs of granites from Nannihu，Shangfanggou and Laojunshan and microphotographs of biotites in the granites

所采老君山岩体样品岩性均为黑云母二长花岗岩，似斑状结构，块状构造（图2-E）。斑晶为钾长石（质量分数为5%～10%），粒径为5～15 mm；基质为钾长石（质量分数为20%～35%）、斜长石（25%～35%）、石英（20%～35%）、黑云母（3%～7%），基质粒径为0.5～6mm。副矿物为磁铁矿、钛铁矿、磷灰石、锆石、榍石等。镜下显示黑云母多色性明显，发育一组极完全解理，晶型完好，未发生明显蚀变，以原生黑云母为主，粒径为0.5～3mm（图2-F）。

前期样品处理工作在北京科技大学磨片室完成，根据选取完成的样品共磨制探针片17片（南泥湖岩体5片，上房岩体6片，老君山岩体6片），镜下观察圈出特征鲜明的原生黑云母以待测试分析。

黑云母主元素采用日本岛津公司生产的EPMA-1720分析，在中国地质大学（北京）电子探针实验室完成，加速电压为15kV，束流为10 nA，束斑大小为1μm，主要氧化物的分析误差（质量分数）约为1%。测试中所采用的标样为：Si、Al（斜长石）、Ti（金红石）、Fe（铁铝榴石）、Mn（蔷薇辉石）、Mg（橄榄石）、Ca（方解石）、Na（钠长石）、K（透长石）等。

4 黑云母成分特征

由于云母族矿物有其特殊的复杂性，所以电价差法［24］不适用于计算岩体中黑云母的Fe2＋和Fe3＋，林文蔚根据云母族矿物这一特点提出了待定阳离子算法［25］。本文根据待定阳离子算法计算南泥湖、上房沟、老君山岩体中黑云母的Fe2＋和Fe3＋，并以22个氧原子为基础计算得出黑云母的阳离子系数等相关参数，分析结果详见表1。结果显示，老君山岩体黑云母具富镁低铝的特征，同南泥湖、上房沟岩体黑云母特征相似，Al2O3的质量分数为12.86%～14.94%，MgO的质量分数为11.47%～15.14%，w（Mg）/w（Fe2＋＋Mg）的比值为0.568～0.633。在 Mg-（Fe2＋＋Mn）-（Fe3＋＋AlVI＋Ti）三角图解中，老君山岩体黑云母成分投点均落在镁质黑云母区域内，而南泥湖与上房沟岩体中黑云母同属于镁质黑云母，但成分上相对更富镁（图3）。在Mg/（Mg＋Fe3＋＋Fe2＋＋Mn）-Si图解中，所测岩体各样点均落入同熔型花岗岩区，更靠近金云母－富镁黑云母端元（图4），显示所测岩体具有I型花岗岩特征，但老君山岩体样点相对更靠近华南改造型花岗岩区，反映该岩体的物源可能有岩浆物质的混入［28］。

表1 南泥湖、上房沟、老君山岩体中黑云母成分（w/%）及结构计算Table 1 The composition and structural formula of the biotites from Nannihu，Shangfanggou and Laojunshan granites

图3 黑云母的 Mg-（Fe2＋＋Mn）-（Fe3＋＋Al VI＋Ti）图解Fig.3 Mg-（Fe2＋ ＋Mn）-（Fe3＋ ＋Al VI＋Ti）diagram of biotites

图4 黑云母的 Mg-（Mg＋Fe3＋＋Fe2＋＋Mn）-Si图解Fig.4 Mg-（Mg＋Fe3＋ ＋Fe2＋ ＋Mn）-Si diagram of biotites

5 成岩物理化学条件

5.1 结晶温度与氧逸度

由于 Henry研制的 Ti-Mg/（Mg＋Fe）估算成岩温度图解使用条件为p＝300～600MPa［29］，而本区所测岩体结晶压力均小于300MPa，所以Ti温度计对其并不适用。Wones和Eugester通过研究与磁铁矿、钾长石共生的黑云母中Fe2＋、Fe3＋和Mg的原子百分数来估算黑云母结晶时的氧逸度［13］。通过镜下观察，南泥湖、上房沟和老君山岩体中的黑云母总是与磁铁矿和钾长石共生，符合此估算方法的条件。在 Fe3＋-Fe2＋-Mg图解中，所测岩体黑云母投点位于Ni-NiO缓冲线附近（图5），说明其形成于氧逸度相对较高的环境中。

图5 黑云母的Fe3＋-Fe2＋-Mg图解Fig.5 Fe3＋ -Fe2＋-Mg diagram of biotites

根据花岗岩中黑云母在Fe3＋-Fe2＋-Mg图解中的相对点位（图5），并结合黑云母的稳定度［100×Fe/（Fe＋Mg）］投影至pH2O＝207.0MPa条件下花岗岩中黑云母的lgfO2－t图解中，可得出花岗岩体的成岩温度及氧逸度［30］。通过图解得出，南泥湖、上房沟岩体结晶温度大约为950～1 016℃，氧逸度（fO2）大致为10－11.3～10－10Pa；老君山岩体结晶温度大约为870～940℃，氧逸度大致为10－12.4～10－11.5Pa（图6）。显然，南泥湖、上房沟岩体结晶温度、氧逸度高于老君山岩体。

5.2 结晶压力与深度

南泥湖、上房沟岩体花岗岩中的黑云母晶型较为完好，并含有少量的角闪石，根据Etsuo Uchida总结的黑云母全铝压力计［p＝3.03NTAl－6.53（±0.33）］［31］（其中NTAl是指以22个氧原子为基础的黑云母中Al的阳离子总数），得出南泥湖、上房沟岩体花岗岩黑云母结晶压力为38～115MPa，结晶深度为1.4～4.4km。根据康志强等研究，当花岗岩中不存在角闪石时，此全铝压力计估算并不准确［32］。通过野外观察和镜下观察，发现老君山岩体黑云母二长花岗岩中不发育角闪石，因此使用此方法估算老君山岩体成岩压力与深度具有较大误差。

图6 黑云母的lgfO2－t图解Fig.6 The lgfO2－t diagram of biotites

6 成岩成矿的意义

6.1 成岩的意义

图7 黑云母的FeO＊/（FeO＊＋MgO）-MgO图解Fig.7 FeO＊/（FeO＊ ＋MgO）-MgO diagram of biotites

根据周作侠提出的用于判断花岗岩物质来源的黑云母FeO＊/（FeO＊＋MgO）-MgO图解［34］可以看出，南泥湖与上房沟岩体数据基本均投在了壳幔混源区域（图7），说明岩浆来源为深源，显示了I型花岗岩的特点。而老君山岩体样品投点主要落在了壳幔混源区域，距壳源区域较近，表明老君山岩体物质来源为壳幔混源，或主要来源为下地壳并伴有部分地幔物质混入，具有I型花岗岩的特征。李永峰通过铅、氧同位素示踪方法，得出南泥湖、上房沟岩体物源为壳幔混源［35］。张云辉通过Hf同位素示踪研究，发现栾川地区成矿小岩体物源主要为下地壳的特点，而老君山岩体同样表现为古老下地壳的源区特点［9］。孟芳认为老君山岩体的物质来源于地壳重熔交代作用特征［23］。卢欣祥运用氧、铅、硫同位素得出南泥湖、上房沟等岩体的岩浆物质来源于深部（下地壳、地幔、地幔与下地壳的混合）的结论［5］。本文通过对两类岩体黑云母特征对比研究，证实了东秦岭成矿小岩体与不成矿岩基物质均来源于深部（下地壳或壳幔混源），具有同源性。由于两类岩体的地球化学特征、岩石学特征及成岩物质源区等均具有高度的相似性，也有学者认为区域上的成矿小岩株是岩基高度分异演化的产物［19］。

老君山岩体中可见磁铁矿，基本不含角闪石；再结合孟芳对岩体主元素、微量元素、稀土配分形式的研究［23］，确定老君山岩体为S型花岗岩。而Abdel-Rahman指出I型花岗岩中黑云母在成分上相对富Mg，S型花岗岩中的黑云母在成分上相对富Al［15］。本区3个岩体中黑云母均属于镁质黑云母，显示它们均具有I型花岗岩的特征，因此老君山岩体应属具有I型特征的S型花岗岩。而孟芳同样认为老君山岩体是具有I型特征的S型花岗岩［23］。另外，胡受奚等认为，伏牛山—老君山—蟒岭S型花岗岩带与南泥湖—八宝山—金堆城I型斑岩带均形成于燕山期东秦岭地区的A型俯冲的环境下，并平行于俯冲带分布，组成了双生 花 岗 岩 带［17］。 根 据 黑 云 母 的 MgO-FeOt－Al2O3图解，南泥湖、上房沟和老君山岩体样品点均落在造山带钙碱性花岗岩区域（图8）。由于造山带钙碱性花岗岩系与俯冲作用有着密切的联系［15］，所以这一结果支持了包志伟等提出的该区域岩体是在扬子克拉通A型俯冲叠置于华北克拉通之下的环境中成岩［19］的这一观点。

综上所述，在前人研究的基础上通过对两类岩体的代表性岩体黑云母化学特征的研究，显示南泥湖、上房沟岩体物质来源具有深源性，源区为壳幔混源或为下地壳并伴有地幔物质混入，属于I型花岗岩；老君山岩体源区为下地壳并伴有地幔物质混入，与南泥湖岩体、上房沟岩体物源相近，属于具有I型花岗岩特征的S型花岗岩。两类岩体同属于造山带钙碱性花岗岩，其成岩背景与俯冲作用有着密切的联系。

图8 黑云母构造环境判别图解Fig.8 Discrimination diagram of tectonic settings for biotites

6.2 成矿意义

研究发现，作为超大型斑岩－矽卡岩型钼多金属矿床成矿母岩的南泥湖、上房沟岩体的结晶温度和氧逸度均高于“不成矿”的老君山岩体。据前人研究，岩体成岩时的温度、氧逸度均与成矿有密切的关系，高氧逸度是斑岩型及浅成低温热液矿床形成的关键因素之一［36－38］。而东秦岭地区大量岩浆热液型矿床的成矿流体普遍具有较强的氧化性，具有高温、高氧逸度等特征［39，40］。

由于区内从基底到盖层各时代地层的Au、Mo含量都很低，均低于相应的克拉克值，因此地层不太可能为成矿岩体提供相应的成矿物质［5］。在两类岩浆岩中，只有成矿小岩株中富含Au、Mo等成矿元素［41］。因为在区域大规模的深部岩浆侵位后，岩体外层与地层接触形成冷凝壳［8］。岩体分异演化过程中挥发性组分逸出，形成过饱和流体。流体淋滤萃取出岩浆中成矿元素，富含成矿物质的流体伴随残留的活化岩浆上涌并冲破冷凝壳，向上运移形成斑岩岩株，这一过程完成了成矿元素的预富集。浅部小岩株结晶演化的同时形成了富含成矿元素的强氧化性高温流体，流体携带成矿元素沿构造薄弱带运移；随着氧化物的沉淀，运移过程中压力的减小，使得流体沸腾并导致大量CO2逸失；与此同时，还有栾川群碳质围岩中还原性流体的混入［42］，导致流体氧逸度降低，矿物质发生沉淀，并伴随钾化、矽卡岩化、硅化等蚀变，形成斑岩－矽卡岩型矿床。

综上，区内岩体高的结晶温度和氧逸度是成矿的必要条件。成矿物质元素丰度较低的老君山等岩基结晶温度、氧逸度相对要低，不会产生携带成矿物质的强氧化性高温流体，故不能成矿或仅出现零星矿化点；而富含成矿元素的南泥湖、上房沟等小岩株结晶温度和氧逸度均达到了矿质沉淀的要求，形成了斑岩－矽卡岩型矿床。

7 结论

a.南泥湖、上房沟、老君山岩体中的黑云母同属于镁质黑云母，岩体物源较深且相近；根据黑云母全铝压力计计算，南泥湖、上房沟岩体结晶压力为38～115MPa，结晶深度为1.4～4.4km，属于浅成相。

b.根据黑云母成分特征综合分析，确定南泥湖、上房沟岩体属于I型花岗岩，老君山岩体属于具有I型特征的S型花岗岩；三者同属于造山带钙碱性花岗岩，其成岩背景与俯冲作用有密切关系。

c.老君山岩体的结晶温度和氧逸度均低于南泥湖、上房沟岩体，未达到矿质沉淀的要求，这可能是老君山岩基不成矿的原因之一。

在成文过程中，艾钰洁、唐利、陈慧军、杜静国、王达提供了很大帮助，笔者在此表示感谢。

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