海坨山岩体中黑云母的成分特征及其指示意义

0 前言

黑云母是花岗岩中最为常见的暗色造岩矿物之一，其化学成分对生长环境较为敏感，受岩浆冷却结晶时的物理化学条件（温度、压力和氧逸度等）控制明显，其化学成分特征可提供熔体的物理化学条件等信息，反映岩浆演化和结晶条件（Wones etal，1965），故研究花岗岩中黑云母的主要特征，对研究其岩浆物质来源，分析其岩浆形成环境，探讨其与成岩及成矿作用的关系具有很好的指示意义（Burkhard，1991）。位于北京西北部的海坨山岩体为一大型的复式岩基，是中—酸性岩浆多期次侵入活动的产物，其主要岩性为石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩，岩石中广泛分布黑云母和角闪石等暗色矿物。关于海坨山岩体，前人研究工作程度较低，只是将其作为单一的花岗岩侵入体，认为其形成于中生代晚侏罗世（郁建华等，1992），而对其岩石成因与成岩环境方面并没有进行深入的研究。故本文利用电子探针方法对该岩体中的黑云母进行化学分析，进一步了解该岩体中黑云母的成分特征，并对其在海坨山岩体岩浆物质来源与形成环境方面的指示意义进行探讨。

高通滤波器的三维仿真，电容和电感的值可以参考ADS中的数值，通过MIM电容和螺旋电感的计算公式估计电容和电感的体积大小 [6]。为了降低微带线拐角处存在的特性阻抗不连续性，进行了削角处理[7]。三维设计模型如图5所示。

1 区域地质背景

海坨山岩体分布于北京市延庆区张山营、佛峪口、东门营、西大庄科以及河北省怀来县狼山、东黑山口、大海坨、三间房一带，地处延怀盆地中部，在大地构造上位于山西地堑系NEE向展布的晋冀北张性区东北端与NW向展布的张家口—蓬莱断裂带的复合交会部位（刘保金等，1999）, 出露面积约300km2，平面上呈一长轴方向近NNE向的椭圆形分布，受区域断裂构造大河南—大海坨断裂带及蔚县—延庆断裂带控制明显。该岩体西侧与太古界变质岩及元古界长城系侵入接触，北、东侧与元古界蓟县系及中生界晚侏罗系侵入接触，南侧为新生界第四系覆盖（图1）。沿接触带可见矿化蚀变及矽卡岩化、大理岩化等接触变质现象。岩体中常见变质岩、沉积岩捕虏体及暗色的基性斜长角闪岩和中性闪长岩包体，脉岩比较发育，主要为基性的辉绿玢岩、中性的闪长玢岩以及酸性的正长斑岩、霏细斑岩等。

海坨山岩体的主要岩性为石英二长岩、二长花岗岩和花岗岩，根据三者之间的接触关系判断，该岩体中石英二长岩侵入最早，二长花岗岩次之，花岗岩侵入最晚。从岩石风化程度来看，二长花岗岩风化情况最为严重，石英二长岩次之，花岗岩最轻。

图1 海坨山岩体区域地质略图 Fig.1 Regional geologic sketch of the Haituo mountain pluton

1、第四系；2、侏罗系；3、蓟县系；4、长城系；5、太古界；6、花岗岩；7、二长花岗岩；8、石英二长岩；9、地质界线；10、角度不整合；11、断层；12、推测断层

2 样品及分析方法

样品分别采自延庆鱼儿场沟的石英二长岩、兰角沟的二长花岗岩以及海坨山的花岗岩中，所采岩石样品均为未风化的新鲜样品。其中石英二长岩为中—细粒状结构，块状构造，主要矿物有钾长石（45%～50%）、斜长石（30%～35%）、石英（7%～10%）、黑云母（3%～5%）和角闪石（3%～5%），副矿物主要为磷灰石及榍石；二长花岗岩为中细粒状—似斑状结构，块状构造，主要矿物有钾长石（35%～45%）、斜长石（15%～20%）、石英（23%～25%）、黑云母（3%～5%）和角闪石（2%～4%），副矿物主要为磷灰石及磁铁矿；花岗岩为中—细粒结构，块状构造，主要矿物有钾长石（55%～65%）、斜长石（5%～15%）、石英（23%～25%）、黑云母（2%～4%）和角闪石（2%～3%），副矿物主要为磷灰石及磁铁矿。据显微镜下观察，岩体中的黑云母呈深褐色—浅褐色—黄绿色的片状和鳞片状，粒径一般为 0.1～ 0.8 mm，解理较发育，多色性明显，以原生黑云母为主，未发生明显的蚀变。黑云母电子探针的喷碳与测试工作均委托中国地质大学（北京）电子探针实验室完成。测试采用日本岛津公司生产的EPMA-1600 型电子探针分析仪，加速电压为15 kV，束流为10nA，束斑大小为1μm，主要氧化物的分析误差约为1%。分析测试中所采用的标样主要有：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。

3 黑云母成分特征

在反映黑云母组成与氧缓冲剂关系的 Mg-Fe3+-Fe2+图解中（Wones，1989）,海坨山岩体中的黑云母除1个样品投影于Fe2O3-Fe3O4缓冲线之上外，其余样品均投影于Ni-NiO与 Fe2O3-Fe3O4两条缓冲线之间，表明其形成于较高氧逸度条件下（图5）。依据Wones等提出的PH2O=207MaP条件下黑云母的logfo2-T图解（Wones et al，1965）投影（图6）求得, 海坨山岩体中黑云母的logfo2变化范围约为-8.5-14.5，说明其形成于较高的氧逸度环境，这与前述结果一致。

（2）压力和深度

图2 海坨山岩体云母分类图 Fig.2 Diagram for biotite classi fication of the Haituo mountain pluton

4 对岩浆物质来源与形成环境的指示意义

岩浆岩中黑云母的成分特征在一定程度上可以指示岩浆的源区性质，能够反映岩浆的物质来源及其形成环境的主要特点。故研究黑云母的主要成分特征，对确定其寄主岩石的成因类型，分析其母岩岩浆的物质来源，探讨其成岩环境的物理化学条件等具有重要的指示意义。

4.1 岩浆物质来源分析

黑云母的化学成分变化在很大程度上受其物质来源的影响，故其成分特征可以指示其寄主岩石的成因类型和母岩岩浆的物质来源。Abdel-Rahman(1994)认为，I型花岗岩中的黑云母相对富镁，S型花岗岩中的黑云母相对富铝，A型花岗岩中的黑云母明显富铁（Abdel-Rahman，1994），海坨山岩体中的黑云母均为镁质黑云母，指示其寄主岩石应为I型花岗岩；蒋国豪等认为，幔源岩石中的黑云母富镁，壳源岩石中的黑云母富铁，这与Abdel-Rahman的观点总体一致，海坨山岩体中黑云母的镁、铁含量均较高，兼具幔、壳源岩石中黑云母的成分特征（蒋国豪等，2005）；徐克勤等提出用黑云母的MF=Mg/（Mg+Fe3++Fe2++Mn）值来区分同熔型花岗岩和改造型花岗岩，认为MF＜0.38为改造型花岗岩，反之则为同熔型花岗岩，海坨山岩体中黑云母的MF值为0.398～0.663，符合同熔型花岗岩（即I型花岗岩）的特点（徐克勤等，1982）；丁孝石认为典型幔源岩石中黑云母的MgO＞15%，壳源岩石中黑云母的MgO＜6%（丁孝石，1988），海坨山岩体中黑云母的MgO为9.52～16.00%，平均为13.51%，体现出壳、幔源过渡的特点；Whalen 与Chappell,提出以黑云母中的AlVI含量来划分S型和I型花岗岩（Whalen等，1988），认为S型花岗岩中的黑云母具有较高的AlVI(0.353～0.561)，I型花岗岩中的黑云母具有较低的AlVI (0.144～0.224)，海坨山岩体中黑云母的AlVI为0.146～0.212，明显具有I型花岗岩的特征；而在周作侠提出的用于判别花岗岩岩浆物质来源的黑云母MgO-FeOT/（FeOT+MgO）图解（周

为切实加强地质灾害防治工作，各县市区均建立健全了一系列的制度，如年度地质灾害防治方案编制与发布、“两卡一预案”填制发放、汛期值班值守、宣传培训与演练、灾险情速报月报年报、建设有用地地质灾害危险性、地质灾害防治项目管理等制度，地质灾害防治管理工作不断规范化、制度化和常态化。

表1 海坨山岩体黑云母母电子探针成分特征(WB%) Tab.1 Representative chemical composition of biotite in Haituo mountain pluton (in percenttage)

岩石样品石英二长岩二长花岗岩花岗岩SiO2 36.88 37.64 38.20 38.92 37.58 41.63 TiO2 4.84 3.82 2.74 2.62 2.89 2.51 Al2O3 12.68 12.10 11.78 11.93 11.22 7.47 FeOT 16.97 18.04 17.29 15.52 22.89 22.20 Fe2O3 3.22 3.34 2.32 2.63 3.13 3.23 FeO 14.07 15.03 15.20 13.15 20.07 19.23 MnO 0.31 0.88 1.35 1.15 0.78 3.09 MgO 14.55 14.10 15.23 16.00 11.63 9.52 CaO 0.02 0.04 0.07 0.02 0.05 0.02 Na2O 0.13 0.17 0.18 0.04 0.27 0.32 K2O 9.40 9.58 8.88 9.65 9.36 9.38 Cr2O3 0.06 0.05 0.03 0.03 0.07 0.06 H2O 4.11 4.11 4.11 4.13 4.08 4.00 Σ 99.95 100.53 99.86 100.01 100.82 100.2以22个氧原子为基础计算的阳离子数Si 5.507 5.587 5.725 5.875 5.719 6.462 AlⅣ2.593 2.513 2.475 2.425 2.381 2.176 AlⅥ0.146 0.212 0.192 0.197 0.202 0.205 Ti 0.547 0.482 0.306 0.299 0.329 0.289 Fe3+0.359 0.375 0.261 0.027 0.357 0.373 Fe2+1.758 1.865 1.908 1.659 2.553 2.399 Mn 0.036 0.107 0.171 0.145 0.101 0.310 Mg 3.238 3.124 3.403 3.599 2.644 2.273 Ca 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 Na 0.036 0.321 0.054 0.009 0.082 0.103 K 1.794 1.812 1.701 1.859 1.821 1.855 Fe2+/Fe2++Mg 0.35 0.37 0.36 0.32 0.49 0.51 MgO/MgO+FeOT 0.46 0.44 0.47 0.51 0.34 0.30 Mg/(Mg+Fe3++Fe2++Mn)0.601 0.571 0.593 0.663 0.468 0.424 P（MPa）177 173 155 141 129 101 H（km）6.69 6.54 5.86 5.33 4.88 3.82

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

4.2 岩浆形成环境探讨

黑云母的化学成分在一定程度可以反映岩浆热液体系的物理化学条件(如氧逸度、温度、压力以及形成深度等)，从而指示其形成环境的主要特征。

我们以埃利斯的认知模型来分析一下蔡女士遇到的问题。在诱发事件A发生后，即两位时尚美女瞟了她一眼然后掩嘴而笑，她对A的解释是“她们发笑一定是觉得我的穿着太土了”，正是这一解释（B），才引发了她的C，即紧张情绪、生理反应（浑身发热、面红耳赤），以及后面行为（围上围巾，遮挡住半边脸并匆匆离去）。可以设想，如果蔡女士对同一情境做出另外的解释——她们可能在聊一件有趣的事情——她一定会继续享受与闺蜜的休闲时光。

前人研究表明,黑云母中Ti的质量分数和六次配位铝AlVI能指示岩体形成时的氧逸度和温度，一般认为，低AlVI高Ti表明岩体形成时处于高温高氧逸度的环境。海坨山岩体中黑云母的AlVI为0，TiO2为2.51%～4.84%，显示了高Ti低AlVI的特征，表明其形成时的环境氧逸度和温度都相对较高（Buddington et al，1964）。本文根据Henry等提出的黑云母的Ti温度计公式(式中，Ti为以22个氧原子为基础计算出的Ti阳离子数；XMg=Mg/(Mg+Fe)；a=-2.3594；b=4.6482×10-9；c=-1.7283)计算求得海坨山岩体中黑云母的结晶温度介于625℃ ～745℃之间（图4），表明其母岩岩浆的形成温度较高（Henry et al，2005）。

目前，轨道交通车辆车体材料主要有铝合金、不锈钢和碳钢，铝合金车体存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求高、疲劳强度低等问题；不锈钢车体存在密封性差、局部屈曲、焊接变形等问题；碳钢车体存在易腐蚀、不利于轻量化、焊接变形大等问题。传统金属材料应对进一步的挑战显得力不从心，碳纤维增强复合材料因其优异的特性受到广泛关注,其中碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最受青睐的一种。

（1）温度和氧逸度

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

海坨山岩体黑云母的成分分析及相关计算结果见表 1，其中Fe2+和Fe3+是采用林文蔚和彭丽君（1994）提出的方法计算得出（林文蔚等，1994），阳离子数及其它相关参数是以22个氧原子为单位计算求得。

作侠，1986）中，海坨山岩体中的黑云母亦全部投点于壳幔混源区内（图3）。综上所述，海坨山岩体的岩石类型为I型花岗岩，其岩浆物质来源为幔、壳混源，基本未遭受后期流体的改造。

从表1可以看出，海坨山岩体中的黑云母具有富铁、镁，贫硅、铝的特征，钛的含量较高。其FeOT的含量为15.52%～22.89%，MgO的含量为9.52%～16.00%，SiO2的含量为36.88%～41.63%，Al2O3的含量为7.47%～12.68%，TiO2的含量为2.51%～4.84%，根据Foster（1960）黑云母分类方案（Foster，1960），均属于镁质黑云母（图2）。黑云母中Ti质量分数为0.289%～0.547%，均介于0.20%～0.55%之间，MgO/MgO+FeOT值为0.32～0.51，均介于0.30%～0.55%之间，属于典型的岩浆成因黑云母（马昌前等，1994）；Fe2+/(Fe2++Mg)值为0.32～0.51，比值比较均一，表明其未遭受后期流体的改造，属于典型的原生黑云母，其成分特征能代表岩浆结晶时云母的成分特征（Stone，2000）。

矿物压力计是研究花岗质岩浆初始结晶时压力的有效手段。Etsuo等研究表明，黑云母中的全铝含量同花岗岩固结压力具有很好的正相关特性，故可以用黑云母的全铝含量来估计花岗质岩石的固结压力，其公式为P（×100MPa）=3.03×TAl-6.53(±0.33) ，其中，TAl是指在O=22基础上的黑云母中铝阳离子总数（Etsuo et al，2007）。

必需氨基酸包括苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸等。测定结果，A1组必需氨基酸在鸡胸肉、腿肉和肝脏中分别为0.175%、0.037 9%和1.98%，B1组鸡胸肉、腿肉和肝脏中分别为0.042 3%、0.039 2%和3.72%。表明在舍养条件下，无抗养殖鸡胸肉中必需氨基酸高于有抗养殖。

根据上式计算求得海坨山岩体中黑云母的结晶压力为101～177MPa，并在此基础上，依据P=ρgH（式中，g为重力加速度，取值9.8m/s2；ρ为上覆岩层的密度，近似取值2700kg/m3）换算求得其结晶深度为3.82～6.69 km，平均为5.52km，表明海坨山岩体属中深成相。

另据吕志成等（2000）研究，花岗岩黑云母镁质率（Mg#=Mg/(Mg+Fe2++Mn)）可作为判断浅源（Mg#＜0.45）和深源（Mg#＞0.45）系列的标志（吕志成等，2000）。海坨山岩体中黑云母的镁质率为0.482～0.666，均大于0.45，表明该岩体属深源系列。

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

图6 黑云母的logfo2-T图解 Fig.6 Diagram of logfo2-T for biotites

5 结论

海坨山岩体中的黑云母属镁质黑云母，具有富铁、镁、钛而贫硅、铝的特征；黑云母的成分特征表明其寄主岩石即海坨山岩体的岩石成因为I型花岗岩，该岩体母岩岩浆为幔、壳混源岩浆，来源于上地幔和下地壳；黑云母的结晶温度为625℃～745℃，氧逸度为-8.5-14.5，表明其形成于温度及氧逸度均较高的环境；根据黑云母全铝压力计计算，海坨山岩体中黑云母的结晶压力为101 177MPa，由此推算其形成深度约为3.826.69 km，再结合其镁质率（Mg#为0.482～0.666）判断，其寄主岩体即海坨山岩体属中深成相侵入体。

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