桂东北大宁岩体中镁铁质微粒包体的混合成因<br/>——来自野外分形特征的制约

桂东北大宁岩体中镁铁质微粒包体的混合成因
——来自野外分形特征的制约

2013-04-19王玲贾小辉王晓地李响牛志军

华南地质 2013年4期

王玲,贾小辉,王晓地,李响,牛志军

WANG Ling1,2,3,JIA Xiao-Hui2,3,WANG Xiao-Di2,3,LI Xiang2,3,NIU Zhi-Jun2

(1.中国地质科学院,北京100037；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；

3.中国地质调查局花岗岩成岩成矿研究中心，武汉 430205)

(1.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;2.Wuhan Centre of China Geological Survey,Wuhan 430205,Hubei,China; 3.Granite Centre of Diagenesis and Mineralization,CGS,Wuhan 430205,Hubei,China)

桂东北大宁岩体中镁铁质微粒包体的混合成因
——来自野外分形特征的制约

王玲1,2,3,贾小辉2,3,王晓地2,3,李响2,3,牛志军2

WANG Ling1,2,3,JIA Xiao-Hui2,3,WANG Xiao-Di2,3,LI Xiang2,3,NIU Zhi-Jun2

(1.中国地质科学院,北京100037；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；

3.中国地质调查局花岗岩成岩成矿研究中心，武汉 430205)

大宁岩体是一个多期次侵入的复式岩体，主要由石英闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等花岗质岩石组成，其中富含镁铁质微粒包体（MME），MME主要出露在花岗闪长岩中。花岗闪长岩中部和边部MME个数与单位测量面积的特征值（直径）之间均存在对数线性关系（＞0.75），表明MME-花岗质侵入岩体系为分形体。结合MME的形态、结构特征，认为大宁岩体中MME为岩浆混合成因。花岗闪长岩中部和边部MME的分维数分别是1.293和0.991，表明混合程度在空间上具有不均一性。MME长轴展布方向与寄主岩体的原生流动线理方向一致，暗示着在镁铁质岩浆注入之前，长英质岩浆已部分结晶。对流作用可能是MME分布、变形和岩浆混合程度差异的主要驱动力。

镁铁质微粒包体；分形；岩浆混合；花岗闪长岩；桂东北大宁

花岗岩混合问题由来已久，近年来更是成为花岗岩成因研究的热点[1-3]。同样，有关花岗岩中镁铁质微粒包体（MME）的成因也存在诸多观点，如深熔残留体[4-5]、岩浆早期晶出矿物“堆积体”[6]、同源岩浆的不混熔作用[7-8]和基性岩浆与酸性岩浆的混合作用[9]等。其中，MME的岩浆混合成因逐渐成为一种共识[10-11]，但其形成机制尚无定论[12-15]，以往的研究多侧重于宏观的野外观测[16-18]、构造分析[19]、岩石地球化学[20-21]和一些实验模拟[22-24]等方面，相关计算分析相对薄弱[25-26]。有学者运用混沌动力学原理分析MME形成的混合作用机制[27-28]，其中分形特征的研究不失为一种新的尝试[29-31]。对MME分形几何学的自相似性研究有助于探讨岩浆混合作用过程，特别是对岩浆混合机理和分形混合模式的建立具有良好的限制作用[30]。

大宁岩体作为华南加里东期花岗岩的典型代表，因岩体内部发育龙水金矿和张公岭金银多金属矿等矿床而备受瞩目，此外，岩体中广泛发育MME。前人的研究侧重于花岗岩的岩石学、矿物学、地球化学及成矿作用等[32-38]，而对花岗岩中的MME研究相对较少。沙连堃和袁奎荣[39]通过对大宁岩体中MME元素地球化学和Rb-Sr同位素组成研究，认为MME既非残留体，也非基性岩浆与酸性岩浆混合的产物，而是上地幔-地壳相互作用过程中多阶段作用的产物。本次工作以1∶5万区域地质调查项目为依托，对大宁岩体各岩性单元接触关系、MME的分布及其形态等特征进行详细的野外观察和数据测量，重点采用面积-回旋半径法对花岗闪长岩中部及边部MME进行分形研究，综合限定MME的岩石成因，并初步建立了MME的成因模式。

1 大宁岩体基本特征

大宁岩体位于粤桂交界处，呈NW向展布，面积约491km2。在大地构造位置上，处于扬子地块和华夏地块结合部位。岩体内部构造破碎较为发育，西南部出露大量的花岗斑岩脉，中部及东南部出露较多的细粒花岗岩脉、花岗闪长岩脉及花岗伟晶岩脉[38]。

大宁岩体岩石成分复杂，具有岩浆多期次侵入特点。在岩性分布上具反环带构造特征，即从岩体中心相至边缘相，岩性从中性过渡为酸性，具体表现：中心相为石英闪长岩，边缘相为二长花岗岩，过渡相为花岗闪长岩（图1）。以上三种岩性矿物组合相似，均以石英、钾长石、斜长石为主，含少量角闪石、黑云母，其中斜长石略微具有环带结构，三者主要区别在于主要造岩矿物含量及粒度变化。花岗闪长岩（S1酌啄）分布于大宁断裂之东的大宁镇及南乡镇一带，面积约260 km2，以具钾长石巨晶为特征，似斑状结构，钾长石斑晶约10%～15%。石英闪长岩（S1啄o）主要出露于花岗闪长岩的中心，面积仅为21 km2，一般不具斑状结构，石英含量最低。石英闪长岩与花岗闪长岩接触截然，在接触带处构造破碎较为严重，石英重结晶，斜长石绿泥石化强烈。二长花岗岩（S1浊酌）主要分布在桂岭镇和福堂镇以东一带（后者范围为本项目组重新厘定），面积约210 km2。花岗闪长岩与二长花岗岩渐变接触，从前者过渡到后者矿物粒度逐渐变小，尤其是钾长石斑晶粒度变小、含量变低至极低。

图1 大宁岩体地质简图Fig.1 Simplified geological map of Daning granitic intrusionQ：第四系粘土、砾石；D：泥盆系灰岩、白云岩、砂岩；C：寒武系杂砂岩、炭质岩；Z：震旦系砂岩、硅质岩；Nh：南华系长石石英砂岩、粉砂岩；Qb：青白口系千枚岩、板岩；J3ηγ：晚侏罗世二长花岗岩；S1ηγ：早志留世二长花岗岩；S1ο：早志留世石英闪长岩；S1γ：早志留世花岗闪长岩.1-测点及编号；2-断层；3-岩体边界；4-角度不整合接触.

大宁花岗质侵入岩属弱过铝质、高钾钙碱性岩石，从岩体中心相至边缘相SiO2含量逐渐升高[38]。大宁岩体及MME同位素测年数据多集中在398～445 Ma，为加里东期岩浆活动产物[40-42]。

2 MME野外特征及岩石学特征

MME在大宁岩体中分布不均匀，主要出露在花岗闪长岩内，二长花岗岩及石英闪长岩中少见，且花岗闪长岩中南部MME含量较北部多。MME主要以单个包体形式出现，含量通常＜1%，局部可达2%～3%①。MME长径1 cm～2 m，以椭球状、气球状、似枕状（图2a）为主，也见不规则状，如等边三角形、拖尾正方形包体，局部可见长宽比值达到几十的条带状包体（图2b），少见“藕断丝连”的包体、漩涡状包体及包中包现象。“藕断丝连”的包体具体表现为一端为椭球状，另一端为长条状，或中间极薄向两头逐渐加厚。包中包则是细粒斑状二长质包体被包裹在微细粒闪长质包体中①。在石英闪长岩或者地层与花岗闪长岩的接触边界，靠近花岗闪长岩的一侧，可见MME与寄主岩石中钾长石斑晶排列方向基本一致的现象（图2c）。在条带状包体中多数厚板状钾长石斑晶与MME长轴近于垂直或斜交，也见拉长状或挠曲状钾长石斑晶与之平行现象。

MME一般与寄主岩石截然接触（图2a），局部为锯齿状、过渡接触（图2d），偶见一侧截然接触，另一侧为过渡接触的现象（图2e）。少数MME具冷凝边，细粒暗色矿物富集在边部（图2d）。MME颜色较寄主岩石深，颜色从暗黑色至浅灰色不等。常见钾长石斑晶横跨寄主岩石与MME接触边界的现象（图2f），一般横跨的钾长石斑晶在寄主岩石和MME中均为厚板状，在MME中偶见溶蚀边。岩性为闪长质的MME缺乏围岩沉积岩的结构和残留体典型的重结晶或交代结构，具斑状结构（图2g）。MME粒度明显小于寄主岩石，斑晶以长石为主，少量石英，粒度以2～4 mm为主，偶见2～5 cm的长石捕掳晶；基质为长石、黑云母、角闪石等；副矿物为针状磷灰石（图2h）、磁铁矿等。其中斜长石斑晶环带结构不明显，粘土化、绢云母化严重，石英斑晶以他形为主，局部可见港湾状、卵球状。

图2 镁铁质微粒包体野外特征及矿物学特征Fig.2 Field characteristics and mineralogical features of mafic microgranular enclavesa-福堂香花人工破碎转石（D7080）：椭球状、气球状镁铁质微粒包体，与寄主岩石截然接触；b-福堂金沙河道旁（FT71）：条带状镁铁质微粒包体；c-南乡龙屈河道旁（D7010）：镁铁质微粒包体与寄主岩石中钾长石斑晶定向方向一致；d-福堂香花人工破碎转石（D7080）：镁铁质微粒包体与寄主岩石截然接触，具冷凝边；e-福堂上新河道旁（D7095）：镁铁质微粒包体一侧与寄主岩石截然接触，另一侧为过渡接触；f-南乡龙屈公路旁（D7011）：钾长石斑晶横跨长条状镁铁质微粒包体与寄主岩石边界，镁铁质微粒包体中钾长石粒度较寄主岩石小，具有熔蚀结构；g-福堂香花人工破碎转石（D7080-4B）：正交偏光，镁铁质微粒包体为斑状结构，斑晶以斜长石为主，斜长石发生强烈绢云母化；h-福堂香花人工破碎转石（D7080-4B）：正交偏光，镁铁质微粒包体中针状磷灰石晶体.

3.1 MME分形特征

大宁岩体中发育L、Q、S三组垂直节理，MME在寄主岩石中的L节理面发育较好。由于花岗闪长岩内MME发育较为典型，故选取其中部（福堂金沙河道冲刷面）和边部（南乡那远河道冲刷面）为本文MME分形测点。据野外观测，MME长径最大为2 m，最小约1 cm。MME最小的长径小于钾长石斑晶的最小粒径（2 cm），与寄主岩石接触界限模糊，故统计MME个数时以2 cm为下限。

3.1.1 福堂金沙河道冲刷面

观测点FT71（N24°21′36″,E112°02′16″），位于花岗闪长岩中部。在选取直径为600 cm的圆形范围内，MME总数102个，其中椭球状MME 59个、条带状40个、圆形2个及三角形1个，前两者约占97%。MME长径范围2～85 cm。测量结果见表1。

将FT71测点各数据取对数值，以logR-logN、logR-logA及logR-logn拟合做关系图。结果显示：（1）MME个数对数（logN）与测点的圆形直径对数（logR）两组变量的相关系数（）为0.873，大于0.75，呈良好的线性关系（图3a）。MME相对面积对数（logA）及占总MME比例对数（logn）与测点的圆形直径对数（logR）线性关系均不明显（图3b、c）；（2）MME产出频率分维数为1.293，作为福堂金沙河道冲刷面MME的分维数。

3.1.2 南乡那远河道冲刷面

观测点NX69（N24°23′59″,E111°57′20″），位于花岗闪长岩边部。在选取直径为400 cm的圆形范围内，MME总数33个，其中椭球状MME 25个，圆形4个、正方形3个及三角形1个，前者约占包体总数76%。MME长径范围3～25 cm。测量结果见表1。

表1 FT71和NX69测点镁铁质微粒包体分布特征测量结果Table 1 Values of distribution characteristics of mafic microgranular enclaves at FT71and NX69

图3 福堂金沙河道冲刷面镁铁质微粒包体分布型式的分形统计Fig. 3 Fractal model binary plots of logarithmic variables measured at Jinsha outcrop, Futang（a - output distribution ; b - relative area distribution ; c- size distribution）

将NX69测点各数据取对数值，做关系图。结果显示：（1）logR与logN、logR与logA相关系数（）分别为0.960、0.985，均大于0.75，显示很好的线性关系（图4a、4b）。logn与logR两组变量线性关系不明显（图4c）；（2）MME产出频率和相对面积分布分维数分别为0.991、-0.998。为便于与福堂金沙（FT71）MME的产出频率的分维数比较，本文取0.991为南乡那远河道冲刷面MME的分维数。

图4 南乡那远河道冲刷面镁铁质微粒包体分布型式的分形统计Fig.4 Fractal model binary plots of logarithmic variables measured at Nayuan outcrop,Nanxiang（a-output distribution;b-relative area distribution;c-size distribution）

3.2 MME长轴走向特征

金沙河道冲刷面花岗闪长岩发育三组近乎垂直节理，钾长石斑晶较为定向，MME含量高、长轴方向较那远河道冲刷面定向显著，故对金沙MME长轴走向进行测量。测量结果见表2。

表2 FT71测点99个镁铁质微粒包体长轴走向测量值Table 2 Values of the long axis trend of mafic microgranular enclaves at FT71

金沙99个MME长轴走向（已剔除2个圆形和1个三角形包体）统计结果显示，走向320°～355°为33个，占33%；走向270°～315°为53个，占54%；走向240°～265°为10个，占10%，走向240°～265°为3个，占3%。统计结果表明，MME多数集中在270°～355°，为NW走向。而钾长石斑晶走向集中于320°～350°，亦为NW走向，即发育于花岗闪长岩中部的钾长石斑晶与MME定向方向基本一致。

4 讨论

4.1 MME的岩浆混合作用及过程

活动区（Active Regions,简称AR）镁铁质岩浆以丝状形式分布在长英质岩浆中，关联区（Coherent Region，简称CR）镁铁质岩浆以椭球状向丝状过渡的形式分布在长英质岩浆中。如果在大范围内出现镁铁质岩浆的自相似性结构，说明镁铁质岩浆在长英质岩浆中的变形具有分形特征[47]。野外地质及实验模拟证实，在流体混合作用过程中，混沌动力学促发关联区和活动区与分形结构耦合出现[48-50]。分形理论计算结果显示：当|D|＞1.37时，岩浆处于紊流状态，即酸性岩浆与基性岩浆可发生较大程度的岩浆混合作用；当1＜|D|＜1.37时，岩浆处于层流与紊流过渡状态，岩浆混合作用强度较弱；当|D|＜1时，酸性岩浆与基性岩浆几乎不发生相互作用[51]。事实上，如果酸性岩浆与基性岩浆发生完全的化学混合，则MME的|D|为2（从平面展布角度考虑），随着岩浆混合程度的下降，MME的|D|介于2～1[30,52]。

以福堂观测点为代表的大宁花岗闪长岩中部，MME以椭球状、条带状、漩涡状为主；以金沙观察点为代表的大宁花岗闪长岩边部，MME以椭圆形、圆形为主，说明大宁花岗闪长岩中MME的变形具有分形特征，岩体中部及边部分别是活动区与分形结构、关联区与分形结构耦合出现。花岗闪长岩中部和边部MME的logR与logN和（或）logR与logA的均大于0.75，表明上述变量之间服从数值线性关系，说明大宁MME-花岗质侵入岩体系为分形体，MME是岩浆混合作用的产物。同时，从包体的颜色、形态、结构及其与寄主岩石的相互作用等方面，综合指示MME的岩浆混合成因：（1）大宁岩体中MME，颜色较寄主岩石深，一般为椭球状、条带状（图2a）；（2）MME粒度较寄主岩石细，具有典型的岩浆结晶结构（图2g），发育冷凝边（图2d）及针状磷灰石（图2h），指示镁铁质岩浆萃冷[53]。野外形态及矿物学特征显示MME是在岩浆状态下形成的，比寄主岩石更基性、过冷度更大，在固结前为一种岩浆在另一岩浆的乳滴[7,54]；（3）大多数MME与寄主岩界限分明，部分过渡接触（图2e）；（4）可见钾长石巨晶横跨MME与寄主岩石接触边界，MME中见2～5 cm的钾长石巨晶等现象（图2f），说明MME与寄主岩石可能共处岩浆状态下，MME拽取了寄主岩石的矿物，两者之间（至少是单方向）发生了矿物交换或者转移；（5）MME的稀土配分模式与花岗闪长岩相似[39,55]。此外，在岩相学和主量元素分布上显示反环带特征的大宁岩体（图1），不同于正常环带分布的花岗质岩体，前者一般被认为是岩浆混合的产物[56-57]，后者为岩浆结晶分异的结果[58-59]。

面积-回旋半径法的使用前提是MME相对于测量面积视为质点[31]。花岗闪长岩边部（NX69）MME的分维数（D=0.991）接近于1，MME以椭圆形、圆形为主，少见长石巨晶穿插MME与寄主岩石接触边界，暗示着酸性岩浆基本未拽取基性岩浆的矿物或元素，岩浆混合程度很弱；中部（FT71）分维数（D=1.293）介于1～1.37，MME常呈椭球状、条带状、漩涡状，常见长石巨晶穿插MME与寄主岩石接触边界，说明岩浆介于紊流与层流之间，岩浆混合程度不强。上述MME野外及分形特征表明：（1）岩浆混合程度偏低，处于层流与紊流过渡状态，且具有不均一性；（2）对于花岗闪长岩而言，边部的混合程度弱于中部。

花岗闪长岩中部（FT71）MME相对面积对数（logA）与测点的圆形直径对数（logR）两组变量相关性差，而边部（NX69）的这两组变量相关性良好，但|D|仅为0.998，这可能与MME是否为质点有关，本质上反映的还是岩浆混合强度问题。具体而言：花岗闪长岩中部MME因岩浆混合程度较边部强，变形更强烈，MME以条带状、椭球状居多，MME的表面积相对测区面积偏大，难以符合质点的要求，从而难以呈线性相关，效用性差。而花岗闪长岩边部岩浆混合弱，MME变形程度小，多以椭球状、圆形和不规则状产出，MME表面积相对测区偏小，更加符合质点的要求，从而具有良好的线性相关性。分维数为负数，则说明随着测区面积的增大，MME含量增加相对缓慢，MME总表面积相对测区面积减少。在同一个花岗质岩体中，MME表面积相对测量面积的效用性强弱可以作为判别岩浆混合相对强度的一个参考。此外，MME尺度分布变量间线性关系不明显，其原因尚待研究。

野外测量结果显示（表2），花岗闪长岩中部钾长石巨晶与拉长的MME长轴展布方向具有一致的线理构造，两者内部的矿物均未出现塑性变形和重结晶的显微结构，这表明当MME和寄主岩石仍均处于岩浆状态时，结晶矿物与熔体的相对运动形成了MME和矿物的分布状况[7,60]。通常，镁铁质岩浆注入长英质岩浆中会导致热力不平衡，从而（至少局部）破坏稳定的结晶环境，难以形成粒度较大的自形晶[61-62]。而花岗闪长岩中接近或远离MME的钾长石斑晶粒度较大，以厚板状为主，各斑晶间很少相互接触，显示钾长石矿物具有长时间较为稳定的结晶环境。这说明镁铁质岩浆注入长英质岩浆之前，钾长石可能已生长成自形的巨晶。

综合上述讨论结果，作者认为：大宁岩体中MME为镁铁质岩浆与长英质岩浆混合的产物，混合作用发生在长英质岩浆钾长石斑晶结晶完全之时或之后，混合的场所主要处于花岗闪长岩的中部，混合时岩浆处于层流与紊流过渡状态，混合程度较弱。

4.2 岩浆混合的模式

结合大宁岩体中MME的形态、结构、分形特征及由此得出的岩浆混合作用的空间展布、形成过程等，初步提出下述模式：镁铁质岩浆在靠近岩体中部位置注入长英质岩浆时，长英质岩浆已发生部分结晶作用（如钾长石巨晶），但仍处塑性状态，镁铁质岩浆萃冷形成镁铁质壳[63]。由于热力学不平衡，镁铁质壳破碎使得其内部的镁铁质岩浆与长英质岩浆接触发生低程度混合，形成MME，温度差和重力差导致的对流作用使得MME扩散到长英质岩浆中，随着运移距离的增加及冷凝结晶的进行，MME含量降低、变形程度和混合作用减弱。具体表现为，MME分布在花岗闪长岩全区，但以中部为主，中部及边部分别以活动区与分形结构、关联区与分形结构耦合出现为特征，中部的岩浆混合程度强于边部。

5 结论

（1）MME个数对数（logN）与测点的圆形直径对数（logR）两组变量（＞0.75）服从数值线性关系，表明MME-花岗质侵入岩体系为分形体，结合MME的形态及结构等特征，认为大宁岩体中MME为岩浆混合的产物。

（2）花岗闪长岩边部和中部MME的分维数D分别是0.991、1.293，说明酸性岩浆与基性岩浆混合作用在空间上具有不均一性，混合场所主要处于花岗闪长岩的中部，岩浆处于层流与紊流过渡状态时，发生低程度混合作用。

（3）花岗闪长岩中自形钾长石巨晶与MME长轴展布方向具有一致的线理构造，表明镁铁质岩浆注入之前长英质岩浆已发生部分结晶。

武汉地质调查中心基础地质室涂兵工程师、王令占工程师、张楗钰助理工程师、龙文国研究员对本文研究工作给予了支持和帮助，徐德明研究员、黄圭成研究员对本文提供了宝贵的修改意见，在此一并致谢。

注释：

①广西壮族自治区地质调查研究院.1：25万贺州幅区域地质调查报告[R],2005.

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Magma mixing genesis of mafic microgranular en-claves in Daning intrusion,northeastern Guangxi:Constraints from field fractals characteristics.

Wang L，Jia X H，Wang X D，Li X and Niu Z J.

The Daning multi-stage intrusive complex mainly consists of quartz diorite,granodiorite and monzogranite,in which mafic microgranular enclaves(MME)are well developed,especially in granodiorite.Shape,texture and fractals characteristics of enclaves that double logarithmic coordinates of circular diameter of work area and number of MME has a good linear relation(＞0.75),show MME and the host rocks follow a fractal model, being indicative of MME of magma mixing origin.It can be speculated that mixing is heterogeneous in space from that the fractal dimension of MME in the interior and margin of granodiorite is 1.293 and 0.991 respectively.A consistent lineation structures between MME and the host rocks suggest that felsic magma had partially crystallized before injection of mafic magma.Maybe convection is the main driver for dispersedness,deformation of MME and mixing heterogeneity.

mafic microgranular enclaves;fractal;magma mixing;granodiorite;Daning intrusion

P581

：1007-3701(2013)04-282-10

10.3969/j.issn.1007-3701.2013.04.003