矿床矿物化学形成因素探讨范文

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作者：蒋宗胜张作衡王志华李凤鸣田敬全单位：中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室中国地质大学地球科学与资源学院新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三地质大队

伊犁地块位于西天山准噶尔板块与塔里木板块之间,自西向东呈楔形尖灭,其南、北两侧以断续出露的蛇绿岩以及高压变质岩石的晚古生代缝合带为界(肖序常等,1992;何国琦等,1994;Gaoetal.,1998)。元古宙古老基底由前寒武纪地层组成(陈义兵等,1999;李继磊等,2009),其上覆盖有大量与晚古生代造山活动有关的火山岩地层。其中,以石炭纪大哈拉军山组分布最为广泛,也是区内最重要的赋矿地层,主要由一套中-基性的火山熔岩-火山碎屑岩组成(新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993)。大哈拉军山组火山岩具有复杂的地球化学组成,形成于裂谷(车自成等,1996;夏林圻等,2004)或岛弧(朱永峰等,2005;钱青等,2006;Wangetal.,2007;龙灵利等,2008)的构造环境中。其形成时代跨度较大,年龄从西到东逐渐变新(由>363Ma到313Ma;朱永峰等,2005;翟伟等,2006;安芳等,2008;Zhuetal.,2009)。西天山地区古生代侵入岩广泛分布,早石炭世及其以前的古生代侵入岩呈带状分布,主要为一套与洋盆俯冲有关的钙碱性侵入岩,晚石炭世及其后的晚古生代侵入岩呈面状分布,主要为一套与同碰撞有关的富铝花岗岩和后造山的富钾花岗岩(朱志新等,2011)。

西天山在晚古生代大陆地壳增生和改造过程中,区域火山活动强烈,强烈的构造运动和岩浆活动伴随着多期次、多类型的壳幔相互作用,造成了铜铁金的富集,形成了许多重要的成矿区带,如阿希-京希-伊尔曼德金-铜矿集区、达巴特-莱历斯高尔斑岩铜钼矿集区(朱永峰等,2007)以及阿吾拉勒铁成矿带。阿吾拉勒铁成矿带位于西天山东段,产出于伊犁地块东北缘活动带中,含矿地层主要为下石炭统大哈拉军山组及上石炭统伊什基里克组中-基性火山岩-火山碎屑岩。侵入岩以正长花岗岩、花岗闪长岩以及石英闪长岩为主。区内已发现矿床(点)12个,火山岩型铁矿床赋存于大哈拉军山组中,火山热液型铁矿床赋存于二叠纪岩浆岩中,成矿作用显示出与下石炭系大哈拉军山组火山岩及二叠纪岩浆岩侵入、喷发活动有关(田敬全等,2009)。

矿床地质

1矿区地质

智博铁矿位于新疆自治区和静县西北约200km的博罗科努山系主脊线上,构造位置处于伊犁地块东北缘的活动带(图1),NW向区域性大断裂南侧,与查岗诺尔铁矿直线距离约10km。矿区内出露地层主要为大哈拉军山组火山岩(图2a),具有大陆岛弧火山岩地球化学特征,形成年龄为30013Ma(蒋宗胜等,2012)。智博矿区矿体赋存于大哈拉军山组第二段,岩性主要为玄武岩、粗面安山岩和玄武质粗面安山岩等。矿区构造整体较为简单,主要为一单斜构造。西段矿区发育一定程度的成矿后断裂,对矿体的延伸和侧伏形态有一定的破坏作用;中、东矿段深部仅有小断层活动,对矿体整体形态分布影响较小。矿区内侵入岩以花岗闪长岩和石英闪长岩为主,主要分布在矿区西南部,与火山岩地层以及矿体为侵入接触关系。花岗岩岩体具有A型花岗岩特征,形成年龄为30411Ma和29415Ma(Zhangetal.,2012)。

2矿体及矿石特征

智博铁矿已控制矿化带东西长约515km,宽约115km,分为东、中、西和Fe13号矿体4个含矿段,共圈定68个矿体。其中,东矿段圈定出11个铁矿体,资源量占全区的97%以上,包括Fe15-1、Fe15-2、Fe18、Fe19、Fe20等几个主矿体O。矿区内铁矿体大部分被第四纪沉积物及冰水堆积物覆盖,仅有少部分出露于地表,出露形态为似层状,中矿段已进行露天开采(图3a)。矿体深部厚大,形态多为层状、似层状、透镜状(图2b),总体走向NW-SE方向,产状较缓。矿石矿物以大量磁铁矿为主,含少量浸染状黄铁矿,局部可见细脉赤铁矿及零星黄铜矿。脉石矿物主要为绿帘石、钾长石、透辉石、钠长石、阳起石、绿泥石等蚀变矿物。矿石构造以块状构造和浸染状构造为主、角砾状构造次之,局部为条带状构造、脉状-网脉状构造;矿石结构包括半自形-他形粒状结构、交代残余结构、碎裂结构以及板条状结构。复杂多样的矿石结构构造显示出多期次成矿以及叠加改造成矿的特点。

3围岩蚀变

智博铁矿发育广泛的围岩蚀变,以透辉石化、钠长石化、钾长石化、阳起石化、绿帘石化为主,含少量绿泥石化和碳酸盐化。围岩蚀变具多阶段的特点,靠近矿体,围岩蚀变强烈,矿体顶、底板几乎全为绿帘石化-钾长石化-绿泥石化玄武岩、安山岩。根据野外观察和岩相学观察,按照蚀变矿物之间的共生关系,本文将蚀变作用划分为3个阶段:第一阶段蚀变矿物以透辉石+钠长石为主,伴随有少量磁铁矿化(图3e~g,l;图4a,b),磁铁矿呈他形粒状充填于透辉石?钠长石矿物颗粒之间,形成浸染状矿石;第二阶段蚀变矿物组合主要为钾长石+阳起石+绿帘石(图3e,g;图4f),是矿区内分布最为广泛的蚀变矿物组合(图3b,c),伴生有大量磁铁矿以及少量浸染状黄铁矿,是磁铁矿主要形成阶段,该阶段常见有以榍石为主的副矿物(图4e,f);第三阶段蚀变矿物组合以绿帘石+绿泥石+方解石+石英为主(图4e),伴生有大量粗粒脉状黄铁矿和细脉状赤铁矿(图3k;图4n),局部形成少量黄铜矿化(图3f;图4o),是硫化物的主要形成阶段。详细的围岩蚀变与成矿阶段划分参见王志华等(2012)。

蚀变矿物学特征及电子探针分析

在划分蚀变阶段的基础上,挑选不同蚀变特征的样品(取样位置见表1),对主要蚀变矿物进行矿物化学分析,测试在中国地质科学院矿产资源研究所使用JEOLJXA-8230型电子探针完成,工作条件为:加速电压20kV,电流20nA,束斑直径5Lm。主要蚀变矿物及矿石矿物的矿物学和矿物化学特征如下。

1辉石

辉石是智博铁矿早期阶段的蚀变矿物,多与钠长石和磁铁矿密切共生(图4a,b),主要呈自形-半自形柱状、粒状出现,单偏光下无色,正高突起,正交偏光下,最高干涉色二级蓝绿,常见有后期阳起石、绿帘石、绿泥石等矿物的叠加改造。电子探针分析(表2)表明,智博铁矿中辉石属钙质辉石的透辉石-钙铁辉石系列(图5;Morimotoetal.,1988),以透辉石为主(Di=62197%~83156%),含少量钙铁辉石(Hd=16144%~36145%),而锰钙辉石成分含量极低,除1个辉石成分点(zb492-313)为Jo=3108%、Mn/Fe=0115外,其余测试点含量均小于016%,Mn/Fe[0102,所有辉石的Mg/Fe=1185~5116。与基质辉石(Jo=16144%~27169%)相比,包裹于黄铁矿中的辉石更富钙铁辉石端员(Jo=31143%~36145%)。

2长石

智博铁矿蚀变围岩中的长石主要包括早期阶段的钠长石和稍晚期的钾长石。钠长石与早期磁铁矿成矿关系密切,与辉石和磁铁矿一起组成早期阶段的蚀变矿物组合。钠长石主要由火山岩中的斜长石蚀变而成,多见于蚀变安山岩角砾中(图3f,g);在浸染状矿体中,多以斑晶的形式出现,组成似斑状结构(图4a),局部可见热液钠长石与绿帘石脉共生(图4g,j)。电子探针分析(表3)表明,在含矿流体作用于围岩时,火山岩中的斜长石。钾长石是矿区内分布最广的蚀变矿物之一,多由钠长石、透辉石蚀变而成(图3b,e,g),主要呈他形粒状分布,伴生有磁铁矿(图4b,c),有时与绿帘石呈网脉状侵入磁铁矿体(图3c)。

3角闪石

角闪石分布较广,在蚀变火山岩以及磁铁矿体中都有分布。主要呈暗绿色-黄绿色纤维柱状,部分呈短柱状(图4d,f),可能由辉石以及火山岩中普通角闪石蚀变而成,常被后期绿帘石、绿泥石交代。根据Leake等(1997)的分类计算方法,智博铁矿角闪石均属钙质角闪石系列,主要为阳起石(图6),其主要成分为：

4绿帘石

绿帘石是矿区主要的退化蚀变阶段矿物之一,分布广泛。镜下呈黄绿色或草绿色,正高突起。火山岩发生绿帘石化,蚀变强烈时可形成绿帘石含量非常高的绿帘石岩,当伴有磁铁矿矿化时则形成绿帘石化磁铁矿矿石(图3b);晚期绿帘石脉交代早期蚀变矿物组合,此时常伴生有钾长石、石英和方解石等晚期蚀变矿物(图3d,j;图4e),或者呈网脉状贯入磁铁矿体中胶结磁铁矿角砾(图3c,i),当绿帘石脉直接贯入火山岩围岩时,常沿接触带发生矿化,在围岩中形成浸染状磁铁矿(图3o;图4g,j)。电子探针分析(表5)表明,矿区内绿帘石相对富铁,其Fe/(Fe+Al)=0122~0136。此外,局部可见褐帘石呈包体的形式赋存于绿帘石中。

5磁铁矿和赤铁矿

矿区内磁铁矿主要呈块状、浸染状、角砾状、条带状、脉状、板条状等。致密块状磁铁矿组成矿区内富矿体,多位于矿体中-下部,常见块状磁铁矿体与火山岩围岩直接接触,接触带无明显蚀变(图3n)。浸染状磁铁矿中,磁铁矿主要呈他形粒状分布于早期蚀变颗粒之间(图3e;图4a,b)。板条状或树枝状磁铁矿,在形态上与瑞典基鲁纳铁矿(NystrÊmetal.,1994)的磁铁矿较类似,不同之处在于智博矿区板条状磁铁矿晶体之间经常充填有黄铁矿、阳起石等蚀变矿物(图4l),而基鲁纳铁矿中板条状磁铁矿晶体之间多充填有大量粗粒磷灰石。磁铁矿角砾化,被后期绿帘石脉胶结(图3i)。条带状矿石表现为磁铁矿条带与蚀变条带更替出现,组成流动条带状,显示在塑性条件下,条带发生弯曲(图3l)。

后期粗粒脉状磁铁矿侵入到早期浸染状矿石中,伴生有黄铁矿+绿帘石+石英脉体(图3d)。电子探针分析(表6)显示,矿石中磁铁矿整体上以低w(TiO2)([0123%,平均0106%)、低w(Cr2O3)([0117%,平均0105%)、低w(V2O5)([0138%,平均0107%)为特点,明显不同于火山岩围岩中岩浆结晶形成的高钛磁铁矿副矿物(\3108%,平均8142%),不同结构特征的磁铁矿成分略有区别,如晚期脉状及粗粒磁铁矿SiO2、Al2O3、MgO、CaO等成分则有明显增加。值得注意的是,部分临近火山岩围岩的浸染状磁铁矿以及胶结围岩角砾的磁铁矿(如测试点zb409-化阶段的铁质部分来源于围岩。

晚期赤铁矿沿解理、裂隙及颗粒边缘交代磁铁矿(图4n),或者呈网脉状胶结早期磁铁矿(图3k),多与黄铁矿、绿帘石以及方解石伴生。电子探针分析(表6)表明,赤铁矿成分稳定,变化较小。

6黄铁矿和黄铜矿

黄铁矿是矿区内最常见的硫化物,大小不一,主要呈两种赋存状态,稍早期黄铁矿主要呈他形针柱状或粒状充填于磁铁矿晶粒之间或者解理中(图4l,k);晚期黄铁矿颗粒粗大,多与绿帘石以及石英共生呈脉状贯入矿体中胶结磁铁矿角砾(图3h),常见黄铁矿交代磁铁矿,并含有早期磁铁矿+透辉石的残留(图4m),形成交代残余结构。电子探针分析结果(表7)表明,黄铁矿成分稳定,w(Ni)小于0151%,w(Co)多小于011%,个别含量较高,可达0175%,w(Se)、w(As)、w(Cu)非常低,多数低于检测限。矿区内黄铜矿含量非常少,少量黄铜矿呈星点状被磁铁矿或黄铁矿包裹(图4m),局部可见黄铜矿呈细脉贯入到磁铁矿体以及围岩中,多与黄铁矿及绿泥石伴生,黄铜矿边缘可见方辉铜矿化(图4o)。

讨论

1围岩蚀变特征

岩相学观察以及电子探针分析表明,智博铁矿早期蚀变以钠钙质蚀变为主,形成钠长石+透辉石的矿物组合,可能为富钠质含矿热液(熔体)作用于火山岩围岩,改造火山岩形成,伴生有铁质的交代,磁铁矿呈他形粒状充填于透辉石颗粒之间,形成浸染状矿体(图3e;图4a,b)。钠长石+透辉石的蚀变矿物组合在中国玢岩型铁矿中很常见,该阶段蚀变是造成部分围岩中铁质活化富集的重要机制之一(翟裕生等,1980)。随着成矿流体的演化,温度逐渐降低,钾含量和水分增高,形成钾长石+阳起石+绿帘石为主的钾钙质蚀变矿物组合。一些副矿物(如榍石以及少量磷灰石)的出现,同样表明成矿流体相对富钙。

虽然智博铁矿中并未出现石榴子石,但其交代作用与一般含义的矽卡岩仍具有一定的类比性,主要表现在:智博铁矿中的辉石富透辉石,含少量钙铁辉石,锰钙辉石含量很低,Mn/Fe小于011,与前人总结的矽卡岩铁矿床中辉石特征一致(Nakanoetal.,1994;赵一鸣等,1997),在辉石三角图解(图5)中,均落于矽卡岩铁矿范围内(Meinertetal.,2005);该矿区内大量存在的阳起石也是矽卡岩铁矿比较常见的矿物(赵一鸣等,2003),在许多铁氧化物矿床中也经常出现,如智利北部白垩纪的铁矿(Bookstrom,1977)。智博铁矿发育广泛的围岩蚀变,与一些岩浆-热液成因的铁氧化物矿床具有类似的蚀变特征(Pollard,2001)。阿吾拉勒铁成矿带内许多铁矿都发育有不同程度的围岩蚀变,蚀变类型略有区别,如与智博铁矿相距10km的查岗诺尔矿床发育有石榴子石、透辉石、阳起石、绿帘石等矽卡岩化蚀变(洪为等,2012),而智博铁矿则未见石榴子石化,只发育一定程度的透辉石、钠长石、阳起石化蚀变以及大量的钾长石、绿帘石化蚀变。这些差异可能与查岗诺尔矿区内存在一定厚度的大理岩有关,两大铁矿的原始成矿流体组分也可能存有差异。

智博铁矿中的磁铁矿整体具有较低的w(TiO2)、w(Cr2O3)以及w(V2O5),其w(TiO2)(平均0106%)低于基鲁纳型以及智利型铁矿,二者w(TiO2)通常分别低于1%和015%。部分早期细粒浸染状磁铁矿具有与火山岩中磁铁矿类似的w(V2O5),暗示该矿化阶段的铁质部分来源于围岩,钛则可能形成以榍石为主的富钛矿物。蚀变特征以及磁铁矿成因分析表明,矿区内广泛存在的热液蚀变作用与磁铁矿的形成具有非常紧密的联系,该过程可以萃取围岩中部分铁质富集成矿,同时对热液中的铁质沉淀起到一定的促进作用。

2矿床成因探讨

前已述及,西天山地区广泛分布的大哈拉军山组具有复杂的地球化学特征以及形成时代。结合Sr-Nd同位素研究,朱永峰等(2006)认为,西天山晚泥盆世)早石炭世岛弧自西向东逐渐消亡,构造体制从俯冲体制向碰撞后环境转变,在晚石炭世发育有碰撞后富钾岩浆的喷发。智博矿区火山岩具有大陆岛弧火山岩的地球化学特征,锆石U-Pb年龄为30013Ma,可能形成于晚石炭世末期俯冲碰撞的后期阶段(蒋宗胜等,2012)。矿区内出露的花岗岩岩体与岩脉具有后碰撞A型花岗岩的地球化学特征,形成时代为30411Ma和29415Ma(Zhangetal.,2012)。因此,智博铁矿可能形成于西天山俯冲碰撞晚期阶段的大陆岛弧环境,与一些显生宙铁氧化物型矿床(如Candelaria)所处于的活动大陆边缘环境(Grovesetal.,2010)类似。

智博铁矿发育广泛的围岩蚀变,显示热液交代作用对成矿作用有重要的贡献,同时还发育一些暗示矿浆成因的结构特征:块状矿体与围岩呈截然接触,没有明显的蚀变(图3n);围岩中的长石斑晶发生流动排列,表明曾发生过高温熔体对围岩的挤压贯入作用(图4h,i);磁铁矿与透辉石呈流动条带状分布,显示早期应该存在矿浆的流动作用(图3l);围岩角砾被磁铁矿胶结,发生不同程度的蚀变(图3f,g),显示存在贯入成矿作用;板条状或树枝状磁铁矿(图3m;图4l),也被认为是矿浆成因的特征结构之一(NystrÊmetal.,1989)。目前,一些铁矿被认为是铁矿浆沿一定通道上升,在近地表处固结或溢出地表形成的富铁矿体,如瑞典基鲁纳铁矿(NystrÊmetal.,1994)、智利拉科铁矿(Park,1961;Henriquezetal.,2003)、中国宁芜地区的姑山铁矿(Houetal.,2011;毛景文等,2012)等。这些铁矿多发育磷灰石+磁铁矿的矿物组合,具有一系列指示矿浆成矿作用的野外地质特征与矿石结构:如磁铁矿流动构造、气孔构造、杏仁状构造、囊状构造、淬火构造、角砾构造、熔渣构造、致密块状矿石与围岩截然接触等。

尽管这些铁矿的矿浆成因仍然存有疑问(顾连兴等,1988;Sillitoeetal.,2002),但矿浆成矿作用仍然能够比较合理地解释这些铁矿的地质特征。实验模拟也证明,在高温熔融状态下,经液态不混溶作用,铁矿浆可以由富铁硅酸盐岩浆熔离形成,该过程在磷或其他挥发分(如F,B)参与下更容易发生(Philpotts,1967;苏良赫,1984)。与上述比较被认可的矿浆型铁矿相比,智博铁矿仍然缺少一些矿浆成因的有力证据,如缺少气孔构造、杏仁状构造、囊状构造、磁铁矿流动构造,同时,智博铁矿中少见磷灰石,仅局部见晚期蚀变成因的磷灰石,这似乎与矿浆成因模拟实验的结果有些不符。

阿吾拉勒铁成矿带内古火山机构发育,铁矿床的分布主要受展布于带内的火山活动中心控制(陈毓川等,2008)。遥感影像资料显示,智博铁矿一带环状断裂和放射状断裂十分发育,具有破火山口机构特征,智博铁矿位于破火山口中心,属于以安山质岩浆为母岩浆的岩浆矿床(主要)和热液矿床(次要)的复合型矿床(冯金星等,2010)。智博铁矿具有一些指示矿浆成因的矿石结构,同时,发育广泛的围岩蚀变,显示热液交代作用对成矿有重要的贡献,本文认为富铁岩浆流体成矿可能是智博铁矿较合理的成因解释。该富铁岩浆流体可能主要以Na-Fe-Cl为主的络合物存在(Pollard,2001),沿火山通道或者裂隙上升,在侵入到火山岩围岩形成大量类似矿浆成因的富矿体时,伴随有一定程度的钠钙质蚀变。

矿体整体分布表现为中-下部块状磁铁矿体与围岩的接触界线明显截然,显示贯入成矿作用的特点,而上部矿体与围岩接触带则发育一定的蚀变作用,矿体内有大量蚀变矿物伴生。矿体的成矿特征以及蚀变作用对矿体的贡献程度表明,成矿铁质应该主要来自地壳深部的富铁流体,少量来自流体对围岩的萃取。成矿带内数个大型铁矿的成矿作用与晚石炭世大陆岛弧岩浆活动有密切的成因联系,岛弧岩浆活动形成了区域上相当数量的中-基性火山岩组合,在岩浆演化晚期可能分异出富铁岩浆流体,为区内多个矿床的形成提供了大部分铁质、成矿流体以及热量;而大规模火山活动以及破火山口断裂构造则为成矿流体的上涌循环提供了通道以及有利的成矿空间。限于目前的研究程度,关于富铁岩浆流体的形成机制仍然需要进一步研究。

结论

(1)智博铁矿发育有类似岩浆-热液成因铁矿床的蚀变类型以及矿物化学成分,其围岩蚀变可划分为3个阶段:第一阶段以透辉石+钠长石+磁铁矿为主,透辉石成分类似于矽卡岩铁矿中辉石成分;第二阶段以阳起石+钾长石+绿帘石+磁铁矿+黄铁矿为主,叠加改造第一阶段的钠-钙质蚀变矿物;第三阶段以绿帘石+绿泥石+方解石+石英+黄铁矿?黄铜矿为主。磁铁矿整体以低w(TiO2)为主,不同结构的磁铁矿略有不同,早期浸染状磁铁矿具有较高的w(V2O5),晚期脉状及粗粒磁铁矿SiO2、Al2O3、MgO、CaO等成分则增加明显。

(2)智博铁矿发育广泛的围岩蚀变,显示热液交代作用对成矿作用有重要的贡献,同时具有一些指示矿浆成因的矿石结构,如块状磁铁矿与围岩呈截然接触,磁铁矿胶结围岩角砾,磁铁矿条带呈流动状分布以及板条状磁铁矿等。

(3)智博铁矿可能主要由岩浆演化晚期的富铁岩浆流体形成,在形成大量类似矿浆成因富矿体时,伴随有一定程度的钠钙质围岩蚀变,铁质主要来自地壳深部的富铁流体,少量来自流体对围岩的萃取,成矿与晚石炭世大陆岛弧岩浆活动有密切的成因联系。