銅陵鳳凰山銅多金屬礦磁鐵礦單礦物稀土元素特征研究

雷源保，賴健清，陳 隨，安江華

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

鳳凰山銅多金屬礦床位于安徽省銅陵市東南部，是銅陵地區(qū)最著名的七大夕卡巖礦床之一。該礦床位于新屋里復(fù)式巖體的西部接觸帶，是鳳凰山礦田中規(guī)模最大的銅金多金屬礦床。前人在此曾做過大量的地質(zhì)研究工作，開展了成礦預(yù)測(cè)，對(duì)礦床地質(zhì)特征、成礦條件和成礦作用有了較深入的認(rèn)識(shí)，但在礦床地球化學(xué)領(lǐng)域的研究還相對(duì)薄弱。本文結(jié)合國(guó)家“十一五”科技支撐課題，在礦體中磁鐵礦單礦物的稀土元素地球化學(xué)的研究方面進(jìn)行探索，討論礦床成礦物質(zhì)的來源、成礦的物理化學(xué)環(huán)境以及巖漿巖的演化特征，為礦床成因和形成環(huán)境方面的研究提供新的思路。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

鳳凰山銅多金屬礦位于長(zhǎng)江中下游銅鐵成礦帶的銅陵礦集區(qū)［1］。大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子板塊與華北板塊結(jié)合部位，受區(qū)域性的揚(yáng)子深大斷裂控制。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為下三疊統(tǒng)龍山組灰?guī)r、南陵湖組灰?guī)r、以及中三疊統(tǒng)月山組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，有軸線為NE方向的新屋里復(fù)式向斜，斷裂構(gòu)造復(fù)雜，主要為與褶皺軸向平行的NE向斷層，其次為一些晚期的NW向、NNW向斷層。巖漿活動(dòng)以燕山晚期的花崗閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)斑巖侵入為主，主要有新屋里巖體及一些小型脈巖。新屋里巖體沿NE向延伸的復(fù)式向斜核部侵入，呈近等軸狀，出露面積約10 km2。圍繞巖體分布有鳳凰山、江家沖、清水塘、仙人沖、鐵山頭和寶山陶等銅礦床，共同構(gòu)成鳳凰山礦田（圖1）［2］。

鳳凰山礦床產(chǎn)于花崗閃長(zhǎng)巖與中下三疊統(tǒng)不純碳酸鹽巖的接觸帶，巖體超覆于地層之上，使碳酸鹽巖廣泛變質(zhì)形成大理巖及鈣質(zhì)夕卡巖。礦床的主要類型為夕卡巖型，晚期疊加與石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)斑巖有關(guān)的斑巖型礦化，主要礦石為磁鐵礦、菱鐵礦、黃銅礦、斑銅礦等。發(fā)育的圍巖蝕變有夕卡巖化、鉀化、石英絹云母化、泥化等。

圖1 鳳凰山礦田地質(zhì)略圖［2］Fig.1 Geological sketch of Fenghuangshan ore field

2 研究方法

在巖石學(xué)研究中，稀土元素是一種化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的元素［3］，在地質(zhì)作用中不易發(fā)生變化，其特征能反映巖石形成的環(huán)境和物質(zhì)來源。本文嘗試?yán)么盆F礦單礦物的稀土元素研究礦床成礦物質(zhì)的來源、成礦的物理化學(xué)環(huán)境以及巖體的形成過程。本次工作在Ⅱ號(hào)礦體的頂?shù)装濉⒌V體與圍巖接觸帶上及礦體中具有代表性的部位采集了含有磁鐵礦的16個(gè)樣，在室內(nèi)進(jìn)行磁鐵礦單礦物的挑選，其純度可達(dá)99％以上。將挑選出來的單礦物送到澳實(shí)分析檢測(cè)集團(tuán)廣州礦物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稀土稀有金屬熔化法質(zhì)譜儀定量分析（MEMS 81），獲得磁鐵礦單礦物稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各元素的檢出限分別為：La，Ce，Y元素為0.5×10－6；Pr，Sm，Eu，Er，Yb元素為0.03×10－6；Nd元素為0.1×10－6；Gd，Dy元素為0.05×10－6；Tb，Ho，Tm，Lu元素為0.01×10－6。利用Wakita等人（1971）提出的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［4］，并繪制了磁鐵礦稀土元素配分模式圖，并與巖體和圍巖的稀土元素配分模式圖進(jìn)行對(duì)比分析，探討成礦物質(zhì)來源和成礦環(huán)境。通過La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖研究巖體的形成過程。

3 磁鐵礦單礦物稀土元素特征

礦床中的磁鐵礦單礦物稀土元素組成、輕重稀土元素比值、銪異常值等存在較大的變化（表1）。磁鐵礦單礦物稀土總量∑REE為5.11×10－6～110.14×10－6，變化很大；輕重稀土的變化也較大，輕稀土（LREE）變化范圍為4.16×10－6～99.25× 10－6，重稀土（HREE）變化范圍為0.71×10－6～10.17×10－6，輕重稀土比值（LREE/HREE，或L/H）＝1.86～17.03，平均8.75，為輕稀土富集型。按照礦體的不同位置，采用Wakita等（1971）球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化繪制了磁鐵礦單礦物配分模式圖（圖2）。從礦體底板經(jīng)中部到礦體頂板的∑REE平均值逐漸升高，礦體底板（6個(gè)樣）的w（∑REE）＝11.30× 10－6，中部（8個(gè)樣）的w（∑REE）＝29.34×10－6，頂板（2個(gè)樣）的w（∑REE）＝86.15×10－6。LREE/HREE的平均值，礦體底板為7.79，礦體中部為9.69，礦體頂板為9.40。δ（Eu）＝0.25～2.61，呈有規(guī)律性的變化，從礦體底板經(jīng)中部到礦體頂板，δ（Eu）平均值逐漸變小，礦體底板為2.04，礦體中部為1.23，礦體頂板為0.62，即銪從明顯的正異常漸變?yōu)樨?fù)異常。δ（Ce）總體上存在較弱的負(fù)異常，平均值為0.88，有幾個(gè)樣品存在較弱的正異常，但沒有出現(xiàn)一定的規(guī)律。部分樣品銩元素出現(xiàn)負(fù)異常，還有部分樣品鑭元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低。

圖2 磁鐵礦稀土元素配分模式圖Fig.2 The REE patterns of magnetite

表1 磁鐵礦單礦物、巖體和灰?guī)r稀土元素組成及相關(guān)參數(shù)Table 1 The related parameters and results of rare earth elements for magnetite monominerals，magmatic rocks and limestone

4 討論

4.1 稀土元素總量變化反映成礦物質(zhì)的多來源

從礦體的底板、中部至頂板，磁鐵礦單礦物中稀土元素的總量依次增加，平均值從11.30×10－6增至86.15×10－6。由于巖體超覆地層之上，從礦體底板到頂板反映了從接觸帶的外帶到內(nèi)帶的空間關(guān)系。與成礦有密切關(guān)系且超覆于礦體之上的侵入巖體花崗閃長(zhǎng)（斑）巖的稀土元素總量平均為174.26 ×10－6，LREE/HREE平均值為11.65，配分曲線如圖3［5］；與礦體圍巖同層位的區(qū)域地層中下三疊統(tǒng)灰?guī)r中稀土元素總量平均為10.84×10－6，LREE/HREE平均值為11.67［6］，其稀土元素配分曲線如圖4。對(duì)比成礦巖體花崗閃長(zhǎng)巖和地層碳酸鹽巖的稀土配分曲線和稀土元素總量可見，從礦體下伏地層→礦體底板→礦體中部→礦體頂板→超覆巖體，稀土元素配分曲線總體上比較相似，均為向右傾的輕稀土富集型，而其總量則依次遞增。換句話說，礦體中稀土元素特征繼承了巖體和圍巖的特征，反映了巖體和圍巖的多重來源，從礦體底板到頂板，圍巖的組分減少，巖漿巖的組分增加，完全符合地球化學(xué)規(guī)律。可見，礦區(qū)的成礦物質(zhì)具有多來源的特點(diǎn)，既有巖漿提供的成礦物質(zhì)，又包含有圍巖提供的成礦物質(zhì)，從礦體的底板到頂板構(gòu)成了稀土元素的地球化學(xué)分帶，反映了地層與巖體物質(zhì)不同比例的混合。

4.2 銪異常的變化受氧化還原性質(zhì)的影響

從礦體的底板到礦體的中部，再到礦體的頂板，銪異常從顯著的正異常逐漸變?yōu)轱@著的負(fù)異常，而在巖體和圍巖中，均無明顯的異常，銪異常均為0.88（圖2—圖4）。礦物和巖石的銪異常一般出現(xiàn)在2種情況下，即礦物沉淀的水溶液具有銪的異常富集，或者水溶液中有呈Eu2＋的形式存在。礦物發(fā)生化學(xué)沉淀時(shí)一般都是2價(jià)的銪比3價(jià)的銪優(yōu)先進(jìn)入礦物的晶格，因此富Eu的水體或水溶液中2價(jià)銪的出現(xiàn)與否是產(chǎn)生銪異常的主要控制因素［7］。氧逸度的增大有利于Eu2＋轉(zhuǎn)變?yōu)镋u3＋，致使進(jìn)入礦物晶格中的Eu2＋的含量降低，從而使Eu從正異常漸變到無異常，甚至負(fù)異常［8］。圍巖和巖體均無銪異常，說明成礦流體對(duì)銪具有富集作用，從而在礦體中形成銪異常。由于圍巖（灰?guī)r）中可能存在較多的有機(jī)質(zhì)，使得其環(huán)境變得較為還原，氧逸度較低，相對(duì)于巖體呈現(xiàn)較低的氧化還原電位。因此，從礦體底板（靠近地層）至頂板（靠近巖體），銪由正異常變化為負(fù)異?？赡苁怯捎诘貙又杏袡C(jī)質(zhì)降低了熱液中的氧化還原電位引起的，也反映了礦體不同部位成礦物質(zhì)來源的差異?？拷鼛r體一側(cè)的磁鐵礦中具有負(fù)的銪異常，與巖體出現(xiàn)明顯的差異，可能反映經(jīng)歷早期正銪異常的磁鐵礦結(jié)晶之后，殘余溶液中呈現(xiàn)了負(fù)銪異常，說明礦體中從遠(yuǎn)離巖體到靠近巖體的不同部位，礦物的結(jié)晶存在有先后的順序。

圖3 巖體稀土元素配分圖［5］Fig.3 The REE patterns of magmatic rocks 142/106為花崗閃長(zhǎng)巖；76/116為花崗閃長(zhǎng)斑巖

圖4 灰?guī)r稀土元素配分模式圖［6］Fig.4 The REE patterns of limestone

圖5 La/Sm—La關(guān)系圖Fig.5 The diagram of La/Sm－La

圖6 Ce/Yb—Eu/Yb變異圖Fig.6 The variogram of Ce/Yb－Eu/Yb

注：圖中的第1組、第2組、第3組分別代表礦體底部、礦體中部、礦體頂部；圖件采用路遠(yuǎn)發(fā)（2004）的Geokit軟件制作［11］。

4.3 巖漿經(jīng)歷部分熔融和局部分離結(jié)晶

因?yàn)榇盆F礦與巖漿處于一種平衡狀態(tài)，所以磁鐵礦中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在量比角度上可以反映巖漿的成因，利用稀土元素比值的方法可進(jìn)行巖漿成因的探討。

在La/Sm－La關(guān)系圖（圖5）中，樣品點(diǎn)絕大部分落在一條斜線上，只有礦體頂板的2個(gè)樣品和中部的1個(gè)樣品不在這一斜線上，大致呈一條水平線。根據(jù)部分熔融過程表現(xiàn)為一條斜線，分離結(jié)晶表現(xiàn)為一條水平線［9］，可以說明此區(qū)與成礦密切相關(guān)的巖漿巖，其演化過程主要為部分熔融。而礦體頂板的樣品卻大致成一條水平線，表明在巖漿演化的后期可能出現(xiàn)了分離結(jié)晶。在Ce/Yb－Eu/Yb變異圖［10］上，如果樣品點(diǎn)有明顯的線性關(guān)系，表明巖體的形成過程以混合作用為主，如果不呈線性關(guān)系，則以分離結(jié)晶或部分熔融為主。本區(qū)樣品沒有明顯的線性關(guān)系（圖6），表明本區(qū)巖漿具有部分熔融或分離結(jié)晶的特點(diǎn)。綜上所述，La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖說明本區(qū)的巖漿巖以部分熔融為主，成礦作用晚期出現(xiàn)了局部的分離結(jié)晶特征。

5 結(jié)論

通過對(duì)磁鐵礦單礦物和花崗閃長(zhǎng)（斑）巖以及圍巖（灰?guī)r）稀土元素的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）鳳凰山銅（金）礦床的磁鐵礦單礦物的稀土元素為輕稀土富集型，與成礦巖體花崗閃長(zhǎng)巖和地層圍巖的配分曲線非常相似，反映了成礦物質(zhì)的繼承性。

（2）從圍巖（灰?guī)r）到礦體的底板、中部、頂板，再到巖體，稀土元素總量依次增加，說明成礦物質(zhì)是多來源的，在礦體的不同部位存在不同的比例。

（3）從礦體的底板、中部到頂板，Eu異常從明顯的正異常漸變?yōu)槊黠@的負(fù)異常，表明磁鐵礦在成礦過程中從巖體一側(cè)到圍巖一側(cè)，氧逸度逐漸降低。

（4）通過對(duì)La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖的分析，本區(qū)的巖漿巖以部分熔融為主，成礦晚期出現(xiàn)局部分離結(jié)晶。

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