東天山四頂黑山層狀巖體地質(zhì)特征及成礦潛力分析

孫 濤 ,錢壯志 ,湯中立 ,劉民武 ,高 萍,張江江,張 瑞,姜 超

1)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054;2)長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安 710054;3)西北有色地質(zhì)勘查局物化探總隊,陜西西安 710068

東天山黃山鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖帶(覺羅塔格構(gòu)造巖漿帶)位于天山-興安造山系北天山造山帶東段,康古爾-秋格明塔什韌性剪切帶附近。該巖帶各巖體大致沿康古爾塔格與苦水兩條深大斷裂帶呈近東西向展布,西起庫姆塔格沙壟,東至四頂黑山,長約 270 km,寬20～35 km,面積5600 km2。分布有土墩、二紅洼、香山、黃山南、黃山、黃山東、葫蘆、串珠、馬蹄、圖拉爾根、咸水泉、四頂黑山等數(shù)十個鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體(王潤民等,1987;秦克章等,2002,2007;錢壯志等,2009;唐冬梅等,2009;孫濤等,2010;鄧宇峰等,2011;圖1)。四頂黑山鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體位于東天山黃山巖帶的最東端,具有層狀巖體特征。徐興旺等(2006)認(rèn)為巖體分為層狀巖體與雜巖體,并取得層狀巖體的39Ar/40Ar年齡為(545±5)Ma;史文全等(2008)、代文軍(2010)認(rèn)為巖體主要由層狀巖體組成;李奇祥等(2010)測得巖體中輝長巖的鋯石U-Pb年齡為(351.5±1.9)Ma。本文通過對巖體巖石學(xué)、礦物學(xué)特征的詳細(xì)研究,對礦物的結(jié)晶溫度進行了估算,利用橄欖石中Ni的含量對硫化物熔離作用進行了判別,并探討巖體的成礦潛力。

1 巖體地質(zhì)概況

四頂黑山鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)層狀雜巖體規(guī)模較大,直接圍巖為花崗巖,共同侵位于元古代深變質(zhì)巖中;巖體可分為南、北兩個巖體,北巖體通常稱為四頂黑山,南巖體通常稱為小四頂黑山,兩巖體走向大致相同,呈北東向展布,巖體東西長28 km,南北寬 0.2～2 km,面積＞35 km2(徐興旺等,2006;柴鳳梅等,2006;史文全等,2008;代文軍,2010;李奇祥等,2010)(圖2)。巖體主要巖性為單輝橄欖巖、橄欖輝石巖、橄欖蘇長輝長巖、橄欖輝長巖、輝石角閃巖、輝長巖、角閃輝長巖、閃長巖。超鎂鐵巖相在地形上表現(xiàn)為高山陡峻的、抗風(fēng)化能力強的層狀地貌(圖 3a),巖性層厚從幾十厘米到幾米和幾十米,傾向大致呈南南西,不同成分的巖性層在垂向上變化不同。

圖1 四頂黑山巖體地理位置圖(據(jù)秦克章等,2007修改)Fig.1 Location of the Sidingheishan mafic-ultramafic intrusion(modified from QIN Ke-zhang et al.,2007)

圖2 四頂黑山巖體地質(zhì)簡圖(據(jù)代文軍,2010略修改)Fig.2 Simp lified geological map of Sidingheishan mafic-ultramafic intrusion(modified from DAI Wen-jun et al.,2010)

圖3 四頂黑山巖體野外照片F(xiàn)ig.3 Field photos of Sidingheishan mafic-ultramafic intrusion

2 巖石學(xué)

本次野外調(diào)研中對北巖體進行了剖面測量,其主要的巖性次序從南往北為:蝕變橄欖輝石巖、細(xì)粒輝長巖、蝕變中粒輝長巖、蝕變單輝橄欖巖、橄欖輝石巖、橄欖蘇長輝長巖、橄欖輝石巖、蝕變中細(xì)粒輝長巖、橄欖輝石巖、蝕變中粒輝長巖、細(xì)粒輝長巖。超鎂鐵巖多呈層狀,巖性層厚從幾十厘米到幾米和幾十米,各層之間大都呈漸變過渡關(guān)系;超鎂鐵巖(橄欖輝石巖)常與鎂鐵質(zhì)巖石(輝長巖)呈韻律互層(圖3b)。

單輝橄欖巖:巖石呈灰黑色,具包橄結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。橄欖石呈半自形-自形粒狀,顆粒邊部有綠泥石蝕變,內(nèi)部極少見蝕變;輝石呈半自形-它形,均為單斜輝石,局部蝕變成片狀透閃石;橄欖石與輝石之間礦物已完全被綠泥石化(圖 4a),無法辨認(rèn)出原生礦物。

橄欖輝石巖:巖石呈灰黑色,具包橄結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。橄欖石呈半自形-自形粒狀,晶體粒徑較大,沿著裂紋常發(fā)生蛇紋石化(4b),邊緣因析出粉塵狀鐵質(zhì),顯黑色;輝石多為半自形-它形,內(nèi)部多包含橄欖石(圖4c),邊部常發(fā)生陽起石化、角閃石化;橄欖石與輝石之間發(fā)生綠簾石化、黝簾石化,原生礦物無法辨認(rèn)。

橄欖(蘇長)輝長巖:巖石呈灰色、暗灰綠色,具包橄結(jié)構(gòu)、希勒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。橄欖石呈半自形-自形粒狀,沿著裂隙析出塵埃狀的鐵質(zhì),大顆粒橄欖石包裹邊緣被圓化的斜長石顆粒,小顆粒橄欖石則包裹在長石、輝石的大顆粒中;輝石以單斜輝石為主,少量斜方輝石(圖4d),輝石、角閃石以及斜長石充填在橄欖石晶體顆粒之間,輝石常發(fā)育有角閃石的反應(yīng)邊,沿解理析出鐵質(zhì),構(gòu)成希勒結(jié)構(gòu);斜長石呈半自形-它形,柱狀、板條狀,發(fā)育聚片雙晶、卡納復(fù)合雙晶,局部發(fā)生粘土化。

圖4 四頂黑山巖體基性-超基性巖石的顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 T exture characteristics of basic-ultrabasic rocks in Sidingheishan intrusion

輝石角閃巖:巖石呈灰綠色、暗灰綠色,全晶質(zhì)自形-半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。角閃石多為自形-半自形粒狀,局部蝕變?yōu)殛柶鹗?、綠泥石;輝石均為它形粒狀,部分被角閃石交代僅剩殘余。

角閃輝長巖:巖石呈灰色、淺灰色,輝長結(jié)構(gòu)、輝綠輝長結(jié)構(gòu)。角閃石晶形不完整,普遍發(fā)生陽起石化,使角閃石多色性減弱,局部角閃石退變質(zhì)為透閃石;斜長石為半自形-它形,柱狀、板條狀,發(fā)育聚片雙晶和卡納復(fù)合雙晶,以黝簾石蝕變?yōu)橹?內(nèi)部呈斑狀、點狀蝕變;巖石整體普遍發(fā)生陽起石化、綠泥石化以及黝簾石化。

閃長巖:巖石呈淺灰色、灰白色,柱粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。角閃石為半自形-它形,普遍發(fā)生陽起石化,導(dǎo)致多色性變?nèi)?局部蝕變?yōu)橥搁W石;斜長石為它形-不規(guī)則形態(tài),完全蝕變?yōu)槊擅撌?、高嶺石和絹云母,僅保留長石的結(jié)構(gòu)特征。

3 礦物學(xué)

四頂黑山層狀雜巖體中主要造巖礦物為橄欖石、輝石、角閃石和斜長石。

橄欖石電子探針分析結(jié)果見表 1。橄欖石成分變化不大,Fo 值〔Fo=100×Mg/(Mg+Fe)〕介于 74.1～80.1之間,都為貴橄欖石。在圖5a中,橄欖石中Ca的含量隨著MgO含量的降低略有升高的趨勢,這可能與巖漿演化過程中橄欖石的結(jié)晶使巖漿中 Ca含量相對升高有關(guān);FeO含量隨著MgO含量的降低而升高,兩者具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖 5b)。對巖體中五粒晶形完整的橄欖石從邊部→核部→邊部進行了成份分析,總體上橄欖石邊部Fo值較低,核部Fo值較高,核部之間成份變化不明顯(圖6)。

巖體的斜方輝石和單斜輝石的電子探針分析結(jié)果見表 1。其中,斜方輝石的 En為 75.6～76.1,平均為 75.9;Fs為 21.9～22.6,平均為 22.3;Wo為1.5～2.0,平均為1.8,均為古銅輝石(圖7a)。它們的Al2O3含量較低,介于 1.69%～1.80%之間,較地幔橄欖巖中斜方輝石 Al2O3的含量(2.1%～5.0%)低(Dick et al.,1996)。單斜輝石的En為41.5～43.5,平均為 42.7;Fs為 8.5～13.1,平均為 10.6;Wo為42.0～48.8,平均為 46.8,均屬 Ca-Mg-Fe輝石族,在Wo-En-Fs圖中,主要位于透輝石區(qū)(圖7a)。在單斜輝石的 SiO2-Al2O3圖解中(圖 7b),大部分單斜輝石位于亞堿性巖區(qū),少量數(shù)據(jù)位于堿性系列。

圖5 橄欖石中MgO-CaO(a)和MgO-FeO(b)變化關(guān)系Fig.5 Diagram of MgO versus CaO(a)and MgO versus FeO(b)in olivine

圖6 四頂黑山巖體中橄欖石邊部與核部Fo值變化關(guān)系Fig.6 Variations of Fo values at the edge and the core of olivine in Sidingheishan intrusion

表1 四頂黑山巖體橄欖石、輝石、角閃石以及斜長石的電子探針分析數(shù)據(jù)(單位:%)Table 1 The crystal chemical data of olivines,pyroxenes,amphibole and plagioclases(unit:% )

圖7 輝石的Wo-En-Fs圖解(a)和單斜輝石Al2O3-SiO2圖解(b)(據(jù)Morimoto,1988)Fig.7 Wo-En-Fs diagram of pyroxene(a)and Al2O3versus SiO2diagram(b)of clinopyroxene (after Morimoto,1988)

巖體中角閃石大多發(fā)生透閃石化、陽起石化等蝕變。電子探針分析結(jié)果見表1。角閃石中TiO2含量較低,介于0.12%～0.96%之間。大部分巖漿巖中的鈣質(zhì)角閃石的化學(xué)成分與巖漿來源之間有密切的關(guān)系(馬潤則等,1997)。隨著溫度和壓力的增高,鈣質(zhì)角閃石的 Si含量有規(guī)律地降低,角閃石的Si/(Si+Ti+A1)值,在殼源區(qū)和幔源區(qū)之間出現(xiàn)間斷,殼源角閃石Si/(Si+Ti+A1)值不低于0.775,而幔源角閃石則不大于0.765(姜常義等,1984)。四頂黑山巖體中角閃石大部分Al2O3＞10%,Si/(Si+Ti+A1)＜0.765,均屬于幔源角閃石。

巖體中斜長石電子探針分析結(jié)果見表1。由表1可知,斜長石成分變化較大,主要為鈣長石、倍長石和拉長石組成。巖體中斜長石牌號都較高,且在層狀巖體中有大量鈣長石的存在,表明巖體的原生巖漿基性程度較高(張樹明等,2004)。

4 礦物形成溫度

4.1 橄欖石結(jié)晶溫度

組成四頂黑山巖體的各個巖相特征表明,分異演化最早期形成單輝橄欖巖、橄欖輝石巖,該巖相發(fā)育包橄結(jié)構(gòu),即橄欖石被包嵌在輝石等礦物的晶體中,說明橄欖石是巖漿中結(jié)晶最早的礦物。部分橄欖石與古銅輝石之間互相穿插生長,說明古銅輝石與橄欖石經(jīng)歷過一段時間的結(jié)晶平衡,所以橄欖石的結(jié)晶溫度即是巖漿溫度的下限又是固相開始晶出的上限。由表 2可以看出,橄欖石的結(jié)晶溫度較高,而且變化范圍很小,約1419℃(表2)。

4.2 橄欖石與古銅輝石的平衡結(jié)晶溫度

隨著橄欖石的結(jié)晶,巖漿溫度慢慢下降,當(dāng)溫度降至橄欖石與古銅輝石的平衡結(jié)晶溫度時,古銅輝石就開始結(jié)晶,利用哈克利-瑞特提出的“Ni在橄欖石和古銅輝石中分配的地質(zhì)溫度計”來計算這時的溫度。溫度計算公式為:lnKd=-16.8/1.987T×10-3+7.65,其中Kd為Ni在橄欖石和古銅輝石的分配系數(shù)。計算結(jié)果(表3)得出橄欖石與古銅輝石兩相平衡的溫度范圍是 1175～927℃,該溫度基本可以代表橄欖石結(jié)晶的下限溫度,同時也說明古銅輝石開始結(jié)晶的溫度為1100℃左右。

4.3 單斜輝石的結(jié)晶溫度

鄧晉福等(1987)通過數(shù)理統(tǒng)計得出的輝石形成溫度的回歸方程,為 T(℃)=2258.55-27.217(Ca/(Ca+Mg+Fe))×100%,計算本區(qū)單斜輝石的結(jié)晶溫度如表4,單斜輝石的結(jié)晶溫度為901.54～1116.37℃。

由表 2和表 3可以看出,單斜輝石結(jié)晶溫度普遍低于斜方輝石的結(jié)晶溫度,說明巖漿中斜方輝石結(jié)晶早于單斜輝石;不管是斜方輝石還是單斜輝石,它們的結(jié)晶溫度范圍都較大(表2、表3)說明在更多溫度條件下輝石均可以結(jié)晶;并且單斜輝石與斜方輝石結(jié)晶溫度相近,所以在四頂黑山巖體中?？梢砸姷絻煞N輝石共存的礦物組合,這與實際在巖石薄片中(橄欖蘇長輝長巖)見到的兩種輝石共生相一致。

表2 橄欖石的結(jié)晶溫度Table 2 Cr ystallization temperature of olivine

表3 古銅輝石結(jié)晶溫度Table 3 Cr ystallization temperature of bronzite

5 橄欖石中Ni含量及巖體成礦潛力分析

橄欖石是用于探討巖漿演化、判斷硫化物熔離事件的敏感指標(biāo):可利用定量模擬計算來分析橄欖石中 Ni的含量受結(jié)晶分異作用的影響和受到硫化物熔離作用的影響。Ni既有親石性又有親硫性,可以作為 Mg的類質(zhì)同像混入物進入含鎂較高的橄欖石晶格中;同時 Ni在橄欖石與熔體間的分配系數(shù)DNi在4～9之間(約為7)(Li et al.,2003),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它在硫化物熔體與硅酸鹽巖漿間的分配系數(shù)(300～1000)(Arth,1976;Barnes et al.,1999)。隨著橄欖石的結(jié)晶分異,橄欖石中Ni的含量將隨著橄欖石的鎂鐵成分發(fā)生有規(guī)律的變化,并嚴(yán)格受硫化物熔離的控制。如果巖漿發(fā)生過硫化物的熔離,橄欖石中Ni的含量將發(fā)生虧損。在橄欖石與硫化物發(fā)生交換反應(yīng)的情況下,利用橄欖石中Ni的含量也可以估算硫化物中 Ni的含量。所以,可以根據(jù)橄欖石中Ni的變化反映巖漿中硫化物的行為。

四頂黑山巖體中橄欖石Ni含量與Fo的關(guān)系圖中(圖8)可以看出,大部分樣品落入在發(fā)生硫化物熔離的區(qū)域,表明四頂黑山巖體曾發(fā)生過硫化物的熔離;一部分樣品落在了橄欖石正常結(jié)晶線的上方,這可能是在橄欖石結(jié)晶后,與硫化物熔體接觸的橄欖石跟硫化物熔體發(fā)生 Fe-Ni物質(zhì)交換反應(yīng)的結(jié)果(屈文俊等,2005;李士彬等,2008)。

新疆東天山黃山巖帶分布有眾多鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體,如土墩、二紅洼、黃山、黃山東、黃山南、香山、葫蘆、圖拉爾根、串珠、馬蹄等(王潤民等,1987;秦克章等,2002,2007;錢壯志等,2009;唐冬梅等,2009;孫濤等,2010),這些巖體規(guī)模較小,均屬于小巖體范疇,巖體大都為多期次侵入的復(fù)式雜巖體;四頂黑山巖體位于該巖帶的最東端,巖體具有層狀特征,為層狀巖體,且規(guī)模較大。前人對四頂黑山巖體的研究認(rèn)為,四頂黑山巖體基性程度較低,橄欖巖相不發(fā)育;本次工作在四頂黑山巖體中發(fā)現(xiàn)了橄欖石、古銅輝石以及鎳黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦等形成銅鎳硫化物礦床十分有利的礦物相,辨別出了橄欖蘇長輝長巖,說明具有形成銅鎳礦床的條件,并在局部地段已有成礦的顯示,需要進一步尋找成礦富集的有利地段。另外,對比國外層狀巖體中的 PGE礦化(如 Busheveld;Barnes,1987;Naldrett et al.,1989),四頂黑山巖體有可能在特定層位發(fā)育PGE礦化。

表4 單斜輝石的結(jié)晶溫度Table 4 Crystallization temperature of clinopyroxene

圖8 四頂黑山巖體與東天山其他巖體橄欖石中Ni含量與Fo相關(guān)圖(據(jù)孫赫,2009修改;東天山其他巖體數(shù)據(jù)據(jù)孫赫,2009;夏明哲,2009;傅飄兒等,2009)Fig.8 Ni content versus Fo values of olivine from Sidingheishan intrusion and other intrusions in East Tianshan area(modified after SUN He,2009;the data of other intrusions from SUN He,2009;XIA Ming-zhe,2009;FU Piao-er et al.,2009)

6 結(jié)論

(1)四頂黑山巖體位于東天山黃山巖帶最東端,具有層狀巖體特征;主要巖石類型有單輝橄欖巖、橄欖輝石巖、橄欖蘇長輝長巖、橄欖輝長巖、輝石角閃巖、輝長巖、角閃輝長巖、閃長巖。

(2)巖體中主要的造巖礦物為貴橄欖石、古銅輝石、透輝石、普通角閃石和斜長石,斜長石主要為鈣長石、倍長石和拉長石。

(3)橄欖石的結(jié)晶溫度大約為1419℃;古銅輝石結(jié)晶溫度一般在 1100℃左右;而單斜輝石的結(jié)晶溫度范圍較大,一般在900～1100℃之間。

(4)橄欖石Ni含量與Fo的關(guān)系圖表明巖體經(jīng)歷過硫化物的熔離作用;根據(jù)巖體的巖石和礦物的組合特征,判斷四頂黑山巖體具有形成銅鎳(鉑)礦床的有利條件。

致謝:在野外工作中得到了新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704大隊的三金柱總工程師、康峰工程師和郭海斌工程師大力支持與幫助以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所秦克章研究員與唐冬梅博士后的親言指導(dǎo),使我獲益匪淺;在室內(nèi)研究中得到了實驗室白開寅老師、何克老師的幫助;感謝匿名審稿人的細(xì)心審稿并提出寶貴的修改意見;在此一并致謝！