甘肅省南祁連化石溝銅礦區(qū)絹英巖蝕變地球化學(xué)特征

潘美慧, 賈志磊, 歐 健, 侯鵬博

(1. 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2. 蘭州大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院, 甘肅 蘭州730000; 3. 甘肅省 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局, 甘肅 蘭州 730000; 4. 江蘇省 地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210018; 5. 甘肅省電力設(shè)計(jì)院, 甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

化石溝銅礦位于南祁連西南緣, 甘肅、青海、新疆三省交界處, 西南距冷湖鎮(zhèn)90 km, 東距甘肅省阿克塞縣120 km。大地構(gòu)造位置處于阿爾金-祁連-柴北緣的交匯部位(圖 1), 成礦條件十分有利。研究區(qū)古生代侵入巖十分發(fā)育, 可分為晚泥盆世、中二疊世和晚二疊世三期, 其中中二疊世英云閃長斑巖與成礦關(guān)系最為密切,為化石溝銅礦的主要含礦巖體, 部分巖石發(fā)生了絹英巖化、硅化等強(qiáng)烈的蝕變。前人對(duì)該銅礦的研究主要集中于區(qū)域巖體地球化學(xué)特征、銅礦地質(zhì)特征和成礦規(guī)律等方面[1–8], 對(duì)于英云閃長斑巖原巖與蝕變后形成的絹英巖的關(guān)系研究較少, 本文擬通過研究絹英巖地球化學(xué)特征, 以及與英云閃長斑巖原巖的對(duì)比, 確定蝕變過程中元素的遷移規(guī)律, 以及熱液(流體)的來源。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要為古元古界達(dá)肯大坂群、泥盆-石炭系阿木尼克組, 達(dá)肯大坂群可分為三個(gè)巖組, 本次研究主要涉及到第三巖組, 為一套變質(zhì)巖系,巖石類型主要為石英絹云片巖、變砂巖、斜長片麻巖等;泥盆-石炭紀(jì)阿木尼克組為一套陸相碎屑沉積巖, 主要由石英長石砂巖、含礫砂巖、千枚狀鈣質(zhì)粉砂巖、千枚狀板巖組成。研究區(qū)古生代侵入巖十分發(fā)育, 呈巖株?duì)町a(chǎn)出, 巖石類型主要有花崗閃長巖、閃長巖、二長花崗巖、石英閃長巖、英云閃長巖和英云閃長斑巖, 其中中二疊世英云閃長斑巖與成礦關(guān)系最為密切, 為化石溝銅礦的主要含礦巖體(圖 2)。英云閃長斑巖主要分布于研究區(qū)中部, 走向近南北, 條帶狀展布, 面積300～17000 m2; 巖石蝕變作用強(qiáng), 主要為絹英巖化、硅化等, 部分交代作用較強(qiáng)者, 原始結(jié)構(gòu)不清, 暗色礦物及長石類礦物小時(shí), 轉(zhuǎn)變?yōu)榻佊r。絹英巖(化)與銅礦化關(guān)系密切, 表現(xiàn)出蝕變?cè)綇?qiáng)銅礦化相對(duì)增強(qiáng)的特點(diǎn),絹英巖型銅礦石也是礦區(qū)主要的礦石類型之一。

2 巖石學(xué)特征

絹英巖化是礦區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的一種蝕變類型,多分布于英云閃長斑巖和英云閃長巖等的內(nèi)、外接觸帶, 呈長條帶狀, 局部呈脈狀或沿網(wǎng)脈裂隙分布。蝕變程度高者轉(zhuǎn)變?yōu)榻佊r。

圖1 南祁連大地構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a)和研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)Fig.1 Schematic tectonic map showing main tectonic units of South Qilian (a) and geological map of the study area (b)

圖2 化石溝銅礦區(qū)Ⅰ—Ⅰ′ 剖面示意圖Fig.2 Sketch of Ⅰ—Ⅰ′ section of Huashigou Cu-ore area

英云閃長巖呈淺灰白色, 花崗結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造,巖石劈理、節(jié)理較發(fā)育。主要礦物為斜長石(70%)和石英(20%), 還有少量的鉀長石、絹云母、綠泥石等。斜長石呈板狀, 聚片雙晶發(fā)育, 雙晶紋細(xì)密, 粒徑1～2 mm; 石英呈他形粒狀, 波狀消光明顯, 粒徑大小為1 mm。

英云閃長斑巖呈淺灰色、青灰色, 斑狀結(jié)構(gòu)、基質(zhì)顯微粒狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造, 巖石主要由斑晶(10%)和基質(zhì)(90%)組成。斑晶主要為斜長石和石英,斜長石斑晶呈橢圓狀、板狀, 粒徑約為 0.6～1 mm,石英斑晶呈他形粒狀, 大小約1 mm (圖3)。

圖3 英云閃長斑巖及絹英巖型銅礦石結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of tonalite porphyry and sericitolite copper ore

絹英巖化英云閃長斑巖呈灰白色, 塊狀構(gòu)造,蝕變礦物主要為絹云母含量大于 20%, 石英含量5%～25%; 并見有少量白云母。絹云母交代斜長石,以顯微鱗片狀集合體分布于斜長石的裂隙之中; 石英呈他形粒狀, 粒徑為 0.04～0.4 mm, 具波狀消光,呈齒狀鑲嵌聚集狀、條痕狀定向分布。

絹英巖呈淺灰綠色, 鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu), 片狀構(gòu)造。主要礦物成分是石英(65%±)、絹云母(30%±)、斜長石(3%±)、鉀長石(2%±)。石英呈他形粒狀、鋸齒狀鑲嵌分布, 具重結(jié)晶、波狀消光現(xiàn)象, 粒徑小于1 mm。絹云母呈鱗片狀集合體不均勻分布, 具半定向-定向特征, 粒徑小于0.1 mm。鉀長石、斜長石呈他形晶粒狀星散分布, 有弱黏土化, 粒徑小于1 mm。

3 分析方法

樣品主元素、微量元素和稀土元素分析由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 氧同位素組成(δ18O)由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所分析。主元素采用 X射線熒光光譜法(XRF)分析, 儀器為日本RIGAKU公司生產(chǎn)的 RIX2100; 微量元素分析利用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Elan6100DRC型ICP-MS完成, 絕大多數(shù)元素的相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于5%; 氧同位素(δ18O)分析方法為 BrF5法, 在 MAT 253 EM質(zhì)譜儀上測(cè)定, 采用的國際標(biāo)準(zhǔn)為SMOW, 分析精密度為±0.2‰。分析結(jié)果列于表1和表2。

4 地球化學(xué)特征

4.1 主元素、微量元素和稀土元素特征

化石溝銅礦區(qū)絹英巖主元素、微量元素和稀土元素分析結(jié)果見表1。

絹英巖具有高 Si (SiO2= 72%～77%), 低 Al、Ti、Ca (Al2O3、TiO2、CaO的含量分別為 8.64%～10.81%、0.06%～0.12%、0.01%～0.02%)的特點(diǎn); 堿含量(K2O+Na2O)介于 2.96～4.30之間, 強(qiáng)烈富鉀貧鈉(K2O =2.95%～4.21%, Na2O = 0.01%～0.11%), K2O/Na2O =38.1～295。

表1 化石溝銅礦區(qū)絹英巖主元素(%)、微量元素和稀土元素(μg/g)分析結(jié)果Table 1 Major (%) and trace (μg/g) element compositions of sericitolite from Hushigou Cu-ore area

表2 絹英巖氧同位素分析結(jié)果(‰)Table 2 δ18O data (‰) for sericitolite from Hushigou Cu-ore area

微量元素分析結(jié)果和蛛網(wǎng)圖(圖 4a)顯示, 絹英巖高 Ba (258～417 μg/g)低 Sr (8.32～19.7 μg/g)、Y(4.21～5.92 μg/g), 與原巖的分布模式基本一致, Nb、Ta、Zr和Hf等穩(wěn)定的高場(chǎng)強(qiáng)元素相對(duì)值變化不大。與原巖相比, 絹英巖 Rb、Th和 U表現(xiàn)為相對(duì)增高趨勢(shì), Ba、Nb-Ta表現(xiàn)為相對(duì)降低的趨勢(shì)。巖石的Y/Ho比值為 30.1～31.2, 與英云閃長斑巖(29.2)和球粒隕石(27.7±1.9, Bau[10])的值接近。

稀土元素分析結(jié)果和配分圖(圖 4b)顯示, 絹英巖的稀土總量為 67.9～146 μg/g, 配分型式表現(xiàn)為平緩的“V”型, MREE含量較低, MREE-HREE隨著原子序數(shù)增加(Gd→Lu)而增高。輕重稀土中等分餾,(La/Yb)N= 4.45～7.36; Eu 顯 示 負(fù) 異 常,δEu =0.23～0.58。

4.2 氧同位素特征

化石溝銅礦區(qū)絹英巖氧同位素分析結(jié)果見表2。絹英巖的δ18OV-SMOW值為 12.6‰～12.8‰, 僅略高于原巖英云閃長斑巖的值(11.8‰、12.4‰)[3]。

5 討 論

許多學(xué)者對(duì)地質(zhì)過程中地球化學(xué)組分的遷移進(jìn)行了定量的研究[11–19], 取得的成果已廣泛應(yīng)用于區(qū)域變質(zhì)作用、水熱蝕變和成礦等地質(zhì)體系開放過程的研究[20]。在前人對(duì)各種計(jì)算公式和圖解法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究類比的基礎(chǔ)上[15,21–23], 本文采用 Isocon方法對(duì)蝕變過程中物質(zhì)的遷移進(jìn)行了分析, 結(jié)果見圖 5。

本次研究以英云閃長斑巖、絹英巖的成分分別作為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo), TFe2O3和Al2O3作為不活動(dòng)組分并以其投影點(diǎn)擬合的直線作為 Isocon線, 從圖中可以看出, 除 SiO2位于 Isocon線之上外, 其余組分位于Isocon線之下, 表明在蝕變過程中, SiO2呈明顯的遷入, 這與絹英巖高 Si的特征一致; 根據(jù)距離Isocon線的遠(yuǎn)近, 遷出的成分明顯分為三個(gè)層次:CaO和Na2O距離Isocon線最遠(yuǎn), 遷出程度最大; 而TiO2和MnO中等程度遷出; K2O、MgO和P2O5遷出程度最低, 表明蝕變熱液應(yīng)該是富 Si的。Na2O較K2O的遷出程度明顯高, 因此可能造成了絹英巖富鉀貧鈉的特征。

絹英巖稀土元素分布模式與原巖具有明顯的相似性, 表明稀土元素來源于英云閃長斑巖; 而稀土元素的含量低于原巖, 說明在熱液蝕變過程中稀土元素總量呈現(xiàn)虧損, 因?yàn)橛⒃崎W長斑巖原巖的主要造巖礦物斜長石、黑云母和角閃石在蝕變過程匯總被廣泛交代成絹云母和綠泥石, 而絹云母和綠泥石等蝕變礦物容納 REE元素的能力低; 同時(shí), 角閃石的對(duì) MREE具有更大的分配系數(shù)(相對(duì)于 HREE)。因此, 角閃石分解會(huì)導(dǎo)致MREE虧損而HREE相對(duì)富集, 這與稀土元素分布模式圖上 MREE具有明顯的負(fù)異常相一致; 而Sr、Eu的負(fù)異常也表明斜長石發(fā)生了分解。Y和Ho在巖漿分異過程中不分餾, 而在巖石與熱液間存在相互作用[24–25], 絹英巖的Y/Ho比值為 30.1～31.2, 與英云閃長斑巖(29.2)和球粒隕石(27.7±1.9)[10]的值接近, 表明Y和Ho在熱液蝕變過程中未發(fā)生明顯的活化轉(zhuǎn)移。

圖4 化石溝銅礦區(qū)絹英巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素分布模式(b) (原始地幔和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)文獻(xiàn)[9])Fig.4 PM-normalized trace element patterns (a) and chondrite-normalized REEs patterns (b) for sericitolite from Hushigou Cu-ore area(normalized values after Sun et al.[9])

圖5 Isocon圖解顯示英云閃長斑巖(P)蝕變?yōu)榻佊r(S)過程的組分遷移情況[12,23]Fig.5 Plots of Isocon diagram showing migration of components in the process of alteration of tonalite porphyry into sericitolite[11,22]

一般來說, 花崗巖在低溫蝕變作用下會(huì)導(dǎo)致巖石的δ18OV-SMOW值增高, 或與低的18O的天然降水或熱液發(fā)生同位素交換導(dǎo)致δ18OV-SMOW值降低[26]。絹英巖與英云閃長斑巖具有基本一致的δ18OV-SMOW值,表明后者在蝕變過程中仍保持著相對(duì)封閉的同位素體系, 也指示了參與蝕變過程的流體(熱液)應(yīng)該是英云閃長巖漿晚期的熱液, 受外來流體影響較小,這對(duì)深入研究研究區(qū)的成礦作用及成礦物質(zhì)來源具有十分重要的指示意義。

6 結(jié) 論

蝕變的熱液主要來源于英云閃長斑巖巖漿的富Si的后期熱液, 受外來流體影響較小, 熱液上升與英云閃長斑巖發(fā)生交代作用, 英云閃長斑巖的主要造巖礦物斜長石、角閃石蝕變?yōu)榻佋颇? 原巖CaO、Na2O、TiO2、MnO 大量遷出, 后期熱液(流體)帶入大量SiO2, Y和Ho在熱液蝕變過程中未發(fā)生明顯的活化轉(zhuǎn)移。結(jié)合蝕變巖石與Cu礦化之間的密切的空間關(guān)系, 該熱液類型可能在成礦作用過程中起到十分重要的作用。

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