四川拉拉IOCG礦床氣成-熱液成礦期磁鐵礦地球化學(xué)特征及其成礦意義

張進(jìn)平，黃從俊

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

0 引言

磁鐵礦屬于尖晶石族，是常見的礦石礦物或副礦物，可形成于許多地質(zhì)環(huán)境，其化學(xué)成分中常含有少量或微量Co、Mg、Mn、Ni、V等元素，其性質(zhì)與Fe2+相似，常呈類質(zhì)同像置換Fe2+進(jìn)入磁鐵礦礦物晶格，不同成因磁鐵礦具有不同的元素組成特征，其變化的地球化學(xué)成分特征是一個(gè)重要的礦物成因指示劑[1-5]。對(duì)磁鐵礦進(jìn)行元素地球化學(xué)特征及成因類型方面的研究，可以為礦床的成因研究提供依據(jù)[6-7]。磁鐵礦是拉拉IOCG礦床主要的礦石礦物和Fe質(zhì)的載體之一，其成因類型是研究礦床成因的重要內(nèi)容，也是關(guān)鍵的突破口之一；氣成-熱液成礦期是拉拉IOCG礦床鐵-銅富礦石主要產(chǎn)出期；據(jù)此，本文選擇拉拉IOCG礦床中氣成-熱液成礦期磁鐵礦進(jìn)行電子探針分析，討論其元素地球化學(xué)特征及成因信息，并探討磁鐵礦結(jié)晶作用與Cu-Au硫化物成礦的聯(lián)系。

1 礦床地質(zhì)特征

拉拉Fe-Cu多金屬礦床是揚(yáng)子地塊西緣典型的鐵氧化物-銅-金(IOCG)礦床[8-11]。礦區(qū)主要出露有古元古代末期河口群綠片巖相-低角閃巖相變質(zhì)火山-沉積巖、中元古代末期會(huì)理群低綠片巖相變質(zhì)火山-沉積巖、新元古代輝綠巖和輝長(zhǎng)巖基性巖脈以及第四系(圖1)。河口群(Pt1Hk)由下至上包括長(zhǎng)沖組、落凼組和大營(yíng)山組，其中拉拉IOCG礦床賦存于落凼組中(圖2)；落凼組主要為(石榴石)黑云母片巖、黑云母鈉長(zhǎng)片巖、鈉長(zhǎng)石變粒巖、結(jié)晶大理巖、(磁鐵礦±石英)鈉長(zhǎng)石巖及鈉長(zhǎng)石角礫巖。

圖1 拉拉IOCG礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)及礦產(chǎn)分布圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.1 Regional geology and mineral distribution map of Lala IOCG mining area[11]1—第四系 2—震旦系至顯生宙 3—會(huì)理群 4—河口群長(zhǎng)沖組 5—河口群落凼組 6—河口群大營(yíng)山 7—花崗斑巖侵入體 8—輝長(zhǎng)巖侵入體 9—地質(zhì)界線 10—斷層 11—礦體 12—采礦點(diǎn)

圖2 河口群地層柱狀圖Fig.2 Histogram of the Hekou Group

拉拉銅礦自西向東分為落凼、落東和石龍3個(gè)礦區(qū)；礦區(qū)的構(gòu)造主要為EW向和SN向，EW向的F1斷層切錯(cuò)落東礦體，西端北西側(cè)為落凼礦體，東端南東側(cè)為石龍礦體，SN向的F29和F13斷層限制了F1斷層的延伸，分別構(gòu)成了礦區(qū)的東西邊界(圖1)。礦區(qū)北部有河口復(fù)式背斜南翼的軸向約NE20°的雙獅拜象背斜，其南部由一系列小型背斜和向斜組成。礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出；礦石類型有黑云母片巖型、黑云母鈉長(zhǎng)片巖型、鈉長(zhǎng)石變粒巖型、磁鐵石英鈉長(zhǎng)巖型、鈉長(zhǎng)巖型、富螢石氣液角礫巖型以及熱液脈型；礦石構(gòu)造主要為條帶狀、浸染狀、塊狀、角礫狀及脈狀。

前人研究表明，拉拉IOCG礦床經(jīng)歷了火山-沉積成礦期、變質(zhì)成礦期、氣成-熱液成礦期和熱液成礦期四期成礦作用(表1)，其中氣成-熱液成礦期(～1097 Ma～907 Ma)為礦床的主要成礦期，亦即磁鐵礦+黃銅礦富礦石主要產(chǎn)出時(shí)期，以大量輝鉬礦+螢石熱液組合出現(xiàn)為標(biāo)志，發(fā)生廣泛白云母化、鈉長(zhǎng)石化、碳酸鹽化和綠泥石化等交代蝕變作用，碳酸鹽礦物交代鈉長(zhǎng)石呈碎布狀或篩狀，早期的片理已不清晰，礦石中殘留一些早期礦物的殘片或礦石的碎塊，呈角礫狀分布[11]。

表1 拉拉IOCG礦床礦物生成順序簡(jiǎn)表[11]Table 1 The paragenetic sequence of minerals in Lala IOCG deposit[11]

2 樣品與分析方法

2.1 拉拉IOCG礦床中磁鐵礦巖相學(xué)特征

根據(jù)手標(biāo)本及顯微鏡下礦相學(xué)觀察，拉拉IOCG礦床氣成-熱液成礦期粗粒自形晶磁鐵礦[Mt(Ⅳ)]，產(chǎn)出于磁鐵石英鈉長(zhǎng)巖型富礦石中，呈稠密浸染狀分布(圖3a)，Mt(Ⅳ)呈粗粒的自形的八面體單晶或集合體產(chǎn)出，與熱液黃銅礦、輝鉬礦、石英和磷灰石共生，粒徑為0.5～6 mm，鐵黑色，半金屬光澤(圖3b)。

圖3 拉拉IOCG礦床中氣成-熱液成礦期磁鐵礦手標(biāo)本及礦相顯微照片F(xiàn)ig.3 Hand specimen and micrograph of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit(a)塊狀磁鐵石英鈉長(zhǎng)巖型黃銅礦礦石，磁鐵礦Mt(Ⅳ)呈粗大的單顆粒自形—半自形晶或集合體，黃銅礦浸染狀分布；(b)粗粒自半形晶和自形晶集合體狀磁鐵礦Mt(IV)，與石英、鈉長(zhǎng)石和黃銅礦共生。Ab—鈉長(zhǎng)石 Ccp—黃銅礦 Mt—磁鐵礦 Qz—石英

2.2 磁鐵礦電子探針分析方法

在礦相學(xué)顯微鏡下圈定光薄片中氣成-熱液成礦期磁鐵礦進(jìn)行電子探針成分分析測(cè)試。分析工作在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)綜合利用研究所電子探針實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試儀器為EPMA-1720型電子探針儀，工作條件：加速電壓15 kV，電流20 nA，束斑直徑5 μm；采用ZAF3法校正數(shù)據(jù)。分析精度為0.01%，誤差范圍小于2%。分析結(jié)果見表2。

3 分析結(jié)果

根據(jù)電子探針分析結(jié)果(表2)，可將拉拉IOCG礦床中氣成-熱液成礦期磁鐵礦的元素組成分為主要成分和次要成分兩類。磁鐵礦的主要成分為TFeO，w(TFeO)變化于91.326%～92.541%之間，平均91.883%，占總成分的99.2%。次要成分包括Al2O3、CaO、MgO、TiO2、SiO2、Ga2O3、MnO、V2O5、Cr2O3和NiO，次要成分總量占成分總和的0.008%。

表2 拉拉IOCG礦床磁鐵礦電子探針成分特征Table 2 Electron probe composition of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit

4 討論

4.1 磁鐵礦的晶體化學(xué)式

礦物的晶體化學(xué)式，除了能表示礦物化學(xué)組分的種類和數(shù)量比外，還能反映礦物中原子的結(jié)合情況，是礦物中各元素特征的直接顯示。要反映磁鐵礦的晶體化學(xué)特征，首先需對(duì)磁鐵礦晶體化學(xué)式進(jìn)行計(jì)算，但由于電子探針分析不能分辨Fe的價(jià)態(tài)，所以要計(jì)算磁鐵礦的晶體化學(xué)式，首先要計(jì)算磁鐵礦中FeO和Fe2O3的含量。

磁鐵礦化學(xué)通式為AB2O4[12]，因知其Fe3+的存在形式，故直接采用電價(jià)平衡和質(zhì)量守恒方法進(jìn)行理想化學(xué)配比法計(jì)算其中FeO和Fe2O3的含量；以磁鐵礦化學(xué)式中的陽(yáng)離子總數(shù)保持不變、陽(yáng)離子的正電荷與陰離子負(fù)電荷始終相等為基礎(chǔ)，近似地計(jì)算礦物中不同價(jià)態(tài)Fe離子的比例和各自的相對(duì)含量，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可見，磁鐵礦經(jīng)調(diào)整后的w[(FeO*)+(Fe2O3*)] 約占總量的99%，且有n(FeO*)：n(Fe2O3*)≈1∶1(n為摩爾數(shù))，表明其為典型磁鐵礦。

本文采用氧原子計(jì)算法來(lái)進(jìn)行磁鐵礦中陽(yáng)離子在單位晶胞中的數(shù)量，從而進(jìn)行磁鐵礦晶體化學(xué)式的相關(guān)計(jì)算。該方法的理論基礎(chǔ)是已知礦物成分通式，且礦物單位晶胞中所含的氧原子數(shù)是固定不變的，它不以陽(yáng)離子的類質(zhì)同像替代而改變。拉拉IOCG礦床中磁鐵礦晶體化學(xué)式計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 拉拉IOCG礦床中氣成-熱液成礦期磁鐵礦晶體化學(xué)式計(jì)算結(jié)果Table 3 Crystal chemical formula of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit

4.2 磁鐵礦的成因

氣成-熱液成礦期磁鐵礦(Ⅳ)中w(V)為319.451×10-6～879.891×10-6(平均559.039×10-6)，w(Ti)為126×10-6～2148×10-6(平均690.75×10-6)，SiO2含量低(平均0.1%)(表2)，均顯示其具有典型熱液成因磁鐵礦特征[2，13]；各成分含量與綠片巖相區(qū)域變質(zhì)礦床中熱液磁鐵礦組成相似[1](表2)。

同位素研究表明，與氣成-熱液成礦期磁鐵(Ⅳ)礦平衡的流體的δ18Ofluid值介于8.8‰～11.7‰之間[10]，與澳大利亞的Starra、Ernest Hery及Olympic Dam礦床中同階段磁鐵礦流體特征一致，可能為巖漿水來(lái)源[14-15]；而充填氣成-熱液成礦期磁鐵礦(Ⅳ)粒間空隙或交代磁鐵礦(Ⅳ)的他形黃銅礦(Ⅳ)的δ34S值變化于-3.2‰～+3.2‰之間，平均約為0.1‰，表明了巖漿硫的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)[10]；說(shuō)明Mt(Ⅳ)為巖漿熱液成因磁鐵礦。

Dupuis and Beaudoin(2011)通過(guò)對(duì)世界上不同成因類型礦床中磁鐵礦和赤鐵礦的測(cè)試總結(jié)研究，建立了針對(duì)各種類型礦床的磁鐵礦-赤鐵礦成因分類的圖解[5](圖4)，認(rèn)為該圖解能很好的區(qū)分IOCG型、矽卡巖型、斑巖型、Kiruna型、BIF型和釩鈦-鐵型礦床中磁鐵礦。將氣成-熱液成礦期磁鐵礦(Ⅳ)相應(yīng)成分投在圖4中，Mt(Ⅳ)絕大多數(shù)則投在了IOCG型磁鐵礦區(qū)域，表明其應(yīng)為巖漿/熱液成因IOCG型磁鐵礦。

圖4 磁鐵礦(Ca+Al+Mn)-(Ti+V)成因分類圖解 (底圖據(jù)文獻(xiàn)[5])Fig.4 Genesis classification diagram of (Ca+Al+Mn) -(Ti+V) of magnetite[5]

林師整(1982)根據(jù)3000多個(gè)磁鐵礦化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)建立了TiO2- Al2O3- (MgO+ MnO) 磁鐵礦成因三角圖解[3](圖5)，將磁鐵礦成因分為6種：侵入巖中副礦物型及巖漿型、火山巖型、接觸交代型、矽卡巖型和沉積變質(zhì)型；并提出自然界產(chǎn)出的磁鐵礦從內(nèi)生作用到外生作用，從巖漿階段到巖漿期后階段，總是由富Ti向相對(duì)富Mg、Mn演化，而這種規(guī)律同時(shí)也表明礦物在各種地質(zhì)作用中具有一定的發(fā)展繼承關(guān)系。將拉拉IOCG礦床中氣成-熱液成礦期磁鐵礦(Ⅳ)的相應(yīng)成分投在該圖中，可見數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎都不在既定的6種磁鐵礦成因區(qū)域內(nèi)，可見IOCG型礦床中磁鐵礦成因類型在該圖解中尚為空白，基于前述研究結(jié)論，筆者在此將圖解中Ⅶ區(qū)域定義為為巖漿-熱液成因IOCG型磁鐵礦(圖5)。

4.3 磁鐵礦結(jié)晶與Cu(Au)-Fe硫化物成礦關(guān)系

從礦物共生關(guān)系研究結(jié)果(表1、圖3)可知，在拉拉IOCG礦床中，各階段磁鐵礦的結(jié)晶開始和結(jié)束總是先于含金黃銅礦，兩者為先后生成或超覆生成關(guān)系，這是為什么呢？

5 結(jié)論

1)氣成-熱液成礦期粗粒自形晶磁鐵礦為巖漿熱液成因，為典型IOCG型磁鐵礦。

2)磁鐵礦的結(jié)晶作用所伴隨的硫酸鹽還原作用，是隨后的含Cu-Au硫化物先決條件；初始的高氧氧逸度可使大規(guī)模Cu-Au元素進(jìn)行有效的遷移聚集，是礦床形成的必要條件；降低氧化還原電位是形成拉拉IOCG礦床的最關(guān)鍵和最直接原因之一。

3)研究結(jié)果補(bǔ)充了林師整(1982)建立的磁鐵礦成因判別圖解空白部分，可作為今后磁鐵礦成因判別研究的參考。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)綜合研究所盧文全高級(jí)工程師在磁鐵礦電子探針分析方面的幫助；感謝審稿人的建設(shè)性意見和建議。