攀枝花鐵礦床淺色輝長巖墻的成因及其地質(zhì)意義

羅 偉，金廷福，李佑國，彭 靜，劉純波，邱 春

(1.遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006； 2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院礦業(yè)工程學院，貴州 畢節(jié) 551700；3.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 4.常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

位于峨眉山大火成巖省內(nèi)帶中段的攀枝花鐵礦床，是我國乃至世界上著名的巖漿型鐵礦床，其賦存有超過11億噸的鐵礦石[1]，是開展地幔柱演化與成礦、殼幔相互作用機理研究的天然實驗室，也成為國內(nèi)外研究的熱點。前人圍繞攀枝花鐵礦床形成的構(gòu)造背景[2-6]、成礦時代[7]、圍巖混染的作用[8-11]、與礦區(qū)外圍A型花崗巖、正長巖、粗面巖等堿性巖的關(guān)系[12-13]進行了大量研究，但對“攀枝花式鐵礦床”的成因仍然存在較大的爭議。

野外調(diào)查表明，攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)的淺色輝長巖墻為晚期貫入的，對其詳細的研究尚未見報導(dǎo)。本文在詳細野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對淺色輝長巖墻的地質(zhì)地球化學特征、主要組成礦物的組分特征進行了詳細的研究，在此基礎(chǔ)上，探討了其成因及其地質(zhì)意義，為攀枝花鐵礦床的成因研究及進一步的找礦勘查提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

位于我國西南地區(qū)，揚子板塊西緣、青藏高原東緣的峨眉山大火成巖省由峨眉山玄武巖、基性—超基性巖、花崗巖和堿性巖組成[14]，區(qū)內(nèi)產(chǎn)出有大型—超大型富釩鈦鐵礦床 (以紅格、攀枝花、太和、白馬鐵礦床為典型) 和中小型 Cu-Ni 硫化物礦床 (以力馬河、金寶山Cu-Ni硫化物礦床為典型)。

攀枝花鐵礦位于攀枝花—西昌地區(qū)中部，攀枝花市北側(cè)，距離攀枝花市直線距離約6 km。致礦侵入體 (攀枝花巖體) 為一套鎂鐵質(zhì)輝長巖侵入體，呈NE—SW向展布，長約20 km，寬約2 km，出露面積約40 km2，延深2～3 km。后期被NW向斷裂切割，由北向南分為太陽灣、朱家包包、蘭家火山、尖包包、倒馬坎等礦段[15](圖1)。

圖1 攀枝花鐵礦床地質(zhì)簡圖[16]

攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)巖漿巖類型多樣，主要有輝長巖類、角閃正長巖類、花崗巖類、巖墻類(淺色輝長巖墻)、脈巖類 (正長巖脈和花崗巖脈) 。攀枝花層狀侵入體由微晶輝長巖 (分布于巖體底部)、中細粒輝長巖 (分布于巖體中部) 和中粒輝長巖 (分布于巖體頂部) 組成。礦區(qū)內(nèi)存在似層狀和脈狀兩種類型的鐵礦體。似層狀鐵礦體中發(fā)育韻律式火成層理構(gòu)造 (圖2a)，脈狀鐵礦體既可貫入攀枝花巖體底部的圍巖中，也可貫入層狀輝長巖 (圖2b) 和似層狀鐵礦體中。

礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻主要分布在層狀輝長巖侵入體的中上部，呈巖墻狀斜切攀枝花層狀輝長巖或近直立貫入脈狀鐵礦體 (圖2b) 中，延伸一般數(shù)米至數(shù)十米，最長可達百余米，寬數(shù)厘米至數(shù)十厘米。

2 巖相學特征

淺色輝長巖墻由淺色輝長巖組成 (后文提到的淺色輝長巖無特別說明，均為此)。淺色輝長巖為灰白色，細—中粒結(jié)構(gòu)、輝長結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長石 (75%～85%) 和單斜輝石 (15%～20%) 組成，少量 Fe-Ti 氧化物 (3%～5%)、角閃石 (1%～2%) 和綠泥石 (<1%)。斜長石和單斜輝石呈半自形—自形，兩者相互穿插，呈共結(jié)關(guān)系；Fe-Ti 氧化物呈他形粒狀分布于單斜輝石、斜長石粒間；角閃石分布于 Fe-Ti 氧化物與單斜輝石、斜長石礦物之間，形成硅酸鹽礦物的反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)；綠泥石為晚期蝕變礦物(圖2c、2d)。礦物的形成先后關(guān)系：斜長石、單斜輝石→ Fe-Ti 氧化物、角閃石→綠泥石。

圖2 攀枝花鐵礦區(qū)鐵礦體、淺色輝長巖墻野外及鏡下特征

3 測試方法

采集了4件新鮮淺色輝長巖樣品送西南冶金測試中心進行主量、微量和稀土元素分析。主量元素用X射線熒光光譜儀 (XRF，儀器型號為PW4400/40)測定，檢出限為0.01%，分析精度優(yōu)于5%。稀土及微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 (ICP-MS，儀器型號為XSERIESⅡ) 測定，分析精度優(yōu)于5%。

單斜輝石和斜長石電子探針分析在中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)綜合利用研究所完成，儀器為日本島津公司生產(chǎn)的 EMPA-1720 型電子探針，儀器工作的加速電壓為25 kV，電流為20 nA，電子束斑直徑小于1 μm。

4 測試結(jié)果

4.1 全巖主量、微量元素

攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻中淺色輝長巖的主量、微量元素含量列于表1中。淺色輝長巖燒失量 (LOI) 較低 (2.52%～3.75%)，表明樣品相對較為新鮮。w(SiO2) (46.47%～50.13%)、w(Al2O3) (19.05%～26.41%)、w(CaO) (8.34%～11.91%)、w(TiO2) (0.92%～2.09%)變化小。w(MgO) (0.46%～3.21%) 變化大，且含量較低，w(FeOT) (2.92%～8.62%)較高，因此具較低的Mg#值 [Mg2+/(Mg2++Fe2+)=22.08～40.95]。w(K2O) (0.42%～1.12%)

圖3 淺色輝長巖SiO2 -(K2O+Na2O)圖解(底圖據(jù)文獻[17])

從 MgO 對主要氧化物圖解中(圖4)可以看出，從輝長巖 (采自層狀輝長巖體) →淺色輝長巖，隨著 MgO 含量的降低，TiO2、FeOT、MnO、V2O5含量線性減低，而 SiO2、Na2O、K2O、Al2O3含量線性增加。P2O5含量變化大，可能反應(yīng)了流體的作用。MgO 與 CaO 在輝長巖、淺色輝長巖中均呈負相關(guān)，但兩者不具演化關(guān)系，這是因為輝長巖中輝石含量高，相應(yīng)的其 CaO、MgO 含量較高。需要注意的是輝長巖和淺色輝長巖樣品間氧化物含量存在間斷，缺少過渡。

圖4 淺色輝長巖、輝長巖(采自層狀輝長巖體)MgO與主要氧化物Harker圖解

表1 淺色輝長巖主量氧化物和微量元素分析結(jié)果

淺色輝長巖具相似的稀土元素配分曲線，樣品球粒隕石標準化配分曲線與攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)層狀輝長巖相似(圖5a)。其稀土元素含量中等，∑REE值為 (41.73～68.0)×10-6；球粒隕石標準化稀土元素配分曲線呈輕稀土相對富集，重稀土相對虧損的右傾型 [(La/Yb)N比值7.3～14.26，圖5a]；具明顯的Eu正異常 (δEu=1.8～2.83)，反映斜長石的堆晶作用。

淺色輝長巖具相似的微量元素配分模式，樣品的原始地幔標準化配分曲線與攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)層狀輝長巖相似 (圖5b)。微量元素中 Rb、Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 具明顯的負異常，Ba、K、Sr、P 具明顯的正異常 (圖5b)。

圖5 淺色輝長巖全巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖 (a，標準化值據(jù)[19])和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖 (b，標準化值據(jù)[20])

4.2 礦物成分

4.2.1 單斜輝石

攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖中單斜輝石電子探針分析結(jié)果見表2，其端元組成為Wo42.45-43.44En40.32-42.46Fs13.86-15.64，屬普通輝石 (圖6)。與攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)層狀輝長巖和微晶輝長巖中普通輝石的組分特征一致[21]。

表2 淺色輝長巖中單斜輝石電子探針分析結(jié)果

4.2.2 斜長石

攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖中斜長石電子探針分析結(jié)果見表3，其端元組成為An52.45-52.66Ab46.28-46.30Or1.05-1.27，屬拉長石，其An值略低于攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)層狀輝長巖中斜長石An值(An值為52.5～60)[23]。

表3 淺色輝長巖中斜長石電子探針分析結(jié)果

5 巖石成因

淺色輝長巖具典型的輝長結(jié)構(gòu)，主要由斜長石 (75%～85%) 和單斜輝石 (15%～20%)組成；在侵入巖TAS分類圖解上投到了輝長巖區(qū) (圖3)；斜長石An值52.45～52.66，為基性斜長石，單斜輝石為普通輝石。以上特征表明，淺色輝長巖為典型的輝長巖。

5.1 地殼混染

Neal等[24]的研究指出未受地殼混染的地幔柱成因玄武巖，其 [Th/Ta]N、[La/Nb]N值均小于1。研究的淺色輝長巖樣品，其 [Th/Ta]N值為0.38～1.09，平均值為0.69，[La/Nb]N值為1.37～3.28，平均值為2.38，表明形成淺色輝長巖的巖漿受地殼的混染程度低。事實上，攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)鐵礦石、中細粒輝長巖 (層狀輝長巖體中采集的樣品) 的 (87Sr/86Sr)i值為0.7043～0.7054，εNd(t) 值-0.61～3.71[9-10]，表明結(jié)晶形成攀枝花輝長巖體、礦體的巖漿，其地殼混染程度也較低。攀枝花礦區(qū)內(nèi)層狀輝長巖體、礦體、淺色輝長巖地殼混染程度較低可能是巖漿沿先存巖漿通道快速上升的結(jié)果，而先存巖漿通道是玄武質(zhì)巖漿溢出地表(形成峨眉山溢流玄武巖)的過程中形成的。

5.2 分離結(jié)晶作用

淺色輝長巖 Mg#值為22～41，遠低于未分異原始巖漿的 Mg#值(60～71)[25]，表明結(jié)晶形成淺色輝長巖的巖漿經(jīng)歷了一定程度的分異。淺色輝長樣品中 (圖4)，隨著 MgO 含量的增加，TiO2、FeOT、MnO、V2O5含量線性增加，而 SiO2、Na2O、K2O、Al2O3含量線性降低，表明橄欖石、Fe-Ti 氧化物、單斜輝石的結(jié)晶分異。δEu、Sr 的正異常 (圖5) 表明斜長石的堆晶作用。高場強元素 Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 的負異常表明 Fe-Ti 氧化物的分離結(jié)晶作用，因為 Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 等高場強元素傾向于富集在 Fe-Ti 氧化物中[26]。

圖6 淺色輝長巖中單斜輝石分類與命名圖解(底圖據(jù)文獻[22])

淺色輝長巖中w(TiO2)為0.92%～2.09%，平均值為1.54%，接近洋島玄武巖中TiO2值(1.20%)[27]；其微量、稀土元素特征與洋島玄武巖類似；在 Ta/Hf - Th/Hf 圖解上 (圖7)，樣品大部分投在了地幔熱柱玄武巖區(qū)(Ⅴ區(qū))，1件樣品由于其Ta/Hf比值低，投到了陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖區(qū) (Ⅳ2)，其 [La/Nb]N值為3.28，[Th/Ta]N值為1.09，表明其可能是受到輕微地殼混染的。以上特征表明，攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻為峨眉山地幔柱的產(chǎn)物。

Zr/Y、Zr/Nb 比值是判別地幔源區(qū)類型的有效指針，富集地幔的 Zr/Y 比值通常小于18，而虧損地幔 Zr/Nb 比值通常大于18[29]。攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖的 Zr/Y 比值為1.44～5.08，平均值為3.02，Zr/Nb 比值為3.9～8.4，平均值為4.9，具富集地幔的特征。

圖7 淺色輝長巖 Ta/Hf - Th/Hf 圖解(底圖據(jù)[28])

綜上，認為攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻為富集地幔部分熔融形成的初始巖漿，在深部巖漿房內(nèi)或上侵途中經(jīng)低程度地殼混染及分離結(jié)晶作用形成的進化巖漿結(jié)晶形成的，為峨眉山地幔柱的產(chǎn)物。

6 地質(zhì)意義

Zhou等[7]的研究表明攀枝花鐵礦床形成于二疊紀末期(約260 Ma)，是峨眉山地幔柱內(nèi)高鈦玄武質(zhì)巖漿演化的產(chǎn)物。然而，對攀枝花鐵礦床形成的結(jié)束時限尚存在爭議。攀枝花礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻既可貫入層狀輝長巖體中，也可近直立貫入脈狀鐵礦體中，而脈狀鐵礦又穿插韻律式層狀輝長巖體(圖2b)、似層狀鐵礦[18]，表明淺色輝長巖墻侵位既晚于層狀輝長巖體、似層狀鐵礦體，也晚于脈狀鐵礦體[30]，因此，淺色輝長巖墻的侵位可能代表了攀枝花鐵礦區(qū)內(nèi)成礦作用的結(jié)束。

在 MgO 對主要氧化物圖解 (圖4) 中可以看出，從層狀輝長巖→淺色輝長巖，隨著MgO 含量的降低，親鐵組分 (TiO2、FeOT、MnO、V2O5) 含量線性降低，親石組分 (SiO2、Na2O、K2O、Al2O3) 含量線性增加；層狀輝長巖、淺色輝長巖具相似的稀土元素球粒隕石標準化配分型式圖、微量元素蛛網(wǎng)圖 (圖5)。以上特征表明，層狀輝長巖體和淺色輝長巖墻為同源巖漿演化的產(chǎn)物，但兩者之間存在明顯的組分間斷，表明兩者可能不是演化關(guān)系。前人的研究表明，二疊紀末期，峨眉山地幔柱活動過程中有大量深部富水流體的參與，這種富水流體的作用是形成攀西地區(qū)超大型鐵鈦氧化物礦床的關(guān)鍵[18，30]。淺色輝長巖中角閃石 (圖2c、圖2d) 也是富水巖漿結(jié)晶的結(jié)果。因此，淺色輝長巖墻可能也是深部流體與深部巖漿房內(nèi)巖漿相互作用的結(jié)果。流體的注入可能導(dǎo)致了攀西地區(qū)深部巖漿房內(nèi)玄武質(zhì)巖漿的液態(tài)不混熔，形成了富硅、貧鐵鈦組分熔體和富鐵、鈦組分熔體[18]。富鐵、鈦組分熔體由于密度大，逐漸下沉到巖漿房的底部，稍晚貫入的深部富水流體，與其相互作用，形成了富水、富鐵鈦熔體-流體流，貫入到層狀輝長巖體中，形成脈狀富鐵礦體。位于深部巖漿房上部的富硅、貧鐵鈦熔體稍晚貫入層狀輝長巖體及脈狀鐵礦體中，形成了淺色輝長巖墻。

7 結(jié)論

1)攀枝花礦區(qū)內(nèi)淺色輝長巖墻晚于層狀輝長巖體、似層狀鐵礦體、脈狀鐵礦體侵位，其侵位時間可能代表了該礦區(qū)內(nèi)成礦作用的結(jié)束。

2)淺色輝長巖墻由淺色輝長巖組成，淺色輝長巖中的單斜輝石為普通輝石，斜長石為拉長石。

3)淺色輝長巖墻為富集地幔部分熔融形成的初始巖漿，在深部巖漿房內(nèi)或上侵途中經(jīng)低程度地殼混染及分離結(jié)晶作用形成的巖漿結(jié)晶形成的，為峨眉山地幔柱的產(chǎn)物。

4)層狀輝長巖體和淺色輝長巖墻為同源巖漿演化的產(chǎn)物，淺色輝長巖墻可能為深部巖漿房內(nèi)玄武質(zhì)巖漿經(jīng)液態(tài)不混熔形成的富硅、貧鐵鈦熔體侵位形成的。