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    东天山地区多头山铁铜矿床磁铁矿化学成分及其对成矿流体演化的指示

    张维峰 陈华勇 王云峰 赵联党 陆万俭

    张维峰, 陈华勇, 王云峰, 赵联党, 陆万俭, 2018. 东天山地区多头山铁铜矿床磁铁矿化学成分及其对成矿流体演化的指示. 地球科学, 43(9): 2987-3000. doi: 10.3799/dqkx.2018.232
    引用本文: 张维峰, 陈华勇, 王云峰, 赵联党, 陆万俭, 2018. 东天山地区多头山铁铜矿床磁铁矿化学成分及其对成矿流体演化的指示. 地球科学, 43(9): 2987-3000. doi: 10.3799/dqkx.2018.232
    Zhang Weifeng, Chen Huayong, Wang Yunfeng, Zhao Liandang, Lu Wanjian, 2018. Mineral Chemistry of Magnetite from the Duotoushan Deposit in the Eastern Tianshan: Constraints on the Evolution of Ore-Forming Fluids. Earth Science, 43(9): 2987-3000. doi: 10.3799/dqkx.2018.232
    Citation: Zhang Weifeng, Chen Huayong, Wang Yunfeng, Zhao Liandang, Lu Wanjian, 2018. Mineral Chemistry of Magnetite from the Duotoushan Deposit in the Eastern Tianshan: Constraints on the Evolution of Ore-Forming Fluids. Earth Science, 43(9): 2987-3000. doi: 10.3799/dqkx.2018.232

    东天山地区多头山铁铜矿床磁铁矿化学成分及其对成矿流体演化的指示

    doi: 10.3799/dqkx.2018.232
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 41702099

    国家自然科学基金项目 41572059

    国家重点基础研究计划(973计划)项目 2014CB440802

    详细信息
      作者简介:

      张维峰(1985-), 男, 助理研究员, 主要从事岩石、矿物、矿床学方面的研究

      通讯作者: 陈华勇
    • 中图分类号: P611

    Mineral Chemistry of Magnetite from the Duotoushan Deposit in the Eastern Tianshan: Constraints on the Evolution of Ore-Forming Fluids

    • 摘要: 多头山矿床位于阿齐山-雅满苏成矿带西段,是东天山地区海相火山岩型铁铜矿床的代表,但目前缺乏对其矿石矿物的直接研究.磁铁矿是一种常见的矿石矿物,其化学成分可以用于指示成矿演化过程.在详细划分磁铁矿形成期次的基础上,对东天山地区的多头山矿床展开磁铁矿化学成分研究.结果表明按照磁铁矿的生成顺序和共生矿物组合的不同,多头山铁铜矿床中的磁铁矿从早期到晚期可以划分为M1a、M1b和M2型.其中,M1a型磁铁矿为粒状结构,与绿帘石-角闪石-黄铁矿共生;M1b型磁铁矿也为粒状结构,与石英-绿帘石-角闪石-黄铁矿共生;M2型磁铁矿则呈长条状产出,与角闪石共生.这3类磁铁矿都有较低含量的Ti(84×10-6~1 117×10-6)、Al(417×10-6~5 273×10-6)和高场强元素,属于热液型磁铁矿.与M2型磁铁矿相比,前两类磁铁矿具有较高含量的Si、Ca、Al和Mn,可能受到微细包体的影响.从M1a型到M2型磁铁矿,Ti含量呈现逐渐降低的趋势,可能与结晶温度逐渐降低有关;V和Cr含量表现出先升高后降低的变化规律,暗示成矿流体的氧逸度先降低后升高.综合考虑区域地质特征及M2型磁铁矿更加富Mg,表明有一定比例的海水参与到多头山矿床中磁铁矿形成的晚期阶段.
    • 图 1  东天山地质简图

      Figure 1.  Geologic sketch of eastern Tianshan

      Mao et al.(2005)修编

      图 2  多头山矿区地质图

      Figure 2.  Geologic sketch of the Duotoushan Fe-Cu deposit

      图 3  多头山矿床矿物生产顺序表

      Figure 3.  Mineral paragenesis for the Duotoushan deposit

      Zhang et al.(2017)修编

      图 4  磁铁矿手标本及镜下照片

      Figure 4.  Hand specimens and microscopic photos of the magnetite

      Am.角闪石;Ep.绿帘石;Grt.石榴石;Mt.磁铁矿;Py.黄铁矿;Qz.石英

      图 5  多头山矿床磁铁矿成分箱线图

      Figure 5.  Box and whisker plots for magnetite chemistry from the Duotoushan deposit

      图 6  多头山矿床的磁铁矿V-Cr图解

      Figure 6.  The V vs. Cr diagram of magnetite from the Duotoushan deposit

      图 7  磁铁矿成因判别图解

      Figure 7.  Genetic classification diagram of magnetite

      Dare et al.(2014)

      图 8  多头山矿床磁铁矿LA-ICP-MS分析信号

      Figure 8.  LA-ICP-MS analytical signals of the magnetite from the Duotoushan deposit

      图a为M1a型;图b为M1b型;图c为M2

      图 9  多头山矿床磁铁矿的(Ti+V)-(Al+Mn)图解

      Figure 9.  The (Al+Mn) vs. (Ti+V) diagram of magnetite from the Duotoushan deposit

      Nadoll et al.(2014)

      图 10  多头山矿床磁铁矿中V和Cr含量随温度的变化趋势

      Figure 10.  Vanadium and Cr distribution with temperature in magnetite from the Duotoushan deposit showing the oxygen fugacity changes in the ore-forming fluid

      表 1  多头山矿床磁铁矿微量元素成分特征

      Table 1.  Representative trace element compositions of magnetite from the Duotoushan deposit

      类型/样品 共生矿物 Si Ca Al Mg Ti Mn V Cr Co Ni Zn Ga Ge As Rb Sr Y Zr Nb Ba Th U Ni/Cr Ti+V Al+Mn
      M1aDT-009 绿帘石-角闪石-黄铁矿 15 626 5 591 4 579 1 382 1 011 1 633 59.8 22.2 5.11 21.1 152 6.95 3.32 16.5 0.87 5.98 1.39 1.66 0.58 3.16 0.17 0.20 0.95 0.11 0.62
      17 160 6 852 5 273 1 140 855 1 760 45.9 6.31 5.49 24.2 57.1 8.47 2.90 34.9 1.46 8.12 2.26 0.59 1.33 5.89 0.35 0.38 3.84 0.09 0.70
      13 383 4 815 2 873 836 685 1 586 49.7 5.11 5.11 18.2 137 5.54 3.14 23.5 1.02 10.0 2.29 8.56 1.16 4.71 0.84 0.91 3.56 0.07 0.45
      11 645 4 625 3 894 1 121 556 1 474 37.4 2.20 11.7 5.63 137 6.31 0.73 8.50 0.77 5.06 0.40 2.57 0.27 3.73 0.41 0.36 2.56 0.06 0.54
      14 111 5 578 4 439 1 120 823 1 748 41.5 12.0 3.60 13.4 70.8 9.43 3.08 39.1 1.23 6.98 1.32 0.53 0.98 5.03 0.32 0.34 1.11 0.09 0.62
      9 724 2 985 2 566 689 425 1 077 46.1 2.94 8.30 7.07 38.2 5.64 2.01 3.27 0.44 3.17 0.07 0.05 0.11 1.32 0.01 0.06 2.40 0.05 0.36
      9 060 3 031 1 788 928 219 1 070 49.9 26.7 4.76 12.5 80.1 3.94 2.76 1.95 0.32 3.41 0.84 3.58 0.20 1.98 0.20 0.22 0.47 0.03 0.29
      M1bDT-018 绿帘石-角闪石-黄铁矿-石英 19 873 6 740 5 266 1 196 1 117 1 828 91.3 80.4 7.93 8.40 91.2 12.4 4.14 18.1 1.77 11.3 1.73 3.32 0.69 9.77 0.32 3.92 0.10 0.12 0.71
      6 096 1 198 1 116 281 221 845 59.3 52.6 5.88 11.8 49.9 2.82 2.96 1.31 0.26 2.41 0.20 1.96 0.03 0.79 0.13 0.13 0.22 0.03 0.20
      5 775 2 148 1 629 314 157 838 58.7 161 5.28 13.5 62.1 2.83 2.83 0.71 0.18 1.32 0.09 0.06 0.01 0.87 0.05 0.13 0.08 0.02 0.25
      18 918 16 841 5 039 662 557 1483 72.7 208 5.32 9.45 108 5.98 4.44 3.09 0.65 4.64 3.27 7.93 0.30 2.71 1.13 2.12 0.05 0.06 0.65
      15 785 9 164 4 271 820 624 1 354 71.0 114 5.90 8.24 125 5.79 4.46 2.73 0.50 4.63 1.03 0.31 0.12 3.07 0.06 0.05 0.07 0.07 0.56
      12 450 3 848 3 886 809 690 1 654 73.1 76.0 5.50 7.58 81.2 9.11 4.39 5.04 1.08 5.14 0.53 0.24 0.12 3.80 0.09 0.10 0.10 0.08 0.55
      14 065 7 558 3 487 834 477 1 220 70.7 56.5 6.01 8.79 85.5 6.04 4.14 2.85 0.27 3.95 1.72 0.24 0.16 1.15 0.08 0.09 0.16 0.05 0.47
      8 745 2 728 1 486 491 281 1 031 66.1 53.5 5.14 10.2 73.5 4.01 6.70 1.19 0.81 5.02 0.47 0.13 0.00 1.36 0.08 0.09 0.19 0.03 0.25
      M2DT-034 角闪石 3 454 3 511 527 655 178 848 36.8 1.44 9.94 20.4 33.5 3.28 3.39 11.9 0.44 5.01 2.04 0.21 0.59 3.03 2.90 2.90 14.2 0.02 0.14
      3 058 367 1 013 1 597 84 760 38.1 2.88 9.99 19.4 34.3 3.58 1.87 9.34 0.38 1.24 0.60 0.35 0.63 2.76 2.18 2.15 6.76 0.01 0.18
      3 035 803 391 528 143 797 37.8 4.11 9.57 21.7 32.2 3.59 3.97 11.2 0.38 2.78 2.09 0.17 0.61 3.19 3.32 3.23 5.27 0.02 0.12
      5 998 703 1 879 2 833 101 847 35.6 7.82 10.9 17.4 51.5 3.26 3.88 13.8 0.57 2.45 1.20 0.54 0.50 3.91 2.77 2.82 2.23 0.01 0.27
      3 395 451 1 019 1 351 106 767 35.7 1.07 9.72 19.3 47.7 3.51 4.59 15.5 0.47 1.73 0.95 0.36 0.49 2.59 2.90 2.88 17.9 0.01 0.18
      4 357 1 522 699 757 148 765 33.4 2.02 8.87 21.4 48.4 4.14 6.00 12.4 0.74 3.34 2.10 0.54 0.60 3.58 2.87 2.84 10.6 0.02 0.15
      2 876 564 660 700 157 797 34.3 2.82 9.56 19.6 47.0 4.01 5.01 13.1 0.58 2.88 1.85 0.33 0.42 2.55 2.47 2.49 6.94 0.02 0.15
      4 607 2 674 817 1 088 113 773 34.3 4.02 9.24 20.0 61.6 3.71 3.30 12.2 0.46 2.89 1.99 1.95 0.46 3.64 1.90 1.99 4.98 0.01 0.16
      2 571 389 471 578 125 730 33.5 1.86 10.4 19.0 32.0 3.28 4.40 9.53 0.32 1.55 1.10 0.27 0.49 2.32 2.48 2.32 10.3 0.02 0.12
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-04-10
    • 刊出日期:  2018-09-01

    东天山地区多头山铁铜矿床磁铁矿化学成分及其对成矿流体演化的指示

      通讯作者: 陈华勇, huayongchen@gig.ac.cn
      作者简介: 张维峰(1985-), 男, 助理研究员, 主要从事岩石、矿物、矿床学方面的研究
    • 1. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北武汉 430205
    • 2. 中国地质调查局花岗岩成岩成矿地质研究中心, 湖北武汉 430205
    • 3. 中国科学院广州地球化学研究所, 广东广州 510640
    基金项目:  国家自然科学基金项目 41702099国家自然科学基金项目 41572059国家重点基础研究计划(973计划)项目 2014CB440802

    摘要: 多头山矿床位于阿齐山-雅满苏成矿带西段,是东天山地区海相火山岩型铁铜矿床的代表,但目前缺乏对其矿石矿物的直接研究.磁铁矿是一种常见的矿石矿物,其化学成分可以用于指示成矿演化过程.在详细划分磁铁矿形成期次的基础上,对东天山地区的多头山矿床展开磁铁矿化学成分研究.结果表明按照磁铁矿的生成顺序和共生矿物组合的不同,多头山铁铜矿床中的磁铁矿从早期到晚期可以划分为M1a、M1b和M2型.其中,M1a型磁铁矿为粒状结构,与绿帘石-角闪石-黄铁矿共生;M1b型磁铁矿也为粒状结构,与石英-绿帘石-角闪石-黄铁矿共生;M2型磁铁矿则呈长条状产出,与角闪石共生.这3类磁铁矿都有较低含量的Ti(84×10-6~1 117×10-6)、Al(417×10-6~5 273×10-6)和高场强元素,属于热液型磁铁矿.与M2型磁铁矿相比,前两类磁铁矿具有较高含量的Si、Ca、Al和Mn,可能受到微细包体的影响.从M1a型到M2型磁铁矿,Ti含量呈现逐渐降低的趋势,可能与结晶温度逐渐降低有关;V和Cr含量表现出先升高后降低的变化规律,暗示成矿流体的氧逸度先降低后升高.综合考虑区域地质特征及M2型磁铁矿更加富Mg,表明有一定比例的海水参与到多头山矿床中磁铁矿形成的晚期阶段.

    English Abstract

    • 磁铁矿属于尖晶石族矿物,其分子式为XY2O4,其中X位置可以被Fe、Mg、Co、Ni、Zn、Mn等二价阳离子占据,而Y位置的Fe3+则容易被Al、Ti、Cr、V、Mn、Ga等元素替代(Lindsley, 1976; Wechsler et al., 1984).作为重要的成岩成矿矿物之一,磁铁矿既可以形成于基性-酸性岩浆岩、沉积岩及变质岩的成岩过程中,也可以形成于矽卡岩型、IOCG型、海相火山岩型、斑岩型等矿床的流体交代作用下(Dupuis and Beaudoin, 2011; Nadoll et al., 2014).近年来,基于大量的磁铁矿化学成分数据,一些具有指示性的物理化学特征被发现,如:岩浆磁铁矿常含有较高Ti含量,而热液磁铁矿富Si、Mg且贫高场强元素(Dupuis and Beaudoin, 2011);热液磁铁矿中V的含量随流体氧逸度的升高而降低(Acosta-Góngora et al., 2014);铁铜复合矿床比单一铁矿床中的磁铁矿具有更高含量的Zn(Huang et al., 2014);(Ni+Cr)-(Si+Mg)判别图解可以用来区分Cu-Ni硫化物矿床中的原生和次生磁铁矿(Boutroy et al., 2014);斑岩Cu-Mo成矿系统中,致矿岩体的磁铁矿与非致矿岩体的磁铁矿相比具有高含量的Pt和Pd(Berzina, 2012).这些发现被逐渐运用到成岩作用研究、矿床成因机制解剖和勘查应用中(Knipping et al., 2015; Sun et al., 2017; 石煜等,2017; Ward et al., 2018).

      东天山地区的阿齐山-雅满苏成矿带以发育海相火山岩型铁矿为特色,已探明的矿床产地多达48处,包括阿齐山、红云滩、百灵山、黑峰山、双峰山和雅满苏等大中型单一铁矿床,以及多头山、黑尖山和沙泉子等铁铜复合型矿床(Mao et al., 2005; Han et al., 2014; 张招崇等, 2016).这类矿床的矿体均顺层产于海相中性火山碎屑岩地层中,被我国学者称为海相火山岩型铁矿,这一术语并无太大成因意义,也很少被国外学者提及(张招崇等, 2016).由于该类型矿床普遍发育强烈的矽卡岩化,然而矿体及蚀变带又与岩体缺乏直接的空间接触关系(Mao et al., 2005; Han et al., 2014),近期研究表明外来的盆地卤水可能是导致铜矿化的关键控制因素(Chen et al., 2018),因此该类型矿床的成因机制仍然存在广泛的争议.多头山矿床位于阿齐山-雅满苏成矿带西段,是海相火山岩型铁铜复合型矿床的典型代表.近几年,笔者通过矿物氧同位素温度计限定的多头山矿床磁铁矿阶段的成矿温度为520~400 ℃,H-O同位素结果表明,初始的成矿流体属于岩浆水(Zhang et al., 2017).然而,由于缺乏矿物化学成分方面的精细研究,其成矿演化过程中流体的性质,如氧逸度等变化规律等仍未查明.磁铁矿作为多头山矿床最重要的矿石矿物之一,是分析与探讨热液演化过程中物理化学条件变化最直接的载体.因此,本文拟对磁铁矿阶段不同类型的磁铁矿进行较为系统的主微量元素成分研究,以期查明成矿演化过程中磁铁矿阶段成矿流体物化性质的变化规律.除此之外,本文还从矿物学的角度对成矿流体性质与来源进行了探讨,以期对多头山及其所代表的东天山铁铜矿床成因机制提出进一步的认识.

      • 东天山作为中亚造山带的重要组成部分,位于塔里木板块与准噶尔板块之间(Zhu et al., 2016),是我国一个重要的Cu、Ni、Fe、Au、Mo、Pb、Zn、Ag矿集区(Mao et al., 2005; Han et al., 2014; 张招崇等, 2016).根据出露地层特征和构造接触关系等证据,东天山地区可以进一步划分为4个次级构造单元,自北向南分别为:大南湖-头苏泉岛弧带、康古尔剪切带、阿齐山-雅满苏成矿带及中天山地块(Şengör et al., 1993; Xiao et al., 2004; Windley et al., 2007; Xiao et al., 2008, 2009, 2013).这4个次级构造单元均呈近东西向展布,分别以康古尔、雅满苏和阿奇克库都克深大断裂为分界线(图 1).

        图  1  东天山地质简图

        Figure 1.  Geologic sketch of eastern Tianshan

        阿齐山-雅满苏成矿带的地层主要包括早石炭统雅满苏组和晚石炭统土古土布拉克组(Mao et al., 2005).其中,雅满苏组岩性主要为海相的玄武岩-安山岩-流纹岩系列、火山碎屑岩夹少量生物碎屑灰岩(张雷, 2008; 张雄华等, 2012).锆石U-Pb年代学显示其形成年龄介于348~334 Ma(罗婷等, 2012; Luo et al., 2016).土古土布拉克组与雅满苏组呈平行不整合接触关系,其岩石组合根据空间位置的不同而有所差异.具体表现为:位于成矿带西段阿齐山地区的岩性主要为陆相的基性-酸性火山熔岩、火山碎屑岩,而位于中部路白山-夹白山地区的岩性除了含有陆相火山岩类以外,还夹有少量海相的灰岩和砂岩(张雷, 2008; 张雄华等, 2012).已有的研究表明,土古土布拉克组形成年龄为326~319 Ma(Luo et al., 2016; Zhang et al., 2016).该带岩浆活动发育,包括广泛出露的晚石炭世岛弧性质的花岗岩类(吴昌志等, 2006; 周涛发等, 2010; Zhang et al., 2016)、以及少量二叠纪同碰撞性质的花岗岩类和侏罗纪埃达克岩(雷如雄等, 2013; 张维峰等, 2017).此外,该带还是东天山地区重要的海相火山岩型铁矿成矿带,分布有红云滩、百灵山、多头山、雅满苏和沙泉子等矿床(Hou et al., 2014; 张增杰等, 2015; Jiang et al., 2016; Zhang et al., 2017).

      • 多头山铁铜矿床位于阿齐山-雅满苏成矿带鄯善县SE方向约165 km处,与百灵山铁矿相距约20 km(贾国章和赵德怀, 2017).矿区出露的地层主要为晚石炭统土古土布拉克组的安山质凝灰岩、英安质凝灰岩、安山质角砾凝灰岩、安山质凝灰熔岩、含生物碎屑安山质凝灰熔岩,少量中-下侏罗统泥砂岩以及第四系等.局部可见安山质凝灰岩因为花岗斑岩的侵位而发生钠化作用.除此之外,矿区内还发育有少量的玄武岩、霏细岩和流纹岩.侵入岩在矿区东部、南西部和北西部较为发育, 主要为花岗斑岩、钾长花岗岩、黑云母花岗岩、角闪石花岗岩、花岗闪长岩以及少量的闪长岩、辉长岩、基性岩脉和煌斑岩(图 2).已获得的锆石U-Pb年代学结果显示:钾长花岗岩、角闪石花岗岩及花岗斑岩的形成年龄分别为271.7±5.5 Ma(周涛发等, 2010)、318.3±3.0 Ma和316.3±8.1 Ma(张维峰等, 2017).矿区内的断裂可划分为3组,包括近东西向的F1、F5、F6和F7,北东向的F2、F8和F10以及北西向的F3、F4和F9(图 2).

        图  2  多头山矿区地质图

        Figure 2.  Geologic sketch of the Duotoushan Fe-Cu deposit

        多头山矿床的矿体赋存于土古土布拉克组安山质凝灰岩中,与地层产状一致,倾向为225°、倾角为40°.现有的工程已揭露出7个矿体,长为50~248 m,宽为4~70 m,厚为3~7 m.矿石的全铁品位为45%~53%,并伴随有一定经济价值的Cu,局部品位可达0.7%~1.0%.由于受到表生氧化作用的影响,铜矿石发育强烈的孔雀石化.虽然矿床储量不详,但按照新疆地矿局的资料,该矿床应属于中型矿床.矿石主要有浸染状及块状构造,金属矿物主要包括磁铁矿、黄铜矿和少量的黄铁矿、赤铁矿等,非金属矿物主要有钠长石、石榴石、辉石、角闪石、绿帘石、石英、榍石、绿泥石、方解石等.已有的钻孔资料显示,多头山矿床的矿体和蚀变带与岩体并不存在直接的空间接触关系(Zhang et al., 2017).

        根据蚀变分带特征,结合详细的矿物共生组合、蚀变交代-穿插关系以及氧同位素温度计获得的矿物沉淀温度,多头山矿床从早到晚可以分为钠-钙化蚀变、石榴石-辉石蚀变、磁铁矿阶段、硫化物阶段、晚期热液脉及表生期(Zhang et al., 2017; 图 3).其中,磁铁矿阶段的主要矿物组合包含3种类型,绿帘石-角闪石-粒状磁铁矿(M1a型)、石英-绿帘石-角闪石-粒状磁铁矿(M1b型)以及角闪石-长条状磁铁矿(M2型).共生矿物氧同位素温度计结果显示,绿帘石-角闪石-粒状磁铁矿矿物组合形成温度约为510 ℃;石英-绿帘石-角闪石-磁铁矿矿物组合形成温度约为445~400 ℃(Zhang et al., 2017).值得一提的是,来自同一样品中的绿帘石、磁铁矿、石英构成的3对同位素温度计得出的温度分别为443 ℃、444 ℃、445 ℃,并且矿物之间的接触关系平直,表明它们近于同时沉淀(Zhang et al., 2017).钻孔蚀变分带特征表明:上述两种蚀变矿物组合在垂向上呈渐变过渡关系.而对于角闪石-长条状磁铁矿,可见其呈不规则脉体切穿M1a型磁铁矿.另一方面,虽然笔者没能够厘定M2型磁铁矿矿物组合的结晶温度及其与M1b型磁铁矿的直接交代切割关系,但综合考虑M2型磁铁矿形态的特殊性,并且晚于M1a型磁铁矿形成以及M1a与M1b型磁铁呈渐变接触关系等,笔者认为M2型磁铁矿结晶顺序可能也晚于M1b型磁铁矿,即3类磁铁矿的沉淀先后顺序可能依次为:M1a→M1b→M2型.

        图  3  多头山矿床矿物生产顺序表

        Figure 3.  Mineral paragenesis for the Duotoushan deposit

      • 根据矿物生成顺序表,笔者选取3种具代表性的磁铁矿样品(各1个)展开化学成分分析.样品的岩相学描述如下:M1a型磁铁矿呈粒状结构,与绿帘石-角闪石和少量黄铁矿共生(图 4a, 4b);M1b型磁铁矿也为粒状结构,与石英-绿帘石-角闪石和少量黄铁矿共生(图 4c, 4d);M2型磁铁矿为长条状结构,其共生矿物为角闪石,该样品中局部还可见少量交代残余的石榴石(图 4e, 4f).

        图  4  磁铁矿手标本及镜下照片

        Figure 4.  Hand specimens and microscopic photos of the magnetite

      • 磁铁矿的主量元素成分分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室的JEOL JXA-8100型电子探针仪完成,具体的工作条件如下:加速电压15 kV,探针电流20 nA,束斑直径1 μm,采用ZAF修正法进行数据校正.实验中采用美国SPI公司的标样,主要为:含钛角闪石(Ti)、磷灰石(Ca, F)、磁铁矿(Fe)、蔷薇辉石(Mn)、镁铝榴石(Mg).绝大部分元素的分析精度优于1%~2%(Huang et al., 2007).

        磁铁矿的原位微量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所由LA-ICP-MS测试完成,采用Resolution M50-HR 193 nm激光和Agilent 7500a型ICP-MS的联机系统.实验中采用氦气作为剥蚀物质的载气、氩气作为补偿气以调节灵敏度,使用NIST612和NIST610作为外标,KL2-G和ML3B-G中的57Fe作为内标进行数据校正.激光斑束直径采用32 μm,最大激光能量为90 mJ,频率为5 Hz.绝大部分元素的分析精度优于0.1×10-6.详细的分析方法见涂湘林等(2011).实验数据采用ICP-MS DataCal 7.2软件来进行校正处理(Liu et al., 2008).

      • 电子探针结果显示:M1a型磁铁矿FeOT、TiO2、Al2O3、Cr2O3和MnO含量分别变化于88.11%~89.97%、0.08%~0.11%、0.46%~0.78%、0.02%~0.05%和0.10%~0.18%之间;M1b型磁铁矿的FeOT、TiO2、Al2O3、Cr2O3和MnO含量分别介于88.95%~89.92%、0.11%~0.18%、0.62%~1.11%、0.03%~0.08%和0.19%~0.24%;M2型磁铁矿的FeOT、TiO2、Al2O3、Cr2O3和MnO含量则为93.38%~93.78%、0%~0.02%、0.03%~0.06%、0%~0.03%、0.07%~0.15%.

        LA-ICP-MS数据结果表明,M1a和M1b型磁铁矿具有相似的Mg、Al、Ca、Mn、Co、Ni、Zn(图 5)以及Si含量(表 1).其中,这两类磁铁矿的Al、Ca、Mn、Zn、Si含量高于M2型磁铁矿,而Co和Ni含量略低于M2型磁铁矿.总体上,从M1a到M2型磁铁矿,变价元素V和Cr含量呈现出先升高后降低的趋势,而Ti元素则表现为逐渐降低的趋势.值得一提的是,3种类型磁铁矿的V和Cr含量都呈现出良好的线性关系(图 6).详细的分析测试结果见表 1,其他低于检出限的元素含量未在该表列出.需要指出的是,LA-ICP-MS测试获得的M1a和M1b型磁铁矿的Al元素含量与电子探针数据比较接近,而3类磁铁矿的Ti、Cr、Mn含量以及M2型磁铁矿的Al含量均与电子探针数据相差较大.导致两种测试结果具有较大差异的原因可能与上述元素含量过低、电子探针无法准确检出有关.因此,本文不对EPMA数据进行过多的探讨.

        图  5  多头山矿床磁铁矿成分箱线图

        Figure 5.  Box and whisker plots for magnetite chemistry from the Duotoushan deposit

        类型/样品 共生矿物 Si Ca Al Mg Ti Mn V Cr Co Ni Zn Ga Ge As Rb Sr Y Zr Nb Ba Th U Ni/Cr Ti+V Al+Mn
        M1aDT-009 绿帘石-角闪石-黄铁矿 15 626 5 591 4 579 1 382 1 011 1 633 59.8 22.2 5.11 21.1 152 6.95 3.32 16.5 0.87 5.98 1.39 1.66 0.58 3.16 0.17 0.20 0.95 0.11 0.62
        17 160 6 852 5 273 1 140 855 1 760 45.9 6.31 5.49 24.2 57.1 8.47 2.90 34.9 1.46 8.12 2.26 0.59 1.33 5.89 0.35 0.38 3.84 0.09 0.70
        13 383 4 815 2 873 836 685 1 586 49.7 5.11 5.11 18.2 137 5.54 3.14 23.5 1.02 10.0 2.29 8.56 1.16 4.71 0.84 0.91 3.56 0.07 0.45
        11 645 4 625 3 894 1 121 556 1 474 37.4 2.20 11.7 5.63 137 6.31 0.73 8.50 0.77 5.06 0.40 2.57 0.27 3.73 0.41 0.36 2.56 0.06 0.54
        14 111 5 578 4 439 1 120 823 1 748 41.5 12.0 3.60 13.4 70.8 9.43 3.08 39.1 1.23 6.98 1.32 0.53 0.98 5.03 0.32 0.34 1.11 0.09 0.62
        9 724 2 985 2 566 689 425 1 077 46.1 2.94 8.30 7.07 38.2 5.64 2.01 3.27 0.44 3.17 0.07 0.05 0.11 1.32 0.01 0.06 2.40 0.05 0.36
        9 060 3 031 1 788 928 219 1 070 49.9 26.7 4.76 12.5 80.1 3.94 2.76 1.95 0.32 3.41 0.84 3.58 0.20 1.98 0.20 0.22 0.47 0.03 0.29
        M1bDT-018 绿帘石-角闪石-黄铁矿-石英 19 873 6 740 5 266 1 196 1 117 1 828 91.3 80.4 7.93 8.40 91.2 12.4 4.14 18.1 1.77 11.3 1.73 3.32 0.69 9.77 0.32 3.92 0.10 0.12 0.71
        6 096 1 198 1 116 281 221 845 59.3 52.6 5.88 11.8 49.9 2.82 2.96 1.31 0.26 2.41 0.20 1.96 0.03 0.79 0.13 0.13 0.22 0.03 0.20
        5 775 2 148 1 629 314 157 838 58.7 161 5.28 13.5 62.1 2.83 2.83 0.71 0.18 1.32 0.09 0.06 0.01 0.87 0.05 0.13 0.08 0.02 0.25
        18 918 16 841 5 039 662 557 1483 72.7 208 5.32 9.45 108 5.98 4.44 3.09 0.65 4.64 3.27 7.93 0.30 2.71 1.13 2.12 0.05 0.06 0.65
        15 785 9 164 4 271 820 624 1 354 71.0 114 5.90 8.24 125 5.79 4.46 2.73 0.50 4.63 1.03 0.31 0.12 3.07 0.06 0.05 0.07 0.07 0.56
        12 450 3 848 3 886 809 690 1 654 73.1 76.0 5.50 7.58 81.2 9.11 4.39 5.04 1.08 5.14 0.53 0.24 0.12 3.80 0.09 0.10 0.10 0.08 0.55
        14 065 7 558 3 487 834 477 1 220 70.7 56.5 6.01 8.79 85.5 6.04 4.14 2.85 0.27 3.95 1.72 0.24 0.16 1.15 0.08 0.09 0.16 0.05 0.47
        8 745 2 728 1 486 491 281 1 031 66.1 53.5 5.14 10.2 73.5 4.01 6.70 1.19 0.81 5.02 0.47 0.13 0.00 1.36 0.08 0.09 0.19 0.03 0.25
        M2DT-034 角闪石 3 454 3 511 527 655 178 848 36.8 1.44 9.94 20.4 33.5 3.28 3.39 11.9 0.44 5.01 2.04 0.21 0.59 3.03 2.90 2.90 14.2 0.02 0.14
        3 058 367 1 013 1 597 84 760 38.1 2.88 9.99 19.4 34.3 3.58 1.87 9.34 0.38 1.24 0.60 0.35 0.63 2.76 2.18 2.15 6.76 0.01 0.18
        3 035 803 391 528 143 797 37.8 4.11 9.57 21.7 32.2 3.59 3.97 11.2 0.38 2.78 2.09 0.17 0.61 3.19 3.32 3.23 5.27 0.02 0.12
        5 998 703 1 879 2 833 101 847 35.6 7.82 10.9 17.4 51.5 3.26 3.88 13.8 0.57 2.45 1.20 0.54 0.50 3.91 2.77 2.82 2.23 0.01 0.27
        3 395 451 1 019 1 351 106 767 35.7 1.07 9.72 19.3 47.7 3.51 4.59 15.5 0.47 1.73 0.95 0.36 0.49 2.59 2.90 2.88 17.9 0.01 0.18
        4 357 1 522 699 757 148 765 33.4 2.02 8.87 21.4 48.4 4.14 6.00 12.4 0.74 3.34 2.10 0.54 0.60 3.58 2.87 2.84 10.6 0.02 0.15
        2 876 564 660 700 157 797 34.3 2.82 9.56 19.6 47.0 4.01 5.01 13.1 0.58 2.88 1.85 0.33 0.42 2.55 2.47 2.49 6.94 0.02 0.15
        4 607 2 674 817 1 088 113 773 34.3 4.02 9.24 20.0 61.6 3.71 3.30 12.2 0.46 2.89 1.99 1.95 0.46 3.64 1.90 1.99 4.98 0.01 0.16
        2 571 389 471 578 125 730 33.5 1.86 10.4 19.0 32.0 3.28 4.40 9.53 0.32 1.55 1.10 0.27 0.49 2.32 2.48 2.32 10.3 0.02 0.12

        表 1  多头山矿床磁铁矿微量元素成分特征

        Table 1.  Representative trace element compositions of magnetite from the Duotoushan deposit

        图  6  多头山矿床的磁铁矿V-Cr图解

        Figure 6.  The V vs. Cr diagram of magnetite from the Duotoushan deposit

      • 磁铁矿是各类地质单元中常见的矿物,既可以是岩浆结晶的产物,也可以沉淀于热液活动中(Dupuis and Beaudoin, 2011; Nadoll et al., 2014).岩相学观察结果表明,用于成分分析的多头山矿床磁铁矿样品均与热液矿物绿帘石、角闪石等共生,有别于岩浆磁铁矿所具有的矿物组合特征,应属于典型的热液型磁铁矿.除了岩相学的证据以外,多头山矿床的磁铁矿也与前人总结的热液磁铁矿的化学成分特征一致.

        一般说来,与岩浆磁铁矿相比,热液磁铁矿普遍具有较低含量的Ti(小于20 000×10-6)、Al(小于10 000×10-6)及高场强元素Zr、Hf、Nb、Ta、Sc等(Dare et al., 2014; Nadoll et al., 2014).多头山矿床3种类型的磁铁矿样品Ti和Al元素含量分别介于80×10-6~1 200×10-6和390×10-6~5 300×10-6,亏损Nb、Ta、Zr、Hf(表 1),与热液磁铁矿的特征一致.通过对岩浆磁铁矿和热液磁铁矿的对比研究,Dare et al.(2014)指出,在硅酸盐熔体成岩过程中,Ni和Cr的地球化学行为是耦合的,并且其结晶出的磁铁矿Ni/Cr比值≤1;而在热液活动中两者的地球化学行为相互解耦,Ni的溶解度远高于Cr,因而流体中形成的磁铁矿Ni/Cr比值常常≥1.在图 7上,M1a和M2型磁铁矿均落入热液磁铁矿范围内.而对于M1b型磁铁矿,其落入岩浆磁铁矿区域,可能与这些磁铁矿具有较高的Cr含量有关(图 5表 1).考虑到Cr为变价元素,很容易受到氧逸度的影响(详情见第4.3.1节),笔者认为其仍为热液成因.

        图  7  磁铁矿成因判别图解

        Figure 7.  Genetic classification diagram of magnetite

      • 大量的研究实例表明,影响热液磁铁矿成分的因素主要包括:水岩反应过程中赋矿围岩的属性、磁铁矿中微细包体的化学成分、共生矿物特征、以及成矿流体的性质、温度、氧逸度、压力等(Toplis and Corgne, 2002; Carew, 2004; Dupuis and Beaudoin, 2011; Acosta-Góngora et al., 2014; Dare et al., 2014; Nadoll et al., 2014; Chen et al., 2015).多头山矿床的磁铁矿矿体均赋存于土古土布拉克组安山质凝灰岩中,围岩成分较为一致;并且矿床地质特征与镜下观察均显示,本文所采集的磁铁矿样品均由磁铁矿及其共生矿物组成,未见有交代残余的围岩,表明磁铁矿形成的阶段水岩反应强烈.因而,笔者认为围岩属性和水岩反应的程度应该不是导致上述3种类型磁铁矿成分变化的主要控制因素.

        由于在热液活动中广泛存在着交代和矿物沉淀作用,因而热液磁铁矿中常常发育有流体或者矿物包裹体(Dare et al., 2014; Chen et al., 2015; Zhao et al., 2016).在LA-ICP-MS分析信号中,多头山矿床的M1a和M1b型磁铁矿普遍具有Si、Mg、Ca、Al、Mn元素波峰(图 8a, 8b),而M2型磁铁矿积分信号变化比较平稳(图 8b),暗示M1a和M1b型磁铁矿中存在微细包体,并且这些包体很可能是导致M1a和M1b型磁铁矿相对富含Si、Ca、Al、Mn的决定因素.同时,其他积分信号相对平稳的微量元素(如:Ti、V、Cr、Co、Ni等)可以真实地反映磁铁矿的成分特征.

        图  8  多头山矿床磁铁矿LA-ICP-MS分析信号

        Figure 8.  LA-ICP-MS analytical signals of the magnetite from the Duotoushan deposit

        矿床地质特征显示,多头山矿床的磁铁矿从M1a到M2型,结晶温度呈逐渐降低的趋势.已有的研究表明,元素在矿物与溶体间的分配系数主要取决于温度(McIntire, 1963).对于磁铁矿而言,随着温度的降低,Ti、Al、V、Mn这些强相容性元素通过类质同象替代进入磁铁矿分子式的比例就会减少(Nadoll et al., 2014).在图 9中,多头山矿床的磁铁矿从M1a型到M2型,这些元素含量呈现出逐渐降低的演化趋势.另一方面,虽然如前文所述,M1a和M1b型磁铁矿中的Al和Mn很可能受到包体的影响而导致数据失真,然而Ti的含量不受包体成分的影响.从M1a到M2型磁铁矿,Ti的含量表现为逐渐降低的趋势(图 5),可能与成矿流体的温度逐渐降低有关.

        图  9  多头山矿床磁铁矿的(Ti+V)-(Al+Mn)图解

        Figure 9.  The (Al+Mn) vs. (Ti+V) diagram of magnetite from the Duotoushan deposit

        钴、镍和锌是亲铜元素的典型代表,相对于氧化物来说,这些元素更倾向于优先进入硫化物晶格.因而,当成矿流体中这些元素处于不饱和状态时,共生的硫化物会与磁铁矿竞争亲铁元素,进而导致形成的磁铁矿相对贫Co、Ni和Zn(Dare et al., 2012; Acosta-Góngora et al., 2014).多头山M1a和M1b型磁铁矿与黄铁矿共生,并且Co、Ni含量低于M2型磁铁矿(图 5),表明这些元素受共生硫化物的影响,并且在成矿流体中处于欠饱和或适度饱和状态.而对于Zn元素,则体现出相反的变化规律,可能与流体中Zn的浓度极度不饱和,随着磁铁矿、硫化物的持续沉淀和Zn的大量消耗,导致后续流体中没有充足的Zn进入M2型磁铁矿晶格有关.

      • 磁铁矿分子式为A2+B23+O4,其B位置容易被3价的Cr、V等元素替代,这种类质同象往往受温度和氧逸度的共同制约(Ryabchikov and Kogarko, 2006; Acosta-Góngora et al., 2014; Nadoll et al., 2014; Chen et al., 2015).Dare et al. (2014)Nadoll et al.(2014)研究发现,从高温到中低温蚀变,磁铁矿中相容元素V和Cr的丰度随着分配系数的降低而降低.多头山M1a到M2型磁铁矿中V、Cr含量随着结晶温度的降低而表现出先升高后降低的趋势(图 10),表明温度降低不利于V、Cr进入磁铁矿晶格并不是影响上述变化规律的决定性因素.

        图  10  多头山矿床磁铁矿中V和Cr含量随温度的变化趋势

        Figure 10.  Vanadium and Cr distribution with temperature in magnetite from the Duotoushan deposit showing the oxygen fugacity changes in the ore-forming fluid

        变价元素V、Cr在自然界中的产出价态与氧化环境条件密切相关.V的价态分布较广,跨度为+2~+5价,其中V2+仅仅在极其还原的环境下才能出现,而V3+~V5+分布则较为常见(Takeno, 2005).V3+与Fe3+具有相似的离子半径,更容易类质同象替代Fe3+进入磁铁矿晶格(Takeno, 2005; Righter et al., 2006).并且,当成矿流体的氧逸度稍微有所增加,V3+就会转变为V4+,从而导致磁铁矿结构中V含量降低(Acosta-Góngora et al., 2014).这一分布特征被广泛地运用于指示矿物沉淀过程中各阶段流体氧逸度的相对变化规律(Chen et al., 2015; Zhao et al., 2016; Sun et al., 2017).Cr主要存在两种价态,包括+4和+3价,后者与Fe3+具有相似的离子半径,也主要在氧逸度较低的环境下进入磁铁矿晶格导致Cr含量增加(Kotaś and Stasicka, 2000).随着温度的降低,多头山矿床M1a到M2型磁铁矿的V、Cr含量表现出先升高后降低的变化规律,暗示在磁铁矿结晶的过程中,成矿流体的氧逸度经历了先降低后升高的演化趋势.

      • 如前文所述(第4.2节),M1a和M1b型磁铁矿受微细包体的影响,会导致分析测试的Si、Ca、Al、Mn、Mg元素含量高于其真实值.与M2型磁铁矿相比,多头山M1a和M1b型磁铁矿具有更高的Ca、Al、Mn、Si含量,可能与广泛发育的包体有关.对于Mg元素而言,3种类型的磁铁矿具有相似的丰度(图 5表 1).考虑到M1a和M1b型磁铁矿中的包体也富含Mg元素(图 8a, 8b),那么在除去包体混染的影响之后,M2型磁铁矿则应表现出更加富Mg的特征.前期的电子探针测试结果显示:与M2型磁铁矿共生的角闪石MgO含量介于11.74%~14.94%,而与M1a和M1b型磁铁矿共生的角闪石和绿帘石MgO含量分别变化于7.99%~12.02%和0~0.21%(Zhang et al., 2017).倘若共生矿物的成分能影响到磁铁矿中Mg元素含量,那么具有较高MgO含量的角闪石将会与磁铁矿竞争Mg元素.考虑到与M2型磁铁矿共生的矿物主要为角闪石,而与M1a和M1b型磁铁矿共生的矿物则为大量的绿帘石和少量角闪石,并且M2型磁铁矿中的角闪石更加富Mg,因此共生矿物与磁铁矿争夺Mg元素则不利于M2型磁铁矿富含Mg.同时,如前文所述,M2型磁铁矿形成温度较低,温度降低引起分配系数降低则会不利于Mg元素进入磁铁矿晶格(McIntire, 1963),因此结晶温度的降低也不是导致晚期的M2型磁铁矿相对富Mg的控制因素.除此之外,Mg在自然界中主要为+2价,多头山磁铁矿阶段流体氧逸度的变化也不会影响到Mg元素类质同象进入磁铁矿分子式中.综合上述分析,共生矿物组合、流体氧逸度的变化及温度的降低可能不是导致M2型磁铁矿更加富Mg的原因.

        已有的地层-古生物研究表明,阿齐山-雅满苏成矿带中部存在晚石炭世的海相地层,而西部的同时代地层则形成于陆相环境,暗示成矿带内存在一个有限的洋盆(张雷, 2008; 张雄华等, 2012).基于对百灵山岩体和安第斯中生代海岸基岩的系统对比研究,Zhang et al.(2016)指出这些海相火山岩型矿床形成于弧后(间)盆地闭合构造背景下.这些区域地质背景的研究成果都暗示着存在外来盆地卤水或海水进入成矿带内海相火山岩型矿床成矿系统的可能.更值得一提的是,由于磁铁矿沉淀之后的硫化物具有较高的δ34S值(+8.8‰~+12.1‰),以及包裹体显示出低温、高盐度特征,Zhang et al.(2017)指出多头山矿床磁铁矿形成之后的成矿流体以残余盆地卤水或海水为主.已有的研究表明,相较岩浆流体而言,早-中古生代的海水更加富含Mg,其浓度可高达3 000~4 000 mmol/kg(卢焕章, 1984; Horita et al., 2002).外来盆地卤水或海水进入成矿系统,势必会导致成矿流体中的Mg元素成分增加,进而更利于其类质同象替换磁铁矿中的Fe元素.综合上述分析,笔者推测在磁铁矿形成的晚期阶段,海水混入可能是导致晚期磁铁矿成矿流体成分变化(相对富Mg)的原因.

      • (1) 多头山矿床的磁铁矿与绿帘石、角闪石等热液矿物共生,具有较低的Ti、Al、Nb、Ta、Zr、Hf等元素含量,属于典型的热液磁铁矿.

        (2) 多头山矿床磁铁矿中的Ti元素含量的变化与温度有关,Si、Ca、Al、Mn元素特征受微细包体成分的影响,Co、Ni、Zn与共生硫化物关系密切,而变价元素V、Cr含量的变化主要受控于成矿流体的氧逸度.

        (3) 随着磁铁矿的逐渐沉淀,多头山磁铁矿阶段的成矿流体的氧逸度经历了先降低后升高的变化过程.

        (4) 在磁铁矿形成的晚期阶段,有一定比例的海水混入到多头山矿床的成矿系统中.

    参考文献 (66)

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