馬金虎 馬曉輝 提云生 周子輝 楊小虎 王光興

(1.河北省地質(zhì)工程勘查院 保定 071051；2.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院 保定 071000)

1 引言

馬達(dá)加斯加石墨礦資源豐富,石墨資源量居非洲第一,世界第四,并以其區(qū)域變質(zhì)型大鱗片晶質(zhì)石墨礦而聞名于世。以往勘查成果顯示石墨礦產(chǎn)主要分布于馬達(dá)加斯加?xùn)|部的Marivolanitra地區(qū),在西南地區(qū)Analamateza一帶僅有少量分布(黃國平等,2015)。最新區(qū)域研究資料中,Collins按照巖石組成、形成時代、構(gòu)造關(guān)系劃分構(gòu)造單元的方式被廣為接受,各專家學(xué)者較統(tǒng)一的把西南地區(qū)排除在包含有含石墨變質(zhì)巖系的塔納塊體之外(Collins,2006；車?yán)^英,2016)。黃國平將西南區(qū)劃分到Tsivory單元,由Vohibory 群和Androyen、Anosyen 塊體組成,僅提到Androyen塊體的Mangoky群主要由含大量石墨和矽線石的碎屑巖—泥質(zhì)巖副片麻巖組成(黃國平等,2015),未提及含石墨變質(zhì)巖系；孫振一在討論馬達(dá)加斯加南部石墨礦床控礦構(gòu)造及找礦模型時,也采用相同的構(gòu)造巖石劃分方案,主要強(qiáng)調(diào)了深層次韌性剪切變形造成C 元素的富集(孫振一,2019),亦未提及含石墨變質(zhì)巖系。這便使大部分勘查單位把石墨礦找礦重點(diǎn)放在了馬達(dá)加斯加?xùn)|部塔納塊體,而忽視了西南部地區(qū)。

近年來有國內(nèi)地質(zhì)勘查單位在西南地區(qū)圖利亞(Tulear)省南部貝基利(Bekily)市(縣)發(fā)現(xiàn)了安巴希塔(Ambahita)超大型石墨礦床,實(shí)現(xiàn)了找礦重大突破。故20世紀(jì)60年代Besairie等按照巖石組成和變質(zhì)程度強(qiáng)弱將馬達(dá)加斯加前寒武紀(jì)變質(zhì)基底自下而上劃分為“Androyen 系”、“Graphite 系”和“Vohiborg系”三大巖石系列的劃分方案再次得到重視,其在西南地區(qū)實(shí)現(xiàn)找礦突破起到重要作用。按照此劃分方案,通過對該區(qū)進(jìn)行的大比例尺填圖工作表明,該區(qū)亦存在頗具規(guī)模的含石墨變質(zhì)巖系,主要存在于Graphite系(含石墨變質(zhì)巖系)底部的Ampanihy群,研究表明該區(qū)仍有較大的找礦前景。

本文主要以介紹安巴希塔(Ambahita)石墨礦床的礦區(qū)地質(zhì)特征為基礎(chǔ),從地層、變質(zhì)作用、韌性剪切作用的角度論述其成礦作用,總結(jié)有利成礦要素,在重新審視了前人鋯石測齡的年齡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立該區(qū)找礦模型。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于馬達(dá)加斯加前寒武紀(jì)結(jié)晶基底的西南部,主要由太古宙—早元古代形成的表殼巖及不同性質(zhì)的變質(zhì)侵入巖組成,該區(qū)為古克拉通增生而形成的重要構(gòu)造帶,而后又受到約5.5億年(泛非造山運(yùn)動)岡瓦納大陸形成過程中的再次活動,其構(gòu)造多期多階段復(fù)合疊加效應(yīng)明顯。

區(qū)域地層主要為太古宇—元古宇變質(zhì)結(jié)晶基底(變質(zhì)表殼巖)。從老到新分為三個巖系(群)： 新太古界—古元古界安卓茵(Androyen)巖系、古元古界格拉菲特(Graphite)巖系(李文昊,2018)和新元古界夫黑博瑞(Vohibory)巖系(Collins,2005,2010,2011)。其中,含石墨地層為格拉菲特(Graphite)巖系,原巖恢復(fù)為一套大陸邊緣的碎屑沉積夾中基性火山巖、含有機(jī)質(zhì)泥—砂巖沉積和淺海相碳酸鹽巖沉積建造(李文昊,2018)。

區(qū)域構(gòu)造以韌性剪切帶構(gòu)造為主,脆性斷裂構(gòu)造不發(fā)育。該區(qū)韌性剪切帶為馬達(dá)加斯加七大韌性剪切帶之一的安帕尼希(Anpaniphy)韌性剪切帶,呈NNE 向展布,具左旋特征,各型褶曲、揉皺分布廣泛,延伸達(dá)二百余千米。由于擠壓、剪切作用,剪切帶內(nèi)緊閉褶曲、同斜褶曲構(gòu)造發(fā)育,規(guī)模大小不等。中酸性拉長巖小巖株呈透鏡狀沿剪切帶走向展布(圖1)。

圖1 馬島地質(zhì)略圖(據(jù)馬國1:100萬地質(zhì)圖修編)

3 安巴希塔礦區(qū)地質(zhì)特征

3.1 地層

Ambahita石墨礦帶區(qū)域上呈弧形南北向?qū)訝钫共?礦帶自南部的Ambahita至北部的Soakibany全長近20km,Ambahita石墨礦區(qū)位于該礦帶的南部。礦區(qū)出露地層為古元古界格拉菲特巖系,巖性由下而上為淺粒巖、石榴變粒巖(夾少量石榴斜長角閃巖層、石榴淺粒巖層)、石墨變粒巖,各巖層間界限清晰。巖石片麻理呈NNE 向展布,NW 傾向,傾角40°～75°,產(chǎn)狀變化較大,片麻理與區(qū)域構(gòu)造線一致。

(1)新太古界格拉菲特巖系(Ar3G)

淺粒巖(lti)： 分布于礦區(qū)西部,灰白色,細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要礦物成分長石含量約為65%,石英含量約為30%,少許黑云母、石墨,暗色礦物含量約為5%。

石榴變粒巖(Ggnt)： 該巖性于礦區(qū)內(nèi)分布較廣,從礦區(qū)西部至東部均有分布,灰白色,中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu),弱片麻狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造。主要礦物成分長石含量40%～50%,石英含量20%～30%,石榴子石含量10%～20%,黑云母等暗色礦物少量。

石墨變粒巖(Cgnt)： 主要分布于礦區(qū)的中至中東部,南北貫穿全區(qū),灰—灰黑色,鱗片狀細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu),片(麻)狀—弱片麻狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造。主要礦物成分長石含量40%～60%,石英含量20%～30%,石墨含量1%～10%,黑云母少量。石墨變粒巖層為本區(qū)石墨礦的主要賦礦地層。

(2)新生界第四系(Q)

礦區(qū)內(nèi)廣泛分布,主要為殘積、沖積物,厚度0～4m 不等。殘積物為紅褐色、黃褐色砂土、砂礫土；沖積物于低洼處分布,為灰褐色砂土、砂質(zhì)粘土。

3.2 構(gòu)造

礦區(qū)處于NNE 向展布Anpaniphy大型韌性剪切帶內(nèi),構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為韌性剪切的特點(diǎn)。

(1)Anpaniphy韌性剪切帶的宏觀構(gòu)造

Anpaniphy韌性剪切帶位于馬達(dá)加斯加西南部,呈NNE向展布,全長約250km,貫穿石墨賦礦層位—格拉菲特(Graphite)巖系。Anpaniphy韌性剪切帶屬于平移韌性剪切帶,傾角較陡(50°～70°),依據(jù)長英質(zhì)透鏡體的首尾展布形態(tài)判斷,韌性剪切帶主剪切方向?yàn)镹E—SW,具左旋性質(zhì)。巖層內(nèi)部發(fā)育一系列同構(gòu)造石英、長英質(zhì)脈及花崗偉晶巖脈(圖2a)。長英質(zhì)脈由平行分布的石英、長石條帶或長石斑晶組成,可見S-C 面理、拉伸線理等,脈寬幾厘米至幾米,長幾米到幾十米,體現(xiàn)出流動、塑性變形的特征,局部長英質(zhì)小眼球體(圖2b、d)、小透鏡體具拖尾構(gòu)造現(xiàn)象(圖2a)、石榴石集合體呈旋轉(zhuǎn)石香腸構(gòu)造(圖2c)。地表局部長英質(zhì)脈呈S 形透鏡體(圖2e)及褶曲狀(圖2f)。由于受韌性剪切作用,石墨、黑云母等暗色片狀礦物沿剪切帶方向被拉長且定向排列,具流動、塑性變形等特征,構(gòu)成明顯的拉伸線理及構(gòu)造片理(圖2c)。從衛(wèi)片中顯示Anpaniphy韌性剪切帶塑性流變強(qiáng)烈,拉伸線理明顯,構(gòu)造方線向?yàn)镹E—SW 向,衛(wèi)片南部兩個拉長石小巖株鑲嵌于韌性剪切帶中,并被巨大的韌性剪切作用改造成“拖尾構(gòu)造”與“眼球狀”透鏡體(圖2g)。Soakibany西北側(cè)的石墨變粒巖由于韌性剪切作用,形成長軸1.6km 的“眼仁狀構(gòu)造”(圖2h),長軸方向與剪切帶方向一致,石墨含礦帶沿構(gòu)造兩側(cè)分布。

(2)Anpaniphy韌性剪切帶的微觀構(gòu)造

在韌性剪切帶形成過程中,剪切應(yīng)力作用下的巖石在固態(tài)或流體狀態(tài)下,產(chǎn)生晶內(nèi)變形、超塑性變形、碎裂運(yùn)動以及壓溶作用,致使巖石在鏡下微觀表現(xiàn)一系列特征。石英多呈粒狀變晶結(jié)構(gòu),由于動態(tài)重結(jié)晶作用,部分晶粒見定向拉長,呈不規(guī)則長圓形,晶粒邊界不平直,呈鋸齒狀、港灣狀等,晶粒內(nèi)部由于受剪切應(yīng)力作用致裂隙發(fā)育,晶粒光性不均勻見波狀消光(圖3a)。在多晶石英條帶中常見斜長石、石墨熔蝕及偶見蠕英結(jié)構(gòu)殘留體,這些現(xiàn)象都是巖石發(fā)生局部熔融作用的標(biāo)志。巖石中多晶石英條帶(微脈)是巖石經(jīng)歷中深層次韌性變形的標(biāo)志(裴利庭等,2016)。長石為粒狀,多為斜長石,偶見鉀長石,斜長石多具有典型的變形雙晶—聚片雙晶,斜長石晶內(nèi)顯微斷裂構(gòu)造發(fā)育,呈現(xiàn)不規(guī)則狀裂隙,偶見平行發(fā)育的“書斜構(gòu)造”。石墨全部為晶質(zhì),多呈自形—半自形葉片狀,部分石墨晶體或集合體邊界呈港灣結(jié)構(gòu)、縫合線結(jié)構(gòu)(圖3b)。由于受剪切應(yīng)力作用,部分石墨集合體表現(xiàn)出一系列顯微褶皺(圖3c)。石墨形態(tài)大多較好,但內(nèi)部多不干凈,夾雜有一些脈石礦物,且部分石墨尾端見撕裂現(xiàn)象(圖3d)。偶見片狀石墨填隙在黃鐵礦、磁黃鐵礦裂隙或粒間。

3.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育,僅有偉晶巖在礦區(qū)中北部零星出露,呈透鏡狀大致順層產(chǎn)出。巖石灰白色,粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物成分以長石為主,石英次之,少量黑云母。偉晶巖透鏡體長軸方向長15～150 m,短軸方向長6～30m,規(guī)模不大。

圖2 韌性剪切帶的宏觀構(gòu)造

圖3 韌性剪切帶的微觀構(gòu)造

4 變質(zhì)變形與成礦作用

4.1 區(qū)域變質(zhì)與混合巖化作用

馬達(dá)加斯加石墨變質(zhì)巖系變質(zhì)程度較高,多為角閃巖相變質(zhì)巖,局部可達(dá)麻粒巖相。角閃巖相的形成溫度為600℃～800℃,壓力為400～600 MPa,一般來說變質(zhì)程度越高,石墨鱗片粒度越大,石墨中所含雜質(zhì)越少,可選性較好,易于提純(李超,2015)。在區(qū)域變質(zhì)過程中,石墨的形成一般與區(qū)域動力熱流變質(zhì)或低溫動力變質(zhì)作用有關(guān)。原巖中的有機(jī)質(zhì)在還原條件下發(fā)生脫氧、脫氫反應(yīng),結(jié)晶成鱗片狀石墨。由于馬達(dá)加斯加石墨變質(zhì)巖變質(zhì)作用持續(xù)時間長、變質(zhì)次數(shù)多、變質(zhì)程度高,石墨往往結(jié)晶程度較高,通常為鱗片狀晶質(zhì)石墨礦床。

混合巖化作用發(fā)生在區(qū)域變質(zhì)成礦后期,主要表現(xiàn)為重結(jié)晶、局部重熔和交代作用。達(dá)到變質(zhì)作用峰期后,巖石開始發(fā)生局部重熔并有廣泛流體相出現(xiàn),而后伴隨重結(jié)晶作用及交代作用的發(fā)生。重熔分異作用產(chǎn)生一些變斑晶和長英質(zhì)脈體,在此過程中部分組分在流體及熱驅(qū)動作用下運(yùn)移和聚集,長石、石英等造巖礦物發(fā)生偉晶化,石墨鱗片重結(jié)晶、晶片變粗大且富集(李超,2015)。

4.2 韌性剪切作用

一般的韌性剪切帶是指深層次韌性剪切帶,屬于深構(gòu)造層次,深度相當(dāng)于10～25km,Anpaniphy大型韌性剪切帶亦不例外。在變形帶內(nèi)各種宏觀與微觀的韌性變形十分發(fā)育,尤其不同成分的同構(gòu)造脈尤為發(fā)育,在宏觀上構(gòu)成透入性線性構(gòu)造。

韌性變形帶是一種局部應(yīng)力作用(王學(xué)濱,2003),動能可以轉(zhuǎn)化為熱能,促進(jìn)熔融作用的發(fā)生。高溫實(shí)驗(yàn)證明,差應(yīng)力作用與溫度增加具有等同效應(yīng)。由于變形帶內(nèi)存在應(yīng)力梯度、應(yīng)變速率梯度,在差應(yīng)力作用下固態(tài)巖石先后發(fā)生軟化蠕變—扭折—晶間滑移—礦物變形—低熔組分石英、長石熔融和黑云母熔融消失(沙茜,馬瑞,2011)等一系列變化。隨著韌性變形作用的持續(xù),按照礦物熔融順序,將由低到高先后熔融出不同的礦物。首先熔融出的是石英、長石,然后依次是黑云母、角閃石等,它們在剪切裂隙聚集、充填便形成多成分同構(gòu)造脈。

在變形過程中,熔融的礦物或組分持續(xù)進(jìn)行著有限范圍內(nèi)的遷移和聚集以及聯(lián)結(jié),在高溫高壓區(qū)分解熔融,在低壓區(qū)沉淀聚集,沿剪切滑動帶前鋒出現(xiàn)熔融,中后部出現(xiàn)聚集。礦物重結(jié)晶、聚集的過程,也是一個體積調(diào)整的過程,那些泥、砂質(zhì)變質(zhì)巖系中孔隙、水分被釋放。同時,另外一些礦物沿水裂作用形成的裂隙充填,形成了包含、鑲嵌結(jié)構(gòu)。

變形峰期之后,熔體向著擴(kuò)散空間和構(gòu)造薄弱的虛脫部位聚集,固態(tài)弱變形域被塑態(tài)形變帶及熔融液態(tài)相隔或包圍。因變形引發(fā)了前后物態(tài)的質(zhì)的改變,即由變形前的單一固態(tài)變?yōu)樽冃畏迤诠虘B(tài)、塑態(tài)、液態(tài)三相并存的環(huán)境。熔融液態(tài)的出現(xiàn)一方面極大地改變了構(gòu)造帶中的應(yīng)變速率和應(yīng)變強(qiáng)度,另一方面也改變了構(gòu)造帶上物質(zhì)的聚集行為與方式,這就是觸發(fā)了變質(zhì)帶中物質(zhì)的流動遷移和同質(zhì)相聚機(jī)制。

石墨礦質(zhì)在韌性剪切作用過程中全程參與,剪切熱能足以使含礦巖層中的石墨礦質(zhì)再次活化和激發(fā),在剪切力的驅(qū)動下由塑態(tài)物質(zhì)、變質(zhì)水及熱液攜帶,從強(qiáng)應(yīng)變域向弱應(yīng)變域(韌性)流動遷移、同質(zhì)聚集、富集或經(jīng)動態(tài)重結(jié)晶,最終在弱應(yīng)變域沉積、重新就位,形成厚大的石墨工業(yè)礦體。石墨礦化屬于前韌性剪切期礦化,韌性剪切作用將石墨礦質(zhì)重新組合、就位、再分布,對原石墨礦帶起到了改造成礦作用(何紹勛等,1996)。

5 成礦要素分析

經(jīng)成礦作用過程分析可知,該區(qū)成礦是以地層(富有機(jī)質(zhì)沉積原巖)為基礎(chǔ),地層原巖中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷漫長的區(qū)域變質(zhì)作用(有機(jī)質(zhì)脫氧、脫氫反應(yīng))使成礦物質(zhì)初步富集形成石墨礦(化)體,然后在區(qū)域變質(zhì)作用的基礎(chǔ)之上發(fā)生的混合巖化作用使礦質(zhì)進(jìn)一步富集；最后經(jīng)韌性剪切改造成礦作用,石墨礦質(zhì)再次活化和激發(fā)、重新就位、再分布,最終形成大而富的石墨礦體。

研究區(qū)成礦地質(zhì)體為格拉菲特(Graphite)巖系,即為成礦源巖,其原始沉積為富含有機(jī)質(zhì)的富鋁的砂質(zhì)、粉砂質(zhì)、泥質(zhì)沉積碎屑巖(李文昊,2018)。結(jié)合前人研究成果,馬達(dá)加斯加石墨礦床沉積時代為2400±200 Ma,變質(zhì)時代分別為1100±200Ma、550±100Ma、200±50Ma(李文昊,2018)。根據(jù)馬達(dá)加斯加西南部Ambahita石墨礦區(qū)床地質(zhì)特征及區(qū)域構(gòu)造演化過程該區(qū)石墨礦床的主要成礦要素如表1。

表1 馬達(dá)加斯加西南部石墨礦床成礦要素特征表

6 找礦模型

馬達(dá)加斯加變質(zhì)前寒武紀(jì)基底地層的形成主要源于晚太古代古陸核的形成、增生、裂解與聚合。每一階段都發(fā)育與之相應(yīng)的變形變質(zhì)、沉積及巖漿活動。這些地質(zhì)作用形成了石墨礦床較為穩(wěn)定的變質(zhì)基底,經(jīng)過不同基底單元間的深層剪切變形作用而進(jìn)一步富集(賈鳳儀,2016)。依據(jù)馬達(dá)加斯加石墨礦床成礦特征及成礦規(guī)律,其成礦模型可概括為“層帶復(fù)合”?！皩印敝盖昂浼o(jì)變質(zhì)基底中與石墨相關(guān)的賦礦層位、成礦源巖,即格拉菲特(Graphite)巖系?！皫А敝盖昂浼o(jì)不同時代的變質(zhì)基底受陸塊增生、裂解及拼合等作用而形成的剪切帶。這些剪切帶對石墨礦(化)體起到了改造成礦作用,使石墨礦質(zhì)重新組合、就位、再分布,從而形成厚大的工業(yè)礦體。

研究區(qū)以“層帶復(fù)合”的找礦模型為指導(dǎo),在此基礎(chǔ)之上結(jié)合一些重要成礦要素,開展進(jìn)一步的找礦工作。