金詠潔,溫書琪,王 碩,李新宇,秦 超,唐玉瑩,張聚全

河北地質(zhì)大學 地球科學學院,河北 石家莊 050031

0 引言

華北克拉通是我國金礦產(chǎn)出的一個重要構造單元,其邊緣金礦床廣泛分布,而克拉通內(nèi)部的金礦較缺少。山西省繁峙縣義興寨金礦是目前發(fā)現(xiàn)的華北克拉通內(nèi)部產(chǎn)出的少數(shù)大型金礦之一,更是在近期勘探中發(fā)現(xiàn)近50 t金儲備量[1]。對義興寨的成礦條件進行詳細的研究,有助于我們破解克拉通內(nèi)部金的成礦之謎,開拓金礦找礦的遠景區(qū)。義興寨金礦的金礦體可分為蝕變巖型、石英脈型和蝕變斑巖型金礦體等工業(yè)類型[2]。前人研究表明,孫莊巖體與金礦成礦在時空上有密切的聯(lián)系[3],因此本次研究選取孫莊巖體為主要研究對象,對孫莊巖體的成礦特征進行了研究。氧逸度是影響巖漿演化和成礦作用的重要參數(shù),在斑巖型礦床的研究中具有十分重要的意義。前人研究結果表明,斑巖型銅金礦床的成礦巖體較不含礦巖體的氧逸度高[4],氧逸度越高,越有利于金的遷移和富集,成礦規(guī)模越大[5]。巖漿氧逸度反映了巖漿的氧化還原狀態(tài),對巖漿演化起著重要的控制作用,對元素狀態(tài)尤其是親銅元素和親硫元素的活化和富集成礦有直接影響[2],因此對孫莊巖體的氧逸度進行研究有助于我們進一步認識義興寨金礦的成因和成礦控制因素。氧逸度的計算有多種方法,而磷灰石在巖漿中結晶較早,能夠較好地反映巖漿早期氧逸度的特征,因此本次研究采用磷灰石氧逸度計計算方法,結合磷灰石共生的角閃石的溫度及氧逸度計算結果,客觀評價孫莊巖體氧逸度,并討論其對成礦的控制作用。

1 地質(zhì)背景

義興寨金礦是華北克拉通內(nèi)部一個重要的礦床,礦區(qū)位于古元古代華北克拉通中央造山帶上(圖1a)。義興寨地區(qū)主要出露的地層有太古界、元古界、古生界及新生界地層,義興寨金礦的主要賦礦圍巖為太古代TTG,主要巖性為黑云斜長片麻巖[3]。區(qū)域變質(zhì)基底主要由TTG片麻巖組成[6],蓋層為古元古界滹沱組變質(zhì)沉積巖[7]。

圖1 義興寨金礦地質(zhì)圖(根據(jù)文獻[9]和文獻[12]修改)Fig.1 Geological map of the Yixingzhai gold deposits

華北克拉通的破壞與成礦作用關系密切,導致華北克拉通北緣、南緣、東部發(fā)生了明顯的金礦化及巖漿活動。兩條北西向大斷裂(義興寨斷裂、龍山斷裂)和北東東向褶皺構造構成了礦區(qū)的基本構造格局[8],其中北西向深大斷裂控制了中生代巖體和礦體的構造展布[9]。研究區(qū)內(nèi)斷裂構造行跡按主要構造方位可劃分為四種類型,分別為:北西向張扭性斷裂構造、北北西向壓—張扭性斷裂構造以及北東向和北東東向壓扭性斷裂構造[10]。

礦區(qū)內(nèi)出露的巖漿巖主要為早白堊世中酸性侵入巖[11]。孫莊巖體位于義興寨金礦床南部(圖1b),辛莊金礦的西北部,是礦區(qū)范圍內(nèi)最大的中生代侵入體。其主要巖性為石英二長巖和二長巖,中部被一斑狀花崗巖侵入,北部侵入更早形成的石英斑巖中。Zhang等[12]認為義興寨金礦區(qū)中酸性侵入巖的年齡介于142 Ma和135 Ma之間,并認為孫莊巖體是區(qū)域內(nèi)巖漿與熱液活動的中心,與金成礦關系密切。

2 孫莊巖體的地質(zhì)特征

孫莊巖體位于山西省繁峙縣孫莊村東,義興寨金礦床南部(圖1b),南北長約3 300 m,寬約1 100 m[9],出露面積約為4 km2,是該區(qū)最大的中生代侵入體。其西部為斑狀花崗巖侵入體,北部的石英二長巖侵入到石英斑巖中[12]。主要巖性為石英二長巖和二長巖,東南部出露輝石閃長巖[10]。野外觀察發(fā)現(xiàn),孫莊巖體的石英二長巖中存在大量暗色微粒包體(MMEs),被認為是巖漿混合作用的標志[7]。在石英二長巖和暗色微粒包體中均發(fā)育大量副礦物磷灰石。景淑惠等[9]對孫莊巖體進行微觀及宏觀的研究認為,該巖體是以分異為主且有混染作用形成的巖漿巖。孫莊巖體的侵位年齡為135 Ma[7],與中生代太行山地區(qū)巖漿作用和成礦年齡相一致,金礦化發(fā)生在巖體侵位之后,成礦流體主要來源于巖漿的一次沸騰和二次沸騰[7]。

3 樣品特征及測試方法

3.1 樣品的巖相學特征

本次樣品的取樣位置見圖1b,其中樣品D6-1、D18-2為石英二長巖,樣品D7-1、D7-5為暗色微粒包體。

石英二長巖,中粒結構,主要礦物組成為鉀長石40%～45%,斜長石30%～35%,角閃石10%,黑云母5%,石英5%,顆粒大小為0.5～2 mm,副礦物有磁鐵礦、磷灰石、榍石等,粒度約為0.1～0.3 mm,其中磷灰石顆粒較大,呈自形到半自形短柱狀,一般寬1～1.5 mm,長1.5～2.5 mm。

暗色微粒包體,細粒結構,塊狀構造,主要礦物組成為斜長石40%～50%,正長石20%～25%,黑云母15%～20%,角閃石10%～15%,副礦物有磁鐵礦、磷灰石、榍石等。典型樣品鏡下照片見圖2,可見磷灰石主要產(chǎn)出在角閃石之中,自形程度高。暗色微粒包體中的磷灰石顆粒較小,呈細小針柱狀,一般寬0.3～0.5 mm,長0.5～1.5 mm。

圖2 孫莊巖體典型樣品的鏡下照片F(xiàn)ig.2 Microscopic photographs of typical samples from Sunzhuang pluton

3.2 測試方法

本研究對義興寨孫莊巖體中的磷灰石及與其共生的角閃石進行電子探針分析,分別挑選了兩個石英二長巖和兩個暗色微粒包體的樣品進行了成分分析,其中D6-1、D18-2為石英二長巖,D7-1、D7-5為暗色微粒包體(MMEs)。分析測試工作在河北地質(zhì)大學電子探針實驗室完成,測試儀器為JEOL-JXA-8230,工作條件為:加速電壓為15 kV;束流為20 nA;束斑直徑為5 μm。使用天然礦物質(zhì)和合成材料作為標準,所有標準品在使用前進行均勻性測定進行定量分析。使用ZAF校正程序進行矩陣校正。

4 結果

4.1 角閃石

本次測試共獲得58個角閃石電子探針分析點。角閃石的成分中w(SiO2)的含量為48.03%～53.93%,平均為50.49%;w(FeOT)的含量為9.96%～12.75%,平均為11.39%;w(MgO)的含量為14.07%～17.73%,平均為15.80%;w(CaO)的含量在11.18%～12.31%之間,平均為11.69%;w(Al2O3)的含量為2.68%～6.41%,平均為4.87%;w(Na2O)的含量為0.60%～1.70%,平均為1.25%;w(TiO2)的含量為0.30%～1.51%,平均為0.98%;w(K2O)的含量為0.23%～0.93%,平均為0.55%;w(F)的含量為0.21%～0. 70%,平均為0.41%;w(MnO)的含量為0.20%～0.52%,平均為0.30%;w(Cl)的含量為0.03%～0.23%,平均為0.09%?？傮w富鎂、鈣,貧鉀。SiT為7.16～7.99,平均為7.55;CaB為1.38～1.88,平均為1.56(＞1.5);(Na+K)A為0.22～0.66,平均為0.44(＜0.5);Mg/(Mg+Fe2+)為0.7～0.8,平均為0.8(＞0.5)?；贚eake等[13]對角閃石進行分類投圖(圖3a),孫莊巖體中的角閃石大部分落在陽起石和鎂角閃石區(qū)域。

圖3 (a)-角閃石分類圖(底圖據(jù)文獻[13]);(b)-磷灰石分類圖解Fig.3 (a)-Amphibole classification map; (b)-Classification diagram of apatite

4.2 磷灰石

本次測試獲得磷灰石有效電子探針數(shù)據(jù)46組,結果顯示:w(CaO)的含量為49.03%～57.38%,平均為55.21%;w(P2O5)的含量為39.22%～42.83%,平均為41.32%;w(F)的含量為1.49%～3.01%,平均為2.42%;w(SiO2)的含量為0.04%～9.19%,平均為0.62%;w(Cl)的含量為0.14%～0.68%,平均為0.27%;w(TiO2)的含量為0.00%～0.14%,平均為0.02%;w(FeO)的含量為0.04%～0.59%,平均為0.19%;w(Na2O)的含量為0.03%～0.33%,平均為 0.15%。w(MnO)、w(Cr2O3)、w(MgO)和w(K2O)的含量均小于0.10%?；?5個氧原子計算磷灰石陽離子數(shù),對義興寨孫莊巖體中磷灰石的晶體化學式進行了計算(表1),磷灰石的化學成分顯示,義興寨中生代侵入巖中的磷灰石主要為氟磷灰石(圖3b)。

表1 不同巖體中磷灰石的平均晶體化學式Table 1 Average crystal chemical formula of apatite in different rock intrusions

5 討論

5.1 角閃石氧逸度特征

角閃石是巖漿巖中最為常見的造巖礦物,其成分能夠記錄巖漿演化時熔體的氧逸度特征及含水量等重要物理化學條件[14]。角閃石礦物溫壓計是計算巖漿物理化學條件的主要手段[14],廣泛用于中淺成侵入巖[15]。通過對角閃石TiO2-Al2O3進行投圖,巖漿大部分來源于殼幔混源,少部分來源于殼源(圖4a)。本次研究通過Ridolfi等[16]提出的角閃石溫壓計計算公式,對其溫度進行計算,以此估算角閃石的形成條件及其所反映的氧逸度,結果顯示:角閃石形成溫度為690℃～798℃(圖5a),壓力為36～92 MPa之間,logfO2為-13.97～-12.28。角閃石中的AlIV與含水量在熔融狀態(tài)中有著強烈的相關性[16],計算得出熔融體的含水量為2.89%～4.16%(圖5b)。氧逸度投圖顯示(圖6),樣品點均落于HM和NNO之間區(qū)域,角閃石可能形成于較高的氧逸度環(huán)境。

圖4 磷灰石化學成分特征Fig.4 Characteristics of chemical composition of apatite

圖5 孫莊巖體中角閃石的物理化學條件計算(底圖據(jù)文獻[16]修改)Fig.5 Calculation of physical and chemical conditions of amphibole in Sunzhuang pluton

5.2 磷灰石氧逸度特征

磷灰石是巖漿巖中富含揮發(fā)份的副礦物,富含了巖漿巖中大部分的磷,在熱液礦床及巖漿巖中非常發(fā)育,不易受到地質(zhì)過程中的熱液蝕變作用的影響,所以可以較完整的保留母巖漿的條件和信息,對指示成巖成礦物質(zhì)的來源演化有十分重要的意義。磷灰石的形態(tài)標型特征可以指示不同的成因[17],不同成因的磷灰石晶體形態(tài)有顯著差異,總體看來,孫莊巖體含石英二長巖中磷灰石晶體多為細小六方柱狀,暗色微粒包體中的磷灰石多呈針柱狀。根據(jù)磷灰石F-Cl-OH三角圖可知,該區(qū)孫莊巖體磷灰石均為氟磷灰石,由測試數(shù)據(jù)計算結果得知,義興寨地區(qū)孫莊巖體石英二長巖中磷灰石的Ca/P均值為1.69,暗色微粒包體中均值為1.70,接近巖漿成因磷灰石的理論值1.67[18]。石英二長巖中磷灰石的Cl/F比值為0.07～0.30,暗色微粒包體中比值為0.06～0.14,基本大于0.1,反映了其成礦母巖漿可能有俯沖帶流體的加入[19]。鹵素元素可以在大于500℃的高溫條件下置換進入磷灰石,而磷灰石不易受鹵素交換的影響[20],因此母巖漿的成礦潛力可以通過磷灰石中的鹵素成分進行評估,對研究其成巖成礦的大地構造背景具有重要意義[20]。義興寨地區(qū)孫莊巖體中磷灰石Cl/F比值的計算結果為0.06～0.30,絕大部分大于0.1(圖4b),較高的Cl/F比值可能暗示了該區(qū)巖漿可能與板塊俯沖相關,說明母巖漿的形成可能與流體交代有關[20]。

磷灰石中Mn濃度變化獨立于溶體濃度,Mn含量與氧逸度的對數(shù)(logfO2)呈負相關的線性關系,因此,我們用磷灰石中的Mn來估算其氧逸度,本次研究采用磷灰石的氧逸度計算公式[21-24]:logfO2=-0.002 2(±0.000 3)Mn(×10-6)-9.75(±0.46)。該公式的適用條件要求樣品火成巖的溫度在660℃～920℃。由于研究樣品中的磷灰石均為與角閃石共生的磷灰石,因此本次研究所涉及磷灰石溫度的計算均是通過相對應的角閃石溫度進行的。計算結果顯示:義興寨孫莊巖體的氧逸度介于-11.76～-9.94之間,平均為-10.85。投圖顯示(圖6),樣品多數(shù)落在靠近HM和NNO的緩沖線兩側位置,表明巖漿具有較高的氧逸度。

圖6 磷灰石及角閃石的氧逸度圖(底圖據(jù)文獻[25]修改)Fig.6 Oxygen fugacity diagrams of apatite and amphibole

5.3 不同礦物氧逸度結果的比較與其對成礦的制約作用分析

對比孫莊巖體中磷灰石及其共生角閃石的氧逸度計所反映的溫壓和氧逸度特征可知,角閃石的形成溫度690℃～798℃,磷灰石與角閃石氧逸度計算結果較吻合,角閃石氧逸度計算結果略低于磷灰石計算的氧逸度,但兩者均落在在HM和NNO的緩沖線上。結合前人研究,我們認為孫莊巖體較高的氧逸度可能暗示該區(qū)巖漿形成于俯沖環(huán)境下,高氧逸度的特征可能是源于巖漿源區(qū)。前人研究表明[2],巖漿的高氧逸度有利于巖漿從深部溶解大量的成礦物質(zhì)。因為巖漿中SO42-的溶解度遠遠高于S2-,高氧逸度條件下S以SO42-的形式存在,而金、銅等元素又多賦存在硫化物中,因此高氧逸度的巖漿較低氧逸度更易富集和遷移Au和Cu元素。此外,金元素在氧化條件下遷移,在還原環(huán)境中沉淀,孫莊巖體的高氧逸度有利于元素在流體從巖漿中分離時進入流體相并運移到巖體周圍的斷裂和角礫巖筒中沉淀,而不是分散在侵入巖中。

6 結論

本次研究主要通過對山西省義興寨金礦區(qū)孫莊巖體中的磷灰石和角閃石的化學成分進行了分析,通過礦物溫壓計和氧逸度計算發(fā)現(xiàn):

(1)孫莊巖體中磷灰石均為氟磷灰石,石英二長巖中磷灰石的Ca/P均值為1.69,MMEs中均值為1.70,表明磷灰石多為巖漿早期形成。石英二長巖中磷灰石的Cl/F比值為0.07～0.30,MMEs中比值為0.06～0.14,基本大于0.1,表明其可能形成于俯沖環(huán)境。

(2)孫莊巖體中角閃石大部分落在陽起石和鎂角閃石區(qū)域,形成溫度為690℃～798℃,壓力在36～92 MPa之間,熔融體的含水量為2.89%～4.16%,成分特征表明巖漿來源屬于殼幔混源。

(3)綜合分析磷灰石氧逸度特征與其共生角閃石的氧逸度結果,角閃石和磷灰石氧逸度計的結果相差不大,測試數(shù)據(jù)均落在于HM和NNO緩沖線之間,顯示該區(qū)巖漿巖具有較高的氧逸度,有利于義興寨地區(qū)金礦的成礦。