張海東, 劉建朝, 陳正樂, 劉淑文, 戈小紅, 成 歡, 張 雪

(1.長安大學(xué)資源學(xué)院,西安 710054;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)

山西平順地區(qū)矽卡巖型鐵礦床地質(zhì)特征及成礦物質(zhì)來源探討

張海東1, 劉建朝1, 陳正樂2, 劉淑文1, 戈小紅1, 成 歡1, 張 雪1

(1.長安大學(xué)資源學(xué)院,西安 710054;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)

山西平順地區(qū)矽卡巖型鐵礦主要產(chǎn)于燕山期中性侵入巖與中奧陶統(tǒng)碳酸巖地層接觸帶及其附近。礦化蝕變帶明顯,鈉長石化是重要的找礦標志。北落峽ZK28-7鉆孔巖芯樣地球化學(xué)特征、黃鐵礦(206Pb/204Pb=17.741～18.301,平均值17.993;207Pb/204Pb=15.433～15.551,平均值15.495)以及早期(206Pb/204Pb=17.859～18.474;207Pb/204Pb=15.429～15.431)和晚期侵入巖(206Pb/204Pb= 17.959～18.223,平均值18.088;207Pb/204Pb=15.434～15.566,平均值15.536)的Pb同位素組成共同表明,除晚期中性侵入巖是磁鐵礦的成礦母巖之外,還包括早期超基性-基性侵入巖,它也是磁鐵礦形成的重要成礦母巖之一,其很可能是通過被晚期閃長巖同化交代,大量鐵礦質(zhì)進入了晚期閃長巖,經(jīng)后期鈉化蝕變,鐵質(zhì)析出,形成磁鐵礦,間接的提供物質(zhì)來源。

太行山南段平順地區(qū) 早期 晚期侵入體 Pb同位素 成礦物質(zhì)來源

Zhang Ha i-dong,L iu Jian-chao,Chen Zheng-le,L iu Shu-wen,Ge Xiao-hong,Cheng Huan, Zhang Xue.Geological characteristics of skarn iron deposits and their m ineralization material source in the Pingshun area,Shanxi Province[J].Geology and Exploration,2010,46(4):0634-0642.

0 引言

平順鐵礦位于太行山南段山西省長治市境內(nèi),是華北地區(qū)重要的矽卡巖型鐵礦礦集區(qū),和邯邢鐵礦以及安陽-林縣鐵礦構(gòu)成了太行山南段矽卡巖型鐵礦床成礦帶。以往研究主要集中在邯鄲-邢臺地區(qū),認為巖體是由大陸拆沉作用和大洋俯沖作用形成(羅照華等,1997;鄧晉福等,2000),具有殼幔巖漿混合的特點(陳斌等,2005,2006),邯邢式鐵礦的形成受邯鄲地幔柱的控制(毛景文等,2005),并探討了鐵礦床的形成時代和成礦物質(zhì)來源等問題(鄭健民,2007)。60～70年代,平順矽卡巖型鐵礦床進行了大量的找礦地質(zhì)勘探工作,但對成礦作用研究較薄弱。以往研究對鐵礦床的形成主要有兩種觀點,一種觀點認為是由火山作用形成,另一種觀點認為鐵礦體形成與晚期巖體鈉化作用有關(guān)(張海東等,2009),但對鐵礦成礦物質(zhì)來源沒有進行深入研究。本文在對平順矽卡巖型鐵礦的地質(zhì)特征綜合研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合本區(qū)具有代表性的蘆溝和北落峽兩個礦區(qū)的巖體蝕變帶特征及巖石礦物Pb同位素示蹤,來探討本區(qū)成礦物質(zhì)來源問題。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于呂梁-太行斷塊的太行塊隆南段,與邯鄲-邢臺和安陽-林縣地區(qū)具有相同大地構(gòu)造背景,空間上處于大型寬緩的太行山復(fù)式背斜的西翼,南北向兩個寬展的復(fù)式背斜隆起帶,控制了東西兩個巖漿巖帶的具體展布。斷裂和褶皺均以北北東向為主,明顯受中生代太平洋板塊俯沖作用影響(陳斌等,2005;鄭健民,2007;張海東等,2009),構(gòu)成了平順地區(qū)控礦構(gòu)造的總體輪廓(圖1)。出露的地層主要為中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r、泥灰?guī)r及少量下奧陶統(tǒng)三山子組白云巖(表1),其中中奧陶統(tǒng)馬家溝組一、三、五巖性段以泥灰?guī)r為主,二、四、六巖性段以中厚層較純質(zhì)灰?guī)r為主,是主要的控礦圍巖,三山子組白云巖地層產(chǎn)狀水平。中生代燕山期巖漿巖分布廣泛,大多呈巖蓋、巖脈、巖床和小巖株產(chǎn)出。巖體規(guī)模不大,空間上由西向東組成兩個近平行的巖漿巖帶,呈北北東向串珠狀分布。由東向西分別稱為第一巖漿巖帶和第二巖漿巖帶,本次研究主要為成礦規(guī)模大、蝕變作用強的第一巖漿巖帶西安里地區(qū)(圖1)。西安里巖體形成于燕山期,巖性較復(fù)雜,由早、晚兩期侵入巖組成,早期侵入巖以橄欖輝長巖為主,晚期侵入巖主要為中性閃長巖-二長閃長巖,在二者接觸部位為角閃閃長巖,規(guī)模較小。

圖1 平順地區(qū)第一構(gòu)造巖漿巖帶地質(zhì)簡圖Fig.1 S implified geologic map of the first structure magmatic belt in the Pingshun area

表1 平順地區(qū)奧陶系馬家溝組地層簡表(212地質(zhì)隊,1979)Table1 S implified table ofMajiagou Group of Ordovic ian system in the Pingshun area (after No.212 geological brigade,1979)

圖2 北落峽27勘探剖面礦體分布圖Fig.2 Map show ing distribution of iron deposits along exploration l ine 27 in Beiluoxia

表2 西安里礦區(qū)主要礦體特征表Table2 Characteristics of ma in orebodies in the Xi’anlim in ing district

橄欖輝長巖主要礦物為橄欖石、輝石、斜長石、角閃石,輝長結(jié)構(gòu)為主,塊狀構(gòu)造為主。角閃閃長巖主要組成礦物為角閃石和長石,角閃石顆粒粗大,后期重結(jié)晶作用強烈。閃長巖-二長閃長巖主要礦物為斜長石、鉀長石和角閃石,半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)、造。早期、晚期侵入巖體具有相似的巖石地球化學(xué)特征,表現(xiàn)為低硅高鎂,輕稀土富集重稀土虧損并呈現(xiàn)輕微Eu正異常;大離子親石元素(如Sr、Ba、 K)放射性成因Pb富集,虧損高場強元素(如Nb、Ta、Ti)。這些特征說明兩個巖漿巖帶均起源于富集地幔,但在上侵定位過程中受到不同程度下地殼的混染(劉玉成等,2006;劉建朝等,2008)。

圖3 平順地區(qū)熱液蝕變現(xiàn)象Fig.3 Hydrothermal alteration in the Pingshun area

表3 北落峽第7鉆孔巖芯樣分析結(jié)果表(%)Table3 Analysis results of core samples of 7th borehole in Beiluox ia(%)

2 礦床特征

2.1 礦體形態(tài)及產(chǎn)出位置

本區(qū)磁鐵礦礦體主要產(chǎn)于燕山期晚階段閃長巖體與中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖的接觸帶上,成礦層位主要是O22和O24地層(圖2)。西安里地區(qū)內(nèi)有大小礦區(qū)5個,共有鐵礦體126個,礦體大小不等,長度一般為幾十米到幾百米,每個礦區(qū)均有一、二個或幾個比較重要的主礦體,它們的儲量常占礦區(qū)總儲量的70%以上(表2)。按礦體與巖體相互關(guān)系,礦體類型可分為產(chǎn)于巖體兩側(cè)和巖體頂部似層狀礦體、產(chǎn)于巖體內(nèi)部不規(guī)則捕虜體礦體及產(chǎn)于圍巖內(nèi)部貫入式礦體,礦體的形態(tài)明顯受到接觸面及周邊構(gòu)造形態(tài)的控制。其中產(chǎn)于接觸帶的鐵礦體規(guī)模最大,其次是產(chǎn)于巖體內(nèi)的捕虜體鐵礦體,產(chǎn)于碳酸鹽巖內(nèi)捕虜體礦體規(guī)模最小。

圖4 北落峽301勘探線礦化蝕變帶剖面圖Fig.4 Cross section of m ineralization alteration along exploration l ine 301 in Beiluoxia

2.2 礦石組成及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石的礦物組成簡單,以磁鐵礦為主,次為黃鐵礦,以及少量磁黃鐵礦,黃銅礦和銅蘭等。當(dāng)黃鐵礦成為主要礦石礦物時,礦石則為硫鐵礦礦石(如交界坡25號礦體北端和蘆溝10號礦體北端的礦石) (表2)。在某些氧化礦石中,假象赤鐵礦是主要礦石礦物。脈石礦物以透輝石和碳酸鹽礦物為主,次為角閃石、鎂橄石、石榴石、綠簾石等。晚期蝕變礦物有透閃石、黑云母、鐵云母、綠泥石、蛇紋石、滑石、及晚期碳酸鹽等。

表4 西安里雜巖體巖石礦物Pb同位素分析測試結(jié)果Table4 Analysis result of lead isotope in complexrocks and m inerals from Xi’anli

礦石結(jié)構(gòu)以自形-半自形和他形結(jié)構(gòu)為主,其次為包含狀結(jié)構(gòu)、熔蝕和交代殘余結(jié)構(gòu)以及壓碎結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造以浸染狀、致密塊狀、條紋-條帶狀、斑雜狀、細脈狀為主,并含有少量晶洞、皺紋狀、角礫狀和膠狀構(gòu)造。

2.3 生成順序

根據(jù)野外及室內(nèi)的綜合研究,將礦石礦物組合分為早期、晚期兩個形成階段:早期階段以氣液蝕變交代作用為主,晚期階段以熱液交代作用為主。氣液蝕變交代作用早期為巖基的淋濾(李洪普等, 2009),伴有強烈的鈉長石化作用,形成了一套以鈉長石為主的交代巖(圖3a);晚期為鈣鎂-鐵質(zhì)交代作用為主,主要形成透輝石矽卡巖及少量的石榴石矽卡巖(圖3b)。磁鐵礦主要在晚期蝕變階段形成,它總是以交代透輝石或碳酸鹽圍巖為主。熱液蝕變交代作用早期以鈣質(zhì)交代作用為主,形成一套含水硅酸鹽,如葡萄石、綠簾石、陽起石、透閃石等高溫?zé)嵋旱V物;晚期往往形成中低溫的綠泥石、蛇紋石、方解石等。

圖5 北落峽第28勘探線剖面圖及K2O、Na2O、TFe三種氧化物分布曲線圖(Tero Niranenet al.,2007)Fig.5 Cross-section of exploration l ine 28 and K2O、Na2O、TFe distribution curves of core samples in the Beiluox ia area

2.4 蝕變帶特征

研究區(qū)內(nèi)不同類型的蝕變作用在時間上有先后,在空間上往往互相疊加,但蝕變分帶特征仍十分明顯,如北落峽301勘探線剖面(圖4)。根據(jù)蝕變帶內(nèi)礦物種類和含量的不同,從巖體到圍巖可將蝕變帶依次劃分為以下5個帶:①鈉長巖帶(白色帶),巖石廣泛發(fā)生鈉長石化,暗色礦物逐漸減少,斜長石被鈉長石取代,巖石顏色變?yōu)闇\灰色或灰白色。鈉長石化在接觸帶附近最強,遠離接觸帶逐漸變?nèi)?其寬度、厚度變化急劇,幾十米～幾百米不等;

圖7207Pb/204Pb-206Pb/204Pb同位素相關(guān)曲線圖解(據(jù)楊學(xué)明等,2009修編)Fig.7 Correlation curves of isotope207Pb/204Pb-206Pb/204Pb(modified from Yang et al.,2009) NHRL:北半球參考線,地球等時線年齡為4.55Ga;DM:虧損地幔;BSE:全硅酸鹽地;M I:富集地幔I;EM II:富集地幔II;H IMU:具有高U/Pb比值的地幔;PREMA:普通地幔;MORB:洋中脊玄武巖;1-閃長巖-二長閃長

3 成礦物質(zhì)來源探討

3.1 蝕變帶內(nèi)元素分布特征

為了研究元素在各蝕變帶的分布變化情況,本次將本區(qū)第28-7鉆孔的部分巖芯樣進行化學(xué)分析,分析結(jié)果見表3。在圖5中,蝕變帶從上往下依次為:鈉長巖-透輝鈉長巖及透輝斜長巖-鈉長巖, Na2O含量的變化為先減少后增大,而K2O和TFe為先增大后減少,尤其在透輝斜長巖帶向磁鐵礦帶過渡中,TFe含量表現(xiàn)為突變性增大。從上面分析可以看出,未蝕變的閃長巖,在高溫富含揮發(fā)份流體的作用下,巖石中暗色礦物(角閃石、黑云母等)和磁鐵礦解體消失,并從溶液中帶出鐵質(zhì)和K2O,帶入Na2O,形成大量鈉長石等新生礦物。在鈉長石化帶中,從侵入巖向礦體方向,鈉長石化由弱到強,巖石中Na2O漸趨增高,鐵質(zhì)和K2O含量逐漸降低,褪色現(xiàn)象也逐步顯著,由閃長巖類的深灰色漸變?yōu)殁c長巖的灰-灰白色。鈉長石化的范圍、強度與礦體規(guī)模成正比,即鈉化越強、范圍越大,則礦體規(guī)模也大。鈉長石化已成為本區(qū)重要的找礦標志。

圖6208Pb/204Pb-206Pb/204Pb同位素相關(guān)曲線圖解(Critianaet al.,2004)Fig.6 Correlation curves of isotope208Pb/204Pb-206Pb/204Pb

從上述蝕變作用帶中元素的帶入帶出關(guān)系不難看出,鐵礦石中的鐵是由閃長巖從深部帶出,在巖體就位以后,受鈉化蝕變形成白色鈉長巖帶,并將鐵質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含鐵質(zhì)溶液,最終形成鐵礦體。

3.2 鉛同位素特征

鉛同位素組成除受放射性衰變和混合作用影響外,不會在物理、化學(xué)和生物作用過程中發(fā)生變化,即在礦質(zhì)運移和沉淀過程中鉛同位素組成保持不變(沈渭洲,1987)。因此鉛同位素組成是示蹤成礦物質(zhì)來源最直接、最有效的一種方法,被廣泛應(yīng)用于各種礦床的研究中(張乾等,2000,2002a,2002b)。

為了研究本區(qū)磁鐵礦的礦物質(zhì)來源,本次研究測試了3件黃鐵礦樣品4件晚期閃長巖樣品和2件早期橄欖輝長巖樣品,其中3件黃鐵礦樣品均采自西安里蘆溝礦區(qū),并且它們都與磁鐵礦共生在一起,可以認為黃鐵礦與磁鐵礦的鐵質(zhì)來源是相同的。巖礦石的鉛同位素分析結(jié)果見表2,礦石鉛與巖體鉛同位素組成接近,說明礦石鉛與巖體鉛具有大致相同來源;在206Pb/204Pb-208Pb/204Pb演化模式圖解上(圖6),晚期中性侵入巖投影點落在下地殼和造山帶鉛增長線之間,早期橄欖輝長巖和角閃閃長巖落在地幔和造山帶鉛增長線之間,而黃鐵礦落在早期和晚期侵入巖之間的造山帶鉛增長線附近,這些特征表明,黃鐵礦中的鉛與早期、晚期侵入巖中的鉛存在某種聯(lián)系,或者說早期、晚期侵入巖為黃鐵礦的形成提供了一定物質(zhì)來源(湯中立,2002);另一方面,黃鐵礦的鉛為下地殼鉛和造山帶鉛的混合鉛,但由于模式圖中的造山帶鉛的含義不明確,它實際上包括了高μ值的整合鉛、俯沖帶的殼?；旌香U、海底熱水作用鉛和部分沉積與變質(zhì)作用鉛。這種混合作用通常以沉積作用、火山作用、巖漿作用、變質(zhì)作用以及極速的侵蝕循環(huán)作用等方式把來源地幔、上地殼和下地殼的鉛混合,形成具有均一U/Pb和Th/Pb的造山帶鉛。根據(jù)上面的分析,黃鐵礦的鉛很可能屬于下地殼鉛和地幔鉛的混合鉛,其來源于早期、晚期侵入巖中的鉛。在206Pb/204Pb-2087Pb/204Pb演化模式圖中(圖7),所有樣品都落在地球等時線的右側(cè),以富集放射性成因Pb為特征,說明源區(qū)應(yīng)富集大離子親石元素U、Th,屬于富集地幔型。所測樣品幾乎都落在了EM I、EM II之間的下地殼和普通地幔范圍內(nèi),并明顯形成了兩組,其中,晚期閃長巖為一組;角閃閃長巖與早期橄欖輝長巖為一組。本次所測的三個黃鐵礦樣品有兩個靠近晚期侵入巖,有一個靠近早期侵入巖,說明黃鐵礦的鉛與晚期侵入體的關(guān)系比與早期侵入體的關(guān)系密切。

從以上分析可以看出,晚期中性侵入體為黃鐵礦提供了主要的鉛,但是早期超基性-基性侵入體也為黃鐵礦的形成提供了一定的物質(zhì)來源。由于所測的黃鐵礦均與磁鐵礦共生,說明黃鐵礦和磁鐵礦具有共同的成礦物質(zhì)來源,同時進一步的也說明了晚期侵入體是本區(qū)磁鐵礦的主要成礦母巖,但早期侵入巖也為磁鐵礦的形成提供了一定量的物質(zhì)來源,其很可能是通過被晚期閃長巖同化交代,大量鐵礦質(zhì)進入了晚期閃長巖,經(jīng)后期鈉化蝕變,鐵質(zhì)析出,在有利的部位形成磁鐵礦。

4 結(jié)論

①地球化學(xué)成分研究表明,巖體在發(fā)生鈉化的過程中,巖漿熱液將Na被帶入,Fe、K帶出,并有利的地段形成鐵礦體。

②鉛同位素示蹤進一步表明,晚期閃長巖是主要的成礦母巖,但早期超基性-基性侵入巖也提供了一定了物質(zhì)來源,結(jié)合該區(qū)早期、晚期侵入巖的時空分布關(guān)系,早期超基性-基性侵入巖很可能是通過被晚期中性侵入巖交代同化,大量鐵質(zhì)進入晚期中性巖漿之內(nèi)的方式,間接為鐵礦體提供了物質(zhì)來源。

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Geological Characteristics of Skarn Iron Deposits and Their
M ineralization Material Source in the P ingshun Area,Shanxi Province

ZHANG Hai-dong1, LIU Jian-chao1, CHEN Zheng-le2, LIU Shu-wen1, GE Xiao-hong1, CHENG Huan1, ZHANG Xue
(1.Resource College of Chang an University,Xi an 710054;
2.Institute of Geomechanics,Chinese Academ y of Geological Sciences,Beijing 100081)

The skarn-type iron depositsmainlyoccur in the contact zone between Yanshan intermediate rocks andMiddleOrdovician carbonate rocks in the Ping Shun area of Shanxi Province.The mineralization and alteration show pronounced zoning,and albitization is an important ore-hunting indicator.The208Pb/204Pb and207Pb/204Pb206Pb/204Pb ratiosof pyrite are in the rangesof 17.741～18.301(averaged 17.993)and 15.433～15.551(averaged 15.495),respectively.The208Pb/204Pb and207Pb/204Pb、206Pb/204Pb ration of early intrusive rocks samples are 17.859～18.474,and 15.429～15.431,respectively,while later intrusive rocks samples are 17.959～18.223(averaged 18.088),and 15.434～15.566(averaged 15.536),respectively.The Pb isotopic compositions of various kinds of samples from the deposit and the chemical composition of part 7thhole’s core samples in Beiluoxia show that the ore material ofmegnetite originated from inter mediate intrusive rocks of the middle stage aswell as ultramafic-mafic intrusive rocks of the early stage.Ultramafic-mafic intrusive rocks are assimilated by intermediate rocks,leading to lotsof iron entering the suldenite of late stage.The later sodic alteration caused iron precipitation and then formation ofmagnetite,which served as the material source formineralization indirectly.

Pingshun area,Shanxi,early and later intrusive rocks,Pb isotopic,mineralization material source

book=7,ebook=318

P618.42

A

0495-5331(2010)04-0634-09

2009-04-22;

2010-06-17;[責(zé)任編輯]鄭 杰。

全國危機礦山項目(編號:200614004),(編號:200899500)資助。

張海東(1982年-),男,2008年畢業(yè)于長安大學(xué),獲碩士學(xué)位,在讀博士生,現(xiàn)主要從事礦床地質(zhì)研究工作,Email: zhang150079@tom.com。