雷源保，賴健清，陳 隨，安江華

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

鳳凰山銅多金屬礦床位于安徽省銅陵市東南部，是銅陵地區(qū)最著名的七大夕卡巖礦床之一。該礦床位于新屋里復(fù)式巖體的西部接觸帶，是鳳凰山礦田中規(guī)模最大的銅金多金屬礦床。前人在此曾做過大量的地質(zhì)研究工作，開展了成礦預(yù)測(cè)，對(duì)礦床地質(zhì)特征、成礦條件和成礦作用有了較深入的認(rèn)識(shí)，但在礦床地球化學(xué)領(lǐng)域的研究還相對(duì)薄弱。本文結(jié)合國家“十一五”科技支撐課題，在礦體中磁鐵礦單礦物的稀土元素地球化學(xué)的研究方面進(jìn)行探索，討論礦床成礦物質(zhì)的來源、成礦的物理化學(xué)環(huán)境以及巖漿巖的演化特征，為礦床成因和形成環(huán)境方面的研究提供新的思路。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

鳳凰山銅多金屬礦位于長(zhǎng)江中下游銅鐵成礦帶的銅陵礦集區(qū)［1］。大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子板塊與華北板塊結(jié)合部位，受區(qū)域性的揚(yáng)子深大斷裂控制。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為下三疊統(tǒng)龍山組灰?guī)r、南陵湖組灰?guī)r、以及中三疊統(tǒng)月山組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，有軸線為NE方向的新屋里復(fù)式向斜，斷裂構(gòu)造復(fù)雜，主要為與褶皺軸向平行的NE向斷層，其次為一些晚期的NW向、NNW向斷層。巖漿活動(dòng)以燕山晚期的花崗閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)斑巖侵入為主，主要有新屋里巖體及一些小型脈巖。新屋里巖體沿NE向延伸的復(fù)式向斜核部侵入，呈近等軸狀，出露面積約10 km2。圍繞巖體分布有鳳凰山、江家沖、清水塘、仙人沖、鐵山頭和寶山陶等銅礦床，共同構(gòu)成鳳凰山礦田（圖1）［2］。

鳳凰山礦床產(chǎn)于花崗閃長(zhǎng)巖與中下三疊統(tǒng)不純碳酸鹽巖的接觸帶，巖體超覆于地層之上，使碳酸鹽巖廣泛變質(zhì)形成大理巖及鈣質(zhì)夕卡巖。礦床的主要類型為夕卡巖型，晚期疊加與石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)斑巖有關(guān)的斑巖型礦化，主要礦石為磁鐵礦、菱鐵礦、黃銅礦、斑銅礦等。發(fā)育的圍巖蝕變有夕卡巖化、鉀化、石英絹云母化、泥化等。

圖1 鳳凰山礦田地質(zhì)略圖［2］Fig.1 Geological sketch of Fenghuangshan ore field

2 研究方法

在巖石學(xué)研究中，稀土元素是一種化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的元素［3］，在地質(zhì)作用中不易發(fā)生變化，其特征能反映巖石形成的環(huán)境和物質(zhì)來源。本文嘗試?yán)么盆F礦單礦物的稀土元素研究礦床成礦物質(zhì)的來源、成礦的物理化學(xué)環(huán)境以及巖體的形成過程。本次工作在Ⅱ號(hào)礦體的頂?shù)装?、礦體與圍巖接觸帶上及礦體中具有代表性的部位采集了含有磁鐵礦的16個(gè)樣，在室內(nèi)進(jìn)行磁鐵礦單礦物的挑選，其純度可達(dá)99％以上。將挑選出來的單礦物送到澳實(shí)分析檢測(cè)集團(tuán)廣州礦物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稀土稀有金屬熔化法質(zhì)譜儀定量分析（MEMS 81），獲得磁鐵礦單礦物稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各元素的檢出限分別為：La，Ce，Y元素為0.5×10－6；Pr，Sm，Eu，Er，Yb元素為0.03×10－6；Nd元素為0.1×10－6；Gd，Dy元素為0.05×10－6；Tb，Ho，Tm，Lu元素為0.01×10－6。利用Wakita等人（1971）提出的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［4］，并繪制了磁鐵礦稀土元素配分模式圖，并與巖體和圍巖的稀土元素配分模式圖進(jìn)行對(duì)比分析，探討成礦物質(zhì)來源和成礦環(huán)境。通過La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖研究巖體的形成過程。

3 磁鐵礦單礦物稀土元素特征

礦床中的磁鐵礦單礦物稀土元素組成、輕重稀土元素比值、銪異常值等存在較大的變化（表1）。磁鐵礦單礦物稀土總量∑REE為5.11×10－6～110.14×10－6，變化很大；輕重稀土的變化也較大，輕稀土（LREE）變化范圍為4.16×10－6～99.25× 10－6，重稀土（HREE）變化范圍為0.71×10－6～10.17×10－6，輕重稀土比值（LREE/HREE，或L/H）＝1.86～17.03，平均8.75，為輕稀土富集型。按照礦體的不同位置，采用Wakita等（1971）球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化繪制了磁鐵礦單礦物配分模式圖（圖2）。從礦體底板經(jīng)中部到礦體頂板的∑REE平均值逐漸升高，礦體底板（6個(gè)樣）的w（∑REE）＝11.30× 10－6，中部（8個(gè)樣）的w（∑REE）＝29.34×10－6，頂板（2個(gè)樣）的w（∑REE）＝86.15×10－6。LREE/HREE的平均值，礦體底板為7.79，礦體中部為9.69，礦體頂板為9.40。δ（Eu）＝0.25～2.61，呈有規(guī)律性的變化，從礦體底板經(jīng)中部到礦體頂板，δ（Eu）平均值逐漸變小，礦體底板為2.04，礦體中部為1.23，礦體頂板為0.62，即銪從明顯的正異常漸變?yōu)樨?fù)異常。δ（Ce）總體上存在較弱的負(fù)異常，平均值為0.88，有幾個(gè)樣品存在較弱的正異常，但沒有出現(xiàn)一定的規(guī)律。部分樣品銩元素出現(xiàn)負(fù)異常，還有部分樣品鑭元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低。

圖2 磁鐵礦稀土元素配分模式圖Fig.2 The REE patterns of magnetite

表1 磁鐵礦單礦物、巖體和灰?guī)r稀土元素組成及相關(guān)參數(shù)Table 1 The related parameters and results of rare earth elements for magnetite monominerals，magmatic rocks and limestone

4 討論

4.1 稀土元素總量變化反映成礦物質(zhì)的多來源

從礦體的底板、中部至頂板，磁鐵礦單礦物中稀土元素的總量依次增加，平均值從11.30×10－6增至86.15×10－6。由于巖體超覆地層之上，從礦體底板到頂板反映了從接觸帶的外帶到內(nèi)帶的空間關(guān)系。與成礦有密切關(guān)系且超覆于礦體之上的侵入巖體花崗閃長(zhǎng)（斑）巖的稀土元素總量平均為174.26 ×10－6，LREE/HREE平均值為11.65，配分曲線如圖3［5］；與礦體圍巖同層位的區(qū)域地層中下三疊統(tǒng)灰?guī)r中稀土元素總量平均為10.84×10－6，LREE/HREE平均值為11.67［6］，其稀土元素配分曲線如圖4。對(duì)比成礦巖體花崗閃長(zhǎng)巖和地層碳酸鹽巖的稀土配分曲線和稀土元素總量可見，從礦體下伏地層→礦體底板→礦體中部→礦體頂板→超覆巖體，稀土元素配分曲線總體上比較相似，均為向右傾的輕稀土富集型，而其總量則依次遞增。換句話說，礦體中稀土元素特征繼承了巖體和圍巖的特征，反映了巖體和圍巖的多重來源，從礦體底板到頂板，圍巖的組分減少，巖漿巖的組分增加，完全符合地球化學(xué)規(guī)律。可見，礦區(qū)的成礦物質(zhì)具有多來源的特點(diǎn)，既有巖漿提供的成礦物質(zhì)，又包含有圍巖提供的成礦物質(zhì)，從礦體的底板到頂板構(gòu)成了稀土元素的地球化學(xué)分帶，反映了地層與巖體物質(zhì)不同比例的混合。

4.2 銪異常的變化受氧化還原性質(zhì)的影響

從礦體的底板到礦體的中部，再到礦體的頂板，銪異常從顯著的正異常逐漸變?yōu)轱@著的負(fù)異常，而在巖體和圍巖中，均無明顯的異常，銪異常均為0.88（圖2—圖4）。礦物和巖石的銪異常一般出現(xiàn)在2種情況下，即礦物沉淀的水溶液具有銪的異常富集，或者水溶液中有呈Eu2＋的形式存在。礦物發(fā)生化學(xué)沉淀時(shí)一般都是2價(jià)的銪比3價(jià)的銪優(yōu)先進(jìn)入礦物的晶格，因此富Eu的水體或水溶液中2價(jià)銪的出現(xiàn)與否是產(chǎn)生銪異常的主要控制因素［7］。氧逸度的增大有利于Eu2＋轉(zhuǎn)變?yōu)镋u3＋，致使進(jìn)入礦物晶格中的Eu2＋的含量降低，從而使Eu從正異常漸變到無異常，甚至負(fù)異常［8］。圍巖和巖體均無銪異常，說明成礦流體對(duì)銪具有富集作用，從而在礦體中形成銪異常。由于圍巖（灰?guī)r）中可能存在較多的有機(jī)質(zhì)，使得其環(huán)境變得較為還原，氧逸度較低，相對(duì)于巖體呈現(xiàn)較低的氧化還原電位。因此，從礦體底板（靠近地層）至頂板（靠近巖體），銪由正異常變化為負(fù)異?？赡苁怯捎诘貙又杏袡C(jī)質(zhì)降低了熱液中的氧化還原電位引起的，也反映了礦體不同部位成礦物質(zhì)來源的差異?？拷鼛r體一側(cè)的磁鐵礦中具有負(fù)的銪異常，與巖體出現(xiàn)明顯的差異，可能反映經(jīng)歷早期正銪異常的磁鐵礦結(jié)晶之后，殘余溶液中呈現(xiàn)了負(fù)銪異常，說明礦體中從遠(yuǎn)離巖體到靠近巖體的不同部位，礦物的結(jié)晶存在有先后的順序。

圖3 巖體稀土元素配分圖［5］Fig.3 The REE patterns of magmatic rocks 142/106為花崗閃長(zhǎng)巖；76/116為花崗閃長(zhǎng)斑巖

圖4 灰?guī)r稀土元素配分模式圖［6］Fig.4 The REE patterns of limestone

圖5 La/Sm—La關(guān)系圖Fig.5 The diagram of La/Sm－La

圖6 Ce/Yb—Eu/Yb變異圖Fig.6 The variogram of Ce/Yb－Eu/Yb

注：圖中的第1組、第2組、第3組分別代表礦體底部、礦體中部、礦體頂部；圖件采用路遠(yuǎn)發(fā)（2004）的Geokit軟件制作［11］。

4.3 巖漿經(jīng)歷部分熔融和局部分離結(jié)晶

因?yàn)榇盆F礦與巖漿處于一種平衡狀態(tài)，所以磁鐵礦中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在量比角度上可以反映巖漿的成因，利用稀土元素比值的方法可進(jìn)行巖漿成因的探討。

在La/Sm－La關(guān)系圖（圖5）中，樣品點(diǎn)絕大部分落在一條斜線上，只有礦體頂板的2個(gè)樣品和中部的1個(gè)樣品不在這一斜線上，大致呈一條水平線。根據(jù)部分熔融過程表現(xiàn)為一條斜線，分離結(jié)晶表現(xiàn)為一條水平線［9］，可以說明此區(qū)與成礦密切相關(guān)的巖漿巖，其演化過程主要為部分熔融。而礦體頂板的樣品卻大致成一條水平線，表明在巖漿演化的后期可能出現(xiàn)了分離結(jié)晶。在Ce/Yb－Eu/Yb變異圖［10］上，如果樣品點(diǎn)有明顯的線性關(guān)系，表明巖體的形成過程以混合作用為主，如果不呈線性關(guān)系，則以分離結(jié)晶或部分熔融為主。本區(qū)樣品沒有明顯的線性關(guān)系（圖6），表明本區(qū)巖漿具有部分熔融或分離結(jié)晶的特點(diǎn)。綜上所述，La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖說明本區(qū)的巖漿巖以部分熔融為主，成礦作用晚期出現(xiàn)了局部的分離結(jié)晶特征。

5 結(jié)論

通過對(duì)磁鐵礦單礦物和花崗閃長(zhǎng)（斑）巖以及圍巖（灰?guī)r）稀土元素的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）鳳凰山銅（金）礦床的磁鐵礦單礦物的稀土元素為輕稀土富集型，與成礦巖體花崗閃長(zhǎng)巖和地層圍巖的配分曲線非常相似，反映了成礦物質(zhì)的繼承性。

（2）從圍巖（灰?guī)r）到礦體的底板、中部、頂板，再到巖體，稀土元素總量依次增加，說明成礦物質(zhì)是多來源的，在礦體的不同部位存在不同的比例。

（3）從礦體的底板、中部到頂板，Eu異常從明顯的正異常漸變?yōu)槊黠@的負(fù)異常，表明磁鐵礦在成礦過程中從巖體一側(cè)到圍巖一側(cè)，氧逸度逐漸降低。

（4）通過對(duì)La/Sm－La關(guān)系圖和Ce/Yb－Eu/Yb變異圖的分析，本區(qū)的巖漿巖以部分熔融為主，成礦晚期出現(xiàn)局部分離結(jié)晶。

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