何朝鑫, 陳翠華*, 李佑國, 張 燕, 代鴻章, 尹 力,王池源, 鄒 發(fā), 李長山, 宋玉坤, 涂宗林

(1. 成都理工大學 地球科學學院, 四川 成都 610059; 2. 中國地質大學(北京), 北京 100083)

0 引 言

雙慶鐵礦床位于青海省都蘭縣, 屬于祁漫塔格-都蘭成礦帶, 該成礦帶礦產豐富, 以鐵銅多金屬礦為主。大地構造位于柴達木盆地南緣, 東昆侖成礦帶東段、北西西向布爾漢布達山和北北西向鄂拉山之間(圖 1)。祁漫塔格-都蘭成礦帶整體研究程度較低, 豐成友等、吳健輝等對祁漫塔格-鄂拉山地區(qū)的成礦規(guī)律和斑巖型-夕卡巖型礦床地質研究有所涉及[1–4]。周顯強和張占玉等分別對都蘭地區(qū)的控礦構造和夕卡巖型鐵多金屬礦地質特征及成礦規(guī)律有所研究[1,5]。而在祁漫塔格-都蘭成礦帶上的典型礦床研究甚低, 僅沈貴春等、張芬英等和保守禮等對青海都蘭縣洪水河鐵礦床的地質特征、礦床成因及找礦遠景有所研究[6–8]。梁海川等和張延林等分別對占卜扎勒鐵礦、躍進山鐵礦地質特征及成因有所研究[9–10]。雙慶鐵礦床作為其成礦帶上的典型礦床, 卻從未有過系統(tǒng)研究。目前僅筆者[11–13]對該礦床的控礦構造、地質特征、礦物共生組合等方面作有簡要分析, 未存有過對該礦床中金屬硫化物地球化學特征等方面進行研究。本文旨在分析雙慶鐵礦床中金屬硫化物地球化學特征, 結合閃鋅礦標型特征研究, 以期為礦床中金屬硫化物生成環(huán)境提供指示意義。

1 成礦地質背景

區(qū)域大地構造位于古亞洲與特提斯構造域的結合部位, 是中央造山帶西部成員-秦祁昆造山系的一部分, 地處東昆侖多島弧盆造山系的西段, 區(qū)域上自北向南可劃分出6個次級構造巖漿帶(圖1)。該區(qū)成礦帶隸屬秦祁昆成礦域、昆侖成礦省、東昆侖成礦帶之祁漫塔格Fe-V-Ti-Au-Cu-Pb-Zn成礦亞帶[14]。區(qū)內地層均有出露, 以古生界和中生界為主。概括為古-中元古界基底、下古生界、上古生界和下中生界4個構造層群。區(qū)內巖漿活動強烈, 種類齊全(侵入巖、噴出巖、基性-超基性和中酸性均有產出), 自西向東有加里東期-華力西期-印支期-燕山期的變化趨勢。以祁漫塔格蛇綠巖為界, 北部發(fā)育加里東-華力西巖體, 南部發(fā)育印支-燕山期巖體。區(qū)內鐵、銅、鉛鋅等多金屬成礦與印支期和加里東期的小巖體、巖脈、巖枝和不規(guī)則狀的中酸性花崗質侵入巖關系密切[2]。

青海省都蘭縣雙慶鐵礦床位于青海省都蘭縣西南60 km, 距香日德鎮(zhèn)北2 km, 屬都蘭縣管轄, 交通便利。礦區(qū)大面積為第四系所覆蓋, 僅在礦區(qū)北側有零星侏羅系及石炭系地層出露。出露的下石炭統(tǒng)大致可分為上、中、下三部分: 上部為綠色片巖組;中部為碳酸鹽建造; 下部為砂頁巖建造。侏羅系主要為火山碎屑巖及熔巖組成, 礦區(qū)火成巖種類較多,主要有花崗閃長巖、斜長花崗斑巖、花崗閃長斑巖,次為黑云母花崗巖、斜長花崗巖、閃長玢巖及煌斑巖, 多為巖脈, 少數呈巖枝產出, 一般規(guī)模不大[15]。雙慶鐵礦床為中酸性巖漿成礦系列中的鐵礦床和殼幔型中酸性巖漿活動有關[16]。

雙慶鐵礦床整體由大小不同的小礦體組成, 礦體長 100～650 m, 沿傾斜方向延伸25～195 m, 礦體沿北東走向斷續(xù)分布長約3 km, 多呈斷續(xù)式、平行式排列, 厚度變化較大, 從1～2 m至20 m均有。礦體主要賦存于綠色片巖與大理巖層間, 其次沿大理巖層面或裂隙間分布, 少數礦體位于綠色片巖中。礦體形態(tài)一般呈透鏡狀和扁豆狀, 透鏡狀的礦體在其中心部位礦體稍厚且富, 而向四周變薄成楔形尖滅或分岔尖滅, 貧礦多分布于邊部。部分礦體局部受褶皺影響形成不規(guī)則鞍狀, 礦體規(guī)模小、變化大(圖2)。該鐵礦床為侏羅紀花崗巖與下石炭統(tǒng)中部碳酸鹽巖建造及上部片巖發(fā)生接觸交代, 形成夕卡巖型鐵礦床[11]。

圖1 青海省都蘭地區(qū)區(qū)域構造略圖(據張占玉等[1])Fig.1 Sketch map showing regional structure in the Dulan area, Qinghai Province (after Zhang et al.[1])

圖2 雙慶鐵礦床地質簡圖Fig.2 Geological sketch map of the Shuangqing iron deposit

雙慶鐵礦床中原生金屬氧化物主要有磁鐵礦、穆磁鐵礦, 原來金屬硫化物有輝鉬礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦(圖3), 次生金屬礦物有少量銅藍、針鐵礦、褐鐵礦、鉛釩等。礦床中非金屬礦物主要有石榴子石、硅灰石、透輝石、陽起石、綠簾石、綠泥石、絹云母、石英、方解石及碳酸鹽巖等。

礦石構造主要有致密塊狀構造、次塊狀構造、稠密浸染狀構造、團塊狀構造、脈狀-網脈狀構造和星散狀構造等。礦石結構主要有由結晶作用形成的自形-半自形結構、他形結構、生長環(huán)帶結構、包含結構、共邊結構; 交代作用形成的交代結構、交代殘余結構、脈狀充填結構、交錯網脈狀結構、浸蝕結構; 固溶體分離作用形成的固溶體分離結構和定向固溶體分離結構。

雙慶鐵礦床的原生礦石類型相對較多, 按礦物組合分為磁鐵礦礦石、黃銅礦-磁鐵礦礦石、黃鐵礦-磁鐵礦礦石、黃鐵礦-黃銅礦-磁鐵礦礦石、方鉛礦-閃鋅礦-磁鐵礦礦石、方鉛礦-閃鋅礦礦石、黃銅礦-閃鋅礦-黃鐵礦礦石。另有經次生氧化作用而形成的礦石, 如磁鐵礦-褐鐵礦礦石和孔雀石等。

雙慶鐵礦床的圍巖蝕變現象發(fā)育明顯, 主要為夕卡巖化、硅化、絹云母化、碳酸鹽化等[12–13]; 其中夕卡巖化與礦化關系密切, 夕卡巖礦物主要有石榴子石、硅灰石、透輝石、透閃石、陽起石、綠簾(泥)石等。

根據礦床產出的地質特征、礦石的物質組成及礦石組構特征等, 將雙慶鐵礦床成礦過程劃分為 3期, 分別為夕卡巖期、石英-硫化物期及表生期。

根據礦物的共生組合及其生成順序關系, 將雙慶鐵礦床的夕卡巖期劃分為 3個階段, 分別為早夕卡巖階段、晚夕卡巖階段和氧化物階段。早夕卡巖階段主要形成一套無水夕卡巖礦物, 主要有石榴子石、硅灰石和透輝石; 晚夕卡巖階段主要由交代作用形成的一套含水夕卡巖礦物組合, 主要有透閃石、陽起石、綠簾石、綠泥石等; 氧化物階段溶液中的鐵元素除部分參與硅酸鹽礦物外, 大量以磁鐵礦形式晶出, 該階段是雙慶鐵礦床的主要成礦階段,故又稱磁鐵礦階段。該階段形成大量磁鐵礦和少量穆磁鐵礦, 另有少量金屬硫化物形成, 如輝鉬礦和磁黃鐵礦等。

根據在石英-硫化物期不同礦物的先后生成關系及其組合特征, 又細分出 2個階段, 即早期石英硫化物階段和晚期石英硫化物階段。早期石英硫化物階段生成的非金屬礦物有綠簾石、綠泥石、絹云母、碳酸鹽和少量石英等; 而金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦等大量硫化物晶出。晚期石英硫化物階段主要以石英和碳酸鹽類礦物增多為特征, 形成的非金屬礦物有石英、方解石及碳酸鹽礦物; 金屬礦物有方鉛礦、閃鋅礦,其次還有少量黃銅礦、黃鐵礦等。

表生期主要為由風化表生作用形成的次生礦物,有磁鐵礦、黃鐵礦等經次生氧化作用形成的針鐵礦、褐鐵礦等, 另有少量含銅礦物經氧化作用而形成孔雀石等。

圖3 雙慶鐵礦床金屬硫化物顯微照片Fig.3 Photographs of metal sulfides in the Shuangqing iron deposit

2 樣品分析與測試方法

本次實驗采自雙慶鐵礦床中新鮮、無風化蝕變的黃鐵礦-黃銅礦-磁鐵礦礦石、方鉛礦-閃鋅礦-磁鐵礦礦石、黃銅礦-閃鋅礦-黃鐵礦礦石、方鉛礦-閃鋅礦礦石樣品, 對其磨制探針片, 經顯微鏡下仔細觀察、鑒定, 選取有代表性金屬硫化物進行電子探針分析測試。樣品測試在核工業(yè)北京地質研究院分析測試研究中心完成。分析儀器為JXA-8100電子探針分析儀, 采用波譜定量分析元素組成, 測試條件為加速電壓 20 kV, 束流為1×10–8A, 出射角為40°, 測試方法和依據為GB/T 15074-2008《電子探針定量分析方法通則》。

從對應作電子探針分析的閃鋅礦樣品磨制包裹體片, 挑選透明度較好閃鋅礦在成都理工大學地球科學學院流體包裹本實驗室進行包裹體觀察及顯微測溫, 測溫采用Linkam THMSG600型冷熱臺進行,主要測定閃鋅礦中流體包裹體的均一溫度和冰點溫度。該冷熱臺利用鉑電阻傳感器, 測溫范圍為–196～600 ℃, 溫度顯示 0.1 ℃, 控制穩(wěn)定溫度±0.1 ℃。儀器400 ℃時, 相對于標準物質誤差在±2 ℃內; –22 ℃時, 誤差為±0.1 ℃。儀器標定與樣品測試均在 7 mm樣品臺及銀蓋恒溫室中進行。

3 測試結果及討論

3.1 金屬硫化物地球化學特征

雙慶鐵礦床的金屬硫化物主要有輝鉬礦、黃鐵礦(磁黃鐵礦)、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦及次生銅藍,分別對其成分進行電子探針測試, 測試結果見表1、表2、表3和表4。

輝鉬礦的3個測試結果表明Mo的變化范圍為58.77%～59.06%, 平均為 58.96%; S的變化范圍為41.12%～41.24%, 平均為 41.17%; 通過計算, 得出輝鉬礦的平均化學式為Mo0.95S2。

黃鐵礦的 3個測試結果表明 Fe的變化范圍為44.93%～45.54%, 平均為 45.21%; S的變化范圍為51.94%～53.94%, 平均為 53.19%; 通過計算, 得出黃鐵礦的平均化學式為 Fe0.97S2; 一般情況下, 可以通過黃鐵礦的 Co/Ni比值來判斷其成因, 雙慶鐵礦床的黃鐵礦因缺乏Ni含量而無法判斷成因類型。

黃銅礦的 4個測試結果表明 Cu的變化范圍為34.12%～35.36%, 平均為 34.78%; Fe的變化范圍為28.79%～30.64%, 平均為 29.79%; S的變化范圍為34.26%～35.28%, 平均為 34.70%; 通過計算, 得出黃銅礦的平均化學式為Cu1.00Fe0.98S2。

閃鋅礦的 5個測試結果表明 Zn的變化范圍為48.39%～57.33%, 平均為 53.51%; Fe的變化范圍為7.56%～13.26%, 平均為 10.17%; S的變化范圍為33.65%～34.15%, 平均為33.89%; 另有Cu的變化范圍為 0.07%～3.44%, 平均為 2.15%; Mo的變化范圍為 0.12%～0.17%, 平均為0.16%; Mn的變化范圍為0.06%～0.21%, 平均為 0.14%; Cd的變化范圍為0.16%～0.23%, 平均為 0.19%; Zn/Fe的變化范圍為3.65～7.56, 平 均 為 5.6; Zn/Cd 的 變 化 范 圍 為248.57～358.31, 平均為290.77; Fe/Cd的變化范圍為32.87～73.67, 平均為 54.65; 通過計算, 得出閃鋅礦的平均化學式為Zn0.78Fe0.17S。

方鉛礦的 2個測試結果表明 Pb的變化范圍為85.73%～85.90%, 平均為 85.82%; S的變化范圍為13.28%～13.35%, 平均為 13.32%; Ag的變化范圍為0.11%～0.12%, 平均為 0.11%; Bi的變化范圍為0.46%～0.53%, 平均為 0.50%; Cd的變化范圍為0.0015%～0.0028%, 平均為 0.0021%; 可見方鉛礦中含有少量Ag元素, 這也說明方鉛礦為載Ag礦物。通過計算, 得出方鉛礦的平均化學式為Pb1.00S。

銅藍中含 Cu為 63.81%, Fe為 3.34%, S為29.83%; 計算得到銅藍化學式為Cu1.07Fe0.06S。

根據雙慶鐵礦床礦床地質特征中生成的金屬硫化物礦物先后順序, 有輝鉬礦→黃鐵礦(磁黃鐵礦)→黃銅礦→閃鋅礦→方鉛礦→銅藍, 結合電子探針測試數據分析, 通過計算所得到的各金屬硫化物平均化學式與其對應金屬硫化物礦物的標準化學式對比表明, 其平均化學式的 S元素比例逐漸減弱,表明對應礦物生成的還原環(huán)境在逐漸減弱。

3.2 閃鋅礦地質溫度計

閃鋅礦是雙慶鐵礦床中較常見的一種金屬硫化物。從顯微鏡下結構特征分析, 大致將閃鋅礦分為早晚兩階段; 早階段閃鋅礦被方鉛礦交代, 形成交代結構; 晚階段閃鋅礦與方鉛礦近乎同時生成, 形成共邊結構; 早階段閃鋅礦顯微鏡下多呈深灰色,R≈17, 正交鏡下顯均質性特征, 具明顯深紅色內反射色; 晚階段閃鋅礦多呈灰褐色,R≈ 16.5, 正交鏡下具橙黃色-黃紅色內反射色。通過閃鋅礦內反射色推測其Fe元素含量較高, 而探針數據也證實了這一結論, 早階段閃鋅礦 Fe元素含量變化范圍為10.84%～13.26%, 平均含量為 11.83%, 晚階段閃鋅礦Fe元素含量變化范圍為7.56%～7.80%, 平均含量為7.68%; 閃鋅礦中整體Fe元素平均含量為10.17%,說明閃鋅礦的整體生成溫度可能偏高, 屬于中偏高溫型閃鋅礦。

此外, 早階段閃鋅礦 Zn元素含量變化范圍為48.39%～52.91%, 平均為 51.01%; Cu元素含量變化范圍為 2.17%～3.44%, 平均為 2.84%; Zn/Fe比值的變化范圍為3.65%～4.88%, 平均為4.36%; Fe/Cd比值的變化范圍為63.33%～73.67%, 平均為68.5%; 晚階段閃鋅礦Zn元素含量變化范圍為57.17%～57.33%,平均為57.25%; Cu元素含量為0.07%; Zn/Fe比值的變化范圍為7.35～7.56, 平均為7.46; Fe/Cd比值的變化范圍為32.87～48.75, 平均為40.81; 從上述元素含量變化趨勢可知, 由早階段閃鋅礦至晚階段閃鋅礦,其Zn元素含量逐漸增加, Fe、Cu元素含量逐漸減少,

致使其Zn/Fe逐漸增加, Fe/Cd逐漸減少。

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表4 雙慶鐵礦閃鋅礦電子探針分析結果數據(%)Table 4 Electron microprobe analysis (%) of sphalerite in the Shuangqing iron deposit

本文在全面、綜合考慮的基礎上, 將所有閃鋅礦測試數據作為一個整體進行分析。據余瓊華等[17]研究發(fā)現, 閃鋅礦的 Zn/Fe比值與成礦溫度關系密切, 如表5所示。

表5 閃鋅礦的Zn/Fe比值與成礦溫度關系Table 5 Relationship between ratio of Zn/Fe in sphaleriteand mineralization temperature

雙慶鐵礦床的閃鋅礦 Zn/Fe的變化范圍為3.65～7.56, 平均為 5.6(＜10), 屬于中偏高溫型閃鋅礦。另外, 徐國風統(tǒng)計閃鋅礦中的Zn/Cd比值表明,閃鋅礦中的Zn/Cd比值越高說明其形成溫度越高[18]。雙慶鐵礦床的閃鋅礦 Zn/Cd的變化范圍為248.75～358.31, 平均為 290.77, 說明本礦床的閃鋅礦形成溫度偏高, 亦證實雙慶鐵礦床的閃鋅礦屬于中偏高溫型閃鋅礦。

閃鋅礦作為地質溫度計推算其形成溫度已得到認識和研究。盧煥章[19]根據閃鋅礦與黃鐵礦或閃鋅礦與黃鐵礦和磁黃鐵礦共生時的Fe元素含量, 即Fe以類質同像形式進入閃鋅礦時兩者存在生成溫度的函數關系, 得出閃鋅礦地質溫度計和壓力計的結論。童潛明[20–21]根據閃鋅礦-方鉛礦中Cd元素的分配, 利用Cd在各自礦物中的分配系數來探討閃鋅礦的形成溫度。根據地質熱力學原理, 即共生礦物對的微量元素分配系數建立起 Zn-Cd-Mn-S體系的地質溫度計。分配系數而實際成礦作用中, 除了Cd、Zn、S、Mn的加入外,還有Fe的加入, Fe在閃鋅礦中以類質同像的形式進入閃鋅礦中, 考慮到Fe對成礦溫度的影響, 對上式進行修正為:

對雙慶鐵礦床中的閃鋅礦平均溫度進行計算如下:

而

且

則

通過對雙慶鐵礦床的閃鋅礦進行溫度計算, 得出其平均溫度約為 284.9 ℃, 屬于中偏高溫型閃鋅礦(250～300 ℃)。通過計算得出的閃鋅礦類型與閃鋅礦中Zn/Fe比值和Zn/Cd比值確定的閃鋅礦類型相吻合。

3.3 閃鋅礦流體包裹體

閃鋅礦的流體包裹體研究是基于透射偏光顯微鏡的實驗條件基礎上, 選取雙慶鐵礦床中含Fe量較低、透明性相對較好的晚期閃鋅礦進行研究。閃鋅礦中的流體包裹體主要有 3種類型, 分別為含子晶包裹體、氣液兩相包裹體和純氣相包裹體 (圖4), 其分布特征描述如下。

(1) 含子晶包裹體 為原生流體包裹體,多呈近橢圓狀呈孤立或星散狀分布, 少數呈線性分布于閃鋅礦中; 子晶可能為食鹽細小顆粒,包裹體大小較均一, 普遍約 8～10 μm。其中子晶比氣泡略小或近乎大小相當, 推測子晶大小占整個包裹體大小的 5%左右, 而氣液比約為 10%～15%(圖 4a)。

(2) 氣液兩相包裹體 有原生包裹體和次生包裹體。原生包裹體體積較大, 約10 μm, 多數呈負晶形孤立狀或星點狀分布, 少數為橢圓狀星點狀分布, 其包裹體的氣液比約 10%～15%; 次生包裹體體積偏小, 約 2～3 μm, 多呈群呈帶沿微裂隙分布(圖4b、4c)。

(3) 純氣相包裹體 該類包裹體大小約5 μm,呈星點狀分布, 數量較少, 與氣液兩相包裹體呈帶分布(圖 4d)。

從閃鋅礦的流體包裹體均一溫度測試結果(表 6)可以看出, 均一溫度變化范圍為 255～274 ℃, 平均值為 265.7 ℃; 介于余瓊華等定義的中偏高溫型閃鋅礦(250～300 ℃)變化范圍間, 因而確定其屬于中偏高溫型閃鋅礦, 亦與通過閃鋅礦的 Zn/Fe比值及閃鋅礦地質溫度計計算生成溫度(284.9 ℃)接近, 相互佐證雙慶鐵礦床中形成的閃鋅礦屬于中偏高溫型閃鋅礦。

圖4 雙慶鐵礦床閃鋅礦中流體包裹體顯微照片(單偏光, 500×)Fig.4 Photomicrographs of fluid inclusions in sphalerite in Shuangqing iron deposit (polars uncrossed, 500×)

表6 雙慶鐵礦床中閃鋅礦流體包裹體均一溫度測試結果Table 6 Test results of homogenization temperature of fluid inclusions in sphalerite in Shuangqing iron deposit

4 結 論

(1) 在對雙慶鐵礦床礦床地質特征詳細分析描述的基礎上, 確定其金屬硫化物由輝鉬礦→黃鐵礦(磁黃鐵礦)→黃銅礦→閃鋅礦→方鉛礦→銅藍的先后生成順序, 再對其分別進行電子探針測試數據分析, 通過計算所得到的各金屬硫化物平均化學式與其對應金屬硫化物礦物的標準化學式對比結果表明,其平均化學式的 S元素比例逐漸減弱, 表明對應礦物生成的還原環(huán)境在逐漸減弱。

(2) 常見金屬硫化物閃鋅礦有早晚兩個階段,不同階段閃鋅礦的結構特征及物質組成存有差異。成分上表現為Zn、Fe、Cu等元素含量不同, 因而其Zn/Fe、Fe/Cd比值亦不同。綜合早晚兩階段所有閃鋅礦的Zn/Fe比值及Zn/Cd比值確定屬于中偏高溫型閃鋅礦(250～300 ℃); 通過童潛明[20–21]利用閃鋅礦地質溫度計的計算方法, 得出得出閃鋅礦平均生成溫度約為 284.9 ℃, 屬于中-高溫型閃鋅礦, 與Zn/Fe比值和Zn/Cd比值確定的閃鋅礦類型吻合。

(3) 通過對閃鋅礦中流體包裹體均一溫度測試結果, 表明其均一溫度變化范圍為 255.0～274.0 ℃,平均均一溫度為 265.7 ℃, 與閃鋅礦地質溫度計計算其形成溫度 284.9 ℃接近, 進而佐證礦床中閃鋅礦為中偏高溫型閃鋅礦。

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