甘肃省南祁连化石沟铜矿区绢英岩蚀变地球化学特征

潘美慧, 贾志磊, 欧 健, 侯鹏博

(1. 西北师范大学 地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070; 2. 兰州大学 地质科学与矿产资源学院, 甘肃 兰州730000; 3. 甘肃省 地质矿产勘查开发局, 甘肃 兰州 730000; 4. 江苏省 地质调查研究院, 江苏 南京 210018; 5. 甘肃省电力设计院, 甘肃 兰州 730050)

0 引 言

化石沟铜矿位于南祁连西南缘, 甘肃、青海、新疆三省交界处, 西南距冷湖镇90 km, 东距甘肃省阿克塞县120 km。大地构造位置处于阿尔金-祁连-柴北缘的交汇部位(图 1), 成矿条件十分有利。研究区古生代侵入岩十分发育, 可分为晚泥盆世、中二叠世和晚二叠世三期, 其中中二叠世英云闪长斑岩与成矿关系最为密切,为化石沟铜矿的主要含矿岩体, 部分岩石发生了绢英岩化、硅化等强烈的蚀变。前人对该铜矿的研究主要集中于区域岩体地球化学特征、铜矿地质特征和成矿规律等方面[1–8], 对于英云闪长斑岩原岩与蚀变后形成的绢英岩的关系研究较少, 本文拟通过研究绢英岩地球化学特征, 以及与英云闪长斑岩原岩的对比, 确定蚀变过程中元素的迁移规律, 以及热液(流体)的来源。

1 地质背景

研究区内出露的地层主要为古元古界达肯大坂群、泥盆-石炭系阿木尼克组, 达肯大坂群可分为三个岩组, 本次研究主要涉及到第三岩组, 为一套变质岩系,岩石类型主要为石英绢云片岩、变砂岩、斜长片麻岩等;泥盆-石炭纪阿木尼克组为一套陆相碎屑沉积岩, 主要由石英长石砂岩、含砾砂岩、千枚状钙质粉砂岩、千枚状板岩组成。研究区古生代侵入岩十分发育, 呈岩株状产出, 岩石类型主要有花岗闪长岩、闪长岩、二长花岗岩、石英闪长岩、英云闪长岩和英云闪长斑岩, 其中中二叠世英云闪长斑岩与成矿关系最为密切, 为化石沟铜矿的主要含矿岩体(图 2)。英云闪长斑岩主要分布于研究区中部, 走向近南北, 条带状展布, 面积300～17000 m2; 岩石蚀变作用强, 主要为绢英岩化、硅化等, 部分交代作用较强者, 原始结构不清, 暗色矿物及长石类矿物小时, 转变为绢英岩。绢英岩(化)与铜矿化关系密切, 表现出蚀变越强铜矿化相对增强的特点,绢英岩型铜矿石也是矿区主要的矿石类型之一。

2 岩石学特征

绢英岩化是矿区内普遍发育的一种蚀变类型,多分布于英云闪长斑岩和英云闪长岩等的内、外接触带, 呈长条带状, 局部呈脉状或沿网脉裂隙分布。蚀变程度高者转变为绢英岩。

图1 南祁连大地构造简图(a)和研究区地质简图(b)Fig.1 Schematic tectonic map showing main tectonic units of South Qilian (a) and geological map of the study area (b)

图2 化石沟铜矿区Ⅰ—Ⅰ′ 剖面示意图Fig.2 Sketch of Ⅰ—Ⅰ′ section of Huashigou Cu-ore area

英云闪长岩呈浅灰白色, 花岗结构, 块状构造,岩石劈理、节理较发育。主要矿物为斜长石(70%)和石英(20%), 还有少量的钾长石、绢云母、绿泥石等。斜长石呈板状, 聚片双晶发育, 双晶纹细密, 粒径1～2 mm; 石英呈他形粒状, 波状消光明显, 粒径大小为1 mm。

英云闪长斑岩呈浅灰色、青灰色, 斑状结构、基质显微粒状结构, 块状构造, 岩石主要由斑晶(10%)和基质(90%)组成。斑晶主要为斜长石和石英,斜长石斑晶呈椭圆状、板状, 粒径约为 0.6～1 mm,石英斑晶呈他形粒状, 大小约1 mm (图3)。

图3 英云闪长斑岩及绢英岩型铜矿石结构Fig.3 Structure of tonalite porphyry and sericitolite copper ore

绢英岩化英云闪长斑岩呈灰白色, 块状构造,蚀变矿物主要为绢云母含量大于 20%, 石英含量5%～25%; 并见有少量白云母。绢云母交代斜长石,以显微鳞片状集合体分布于斜长石的裂隙之中; 石英呈他形粒状, 粒径为 0.04～0.4 mm, 具波状消光,呈齿状镶嵌聚集状、条痕状定向分布。

绢英岩呈浅灰绿色, 鳞片粒状变晶结构, 片状构造。主要矿物成分是石英(65%±)、绢云母(30%±)、斜长石(3%±)、钾长石(2%±)。石英呈他形粒状、锯齿状镶嵌分布, 具重结晶、波状消光现象, 粒径小于1 mm。绢云母呈鳞片状集合体不均匀分布, 具半定向-定向特征, 粒径小于0.1 mm。钾长石、斜长石呈他形晶粒状星散分布, 有弱黏土化, 粒径小于1 mm。

3 分析方法

样品主元素、微量元素和稀土元素分析由西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 氧同位素组成(δ18O)由中国地质科学院矿产资源研究所分析。主元素采用 X射线荧光光谱法(XRF)分析, 仪器为日本RIGAKU公司生产的 RIX2100; 微量元素分析利用美国Perkin Elmer公司生产的Elan6100DRC型ICP-MS完成, 绝大多数元素的相对误差和相对标准偏差优于5%; 氧同位素(δ18O)分析方法为 BrF5法, 在 MAT 253 EM质谱仪上测定, 采用的国际标准为SMOW, 分析精密度为±0.2‰。分析结果列于表1和表2。

4 地球化学特征

4.1 主元素、微量元素和稀土元素特征

化石沟铜矿区绢英岩主元素、微量元素和稀土元素分析结果见表1。

绢英岩具有高 Si (SiO2= 72%～77%), 低 Al、Ti、Ca (Al2O3、TiO2、CaO的含量分别为 8.64%～10.81%、0.06%～0.12%、0.01%～0.02%)的特点; 碱含量(K2O+Na2O)介于 2.96～4.30之间, 强烈富钾贫钠(K2O =2.95%～4.21%, Na2O = 0.01%～0.11%), K2O/Na2O =38.1～295。

表1 化石沟铜矿区绢英岩主元素(%)、微量元素和稀土元素(μg/g)分析结果Table 1 Major (%) and trace (μg/g) element compositions of sericitolite from Hushigou Cu-ore area

表2 绢英岩氧同位素分析结果(‰)Table 2 δ18O data (‰) for sericitolite from Hushigou Cu-ore area

微量元素分析结果和蛛网图(图 4a)显示, 绢英岩高 Ba (258～417 μg/g)低 Sr (8.32～19.7 μg/g)、Y(4.21～5.92 μg/g), 与原岩的分布模式基本一致, Nb、Ta、Zr和Hf等稳定的高场强元素相对值变化不大。与原岩相比, 绢英岩 Rb、Th和 U表现为相对增高趋势, Ba、Nb-Ta表现为相对降低的趋势。岩石的Y/Ho比值为 30.1～31.2, 与英云闪长斑岩(29.2)和球粒陨石(27.7±1.9, Bau[10])的值接近。

稀土元素分析结果和配分图(图 4b)显示, 绢英岩的稀土总量为 67.9～146 μg/g, 配分型式表现为平缓的“V”型, MREE含量较低, MREE-HREE随着原子序数增加(Gd→Lu)而增高。轻重稀土中等分馏,(La/Yb)N= 4.45～7.36; Eu 显 示 负 异 常,δEu =0.23～0.58。

4.2 氧同位素特征

化石沟铜矿区绢英岩氧同位素分析结果见表2。绢英岩的δ18OV-SMOW值为 12.6‰～12.8‰, 仅略高于原岩英云闪长斑岩的值(11.8‰、12.4‰)[3]。

5 讨 论

许多学者对地质过程中地球化学组分的迁移进行了定量的研究[11–19], 取得的成果已广泛应用于区域变质作用、水热蚀变和成矿等地质体系开放过程的研究[20]。在前人对各种计算公式和图解法的优缺点进行研究类比的基础上[15,21–23], 本文采用 Isocon方法对蚀变过程中物质的迁移进行了分析, 结果见图 5。

本次研究以英云闪长斑岩、绢英岩的成分分别作为横坐标、纵坐标, TFe2O3和Al2O3作为不活动组分并以其投影点拟合的直线作为 Isocon线, 从图中可以看出, 除 SiO2位于 Isocon线之上外, 其余组分位于Isocon线之下, 表明在蚀变过程中, SiO2呈明显的迁入, 这与绢英岩高 Si的特征一致; 根据距离Isocon线的远近, 迁出的成分明显分为三个层次:CaO和Na2O距离Isocon线最远, 迁出程度最大; 而TiO2和MnO中等程度迁出; K2O、MgO和P2O5迁出程度最低, 表明蚀变热液应该是富 Si的。Na2O较K2O的迁出程度明显高, 因此可能造成了绢英岩富钾贫钠的特征。

绢英岩稀土元素分布模式与原岩具有明显的相似性, 表明稀土元素来源于英云闪长斑岩; 而稀土元素的含量低于原岩, 说明在热液蚀变过程中稀土元素总量呈现亏损, 因为英云闪长斑岩原岩的主要造岩矿物斜长石、黑云母和角闪石在蚀变过程汇总被广泛交代成绢云母和绿泥石, 而绢云母和绿泥石等蚀变矿物容纳 REE元素的能力低; 同时, 角闪石的对 MREE具有更大的分配系数(相对于 HREE)。因此, 角闪石分解会导致MREE亏损而HREE相对富集, 这与稀土元素分布模式图上 MREE具有明显的负异常相一致; 而Sr、Eu的负异常也表明斜长石发生了分解。Y和Ho在岩浆分异过程中不分馏, 而在岩石与热液间存在相互作用[24–25], 绢英岩的Y/Ho比值为 30.1～31.2, 与英云闪长斑岩(29.2)和球粒陨石(27.7±1.9)[10]的值接近, 表明Y和Ho在热液蚀变过程中未发生明显的活化转移。

图4 化石沟铜矿区绢英岩原始地幔标准化的微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化的稀土元素分布模式(b) (原始地幔和球粒陨石标准值据文献[9])Fig.4 PM-normalized trace element patterns (a) and chondrite-normalized REEs patterns (b) for sericitolite from Hushigou Cu-ore area(normalized values after Sun et al.[9])

图5 Isocon图解显示英云闪长斑岩(P)蚀变为绢英岩(S)过程的组分迁移情况[12,23]Fig.5 Plots of Isocon diagram showing migration of components in the process of alteration of tonalite porphyry into sericitolite[11,22]

一般来说, 花岗岩在低温蚀变作用下会导致岩石的δ18OV-SMOW值增高, 或与低的18O的天然降水或热液发生同位素交换导致δ18OV-SMOW值降低[26]。绢英岩与英云闪长斑岩具有基本一致的δ18OV-SMOW值,表明后者在蚀变过程中仍保持着相对封闭的同位素体系, 也指示了参与蚀变过程的流体(热液)应该是英云闪长岩浆晚期的热液, 受外来流体影响较小,这对深入研究研究区的成矿作用及成矿物质来源具有十分重要的指示意义。

6 结 论

蚀变的热液主要来源于英云闪长斑岩岩浆的富Si的后期热液, 受外来流体影响较小, 热液上升与英云闪长斑岩发生交代作用, 英云闪长斑岩的主要造岩矿物斜长石、角闪石蚀变为绢云母, 原岩CaO、Na2O、TiO2、MnO 大量迁出, 后期热液(流体)带入大量SiO2, Y和Ho在热液蚀变过程中未发生明显的活化转移。结合蚀变岩石与Cu矿化之间的密切的空间关系, 该热液类型可能在成矿作用过程中起到十分重要的作用。

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