津巴布韦霍普韦尔地区铂钯矿床特征及成因分析

张 维,吴延之,朱谷昌

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093;2.中南大学地学与环境工程学院,湖南长沙410083;3.有色金属矿产地质调查中心,北京100012)

津巴布韦霍普韦尔地区铂钯矿床特征及成因分析

张 维1,吴延之2,朱谷昌3

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093;2.中南大学地学与环境工程学院,湖南长沙410083;3.有色金属矿产地质调查中心,北京100012)

津巴布韦大岩墙于太古代晚期侵入津巴布韦克拉通内,形成了现在的南北段5个次级岩浆房的格局。利用对大岩墙主含矿层-主硫化物带的地球化学分析结合野外地质资料,总结了该矿床的特征并分析了成因,认为形成矿床的原始岩浆来源于地幔深处,于太古代晚期上侵至现在的位置发生结晶分异作用而形成了现在的矿床。

津巴布韦大岩墙;铂钯矿床;主硫化物带;结晶分异;津巴布韦

1 概 况

津巴布韦位于非洲东南部,是一个矿产资源丰富的内陆国家。矿区位于津巴布韦大岩墙的中段偏北,北东距津巴布韦首都哈拉雷约75km,西距祁古图约25km,矿区海拔高度在1 250m左右,区内地势较平坦,最大高差40m,西南部较高,其他地区相对较低。

2 研究现状

津巴布韦大岩墙是世界著名的地质奇迹,其形成和演化在非洲大陆具有一定的代表性。由于津巴布韦克拉通和大岩墙侵入的世代距今都很久远且形成后受构造运动破坏较少,所以研究津巴布韦大岩墙对于探索非洲大陆和地球泛大陆的的形成和演化都具有重要的意义(图1)。

早在1977年,Hamilton在《Sr Isotope and Trace Element Studies of the GreatDyke and Bushveld》利用Sr同位素测定了大岩墙和克拉通的时间,从而为该地区的地质工作扫平了障碍。1989年,W ilsom在《The GreatDyke of Zi mbabwe》一文中详细论述了津巴布韦大岩墙的地质构造、岩性分层等一系列问题。

图1 津巴布韦大岩墙示意图(Oberthur,1997)

德国地质科学与自然资源调查所Thomas Oberthur的研究显示,津巴布韦克拉通形成于晚太古代,大概时间为(3 000～2 669)Ma±67Ma之间。根据大岩墙层状辉石岩内黄铜矿共生的锆石和金红石U-Pb同位素年代测定,大岩墙的侵入时间为25.754亿年,也就是太古代的晚期。

图2 津巴布韦大岩墙东西向剖面图

根据河南省地质调查院的钻探和地球化学资料显示,铂族元素主要富集于S1、S2和S3层中,上层S1层厚度约2m,下两层厚度为5m～10m左右。铂族元素与基性—超基性岩中德硫化物密切相关,尤其富集于硫化物带的底部,岩浆结晶分异作用为铂族元素富集的主要原因。

笔者于2009年在津巴布韦霍普韦尔(Hopewell)地区参加了对该地区的地质勘探工作,利用60 000m钻探资料和野外地质填图等地质资料,结合岩石地球化学分析的结果探讨矿床的成因和特征。

3 区域地质概况

3.1 地层

津巴布韦国土面积的3/5由太古宙克拉通构成(所谓克拉通指的是地壳上已达到稳定的、并在漫长时代演化过程中,很少受到构造运动影响而发生变形的部分),另外2/5的国土被各种变质沉积岩和变质火成岩所覆盖。津巴布韦克拉通由花岗岩-绿岩带和太古代片麻岩构成,并为晚期的花岗岩体和镁铁质岩墙群所侵入。根据最新研究成果表明,津巴布韦克拉通形成于晚太古代期间,大概形成年代为(3 000～2 669)Ma±67Ma之间。克拉通位于津巴布韦中部地区,其北界为赞比西变质带,西界与西北界为马贡迪变质带,东界为莫桑比克变质带,南界为林波波变质带。津巴布韦大岩墙位于克拉通之上,为一镁铁质—超镁铁质侵入体侵入太古代花岗岩-绿岩带内,近南北走向。区内断裂构造发育,按照形成的时间,由老至新分为南北向,东西向、北北西和北北东向4组。西北与东南地区以北北东向断裂为主,东西向断裂集中分布于大岩墙两侧近20km的狭长区域,其余2组断裂较少见。

3.2 大岩墙

津巴布韦大岩墙为一长达550多km的墙状镁铁质—超镁铁质侵入体,于2 575Ma±0.7Ma沿断裂脉动式侵入到花岗岩绿岩带内。大岩墙分为北段和南段2个岩浆房,而上述2个部分又细分为Musengezi、Darwendale、Sebakwe和Selukwe、Wedza 5个次级岩浆房,从形成时间上,南段的形成时间比北段稍早。

从图2可以清晰地看出岩浆结晶分异作用形成的成层性较好的大岩墙剖面,上部第四系粘土覆盖以下为辉长岩,浅灰色,中—细粒结构,块状构造,岩石主要成分为斜长石和辉石,另有少量角闪石,含量不超过5%。辉长岩之下为辉石岩,深灰色,半自形细粒结构,块状构造。主要成分为辉石和斜长石。在辉长岩和辉石岩的分界线附近有1m～2m的粗粒辉石岩,可以作为判断辉长岩和辉石岩分界线的标志之一。主硫化物带蕴含于辉石岩中,位于辉长岩与辉石岩的分界线以下12m～20m的范围内,此时岩石中出现浸染状硫化物。再往下岩石中开始出现少量橄榄石,继而出现斜方辉橄岩等岩石。

在大岩墙的部分地区可以看到有粗玄岩后期沿裂隙侵入大岩墙的现象,但规模较小,对大岩墙的破坏不大,对于主要的成矿作用影响也不大。

3.3 断裂构造

区域内断裂较发育,基本分为南北向、东西向、北北西和北北东向4组。南北向断裂形成时期最早,分布的地区相对狭窄,仅分布于大岩墙周边和大岩墙东侧少量地区,但断裂规模较大,部分断裂长达100km。东西向断裂分布范围较广,在大岩墙及两侧的广阔地区都有分布,在Selukwe次级岩浆房东侧和Darwendale次级岩浆房西侧较为集中,该断裂形成时间晚于南北向断裂,在最上部的Dar wendale次级岩浆房可见因该断裂错动而导致的大岩墙位置呈东西向错开,在矿区所在的Sebakwe次级岩浆房,该断裂的影响较小,仅在矿区以北10km处见数条东西向断裂切割大岩墙并被晚期的粗玄岩和辉长岩所充填;北北西向断裂仅分布于津巴布韦大岩墙中部地区和其西南方的Gutu地区,其形成时间稍晚,在大岩墙中部地区可见其切割南北向断裂的痕迹,其对区域地质构造的影响较其他3组断裂都较小。北北东向断裂形成时间最晚,在津巴布韦北部地区可见其切割东西向和南北向断裂,其分布区域很广,从西南部的Mwenezi地区到西部被沉积岩群覆盖的Nyamandhlovu地区均有大面积分布,包括矿区所在的Sebakwe次级岩浆房在内都受其影响。

3.4 主含矿层-主硫化物带

MSZ层即主硫化物带,是矿区岩体中铂族元素的主要含矿层,整个矿区的岩体中硫化物的含量并不高,一般不超过5%,所以主硫化物带的特征并不明显,根据20世纪90年代和2006年钻孔分析结果结合野外钻孔编录,可以得出以下结论:MSZ层存在于辉石岩中,大概位置为辉长岩和辉石岩分界线以下10m～20m之间,主要的硫化物矿物组成按照含量多少依次为磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿及少量黄铁矿,硫化物呈稀疏浸染状分布,矿层厚度1.5m～8m不等。MSZ层中辉石含量占90%以上,呈半自形—他形细粒状;斜长石含量在5%～10%,呈他形细粒状。岩心裂隙较发育,蚀变一般较强,绿泥石化、碳酸盐化、蛇纹石化、滑石化均多见。

从图3可看出,第一次Cu和Ni元素峰值同时出现位于刚进入主硫化物带的样品中,Cu与Ni元素相对富集,此时铂族元素含量极低。第二次峰值出现在1.0m～1.2m之后,样品位于主硫化物带的中部或末端,此时铂族元素的含量突然拔高,并在Cu和Ni元素达到第二次峰值后的0.2m～0.4m处达到峰值。

图3 某钻孔中样品各元素峰值曲线图

除了铂族元素与Cu、Ni等元素的关系以外,Pt和Pd元素之间也有一定的规律性,从图3可以看出:Pd元素的峰值出现较晚,一般位于Pt元素峰值以后1m～1.5m左右,此时Pt值虽然较峰值低,但仍然有一个突然上升的趋势。回顾Pt元素的第一次峰值可以得出如下规律:Pt与Pd元素出现2次峰值的位置一致,但Pt元素较早达到峰值,在1m之后Pd元素达到峰值。

从上面的规律中可以看出,铂族元素的富集位置与Cu和Ni元素关系密切,结合钻孔资料和野外地质资料分析,Cu和Ni元素主要以硫化物的形式存在,铂族元素的富集与硫化物关系密切。硫化物分布于辉长岩和辉石岩中,但是只有在MSZ层中以浸染状分布,以在未达到MSZ层之前,辉长岩和辉石岩中也出现硫化物,均不是铂族元素的富集层位。

在辉长岩中,偶尔可见磁黄铁矿、黄铜矿呈星点状分布于岩心中,规模不大,厚度大部分在30cm之内。在裂隙面上,可见2种硫化物分布方式:一种是磁黄铁矿呈薄膜状分布于裂隙面上(图4),薄膜厚度约0.3mm,面积很大,此现象较为常见。这种形态的磁黄铁矿薄膜是裂隙晚期充填的结果,因为裂隙较窄空间不足,所以只能形成薄膜状附着于绿泥石、碳酸盐薄膜与围岩间。

图4 辉长岩裂隙中的硫化物薄膜

另一种出现在辉长岩中的硫化物是自形程度较好的黄铁矿,呈正六面体形态结晶于开启度较大的裂隙面间,颗粒大小0.5mm～3mm之间,镶嵌于绿泥石和碳酸盐薄膜中。这种形态的黄铁矿也是由于裂隙晚期被充填而形成的,因为裂隙中空间较富裕而形成自形晶,由于裂隙的规模不同,结晶的大小也不统一。

在辉石岩中,辉长岩与辉石岩分界层位上,辉石颗粒较大,呈粗粒状,粒径5mm～10mm左右,岩层厚度约1m～2m。之后,颗粒开始变细,这时也会出现2种硫化物分布形式:一种是磁黄铁矿、黄铜矿细粒呈稀疏星点状分布。因为硫化物含量较少,根据以往数据分析的结果来看,此层位还未到达MSZ层,铂族元素并不富集。另一种是磁黄铁矿、黄铜矿粗粒分布于岩心中,粒径约5mm～7mm,根据以往岩心分析结果结合野外地质编录,这些自形程度较好、颗粒较粗的硫化物存在于主硫化物带之上的层位中,此层位中铂族元素同样也不富集。

表1 地球各圈层和矿区钻孔中样品PGE含量对比

图5 主硫化物带中的浸染状硫化物

图5为MSZ层中浸染状硫化物分布于岩心中的照片。跟上面几幅图的对照,可以得出MSZ层与其他含硫化物岩层的区别。

4 岩石地球化学分析

4.1 岩石铂族元素特征分析

从地球的内部圈层到外部圈层,铂族元素的含量急剧下降。铂族元素在地壳中含量最少只有0.63ng/g,在地幔中,除了下地幔的Pd元素含量比上地幔稍高以外,没有其他区别。而地核的情况就大相径庭了,地核是地球各圈层最富集铂族元素的地方,几乎每个铂族元素的含量都是地壳中的数千倍以上,13μg/g的Pt的含量远高于“工业品位”。

从表1可以看出矿区钻孔的PGE含量大多维持在0.2μg/g以上,大于地壳中均值,矿体的Pt元素品位大于0.3μg/g,PGE含量一般都在0.5μg/g以上,如果假设原始岩浆的来源较浅,很难想象单靠地壳中的铂族元素经过结晶分异作用成矿,矿区的原始岩浆有可能来源于地幔甚至是地核。

4.2 岩石物质成分分析

从表2可以看出,辉长岩类岩石SiO2含量为49.44%～53.14%,平均50.18%,在正常范围内;MgO 9.66%～21.17%,平均11.96%;Fe2O3+FeO (1.25%～2.40%)+(4.10%～10.20%),平均1.48%+5.32%;M/F 1.32%～1.42%,平均1.40%。

表2 岩、矿石硅酸盐分析结果

辉石岩类岩石SiO247.08%～54.46%,平均52.1%,显示出SiO2含量明显偏高;MgO 21.32%～25.03%,平均22.82%,略低于模拟地幔岩(38.67%)的含量值;Fe2O3+FeO(0.64%～2.66%)+(7.73%～9.94%),平均1.80%+ 8.94%;M/F 1.35%～1.82%,平均1.67%。

由图6可以看出,辉石岩类和辉长岩类的曲线与上地幔理想曲线很相近,且两类之间也很相近,结合两类岩石相似的SiO2含量和M/F值,可以确定上述两类岩,属于同源岩浆结晶分异的结果,形成这两类岩石的原始岩浆来源于地幔。

花岗岩类岩石SiO260.82%～75.78%,平均72.04%;MgO 0.58%～2.15%,平均1.00%;Fe2O3+FeO(0.24%～2.75%)+(0.74%～4.24%),平均0.87%+1.61%;M/F 0.25%～0.47%,平均0.42%。可以看出两类花岗岩类岩石从SiO2含量、MgO含量和Fe2O3+FeO含量及M/F比值都显示出很大的区别,表明这两酸性岩浆岩具有明显差异,应是两种侵入岩浆的产物。

玄武岩类岩石SiO2含量49.90%;MgO含量6.05%;Fe2O3+FeO含量3.56%+10.49%;M/F比值0.34%。

图7中,从MgO含量、Fe2O3+FeO含量和M/F比值可以看出花岗岩类、玄武岩类岩石与前两种岩石差别很大,不属于同源岩浆的产物。从图7的曲线上来看,花岗岩、闪长岩和玄武岩之间有较大差别,与地幔理想成分差别也很大。

图6 岩石硅酸盐分析图

图7 花岗岩类、玄武岩类与地幔理想物质对比图

表3 岩、矿石稀土分析结果

4.3 岩石稀土元素特征分析

辉石岩类和辉长岩类样品的稀土元素组成见表3,其中辉长岩类岩石的∑REE(Y除外)为(12.52～19.98)μg/g,平均为14.01μg/g,高出球粒陨石(∑REE为3.292μg/g)含量数倍,辉石岩类岩石的∑REE(Y除外)为(8.47～18.44)μg/g,平均为18.20μg/g,总体高于辉长岩类岩石。两类岩石总体具有较高的∑REE含量,具有一定的富集特征,显示出辉长岩与辉石岩是同一种岩浆的产物且岩石的原始岩浆可能来源于富集地幔。

同样,细粒二长花岗岩和细粒二长闪长岩也在稀土元素的含量上差别很大,与前面硅酸盐分析结果得出的结论一致,应是两种侵入岩浆的产物。

4.4 岩石地球化学分析小结

从岩石地球化学分析来看,无论是岩石的硅酸盐特性还是稀土元素的分析都指出,辉长岩类与辉石岩类来源于同一种原始岩浆,且其特性曲线与地幔理想物质曲线极为接近,进而可以证明形成矿床的原始岩浆来源于地幔,上侵到相应层位后,因为结晶分异作用而形成辉长岩类和辉石岩类。

5 结 语

根据最新研究成果,津巴布韦克拉通形成于晚太古代期间,大概形成年代为(3 000～2 669)Ma± 67Ma之间,由于陆内壳断裂和超壳断裂的作用使超镁铁质-镁铁质岩浆于2 575Ma±0.7Ma沿断裂脉动式侵入到花岗岩绿岩带内,形成了现在的津巴布韦大岩墙。大岩墙分为北段和南段2个岩浆房,而上述2个部分又细分为Musengezi、Darwendale、Sebakwe和Selukwe、Wedza 5个次级岩浆房,从形成时间上,南段的形成时间比北段稍早。在津巴布韦克拉通大岩墙脉动式侵入期间构造运动相对平稳,有利于岩浆的结晶分异作用,岩浆的冷却,形成了成层性较好的矿床。期间,有部分断裂垂直走向方向切割大岩墙,但对岩浆结晶分异成矿作用影响不大。通过对矿床类型的分析、铂族元素富集机制和岩石地球化学特征的分析,可以得出如下结论。

本区矿床为与镁铁质-超镁铁质侵入体有关的铜镍-硫化物矿床。形成矿床的原始岩浆来源于地幔深处,上升到地面的过程中不断地混染围岩从围岩中获取硫元素,当岩浆到达地壳上部,因为温度的降低开始发生结晶分异作用,熔点高的矿物较先结晶,熔点低的矿物最后结晶,最终形成了辉石岩在底部、辉长岩在上部的垂直岩相分异。在各种矿物结晶的过程中,因为硫化物比重较大而结晶在辉石岩中,铂族元素因为其亲硫的特性也富集在相应的层位;辉石岩首先结晶,硫化物因为饱和稍后也开始结晶,待辉石岩结晶后,以填隙的方式充填在辉石岩之间的空隙中,因为硫化物含量较少而呈浸染状。

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On characteristics and origin analysis of Pt-Pd ore deposit in Hopewell in Zimbabwe

ZHANGW ei1,W U Yan-zhi2,ZHU Gu-chang3
(1.College ofLand Resources Engineering,KunmingUniversity of Technology,Kunming 650093,China;2.College of Geosciences and Environmental Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;3.China Non-ferrousMetals Resources Geological Survey,Beijing 100012,China)

The GreatDyke of Zi mbabwe intruded into Zimbabwe craton in late Archean,formed the present structure of five secondary magma chambers located in north and south sectors.Based on the geochemical analysis on the primary ore-bearing beds and sulfide zone and in combination with field geological data,the authors summarized the characteristics and origins of Pt-Pd ore deposit,regarded that the primitive magma of the depositwas derived from the deep mantle,intruded up into the present location in late Archean, formed the present deposit through crystallization and differentiation.

GreatDyke of Zimbabwe;Pt-Pd ore deposit;Primary sulfide zone;Crystallization differentiation;Zimbabwe

book=3,ebook=146

P618.53

A

1674-3636(2010)03-0244-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.244

2010-03-24;

2010-04-09;编辑:陆李萍

张维(1983—),男,助理工程师,硕士研究生,主要从事矿床地质研究工作.