西天山查汗萨拉岩体的地球化学特征及岩石成因

杜玉雕,吕鹏瑞,张东阳

(中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京100083)

0 引言

查汗萨拉金矿是近年来在西天山发现的重要金矿床之一。矿区的勘查工作始于1941年,近年来新疆地矿局第七地质大队对金矿区进行了地质普查、区域化探和浅部地质评价,发现了金矿化和矿体异常[1]。隗合明等提及到该地区的岩浆活动性质和成矿系列类型[2],邓洪涛在研究博罗科努北坡金铜矿成因类型时也提及该矿床的成因类型概况[3]。2007年,新疆地矿局第七地质大队对本区进行了系统的勘探,初步证实该区具有较好的成矿潜力[1];王军年等利用化探方法发现了一系列有价值的矿化点,并提出金矿地质-地球化学找矿模型[4]。但是,矿化体的规模、品位变化、分布特征及其深部矿化情况等问题仍没有得到很好解决,其主要原因是对金矿成矿作用的认识尚有分歧。冯京等根据金矿化岩石的蚀变特点和金矿石的特征认为查汗萨拉金矿是造山末期或期后伴随伸展过程中构造-岩浆-热液作用形成的构造蚀变岩型金矿,早阶段张性构造-岩浆作用和晚阶段持续的张性构造-热液作用是金矿化富集的基本地质过程[5]。罗小平等根据矿体氢、氧、碳、硫、铅同位素地球化学研究,认为成矿流体显示岩浆热液和变质建造水的混合特征,CO2和成矿金属具有岩浆来源特点,硫化物中硫的来源可能与地层有关[7]。值得指出的是,矿体主要呈脉状产于镁铁质脉岩中,少数产于脉岩与凝灰质粉砂岩接触带内。因此,冯京等根据矿化特征和矿物组合认为矿化富集与海西中晚期石英闪长岩脉密切相关[6]。然而人们对于与成矿密切相关的岩体研究甚少,岩浆的形成和演化过程以及物理化学条件也不清楚,这在很大程度上制约了对成岩成矿过程的深入理解。

本文以查汗萨拉金矿岩体的研究工作为基础,结合前人研究成果,试图通过岩体地球化学特征的分析,揭示本区岩体的岩石成因和物理化学条件,为 进一步研究成矿条件和找矿标志提供岩石学方面的依据。

1 地质背景

查汗萨拉岩体位于新疆精河县东南60 km处的西天山博罗科努山北坡查汗萨拉一带,处于伊连哈比尔尕金成矿带内;其大地构造位置为哈萨克斯坦—准噶尔板块南缘伊犁—伊塞克湖微板块的依连哈比尔尕晚古生代沟弧带西端,北接同一板块中的巴尔喀什—准噶尔微板块,南邻赛里木地块和博罗科努古生代复合岛弧带,西近阿拉套陆缘构造带[8-9]。岩体附近出露的地层主要为上石炭统凝灰质粉砂岩,岩石中细小的条纹状沉积层理较明显,条带成分多为硅质,呈浅灰白色,岩性较单一,地层总体向S倾,倾角50°～80°,南部地层倾向和倾角均有较大变化;地表多被第四系冲积物覆盖。

受巴音沟—古尔图缝合带的影响,区域构造线呈NW-SE向展布,构造较为复杂。查汗萨拉大断裂的次级断裂在矿区西部发育,多与主断裂平行或斜交,其中斜交的次级断裂多表现为右行错动,将闪长岩脉及矿(化)带错(断)开。断裂带宽度不一,一般宽10～20 m,延伸1 000 m以上;小者宽度1～2 m,乃至几十厘米,延伸数十米至数百米,其走向为NW-NNW向,倾角53°～65°;矿区东部断层较少。

图1 新疆西天山查汗萨拉金矿地质简图(据冯京等,2008)Fig.1 The geological sketch of the Chahansala gold deposit in the Western Tianshan,Xinjiang

区域侵入岩发育,但岩体大多规模较小,呈岩株状、脉状产出。镁铁质岩脉主要见于查汗萨拉及其东侧,总体表现出带状分布的特点,与金矿化关系较为密切。镁铁质岩脉发育于张扭性断裂内,边界极不规则,空间形态上为扭曲状,走向多变,且膨大、缩小、分支复合无规律,其内见众多凝灰质粉砂岩团块。在镁铁质岩脉内及粉砂岩中沿裂隙发育大量的石英细脉(局部为石英团块),规模均不大。

岩体规模较小,出露面积小于1 km2;明显受NW向深大断裂控制,沿深大断裂呈带状分布。主要由闪长岩和辉长岩组成,其中闪长岩出露最为广泛;多呈不规则岩株状、脉状,延伸方向与区域构造线方向基本一致,平面形态呈似椭圆状或长条状(图1);岩体内矿化蚀变较为发育,以断裂破碎带为中心,向两侧减弱;蚀变类型有黄(褐)铁矿化、硅化、碳酸盐化、绢云母化,绿泥石化相对较弱,偶见孔雀石化。岩体侵入上石炭统奇尔古斯套组凝灰质粉砂岩中,与围岩多呈不规则接触,接触界面波状弯曲且外倾,倾角中等,有岩枝伸入围岩之中。地表岩体出露不连续,间有第四系冲积物覆盖。

2 岩石学特征

本区岩体中闪长岩出露最为广泛,同时还有少量的辉长岩。侵入岩多呈岩株状、脉状产出,未见二者的明显接触关系。经过手标本和显微镜观察,主要岩石类型的岩相学特征如下:

(1)闪长岩。风化面为黄色或灰黄色,新鲜面为青灰色,半自形中细粒结构,致密块状构造。主要矿物为石英(5%～10%)、斜长石((25%～35%)、钾长石(20%～25%)、角闪石(20%～25%)。石英多为他形粒状(图2A),粒度不均,颗粒小者0.01 mm×0.02 mm,大者 0.04 mm ×0.06 mm,多具波状消光;斜长石多呈半自形柱状、板状,颗粒小者0.02 mm×0.04 mm,大者0.06 mm×0.09 mm,可见聚片双晶(图2B),部分双晶纹消失,晶体轻微碎裂,边部发育绢云母化;钾长石多为半自形板状,有简单双晶出现,颗粒小者0.02 mm×0.04 mm,大者0.05 mm×0.08mm;角闪石呈自形-半自形板柱状,横断面近菱形,解理清楚,有多色性,核部发育绿泥石化(图 2C),颗粒小者 0.04 mm×0.09 mm,大者0.07 mm×0.12 mm。

图2 查汗萨拉岩体样品显微照片Fig.2 Microscopic Photo of samples from the Chahansala intrusion

(2)辉长岩。风化面为灰黄色,新鲜面为青灰色,中细粒结构,致密块状构造。主要矿物为辉石(35%～40%)、斜长石(45%～50%)、角闪石(10%～15%)。辉石多呈短柱状,具两组正交解理,纵切面可见一组解理,颗粒小者0.08 mm×0.1 mm,大者0.1 mm×0.2 mm,蚀变强烈(图2D);斜长石呈半自形柱状、板状,颗粒小者0.08 mm×0.1mm,大者0.1 mm×0.15 mm,可见聚片双晶,部分绢云母化(图2E);角闪石呈半自形柱状,横断面可见两组斜交解理,局部发育绿泥石化,颗粒小者0.03 mm×0.06 mm,大者0.06 mm×0.1 mm。副矿物为磁铁矿(1%～2%)(图2F)。

3 地球化学特征

3.1 地球化学分析方法

查汗萨拉岩体的主要元素分析在中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源重点实验室完成,分析方法为XRF,分析精度优于0.1%～1.0%,其中FeO质量分数用湿化学法测定,分析精度优于0.5%～1%。烧失为1 000℃时的烧失量;采用粉末样品压片制样,用X射线荧光光谱仪直接测量样品中SiO2等10项主量元素以及Ti,Cr,Rb,Sr,Ba,Zr等34个痕量元素,各分析元素采用经验系数法与散射线内标法校正元素间的基体效应。15种稀土元素和Ni,Cu,Zn,Ga,Nb,Mo,Cd,Cs,Hf,Ta,Pb,Bi,Th,U元素采用ICP-MS分析,在中国地质大学(北京)地学实验中心的等离子体质谱仪上测定完成。角闪石电子探针成分分析在中国地质大学(北京)地学实验中心电子探针实验室完成;实验条件:加速电压 15 kV,电流 1 ×10-8A,束斑 1μm,ZAF修正法。

3.2 主量元素地球化学特征

由表1可以看出,本区岩石样品w(SiO2)=46.47%～63.14%,平均 53.03%,变化范围大;低w(TiO2)(0.56%～1.32%,平均为 0.87%);w(Al2O3)=13.02%～15.69%,变化不明显;w(MgO)=1.91%～8.32%,变化显著;w(TFeO)=5.14%～9.76%,且 FeO ＞Fe2O3;高钙(w(CaO)＞2%);碱质稍低(w(Na2O+K2O)=4.64%～7.55%,平均5.88%);w(Na2O)偏高 ,Na2O/K2O=0.59～4.20,平均3.71,总体上Na2O＞K2O。样品较高的烧失量与岩体发生强烈蚀变有关。

在反映岩石系列的SiO2-(K2O+Na2O)图解中[10],样品大都落在碱性、亚碱性岩石分界线附近(图3),说明它们具有过渡的特点,但绝大多数样品偏向于亚碱性区域。在岩体的 K2O-SiO2图解中[11],一部分样品落在钙碱性系列区域,一部分落在高钾钙碱性系列范围内,个别样品落在钾玄岩系列范围内,这可能是岩体后期蚀变导致w(K2O)发生较大变化的缘故;岩石样品的里特曼组合指数变化范围较大,为1.97～4.63,平均值3.05(<3.3),属钙碱性系列;A/N K=1.34～2.73,平均值＞1;铝饱和指数A/CN K=0.59～1.02(均<1.1),平均值0.84(<0.90)。总之,查汗萨拉岩体为准铝质钙碱性系列。

表1 查汗萨拉岩体主量元素分析结果Table 1 The analysis results about the major elements of the Chahansala intrusion

图3 SiO2-(K2O+Na2O)图解[10]和SiO2-K2O图解Fig.3 SiO2-(K2O+Na2O)diagram and SiO2-K2O diagram

在岩体的 Harker图解(图 4)中[12],总体上MgO,CaO,TFeO和 TiO2随着SiO2的增高而有小幅降低,Na2O,K2O,Al2O3和 P2O5与SiO2没有明显的相关性,总的说来相关程度不高,离散性较明显;而分异指数偏低(DI=4.83～34.56,平均为17.93)说明仅有少量的暗色矿物和长石分离结晶,反映了岩浆结晶分异程度不高。

3.3 微量元素地球化学特征

从微量元素分析结果(表2)中可以看出,V,Cr,Sr,Ba的质量分数较高,而Nb,Cs,Hf,Ta和 Th的质量分数相对偏低。岩体中w(Cr)=153.485×10-6～393.355×10-6,w(Ni)=70.150×10-6～175.285×10-6,w(Co)=15.545×10-6～38.899×10-6;Ni/Co=4.187～5.843,暗示成岩物质具有地幔物质特征。而辉长岩中Ni和Cr的质量分数较高,显示原生岩浆的特征;w(Rb)相对较低,可能与岩体的后期蚀变有关;Nb/Ta相对较低(14.04～17.29);La/Nb=2.28～3.40,平均 2.87,与地壳La/Nb比值相近;Nb/U=2.62～8.20,平均4.90,低于球粒陨石和原始地幔值;Nb/Pb=0.46～0.97,平均0.67,与大陆地壳值(1.6)相近[13]。岩体的Rb/Sr值和 Sr/Nd值变化较小(分别为 0.051～0.238和10.025～38.024),反映了岩体组成相对均一[14]。在微量元素配分中显示出Nb和 Ta有明显的亏损,Zr和 Th有轻微的亏损(图5),而U,Ba和Pb富集,多表现为波谷,总体上向右倾斜。

图4 岩体的 H arker图解Fig.4 The Harker diagrams of the intrusion

图5 查汗萨拉岩体微量元素标准化曲线Fig.5 The primordial mantle normalized pattern of trace elements of the Chahansala intrusion

岩体的 ∑REE偏低(51.22×10-6～69.57×10-6),且随岩石酸度的增加而没有明显变化,暗示稀土元素不富集,总体变异趋势不明显。LREE/HREE=3.03～5.74,均为轻稀土富集型;La/Yb=3.44～7.75;Sm/Nd=0.21～0.29,且(La/Yb)N＞1,(La/Sm)N＞1,反映LREE富集型。La/Sm=1.811～4.067,Gd/Yb=1.765～2.154;(La/Sm)N和(Gd/Lu)N比值都较低(分别为1.1～2.5和 1.4～1.8);暗示轻、重稀土元素内部分异不明显,但LREE分馏程度略高,HREE内部分馏作用弱。稀土元素配分曲线呈向右缓倾的曲线(图6),且轻稀土元素配分型式为逐渐降低,重稀土元素则近于水平,表现为LREE相对富集、HREE相对亏损的平缓曲线;同时有较弱的Ce负异常,表明其成岩环境氧逸度高[15];样品具有微弱的负 Eu异常,表明其岩浆演化过程中斜长石分离结晶较弱,斜长石几乎全部进入熔浆。同一系列岩石的分布型式非常接近,暗示其具有相同或相近的成因,也反映了同源岩浆的特点。

3.4 角闪石矿物化学特征

角闪石是查汗萨拉金矿岩体中的主要铁镁矿物,在闪长岩和辉长岩中普遍发育。表3中w(SiO2)=45.31%～48.51%,平均46.52%;w(MgO)=14.38%～15.94%,平均 14.80%;w(Al2O3)=7.25%～10.63%;w(Na2O)=1.58%～2.31%;w(K2O)=0.25%～0.60%;w(Mg#)=0.67～0.71。角闪石结构中B位阳离子是决定角闪石结构类型的主要因因素[16];B位空隙 较大,被Fe2+,Mn和Ca所占据,它们的离子半径一般较大,则该晶系为单斜晶系。(Ca+Na)B＞1.34,在B位上没有Na,(Na+K)＞0.50,Ti<0.50。

图6 查汗萨拉岩体稀土元素标准化曲线Fig.6 The chondrite normalized REE pattern of the Chahansala intrusion

表2 查汗萨拉岩体微量元素、稀土元素的分析结果及相关参数Table 2 The analysis and related parameters of trace element in the Chahansala intrusion

根据Leake等的角闪石分类方案(图7)[17],本区角闪石属钙角闪石类的镁角闪石和纯角闪石。

4 讨论

4.1 岩石成因

本区侵入岩w(SiO2)=46.47%～63.14%,平 均53.03%;其基性端元的w(SiO2)<53%,实验岩石学研究结果表明,大陆地壳局部熔融不能产生比安山岩更基性的原生岩浆[18-20],陆壳局部熔融产物的w(SiO2)通常应＞56%。很显然,查汗萨拉地区侵入岩不可能完全由陆壳直接局部熔融产生,应该有地幔物质的加入。岩石组合中出现真正的基性端元组分,岩石w(SiO2)较低,过渡族金属元素Cr,Ni等的富集暗示地幔成分可能非常多。Sr/Y=9.868～32.190,该值<40;Rb随岩浆分异作用加强而明显富集,Sr主要在岩浆早期阶段富集,在分异程度高的岩浆中Ba减少,Rb/Sr和Rb/Ba的比值不高,分别为0.051～0.238和0.044～0.210,这一方面暗示原始岩浆未经高度的结晶分异作用[21],另一方面说明源岩可能部分来自地壳[22]。Ba/Y=5.488～38.912,平均24.632,暗示地幔富集程度高[23]。岩石显示负的Nb异常,反映了大陆地壳的特征,可能指示地壳物质参与了岩浆过程[24];Nb,Th,Ta明显亏损以及U的富集可能显示岩体与地壳物质的加入有关[25]。岩石微量元素地球化学特征表明,查汗萨拉岩体的岩浆可能起源于地幔,LIL E元素的富集反映了大陆组分的混染[26]。由此反映岩体来源于壳-幔物质混合而成的混源岩浆,这与准噶尔板块南缘伊连哈比尔尕晚古生代沟弧带岩浆活动性质为壳幔混源相一致[2]。

表3 闪长岩中角闪石的电子探针成分分析结果Table 3 The microprobe analysis of amphibole in the diorite

图7 角闪石成分分类图解[17]Fig.7 The composition classification diagram of amphibole

在角闪石的 TiO2-Al2O3图解[27](图8)中,本区角闪石全部落在壳幔源区,并且投点偏向于幔源区域,从整体上反映出本区成岩物质来源于地壳,并且有大量地幔物质的加入。在反映岩浆演化方式的TFeO-MgO图解[26](图8)中,样品的投点均沿壳幔混合线分布,但较为离散,这可能是岩体后期蚀变或风化导致 TFeO增高的缘故。而在主量元素中,Na2O/CaO比值随着Al2O3/CaO比值的增大而增大,有很好的相关性,反映出壳幔物质交换、混合的特点[29]。由此可以看出,查汗萨拉岩体是壳幔相互作用的产物。

在 Harker图解中,总体上MgO,CaO,TFeO和TiO2随着 SiO2的增高而有轻微的降低,Na2O,K2O,Al2O3和 P2O5与 SiO2没有明显的相关性。∑REE较低;LREE/HREE,La/Yb和Sm/Nd的比值较低,反映REE分馏程度低,LREE和 HREE分馏不明显;具有微弱的负铕异常;Rb/Sr和Rb/Ba比值较低。这些特点表明其岩浆演化演化程度不高。

另外,La/Sm和La/Yb对La图解可以区分结晶分异作用和部分熔融作用。在部分熔融过程中,La/Sm比值有一定变化,其趋势轨迹为斜线;而在分离结晶作用过程中,La/Sm比值几乎没有明显的变化,其分布趋势轨迹为近水平的直线[30]。由图9可以看出,绝大多数样品的投影点沿一较陡的斜线分布,随着La的增加,La/Sm和La/Yb呈线性增加,完全符合部分熔融的地球化学作用;因此说明,在岩浆演化过程中,岩浆作用以部分熔融为主,指示了本区岩石是由壳幔型岩浆经过平衡部分熔融作用而形成。

4.2 温度压力估算

张儒瑗等指出[31],普通角闪石的 Ti含量与温度有关,Ti含量随温度增高而增大;AlⅣ随温度增高而增加。结合角闪石中的AlⅣ和 Ti随温度变化图解可知(图10),角闪石的平衡温度为650～760℃,低于一般岩浆角闪石的结晶温度,可能与含有大量流体有关,使角闪石的固相线下降;这与深部岩体在上升侵位过程中带来大量成矿流体相吻合[6]。

图8 角闪石的Ti2O-Al2O3图解[27]和TFeO-MgO图解[28]Fig.8 The Ti2O-Al2O3diagram of amphibole and the TFeO-MgO diagram of the intrusion

图9 La/Sm和La/Yb对La的图解Fig.9 The diagram of La/Sm and La/Yb versus La

图10 角闪石中的AlⅣ和Ti随温度变化图解[31]Fig.10 The diagram showing change of AlⅣand Ti in the amphibole with change of the temperature

实验岩石学资料证实,钙碱性侵入岩中角闪石的全铝含量与结晶时的压力成正比,这是确定岩体结晶深度的一种有效方法。Hammarstrom和Zen在大量角闪石成分数据的基础上[32],经过统计分析得到了一个角闪石中铝与压力之间的线性关系:p=-3.92+5.03 AlT,γ2=0.80;其中AlT是角闪石结构式中Al原子总数。压力误差范围为3×108Pa。该压力计主要适用于主要矿物组合为斜长石+角闪石+黑云母+钾长石+石英+磁铁矿+绿帘石的岩石,并且在压力低于10×108Pa时较为准确。随后 Hollister et al,Johnson,Schmidt分别通过实验校正对该公式又作了些改进[33-35],获得如下压力方程:p=(-4.76+5.64 AlT)×108Pa,p=(-3.46+4.23 AlT)×108Pa,p=(-3.01+4.76 AlT)×108Pa。通过以上角闪石全铝压力计算公式得到的压力数据,可看到岩体中角闪石的形成压力为1.76 ×108Pa～5.75 ×108Pa(表4),差异较大(图12);角闪石中心的形成压力普遍比边缘的形成压力高(图11),反映角闪石从核部→边部是一个压力降低的结晶过程;而它们的形成温度几乎没有明显的变化(650～760℃),表明一部分角闪石是在岩浆上升过程中结晶的,另一部分可能是岩浆定位以后结晶的,这对岩体成岩过程分析发挥了重要的作用。

表4 查汗萨拉岩体角闪石全铝压力计算结果Table 4 The aluminum pressure results of amphibole in the Chahansala intrusion

图11 角闪石电子探针的位置Fig.11 The location of microprobe analysis in amphibole

图12 查汗萨拉岩体的 p-T图解Fig.12 Thep-Tdiagram of the Chahansala intrusion

中泥盆世初期,板内伸展作用在新疆西天山地区普遍发生,早石炭世后期形成依连哈比尔尕晚古生代弧前-海沟带[36],晚石炭世末-二叠纪,西天山所有洋盆闭合,进入板块碰撞-板内伸展阶段,大量幔源花岗岩类和少量的镁铁质-超镁铁质杂岩在上地壳侵位[37]。查汗萨拉岩体侵入于上石炭统围岩中,金矿化可能伴随岩浆晚期或期后的构造-热液活动而发生,可推测成岩和成矿时代在晚石炭世末期-二叠纪或之后,形成于造山晚期,与海西中晚期岩浆侵入密切相关[7]。海西中晚期构造活动强烈,并且岩浆侵入活动强烈[2],侵入体多分布于区域性深大断裂带附近。由此可以推测海西中晚期大量地幔物质侵入到深部地壳环境,形成壳幔混合型岩浆,同时地壳深部有部分角闪石结晶;由于构造活动强烈,形成区域性深大断裂带,岩浆沿着深大断裂从大约20 km处(岩浆房的深度)快速上侵到深度约为6 km(假定1×109Pa≈33 km)处结晶成岩,即结晶于地壳环境,形成深成侵入岩。

5 结论

(1)本区岩石系列具有过渡的特点,属于亚碱性的准铝质钙碱性系列,岩性为辉长岩和闪长岩。总体上MgO,CaO,TFeO和TiO2随着SiO2的增高而有轻微的降低,Na2O,K2O,Al2O3和P2O5与SiO2没有明显的相关性,这说明仅有少量的暗色矿物和长石分离结晶,同时也反映了岩浆演化程度不高。

(2)在微量元素配分中显示 Th,Nb,Ta和 Zr相对亏损,而U,Ba和 Pb富集,总体上向右倾斜,显示负的Nb异常和高的正Pb异常,反映本区岩浆属于壳幔混合型岩浆;稀土元素配分曲线呈向右的平缓倾斜,且轻稀土元素配分型式为逐渐降低,重稀土元素则近于水平,属于向右缓倾斜的轻稀土元素富集型;稀土总量∑REE偏低且变化不大,轻、重稀土分馏不明显,但轻稀土元素分馏程度略高,HREE内部分馏作用弱;有较弱的Ce和 Eu负异常。稀土元素地球化学特征显示岩体形成时的岩浆演化程度不高。

(3)本区角闪石属于钙角闪石类的镁角闪石和纯角闪石,一部分角闪石是在岩浆上升过程中结晶,另一部分可能是岩浆定位以后结晶的;由于原始岩浆含有大量的流体,降低了角闪石的结晶温度,导致角闪石形成温度为650～760℃;成岩物质含有地壳物质,并且有大量地幔物质的加入;海西中晚期大量地幔物质侵入到深部地壳环境,形成壳幔混合型岩浆,同时地壳深部有部分角闪石结晶;由于构造活动强烈,形成区域性深大断裂带,岩浆沿着深大断裂从大约20 km处(岩浆房的深度)快速上侵到深度约 为6 km的部位结晶成岩,形成深成侵入岩。

致谢:本文得到了国家科技支撑计划重点项目(项目编号:2006BAB07B01)的资助。在数据的分析过程中得到中国地质大学(北京)张招崇教授的帮助,罗照华教授提出了宝贵的修改意见,在此向他们表示诚挚的感谢!

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