五河地区朱顶—石门山断裂带构造地球化学研究

刘玉娟, 陈 俊, 刘国生

(1.安徽工业经济职业技术学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省地质矿产勘查局 325地质队,安徽 淮北 235000;3.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

断裂构造地球化学是介于构造地质学和地球化学间的边缘学科,其主要研究是在断裂构造作用下,地壳化学元素的活化迁移、分散富集特征及其动力学机制[1]。国外开展了大量关于断裂地球化学的研究,如Kekulawala[2]对有关断裂带动力分异—化学亲和作用的研究,L.Weiss[3]对断裂岩相和应力蚀裂展开分析,J.Chester[4]提出断裂耗散结构中的自组织机制。而中国关于断裂地球化学的研究起始于20世纪60年代,陈国达[5]首次提出“构造地球化学”这个科学术语,后来涂光炽[6]着重强调“在地球各个部分的化学演化中,构造起了十分重要的作用”。孙岩等[7-8]经过10余条断裂构造的全部相带系统化学分析后,提出一套断裂构造地球化学研究的理论与方法,认为断裂地球化学的研究可以包括相关解释、实验模拟、基础理论、应用实践四个方面。此后杨为民[9]、章邦桐[10]等一些学者运用上述理论对各自的研究区断裂带构造地球化学特征进行了解释,较好地丰富和发展了断裂地球化学理论。

安徽省五河县大巩山地区朱顶—石门山断裂带及矿产方面前人曾做了大量研究。李建设等[11]对五河荣渡金矿床地质特征进行研究,提出金矿床为多种成矿作用叠加改造的产物,认为郯庐断裂带脆—韧性剪切带为导矿与容矿场所,建立了蚌埠隆起的找矿标志;万仁虎[12]对大巩山金矿控矿构造作用进行研究,提出近南北向断裂控制了蚀变岩型金矿的产出;董法先[13]认为大巩山金矿属脉状热液型金矿,金矿化类型为含金硫化物石英脉与构造破碎带蚀变岩复合型金矿;刘建民等[14]研究大巩山金矿床地球化学特征,认为该矿床成因上为燕山期花岗质岩浆活动有关的中—高温热液金矿床;陈皓龙等[15]近期从断裂与矿产关系的角度对郯庐断裂带(五河段)的构造、演化特征进行了系统研究,认为五河地区NNE向断裂对岩浆岩、矿化及含矿石英脉的产出与分布控制明显;赵国春等[16]、刘贻灿等[17]、王娟等[18]、聂峰等[19]从岩石学角度研究五河地区变质岩的形成时代与演化过程。上述成果多是基于对断裂构造地质学特征、矿产分布与赋存及矿床学、岩石学方面的研究,然而对其断裂构造地球化学方面尚无报道。鉴于此,本文在系统的野外地质调查基础上,以断裂构造地球化学理论为指导,首次对隶属于郯庐断裂带(五河地区朱顶—石门山断裂带)构造地球化学特征进行研究,同时探讨大型断裂带对地球化学异常的影响特征,总结断裂带内、外化学元素的活化迁移、分散富集规律,为进一步认识区内断裂对矿产控制规律提供佐证。

1 断裂构造特征

研究区内呈NNE向展布的郯庐断裂带(五河地区),位于华北板块东南缘、东西向的蚌埠复背斜东端(图1),前人将该段称为朱顶—石门山断裂带[20]。该断裂带切割地层为晚太古代或古元古代的五河群西堌堆组角闪岩相变质岩,其岩性主要为黑云斜长片麻岩、含黑云斜长片麻岩及混合岩化斜长片麻岩、二云石英片岩等[21]。研究区范围内中生代脉岩广泛发育,如花岗斑岩脉、蛇纹石化辉石岩脉等。

图1 五河地区朱顶—石门山断裂带地质图Fig.1 Geological map of Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe areaQ.第四系;K1x.下白垩统新庄组;Ar2x.新太古代西堌堆组;γπ.花岗斑岩;q.石英脉;1.地质界线;2.复背斜;3.朱顶—石门山断裂带;4.南北向断裂带;5.北西向断裂;6.北东向断裂;7.隐伏断裂;8.糜棱岩带;9.金矿体;10.采样点。

经野外详细的地质调查,该断裂带既表现有韧性变形,亦有脆性破裂的特征,其具体特征如下:

1.1 韧性剪切带特征

经野外调查发现,该韧性剪切带主要分布在樵子涧水库南岸山马庄—大巩山一线,沿剪切带发育糜棱岩,如图2所示。根据野外对糜棱面理、线理的系统观测,该断裂带在本地区樵子涧一带发育的糜棱岩面理优势走向NE10°,倾向北西,倾角30°～35°;矿物拉伸线理倾向南西,倾角20°～30°,显示为走滑韧性剪切带特征。野外在YZ面上所见的石英旋转残斑及揉褶均指示韧性剪切带具有左旋走滑特征。野外还可见这些糜棱岩带多叠加了晚期脆性断层,并被脆性断层所切割改造,反映出多期活动特点[22]。

图2 五河地区朱顶—石门山断裂带NNE走向韧性剪切带野外照片Fig.2 Field photographs of NNE strike ductile shear zone along Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

1.2 脆性变形特征

研究区叠加在早期韧性剪切带之上的脆性断裂极为发育,如在樵子涧水库南侧,野外测得脆性断层产状300°∠60°,断面发育擦痕、阶步,断层擦痕产状15°SW。断裂带内岩石破碎较为强烈,主要以碎裂岩、断层角砾岩等形式出现,挤压片理、劈理,构造透镜体十分发育,如图3所示。

图3 五河地区朱顶—石门山断裂带NNE走向脆性断裂带野外照片Fig.3 Field photos of NNE strike brittle fracture zone in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

断裂构造是成矿流体活动和矿质聚散的有利通道和场所,与围岩相比断裂构造岩中蕴藏着有关成矿物质聚散的丰富信息,而且深部矿体与其周围的矿化原生晕通过断裂、裂隙相联系,并在元素组合上具有对应性和一致性。因此,矿体浅部的构造地球化学异常能更好地显示深部的矿化异常,反映深部成矿作用的特点。

2 朱顶—石门山断裂带构造地球化学特征

2.1 构造精细解剖

在断裂带内实测一条剖面进行构造精细解剖,为了增强所获得数据的可靠性,本次测试样品分别取自韧性剪切带内和两盘(图4)。剪切带两盘样品分别为DHⅠ-1、DHⅠ-3、DHⅡ-1、DHⅡ-3,为花岗片麻岩。据野外观察,其表面呈灰绿色、灰红色,可见长石斑晶,石英具定向拉长,片理化强烈,野外测得面理产状为289°∠30°(图5-(a)),该套片麻岩的面理产状可能由后期NNE向断裂改造所致。经显微镜下观测,该样品主要矿物成分为斜长石、石英、黑云母、石榴石,及少量正长石,其中斜长石含量达60%～65%、石英20%～30%、石榴石3%～5%、黑云母3%～5%。由于后期蚀变强烈,斜长石多已绢云母化和绿泥石化,正长石多发生高岭土化,呈他形;石英表面光滑但多有破裂,正低突起,不等粒变晶结构,多呈他形,可见波状消光,定向分布,粒径0.2～0.9 mm;石榴石多破裂,具正高—正极高突起,糙面明显,在正交偏光间全消光,粒径0.2～1 mm,其裂隙间充填有绿泥石等后期蚀变矿物(图5-(b))。韧性剪切带内为点样DHⅠ-2、DHⅡ-2,为糜棱岩化花岗片麻岩。野外测得岩石产状214°∠75°。在该点处,花岗片麻岩中夹宽约20 m的糜棱岩带,糜棱面理产状240°∠60°,发育倾向线理,通过对糜棱岩内小褶皱与石英斑的旋向判断此糜棱岩带的形成为逆冲运动背景(图5-(c))。该样品由正长石(45%～50%)+石英(15%～20%)+黑云母(10%～15%)+斜长石(5%～10%)+石榴石(1%～5%)+白云母(<5%)组成。该样品具片麻构造。正长石蚀变严重,有绢云母化,他形,中粒,可见变余结构,粒径0.4～0.9 mm;石英为他形,细—中粒,定向排列,表面破裂,粒径约为0.3～1.2 mm;黑云母片状,大部分显示定向排列,自形—半自形,部分发生绿泥石化,粒径0.2～0.8 mm;斜长石多发生绢云母化,具变余结构,可见聚片双晶,自形—半自形,粒径0.5～1.0 mm;石榴石正高突起,有裂纹,粒径0.3～1.0 mm(图5-(d))。

图4 朱顶—石门山断裂带构造剖面及采样位置图Fig.4 Structural profile and sampling location map of Zhuding-Shimenshan fault zone1.西堌堆组;2.花岗片麻岩;3.正长斑岩脉;4.石英脉;5.糜棱岩带;6.破碎带;7.逆断层;8.采样点。

图5 朱顶—石门山断裂带构造剖面样品野外及镜下照片Fig.5 Field and microscopic photos of structural profile samples of Zhuding-Shimenshan fault zone(a).剪切带两盘花岗片麻岩;(b).花岗片麻岩显微镜下照片;(c).剪切带内糜棱岩化花岗片麻岩;(d).糜棱岩化花岗片麻岩显微镜下照片;(Grt.石榴子石;Pl.斜长石;Chl.绿泥石;Bt.黑云母;Ms.白云母;Qz.石英)。

2.2 样品制备及分析测试

本次研究主要测定样品的Au含量、主量及微量元素含量。首先将原岩样品经干燥、破碎后缩分出300 g,用无污染钵在振动研磨机上研磨至85%以上达到75 μm(200目),采用Au-ICP21火试金电感耦合等离子体发射光谱法测定金含量,ME-MS61四酸消解法电感耦合等离子体质谱测定微量元素含量,ME-XRF26X荧光光谱仪熔融法进行岩石主量元素测定。全部测试由广州澳实矿物实验室完成,具体测试原理及方法参见参考文献[23-25]。

2.3 元素组合分析

运用数理统计方法对样品进行元素组合分析,绘制剖面及平面构造地球化学异常图,用以阐述断裂构造地球化学特征,总结断裂带内、外化学元素的活化迁移、分散富集规律。

2.3.1断裂带主量元素分析

孙岩等研究认为影响断裂带中化学组分变化的因素可归结为宏观和微观两类,前者包括各种构造活动和变质作用,它使得元素在构造活动过程中发生活化迁移、富集或贫化;后者则为化学组分受到的各种构造地球化学作用,从而使得元素的运移可以指示构造运动的性质[7]。为对比受断裂带改造后元素的迁移变化,本次测试了五河地区朱顶—石门山断裂带带内及其两侧块体的主量元素(表1),然后采用巴尔特法计算标准岩胞中各元素阳离子的原子数N,其具体计算步骤详见参考文献[26-27],计算结果如表2。

表1 五河地区朱顶—石门山断裂构造带主量元素含量Table 1 Content of major elements in Zhuding-Shimenshan fault tectonic belt in Wuhe area

表2 五河地区朱顶—石门山断裂构造带主量元素标准岩胞中阳离子的原子数NTable 2 Atomic number N of cations in standard cells of major elements in Zhuding-Shimenshan fault tectonic belt of Wuhe Area

根据其组分的变化曲线,如图6可以看出,由断裂带外围向断裂带中心,SiO2含量是直线的渐次递增,呈现单峰折线状;Al2O3含量逐渐递减,峰值变化并不占主导;CaO含量出现双峰折线状,转折端出现在相邻两岩带的交接处;Fe2O3含量逐渐递减,低值端出现在断裂带内,且两断裂带低值区的数值相当;Na2O含量出现双峰折线状,转折端出现在相邻两岩带的交接处;烧失量出现双峰折线状,转折端出现在相邻两岩带的交接处;MgO、K2O含量是直线的渐次递减;TiO2含量少,总体是递增的;MnO、P2O5含量少,数值变化不大。

图6 五河地区朱顶—石门山断裂带主量元素标准岩胞中阳离子数变化曲线Fig.6 Variation curve of cation number in standard cells of major elements in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

断裂带中各化学组分的变化规律反映了各种组分在断裂的形成过程中遭受了不同的地球化学作用。断裂带中构造地球化学作用通常包括动力分异作用、动热变质作用、氧化还原作用及水解脱水作用。动力分异作用表现在组分的变化上,由断裂带中心向外,呈现元素的离子半径增大、密度减小,如Si、Ti的离子半径小、密度大,由断裂带外围向中心这些组分的含量有增高的趋势,而Al、Mg、K的离子半径大、密度小,由断裂带外围向中心Al、Mg以及K组分的含量则表现为减小的趋势。Na、Ca的离子半径大、密度小,因它们的化学活泼性强,故其组分呈现多峰变化的特点。上述化学元素表现出的特征是因为离子半径小、比重大的元素相对稳定,而离子半径大、比重小的元素则相对活泼,在断裂变形等强动力作用下,前者容易滞留原地,而后者容易离散逸去。同时结合断裂带中心Fe2O3含量较低,说明该断裂带为压性或压扭性断裂[12-13,28]。因为压性断裂的形成环境是一个封闭系统,断裂带为还原带,Fe的溶解度很低,尤其是三价铁几乎不能被搬运,只能依靠还原带中的二价铁氧化而成,因此当断裂带仍为还原带时就会导致断裂带中心Fe3+含量较少。

五河地区朱顶—石门山断裂带为压性或压扭性断裂带,带内SiO2含量高,石英多沿断裂带呈脉状分布。断裂带主量元素的变化主要与断裂带化学元素的离子半径、比重有关。

2.3.2断裂带微量元素相关性分析

相关性分析是一种直接研究元素亲和性的方法。本次研究对采集的样品中微量元素和Au元素做了相关性分析,计算各元素之间的相关系数,得出表3,用以分析成矿过程中指示性元素。通过分析得出,Ag、As、Bi、Co、Cu、Mo、Nb、Pb、Rb、Sb、Ta、Zn与Au呈明显的正相关,相关系数为0.27～0.99,相关性较为密切,它们都对金矿有良好的指示作用。其中Cu与Au的相关系数高达0.99,Pb、Mo、Ag、Zn与Au的相关性分别为0.97、0.96、0.96、0.81。因此五河地区朱顶—石门山断裂带控制的金矿往往和含铜矿物、方铅矿、闪锌矿、含银矿物共生,因此以上元素的峰值是良好的找金标志。

表3 五河地区朱顶—石门山断裂带Au和微量元素含量相关系数表Table 3 Correlation coefficient table of Au and content of trace elements in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

2.3.3断裂带微量元素的聚类分析

聚类分析又称点群分析,它是运用数学方法找出并计算能够度量样品间相似程度的相关性指标,按相关性数值的大小,将相似程度大的聚合到一类,相似程度小的聚合到另一类,直到把所有样品都聚合完毕,形成一个由小到大的分类系统,最后将分类系统直观地用图形表示出来[26]。因此对该区微量元素进行聚类分析有助于识别性质相似的成矿元素,获悉成矿元素的迁移富集规律。

以下是对采自五河地区受朱顶—石门山断裂带控制的金矿区中的25个样品微量元素所做的聚类分析图(如图7),从图中可以看出,与Au相关性最为密切的元素是Ag、Pb、Zn、Cu、Bi。当距离系数为20时,可分为4个元素组,其中第一组:Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi,该组反映出一个多金属矿化阶段,说明金矿化与铜矿化、铅锌银矿化密切共生。在该组中Pb元素的富集主要是与低温热液成矿作用有关[29],该类组合异常的出现是测区寻找Pb、Zn多金属矿床的重要地球化学找矿标志。同时,通过样品中Cu含量的分析得出测区Cu含量异常偏高(如表4),且Cu与Au的相关性高达0.98,因此在有利构造部位Cu有富集成矿的可能。第二组:As、Mo、Sb、Co、Ni,该组中Mo为高温元素,且Mo本身的特征决定了它与中酸性岩类具有一定的成矿专属性[17],说明区内后期中酸性岩浆岩发育,可能为Au、Cu等元素富集成矿提供了条件。同时该组中Co、Ni为热液元素组合,说明在有流体经过深部富Au围岩时,Au被萃取出来,沿断裂运移至地表。第三组:Nb、Ta,岩浆作用过程中Nb、Ta含量向着演化后期富集,大体上由超基性岩向酸性岩增加,此组的聚合可能与后期酸性侵入体有关[29-30]。第四组:Tl、Cr、Th、Be、Cs、Ga、Ge、In、Li、Rb、Sr、Ba,该组元素与Au的相关性数值较低或为负相关性,与Au的富集关连不大,划为单独一组。

表4 五河地区朱顶—石门山断裂带样品Cu元素含量及浓度系数Table 4 The content and concentration coefficient of Cu elements in the samples of Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

注:浓度系数=含量/克拉克值。

图7 五河大巩山金矿区微量元素聚类分析图Fig.7 Cluster analysis map of trace elements in Dagongshan gold mine,Wuhe

五河地区朱顶—石门山断裂带Au与Cu、Pb、Zn、Ag相关性高,Au往往和含铜矿物、方铅矿、闪锌矿,以及含银矿物共生,因此以上矿物可以作为本区找矿的标志。同时断裂带元素的聚类分析表明Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi为同一元素组合。说明金矿与铜矿、方铅矿、闪锌矿、银矿为伴生矿物。同时Au与Pb、Mo元素的相关性表明,五河金矿区至少经历了中—高温热液成矿作用,金矿的形成与后期沿断裂带贯入的中酸性侵入体有关。

3 结论

本文通过对五河地区朱顶—石门山断裂带构造特征以及韧性剪切带断裂构造地球化学特征的分析得出如下结论:

(1) 五河地区朱顶—石门山断裂带为一经历了多期的活动断裂,早期表现为发育在五河群西堌堆组中的走滑韧性剪切带,之后,相继叠加了伸展正断和逆冲挤压的脆性断裂,该断裂带控制着区内金矿床的形成。

(2) 断裂带主量元素分布具有从断裂带外围至断裂带中心SiO2、TiO2含量渐次递增,Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O含量渐次递减,CaO、Na2O、灼失量呈现双峰折线状,这主要是受断裂带中的各种构造地球化学作用的影响。

(3) 断裂带带内SiO2含量较高的特点说明,大量石英脉的形成与断裂关系密切,这一点从野外所发现的含矿化石英脉主要沿NNE向断裂展布得到了进一步地验证。

(4) 该断裂带微量元素中Au与Cu、Pb、Mo、Ag、Zn的相关系数分别为0.99、0.97、0.96、0.96、0.81,反映出上述元素的峰值是良好的找金标志。

(5) 朱顶—石门山断裂带微量元素聚类分析表明,Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi为同一元素组合,说明金矿与铜矿、方铅矿、闪锌矿、银矿为伴生矿物。同时Au与Pb、Mo元素的相关性表明,五河金矿区至少经历了中—高温热液成矿作用,金矿的形成与后期沿断裂带贯入的中酸性侵入体有关。