马达加斯加西南部Ampaniby大型韧性剪切带中石墨矿矿区地质特征及找矿模型

马金虎 马晓辉 提云生 周子辉 杨小虎 王光兴

(1.河北省地质工程勘查院 保定 071051；2.中国冶金地质总局地球物理勘查院 保定 071000)

1 引言

马达加斯加石墨矿资源丰富,石墨资源量居非洲第一,世界第四,并以其区域变质型大鳞片晶质石墨矿而闻名于世。以往勘查成果显示石墨矿产主要分布于马达加斯加东部的Marivolanitra地区,在西南地区Analamateza一带仅有少量分布(黄国平等,2015)。最新区域研究资料中,Collins按照岩石组成、形成时代、构造关系划分构造单元的方式被广为接受,各专家学者较统一的把西南地区排除在包含有含石墨变质岩系的塔纳块体之外(Collins,2006；车继英,2016)。黄国平将西南区划分到Tsivory单元,由Vohibory 群和Androyen、Anosyen 块体组成,仅提到Androyen块体的Mangoky群主要由含大量石墨和矽线石的碎屑岩—泥质岩副片麻岩组成(黄国平等,2015),未提及含石墨变质岩系；孙振一在讨论马达加斯加南部石墨矿床控矿构造及找矿模型时,也采用相同的构造岩石划分方案,主要强调了深层次韧性剪切变形造成C 元素的富集(孙振一,2019),亦未提及含石墨变质岩系。这便使大部分勘查单位把石墨矿找矿重点放在了马达加斯加东部塔纳块体,而忽视了西南部地区。

近年来有国内地质勘查单位在西南地区图利亚(Tulear)省南部贝基利(Bekily)市(县)发现了安巴希塔(Ambahita)超大型石墨矿床,实现了找矿重大突破。故20世纪60年代Besairie等按照岩石组成和变质程度强弱将马达加斯加前寒武纪变质基底自下而上划分为“Androyen 系”、“Graphite 系”和“Vohiborg系”三大岩石系列的划分方案再次得到重视,其在西南地区实现找矿突破起到重要作用。按照此划分方案,通过对该区进行的大比例尺填图工作表明,该区亦存在颇具规模的含石墨变质岩系,主要存在于Graphite系(含石墨变质岩系)底部的Ampanihy群,研究表明该区仍有较大的找矿前景。

本文主要以介绍安巴希塔(Ambahita)石墨矿床的矿区地质特征为基础,从地层、变质作用、韧性剪切作用的角度论述其成矿作用,总结有利成矿要素,在重新审视了前人锆石测龄的年龄数据的基础上,建立该区找矿模型。

2 区域地质背景

研究区位于马达加斯加前寒武纪结晶基底的西南部,主要由太古宙—早元古代形成的表壳岩及不同性质的变质侵入岩组成,该区为古克拉通增生而形成的重要构造带,而后又受到约5.5亿年(泛非造山运动)冈瓦纳大陆形成过程中的再次活动,其构造多期多阶段复合叠加效应明显。

区域地层主要为太古宇—元古宇变质结晶基底(变质表壳岩)。从老到新分为三个岩系(群)： 新太古界—古元古界安卓茵(Androyen)岩系、古元古界格拉菲特(Graphite)岩系(李文昊,2018)和新元古界夫黑博瑞(Vohibory)岩系(Collins,2005,2010,2011)。其中,含石墨地层为格拉菲特(Graphite)岩系,原岩恢复为一套大陆边缘的碎屑沉积夹中基性火山岩、含有机质泥—砂岩沉积和浅海相碳酸盐岩沉积建造(李文昊,2018)。

区域构造以韧性剪切带构造为主,脆性断裂构造不发育。该区韧性剪切带为马达加斯加七大韧性剪切带之一的安帕尼希(Anpaniphy)韧性剪切带,呈NNE 向展布,具左旋特征,各型褶曲、揉皱分布广泛,延伸达二百余千米。由于挤压、剪切作用,剪切带内紧闭褶曲、同斜褶曲构造发育,规模大小不等。中酸性拉长岩小岩株呈透镜状沿剪切带走向展布(图1)。

图1 马岛地质略图(据马国1:100万地质图修编)

3 安巴希塔矿区地质特征

3.1 地层

Ambahita石墨矿带区域上呈弧形南北向层状展布,矿带自南部的Ambahita至北部的Soakibany全长近20km,Ambahita石墨矿区位于该矿带的南部。矿区出露地层为古元古界格拉菲特岩系,岩性由下而上为浅粒岩、石榴变粒岩(夹少量石榴斜长角闪岩层、石榴浅粒岩层)、石墨变粒岩,各岩层间界限清晰。岩石片麻理呈NNE 向展布,NW 倾向,倾角40°～75°,产状变化较大,片麻理与区域构造线一致。

(1)新太古界格拉菲特岩系(Ar3G)

浅粒岩(lti)： 分布于矿区西部,灰白色,细粒变晶结构,块状构造。主要矿物成分长石含量约为65%,石英含量约为30%,少许黑云母、石墨,暗色矿物含量约为5%。

石榴变粒岩(Ggnt)： 该岩性于矿区内分布较广,从矿区西部至东部均有分布,灰白色,中细粒变晶结构,弱片麻状构造、块状构造。主要矿物成分长石含量40%～50%,石英含量20%～30%,石榴子石含量10%～20%,黑云母等暗色矿物少量。

石墨变粒岩(Cgnt)： 主要分布于矿区的中至中东部,南北贯穿全区,灰—灰黑色,鳞片状细粒变晶结构,片(麻)状—弱片麻状构造、块状构造。主要矿物成分长石含量40%～60%,石英含量20%～30%,石墨含量1%～10%,黑云母少量。石墨变粒岩层为本区石墨矿的主要赋矿地层。

(2)新生界第四系(Q)

矿区内广泛分布,主要为残积、冲积物,厚度0～4m 不等。残积物为红褐色、黄褐色砂土、砂砾土；冲积物于低洼处分布,为灰褐色砂土、砂质粘土。

3.2 构造

矿区处于NNE 向展布Anpaniphy大型韧性剪切带内,构造形式主要表现为韧性剪切的特点。

(1)Anpaniphy韧性剪切带的宏观构造

Anpaniphy韧性剪切带位于马达加斯加西南部,呈NNE向展布,全长约250km,贯穿石墨赋矿层位—格拉菲特(Graphite)岩系。Anpaniphy韧性剪切带属于平移韧性剪切带,倾角较陡(50°～70°),依据长英质透镜体的首尾展布形态判断,韧性剪切带主剪切方向为NE—SW,具左旋性质。岩层内部发育一系列同构造石英、长英质脉及花岗伟晶岩脉(图2a)。长英质脉由平行分布的石英、长石条带或长石斑晶组成,可见S-C 面理、拉伸线理等,脉宽几厘米至几米,长几米到几十米,体现出流动、塑性变形的特征,局部长英质小眼球体(图2b、d)、小透镜体具拖尾构造现象(图2a)、石榴石集合体呈旋转石香肠构造(图2c)。地表局部长英质脉呈S 形透镜体(图2e)及褶曲状(图2f)。由于受韧性剪切作用,石墨、黑云母等暗色片状矿物沿剪切带方向被拉长且定向排列,具流动、塑性变形等特征,构成明显的拉伸线理及构造片理(图2c)。从卫片中显示Anpaniphy韧性剪切带塑性流变强烈,拉伸线理明显,构造方线向为NE—SW 向,卫片南部两个拉长石小岩株镶嵌于韧性剪切带中,并被巨大的韧性剪切作用改造成“拖尾构造”与“眼球状”透镜体(图2g)。Soakibany西北侧的石墨变粒岩由于韧性剪切作用,形成长轴1.6km 的“眼仁状构造”(图2h),长轴方向与剪切带方向一致,石墨含矿带沿构造两侧分布。

(2)Anpaniphy韧性剪切带的微观构造

在韧性剪切带形成过程中,剪切应力作用下的岩石在固态或流体状态下,产生晶内变形、超塑性变形、碎裂运动以及压溶作用,致使岩石在镜下微观表现一系列特征。石英多呈粒状变晶结构,由于动态重结晶作用,部分晶粒见定向拉长,呈不规则长圆形,晶粒边界不平直,呈锯齿状、港湾状等,晶粒内部由于受剪切应力作用致裂隙发育,晶粒光性不均匀见波状消光(图3a)。在多晶石英条带中常见斜长石、石墨熔蚀及偶见蠕英结构残留体,这些现象都是岩石发生局部熔融作用的标志。岩石中多晶石英条带(微脉)是岩石经历中深层次韧性变形的标志(裴利庭等,2016)。长石为粒状,多为斜长石,偶见钾长石,斜长石多具有典型的变形双晶—聚片双晶,斜长石晶内显微断裂构造发育,呈现不规则状裂隙,偶见平行发育的“书斜构造”。石墨全部为晶质,多呈自形—半自形叶片状,部分石墨晶体或集合体边界呈港湾结构、缝合线结构(图3b)。由于受剪切应力作用,部分石墨集合体表现出一系列显微褶皱(图3c)。石墨形态大多较好,但内部多不干净,夹杂有一些脉石矿物,且部分石墨尾端见撕裂现象(图3d)。偶见片状石墨填隙在黄铁矿、磁黄铁矿裂隙或粒间。

3.3 岩浆岩

区内岩浆岩不发育,仅有伟晶岩在矿区中北部零星出露,呈透镜状大致顺层产出。岩石灰白色,粗粒结构,块状构造,矿物成分以长石为主,石英次之,少量黑云母。伟晶岩透镜体长轴方向长15～150 m,短轴方向长6～30m,规模不大。

图2 韧性剪切带的宏观构造

图3 韧性剪切带的微观构造

4 变质变形与成矿作用

4.1 区域变质与混合岩化作用

马达加斯加石墨变质岩系变质程度较高,多为角闪岩相变质岩,局部可达麻粒岩相。角闪岩相的形成温度为600℃～800℃,压力为400～600 MPa,一般来说变质程度越高,石墨鳞片粒度越大,石墨中所含杂质越少,可选性较好,易于提纯(李超,2015)。在区域变质过程中,石墨的形成一般与区域动力热流变质或低温动力变质作用有关。原岩中的有机质在还原条件下发生脱氧、脱氢反应,结晶成鳞片状石墨。由于马达加斯加石墨变质岩变质作用持续时间长、变质次数多、变质程度高,石墨往往结晶程度较高,通常为鳞片状晶质石墨矿床。

混合岩化作用发生在区域变质成矿后期,主要表现为重结晶、局部重熔和交代作用。达到变质作用峰期后,岩石开始发生局部重熔并有广泛流体相出现,而后伴随重结晶作用及交代作用的发生。重熔分异作用产生一些变斑晶和长英质脉体,在此过程中部分组分在流体及热驱动作用下运移和聚集,长石、石英等造岩矿物发生伟晶化,石墨鳞片重结晶、晶片变粗大且富集(李超,2015)。

4.2 韧性剪切作用

一般的韧性剪切带是指深层次韧性剪切带,属于深构造层次,深度相当于10～25km,Anpaniphy大型韧性剪切带亦不例外。在变形带内各种宏观与微观的韧性变形十分发育,尤其不同成分的同构造脉尤为发育,在宏观上构成透入性线性构造。

韧性变形带是一种局部应力作用(王学滨,2003),动能可以转化为热能,促进熔融作用的发生。高温实验证明,差应力作用与温度增加具有等同效应。由于变形带内存在应力梯度、应变速率梯度,在差应力作用下固态岩石先后发生软化蠕变—扭折—晶间滑移—矿物变形—低熔组分石英、长石熔融和黑云母熔融消失(沙茜,马瑞,2011)等一系列变化。随着韧性变形作用的持续,按照矿物熔融顺序,将由低到高先后熔融出不同的矿物。首先熔融出的是石英、长石,然后依次是黑云母、角闪石等,它们在剪切裂隙聚集、充填便形成多成分同构造脉。

在变形过程中,熔融的矿物或组分持续进行着有限范围内的迁移和聚集以及联结,在高温高压区分解熔融,在低压区沉淀聚集,沿剪切滑动带前锋出现熔融,中后部出现聚集。矿物重结晶、聚集的过程,也是一个体积调整的过程,那些泥、砂质变质岩系中孔隙、水分被释放。同时,另外一些矿物沿水裂作用形成的裂隙充填,形成了包含、镶嵌结构。

变形峰期之后,熔体向着扩散空间和构造薄弱的虚脱部位聚集,固态弱变形域被塑态形变带及熔融液态相隔或包围。因变形引发了前后物态的质的改变,即由变形前的单一固态变为变形峰期固态、塑态、液态三相并存的环境。熔融液态的出现一方面极大地改变了构造带中的应变速率和应变强度,另一方面也改变了构造带上物质的聚集行为与方式,这就是触发了变质带中物质的流动迁移和同质相聚机制。

石墨矿质在韧性剪切作用过程中全程参与,剪切热能足以使含矿岩层中的石墨矿质再次活化和激发,在剪切力的驱动下由塑态物质、变质水及热液携带,从强应变域向弱应变域(韧性)流动迁移、同质聚集、富集或经动态重结晶,最终在弱应变域沉积、重新就位,形成厚大的石墨工业矿体。石墨矿化属于前韧性剪切期矿化,韧性剪切作用将石墨矿质重新组合、就位、再分布,对原石墨矿带起到了改造成矿作用(何绍勋等,1996)。

5 成矿要素分析

经成矿作用过程分析可知,该区成矿是以地层(富有机质沉积原岩)为基础,地层原岩中的有机质经历漫长的区域变质作用(有机质脱氧、脱氢反应)使成矿物质初步富集形成石墨矿(化)体,然后在区域变质作用的基础之上发生的混合岩化作用使矿质进一步富集；最后经韧性剪切改造成矿作用,石墨矿质再次活化和激发、重新就位、再分布,最终形成大而富的石墨矿体。

研究区成矿地质体为格拉菲特(Graphite)岩系,即为成矿源岩,其原始沉积为富含有机质的富铝的砂质、粉砂质、泥质沉积碎屑岩(李文昊,2018)。结合前人研究成果,马达加斯加石墨矿床沉积时代为2400±200 Ma,变质时代分别为1100±200Ma、550±100Ma、200±50Ma(李文昊,2018)。根据马达加斯加西南部Ambahita石墨矿区床地质特征及区域构造演化过程该区石墨矿床的主要成矿要素如表1。

表1 马达加斯加西南部石墨矿床成矿要素特征表

6 找矿模型

马达加斯加变质前寒武纪基底地层的形成主要源于晚太古代古陆核的形成、增生、裂解与聚合。每一阶段都发育与之相应的变形变质、沉积及岩浆活动。这些地质作用形成了石墨矿床较为稳定的变质基底,经过不同基底单元间的深层剪切变形作用而进一步富集(贾凤仪,2016)。依据马达加斯加石墨矿床成矿特征及成矿规律,其成矿模型可概括为“层带复合”。“层”指前寒武纪变质基底中与石墨相关的赋矿层位、成矿源岩,即格拉菲特(Graphite)岩系。“带”指前寒武纪不同时代的变质基底受陆块增生、裂解及拼合等作用而形成的剪切带。这些剪切带对石墨矿(化)体起到了改造成矿作用,使石墨矿质重新组合、就位、再分布,从而形成厚大的工业矿体。

研究区以“层带复合”的找矿模型为指导,在此基础之上结合一些重要成矿要素,开展进一步的找矿工作。