东天山觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩角闪石矿物学特征及其对区域找矿的启示

李季霖, 陈正乐, 周涛发, 韩凤彬, 张文高, 霍海龙, 刘 博, 赵同阳, 韩 琼, 李 平, 陈贵民

东天山觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩角闪石矿物学特征及其对区域找矿的启示

李季霖1, 2, 陈正乐1*, 周涛发2, 韩凤彬1, 张文高1, 霍海龙1, 刘 博1, 2, 赵同阳3, 韩 琼3, 李 平3, 陈贵民4

(1.中国地质科学院 地质力学研究所 动力成岩成矿实验室, 北京 100081; 2.合肥工业大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009; 3.新疆维吾尔自治区地质调查院, 新疆 乌鲁木齐 830000; 4.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 第六地质大队, 新疆 哈密 839000)

新疆东天山觉罗塔格构造带位于吐哈盆地和中天山地块之间, 区内矿产资源丰富, 是我国重要的金属矿产分布区, 其成矿作用与岩浆活动密切相关。本文在详细岩相学观察的基础上, 对角闪石进行了电子探针(EMPA)测试分析, 限定了区内8个岩体结晶的温压条件、岩浆氧逸度和含水量等要素, 为解析觉罗塔格构造带内钙碱性侵入岩的构造环境、演化过程和成矿作用提供矿物学方面的制约。测试分析表明, 岩体中的角闪石富镁(MgO: 5.82%～18.04%)、富钙(CaO: 9.91%～12.56%)、富钠(Na2O/K2O>1.0)、贫钾(K2O: 0.06%～1.16%), 属于钙角闪石族。角闪石化学成分特征揭示其大部分为中酸性侵入岩中的角闪石, 寄主岩浆为钙碱性, 岩浆物质来源具有壳幔混源的特征, 是板块俯冲背景下由地幔楔与大陆地壳物质混熔形成。由角闪石温压计得出矿物的结晶温度为751.88～887.46 ℃, 压力为62～248 MPa, 相应侵位深度为2.35～9.4 km。通过角闪石成分计算出岩浆的氧逸度为ΔNNO+0.30至ΔNNO+2.48, 并且在角闪石结晶时岩浆具有较高的含水量(H2Omelt>5%)。通过分析可知觉罗塔格构造带中的钙碱性侵入岩具有高温、低压、高氧逸度、富水和侵位浅的特点, 有利于Cu等元素在成矿流体中富集, 符合区域斑岩型铜矿的成矿条件。因此推测觉罗塔格构造带内仍具有一定斑岩铜矿的找矿潜力。

角闪石; 矿物学特征; 物理化学条件; 觉罗塔格构造带; 东天山

0 引 言

觉罗塔格构造带位于东天山地区南部, 该区强烈的构造‒岩浆活动和显著的陆壳增生过程使之成为我国西北地区重要的成矿带之一(李锦轶, 2004; 顾连兴等, 2006; 王京彬等, 2006)。近年来, 随着前人对觉罗塔格构造带典型矿床的系统研究, 构造带内找矿工作也取得重要突破(王碧香等, 1989; 李华芹, 1998; 秦克章, 2000; 李文明等, 2002; 毛景文等, 2002; 王瑜等, 2002; 刘德权等, 2003; 陈富文等, 2005; 王龙生等, 2005; 陈文等, 2006; Han et al., 2006;唐俊华等, 2007; Pirajno et al., 2008; 周涛发等, 2010)。区内已发现土屋‒延东斑岩铜矿、白山钼矿、东戈壁钼矿等大型‒超大型矿床, 以及三岔口、灵龙、赤湖等中小型矿床和矿点, 这些发现充分显示了该地区的成矿潜力和找矿前景。觉罗塔格构造带内的岩浆岩一直是东天山地区研究的焦点, 在区内广泛分布石炭纪‒二叠纪侵入岩, 且侵入岩与区内斑岩型铜‒钼矿床、矽卡岩型铜多金属矿床、VMS型铜(铅‒锌)矿床、岩浆型铜‒镍矿床具有密切的时空联系(赵晶, 2006; 郭召杰等, 2007; 周涛发等, 2010; 李朝文, 2011; 申萍等, 2012; 张达玉, 2012; 肖兵等, 2017; 崔策, 2018; 杜龙, 2018)。前人对区内与成矿有关的侵入岩体开展了较为深入的年代学、地球化学以及大地构造背景等研究(秦克章, 2000; 李华芹和陈富文, 2003; 陈富文等, 2005; 李少贞等, 2006; 王德贵等, 2006; 吴昌志等, 2006; 吴华等, 2006; 张晓梅等, 2006; 朱增伍等, 2006; 童英等, 2010; 周涛发等, 2010; 马比阿伟等, 2014; 张维峰等, 2017), 但对于岩浆侵位、岩石结晶时的物理化学条件等方面研究相对欠缺, 这一定程度上制约了对区内岩浆演化和成矿作用的理解以及斑岩型铜‒钼矿床的找矿工作。

对于与岩浆作用有关的矿床来说, 岩浆在成岩演化过程中的温度、压力、氧逸度、含水量和侵位深度等条件, 对成矿元素(Au、Cu、Mo)在成矿流体中的分散或富集具有重要的制约(刘承先等, 2018)。已有研究表明, 矿物学分析可以更好地反映岩浆结晶时的物理化学条件(Hollister et al., 1987; Borodina et al., 1999; Ridolfi et al., 2008, 2010), 由于角闪石是比较常见的造岩矿物, 且角闪石化学成分及含量受温度、压力等因素影响大, 因此角闪石不仅可以作为矿物温压计来指示岩浆结晶时的物理化学条件, 而且还可以提供岩浆物质来源和构造环境等信息(Hammarstrom and Zen, 1986; Hollister et al., 1987; Johnson and Rutherford, 1989; Schmidt, 1992; Anderson and Smith, 1995; Ridolfi et al., 2008, 2010)。本文利用电子探针对觉罗塔格构造带中的迪坎儿、百灵山、克孜尔塔格、齐石滩、陇东、黑岗、双岔沟和横山8个岩体中的角闪石进行化学成分分析, 限定其矿物结晶时的物理化学条件, 并对成岩环境进行了讨论, 为觉罗塔格构造带内的找矿提供依据和研究线索。

1 区域地质背景

东天山地处中亚造山带成矿域腹地(图1a), 位于哈萨克‒准噶尔板块和塔里木盆地的交汇地区, 由北向南依次为博格达裂谷、哈尔里克岛弧带、吐哈盆地、觉罗塔格构造带和中天山地块(图1b)(Xiao et al., 2004; 王京彬等, 2006; Wang and Zhang, 2016; Wang et al., 2016), 其中觉罗塔格构造带北部与吐哈盆地以大草滩断裂相隔, 南部与中天山地块以阿奇克库都克断裂为界, 西至吐鲁番小热泉子, 东至甘肃‒新疆交界处, 构造带长600 km, 宽30～50 km, 是新疆重要的成矿域之一。

觉罗塔格构造带被三条E-W向深大断裂分割开来, 进一步划分为3个次级构造单元, 即大南湖‒头苏泉岛弧带(北带)、康古尔‒黄山剪切带(中带)和阿齐山‒雅满苏弧后盆地(南带)(图1c)。北带出露地层主要有中奥陶统大柳沟组(O2)、下泥盆统大南湖组(D1)、中泥盆统康古尔塔格组(D2)、下石炭统小热泉子组(C1)和甘墩组(C1)、上石炭统梧桐窝子组(C2)、迪坎儿组(C2)和企鹅山群(C2); 中带以甘墩组、梧桐窝子组、下二叠统阿其克布拉克组(P1)和上二叠统阿尔巴塞依库莱组(P3)组成; 南带以下石炭统雅满苏组(C1)和企鹅山群为主, 南带与中天山地块接壤处发育长城系星星峡群(Ch)和蓟县系卡瓦布拉克群(Jx)。

构造带内断裂十分发育, 其中三条主干断裂以E-W向展布, 自北向南为康古尔‒黄山断裂、雅满苏断裂和阿其克库都克‒沙泉子断裂。断裂带附近不仅广泛发育基性岩‒中性岩和中性岩‒酸性岩组合, 显示出双峰式火山岩的特征, 而且沿着断裂带两侧分布着土屋、延东、延西等斑岩型铜矿床, 以及图拉尔根、黄山、黄山东、香山、白鑫滩等铜镍硫化物矿床(张达玉, 2012; 崔亚川, 2018)。觉罗塔格构造带内发育有康古尔韧性剪切带, 该剪切带处于康古尔断裂和雅满苏断裂之间, 是北部吐哈盆地与南部中天山地块挤压右型剪切的产物, 其韧性变形主要集中在晚二叠世‒早三叠世(姬金生等, 1996; 杨兴科等, 1999; 王瑜等, 2002; 陈文等, 2006)。由于受区域强烈构造‒岩浆活动的影响, 觉罗塔格构造带内的褶皱破坏程度较严重, 因而难以识别。区内代表性褶皱有雅满苏‒双岔沟复背斜、黄山复背斜和雅满苏西北滩‒东北滩复向斜等, 多为线状紧密褶皱(孙涛, 2010; 王忠禹, 2015; 崔策, 2018)。

觉罗塔格构造带内岩浆活动强烈, 广泛分布各种类型的侵入岩, 受区域构造作用控制, 岩体长轴多呈E-W向(图1c), 部分区域发生强烈的变质变形作用。该区侵入岩主要为中酸性岩, 超基性‒基性较为局限; 且侵入岩具多期次特征, 以晚古生代侵入岩为主。泥盆纪侵入岩主要位于大南湖‒头苏泉岛弧带, 代表性岩体有卡拉塔格、大南湖、镜儿泉、土屋北等岩体, 主要岩性为花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩及石英闪长岩等。石炭纪侵入岩主要沿康古尔‒黄山断裂和阿奇克库都克‒沙泉子断裂展布, 典型岩体有康古尔、百灵山、赤湖、福兴、黑尖山、陇东和双岔沟等岩体, 岩性主要有石英闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等。二叠纪侵入岩在构造带内分布相对较广, 主要有迪坎儿、黄山、黄山东、香山和土墩等岩体, 东部以橄榄岩、辉长岩、辉石岩为主; 中西部以闪长岩、二长花岗岩、石英闪长岩和英云闪长岩为主(周涛发等, 2010; 张达玉, 2012; 罗婷, 2013, 2016; 杨震等, 2015)。

Ⅰ1. 吐哈盆地; Ⅰ2. 大南湖‒头苏泉岛弧带; Ⅰ3. 哈尔里克岛弧带; Ⅱ1. 康古尔‒黄山剪切带; Ⅱ2. 阿齐山‒雅满苏弧后盆地; Ⅱ3.中天山地块; Ⅱ4. 南天山弧后盆地; Ⅱ5. 北山裂谷; F1. 大草滩断裂; F2. 康古尔‒黄山断裂; F3. 雅满苏断裂; F4. 阿其克库都克‒沙泉子断裂; F5. 中天山南缘断裂; F6. 星星峡断裂。

东天山觉罗塔格构造带金属矿产资源丰富、种类齐全、勘查潜力巨大, 是新疆重要的成矿带之一, 同时也是我国铜‒镍、金、铅‒锌、铁等多金属生产基地(王京彬等, 2006, 2008)。迄今为止, 区内已探明代表性矿床主要有土屋‒延东、小热泉子、三岔口斑岩型铜矿, 黄山‒黄山东岩浆型铜‒镍矿床, 红云滩、阿奇山、铁岭、百灵山等铁‒铜矿床, 石英滩、马头滩、康古尔、西凤山等与韧性剪切带有关的金矿床, 白山、白山东钼矿床, 小热泉子、寨北山VMS型铅‒锌矿和彩霞山大型铅‒锌矿床, 矿床分布具“南铁北铜东镍中间金”特点(王登红等, 2006, 2007)。

2 岩体地质特征

结合区内侵入岩的时空分布和岩相学特征, 本文选取了其中8个代表性岩体(迪坎儿、百灵山、克孜尔塔格、齐石滩、陇东、黑岗、双岔沟和横山)进行较为系统采样和角闪石矿物学研究, 各岩体的地质特征和岩石学特征见表1。

2.1 迪坎儿岩体

迪坎儿岩体位于小热泉子东北部约25 km处, 在区域上呈NE向岩株产出。岩体赋存在上石炭统迪坎组(C2)中, 主要岩性为二长花岗岩和钾长花岗岩, 其中二长花岗岩呈浅肉红色, 细粒二长结构, 块状构造(图2a)。主要矿物有斜长石(30%～40%)、钾长石(20%～25%)和石英(15%～20%), 次要矿物有角闪石(5%～10%)和黑云母(5%), 副矿物有榍石和磁铁矿。斜长石为灰白色, 呈半自形柱状, 发育环带结构, 局部有绢云母化。钾长石为肉红色, 呈半自形板状, 局部有泥化, 与斜长石存在共生边。石英为无色, 呈它形粒状。角闪石为黄绿色, 截面呈菱形, 干涉色为Ⅱ级蓝绿。黑云母为褐绿色, 呈它形鳞片状, 局部有绿泥石化, 分布于长石的间隙内(图3a)。

2.2 百灵山岩体

百灵山岩体位于十里坡南部, 区域上呈E-W向岩基产出, 是一个多期次侵入的复合岩体(韩琼等, 2017)。岩体侵位于下石炭统甘墩组(C1)中, 该岩体核部为花岗闪长岩, 边部为石英闪长岩、英云闪长岩、二长花岗岩和少量花岗闪长岩。其中花岗闪长岩为灰白色, 花岗结构, 块状构造(图2b)。主要由斜长石(40%～50%)、石英(10%～20%)、钾长石(10%～15%)、角闪石(5%～10%)和黑云母(5%)和微量榍石和磷灰石组成。斜长石为灰白色, 呈半自形短柱状, 可见卡‒钠复合双晶, 局部有碳酸盐化。石英为乳白色, 呈它形粒状分布于它形其他矿物的间隙中。钾长石为肉红色, 呈它形短柱状, 高岭土化明显。角闪石为暗绿色, 截面多呈六边形, 干涉色为Ⅱ级绿色‒黄色, 局部被黑云母交代。黑云母为暗褐色, 呈半自形鳞片状, 镜下多色性明显, 可见一组完全解理, 局部有绿泥石化(图3b)。

表1 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩体简表

(a) 迪坎儿二长花岗岩; (b) 百灵山花岗闪长岩; (c) 克孜尔塔格石英闪长岩; (d) 齐石滩花岗闪长岩; (e) 陇东石英闪长岩; (f) 黑岗二长花岗岩; (g) 双岔沟花岗闪长岩; (h) 横山花岗闪长岩; (i) 横山石英闪长岩。

2.3 克孜尔塔格岩体

克孜尔塔格岩体(舌状岩体)位于吐哈盆地南缘, 呈E-W向岩株产出。岩体侵入于下石炭统甘墩组(C1)中, 早期有挤压变形, 晚期叠加有走滑作用(马瑞士等, 1993, 1997), 主要岩性为石英闪长岩和花岗闪长岩。其中石英闪长岩为浅灰色, 中‒细粒半自形结构, 块状构造(图2c)。主要矿物有斜长石(45%～50%)、角闪石(20%～25%)和石英(10%～15%), 次要矿物有黑云母(10%), 副矿物有锆石和榍石。斜长石为灰白色, 呈半自形柱状, 发育有聚片双晶, 局部可见环带结构。角闪石为黄褐色, 截面呈菱形, 干涉色为Ⅱ级黄色, 局部可见简单双晶。石英为无色, 呈它形粒状。黑云母为红褐色, 呈板状, 交代了早期形成的角闪石(图3c)。

2.4 齐石滩岩体

齐石滩岩体位于克孜尔塔格岩体南部康古尔‒黄山剪切带内, 岩体较分散, 呈E-W向岩脉或岩株产出。岩体赋存在下石炭统甘墩组(C1)中, 主要岩性为花岗闪长岩。花岗闪长岩为灰白色, 细粒花岗结构, 块状构造(图2d)。主要矿物有斜长石(30%～40%)、石英(20%～30%)和钾长石(10%～15%), 次要矿物有角闪石(10%)和黑云母(5%)。斜长石为灰白色, 呈自形‒半自形板状, 可见聚片双晶和环带结构, 局部有绢云母化。石英为乳白色, 呈它形粒状集合体分布在长石边部。钾长石为肉红色, 呈半自形板状, 可见较为强烈的碳酸盐化。角闪石为褐色, 短柱状, 截面呈六边形, 干涉色为Ⅱ级绿色‒黄色, 边部有一定程度的蚀变。黑云母为黄褐色, 呈半自形片状, 局部有绿泥石化和绿帘石化(图3d)。

(a) 迪坎儿二长花岗岩; (b) 百灵山花岗闪长岩; (c) 克孜尔塔格石英闪长岩; (d) 齐石滩花岗闪长岩; (e) 陇东石英闪长岩; (f) 黑岗二长花岗岩; (g) 双岔沟花岗闪长岩; (h) 横山花岗闪长岩; (i) 横山石英闪长岩。矿物代号: Qtz. 石英; Pl. 斜长石; Kf. 钾长石; Amp. 角闪石; Bi. 黑云母; Chl. 绿泥石; Ttn. 榍石。

2.5 陇东岩体

陇东岩体位于雅满苏以西约50 km处, 呈NE向岩基产出。岩体侵位于下石炭统甘墩组(C1)中, 主要岩性为二长花岗岩和石英闪长岩。其中石英闪长岩为灰白色, 细粒半自形结构, 块状构造(图2e)。主要矿物为斜长石(40%～50%)、角闪石(15%～20%)和石英(10%～15%), 次要矿物为黑云母(10%)和钾长石(5%), 副矿物为榍石和磷灰石。斜长石为灰色, 呈自形柱状‒短柱状, 发育卡‒钠复合双晶。角闪石为黄绿色, 截面呈菱形或六边形, 镜下多色性明显, 两组解理清晰可见。石英无色, 呈它形粒状。黑云母为绿色, 呈鳞片状集合体分布在长石和角闪石边部。钾长石为浅肉红色, 呈半自形‒它形短柱状, 矿物整体颗粒较细, 边部有高岭土化(图3e)。

2.6 黑岗岩体

黑岗岩体位于雅满苏北岩体北东约10 km处, 呈E-W向岩脉或岩株产出。岩体侵入地层为上石炭统企鹅山群(C2), 主要岩性为二长花岗岩。二长花岗岩为浅肉红色, 中‒细粒二长结构, 块状构造(图2f)。主要矿物为斜长石(35%～45%)、钾长石(15%～25%)和石英(15%～20%), 次要矿物为黑云母(5%)和角闪石(5%), 副矿物为锆石。斜长石为灰白色, 呈它形短柱状, 可见聚片双晶。钾长石为灰色, 呈半自形粒状, 表面泥化, 与斜长石有共生边。石英为乳白色, 呈它形粒状。黑云母为黄褐色, 呈半自形板状。角闪石为黑色, 截面呈菱形, 干涉色为Ⅱ级黄色, 被后期形成的黑云母交代(图3f)。

2.7 双岔沟岩体

双岔沟岩体位于黄山铜‒镍矿区东南约12 km处, 呈NE向岩基产出。岩体侵位于下石炭统甘墩组(C1)和雅满苏组(C1)中, 主要岩性为花岗闪长岩。花岗闪长岩为深灰色, 中细粒花岗结构, 块状构造(图2g)。主要矿物有斜长石(30%～40%)、石英(20%～30%)和钾长石(10%～15%), 次要矿物有角闪石(10%)和黑云母(5%), 副矿物为榍石。斜长石为灰色, 呈半自形板状, 同时可见聚片双晶和环带结构。石英为乳白色, 呈它形粒状集合体产出。钾长石为浅肉红色, 呈半自形短柱状产出, 和斜长石有共生边, 局部有碳酸盐化。角闪石为黄绿色, 截面呈菱形或六边形, 干涉色为Ⅱ级黄色, 局部可见简单双晶。黑云母为褐绿色, 呈鳞片状集合体分布(图3g)。

2.8 横山岩体

横山岩体位于觉罗塔格构造带和中天山地块之间, 尾亚岩体北东20 km处, 呈E-W向岩基或岩株产出。岩体赋存在长城系星星峡岩群(Ch)和蓟县系卡瓦布拉克群(Jx)中, 主要岩性为花岗闪长岩、石英闪长岩和闪长玢岩。其中花岗闪长岩为灰白色, 中细粒花岗结构, 块状构造(图2h)。主要矿物有斜长石(40%～50%)、石英(15%～20%)和钾长石(10%～15%), 次要矿物有角闪石(10%)和黑云母(5%), 副矿物有榍石和锆石。斜长石为灰白色, 呈半自形板状, 发育聚片双晶。石英为乳白色, 呈它形粒状。钾长石为肉红色, 呈半自形‒它形短柱状, 局部泥化, 发育卡斯巴双晶。角闪石为黄褐色, 截面呈菱形, 干涉色为Ⅱ蓝绿色‒黄色, 分布在斜长石和钾长石的间隙。黑云母为褐绿色, 呈板状, 分布在角闪石边部(图3h)。石英闪长岩为深灰色, 细粒半自形结构, 块状构造(图2i)。主要由斜长石(50%～60%)、角闪石(10%～15%)、石英(10%～15%)、黑云母(5%)和钾长石(5%)组成, 含微量磷灰石和磁铁矿。斜长石为灰色, 呈自形‒半自形柱状, 具有卡‒钠复合双晶。角闪石为黑色, 截面呈六边形或菱形, 干涉色为Ⅱ级黄色, 可见两组完全解理。石英为乳白色, 呈它形粒状。黑云母为深褐色, 呈鳞片状集合体分布在角闪石边部。钾长石为浅肉红色, 呈半自形‒它形板状, 局部发生微弱高岭土化(图3i)。

3 样品采集与分析方法

本文对迪坎儿和黑岗岩体中的二长花岗岩, 百灵山、齐石滩、双岔沟和横山岩体中的花岗闪长岩, 以及克孜尔塔格、陇东和横山岩体中的石英闪长岩进行了系统采样。在采样过程中尽量选取新鲜岩石样品, 以此保证测试结果的准确性和可靠性, 具体采样位置见图1c。样品磨制成薄片后, 在显微镜下进行详细的岩相学观察, 并圈定出角闪石进行电子探针(EMPA)分析, 此次薄片喷碳与样品测试分析工作均在江西南昌东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成, 测试仪器型号为日本电子JOEL公司生产的JXA-8230型电子探针分析仪, 实验中的加速电压为15 kV, 束流为2.0×10−8A, 束斑直径为2 µm。环境室温20 ℃, 湿度10%。标准矿物选用萤石(F)、硅铍铝钠石(Cl)、硬玉(Na、Si)、透长石(K)、斜长石(Ca、Al)、黑云母(Fe、Mg)、锆石(Zr)、金属铪(Hf)、红钛锰矿(Ti、Mn)、铌酸锶钡(Nb、Sr、Ba)、晶质铀矿(U、Th)、独居石(P、La、Ce、Pr、Nd、Sm)和部分稀土磷酸盐(Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y)。Si、Al、Mg、Ca、Fe、Na、K、F、Cl 等主量元素或易挥发元素特征峰测量时间为10 s, 背景测量时间为5 s, 主量元素的检出限约为0.01%, 所有测试结果均采用ZAF程序进行了校正处理。

4 角闪石化学成分分析

通过野外观察和显微镜下鉴别, 选择自形程度较好、干涉色均一、且在背散射图像(BSE)上化学成分均一的角闪石颗粒进行电子探针分析。角闪石电子探针成分分析和相关计算结果见表2。分析结果显示, 二长花岗岩(迪坎儿和黑岗岩体)中除75D-3外, 角闪石的SiO2、TiO2、Al2O3和FeO的含量分别为: 44.40%～49.23%、0.97%～1.34%、5.14%～6.41%、15.89%～26.99%; 花岗闪长岩(百灵山、齐石滩、双岔沟和横山岩体)中角闪石的SiO2、TiO2、Al2O3和FeO分别为: 42.24%～53.24%、0.09%～1.68%、3.48%～11.30%、9.15%～21.16%; 石英闪长岩(克孜尔塔格、陇东和横山岩体)中除140F-2外, 角闪石的SiO2、TiO2、Al2O3和FeO分别为: 43.14%～53.23%、0.47%～2.06%、3.46%～8.85%、10.18%～26.24%; 此外所有岩体中的角闪石都含少量的Na2O(<3%)和微量MnO和F(<1%), 且都具富镁(MgO: 5.82%～18.04%)、富钙(CaO: 9.91%～12.00%)、富钠(Na2O/K2O>1.0)、贫钾(K2O: 0.06%～1.16%)的特征。随着角闪石中SiO2含量增加, TiO2、Al2O3、Na2O和K2O的含量逐渐降低, 而MgO的含量逐渐增加。角闪石中的阳离子数计算采用Yavuz (2007)研发的WinAmphcal程序。通过分析可知(表3), 角闪石组分中B位Ca为1.52～ 1.94, A位的(Na+K)为0.01～0.63, 且(Na+K)阳离子含量随Si值的增加而减少, 即呈负相关关系(图4b)。根据Leake et al. (1997)提出的角闪石命名原则, 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中的角闪石大部分属于钙角闪石族(CaB≥1.5), 仅黑岗岩体中75D-3和横山岩体中140F-2为Mg-Fe-Mn-Li角闪石族(CaB+ NaB<1)。按照钙质角闪石进一步分类, 角闪石中Si=6.27～7.46, Mg/(Mg+Fe2+)=0.33～0.98, 在角闪石 Mg/(Mg+Fe2+)-Si分类图解中, 六个岩体(迪坎儿、百灵山、齐石滩、陇东、双岔沟和横山)中的角闪石主要为镁角闪石, 少部分为钙镁闪石、阳起石, 而克孜尔塔格和黑岗岩体则全部为铁角闪石, 成分变化范围较大(图4a)。

表2 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石电子探针分析结果(%)

续表2:

表3 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石阳离子系数

续表3:

图4 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石分类图(a;据Leake et al., 1997)和(Na+K)-Si化学成分图(b)

5 讨 论

5.1 角闪石成因以及对构造背景的指示

角闪石作为造岩矿物可形成于各种地质作用过程中, 因此角闪石的成分特征在一定程度上可以反应岩浆的性质和构造环境(Coltorti et al., 2007)。本次研究侵入岩中的角闪石为填隙结构, 且具有均一的干涉色, 说明角闪石具有岩浆成因特征(Luan et al., 2014)。马昌前等(1994)根据钙质角闪石中Ti和Si含量的差别, 总结出了角闪石成因类型判别图解。与火山岩有关的火成角闪石具有高Ti低Si的特点, 反之蚀变、交代或次生角闪石具有低Ti高Si特征。与基性、中酸性侵入岩有关的角闪石中Ti和Si处于相对平衡的状态。通过镜下观察结合元素分析可知, 所研究岩体中的角闪石大部分分布在Ⅳ区, 为中酸性侵入岩成因; 克孜尔塔格岩体位于Ⅱ区, 说明角闪石可能是深部基性岩浆结晶的产物; 部分齐石滩和双岔沟岩体位于Ⅲ区, 表明角闪石可能来源于深部变质岩的捕虏晶; 而落入Ⅴ区的点则是后期次生交代的角闪石(图5a)。钙碱性角闪石中的K含量要普遍低于碱性角闪石, 因此可以用AK-Al图解判断岩体的碱性和钙碱性(Ridolfi and Renzulli, 2012)。从图5b中可以看出, 所研究岩体均为钙碱性。

研究表明, 钙质角闪石中Si、Ti和Al的含量会随着岩浆源区的不同而呈现有规律的变化, 其中壳源角闪石Si/(Si+Ti+Al)≥0.775, 而幔源角闪石Si/(Si+Ti+Al)≤0.765(姜常义和安三元, 1984)。本次研究岩体中角闪石的Si/(Si+Ti+Al)值为0.671～0.926, 平均值为0.840, 同时具有壳源和幔源的特征。根据TiO2-Al2O3图解可知, 角闪石主要分布在壳幔混合源区, 几乎都来自中酸性侵入岩(图5c); 齐石滩岩体角闪石显示其成岩物质具有幔源特征, 双岔沟岩体虽为壳幔混源性质, 但其幔源所占比例较大, 说明岩体是幔源岩浆和壳源物质共同作用的产物, 与觉罗塔格构造带晚古生代中酸性岩浆源区的特征相符(北带壳源物质比例较小, 中带为壳幔混合源区, 南带壳幔混合源区且壳源物质比例大)(张达玉, 2012), 也与该区Sr、Nd、Hf和O同位素研究结果一致(Wu et al., 2006; Zhang et al., 2016)。

在角闪石Na2O-SiO2图解中, 样品点全部位于俯冲带上方的角闪石区域, 为S型角闪石(图5d), 表明成岩岩浆形成于俯冲环境, 与地幔楔岩浆演化有关。周涛发等(2010)指出东天山地区花岗质岩浆活动可分为三个阶段, 板块碰撞前岛弧阶段花岗岩体(386.5～369.5 Ma), 主碰撞构造演化阶段花岗岩体(285～250 Ma)和后碰撞构造演化阶段花岗岩体(250～208 Ma)。年代学研究表明所研究钙碱性岩体的年龄范围为349～230 Ma(张达玉, 2012), 处于主碰撞构造演化阶段, 与晚石炭世北天山洋双向俯冲并闭合、觉罗塔格构造带内发育弧型‒同碰撞侵入岩的地质事件相符。

5.2 角闪石结晶的温度、压力、氧逸度和含水量

Hammarstrom and Zen (1986)通过研究表明, 岩浆结晶时的温度、压力等物理化学条件同角闪石的化学成分及含量有着密切关系。Hollister et al. (1987)根据火成岩接触变质作用的资料, 提出了利用角闪石中全铝(AlTot)含量计算压力。Johnson and Rutherford (1989)、Blundy and Holland (1990)和Schmidt (1992)根据饱和CO2-H2O流体相平衡条件下的实验资料, 在前两者的基础上重新标定了角闪石全铝压力计和斜长石温度计。Anderson and Smith (1995)考虑到温度和氧逸度对角闪石阳离子占位的影响, 应用内插法, 得到含温度校正项的角闪石‒斜长石温压计。然而以上公式适用条件依然十分苛刻, 只有在<800 ℃, Fe/(Fe+Mg)<0.65时才具有可信度, 且所测点必须与斜长石(An25～An35)和石英共生。近年来Ridolfi et al. (2008, 2010)提出了角闪石独立组分估算其温压条件的公式, 适用于地幔到上地壳的温压范围, 并且该公式还能对氧逸度和含水量给予限定。

图5 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石Ti-Si(a;据马昌前等, 1994)、AK-ⅣAl(b;据Ridolfi and Renzulli, 2012)、TiO2-Al2O3(c;据姜常义和安三元, 1984)和Na2O-SiO2图解(d;据Coltorti et al., 2007)

5.2.1 温度和压力

基于基性‒中酸性岩中角闪石的Si*值同其结晶温度的密切关系(Ridolfi et al., 2008), Ridolfi et al. (2010)提出了角闪石Si*温度计, 即:

=–151.487Si*+2041 (2=0.84)

其中

Si*=Si+(ⅣAl/15)–(2ⅣTi)–(ⅥAl/2)–(ⅥTi/1.8)+(Fe3+/3.3)+ (Mg/26)+(BCa/5)+(BNa/1.3)–(ANa/15)+(AK/2.3)

本文利用Ridolfi et al. (2010)提供的AMP-TB.xls程序排除不符合温压计应用条件的克孜尔塔格岩体和黑岗岩体(Al#>2.1, Mg/(Mg+Fe2+)<0.5), 利用角闪石温度计对觉罗塔格构造带其他6个岩体中角闪石的结晶温度进行计算, 得出角闪石结晶温度为751.88～887.46 ℃, 平均值为805.24 ℃(图6d)。

鉴于角闪石AlTot与结晶压力之间的密切的关系(Schmidt, 1992; Anderson and Smith, 1995), Ridolfi et al. (2010)提出了岩浆角闪石AlTot压力计的校正公式, 即:

=19.201e(1.438AlTot)(2=0.99)

Ridolfi and Renzulli (2012)指出Ridolfi et al. (2010)给出的压力计算公式在≤500 MPa时是可以参考的, 误差小于±44 MPa。通过计算得到角闪石的结晶压力范围为62.26～248.98 MPa, 平均值为129.92 MPa(图6d)。在角闪石结晶时, 岩浆以融熔态为主, 因此结晶压力可作为上覆静岩压力, 若取上地壳平均密度为2.7 g/cm3, g为9.8 m/s2, 根据=g, 可以求出岩体结晶的侵位深度。根据压力计算结果得出角闪石的结晶深度范围为2.35～9.40 km, 平均值为4.91 km, 由此表明, 所研究的钙碱性岩体为中、浅成侵入岩。

5.2.2 氧逸度和含水量

除温度和压力外, 岩浆的氧逸度和含水量也是影响岩浆演化过程的关键因素(Candela and Holland, 1984; Richards, 2003)。Ridolfi et al. (2008)通过实验研究提出了角闪石Mg*岩浆氧逸度的计算公式, 即:

ΔNNO=1.644Mg*–4.01 (2=0.89)

式中

Mg*=Mg+(Si/47)–(ⅥAl/9)–(1.3ⅥTi)+(Fe3+/3.7)+ (Fe2+/5.2)–(BCa/20)–(ANa/2.8)+(AK/9.5)

根据上述公式计算出角闪石结晶时的氧逸度变化范围在ΔNNO+0.30到ΔNNO+2.48之间, 平均值为ΔNNO+1.38, 处于Ni-NiO出溶线附近(ΔNNO>+2.0),表明角闪石形成于较高的氧逸度环境(图6a), 与花岗岩中含有原生的榍石‒磁铁矿‒石英组合所指示的原始岩浆具较高氧逸度特征(Wones, 1989; 沈阳等, 2018)一致。角闪石中含有变价元素Fe, King et al. (2000)通过研究发现Fe3+/FeTot值对氧逸度(O2)的变化较敏感, 且具有良好的正相关关系(图6c), 因此角闪石中的Fe元素也能作为岩浆氧逸度可靠的指示剂。

此外, Ridolfi et al. (2008)还提出了角闪石Al*岩浆含水量的计算公式, 并且对公式进行了校正(Ridolfi et al., 2010):

H2Omelt=5.215Al*+12.28 (2=0.83)

其中

Al*=(ⅥAl)+(ⅣAl/13.9)–[(Si+ⅥTi)/5]–(cFe2+/3)–(Mg/1.7)+ [(BCa+AK)/1.2]+[ANa/2.7]–[1.56K]–(Fe#/1.6)

用上述公式计算出岩浆含水量变化范围为4.38%～ 6.55%, 由图6b可以看出, 角闪石结晶时熔体的含水量较高且变化范围大, 这可能是由于地幔源区受到俯冲作用的影响, 使得原始岩浆相对富水, 角闪石结晶较晚造成的。

区内6个岩体中角闪石结晶的物理化学条件存在一定差异, 且变化范围较大, 可能是成岩物质来源和构造背景的差异造成的。齐石滩岩体和双岔沟岩体中角闪石成分总体上具有幔源岩浆的特点, 而其他4个岩体(迪坎儿、百灵山、陇东和横山)则为壳幔混源的特征。幔源组分可能来自地幔楔部分熔融, 温度、氧逸度较高, 压力较大。壳幔混源组分可能来自岩浆上升至壳幔边界后, 下地壳物质的部分熔融, 相对于幔源组分其温度、氧逸度与压力都较低。其次, 齐石滩和双岔沟相对于其他4个岩体更靠近区域深大断裂(雅满苏断裂), 由于受到断裂带构造活动的影响, 岩浆具有更多迁移空间, 有利于岩浆在深部位置侵位, 因此齐石滩岩体和双岔沟岩体的侵位深度较深, 其余4个远离断裂带的岩体侵位深度较浅。

结合龚林等(2018)对研究区土屋‒延东一带赤湖和福兴岩体角闪石矿物学方面的研究, 赤湖花岗闪长岩温压范围分别为741～772 ℃和40～90 MPa, 氧逸度(logO2)为–12.9～–13.8, 含水量为3.8%～4.4%; 赤湖石英闪长岩温压范围为643～780 ℃和30～70 MPa, 氧逸度(logO2)为–12.3～–13.8, 含水量为3.8%～4.8%; 福兴石英闪长岩温压范围分别为640～775 ℃和30～60 MPa, 氧逸度(logO2)为–12.7～–13.6, 熔体中的含水量为3.6%～4.7%, 说明觉罗塔格构造带内的钙碱性侵入岩具有高温、低压、高氧逸度和高含水量的特征(表4)。

5.3 对成矿的指示意义

大型‒超大型斑岩铜矿形成多数与高温、中低压、高氧逸度、富水和浅侵位特征的岩浆密切相关(Richards, 2003; 侯增谦等, 2015), 因此对侵入岩中角闪石的系统研究是评价区内斑岩铜矿成矿潜力的重要手段(Kelley and Cottrell, 2009; Ridolfi and Renzulli, 2012; 沈阳等, 2018)。岩浆的物理化学及氧化还原条件直接制约着其成岩成矿元素的种类及含量, 如氧化型岩浆中多含Au、Cu、Mo, 而还原型岩浆多含W和Sn(Hou et al., 2013)。上述讨论显示, 研究区钙碱性岩浆在侵位、冷却和结晶时具较高的氧逸度, 岩浆中的S将会以SO2或SO42‒(氧化态)形式存在, 俯冲带上方的亲硫元素(Au、Cu、Mo)进入熔体中并与之结合继续运移。由于熔体具相对较高的氧逸度, 所以在一定程度上会抑制硫化物的沉淀, 避免了成矿元素(Au、Cu和Mo)在流体出溶前的亏损(Oyarzun et al., 2000)。残余岩浆继续上升到地壳浅部的过程中, 由于温度、压力以及氧逸度的降低, 体系从氧化状态逐渐变成还原状态, 岩浆中的S将会以S2‒或HS‒(还原态)形式存在, 发生水岩反应(Han et al., 2006), 因此促进了成矿元素在浅部侵位, 即还原状态下发生沉淀, 从而形成区内斑岩型铜矿。

岩浆中较高的含水量也是控制斑岩铜矿形成的另一个重要因素(Richards, 2003; Kelley and Cottrell, 2009; 沈阳等, 2018)。侵位较浅的岩浆具有较低的水溶解度, 因此在岩浆结晶过程中, 可以使熔体中的水过饱和并出溶出成矿流体, 有利于Cu等成矿元素进入流体, 并相继续向岩体上方迁移聚集(Candela and Holland, 1984; Richards, 2003); 同时, 富水熔体会使岩浆高度氧化, 提高岩浆的氧逸度(Imai et al., 1993; Simon et al., 2003)。

图6 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石logfO2-T(a;据Ridolfi et al., 2008)、H2Omelt-T(b;据Ridolfi et al., 2010)、Fe3+/FeTot-∆NNO(c;据King et al., 2000)和P-T图解(d;据Ridolfi et al., 2010)

表4 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中角闪石结晶物理化学条件表

土屋‒延东铜矿床是东疆最大的斑岩型铜矿床, 其成矿作用主要与闪长玢岩、花岗闪长岩和石英闪长岩有关(Xiao et al., 2004, 2008; 龚林等, 2018)。前人研究表明土屋‒延东斑岩铜矿床中成矿岩体及其附近的花岗岩体都具有高氧逸度和高含水量的特征(刘德权等, 2003; Wu et al., 2006; 龚林等, 2018)。本次研究的觉罗塔格构造带内8个钙碱性岩体中角闪石的化学成分特征及所限定的温压条件、岩浆氧逸度和含水量都与土屋‒延东一带岩体(赤湖和福兴)特征相似。因此觉罗塔格构造带内依然具有一定的斑岩铜矿的找矿潜力。

6 结 论

(1) 觉罗塔格构造带钙碱性侵入岩中的角闪石多为镁角闪石, 少量为铁角闪石和钙镁闪石。根据角闪石化学成分示踪表明, 所研究岩体原岩为中酸性侵入岩, 后期遭受了变质变形作用, 成岩物质以壳幔混源为主, 形成于俯冲作用背景下, 经历了岩浆混合作用。结合年代学资料, 反映钙碱性岩体形成于北天山洋双向俯冲下的大陆边缘弧环境。

(2) 矿物学特征指示角闪石结晶于高温(751.88～ 887.46 ℃)、低压(62.26～248.98 MPa)、高氧逸度(ΔNNO+0.30～ΔNNO+2.41)和高含水量(4.38%～6.55%)的环境, 相应的侵位深度为2.35～9.40 km。岩浆结晶时的物理化学条件有利于成矿元素Cu聚集沉淀, 从而形成斑岩型铜矿, 这对区内斑岩铜矿的找矿工作具有指示意义。

致谢:野外工作得到了新疆自然资源与生态环境研究中心的大力帮助, 电子探针测试分析得到了东华理工大学核资源与环境国家重点实验室段建兵老师的指导, 感谢东华理工大学潘家永教授和另一位匿名审稿人提出的宝贵意见, 让作者受益颇丰！

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Mineralogical Characteristics of Amphibole in Calc-alkalic Intrusive Rocks from the Juelotage Tectonic Belt of the Eastern Tianshan and its Implication for Regional Prospecting

LI Jilin1, 2, CHEN Zhengle1*, ZHOU Taofa2, HAN Fengbin1, ZHANG Wengao1, HUO Hailong1, LIU Bo1, 2, ZHAO Tongyang3, HAN Qiong3, LI Ping3and CHEN Guimin4

(1.Laboratory of Dynamic Diagenesis and Metallogenesis, Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 2. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China; 3. Xinjiang Institute of Geological Survey, Urumqi 830000, Xinjiang, China; 4. No.6 Geological Survey Team, Bureau of Xinjiang Geology and Mineral Resources Development, Hami 839000, Xinjiang, China)

The Juelotage tectonic belt lies between the Tuha Basin and the Central Tianshan Massif, within the Eastern Tianshan of XinJiang, where the geological structures are very complicated and rich in mineral resources, and the mineralization is closely related to the magmatic activity. Based on detailed petrographic observation, the authors analyzed the compositions of amphibole from the intrusive rocks by electron microprobe analysis (EMPA). The critical factors for calc-alkalic magmas such as temperature and pressure conditions, oxygen fugacity and water contents of the magmas are estimated, which provide the mineralogical constraints on the environments of magmatism, magmatic evolution and metallogenic processes in the Juelotage tectonic belt. The EMPA data show that the amphibole is rich in magnesium (MgO 5.82%–18.04%), calcium (CaO 9.91%–12.56%) and sodium (Na2O/K2O>1.0), belonging to calcic amphiboles. The chemical compositions of amphibole reveal that the host intermediate-acid intrusive rocks were derived from a hybrid of melts of the mantle wedge and the continental crust under subduction setting. The amphibole is characterized by crystallization temperatures of 751.88–887.46 ℃, crystallization pressures of 62–248 MPa, with magma emplacement depth of 2.35–9.4 km. The oxygen fugacity of calc-alkalic magmas defined by amphibole components varies from ΔNNO+0.30 to ΔNNO+2.48, and H2O contents of the melts when amphibole crystallized are higher than 5%. Through analysis, it is known that the calc-alkalic magmas in the Juelotage tectonic belt are characterized by high oxygen fugacity, water-rich and shallow emplacement, which is beneficial to the enrichment of Cu and other elements in the ore-forming fluids, and consistent with the metallogenic conditions for porphyry copper deposits. Therefore, it is suggested that this belt has great prospecting potential for porphyry copper deposits.

amphibole; mineralogical characteristics; physic-chemical conditions; Juelotage tectonic belt; eastern Tianshan

2020-03-07;

2020-04-11

国家科技支撑计划项目(2018YFC0604005)、中国地质调查局项目(DD20190161)、国家自然科学基金项目(41902214)和中国地质调查局基本科研业务费(JYYWF20183702、JYYWF20180602)联合资助。

李季霖(1991–), 男, 博士研究生, 矿田构造学专业。Email: 741161098@qq.com

陈正乐(1967–), 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事构造地质与矿田构造研究。Email: chenzhengle@263.net

P574; P612

A

1001-1552(2021)03-0534-019

10.16539/j.ddgzyckx.2021.03.006