山西省义兴寨金矿孙庄岩体磷灰石与角闪石的氧逸度计算

金咏洁,温书琪,王 硕,李新宇,秦 超,唐玉莹,张聚全

河北地质大学 地球科学学院,河北 石家庄 050031

0 引言

华北克拉通是我国金矿产出的一个重要构造单元,其边缘金矿床广泛分布,而克拉通内部的金矿较缺少。山西省繁峙县义兴寨金矿是目前发现的华北克拉通内部产出的少数大型金矿之一,更是在近期勘探中发现近50 t金储备量[1]。对义兴寨的成矿条件进行详细的研究,有助于我们破解克拉通内部金的成矿之谜,开拓金矿找矿的远景区。义兴寨金矿的金矿体可分为蚀变岩型、石英脉型和蚀变斑岩型金矿体等工业类型[2]。前人研究表明,孙庄岩体与金矿成矿在时空上有密切的联系[3],因此本次研究选取孙庄岩体为主要研究对象,对孙庄岩体的成矿特征进行了研究。氧逸度是影响岩浆演化和成矿作用的重要参数,在斑岩型矿床的研究中具有十分重要的意义。前人研究结果表明,斑岩型铜金矿床的成矿岩体较不含矿岩体的氧逸度高[4],氧逸度越高,越有利于金的迁移和富集,成矿规模越大[5]。岩浆氧逸度反映了岩浆的氧化还原状态,对岩浆演化起着重要的控制作用,对元素状态尤其是亲铜元素和亲硫元素的活化和富集成矿有直接影响[2],因此对孙庄岩体的氧逸度进行研究有助于我们进一步认识义兴寨金矿的成因和成矿控制因素。氧逸度的计算有多种方法,而磷灰石在岩浆中结晶较早,能够较好地反映岩浆早期氧逸度的特征,因此本次研究采用磷灰石氧逸度计计算方法,结合磷灰石共生的角闪石的温度及氧逸度计算结果,客观评价孙庄岩体氧逸度,并讨论其对成矿的控制作用。

1 地质背景

义兴寨金矿是华北克拉通内部一个重要的矿床,矿区位于古元古代华北克拉通中央造山带上(图1a)。义兴寨地区主要出露的地层有太古界、元古界、古生界及新生界地层,义兴寨金矿的主要赋矿围岩为太古代TTG,主要岩性为黑云斜长片麻岩[3]。区域变质基底主要由TTG片麻岩组成[6],盖层为古元古界滹沱组变质沉积岩[7]。

图1 义兴寨金矿地质图(根据文献[9]和文献[12]修改)Fig.1 Geological map of the Yixingzhai gold deposits

华北克拉通的破坏与成矿作用关系密切,导致华北克拉通北缘、南缘、东部发生了明显的金矿化及岩浆活动。两条北西向大断裂(义兴寨断裂、龙山断裂)和北东东向褶皱构造构成了矿区的基本构造格局[8],其中北西向深大断裂控制了中生代岩体和矿体的构造展布[9]。研究区内断裂构造行迹按主要构造方位可划分为四种类型,分别为:北西向张扭性断裂构造、北北西向压—张扭性断裂构造以及北东向和北东东向压扭性断裂构造[10]。

矿区内出露的岩浆岩主要为早白垩世中酸性侵入岩[11]。孙庄岩体位于义兴寨金矿床南部(图1b),辛庄金矿的西北部,是矿区范围内最大的中生代侵入体。其主要岩性为石英二长岩和二长岩,中部被一斑状花岗岩侵入,北部侵入更早形成的石英斑岩中。Zhang等[12]认为义兴寨金矿区中酸性侵入岩的年龄介于142 Ma和135 Ma之间,并认为孙庄岩体是区域内岩浆与热液活动的中心,与金成矿关系密切。

2 孙庄岩体的地质特征

孙庄岩体位于山西省繁峙县孙庄村东,义兴寨金矿床南部(图1b),南北长约3 300 m,宽约1 100 m[9],出露面积约为4 km2,是该区最大的中生代侵入体。其西部为斑状花岗岩侵入体,北部的石英二长岩侵入到石英斑岩中[12]。主要岩性为石英二长岩和二长岩,东南部出露辉石闪长岩[10]。野外观察发现,孙庄岩体的石英二长岩中存在大量暗色微粒包体(MMEs),被认为是岩浆混合作用的标志[7]。在石英二长岩和暗色微粒包体中均发育大量副矿物磷灰石。景淑惠等[9]对孙庄岩体进行微观及宏观的研究认为,该岩体是以分异为主且有混染作用形成的岩浆岩。孙庄岩体的侵位年龄为135 Ma[7],与中生代太行山地区岩浆作用和成矿年龄相一致,金矿化发生在岩体侵位之后,成矿流体主要来源于岩浆的一次沸腾和二次沸腾[7]。

3 样品特征及测试方法

3.1 样品的岩相学特征

本次样品的取样位置见图1b,其中样品D6-1、D18-2为石英二长岩,样品D7-1、D7-5为暗色微粒包体。

石英二长岩,中粒结构,主要矿物组成为钾长石40%～45%,斜长石30%～35%,角闪石10%,黑云母5%,石英5%,颗粒大小为0.5～2 mm,副矿物有磁铁矿、磷灰石、榍石等,粒度约为0.1～0.3 mm,其中磷灰石颗粒较大,呈自形到半自形短柱状,一般宽1～1.5 mm,长1.5～2.5 mm。

暗色微粒包体,细粒结构,块状构造,主要矿物组成为斜长石40%～50%,正长石20%～25%,黑云母15%～20%,角闪石10%～15%,副矿物有磁铁矿、磷灰石、榍石等。典型样品镜下照片见图2,可见磷灰石主要产出在角闪石之中,自形程度高。暗色微粒包体中的磷灰石颗粒较小,呈细小针柱状,一般宽0.3～0.5 mm,长0.5～1.5 mm。

图2 孙庄岩体典型样品的镜下照片Fig.2 Microscopic photographs of typical samples from Sunzhuang pluton

3.2 测试方法

本研究对义兴寨孙庄岩体中的磷灰石及与其共生的角闪石进行电子探针分析,分别挑选了两个石英二长岩和两个暗色微粒包体的样品进行了成分分析,其中D6-1、D18-2为石英二长岩,D7-1、D7-5为暗色微粒包体(MMEs)。分析测试工作在河北地质大学电子探针实验室完成,测试仪器为JEOL-JXA-8230,工作条件为:加速电压为15 kV;束流为20 nA;束斑直径为5 μm。使用天然矿物质和合成材料作为标准,所有标准品在使用前进行均匀性测定进行定量分析。使用ZAF校正程序进行矩阵校正。

4 结果

4.1 角闪石

本次测试共获得58个角闪石电子探针分析点。角闪石的成分中w(SiO2)的含量为48.03%～53.93%,平均为50.49%;w(FeOT)的含量为9.96%～12.75%,平均为11.39%;w(MgO)的含量为14.07%～17.73%,平均为15.80%;w(CaO)的含量在11.18%～12.31%之间,平均为11.69%;w(Al2O3)的含量为2.68%～6.41%,平均为4.87%;w(Na2O)的含量为0.60%～1.70%,平均为1.25%;w(TiO2)的含量为0.30%～1.51%,平均为0.98%;w(K2O)的含量为0.23%～0.93%,平均为0.55%;w(F)的含量为0.21%～0. 70%,平均为0.41%;w(MnO)的含量为0.20%～0.52%,平均为0.30%;w(Cl)的含量为0.03%～0.23%,平均为0.09%。总体富镁、钙,贫钾。SiT为7.16～7.99,平均为7.55;CaB为1.38～1.88,平均为1.56(＞1.5);(Na+K)A为0.22～0.66,平均为0.44(＜0.5);Mg/(Mg+Fe2+)为0.7～0.8,平均为0.8(＞0.5)。基于Leake等[13]对角闪石进行分类投图(图3a),孙庄岩体中的角闪石大部分落在阳起石和镁角闪石区域。

图3 (a)-角闪石分类图(底图据文献[13]);(b)-磷灰石分类图解Fig.3 (a)-Amphibole classification map; (b)-Classification diagram of apatite

4.2 磷灰石

本次测试获得磷灰石有效电子探针数据46组,结果显示:w(CaO)的含量为49.03%～57.38%,平均为55.21%;w(P2O5)的含量为39.22%～42.83%,平均为41.32%;w(F)的含量为1.49%～3.01%,平均为2.42%;w(SiO2)的含量为0.04%～9.19%,平均为0.62%;w(Cl)的含量为0.14%～0.68%,平均为0.27%;w(TiO2)的含量为0.00%～0.14%,平均为0.02%;w(FeO)的含量为0.04%～0.59%,平均为0.19%;w(Na2O)的含量为0.03%～0.33%,平均为 0.15%。w(MnO)、w(Cr2O3)、w(MgO)和w(K2O)的含量均小于0.10%。基于25个氧原子计算磷灰石阳离子数,对义兴寨孙庄岩体中磷灰石的晶体化学式进行了计算(表1),磷灰石的化学成分显示,义兴寨中生代侵入岩中的磷灰石主要为氟磷灰石(图3b)。

表1 不同岩体中磷灰石的平均晶体化学式Table 1 Average crystal chemical formula of apatite in different rock intrusions

5 讨论

5.1 角闪石氧逸度特征

角闪石是岩浆岩中最为常见的造岩矿物,其成分能够记录岩浆演化时熔体的氧逸度特征及含水量等重要物理化学条件[14]。角闪石矿物温压计是计算岩浆物理化学条件的主要手段[14],广泛用于中浅成侵入岩[15]。通过对角闪石TiO2-Al2O3进行投图,岩浆大部分来源于壳幔混源,少部分来源于壳源(图4a)。本次研究通过Ridolfi等[16]提出的角闪石温压计计算公式,对其温度进行计算,以此估算角闪石的形成条件及其所反映的氧逸度,结果显示:角闪石形成温度为690℃～798℃(图5a),压力为36～92 MPa之间,logfO2为-13.97～-12.28。角闪石中的AlIV与含水量在熔融状态中有着强烈的相关性[16],计算得出熔融体的含水量为2.89%～4.16%(图5b)。氧逸度投图显示(图6),样品点均落于HM和NNO之间区域,角闪石可能形成于较高的氧逸度环境。

图4 磷灰石化学成分特征Fig.4 Characteristics of chemical composition of apatite

图5 孙庄岩体中角闪石的物理化学条件计算(底图据文献[16]修改)Fig.5 Calculation of physical and chemical conditions of amphibole in Sunzhuang pluton

5.2 磷灰石氧逸度特征

磷灰石是岩浆岩中富含挥发份的副矿物,富含了岩浆岩中大部分的磷,在热液矿床及岩浆岩中非常发育,不易受到地质过程中的热液蚀变作用的影响,所以可以较完整的保留母岩浆的条件和信息,对指示成岩成矿物质的来源演化有十分重要的意义。磷灰石的形态标型特征可以指示不同的成因[17],不同成因的磷灰石晶体形态有显著差异,总体看来,孙庄岩体含石英二长岩中磷灰石晶体多为细小六方柱状,暗色微粒包体中的磷灰石多呈针柱状。根据磷灰石F-Cl-OH三角图可知,该区孙庄岩体磷灰石均为氟磷灰石,由测试数据计算结果得知,义兴寨地区孙庄岩体石英二长岩中磷灰石的Ca/P均值为1.69,暗色微粒包体中均值为1.70,接近岩浆成因磷灰石的理论值1.67[18]。石英二长岩中磷灰石的Cl/F比值为0.07～0.30,暗色微粒包体中比值为0.06～0.14,基本大于0.1,反映了其成矿母岩浆可能有俯冲带流体的加入[19]。卤素元素可以在大于500℃的高温条件下置换进入磷灰石,而磷灰石不易受卤素交换的影响[20],因此母岩浆的成矿潜力可以通过磷灰石中的卤素成分进行评估,对研究其成岩成矿的大地构造背景具有重要意义[20]。义兴寨地区孙庄岩体中磷灰石Cl/F比值的计算结果为0.06～0.30,绝大部分大于0.1(图4b),较高的Cl/F比值可能暗示了该区岩浆可能与板块俯冲相关,说明母岩浆的形成可能与流体交代有关[20]。

磷灰石中Mn浓度变化独立于溶体浓度,Mn含量与氧逸度的对数(logfO2)呈负相关的线性关系,因此,我们用磷灰石中的Mn来估算其氧逸度,本次研究采用磷灰石的氧逸度计算公式[21-24]:logfO2=-0.002 2(±0.000 3)Mn(×10-6)-9.75(±0.46)。该公式的适用条件要求样品火成岩的温度在660℃～920℃。由于研究样品中的磷灰石均为与角闪石共生的磷灰石,因此本次研究所涉及磷灰石温度的计算均是通过相对应的角闪石温度进行的。计算结果显示:义兴寨孙庄岩体的氧逸度介于-11.76～-9.94之间,平均为-10.85。投图显示(图6),样品多数落在靠近HM和NNO的缓冲线两侧位置,表明岩浆具有较高的氧逸度。

图6 磷灰石及角闪石的氧逸度图(底图据文献[25]修改)Fig.6 Oxygen fugacity diagrams of apatite and amphibole

5.3 不同矿物氧逸度结果的比较与其对成矿的制约作用分析

对比孙庄岩体中磷灰石及其共生角闪石的氧逸度计所反映的温压和氧逸度特征可知,角闪石的形成温度690℃～798℃,磷灰石与角闪石氧逸度计算结果较吻合,角闪石氧逸度计算结果略低于磷灰石计算的氧逸度,但两者均落在在HM和NNO的缓冲线上。结合前人研究,我们认为孙庄岩体较高的氧逸度可能暗示该区岩浆形成于俯冲环境下,高氧逸度的特征可能是源于岩浆源区。前人研究表明[2],岩浆的高氧逸度有利于岩浆从深部溶解大量的成矿物质。因为岩浆中SO42-的溶解度远远高于S2-,高氧逸度条件下S以SO42-的形式存在,而金、铜等元素又多赋存在硫化物中,因此高氧逸度的岩浆较低氧逸度更易富集和迁移Au和Cu元素。此外,金元素在氧化条件下迁移,在还原环境中沉淀,孙庄岩体的高氧逸度有利于元素在流体从岩浆中分离时进入流体相并运移到岩体周围的断裂和角砾岩筒中沉淀,而不是分散在侵入岩中。

6 结论

本次研究主要通过对山西省义兴寨金矿区孙庄岩体中的磷灰石和角闪石的化学成分进行了分析,通过矿物温压计和氧逸度计算发现:

(1)孙庄岩体中磷灰石均为氟磷灰石,石英二长岩中磷灰石的Ca/P均值为1.69,MMEs中均值为1.70,表明磷灰石多为岩浆早期形成。石英二长岩中磷灰石的Cl/F比值为0.07～0.30,MMEs中比值为0.06～0.14,基本大于0.1,表明其可能形成于俯冲环境。

(2)孙庄岩体中角闪石大部分落在阳起石和镁角闪石区域,形成温度为690℃～798℃,压力在36～92 MPa之间,熔融体的含水量为2.89%～4.16%,成分特征表明岩浆来源属于壳幔混源。

(3)综合分析磷灰石氧逸度特征与其共生角闪石的氧逸度结果,角闪石和磷灰石氧逸度计的结果相差不大,测试数据均落在于HM和NNO缓冲线之间,显示该区岩浆岩具有较高的氧逸度,有利于义兴寨地区金矿的成矿。