缅甸硬玉岩地球化学特征及其地质意义

李 强, 李坚玲

(云南国土资源职业学院,云南 昆明 650217)

0 引言

硬玉岩俗称翡翠,是一种以硬玉为主要组成矿物的多晶集合体。硬玉岩在地球上分布稀少,仅见缅甸、俄罗斯、日本、美国和危地马拉等十余个国家有硬玉岩分布[1-3]。

缅甸是世界上优质硬玉岩的最重要产地,95%以上优质硬玉岩来自缅甸。人类开发利用缅甸硬玉岩的历史悠久,最早可追溯到13世纪。但由于自然条件的限制,缅甸硬玉岩的研究工作起步较晚,始于19世纪末期[4]。前人对缅甸硬玉岩的宝石学鉴定特征[5-6]、矿物岩石学特征[7-11]、优化处理[12-13]、谱学特征及呈色机理[14-18],质量分级[19]和人工合成[20-21]等方面开展过研究,取得了许多成果。

然而,硬玉岩主要产于板块汇聚边缘等特定构造环境[22],成矿过程复杂,矿床成因争议较大。缅甸硬玉岩矿床成因主要有以下四种观点:①岩浆侵入说:以H. S. YONDER[23]为代表,认为硬玉岩是残余花岗岩浆在高压条件下侵入到超基性岩中脱硅形成的;②钠质交代说:以多勃列左夫等(1964)为代表,认为硬玉岩是花岗岩脉和淡色辉长岩类岩脉在12～14 kPa压力下,在钠离子化学势高的热水溶液交代作用下形成。③区域变质说:W. P. Roever[24]最早提出这种观点,他认为板块碰撞产生的低温高压条件,钠长石先形成蓝闪石片岩,再进一步变质形成硬玉。④熔体结晶说:施光海等[25-26]在硬玉岩中发现了H2O-CH4-Jd三相包裹体,认为硬玉岩是来自幔源的近硬玉硅酸盐熔体结晶而成。

熔体结晶说能较好地解释缅甸硬玉岩呈脉状、透镜体状产于蛇纹石化橄榄岩中的现象,但没有岩浆来源的可靠证据。岩浆来源问题是目前缅甸硬玉岩矿床研究中急待解决的关键课题,也是前人研究的相对薄弱环节,值得重点关注。目前地学界主要利用岩浆岩微量元素和稀土元素等地球化学特征来判别岩浆来源。本文在前人研究成果基础上,收集了不同颜色的缅甸硬玉岩样品开展岩相学、地球化学特征研究,讨论了缅甸硬玉岩的岩浆来源及成矿环境,为缅甸硬玉岩成矿机理研究提供新思路。

1 地质概况

缅甸硬玉岩矿床按成因分为原生矿床和次生矿床两大类。

原生矿床位于缅甸北部实皆省度冒—缅冒地区,大地构造上属印—缅外岛弧带[27]。研究区主要出露超基性橄榄岩、酸性花岗岩以及结晶片岩(蓝闪石片岩、角闪石片岩和绿泥石片岩等)。硬玉岩矿体主要呈脉状、透镜状和囊状产于度冒—缅冒蛇纹石化橄榄岩体中,矿体长几十米至数百米,厚几十厘米至数十米。地层及其他岩体中尚未发现硬玉岩原生矿体。超基性橄榄岩体平面上呈长条状,大致沿NE—SW向展布,长约50 km,宽5～10 km。橄榄岩大部分蛇纹石化,硬玉岩与蛇纹石化橄榄岩接触面不平整,多为参差状,相互交代逐渐过渡特征明显,接触带中偶见钠长石、碱性角闪石条带 (图1、图2)。少数细脉状优质硬玉岩与蛇纹石化橄榄岩界线清晰,为突变接触关系。

图1 缅甸硬玉岩矿区区域构造图(a)与地质简图(b)(据文献[28-29],改绘)

图2 缅甸硬玉岩样品及显微照片

次生矿床主要分布于钦敦江支流雾露河的残坡积、冲积层中,由大小不一的硬玉岩砾石组成。次生硬玉岩矿床现有帕敢场区、大马坎场区、南奇场区、后江场区、雷打场区和新场区等6大场区。

2 样品采集与分析测试

收集9件大马坎场区次生硬玉岩毛料及边角料(图2),去皮,委托澳石分析检测(广州)有限公司进行样品测试分析。

制样方法:样品破碎后缩分出300 g,研磨至200目。

检测方法: ME-MS81熔融法电感耦合等离子体质谱测定稀土元素; ME-MS61r 四酸消解法电感耦合等离子体发射光谱与质谱测定微量元素; ME-XRF26 X 射线荧光光谱仪熔融法作岩石主量成分分析。分析精度大于5%。

3 硬玉岩地球化学特征

3.1 岩石学特征

经鉴定缅甸硬玉岩主要由硬玉组成,含量在95%～98%之间。硬玉化学分子式为NaAl[Si2O6],具双链结构,属富钠的碱性辉石族矿物。次要矿物为绿辉石、钠铬辉石、钠闪石和钠长石等,偶见沸石、绿泥石等蚀变矿物(图2)。

硬玉岩的结构主要有以下几类:①结晶结构:主要出现于硬玉岩体中部,多为中粗粒自形—半自形晶粒状结构。②变晶结构:以自形—半自形晶粒状变晶结构、纤柱状变晶结构和毡状结构为主,是优质硬玉岩常见的结构。③填隙结构:部分中—粗状硬玉岩晶隙间偶见绿泥石、方沸石、钠长石等矿物充填。④碎裂结构:有压碎结构、碎斑结构和糜棱结构等,为动力变形的产物。结晶结构主要出现在部分硬玉岩中部,是一种原生结构。硬玉岩体边部过渡带或细脉状硬玉岩多为变晶结构和碎裂结构等,属后生结构。

矿石构造主要为块状构造。

3.2 主量成分特征

9件硬玉岩主量成分分析结果及相关参数见表1,具有以下特点:w(SiO2)为58.07%～58.99%之间,平均值为58.58%。w(Al2O3)为22.55%～24.31%,平均值为23.51%。w(Na2O+K2O)> 10.0%,其中w(Na2O)> 10.0%,K2O多为痕量,属富钠贫钾类型。里特曼指数平均值σ = 13.36 (> 9),为过碱性系列。含少量CaO、MgO和TFe2O3。铁镁指数(FMI)较低且变化大,在45.35～75.81之间,平均值为59.33。TAS投影图上投点落在副长正长岩区域(图3)。

表1 缅甸硬玉岩主量成分分析结果

图3 缅甸硬玉岩TAS分类图(据文献[30])

总之,缅甸硬玉岩是一种富钠贫钾过碱性岩石,其形成可能与富钠碱性岩浆的演化有关。

3.3 微量元素特征

9件硬玉岩微量元素和稀土元素分析结果及相关参数见表2。缅甸硬玉岩微量元素原始地幔标准化蛛网图总体呈锯齿状分布,9个样品的峰谷基本重合,表明岩浆来源大体一致(图4)。

图4 缅甸硬玉岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(据文献[31])

缅甸硬玉岩富集大离子不相容元素Cs、Ba、Sr和产热元素U、Th及相关元素蜕变产物Pb,亏损Rb和K,高场强元素Zr和Hf也较富集,且呈现明显正异常。亏损Nb、Ti和Ta,重稀土元素Y、Ho、Yb等也相对亏损。

3.4 稀土元素特征

缅甸硬玉岩稀土元素总量较低,在(0.20～10.13)×10-6之间,平均值为4.16×10-6。LREE/HREE比值在0～8.69之间,平均值为3.50,轻稀土相对富集(表2)。(La/Yb)N比值为5.90～18.88,平均值为13.23,稀土元素球粒陨石配分模式图向右倾斜(图5),轻稀土分镏明显。重稀土相对亏损,在(0.20～1.88)×10-6之间,平均值为0.90×10-6,分异不明显。轻稀土发生分镏可能由壳源物质加入引起。δEu在1.06～1.60之间,平均值为1.26,属轻度正异常。δCe值在0.91～1.34之间,平均值为1.14,属无异常—轻微正异常。

图5 缅甸硬玉岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(据文献[32])

4 讨论

4.1 源区分析

缅甸硬玉岩是一种富钠碱性岩,矿体呈脉状、透镜体状产于蛇纹石化橄榄岩中,施光海等在硬玉岩中发现 H2O-CH4-Jd 三相包裹体,认为硬玉岩是来自幔源的近硬玉硅酸盐熔体结晶形成[25-26]。

来自幔源的岩浆岩包括镁铁质岩和超镁铁质岩两类。前者多为富稀土型,后者分为贫稀土和富稀土两种类型。贫稀土超镁铁质岩主要有橄榄岩类和科马提岩类两个亚类,其中橄榄岩类分布较广,是主要的贫稀土超镁铁质岩[33]。

大部分橄榄岩类火成岩相对富集重稀土元素,稀土元素球粒陨石配分模式为上凸型。阿尔卑斯和蛇绿岩套中的纯橄岩和方辉橄榄岩常呈“U”型分布模式。碱性玄武岩中的二辉橄榄岩包体多为轻稀土富集型,稀土分布模式为下凸型,轻稀土富集可能与地幔交代作用有关[33]。

缅甸硬玉岩稀土元素含量低,平均为4.16×10-6,属贫稀土类型。LREE/HREE平均比值为3.50,(La/Yb)N为5.90～18.88,轻稀土相对富集,稀土元素球粒陨石配分模式图向右倾斜呈下凸型,岩浆演化过程中可能有壳源物质加入。

Hart[34]将地幔分为亏损地幔(DMM)、富集地幔1 (EM1)、富集地幔2 (EM2)和高值μ地幔(HIMU) 四种地幔端元。DMM位于地幔最上部,亏损不相容元素;EM1是轻度改变的地幔源区,相对富集Sr、Nd和Pb,起源于陆下岩石圈地幔;EM2具有较高放射性成因Pb、Sr同位素成分,代表再循环俯冲陆壳物质及同其一起俯冲的陆源沉积物的混合物,与消减作用和大陆再循环有关;HIMU具有非常高的放射成因Pb同位素成分,来源于俯冲再循环洋壳。

缅甸硬玉岩富集大离子不相容元素Cs、Ba、Sr和放射性元素U、Th及蜕变产物Pb。放射性元素U及放射成因元素Sr和Pb在微量元素原始地幔标准化蛛网图上呈明显的正异常 (图4),与EM2特征相似,说明岩浆来源与板块消减作用及大陆再循环有关。

4.2 构造背景及构造-岩浆成矿作用

汪云亮等[35]认为Th、Ta、Hf属强不相容元素,在分离结晶过程中含量同步增加,Th/Hf、Th/Ta、Ta/Hf比值变化不明显,可以用来判别岩浆来源及大地构造环境。一般来讲,Nb、Ta亏损是俯冲板块环境所产火成岩的典型特征,Th/Ta> 1.6,Ta/Hf<0.1可指示岛弧环境。

缅甸硬玉岩微量元素Nb、Ta出现明显亏损 (图4),且 Th/Ta = 6.2 (>1.6),Ta/Hf = 0.056(<0.1)(表2),说明其大地构造环境是岛弧环境。

缅甸硬玉岩的构造环境与新特提斯演化有关。在古特提斯演化时期,研究区系华力西晚期一印支早期岛弧[29]。晚三叠世洋盆重新打开,在缅甸中北部发育了潞西—抹谷洋、太古—密支那洋和印缅山脉洋组成的新特提斯大洋。自早侏罗世始,三个大洋又相继俯冲、碰撞消亡。其中太古—密支那洋在早侏罗世末开始向北东俯冲消减,晚白垩世闭合,相应发育了中侏罗世—早白垩世陆缘型火山弧和晚白垩世—始新世碰撞型岩浆岩带[36]。

新特提斯构造-岩浆演化也是缅甸硬玉岩的成矿过程。丘志力等[37-38]测得缅甸硬玉岩中锆石的206Pb/238U 年龄为(158±2)Ma和(157.3±1.3)Ma,说明缅甸硬玉岩主体形成于晚侏罗世,是新特提斯大洋板块消减与大陆再循环的产物。祁敏等[39]测得缅甸硬玉岩中受重结晶改造弱和完全重结晶锆石206Pb/238U 年龄是(158±4)Ma和(79±2)Ma,分别与新特提斯大洋板块俯冲和碰撞时代相对应,反映了缅甸硬玉岩两期成矿的特点。

缅甸硬玉岩矿相学特征也表现出多期成矿特点,早期为岩浆成岩成矿期,矿石具中粗粒结晶结构等;晚期为变质成矿期,矿石具变晶结构、填隙结构和碎裂结构等。矿区围岩中分布蓝闪石片岩,充分说明硬玉岩成岩后经历了低温高压的动力变质改造,这是缅甸硬玉岩最为重要的成玉期。

总之,缅甸硬玉岩成矿过程复杂,大致经历了以下两期主要成矿作用:

晚侏罗世太古—密支那洋向北东俯冲消减,引发深部幔源岩浆上涌,混入再循环俯冲陆壳物质,形成富钠的碱性岩浆,侵入到早期橄榄岩中通过结晶、交代等成矿作用形成脉状、透镜体状硬玉岩矿体。

晚白垩世太古—密支那洋碰撞闭合,早期形成的硬玉岩遭受强烈构造挤压作用,不同程度发生变质、变形改造,缅甸原生硬玉岩矿床可能是富钠碱性岩浆结晶、交代-变质改造的矿床。

5 结论

(1)缅甸硬玉岩形成于岛弧环境,成矿时代为晚侏罗世—晚白垩世,是新特提斯大洋板块俯冲消减与大陆再循环的产物。

(2)缅甸硬玉岩稀土元素及微量元素具EM2特点,说明其岩浆来源于EM2。成矿过程复杂,可能是富钠碱性岩浆结晶、交代-变质改造的矿床。

致谢：张金富教授级高级工程师、苏文玲高级工程师提供了部分资料,审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此一并致谢。