岩浆因素对中国东部铜陵矿集区差异性矿化的控制作用:来自角闪石、斜长石矿物学证据

The controlling role of magmatic factors on the differential mineralization in the Tongling ore district, eastern China: Evidence from the mineralogy of amphibole and plagioclase

摘要

冬瓜山铜(金)矿床和新桥硫铁铜金矿床是铜陵矿集区内两个大型夕卡岩型矿床,二者成矿地质背景相似,矿体产于同一地层层位,冬瓜山矿床以黄铜矿和磁黄铁矿为主,新桥矿床以黄铁矿和磁铁矿为主,二者矿物组合差异性非常明显,但造成二者矿物组合差异的关键控制因素还不清楚。针对这一科学问题,本文以二者成矿岩体中的角闪石和斜长石为研究对象,拟揭示岩浆因素对二者差异性矿化的控制作用。冬瓜山矿床青山脚石英二长闪长岩和新桥矿床矶头石英闪长岩角闪石和斜长石岩相学和电子探针(EPMA)主量元素和LA-ICP-MS微量元素分析结果显示,青山脚岩体中的角闪石大部分属于镁角闪石系列;矶头岩体中的角闪石大部分属于镁角闪石和浅闪石系列。青山脚岩体和矶头岩体的角闪石结晶压力、结晶温度、结晶深度、氧逸度和含水量分别为41~306 MPa和23~225 MPa,691~916 ℃和634~918 ℃,1.6~11.6 km和0.9~8.5 km,ΔNNO=0~2.3和ΔNNO=-0.4~2.4,3.7%~5.5%和3.1%~5.4%,青山脚和矶头岩体内角闪石以地壳型为主,少部分为壳幔混合型。两个岩体中斜长石多为中长石,根据斜长石结构和成分剖面特征,推测青山脚和矶头岩体晶体群分别来自5个和4个不同的岩浆子系统,都经历了镁铁质岩浆的注入和混合作用。我们认为镁铁质岩浆中氧逸度和元素含量的差异控制了冬瓜山和新桥的差异性矿化。

关键词

角闪石 / 斜长石 / 成因矿物学 / 夕卡岩型矿床 / 铜陵矿集区

Key words

amphibole / plagioclase / genetic mineralogy / skarn-type deposit / Tongling ore district

0 引言

夕卡岩型铜、铁矿床在环太平洋成矿带上大量发育,为全球提供了大量的铜铁资源^[1]。在我国,夕卡岩型铜、铁矿床提供了近一半的铜矿石和三分之一的高品位铁矿石^[2-3]。前人对这两种夕卡岩型矿床进行了大量研究,并总结出二者的共同特征^{[1,4⇓⇓-7]}。但对性质相似的铜和铁元素,为何会造成夕卡岩型铜、铁成矿差异尚不清楚,这一问题的解决可以帮助我们判断何种环境或条件下会形成以铜为主还是以铁为主的矿床,对未来找矿勘查工作具有重要的指导意义。

铜陵矿集区位于长江中下游成矿带,是我国重要的铜铁硫金等矿产的集中产区,区内大多矿床与燕山期中酸性岩浆岩有密切的时空和成因联系,形成受基底断裂控制,自西向东依次产出铜官山、狮子山、新桥、凤凰山和沙滩角5个矿田。铜陵矿集区内夕卡岩型矿床广泛发育,多数矿体呈层状、似层状产出,且规模巨大,受到了很多学者的关注^{[8⇓⇓⇓⇓⇓-14]}。冬瓜山和新桥矿床是铜陵矿集区内具有代表性的夕卡岩型矿床,冬瓜山矿床铜储量1.23 Mt(1.03%),金储量48.9 t(0.44 g/t),新桥矿床有近52.4 Mt硫(29.4%)和14.9 Mt铁(55.3%),铜储量0.2 Mt(0.68%),金储量78.8 t(0.54 g/t),且二者层状主矿体都占总储量的90%以上。冬瓜山和新桥矿床主矿体均呈层状产于石炭系中上统黄龙组和船山组(C₂₊₃)地层内,成矿地质条件相似,但矿物组合表现出很大的差异性。冬瓜山矿床层状矿体中金属矿物组合主要为磁黄铁矿-黄铜矿-黄铁矿,黄铁矿和磁铁矿含量较少;新桥矿床层状矿体中金属矿物组合主要为黄铁矿-磁铁矿-赤铁矿,金属硫化物以黄铁矿为主,黄铜矿和磁黄铁矿含量较少,铜品位低且不连续。造成这种相似成矿地质条件下,矿物组合差别较大的控制因素是什么,是岩浆源区不同,还是岩浆演化过程存在差异?铜陵矿集区内的冬瓜山和新桥矿床为研究夕卡岩型铜、铁矿床差异性成矿提供了天然样本。

角闪石和斜长石是闪长岩中主要的造岩矿物,可以记录岩浆形成时的物理化学条件和演化信息^{[15⇓⇓-18]}。本文以冬瓜山和新桥矿床成矿岩体青山脚石英二长闪长岩和矶头石英闪长岩中的角闪石和斜长石为主要研究对象,通过详细的岩相学和原位元素地球化学成分剖面研究,解析并对比青山脚岩体和矶头岩体中矿物结晶的物化条件、源区及演化等特征,进而讨论对这两个矿床S-Fe-Cu-Au成矿差异的控制效应。该研究可为铜陵矿集区夕卡岩型矿床层状矿体的成矿机制提供新的制约,亦可为区内该类型矿床的找矿勘查工作提供线索和理论依据。

1 区域地质背景

长江中下游成矿带位于扬子克拉通北缘与华北克拉通东南缘之间的下扬子坳陷处,是我国重要的Cu-Fe-Mo-Au多金属成矿带^[8,19],该成矿带西北方向受襄樊—广济和郯庐断裂约束,东南方向受崇阳—常州断裂约束(图1)^[8]。长江中下游成矿带内有超过200个铜、铁、金、钼、铅、锌、银多金属矿床,主要矿床类型有层控硫化物矿床、夕卡岩型矿床、斑岩-夕卡岩型矿床、磁铁矿-磷灰石矿床等,这些矿床主要产于由西到东分布的鄂东、九瑞、安庆-贵池、庐枞、铜陵、宁芜、宁镇7个矿集区内^[20]。区域内花岗质侵入岩和火山岩广泛出露(图2)^[8],根据岩性和年代可以将区内岩浆岩划分为3个类别^[21-22]:(1)形成于148~135 Ma的富钾钙碱性花岗岩类,包括隆起区辉石二长闪长岩、闪长岩和花岗闪长岩,与斑岩型、夕卡岩型、层控型铜-金-铁成矿有关;(2)形成于135~123 Ma的钙碱性花岗岩类,包括辉长岩、辉石闪长岩、石英闪长岩、石英二长岩、花岗闪长岩、花岗闪长斑岩、花岗闪长斑岩及其相关的火山岩,与白垩纪盆地中的磁铁矿-磷灰石矿床具有成因联系;(3)形成于127~123 Ma的 A型花岗岩,包括石英正长岩、石英二长岩、碱性花岗岩及其相关的火山岩,与铀金矿化有关。

铜陵矿集区位于长江中下游成矿带的中部,区内地层主要为志留系到中三叠统的海相沉积岩(图2)^[8]。矿集区主要构造为北东向、北北东向、北北西向、东西向的断裂构造,共同控制了中生代侵入岩的侵位^[8,23]。该地区中生代火成岩分布广泛,包括70多个与铜、金成矿关系密切的辉石闪长岩、石英(二长)闪长岩及花岗闪长岩岩体(图2)^[8]。

2 矿床地质特征

2.1 冬瓜山铜(金)矿床

冬瓜山铜(金)矿床位于铜陵-沙滩脚东西向构造-岩浆岩带和北东向顺安复式向斜次级青山背斜的交汇处^[24-25]。矿区出露地层有上泥盆统五通组(D₃w)石英砂岩和页岩,中上石炭统船山-黄龙组(C₂₊₃)灰岩和白云质灰岩,下二叠统栖霞-孤峰组(P₁q+g)生物碎屑灰岩、硅质岩和页岩,上二叠统龙潭组(P₂l)碳质和黏土质砂质页岩,上二叠统大龙组(P₂d)硅质岩与薄层黏土质灰岩以及三叠统碳酸盐岩。区内主要构造为北东向褶皱以及南北向、东西向、北东向断层。

冬瓜山矿区岩浆岩发育^[26⇓-28],主要包括青山脚石英二长闪长岩、狮子山石英闪长岩、白芒山辉石闪长岩和胡村花岗闪长岩(图3a)^[27],属于高钾钙碱性,偏铝质I型系列,大离子亲石元素和轻稀土元素相对富集,高场强元素和重稀土元素相对亏损,岩体LA-ICP-MS和SHRIMP锆石U-Pb年龄范围在142~132 Ma^[29]。其中,青山脚石英二长闪长岩体与冬瓜山矿床的成矿关系最为密切,该岩体主要受北东向褶皱控制,主体呈北东走向,倾向东南,倾角大于75°,地表露头宽度在50~100 m,-400 m标高处宽约150 m,-600 m标高处宽约300 m。青山脚石英二长闪长岩呈灰-灰白色(图5a),主要矿物组合包括斜长石、钾长石、石英、角闪石(图5b-d),以及少量微斜长石、黑云母、绿帘石和绿泥石。斜长石约占30%~35%,以中长石为主,呈自形-半自形柱状产出,聚片双晶和环带结构比较发育,颗粒粒径0.2~0.75 mm,可见轻微碳酸盐化和绢云母化;钾长石占20%~30%,半自形-它形晶形,可见少量环带结构和卡式双晶,粒径0.1~0.5 mm,局部可见绢云母化;石英含量约15%~20%,它形粒状,有明显的波状消光,粒径0.1~0.2 mm,解理不发育;角闪石含量约10%,单偏光镜下呈褐色,多呈长柱状和六边形晶形,自形程度较高,粒径0.1~0.5 mm,发育有两组解理,夹角约68°,局部有绿泥石化和绿帘石化蚀变。冬瓜山矿床围岩蚀变广泛发育,主要蚀变矿物有石榴子石、透辉石、石英、钾长石、绢云母、蛇纹石、方解石、绿帘石和绿泥石等,亦可见少量的硬石膏和滑石。从青山脚岩体到围岩,共有5个蚀变分带,分别是石英-钾长石带、石英-绢云母带、绿泥石-绿帘石-方解石带、夕卡岩(石榴子石、透辉石、绿帘石、蛇纹石)带和角岩-大理岩带^[29]。

2.2 新桥硫铁(铜金)矿床

新桥矿区出露地层主要从中上志留统至下三叠统(图4a)^[23]。最老的地层为志留系高家边组(S₁g)砂岩和页岩,被上泥盆统五通组(D₃w)石英砂岩和页岩不整合覆盖,中下泥盆统(D₁₊₂)地层缺失;下石炭统主要为高骊山组(C₁g)砂岩,被中上石炭统船山-黄龙组(C₂₊₃)灰岩和白云质灰岩不整合覆盖,区内主要层状矿体赋存于五通组至船山-黄龙组之间;下二叠统为栖霞-孤峰组(P₁q+g)生物碎屑灰岩、硅质岩和页岩,上二叠统为龙潭组(P₂l)碳质和黏土质砂质页岩。区内广泛发育三叠系(T₁₊₂)粉砂质页岩和砂岩。矿区构造主要为北东向大成山背斜和北北东向盛冲向斜,二者共同控制了岩浆的侵位和矿体的产出。

区内主要岩浆岩是矶头石英闪长岩,与成矿关系最为密切,地表出露面积约0.5 km²,近似椭圆形^[30],矶头岩体侵入到晚泥盆纪至早二叠纪碳酸盐岩夹少量石英砂岩层序中,其与围岩接触带内可见夕卡岩化,矶头岩体锆石SHRIMP U-Pb年龄为(140.4±2.2) Ma^[31]。矶头石英闪长岩呈细粒等粒构造(图5e),主要矿物包括斜长石、石英、钾长石、角闪石、黑云母(图5f-h),副矿物主要为磁铁矿、锆石和磷灰石。斜长石约占50%~60%,以中长石为主,呈自形-半自形柱状产出,聚片双晶和环带构造发育,粒径0.2~0.6 mm,发生碳酸盐化、绢云母化等蚀变;角闪石含量约10%,单偏光镜下呈现褐色,多呈自形-半自形长柱状晶形,镜下切面多为六边形,粒径0.1~0.4 mm,局部发生绿泥石化和绿帘石化蚀变;石英含量约15%,它形,粒状结构,波状消光,充填于斜长石和角闪石矿物空隙中,粒径0.1~0.2 mm。新桥矿床围岩蚀变广泛发育,主要蚀变矿物有石榴子石、透辉石、硅灰石、绢云母、石英和绿泥石等。

3 样品和分析方法

青山脚岩体样品(DK8-11)采自于冬瓜山矿床790 m中段1号沿63线(图3b)^[32];矶头岩体样品(XQ33-10)采自于新桥矿床270 m中段措施井大巷(图4b)^[33]。

角闪石和斜长石电子探针元素点分析在有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)完成,采用岛津(Shimadzu) 1720型号电子探针分析仪(Electron Microprobe,EPMA)测定。工作条件为:加速电压15 kV,电子束流为2.0×10^-8 A,束斑直径为5 μm,检测限为0.01%,测试元素及测试标准样品依次为Na、Al和Si(钠长石),K(钾长石),Mg和Ca(钙镁石榴石),Fe(铁铝石榴石),Mn(金属锰),Ti(金红石),Cl(Na·BeAlSi·O·Cl)。测试结果采用ZAF校正。本文使用WinAmphcal软件进行了角闪石数据的阳离子数计算及配位,Fe²⁺和Fe³⁺校正采用阳离子为Cations-13CNK和Cations-15NK平均算法求得。

斜长石微区原位LA-ICP-MS微量元素含量测试在广州市拓岩检测技术有限公司完成。实验室采用New Wave Research 193nm ArF准分子激光剥蚀系统,与Thermo Scientific iCap-RQ四极杆型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)联用。准分子激光发生器产生的深紫外光束经过匀化光路聚焦于样品表面,激光束斑直径为30 μm,频率为6 Hz,能量密度为3.0 J/cm²。激光剥蚀过程中采用氦气作载气,氩气为补偿气以调节灵敏度。测试和处理过程中采用玻璃标准物质NIST SRM610和BCR-2G进行多外标无内标校正^[34],采用玻璃标准物质SRM 612和BIR-1G作为监控样品^[35-36]。每个点位的分析数据包括大约40 s空白信号和45 s样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正以及元素含量计算)采用软件IOLITE^[37]的3D Trace Elements DRS模式完成。详细的测试方法请参考文献[34]。

4 分析结果

4.1 角闪石

根据岩相学观察结果,冬瓜山矿床青山脚岩体和新桥矿床矶头岩体中角闪石晶体具有多样性,表明2个岩浆系统中有不同成因的角闪石,为揭示2个岩浆系统的差异和演化过程,选取了青山脚和矶头岩体中代表性角闪石进行了电子探针成分剖面分析,测试分析结果见附表1(由于版面有限,如需附表1和附表2数据,可与作者联系)。

青山脚岩体内角闪石的SiO₂含量为43.02%~52.99%,FeO^T含量为10.65%~17.33%,CaO含量为11.18%~12.59%,MgO含量为10.95%~16.60%,Al₂O₃含量为3.16%~11.03%,TiO₂含量为0.16%~2.54%,Na₂O含量为0.53%~2.07%,K₂O含量为0.27%~1.57%,MnO含量为0.24%~0.73%。青山脚岩体中的角闪石总体上富Ca、Mg、Al和Fe,贫K、Na和Mn。青山脚岩体中的角闪石Ca_B值都大于1.5,(Na+K)_A值部分大于0.5,部分小于0.5,根据Leake等^[38]提出的角闪石Si-Mg/(Mg+Fe²⁺)分类方案,青山脚岩体中的角闪石大部分属于镁角闪石系列,部分属于钙镁闪石和镁绿钙闪石系列,极少数属于浅闪石和阳起石系列(图6)^[38]。

矶头岩体的角闪石电子探针结果分析结果(附表1)显示,角闪石的SiO₂含量为42.78%~54.64%,FeO^T含量为9.77%~15.51%,CaO含量为11.47%~12.83%,MgO含量为11.59%~17.15%,Al₂O₃含量为0.80%~9.62%,TiO₂含量为0%~3.09%,Na₂O含量为0.12%~2.76%,K₂O含量为0.04%~1.12%,MnO含量为0.38%~0.64%。矶头岩体中的角闪石化学特征表现为富Ca、Mg、Al和Fe,贫K、Na和Mn。矶头岩体的角闪石Ca_B值同样都大于1.5,而且(Na+K)_A值大于0.5,Ti小于0.5,根据Leake等^[38]提出的角闪石Si-Mg/(Mg+Fe²⁺)分类方案,矶头岩体中的角闪石大部分属于镁角闪石和浅闪石系列,少部分属于阳起石系列(图6)^[38]。

4.2 斜长石

根据岩相学观察结果,冬瓜山矿床青山脚岩体和新桥矿床矶头岩体中斜长石晶体具有多样性,表明两个岩浆系统中有不同成因的斜长石,为揭示不同岩浆系统的差异和演化过程的特征,选取了青山脚和矶头岩体中代表性斜长石进行了主微量元素成分剖面分析,测试分析结果如附表2所示。青山脚岩体斜长石的Na₂O含量为4.96%~9.08%,CaO含量为3.69%~11.82%,矶头岩体斜长石的Na₂O含量为4.81%~8.21%,CaO含量为4.87%~11.67%。在长石分类图解中主要位于中长石的范围内,少量点位于更长石和拉长石范围内(图7)。

(1)青山脚岩体中4个代表性颗粒背散射图像和成分剖面如图8和图9所示。

颗粒1的粒径约为0.3 mm×0.8 mm,在背散射图像中具有明显的核-幔-边结构(图8a),核部见有明显的明暗相间的条带,边部环带不明显,此外,核-幔和幔-边之间过渡带呈较平滑的圆弧形,暗示了在幔部和边部生长前,斜长石晶体经受了溶蚀作用。颗粒1核部表现为An值下降的正环带(从54.2到43.7,平均48),幔部An值较为稳定,平均42.1,边部An值先急剧上升至54后快速下降至42左右,变化幅度在12左右。FeO含量的变化趋势在核部与An值的趋势相反,后期增生边明显(图8b)。

颗粒2的粒径约为0.5 mm×0.5 mm,在背散射图像中具有核-边结构(图8c),核部出现溶蚀孔洞且大部分被角闪石,黑云母等矿物填充,并出现明暗不均匀现象,后期增生边明显。从整体上来看,颗粒核部An值有小幅波动,波动范围在8以内(31.3到39.6),增生边An值略有下降,核部FeO含量稳定,边部与An值变化趋势相似(图8d)。

颗粒3的粒径约为0.8 mm×1.2 mm,在背散射图像中具有核-幔-边结构(图8e),核部和幔部无环带,其中核部出现明暗不均匀现象,幔部较为均匀,边部出现了明暗相间的条带。核部An值存在小幅波动(幅度在6左右),趋势为先上升再下降,幔部An值比较稳定(平均值36左右),边部An值出现上下波动的现象(幅度在8左右)。FeO含量的变化相对比较稳定,在幔部出现了两次先上升后下降的波动(图8f)。颗粒3中Sr和Ba含量变化趋势相似,核部经历了一次快速上升下降的波动,边部Sr和Ba含量略有下降(图9a)。

颗粒4的粒径约为0.5 mm×0.5 mm,在背散射图像中具有核-边结构(图8g),核部出现明显的溶蚀孔洞,后期增生边明显。核部An值波动较大,最高52.8,最低36.6,溶蚀孔洞中的An值要明显小于残余部分的An值,边部出现了An值快速降低至出现更长石(从38到18.2)。FeO含量的变化趋势与An值的趋势总体一致(图8h)。颗粒4中Sr和Ba含量变化趋势相反,核部存在波动,边部Sr和Ba含量均下降(图9b)。

(2)矶头石英闪长岩中5个代表性颗粒背散射图像和成分剖面如图10和11所示。

颗粒1的粒径约为0.4 mm×0.6 mm,在背散射图像中具有核-边结构(图10a),核部明暗不均匀,出现明显的溶蚀孔洞,后期增生边明显。核部An值波动较大,最高55.4,最低40.1,溶蚀孔洞中的An值明显小于残余部分的An值,边部An值快速降低(33.7~36.2)。核部FeO含量的变化趋势与An值相似,边部略微上升(图10b)。颗粒1中Sr和Ba含量变化趋势相反,从核部到边部大幅波动(图11a)。

颗粒2的粒径约为0.4 mm×0.8 mm,在背散射图像中具有核-幔-边结构(图10c),其中核部环带不明显,幔部和边部均为明暗相间的条带。核部An值较高且相对稳定(49.1~50.7),幔部An值下降(38.5~46.2)并出现小幅波动,幅度在8左右,边部An值进一步下降(32.5~34.9)。核部FeO含量稳定,边部FeO含量有先上升后下降的波动(图10d)。

颗粒3的粒径约为0.4 mm×0.8 mm,在背散射图像中具有核-边结构(图10e),其核部明暗不均匀,边部为暗色增生边。核部An值较高且波动较大(38.9~56.0),幅度在17左右,边部An值下降至24.1~29.0。FeO含量总体稳定,边部略有下降(图10f)。

颗粒4粒径较大,约为1.6 mm×1.8 mm,在背散射图像中具有核-幔-边结构(图10g),核部振荡环带明显,幔部明暗不均匀且出现溶蚀孔洞,边部为整体偏暗的振荡环带。核部An值较高且有波动(45.9~52.7),波动幅度在7左右,幔部An值在42.1~45.9,波动较小,边部An值进一步下降至34.8~37.0。FeO含量的变化趋势与An值的趋势总体一致(图10h)。颗粒4中Sr和Ba含量变化趋势相反,核部存在波动,边部Sr和Ba值均下降(图11b)。

颗粒5粒径约为1 mm×1.3 mm,在背散射图像中显示出明显的明暗相间振荡环带(图10i),An值(31.9~36.3)和FeO含量都相对稳定(图10j)。颗粒5中Sr和Ba含量变化趋势相似,核部Sr和Ba含量相对稳定,边部的Sr和Ba含量下降(图11c)。

5 讨论

5.1 斜长石晶体生长过程

(1)在青山脚岩体中,以颗粒1为代表的晶体群核部和幔部都出现振荡环带且An值下降,根据斜长石过饱和-成核-耗尽循环机制^[39],表明结晶的初期熔体扩散速率低,处于较高黏度的熔体环境中,高An值表明核部是偏基性的岩浆环境,相对较低的An值表明幔部是偏酸性的岩浆环境。核部和幔部边缘的溶蚀现象表明幔部和边部是以先存的斜长石晶体为核继续生长,边部An值快速上升,暗示核部和幔部形成后,有少量偏基性的熔体参与,后面An值下降较快,表明较高的冷却速率。

以颗粒2为代表的晶体群An值小幅波动但整体稳定,核部明暗不均匀表明核部形成过程中受到了溶蚀。边部An值缓慢下降且振荡环带不明显,表明边部生长于黏度较低的熔体环境中,可以满足斜长石晶体持续生长的需求。

以颗粒3为代表的斜长石晶体群核部An值小幅波动,明暗不均匀表明核部形成过程中受到了溶蚀,幔部无振荡环带且An值稳定表明其生长于黏度较低的熔体环境中,边部An值出现波动,且具有明显的振荡环带,这种小尺度的韵律环带可能是由于边部生长于较高黏度的熔体环境中。Sr和Ba的负相关关系是镁铁质岩浆注入的标志^[40-41],颗粒3中Sr和Ba呈正相关,代表其没有经历镁铁质岩浆的注入或混合,An值和Sr,Ba之间的正相关性表明是岩浆房中的热量对流引起的成分波动。

以颗粒4为代表的晶体群核部残余部分An值高于溶蚀孔洞中An值,这可能是早期镁铁质岩浆结晶出的高An值斜长石,在随着岩浆上升、减压并注入长英质岩浆时,岩浆环境中水和挥发分逸出导致晶体结构性失稳从而遭受部分溶蚀,长英质岩浆在溶蚀孔洞中晶出了相对富钠的低An值斜长石的填充^[42-43]。边部An值快速下降为更长石,表明结晶后期的环境相对更偏酸性。颗粒4中Sr和Ba呈明显的负相关,证明晶体结晶的过程中有镁铁质岩浆的混合。

(2)在矶头岩体中,以颗粒1和3为代表的晶体群核部残余部分An值高于溶蚀孔洞中An值,这与青山脚岩体中斜长石颗粒4相似,都是早期镁铁质岩浆结晶出的高An值斜长石进入长英质岩浆时经历了部分溶蚀并在孔洞中晶出了低An值晶体,边部An值的下降可能是结晶后期挥发分的快速逃逸或温度快速下降所致。

以颗粒2为代表的晶体群核部An值较高且无环带,表明其生长于黏度较低的基性熔体环境中,幔部An值降低且明显环带表明了高黏度的偏酸性熔体环境,边部则是更为酸性的高黏度熔体环境。

以颗粒4为代表的晶体群核部An值较高且出现振荡环带,表明其生长于黏度较高的基性熔体环境中,幔部较为稳定的An值表明虽然遭受了溶蚀作用,但未改变成分,边部则形成于高黏度的偏酸性熔体环境。对颗粒1和4的微量元素分析显示Sr和Ba呈明显的负相关,证明晶体结晶的过程中有镁铁质岩浆的混合。

以颗粒5为代表的晶体群An值低且相对稳定,并存在振荡环带,表明其生长于酸性的高黏度熔体环境。颗粒5中Sr和Ba呈正相关,代表其没有经历镁铁质岩浆的注入或混合。

5.2 成岩物理化学条件

5.2.1 温度和压力

角闪石的地球化学成分是估算母岩浆温度、压力、氧逸度等物理化学条件的理想指示计。本文根据Ridolfi等^[15]提出的角闪石结晶压力和温度公式计算了青山脚和矶头岩体中角闪石的结晶压力和温度。

青山脚岩体中8个代表性颗粒背散射图像和压力/温度剖面如图12所示。颗粒1内部明暗不均匀,温度/压力从核部的827 ℃/132 MPa下降到边部747~783 ℃/69~101 MPa。颗粒2和3在背散射图像下同样存在明暗不均匀的内部,但内部经历了不一样结晶环境,颗粒2从核部的787~824 ℃/105~131 MPa下降到边部的691~781 ℃/41~89 MPa,颗粒3粒径更大,形成的过程更为复杂,温度和压力先缓慢下降(812~863 ℃/115~172 MPa)再快速上升(904 ℃/254 MPa)又快速下降至735~749 ℃/59~64 MPa。颗粒4/5/6虽然粒径都不一致,但其结晶温度和压力相似且较为稳定(733~773 ℃/54~74 MPa)。颗粒7粒径较大,内部明暗不均匀,形成的过程较为复杂,总体从核部到边部经历了3步阶梯式下降(903~910 ℃/273~306 MPa到863~887 ℃/168~198 MPa到754~775 ℃/64~84 MPa),局部存在快速上升下降的波动。颗粒8粒径较小,从887 ℃/250 MPa直接下降至725 ℃/50 MPa。

矶头石英闪长岩中8个代表性颗粒背散射图像和压力/温度剖面如图13所示。颗粒1和2内部明暗不均匀,但经历了类似的结晶过程,温度/压力从核部的844 ℃/125 MPa和838 ℃/120 MPa下降到边部755~806 ℃/56~91 MPa和634~710 ℃/23~43 MPa。颗粒3在背散射图像下同样存在明暗不均匀的内部,但内部经历了不一样结晶环境,从核部的913~918 ℃/218~225 MPa(高温高压)下降到边部的827~855 ℃/110~136 MPa。颗粒4和5粒径较小,二者结晶温度和压力都较稳定,但颗粒4的结晶温度和压力(727~757 ℃/51~73 MPa)总体要略大于颗粒5结晶温度和压力(669~704 ℃/36~44 MPa)。

角闪石结晶压力对应深度公式为p=ρgh,计算出冬瓜山矿床青山脚岩体中角闪石形成深度为1.6~11.6 km,大致可分为4个集中范围,分别是1.6~3.4 km、3.8~5.8 km、6.4~7.5 km和9.5~11.6 km;新桥矿床矶头岩体中角闪石形成深度为0.9~8.5 km,大致可分为4个集中范围,分别是0.9~1.7 km、1.9~3.4 km、4.2~5.1 km和8.2~8.5 km。指示了青山脚和矶头岩体具有不同的岩浆房和侵位的深度(图14a)。

5.2.2 氧逸度和水含量

岩浆演化过程中氧逸度和含水量对成矿元素的迁移和富集起着重要的作用,是金属能否沉淀成矿的重要条件之一。Ridolfi等^[15]提出了精确计算氧逸度和水含量的公式:

H₂O_melt=5.215^VIAl^*+12.28

$\lg f_{\mathrm{O}_{2}}$ =-25 018.7/(T+273.15)+12.981+0.046(10p-1)/(T+273.15)+-0.511 7ln(T+273.15)+ΔNNO

^VIAl^*=^VIAl+^IVAl/13.9-(Si+^VITi)/5-Fe²⁺/3-Mg/1.7+(CaB+1-Na_A-K_A)/1.2+ Na_A/2.7-1.56K-Fe³⁺/(Fe³⁺+Fe²⁺+Mn+Mg)/1.6

ΔNNO=1.664Mg^*-4.01

Mg^*=Mg+Si/47-^ⅥAl/9-1.3^VITi+Fe³⁺/3.7+Fe²⁺/5.2-Ca_B/20-Na_A/2.8+(1-Na_A-K_A)/9.5

计算得出冬瓜山矿床青山脚岩体中角闪石结晶时岩浆氧逸度为ΔNNO=0~2.3(图14d),水含量为3.7%~5.5%(图14c);新桥矿床矶头岩体中角闪石结晶时岩浆氧逸度为ΔNNO=-0.4~2.4,水含量为3.1%~5.4%。其中青山脚中的角闪石和矶头岩体中大部分的角闪石氧逸度分布在NNO和MH氧逸度缓冲对之间,而深部的高压角闪石氧逸度在FMQ和NNO氧逸度缓冲对之间(图14b),两个岩体都具有高氧逸度和高含水量的特征。从演化过程来看,两个岩体的含水量与压力的线性关系不明显,而氧逸度和深度/压力成负相关关系,但青山脚岩体的斜率比矶头岩体更平缓,主要是两个岩体中高压角闪石的氧逸度存在明显区别。

5.3 角闪石源区

角闪石成分可以判别其来源类型,姜常义和安三元^[44]认为壳源角闪石的Si/(Si+Ti+Al)比值不低于0.775,而幔源不超过0.765;谢应雯和张玉泉^[45]认为角闪石Mg^#值(=Mg/(Mg+Fe²⁺))可以判断源区,壳型角闪石Mg^#值小于0.5,壳幔型角闪石Mg^#值在0.5~0.7之间,幔型角闪石Mg^#值大于0.7。冬瓜山矿床青山脚岩体中角闪石Si/(Si+Ti+Al)比值为0.747~0.932,平均为0.844,Mg^#值为0.60~0.82,平均0.72;新桥矿床矶头岩体中角闪石Si/(Si+Ti+Al)比值为0.759~0.983,平均为0.860,Mg^#值为0.60~0.84,平均为0.70。两个岩体中角闪石Mg^#值和Si/(Si+Ti+Al)相近,Si/(Si+Ti+Al)比值则大部分位于壳型角闪石区(图15a),而Mg^#值在幔型和壳幔型角闪石的范围内(图15b)。

姜常义和安三元^[44]提出了多个判别角闪石源区的元素图解,包括TiO₂-Al₂O₃、Al^T-Si和(Na+K)-^IVAl,在这3个判别图解中,2个岩体中角闪石元素成分相似,大部分位于壳源区域,少部分位于壳幔交界处(图15c-e)。角闪石中Mg、Ca、Fe²⁺和Fe³⁺之间由于类质同象作用,不同成因类型的角闪石中Mg、Ca、Fe²⁺和Fe³⁺的比例变化大,通过Ca-(Fe²⁺+Fe³⁺)-Mg三角图解可以判断角闪石的源区信息^[45],青山脚岩体和矶头岩体中角闪石部分落于壳幔混合型角闪石区域内,另外一部分位于壳型角闪石区域(图15f)。通过对角闪石的源区判别,青山脚和矶头岩体角闪石以壳型角闪石为主,少部分为壳幔混合型角闪石。

5.4 岩浆晶粥柱模型及对差异富集的指示意义

在青山脚和矶头岩体中,不同的斜长石具有不同的结晶过程,暗示两个岩体的岩浆系统具有多个不同的岩浆子系统,称为多重岩浆房系统或岩浆晶粥柱模型^[46-47]。假设各个子系统之间存在连接通道,可通过晶体群分析的结果推测每个岩浆房的特征,反演两个岩体的岩浆系统。

冬瓜山矿床青山脚岩体斜长石颗粒1的核部和颗粒4核部的残余部分An值明显高于其他斜长石晶体(大于50),并且核部边缘都出现溶蚀现象,暗示两者都形成于较深的岩浆房中(第5岩浆房),该岩浆房中岩浆偏基性且黏度较高。颗粒1的幔部An值相较于核部降低(40~45),边缘也出现溶蚀现象,可能形成于第5岩浆房上部第4岩浆房内相对偏酸性的岩浆环境中。对比颗粒1的边部,颗粒2和颗粒3的核-幔部的成分和结构,An值较为稳定,多在35~40,推测三者有着相似的生长环境,即第3岩浆房。颗粒4的核部是偏基性的镁铁质岩浆和偏酸性的长英质岩浆混合形成,An值主要分为大于50和35~45两个部分,表明第5岩浆房形成的高An斜长石随岩浆上升至第3和4岩浆房中,并经历了溶蚀和低An值斜长石的充填,而边部低An值(18~28)暗示核部形成后继续上升进入第1岩浆房,形成于酸性的岩浆环境中。颗粒3的粒度要明显大于其他斜长石颗粒,虽然幔部和边部的An值相近,但其幔-边界面平滑,边部出现环带说明颗粒4的核部幔部形成后经历了不同的生长环境(第2岩浆房)(图16)。

新桥矿床中的矶头岩体内斜长石颗粒1和3核部溶蚀部分出现了残余部分An值明显高于其他斜长石晶体(大于50),暗示残余部分形成于较深的岩浆房中(第4岩浆房),溶蚀部分An值在40~45,可能是在上部的第3岩浆房发生了相对低An值斜长石的充填,颗粒1边部An值进一步降低至35左右,代表其又进入了上部的岩浆房(第2岩浆房),而颗粒3边部An值则降低至30以下,表明其结晶于更浅部的岩浆房(第1岩浆房)。颗粒2核部高An值且无环带,表明第4岩浆房偏基性且黏度较低,幔部和边部的振荡环带表明第3和2岩浆房黏度较高。颗粒4核部高An值但出现了振荡环带,指示了低黏度熔体环境,说明深部的第4岩浆房熔体不均匀,存在较高黏度和较低黏度的不同熔体;颗粒5的An值稳定在35左右,指示其结晶于第2岩浆房(图16)。

岩浆晶粥柱模型合理的解释了不同晶体群的共存,但同时也出现两个问题:第一,前文讨论角闪石温度和压力时,将青山脚岩浆的温压演化过程划分为4个集中区域,与根据斜长石讨论结果划分的5个岩浆房存在不一致现象;第二是为何深部的循环晶可以在边缘岩浆房结晶过程中被保留,而不是被吸收。针对第一个问题,可能是青山脚岩体岩浆系统中第2和3级岩浆房深度相近,温压条件相似,在对角闪石的评估中这两个岩浆房的温度和压力划分不明显。第二个问题可能是由于岩浆的变压侵位机制^[48-49],根据角闪石温压计的估算,青山脚和矶头石英(二长)闪长岩的固结深度应该低于3 km,一是在这种深度下围岩温度较低,会有利于岩浆的快速冷却,二是高渗透率的围岩有利于岩浆挥发分的逃逸,从而会提高岩浆固相线的温度。两种因素都使得岩浆快速固结,而不是吸收早期形成的晶体。

前人的研究表明,岩浆的高氧化态是铜矿化发生的关键因素^[50⇓-52],这是由于熔体中氧逸度控制了S(硫)的价态,在低氧逸度熔体中S以硫化物形式存在,如果早期岩浆为低氧逸度岩浆,那么发生硫化物相饱和,会使大量亲铜元素以硫化物形式从熔体中卸载,从而无法在后期热液成矿过程中富集;在高氧逸度熔体中S以硫酸盐形式存在,硅酸盐熔体中硫酸盐溶解度较高,亲铜元素以硫酸盐形式大量保存于熔体中,并随着流体饱和进入成矿热液中参与后期岩浆热液成矿过程。本研究中青山脚岩体内高压角闪石氧逸度要明显高于矶头岩体内高压角闪石氧逸度,指示青山脚岩体岩浆系统中早期岩浆氧逸度更高。斜长石研究表明,青山脚和矶头两个岩浆系统早期的深部岩浆房中都为偏基性岩浆,铜多与地幔物质具有亲缘性,相对高氧逸度的幔源岩浆携带高含量的Cu元素参与后续岩浆过程并形成冬瓜山铜(金)矿床,而低氧逸度的幔源岩浆发生了硫化物相饱和,大量Cu元素过早地从熔体中卸载,导致新桥硫铁矿床的成矿热液中铜含量较低。基性岩浆氧逸度差异解释了铜成矿的差异,但也存在一个问题,同为亲铜元素的Au元素为何在两个矿床中含量都很高,这可能是由于Au/Cu比值会随着岩浆氧逸度的变化而变化,中间氧逸度的熔体相比高氧逸度的熔体具有高Au/Cu比值特征^[53],从而导致冬瓜山和新桥矿床中Au的含量均较高。对比青山脚和矶头岩体中斜长石微量元素成分(Fe、Mg、Sr和Ba),矶头岩体中斜长石明显更富Fe和Mg(图17a),而Sr和Ba的含量两者相似(图17b),鉴于两个岩体都经历了镁铁质岩浆的注入或混合作用,参与矶头岩体岩浆系统的镁铁质岩浆可能更富Fe和Mg,这可能为新桥的成矿岩浆热液系统提供了大量的Fe。

6 结论

(1)冬瓜山铜(金)矿床青山脚石英二长闪长岩中的角闪石大部分属于镁角闪石系列;新桥硫铁铜金矿床矶头石英闪长岩中的角闪石大部分属于镁角闪石和浅闪石系列。青山脚和矶头岩体的角闪石结晶压力分别为41~306 MPa和23~225 MPa,结晶温度分别为691~916 ℃和634~918 ℃,结晶深度分别为1.6~11.6 km和0.9~8.5 km,氧逸度分别为ΔNNO=0~2.3和ΔNNO=-0.4~2.4,水含量分别为3.7%~5.5%和3.1%~5.4%。青山脚和矶头岩体内的角闪石以地壳型为主,少部分为壳幔混合型。

(2)青山脚岩体和矶头岩体中的斜长石基本为中长石,分别来自5个和4个不同的岩浆子系统,都经历了镁铁质岩浆的注入和混合作用。

(3)镁铁质岩浆中氧逸度和元素含量的差异可能是控制冬瓜山和新桥的差异性矿化的重要原因。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41972081)

国家自然科学基金项目(41702078)

湖南省科技创新计划项目(2021RC4055)