膏盐层与岩浆相互作用的磷灰石记录:以湖北程潮夕卡岩型铁矿为例

Fingerprint of the interplay between evaporite and magmatic rocks using apatite geochemistry: A case study of the Chengchao Fe skarn deposit

摘要

过去的研究表明,膏盐层在长江中下游成矿带和邯邢地区的夕卡岩型铁矿的形成过程中起到了重要作用,但膏盐层与成矿岩浆之间的相互作用关系还不清楚。本文以长江中下游成矿带西部鄂东矿集区内的程潮夕卡岩型铁矿为研究对象,对该矿区中的岩浆磷灰石开展了系统的显微结构、微区成分和Sr 同位素特征研究。结果显示,程潮铁矿中岩浆磷灰石的Sr 含量和Sr 同位素变化范围均较大,其Sr 同位素的高值与低值部分分别与区内沉积/热液硬石膏/石膏(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 86~0.708 90)和基性岩的初始Sr 同位素范围((⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i=0.705 5~0.706 5)基本一致,指示岩浆中的Sr 具有混合来源的特征,且膏盐组分在岩浆阶段即已加入到程潮铁矿的成矿岩浆之中,但加入的量有限,并未完全改变岩浆的Sr 同位素组成特征。原生岩浆磷灰石的REE 含量从闪长岩—石英闪长岩—花岗岩具有逐渐增高的趋势,且均与全岩的REE 配分形式基本一致,指示这些岩石具有密切的成因联系。有限膏盐组分的加入,并未改变岩浆岩以斜长石为主的结晶分异作用,但改变了岩浆的成分(如挥发分和微量元素)和演化特征,特别是促进了流体出溶阶段Cl 和Fe分配进入流体相,有利于成矿系统演化早期铁质的富集。本次研究结果显示:当中酸性岩浆侵入膏盐层时,在其周缘可以形成一个以侵入体为中心,向外依次出现夕卡岩型铁矿化、热液硬石膏/石膏矿化和沉积硬石膏/石膏矿化的有机整体;当膏盐层位于火山岩盆地边缘基底地层中时,还可能出现产于侵入体顶部的玢岩型铁矿化。这些不同的矿化类型可以互为找矿标志。

Abstract

Iron skarn deposits in the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt (MLYRB) and the Hanxing area are known to involve evaporite rocks in their mineralization. However, the specific interaction between evaporites and the ore-forming magma remains unclear. This study investigates the textures, in situ compositions, and Sr isotopes of igneous apatite from the Chengchao Fe skarn deposit (Edong district) using electron probe microanalysis (EPMA) and laser ablation multi-collector ICP-MS (LA-MC-ICP-MS). Results show that igneous apatite at Chengchao exhibits a wide range of Sr contents and isotopic ratios. The higher and lower Sr isotope values correlate with those of sedimentary/hydrothermal anhydrite/gypsum and local mafic rocks, respectively. This indicates a mixed Sr source and incorporation of evaporite components into the magma, although the quantity was limited, as indicated by the incomplete resetting of the bulk-rock Sr isotope signature. The REE content of primary magmatic apatite increases progressively from quartz diorite through diorite to granite. Apatite REE patterns mirror whole-rock patterns, confirming a close genetic link among these rock types. The addition of limited evaporite components did not significantly alter the magmatic differentiation trend (dominated by plagioclase). Nevertheless, evaporite involvement is interpreted to have modified magma composition and evolution, likely promoting the partitioning of Cl and Fe into an exsolved fluid phase—a process key to iron enrichment during early mineralization. This study highlights that when intermediate-felsic magma intrudes evaporite-bearing strata, it can generate an intrusion-centered system comprising Fe skarn and hydrothermal anhydrite/gypsum mineralization, alongside pre-existing sedimentary gypsum/anhydrite. If the intrusion occurs at the edge of a volcanic basin, iron oxide-apatite (IOA) mineralization may also develop at the system’s apex. Thus, these four mineralization types can form an intrusion-centered system and serve as mutually indicative prospecting targets.

Graphical abstract

关键词

磷灰石 / 膏盐层 / Sr 同位素 / 夕卡岩型铁矿 / 程潮 / 同化混染

Key words

apatite / evaporite rocks / Sr isotope / Fe skarn deposits / Chengchao / assimilation and contamination

0 引言

膏盐层是一种含有石膏/硬石膏和石盐等矿物的特殊蒸发岩,也是金属矿床的重要围岩之一。其膏盐组分(Ca、Na、SO₄^2-和Cl^-)在金属矿床的成矿过程中起到了重要的作用,不仅可以为产于沉积岩中的矿床(如MVT型铅锌矿和砂岩型铜矿、铀矿等)提供金属元素迁移和富集所需的络阴离子(Cl^-和还原态的S等)^[1-3],而且可以为岩浆-热液矿床(如夕卡岩型铁矿、玢岩型铁矿和IOCG矿床等)提供活动性组分(Na⁺和Ca²⁺等)和挥发分(SO₄^2-和Cl^-)^[3-9],还可以为岩浆型铜镍硫化物矿床提供金属元素饱和沉淀的触发剂——硫^[10-11],因而受到广泛关注和研究。夕卡岩型铁矿是我国最重要的富铁矿来源,主要分布在华北克拉通中部、鄂东南、闽南—粤东、东秦岭和青海西部等地区,具有成群成带集中产出的特点^[12-14]。其中,产于鄂东南和邯邢地区的夕卡岩型铁矿普遍共/伴生硬石膏/石膏矿化,其规模可以达到大中型,这些铁矿化和硬石膏/石膏矿化大多与特定的地层层位有关^[15-18]。例如,鄂东南地区的程潮和金山店大型夕卡岩型铁矿的赋矿围岩主要为具有蒸发成因的嘉陵江组地层,矿区广泛产出硬石膏/石膏,并在局部形成硬石膏/石膏矿体。矿区内的硬石膏/石膏(δ³⁴S=+18.9‰~+31.5‰)和矿床中的黄铁矿(δ³⁴S=+10.3‰~+25.6‰)普遍具有富集重S同位素的特征,且明显不同于典型的岩浆-热液矿床中的S同位素值范围(硫酸盐+13.1‰~+15.2‰,硫化物-6.2‰~+8.7‰^[18-19]),是膏盐层参与这些矿床成矿作用的重要证据,具有强烈的地域特色和科学研究意义^[8,17,20-23]。邯邢地区的部分夕卡岩型铁矿也具有类似的富集重S同位素的特征^[15]。因此,有学者提出膏盐组分很可能在岩浆阶段就开始加入到这些矿床的成矿岩浆之中,并且这是长江中下游和邯邢地区岩浆岩富钠、矿区大量发育钠化蚀变和矿床富集重S同位素的主要原因^[16-17,23]。然而,夕卡岩型矿区通常发育强烈的热液蚀变,导致大量岩浆岩所记录的地质信息被叠加改造甚至完全重置,基于全岩地球化学特征的研究和解释也因蚀变而存在诸多不确定性;同时,上述硬石膏/石膏和黄铁矿基本为热液/沉积成因,无法深入反映膏盐层与岩浆之间的相互作用特征。因此,亟需寻找能够有效反映膏盐层与岩浆相互作用特征的矿物学记录,用以揭示膏盐组分对于成矿有关岩浆性质的影响。

磷灰石[Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)]是地壳中最常见的含磷矿物,在不同温度和压力条件下形成的各类岩石中广泛存在^[24-26]。其矿物结构稳定,成分多变,可以容纳的元素超过半个周期表,记录有丰富的成因信息,因而被广泛用来估算花岗质岩浆演化过程中的挥发分(F, Cl, SO₃)含量^[27-28]和示踪岩浆-热液演化过程中REE元素的富集以及热液矿床成矿过程中流体性质的演化^[29-31]。同时,磷灰石的成分特征还可以揭示花岗岩全岩中无法揭示的地壳混染信息,是花岗岩成因和演化过程研究的有效矿物探针^[32-34]。磷灰石是夕卡岩型铁矿成矿岩浆中常见的副矿物之一,在夕卡岩和铁矿石等热液蚀变岩中也普遍产出^[21,35],是研究夕卡岩型铁矿床成岩成矿作用过程的理想载体。最近研究发现,鄂东矿集区内的程潮和金山店铁矿中的岩浆磷灰石具有较高的Sr同位素特征(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 21~0.709 48^[21]),与三叠纪海水的Sr同位素范围(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 5~0.708 5^[36-37])有较大的重叠区,指示膏盐组分可能早在岩浆阶段即已加入到成矿岩浆之中^[21,38-39],是研究膏盐组分与岩浆相互作用的理想对象。本文对鄂东矿集区内程潮铁矿中的岩浆磷灰石开展了系统的显微结构、微区成分和Sr同位素组成研究,拟揭示膏盐组分与岩浆之间的相互作用特征,进而探讨其对成矿岩浆演化早期铁质富集的影响,并初步构建了夕卡岩型铁矿-膏盐矿床组合模型。

1 区域地质背景和矿区地质

鄂东矿集区位于我国长江中下游成矿带的最西端,由阳新—常州、襄樊—广济和郯城—庐江(郯庐)三大断裂所夹持,其东部与九瑞矿集区相邻(图1a)^[8,40]。长江中下游成矿带位于扬子板块北缘、华北板块南缘的大别造山带南侧,该区的构造演化大致经历了三个主要阶段,分别为基底形成阶段(前震旦纪)、沉积盖层阶段(震旦纪—早三叠世)、碰撞造山和造山后板内变形阶段(中三叠世以来)^[16-17]。第一阶段的前震旦纪基底主要由变质奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩组合、白云母石英片岩夹有角闪岩组成,与上覆的沉积盖层呈角度不整合关系;第二阶段的沉积盖层主要包括震旦纪碎屑岩、白云岩和硅质岩,寒武纪至三叠纪的海相碳酸盐岩等;第三阶段以中生代大规模岩浆活动和成矿作用为特点^[16],这些岩浆侵位于沉积盖层浅部的石炭系、二叠系、三叠系及侏罗系之中,在其接触带或附近形成了大量与岩浆热液作用有关的铁、铜和金等金属矿床^[17]。长江中下游成矿带由七个各具特色的矿集区组成,自西向东分别为鄂东、九瑞、安庆—贵池、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇矿集区^[17]。区内的中生代岩浆活动和成矿作用被划分为三种类型^[24]:(1)156~137 Ma侵位的富钾钙碱性花岗质岩石,岩性主要为闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩和花岗闪长斑岩,与之有关矿床类型为斑岩、夕卡岩和层控型铜金钼铁矿床,主要分布在九瑞、安庆—贵池和铜陵等断隆区;(2)135~123 Ma形成的钙碱性花岗质岩石,岩性主要为辉长岩、辉石闪长岩、石英闪长岩、石英二长岩、花岗闪长岩、花岗岩、闪长斑岩和花岗闪长斑岩以及与之相对应的喷出岩,与之相关的矿床主要为位于白垩纪盆地中的玢岩铁矿(宁芜、庐枞地区)和隆凹过渡区的夕卡岩型铁矿(金山店和程潮等);(3)127~123 Ma侵位的A型花岗岩,岩性主要为石英正长岩、正长岩、石英二长岩、碱性花岗岩和对应的喷出岩,对应于金铀矿化^[41-42],这类矿化主要产出于庐枞盆地南缘。其中,玢岩铁矿和鄂东矿集区的部分夕卡岩型铁矿(金山店和程潮)常常伴/共生大量的硬石膏/石膏。另外,鄂东矿集区和宁芜盆地东侧的溧水盆地中还产出有大型热液锶矿床(如狮子立山和爱景山等,图1a)^[8,40],硬石膏/石膏和锶矿床与岩浆侵位于或穿透含膏盐组分的蒸发岩地层有关,具有就地取材的特点^[6,43]。

鄂东矿集区内从古生代到中、新生代地层均有出露,其中三叠系大冶组和嘉陵江组碳酸盐岩、蒲圻组砂页岩、侏罗系香溪群含煤砂页岩分布广泛,马架山组、灵乡组和大寺组的火山熔岩和火山碎屑岩主要在矿集区西部的金牛盆地内发育^[44]。中下三叠统大冶组和含石膏的嘉陵江组(图1b)^[8,40]是区内夕卡岩型铁铜矿床最为主要的赋矿围岩^[40]。区内岩浆活动以燕山期为主,兼具岩浆侵入和火山喷发,并有多期次活动的特点。侵入岩自北向南依次有鄂城、铁山、金山店、灵乡、阳新和殷祖六大岩体和铜绿山、铜山口、封山洞、阮家湾和付家山等多个小岩株,大岩体岩性以闪长岩、石英闪长岩为主,小岩株以花岗闪长(斑)岩为主^[40]。六大岩体中除殷祖岩体暂时没有发现规模矿化之外,其他岩体均发育规模不等的夕卡岩(-斑岩)型矿化,且表现出一定程度的成矿专属性:鄂城、金山店和灵乡岩体岩性主要为石英二长岩、花岗岩、石英闪长岩和闪长岩等,其接触带主要发育单铁矿,分别形成程潮铁矿、金山店铁矿和灵乡铁矿等^[8,45]);铁山岩体和阳新岩体岩性主要为石英闪长岩、石英二长闪长岩,其接触带则主要形成铁铜金等多金属矿床,如大冶铁铜矿和铜绿山铜铁矿等^[19];铜山口和封山洞等小岩株岩性主要为花岗闪长斑岩,其接触带主要形成夕卡岩-斑岩型铜钼矿,如铜山口铜(钼钨)矿和封山洞铜矿等^[46];阮家湾和付家山小岩株主要岩性为花岗闪长斑岩,矿化类型以夕卡岩型钨矿为主,如阮家湾钨矿和付家山钨矿,共伴生有铜和钼等矿化^[40]。

程潮铁矿位于鄂东矿集区北部的鄂城岩体南缘接触带上(图2a)^[22,47]。矿区内出露的地层主要为三叠系和侏罗系,第四系仅在局部出露。矿区内三叠系地层由下至上由大冶组、嘉陵江组、蒲圻组和九里岗组组成。其中,与成矿有关的围岩主要是大冶组和嘉陵江组地层^[48]。大冶组地层主要分布于岩体接触带附近,呈透镜状或板状,多处于杂岩体与蒲圻组地层或者花岗岩与闪长岩之间,在地表出露少,钻孔揭露岩性主要为灰岩和白云质灰岩。嘉陵江组主要为白云岩和含石膏夹层的白云岩等,该组与大冶组顶部呈逐渐过渡的关系,加之岩浆侵位过程中的改造作用,二者常常难以区分。蒲圻组主要分布于矿区南部,因受断裂破坏,出露不完整,呈东厚西薄的特点,其主要为紫红色砂泥质页岩、页岩夹灰色砂岩和长石石英砂岩,顶、底部常夹有泥灰岩扁豆体。蒲圻组地层在靠近岩体附近多发生明显的热变质现象,形成角岩。九里岗组主要分布于大王冲和55线以东程潮村一带,主要为泥质粉砂岩,局部夹页岩及劣质煤层。区内侏罗系地层主要为王龙滩组,多分布于本区南缘山岭及南坡,岩性主要为砂质页岩、石英砂岩和页岩等。矿区内构造较为复杂,既有印支期NWW向构造变形,又有NE向构造形迹,其中NWW向的断裂和褶皱构造是矿区的主干构造,控制着岩体产状以及铁矿体的分布。矿区岩浆岩为鄂城侵入体南缘中段的一部分,主要由花岗质岩石(中细粒花岗岩、石英二长斑岩、花岗斑岩和斑状花岗岩等)和闪长质岩石(含黑云二长闪长岩和细粒黑云闪长岩等)以及一些小的中基性脉岩(闪长玢岩和辉绿玢岩)组成^[49-50]。

程潮铁矿由百余个铁矿体及硬石膏矿体组成,分为东、西两个矿区。其中,铁矿石储量约2.8亿吨,矿石品位一般在36%~51%之间,局部达61%,硬石膏储量约4 563万吨,矿石中CaSO₄含量约78%^[48,50]。其中,东区铁矿体由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体及51个小矿体组成,西区铁矿体主要由Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ号矿体及一些零星小矿体组成。铁矿体最大者长约1 700 m,宽350 m,厚达100多米,而众多的小矿体一般仅有数十米长,倾向南或南南西。矿体向NWW侧伏,各矿体的赋存标高,从Ⅰ号到Ⅶ号矿体依次加深,呈叠瓦状或雁行排列^[48]。该矿床中有共生硬石膏矿体9个,一般叠加在铁矿体之上,或在铁矿体南部靠近地层的部位形成单独的矿体(图2b)^[22,47]。

程潮铁矿矿物种类多样,成分较为复杂,金属矿物主要有:磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿和磁黄铁矿等;非金属矿物包括:石榴子石、透辉石、硅灰石、方柱石、角闪石、金云母、绿泥石、绿帘石、蛇纹石、石英、方解石、石膏、硬石膏及高岭土等^[48]。程潮铁矿的矿石类型可以分为致密块状矿石、浸染状矿石、花斑状矿石和条带状矿石等,其中致密块状矿石是该矿床最主要的矿石类型^[50]。

2 样品和分析方法

本次挑选的样品包括与成矿关系密切的闪长岩(CC455,(133±1) Ma^[51])、石英闪长岩(CC375-16,(129±2) Ma^[45])、花岗岩(CC411),以及成矿后的闪长玢岩(CC17)。其中,闪长岩(CC455)呈近等粒状结构,矿物组成为斜长石(约70%)、角闪石(约10%)、钾长石(约10%)、黑云母(约5%)及少量石英和榍石、磷灰石和锆石等副矿物,其中,长石普遍发生绢云母化和黏土化(图3a,e)。石英闪长岩(CC375-16)呈斑状结构,斑晶以斜长石(约10%)和石英(约8%)为主,偶见角闪石,基质成分主要为斜长石(约40%)、钾长石(约20%)、石英(约10%)和角闪石(约10%)及少量的锆石、榍石、磁铁矿和磷灰石等;该样品发生碳酸盐和绿泥石化及少量硅化、磁铁矿化和黄铁矿化(图3b,f)。花岗岩(CC411)呈显微文象结构和条纹结构,主要矿物组成为钾长石(约60%)、石英(约20%)、斜长石(约15%)和少量的角闪石黑云母及锆石、榍石、磁铁矿和磷灰石等副矿物;岩石发生少量绢云母化、碳酸盐化和黏土化(图3c,g)。闪长玢岩(CC17)呈斑状结构,斑晶主要为斜长石(约10%),偶见角闪石,基质主要为斜长石、钾长石和石英及少量副矿物,斜长石斑晶内可见磷灰石包体(图3d,h,i);该样品发生明显的绿泥石化、绿帘石化、绢云母化和碳酸盐化。

样品加工时,首先选择合适的区域切制探针片,再将剩余样品挑选磷灰石,制成1英寸树脂圆靶;其次,对探针片和树脂靶开展光学显微镜和扫描电镜观察,分别确定矿物共生组合和磷灰石中的矿物包体,并拍摄透反射照片和背散射电子照片,在此基础上使用阴极发光仪拍摄阴极发光(CL)照片,揭示磷灰石的显微结构特征;再次,选择合适的磷灰石颗粒,开展电子探针测试,确定主量元素含量;最后,进行LA-(MC-) ICP-MS分析,测定微量元素含量和Sr同位素特征,测试点位尽量与电子探针测试位置保持一致。磷灰石的扫描电镜观察、背散射电子照片和CL照片拍摄、主量和微量元素含量测试均在中国地质科学院矿产资源研究所为依托的自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成;原位微区Sr同位素测试在国家地质实验测试中心完成。其中,扫描电镜观察和主量元素测试使用仪器为JXA-iHP200F型电子探针仪,实验条件为加速电压15 kV,电流10 nA,束斑直径2~5 μm。在测试时,尽量选择近于平行于磷灰石c轴的切面进行测试。测试的元素和标样分别为F Kα(金云母)、Na Kα(硬玉)、Mg Kα(金云母)、Al Kα(氧化铝)、Si Kα(石英)、Ca Kα(磷灰石)、Cl Kα(食盐)、S Kα(天青石)、Y Lα(氧化锆)、P Kα(磷灰石)、Mn Kα(氧化锰)、Fe Kα(赤铁矿)、Nd Lα(NdP₅O₁₄)、Ce Lα(CeP₅O₁₄)。元素/氧化物的检出限(%)分别为:F(0.07)、Na₂O(0.01)、MgO(0.01)、Al₂O₃(0.01)、SiO₂(0.02)、CaO(0.01)、Cl(0.01)、SO₃(0.03)、Y₂O₃(0.04)、P₂O₅(0.03)、MnO(0.01)、FeO(0.02)、Nd₂O₃(0.07)、Ce₂O₃(0.03)。

磷灰石微量元素测试时所使用的剥蚀系统为RESOlution S155型193 nm准分子激光剥蚀系统,分析系统为Thermo Element XR高分辨率等离子体质谱仪。开展点分析时,每个样品的分析时间为80 s,其中背景信号约20 s,激光剥蚀时间约40 s,剩余20 s为空白信号;激光斑束直径为30 μm,能量密度为4 J/cm²,剥蚀频率为6 Hz。每测试8个样品点数据,测试一组外标(NIST 610玻璃)和监控标样(GSE-1G和BCR-2G玻璃)。数据处理采用Iolite软件完成,以电子探针的Ca含量作为内标。本次点分析的元素包括²³Na、²⁵Mg、²⁷Al、²⁹Si、⁴³Ca、⁴⁵Sc、⁴⁹Ti、⁵¹V、⁵³Cr、⁵⁵Mn、⁵⁷Fe、⁵⁹Co、⁶⁶Zn、⁷¹Ga、⁷³Ge、⁷⁵As、⁸⁸Sr、⁸⁹Y、⁹¹Zr、⁹³Nb、⁹⁸Mo、¹¹⁵In、¹¹⁸Sn、¹³⁹La、¹⁴⁰Ce、¹⁴¹Pr、¹⁴⁶Nd、¹⁴⁷Sm、¹⁵³Eu、¹⁵⁷Gd、¹⁵⁹Tb、¹⁶³Dy、¹⁶⁵Ho、¹⁶⁶Er、¹⁶⁹Tm、¹⁷³Yb、¹⁷⁵Lu、¹⁷⁷Hf、¹⁸¹Ta、¹⁸²W、²⁰⁸Pb、²³²Th、²³⁸U。

磷灰石的微区Sr同位素分析所使用的剥蚀系统为ASI J-200型343 nm飞秒激光,分析系统为Neptune Plus多接收电感耦合等离子体质普仪(MC-ICP-MS)。测试时,采用线扫描方式剥蚀样品,束斑直径为30 μm,线扫描速度0.65 μm/s,频率8~10 Hz,能量密度10 J/cm²。国际标样Durango作为磷灰石标准物质,获得⁸⁷Sr/⁸⁶Sr平均值为0.706 73±0.000 38(n=35),与前人所测的Sr同位素值在误差范围内基本一致^[52-53]。为了方便对比,本次研究同时收集了6件程潮铁矿中已知S同位素值的硬石膏样品^[22],挑选硬石膏单矿物来测定其Sr同位素组成。该测试在核工业北京地质研究院分析测试中心完成,所使用的仪器为Phoenix 热电离质谱仪(TIMS)。测试过程中,控制仪器Sr背景低于100 pg,Sr同位素比值采用⁸⁶Sr/⁸⁸Sr = 0.119 4进行指数法则校正。具体操作流程参考文献[54]。

3 结果

3.1 磷灰石的结构特征

闪长岩样品中的磷灰石颗粒相对来说较为破碎,可能与其受到明显的交代作用或粒度较大有关(图4a)。在CL照片中,闪长岩中的原生磷灰石颗粒整体较为均一,部分颗粒出现较弱的由亮暗程度变化所揭示的成分环带特征,且亮暗程度变化的边界相对较为清楚和平直;同时,次生磷灰石通常只占据磷灰石颗粒的一部分,大多数次生部分相比同一颗粒中的残留原生磷灰石明显偏暗,使得被交代的磷灰石表现出亮暗不均一的斑杂色。在透射光下,个别闪长岩中的磷灰石颗粒有流体包裹体沿平行于其c轴的方向展布,且这些流体包裹体发育部位与CL照片中暗色的部分大致对应(图4a)。石英闪长岩中的磷灰石大多呈半自形-自形粒状,CL照片中呈现出弱的成分环带,仅少数颗粒出现次生交代特征,但交代程度明显比闪长岩弱,在以原生磷灰石为主的颗粒局部出现较暗的均一次生区域或亮暗环带交替的次生区域(图4b),这些特征与金山店铁矿中热液次生磷灰石特征类似^[21]。花岗岩样品中的磷灰石呈自形粒状晶,部分颗粒成分环带明显,基本没有出现交代现象(图4c)。闪长玢岩样品中的磷灰石呈自形粒状产出,根据CL照片中亮暗程度可以大致分为两组(图4d),较亮的一组基本都呈现出成分环带,而较暗的一组则仅部分颗粒呈现出弱的成分环带,这两组磷灰石中均没有出现类似于闪长岩和石英闪长岩样品中的交代特征。鉴于CL照片在结构上能够很好的区分原生和次生磷灰石颗粒/部位,后文讨论中如无特殊说明,所有磷灰石均指原生的岩浆磷灰石。

3.2 磷灰石的主微量元素特征

电子探针数据结果(表1)显示,从闪长岩到石英闪长岩再到花岗岩,岩浆磷灰石中的Cl逐渐降低,F逐渐升高,二者呈明显的负相关关系(图5a)。

闪长玢岩中CL照片下较亮的一组具有较高的Cl含量(0.71%~1.0%,均值0.94%),与闪长岩中磷灰石的Cl含量较为接近,而较暗的一组中的Cl明显较低(0.20%~0.39%,均值0.27%),与花岗岩中磷灰石的Cl含量较为接近,且无论富Cl还是贫Cl磷灰石中的F含量均较低。本次测试的磷灰石绝大部分具有较低的SO₃含量(<0.5%),不同岩性之间的差别较小,仅闪长玢岩中贫Cl的磷灰石相比富Cl磷灰石具有相对高的S含量,前者最高可达0.92%(图5b)。另外,磷灰石能谱测试结果显示,闪长岩和石英闪长岩中的次生磷灰石相比原生磷灰石具有明显低的Cl、SO₃、Nd、Ce和Y等含量,但F、P和Ca含量则明显高于原生磷灰石,这一特征与金山店铁矿和实验岩石学中的原生和次生磷灰石成分变化规律基本一致^[21,26,55]。另外,磷灰石能谱测试结果还显示,闪长玢岩中的富Cl磷灰石主要产于斜长石斑晶内,而贫Cl磷灰石则产于基质中,在BSE和CL照片中,这些被斑晶包裹的磷灰石相比基质中的磷灰石更亮(图4d)。

LA-ICP-MS微量元素测试结果(表2)显示,闪长岩中磷灰石具有最低的Mn((239~421)×10^-6,均值310×10^-6)、Ba(低于检出限)、REE+Y((4 309~9 095)×10^-6,均值6 758×10^-6)和Pb((0.37~0.87)×10^-6,均值0.60×10^-6)含量,但其Ge含量则最高((44.1~115)×10^-6,均值79×10^-6)。石英闪长岩具有最高的Si((1 677~3 535)×10^-6,均值2 882×10^-6)、Ba((14.9~24.0)×10^-6,均值19.4×10^-6)和U((5.47~14.0)×10^-6,均值10.9×10^-6)含量。花岗岩中的磷灰石具有最低的Mg((10.8~51.5)×10^-6,均值29.3×10^-6)、Fe((130~402)×10^-6,均值263×10^-6)和Sr((130~422)×10^-6,均值298×10^-6)含量,最高的Th((67.4~210.4)×10^-6,均值115×10^-6)、U((12.2~18.2)×10^-6,均值14.7×10^-6)和REE+Y((12 934~28 673)×10^-6,均值17 643×10^-6)含量。闪长玢岩中的富Cl磷灰石具有最高的Mn((642~1 805)×10^-6,均值1 307×10^-6)和Pb((4.63~7.86)×10^-6,均值5.49×10^-6)含量;贫Cl磷灰石具有最高的Mg((2 155~3 154)×10^-6,均值2 476×10^-6)、Fe((2 052~2 858)×10^-6,均值2 428×10^-6)和Sr((887~2 070)×10^-6,均值1 540×10^-6)含量和最低的REE+Y((2 272~9 406)×10^-6,均值4 785×10^-6)、Th((5.81~66.4)×10^-6,均值20.2×10^-6)和U((1.19~6.60)×10^-6,均值3.01×10^-6)含量。总体来说,磷灰石中各元素的含量在不同样品之内的变化范围要明显小于样品之间的差别(图6)^[39]。

3.3 磷灰石和硬石膏的Sr同位素特征

由于Rb在磷灰石和硅酸盐熔体中的分配系数很小(0.000 4~0.003 0),因而磷灰石中的Rb含量通常较低^[56]。本次测试中磷灰石的Rb含量普遍低于检测限,最高仅为1.23×10^-6(表2),指示磷灰石的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值可以近似代表磷灰石的初始Sr同位素值,因此本文中磷灰石的Sr同位素测试值均当作初始Sr同位素值来使用。本次研究发现程潮铁矿区岩体中磷灰石的Sr同位素值变化范围较大(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.706 08~0.708 98,表3),但绝大部分数据位于中三叠世海水的Sr同位素值(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 5~0.708 5^[36-37])和鄂东南地区基性岩的初始Sr同位素值((⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i=0.705 5~0.706 5^[19])范围之间,少数数据与这些范围重叠。同时,本次测试的数据与前人获得的程潮铁矿闪长岩和石英二长岩中磷灰石的Sr同位素值(0.707 22~0.708 24^[39])基本一致,但略低于金山店铁矿中岩浆磷灰石(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 21~0.709 48^[21])以及程潮铁矿(0.708 45~0.708 87)、金山店铁矿(0.708 6~0.708 90^[21])和狮子立山锶(铅锌)矿(0.708 52~0.708 80^[43])中硫酸盐矿物(硬石膏、石膏和天青石)的Sr同位素值(图7、表4)^{[21-22,39,43]}。另外,数据结果也显示,随着磷灰石Sr含量的增高,其Sr同位素变化范围越来越小,其中闪长玢岩中的富Cl磷灰石具有最大的Sr同位素变化范围,而贫Cl的磷灰石具有最小的Sr同位素变化范围。程潮铁矿中硬石膏的Sr同位素值范围与金山店铁矿中的硬石膏/石膏和狮子立山锶(铅锌)矿中天青石的Sr同位素值范围基本一致(表4)^[21-22,43]。

4 讨论

4.1 膏盐层参与程潮铁矿的时限和程度

膏盐组分由于易溶于成矿流体而常常难以识别,但其明显富集重S和放射性Sr同位素的特征可以被一些矿物继承下来,因而这两种同位素被广泛用来示踪膏盐组分参与金属矿床成矿作用的过程^[8,10,21,57]。

大量的稳定同位素(C-H-O-S等)研究显示,绝大部分夕卡岩型矿床的成矿流体和成矿物质均来源于岩浆岩,其稳定同位素值大多位于岩浆热液相关值的范围内,仅少量的铅锌矿床记录了围岩的特征^[58-59],因此,在经典的夕卡岩型铁矿模型中,围岩对成矿作用的贡献往往被岩浆热液特征所掩盖。本次研究发现程潮铁矿区岩体中的Sr同位素值普遍较高,明显偏离区域基性岩的初始Sr同位素范围((⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i=0.705 5~0.706 5),其高值部分除石英闪长岩和闪长玢岩中贫Cl磷灰石外均与中三叠世海水的Sr同位素值(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 5~0.708 5^[36-37])和鄂东南地区与膏盐层有关矿床中硫酸盐矿物(石膏、硬石膏和天青石)的Sr同位素值(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 86~0.708 90)具有明显的重叠(图7、表4)^{[21-22,39,43]},指示磷灰石中的Sr有相当一部分来源于膏盐层,即膏盐组分早在岩浆阶段即已加入程潮铁矿的成矿体系之中。值得注意的是,大冶组也是程潮铁矿的重要围岩之一,不排除它也贡献了部分Sr的可能,但贡献可能有限或者不显著而难以被识别。其主要原因为:(1)以大冶组地层为主要围岩的大冶铁矿中的硫化物和硫酸盐的S同位素值,均位于典型岩浆热液S同位素值范围内,明显低于以嘉陵江组和大冶组地层为主要围岩的金山店和程潮铁矿的对应矿物S同位素值,后者与膏盐层富集重S同位素的特征基本一致^[19],指示大冶组地层中膏盐组分含量很低,与其滨/浅海相的沉积特征相符合^[40];(2)笔者未发表的大冶铁矿中热液硬石膏的Sr同位素范围(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 51~0.707 73)明显低于区内与膏盐层有关矿床(如金山店和程潮铁矿、狮子立山锶(铅锌)矿)中硫酸盐矿物(石膏、硬石膏和天青石)的Sr同位素值(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 86~0.708 90,图7)^{[21-22,39,43]},也指示大冶组地层可能具有相对低的Sr同位素组成,因而其对于程潮和大冶铁矿中Sr的贡献很可能被嘉陵江组所掩盖而难以判断。

不同样品之间的Sr同位素差异则可能与膏盐层和岩浆源区对于岩石Sr同位素贡献的比例不同有关。例如,闪长玢岩中富Cl的磷灰石具有最大的Sr同位素变化范围(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.706 08~0.708 98),与中三叠世海水和区内基性岩的初始Sr同位素值均有一定的重叠(图7a)^{[21-22,39,43]},产生这一现象的原因可能有:(1)被长石斑晶包裹的富Cl磷灰石在形成过程中可能已经发生了不同源区来源Sr的混合;(2)富Cl磷灰石形成后的热液交代作用导致Sr同位素发生重置。最近研究显示,热液交代作用可以使磷灰石的Sr同位素发生明显改变,但会在其结构中留下明显的记录^[55,60]。尽管闪长玢岩中广泛发育绿帘石化、绿泥石化、绢云母化和方解石化,但磷灰石的CL照片并没有观察到类似于闪长岩和石英闪长岩中磷灰石的亮暗程度不均匀的现象,也没有标示交代作用发生的细粒独居石和磷钇矿等稀土矿物产生^[26];同时磷灰石颗粒中也未见到流体包裹体,因而可以排除热液交代作用对其Sr同位素范围的改变。另外,本次还发现,Sr含量较低的磷灰石具有较大的Sr同位素变化范围,而Sr含量较高的磷灰石的Sr同位素组成则较为均一(图7a)^{[21-22,39,43]},考虑到程潮铁矿区岩体全岩Sr含量((63.6~642)×10^{-6 [19]}),明显低于膏盐组分中Sr的含量(硬石膏或石膏,(1 014~1 856)×10^{-6 [21]}),即使一定程度的膏盐组分加入岩浆之中,也能明显改变岩浆中的Sr含量和Sr同位素组成。类似的Sr含量和Sr同位素变化关系也在碳酸岩-碱性硅酸岩成因、玄武质安山岩-碳酸盐地层反应实验岩石学和成矿流体演化过程示踪研究中有报道,也指示不同端员混合的特征^[57,61-63]。因此,程潮铁矿区中岩浆磷灰石的Sr同位素指示其具有多来源的特征,具有富集放射性Sr同位素的膏盐组分在岩浆阶段即已通过同化混染作用加入成矿岩浆,且不同类型岩浆中膏盐组分加入的比例不同,但大部分岩石的混染比例有限。同时,程潮铁矿岩浆磷灰石的SO₃含量总体较低(<0.5%,图5b),达不到典型中酸性岩浆中硬石膏饱和时的SO₃含量(>1.0%^[28]),也指示膏盐组分的加入程度有限。另外,程潮铁矿中岩浆磷灰石的Sr同位素值明显低于矿区内热液硬石膏的Sr同位素值(图7b)^{[21-22,39,43]},则可能表明岩浆阶段膏盐组分的加入比例低于热液阶段。相比程潮铁矿,同一矿集区的金山店夕卡岩型铁矿中的岩浆磷灰石明显具有更高的Sr同位素值(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.707 21~0.709 48^[21]),可能与金山店岩体明显小于鄂城岩体而导致金山店矿区岩浆岩中膏盐组分加入对磷灰石Sr同位素的改造更加显著有关。

4.2 膏盐组分对岩浆演化的影响

前人研究显示,鄂城岩体包括闪长岩、石英闪长岩、石英二长岩、花岗岩、辉石闪长岩和闪长玢岩等多种岩性,其成岩时代主要集中于143~140 Ma和133~126 Ma,前者包括闪长岩和石英闪长岩^[64-65],后者主要为闪长岩类和花岗岩类^[51,65],而程潮铁矿的成矿时代集中于133~131 Ma,成矿作用与后一期的闪长岩和花岗岩均有密切的关系^[22,45,66]。本次研究的闪长岩(CC455,(133±1) Ma^[51])、石英闪长岩(CC375-16,(129±2) Ma^[45])、花岗岩(CC411),以及成矿后的闪长玢岩(CC17)均属于后一期岩浆活动,因而,可以排除早期闪长岩和石英闪长岩对于磷灰石成分的混杂,指示这些磷灰石样品的寄主岩在很短时间内侵位在较小的空间范围内。尽管不同类型岩石中磷灰石的REE含量有所差别,但其模式均为右倾型的轻稀土元素富集模式,与全岩的REE配分模式基本一致(Eu异常除外)且显著高于全岩(图8)^[19],指示磷灰石可能是各类岩石中最为主要的REE载体矿物,这些磷灰石继承了全岩的REE配分模式,是不同类型岩浆岩之间存在密切成因联系的有力证据。同时,磷灰石的REE含量从闪长岩—石英闪长岩—花岗岩逐渐增高的趋势也表明,这些不同类型的岩石可能是同一期岩浆结晶分异演化的结果。

研究表明,在硅酸盐熔体演化过程中,REE、Y和Sr相容于磷灰石,而Mn则不相容于磷灰石,因而在熔体中磷灰石结晶时,REE、Y和Sr偏向于分配进入磷灰石,而Mn则偏向于保留在熔体中(少数高分异岩浆系统除外^[56,67])。一般来说,以长石结晶为主导的岩浆演化过程中,斜长石不断消耗熔体中的Sr,导致磷灰石中的Sr含量不断降低,而Mn含量则不断升高,因而Sr和Mn元素对常常被用来指示岩浆结晶分异的持续过程^[67-68]。尽管程潮铁矿中岩浆磷灰石的Sr含量从闪长岩到石英闪长岩,再到花岗岩具有逐渐降低的趋势,但Sr和Mn大体上呈现出正相关和负相关两条趋势(图6a)^[39],其中闪长岩—石英闪长岩—闪长玢岩中的磷灰石为负相关关系,从花岗岩到石英二长岩((128.1±1.2) Ma)和闪长岩((131.6±0.7) Ma)则呈现出正相关关系^[69]。而Sr和Fe也呈现出正相关和负相关两条趋势,但与Sr-Mn关系不同之处在于闪长玢岩中的Sr和Fe呈现出正相关关系(图6b)^[39]。同时,Sr和Y则一部分表现为负相关关系,一部分则没有明显的相关性(图6c)^[39]。另外,Y与Mn则表现为两条正相关性的趋势线,指示斜率不同(图6d)^[39]。这些相关性趋势特征明显不同于以斜长石结晶分异为主过程中微量元素的单一相关性(如Sr与Mn、Fe均呈负相关关系^[21,67-68]),指示岩浆演化过程中其成分可能被改变进而导致磷灰石微量元素的相关性趋势被破坏^[67],这些过程包括岩浆混合、基性岩浆注入、地壳混染和多期次岩浆侵位等^[70]。由于矿区内并未发现标志岩浆混合和基性岩浆注入的镁铁质微粒包体,因而岩浆混合、基性岩浆注入的可能性较小。同时,本文和收集的(石英二长岩,(128.1±1.2) Ma;闪长岩,(131.6±0.7) Ma^[69])磷灰石的寄主岩均属于第二期岩浆活动,可以排除多期次侵位的影响。前人研究显示,岩浆磷灰石中的Sr含量与其寄主岩的Sr含量一般呈明显的正相关关系,在排除交代作用导致Sr含量剧烈变化的前提下^[55],磷灰石Sr含量范围的变化情况能够反映全岩Sr含量范围的变化特征^[33]。本次研究的原生岩浆磷灰石普遍具有较大的Sr含量变化范围,除石英闪长岩外都大于200×10^-6(图6,7)^{[21-22,39,43]},指示这些磷灰石所在寄主岩的Sr含量也有较大的变化范围,如此大的变化范围难以用结晶分异单一作用来解释,而很可能是地壳混染作用的结果^[70]。此外,地壳混染的推测也得到了岩浆岩全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素、磷灰石Nd同位素证据的佐证^{[19,39,49,64-65,71]}。因此,有限膏盐组分的加入,可能在一定程度上改变了程潮矿区岩浆岩的成分和演化特征。

4.3 膏盐组分加入岩浆对铁质富集的影响

膏盐组分加入基性岩浆,可以导致其S饱和进而触发含铁硫化物的大量沉淀,该认识已得到较多研究实例的证实,如俄罗斯Noril’sk-Talnakh地区的铜镍硫化物矿床^[10-11,72]。然而中酸性岩浆仅仅通过同化膏盐组分可能难以达到类似的效果,其原因可能有:(1)中酸性岩浆温度一般明显低于基性岩浆,难以像基性岩通过熔融/热扩散作用而大量同化含膏盐组分的碳酸盐岩,尽管这一过程被认为是IOA矿床形成的关键过程^[73-74];(2)中酸性岩浆的氧逸度一般相对较高,同化混染膏盐组分后,S更多以SO₄^2-形式存在因而难以在岩浆阶段形成大量硫化物沉淀。因此,中酸性岩浆同化膏盐组分对于岩浆性质的影响可能明显不同于基性岩浆。

在与夕卡岩型铁矿有关的熔体和流体中,铁主要以Fe²⁺形式稳定存在和迁移,以Fe³⁺(赤铁矿)或Fe²⁺和Fe³⁺的组合(磁铁矿)形式沉淀^[75]。尽管在流体/熔体分配过程中,Fe偏向于留在熔体中(D_{Fe流体/熔体}<1),但流体包裹体微区成分测试研究表明,岩浆热液中的Fe含量高达约12%,且Fe和Cl之间呈正相关^[76-77],指示Fe可以与Cl在流体出溶过程中一起大量分配进入流体相^[75,78-79]。实验岩石学研究显示,熔体中S⁶⁺/S^2-与Fe³⁺/Fe²⁺值呈正相关关系^[80],因而有限膏盐组分的加入,在一定程度上可以增加程潮矿区岩浆的氧化性,进而提高Fe³⁺的比例,有助于制约部分铁质进入角闪石等矿物而分散,使得铁质在岩浆演化过程中不断富集,不排除也会导致部分岩浆磁铁矿结晶的可能。由于硅酸盐熔体中SO₂含量的增加会显著降低Cl的溶解度并有利于流体出溶^[79,81],硬石膏/石膏等组分加入中酸性岩浆中,将促使更多的Cl在流体出溶时分配到岩浆热液中,从而提高Fe分配到岩浆热液中的比例,这也得到了矿物流体包裹体研究结果的支持。例如,在程潮铁矿的石榴子石和辉石中发育富含磁铁矿和黄铁矿子晶的高盐度流体包裹体^[51],指示在早期成矿流体中,铁质即发生了明显的富集,这种高盐度流体很可能是膏盐组分促进Cl和Fe分配进入流体相的产物。另外,多阶段磁铁矿的形成可能与热液阶段膏盐组分的加入导致成矿流体盐度的波动有关^[47,51]。

4.4 夕卡岩型铁矿-膏盐矿床组合模型

鄂东矿集区在早中三叠世时期形成了3个石膏分布区(图1b)^[8,40],分别为金山店、程潮和黄石^[40]。区内燕山期发生了剧烈的岩浆侵位和喷出活动,一部分岩浆侵入石膏分布区所在的嘉陵江组地层中,在金山店和程潮石膏分布区分别形成金山店和程潮夕卡岩型铁矿,并共伴生有大量的硬石膏/石膏,而黄石石膏分布区附近则有狮子立山超大型天青石矿产出^[43];另外一部分岩浆侵位进入无石膏分布的大冶组地层中,形成夕卡岩型铁铜(金)矿床,矿床中的硬石膏/石膏较为少见。大量的矿床地质、矿物学和同位素地球化学研究结果显示,这些夕卡岩型单铁矿床中的铁矿化和热液硬石膏/石膏矿化明显具有密切的成因联系,而后者则明显与沉积硬石膏/石膏具有密切的成因联系^[8,22,38,43],并可见含矿热液交代沉积硬石膏形成热液硬石膏的现象^[22]。由此可见,夕卡岩型铁矿化与热液/沉积成因的硬石膏/石膏矿化在一定范围内是一个有机的整体,明显不同于典型的夕卡岩型铁矿床或夕卡岩型铁铜(金)矿床,因此,有必要建立夕卡岩型铁矿-膏盐矿床组合模型,在特定区域内作为找矿勘查实践工作的参考,使得不同矿化类型之间可以相互启发。

程潮铁矿和金山店铁矿区的岩浆岩侵位于中下三叠统嘉陵江组膏盐层之中,其顶部可进入具有屏蔽作用的中三叠统蒲圻组砂页岩^[19,21],但在该层位中的热液蚀变(如方柱石化、透辉石化和角岩化)和铁矿化总体较弱,基本没有规模化的矿体产出;相比而言,蒲圻组地层之下的热液蚀变(如夕卡岩化和大理岩化)和铁矿化则非常强烈,是铁矿体和硬石膏/石膏矿化的主要产出部位(图9)。这两个矿区的岩浆磷灰石研究结果显示(本次和文献[21,39]),膏盐组分早在岩浆阶段即加入它们的成矿体系之中,但并未改变岩浆以长石结晶分异作用为主导的演化趋势,仅在一定程度上改变了岩浆岩的成分(如Sr含量和Sr同位素值)和演化特征,特别是挥发分(Cl、SO₃)的富集过程。有限膏盐组分加入岩浆使得熔体中的S含量有所提高,但仍然低于岩浆硬石膏饱和沉淀的阀值(SO₃含量>1.0%^[28]),而SO₄^2-的加入则明显降低了Cl在流体中的溶解度,促使Cl和Fe分配进入流体相,形成富含Fe的高温高盐度成矿流体。高温高盐度的成矿流体通过流体循环作用溶解大量石膏和硬石膏,并形成广泛的夕卡岩化(石榴子石和辉石等)和钠化(方柱石和钠长石)等蚀变;随着温度的降低,一部分SO₄^2- 与Fe²⁺发生氧化还原反应形成磁铁矿与还原态的S,另外一部分SO₄^2-离子在低温下与Ca²⁺结合,形成热液硬石膏/石膏,局部富集成硬石膏/石膏矿体。总体而言,从岩体与地层接触带向地层方向,可以依次出现夕卡岩型铁矿体→热液硬石膏/石膏矿体→沉积硬石膏/石膏矿体,其中,前两种类型矿体的产状主要受侵入接触构造控制,而第三种类型矿体的产状主要受岩相控制,构成独特的岩浆-热液成矿系统,不同于常规岩浆-热液成矿系统中较少关注地层因素的影响^[82-83]。值得一提的是,不同类型的矿体可以呈过渡关系,且这些矿体中的特定矿物(如硫化物、硫酸盐和磷灰石等)可以有相似的S和/或Sr同位素组成,是膏盐组分参与成矿过程的重要证据。

最近,学者在鄂东矿集区西部金牛盆地边缘的王豹山铁矿中发现夕卡岩型矿体和玢岩型矿体共存于同一矿床的现象,提出了夕卡岩型铁矿和玢岩型铁矿的组合模型^[84]。在该组合模型中,玢岩型矿体产于侵位于火山岩中的岩体顶部,而夕卡岩矿体产于玢岩型矿体上方、火山岩中的碳酸盐岩角砾岩筒内,是否具有规模的热液石膏/硬石膏和黄铁矿矿化共伴生还不清楚。从王豹山铁矿的成岩成矿时代(132~128 Ma^[84])来看,不排除其成矿母岩闪长玢岩在深部穿插嘉陵江组膏盐层时,在岩体和地层接触带产生一定规模夕卡岩型铁矿化的可能,但由于王豹山铁矿的成岩成矿时代和成矿岩浆岩性质明显不同于区内与铁铜(金)矿^[19,39],因而在更深层位产生夕卡岩型铁铜(金)矿化的可能性较小。相比玢岩铁矿有关的一系列矿床/化类型而言,夕卡岩型铁矿-膏盐矿床组合模型中缺少成规模的黄铁矿矿化及金矿化^[9,85-86],同时,是否有产于火山岩之中的(似)层状或脉状矿体尚不能确定,但可以作为潜在的矿化类型纳入夕卡岩铁矿-膏盐矿床组合模型中(图9)。

类似的岩浆穿插膏盐层而形成夕卡岩型铁矿化、玢岩型铁矿化和锶、钡和钙硫酸盐矿化的现象也在俄罗斯西伯利亚地区的Angara-Ilim矿集区较为常见^[87],与鄂东矿集区不同的是,该地区的岩浆活动更为剧烈,且以基性岩浆(如玄武岩)为主,形成大量的爆破角砾岩筒及特殊的磁铁矿+石盐矿物组合和鲕状磁铁矿。由此可见,不同基性程度的岩浆及其有关的热液与膏盐层相互作用过程和与之有关的矿化和蚀变类型可能具有一定的相似性,有待开展典型矿床解剖和广泛的对比研究。

5 结论

程潮夕卡岩型铁矿是长江中下游地区燕山期岩浆岩与膏盐层强烈相互作用产物的典型代表,本文对该矿区内岩浆岩(闪长岩、石英闪长岩、花岗岩和闪长玢岩)中的磷灰石开展了系统的显微结构、微区成分和Sr同位素组成研究。结果显示,该矿区的部分磷灰石经历了明显的热液交代作用,其原生岩浆磷灰石的Sr含量和Sr同位素具有较大的变化范围,后者大多位于中三叠世海水和区域基性岩的初始Sr同位素范围之内,指示其具有混合来源的特征,因而嘉陵江组地层中的膏盐组分很可能在岩浆阶段即已加入到成矿母岩之中,但岩浆阶段同化膏盐组分的能力有限。有限膏盐组分的加入并未改变岩浆岩以斜长石为主的结晶分异作用,但在一定程度上改变了岩浆的成分(如挥发分和微量元素等)和演化特征,并促使Cl和Fe更多地分配进入出溶的流体相中,有利于成矿早期流体中铁质的预富集。鄂东矿集区内的夕卡岩型铁矿化、热液硬石膏/石膏矿化和蒸发岩地层中的沉积硬石膏/石膏矿化在一定距离范围内可以组成一个有机的整体,其中心为燕山期的中酸性侵入岩。在矿集区西侧的金牛盆地边缘,玢岩型铁矿化可以产于上述中心部位的浅成侵入体之中,这些不同类型的矿化作用可以互为找矿标志。

野外工作期间,得到中国冶金地质总局中南地质调查院于炳飞和武钢资源集团程潮矿业有限公司郑先伟、刘茂、杨宇峰等工程师的支持与帮助;室内测试得到侯可军和李超研究员的帮助;在成文过程中,与李延河研究员、胡浩副教授和姚卓森教授的讨论使本文获益良多;审稿专家提出了许多建设性的意见。在此一并表示衷心的感谢!

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFC2903703)

国家重点研发计划项目(2022YFC2903601)

国家自然科学基金项目(41925011)