中酸性隱爆角礫巖型金屬礦床稀土元素地球化學特征

梁俊紅,鞏恩普,姚玉增,崔顯德

(東北大學資源與土木工程學院,沈陽110004)

0 引言

隱爆角礫巖是指在地殼內部一定深度特定封閉條件下,由深部巖漿或水熱流體的爆發作用而形成的角礫(碎屑)巖[1]。隱爆角礫巖型礦床是與隱爆作用有關的礦床,礦體在剖面上呈筒柱狀、漏斗狀、脈狀、不規則枝杈狀等形態。隱爆角礫巖型礦床具有爆炸性能量釋放過程所造成的隱爆火山碎屑和巖石分帶組合,并呈現強烈的巖石變形特征。

1983年,國外曾舉辦了“角礫巖和成礦作用:地質產狀和成因 (Brecciation and Mineralization:Geologic Occurrence and Genesis)”討論會,作為討論會的成果,美國《Economic Geology》雜志出版了專集 (A Special Devoted to Ore-Hosted Breccias,1985,Vol.180,No.6),該專集13篇論文涉及次火山環境下隱爆角礫巖的形成、角礫巖筒形成過程中流化作用的實驗研究以及與隱爆角礫巖有關的金-銅-鉬礦床、電英巖(化)的研究實例。20世紀90年代,國內在金、銀、鈾、銅等隱爆角礫巖型礦床的隱爆機制、流體演化、隱爆角礫與侵入體的關系以及成礦系列模式等方面有了極大的發展,特別是在金礦床方面的研究尤為深入[2-7]。隱爆角礫巖型礦床種類豐富多樣,如金、銀、鈾、銅、鉛鋅、鐵、鎢、鉬等,是一種經濟價值較高的礦床類型。與金、銀、銅等礦種有關的含礦隱爆角礫巖可形成于不同的深度,礦體通常定位于次火山侵入體內的斷裂交匯部位,且這種類型礦床一般規模較大。美國的Cripple Creek礦床、Golden sunlight礦床和Round Mountain礦床,澳大利亞的Olympic Dam礦床和Kidston礦床等都是規模超過50 t的超大型金礦。東南亞許多國家也有一些與新生代火山、次火山作用有關的隱爆角礫巖型大型金礦。中國許多大型金礦床屬于隱爆角礫巖型或含有部分隱爆角礫巖型礦體,如祁雨溝、團結溝、歸來莊、阿希、雙王等金礦均達到或接近特大型規模,并有可能擴大為超大型金礦床。此外,在斑巖型銅-金礦床中,角礫巖型礦體在整個礦床中占有重要地位,相當數量的礦石產于角礫巖中。同時,許多斑巖型礦床都含有一些具有經濟意義的伴生金元素,或形成以金為主的貧銅型金礦床[8-12]。

在隱爆角角礫巖型礦床的研究中,按膠結物及角礫(碎屑)的成分將隱爆角礫巖分為超鐵鎂質(以金伯利巖為代表)、鐵鎂質(基性)和長英質(中酸性)3種類型。不同類型隱爆角礫巖的組成特征、碎屑 大小、礦物組成表現出一致的宏觀地質特性;不同類型的隱爆角礫巖或礦體的巖石地球化學、成礦流體地球化學呈現出極大的差異性;中酸性隱爆角礫巖與金、銀、銅、鉛、鋅等元素成礦作用極為密切。

1 典型礦床稀土元素地球化學特征

作為研究對象,本文選取了與中酸性隱爆角礫巖有關的4個典型礦床(內蒙古赤峰陳家杖子金礦床、河北豐寧銀-金多金屬礦床、贛南6722鈾礦床和與湖南寶山鎢、鉬、銅、鉛鋅多金屬礦床)進行了稀土元素地球化學特征研究。

1.1 內蒙古赤峰陳家杖子金礦床

位于華北板塊北緣的陳家杖子金礦床為與早燕山期隱爆角礫巖有關的淺成中-低溫熱液型金礦床[13-14]。礦區花崗斑巖、英安斑巖、閃長玢巖等巖脈或小巖株侵入于隱爆角礫巖體內;礦區外圍分布有燕山期中細粒黑云母二長花崗巖、花崗巖。礦體呈脈狀產于隱爆角礫巖中,角礫巖筒主要由含角礫巖屑晶屑凝灰巖組成。礦區主要含礦巖石及花崗巖圍巖均表現為輕稀土元素富集,稀土元素配分曲線為右傾型,LREE/HREE=7.28～17.66,除個別樣品(Cjz-16)外,巖石一般具有Eu的負異常,δ(Eu)=0.20～0.93,一般＞0.5,指示巖漿在形成過程中經歷了斜長石的結晶分異作用(表1)。礦區外圍的長城系淺灰綠色混合花崗巖出現強烈的 Eu的負異常(δ(Eu)=0.25),δ(Eu)值小于礦區花崗巖和容礦巖石。Cjz-16樣品出現Eu的正異常,可能與其含有的大量外來花崗巖角礫中的稀土元素干擾有關。

1.2 河北豐寧銀-金多金屬礦床

河北豐寧銀-金多金屬礦床位于華北地臺北緣中段,銀-金多金屬礦體產于近SN走向的牛圈—老虎壩斷裂北段的隱爆角礫巖體中。礦床的隱爆角礫巖劃分為震裂花崗巖、震碎花崗巖、熔漿角礫巖和氣爆角礫巖4種巖相,呈帶狀從外向中心分布。礦床的多期隱爆的疊加使得分帶更為復雜[15]。

對豐寧隱爆角礫巖型銀-金多金屬礦床與隱爆作用有關的隱爆角礫巖(礦石)、蝕變粗粒花崗巖和未蝕變圍巖細粒花崗巖3個樣品進行分析(表1)。稀土元素化學分析結果顯示:①稀土元素配分曲線相似平行;②輕稀土富集,隱爆角礫巖中更富集輕稀土元素,與標準的球粒隕石相比較蝕變粗粒花崗巖和未蝕變細粒花崗巖呈現重稀土 Tb和 Tm的強虧損;③δ(Eu)=0.91～1.09,呈現相似的 Eu極弱或接近球粒隕石含量的特點。

1.3 贛南6722鈾礦床

6772鈾礦床為長英質隱爆角礫巖型鈾礦床,位于武夷山隆起帶西側的會昌白堊紀斷陷盆地東緣,產出在受早白堊世安粗巖系草桃背火山機構控制的隱爆角礫巖內,其基底為海西期黑云母花崗巖[16-17]。在距地面一定深度特定封閉條件下由中酸性巖漿以及所含氣熱流體的隱爆作用形成的環帶狀長英質隱爆角礫巖組合,由中心向外依次為安粗巖-隱爆角礫巖-震裂花崗巖-花崗巖,具有與豐寧銀-金多金屬礦床相似的巖石分帶組合。6772鈾礦床的巖石稀土元素組成表明,黑云母花崗巖、二云花崗巖、蝕變花崗巖及含礦隱爆角礫巖具有十分相似的稀土元素地球化學特征(表1):①分布型式相互平行,呈右傾輕稀土富集型,w(REE)=88.4×10-6～234.15×10-6,二云花崗巖的稀土元素總量明顯少于其他4類巖石;②輕稀土富集,LREE/HREE=15.75～32.76;③具明顯的 Eu負異常,δ(Eu)=0.15～0.23;④從表1可見,主要稀土參數(LREE/HREE,δ(Eu),La/Sm)較為一致。稀土元素地球化學特征指示黑云母花崗巖、蝕變花崗巖與含礦隱爆角礫巖之間具有密切的成因關系,二云花崗巖與橄欖玄粗巖具有差異性的物質來源,且在一定程度上也反映了二云花崗巖與黑云母花崗巖具有花崗巖巖漿源的趨同性。

1.4 湖南寶山鎢-鉬-銅-鉛-鋅多金屬礦床

礦床位于湖南省桂陽縣寶山南西約1.5 km處,面積約0.13 km2,礦區分布許多中侏羅世形成的花崗閃長斑巖小巖體和花崗閃長質隱爆角礫巖體,巖體呈橢圓形近EW向展布,長約775 m,寬約425 m,花崗閃長質隱爆角礫巖中常見有次圓-次棱角狀的花崗閃長斑巖巖屑或包體,圍巖蝕變不明顯。花崗閃長斑巖體圍巖的夕卡巖化、大理巖化較強,伴有強烈的 W,Mo,Cu,Pb,Zn等多金屬礦化[18]。

伍光英等(2005)對區內與 W,Mo,Cu,Pb,Zn等多金屬礦化有關的中酸性隱爆角礫巖進行了詳細的地球化學研究。花崗閃長斑巖與花崗質隱爆角礫巖相比稀土元素總量減少,且LREE/HREE值和δ(Eu)值更小,指示輕稀土弱富集、Eu更為虧損的地球化學特征(表1)。寶山地區花崗閃長質隱爆角礫巖的基質、花崗閃長斑巖、花崗閃長質隱爆角礫巖的角礫和花崗斑巖的稀土元素具反演化序列特征,與湘南礦集區燕山期主要成礦花崗巖類巖體稀土元 素反演化序列特征相一致,可能為同期構造巖漿作用的產物,這為在寶山地區花崗閃長質隱爆角礫巖中尋找與花崗閃長斑巖有關的W,Mo,Cu,Pb,Zn礦床具有指示意義。

2 礦床稀土元素配分模式特征及其涵義

稀土元素作為具有相同或相近的電價、離子半徑以及相似地球化學行為的元素組,其在巖漿作用體系中礦物或礦物-熔體之間的分配行為主要受晶體場控制。因此,長期以來被廣泛應用于與巖漿作用有關的成巖成礦地球化學過程的示蹤。中酸性隱爆角礫巖型金、銀-金、鈾礦床、鎢-鉬-銅-鉛-鋅多金屬礦床的稀土元素具有極強相似性和弱差異性的地球化學特征。

表1 典型礦床的巖(礦)石稀土元素組成特征Table 1 Rare earth element characteristics of typical metal deposits

(1)稀土元素的配分模式曲線均呈向右的緩傾型,這一相似的地質特征指示隱爆角礫巖型礦床與中酸性圍巖花崗巖(或花崗質巖石)演化具有密切的成生聯系(圖1)。

(2)礦床稀土元素總量w(REE)=69.7×10-6～245.27×10-6,但在某一礦床中作為個別礦石的隱爆角礫巖(或礦化有關的角礫巖)的稀土元素總量小于圍巖花崗巖(或花崗質巖石)。例如豐寧銀-金礦床的蝕變粗粒花崗巖和隱爆角礫巖的w(REE)分別為92.76×10-6和79.16×10-6,而未蝕變圍巖細粒花崗巖為156.14×10-6;赤峰陳家杖子金礦床含角礫巖屑凝灰巖和蝕變含角礫巖屑凝灰巖w(REE)=143.1×10-6和 73.1×10-6,低于其他樣品。趙省民等(2002)對內蒙古東七一山螢石礦床的圍巖和礦石的稀土元素地球化學研究表明,圍巖的w(REE)＞290×10-6,礦石的w(REE)<30 ×10-6[19]。廣東長坑—富灣金銀礦床礦石的稀土元素總量可分為2個差別較大的區間:一個區間為w(REE)=30.34×10-6～90.62×10-6,礦石為受到強烈硅化的構造角礫巖,普遍沒有原巖的殘余成分,顯示了稀土總量值較低;另一個區間為w(REE)=141.63×10-6～183.02×10-6,礦石主要為硅化砂巖、硅化構造角礫灰巖,其中仍含有一定量的原巖殘余成分,表現出稀土總量的相對較高[20]。華南花崗巖類巖石中的稀土元素含量通常是時間的函數,即隨巖漿演化,稀土元素總量增加;LREE/HREE比值減小;Eu異常越來越明顯(即δ(Eu)值越來越小)[21]。

(3)隱爆角礫巖型金、銀-金、鈾、鎢-鉬-銅-鉛-鋅礦床輕、重稀土元素的比值呈現大跨度性,LREE/HREE=3.31～14.5,僅豐寧銀-金礦床的細粒花崗巖(B)為26.8。隱爆角礫巖型的金、銀-金礦床具有相似的輕、重稀土元素比值區間(7.3～14.5),與隱爆作用有關的鈾、鎢-鉬-銅-鉛-鋅礦具有一致的較低比值區間(3.31～9.52)。

圖1 典型隱爆角礫巖型礦床稀土元素配分模式圖Fig.1 REE pattern of typical cryptoexplosive breccia metal deposits

(4)隱爆角礫巖型礦床呈現較寬的 Eu異常變化特點。與大多數沉積巖和海水相似,陸殼巖石常具有負的Eu異常。由于地殼內部分熔融作用使得花崗巖和花崗質的陸殼巖石形成 Eu的負異常,這些熔融作用與殘余體是較富斜長質的,因此地殼下 部要稍富集一些 Eu,而在上部的殼體相對虧損一些[22]。隱爆角礫巖型礦床礦石、蝕變圍巖均呈現負Eu異常的地質特征,一類為與鈾成礦作用有關的高度集中強 Eu負異常(δ(Eu)=0.15～0.23);另一類為與金、銀、鎢、銅等成礦作用的弱或無銪異常(δ(Eu)=0.69～1.21)。

3 結論

對金、銀-金、鈾、鎢-鉬-銅-鉛-鋅隱爆角礫巖型礦床稀土元素地球化學的研究表明,火山、次火山的隱爆作用可形成不同的金屬礦床,這些礦床在稀土元素地球化學特征上呈現了極大相似性和一定的差異性。

(1)中酸性隱爆角礫巖型礦床稀土元素總量具有很大的差異性,w(REE)=69.7×10-6～245.27×10-6,但是某一具體礦床的礦石、蝕變圍巖稀土元素總量的變化較小,這一特點反映與成礦有關的隱爆巖系與礦區范圍內花崗質圍巖之間的成因聯系。

(2)隱爆角礫巖型礦床礦石、蝕變圍巖的稀土元素配分模式均呈現左高右低的緩傾斜狀,與典型花崗巖演化的稀土元素地球化學特征相一致,具有輕稀土元素富集的趨勢。

(3)金、銀-金隱爆角礫巖型礦床具有較高的輕、重稀土元素比值,LREE/HREE=7.3～14.5,其他隱爆角礫巖型金屬礦床(化)的這個比值較為集中,LREE/HREE=3.31～9.52。就δ(Eu)值而言,隱爆角礫巖型礦床呈現強Eu負異常、弱或無 Eu異常2種類型。

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