馬達加斯加西南部Ampaniby大型韌性剪切帶中石墨礦礦區地質特征及找礦模型

馬金虎 馬曉輝 提云生 周子輝 楊小虎 王光興

(1.河北省地質工程勘查院 保定 071051；2.中國冶金地質總局地球物理勘查院 保定 071000)

1 引言

馬達加斯加石墨礦資源豐富,石墨資源量居非洲第一,世界第四,并以其區域變質型大鱗片晶質石墨礦而聞名于世。以往勘查成果顯示石墨礦產主要分布于馬達加斯加東部的Marivolanitra地區,在西南地區Analamateza一帶僅有少量分布(黃國平等,2015)。最新區域研究資料中,Collins按照巖石組成、形成時代、構造關系劃分構造單元的方式被廣為接受,各專家學者較統一的把西南地區排除在包含有含石墨變質巖系的塔納塊體之外(Collins,2006；車繼英,2016)。黃國平將西南區劃分到Tsivory單元,由Vohibory 群和Androyen、Anosyen 塊體組成,僅提到Androyen塊體的Mangoky群主要由含大量石墨和矽線石的碎屑巖—泥質巖副片麻巖組成(黃國平等,2015),未提及含石墨變質巖系；孫振一在討論馬達加斯加南部石墨礦床控礦構造及找礦模型時,也采用相同的構造巖石劃分方案,主要強調了深層次韌性剪切變形造成C 元素的富集(孫振一,2019),亦未提及含石墨變質巖系。這便使大部分勘查單位把石墨礦找礦重點放在了馬達加斯加東部塔納塊體,而忽視了西南部地區。

近年來有國內地質勘查單位在西南地區圖利亞(Tulear)省南部貝基利(Bekily)市(縣)發現了安巴希塔(Ambahita)超大型石墨礦床,實現了找礦重大突破。故20世紀60年代Besairie等按照巖石組成和變質程度強弱將馬達加斯加前寒武紀變質基底自下而上劃分為“Androyen 系”、“Graphite 系”和“Vohiborg系”三大巖石系列的劃分方案再次得到重視,其在西南地區實現找礦突破起到重要作用。按照此劃分方案,通過對該區進行的大比例尺填圖工作表明,該區亦存在頗具規模的含石墨變質巖系,主要存在于Graphite系(含石墨變質巖系)底部的Ampanihy群,研究表明該區仍有較大的找礦前景。

本文主要以介紹安巴希塔(Ambahita)石墨礦床的礦區地質特征為基礎,從地層、變質作用、韌性剪切作用的角度論述其成礦作用,總結有利成礦要素,在重新審視了前人鋯石測齡的年齡數據的基礎上,建立該區找礦模型。

2 區域地質背景

研究區位于馬達加斯加前寒武紀結晶基底的西南部,主要由太古宙—早元古代形成的表殼巖及不同性質的變質侵入巖組成,該區為古克拉通增生而形成的重要構造帶,而后又受到約5.5億年(泛非造山運動)岡瓦納大陸形成過程中的再次活動,其構造多期多階段復合疊加效應明顯。

區域地層主要為太古宇—元古宇變質結晶基底(變質表殼巖)。從老到新分為三個巖系(群)： 新太古界—古元古界安卓茵(Androyen)巖系、古元古界格拉菲特(Graphite)巖系(李文昊,2018)和新元古界夫黑博瑞(Vohibory)巖系(Collins,2005,2010,2011)。其中,含石墨地層為格拉菲特(Graphite)巖系,原巖恢復為一套大陸邊緣的碎屑沉積夾中基性火山巖、含有機質泥—砂巖沉積和淺海相碳酸鹽巖沉積建造(李文昊,2018)。

區域構造以韌性剪切帶構造為主,脆性斷裂構造不發育。該區韌性剪切帶為馬達加斯加七大韌性剪切帶之一的安帕尼希(Anpaniphy)韌性剪切帶,呈NNE 向展布,具左旋特征,各型褶曲、揉皺分布廣泛,延伸達二百余千米。由于擠壓、剪切作用,剪切帶內緊閉褶曲、同斜褶曲構造發育,規模大小不等。中酸性拉長巖小巖株呈透鏡狀沿剪切帶走向展布(圖1)。

圖1 馬島地質略圖(據馬國1:100萬地質圖修編)

3 安巴希塔礦區地質特征

3.1 地層

Ambahita石墨礦帶區域上呈弧形南北向層狀展布,礦帶自南部的Ambahita至北部的Soakibany全長近20km,Ambahita石墨礦區位于該礦帶的南部。礦區出露地層為古元古界格拉菲特巖系,巖性由下而上為淺粒巖、石榴變粒巖(夾少量石榴斜長角閃巖層、石榴淺粒巖層)、石墨變粒巖,各巖層間界限清晰。巖石片麻理呈NNE 向展布,NW 傾向,傾角40°～75°,產狀變化較大,片麻理與區域構造線一致。

(1)新太古界格拉菲特巖系(Ar3G)

淺粒巖(lti)： 分布于礦區西部,灰白色,細粒變晶結構,塊狀構造。主要礦物成分長石含量約為65%,石英含量約為30%,少許黑云母、石墨,暗色礦物含量約為5%。

石榴變粒巖(Ggnt)： 該巖性于礦區內分布較廣,從礦區西部至東部均有分布,灰白色,中細粒變晶結構,弱片麻狀構造、塊狀構造。主要礦物成分長石含量40%～50%,石英含量20%～30%,石榴子石含量10%～20%,黑云母等暗色礦物少量。

石墨變粒巖(Cgnt)： 主要分布于礦區的中至中東部,南北貫穿全區,灰—灰黑色,鱗片狀細粒變晶結構,片(麻)狀—弱片麻狀構造、塊狀構造。主要礦物成分長石含量40%～60%,石英含量20%～30%,石墨含量1%～10%,黑云母少量。石墨變粒巖層為本區石墨礦的主要賦礦地層。

(2)新生界第四系(Q)

礦區內廣泛分布,主要為殘積、沖積物,厚度0～4m 不等。殘積物為紅褐色、黃褐色砂土、砂礫土；沖積物于低洼處分布,為灰褐色砂土、砂質粘土。

3.2 構造

礦區處于NNE 向展布Anpaniphy大型韌性剪切帶內,構造形式主要表現為韌性剪切的特點。

(1)Anpaniphy韌性剪切帶的宏觀構造

Anpaniphy韌性剪切帶位于馬達加斯加西南部,呈NNE向展布,全長約250km,貫穿石墨賦礦層位—格拉菲特(Graphite)巖系。Anpaniphy韌性剪切帶屬于平移韌性剪切帶,傾角較陡(50°～70°),依據長英質透鏡體的首尾展布形態判斷,韌性剪切帶主剪切方向為NE—SW,具左旋性質。巖層內部發育一系列同構造石英、長英質脈及花崗偉晶巖脈(圖2a)。長英質脈由平行分布的石英、長石條帶或長石斑晶組成,可見S-C 面理、拉伸線理等,脈寬幾厘米至幾米,長幾米到幾十米,體現出流動、塑性變形的特征,局部長英質小眼球體(圖2b、d)、小透鏡體具拖尾構造現象(圖2a)、石榴石集合體呈旋轉石香腸構造(圖2c)。地表局部長英質脈呈S 形透鏡體(圖2e)及褶曲狀(圖2f)。由于受韌性剪切作用,石墨、黑云母等暗色片狀礦物沿剪切帶方向被拉長且定向排列,具流動、塑性變形等特征,構成明顯的拉伸線理及構造片理(圖2c)。從衛片中顯示Anpaniphy韌性剪切帶塑性流變強烈,拉伸線理明顯,構造方線向為NE—SW 向,衛片南部兩個拉長石小巖株鑲嵌于韌性剪切帶中,并被巨大的韌性剪切作用改造成“拖尾構造”與“眼球狀”透鏡體(圖2g)。Soakibany西北側的石墨變粒巖由于韌性剪切作用,形成長軸1.6km 的“眼仁狀構造”(圖2h),長軸方向與剪切帶方向一致,石墨含礦帶沿構造兩側分布。

(2)Anpaniphy韌性剪切帶的微觀構造

在韌性剪切帶形成過程中,剪切應力作用下的巖石在固態或流體狀態下,產生晶內變形、超塑性變形、碎裂運動以及壓溶作用,致使巖石在鏡下微觀表現一系列特征。石英多呈粒狀變晶結構,由于動態重結晶作用,部分晶粒見定向拉長,呈不規則長圓形,晶粒邊界不平直,呈鋸齒狀、港灣狀等,晶粒內部由于受剪切應力作用致裂隙發育,晶粒光性不均勻見波狀消光(圖3a)。在多晶石英條帶中常見斜長石、石墨熔蝕及偶見蠕英結構殘留體,這些現象都是巖石發生局部熔融作用的標志。巖石中多晶石英條帶(微脈)是巖石經歷中深層次韌性變形的標志(裴利庭等,2016)。長石為粒狀,多為斜長石,偶見鉀長石,斜長石多具有典型的變形雙晶—聚片雙晶,斜長石晶內顯微斷裂構造發育,呈現不規則狀裂隙,偶見平行發育的“書斜構造”。石墨全部為晶質,多呈自形—半自形葉片狀,部分石墨晶體或集合體邊界呈港灣結構、縫合線結構(圖3b)。由于受剪切應力作用,部分石墨集合體表現出一系列顯微褶皺(圖3c)。石墨形態大多較好,但內部多不干凈,夾雜有一些脈石礦物,且部分石墨尾端見撕裂現象(圖3d)。偶見片狀石墨填隙在黃鐵礦、磁黃鐵礦裂隙或粒間。

3.3 巖漿巖

區內巖漿巖不發育,僅有偉晶巖在礦區中北部零星出露,呈透鏡狀大致順層產出。巖石灰白色,粗粒結構,塊狀構造,礦物成分以長石為主,石英次之,少量黑云母。偉晶巖透鏡體長軸方向長15～150 m,短軸方向長6～30m,規模不大。

圖2 韌性剪切帶的宏觀構造

圖3 韌性剪切帶的微觀構造

4 變質變形與成礦作用

4.1 區域變質與混合巖化作用

馬達加斯加石墨變質巖系變質程度較高,多為角閃巖相變質巖,局部可達麻粒巖相。角閃巖相的形成溫度為600℃～800℃,壓力為400～600 MPa,一般來說變質程度越高,石墨鱗片粒度越大,石墨中所含雜質越少,可選性較好,易于提純(李超,2015)。在區域變質過程中,石墨的形成一般與區域動力熱流變質或低溫動力變質作用有關。原巖中的有機質在還原條件下發生脫氧、脫氫反應,結晶成鱗片狀石墨。由于馬達加斯加石墨變質巖變質作用持續時間長、變質次數多、變質程度高,石墨往往結晶程度較高,通常為鱗片狀晶質石墨礦床。

混合巖化作用發生在區域變質成礦后期,主要表現為重結晶、局部重熔和交代作用。達到變質作用峰期后,巖石開始發生局部重熔并有廣泛流體相出現,而后伴隨重結晶作用及交代作用的發生。重熔分異作用產生一些變斑晶和長英質脈體,在此過程中部分組分在流體及熱驅動作用下運移和聚集,長石、石英等造巖礦物發生偉晶化,石墨鱗片重結晶、晶片變粗大且富集(李超,2015)。

4.2 韌性剪切作用

一般的韌性剪切帶是指深層次韌性剪切帶,屬于深構造層次,深度相當于10～25km,Anpaniphy大型韌性剪切帶亦不例外。在變形帶內各種宏觀與微觀的韌性變形十分發育,尤其不同成分的同構造脈尤為發育,在宏觀上構成透入性線性構造。

韌性變形帶是一種局部應力作用(王學濱,2003),動能可以轉化為熱能,促進熔融作用的發生。高溫實驗證明,差應力作用與溫度增加具有等同效應。由于變形帶內存在應力梯度、應變速率梯度,在差應力作用下固態巖石先后發生軟化蠕變—扭折—晶間滑移—礦物變形—低熔組分石英、長石熔融和黑云母熔融消失(沙茜,馬瑞,2011)等一系列變化。隨著韌性變形作用的持續,按照礦物熔融順序,將由低到高先后熔融出不同的礦物。首先熔融出的是石英、長石,然后依次是黑云母、角閃石等,它們在剪切裂隙聚集、充填便形成多成分同構造脈。

在變形過程中,熔融的礦物或組分持續進行著有限范圍內的遷移和聚集以及聯結,在高溫高壓區分解熔融,在低壓區沉淀聚集,沿剪切滑動帶前鋒出現熔融,中后部出現聚集。礦物重結晶、聚集的過程,也是一個體積調整的過程,那些泥、砂質變質巖系中孔隙、水分被釋放。同時,另外一些礦物沿水裂作用形成的裂隙充填,形成了包含、鑲嵌結構。

變形峰期之后,熔體向著擴散空間和構造薄弱的虛脫部位聚集,固態弱變形域被塑態形變帶及熔融液態相隔或包圍。因變形引發了前后物態的質的改變,即由變形前的單一固態變為變形峰期固態、塑態、液態三相并存的環境。熔融液態的出現一方面極大地改變了構造帶中的應變速率和應變強度,另一方面也改變了構造帶上物質的聚集行為與方式,這就是觸發了變質帶中物質的流動遷移和同質相聚機制。

石墨礦質在韌性剪切作用過程中全程參與,剪切熱能足以使含礦巖層中的石墨礦質再次活化和激發,在剪切力的驅動下由塑態物質、變質水及熱液攜帶,從強應變域向弱應變域(韌性)流動遷移、同質聚集、富集或經動態重結晶,最終在弱應變域沉積、重新就位,形成厚大的石墨工業礦體。石墨礦化屬于前韌性剪切期礦化,韌性剪切作用將石墨礦質重新組合、就位、再分布,對原石墨礦帶起到了改造成礦作用(何紹勛等,1996)。

5 成礦要素分析

經成礦作用過程分析可知,該區成礦是以地層(富有機質沉積原巖)為基礎,地層原巖中的有機質經歷漫長的區域變質作用(有機質脫氧、脫氫反應)使成礦物質初步富集形成石墨礦(化)體,然后在區域變質作用的基礎之上發生的混合巖化作用使礦質進一步富集；最后經韌性剪切改造成礦作用,石墨礦質再次活化和激發、重新就位、再分布,最終形成大而富的石墨礦體。

研究區成礦地質體為格拉菲特(Graphite)巖系,即為成礦源巖,其原始沉積為富含有機質的富鋁的砂質、粉砂質、泥質沉積碎屑巖(李文昊,2018)。結合前人研究成果,馬達加斯加石墨礦床沉積時代為2400±200 Ma,變質時代分別為1100±200Ma、550±100Ma、200±50Ma(李文昊,2018)。根據馬達加斯加西南部Ambahita石墨礦區床地質特征及區域構造演化過程該區石墨礦床的主要成礦要素如表1。

表1 馬達加斯加西南部石墨礦床成礦要素特征表

6 找礦模型

馬達加斯加變質前寒武紀基底地層的形成主要源于晚太古代古陸核的形成、增生、裂解與聚合。每一階段都發育與之相應的變形變質、沉積及巖漿活動。這些地質作用形成了石墨礦床較為穩定的變質基底,經過不同基底單元間的深層剪切變形作用而進一步富集(賈鳳儀,2016)。依據馬達加斯加石墨礦床成礦特征及成礦規律,其成礦模型可概括為“層帶復合”?！皩印敝盖昂浼o變質基底中與石墨相關的賦礦層位、成礦源巖,即格拉菲特(Graphite)巖系?！皫А敝盖昂浼o不同時代的變質基底受陸塊增生、裂解及拼合等作用而形成的剪切帶。這些剪切帶對石墨礦(化)體起到了改造成礦作用,使石墨礦質重新組合、就位、再分布,從而形成厚大的工業礦體。

研究區以“層帶復合”的找礦模型為指導,在此基礎之上結合一些重要成礦要素,開展進一步的找礦工作。