安徽銅陵冬瓜山礦床磁黃鐵礦的成因

在長江中部和下游，有許多由石炭系控制的大型層狀骨折礦床。鑒于其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和特殊的產(chǎn)狀特征,該類礦床引起了眾多研究者的關(guān)注,但對(duì)于其成因問題長期以來仍存在爭議。目前,主要有兩種代表性觀點(diǎn):同生沉積-疊加改造成因。這種觀點(diǎn)認(rèn)為礦床屬于晚石炭世同生沉積所形成的塊狀硫化物礦床,受到了燕山期花崗質(zhì)巖漿及其熱液的疊加和改造(徐克勤等,1978;顧連興等,1986;翟裕生等,1992;李文達(dá)等,1997;Guetal.,2000;2007a;Zhouetal.,2000;陸建軍等,2003b;2008;曾普勝等,2004;2005);②層控矽卡巖型。這種觀點(diǎn)認(rèn)為礦床屬于與燕山期花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)有關(guān)的層控矽卡巖型礦床,而石炭紀(jì)沉積作用僅僅形成硫化物礦坯參與到巖漿熱液成礦系統(tǒng)(常印佛等,1983;1991;唐永成等,1998;Panetal.,1999;毛景文等,2004;Maoetal.,2006)。這兩種觀點(diǎn)的分歧主要在于對(duì)石炭紀(jì)同生沉積成礦作用和燕山期巖漿熱液成礦作用在礦床形成過程中的貢獻(xiàn)有著不同的理解。安徽銅陵冬瓜山礦床是這類礦床的典型代表之一,以往對(duì)于該礦床的研究在礦床地球化學(xué)、成礦流體、同位素等方面已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)(劉裕慶等,1984;Luetal.,2003a;陸建軍等,2008;徐兆文等,2005;2007;徐曉春等,2008a),但對(duì)礦床中硫化物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征涉及較少。磁黃鐵礦為冬瓜山礦床中最主要的硫化物礦物,由于對(duì)礦床成因的認(rèn)識(shí)不同,前人對(duì)礦床中的磁黃鐵礦究竟是巖漿熱液成因(常印佛等,1991;唐永成等,1998),還是同生沉積膠黃鐵礦、黃鐵礦的熱變質(zhì)成因(曾普勝等,2005),也存在不同的看法。因此,對(duì)于磁黃鐵礦成因的認(rèn)識(shí)是理解礦床形成的關(guān)鍵問題之一。本文在野外考察以及礦石標(biāo)本鏡下研究基礎(chǔ)上,從礦石結(jié)構(gòu)的角度探討磁黃鐵礦的成因,以期對(duì)礦床的形成有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。1巖漿巖型和巖性礦物組成冬瓜山礦床位于銅陵礦集區(qū)獅子山礦田內(nèi),其銅儲(chǔ)量達(dá)94萬噸,平均品位1.01%;金儲(chǔ)量22噸,平均品位0.24g/t;硫(磁黃鐵礦、黃鐵礦)也為大型規(guī)模,平均品位19.43%(黃崇柯等,2001;曾普勝等,2005)。礦區(qū)內(nèi)主要出露三疊系中、下統(tǒng),上統(tǒng)零星分布,深部經(jīng)鉆孔工程揭露可見二疊系、石炭系和泥盆系上統(tǒng)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為北東向青山背斜和近東西向、南北向、北北東向及北北西向斷裂。這些不同方向和性質(zhì)的斷裂相互交織形成復(fù)雜的網(wǎng)格狀格架,控制著獅子山礦田淺部巖墻-巖枝-巖床相互貫通的巖漿侵入體系(唐永成等,1998)。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖出露面積約3.0km2,多為淺成-超淺成的小型侵入體,呈巖墻或巖枝狀,侵入于上泥盆統(tǒng)至中三疊統(tǒng)之中,造成區(qū)內(nèi)地層巖石廣泛的大理巖化和角巖化。與冬瓜山銅金礦床關(guān)系最密切的巖體為青山腳巖體,該巖體分布于礦體的東南部,主要受北東向構(gòu)造控制,呈上窄下寬的巖墻狀產(chǎn)出,巖性主要為石英閃長(斑)巖,屬于堿質(zhì)偏高的鈣堿性巖石(徐兆文等,2000)。巖體的黑云母Ar-Ar坪年齡為(135.8±1.1)Ma(吳才來等,1996),鋯石SHRIMPU-Pb年齡為(135.5±2.1)Ma(徐曉春等,2008b)。礦床主要由層狀硫化物礦體組成,伴有矽卡巖型和斑巖型礦體(圖1)。層狀礦體賦存于晚泥盆世砂巖、粉砂巖與晚石炭世船山組灰?guī)r之間,在走向上雖有厚薄的起伏變化,但與上、下層位均為整合接觸關(guān)系,整體沿青山背斜展布而呈寬緩的背斜狀,層控特征明顯。層狀礦體中礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及礦物組成在垂向上呈明顯分層(圖1):上部含銅磁黃鐵礦礦體中(圖2a),礦石多為塊狀構(gòu)造,磁黃鐵礦為主要金屬礦物,次為黃鐵礦,黃銅礦,磁鐵礦。脈石礦物主要有石榴子石、透輝石、透閃石等鈣質(zhì)矽卡巖礦物;下部含銅蛇紋石巖礦體中,礦石具標(biāo)志沉積特征的條帶狀、層紋狀構(gòu)造(圖2b),主要由硫化物層(磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦)與脈石礦物層(蛇紋石、滑石、斜硅鎂石等)相互交替分布構(gòu)成。礦床中的矽卡巖型礦體主要圍繞巖體分布,遠(yuǎn)離巖體的少見。斑巖型礦體則主要出現(xiàn)在巖體深部(唐永成等,1998)。這些巖漿熱液成因的含銅矽卡巖型礦石以及礦化石英閃長巖中,硫化物多呈浸染狀、脈狀、網(wǎng)脈狀分布。2磁鐵礦平均反射率的測(cè)定用于觀察磁黃鐵礦結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦石光片在反射鏡下進(jìn)行觀察后,再用磁性膠體浸潤,繼續(xù)觀察單斜和六方磁黃鐵礦的交生特征。磁性膠體(其配制方法見Criagetal.,1981;顧連興,1989)為一種含有黑色磁鐵礦微粒的膠體。由于單斜磁黃鐵礦磁性較強(qiáng),因此在磁性膠體浸潤后能吸附更多的磁鐵礦微粒而使其反射率比六方磁黃鐵礦顯著降低。該法具有快速、反差大、易控制等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),該法與傳統(tǒng)的鉻酸浸蝕法所得的結(jié)果一致(顧連興等,1988)。X射線粉晶衍射的對(duì)比研究也證明了該法結(jié)果的可靠性(顧連興等,1995)。3黃鐵礦的性質(zhì)和特征3.1黃鐵礦的共生順序膠黃鐵礦為礦床中最早形成的金屬礦物,僅僅分布于層狀礦體邊部遠(yuǎn)離巖體的部位。膠黃鐵礦往往沿裂隙或脫膠裂紋發(fā)生重結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)辄S鐵礦,形成從膠黃鐵礦到微晶黃鐵礦、細(xì)晶黃鐵礦的遞變(圖2c)。黃鐵礦進(jìn)一步變質(zhì)則可以形成磁黃鐵礦。在光片中,可以觀察到黃鐵礦被磁黃鐵礦交代所形成的港灣狀、孤島狀等交代殘留結(jié)構(gòu)(圖2d)。磁鐵礦在層狀礦體中主要圍繞巖體分布,普遍以交代磁黃鐵礦、黃鐵礦的形式出現(xiàn)(圖2e、2f),局部磁黃鐵礦、黃鐵礦可全部被磁鐵礦替代而形成磁鐵礦礦石。這些交代結(jié)構(gòu)顯示出,在冬瓜山層狀礦體中,Fe-S-O系礦物的共生順序是從膠黃鐵礦→黃鐵礦→磁黃鐵礦→磁鐵礦,從低溫到高溫的變質(zhì)反應(yīng)順序。這種變質(zhì)反應(yīng)順序,在長江中、下游地區(qū)的同類型層狀硫化物礦床中普遍存在(顧連興等,1986)。3.2變質(zhì)控礦因素:磁黃鐵礦的流體生長在層狀礦體上部的含銅磁黃鐵礦礦體中,磁黃鐵礦多為塊狀構(gòu)造,主要呈細(xì)粒、粗粒集合體出現(xiàn),粒徑大小在0.05～0.5mm之間,部分可達(dá)到1mm。磁黃鐵礦顆粒之間擁有平直的界限,局部呈現(xiàn)代表退火平衡的三晶嵌接結(jié)構(gòu)(圖3a),顯示其經(jīng)歷過顯著的退火和重結(jié)晶作用(Craigetal.,1993)。在塊狀礦石的磁黃鐵礦基質(zhì)中,還常見有黃鐵礦斑晶(圖2a、3b)不均勻分布。這些黃鐵礦斑晶大多自形呈等軸形態(tài),有時(shí)聚集而呈團(tuán)塊狀,大小從1mm到5cm不等,部分可達(dá)到15cm。礦相顯微鏡下,黃鐵礦斑晶與磁黃鐵礦的接觸邊界大都平直,兩者之間缺乏明顯的交代結(jié)構(gòu),呈共生平衡狀態(tài)。但在黃鐵礦斑晶內(nèi)卻可見有零散的、具有平直或弧形邊界的磁黃鐵礦包裹體(圖3b),顯示出其形成要稍晚于磁黃鐵礦。這些特征表明黃鐵礦斑晶并不是進(jìn)變質(zhì)過程中的殘留斑晶,也不是黃鐵礦重結(jié)晶的產(chǎn)物,而是退變質(zhì)過程中所形成的變斑晶。類似的黃鐵礦自形變斑晶在國內(nèi)外許多變質(zhì)塊狀硫化物礦床中十分常見,退變質(zhì)階段的變晶生長被認(rèn)為是形成這種黃鐵礦變斑晶的一種重要機(jī)制,而變晶生長過程中所需的硫可能來自于磁黃鐵礦退變質(zhì)降溫過程中的脫硫作用(Brookeretal.,1987;Craigetal.,1993;顧連興等,2006)。用磁性膠體法對(duì)光片進(jìn)行鏡下觀察,顯示層狀礦體中磁黃鐵礦主要為單純的六方磁黃鐵礦(Hpo)(圖3c),而在近巖體部位可以出現(xiàn)以單斜與六方緊密交生為主的磁黃鐵礦(圖3d、3e)。層狀礦體中單純六方磁黃鐵礦的出現(xiàn)可能主要是由于磁黃鐵礦經(jīng)歷過顯著退火變質(zhì)作用的緣故。通常認(rèn)為磁黃鐵礦只有在450℃以上退火才會(huì)顯著,而黃鐵礦的退火溫度要在550℃以上(Marshalletal.,1987;Guetal.,2007b),這一溫度遠(yuǎn)高于單斜磁黃鐵礦的穩(wěn)定上限254℃(Kissinetal.,1982)。六方磁黃鐵礦在高溫條件下(>254℃)緩慢冷卻會(huì)使磁黃鐵礦有足夠的時(shí)間出溶黃鐵礦,形成黃鐵礦變斑晶,在過剩的硫完全以黃鐵礦出溶后,溫度下降將不能再出溶單斜磁黃鐵礦,從而形成單純的六方磁黃鐵礦;但如果為高溫時(shí)的快速降溫,六方磁黃鐵礦中多余的硫未能以黃鐵礦的形式完全出溶,那么當(dāng)溫度下降到254℃以下,將會(huì)有單斜磁黃鐵礦的出溶,形成單斜與六方磁黃鐵礦交生體(Arnold,1962;Yundetal.,1970;Guetal.,1996)。所以,對(duì)于變質(zhì)塊狀硫化物礦床中經(jīng)歷過強(qiáng)烈變質(zhì)和重結(jié)晶作用的磁黃鐵礦,往往都為單純的六方磁黃鐵礦,缺乏單斜磁黃鐵礦出溶體(Scottetal.,1977;Guetal.,1992;1996;2007b)。相反,冬瓜山礦床中巖漿熱液成因的矽卡巖型礦石(圖3f)以及同一礦田內(nèi)的大團(tuán)山層控夕卡巖型銅礦床(黃民智等,1983)中,未經(jīng)退火的磁黃鐵礦通常為單斜與六方磁黃鐵礦的交生體,缺少單純六方磁黃鐵礦。3.3單斜與六方磁黃鐵礦交生體層狀礦體中單斜與六方磁黃鐵礦的交生體主要分布在近巖體部位,大都為單斜磁黃鐵礦交代單純六方磁黃鐵礦所形成:在交代較弱的樣品中,單斜磁黃鐵礦主要呈斑點(diǎn)、團(tuán)塊或樹枝狀分布在六方磁黃鐵礦顆粒邊緣或裂隙旁側(cè),形成不規(guī)則交生(圖3c);交代強(qiáng)烈時(shí),六方磁黃鐵礦則往往被單斜磁黃鐵礦交代呈不規(guī)則殘留狀(圖2d),部分樣品中,六方磁黃鐵礦可完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡迸c六方磁黃鐵礦的交生體(圖3e)。目前,對(duì)于硫化物礦床中單斜與六方磁黃鐵礦的交生體主要有2種成因:六方磁黃鐵礦的出溶以及富硫和/或高氧逸度熱液流體與六方磁黃鐵礦的反應(yīng)(顧連興等,2006)。在出溶成因的交生體中,單斜磁黃鐵礦主要受六方磁黃鐵礦結(jié)晶方位控制,呈大致平行的葉片狀產(chǎn)在六方磁黃鐵礦基質(zhì)中,而在流體與六方磁黃鐵礦反應(yīng)形成的交生體中,單斜磁黃鐵礦則主要受裂隙或六方磁黃鐵礦顆粒邊界控制(顧連興等,2006)。冬瓜山層狀礦體中單斜磁黃鐵礦與六方磁黃鐵礦交生體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與流體交代所形成的交生體特征相同,并且主要分布在近巖體的部位,因此,其形成可能主要與巖漿熱液的疊加交代有關(guān)。類似交代成因的交生體在銅陵天馬山礦床(顧連興等,1988)、福建大田前鋒和梅仙礦床(周兵等,1998),遼寧紅透山礦床(Guetal.,2007b)以及挪威加里東期塊狀硫化物礦床(Guetal.,1996)等許多硫化物礦床中都曾有發(fā)現(xiàn)。在冬瓜山層狀礦體部分交代強(qiáng)烈的樣品中,單斜與六方磁黃鐵礦的交生體形態(tài)類似于出溶成因的交生體(圖3e),單斜磁黃鐵礦與六方磁黃鐵礦大致呈平行的葉片狀。但兩者在單斜磁黃鐵礦與六方磁黃鐵礦的比例上卻有著明顯的差別:在出溶成因的交生體中(顧連興,1988;Guetal.,1996;何金祥等,1996;周兵等,1998),單斜磁黃鐵礦∶六方磁黃鐵礦在1∶1～1∶15之間,以六方磁黃鐵礦為主,單斜磁黃鐵礦分布在六方磁黃鐵礦基質(zhì)之中;相反,在冬瓜山層狀礦體中交代成因的交生體中,單斜磁黃鐵礦∶六方磁黃鐵礦多在1∶1～4∶1之間,以單斜磁黃鐵礦為主。4冬瓜山金礦床成礦作用由于冬瓜山礦床層狀礦體中發(fā)育大量矽卡巖礦物,且與燕山期石英閃長巖體密切伴生,顯示出巖漿熱液成礦的特點(diǎn)。因此,許多研究者認(rèn)為礦床屬于與燕山期巖漿活動(dòng)有關(guān)的層控矽卡巖型礦床,而成礦物質(zhì)主要來自于巖漿(常印佛等,1991;Panetal.,1999;毛景文等,2004;Maoetal.,2006)。然而,層狀礦體中磁黃鐵礦的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征卻并不支持礦床的這一成因模式。首先,層狀礦體中磁黃鐵礦以單純六方磁黃鐵礦為主,只是在近巖體部位才由于巖漿熱液的交代作用形成單斜與六方磁黃鐵礦交生體。然而,巖漿熱液成因矽卡巖型礦石中的磁黃鐵礦則都為單斜與六方磁黃鐵礦的交生體。因此,單純六方磁黃鐵礦的形成可能與巖漿熱液并無聯(lián)系。其次,巖漿熱液成因觀點(diǎn)認(rèn)為磁黃鐵礦主要形成于石英-硫化物階段,其成礦溫度在300～400℃之間(凌其聰?shù)?2002;徐兆文等,2005)。但與之矛盾的是,層狀礦體中磁黃鐵礦退火平衡結(jié)構(gòu)及黃鐵礦自形變斑晶的發(fā)育表明,磁黃鐵礦及黃鐵礦的退火溫度在550℃以上(Marshalletal.,1987;Guetal.,2007b),遠(yuǎn)高于石英-硫化物階段的成礦溫度。第三,層狀礦體中Fe-S-O系礦物生成順序是從低溫到高溫的變質(zhì)反應(yīng)順序,不同于一般矽卡巖型礦床中從高溫到低溫的熱液沉淀順序。第四,層狀礦體中磁黃鐵礦具塊狀及層紋狀、條帶狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征,并在垂向上呈明顯的分層,這種顯著的沉積特征很難用巖漿熱液成因模式解釋。因此,層狀礦體中的磁黃鐵礦并不是單純的巖漿熱液成因,說明冬瓜山礦床不僅僅是與巖漿熱液有關(guān)的層控矽卡巖型礦床。冬瓜山礦床層狀礦體具有典型的同生沉積成礦特點(diǎn),包括層狀的礦體形態(tài)、礦體與圍巖界限截然、賦礦層位為碎屑巖與碳酸鹽巖層的過渡部位、塊狀及層紋狀礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、簡單的金屬礦物組合、區(qū)域上可對(duì)比的熱水沉積巖等(陸建軍等,2007;李紅陽等,2004;曾普勝等,2005),與SEDEX型礦床(Mooreetal.,1986;Lydon,2000)特征極其相似。對(duì)于這一類型的層狀硫化物礦床,徐克勤等(1978)、顧連興等(1986)提出其屬于石炭紀(jì)海底噴流沉積形成的塊狀硫化物礦床,受到燕山期巖漿及其熱液作用的疊加改造而加厚變富。Zhou等(2000)、曾普勝等(2005)通過系統(tǒng)的穩(wěn)定同位素研究和詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查則認(rèn)為,冬瓜山礦床是石炭紀(jì)同生沉積成礦作用與燕山期巖漿成礦作用復(fù)合的產(chǎn)物,并提出這兩種成礦作用的疊加是銅陵地區(qū)形成大型-超大型銅(金)礦床的前提條件之一。對(duì)于冬瓜山層狀礦體中磁黃鐵礦的成因,陸建軍等(2003b)、曾普勝等(2005)等認(rèn)為塊狀硫化物礦床中的膠黃鐵礦、黃鐵礦,在燕山期巖漿侵入所引起的熱變質(zhì)作用下脫硫也會(huì)形成磁黃鐵礦。本文研究中,層狀礦體中膠黃鐵礦重結(jié)晶形成黃鐵礦、黃鐵礦被磁黃鐵礦交代以及磁黃鐵礦被磁鐵礦交代等現(xiàn)象為磁黃鐵礦的這一熱變質(zhì)成因提供了最為直接的證據(jù)。這一成因模式也可以很好地解釋磁黃鐵礦的沉積和退變質(zhì)結(jié)構(gòu)特征:磁黃