銅陵安徽銅陵冬瓜山銅礦床中磁黃鐵礦的成因研究

0冬瓜山銅礦床安徽銅銅是中國重要的銅、鐵、金、硫礦床遺址。冬瓜山銅礦床位于銅陵地區獅子山礦田的中部,是獅子山礦田內埋藏最深、儲量最大的大型銅礦床。前人對冬瓜山銅礦床進行了大量的礦床學和礦床地球化學研究,認為冬瓜山銅礦床是海西期同生沉積的塊狀硫化物礦胚受到燕山期巖漿熱液疊加改造而形成的層控矽卡巖型礦床[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。本文在前人研究的基礎上,重點開展了冬瓜山銅礦床主要礦石礦物磁黃鐵礦的結構構造和成分研究,旨在為深入了解礦床的形成過程提供一些新的證據。1切的巖體及控礦地質特征獅子山礦田位于銅陵地區的中西部(圖1(a)),礦田內巖漿巖廣泛發育(圖1(b)),出露面積約3km2,多為小型侵入體。與冬瓜山銅礦床關系最密切的巖體是青山腳巖體,巖性為石英閃長(斑)巖,鋯石U-Pb年齡為(135.5±2.1)Ma,屬于燕山期產物。礦區內出露有泥盆紀—三疊紀的地層。與冬瓜山銅礦床成礦關系最密切的地層有二疊系下統、石炭系以及泥盆系上統。礦體主要賦存于石炭系中上統,礦體分布在區域上受地層層位控制明顯。冬瓜山銅礦床是層控矽卡巖銅礦床。在礦床主礦體中,脈石礦物主要有蛇紋石、滑石等蝕變礦物和石榴石、透輝石等矽卡巖型礦物;礦石礦物主要為磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦。2樣品采集與測試2.1礦化石榴石本文研究的樣品采自冬瓜山銅礦床-730m和-760m中段的兩條48線穿脈的剖面。-730m中段選取的樣品包括礦化石榴石矽卡巖(DG013,DG019)、礦化石英閃長巖(DG022)和含銅磁黃鐵礦礦石(DG23-2,DG025,DG024)(圖2);-760m中段選取的樣品包括含銅蛇紋巖(DG034,DG048)、礦化石榴石矽卡巖(DG041)、含礦巖脈及含銅磁黃鐵礦礦石(DG027),被包裹的黃鐵礦變斑晶(DG028)(圖3)。2.2主量元素分析及儀器選型所用樣品經處理加工成薄片,用于礦相顯微鏡的觀察和拍照。選取具有典型特征的磁黃鐵礦光薄片進行電子探針的主量元素分析,電子探針分析在核工業北京地質研究院完成。儀器型號:日本電子JXA-8100電子探針分析儀;測試條件:加速電壓20kV,束流1×10-8A,束斑直徑2μm,定量分析ZAF校正。3結構構造特征通過野外調研和室內礦相顯微鏡的觀察,筆者發現,在冬瓜山層控矽卡巖銅礦床中的磁黃鐵礦礦石具有原生沉積、多期熱液交代和變質3種不同的結構構造特征。3.1生長和沉積相的關系前人曾對冬瓜山層狀礦體的結構構造特征做過大量描述,礦體產于晚泥盆世五通組砂巖與石炭紀黃龍組碳酸鹽巖之間,受地層控制明顯,呈層狀或似層狀產出,這種形態是長江中下游和華南塊狀硫化物礦床的重要特征之一。冬瓜山層狀硫化物礦石具有典型的沉積結構構造,多見紋層狀構造,礦石形成后由于受到后期應力,發生變形而演變成揉皺狀構造或馬尾絲狀結構。本文作者在層狀礦體-760m中段48線穿脈含銅蛇紋巖礦體中發現的礦石多呈條帶狀或紋層狀沉積構造特征(圖4A,B),由硫化物與蛇紋石、滑石等構成互層,交替分布。在礦相顯微鏡下,層狀礦體的下部-760m中段48線穿脈中的含銅蛇紋巖呈紋層狀、多期熱水回旋的原生沉積結構(圖4A)。3.2礦物學和礦物學特征燕山期巖漿熱液作用不僅形成了典型熱液成因的矽卡巖型和斑巖型礦體,而且對層狀硫化物礦體進行了改造和疊加,形成了脈狀、浸染狀等具典型熱液成因特征的結構構造。冬瓜山銅礦-730m中段48線穿脈的層狀礦體中,發育有大量巖漿熱液成因的矽卡巖型礦體。在靠近巖體附近和矽卡巖中,常常見到細脈狀的由磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦和脈石礦物組成的含銅硫化物脈(圖4C),晚期硫化物呈脈狀穿插于早期硫化物礦石中,最后交代矽卡巖形成浸染狀礦石。圖4D顯示了矽卡巖里發現的被后期熱液交代而形成的殘余狀的鮞狀黃鐵礦。此外,在-730m中段48線穿脈含銅磁黃鐵礦礦體中,黃鐵礦被磁黃鐵礦交代成港灣狀(圖4E);在-760m中段48線穿脈中的磁黃鐵礦被黃銅礦交代后呈不規則殘余狀(圖4F)。3.3退變質過程特征前人研究證實,含銅磁黃鐵礦礦體在進變質過程中形成的結構主要為膠黃鐵礦轉變為黃鐵礦以及進一步變質轉變為磁黃鐵礦、磁鐵礦;而退變質過程則以磁黃鐵礦的退火、黃鐵礦變斑晶的生長和單純六方磁黃鐵礦的形成為特征。本文研究表明,磁黃鐵礦在變形之后發生重結晶和初期退火時,黃鐵礦與磁黃鐵礦的接觸邊界平直,呈共生邊結構產出(圖4G);在進一步變質和退火過程中,磁黃鐵礦產生了退火平衡結構———三晶嵌接顯微結構(圖4H),這顯示了磁黃鐵礦經歷了顯著的退火及重結晶作用。4fe含量測試本文選取了礦體中-730m和-760m中段的48線穿脈中部分樣品對磁黃鐵礦的元素賦存狀態進行了電子探針測試分析(表1)。由分析測試結果可知,測試樣品中的磁黃鐵礦Fe含量范圍為57.78%~60.67%,S含量范圍是37.99%~39.51%,Mo類質同像置換Fe。依據前人研究[25,26,27,28,29,30],Fe原子百分比大于46.5%的磁黃鐵礦結構相對穩定,在46.5%~48.0%之間的磁黃鐵礦存在很好的晶型對應關系。結合成因礦物學研究,本文將磁黃鐵礦晶型與其成分之間存在的對應關系分類,并將磁黃鐵礦的晶型及成分特征與生成溫度進行了高低溫劃分(表2)。5磁黃鐵礦的形成過程礦相學研究表明,冬瓜山銅礦床中的主要礦石礦物磁黃鐵礦兼有沉積、熱液交代和變質的結構構造特征,反映了冬瓜山銅礦床的形成經歷了沉積作用階段、熱液交代成礦階段和熱變質作用階段。蛇紋巖中的紋層狀構造和熱水回旋結構都是典型的沉積成因結構構造;在熱液交代過程中,出現了黃鐵礦被磁黃鐵礦交代而形成的港灣狀(圖4E)新生結構,當交代作用強烈時,形成了具有交代殘余的特征結構(圖4F)。圖4D中的黃鐵礦雖然被后期熱液交代破壞了原有的形貌,但仍清晰可見部分保存下來的鮞狀特征,它既保留了早期的部分沉積結構特點,也顯示了后期多次熱液交代的過程。冬瓜山銅礦床屬于華南型塊狀硫化物礦床,在長江中下游地區的同類型層狀硫化物礦床中普遍存在膠黃鐵礦→黃鐵礦→磁黃鐵礦→磁鐵礦這種從低溫到高溫的變質反應順序。冬瓜山礦床在變質作用期間退變質作用顯著,退變質初期,出現了大量的黃鐵礦與磁黃鐵礦平直的接觸邊界(圖4G);進一步退變質后,達到了退火平衡,形成三晶嵌接結構(圖4H)。礦床從深部至淺部,磁黃鐵礦含量增多,礦石構造由紋層狀變為致密塊狀,分析原因可能是磁黃鐵礦在燕山期巖漿作用過程中,由深部靠近巖體的大規模層狀黃鐵礦礦體變質脫硫的產物。此外,在野外工作中也發現,在大理巖中發育有順層侵入的含銅磁黃鐵礦礦體,它與大理巖呈整合關系,且接觸界線截然(圖3),這種現象與曾普勝描述的特征相似,大理巖中未見明顯的脈體穿插顯現和熔融的重結晶現象,表明變質作用的溫度并未高到使方解石熔化的程度,與大理巖整合接觸的磁黃鐵礦,所需的熔化溫度更高。由此判斷,這種整合產出的塊狀磁黃鐵礦不是熔融態形成的,而是原地物質固態條件下遭受熱變質的“角巖化”的結果。綜合磁黃鐵礦成分范圍(表1)和晶系及溫度對應關系(表2),在冬瓜山銅礦床的矽卡巖礦石及其圍巖中的磁黃鐵礦多以單斜相形式存在,表明矽卡巖及圍巖中的磁黃鐵礦形成于較低的溫度階段;與此不同的是,在含銅磁黃鐵礦礦體中磁黃鐵礦則以單斜相與六方相混合存在,反映了冬瓜山-760m、-790m中段主礦體中的磁黃鐵礦形成于兩個不同階段,即低溫階段和高溫階段。同時,位于-760m中段48線穿脈中靠近大理巖附近的磁黃鐵礦以高溫六方相為主。在變質作用過程中,高溫的六方相磁黃鐵礦形成于早期重結晶階段和初期退火階段,而退變質后期則不僅出現了高溫的六方相磁黃鐵礦,也出現了低溫的單斜相磁黃鐵礦。依據Arnold的研究表明,六方磁黃鐵礦在高溫條件下緩慢冷卻會使磁黃鐵礦有足夠的時間出溶黃鐵礦,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,形成單純的六方磁黃鐵礦;但如果經歷了高溫時的快速降溫,六方磁黃鐵礦中多余的硫未能以黃鐵礦的形式完全出溶,那么當溫度下降到254℃以下,將會有單斜磁黃鐵礦的出溶。所以,冬瓜山銅礦床中的低溫熱變質成因單斜磁黃鐵礦的存在,表明礦床形成不僅經歷了一段緩慢的降溫過程,局部也出現了快速降溫過程。6層控礦礦的形成時代及形成階段3(1)冬瓜山礦床-730m中段和-760m中段48線穿脈中的磁黃鐵礦礦石具有沉積、熱變質、多期熱液交代結構構造特征。(2)冬瓜山層控矽卡巖銅礦床的形成過程為早期經歷了沉積作用,在礦床底部形成了大量具有紋層狀構造的礦體;后經燕山期巖漿侵入,溫度升高,變質作用發生;變質作用之后,巖漿熱液疊加對早期形成的產物進行了多期次的改造,最終形成了層控矽卡巖銅礦床。(3)冬瓜山層