吉林红旗岭主要成矿岩体辉石地球化学特征及其意义

郝立波，田 密，赵玉岩，陆继龙，孙立吉，赵新运

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026



吉林红旗岭主要成矿岩体辉石地球化学特征及其意义

郝立波，田 密，赵玉岩，陆继龙，孙立吉，赵新运

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

吉林红旗岭铜镍硫化物矿床是我国第二大岩浆型铜镍硫化物矿床。为查明其岩浆来源、结晶温压条件等，通过薄片鉴定及电子探针分析方法对红旗岭成矿岩体辉石化学成分特征进行了研究。结果表明：红旗岭单斜辉石全部为普通辉石，斜方辉石均为古铜辉石；辉石成分变化较大，普遍富镁贫铁，总体上表现出低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征；单斜辉石Di端元比例变化较大，具有由富镁向富钙方向演化的趋势，与世界上一些典型镁铁——超镁铁岩体单斜辉石的演化趋势明显不同。红旗岭主要成矿岩体母岩浆属于拉斑玄武质岩浆，为幔源岩浆，分异程度较高。辉石温压计算结果表明，红旗岭主要成矿岩体辉石结晶温度为1 100～1 250 ℃，岩体形成深度为12.3～20.7 km。

辉石；地球化学；结晶温压条件；红旗岭；铜镍矿床

0 引言

红旗岭铜镍硫化物矿床是我国第二大岩浆型铜镍硫化物矿床，因其独特的地质特征一直备受研究者的关注。红旗岭矿床的科研工作起步较早：武殿英[1]、傅德彬等[2]和秦宽等[3]先后对红旗岭矿床地质特征和成因进行了研究；郗爱华等[4]对红旗岭矿床进行了岩石学和地球化学特征研究，探讨了该矿床的成岩成矿机制；柴社立等[5]对红旗岭矿区含矿与不含矿岩体进行了地质地球化学对比研究，提出了成矿岩体地球化学判别标志。目前，对红旗岭矿床的研究已经较为深入，但是其矿物学方面的研究还较为薄弱。笔者对红旗岭主要成矿岩体造岩矿物——单斜辉石和斜方辉石进行了研究，主要从矿物学、化学成分及结晶温压条件等方面进行阐述，并在某些方面与国内及世界上大型同类矿床进行了对比分析，旨在揭示红旗岭主要成矿岩体的成岩成矿物理化学条件及母岩浆性质，以期为红旗岭成矿岩体的成岩成矿机理的研究提供依据，并为矿床成因的探讨及找矿勘探提供一定的参考。

1 红旗岭主要成矿岩体地质特征

红旗岭矿床位于吉林省磐石市红旗岭镇，距离磐石市40 km。大地构造位置处于中朝准地台辽东台隆的北部与天山——兴安地槽褶皱区吉黑褶皱系南部的交汇处。矿区内出露地层主要为下古生界寒武——奥陶系呼兰群黄莺屯组和小三个顶子组。

黄莺屯组呈北西向展布于矿床西部，主要由角闪斜长片麻岩、黑云母片麻岩以及大理岩组成，并夹有云母片岩、角闪片岩和黑云斜长片麻岩。黄莺屯组由上到下按层序分为2段：上段主要由黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、云母片岩和大理岩组成，是红旗岭矿区Ⅱ岩带的主要围岩；下段主要由黑云母片麻岩夹少量的角闪片岩组成，是红旗岭矿区Ⅰ岩带的主要围岩，本区的含矿岩体侵位于该组下段的黑云母片麻岩中。

小三个顶子组主要分布于矿区东部，整合覆盖于黄莺屯组之上，呈北西向展布于明德屯——白石砬子屯一线以东。该组岩性由云母片麻岩、大理岩、硅质条带大理岩、石榴石云母片麻岩、角闪斜长片麻岩、石英云母片岩、黑云母斜长片麻岩组成，是红旗岭矿区Ⅲ岩带的主要围岩[6]。

红旗岭矿区镁铁——超镁铁质岩体众多，已发现镁铁——超镁铁质岩体30多个，岩体集中分布于Ⅰ岩带、Ⅱ岩带和Ⅲ岩带3个岩带中(图1)。红旗岭主要成矿岩体1号、2号、3号和7号岩体均分布于Ⅰ岩带中。7号岩体为大型铜镍硫化物矿床，1号、2号和3号岩体为中型铜镍硫化物矿床[7]。同位素年代学研究表明，红旗岭成矿岩体均形成于晚三叠世[8-13]，为印支晚期岩浆活动的产物。

1.燕山期花岗岩；2.海西期花岗岩；3.闪长岩；4.大理岩；5.片麻岩；6.大型铜镍矿床；7.中型铜镍矿床；8.镁铁——超镁铁岩体及编号；9.石英斑岩；10.正断层；11.逆断层；12.推测断层。 图1 红旗岭矿区地质简图Fig.1 Simplified geological map of Hongqiling area

1号岩体位于Ⅰ岩带中段，岩体出露面积约为0.2 km2，呈透镜状产出。该岩体是一个多岩相岩体，自上而下可划分为4个岩相，分别为辉长岩相、辉石岩相、辉石橄榄岩相及橄榄辉石岩相；各主要岩相呈渐变过渡关系，辉石橄榄岩相为该岩体的主体岩相，也是主要含矿岩相。另外，在岩体中还常见有脉状、不规则状的辉长伟晶岩和闪长伟晶岩等。

2号岩体位于1号岩体北西侧，出露面积约为0.3 km2，平面上呈透镜状。岩体上部较缓，下部近于直立。该岩体分异良好，岩相组合与1号岩体相似，其中橄榄辉石岩相是岩体中深部的主要岩相，也是主要含矿岩相。

3号岩体分布于Ⅰ岩带中部，与1号岩体相邻的南西侧，出露面积约为0.25 km2，平面上呈北宽南窄的透镜状，剖面上呈陡直的岩墙状。该岩体为一复式岩体，主要由辉长岩相、角闪辉石岩相和橄榄辉石岩相组成，辉石橄榄岩相呈脉状侵入主体岩相中。其中，角闪辉石岩相为主体岩相，也是主要含矿岩相。

7号岩体位于Ⅰ岩带东南端，出露面积约0.013 km2，呈狭长带状，东西向展布，剖面上呈岩墙状。该岩体为多期侵入的复式岩体，主体为辉石岩相，全岩普遍矿化。在岩体中段靠下盘部位，常见有脉状的含矿橄榄岩相。

2 辉石矿物学特征

单斜辉石和斜方辉石普遍发育于红旗岭主要成矿岩体主体岩相中。在橄榄辉石岩相中，单斜辉石的体积分数为40%～60%；在角闪辉石岩相中，单斜辉石的体积分数为50%～65%；在辉石岩相中，单斜辉石的体积分数为55%～70%；在辉石橄榄岩相中，单斜辉石的体积分数为10%～20%。在上述岩相中，斜方辉石的体积分数分别为：20%～30%、10%～15%、10%～25%、5%～20%。

单斜辉石常呈半自形柱状——他形粒状，多数发生蛇纹石化、次闪石化;无色，吸收性明显，斜消光，负延性，干涉色二级蓝绿，可见简单双晶和复式双晶。斜方辉石呈半自形柱状——他形粒状，多数已经发生滑石化、蛇纹石化等，但保留辉石晶形，平行消光，干涉色二级蓝。根据薄片中矿物结构、矿物之间的关系(图2)，总结出矿物的结晶顺序大致为：橄榄石→斜方辉石、单斜辉石→斜长石。

a.含长辉石橄榄岩，交代结构；b.辉石橄榄岩，包橄结构；c.橄榄辉石岩，粒状变晶结构，交代结构；d.含长橄榄辉石岩，粒状变晶结构，交代结构。Cpx.单斜辉石；Opx.斜方辉石；Ol.橄榄石；Pl.斜长石。图2 红旗岭主要成矿岩体辉石典型显微结构图Fig.2 Selected pictures showing typical microstructures of pyroxenes in major metallogenic intrusions of Hongqiling

3 样品采集与分析

样品采集于矿区内主要成矿岩体的主体含矿岩相中。其中：1号岩体采样位置均位于1号岩体采坑中，岩性为辉石橄榄岩；2号岩体采集于岩心，深度分别为200、229、406、414 m，岩性为橄榄岩和辉长岩；3号岩体样品采集于岩心，深度分别为482、539、576 m，岩性为含长辉岩；7号岩体采样位置均位于7号岩体采坑，岩性为辉石岩。

由于辉石大部分蚀变强烈，为了避免蚀变样品对分析的准确度造成干扰，因此选取了较新鲜的样品进行辉石电子探针成分分析。

辉石成分分析由中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成。分析仪器：日本JEOL公司生产的JXA-8100型电子探针仪。分析条件：加速电压15 kV，电流20 nA，分析束斑直径为5 μm。分析时所用标样为天然或合成硅酸盐矿物和氧化物，检出限约为0.01%。

4 结果与讨论

4.1 辉石化学成分

红旗岭成矿岩体辉石的化学成分变化较大，总体表现出富镁贫铁及低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征。单斜辉石Mg#值为79.05～89.36，斜方辉石Mg#值为79.47～92.95(表1，表2)，与新疆喀拉通克铜镍硫化物矿床成矿岩体辉石(单斜辉石Mg#=61.47～83.87，斜方辉石Mg#=69.27、71.79)[14]和甘肃金川铜镍硫化物矿床成矿岩体辉石(单斜辉石Mg#=83.33～85.71，斜方辉石Mg#=77.84～87.18)[15]相比，红旗岭成矿岩体辉石Mg#值较高，且变化范围较大。

根据Morimoto[16]辉石分类命名方案，红旗岭单斜辉石全部为普通辉石，斜方辉石均为古铜辉石。而喀拉通克成矿岩体的单斜辉石主要以普通辉石为主，含少量透辉石。金川成矿岩体单斜辉石全部为普通辉石(图3)。

表1 研究区单斜辉石化学成分及端元组分计算

注： KL*引自文献[14]；JC*引自文献[15]；Mg#=w(Mg)/w(Mg+Fe)。

红旗岭主要成矿岩体单斜辉石Di端元比例变化较大，呈现出由富镁向富钙方向演化的趋势。而世界上一些同类矿床，如分异程度较好的Skaergaard和Bushveld，以及分异程度较差的Jimberlana[18]和我国的喀拉通克铜镍硫化物矿床，其单斜辉石呈现出由富镁向富铁方向演化的趋势(图3)。红旗岭成矿岩体单斜辉石的演化趋势明显不同于上述岩体。已有研究表明，红旗岭岩浆在上侵过程中经历过同化混染作用[12,19]，推测红旗岭成矿岩体单斜辉石的演化特点可能是遭受了富钙质岩石的同化混染所致。

表2 研究区斜方辉石化学成分及端元组分计算

注：KL*引自文献[14]；JC*引自文献[15]；Mg#=w(Mg)/w(Mg+Fe)。

红旗岭成矿岩体单斜辉石和斜方辉石主要氧化物质量分数分别列于表1和表2。

HQ1.红旗岭1号岩体；HQ2.红旗岭2号岩体；HQ3.红旗岭3号岩体；HQ7.红旗岭7号岩体；KL.喀拉通克岩体；JC.金川岩体；-C表示单斜辉石；-O表示斜方辉石。1.Jimberlana岩体；2.Skaergaard岩体；3.Bushveld岩体；数据来自Campbell和Borley[17]。虚线代表辉石组分变化，点线代表Cpx-Opx共结线。Di.透辉石；Hd.钙铁辉石；Au.普通辉石；En.古铜辉石；Fs.铁紫苏辉石；Wo.硅灰石。图3 单斜辉石端元组分分类图解Fig.3 Classification diagram of clinopyroxenes

在w(Al2O3)-w(TiO2)图解(图4a)中，红旗岭成矿岩体单斜辉石的演化特征与喀拉通克和金川成矿岩体单斜辉石的演化特征相似，均表现出较明显的正相关关系。不同的是，红旗岭单斜辉石斜率较大，而喀拉通克和金川单斜辉石斜率较小。这种相关性是由于Al在替代四面体晶格中Si时需要Ti来平衡电荷导致的。红旗岭单斜辉石中的Al在替代四面体晶格中Si时，有少量的Ti用来平衡电荷，相比之下，喀拉通克和金川单斜辉石中用来平衡电荷的Ti较多。

在w(CaO)-w(MgO)图解(图4b)中，红旗岭和喀拉通克单斜辉石均表现出较明显的负相关关系，红旗岭单斜辉石斜率较小，喀拉通克单斜辉石斜率较大。而金川单斜辉石成分变化较小，没有表现出明显的相关关系。其他氧化物之间没有明显的相关性。

4.2 母岩浆性质

图4 单斜辉石氧化物相关性图解Fig. 4 Oxide diagram of clinopyroxene

已有学者根据岩石化学和微量元素对红旗岭岩体原始岩浆性质和产出的构造环境进行了研究[20]，认为红旗岭岩体母岩浆为拉斑玄武质，形成于以拉张性为特征的构造环境中。研究表明，单斜辉石的成分也可以很好地反映母岩浆的成分特点[21-23]。笔者利用单斜辉石的成分特征对红旗岭主要成矿岩体母岩浆成分进行了分析。

红旗岭主要成矿岩体单斜辉石具有低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征，这与拉斑玄武岩中单斜辉石特点相似[21]。在单斜辉石w(SiO2)-w(Al2O3)图解(图5)中，红旗岭单斜辉石样品全部落入亚碱性岩区，暗示其母岩浆可能为亚碱性岩浆；在单斜辉石SiO2-Na2O-TiO2图解(图6)中，样品大部分位于拉斑玄武岩系列，极少量处于碱性——过碱性系列，这可能是由岩浆强烈分异所致。因此认为，红旗岭岩体母岩浆属于拉斑玄武质岩浆，岩浆分异作用较为强烈。这与前人的研究结果相吻合。

4.3 辉石结晶温度和压力

4.3.1 结晶温度

目前，根据辉石成分计算结晶温度的方法较多：马鸿文[25]在前人的研究基础上，提出了修正的单斜辉石与温度的关系式；Wood和Banno[26]建立了简单的Di-En端元的溶解模型，依据反应的焓变推出了温度的计算公式；Wells[27]依据修改的实验数据升级了该温压计，计算结果更接近真实的温度信息；Thompson[28]采用天然富橄榄石碱性玄武岩岩粉合成了高压普通辉石，给出了Al含量与温度之间的关系式；Gasprik[29]依据二辉石之间Mg2Si2O6、CaMgSi2O6和CaAl2SiO6组分的平衡，根据CMAS系统的实验数据提出了二辉石温度计-压力计图解。

笔者采用上述各种方法计算的辉石结晶温度列于表3。结果表明，几种方法计算的数值相差不大。马鸿文的单斜辉石法计算的温度略高于其他方法，约为1 200～1 350 ℃；Wood和Banno与Wells二辉石温度计法计算结果相近，约为1 100～1 200℃；Gasparik和Tompson法计算的结果较为接近，约为1 200～1 250 ℃。综合以上结果，红旗岭成矿岩体辉石的结晶温度约为1 100～1 250 ℃。喀拉通克成矿岩体辉石结晶温度约为1 140～1 230 ℃，金川成矿岩体辉石的结晶温度约为1 120～1 200 ℃。红旗岭与喀拉通克、金川成矿岩体辉石的结晶温度相差不大。

图例同图4。图5 单斜辉石w(SiO2)-w(Al2O3)图解(底图据文献[24])Fig.5 w(SiO2)-w(Al2O3) diagram of clinopyroxene (base map according to reference [24])

T.拉斑玄武岩系列；A+P.碱性及过碱性系列。图例同图4。图6 单斜辉石SiO2-Na2O-TiO2图解(底图据文献[21])Fig.6 SiO2-Na2O-TiO2 diagram of clinopyroxene (base map according to reference [21])

辉石是红旗岭成矿岩体的主要造岩矿物，分布广泛，其结晶的温度和压力基本可以代表各岩体主体相冷凝固结的平均温度。

4.3.2 成岩压力

目前适用于镁铁——超镁铁岩成岩压力估算的地质压力计不多，且重现性较差。根据红旗岭主要成矿岩体矿物组合特点，笔者采用Gasparik方法对红旗岭主要成矿岩体成岩压力进行了估算，结果列于表4。其中深度估算采用的静岩压力梯度为30 MPa/km。

结果表明，红旗岭主要成矿岩体成岩压力为0.37～0.62 GPa，形成深度为12.3～20.7 km。按同样方法估算新疆喀拉通克成矿岩体的成岩压力为0.23～0.45 GPa，形成深度为7.7～13.3 km;甘肃金川成矿岩体的成岩压力力为0.51～0.99,形成深度为17.0～33.0 km。红旗岭成矿岩体形成深度明显大于新疆喀拉通克成矿岩体，低于甘肃金川成矿岩体。

本文对红旗岭成矿岩体成岩压力的估算结果与以往计算结果有较大差别。武殿英[1]计算结果为：1号岩体0.17～0.20 GPa，7号岩体0.17～0.19 GPa。笔者认为，红旗岭成矿岩体形成于印支期，侵入于下古生界寒武——奥陶系呼兰群小三个顶子组和黄莺屯组，其上部的地层总厚度约为20 km，估算结果与地质推断的岩体侵位深度基本吻合，估算的成岩深度可靠性较高。

表3 辉石结晶温度

表4 主要岩体成岩压力和深度

Table 4 Rock-forming pressure and depth of major intrusions

岩体名称压力/GPa深度/km红旗岭1号岩体0.5719.0红旗岭2号岩体0.4515.0红旗岭3号岩体0.3712.3红旗岭7号岩体0.6220.7喀拉通克岩体0.23～0.457.7～13.3金川岩体0.51～0.9917.0～33.0

5 结论

通过对红旗岭主要成矿岩体辉石地球化学特征的研究，发现该矿区主要成矿岩体单斜辉石全部为普通辉石，斜方辉石均为古铜辉石。并且辉石化学成分变化较大，具有富镁贫铁及低w(TiO2)、w(Al2O3)和w(Na2O)的特征。单斜辉石Di端元的比例变化非常大，显示出与世界上一些典型镁铁——超镁铁岩体单斜辉石不同的成分变化趋势。

红旗岭主要成矿岩体母岩浆属于拉斑玄武质，岩浆分异程度较高，经历了强烈的富钙质岩石的同化混染作用。辉石温压计计算结果表明：主要成矿岩体辉石结晶温度约为1 100～1 250 ℃，岩体形成深度为12.3～20.7 km。成岩深度的估算结果与以往估算结果差别较大，但从地质特征来看，本文采用Gasparik方法的估算结果较为可靠。

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Geochemical Characteristics and Significance of Pyroxene from Major Metallogenetic Intrusions in Hongqiling, Jilin Province,China

Hao Libo，Tian Mi，Zhao Yuyan，Lu Jilong，Sun Liji，Zhao Xinyun

CollegeofGeoExplorationSciencesandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

The Hongqiling Cu-Ni sulfide deposit is a magmatic deposit that ranks second in China. In order to investigate the source of magma and temperature & pressure conditions of crystallization，the chemical composition of the pyroxene in metallogenetic intrusions of Hongqiling was studied by rock slice identification and electron probe analysis. The results show that all clinopyroxene minerals are augite, and orthopyroxenes are all bronzite. The chemical compositions of the pyroxene change widely and the pyroxene is charactered by enrichment in Mg and depleting of Fe, with low content of TiO2，Al2O3and Na2O. The Di-endmember of the clinopyroxene changes widely with the evolution from Mg-enrichment to Ca-enrichment，which shows a different variation tendency with the clinopyroxene from other typical mafic-ultramafic intrusions in the world. The source of magma was mantle-derived basalt magma, with high degree of differentiation. According to pyroxene thermobarometer, the crystallization temperature of the pyroxene in major metallogenetic intrusions of Hongqiling is estimated to 1 100-1 250 ℃ and the rock-forming depth is around 12.3-20.7 km.

pyroxene；geochemistry；temperature and pressure conditions of crystallization；Hongqiling；Cu-Ni sulfide deposit

10.13278/j.cnki.jjuese.201501108.

2014-07-17

全国危机矿山接替资源找矿项目(20089941)；国家深部探测技术与实验研究专项项目(SinoProbe-04-05-02)

郝立波(1961——)，男，教授，博士生导师，主要从事地球化学研究工作，E-mail:haolb@tom.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501108

P618.3

A

郝立波，田密，赵玉岩，等.吉林红旗岭主要成矿岩体辉石地球化学特征及其意义.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(1):95-105.

Hao Libo,Tian Mi,Zhao Yuyan,et al.Geochemical Characteristics and Significance of Pyroxene from Major Metallogenetic Intrusions in Hongqiling, Jilin Province,China.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):95-105.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501108.