应用电子探针技术研究北京密云放马峪铬铁矿床成因
——来自含铬尖晶石矿物化学的证据
2015-05-05李立兴朱明玉方同明李厚民
李立兴, 朱明玉, 方同明, 李厚民
(1.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037; 2.北京市地质调查研究院, 北京 100195)
应用电子探针技术研究北京密云放马峪铬铁矿床成因
——来自含铬尖晶石矿物化学的证据
李立兴1, 朱明玉1, 方同明2, 李厚民1
(1.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037; 2.北京市地质调查研究院, 北京 100195)
似层状铬铁矿床长期以来被认为是岩浆分异成因,但近年来有学者提出其中个别产在蛇绿岩中。本文选择北京放马峪似层状铬铁矿床中纯橄岩、辉橄岩和辉石岩中不同类型的含铬尖晶石进行了电子探针分析。研究表明,岩浆早期的纯橄岩和辉橄岩中的铬尖晶石富铬(Cr2O3平均43.32%),而岩浆晚期辉石的结晶消耗了大量Cr3+,由于氧逸度的升高,在辉石岩的单斜辉石中出溶贫铬的铬磁铁矿(Cr2O3平均10.32%)和富铝尖晶石(Cr2O3平均15.77%)。与世界上不同类型铬尖晶石的矿物化学特征进行对比,可以认为放马峪铬铁矿床是产在阿拉斯加型岩体中的早期岩浆矿床,而与蛇绿岩无关。本文对放马峪铬铁矿床成因和成矿专属性的限定,为这类镁铁-超镁铁岩体的铬、铜镍、铂族元素的找矿勘查提供了依据。
放马峪; 铬铁矿床; 铬尖晶石; 超镁铁岩; 阿拉斯加型岩体; 电子探针
国际上的铬铁矿主要有大型层状铬铁矿床和豆荚状铬铁矿床两种,以层状类型为主,赋存在大型层状侵入体中,其规模巨大,占世界总储量的70%以上。中国铬铁矿资源较为贫乏,目前尚未发现大型层状铬铁矿床。根据赋矿围岩的不同,中国铬铁矿可分为两种成因类型:蛇绿岩型豆荚状铬铁矿床和地台型似层状铬铁矿床,以豆荚状类型为主[1-5]。似层状铬铁矿床产在具有明显岩浆分异特征的超镁铁岩侵入体中,是中国重要的铬矿类型,主要分布在华北地台内,达到小型规模的有北京密云放马峪、平顶山,河北承德高寺台和遵化毛家厂铬铁矿床。但近年来,不同学者对个别似层状铬铁矿床的成因认识再起争议,如黄雄南等(2003)[6]和陈征等(2004)[7]研究发现了遵化毛家厂铬铁矿发育豆状结构,提出该矿床属于太古宙蛇绿岩型豆荚状铬铁矿,认为围岩纯橄岩、辉橄岩和辉石岩为蛇绿岩建造的组成部分,而张旗等(2003)[8]和Zhao等(2007)[9]
研究则认为铬铁矿的赋矿围岩为古生代镁铁-超镁铁岩侵入体,形成于板块内部构造环境。两种认识存在争议的焦点是铬铁矿母岩的岩石类型。
铬尖晶石元素组成为(Fe,Mg)2+[(Fe,Cr,Al)3+]2O4,类质同象广泛发育,化学成分的变化与其形成的岩浆环境密切相关[10]。铬尖晶石相对于其他高温硅酸盐矿物(如橄榄石)来说,其元素组成较难受后期风化作用、变质作用和水岩反应的影响,对于研究含铬母岩的岩石类型、岩浆演化具有重要的示踪意义[11-14]。北京密云放马峪铬铁矿床一直被认为是中国似层状铬铁矿床的典型代表,本文在岩相学研究基础上,选择纯橄岩、辉橄岩和辉石岩中不同类型的含铬尖晶石进行了电子探针矿物化学成分分析,查明了其标型特征,探讨了铬铁矿床的成因,以期丰富中国似层状铬铁矿床成因和成矿专属性的研究资料。
1 放马峪铬铁矿岩体及成矿地质特征
放马峪含铬超镁铁岩岩体位于密云区放马峪村,距密云城区北东36 km。岩体侵入新太古宇密云群片麻岩系中[15],整体呈北东向延伸,由东、西两个岩体组成(图1)。东部岩体长257 m,最大宽度76 m,平均宽53 m,最大延深130 m;西部岩体长215 m,宽40 m,最大延深150 m。
图1 北京密云放马峪铬铁矿床矿区地质图(改编自姚培慧,1996[16])Fig.1 Geological map of the Fangmayu chromite deposit,Miyun,Beijing (Modified from Yao, 1996[16])
该岩体组成及其内部构造类似高寺台和平顶山岩体,岩相分带明显[17-19],中心相为纯橄岩相,向外为辉橄岩相,辉石岩相分布在岩体最外侧。纯橄岩蛇纹石化强烈,由不同比例的橄榄石和铬尖晶石组成,橄榄石呈半自形-他形粒状结构,粒径2~4 mm,橄榄石残晶只达原来的40%(图2a)。辉橄岩主要由橄榄石、单斜辉石及少量的铬尖晶石组成,各矿物呈半自形-他形结构,其中橄榄石粒径0.5~2 mm,岩石普遍遭受强烈蛇纹石化(图2b)。辉石岩主要由单斜辉石(>80%)和少量的斜方辉石(<8%)、铬磁铁矿(<8%)、橄榄石(<2%)和磁铁矿(<2%)组成(图2c),属于单斜辉石岩,其中单斜辉石呈自形-半自形粒状结构,粒径1~5 mm,部分发生了纤闪石化和蛭石化蚀变。上世纪八十年代,冶金部天津地质研究院通过测量获得放马峪岩体的全岩Sm-Nd年龄为2010±150 Ma,认为该岩体侵位于早元古代[16]。
图2 北京密云放马峪铬铁矿床中典型岩矿石显微特征照片Fig.2 Photomicrographs of (a) Cr-rich dunite, (b) Cr-rich wehrlite, (c) clinopyroxenite and (d) disseminated chromite ore of the Fangmayu chromite deposit, Miyun, Beijing
放马峪铬铁矿体主要产于岩体东段边缘相内侧的辉橄岩相内,少量分布在纯橄岩相或辉石岩相中。富铬矿体仅产于东岩体中,且集中分布于该岩体东部,靠近岩体底盘产出,矿体多呈脉状。铬铁矿体主要有两条,主矿体东段膨大部位在平面上似鱼头状,矿体长150 m,最大宽度30 m,矿体产状与岩体一致。铬铁矿石即矿化的纯橄岩和辉橄岩,主要由浸染状矿石组成,部分为条带状构造。矿区累计探明矿石储量23.6万吨,Cr2O3平均品位9.6%[16]。
2 含铬尖晶石的结构特征及主量成分变化趋势
本次研究中的样品有富铬纯橄岩(F8-1和F9-1)、辉橄岩(F6-1和F7-1)和辉石岩(F1、F2、F3和F4),采样位置见图1。各样品中含铬尖晶石含量分别为:F9中70%,属于稠密浸染状铬铁矿石;F8、F6和F7中20%,属于稀疏浸染状铬铁矿石;F1、F2、F3和F4中5%。
铬尖晶石在纯橄岩和辉橄岩中与橄榄石密切共生,主要呈半自形-他形粒状结构,粒径0.5~3 mm(图2d),其边缘有时发育不规则的磁铁矿薄边,宽度<50 μm(图3a)。辉石岩中橄榄石含量甚微,其中的尖晶石矿物铬含量较低,均呈星散状分布于单斜辉石颗粒中(图3b)。在背散射图片中,辉石岩中含铬尖晶石有两种,一种为呈亮白色的铬磁铁矿,另一种为呈浅灰色富铝尖晶石,也有部分辉石岩中只发育亮白色的铬磁铁矿。辉石岩中两种含铬尖晶石既有单独分布在同一个辉石矿物颗粒中(图3c),也有同时发育在一个尖晶石矿物颗粒中(图3d)。
图3 北京密云放马峪铬铁矿床中铬尖晶石(Chr)、铬磁铁矿(CM)和富铝尖晶石(AS)显微结构特征(背散射图片)Fig.3 BSE photomicrographs showing three types of Cr-bearing spinels of the Fangmayu chromite deposit,Miyun,Beijing. Chromian spinel (Chr), Cr-magnetite (CM), and Al-rich spinel (AS)
铬尖晶石主量元素分析由中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室应用JXA8230型电子探针(日本电子公司)完成,测量条件为:加速电压20 kV,电流2×10-8A,束斑直径5 μm。主量元素含量(%)测试结果见表1。
由表1可以看出,纯橄岩和辉橄岩中铬尖晶石成分相同,具有明显富铬的特征(Cr2O3含量40.37%~45.19%),其他氧化物由高到低分别为:FeO含量20.28%~22.25%,Fe2O3含量13.32%~17.75%,Al2O3含量9.30%~10.89%,MgO含量7.02%~8.57%。辉石岩中单斜辉石包裹的铬磁铁矿具有明显富铁(Fe2O3含量48.58%~58.22%,FeO含量29.39%~31.38%)、贫铝(Al2O3含量0.96%~3.85%)、贫铬(Cr2O3含量5.34%~13.15%)、贫镁(MgO含量0.26%~2.37%)的特征。辉石岩中单斜辉石包裹的富铝尖晶石具有明显富铝(Al2O3含量44.63%~45.41%)、贫铁(Fe2O3含量6.75%~7.87%,FeO含量17.19%~17.73%)的特征,另外Cr2O3含量15.11%~16.65%,MgO含量13.73%~14.00%。
3 铬尖晶石的成因及结晶条件
3.1 岩浆晚期贫铬尖晶石的出溶成因
岩相学特征表明,辉石岩中的两种含铬尖晶石(铬磁铁矿和富铝尖晶石)紧密共生,且分布在单斜辉石晶体中。铬尖晶石化学成分表明,铬磁铁矿富铁贫铝,而富铝尖晶石富铝贫铁。虽然热液交代作用也可形成微小的含铬尖晶石晶出,但需要有流体的参与[20-22],而放马峪岩体中的辉石岩没有受到后期蚀变作用的影响,因此辉石岩中两种含铬尖晶石密切共生产出的特征说明它们是辉石结晶晚期的出溶物。纯橄岩和辉橄岩中的铬尖晶石与橄榄石密切共生,但橄榄石晶体中未见铬尖晶石的出溶物。岩浆过程中铬元素以Cr3+存在,难以进入岛状硅酸盐矿物橄榄石晶体结构中,但容易进入链状硅酸盐矿物单斜辉石中,因有普通辉石中Al3+替代Si4+,从而正电荷减少使得Cr3+替代Fe2+和Mg2+得到补偿[23]。因此,纯橄岩和辉橄岩中的铬尖晶石Cr2O3含量高(平均43.32%),而辉石岩由于单斜辉石的结晶消耗了大量的Cr3+,出溶的铬磁铁矿和富铝尖晶石Cr2O3含量低(平均10.32%和15.77%)。
前人研究表明,含铬尖晶石出溶结构的形成与岩浆系统中热力学参数温度、氧逸度的突然变化[24-25]或岩浆演化晚期粒间熔体的平衡反应[26-28]有关。放马峪含铬岩体的辉石岩中的单斜辉石主要由次透辉石和少量的普通辉石构成,辉石的结晶消耗了大量的Fe2+,导致残余熔浆中Fe3+明显增多,随后磁铁矿填隙状产出在单斜辉石粒间,说明此时岩浆系统中的氧逸度升高。因此,本文认为单斜辉石中出溶的铬磁铁矿和富铝尖晶石是由于氧逸度的升高造成的。
3.2 岩浆早期富铬尖晶石的结晶温度
4 放马峪铬铁矿床的成因
4.1 含铬尖晶石成因示踪
Barnes等(2001)[11]通过不同类型镁铁-超镁铁岩中尖晶石的矿物化学对比研究发现,尖晶石中二价和三价阳离子的构成特征可示踪岩石来源。铬铁矿床赋存的母岩除蛇绿岩外,还包括分异成因的层状侵入体和阿拉斯加型环状岩体。在Fe3+/(Fe3++Al+Cr)-Fe2+/(Fe2++Mg)图解(图4a)、Al-Cr-Fe3+图解(图4b)和Cr/(Cr+Al)-Fe2+/(Fe2++Mg)图解(图4c)上,世界上层状侵入体和阿拉斯加型岩体中铬铁矿石中的铬尖晶石成分范围有较大的叠合,与蛇绿岩铬铁矿石中的铬尖晶石相比,富集Fe3+和Fe2+,贫Al。放马峪铬铁矿床中富铬纯橄岩和辉橄岩中的铬尖晶石在上述三个图解中的投点集中落在层状侵入体和阿拉斯加型岩体范围内,说明放马峪铬铁矿床的形成与岩浆分异作用有关。从放马峪岩体内带的纯橄岩依次向外到辉橄岩和辉石岩,其中的含铬尖晶石在成分上呈现线性变化的趋势,随着Cr2O3逐渐降低,Al2O3逐渐降低,而Fe2O3逐渐升高,符合岩浆结晶分异的特征。
表1 北京密云放马峪铬铁矿床纯橄岩、辉橄岩和辉石岩中含铬尖晶石的电子探针分析结果
注:C=辉石岩(clinopyroxenite);W=辉橄岩(wehrlite);D=纯橄岩(dunite)。
图4 北京密云放马峪铬铁矿床中含铬尖晶石的Fe3+/(Fe3++Al+Cr)-Fe2+/(Fe2++Mg)图解(a)、Al-Cr-Fe3+图解(b)和Cr/(Cr+Al)-Fe2+/(Fe2++Mg)图解(c)。层状侵入体和蛇绿岩中铬铁矿石中铬尖晶石成分范围引自Barnes等(2001)[11],阿拉斯加型岩体中铬铁矿石中铬尖晶石数据引自Krause等(2011)[28]、Himmelberg等(1995)[32]和Scheel(2007)[33]Fig.4 (a)Fe3+/(Fe3++Al+Cr)-Fe2+/(Fe2++Mg) diagram, (b)Al-Cr-Fe3+ diagram and (c)Cr/(Cr+Al)-Fe2+/(Fe2++Mg) diagram of the Cr-bearing spinels of the Fangmayu chromite deposit, Miyun, Beijing
4.2 铬铁矿床成因探讨
与蛇绿岩有关的豆荚状铬铁矿具有典型的豆状、豆荚状岩浆结构,这也是部分学者提出遵化地区铬铁矿与蛇绿岩有关的重要依据。放马峪铬铁矿石并不发育豆状结构,而是由大量自形铬尖晶石形成海绵陨铁结构,该特征与超基性侵入岩有关的铬铁矿的结构特征类似。此外,放马峪铬铁矿床中存在大量富Fe贫Cr的尖晶石,类似富Fe质超基性侵入岩有关铬铁矿的特征,而非蛇绿岩的豆荚状铬铁矿。
阿拉斯加型岩体指的是具有环状岩相分带的群状产出的小岩体(<40 km2),具有以下特征:①同心环状分带的中心部位为纯橄岩,向外依次为辉橄岩、辉石岩、角闪石岩;②矿物组成主要为橄榄石、单斜辉石和角闪石,而缺乏斜方辉石和斜长石;③从中心到边缘岩相中岩石矿物Mg含量降低,而副矿物尖晶石有富集Fe的趋势[32-34]。层状侵入体规模大小不一,最显著的特征成层明显,具有清晰的垂直分带,岩石中常发育韵律层理[35-36]。放马峪含铬岩体具有明显的岩相分带的特征,从中心到边缘依次为纯橄岩、辉橄岩和辉石岩,其中辉石主要为单斜辉石组成,铬尖晶石只发育在纯橄岩和辉橄岩相中,而在辉石岩中不发育,取而代之的是富铁的铬磁铁矿。因此,放马峪铬铁矿床为产在阿拉斯加型岩体中的铬铁矿床,铬铁矿的形成与岩浆早期的结晶分异作用有关,属于早期岩浆矿床,铬铁矿化的规模与纯橄岩相的规模成正相关关系。
另外,阿拉斯加型岩体中除赋存有铬铁矿床外,还常发育具有工业价值的铜镍硫化物矿床以及与前两者共生的铂族元素矿床[37-38]。这些矿化全部发育在富橄榄石的纯橄岩和辉橄岩相带中,具有明显的成矿专属性,可为这类镁铁-超镁铁岩体找矿提供依据。
5 结论
本文采用电子探针分析技术获得了放马峪铬铁矿床中不同岩矿石类型中的尖晶石的主量元素化学成分特征,研究结果表明放马峪铬铁矿床是产在阿拉斯加型岩体中的铬铁矿床,为早期岩浆分异成因,铬铁矿化的规模与纯橄岩相的规模成正相关关系。铬尖晶石(Cr2O3平均43.32%)只发育在岩浆分异早期的纯橄岩和辉橄岩相中,而岩浆分异晚期的辉石岩相中只发育铬磁铁矿(Cr2O3平均10.32%)和富铝尖晶石(Cr2O3平均15.77%),说明岩浆分异过程中尖晶石矿物中铬的含量有逐渐降低的趋势。本文对放马峪铬铁矿床成因的限定,可为这类镁铁-超镁铁岩体的铬、铜镍、铂族元素的找矿勘查提供依据。
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《中国无机分析化学》2016年征订启事
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《中国无机分析化学》是由北京矿冶研究总院主办的无机分析化学专业性学(技)术期刊。本刊包括岩矿分析、冶金分析、材料分析、环境分析、化工分析、生物医药分析、食品分析、仪器研制、综述评论、技术交流、信息之窗等栏目。读者对象为从事无机分析化学及相关技术的广大科研人员、工程技术人员、管理人员、大专院校师生、相关公司及企事业单位。本刊也是相关图书、情报等部门必不可少的信息来源。
《中国无机分析化学》2014年复合影响因子1.298,排在同类50种期刊中的第9,是美国“CA千种表”中我国化学化工类核心期刊,《中文科技期刊数据库》刊源,中国期刊网入网期刊,《中国科学引文数据库》刊源,《中国学术期刊》(光盘版)入编期刊,《中国核心期刊(遴选)数据库》刊源,《中国化学化工文摘》收录期刊。
《中国无机分析化学》一直秉承“读者第一,作者至上,以人为本,以质为根”的办刊理念,全方位为中国无机分析化学工作者服务,促进中国无机分析化学行业的发展!
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第十一届全国X射线光谱学术报告会胜利召开
(中国地质学会岩矿测试技术专业委员会)
由中国地质学会岩矿测试技术专业委员会、国家地质实验测试中心组织举办的“第十一届全国X射线光谱学术报告会”于2015年9月17~18日在山东威海成功召开。
比利时皇家科学院院士、国际期刊《X-Ray Spectrometry》主编R.Van Grieken教授、国家地质实验测试中心罗立强研究员、新里斯本大学M.L.Carvalho教授、国际原子能署C.Streli博士、中国科学院高能物理研究所高愈希研究员、中国科学院上海应用物理研究所魏向军研究员等近十位国内外X射线光谱领域著名学者作了大会特邀报告。内容涵盖:X射线光谱在文化遗产保护中的应用,X射线光谱应用于纳米层和超薄材料的测量、计算和校准方法,大气颗粒物污染元素特征和来源分析,植物中Pb的微区分布与形态研究,X射线光谱分析在葡萄牙16~17世纪油画特征的识别作用,X射线光谱在纳米科学和技术的应用,同步辐射X射线荧光技术研究汞的植物毒理,XRF和ICP-AES取样量和浓度间关系对比,EDXRF和WDXRF图像研究等。
同时,大会给X射线分析青年工作者提供一个难得的高水平交流平台,数位青年学者作了口头报告。内容包括:微区XRF技术研究溶解性有机质对拟南芥吸收铅及铅形态变化的影响,利用三维共聚焦XRF光谱仪监测水溶液中钢片腐蚀情况,XRF分析中不同熔融方法的比对及全分析数据质量评价,同步辐射TXRF测定水中微量元素,Micro-XRF和XANES技术分析植物根表铁斑块、根中的Pb形态和分布,粉末压片-EDXRF测定岩石、土壤、水系沉积物中的稀土元素等。
本次大会收到基层X射线分析技术人员及青年学生的学术论文30余篇。利用X射线光谱的多个技术手段如常规XRF分析技术、新型三维共聚焦XRF技术开展了前沿研究和实际检测应用。前沿研究主要包括生物地球化学、形态分析、文物鉴定、新能源精细结构研究等。实际检测应用主要包括常规X射线分析在铬铁矿、铌钽精矿、常规地质样品实际检测过程中发现的技术难题,体现了青年分析工作者的学术敏感性和解决实际问题的能力。
本次大会是近年来X射线光谱学领域的又一次盛会,参会人员120余位,来自我国科研院所的地质、矿产、石油等各个领域。大会也得到了帕纳科、斯派克、铂锐等多家国内外仪器公司的大力支持。
本次大会的成功召开,不仅拓展了国际学术交流空间,更开阔了我国X射线光谱分析发展的视野,并极大地促进了青年科技工作者的快速成长,对于推动我国X射线光谱分析技术的发展和提高整体学术水平具有重要的影响。
Origin of the Fangmayu Chromite Deposit, Miyun, Beijing: Constraints from Electron Microprobe Analyses of Cr-Spinel
LILi-xing1,ZHUMing-yu1,FANGTong-ming2,LIHou-min1
(1. Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Ministry of Land and Resources, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2.Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 100195, China)
Stratiform chromite deposits in China have long been considered to form by fractional crystallization of mafic magma. However, some researchers recently proposed that some chromite deposits are also hosted in ophiolite. In this study, Cr-spinels of the dunites, wehrlites and clinopyroxenites from the Fangmayu chromite deposit in Beijing are analyzed by EPMA. Results show that Cr-spinels of dunites and wehrlites at the early stage of magma differentiation are rich in Cr with an average Cr2O3content of 43.32%. At the late stage of magma differentiation, the crystallization of clinopyroxenites consumed large amounts of Cr3+and elevated the oxygen fugacity, leading to the Cr-rich magnetite and Al-rich spinel with average Cr2O3contents of 10.32% and 15.77%, respectively. By comparing with the chemical composition of different types of Cr-spinels from the world, the suggestion is that Fangmayu chromite deposit was a magmatic deposit hosted in Alaskan-type intrusion, and was not related to ophiolite. The constraints on the genesis and metallogenic specialization provide evidence for mineral prospecting of Cr, Cu-Ni and PGE deposits hosted in mafic-ultramafic intrusions.
Fangmayu; chromite deposit; Cr-spinel; ultramafic rocks; Alaskan-type intrusion; Electron Microprobe
2015-02-27;
2015-08-21; 接受日期: 2015-09-06
国家自然科学基金资助项目(41402067);中国地质科学院矿产资源研究所基本科研业务费项目(K1410)
李立兴,博士,从事黑色金属矿床研究工作。E-mail: lilixing1984@sina.com。
0254-5357(2015)05-0600-09
10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.05.017
P597.3; P618.4; P575.1
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