滇西腾冲-梁河地区老厂坡、大竹棚和来利山花岗岩的黑云母成分特征及其成岩成矿意义

2020-03-09李昊星张寿庭曹华文裴秋明胡昕凯

桂林理工大学学报 2020年4期

李昊星,张寿庭,曹华文,裴秋明,胡昕凯,王亮

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国地质调查局成都地质调查中心,成都 610081;3.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756)

黑云母的结晶式为A2M6T8O20(OH)4(其中A=K,Na,Ba;M=Mg,Fe,Mn,Cr,Ti,Zn,V;T=Si,Al;OH=F,Cl,OH), 它在花岗岩中是一种十分常见的造岩矿物。通过黑云母化学成分研究, 能够还原成岩成矿时的物理化学条件, 并以此得到有关岩浆来源、成矿元素富集程度、岩石成因类型、构造环境等重要信息, 在成矿作用上具有指示意义[1-12]。对黑云母化学成分特征研究, 能够指示岩浆相向热液相转变时的物理化学条件, 并在不同种类矿床的研究中得到了广泛应用, 如Mo矿床[13]、 Sn矿床[14]、 U矿床[15-16]、 W矿床[17]、 Cu矿床[18]等。

滇西腾冲-梁河(简称腾梁)地区为中国著名的锡-钨多金属成矿带, 向南与世界八大重要锡矿集区(带)之一的东南亚锡矿带相连[19]。由于受中、新特提斯洋的俯冲,以及多期次的陆-陆(弧)碰撞的构造运动影响,该地区发育大量与锡多金属矿床密切相关的中-新生代花岗岩体。中-新生代的来利山岩体、大竹棚岩体及老厂坡岩体正发育于此。来利山花岗岩为该区现已探明的典型含锡花岗岩,而大竹棚岩体与老厂坡岩体从目前勘探程度上为不成矿岩体。对于腾梁地区花岗岩岩体,前人做了大量研究,主要集中在岩体地质特征[20-21]、岩石地球化学[22-26]、同位素年代学[27-31]及成矿流体地球化学[32-33]等方面。研究区岩体的成因类型上尚存在一定的争议,并且对于岩体中矿物化学特征和岩体含矿潜力的研究较为薄弱。本文采用电子探针测试方法对来利山岩体、大竹棚岩体和老厂坡岩体中黑云母进行化学成分特征分析,并通过对比3个岩体中黑云母化学成分特征,说明其花岗岩岩体成因类型,论述该地区成矿岩体与不成矿岩体差别,探讨成岩成矿意义,分析岩体含矿潜力。

1 地质背景

腾梁地区位于青藏高原东南缘[34],大地构造上位于中特提斯洋和新特提斯洋相继俯冲消亡碰撞形成的泸水-瑞丽缝合带和密支那缝合带之间,属于腾冲地块的重要组成部分[35-36](图1)。其中,泸水-瑞丽缝合带是班公-怒江缝合带的南延部分,密支那缝合带向北可与雅鲁藏布江缝合带相连[37]。因此,研究区作为西缅地块的北延段,东以泸水-瑞丽缝合带与保山地块为界,西以密支那缝合带与喜马拉雅地块相邻。在新特提斯洋扩张时期,腾冲和保山地块汇聚,两地块间的中特提斯洋洋盆闭合后成为现在的泸水-瑞丽(班公-怒江)缝合带[38]。在新生代古近纪期间,新特提斯洋向北消减俯冲于拉萨地块和东部腾冲地块之下,最终导致喜马拉雅地块与腾冲地块碰撞[39]。多期次的板块碰撞引发造山带中的块体发生大规模旋转逃逸走滑,形成青藏高原东南缘大型走滑构造变形带的重要组成部分,其走滑剪切构造变形强烈，火山岩浆活动频繁[40]。

腾梁地区以高黎贡山岩群为结晶基底[41],沉积盖层主要为弱变形的晚古生代—早中生代的一套碎屑岩夹碳酸盐岩的沉积组合。研究区主要地层为石炭系、二叠系和三叠系,岩性以碳酸盐岩为主。腾梁地区区域变质岩的分布较为广泛[42]。中、新特提斯洋的俯冲,及多期次的陆-陆碰撞等构造运动使研究区在寒武纪—奥陶纪(520～440 Ma)[43-44]、三叠纪—早侏罗世(250～190 Ma)[45]、早白垩世(120～100 Ma)[31, 46]、晚白垩世—古近纪(80～40 Ma)[27,37,47]这几个时期内形成大量与锡多金属矿床密切相关的花岗岩类。腾梁地区构造线主要呈南北向展布, 南段受龙陵-瑞丽断裂影响呈北东向。区内断裂带控制了花岗岩的展布。

图1 研究区地质简图

滇西腾梁地区锡多金属矿床主要有小龙河[37, 48]、铁厂[49]、上山寨[50]、来利山-丝光坪[29]、新岐[51]、滇滩[52]、铁窑山[53]、叫鸡冠[31]、平达[54]Sn多金属矿床等。此外, 滇西地区还发育大硐厂Cu-Pb-Zn矿床[55]、麻栗坝Mo-Pb-Zn矿床[56]、小场Mo矿点[57]、百花脑Rb-Cs-Y-Sc矿床[58]、砂岩型U矿床[59]等。

2 岩体特征

2.1 老厂坡岩体

老厂坡岩体靠近中缅边境, 位于盈江县支那乡北侧森林覆盖区。区内主要出露地层为泥盆系关上组和二叠系空树河组。区域内花岗岩发育, 出露多个岩体, 东侧发育古近纪花岗岩, 西侧主要发育三叠纪花岗岩、花岗闪长岩等。老厂坡岩体的出露受控于槟榔江断裂, 断裂主体走向NNW-SN, 倾向SW, 倾角45°～85°。该岩体为早白垩世中酸性岩体,其岩体锆石U-Pb年龄为120.7±0.3 Ma[45]；主要岩性为含斑中粗粒黑云母二长花岗岩, 似斑状花岗结构, 块状构造, 斑晶以肉红色钾长石为主(10%～30%), 斜长石(1%～2%)较少, 基质由钾长石(30%～33%)、斜长石(25%～30%)、石英(25%～30%)、黑云母(6%～8%)组成,黑云母呈片状,棕色。岩石地球化学特征显示其为钾玄质弱过铝质岩系,分异程度较高。

2.2 大竹棚岩体

大竹棚花岗岩位于老厂坡花岗岩西侧(大竹棚西侧为三叠纪花岗岩、花岗闪长岩等), 出露受槟榔江断裂控制。大竹棚岩体为古近纪中酸性花岗岩, 岩体锆石U-Pb年龄为65.4±0.3 Ma[45]。主要岩性为细粒黑云母钾长花岗岩, 浅灰色, 细粒花岗结构, 局部似斑状结构, 块状构造, 主要由钾长石(32%～45%)、斜长石(15%～20%)、石英(30%～35%)、黑云母(3%～7%)组成, 副矿物有磁铁矿、锆石、绿帘石、锡石、黄铁矿、方铅矿等, 黑云母呈浅绿色、褐色。其岩石地球化学特征表现为较高分异指数的高钾过铝-强过铝质, 钙碱性岩系。

2.3 来利山岩体

来利山花岗岩体位于梁河县西北,位于槟榔江花岗岩带的南段,是喜山早期多阶段侵入的复式岩体,地表出露面积>7 km2[22],属于与锡矿床成矿作用密切相关的古近纪中酸性岩体,锆石U-Pb年龄为50～53 Ma[22, 28-29,60]。围岩为二叠系空树河组，由一套近2 000 m厚的不等粒板岩、砂岩交互组成。岩体受大盈江断裂控制呈北东向沿断裂带产出,内部主要以断裂构造为主,以后期形成北西向断裂切断前期北东向断裂为主要特征。主要岩性为中粗粒黑云二长花岗岩,花岗结构,块状构造,主要由钾长石(39%～42%)、斜长石(20%～25%)、石英(30%～40%)和黑云母(6%～8%)组成。黑云母为棕褐色,可见弱绿泥石化现象,其中包裹体有磷灰石、锆石等矿物,边部见次生白云母。岩石地球化学特征为较高分异指数的高钾钙碱性、偏铝质-过铝质岩系[29]。来利山岩体中赋有锡矿床,由淘金处、三个硐、老熊窝及丝光坪4个矿段组成。矿体分布于晚期侵入相内的NE断裂中,延伸长度约3 km。锡矿体的产出形式以产于花岗岩接触带、陡倾斜断裂带及缓倾斜断裂带3种为主。

3 样品采集及分析方法

样品采自来利山、大竹棚及老厂坡岩体。其中来利山岩体为与锡矿成矿作用密切的花岗岩。所采样品均为新鲜花岗岩，在镜下观察,未发现明显蚀变现象,并且岩体中黑云母均以原生黑云母为主。来利山岩体所采样品主要为粗粒黑云母二长花岗岩,老厂坡岩体所采样品主要为含斑中粗粒黑云母二长花岗岩,大竹棚岩体所采样品主要为细粒黑云母钾长花岗岩(图2)。

黑云母成分采用日本岛津公司生产的EPMA-1600型电子探针分析,测试在中国地质大学(北京)电子探针实验室完成。加速电压为15 kV, 束流10 nA, 束斑直径为1 μm, 主要氧化物的分析误差约为1%。分析测试中采用的标样主要有: Si、 Al(斜长石)、 Ti(金红石)、 Fe(铁铝榴石)、 Mn(蔷薇辉石)、 Mg(橄榄石)、 Ca(方解石)、 Na(钠长石)、 K(透长石)等。

4 黑云母化学成分特征

样品的黑云母电子探针测试结果见表1,采用林文蔚等[61]所提出的待定阳离子算法得出FeO与Fe2O3的含量,以22个氧原子为单位计算出黑云母的阳离子数等相关参数。

图2 花岗岩标本及花岗岩中黑云母显微照片

表1 腾梁地区花岗岩黑云母成分

续表1

结果显示,虽然3个岩体中的黑云母总体显示出了富铁贫镁的特点,但是却有不同的化学特点。其中：来利山成矿岩体中黑云母FeOT含量为27.79%～30.05%, MgO为0.99%～3.45%, Al2O3为15.04%～17.89%；大竹棚岩体FeOT含量为29.12%～31.23%, MgO为0.08%～0.82%, Al2O3为15.76%～17.03%；老厂坡岩体FeOT含量为20.08%～22.39%, MgO为6.30%～7.15%, Al2O3为15.07%～16.53%。

在Mg-(Fe3+AlⅥ++Ti)-(Fe2++Mn)图解中, 来利山岩体与大竹棚岩体中黑云母落入铁叶云母区域, 老厂坡岩体中黑云母落入铁质黑云母区域(图3)。 Fe2+/(Fe2++Mg)值是判析氧化态岩浆的重要标志，来利山岩体、大竹棚岩体及老厂坡岩体其黑云母的Fe2+/(Fe2++Mg)值分别为0.06～0.19、 0.37～0.40和0.01～0.05。由于3处岩体的Fe2+/(Fe2++Mg)值变化较小, 表明其未遭受后期流体改造[63]。

根据黑云母Mg/(Fe+Mg+Mn)-Si分类图解可以看出(图4),来利山、大竹棚和老厂坡样品点全部落入到华南改造型花岗岩区域,但老厂坡岩体黑云母靠近华南改造型花岗岩与华南同熔型花岗岩的分界线,反映岩体的物源中可能有岩浆岩物质混入[64]。

图3 黑云母的Mg-(Fe3++AlVI+Ti) -(Fe2++Mn)图解(底图据文献[62])

图4 黑云母的Mg/(Mg+Mn+Fe3++Fe2+)-Si图解(底图据文献[64])

5 成岩物理化学条件

5.1 结晶温度与氧逸度

温度与氧逸度是影响岩浆作用过程的重要因素。通过镜下观察,本区的黑云母与钾长石、磁铁矿共生,可利用Wones等[1]提出的Fe3+和Mg2+原子百分数来估算其结晶时的氧逸度。来利山岩体、大竹棚岩体以及老厂坡岩体的黑云母均落在Ni-NiO与Fe2O3-Fe3O4之间, 并且均较贴近于Ni-NiO缓冲线附近(图5), 说明其都形成于一个相对较低的氧逸度环境中[1]。

根据Wones等[1]在PH2O=207.0 MPa条件下通过实验所得出的黑云母logfO2-T图解, 并结合Fe3+-Fe2+-Mg图解和Fe/(Fe+Mg)-T图解, 可以推断黑云母的结晶温度和氧逸度。经过对比3处岩体黑云母在Fe3+-Fe2+-Mg图解中的相对位置和100×Fe/(Fe+Mg)值, 并利用黑云母的稳定度图解(图6), 得出3个花岗岩体的大致形成温度和氧逸度[65], 其中来利山岩体logfO2为-15.9～-18.0, 温度为626～691 ℃; 大竹棚岩体logfO2为-17.6～-18.7, 温度为603～635 ℃; 老厂坡岩体logfO2为-13.7～-14.8, 温度为718～749 ℃。根据前人研究[66], 黑云母的高钛、高MF值和结构式中低AlVI, 指示其形成于相对高温和高氧逸度的环境。通过对比, 得出与上述结果相符的一致结论, 即来利山岩体与大竹棚岩体氧逸度与温度要远远低于老厂坡的氧逸度及温度。

图5 黑云母的Fe3+-Fe2+-Mg图解(底图据文献[1])

5.2 结晶压力

因为黑云母全铝含量与花岗质岩石固结压力之间具有良好的正相关性,因此根据Uchida等[67]建立的黑云母全铝压力计P=[3.03×TAl-6.53(±0.33)]×100(MPa)可以估计花岗质岩石的固结压力。在显微镜下观察发现，岩体中黑云母未蚀变,且有少量角闪石发育,因此应用此压力计对来利山岩体、大竹棚岩体及老厂坡岩体进行估算[68]，计算得出利山岩体压力为181～335 MPa,大竹棚岩体压力为217～287 MPa,老厂坡岩体为159～217 MPa。黑云母全铝压力计计算出来利山岩体与大竹棚岩体黑云母结晶压力要高于老厂坡岩体的,说明老厂坡岩体侵位深度要小于来利山岩体及大竹棚岩体,表明来利山岩体的初期熔体在深处岩浆房内进行结晶和分异作用,在晚期阶段,富碱硅、挥发组分及锡等金属的分异熔体向上侵位,进行进一步的分馏作用,锡等金属和挥发组分聚集成矿。

图6 黑云母的log fO2-T图解(底图据文献[1])

6 成岩成矿意义

6.1 成岩意义

腾冲-梁河地区花岗岩的成因类型方面,许多学者已经做了大量工作,认为该地区早白垩世—古近纪花岗岩主要为以地壳加厚挤压而重熔所形成的S型花岗岩及造山期后拉伸同熔所形成的I型花岗岩两种成因类型为主。孙转荣等[69]通过对来利山中粗粒黑云母二长花岗岩进行岩石地球化学研究, 认为其具有S型花岗岩特征,形成与印度大陆和亚洲大陆碰撞过程中地壳物质部分熔融有关。曹华文[45]通过对老厂坡中粗粒黑云母二长花岗岩地球化学研究, 认为其具有S型花岗岩特征, 形成于碰撞挤压环境下的壳源的富粘土源岩的部分熔融；并对大竹棚细粒黑云母钾长花岗岩球化学研究,认为其具有高分异S型花岗岩特征,形成于碰撞挤压向后碰撞伸展转换的环境下,起源于壳源的富粘土源岩的部分熔融。

根据黑云母的化学成分特征可以推断花岗岩的成因类型、物质来源,因此,黑云母具有重要的成岩意义[3,14,70]。

Whalen等[71]提出以黑云母中元素成分含量来划分S型与I型花岗岩, 认为S型花岗岩中的黑云母具有较高的AlVI(0.353～0.561), 而I型花岗岩中黑云母则具有较低的AlVI(0.144～0.224)。来利山岩体的AlVI值为0.39～0.92, 平均为0.54;大竹棚岩体为0.45～0.85,平均为0.61;老厂坡岩体为0.43～0.66,平均为0.51。据此可以初步判断三岩体均具有S型花岗岩特点,与前人研究所得结论基本吻合。

据丁孝石[72]的研究,典型幔源黑云母中MgO>15%,壳源黑云母中MgO<6%。在所测样品中，来利山岩体和大竹棚岩体黑云母MgO含量分别为0.99%～3.45%、0.08%～0.82%,平均分别为2.43%、0.37%,具有明显壳源性质;而老厂坡岩体MgO含量为6.30%～7.15%,平均值为6.80%,具有不显著的壳幔过渡的性质。将三处岩体的黑云母投入FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图[73]中,三处岩体的黑云母落在壳源区域(图7),相较其他两个岩体而言,老厂坡岩体的黑云母投点更趋近于壳源与壳幔混源的分界线，这表明三者皆属于典型的壳源型成因,即具有S型花岗岩特点。

图7 黑云母的FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图解(底图据文献[73])

Cong等[74]通过对梁河南部黑云母二长花岗岩的研究认为，早白垩世时期地壳物质与地幔物质混染作用导致该地区大规模花岗岩侵入。老厂坡岩体虽为S型花岗岩,在FeOT/(FeOT+MgO)-MgO图上其却具有部分I型花岗岩特征(较来利山岩体和大竹棚岩体), 可能存在地幔物质混入,这也一定程度上支持了含部分铁镁质岩浆物质的元古代地壳为早白垩世花岗岩主要的物源的观点[75]。根据MgO-FeOT-Al2O3判别图(图8),来利山岩体与大竹棚岩体全部落在非造山带钙碱性花岗岩与过铝质花岗岩的分界线上,这正表明此两处岩体具有典型的S型花岗岩特征; 老厂坡岩体投点虽然落入过铝质花岗岩区域中,却十分接近造山带钙碱性花岗岩区域。前人研究发现，花岗岩中黑云母的镁质率Mg/(Mg+Fe+Mn)能够指示岩体形成来源(即浅源与深源)[8,77]。来利山岩体与大竹棚岩体Mg#平均值分别为0.14和0.02,老厂坡岩体Mg#平均值为0.37,表明来利山岩体与大竹棚岩体花岗岩属于南岭浅源系列,而老厂坡岗岩体花岗岩主要也为南岭浅源系列,但其深度要明显深于前两个岩体。

综上所述, 通过对三处花岗岩体中黑云母的矿物学特征研究并结合前人研究成果认为，来利山岩体和大竹棚岩体为壳源S型花岗岩, 老厂坡岩体为具有部分I型花岗岩特征的壳源S型花岗岩。

图8 黑云母的MgO-FeOT-Al2O3图解(底图据文献[76])

6.2 成矿意义

通过对黑云母化学成分的研究,可以获取一定的矿化富集信息[3,4,8,14]。

锡成矿带具有多期锡矿化作用叠加的现象[79-80]。根据前人研究,狭窄区域内发生多期次锡矿化事件,最有可能的原因是含锡花岗岩的源区存在锡的高异常富集[81-82]。大部分学者认为该地区花岗岩主要来源为壳源物质,而本区前寒武系高黎贡变质岩出露广泛且含锡丰度比较高,平均10×10-6,部分层内高达48×10-6[83],因此该地区实质上为锡的预富集区。锡的预富集区在每次构造-岩浆活动背景下,重熔形成富锡花岗岩初熔体。张为鹂[84]通过对花岗岩单样的钾长石-钠长石-钙长石-石英-水系列相图研究, 指出含锡花岗岩的成矿作用是岩浆演化晚期且花岗岩向酸性演化的表现。彭振安[85]对加里东期—燕山期含锡花岗岩的矿床发现,酸性程度高、分异程度高的花岗岩有利于成矿。随着岩浆的演化过程,其酸性逐渐增加,进而引起硅质、碱质、挥发组分和成矿元素的富集,有利于含锡花岗岩成矿,因此酸性程度高且高分异演化的花岗岩是含锡花岗岩成矿的重要因素之一;并且多期锡矿化事件的叠加,使得物源区锡元素更加活化,更易被迁移富集,往往导致时代越新,锡的矿化越强,这也反映出了地壳成熟度对于含锡花岗岩成矿能力的重要性。在前文研究中已经证实来利山岩体与大竹棚岩体属于华南改造型花岗岩类型,而老厂坡岩体虽然属于华南改造型花岗岩类型,却十分接近同熔型花岗岩,反映岩体的物源中可能有幔源物质混入,表明来利山岩体与大竹棚岩体地壳成熟度要高于老厂坡岩体,且结合前人对三处岩体岩石地球化学研究[45],也说明了来利山岩体及大竹棚岩体分异度要高于老厂坡岩体。可以确定来利山岩体和大竹棚岩体锡成矿潜力更大。

温度和氧逸度是制约锡成矿的主要因素[66,86]。前人通过对人造花岗岩中氧逸度与Sn的关系研究发现,在较高氧逸度条件下Sn以Sn4+形式存在,在岩浆结晶过程中常置换Ti4+和Fe3+进入早期结晶的铁镁质矿物(如磁铁矿、角闪石、黑云母等)中;而在低氧逸度条件下,Sn以Sn2+形式存在,由于其离子半径较大,倾向于在岩浆结晶分异晚期的熔体和流体中富集[87-88],表明低氧逸度利于锡矿形成。因此李鸿莉等[14]提出还原性花岗岩浆在结晶分异过程中分离出富锡流体相富集成矿的模式。前文研究表明,来利山岩体logfO2为-15.9～-18.0,大竹棚岩体logfO2为-17.6～-18.7,老厂坡岩体logfO2为-13.7～-14.8。来利山和大竹棚岩体氧逸度比较接近且比较低,显示其二者的锡成矿可能性比老长坡岩体要高。根据在不同温度下熔体中SnO2浓度的变化情况,temprok[89]归纳出温度-SnO2函数关系,认为温度与SnO2正相关。因此,可以认为在高温条件下不利于Sn形成易于成矿的Sn2+,故而老厂坡岩体的高温条件不利于锡矿形成。另一方面,大竹棚岩体与来利山岩体结晶压力相似且高于老厂坡岩体,这促使岩浆粘稠度降低,使得花岗岩浆更具备从地壳深部侵位形成陈吉琛[90]所指出的有利于锡成矿的高侵位型重熔花岗岩的可能性。

通过对比,认为来利山岩体和大竹棚岩体成矿潜力更大。然而,目前勘探现状表明,只有来利山岩体中发育锡矿床。来利山岩体与大竹棚岩体均为古近纪花岗岩,其岩体年龄相似且成岩时代较新,并且两处岩体黑云母矿物学成分特征极其相似。由于来利山岩体为复式岩体,经过强烈的分异演化使成矿元素Sn以及有益成矿组分富集[91-93],致使后期的来利山岩体形成成矿源岩。大竹棚岩体的围岩为古近纪中粒黑云母二长花岗岩,西侧为三叠纪似斑状黑云母二长花岗岩,所以其必然经历与来利山复式岩体相似的分异演化作用,因此有利于锡矿形成,这也从一定程度表明大竹棚岩体具有形成锡矿化或富集锡的潜力。