四川拉拉IOCG矿床气成-热液成矿期磁铁矿地球化学特征及其成矿意义

2021-04-08张进平黄从俊

矿产与地质 2021年1期

张进平，黄从俊

(1.山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊 261021；2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 610081)

0 引言

磁铁矿属于尖晶石族，是常见的矿石矿物或副矿物，可形成于许多地质环境，其化学成分中常含有少量或微量Co、Mg、Mn、Ni、V等元素，其性质与Fe2+相似，常呈类质同像置换Fe2+进入磁铁矿矿物晶格，不同成因磁铁矿具有不同的元素组成特征，其变化的地球化学成分特征是一个重要的矿物成因指示剂[1-5]。对磁铁矿进行元素地球化学特征及成因类型方面的研究，可以为矿床的成因研究提供依据[6-7]。磁铁矿是拉拉IOCG矿床主要的矿石矿物和Fe质的载体之一，其成因类型是研究矿床成因的重要内容，也是关键的突破口之一；气成-热液成矿期是拉拉IOCG矿床铁-铜富矿石主要产出期；据此，本文选择拉拉IOCG矿床中气成-热液成矿期磁铁矿进行电子探针分析，讨论其元素地球化学特征及成因信息，并探讨磁铁矿结晶作用与Cu-Au硫化物成矿的联系。

1 矿床地质特征

拉拉Fe-Cu多金属矿床是扬子地块西缘典型的铁氧化物-铜-金(IOCG)矿床[8-11]。矿区主要出露有古元古代末期河口群绿片岩相-低角闪岩相变质火山-沉积岩、中元古代末期会理群低绿片岩相变质火山-沉积岩、新元古代辉绿岩和辉长岩基性岩脉以及第四系(图1)。河口群(Pt1Hk)由下至上包括长冲组、落凼组和大营山组，其中拉拉IOCG矿床赋存于落凼组中(图2)；落凼组主要为(石榴石)黑云母片岩、黑云母钠长片岩、钠长石变粒岩、结晶大理岩、(磁铁矿±石英)钠长石岩及钠长石角砾岩。

图1 拉拉IOCG矿区区域地质及矿产分布图(底图据文献[11])Fig.1 Regional geology and mineral distribution map of Lala IOCG mining area[11]1—第四系 2—震旦系至显生宙 3—会理群 4—河口群长冲组 5—河口群落凼组 6—河口群大营山 7—花岗斑岩侵入体 8—辉长岩侵入体 9—地质界线 10—断层 11—矿体 12—采矿点

图2 河口群地层柱状图Fig.2 Histogram of the Hekou Group

拉拉铜矿自西向东分为落凼、落东和石龙3个矿区；矿区的构造主要为EW向和SN向，EW向的F1断层切错落东矿体，西端北西侧为落凼矿体，东端南东侧为石龙矿体，SN向的F29和F13断层限制了F1断层的延伸，分别构成了矿区的东西边界(图1)。矿区北部有河口复式背斜南翼的轴向约NE20°的双狮拜象背斜，其南部由一系列小型背斜和向斜组成。矿体呈层状、似层状、透镜状产出；矿石类型有黑云母片岩型、黑云母钠长片岩型、钠长石变粒岩型、磁铁石英钠长岩型、钠长岩型、富萤石气液角砾岩型以及热液脉型；矿石构造主要为条带状、浸染状、块状、角砾状及脉状。

前人研究表明，拉拉IOCG矿床经历了火山-沉积成矿期、变质成矿期、气成-热液成矿期和热液成矿期四期成矿作用(表1)，其中气成-热液成矿期(～1097 Ma～907 Ma)为矿床的主要成矿期，亦即磁铁矿+黄铜矿富矿石主要产出时期，以大量辉钼矿+萤石热液组合出现为标志，发生广泛白云母化、钠长石化、碳酸盐化和绿泥石化等交代蚀变作用，碳酸盐矿物交代钠长石呈碎布状或筛状，早期的片理已不清晰，矿石中残留一些早期矿物的残片或矿石的碎块，呈角砾状分布[11]。

表1 拉拉IOCG矿床矿物生成顺序简表[11]Table 1 The paragenetic sequence of minerals in Lala IOCG deposit[11]

2 样品与分析方法

2.1 拉拉IOCG矿床中磁铁矿岩相学特征

根据手标本及显微镜下矿相学观察，拉拉IOCG矿床气成-热液成矿期粗粒自形晶磁铁矿[Mt(Ⅳ)]，产出于磁铁石英钠长岩型富矿石中，呈稠密浸染状分布(图3a)，Mt(Ⅳ)呈粗粒的自形的八面体单晶或集合体产出，与热液黄铜矿、辉钼矿、石英和磷灰石共生，粒径为0.5～6 mm，铁黑色，半金属光泽(图3b)。

图3 拉拉IOCG矿床中气成-热液成矿期磁铁矿手标本及矿相显微照片Fig.3 Hand specimen and micrograph of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit(a)块状磁铁石英钠长岩型黄铜矿矿石，磁铁矿Mt(Ⅳ)呈粗大的单颗粒自形—半自形晶或集合体，黄铜矿浸染状分布；(b)粗粒自半形晶和自形晶集合体状磁铁矿Mt(IV)，与石英、钠长石和黄铜矿共生。Ab—钠长石 Ccp—黄铜矿 Mt—磁铁矿 Qz—石英

2.2 磁铁矿电子探针分析方法

在矿相学显微镜下圈定光薄片中气成-热液成矿期磁铁矿进行电子探针成分分析测试。分析工作在中国地质调查局矿产综合利用研究所电子探针实验室完成，测试仪器为EPMA-1720型电子探针仪，工作条件：加速电压15 kV，电流20 nA，束斑直径5 μm；采用ZAF3法校正数据。分析精度为0.01%，误差范围小于2%。分析结果见表2。

3 分析结果

根据电子探针分析结果(表2)，可将拉拉IOCG矿床中气成-热液成矿期磁铁矿的元素组成分为主要成分和次要成分两类。磁铁矿的主要成分为TFeO，w(TFeO)变化于91.326%～92.541%之间，平均91.883%，占总成分的99.2%。次要成分包括Al2O3、CaO、MgO、TiO2、SiO2、Ga2O3、MnO、V2O5、Cr2O3和NiO，次要成分总量占成分总和的0.008%。

表2 拉拉IOCG矿床磁铁矿电子探针成分特征Table 2 Electron probe composition of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit

4 讨论

4.1 磁铁矿的晶体化学式

矿物的晶体化学式，除了能表示矿物化学组分的种类和数量比外，还能反映矿物中原子的结合情况，是矿物中各元素特征的直接显示。要反映磁铁矿的晶体化学特征，首先需对磁铁矿晶体化学式进行计算，但由于电子探针分析不能分辨Fe的价态，所以要计算磁铁矿的晶体化学式，首先要计算磁铁矿中FeO和Fe2O3的含量。

磁铁矿化学通式为AB2O4[12]，因知其Fe3+的存在形式，故直接采用电价平衡和质量守恒方法进行理想化学配比法计算其中FeO和Fe2O3的含量；以磁铁矿化学式中的阳离子总数保持不变、阳离子的正电荷与阴离子负电荷始终相等为基础，近似地计算矿物中不同价态Fe离子的比例和各自的相对含量，计算结果见表2。

由表2可见，磁铁矿经调整后的w[(FeO*)+(Fe2O3*)] 约占总量的99%，且有n(FeO*)：n(Fe2O3*)≈1∶1(n为摩尔数)，表明其为典型磁铁矿。

本文采用氧原子计算法来进行磁铁矿中阳离子在单位晶胞中的数量，从而进行磁铁矿晶体化学式的相关计算。该方法的理论基础是已知矿物成分通式，且矿物单位晶胞中所含的氧原子数是固定不变的，它不以阳离子的类质同像替代而改变。拉拉IOCG矿床中磁铁矿晶体化学式计算结果见表3。

表3 拉拉IOCG矿床中气成-热液成矿期磁铁矿晶体化学式计算结果Table 3 Crystal chemical formula of magnetite of gas-hydrothermal mineralization phase in Lala IOCG deposit

4.2 磁铁矿的成因

气成-热液成矿期磁铁矿(Ⅳ)中w(V)为319.451×10-6～879.891×10-6(平均559.039×10-6)，w(Ti)为126×10-6～2148×10-6(平均690.75×10-6)，SiO2含量低(平均0.1%)(表2)，均显示其具有典型热液成因磁铁矿特征[2，13]；各成分含量与绿片岩相区域变质矿床中热液磁铁矿组成相似[1](表2)。

同位素研究表明，与气成-热液成矿期磁铁(Ⅳ)矿平衡的流体的δ18Ofluid值介于8.8‰～11.7‰之间[10]，与澳大利亚的Starra、Ernest Hery及Olympic Dam矿床中同阶段磁铁矿流体特征一致，可能为岩浆水来源[14-15]；而充填气成-热液成矿期磁铁矿(Ⅳ)粒间空隙或交代磁铁矿(Ⅳ)的他形黄铜矿(Ⅳ)的δ34S值变化于-3.2‰～+3.2‰之间，平均约为0.1‰，表明了岩浆硫的贡献占主导[10]；说明Mt(Ⅳ)为岩浆热液成因磁铁矿。

Dupuis and Beaudoin(2011)通过对世界上不同成因类型矿床中磁铁矿和赤铁矿的测试总结研究，建立了针对各种类型矿床的磁铁矿-赤铁矿成因分类的图解[5](图4)，认为该图解能很好的区分IOCG型、矽卡岩型、斑岩型、Kiruna型、BIF型和钒钛-铁型矿床中磁铁矿。将气成-热液成矿期磁铁矿(Ⅳ)相应成分投在图4中，Mt(Ⅳ)绝大多数则投在了IOCG型磁铁矿区域，表明其应为岩浆/热液成因IOCG型磁铁矿。

图4 磁铁矿(Ca+Al+Mn)-(Ti+V)成因分类图解 (底图据文献[5])Fig.4 Genesis classification diagram of (Ca+Al+Mn) -(Ti+V) of magnetite[5]

林师整(1982)根据3000多个磁铁矿化学成分数据建立了TiO2- Al2O3- (MgO+ MnO) 磁铁矿成因三角图解[3](图5)，将磁铁矿成因分为6种：侵入岩中副矿物型及岩浆型、火山岩型、接触交代型、矽卡岩型和沉积变质型；并提出自然界产出的磁铁矿从内生作用到外生作用，从岩浆阶段到岩浆期后阶段，总是由富Ti向相对富Mg、Mn演化，而这种规律同时也表明矿物在各种地质作用中具有一定的发展继承关系。将拉拉IOCG矿床中气成-热液成矿期磁铁矿(Ⅳ)的相应成分投在该图中，可见数据点几乎都不在既定的6种磁铁矿成因区域内，可见IOCG型矿床中磁铁矿成因类型在该图解中尚为空白，基于前述研究结论，笔者在此将图解中Ⅶ区域定义为为岩浆-热液成因IOCG型磁铁矿(图5)。