桂北地区寨滚锡多金属矿区闪长玢岩的矿物学特征及其地质意义

2021-10-21崔安民覃小锋王宗起马收先宫江华

矿产与地质 2021年4期

崔安民，覃小锋，王宗起，马收先，宫江华，李东

(1.桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006；2. 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西桂林 541006；3. 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037)

0 引言

前人大量的研究结果表明，世界上大多数的锡矿化都是与富Sn、F、B、Li和Cs的S型花岗岩有关[1]，与锡成矿有关的S型花岗岩在成岩过程中能够分异出富Sn的成矿流体[2]。而自20世纪80年代以来的研究发现，岩石圈拆沉和幔源岩浆底侵过程中的壳-幔相互作用，对富Sn花岗岩及其成矿作用有重要的控制作用[3-4]；一些锡多金属矿表面上与幔源岩浆活动没有直接联系，但其对含锡花岗岩的形成甚至对锡的富集和成矿都具有重要的贡献，有些锡矿床甚至是海底喷流沉积或基性火山喷发作用的直接产物[5]。近年来，有关华南地区锡成矿作用与中生代大规模岩浆活动关系的研究结果表明，中国东南部锡多金属矿床与俯冲期间地幔楔熔融、玄武质岩浆底侵提供热量而引起中下地壳熔融产生的长英质岩浆关系密切[6]；对个旧锡矿区中伴随花岗岩出露的同时代中基性、碱性岩的研究结果亦表明，幔源岩浆对于成矿至少在提供能量方面也可能在成矿物质上有重要的贡献[7]。纵观国内外许多锡矿区，除了发育花岗岩以外，矿区一般都还发育有锡含量比较高的基性岩或超基性岩，如英国康沃尔锡矿，澳大利亚的塔斯马尼亚西部锡矿，我国云南个旧锡矿，广西桂北九毛、宝坛锡矿，四川岔河、轳轱锡矿等[8]。因此，研究锡矿床及其周边伴随出露的源自地幔的中—基性岩浆活动，对揭示壳-幔相互作用及对锡矿有关花岗岩的形成均具有重要意义。

桂北宝坛地区是我国南方较重要的锡多金属矿集区之一，20世纪七八十年代以来，在该区内已发现包括一洞、沙坪和九毛等大型矿床在内的锡多金属矿产地二十多处[9-11]。其中寨滚锡多金属矿床(或称之为田蓬锡多金属矿床)位于桂北宝坛乡境内的田蓬花岗岩体外接触带，近年来对该矿床的地质勘查发现了17个锡矿体，估算锡资源量(333+334)为X.XXX万吨，达中—大型远景规模[12]；而笔者在参与中国地质调查局“重要矿种关键问题调查与矿产地质专题填图试点(DD20160124)”项目研究过程中发现，寨滚锡多金属矿床的矿体主要围岩为中—基性杂岩体以及四堡群文通组和鱼西组[13]。前人对与锡多金属矿有关的田蓬花岗岩体已作了大量的研究工作，但对锡多金属矿体的主要围岩——中—基性杂岩体的研究较少。

因此，本文在对寨滚锡多金属矿区及其中的中基性杂岩体进行详细的野外地质观察和岩相学研究基础上，重点对该杂岩体中闪长玢岩的矿物学和矿物地球化学特征进行研究，以确定该杂岩体岩浆侵位前的深部温压环境及岩石成因，进一步揭示其壳-幔相互作用特征，为本区锡多金属矿床的成因研究提供岩石学依据。

1 区域地质概况及岩石学特征

1.1 区域地质概况

研究区位于桂北罗城县宝坛乡和环江县东兴镇交界处，大地构造上位于华夏板块与扬子板块拼接处的扬子板块东南缘、江南造山带的西南端(图1)。研究区出露的地层有新元古界四堡群和丹洲群、南华系以及少量上古生界泥盆系(图2)，四堡群与丹洲群呈角度不整合接触关系。其中出露的地层由老至新依次为新元古界四堡群文通组(Pt3y)和鱼西组(Pt3w)两个组，新元古界丹洲群白竹组(Pt3b)、合桐组(Pt3h)和拱洞组(Pt3g)三个组，南华系长安组(Nhc)、富禄组(Nhf)和黎家坡组(Nhl)三个组以及泥盆系(D)。

图1 华南地区大地构造位置(据文献[15]修改)

区内地质构造演化异常复杂，经历了四堡、雪峰、加里东、印支等多期次构造运动的改造，褶皱、断裂等各类型构造形迹十分发育。其中褶皱主要是受到SN向应力作用形成，并在研究区内形成一个近EW向大型复式背斜，背斜核部在汝则—鸡洞湾一带。断裂构造以近SN向的池洞(F1)深大断裂为主，还发育有NNE—NE向、NW—NWW向和近SN向三组次级断裂，其中部分NNE—NE向和NW—NWW向次级断裂穿过田蓬和寨滚花岗岩体，说明对花岗岩体和锡多金属矿床的形成起到重要的控制作用[14]。区内岩浆活动也十分强烈，形成了分布广泛的超镁铁质-镁铁质喷出岩和超镁铁质-酸性侵入岩，其中本区广泛发育的Co、Ni、Cu、PGE矿床成矿系列与新元古代变质镁铁质-超镁铁质层状杂岩体具有密切有关系，而Sn、Pb、Cu、Sb、Zn、W、U、Au等多金属矿床成矿系列则与中酸性侵入岩密切相关[9-11]。

1.2 岩石学特征

寨滚锡多金属矿床位于罗城县宝坛乡寨滚村东北方向2 km河沟旁，出露于田蓬花岗岩体外接触带中，其围岩便是本文所研究的中—基性杂岩体(图2)。

图2 桂北寨滚矿区区域地质简图(据文献[16]修改)

详细的野外地质调查表明，中—基性杂岩体受微弱的变形变质作用改造，以小岩株和岩脉的形式侵位于四堡群文通组或鱼西组中，出露面积大于3 km2。岩性主要由(辉长)辉绿岩-辉绿玢岩和闪长(玢)岩组成，以闪长玢岩为主，露头上可见(辉长)辉绿岩-辉绿玢岩和闪长玢岩呈渐变过渡关系(图3a、3b)，且闪长(玢)岩中往往含有许多的自形程度较好的呈长柱状、针柱状的角闪石矿物(图3b)，而与围岩呈明显的侵入接触关系(图3c、3d)，由此从地质上说明闪长玢岩与(辉长)辉绿岩-辉绿玢岩来自玄武岩浆的演化。(辉长)辉绿岩呈深灰色，具块状构造，(辉长)辉绿结构，主要由斜长石(10%～75%)、单斜辉石(10%～60%)及一定量的的角闪石、黑云母和Fe-Ti氧化物(钛、磁铁矿)等矿物组成。斜长石多呈自形—半自形板柱状，卡钠复合双晶发育，部分发生钠黝帘石化，多退变质为钠长石、黝帘石和绿帘石组成的微细粒集合体；单斜辉石呈半自形或他形柱状，多以普通辉石斑晶的形式出现，多退变质为阳起石、绿帘石和绿泥石。辉绿玢岩的矿物粒度明显细小，暗色矿物含量较少，具块状构造，斑状结构，基质具微晶质结构。斑晶成分主要为单斜辉石，部分发生较强烈的退变质，以假晶的形式存在；基质主要由微晶斜长石及少量量的暗色矿物组成；在蚀变相对较强烈部位的岩石中，常见钛铁矿、榍石和绿泥石、钠长石、绿帘石等呈细小的集合体状分布。闪长玢岩表面风化呈灰白色，新鲜面呈深灰色，且能清楚看到呈长条状的角闪石矿物，具块状构造，斑状结构，基质具微细粒结构。主要矿物成分有角闪石(50%～80%)、斜长石(8%～40%)、黑云母(5%～10%)和少量Fe-Ti氧化物(钛、磁铁矿)。斑晶为角闪石、斜长石和少量的黑云母。

角闪石斑晶一般具棕褐色—浅黄色多色性，呈较自形的长柱状、针柱状晶形，矿物粒度细小，粒径为1～2 mm，部分角闪石边部绿泥石化或绿帘石化；斜长石斑晶，呈较半自形的板柱状双晶，粒径为0.5～1 mm(图3e)，部分发生钠黝帘石化，多退变质为钠长石、黝帘石和绿帘石组成的微细粒集合体；黑云母斑晶主要为褐色、褐黄色，呈自形—半自形，片状结构聚集成团块状分布(图3f)。岩石基质主要由微细粒的角闪石和斜长石蚀变的钠长石、黝帘石、绿泥石和绿帘石组成，粒径一般大于0.1 mm。

图3 寨滚中基性杂岩体野外照片和闪长玢岩显微照片

2 样品采集及测试方法

由于寨滚锡多金属矿区的中—基性杂岩体围岩中，闪长玢岩往往含有较多的角闪石、黑云母和斜长石等斑晶矿物，这些矿物对于确定岩浆侵位前的深部温压环境及岩石成因具有重要意义。因此，本次研究主要采集中—基性杂岩体中的闪长玢岩进行矿物化学研究。本次研究在寨滚锡多金属矿床的中—基性杂岩体中总共采集了10个新鲜的(辉长)辉绿岩和闪长玢岩样品进行了全岩主量元素分析，所采集的样品均较新鲜，未蚀变或者受蚀变较弱。分析测试工作在中国科学院贵阳地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室的PW4400型X射线荧光光谱仪(XRF)上采用熔片法完成，分析精度优于2%，测试结果见表1。测试使用的电子探针片是在广西壮族自治区区域地质调查院完成。电子探针片磨制完成后对探针片上的角闪石、黑云母和斜长石进行矿物化学成分分析测试，分析测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成，实验仪器型号为JEOLJXA-8230型电子探针，分析测试条件为电流20 nA，加速电压15 kV，束斑直径为5 μm，修正方法采用EPMA常用理论修正法ZAF定量分析程序，后期测试结果用geokit进行计算。分析结果见表2、表3、表4。

表1 桂北寨滚矿区中基性杂岩体岩石主量元素分析结果

表2 闪长玢岩中角闪石电子探针分析结果

表3 闪长玢岩中斜长石电子探针分析结果

表4 闪长玢岩中黑云母电子探针分析结果

3 全岩主量元素地球化学特征

4 矿物地球化学特征

4.1 角闪石

寨滚中—基性杂岩体中闪长玢岩的角闪石主要是斑晶形式存在，一般具棕褐色—浅黄色多色性，晶形呈较自形的长柱状、针柱状晶形(图3b)。角闪石矿物的电子探针分析结果见表2。由表2可见，角闪石中w(SiO2)为45.60%～50.14%，w(Al2O3)为9.08%～12.99%，w(FeO)为13.34%～16.74%，w(MgO)为11.05%～13.14%，w(Na2O)为0.3%～0.45%，w(K2O)为0.13%～0.3%，w(CaO)为12.17%～19.82%，整体表现出富Fe、Mg和Ca，贫K、Na，低Ti、Al的特征。在角闪石的分类图解[19]中，样品的投点全部落入镁普通角闪石区域内(图5a)；在陈光远等[20]提出的Mg - (Fe2++Fe3+) -(Li-Na-K-Ca)角闪石族矿物成因三角图解(图5b)中，样品的投点全部落入中—酸性成因区，表明这些角闪石为中—酸性岩浆结晶形成的产物。

图5 闪长玢岩角闪石分类图解(a)[19]和Mg - (Fe2++Fe3+) -(Li-Na-K-Ca) 角闪石族矿物成因三角图解(b)[20]

4.2 斜长石

寨滚中—基性杂岩体中闪长玢岩的斜长石斑晶呈半自形板柱状零星分布于岩石中(图3e)。选取其中6个未蚀变的斜长石进行了电子探针成分分析(表3)。由表3可见，斜长石的主要成分：w(SiO2)为63.29%～66.67%，w(Al2O3)为22.26%～23.88%，w(Na2O)为6.51%～10.21%，w(FeO)为0.10%～0.57%，w(CaO)为3.94%～5.09%。通过计算获得斜长石的端员组分Ab为71.85%～81.93%，An为17.46～27.31%，Or为0.56～6.15%。在长石分类图解[21]中投影，所有样品的投点均落在更长石区域内，全部属于斜长石区域(图6)，斜长石An值偏低，可能是岩浆含水量增加的结果。

图6 闪长玢岩长石An-Ab-Or分类图解[21]

4.3 黑云母

寨滚中—基性杂岩体中闪长玢岩的黑云母斑晶主要为褐色或褐黄色，呈自形—半自形鳞片状聚集成团块状分布(图3f)，粒径为0.3～0.5 mm，部分黑云母边部具绿泥石化或绿帘石化现象。黑云母电子探针成分分析结果表明(表4)，其主要成分：w(SiO2)为36.55%～37.03%，w(Al2O3)为15.34%～16.61%，w(MnO)为0.26%～0.37%，w(MgO)为10.63%～12.47%，w(FeO)为19.78%～21.11%，w(CaO)为0～0.07%，w(Na2O)为0.10%～0.26%，w(TiO2)为0.78%～0.95%，Mg#在0.48～0.54之间，整体表现出富Fe、Mg和Al，贫Ti、Na和Ca的特征。在黑云母 Mg - (AlⅥ+Fe3++Ti)- (Fe2++Mn) 分类图解[22]中，投点全部落在镁质黑云母区域内(图7a)。在 (Fe3++Ti+AlⅥ) - (Fe2++Mn) - Mg 图解[23]中，投点均落在原生黑云母区域内，表明其应属于岩浆成因的黑云母(图7b)。

图7 闪长玢岩黑云母 Mg - (AlⅥ+Fe3++Ti) - (Fe2++Mn) 分类图解(a)[22]和黑云母 (Fe3++Ti+ AlⅥ) - (Fe2++Mn) - Mg图解(b)[23]

5 讨论

5.1 岩浆物理化学条件

岩浆成岩过程中，角闪石和黑云母等矿物作为寨滚中—基性杂岩体中闪长玢岩的最主要造岩矿物，伴随结晶分异、同化混染和新岩浆的注入等会导致其物理化学条件(包括温度、压力和氧逸度等)发生显著改变，其物理化学条件的改变会影响到岩体的矿物成分和岩相分异等[24]。因此，造岩矿物的化学成分既可以指示其母岩浆的源区性质、岩石成因类型和形成的构造环境，同时还可以用来反演其岩浆结晶过程中的物理化学条件。

角闪石作为火成岩中常见的造岩矿物之一，由于其化学成分明显受到岩浆温度和压力等因素的影响，对于限定岩浆形成的温压条件具有重要的意义[25]。Holland et al.[26]最早提出了斜长石-角闪石两相矿物温度计，要求斜长石-角闪石符合An≤92，Si≤7.8的使用条件。本次所分析的斜长石(表2)均符合使用条件；角闪石的Si为6.56～6.91(表5)，符合使用条件，可以保证达到平衡。计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中岩浆成因角闪石的结晶温度为662℃～705℃(表5)。另外，Schmidt[27]提出了一个近水饱和固相线温度下角闪石全铝压力计：

P(×0.1GPa)=4.76×AlHbtot-3.01

(1)

根据式(1)计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中岩浆成因角闪石的结晶压力为0.40 GPa～0.70 GPa，对应的深度范围为13.16～23.17 km(表5)(以1 GPa=33 km估算)。

表5 角闪石-斜长石地质温度和角闪石全铝压力计算结果

同时Ridolfi et al.[25]通过对角闪石成分与氧逸度之间关系的研究，提出了根据角石分子式计算其结晶时的相对氧逸度(ΔNNO，NNO为镍-氧化镍缓冲剂)的公式：

ΔNNO=1.644×Mg*-4.01

(2)

其中：Mg*=Mg+Si/47-AlVI/9-1.3×TiIV+Fe3+/3.7+Fe2+/5.2-BCa/20-ANa/2.8+A[空位]/9.5。

采用式(2)计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中除角闪石(Hb-2)外，其他角闪石结晶时的相对氧逸度变化范围在ΔNNO=+0.33～+0.95之间(表2)，由此可以认为，角闪石形成时的环境为13.16～23.17 km的高等氧逸度环境。实验研究结果表明，角闪石等镁铁质硅酸盐矿物Fe2+/(Fe2++Mg)比值对氧逸度(fO2)的变化非常敏感，其在特定的温度条件下与氧逸度成函数关系[28]，从AlIV- Fe2+/(Fe2++Mg)图解(图8a)中可以看出，角闪石的投点主要落在高等氧逸度范围内，这与氧逸度计算结果是一致的。

图8 闪长玢岩角闪石AlIV - Fe2+/(Fe2++Mg)图解成因判别(a)[28]和角闪石-黑云母矿物对Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)Hb - Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)Bt温度图解(b)[29]

王赛等[30]在对比前人多种地质温度计得出，利用角闪石-黑云母矿物对来计算黑云母的温度更加合理。通过计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中角闪石和黑云母的Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)含量，投图估算黑云母的结晶温度范围在550℃～650℃之间(图8b)。Uchida et al.[31]的研究结果表明，黑云母中的全铝含量与火成岩的固结压力具有良好的正相关关系，其经验公式为

P(×0.1GPa)=3.03×TAl-6.53(±0.33)

(3)

式(3)中的TAl为以22个氧原子为基础计算出的黑云母中铝阳离子总数。

利用式(3)计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中黑云母的结晶压力范围为0.18 GPa～0.26 GPa，对应的深度范围为5.95～8.45 km(表3)(以1 GPa=33 km估算)[32]。黑云母同等温度条件下从HM(Fe2O3-Fe3O4)缓冲线经NNO(Ni-NiO)缓冲线至FMQ(Fe2SiO4-SiO2-Fe3O4)缓冲线氧逸度系统具降低趋势。在Fe3+-Fe2+-Mg图解(图9a)中，寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中黑云母样品的投点均落在NNO(Ni-NiO)缓冲线之上的附近，说明黑云母形成时岩浆体系的氧逸度较高。黑云母的氧逸度是可以根据黑云母Fe3+、Fe2+和Mg2+和黑云母稳定度值[100×Fe2+/(Fe2++Mg2+)]进行估算[33]，并结合黑云母的数据投影到logfO2-T图解[34](图9b)来确定。通过计算获得寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中黑云母稳定度值[100×Fe2+/(Fe2++Mg2+)]在49～52之间，估算获得其对应的氧逸度绝对值(logfO2)在-12.0～-13.5之间，亦说明寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中的黑云母形成于高氧逸度环境。

图9 闪长玢岩黑云母图解(a)logfO2- T图解(b)[34]

5.2 岩浆源区性质及地质意义

前述矿物化学特征研究结果表明，寨滚中—基性杂岩体闪长玢岩中的角闪石和黑云母均属于岩浆结晶的产物(图5、图7)。姜常义[35]根据岩体中角闪石TiO2和Al2O3的含量关系，将岩体母岩浆的源区划分为壳源、幔源和壳幔混合源区三种类型，并认为幔源区角闪石的w(Al2O3)≥10%，Si/(Si+Ti+Al)值≤0.765，而壳源区角闪石的w(Al2O3)≤10%，Si/(Si+Ti+Al)值≥0.775。角闪石的矿物化学成分分析结果(表2)表明，寨滚中基性杂岩体中岩浆成因角闪石的w(Al2O3)和Si/(Si+Ti+Al)值的范围分别为9.08%～12.99%和0.757～0.777，介于幔源和壳源之间；将角闪石的TiO2和Al2O3成分投影到角闪石的TiO2- Al2O3成因分类图解(图10a)中，主要落在幔源区，部分落在壳幔混源区和幔源区分界线两侧。谢应雯[36]提出用Mg#值来区分岩浆的来源，幔源型Mg#>0.7，壳幔混源型0.715%] 和壳源黑云母含量 [w(MgO)<6%] 之间。根据上述黑云母成分特征表明，寨滚中基性杂岩体中闪长玢岩的岩浆主要来自于壳幔混合源。

图10 闪长玢岩角闪石(a)[35]和黑云母(b)[38]成因判别图解

综合上述结晶温压条件及其形成深度的估算结果可以看出，角闪石和黑云母的结晶温度分别是662℃～705℃和550℃～650℃；结晶压力范围分别为0.40 GPa～0.70 GPa和0.18 GPa～0.26 GPa，相对应的形成深度分别为13.16～23.17 km和5.95～8.45 km。结合前述根据角闪石和黑云母成分判别的岩浆源区性质表明，寨滚中—基性杂岩体的原生岩浆主要来源于幔源，幔源岩浆在上升底侵到地壳较深部位(13.16～23.17 km)时，部分角闪石开始结晶形成角闪石斑晶；同时，由于幔源岩浆温度较高，导致了地壳较深部位(下地壳)岩石发生部分熔融作用形成壳源性质的长英质岩浆，并与幔源岩浆发生壳-幔岩浆混合作用。随后，壳-幔岩浆混合作用形成的新岩浆较快速度上升到地壳浅部(5.95～8.45 km)发生冷凝结晶分异作用，并晶出黑云母和部分角闪石，最终形成现在的具壳幔混合性质的寨滚中—基性杂岩体。

寨滚锡多金属矿的主体形成于寨滚岩体内和田蓬花岗岩体的外接触带内，获得闪长玢岩加权平均年龄值为(842.9±3.9)Ma(MSWD=0.22)。众多学者曾采用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法对桂北宝坛地区广泛发育的岩浆岩做测试分析，其中Wang et al.[39]获得田蓬花岗岩体的同位素年龄为(794.2±8.1)Ma，Wang et al.[40]获得平英花岗岩体的形成年龄为(835±5)Ma；张世涛等[41]获得平英花岗岩岩体的形成年龄为(834.2±5.1)Ma，这与寨滚锡多金属矿中闪长玢岩年龄一致，认为该地区均为新元古代岩浆作用的产物，是Rodinia超大陆的聚合和裂解运动下形成的，也暗示桂北寨滚锡多金属矿是存在新元古代源自地幔的(中)基性岩浆活动，为探索壳-幔相互作用以及幔源物质对锡(钨)富集成矿作用的证据。