攀枝花铁矿床浅色辉长岩墙的成因及其地质意义

2022-06-23金廷福李佑国刘纯波

矿产与地质 2022年1期

罗伟，金廷福，李佑国，彭静，刘纯波，邱春

(1.遵义师范学院工学院，贵州遵义 563006； 2.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州毕节 551700；3.成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059； 4.常州机电职业技术学院，江苏常州 213164)

0 引言

位于峨眉山大火成岩省内带中段的攀枝花铁矿床，是我国乃至世界上著名的岩浆型铁矿床，其赋存有超过11亿吨的铁矿石[1]，是开展地幔柱演化与成矿、壳幔相互作用机理研究的天然实验室，也成为国内外研究的热点。前人围绕攀枝花铁矿床形成的构造背景[2-6]、成矿时代[7]、围岩混染的作用[8-11]、与矿区外围A型花岗岩、正长岩、粗面岩等碱性岩的关系[12-13]进行了大量研究，但对“攀枝花式铁矿床”的成因仍然存在较大的争议。

野外调查表明，攀枝花铁矿区内的浅色辉长岩墙为晚期贯入的，对其详细的研究尚未见报导。本文在详细野外地质调查的基础上，对浅色辉长岩墙的地质地球化学特征、主要组成矿物的组分特征进行了详细的研究，在此基础上，探讨了其成因及其地质意义，为攀枝花铁矿床的成因研究及进一步的找矿勘查提供依据。

1 地质概况

位于我国西南地区，扬子板块西缘、青藏高原东缘的峨眉山大火成岩省由峨眉山玄武岩、基性—超基性岩、花岗岩和碱性岩组成[14]，区内产出有大型—超大型富钒钛铁矿床 (以红格、攀枝花、太和、白马铁矿床为典型) 和中小型 Cu-Ni 硫化物矿床 (以力马河、金宝山Cu-Ni硫化物矿床为典型)。

攀枝花铁矿位于攀枝花—西昌地区中部，攀枝花市北侧，距离攀枝花市直线距离约6 km。致矿侵入体 (攀枝花岩体) 为一套镁铁质辉长岩侵入体，呈NE—SW向展布，长约20 km，宽约2 km，出露面积约40 km2，延深2～3 km。后期被NW向断裂切割，由北向南分为太阳湾、朱家包包、兰家火山、尖包包、倒马坎等矿段[15](图1)。

图1 攀枝花铁矿床地质简图[16]

攀枝花铁矿区内岩浆岩类型多样，主要有辉长岩类、角闪正长岩类、花岗岩类、岩墙类(浅色辉长岩墙)、脉岩类 (正长岩脉和花岗岩脉) 。攀枝花层状侵入体由微晶辉长岩 (分布于岩体底部)、中细粒辉长岩 (分布于岩体中部) 和中粒辉长岩 (分布于岩体顶部) 组成。矿区内存在似层状和脉状两种类型的铁矿体。似层状铁矿体中发育韵律式火成层理构造 (图2a)，脉状铁矿体既可贯入攀枝花岩体底部的围岩中，也可贯入层状辉长岩 (图2b) 和似层状铁矿体中。

矿区内浅色辉长岩墙主要分布在层状辉长岩侵入体的中上部，呈岩墙状斜切攀枝花层状辉长岩或近直立贯入脉状铁矿体 (图2b) 中，延伸一般数米至数十米，最长可达百余米，宽数厘米至数十厘米。

2 岩相学特征

浅色辉长岩墙由浅色辉长岩组成 (后文提到的浅色辉长岩无特别说明，均为此)。浅色辉长岩为灰白色，细—中粒结构、辉长结构，块状构造，主要由斜长石 (75%～85%) 和单斜辉石 (15%～20%) 组成，少量 Fe-Ti 氧化物 (3%～5%)、角闪石 (1%～2%) 和绿泥石 (<1%)。斜长石和单斜辉石呈半自形—自形，两者相互穿插，呈共结关系；Fe-Ti 氧化物呈他形粒状分布于单斜辉石、斜长石粒间；角闪石分布于 Fe-Ti 氧化物与单斜辉石、斜长石矿物之间，形成硅酸盐矿物的反应边结构；绿泥石为晚期蚀变矿物(图2c、2d)。矿物的形成先后关系：斜长石、单斜辉石→ Fe-Ti 氧化物、角闪石→绿泥石。

图2 攀枝花铁矿区铁矿体、浅色辉长岩墙野外及镜下特征

3 测试方法

采集了4件新鲜浅色辉长岩样品送西南冶金测试中心进行主量、微量和稀土元素分析。主量元素用X射线荧光光谱仪 (XRF，仪器型号为PW4400/40)测定，检出限为0.01%，分析精度优于5%。稀土及微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS，仪器型号为XSERIESⅡ) 测定，分析精度优于5%。

单斜辉石和斜长石电子探针分析在中国地质科学院矿产综合利用研究所完成，仪器为日本岛津公司生产的 EMPA-1720 型电子探针，仪器工作的加速电压为25 kV，电流为20 nA，电子束斑直径小于1 μm。

4 测试结果

4.1 全岩主量、微量元素

攀枝花铁矿区内浅色辉长岩墙中浅色辉长岩的主量、微量元素含量列于表1中。浅色辉长岩烧失量 (LOI) 较低 (2.52%～3.75%)，表明样品相对较为新鲜。w(SiO2) (46.47%～50.13%)、w(Al2O3) (19.05%～26.41%)、w(CaO) (8.34%～11.91%)、w(TiO2) (0.92%～2.09%)变化小。w(MgO) (0.46%～3.21%) 变化大，且含量较低，w(FeOT) (2.92%～8.62%)较高，因此具较低的Mg#值 [Mg2+/(Mg2++Fe2+)=22.08～40.95]。w(K2O) (0.42%～1.12%)

图3 浅色辉长岩SiO2 -(K2O+Na2O)图解(底图据文献[17])

从 MgO 对主要氧化物图解中(图4)可以看出，从辉长岩 (采自层状辉长岩体) →浅色辉长岩，随着 MgO 含量的降低，TiO2、FeOT、MnO、V2O5含量线性减低，而 SiO2、Na2O、K2O、Al2O3含量线性增加。P2O5含量变化大，可能反应了流体的作用。MgO 与 CaO 在辉长岩、浅色辉长岩中均呈负相关，但两者不具演化关系，这是因为辉长岩中辉石含量高，相应的其 CaO、MgO 含量较高。需要注意的是辉长岩和浅色辉长岩样品间氧化物含量存在间断，缺少过渡。

图4 浅色辉长岩、辉长岩(采自层状辉长岩体)MgO与主要氧化物Harker图解

表1 浅色辉长岩主量氧化物和微量元素分析结果

浅色辉长岩具相似的稀土元素配分曲线，样品球粒陨石标准化配分曲线与攀枝花铁矿区内层状辉长岩相似(图5a)。其稀土元素含量中等，∑REE值为 (41.73～68.0)×10-6；球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈轻稀土相对富集，重稀土相对亏损的右倾型 [(La/Yb)N比值7.3～14.26，图5a]；具明显的Eu正异常 (δEu=1.8～2.83)，反映斜长石的堆晶作用。

浅色辉长岩具相似的微量元素配分模式，样品的原始地幔标准化配分曲线与攀枝花铁矿区内层状辉长岩相似 (图5b)。微量元素中 Rb、Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 具明显的负异常，Ba、K、Sr、P 具明显的正异常 (图5b)。

图5 浅色辉长岩全岩球粒陨石标准化稀土元素配分图 (a，标准化值据[19])和原始地幔标准化微量元素蛛网图 (b，标准化值据[20])

4.2 矿物成分

4.2.1 单斜辉石

攀枝花铁矿区内浅色辉长岩中单斜辉石电子探针分析结果见表2，其端元组成为Wo42.45-43.44En40.32-42.46Fs13.86-15.64，属普通辉石 (图6)。与攀枝花铁矿区内层状辉长岩和微晶辉长岩中普通辉石的组分特征一致[21]。

表2 浅色辉长岩中单斜辉石电子探针分析结果

4.2.2 斜长石

攀枝花铁矿区内浅色辉长岩中斜长石电子探针分析结果见表3，其端元组成为An52.45-52.66Ab46.28-46.30Or1.05-1.27，属拉长石，其An值略低于攀枝花铁矿区内层状辉长岩中斜长石An值(An值为52.5～60)[23]。

表3 浅色辉长岩中斜长石电子探针分析结果

5 岩石成因

浅色辉长岩具典型的辉长结构，主要由斜长石 (75%～85%) 和单斜辉石 (15%～20%)组成；在侵入岩TAS分类图解上投到了辉长岩区 (图3)；斜长石An值52.45～52.66，为基性斜长石，单斜辉石为普通辉石。以上特征表明，浅色辉长岩为典型的辉长岩。

5.1 地壳混染

Neal等[24]的研究指出未受地壳混染的地幔柱成因玄武岩，其 [Th/Ta]N、[La/Nb]N值均小于1。研究的浅色辉长岩样品，其 [Th/Ta]N值为0.38～1.09，平均值为0.69，[La/Nb]N值为1.37～3.28，平均值为2.38，表明形成浅色辉长岩的岩浆受地壳的混染程度低。事实上，攀枝花铁矿区内铁矿石、中细粒辉长岩 (层状辉长岩体中采集的样品) 的 (87Sr/86Sr)i值为0.7043～0.7054，εNd(t) 值-0.61～3.71[9-10]，表明结晶形成攀枝花辉长岩体、矿体的岩浆，其地壳混染程度也较低。攀枝花矿区内层状辉长岩体、矿体、浅色辉长岩地壳混染程度较低可能是岩浆沿先存岩浆通道快速上升的结果，而先存岩浆通道是玄武质岩浆溢出地表(形成峨眉山溢流玄武岩)的过程中形成的。

5.2 分离结晶作用

浅色辉长岩 Mg#值为22～41，远低于未分异原始岩浆的 Mg#值(60～71)[25]，表明结晶形成浅色辉长岩的岩浆经历了一定程度的分异。浅色辉长样品中 (图4)，随着 MgO 含量的增加，TiO2、FeOT、MnO、V2O5含量线性增加，而 SiO2、Na2O、K2O、Al2O3含量线性降低，表明橄榄石、Fe-Ti 氧化物、单斜辉石的结晶分异。δEu、Sr 的正异常 (图5) 表明斜长石的堆晶作用。高场强元素 Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 的负异常表明 Fe-Ti 氧化物的分离结晶作用，因为 Th、U、Nb、Ta、Zr、Hf 等高场强元素倾向于富集在 Fe-Ti 氧化物中[26]。

图6 浅色辉长岩中单斜辉石分类与命名图解(底图据文献[22])

浅色辉长岩中w(TiO2)为0.92%～2.09%，平均值为1.54%，接近洋岛玄武岩中TiO2值(1.20%)[27]；其微量、稀土元素特征与洋岛玄武岩类似；在 Ta/Hf - Th/Hf 图解上 (图7)，样品大部分投在了地幔热柱玄武岩区(Ⅴ区)，1件样品由于其Ta/Hf比值低，投到了陆内裂谷碱性玄武岩区 (Ⅳ2)，其 [La/Nb]N值为3.28，[Th/Ta]N值为1.09，表明其可能是受到轻微地壳混染的。以上特征表明，攀枝花铁矿区内浅色辉长岩墙为峨眉山地幔柱的产物。

Zr/Y、Zr/Nb 比值是判别地幔源区类型的有效指针，富集地幔的 Zr/Y 比值通常小于18，而亏损地幔 Zr/Nb 比值通常大于18[29]。攀枝花铁矿区内浅色辉长岩的 Zr/Y 比值为1.44～5.08，平均值为3.02，Zr/Nb 比值为3.9～8.4，平均值为4.9，具富集地幔的特征。

图7 浅色辉长岩 Ta/Hf - Th/Hf 图解(底图据[28])

综上，认为攀枝花铁矿区内浅色辉长岩墙为富集地幔部分熔融形成的初始岩浆，在深部岩浆房内或上侵途中经低程度地壳混染及分离结晶作用形成的进化岩浆结晶形成的，为峨眉山地幔柱的产物。

6 地质意义

Zhou等[7]的研究表明攀枝花铁矿床形成于二叠纪末期(约260 Ma)，是峨眉山地幔柱内高钛玄武质岩浆演化的产物。然而，对攀枝花铁矿床形成的结束时限尚存在争议。攀枝花矿区内浅色辉长岩墙既可贯入层状辉长岩体中，也可近直立贯入脉状铁矿体中，而脉状铁矿又穿插韵律式层状辉长岩体(图2b)、似层状铁矿[18]，表明浅色辉长岩墙侵位既晚于层状辉长岩体、似层状铁矿体，也晚于脉状铁矿体[30]，因此，浅色辉长岩墙的侵位可能代表了攀枝花铁矿区内成矿作用的结束。

在 MgO 对主要氧化物图解 (图4) 中可以看出，从层状辉长岩→浅色辉长岩，随着MgO 含量的降低，亲铁组分 (TiO2、FeOT、MnO、V2O5) 含量线性降低，亲石组分 (SiO2、Na2O、K2O、Al2O3) 含量线性增加；层状辉长岩、浅色辉长岩具相似的稀土元素球粒陨石标准化配分型式图、微量元素蛛网图 (图5)。以上特征表明，层状辉长岩体和浅色辉长岩墙为同源岩浆演化的产物，但两者之间存在明显的组分间断，表明两者可能不是演化关系。前人的研究表明，二叠纪末期，峨眉山地幔柱活动过程中有大量深部富水流体的参与，这种富水流体的作用是形成攀西地区超大型铁钛氧化物矿床的关键[18，30]。浅色辉长岩中角闪石 (图2c、图2d) 也是富水岩浆结晶的结果。因此，浅色辉长岩墙可能也是深部流体与深部岩浆房内岩浆相互作用的结果。流体的注入可能导致了攀西地区深部岩浆房内玄武质岩浆的液态不混熔，形成了富硅、贫铁钛组分熔体和富铁、钛组分熔体[18]。富铁、钛组分熔体由于密度大，逐渐下沉到岩浆房的底部，稍晚贯入的深部富水流体，与其相互作用，形成了富水、富铁钛熔体-流体流，贯入到层状辉长岩体中，形成脉状富铁矿体。位于深部岩浆房上部的富硅、贫铁钛熔体稍晚贯入层状辉长岩体及脉状铁矿体中，形成了浅色辉长岩墙。