湘南黄沙坪矽卡岩型矿床石榴子石主量元素地球化学特征

2022-12-20任建星欧阳兰戴云龙

南昌工程学院学报 2022年3期

唐春，任建星，欧阳兰，戴云龙

(1.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌 330099；2.湖北省城建设计院股份有限公司，湖北武汉 430051)

金属矿床是矿产资源的主要来源之一，对其进行成因研究及开发利用对国民经济的发展具有重要意义[1-2]。矽卡岩型矿床是世界重要的金属矿床类型之一[3]。该类型矿床中的钨元素占世界的45%，中国的61%，钼元素占世界的10%，中国的23%。这些金属资源是国民经济发展的重要支柱，加强矽卡岩型多金属矿床的研究对完善成矿理论及实际应用找矿勘探工作具有双重意义[4]。黄沙坪矽卡岩钨钼多金属矿床位于湖南省桂阳县，已探明钨、钼矿石储量分别为743.1万t(WO3品位为0.28%)和568万t(Mo品位为0.07%)[5]。累计生产铅锌金属上百万t，现处于资源危机状态。为此，对该矿床的成矿规律和成矿机制的进一步了解，可更好地为深部和边部隐伏矿体的找矿工作服务。

近年来，学者们对黄沙坪矿床的成岩成矿地质条件[6-7]、成岩成矿时代[8-9]、成矿物质来源和成矿流体特征[10-13]等方面开展了大量的研究工作，认为黄沙坪多金属矿床与矿区花岗质岩体具有密切的时间、空间及成因联系，二者应为同一构造背景下形成的产物。该矿床与湘南同时代的其他钨锡多金属矿床具有相同的地球动力学背景；这种构造背景可能与中—晚侏罗世活动的Farallon-Izanagi洋岭和转换断层俯冲触发作用导致的陆内发生转换拉伸，软流圈地幔上涌及发生壳—幔相互作用密切相关[14]。黄沙坪矿区由于花岗质岩体在演化过程中形成的岩体具有不同的地球化学组成[15]，在结晶分异过程中形成了W-Mo-Pb-Zn成矿流体系统。深部岩浆所形成的超临界成矿流体在上升过程中不断与围岩相互作用，并萃取其中的成矿物质。成矿流体从深部向上运移过程中，与矿区石磴子组地层发生水岩交换反应，在二者的接触带形成高温高盐度的矽卡岩型钨钼矿体。石榴子石是黄沙坪矿床矽卡岩中重要的脉石矿物之一，对其进行化学组成研究有助于了解岩浆热液流体的特征及演化，为深入理解该矽卡岩型矿床的成因提供证据。

1 区域及矿床地质特征

湘南地区构造单元由基底和盖层组成。基底由在加里东期经历强烈褶皱变形、变质作用的震旦系—志留系地槽沉积相构成。盖层属地台型沉积建造，主要由泥盆系—石炭系碳酸盐岩类岩石构成。燕山期、喜山期构造层小规模出露，主要沿中、新生代断裂分布[16-17]。

黄沙坪矿床出露地层主要为泥盆系和石炭系地层，其中，石炭系石磴子组(C1s)灰岩是矿区主要的赋矿围岩。该地层性质活泼，成矿元素含量高，具备矿源层特征。石蹬子组灰岩和上覆的测水组为碎屑岩地层构成了容矿层和遮挡层的紧密组合，所形成的容矿空间使成矿物质大量地聚集、封存。矿区构造主体为印支期和燕山期所形成的褶皱—冲断构造，形成轴向NNE向的倒转背斜、倒转向斜及逆冲断层，其次为走向NE、NW和近EW向等方向的断层，岩浆岩沿褶皱核部和断裂侵入[18]。

矽卡岩型钨钼多金属具有典型的矽卡岩矿物组合，分布于酸性侵入岩(主要为花岗斑岩、石英斑岩和花斑岩)与碳酸盐岩类(主要为石磴子组灰岩)的接触带及其附近。矽卡岩带为复杂矽卡岩，岩浆期后热液交代了原有的简单矽卡岩矿物(如石榴子石等)。从内矽卡岩带到外矽卡岩带，矽卡岩成分具有差异，既有早期在较高温度下形成的磁铁矿化矽卡岩，也有近围岩中存在的代表低温退变质阶段形成的石英脉穿插在矽卡岩中[19]。矿化具有分带性，从岩体至围岩，分别为磁铁矿化、黄铁矿化和方铅矿化，反映了成矿温度从高温到低温的变化。从矽卡岩带到花岗斑岩可观察到与矽卡岩接触带附近的花岗岩普遍发生钾化，后期又有不同期次石英脉穿插，局部具有矿化现象，如方铅矿化。远离矽卡岩带的花岗斑岩没有钾化及矿化现象。

2 样品特征及分析方法

用于电子探针主量分析的石榴子石样品均采自于黄沙坪矿床不同中段的坑道内。石榴子石样品颜色呈不同程度的棕褐色、浅黄褐色(图1a)，常被白钨矿、辉钼矿、萤石、方解石等交代(图1b)。正交镜下主要呈现非均质性，石榴子石内部常表现为对角消光，而边部为环带消光，表明其具有一定的成分变化[20]。BSE图像中，样品HSP-44中的石榴子石具有明显的明暗条带(图1c)。样品HSP-77中的石榴子石边部环带结构清晰，而核部的环带不明显(图1d)。样品HSP-28和样品HSP-23中的石榴子石环带不明显，但蚀变明显(图1e～f)。

电子探针分析在中国科学院地球化学研究所电子探针实验室完成。将4个石榴子石矽卡岩样品磨成光薄片，表面喷上均匀的导电碳层，进行能谱扫描和电子探针X射线微区分析。所使用仪器为日本岛津公司生产的EPMA-1600型电子探针，该电子探针配有高稳定的电子光学系统、真空系统及高精度机械系统，EDAX公司生产的Genesis能谱仪以及波谱仪WDS。实验条件为：加速电压25 kV、束流4.5 nA，成分分析的束斑直径1μm。利用扫描背散射电子成像分析技术(BSE)对样品表面进行观察，选择打点位置进行分析。代表性样品HSP-44和HSP-77的分析结果见表1～2。

图1 黄沙坪矿床石榴子石显微照片

表1 黄沙坪矿床样品HSP-44石榴子石端元组分

表2 黄沙坪矿床样品HSP-77石榴子石端元组分

续表2

3 测试结果

电子探针分析结果显示石榴子石主要由钙铁榴石和钙铝榴石组成，含有少量的铁铝榴石和锰铝榴石(图2a)，与世界典型的矽卡岩型W、Mo、Cu、Pb、Zn矿床石榴子石组成相似(图2b)。钙铁榴石的质量分数介于21.34%～99.83%，钙铝榴石的质量分数介于0.14%～73.07%。其中，样品HSP-44中的石榴子石BSE图像具有明暗条带，端元组分主要为钙铁榴石(And)、钙铝榴石(Gro)组成，二者含量大于97%，其它端元组分小于3%。钙铁榴石含量介于52.48%～65.62%，钙铝榴石含量介于32.8%～45.46%，表明石榴子石成分以钙铁榴石为主。石榴子石不同环带的化学成分有所差异，表现为浅色环带的钙铁榴石含量明显高于两侧深色环带，而钙铝榴石则低于两侧深色环带。并且从石榴子石核部到边部，钙铁榴石粒径逐渐增大，而钙铝榴石则逐渐变小(图3)。样品HSP-77中的石榴子石在BSE图像中，石榴子石边部环带结构清晰，而核部的环带不明显。端元成分主要由钙铁榴石、钙铝榴石，含量分别介于29.98%～56.51%，41.76%～67.12%。石榴子石端元组成从核部至边部变化规律明显，核部以钙铝榴石为主，越往边部钙铁榴石含量越高，转变为以钙铁榴石为主。在环带发育的边部，浅色环带的钙铁榴石含量高于两侧深色条带。主量元素方面，由核部到边部，除FeO逐渐增高外，Mn、TiO2、MgO、Al2O3、CaO、F、SiO2均有下降趋势(图4)。样品HSP-28的石榴石环带不明显，端元组分主要为钙铝榴石，含量介于70.62%～73.07%，钙铁榴石含量介于21.34%～23.8%，从核部到边部含量变化不大。而样品HSP-23的石榴石主要由And组成，含量介于87.02%～99.83%，钙铝榴石含量则介于0.14%～11.49%。

图2 黄沙坪矿床石榴子石端元组分图

图3 石榴子石环带成分的变化图

图4 钙铝榴石(Gro)含量与F含量关系图

4 讨论

石榴子石是黄沙坪矿床中重要的造岩矿物，电子探针分析结果显示石榴子石主要由钙铁榴石和钙铝榴石组成，含有少量的铁铝榴石和锰铝榴石，与世界典型的矽卡岩型W、Mo、Cu、Pb、Zn矿床石榴子石组成相似[19]。钙铁榴石的质量分数介于21.34%～99.83%，钙铝榴石的质量分数介于0.14%～73.07%，石榴子石形成过程中钙铁榴石成分占主体且成分含量越来越大，说明流体处在强氧化环境中[22-23]。在变质或热液交代作用中形成的石榴子石常常具有振荡环带结构，而且不同环带之间的化学成分上具有明显的差别。在矽卡岩矿床中，这些具有振荡环带的石榴子石，环带的成分变化反映了水岩反应特征并能对热液流体的演化过程提供重要的信息。黄沙坪矿床的，边部环带比核部环带更发育。不同环带的化学组成具有一定的差异，最显著的差异表现为钙铁榴石和钙铝榴石含量的交替变化，而且这种成分的变化与背散射图像中石榴子石环带中的明暗环带变化一致，也与石榴子石中的FeO和Al2O3含量具有相反的变化趋势相对应。核部到边部的变化，反映了石榴子石从早期到晚期钙铁榴石含量越来越高，对应的钙铝榴石含量越来越低，并且明环带(较亮)相比于两边的暗环带(较暗)具有更高的钙铁榴石成分。虽然锰铝榴石和镁铝榴石含量较少，但MgO和MnO含量与钙铝榴石含量变化一致。而TiO2和FeO没有表现出明显的一致变化，表明Ti和Fe没发生明显的替代关系。另外石榴子石中具有一定的F含量，最高可达3.201%，随着钙铝榴石含量增高而变大(图4)，而F含量的高低与金属硫化物的沉淀具有直接、密切的联系。