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  中国地质 2017, Vol. 44 Issue (6): 1207-1233  
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王博林, 李文渊, 张照伟, 王亚磊, 尤敏鑫, 钱兵, 张志炳. 2017. 东天山香山中镁铁-超镁铁质岩体岩石学与矿物学特征:对成岩成矿过程的约束[J]. 中国地质, 44(6): 1207-1233.  
WANG Bolin, LI Wenyuan, ZHANG Zhaowei, WANG Yalei, YOU Minxin, QIAN Bing, ZHANG Zhibing. 2017. Petrological and mineralogical characteristics of the Xiangshanzhong maficultramafic intrusion in eastern Tianshan Mountains: Constrains on rockforming and ore-forming processes[J]. Geology in China, 44(6): 1207-1233. (in Chinese with English abstract).  

东天山香山中镁铁-超镁铁质岩体岩石学与矿物学特征:对成岩成矿过程的约束
王博林1,2, 李文渊1, 张照伟1, 王亚磊1, 尤敏鑫1, 钱兵1, 张志炳1,2    
1. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 香山中镁铁-超镁铁岩体产出于新疆东天山地区的黄山—镜儿泉镁铁-超镁铁岩带。主要的岩石类型为二辉橄榄岩、(含长)单辉橄榄岩、橄榄辉石岩及角闪辉长岩。矿物学特征显示,岩体造岩矿物的结晶顺序为铬尖晶石→橄榄石→斜方辉石→单斜辉石→斜长石→角闪石。电子探针分析显示,同一侵入期次中各岩相具有良好的过渡渐变关系,钻孔剖面上橄榄石含量与颗粒大小、单斜辉石的成分有随深度连续变化的特征,铬尖晶石则具有良好的Cr→Fe3+、Ti的演化趋势,由此反映岩体的形成主要受结晶分异作用的控制;含长单辉橄榄岩中橄榄石和单斜辉石成分的突然变化显示岩浆结晶过程中受到了地壳物质阶段性的混染;模拟计算表明,橄榄石分离结晶伴随着硫化物的熔离;钻孔ZK3693深度为295~325 m,含长单辉橄榄岩中橄榄石、斜长石、单颗粒单斜辉石成分突然性的变化指示在区间内有新鲜的基性程度更高的岩浆注入,而此区间内矿石的Cu、Ni品位明显高于区间外同一岩相岩体,说明新鲜岩浆的注入是香山中岩体硫化物富集的重要原因。
关键词: 东天山    香山    镁铁?超镁铁岩体    造岩矿物    结晶分异    地壳混染    岩浆注入    
中图分类号:P588.12            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2017)06-1207-27
Petrological and mineralogical characteristics of the Xiangshanzhong maficultramafic intrusion in eastern Tianshan Mountains: Constrains on rockforming and ore-forming processes
WANG Bolin1,2, LI Wenyuan1, ZHANG Zhaowei1, WANG Yalei1, YOU Minxin1, QIAN Bing1, ZHANG Zhibing1,2    
1. MLR Key Laboratory of Genesis and Exploriation of Magmatic Ore Deposits, Xi'an Center of Geological Survery, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. School of Earth Science and Resources, China University of Geoscience, Beijing 100083, China
Abstract: Mafic-ultramafic rocks in Xiangshan are located in Huangshan-Jingerquan mafic-ultramafic rock zone in east Tianshan Mountains, Xinjiang. The main rock types are iherzolite, (containing feldspar) clinopyroxene peridotite, olivine pyroxenite and hornblende gabbro. According to the mineralogical characteristics, the rock mineral crystallization sequence is in order of chrome spinel, olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, and angle amphibole. In the same period, the transition of the lithofacies in each stage of the invasion period has a good transition. The content of olivine in the drilling section and the composition of the particles and the composition of the particles in the drilling section vary with depth. The evolution of Cr→Fe3+, Ti in picotite is good. According to these features, the formation of the rock mass is mainly controlled by the crystallization differentiation. Abrupt change of olivine and the composition of the olivine in the (feldspar-bearing) clinopyroxene show the existence of crustal mixture in the process of magma crystallization. The simulation results show that the crystallization of olivine was accompanied by the melting of the sulfide. At the depths of 295-325 m in ZK3693 borehole, abrupt change of the composition of (feldspar-bearing) clinopyroxene in the olivine, plagioclase, single grain clino-feldspar and the Al→Cr evolution of the Cr spinel indicates that there is a higher basic level of magma injection in the interval. The Cu and Ni grades of the ore in this area are obviously higher than those of the same rock mass which is not in the interval. That injection of fresh magma is an important cause of the sulfide enrichment in Xiangshan.
Key words: East Tianshan Mountains    Xiangshan    mafic-ultramafic rock    rock-forming mineral    crystallization differentiation    crustal contamination    magma injection    

1 引言

东天山黄山—镜儿泉镁铁-超镁铁岩带是中国岩浆型铜镍硫化物矿床的重要产出地。目前, 在该岩带已发现镁铁-超镁铁岩体20余处, 大多分布于近东西向的康古尔—黄山断裂两侧, 其中的黄山、黄山东、图拉尔根岩体中的镍矿资源量已达大型规模, 香山、土墩及圪塔山口等岩体仍有较大的找矿潜力。最近在该岩带以西新发现了白鑫滩和路北两个含矿岩体, 显示岩带的西延部分也具有较好找矿前景。岩带及其西延部分的含硫化物镁铁-超镁铁岩体具有相似的岩石组合及地球化学特征(孙赫等, 2006, 2013; 钱壮志等, 2009; 傅飘儿等, 2009; Sun et al., 2013; Tang et al., 2013; 王亚磊等, 2015), 且形成时代都集中在270~300 Ma(秦克章等, 2002; 韩宝福等, 2004; 陈世平等, 2005; 顾连兴等, 2006; 三金柱等, 2010; 王亚磊等, 2015)。

香山中岩体产出于黄山—镜儿泉镁铁-超镁铁岩带中。前人对香山中岩体进行了大量研究工作并取得了诸多成果:成岩成矿年龄集中于278~283 Ma(李德东等, 2012); 母岩浆为高镁玄武质岩浆, 源区为受俯冲带物质影响的亏损地幔(夏明哲, 2009; 肖庆华等, 2010); 分离结晶和同化混染作用是导致硫饱和的重要因素(Tang et al., 2013; 肖凡等, 2013; 姜超等, 2014)。这些研究多是基于岩体年代学、岩石地球化学的研究工作, 而对于矿物学的系统研究则相对较少。镁铁-超镁铁岩中造岩矿物的结构和成分可反应岩浆房中演化的全过程(包括结晶分异、岩浆混合、同化混染等), 对其进行系统研究有利于探讨岩浆的演化过程及导致硫饱和、硫化物富集的原因(张招崇等, 2005; 吕林素等, 2013)。本文以香山中岩体主成矿期不同岩相中的造岩矿物为研究对象, 在系统的岩相分带及含矿性特征研究的基础上, 重点开展典型矿物的内部显微结构特征、矿物成分组成、粒径变化及矿物颗粒内部成分变化的研究, 结合前人岩石学及矿床学方面的研究成果, 探讨香山中岩体的岩浆性质、演化过程及导致硫饱和、硫化物富集的原因, 丰富矿床的形成过程, 并进一步对东天山地区岩浆铜镍矿床的形成机制提供有益的线索。

2 地质背景及岩体特征

东天山位于中亚造山带南缘, 以阿其克库都克—沙泉子断裂为界分为两个构造单元, 北部为觉罗塔格韧性剪切带, 南部为中天山地块(图 1)。黄山—镜儿泉镁铁-超镁铁岩带位于东天山造山带东段的觉罗塔格韧性剪切带内, 受康古尔—黄山与苦水两条深大断裂控制, 长约270 km, 宽20~30 km, 总体呈北东东向延伸。岩带内出露的地层主要为下石炭统雅满苏组(C1y)、干墩组(C1g)及中石炭统梧桐窝子组(C2w)的沉积或火山沉积建造。岩带内的含矿岩体具有规模小、多期多阶段侵位、岩相分带清楚、成群成带出现、普遍发育后期热液成矿作用的特点(顾连兴等, 1994; 秦克章等, 2002)。

图 1 新疆东天山区域地质及镁铁−超镁铁岩体分布简图(据Sun et al., 2013修改) Figure 1 Geological map showing regional geology and mafic−ultramafic complex distribution in East Tianshan Mountains (modified after Sun et al., 2013)

香山岩体产出于黄山—镜儿泉镁铁-超镁铁岩带西侧, 受控于北部香山断裂和南部黄山断裂(图 2a); 总体走向为北东58°, 断续延伸约10 km, 宽300~450 m, 出露面积约2.8 km2。岩体在平面上总体呈藕节状, 形成香山东岩体、香山中含铜镍岩体和香山西铜镍-钛铁复合岩体3个横剖面和纵剖面上形态都各异的膨胀体(夏明哲, 2009)。香山中岩体是香山杂岩体的中间部分, 也是主要含铜镍岩体; 其侵入于下石炭统雅满苏组(C1y)的云母石英片岩、流纹质凝灰岩、安山质凝灰岩、砾岩及炭质粉砂岩中, 与围岩界线清楚; 岩体呈北东向展布, 延伸约2.5 km, 宽50~400 m, 平面形态为中部膨大, 两侧狭缩的豌豆荚状(图 2b)。横剖面上, 近地表岩体向北倾伏, 在深度约250 m处开始逐渐转为南侵, 且北侧岩体较南侧岩体更陡, 倾角可达70°~80°(图 2c)。

图 2 香山中镁铁−超镁铁岩体地质简图(图a据竺国强等(1996)修改) Figure 2 Simplified geological map of Xiangshanzhong mafic−ultramafic intrusion (a: modified after Zhu et al., 1996)
3 岩石学特征

根据各岩相的穿插关系, 香山岩体可划分为3个侵入期次(王玉往等, 2009)。第1侵入期次主要为辉长岩相, 分布于岩体各个部分, 形成一系列近似环状的锥形裂隙带, 约占香山中岩体总面积的65%, 是香山中岩体的主体。该期次岩石类型以角闪辉长岩为主, 其次为蚀变辉长岩以及橄榄辉长岩。第2侵入期次主要为超镁铁岩相, 多呈脉状、透镜状分布于香山中岩体第1侵入期次辉长岩相的中部和南部, 约占香山中岩体总面积的30%, 是香山中岩体主要的赋矿岩相。岩石类型以(含长)单辉橄榄岩、角闪橄辉岩为主, 其次为二辉橄榄岩。第3侵入期次主要为钛铁辉长岩, 规模很小, 仅分布在香山西岩体以及香山中岩体部分地段, 呈脉状产于第1侵入期次辉长岩中(王玉往等, 2006)。

香山中镁铁-超镁铁岩体的岩石具有典型的镁铁-超镁铁质深成岩结构特征。其主要岩石类型特征如下:

二辉橄榄岩:岩石多为自形-半自形粒状结构、包橄结构、堆晶结构(图 3a)、反应边结构, 块状构造, 主要由橄榄石(40%~45%)、辉石(45%~50%)、角闪石(5%~10%)组成, 含少量铬尖晶石, 几乎不含长石。该类岩石蚀变较强, 橄榄石多沿裂理发生蛇纹石化, 有的甚至被蛇纹石完全交代, 仅保留假象; 也有少部分橄榄石发生伊丁石化, 在单偏光下呈褐红色。辉石以单斜辉石为主, 多呈他形充填于橄榄石间隙或与橄榄石共结; 斜方辉石则多以包裹橄榄石的形式存在; 辉石普遍发生纤闪石化、滑石化、绿泥石化蚀变。角闪石多呈他形充填于橄榄石和辉石间隙或呈镶嵌状包裹橄榄石(图 3b), 也有少部分形成辉石的反应边。铬尖晶石主要以浑圆状小包体的形式存在于橄榄石和单斜辉石中(图 3b), 蚀变较弱。

图 3 香山中岩体部分岩相镜下特征 a—第2期次二辉橄榄岩, 橄榄石多为混圆粒状, 呈正堆晶结构, 沿裂隙发生了蛇纹石化; b—第2期次二辉橄榄岩, 辉石和角闪石包裹橄榄石; c—第2期次含长单辉橄榄岩, 单斜辉石和斜长石包裹橄榄石; d—第2期次含长单辉橄榄岩, 橄榄石和单斜辉石共生结构, 斜长石和少量硫化物充填于间隙中; e—第1期次角闪辉长岩, 辉石多发生闪石化作用, 角闪石呈他形充填于间隙; f—第2期次含长单辉橄榄岩, 硫化物充填于橄榄石和辉石晶粒间, 呈海绵陨铁结构; a~e为正交偏光图像; f为反射光图像; Ol—橄榄石; Cpx—单斜辉石; Sp—尖晶石; Pl—斜长石; Sul—金属硫化物; Hb—角闪石; Pn—镍黄铁矿; Po—磁黄铁矿; Mt—磁铁矿; Ccp—黄铜矿 Figure 3 Microphotographs of the major lithofacies from the Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion a-Iherzolite of phase Ⅱ, olivine cumulus crystals in iherzolite with serpentinization; b-Iherzolite of phase Ⅱ, olivine embedded in pyroxene and hornblende; c-Plagio-wehrlite of phase Ⅱ, olivine embedded in clinopyroxene and plagiclase; d-Plagio-wehrlite of phase Ⅱ, olivine contact with clinopyroxene; e-Bojite of phase Ⅰ, pyroxene with amphibolization, and hornblende filling the crevasse; f-Plagio-wehrlite of phase Ⅱ, sideronitic texture of sulfide. a-e-transmitted light (+); f-Transmitted light (-). Ol-Olivine; Cpx-Clinopyroxene; Sp-Spinel; Pl-Plagiclase; Sul-Sulfide; Hb-Hornblende; Pn-Pentlandite; Po-Pyrrhotite; Mt-Magnetite; Ccp-Chalcopyrite

含长单辉橄榄岩:岩石呈灰黑色, 半自形粒状结构、包橄结构(图 3c)、堆晶结构, 块状构造, 主要由橄榄石(40%~65%)、单斜辉石(35%~50%)、斜长石(5%~15%)和少量普通角闪石、斜方辉石以及铬尖晶石组成; 橄榄石和斜长石含量变化较大, 部分样品橄榄石含量可达80%以上。橄榄石多呈浑圆粒状或半自型粒状, 粒径在0.8~3.2 mm, 表面裂理发育, 沿裂理及边缘常发生不同程度的蛇纹石化并有铁质析出而构成网脉状结构, 蚀变较强者常形成橄榄石假象; 橄榄石多被单斜辉石和斜长石包裹形成包橄结构。单斜辉石大多呈他形充填于橄榄石间隙, 也有部分呈短柱状与橄榄石共结(图 3d), 粒径在1~ 3.5 mm, 多发生闪石化和滑石化作用。斜长石多发生钠黝帘石化, 呈他形、半自形短柱状充填于橄榄石和辉石间隙。角闪石大部分充填于橄榄石和辉石间隙中, 少部分构成辉石或橄榄石的反应边。铬尖晶石颗粒较小, 主要以包体的形式存在于橄榄石中。

角闪辉长岩:岩石呈灰绿色, 半自形粒状结构、嵌晶结构、辉长辉绿结构(图 3e), 块状构造, 主要由斜长石(50%~60%)、辉石(25%~35%)、普通角闪石(5%~15%)和少量的榍石、磷灰石组成, 镜下可见少量粒状磁铁矿和钛铁氧化物。斜长石多为板条状, 粒度变化较大, 在0.4~3.2 mm, 具卡钠复合双晶、聚片双晶, 部分斜长石发生了钠黝帘石化。辉石绝大多数为单斜辉石, 呈短柱状, 粒度多在1.5~3 mm, 普遍发生了较强烈的闪石化和绿泥石化。角闪石一般为棕色, 分布不均, 多呈他形充填于长石间隙。该岩相受后期构造变形作用影响, 部分变为蚀变辉长岩, 片理化发育。

硫化物主要产出于香山中岩体的含长单辉橄榄岩、二辉橄榄岩以及角闪橄辉岩中, 可见2%~5%的不透明矿物(镍黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿)呈星点状或稀疏浸染状充填于橄榄石和辉石间隙中; 蚀变程度较高的样品中可见硫化物呈胶结状产出而形成海绵陨铁结构(图 3f)。

4 矿物化学特征

本次研究选取了香山中矿区36.9线ZK3693钻孔和36.95线ZK36953钻孔, 按深度的变化进行了系统采样。两个钻孔均穿过香山中第1和第2侵入期次岩体以及Ⅰ号矿体, 具有代表性。矿物电子探针分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。测试仪器为JXI-8100型电子探针, 氧化物测试条件为:加速电压15 kV, 束电流为1.0×10-8 A, 束斑直径为1 μm, 检测限为0.01%。

4.1 橄榄石成分特征

橄榄石电子探针分析结果见表 1。香山中岩体基性程度较高的二辉橄榄岩中橄榄石Fo介于82.02~83.55, 含长单辉橄榄岩中橄榄石Fo介于78.55~81.81, 基性程度较低的橄榄辉长岩中橄榄石Fo介于74.42~75.48, 均属贵橄榄石; 香山中岩体橄榄石的Fo最大值和变化范围与东天山地区其他典型铜镍矿床相近(孙涛等, 2010; 刘艳荣等, 2012; 邓宇峰等, 2012; 毛亚晶等, 2014)。二辉橄榄岩与橄榄辉长岩中的橄榄石Fo值与SiO2含量、Ni含量呈弱的正相关(图 4ab), 与Mn含量呈弱的负相关(图 4c), 与Ca含量关系不明显(图 4d)。橄榄石Fo与主要元素间良好的相关性说明橄榄石应为同一母岩浆结晶的产物(徐刚等, 2012)。而含长单辉橄榄岩中橄榄石的SiO2含量(36.6%~41.0%)和Ni含量(255.5×10-6~ 1949.3×10-6)变化范围较大可能与结晶过程中岩浆成分受外界影响而发生变化有关。在钻孔ZK3693中橄榄石的Fo值和MgO含量随深度的增加有先增加后减小的趋势; 而Ni含量随深度的变化并无明显变化规律, 但同一样品中Ni含量的变化较大, 差值最大可达1250×10-6

表 1 香山中岩体橄榄石主要氧化物成分(%)及Ni含量(10-6) Table 1 Major oxide (%) and Ni (10-6) content of olivine from the Xiangshanzhong intrusion
图 4 山中岩体橄榄石成分相关性图(△数据引自夏明哲,2009;○数据引自姜超等,2014) Figure 4 Compositional correlation diagrams of olivine in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion (△ data after Xia, 2009; data after Jiang Chao et al., 2014)
4.2 辉石成分特征

香山中岩体的辉石主要为斜方辉石(Opx)和单斜辉石(Cpx)。辉石电子探针分析结果见表 2表 3。斜方辉石的En变化范围为76.9~85.0, Fs变化范围为13.1~21.6, En-Fs-Wo图解(图 5)显示斜方辉石均为古铜辉石, 且二辉橄榄岩中斜方辉石的En普遍大于含长单辉橄榄岩中的斜方辉石。

表 2 香山中岩体单斜辉石主要氧化物成分(%) Table 2 Major oxide (%) content of clinopyroxene in Xiangshanzhong intrusion
表 3 香山中岩体斜方辉石主要氧化物成分(%) Table 3 Major oxide content (%) of orthopyroxene in Xiangshanzhong intrusion
图 5 香山中岩体辉石En-Fs-Wo判别图(○数据引自Tang et al., 2013) Figure 5 En-Fs-Wo diagrams of pyroxene in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion (○ data from Tang et al., 2013)

角闪辉长岩中单斜辉石的En变化范围为41.5~ 42.4, Wo变化范围为28.3~28.6, 属普通辉石(图 5)。含长单辉橄榄岩与二辉橄榄岩中单斜辉石的En变化范围为44.4~53.3, Wo变化范围为36.5~48.4, 属透辉石-顽透辉石(图 5)。角闪辉长岩中单斜辉石具有最低的Mg#(75.2~75.7)与Cr2O3含量(< 0.1%), 二辉橄榄岩中单斜辉石具有较高的Mg#(88.9~92.6)与Cr2O3含量(0.6%~1.07%), 含长单辉橄榄岩中单斜辉石的Mg#(83.5~91.4)与Cr2O3含量(0.3%~1.2%)则变化范围较大。香山中岩体的辉石与新疆北部造山后伸展环境下的镁铁-超镁铁质杂岩中的辉石具有相似的成分特征(顾连兴等, 1994; 柴凤梅, 2006; 刘艳荣等, 2012)。

含长单辉橄榄岩中单斜辉石的单颗粒扫面分析结果显示(图 6), 单颗粒单斜辉石由核部到边部并不是连续变化而是存在突变的, 且变化范围较大。在样品XS-13中, 单颗粒单斜辉石的Mg#为83.74~ 87.07, 差值达3.33; Cr2O3含量为0.53%~0.97%, 差值达0.44%;CaO含量为19.13% ~22.45%, 差值达3.32%。相对于Mg#、Cr2O3含量以及CaO含量的变化, Al2O3含量的变化则要小很多。

图 6 含长单辉橄榄岩中单颗粒单斜辉石成分变化图 Figure 6 Clinopyroxene profile compositional variations of plagio-wehrlite
4.3 斜长石成分特征

斜长石电子探针分析结果见表 4。含长单辉橄榄岩中的斜长石An在74.5~82.6, 为培长石, 角闪辉长岩中的斜长石An在47.4~52.1, 为中长石-拉长石(图 7)。

表 4 香山中岩体斜长石主要氧化物成分(%) Table 4 Major oxide content (%) of plagioclase in Xiangshanzhong intrusion
图 7 斜长石Ab-An-Or判别图 Figure 7 Ab-An-Or diagrams of plagioclase

斜长石的SiO2含量介于46.1%~56.7%, CaO含量介于9.7%~17.0%, Al2O3含量介于27.6%~33.7%, Na2O含量介于2.0%~5.9%。角闪辉长岩中斜长石的CaO含量、Al2O3含量明显低于含长单辉橄榄岩中的斜长石, 而Na2O含量、SiO2含量则明显高于后者, 反映出斜长石遵循岩浆结晶分异的演化规律。单颗粒斜长石成分总体变化较小, 并未见明显的环带特征, 反映出在斜长石结晶时温度、压力以及岩浆的成分较稳定(图 8)。

图 8 含长单辉橄榄岩中单颗粒斜长石成分变化图 Figure 8 Plagiclase profile compositional variations of plagiowehrlite
4.4 角闪石成分特征

角闪石电子探针分析结果见表 5。香山中岩体的角闪石CaB≥1.5, (Na+K)A≥0.5, 属钙角闪石。根据最新的角闪石命名规则(Leake et al., 1997, 2003), 香山中岩体的角闪石为韭闪石和钛闪石, 个别为浅闪石(图 9)。角闪石的化学成分显示出相对富MgO (13.06% ~16.78%)、CaO(9.7% ~11.7%)而贫K2O (0.35%~0.62%)、Na2O(2.06%~3.02%)的特征; 同时TiO2含量(0.50%~4.82%)变化较大, 单个样品(XS-06、XS-09)不同的角闪石TiO2含量差值可达3%以上, 且与早期结晶的橄榄石类和辉石类矿物相比, 角闪石的TiO2含量有明显增加的趋势。

表 5 香山中岩体角闪石主要氧化物成分(%) Table 5 Major oxide content (%) of hornblende in Xiangshanzhong intrusion
图 9 香山中岩体角闪石分类图(底图据Leake et al., 1997) Figure 9 Classification of hornblende in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion (modified after Leake et al., 1997)
4.5 铬尖晶石成分特征

铬尖晶石电子探针分析结果见表 6。香山中岩体铬尖晶石具有相对富Fe、Ti、Al贫Cr、Mg的特征(FeOT为32.4%~50.6%, TiO2为0.70%~12.0%, Al2O3为13.4% ~21.3%, Cr2O3为19.7% ~36.9%, MgO为0.6%~8.7%); 其Cr#为46.6~59.3, 与东天山地区其他典型铜镍矿床铬尖晶石的Cr#相近(刘民武, 2003; 冯宏业等, 2014; ), 明显低于金川和喀拉通克矿床中铬尖晶石的Cr#(汤中立, 1998; 刘民武, 2003), 高于夏日哈木矿床中铬尖晶石的Cr#(Li et al., 2015)。在尖晶石组成判别图(图 10)中铬尖晶石几乎都落在大陆镁铁质侵入岩区铬尖晶石的组成范围内。

表 6 香山中岩体铬尖晶石主要氧化物成分(%) Table 6 Major oxide content (%) of spinel in Xiangshanzhong intrusion
图 10 香山中岩体尖晶石组成判别图(底图据Barnes et al., 2001修改) a—Cr-Al-Fe3+判别图; b—Fe3+/(Cr + Al + Fe3+)-Fe2+/(Mg+Fe2+)判别图; c—Cr/(Cr+Al)-Fe2+/(Mg+Fe2+)判别图; d—TiO2-Fe3+/(Cr + Al + Fe3+)判别图 Figure 10 Compositional correlation diagrams of spinel in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion (modified after Barnes et al., 2001)
5 讨论 5.1 矿物结晶条件

对矿物形成温度的估算大多是基于岩石相平衡原理, 通过大量的实验数据与结论来推算得出的。

铬尖晶石和橄榄石作为最先结晶的矿物, 其结晶温度可近似代表岩浆结晶的初始温度。根据FeMg在共生橄榄石和尖晶石中的平衡关系, 得出橄榄石开始结晶的温度: T(℃) =(4250Cr# + 1343)/ (lnKD0 + 1.825Cr# + 0.571)-273(Fabriès, 1979), 其中Cr#=Cr/(Cr+Al); lnKD0=0.34+1.06(Cr#)2, 由此方程式计算出橄榄石结晶的初始温度为1360~1393℃, 高于全球软流圈地幔温度(软流圈地幔温度1280~ 1350℃)(McKenzie et al., 1988), 与现代热点的温度相当。

徐义刚(1993)利用Bertrand et al.(1985)提出并被广泛使用的二辉石温度计推导出了Ca单斜辉石经验温度计: T(℃)=1575+ 288.64×ln[1-Ca/(1-Na)]Cpx, 由此方程式计算出香山中岩体单斜辉石的结晶温度为860~1227℃; 而根据邓晋福(1987)修正过的单斜辉石温度计方程式: T(℃)=2258.55-22.217×(Ca/Ca+ Mg+Fe2+)Cpx+11×ωAl2O3, 计算得到的结晶温度为981~1212℃, 不同的计算方法得到的单斜辉石结晶温度跨度较大, 但范围相似, 因此, 计算结果可近似代表单斜辉石的结晶温度。

根据火成岩中角闪石Al含量与平衡压力之间良好的线性关系, 前人总结出多个钙角闪石全铝压力计方程式, 根据phz86=(-3.92 + 5.03AlT) kbar (Hammarstrom et al., 1986)、pH87=(-4.76 + 5.64 AlT)kbar (Hollister et al., 1987)、pS92=(-3.01+4.76 AlT) kbar (Schmidt, 1992)计算得到角闪石结晶压力分别为5.1~7.1 kbar、5.8~7.6 kbar、5.9~7.4 kbr, 不同的计算方法得出的结果相近, 可近似代表岩浆结晶的压力。由此推断岩浆在深部岩浆房结晶的温度介于860~1393℃, 结晶深度约17~25 km(按1 kbar ≈ 3.3 km计算), 即造岩矿物在地壳中结晶。

5.2 岩浆来源及岩浆性质 5.2.1 岩浆源区

香山中岩体的角闪石Si/(Si + Al + Ti)比值为0.688~0.766, Al2O3含量为11.5%~12.5%, 具有幔源角闪石的特征(姜常义等, 1984), TiO2-Al2O3图解(图 11a)也指示角闪石为幔源角闪石。A-(Na+K)图解(图 11b)则显示角闪石大部分来源于地幔, 个别浅闪石具有壳源区特征, 可能是俯冲流体交代作用的产物。同时, 单个样品(XS-09)出现成分差异较大的韭闪石和浅闪石, 且可见角闪石以辉石反应边形式存在, 也反映出部分角闪石可能为次生角闪石, 这暗示原生岩浆含水且后期可能有流体相的参与。铬尖晶石TiO2-Fe3+/(Cr + Al + Fe3+)判别图(图 10b)中, 一个铬尖晶石样品单独落入岛弧岩浆区, 也显示出岩浆具有岛弧岩浆的某些特征, 暗示了源区有俯冲带物质加入。因此, 可推断岩浆主体来源于地幔, 同时受到俯冲带物质的影响。前人对香山中岩体微量元素以及Nd、Sr、Pb同位素的研究也证实了这一结果(肖庆华, 2010; 孙涛等, 2010)。

图 11 香山中岩体角闪石源区判别图 a—角闪石TiO2-Al2O3图解(底图据姜常义等, 1984); b—角闪石A-(Na+K)判别图(底图据Kay et al., 1983修改) Figure 11 Source area diagrams of hornblende in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion a-TiO2-Al2O3 diagram of hornblende (after Jiang et al., 1984); b-A-(Na+K) diagram of hornblende (after Kay et al., 1983)
5.2.2 母岩浆性质

研究表明单斜辉石的主量元素成分可以反映出母岩浆特征(Leterrier et al., 1982; 邱家骧等, 1987)。单斜辉石Al2O3-SiO2图解(图 12a)显示香山中岩体母岩浆属亚碱性系列, 而A-Ti图解(图 12b)则反映出香山中岩体的母岩浆Ti含量较高, 具有拉斑玄武岩和碱性玄武岩双重特征。

图 12 香山中岩体单斜辉石岩石系列判别图 a—单斜辉石Al2O3-SiO2判别图; b —单斜辉石A-Ti判别图(底图据Leterrier et al., 1982); 图例同图 5 Figure 12 Discrimination diagrams of clinopyroxenes in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion a-Al2O3-SiO2 diagram of clinopyroxenes; b-A-Ti diagram of clinopyroxenes (after Leterrier et al., 1982)

香山中岩体铬尖晶石TiO2含量为0.7%~12%, 平均为2.3%, 高于新疆北部其他含铜镍镁铁-超镁铁岩体(刘民武, 2003;冯宏业等, 2014; 夏昭德等, 2015)。香山中岩体的铬尖晶石几乎都以浑圆状包裹于橄榄石中, 说明它们应是岩浆早期结晶的产物, 其中被橄榄石包裹的铬尖晶石的TiO2含量最高可达12%, 表明铬尖晶石结晶时岩浆应是相对富Ti的, 这也暗示了香山中岩体的母岩浆应该是Ti含量相对较高的岩浆。与拉斑玄武岩相比, 碱性玄武岩更加富TiO2(>2%), 在尖晶石组成判别图(图 10b)中, 多数铬尖晶石表现出大陆溢流拉斑玄武岩区铬尖晶石的特征, 其余的少数表现出钙碱性玄武岩区铬尖晶石富Ti的特征。因此, 推断香山中岩体的母岩浆并非典型的拉斑玄武岩浆, 而可能是Ti含量偏高的拉斑玄武岩, 具有向碱性玄武岩浆过渡的趋势。

5.3 结晶分异和地壳混染 5.3.1 结晶分异

结晶分异作用是指岩浆在冷却过程中结晶出矿物以及矿物在重力作用下与残余熔浆分离的过程。结晶分异作用使得岩浆中Cr、Mg含量逐渐降低而Si、Al、Ca含量逐渐富集(苏本勋等, 2009)。早结晶出的超镁铁质矿物(如橄榄石、辉石)会沉降于熔体底部形成超镁铁质岩, 而晚结晶的矿物堆积于上部形成镁铁质岩。香山中岩体超镁铁质岩产出于镁铁质岩中部, 说明岩体不是一次岩浆侵入的结果。这与东天山众多含铜镍镁铁-超镁铁岩体相似, 具有多期次侵位的特点(毛亚晶等, 2014)。香山中岩体同一期次侵入的岩体具有良好的岩相垂直分带特征。第1侵入期次由底部往上连续产出角闪橄榄辉长岩、角闪辉长岩、辉长岩。第2侵入期次以超镁铁质岩为主, 底部为以正堆晶相橄榄石和斜方辉石、单斜辉石为主要矿物的二辉橄榄岩; 上部为基性程度略低的含长单辉橄岩, 该岩相中橄榄石主要以与辉石共结、被单斜辉石和角闪石包裹的形式存在, 斜长石和其余的辉石充填在橄榄石间隙中形成典型的填隙结构, 这些特征表明, 橄榄石结晶较早, 然后是单斜辉石和斜长石、角闪石, 与正常结晶分异的顺序一致。在钻孔ZK3693中, 随着深度由深至浅, 含长单辉橄榄岩中橄榄石的含量和颗粒大小逐渐变小, 单斜辉石的MgO含量总体上有连续减少而CaO含量有连续增加的趋势(图 13), 这符合结晶分异过程中矿物成分的变化规律。

图 13 香山中岩体ZK3693钻孔橄榄石和单斜辉石的粒径、成分变化图 Ol—橄榄石; Cpx—单斜辉石; Hb—角闪石; Pl—斜长石 Figure 13 Grain size and mineral compositional variations of olivine and clinopyroxene crystals in drill hole ZK3693 in Xiangshanzhong mafic-ultramafic intrusion Ol-Olivine; Cpx-Clinopyroxene; Hb-Hornblende; Pl-Plagiclase

前人研究认为岩浆成因的铬尖晶石的成分主要受熔体成分的控制, 早期结晶的铬尖晶石一般具有较高的Cr#, 随着岩浆的演化有Cr→Al, Cr→Fe3+、Ti演化的趋(罗照华等, 2000; Barnes et al., 2001)。成分判别图(图 10a-c)显示铬尖晶石在结晶过程中有向富Fe、Ti端元演化的趋势, 这种趋势是因为随着铬尖晶石的结晶, 部分橄榄石、辉石甚至斜长石也从母岩浆中结晶使得岩浆中Fe/Mg比值和Ti含量升高, 而随着结晶温度的降低以及铬尖晶石与硅酸盐矿物特别是橄榄石发生Fe2+和Mg交换, 使得铬尖晶石的Fe2+/(Mg+ Fe2+)比值升高; 良好的演化曲线说明岩浆遵循结晶分异的演化规律(Barnes et al., 2001)。岩相的过渡渐变关系、矿物的连续性以及矿物成分有规律的变化说明岩浆经历了比较充分的结晶分异作用。

5.3.2 地壳混染

幔源岩浆在上升侵位过程中通常会受到不同程度的地壳同化混染作用。地壳硅铝质的加入可使幔源岩浆的Si、Al等物质的富集, 而造成Cr、Mg、Ni、Ti和Fe等物质的亏损(Stevenson et al., 2009)。与结晶分异作用使岩浆成分发生连续性变化不同, 地壳混染对岩浆成分的影响更有可能是阶段性、突变性的。

在钻孔ZK3693深度为336 m的含长单辉橄榄岩样品(XS-17)中, 橄榄石的Fo、MgO含量明显低于离地表更近的其他橄榄石, 同时该样品中可见橄榄石的辉石反应边, 说明在橄榄石结晶过程中由于富Si物质的混染使SiO2突然达到过饱和状态而在橄榄石边缘结晶出辉石, 而辉石受后期蚀变影响又发生了闪石化。在相同物理化学条件下, CaO倾向于进入斜长石, 而在同时结晶的单斜辉石中则相对亏损, 因此, 同化混染形成的单斜辉石具有相对富Si而贫Ca、Ti的特征[54], 同时地壳混染阶段性、突变性的特征, 易使岩浆成分在短时间内混合不均而导致矿物成分变化范围较大。样品XS-17中的单斜辉石与产出深度更小的单斜辉石相比具有富Si贫Ca、Ti且矿物成分变化范围大的特征(图 13), 由此可推断XS-17样品中矿物在形成过程中同化混染了地壳富Si组分, 但矿物成分变化并不是十分明显, 说明同化混染程度并不高。这一推断符合前人通过元素地球化学模拟得出的地壳混染程度(下地壳7%, 上地壳5%)(Tang et al., 2013)。

5.4 硫饱和及富集作用

岩浆铜镍硫化物矿床形成的关键是硅酸岩浆在演化过程中达到硫达到饱和状态, 产生不混溶的硫化物液滴, 在合适的空间保存下来(Anthony, 2004)。一般认为引起硫饱和的机制主要有:岩浆过冷却作用、围岩的混染作用、岩浆结晶分异作用、岩浆混合作用等(Naldrett, 1999; Li et al., 2005)。

由于香山中岩体并未发现岩体与围岩的冷凝边以及围岩捕掳体, 因此难以说明岩浆的过冷却对硫饱和起到重要作用。如前所述, 香山中岩体的同化混染作用较弱, δ34S多为接近零的正值也显示硫主要来源于上地幔(孙燕等, 1996), 这与金川、喀拉通克、黄山、葫芦和图拉尔根等岩浆型铜镍矿床具有相似性(汤中立等, 1998), 因此地壳混染作用也不能视为香山中岩体成矿的决定因素。

5.4.1 橄榄石分离结晶作用

东天山地区含铜镍镁铁-超镁铁岩体的原始岩浆在演化过程中发生的硫化物熔离与橄榄石的分离结晶作用密切相关(刘艳荣等, 2012; Tang et al., 2013; 毛亚晶等, 2014)。橄榄石是岩浆中最早结晶的硅酸盐矿物之一, 也是Mg、Fe、Ni的主要寄主矿物。最早结晶的橄榄石具有最高的Fo, 可近似反映出分离结晶开始时岩浆的成分。以Ni在橄榄石和硅酸盐岩浆之间的分配系数为7, 在硫化物和硅酸盐岩浆之间的分配系数为500, 橄榄石-岩浆的Mg-Fe分配系数(FeO/MgO)橄榄石/(FeO/MgO)岩浆 = (0.3±0.03)(Roeder et al., 1970)对橄榄石的结晶过程进行模拟。模拟结果显示, 部分橄榄石分布于母岩浆正常演化趋势线(AB曲线)下方, 说明部分橄榄石中Ni是相对亏损的, 反映出分离结晶过程中伴随有硫化物的熔离; 部分橄榄石沿趋势线D分布, 应是橄榄石与后期隙间硅酸盐反应导致Fo降低的结果; 另外一些橄榄石沿趋势线E分布, 则说明橄榄石与隙间硫化物发生了Fe-Ni交换, 使得橄榄石中Ni含量增高(图 14); 而单个样品中橄榄石的Ni含量变化范围较大, 可能是隙间硫化物与硅酸盐共同作用的结果(图 13)。钻孔ZK3693中, 被硫化物包裹的橄榄石核部的Ni含量明显高于边部, 也说明在单颗粒橄榄石结晶的过程中发生了硫化物的熔离, 致使边部的Ni发生了亏损(图 15a)。然而, 众多橄榄石分布于母岩浆正常演化趋势线(AB曲线)上方, 且偏离程度较大, 这显然不能只用橄榄石与隙间硫化物的Fe-Ni交换来解释(图 14); 且若发生Fe-Ni交换, 橄榄石边部的Ni含量应明显高于核部, 但含长单辉橄榄岩中被单斜辉石包裹的橄榄石同样表现出Ni含量较高, 且核部和边部的Ni含量并没有明显差异(图 15b)的特征, 说明其Ni含量的升高并不是由于后期的Fe-Ni交换, 而更可能是分离结晶过程中岩浆成分改变造成的。

图 14 香山中岩体橄榄石Fo-Ni相关性图图例同图 4 Figure 14 Fo-Ni diagram of olivine in Xiangshanzhong maficultramafic intrusion
图 15 香山中岩体含长单辉橄榄岩中橄榄石核部和边部的Fo-Ni相关性图 Figure 15 Fo-Ni diagram of edge and center of olivine in plagio-wehrlite
5.4.2 岩浆混合作用

新疆北部地区的含铜镍镁铁-超镁铁岩体大多发生有岩浆混合作用(Li et al., 2005; 柴凤梅, 2006; 苏本勋等, 2011; 毛亚晶等, 2014)。新鲜的基性程度更高的岩浆注入可以提高母岩浆中Mg、Fe、Ni等元素的含量及岩浆温度, 有利于硫达到饱和状态并富集。

在钻孔ZK3693深度295~325 m, 橄榄石的含量以及橄榄石中的Fo和MgO含量相对于其上覆和下伏岩体更高, Ni含量也有突然升高的趋势, 而斜长石An和SiO2含量相对于其上覆和下伏岩体更低, 说明在此区间内发生结晶作用的岩浆比区间外的岩浆具有更高的基性程度, 应是先期正常演化的岩浆与基性程度更高的新鲜岩浆混合的结果。结晶分异和同化混染作用会使岩浆中Mg、Fe、Cr等元素含量逐渐减少而Si、Na、K等元素逐渐富集; 只有新鲜的基性程度更高的岩浆注入才能使矿物的Mg#升高。同时, 温度和压力的变化也可使辉石的成分发生变化。在镁铁质岩浆结晶过程中, 矿物的成分除了受熔体成分控制外, 还受到结晶环境的制约; 其中CaO含量的变化与温度的变化密切相关(Canil et al., 1996; Pearson et al., 2003), Al2O3含量的变化受压力变化的影响[61], Cr2O3含量的变化则受温度与压力共同作用。在钻孔ZK3693深度295~325 m, 含长单辉橄榄岩中单颗粒辉石的成分存在不连续变化(图 6), Mg#、Cr2O3含量以及CaO含量均有突变性升高和降低的现象, 表明单斜辉石结晶时, 岩浆的成分是变化的; 而Cr2O3含量与CaO含量变化较大, Al2O3含量与Cr2O3含量的变化具有一致性, 但强度明显小很多, 说明结晶过程中温度的变化比压力的变化更明显, 而新鲜岩浆的加入可明显改变熔体的温度却对压力影响相对较小。

在钻孔ZK3693深度295~325 m发生的新鲜岩浆注入明显提高了矿石的Ni、Cu品位(图 13); 此区间内矿石的Cu+Ni品位大多集中在0.4%左右, 部分可达0.6%以上, 明显高于其上覆和下伏同一岩相岩体(普遍小于0.2%)。综上所述, 新鲜的基性程度更高的岩浆注入能够促进硫化物的熔离, 是香山中岩体硫化物富集的重要因素。

5.5 成矿作用探讨

香山中岩体的形成主要受结晶分异作用的控制, 演化过程中地壳混染和新鲜岩浆的注入在某些特定的阶段起到了重要作用。在香山岩体钻孔ZK3693的含长单辉橄榄岩中, 硫化物是普遍可见的, 只有含量多少的区别, 说明岩浆演化早期橄榄石的分离结晶作用与硫化物熔离密切相关; 而有新鲜岩浆注入的区间内, 硫化物含量明显的增加则说明新鲜岩浆的注入对硫化的熔离和富集起到了重要的促进作用。

东天山地区的含铜镍镁铁-超镁铁岩体均受到结晶分异作用的控制; 地壳混染作用也普遍存在, 但由于混染程度普遍较低, 所以对成岩成矿的影响有限。东天山其他含铜镍镁铁-超镁铁岩体的岩浆源区、母岩浆性质、岩石学与矿物学特征与香山中岩体具有相似的特征, 说明它们应具有大体相似的形成过程; 同时, 与香山中岩体的演化过程类似, 普遍具有多期多阶段侵位的特点(刘艳荣等, 2012), 这为岩浆演化过程中新鲜岩浆的注入提供了可靠的证据。因此, 新鲜岩浆的注入也有可能是东天山地区其他含铜镍镁铁-超镁铁岩体硫化物熔离和富集的关键因素。

6 结论

(1) 香山中岩体暗色矿物结晶顺序为铬尖晶石→橄榄石→斜方辉石→单斜辉石→斜长石→角闪石, 结晶温度介于860~1393℃, 岩浆房深度距地表约17~25 km。

(2) 香山中岩体的原始岩浆来源于上地幔, 受俯冲带物质的影响, 为钛含量偏高的拉斑玄武岩浆。

(3) 香山中岩体的形成主要受结晶分异作用的控制, 地壳混染对岩体的形成有阶段性的影响。

(4) 橄榄石的分离结晶伴随有硫化物的熔离作用, 而新鲜的基性程度更高的岩浆注入能提高母岩浆中成矿金属元素的含量, 促进硫化物的熔离, 是香山中岩体硫化物富集的重要原因。

致谢: 本次研究的野外工作得到了新疆有色地质勘查局704大队尹熙文工程师的帮助; 长安大学刘民武老师在矿物电子探针分析过程中提供了帮助; 审稿专家及编辑老师对论文提出了宝贵修改意见, 在此表示诚挚的感谢。

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