岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (7): 2224-2234   PDF    
新疆东天山黄山东岩体橄榄石成因意义探讨
邓宇峰1,2, 宋谢炎2, 周涛发1, 袁峰1, 陈列锰2, 郑文勤2     
1. 合肥工业大学资源与环境工程学院,合肥 230009;
2. 中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室,贵阳 550002
摘要: 黄山东岩体位于新疆东天山造山带中段,由四次岩浆侵入形成:第一次侵入形成了岩体上部的橄榄辉长岩、角闪辉长岩和闪长岩,构成岩体的主体;第二次侵入形成辉长苏长岩,呈岩墙状分布于岩体西端和西北部;第三次侵入岩石为斜长二辉橄榄岩,位于岩体下部,为主要的赋矿岩石;第四次侵入岩石为底部角闪辉长岩。橄榄石为第三次侵入的斜长二辉橄榄岩和第一次侵入的橄榄辉长岩主要造岩矿物之一,橄榄石的镁橄榄石牌号 (Fo) 值介于68.5~82.5之间。其中含硫化物斜长二辉橄榄岩中的橄榄石具有较高的Fo值 (79.7~82.5);斜长二辉橄榄岩中橄榄石的Fo值为78.3~79.9;而基性程度较低的橄榄辉长岩中橄榄石具有较低的Fo值 (68.5~72.2)。利用橄榄石矿物成分计算得出黄山东岩体母岩浆Mg#(Mg2+/(Mg2++Fe2+)) 为0.59,为原生玄武质岩浆经历结晶分异作用形成。模拟计算结果显示黄山东岩体不含矿岩石中橄榄石是母岩浆经过2%的橄榄石结晶分异且硫达到饱和后,在硫化物熔离的同时岩浆发生橄榄石结晶而形成,并且橄榄石︰硫化物≈50︰1,部分橄榄石成分投点在橄榄石结晶和硫化物熔离的模拟曲线右下侧,指示它们可能受到晶间硅酸盐熔浆作用的影响。含硫化物斜长二辉橄榄岩中Fo值与Ni含量呈负相关关系,说明橄榄石与硫化物熔体之间发生了Fe-Ni交换反应。
关键词: 黄山东镁铁-超镁铁岩体     岩浆铜镍矿床     橄榄石     母岩浆     硫化物熔离    
Correlations between Fo number and Ni content of olivine of the Huangshandong intrusion, eastern Tianshan, Xinjiang, and the genetic significances
DENG YuFeng1,2, SONG XieYan2, ZHOU TaoFa1, YUAN Feng1, CHEN LieMeng2, ZHENG WenQin2     
1. School of Resources and Environmental Engineenng, Hefei University of Technology, Heifei 230009, China;
2. State Key Laboratory of Ore Deposit Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China
Abstract: The Huangshandong mafic-ultramafic intrusion is located in middle of eastern Tianshan orogenic belt, Xinjiang. Four stages of magma intrusion have been identified. The first magmatic emplacement is comprised of olivine gabbro, hornblende gabbro and diorite, formed the upper part and the main portion of the intrusion. The resultant of the second stage emplacement formed gabbronorite dykes in the western and northwestern of the intrusion. Plagioclase lherzolite, lies in the lower part and regarded as the main host rock for the Cu-Ni ores, represents the products of the third magma intrusion. The last stage emplacement formed bottom hornblende gabbro. The olivine occurs mainly in the first stage olivine gabbro, and in the third stage plagioclase lherzolite. The forsterite number (Fo) of olivine ranges from 68.5 to 82.5. The olivine from sulfide-bearing plagioclase lherzolite has highest Fo (79.7~82.5); the Fo of olivine in the plagioclase lherzolite range from 78.3 to 79.9; the olivine from fractionated olivine gabbro has lower Fo (68.5~72.2). The Mg# (atomic Mg/(Mg+Fe)) of parental magma estimated by using the compositions of most Fo-rich olivine crystals is 0.59 and indicates the parental magma was formed by fractional crystallization of primary basaltic magma. The model calculation results display the data of olivine from the ore-free rocks are explicable if the magma became saturated with sulfide after 2% olivine crystallization, and then simultaneously separated olivine and sulfide in a ratio of 50︰1. Scatter to the lower right side of olivine crystallization and sulfide segregation line is explicable as result of the olivine interacting with trapped intercumulus liquid. The negative Fo-Ni relationship of olivine from the sulfide-bearing plagioclase lherzolite is apparently related to local equilibration of the olivine with trapped sulfide liquids.
Key words: Huangshandong mafic-ultramafic intrusion     Magmatic Cu-Ni sulfide deposit     Olivine     Parental magma     Sulfide segregation    

东天山晚古生代造山带位于中亚造山带南部,夹于准噶尔地块与中天山地体之间,带内岩浆铜镍硫化物矿床包括土墩、黄山西、黄山东、香山、葫芦和图拉尔根,构成了黄山-镜儿泉铜镍成矿带,镍总储量达到百万吨 (李德惠等,1989Qin et al., 2003刘德权等,2005)。尽管地质学家对成矿带内含矿岩体年代学、岩石学和地球化学等方面做了不少研究工作 (钟应先,1989宋谢炎,1990倪志耀,1992毛景文等,2002Zhou et al., 2004Tang et al., 2011邓宇峰等, 2011a, bHan et al., 2010Qin et al., 2011Zhang et al., 2011)。但是对含矿岩体母岩浆性质的研究较少,而且对矿物学尤其是主要造岩矿物的成因意义的研究仍比较薄弱。

①李德惠等.1989.黄山铜镍成矿带地质、地球物理和地球化学综合研究及找矿靶区优选报告.新疆305项目组报告,1-418

在含铜镍硫化物镁铁-超镁铁岩体中,橄榄石不仅是主要的造岩矿物之一,而且成矿元素Ni在橄榄石中为相容元素,但相容性明显低于硫化物,当橄榄石结晶的同时有硫化物熔离时,橄榄石Ni的亏损可以示踪硫化物的熔离。因此,橄榄石成分不仅能探讨岩浆结晶演化过程,而且能提供丰富的成矿信息 (Li et al., 2007李士彬等,2008陈列锰等,2009a)。黄山东岩体是黄山-镜儿泉成矿带内规模较大、Ni储量最大的岩浆硫化物矿床之一,前人对该矿床的年代学及成岩成矿过程等方面开展了初步的研究工作,取得以下主要进展:①含矿岩体形成于280Ma左右 (毛景文等,2002韩宝福等,2004);②含矿岩体原始岩浆是岩石圈地幔和软流圈地幔相互作用形成 (夏明哲等,2010邓宇峰等,2011a);③地壳物质的混染以及橄榄石、辉石等矿物的分离结晶引起硫饱和并发生硫化物熔离作用,高的Cu/Pd比值指示岩浆在上升的过程中在深部可能经历了早期硫化物熔离 (钱壮志等,2009胡沛青等,2010)。本文通过对黄山东岩体橄榄石矿物化学成分的研究,判断黄山东岩体母岩浆性质,探讨橄榄石成分与母岩浆成分、岩浆结晶分异及硫化物熔离过程之间的内在联系,这一研究对利用橄榄石成分判别其它镁铁-超镁铁岩体的含矿性具有一定的指导意义。

1 黄山东岩体地质背景

依据古生代地层岩石组合及重要断裂的分布,东天山造山带从北向南可分为哈尔里克奥陶纪-石炭纪岛弧带、博格达石炭纪弧间盆地、大南湖奥陶纪-石炭纪岛弧带和康古尔-雅满苏泥盆-石炭纪岛弧带 (Xiao et al., 2004)。黄山东镁铁-超镁铁岩体位于康古尔-雅满苏泥盆-石炭纪岛弧带中段 (图 1),岩体地表出露形态为菱形,近东西向分布,长轴长5.3km,中间膨胀部分宽1.15km,总面积约2.8km2,侵位于下石炭统干墩组变余含铁粉砂岩、含碳铁质板岩和生物碎屑灰岩之中。岩体接触带围岩受岩体侵位影响发生热接触变质作用,使含碳板岩变质形成含石墨黑云绢云石英角岩,其中不纯石灰岩夹层变质形成符山石硅灰石大理岩和石榴石硅灰石大理岩,岩体中多处出现围岩的捕虏体 (李德惠等,1989)。

图 1 新疆北部主要构造单元 (a)、东天山地区地质简图 (b) 和黄山-镜儿泉铜镍硫化物成矿带地质简图 (c)(据新疆地质矿产局,1993Xiao et al., 2004) Fig. 1 Tectonic units of northern Xinjiang (a), simplified geological map of eastern Tianshan (b) and simplified geological map of Huangshan-Jingerquan copper-nickel mineralization belt (c)(after BGMRX, 1993; Xiao et al., 2004)

黄山东岩体为同源岩浆经深部分异,多次侵入形成的复式岩体,岩相间的接触关系显示大致有四次岩浆侵入。第一次岩浆侵入形成杂岩体的主体 (总面积的约75%),从上至下为闪长岩相、角闪辉长岩相和橄榄辉长岩相;第二次岩浆侵入在岩体西端和西北侧形成辉长苏长岩相,可含第一次侵入的角闪辉长岩捕掳体;第三次岩浆侵入形成岩体下部斜长二辉橄榄岩和含硫化物斜长二辉橄榄岩,在钻孔中可见第二次侵入的辉长苏长岩和第一次侵入的角闪辉长岩被斜长二辉橄榄岩相穿插的现象 (李德惠等,1989);第四次岩浆侵入仅形成岩体底部的角闪辉长岩,在ZK10-2钻孔中,它与上部含硫化物斜长二辉橄榄岩呈侵入接触关系,并形成冷凝边 (图 2)。

图 2 黄山东岩体地质简图及剖面图 (据李德惠等,1989) Fig. 2 Simplified geological map and a cross section of the Huangshandong intrusion

黄山东矿床的工业矿体主要赋存于第三次侵入的斜长二辉橄榄岩中,其次为第二次侵入的辉长苏长岩和第一次侵入的角闪辉长岩中,矿体在剖面上多为层状和透镜状,大部分在地表 100m以下,仅有的地表露头出现在岩体西端 (图 2)。铜镍硫化物矿石以浸染状为主,从地表浅部往深部稀疏浸染状矿石渐变过渡为稠密浸染状矿石,矿体边部的支脉中可见少量的块状矿石。金属硫化物矿物以磁黄铁矿 (40%~75%)、镍黄铁矿 (5%~20%) 和黄铜矿 (1%~10%) 为主。黄山东铜镍矿床镍平均品位0.52%,储量为0.36Mt;铜平均品位0.27%,储量为0.17Mt (Qin et al., 2003)。

2 橄榄石的岩相学特征

橄榄石主要赋存在第三次侵入的含硫化物斜长二辉橄榄岩、斜长二辉橄榄岩和第一次侵入的橄榄辉长岩中。

含硫化物斜长二辉橄榄岩:橄榄石呈熔蚀浑圆状或粒状,含量在62%~65%之间,粒度在0.15~1.5mm之间。其中橄榄石按其产状可以分为三类,第一类为浑圆状包裹在硫化物、辉石及斜长石中,此类橄榄石占所有橄榄石65%以上 (图 3ac);第二类橄榄石为分散状,与其他矿物接触共生,无包裹关系,这类占所有橄榄石30%(图 3d);第三类橄榄石包裹其它矿物,占所有橄榄石的5%(图 3e)。橄榄石中常包裹有磁铁矿及铬尖晶石,蛇纹石化、滑石化及透闪石化发育,而包裹在其他矿物里的橄榄石则相对新鲜。

图 3 黄山东岩体岩石学特征 (a)-含硫化物斜长二辉橄榄岩中硫化物包裹橄榄石;(b)-斜长二辉橄榄岩中发育有简单双晶的单斜辉石包裹橄榄石;(c)-含硫化物斜长二辉橄榄岩中发育聚片双晶的斜长石包裹橄榄石;(d)-含硫化物斜长二辉橄榄岩中分散状橄榄石与斜长石及橄榄石接触共生;(e)-含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石包裹早期形成的斜长石;(f)-橄榄辉长岩中他形角闪石包裹橄榄石.正交偏光图像.Ol-橄榄石;Opx-斜方辉石;Cpx-单斜辉石;Pl-斜长石;Hb-角闪石;Sul-金属硫化物 Fig. 3 Texture photos of the rocks from Huangshandong intrusion (a)-olivine embeded in sulfide in sulfide-bearing plagioclase lherzolite; (b)-olivine embedded in clinopyroxene with simple twinned crystals in plagioclase lherzolite; (c)-olivine embedded in plagioclase with polysynthetic twin in sulfide-bearing plagioclase lherzolite.(d)-discrete olivine contact with plagioclase and other olivine in sulfide-bearing plagioclase lherzolite; (e)-early-formed plagioclase embedded in olivine in sulfide-bearing plagioclase lherzolite; (f)-olivine embedded in anhedral hornblende in olivine gabbro.Cross-polarized.Ol-olivine; Opx-orthopyroxene; Cpx-clinopyroxene; Pl-plagiclase; Hb-hornblende; Sul-sulfide

斜长二辉橄榄岩:矿物产状与含硫化物斜长二辉橄榄相似 (图 3b),但是橄榄石含量减少,含量约55%~60%,辉石含量增加 (10%~20%)。

橄榄辉长岩:橄榄石含量为5%~10%,大部分呈嵌晶状与斜长石、辉石接触,部分包裹在辉石和斜长石中,粒度在0.2~1mm之间,部分沿裂理蛇纹石化 (图 3f)。

3 样品分析方法和结果

样品采自岩体西南部钻孔ZK10-2(图 2) 和地表第一次侵入岩石 (橄榄辉长岩),钻孔样品为岩体第三次侵入岩石 (含硫化物斜长二辉橄榄岩和斜长二辉橄榄岩)。对样品进行光薄片切制,根据显微岩相学观察,选择蚀变程度小的橄榄石颗粒进行分析测试。橄榄石的成分分析在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成,分析仪器为日本岛津公司生产的EMPA-1600电子探针,其检出限为0.002%。分析条件为:加速电压25kV,电流10nA,分析束斑直径10μm。分析时所用标样为:美国生产的标样SPI#2753-AB,分析精度为0.01%。

4 分析结果

根据电子探针分析结果及计算的端元组分 (表 1) 可以看出,橄榄石Fo介于68.5~82.5之间,属贵橄榄石。其中含硫化物斜长二辉橄榄岩中的橄榄石具有较高的Fo值 (79.7~82.5),斜长二辉橄榄岩中橄榄石的Fo值为78.3~79.9,而基性程度较低的橄榄辉长岩中橄榄石具有较低的Fo值 (68.5~72.2)。较低Fo值的橄榄石可能是原始岩浆在深部岩浆房中经过结晶分异作用后形成的残余岩浆的产物。因此,从含硫化物斜长二辉橄榄岩到斜长二辉橄榄岩到橄榄辉长岩,橄榄石中Fo值呈不断降低趋势,说明含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石比斜长二辉橄榄岩和橄榄辉长岩中橄榄石更早结晶。

表 1 黄山东岩体橄榄石氧化物成分 (wt%) 及Ni含量 (×10-6) Table 1 Oxide (wt%) and Ni (×10-6) contents of olivine from the Huangshandong intrusion

从黄山东岩体ZK10-2钻孔样品中橄榄石MgO、SiO2、FeO、Fo与钻孔深度图解 (图 4),可以看出含硫化物斜长二辉橄榄岩中MgO随深度减小而增大,SiO2随深度减小而减小,FeO、Fo值随深度变化很小。由于在封闭体系中一次岩浆侵位发生结晶分异,先结晶出来的镁铁质矿物如橄榄石和辉石会发生重力分异,沉降在岩浆底部,上部岩浆中镁铁成分减少导致基性程度降低,所以形成的岩石中MgO和Fo随深度减小而减小,SiO2、FeO随深度减小而增加。但是黄山东岩体钻孔样品中含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石成分特征无法用一次岩浆侵位来解释,可能是岩浆处于岩浆通道开放体系中,由于后期基性程度较低的岩浆不断补充而形成,或者橄榄石与晶间硅酸盐熔浆发生反应。

图 4 黄山东岩体ZK10-2钻孔样品中橄榄石成分随深度变化图 Fig. 4 Stratigraphic variations of olivine composition in drill hole ZK10-2 of the Huangshandong intrusion
5 讨论 5.1 母岩浆性质

目前估算母岩浆成分的方法主要有以下几种:(1) 岩体冷凝边的成分近似代表母岩浆的成分;(2) 根据橄榄石-熔体平衡原理 (Roeder and Emslie, 1970) 和质量平衡原理,利用橄榄石成分以及以橄榄石为主要堆积矿物的岩石的MgO含量与其他氧化物含量的关系,进一步计算得出岩体的母岩浆成分 (Chai and Naldrett, 1992);(3) 利用MELTS软件计算,与硅酸盐矿物成分进行对比,估算母岩浆成分 (陈列锰等,2009b);(4) 根据岩石Ni/Cu-Pd/Ir图解推测母岩浆的性质 (Barnes et al., 1988)。

由于黄山东岩体缺乏冷凝边,因此没有可以直接获得岩体母岩浆成分的证据。然而,利用橄榄石-熔体平衡原理 (KDOl/Melt=0.3,Roeder and Emslie, 1970) 可以估算岩体母岩浆的基本成分特征:

由分配系数定义可知:

(1)

其中XOlFe、XOlMg分别为Fe、Mg在橄榄石中的摩尔分数,XMeltFe、XMeltMg分别为Fe、Mg在熔体中的摩尔分数。

由橄榄石中Fo值的定义可知:

(2)

由 (1) 和 (2) 式可得:

(3)

将摩尔分数换算成质量分数:XMeltFeO=WFeO/71.84,XMeltMgO=WMgO/40.30,其中WFeO和WMgO为质量百分含量。

代入 (3) 式后有:

(4)
(5)

黄山东岩体中橄榄石Fo值最高值为82.5%,由 (4) 式计算得出与其共存熔体的MgO/FeOT为0.79(FeOT为全铁),而黄山东岩体中大多数样品的MgO/FeOT大于0.79(邓宇峰等,2011a),表明各岩石中的成分均不能代表共存的熔体成分,进入浅部岩浆房的母岩浆中有过剩的橄榄石堆晶的加入,母岩浆可能是经过了深部橄榄石结晶的演化岩浆。

另外,由黄山东岩体中橄榄石Fo值及 (5) 式计算得到母岩浆中Mg#为0.59,由于原生玄武质岩浆中Mg#为0.69~0.73(路凤香等,2003),说明黄山东岩体母岩浆为玄武质岩浆经历结晶分异作用形成。

5.2 岩浆硫化物含矿岩体橄榄石成分的影响因素和成因意义 5.2.1 岩浆硫化物含矿岩体橄榄石成分的影响因素

影响橄榄石成分的因素主要有以下几个方面:(1) 母岩浆成分;(2) 岩浆结晶分异作用和硫化物熔离作用;(3) 橄榄石与后期的晶间硅酸盐岩浆以及硫化物熔体发生反应 (Li et al., 2007陈列锰等,2009a)。

首先,如果母岩浆中MgO及Ni含量高,那么结晶形成的橄榄石中Fo值及Ni含量也相对较高。其次,岩浆结晶分异和硫化物熔离将影响橄榄石化学成分。在硫不饱和条件下,随着岩浆结晶分异的进行,橄榄石中Ni含量将随Fo值的减小而减小,呈明显的正相关关系。在硫饱和条件下,岩浆硫化物熔离作用导致其中Ni含量急剧亏损,从而结晶出来的橄榄石也将出现Ni的亏损,而且橄榄石中Ni的亏损程度由岩浆中橄榄石和硫化物的体积比所决定。另外,当早期结晶的橄榄石与晶间硅酸盐岩浆发生物质交换,橄榄石晶体的Fo值与Ni含量会降低 (Barnes,1986Li et al., 2000, 2003b)。而在橄榄石晶体与硫化物熔体之间发生Fe-Ni交换的过程中,FeO含量高的橄榄石将得到更多的Ni,因此橄榄石中Ni含量与Fo值呈负相关关系 (Barnes and Naldrett, 1985Li et al., 2004)。

5.2.2 橄榄石成因意义

岩石学及地球化学证据证明了黄山东岩体为俯冲流体交代地幔部分熔融产物,其地球化学特征与阿拉斯加型岩体相似,指示它们的具有相似的母岩浆 (邓宇峰等,2011a)。橄榄辉玄岩可以代表阿拉斯加型岩体母岩浆成分 (Green et al., 2004Irvine,1973Schmidt et al., 2004),所以本文假设Thakurta et al.(2008) 计算得出的橄榄辉玄岩作为黄山东岩体母岩浆成分:MgO=11.2%,FeOT=13.5%,并且设定母岩浆中Ni含量为260×10-6。本次计算假设Ni在橄榄石和玄武岩浆中分配系数为7(Li et al., 2003a, 2007),Ni在硫化物熔体和硅酸盐岩浆之间的分配系数为500(Barnes and Maier, 1999Peach and Mathez, 1993)。

对黄山东岩体橄榄石成分进行模拟计算,得到图 5。从图中可以得知,黄山东岩体斜长二辉橄榄岩和橄榄辉长岩中橄榄石以及含硫化物斜长二辉橄榄岩中的部分橄榄石成分落于橄榄石结晶模拟曲线 (A-B-C) 之下,表明橄榄石是从硫饱和的Ni亏损的岩浆中结晶出来的。部分橄榄石成分沿B-G-D曲线分布,说明它们是母岩浆在经过2%的橄榄石结晶分异后,在硫化物熔离的同时岩浆发生橄榄石结晶而形成,并且橄榄石︰硫化物=50︰1。

图 5 黄山东岩体橄榄石成分进行模拟计算 (a)-橄榄石Fo-Ni关系及其模拟计算结果,模拟计算方法详见Li and Naldrett (1999)Li et al.(2007)李士彬等 (2008);(b)-含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石与硫化物熔体发生Fe-Ni交换反应的模拟计算结果.A点为与母岩浆平衡的橄榄石成分;A-B-C线为母岩浆发生橄榄石结晶的模拟曲线;B-G-D为母岩浆经过2%的橄榄石结晶后,橄榄石结晶和硫化物熔离同时进行的模拟曲线 (橄榄石︰硫化物=50 ︰ 1);E-F为橄榄石与硫化物熔体发生Fe-Ni交换反应的模拟曲线;G-H为橄榄石晶体与晶间硅酸盐熔浆发生Fe-Mg交换的模拟曲线;模拟曲线上数字代表橄榄石结晶的量 Fig. 5 Model calculation of Fo in olivine from the Huangshandong intrusion (a)-model calculation of the variation of nickel content and Fo in olivine, the detail method of model calculation see Li and Naldrett (1999), Li et al.(2007) and Li et al.(2008); (b)-simulated result modeling the equilibration of the olivine with trapped sulfide liquids and exchanging Ni and Fe in sulfide-bearing plagioclase lherzolite.A is the olivine composition in equilibrium with the parental magma; A-B-C is the simulated curve modeling the olivine crystallization of the parental magma; B-G-D is the simulated curve modeling 2% olivine crystallization from the parental magma, and then olivine and sulfide simultaneously separated (olivine/sulfide=50/1);E-F is the simulated curve modeling the equilibration of the olivine with trapped sulfide liquids and exchanging Ni and Fe; G-H is the simulated curve modeling the olivine interacting with trapped intercumulus liquid and exchanging Mg and Fe; the numbers on the simulated curve represent the amount of crystallized olivine

然而,岩浆演化过程中橄榄石结晶分异和硫化物的熔离作用并不能完全解释黄山东岩体中橄榄石的成分变化。如图 5a所示,部分橄榄石成分投影点并不在橄榄石结晶和硫化物熔离的模拟曲线上,而明显向右下侧偏移,沿G-H模拟曲线分布,说明它们可能受到晶间硅酸盐熔浆作用的影响。早期结晶的橄榄石与晶间硅酸盐熔浆发生物质交换,导致早期结晶的橄榄石中Fo值降低,同理,从晶间硅酸盐熔浆中结晶的橄榄石其Ni含量也会降低 (Li and Naldrett, 1999)。含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石Fo值和Ni含量明显高于斜长二辉橄榄岩,而且Fo值与Ni含量呈负相关关系 (图 5b),沿E-F线分布,橄榄石与硫化物熔体之间的Fe-Ni交换可以解释这一特征。

5.3 岩体成岩过程

在封闭体系中一次岩浆侵位并发生结晶分异过程中,由于重力分异作用,早期结晶的镁铁质矿物 (如橄榄石、辉石) 会沉降在岩浆房底部形成超镁铁质岩,而残余镁铁质岩浆在岩浆房上部形成镁铁质岩。黄山东岩体超镁铁质岩 (含硫化物斜长二辉橄榄岩与斜长二辉橄榄岩) 分布于镁铁质岩 (底部角闪辉长岩) 之上,说明岩体不是一次岩浆侵入结果,而可能是原始岩浆在深部岩浆房发生结晶分异,产生的镁铁质岩浆或晶粥分期侵位至浅部岩浆房中而形成。由于模拟计算得出橄榄辉长岩中的橄榄石的结晶伴随着硫化物的熔离,而该岩相中基本没有硫化物矿化,这说明橄榄石结晶和硫化物熔离主要发生在深部岩浆房。

基于上述讨论,总结得到黄山东岩体成岩过程。玄武质岩浆在深部岩浆房中发生硫化物熔离作用和结晶分异作用,硫化物及硅酸盐堆晶矿物由于重力分异作用沉降在岩浆房底部,而MgO、FeO含量降低的残余熔浆聚集在岩浆房上部,形成镁铁质岩浆。因此岩浆在深部岩浆房形成由下往上的分层:硫化物-硅酸盐堆晶-硅酸盐熔浆“晶粥”、硅酸盐堆晶-硅酸盐熔浆“晶粥”、硅酸盐熔浆。

当后期新的岩浆不断上侵或者由于地质构造挤压深部岩浆房,导致深部岩浆房内上层硅酸盐堆晶-硅酸盐熔浆“晶粥”不断上侵至岩浆通道的平缓处形成地壳浅部岩浆房,经过结晶分异和同化混染过程,先期结晶的橄榄石、磁铁矿和钛铁矿沉降到浅部岩浆房底部并与残余岩浆结晶出的辉石和斜长石形成第一次侵入的橄榄辉长岩,上层残余硅酸盐熔浆形成第一次侵入的角闪辉长岩。当深部岩浆房中硫化物-硅酸盐堆晶-硅酸盐熔浆“晶粥”进入浅部岩浆房时,早期熔离出来硫化物被不断上涌的新的岩浆带到浅部岩浆房,并与大量Ni不亏损的岩浆反应,形成富Ni的硫化物。由于硫化物密度大,与先期形成的硅酸盐矿物堆晶发生重力分异作用沉降在岩浆房底部,因此岩浆在浅部岩浆房中形成分层。下层硫化物及硅酸盐堆晶形成下部含硫化物斜长二辉橄榄岩,上层硅酸盐堆晶和熔浆形成上部的斜长二辉橄榄岩。同时,橄榄石堆晶与共存的硫化物反应,发生Fe-Ni交换作用。晚期的硅酸盐熔浆进入浅部岩浆房中,并同化混染第三次侵入的含硫化物斜长二辉橄榄岩,形成第四次侵入的底部角闪辉长岩。这一成岩模式不仅较好地解释岩体岩相分布特征,而且解释了橄榄石的矿物化学特征。

岩浆铜镍硫化物矿床成矿的关键是岩浆中硫达到饱和,并且硫化物熔离作用必须发生在大量镁铁质矿物结晶前或者两者同时发生,因为玄武岩浆中5%的橄榄石结晶分异将导致其中50%的Ni发生亏损 (Maier et al., 1998),之后熔离出来的硫化物中Ni含量将比较低,不利于成矿。由于黄山东岩体橄榄石成分落于橄榄石结晶模拟曲线之下,表明岩浆中硫达到饱和;并且通过模拟计算得知橄榄石是母岩浆在经过2%的橄榄石结晶分异后,在硫化物熔离的同时岩浆发生橄榄石结晶而形成,因此硫化物熔离作用发生在大量镁铁质矿物结晶之前。由于黄山东岩体满足岩浆铜镍硫化物矿床的成矿条件,所以形成了大型铜镍矿床。综上所述,利用橄榄石成分可以判断镁铁-超镁铁岩体是否发生硫化物的熔离以及何时发生硫化物熔离,这对判断岩体的含矿性具有一定的指导意义。

6 结论

本文通过对新疆北天山造山带内黄山东镁铁-超镁铁岩体橄榄石矿物化学成分进行了系统分析,探讨了黄山东岩体橄榄石成分成因意义,得到以下主要认识:

(1) 黄山东岩体母岩浆Mg#(=Mg2+/(Mg2++Fe2+)) 为0.59,母岩浆为玄武质岩浆经历结晶分异作用形成。

(2) 不含矿岩石中橄榄石是硫饱和的母岩浆经过2%的橄榄石结晶分异后,在硫化物熔离的同时岩浆发生橄榄石结晶而形成,橄榄石成分可能受到晶间硅酸盐熔浆作用的影响。

(3) 含硫化物斜长二辉橄榄岩中橄榄石与硫化物熔体之间发生了Fe-Ni交换反应。

致谢 本次研究的野外工作得到了新疆地质矿产勘查开发局程松林高级工程师、新疆地矿局第六地质大队李军、莫新华、马丽华工程师以及其他工程技术人员的大力协助;实验分析得到了中科院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室刘世荣研究员、颉炜和张晓琪的帮助;审稿人对本文提出了宝贵的修改意见,使本文得以完善;在此一并谨致谢意。
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