2. 南京大学地球科学与工程学院, 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室, 南京 210093
2. State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China
江西九瑞地区是我国长江中下游铁铜成矿带十分重要的矿集区之一,区内矿产种类丰富,以铜、金为主,伴生钼、铅、锌等。整个长江中下游发育有一系列的火山岩盆地,自西向东分别为金牛、怀宁、庐枞、繁昌、宁芜、溧阳、溧水等(图 1)。近年来,有许多学者对这些区域的火山岩做了有关年代学、地球化学、成岩成矿作用等方面的研究,并获得了许多新的研究进展(谢桂青等,2006;禹尧和徐夕生,2009;薛怀民等,2010;袁峰等,2010;侯可军和袁顺达,2010;闫峻等,2013)。与长江中下游成矿带的其它地区相比,九瑞地区鲜有发现火山岩。九瑞矿集区近期开展的整装勘查工作中,在该区域通过钻探发现了新鲜的第三纪火山岩。长江中下游成矿带内各陆相火山岩盆地的火山岩,均形成于早白垩世(135~123Ma)(周涛发等,2011),新生代的火山岩在九瑞地区乃至整个长江中下游成矿带都是极少发现,且都缺乏相应的研究。这一发现对于梳理九瑞地区岩浆活动的时空格架,以及成岩成矿的研究都具有重要意义。本文通过对这些火山岩进行系统的矿物学研究,探讨火山岩的岩浆演化过程、成岩时的温压条件和构造环境等问题。
九瑞矿集区处于长江中下游成矿带的最南端,位于扬子陆块的下扬子坳陷带,北临华北板块,南临江南造山带,处于构造转折部位。区内各时代地层基本都有出露,主要为古生代地层,从奥陶系-三叠系地层发育较完全,部分缺失石炭系下统、上统以及泥盆系的下统、中统;在本区的南侧主要出露的地层为元古界及震旦系地层,而在区内近东西向的断陷盆地中发育第三系地层。另外,在志留系与上泥盆统以及上泥盆统与中石炭统之间普遍存在不整合接触界面。九瑞矿集区构造活动强烈,先后受到华北板块和华南板块的影响,构造-岩浆活动十分频繁。区内出露岩体主要为中酸性侵入岩,如城门山、武山、丁家山、宝山、东雷湾和邓家山等岩体(图 2),产出形态多样,出露面积较小。此次发现的火山岩位于九瑞矿集区内的郎君山成矿远景区,厚度达数十米,分布于第三系地层底部。火山岩在第三系地层中可分为三层,离地表距离分别为30多米、560多米和590多米。依据野外岩石学观察,三层火山岩均可定为玄武岩,其中处于较深部的两层火山岩岩性特征基本一致,但与浅部层位的火山岩有明显区别。为方便文中讨论,本文称浅部火山岩为浅层玄武岩,较深部的两层火山岩则统称为深层玄武岩。两套玄武岩都具有典型的杏仁状构造,其中浅层玄武岩的杏仁构造中杏仁体明显更大(图 3)。
本文研究的样品取自钻孔ZKL14-1的火山岩中代表性样品。样品L141-1取自浅层玄武岩,样品呈灰黑色,块状构造,遭受轻微蚀变。镜下可见典型的拉斑玄武结构(图 4a),斜长石不规则排布,发育简单双晶和聚片双晶。填隙物为辉石、钛铁氧化物及玻璃质,部分辉石被蚀变。样品L141-2和L141-3均取自深层玄武岩,样品新鲜,呈灰褐色,块状构造。镜下可见明显斑状结构(图 4b),斜长石和辉石作为斑晶出现,斜长石斑晶具环带结构,部分斑晶被蚀变,基质很细,为辉石和长石,基质中长石呈定向排列。将火山岩样品磨制电子探针片,对其中的主要矿物进行电子探针矿物成分分析。本次电子探针分析主要在中国冶金地质总局山东局测试中心完成,电子探针型号为JEOL JXA-8230,加速电压为15kV,电流为20nA,束斑直径<1μm。部分分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针室完成,电子探针型号为JEOL JXA-8100,加速电压为15kV,电流为20nA,束斑直径<1μm。
长石是本区玄武岩中的主要矿物,长石斑晶均为斜长石,碱性长石只在基质中出现。斜长石既是主要的斑晶,也是基质的主要组成矿物。斑晶斜长石呈长柱状,一般可见聚片双晶和简单双晶,部分斑晶发育环带构造。其矿物组成电子探针分析结果如表 1所示。
将数据换算成Or-Ab-An端元组分比值,投入Or-Ab-An三角图中(图 5)。如图 5所示,浅层玄武岩基本都落入拉长石区,长石成分Ab33-53An45-66Or1-2,平均成分为Ab40An60Or1。深层玄武岩斑晶和基质中的长石成分有所不同,其中斑晶落入中长石和拉长石区,长石成分Ab29-57An36-70Or1-8,平均成分Ab44An52Or4;基质落入透长石、歪长石、奥长石、中长石和拉长石五个区内,长石成分Ab25-65An2-50Or2-72,平均成分为Ab45An19Or36。在电子探针背散射图像下观察发现,深层玄武岩中长石斑晶发育大量环带(图 6),其中大多为反环带,少量为韵律环带(表 2)。
基质中存在大量长石微晶,由颜色明显不同的两类组成,其中黑色的长石微晶明显呈尖角状或孤岛-港湾状,被灰白色的长石微晶所交代(图 7)。对基质中两种不同颜色的长石分别进 行成分的定量分析(表 3)。分析结果显示基质中黑色长石微晶均为斜长石,灰白色长石微晶则均为碱性长石,即在深层玄武岩的基质中存在明显的碱性长石交代斜长石的现象。中黑色长石微晶均为斜长石,灰白色长石微晶则均为碱性长石,即在深层玄武岩的基质中存在明显的碱性长石交代斜长石的现象。
辉石是玄武岩斑晶和基质的另一主要成分。样品中的辉石全为单斜辉石,未见斜方辉石。其电子探针分析结果列于表 4。根据Morimoto(1988)提出的辉石分类命名方案对单斜辉石进行分类(图 8),浅层玄武岩中辉石除一个点落在易变辉石区,其他均为普通辉石;深层玄武岩中辉石可分为斑晶和基质,均落在普通辉石区。
研究区内两套玄武岩中单斜辉石基本都为普通辉石,浅层玄武岩中单斜辉石成分为Wo25-40En34-53Fs14-36,平均成分为Wo34En45Fs21;深层玄武岩中单斜辉石可分为斑晶和基质,斑晶中成分变化范围为Wo40-43En40-46Fs11-19,平均成分为Wo42En43Fs15,而基质中成分变化范围为Wo40-42En41-44Fs15-18,平均成分为Wo41En43Fs16。对比两层玄武岩单斜辉石的组分可知,浅层玄武岩中单斜辉石比深层玄武岩明显具有贫钙和富铁的特点。本次研究发现,深层玄武岩中辉石斑晶发育有正环带、少量反环带和少量韵律环带,对具有不同的环带斑晶从边部到核部连续打点,分析结果见表 5、表 6、表 7和图 9。
此外,本次研究发现钛铁矿和磷灰石在两层玄武岩中普遍存在,但均含量不高,磷灰石含量极低。
4 讨论 4.1 岩浆属性
本区发现的两套玄武岩在岩相学特征和矿物学特征上均有明显的区别,且在两层玄武岩之间存在500多米厚的第三系地层,表明两套玄武岩分别属于不同的火山岩喷发旋回,深层玄武岩属于早期旋回,浅层玄武岩则属于晚期旋回,两个旋回的玄武岩岩浆属性有较大区别。
浅层玄武岩在单斜辉石的SiO2-Al2O3图解上全部落入亚碱性区域(图 10),表明岩浆属亚碱性系列。且矿物中有低钙辉石出现,辉石总体上表现为低Ti、Al和Na的特点,斜长石基本均为拉长石,显示出拉斑玄武岩系列的特征。另外,全岩主量元素碱含量平均为2.64%(另文发表),属于拉斑玄武岩系列。深层玄武岩在单斜辉石的SiO2-Al2O3图解上的亚碱性和碱性两个区域均有分布(图 10),岩浆显示出过渡性质。从矿物学特征来看,其斜长石属于中长石-拉长石,而碱性的中基性火山岩中的斜长石一般为中长石,拉斑质中基性火山岩的斜长石一般为拉长石;单斜辉石则基本全部落入普通辉石范围,与碱性玄武岩的透辉石、次透辉石(项媛馨等,2010;向忠金等,2010)明显不同。其矿物学特征与西昆仑普鲁火山岩区中具有钾玄岩系列岩浆特点的火山岩(张招崇等,2005)和赣东北白垩纪钾玄岩(王佳玲和巫建华,2013)的矿物学特征相似。单斜辉石中贫Ti和Fe的特点也与钾玄岩系列岩浆相一致。因此,从矿物学的特征可以推测,早期旋回的火山岩岩浆属于偏碱性的钾玄岩系列(shoshonite series)。
在单斜辉石化学成分相关图解上(图 11),浅层玄武岩数据明显分为两群,反映两个不同时期的演化阶段。随着Mg#值的降低,TiO2和MnO含量有逐渐增加的趋势,而Al2O3、CaO和Cr2O3则出现逐渐减少的趋势,表明岩浆朝着富钛富锰和贫铝贫钙贫铬的方向演化。而在深层玄武岩中,单斜辉石可分为斑晶和基质,且两者成分有明显差别。火山岩在喷发的时候,斑晶先于基质结晶,故从斑晶到基质可以在一定程度上反映岩浆的演化过程。如图 12所示,从斑晶到基质,CaO和MnO含量逐渐增加,而Al2O3和碱含量逐渐降低,表明岩浆朝着富钙富锰和贫铝贫碱的方向演化。
岩浆混合作用存在于许多火山岩的形成过程之中,是岩浆演化过程中的重要阶段。前人研究表明,斜长石和辉石等矿物的成分和结构的变化可以反演岩浆的混合演化过程(Kuşcu and Floyd, 2001; 谢磊等,2004)。如前所述,本次研究中发现属于早期旋回的深层玄武岩中斜长石和辉石的环带结构非常发育。其中斜长石环带为大量反环带和少量韵律环带,而辉石中则发育有正环带、少量反环带和少量韵律环带。
长石中正常环带的形成是由于基性岩浆熔体正常结晶演化,使得长石核部以An组分为主,边部则越来越富集Ab组分(谢磊等,2004)。而对于反环带的形成机制则一般有两种解释:①热的基性岩浆对较冷的已结晶出偏酸性斜长石的岩浆加热,即岩浆混合作用;②岩浆房中温度和压力的迅速改变(Smith and Lofgren, 1983;牛之建等,2014)。牛之建等(2014)认为岩浆混合作用在影响An组分变化的同时也会引起Fe、Sr等微量元素的变化,而温压条件的突然改变仅仅会影响斜长石中An含量而不会造成Fe、Sr等微量元素的变化,因此分析火成岩中斜长石微量元素含量如Fe、Sr等随An组分变化的情况可以区分反环带形成的机制。本次研究的长石斑晶环带中,微量元素Fe的含量与An组分含量具有很好的正相关关系,FeO含量随着An组分的升高而升高。因此,可以判断深层玄武岩中长石反环带是由于岩浆混合作用形成的,而发育韵律环带则说明存在多次岩浆混合作用。另外,基质中的碱性长石交代斜长石的现象普遍存在,进一步说明了本区深层玄武岩的岩浆演化过程中岩浆混合作用的存在。
辉石环带中正环带的核部到边部Mg#、MgO、Cr2O3含量逐渐降低,而FeO、TiO2、Al2O3和Na2O含量逐渐增加,反映了岩浆的正常结晶历史;反环带则有着与正环带相反的成分变化趋势;而韵律环带成分变化有波动,其MgO的含量和Mg#值从核部到边部有先升高后降低的变化趋势。本区辉石环带特征与赵文霞等(2011)在拉萨地块中部米巴勒地区产出的中新世方沸石响岩中的单斜辉石斑晶环带相似,反映本区深层玄武岩可能受到多次岩浆混合作用。
综合以上长石环带、长石基质中的交代现象以及辉石环带等多方面的证据,笔者推测本区早期旋回玄武岩曾经遭受了多次岩浆的混合作用。 4.4 单斜辉石形成的温压条件
对比分析两套玄武岩中辉石的矿物化学成分,发现在Na、Al含量方面两者存在较大差异,而据Thompson(1974)和Wass(1979)通过分析大量在不同的温度和压力下形成的单斜辉石的矿物化学成分实验数据,他们认为单斜辉石结晶时的温度和压力与Al和Na含量有很好的正相关性,而AlⅣ/AlⅥ的比值会随着单斜辉石结晶压力的减小而增大。但如前所述,本区深浅两层玄武岩代表两次不同时期的火山喷发作用,且两次喷发的岩浆属性差别较大,早期旋回属于高钾的钾玄岩系列,晚期则属于低钾的拉斑玄武岩系列,而分析两种结晶自不同类型岩浆的单斜辉石的矿物化学组成来定性地比较两者形成的温压条件是没有多大意义的(Thompson,1974)。本次研究尝试运用合适的温压计来估算玄武岩中单斜辉石的结晶温度和压力。在计算辉石的结晶温度和压力之前,首先必须考虑辉石是否与熔体平衡的问题。Thompson(1974)根据实验结果认为当单斜辉石与玄武质熔体平衡时参数KD值为0.29,而据Irving(1984)和Liotard et al.(1988)的实验结果,KD值在0.2~0.4之间时,即可认为辉石与熔体达到平衡。Kinzler(1997)和Hunter(1997)在实验中进一步确定了这个范围的正确性。本次研究中深层玄武岩样品L141-2和L141-3中的单斜辉石斑晶的KD值均在0.2~0.4之间(所用全岩数据另文发表),而浅层玄武岩样品L141-1中不存在明显的斑状结构,单斜辉石颗粒相对较小,其KD值均大于0.4,不能用于计算结晶温度和压力。利用Putirka et al.(2003)提出的单斜辉石温压计公式估算深层玄武岩中单斜辉石形成的温压条件(表 8)。如表 8所示,深层玄武岩中辉石结晶温度为1124~1157℃,压力为1.23~1.42GPa,相应深度为41~47km。火山岩由于喷发时间短、速度快,单斜辉石结晶时的温压条件与原始岩浆房的温压条件十分接近,深层玄武岩中单斜辉石结晶的温度明显偏低,结晶深度也较浅,说明这套早期喷发的玄武岩可能是相对原始的岩浆上升到较浅部位分异形成的。
前人研究表明,运用单斜辉石可以有效地对玄武岩进行构造环境的判别。本次研究采用Nisbet and Pearce(1977)构建的单斜辉石F1-F2图解判别本区火山岩样品的构造环境。本区两套玄武岩均投入火山岛弧玄武岩和洋底玄武岩(VAB+OFB)区(图 13)。与弧有关的玄武岩和与裂谷有关的玄武岩中单斜辉石Al/Ti比值有明显区别(Loucks,1990)。在AlZ(%)与TiO2的相关图解中,AlZ是指单斜辉石中进入四面体位置的Al占全铝的百分比,如图可见两套玄武岩均投入与弧 有关的玄武岩区域(图 14)。据闫峻等(2005)对长江中下游地区蝌蚪山晚中生代玄武岩和该区新生代玄武岩的对比研究,长江中下游地区发生了与华北板块东部类似的从晚中生代至新生代的岩石圈减薄事件,推测造成华北板块东部和华南板块东部的岩石圈减薄事件的动力学机制很可能是晚古生代时期古太平洋板块向亚洲大陆之下俯冲造成的弧后拉张减薄。本区玄武岩明显表现出与弧有关的构造环境特征,因此笔者推测本区玄武岩的构造环境应为弧后拉张环境。
(1)在第三纪时,九瑞地区发生了两次玄武质岩浆火山喷发作用,早期喷发的火山岩浆属于钾玄岩系列,晚期的火山岩浆则应属于拉斑玄武岩系列。
(2)早期的玄武岩岩浆朝着富钙富锰和贫铝贫碱的方向演化,而晚期的玄武岩岩浆则朝着富钛富锰和贫铝贫钙贫铬的方向演化。
(3)早期旋回的火山岩中斜长石斑晶发育大量反环带和少量韵律环带,长石基质中普遍存在斜长石被碱性长石所交代的现象。辉石斑晶中发育正环带、少量反环带和少量韵律环带。表明岩浆遭受过多次混合作用。
(4)早期旋回的火山岩中单斜辉石形成的温度为1124~1157℃,压力为1.23~1.42GPa,相应深度为41~47km,推测这套玄武岩可能是由相对原始岩浆上升到较浅部位分异形成的。
(5)本区两套火山岩形成的构造环境可能均为弧后拉张环境。
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