鄂東南鐵山鐵礦床圍巖鈉化蝕變特征及其成因探討

鄂東南鐵山鐵礦床圍巖鈉化蝕變特征及其成因探討

湖北省大冶鐵山煤礦位于湖北省東南黃石市西北25公里處。它是鄂東南典型的大型鐵礦之一。在對鐵山礦區(qū)進(jìn)行長期的礦床地質(zhì)工作中,雖然早已有人認(rèn)識到礦區(qū)圍巖鈉化蝕變的重要性并形成了許多不同的觀點(diǎn),但是迄今尚無論文系統(tǒng)全面的闡述鈉化蝕變的各項(xiàng)特征及其鈉質(zhì)來源、形成機(jī)理、動力機(jī)制,本文試圖在這些方面加以探討。1礦物資源性成礦的構(gòu)造環(huán)境是礦鐵山礦床的主要礦體賦存于鐵山雜巖體南緣中段閃長巖類與下三疊統(tǒng)灰?guī)r的斷裂復(fù)合接觸帶上。礦區(qū)地層巖性以下三疊統(tǒng)大冶群的碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖為主。近接觸帶主要地層隨距巖體遠(yuǎn)近不同而發(fā)生不同程度的蝕變作用。接觸熱動力構(gòu)造十分發(fā)育。印支期NWW向構(gòu)造形跡奠定了礦區(qū)的基礎(chǔ)構(gòu)造格架;其后又有燕山期、喜山期的3次不同方向構(gòu)造疊加其上。礦區(qū)范圍內(nèi)主要出露4期閃長巖及3類脈體。礦體附近的閃長巖類和碳酸鹽巖都遭到強(qiáng)烈的交代作用,形成各類夕卡巖、堿質(zhì)交代巖和熱液蝕變巖石,并有一定的分帶性和多次疊加特征。鐵礦石的組成金屬礦物主要為磁鐵礦,次為赤鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦等。脈石礦物主要有綠泥石、次透輝石、石榴石、方解石、白云石、石英等。鐵礦床主要是由第一期礦漿成礦期和第二期接觸交代成礦期疊加而成。2鐵山礦床鈉化蝕變形式及特征所謂鈉化,指原巖被鈉質(zhì)熱液交代,形成富鈉質(zhì)新生礦物(如鈉長石、鈉柱石等)的過程,反映一種分布廣泛和具有重要意義的堿質(zhì)交代蝕變作用。鈉長石化就是鈉化的一種主要蝕變形式。鐵山礦床鈉化蝕變現(xiàn)象主要分布于第一期中細(xì)粒含石英閃長巖和第二期黑云母透輝石閃長巖靠近礦體幾十米至近百米的內(nèi)接觸帶。閃長巖遭到鈉化后,巖石外表、顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分和巖石化學(xué)成分等發(fā)生了重大變化。2.1結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物成分石、鐵山建設(shè)石宏觀上,遭到鈉長石化的巖石顏色由于暗色礦物顯著減少或消失而明顯變淺,大部分變?yōu)闇\灰色或灰白色,并常略帶淺粉紅色,具塊狀、脈狀—網(wǎng)狀構(gòu)造。結(jié)構(gòu)上,經(jīng)鈉長石化以后的礦物特別是斜長石常具有“凈邊”結(jié)構(gòu)、蠕英結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)。強(qiáng)烈鈉化后的巖石常具糖粒狀細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)和變斑結(jié)構(gòu),肉眼下粒狀結(jié)構(gòu)則變得非常模糊。在鈉質(zhì)交代過程中,礦物成分的變化很有規(guī)律,具體表現(xiàn)在:(1)斜長石中鈣長石分子漸趨減少,鈉長石分子相應(yīng)增多,如鐵山獅子山礦段(表1);(2)斜長石、條紋長石和石英又進(jìn)一步被細(xì)粒鈉長石所交代;(3)角閃石等暗色礦物全部消失,或被鈉柱石交代;副礦物磁鐵礦消失,榍石數(shù)量增加。同時(shí)由于巖石中暗色礦物黑云母、角閃石和副礦物磁鐵礦的大量減少或消失,巖石的磁化率大大降低(由1570×10-6～4370×10-6CGSM降到0×10-6～95×10-6CGSM)。2.2鈉化過程巖石從不同程度鈉長石化石英閃長巖的化學(xué)成分對比(表2),可以看出:(1)石英閃長巖遭到鈉長石化后,鐵、鉀有明顯的帶出,帶入鈉和硅;(2)鈉化過程中Fe2O3降低很快,而FeO降低比較慢,巖石的氧化系數(shù)(Fe2O3/FeO)隨著鈉長石化的增強(qiáng)明顯降低;(3)鐵的含量、氧化系數(shù)的降低和礦物成分的變化,完全可以說明在鈉長石化過程中有很大一部分鐵被活化轉(zhuǎn)移;(4)隨著交代作用的增強(qiáng),巖石中鈉的含量逐漸增高,而鉀則相應(yīng)減少,交代前后巖石中鉀鈉總量大致保持不變。2.3晚階段鈉長石化蝕變的主要成巖內(nèi)容鈉化作用主要有兩期,分別是伴隨第一、第二期閃長巖侵入后形成的。各期次早階段的鈉化蝕變十分廣泛,以面型為主,規(guī)模較大,鐵門坎礦體北部第一期閃長巖中廣泛發(fā)育面狀的鈉長石化現(xiàn)象。在尖山礦體北部第二期閃長巖中面狀和網(wǎng)脈狀的鈉化蝕變帶寬度可達(dá)數(shù)十米到近一百米。晚階段鈉長石化多為脈—細(xì)脈狀,沿蝕變巖石交代,常伴有較強(qiáng)烈的碳酸鹽化。方柱石、輝石—石榴石夕卡巖的形成晚于早期鈉長石化,但可見早期夕卡巖被后期鈉化脈體所穿插的現(xiàn)象。3鈉質(zhì)的起源以及鈉化侵蝕的動態(tài)機(jī)制和反應(yīng)機(jī)制3.1巖漿巖地層關(guān)于鈉質(zhì)的來源,可以有兩個(gè)方面。一是來自侵入巖本身。就中國及世界同類閃長巖來看,一般含堿量(Na2O+K2O)為4%～5%(據(jù)戴理)。但從實(shí)際資料來看,含鐵銅礦化的侵入體Na2O和Na2O+K2O含量均大大高于中國及世界同類巖石的平均值(Na2O為4.6%,Na2O+K2O為8.26%)1。這多余的部分堿質(zhì)來自哪里?筆者認(rèn)為本區(qū)的圍巖鈉化所需鈉質(zhì)部分來自于三疊系含膏鹽巖層。鄂東南三疊系含膏鹽巖層是指蒲圻群底部至大冶群第四段以上的一套含石膏或石膏假晶的碳酸鹽巖層2。其中含有豐富的堿(Na+、K+)、堿土(Ca2+、Mg2+)和揮發(fā)性組分。本區(qū)鐵山以南的五里墩—金山店—下遠(yuǎn)一帶,以北的程潮—黃石一帶均在三疊系地層發(fā)育。有150m～500m以上厚度的石膏巖層或含石膏巖層。從沉積巖相古地理角度分析,北至鄂城、黃崗,南到下遠(yuǎn)、馬叫的這一區(qū)域同屬于瀉湖沉積區(qū),應(yīng)是一個(gè)沉積整體,其形成之膏巖地層自北向南由深湖沉積相區(qū)到淺湖沉積相區(qū)應(yīng)有一個(gè)漸漸變薄變少的過程。但事實(shí)并非如此,居中的鐵山地區(qū)石膏巖地層厚度卻明顯少于50m。這說明,原來應(yīng)該相當(dāng)厚的這部分巖層確實(shí)有缺失現(xiàn)象。導(dǎo)致膏巖層缺失的原因是后期中酸性巖漿侵入同化改造的結(jié)果。燕山期發(fā)生大規(guī)模巖漿活動,其中相當(dāng)一部分巖漿貫入或穿透了含蒸發(fā)巖(即膏鹽巖層)的三疊系地層。這可能有兩種解釋:一是構(gòu)造的原因,一是由于巖漿作用造成的,或是二者兼而有之。巖漿巖對蒸發(fā)巖地層的改造和影響是不容置疑的。巖漿是硅鋁酸鹽的高溫熔融體,中(偏基)性巖漿的溫度大約為1000℃～1200℃。含膏鹽巖層中幾種主要礦物的熱化學(xué)性質(zhì)如表3。由表3及相關(guān)的熱力學(xué)知識易知,鹽類的分解溫度、熔融溫度最低,晶格能和比重最小,因此相對最易被同化;而方解石、白云石、硬石膏等比鹽類相對難以被同化。此外,還有溶解作用。在蒸發(fā)巖中,無疑鹽類溶解度最大,而鈣、鎂碳酸鹽和硬石膏則相對要小得多。所以,在一定的溫度、壓力、Eh、pH條件下,所有膏鹽層都會不同程度的被同化,鹽類物質(zhì)會被同化得更多更徹底,而鈣、鎂碳酸鹽和硬石膏則有可能會有部分剩余。此外,沿早期斷裂帶循環(huán)流動的水溶液的溶解作用導(dǎo)致礦區(qū)溶洞的發(fā)育,為后期成巖、成礦提供了一部分空間。由此,鐵山地區(qū)含膏鹽巖地層(T1d5-7)的缺失及閃長巖充填占據(jù)大量空間的現(xiàn)象就可以得到比較合理的解釋了。3.2鈉化玄武質(zhì)巖鈉化蝕變的交代作用在第一期閃長巖上侵之前,基底已存在有印支期NWW向的擠壓型斷裂帶。伴隨燕山期構(gòu)造運(yùn)動的進(jìn)行,該斷裂帶由壓性轉(zhuǎn)為扭張性,原有斷裂張開,致使后來的第一、第二期閃長巖侵入,同時(shí)帶來了豐富的Na、K、Fe、Al、Si、S、Cl等元素。根據(jù)等勢交代理論,這時(shí)巖體中會發(fā)生自變質(zhì)、自交代作用,即發(fā)生鈉化及其他蝕變現(xiàn)象,從而可能析出鐵質(zhì)并富集成礦。巖漿剛上侵時(shí),由于溫度很高,同化了三疊系膏鹽巖層后,巖體尚未完全固結(jié),故在巖體內(nèi)部所發(fā)生的自變質(zhì)、自交代作用多發(fā)生于巖體頂(淺)部與邊緣內(nèi)接觸帶。因此,在如此條件下形成的鈉化交代蝕變在外觀上多呈面狀。這應(yīng)是各期早階段鈉化蝕變特征。隨著巖體溫度的降低,巖漿逐漸由外向內(nèi)變?yōu)楣虘B(tài),體積收縮,巖體內(nèi)外冷熱不均可產(chǎn)生原生裂隙。接觸帶構(gòu)造運(yùn)動的脈動性使巖體內(nèi)部的原生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大、延展,又形成大量網(wǎng)脈狀的構(gòu)造。富鈉熱液可沿著這些節(jié)理、裂隙流入,與巖體發(fā)生鈉化反應(yīng),使其在析出鐵質(zhì)的同時(shí),自身被鈉長石化。這時(shí)所產(chǎn)生的鈉化蝕變常呈脈狀、網(wǎng)狀。而在巖體與地層的接觸帶及其附近易產(chǎn)生大規(guī)模的裂隙,經(jīng)鈉化交代過的富鐵熱液可通過各種節(jié)理、裂隙匯入這種大空隙中。然后由于這種構(gòu)造的開放性,導(dǎo)致壓力驟降及流體的沸騰,伴隨沸騰作用可發(fā)生的一連串化學(xué)反應(yīng)則有利于鐵質(zhì)的沉淀和成礦。3.3鐵-堿金屬的絡(luò)合物可能導(dǎo)致si4+前面已說過,鐵山礦床圍巖鈉化具有多期次性特點(diǎn)。各期的早階段鈉長石化非常普遍,通常以斜長石的亮邊和他形粒狀出現(xiàn),當(dāng)蝕變作用很強(qiáng)時(shí)暗色造巖礦物才被交代。這可能是由于斜長石在鈉長石化時(shí)不需破壞礦物的晶格構(gòu)造,只是在晶格位置上以Na+、Al3+替代Ca2+和Si4+的緣故。根據(jù)接觸帶鐵礦與鈉長石化經(jīng)常相伴的一般關(guān)系和水熱實(shí)驗(yàn)資料等方面分析,鐵在成礦流體中以Na-Fe-Cl及其它負(fù)離子的絡(luò)合物為主要形式,那么鈉長石化就意味著載鐵絡(luò)合物的分解。眾多的實(shí)驗(yàn)資料揭示,鐵最大可能的呈高溫堿金屬絡(luò)合物形式搬運(yùn)遷移,與鐵礦關(guān)系密切的鈉長石化可能的作用形式如:Na2(Fe2Cl6)+Al2O3+6SiO2+O2=2NaAlSi3O8+2FeCl3,這樣就使得鐵與堿金屬得以分離。當(dāng)流體中鐵離子或鹵化物不飽和時(shí),鈉化的同期流體還可以從巖石和礦物中清洗并吸收部分鐵質(zhì),使巖石的Na-Fe呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這就是通常所說的“清洗效應(yīng)”。利用石準(zhǔn)立等對14個(gè)巖石化學(xué)成分資料(表1)的計(jì)算,鐵山侵入體的蝕變巖Fe2O3+FeO和Na2O有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r=-0.7187(F=12.82),表明鈉化可使原巖含鐵量降低。4巖漿分異中鐵的富集與成礦物質(zhì)來源鈉化交代鐵質(zhì)的地球化學(xué)實(shí)質(zhì)可能是,由于鐵離子較之鈉離子有較大的斷鍵能和較高的電位,在偏堿性或堿性巖漿中,爭奪O2-的能力遠(yuǎn)大于鈉離子。因此鐵離子優(yōu)先與O2-結(jié)合形成獨(dú)立的氧化物多面體液相,鈉離子則與硅鋁氧絡(luò)離子鍵結(jié)合形成富鈉巖漿。在有利的動力和物理化學(xué)條件下,在揮發(fā)分流的作用下,Fe-O多面體液相便與富鈉巖漿逐漸分熔,并聚集成鐵礦漿成礦。此外,揮發(fā)分(特別是氯)在巖漿分異演化過程中逐漸富集,促使鐵從硅酸巖熔體中解離出來,也起著重要作用。鈉化蝕變現(xiàn)象一般都見于緊靠礦體附近的閃長巖體內(nèi),與礦體空間上關(guān)系十分密切。至于時(shí)間上,我們知道,與鐵礦床形成關(guān)系最密切的巖漿巖是第一期和第二期閃長巖,而鈉化最主要的兩期也是伴隨著兩期巖漿巖的侵入而發(fā)生的。由此看來,除早期礦漿貫入斷裂接觸帶構(gòu)造外,每一期次鈉化的發(fā)生都可能帶來新一期次的礦化。因鈉化作用而產(chǎn)生的鐵質(zhì)的富集主要有兩種反應(yīng)途徑。一是巖漿巖在高溫條件下發(fā)生自交代作用后,生成磁鐵礦,并伴隨原巖的鈉長石化或鈉化:二是由低溫下的沸騰作用而發(fā)生的析鐵反應(yīng),壓力的突然減小,導(dǎo)致流體沸騰,然后即有以下反應(yīng):原始載礦絡(luò)合物的破壞:簡單鹵化物的水解:氫氧化鐵的脫水:大量地質(zhì)和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明,鐵的成礦發(fā)生在鈉質(zhì)交代作用之后,但二者有成生聯(lián)系。這種聯(lián)系首先表現(xiàn)在他們同受巖漿作用支配,是巖漿分異演化總過程中兩個(gè)不同方面的表現(xiàn)形式。從成礦角度看,他們又同屬一個(gè)成礦過程。其次表現(xiàn)在鈉質(zhì)交代帶出的鐵質(zhì)是成礦物質(zhì)來源之一。此外,尚有無鈉質(zhì)交代的礦漿型鐵礦。因此,鈉質(zhì)交代與鐵礦成礦關(guān)系主要還不表現(xiàn)在鈉質(zhì)交代析出鐵質(zhì)上,應(yīng)追溯整個(gè)堿質(zhì)和堿質(zhì)交代溶液的歷史。5鐵山礦床鈉化侵蝕與成礦關(guān)系鈉化蝕變與成礦關(guān)系的模型見表4。6成礦規(guī)模及蝕變的重要性見表4根據(jù)現(xiàn)有鐵山礦床鈉化表現(xiàn)情況及對鈉化蝕變的探討,我們認(rèn)為本區(qū)鈉化蝕變的主要意義如下。1)閃長巖內(nèi)接觸帶鈉長石化比夕卡巖化分布范圍更廣、為其外帶更為重要的找礦標(biāo)志之一。沈保豐等(1977)及楊超群(1981)、杜樂天(1984)分別指出,鈉化的范圍、強(qiáng)度與礦體的規(guī)模成正比。因此,決定礦床規(guī)模大小,其關(guān)鍵在于堿交代規(guī)模大小。這是判斷成礦規(guī)模的首要條件之一。2)上三疊統(tǒng)含膏鹽地層的存在應(yīng)該作為有利成礦的重要條件。它有可能提供了成礦作用中十分關(guān)鍵的補(bǔ)充性的鈉質(zhì)。3)巖漿巖中鈉的異常都應(yīng)作為找鐵礦的重要指示特征。很多事實(shí)已經(jīng)證明,巖體中發(fā)生鈉化,則鐵質(zhì)必將被析出,這很有可能成為鐵礦床形成的先兆。因此,鈉化應(yīng)作為尋找鐵礦床特別是接觸交代型鐵礦床的重要標(biāo)志之一。4)在范圍較大的鈉化帶上,當(dāng)蝕變強(qiáng)度較高時(shí),又疊加有夕卡巖化、碳酸鹽化等蝕變,在有利的構(gòu)造條件下,是有可能找到一定規(guī)模的礦體的。5)在鉆探施工中隨時(shí)作巖石堿項(xiàng)分析,掌握鈉化變化規(guī)律,結(jié)合磁測資料可以及時(shí)指導(dǎo)施工生產(chǎn),掌握是否結(jié)鉆的主動權(quán)。7鈉化蝕變?yōu)槌傻V物質(zhì)的原因經(jīng)過以上各方面的探討,得出以下結(jié)論。1)鐵山礦區(qū)鈉化蝕變主要分布于巖體內(nèi)接觸帶近百米范圍內(nèi)。2)圍巖鈉化蝕變主要是鈉