桂北地區寨滾錫多金屬礦區閃長玢巖的礦物學特征及其地質意義

崔安民，覃小鋒，王宗起，馬收先，宮江華，李 東

(1.桂林理工大學 地球科學學院，廣西 桂林 541006；2. 桂林理工大學 廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室，廣西 桂林 541006；3. 中國地質科學院 礦產資源研究所，北京 100037)

0 引言

前人大量的研究結果表明，世界上大多數的錫礦化都是與富Sn、F、B、Li和Cs的S型花崗巖有關[1]，與錫成礦有關的S型花崗巖在成巖過程中能夠分異出富Sn的成礦流體[2]。而自20世紀80年代以來的研究發現，巖石圈拆沉和幔源巖漿底侵過程中的殼-幔相互作用，對富Sn花崗巖及其成礦作用有重要的控制作用[3-4]；一些錫多金屬礦表面上與幔源巖漿活動沒有直接聯系，但其對含錫花崗巖的形成甚至對錫的富集和成礦都具有重要的貢獻，有些錫礦床甚至是海底噴流沉積或基性火山噴發作用的直接產物[5]。近年來，有關華南地區錫成礦作用與中生代大規模巖漿活動關系的研究結果表明，中國東南部錫多金屬礦床與俯沖期間地幔楔熔融、玄武質巖漿底侵提供熱量而引起中下地殼熔融產生的長英質巖漿關系密切[6]；對個舊錫礦區中伴隨花崗巖出露的同時代中基性、堿性巖的研究結果亦表明，幔源巖漿對于成礦至少在提供能量方面也可能在成礦物質上有重要的貢獻[7]?？v觀國內外許多錫礦區，除了發育花崗巖以外，礦區一般都還發育有錫含量比較高的基性巖或超基性巖，如英國康沃爾錫礦，澳大利亞的塔斯馬尼亞西部錫礦，我國云南個舊錫礦，廣西桂北九毛、寶壇錫礦，四川岔河、轤轱錫礦等[8]。因此，研究錫礦床及其周邊伴隨出露的源自地幔的中—基性巖漿活動，對揭示殼-幔相互作用及對錫礦有關花崗巖的形成均具有重要意義。

桂北寶壇地區是我國南方較重要的錫多金屬礦集區之一，20世紀七八十年代以來，在該區內已發現包括一洞、沙坪和九毛等大型礦床在內的錫多金屬礦產地二十多處[9-11]。其中寨滾錫多金屬礦床(或稱之為田蓬錫多金屬礦床)位于桂北寶壇鄉境內的田蓬花崗巖體外接觸帶，近年來對該礦床的地質勘查發現了17個錫礦體，估算錫資源量(333+334)為X.XXX萬噸，達中—大型遠景規模[12]；而筆者在參與中國地質調查局“重要礦種關鍵問題調查與礦產地質專題填圖試點(DD20160124)”項目研究過程中發現，寨滾錫多金屬礦床的礦體主要圍巖為中—基性雜巖體以及四堡群文通組和魚西組[13]。前人對與錫多金屬礦有關的田蓬花崗巖體已作了大量的研究工作，但對錫多金屬礦體的主要圍巖——中—基性雜巖體的研究較少。

因此，本文在對寨滾錫多金屬礦區及其中的中基性雜巖體進行詳細的野外地質觀察和巖相學研究基礎上，重點對該雜巖體中閃長玢巖的礦物學和礦物地球化學特征進行研究，以確定該雜巖體巖漿侵位前的深部溫壓環境及巖石成因，進一步揭示其殼-幔相互作用特征，為本區錫多金屬礦床的成因研究提供巖石學依據。

1 區域地質概況及巖石學特征

1.1 區域地質概況

研究區位于桂北羅城縣寶壇鄉和環江縣東興鎮交界處，大地構造上位于華夏板塊與揚子板塊拼接處的揚子板塊東南緣、江南造山帶的西南端(圖1)。研究區出露的地層有新元古界四堡群和丹洲群、南華系以及少量上古生界泥盆系(圖2)，四堡群與丹洲群呈角度不整合接觸關系。其中出露的地層由老至新依次為新元古界四堡群文通組(Pt3y)和魚西組(Pt3w)兩個組，新元古界丹洲群白竹組(Pt3b)、合桐組(Pt3h)和拱洞組(Pt3g)三個組，南華系長安組(Nhc)、富祿組(Nhf)和黎家坡組(Nhl)三個組以及泥盆系(D)。

圖1 華南地區大地構造位置(據文獻[15]修改)

區內地質構造演化異常復雜，經歷了四堡、雪峰、加里東、印支等多期次構造運動的改造，褶皺、斷裂等各類型構造形跡十分發育。其中褶皺主要是受到SN向應力作用形成，并在研究區內形成一個近EW向大型復式背斜，背斜核部在汝則—雞洞灣一帶。斷裂構造以近SN向的池洞(F1)深大斷裂為主，還發育有NNE—NE向、NW—NWW向和近SN向三組次級斷裂，其中部分NNE—NE向和NW—NWW向次級斷裂穿過田蓬和寨滾花崗巖體，說明對花崗巖體和錫多金屬礦床的形成起到重要的控制作用[14]。區內巖漿活動也十分強烈，形成了分布廣泛的超鎂鐵質-鎂鐵質噴出巖和超鎂鐵質-酸性侵入巖，其中本區廣泛發育的Co、Ni、Cu、PGE礦床成礦系列與新元古代變質鎂鐵質-超鎂鐵質層狀雜巖體具有密切有關系，而Sn、Pb、Cu、Sb、Zn、W、U、Au等多金屬礦床成礦系列則與中酸性侵入巖密切相關[9-11]。

1.2 巖石學特征

寨滾錫多金屬礦床位于羅城縣寶壇鄉寨滾村東北方向2 km河溝旁，出露于田蓬花崗巖體外接觸帶中，其圍巖便是本文所研究的中—基性雜巖體(圖2)。

圖2 桂北寨滾礦區區域地質簡圖(據文獻[16]修改)

詳細的野外地質調查表明，中—基性雜巖體受微弱的變形變質作用改造，以小巖株和巖脈的形式侵位于四堡群文通組或魚西組中，出露面積大于3 km2。巖性主要由(輝長)輝綠巖-輝綠玢巖和閃長(玢)巖組成，以閃長玢巖為主，露頭上可見(輝長)輝綠巖-輝綠玢巖和閃長玢巖呈漸變過渡關系(圖3a、3b)，且閃長(玢)巖中往往含有許多的自形程度較好的呈長柱狀、針柱狀的角閃石礦物(圖3b)，而與圍巖呈明顯的侵入接觸關系(圖3c、3d)，由此從地質上說明閃長玢巖與(輝長)輝綠巖-輝綠玢巖來自玄武巖漿的演化。(輝長)輝綠巖呈深灰色，具塊狀構造，(輝長)輝綠結構，主要由斜長石(10%～75%)、單斜輝石(10%～60%)及一定量的的角閃石、黑云母和Fe-Ti氧化物(鈦、磁鐵礦)等礦物組成。斜長石多呈自形—半自形板柱狀，卡鈉復合雙晶發育，部分發生鈉黝簾石化，多退變質為鈉長石、黝簾石和綠簾石組成的微細粒集合體；單斜輝石呈半自形或他形柱狀，多以普通輝石斑晶的形式出現，多退變質為陽起石、綠簾石和綠泥石。輝綠玢巖的礦物粒度明顯細小，暗色礦物含量較少，具塊狀構造，斑狀結構，基質具微晶質結構。斑晶成分主要為單斜輝石，部分發生較強烈的退變質，以假晶的形式存在；基質主要由微晶斜長石及少量量的暗色礦物組成；在蝕變相對較強烈部位的巖石中，常見鈦鐵礦、榍石和綠泥石、鈉長石、綠簾石等呈細小的集合體狀分布。閃長玢巖表面風化呈灰白色，新鮮面呈深灰色，且能清楚看到呈長條狀的角閃石礦物，具塊狀構造，斑狀結構，基質具微細粒結構。主要礦物成分有角閃石(50%～80%)、斜長石(8%～40%)、黑云母(5%～10%)和少量Fe-Ti氧化物(鈦、磁鐵礦)。斑晶為角閃石、斜長石和少量的黑云母。

角閃石斑晶一般具棕褐色—淺黃色多色性，呈較自形的長柱狀、針柱狀晶形，礦物粒度細小，粒徑為1～2 mm，部分角閃石邊部綠泥石化或綠簾石化；斜長石斑晶，呈較半自形的板柱狀雙晶，粒徑為0.5～1 mm(圖3e)，部分發生鈉黝簾石化，多退變質為鈉長石、黝簾石和綠簾石組成的微細粒集合體；黑云母斑晶主要為褐色、褐黃色，呈自形—半自形，片狀結構聚集成團塊狀分布(圖3f)。巖石基質主要由微細粒的角閃石和斜長石蝕變的鈉長石、黝簾石、綠泥石和綠簾石組成，粒徑一般大于0.1 mm。

圖3 寨滾中基性雜巖體野外照片和閃長玢巖顯微照片

2 樣品采集及測試方法

由于寨滾錫多金屬礦區的中—基性雜巖體圍巖中，閃長玢巖往往含有較多的角閃石、黑云母和斜長石等斑晶礦物，這些礦物對于確定巖漿侵位前的深部溫壓環境及巖石成因具有重要意義。因此，本次研究主要采集中—基性雜巖體中的閃長玢巖進行礦物化學研究。本次研究在寨滾錫多金屬礦床的中—基性雜巖體中總共采集了10個新鮮的(輝長)輝綠巖和閃長玢巖樣品進行了全巖主量元素分析，所采集的樣品均較新鮮，未蝕變或者受蝕變較弱。分析測試工作在中國科學院貴陽地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室的PW4400型X射線熒光光譜儀(XRF)上采用熔片法完成，分析精度優于2%，測試結果見表1。測試使用的電子探針片是在廣西壯族自治區區域地質調查院完成。電子探針片磨制完成后對探針片上的角閃石、黑云母和斜長石進行礦物化學成分分析測試，分析測試在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室完成，實驗儀器型號為JEOLJXA-8230型電子探針，分析測試條件為電流20 nA，加速電壓15 kV，束斑直徑為5 μm，修正方法采用EPMA常用理論修正法ZAF定量分析程序，后期測試結果用geokit進行計算。分析結果見表2、表3、表4。

表1 桂北寨滾礦區中基性雜巖體巖石主量元素分析結果

表2 閃長玢巖中角閃石電子探針分析結果

表3 閃長玢巖中斜長石電子探針分析結果

表4 閃長玢巖中黑云母電子探針分析結果

3 全巖主量元素地球化學特征

4 礦物地球化學特征

4.1 角閃石

寨滾中—基性雜巖體中閃長玢巖的角閃石主要是斑晶形式存在，一般具棕褐色—淺黃色多色性，晶形呈較自形的長柱狀、針柱狀晶形(圖3b)。角閃石礦物的電子探針分析結果見表2。由表2可見，角閃石中w(SiO2)為45.60%～50.14%，w(Al2O3)為9.08%～12.99%，w(FeO)為13.34%～16.74%，w(MgO)為11.05%～13.14%，w(Na2O)為0.3%～0.45%，w(K2O)為0.13%～0.3%，w(CaO)為12.17%～19.82%，整體表現出富Fe、Mg和Ca，貧K、Na，低Ti、Al的特征。在角閃石的分類圖解[19]中，樣品的投點全部落入鎂普通角閃石區域內(圖5a)；在陳光遠等[20]提出的Mg - (Fe2++Fe3+) -(Li-Na-K-Ca)角閃石族礦物成因三角圖解(圖5b)中，樣品的投點全部落入中—酸性成因區，表明這些角閃石為中—酸性巖漿結晶形成的產物。

圖5 閃長玢巖角閃石分類圖解(a)[19]和Mg - (Fe2++Fe3+) -(Li-Na-K-Ca) 角閃石族礦物成因三角圖解(b)[20]

4.2 斜長石

寨滾中—基性雜巖體中閃長玢巖的斜長石斑晶呈半自形板柱狀零星分布于巖石中(圖3e)。選取其中6個未蝕變的斜長石進行了電子探針成分分析(表3)。由表3可見，斜長石的主要成分：w(SiO2)為63.29%～66.67%，w(Al2O3)為22.26%～23.88%，w(Na2O)為6.51%～10.21%，w(FeO)為0.10%～0.57%，w(CaO)為3.94%～5.09%。通過計算獲得斜長石的端員組分Ab為71.85%～81.93%，An為17.46～27.31%，Or為0.56～6.15%。在長石分類圖解[21]中投影，所有樣品的投點均落在更長石區域內，全部屬于斜長石區域(圖6)，斜長石An值偏低，可能是巖漿含水量增加的結果。

圖6 閃長玢巖長石An-Ab-Or分類圖解[21]

4.3 黑云母

寨滾中—基性雜巖體中閃長玢巖的黑云母斑晶主要為褐色或褐黃色，呈自形—半自形鱗片狀聚集成團塊狀分布(圖3f)，粒徑為0.3～0.5 mm，部分黑云母邊部具綠泥石化或綠簾石化現象。黑云母電子探針成分分析結果表明(表4)，其主要成分：w(SiO2)為36.55%～37.03%，w(Al2O3)為15.34%～16.61%，w(MnO)為0.26%～0.37%，w(MgO)為10.63%～12.47%，w(FeO)為19.78%～21.11%，w(CaO)為0～0.07%，w(Na2O)為0.10%～0.26%，w(TiO2)為0.78%～0.95%，Mg#在0.48～0.54之間，整體表現出富Fe、Mg和Al，貧Ti、Na和Ca的特征。在黑云母 Mg - (AlⅥ+Fe3++Ti)- (Fe2++Mn) 分類圖解[22]中，投點全部落在鎂質黑云母區域內(圖7a)。在 (Fe3++Ti+AlⅥ) - (Fe2++Mn) - Mg 圖解[23]中，投點均落在原生黑云母區域內，表明其應屬于巖漿成因的黑云母(圖7b)。

圖7 閃長玢巖黑云母 Mg - (AlⅥ+Fe3++Ti) - (Fe2++Mn) 分類圖解(a)[22]和黑云母 (Fe3++Ti+ AlⅥ) - (Fe2++Mn) - Mg圖解(b)[23]

5 討論

5.1 巖漿物理化學條件

巖漿成巖過程中，角閃石和黑云母等礦物作為寨滾中—基性雜巖體中閃長玢巖的最主要造巖礦物，伴隨結晶分異、同化混染和新巖漿的注入等會導致其物理化學條件(包括溫度、壓力和氧逸度等)發生顯著改變，其物理化學條件的改變會影響到巖體的礦物成分和巖相分異等[24]。因此，造巖礦物的化學成分既可以指示其母巖漿的源區性質、巖石成因類型和形成的構造環境，同時還可以用來反演其巖漿結晶過程中的物理化學條件。

角閃石作為火成巖中常見的造巖礦物之一，由于其化學成分明顯受到巖漿溫度和壓力等因素的影響，對于限定巖漿形成的溫壓條件具有重要的意義[25]。Holland et al.[26]最早提出了斜長石-角閃石兩相礦物溫度計，要求斜長石-角閃石符合An≤92，Si≤7.8的使用條件。本次所分析的斜長石(表2)均符合使用條件；角閃石的Si為6.56～6.91(表5)，符合使用條件，可以保證達到平衡。計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中巖漿成因角閃石的結晶溫度為662℃～705℃(表5)。另外，Schmidt[27]提出了一個近水飽和固相線溫度下角閃石全鋁壓力計：

P(×0.1GPa)=4.76×AlHbtot-3.01

(1)

根據式(1)計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中巖漿成因角閃石的結晶壓力為0.40 GPa～0.70 GPa，對應的深度范圍為13.16～23.17 km(表5)(以1 GPa=33 km估算)。

表5 角閃石-斜長石地質溫度和角閃石全鋁壓力計算結果

同時Ridolfi et al.[25]通過對角閃石成分與氧逸度之間關系的研究，提出了根據角石分子式計算其結晶時的相對氧逸度(ΔNNO，NNO為鎳-氧化鎳緩沖劑)的公式：

ΔNNO=1.644×Mg*-4.01

(2)

其中：Mg*=Mg+Si/47-AlVI/9-1.3×TiIV+Fe3+/3.7+Fe2+/5.2-BCa/20-ANa/2.8+A[空位]/9.5。

采用式(2)計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中除角閃石(Hb-2)外，其他角閃石結晶時的相對氧逸度變化范圍在ΔNNO=+0.33～+0.95之間(表2)，由此可以認為，角閃石形成時的環境為13.16～23.17 km的高等氧逸度環境。實驗研究結果表明，角閃石等鎂鐵質硅酸鹽礦物Fe2+/(Fe2++Mg)比值對氧逸度(fO2)的變化非常敏感，其在特定的溫度條件下與氧逸度成函數關系[28]，從AlIV- Fe2+/(Fe2++Mg)圖解(圖8a)中可以看出，角閃石的投點主要落在高等氧逸度范圍內，這與氧逸度計算結果是一致的。

圖8 閃長玢巖角閃石AlIV - Fe2+/(Fe2++Mg)圖解成因判別(a)[28]和角閃石-黑云母礦物對Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)Hb - Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)Bt溫度圖解(b)[29]

王賽等[30]在對比前人多種地質溫度計得出，利用角閃石-黑云母礦物對來計算黑云母的溫度更加合理。通過計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中角閃石和黑云母的Mg/(Mg+Fe+Mn+Ti)含量，投圖估算黑云母的結晶溫度范圍在550℃～650℃之間(圖8b)。Uchida et al.[31]的研究結果表明，黑云母中的全鋁含量與火成巖的固結壓力具有良好的正相關關系，其經驗公式為

P(×0.1GPa)=3.03×TAl-6.53(±0.33)

(3)

式(3)中的TAl為以22個氧原子為基礎計算出的黑云母中鋁陽離子總數。

利用式(3)計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中黑云母的結晶壓力范圍為0.18 GPa～0.26 GPa，對應的深度范圍為5.95～8.45 km(表3)(以1 GPa=33 km估算)[32]。黑云母同等溫度條件下從HM(Fe2O3-Fe3O4)緩沖線經NNO(Ni-NiO)緩沖線至FMQ(Fe2SiO4-SiO2-Fe3O4)緩沖線氧逸度系統具降低趨勢。在Fe3+-Fe2+-Mg圖解(圖9a)中，寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中黑云母樣品的投點均落在NNO(Ni-NiO)緩沖線之上的附近，說明黑云母形成時巖漿體系的氧逸度較高。黑云母的氧逸度是可以根據黑云母Fe3+、Fe2+和Mg2+和黑云母穩定度值[100×Fe2+/(Fe2++Mg2+)]進行估算[33]，并結合黑云母的數據投影到logfO2-T圖解[34](圖9b)來確定。通過計算獲得寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中黑云母穩定度值[100×Fe2+/(Fe2++Mg2+)]在49～52之間，估算獲得其對應的氧逸度絕對值(logfO2)在-12.0～-13.5之間，亦說明寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中的黑云母形成于高氧逸度環境。

圖9 閃長玢巖黑云母圖解(a)logfO2- T圖解(b)[34]

5.2 巖漿源區性質及地質意義

前述礦物化學特征研究結果表明，寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖中的角閃石和黑云母均屬于巖漿結晶的產物(圖5、圖7)。姜常義[35]根據巖體中角閃石TiO2和Al2O3的含量關系，將巖體母巖漿的源區劃分為殼源、幔源和殼?；旌显磪^三種類型，并認為幔源區角閃石的w(Al2O3)≥10%，Si/(Si+Ti+Al)值≤0.765，而殼源區角閃石的w(Al2O3)≤10%，Si/(Si+Ti+Al)值≥0.775。角閃石的礦物化學成分分析結果(表2)表明，寨滾中基性雜巖體中巖漿成因角閃石的w(Al2O3)和Si/(Si+Ti+Al)值的范圍分別為9.08%～12.99%和0.757～0.777，介于幔源和殼源之間；將角閃石的TiO2和Al2O3成分投影到角閃石的TiO2- Al2O3成因分類圖解(圖10a)中，主要落在幔源區，部分落在殼?；煸磪^和幔源區分界線兩側。謝應雯[36]提出用Mg#值來區分巖漿的來源，幔源型Mg#>0.7，殼?；煸葱?.715%] 和殼源黑云母含量 [w(MgO)<6%] 之間。根據上述黑云母成分特征表明，寨滾中基性雜巖體中閃長玢巖的巖漿主要來自于殼?；旌显?。

圖10 閃長玢巖角閃石(a)[35]和黑云母(b)[38]成因判別圖解

綜合上述結晶溫壓條件及其形成深度的估算結果可以看出，角閃石和黑云母的結晶溫度分別是662℃～705℃和550℃～650℃；結晶壓力范圍分別為0.40 GPa～0.70 GPa和0.18 GPa～0.26 GPa，相對應的形成深度分別為13.16～23.17 km和5.95～8.45 km。結合前述根據角閃石和黑云母成分判別的巖漿源區性質表明，寨滾中—基性雜巖體的原生巖漿主要來源于幔源，幔源巖漿在上升底侵到地殼較深部位(13.16～23.17 km)時，部分角閃石開始結晶形成角閃石斑晶；同時，由于幔源巖漿溫度較高，導致了地殼較深部位(下地殼)巖石發生部分熔融作用形成殼源性質的長英質巖漿，并與幔源巖漿發生殼-幔巖漿混合作用。隨后，殼-幔巖漿混合作用形成的新巖漿較快速度上升到地殼淺部(5.95～8.45 km)發生冷凝結晶分異作用，并晶出黑云母和部分角閃石，最終形成現在的具殼?；旌闲再|的寨滾中—基性雜巖體。

寨滾錫多金屬礦的主體形成于寨滾巖體內和田蓬花崗巖體的外接觸帶內，獲得閃長玢巖加權平均年齡值為(842.9±3.9)Ma(MSWD=0.22)。眾多學者曾采用LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年方法對桂北寶壇地區廣泛發育的巖漿巖做測試分析，其中Wang et al.[39]獲得田蓬花崗巖體的同位素年齡為(794.2±8.1)Ma，Wang et al.[40]獲得平英花崗巖體的形成年齡為(835±5)Ma；張世濤等[41]獲得平英花崗巖巖體的形成年齡為(834.2±5.1)Ma，這與寨滾錫多金屬礦中閃長玢巖年齡一致，認為該地區均為新元古代巖漿作用的產物，是Rodinia超大陸的聚合和裂解運動下形成的，也暗示桂北寨滾錫多金屬礦是存在新元古代源自地幔的(中)基性巖漿活動，為探索殼-幔相互作用以及幔源物質對錫(鎢)富集成礦作用的證據。

6 結論

通過以上對寨滾中—基性雜巖體閃長玢巖的巖石學、礦物學和礦物地球化學的研究，可以得出以下幾點初步認識：

1)寨滾中—基性雜巖體中閃長玢巖角閃石和黑云母的礦物化學成分研究結果表明，其原生巖漿主要來源于幔源，并兼具殼-幔巖漿混合特征。

2)根據角閃石和黑云母成分估算，獲得角閃石和黑云母的結晶溫度分別是662℃～705℃和550℃～650℃；結晶壓力分別為0.40 GPa～0.70 GPa和0.18 GPa～0.26 GPa，相對應的形成深度分別為13.16～23.17 km和5.95～8.45 km。

3)桂北寨滾錫多金屬礦是存在新元古代源自地幔的(中)基性巖漿活動，成巖過程與殼幔相互作用有關，為探索殼-幔相互作用以及幔源物質對錫(鎢)富集成礦作用的證據。