湘南黃沙坪矽卡巖型礦床石榴子石主量元素地球化學特征

唐 春，任建星，歐陽蘭，戴云龍

(1.南昌工程學院 水利與生態工程學院，江西 南昌 330099；2.湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

金屬礦床是礦產資源的主要來源之一，對其進行成因研究及開發利用對國民經濟的發展具有重要意義[1-2]。矽卡巖型礦床是世界重要的金屬礦床類型之一[3]。該類型礦床中的鎢元素占世界的45%，中國的61%，鉬元素占世界的10%，中國的23%。這些金屬資源是國民經濟發展的重要支柱，加強矽卡巖型多金屬礦床的研究對完善成礦理論及實際應用找礦勘探工作具有雙重意義[4]。黃沙坪矽卡巖鎢鉬多金屬礦床位于湖南省桂陽縣，已探明鎢、鉬礦石儲量分別為743.1萬t(WO3品位為0.28%)和568萬t(Mo品位為0.07%)[5]。累計生產鉛鋅金屬上百萬t，現處于資源危機狀態。為此，對該礦床的成礦規律和成礦機制的進一步了解，可更好地為深部和邊部隱伏礦體的找礦工作服務。

近年來，學者們對黃沙坪礦床的成巖成礦地質條件[6-7]、成巖成礦時代[8-9]、成礦物質來源和成礦流體特征[10-13]等方面開展了大量的研究工作，認為黃沙坪多金屬礦床與礦區花崗質巖體具有密切的時間、空間及成因聯系，二者應為同一構造背景下形成的產物。該礦床與湘南同時代的其他鎢錫多金屬礦床具有相同的地球動力學背景；這種構造背景可能與中—晚侏羅世活動的Farallon-Izanagi洋嶺和轉換斷層俯沖觸發作用導致的陸內發生轉換拉伸，軟流圈地幔上涌及發生殼—幔相互作用密切相關[14]。黃沙坪礦區由于花崗質巖體在演化過程中形成的巖體具有不同的地球化學組成[15]，在結晶分異過程中形成了W-Mo-Pb-Zn成礦流體系統。深部巖漿所形成的超臨界成礦流體在上升過程中不斷與圍巖相互作用，并萃取其中的成礦物質。成礦流體從深部向上運移過程中，與礦區石磴子組地層發生水巖交換反應，在二者的接觸帶形成高溫高鹽度的矽卡巖型鎢鉬礦體。石榴子石是黃沙坪礦床矽卡巖中重要的脈石礦物之一，對其進行化學組成研究有助于了解巖漿熱液流體的特征及演化，為深入理解該矽卡巖型礦床的成因提供證據。

1 區域及礦床地質特征

湘南地區構造單元由基底和蓋層組成?；子稍诩永飽|期經歷強烈褶皺變形、變質作用的震旦系—志留系地槽沉積相構成。蓋層屬地臺型沉積建造，主要由泥盆系—石炭系碳酸鹽巖類巖石構成。燕山期、喜山期構造層小規模出露，主要沿中、新生代斷裂分布[16-17]。

黃沙坪礦床出露地層主要為泥盆系和石炭系地層，其中，石炭系石磴子組(C1s)灰巖是礦區主要的賦礦圍巖。該地層性質活潑，成礦元素含量高，具備礦源層特征。石蹬子組灰巖和上覆的測水組為碎屑巖地層構成了容礦層和遮擋層的緊密組合，所形成的容礦空間使成礦物質大量地聚集、封存。礦區構造主體為印支期和燕山期所形成的褶皺—沖斷構造，形成軸向NNE向的倒轉背斜、倒轉向斜及逆沖斷層，其次為走向NE、NW和近EW向等方向的斷層，巖漿巖沿褶皺核部和斷裂侵入[18]。

矽卡巖型鎢鉬多金屬具有典型的矽卡巖礦物組合，分布于酸性侵入巖(主要為花崗斑巖、石英斑巖和花斑巖)與碳酸鹽巖類(主要為石磴子組灰巖)的接觸帶及其附近。矽卡巖帶為復雜矽卡巖，巖漿期后熱液交代了原有的簡單矽卡巖礦物(如石榴子石等)。從內矽卡巖帶到外矽卡巖帶，矽卡巖成分具有差異，既有早期在較高溫度下形成的磁鐵礦化矽卡巖，也有近圍巖中存在的代表低溫退變質階段形成的石英脈穿插在矽卡巖中[19]。礦化具有分帶性，從巖體至圍巖，分別為磁鐵礦化、黃鐵礦化和方鉛礦化，反映了成礦溫度從高溫到低溫的變化。從矽卡巖帶到花崗斑巖可觀察到與矽卡巖接觸帶附近的花崗巖普遍發生鉀化，后期又有不同期次石英脈穿插，局部具有礦化現象，如方鉛礦化。遠離矽卡巖帶的花崗斑巖沒有鉀化及礦化現象。

2 樣品特征及分析方法

用于電子探針主量分析的石榴子石樣品均采自于黃沙坪礦床不同中段的坑道內。石榴子石樣品顏色呈不同程度的棕褐色、淺黃褐色(圖1a)，常被白鎢礦、輝鉬礦、螢石、方解石等交代(圖1b)。正交鏡下主要呈現非均質性，石榴子石內部常表現為對角消光，而邊部為環帶消光，表明其具有一定的成分變化[20]。BSE圖像中，樣品HSP-44中的石榴子石具有明顯的明暗條帶(圖1c)。樣品HSP-77中的石榴子石邊部環帶結構清晰，而核部的環帶不明顯(圖1d)。樣品HSP-28和樣品HSP-23中的石榴子石環帶不明顯，但蝕變明顯(圖1e～f)。

電子探針分析在中國科學院地球化學研究所電子探針實驗室完成。將4個石榴子石矽卡巖樣品磨成光薄片，表面噴上均勻的導電碳層，進行能譜掃描和電子探針X射線微區分析。所使用儀器為日本島津公司生產的EPMA-1600型電子探針，該電子探針配有高穩定的電子光學系統、真空系統及高精度機械系統，EDAX公司生產的Genesis能譜儀以及波譜儀WDS。實驗條件為：加速電壓25 kV、束流4.5 nA，成分分析的束斑直徑1μm。利用掃描背散射電子成像分析技術(BSE)對樣品表面進行觀察，選擇打點位置進行分析。代表性樣品HSP-44和HSP-77的分析結果見表1～2。

圖1 黃沙坪礦床石榴子石顯微照片

表1 黃沙坪礦床樣品HSP-44石榴子石端元組分

表2 黃沙坪礦床樣品HSP-77石榴子石端元組分

續表2

3 測試結果

電子探針分析結果顯示石榴子石主要由鈣鐵榴石和鈣鋁榴石組成，含有少量的鐵鋁榴石和錳鋁榴石(圖2a)，與世界典型的矽卡巖型W、Mo、Cu、Pb、Zn礦床石榴子石組成相似(圖2b)。鈣鐵榴石的質量分數介于21.34%～99.83%，鈣鋁榴石的質量分數介于0.14%～73.07%。其中，樣品HSP-44中的石榴子石BSE圖像具有明暗條帶，端元組分主要為鈣鐵榴石(And)、鈣鋁榴石(Gro)組成，二者含量大于97%，其它端元組分小于3%。鈣鐵榴石含量介于52.48%～65.62%，鈣鋁榴石含量介于32.8%～45.46%，表明石榴子石成分以鈣鐵榴石為主。石榴子石不同環帶的化學成分有所差異，表現為淺色環帶的鈣鐵榴石含量明顯高于兩側深色環帶，而鈣鋁榴石則低于兩側深色環帶。并且從石榴子石核部到邊部，鈣鐵榴石粒徑逐漸增大，而鈣鋁榴石則逐漸變小(圖3)。樣品HSP-77中的石榴子石在BSE圖像中，石榴子石邊部環帶結構清晰，而核部的環帶不明顯。端元成分主要由鈣鐵榴石、鈣鋁榴石，含量分別介于29.98%～56.51%，41.76%～67.12%。石榴子石端元組成從核部至邊部變化規律明顯，核部以鈣鋁榴石為主，越往邊部鈣鐵榴石含量越高，轉變為以鈣鐵榴石為主。在環帶發育的邊部，淺色環帶的鈣鐵榴石含量高于兩側深色條帶。主量元素方面，由核部到邊部，除FeO逐漸增高外，Mn、TiO2、MgO、Al2O3、CaO、F、SiO2均有下降趨勢(圖4)。樣品HSP-28的石榴石環帶不明顯，端元組分主要為鈣鋁榴石，含量介于70.62%～73.07%，鈣鐵榴石含量介于21.34%～23.8%，從核部到邊部含量變化不大。而樣品HSP-23的石榴石主要由And組成，含量介于87.02%～99.83%，鈣鋁榴石含量則介于0.14%～11.49%。

圖2 黃沙坪礦床石榴子石端元組分圖

圖3 石榴子石環帶成分的變化圖

圖4 鈣鋁榴石(Gro)含量與F含量關系圖

4 討論

石榴子石是黃沙坪礦床中重要的造巖礦物，電子探針分析結果顯示石榴子石主要由鈣鐵榴石和鈣鋁榴石組成，含有少量的鐵鋁榴石和錳鋁榴石，與世界典型的矽卡巖型W、Mo、Cu、Pb、Zn礦床石榴子石組成相似[19]。鈣鐵榴石的質量分數介于21.34%～99.83%，鈣鋁榴石的質量分數介于0.14%～73.07%，石榴子石形成過程中鈣鐵榴石成分占主體且成分含量越來越大，說明流體處在強氧化環境中[22-23]。在變質或熱液交代作用中形成的石榴子石常常具有振蕩環帶結構，而且不同環帶之間的化學成分上具有明顯的差別。在矽卡巖礦床中，這些具有振蕩環帶的石榴子石，環帶的成分變化反映了水巖反應特征并能對熱液流體的演化過程提供重要的信息。黃沙坪礦床的，邊部環帶比核部環帶更發育。不同環帶的化學組成具有一定的差異，最顯著的差異表現為鈣鐵榴石和鈣鋁榴石含量的交替變化，而且這種成分的變化與背散射圖像中石榴子石環帶中的明暗環帶變化一致，也與石榴子石中的FeO和Al2O3含量具有相反的變化趨勢相對應。核部到邊部的變化，反映了石榴子石從早期到晚期鈣鐵榴石含量越來越高，對應的鈣鋁榴石含量越來越低，并且明環帶(較亮)相比于兩邊的暗環帶(較暗)具有更高的鈣鐵榴石成分。雖然錳鋁榴石和鎂鋁榴石含量較少，但MgO和MnO含量與鈣鋁榴石含量變化一致。而TiO2和FeO沒有表現出明顯的一致變化，表明Ti和Fe沒發生明顯的替代關系。另外石榴子石中具有一定的F含量，最高可達3.201%，隨著鈣鋁榴石含量增高而變大(圖4)，而F含量的高低與金屬硫化物的沉淀具有直接、密切的聯系。

5 結束語

通過對黃沙坪礦床石榴子石進行電子探針主量分析，獲得了以下結論：

(1)石榴子石是黃沙坪礦床矽卡巖型鎢鉬礦石中的主要脈石礦物，主要由鈣鐵榴石和鈣鋁榴石組成，含有少量的鐵鋁榴石和錳鋁榴石。

(2)BSE圖像中，石榴子石邊部比核部具有更明顯的明暗相間的振蕩環帶結構，鈣鐵榴石和鈣鋁榴石含量的交替變化與環帶中的明暗環帶變化一致，且鈣鐵榴石含量從核部至邊部逐漸增加。除Fe外，其它主量元素含量從核部到邊部逐漸減小。

(3)石榴子石環帶化學成分的變化特征表明石榴子石結晶過程中物理化學條件的反復變化，且流體處于強氧化環境，這為研究熱液流體的演化與成礦過程提供了重要信息。