玲瓏金礦田48號礦脈蝕變鉀長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度估算及其找礦意義

張騰飛，王翠芝，呂古賢，張寶林，焦建剛，劉維民， 楊桂彬，常增沛，嚴千豪，陳振

(1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福州 350108； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081； 3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029； 4.長安大學(xué)，西安 710054； 5.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司，山東 招遠 265406； 6.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，濟南 250101)

0 引言

鉀是地殼中分布最廣的造巖元素之一，在地球化學(xué)性質(zhì)上也是最活潑的堿金屬元素之一[1]。鉀和鈉的交代作用稱堿交代作用，它們在成礦溶液中對許多成礦元素具有強烈的活化轉(zhuǎn)移能力[2]。鉀長石化是一種鉀質(zhì)交代作用，發(fā)生鉀長石化的溫度區(qū)間很廣泛，高溫流體中的鉀能夠廣泛地交代各種巖石和礦物[1]。鉀長石化在銅、金、鈾、鉬等熱液礦床中作為一種重要特征的交代蝕變，與流體性質(zhì)及礦床成因有著密切的聯(lián)系[3]。前人探討在金礦床中鉀化與成礦關(guān)系時，往往集中于鉀長石成分及其平衡溫度[4-9]，對于鉀長石結(jié)構(gòu)態(tài)特征及其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)溫度估算研究較少。玲瓏金礦田中礦脈兩側(cè)花崗巖發(fā)育強烈的鉀長石化，對于玲瓏金礦田中礦脈兩側(cè)的鉀化花崗巖中的鉀長石開展研究有助于探究鉀長石結(jié)構(gòu)態(tài)與成礦關(guān)系。

本文以玲瓏金礦田大開頭礦區(qū)48號脈為研究對象，利用X射線粉晶衍射、電子探針等實驗手段，研究48號脈礦體鉀化花崗巖中鉀長石晶體結(jié)構(gòu)態(tài)、鉀長石類別、鉀長石化學(xué)成分特征以及鉀長石形成溫度與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度，旨在進一步了解鉀長石結(jié)構(gòu)態(tài)與成礦關(guān)系，以及成礦地質(zhì)環(huán)境。

1 成礦地質(zhì)背景

玲瓏礦田位于膠東西北部，招掖成礦帶的東北部，地處華夏構(gòu)造系第二隆起區(qū)的北部，南鄰棲霞復(fù)背斜，西靠郯廬大斷裂。區(qū)域上分布著玲瓏金礦、焦家金礦、三山島金礦等特大型金礦床，形成了著名的招掖成礦帶(圖1)。

招掖成礦帶主要由NE向的斷裂帶控制，主要包括三山島—倉上斷裂帶、新城—焦家—萊州斷裂帶、招平斷裂帶，這幾個斷裂帶形成于印支—燕山期，與區(qū)內(nèi)形成較早的EW向構(gòu)造帶呈切割關(guān)系。在兩個構(gòu)造帶的切割部位，發(fā)育著一系列的次級斷裂，是區(qū)域內(nèi)最主要的控礦和容礦構(gòu)造。區(qū)內(nèi)廣泛出露玲瓏花崗巖，另有少量的郭家?guī)X花崗巖、灤家河花崗巖及NNE向的脈巖(包括早期的閃長玢巖脈和晚期的煌斑巖脈)。其中，玲瓏花崗巖內(nèi)部偶見膠東群殘留體，巖性為黑云母片麻巖[10-11]。鉀化花崗巖是金礦化圍巖。

圖1 膠東區(qū)域地質(zhì)及礦區(qū)位置圖(據(jù)文獻[3]，修改)Fig.1 Regional geology and mining area location map of Shandong peninsula

2 礦床地質(zhì)特征

大開頭礦區(qū)位于玲瓏斷裂和破頭青斷裂夾持區(qū)。48號脈位于玲瓏礦田大開頭礦區(qū)的西南側(cè)，地表出露，走向呈NE方向(圖2)。出露地層主要為太古宙膠東群斜長片麻巖、黑云變粒巖和斜長角閃巖等。巖漿巖大面積發(fā)育，主要為中粗粒黑云母花崗巖，是礦區(qū)的主要圍巖。

48號脈整體主要由48號脈及其支脈組成。礦體分布在8線—97線間，最大延長1752 m，賦存標(biāo)高106～-499 m，總體走向45°～65°，傾向NW，傾角52°～70°。礦體形態(tài)簡單，呈脈狀，沿走向、傾向均呈舒緩波狀，局部地段具膨大、狹縮的特點(圖3)。

48號脈為石英脈型—蝕變巖型金礦脈，礦體圍巖有二長花崗巖、鉀化花崗巖、絹英巖化鉀化花崗巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、黃鐵絹英巖、煌斑巖等(圖4)。礦體圍巖與礦體呈漸變過渡接觸關(guān)系，近礦圍巖的礦物成分(包括所含有用、有益、有害組分)及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與礦體基本相同，只是礦化蝕變強度減弱，金屬硫化物含量及金品位減少。

圖2 玲瓏金礦田地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[3]，修改)Fig.2 Geological map of Linglong gold field1.第四系；2.欒家河型中粗粒二長花崗巖；3.玲瓏型似片麻狀黑云母花崗巖； 4.中基性巖脈；5.斷裂及推測斷裂；6.礦脈編號及其產(chǎn)狀；7.分礦或居民點

圖3 玲瓏金礦田84勘探線48號礦脈剖面圖Fig.3 Section of No. 84 exploration line in Linglong gold field

圖4 48號礦脈-620中段礦體蝕變分帶素描圖Fig.4 Alteration zoning of No. 48 vein at level -620 m

圖5 鉀長石化野外典型露頭Fig.5 Typical outcrop of potassic feldspar in the field

在本礦區(qū)，鉀化蝕變帶發(fā)育在未蝕變花崗巖帶與絹英巖化帶之間，在一個完整的蝕變帶中鉀化帶所占面積較大且長度較長，鉀化的主要產(chǎn)出形式為脈狀構(gòu)造(圖5a、圖5b)、大面積的面狀構(gòu)造(圖5c)及斑點狀構(gòu)造(圖5d)。

3 樣品采集及分析方法

3.1 樣品采集和制備

本次分析樣品采自玲瓏金礦田大開頭礦段-620中段，采集對象為48號脈礦體鉀化花崗巖中鉀長石。

選取不同構(gòu)造、結(jié)構(gòu)的代表性樣品送北京地質(zhì)博物館標(biāo)本廠制作光薄片，在礦相顯微鏡下進行前期特征觀察，并選取部分具典型結(jié)構(gòu)特征的樣品準(zhǔn)備進行電子探針測試。將樣品粗粉碎，在礦相顯微鏡下挑取鉀長石單礦物；將礦樣中鉀長石用瑪瑙研缽研磨至200目，準(zhǔn)備進行X射線粉晶衍射分析。

3.1 測試工作和方法

X射線粉晶衍射分析工作由福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院XRD實驗室完成，所使用的X射線粉晶衍射實驗儀器為德國BRUKER公司生產(chǎn)的D8 Advance型X射線衍射儀。儀器技術(shù)參數(shù)：2θ角度范圍-110°～162°，角度重現(xiàn)性+/-0.0001°，最小可控步長0.0001°，二維探測器計數(shù)矩陣256×256，像素大小55 μm×55 μm，靜態(tài)掃描范圍6.5°，99%線性范圍1×1010cps，最小背景≤1 cps，整機重現(xiàn)性±0.003°，分辨率FWHM 0.028°；Anton Paar高溫樣品臺25℃—1200℃，控溫精度+/-0.1℃；微區(qū)大小0.2 mm/0.3 mm/0.5 mm。

電子探針實驗儀器為電子探針波譜分析儀及掃描電鏡，儀器型號為日本JEOL的JXA-8230電子探針顯微分析儀。實驗條件：管壓15 kV，管流20 nA，束斑直徑8 μm。本次主要對鉀長石的SiO2、K2O、CaO、Na2O、FeO、MgO、Al2O3等11種化學(xué)成分進行了測試。

4 測試結(jié)果與討論

4.1 X射線粉晶衍射分析

對玲瓏礦田48號脈-620中段礦體一側(cè)鉀化花崗巖進行的X射線粉晶衍射分析結(jié)果見圖6所示。通過與ICDD卡片庫中標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，所測樣品主要為鉀長石含少量斜長石和石英。

圖6 48號礦脈蝕變帶鉀長石X射線粉晶衍射圖Fig.6 X-ray powder diffraction pattern of potassic feldspar in No.48 vein

(1)

(2)

(3)

Or=2031.77-92.19×2θ(201)

(4)

(5)

以上公式中，Sm為有序度，Δ為三斜度，η為結(jié)構(gòu)參數(shù)，Or為鉀長石數(shù)/%，T1(o)+T1(m)為Al在晶體中的占位率。

本次研究使用MIDjade軟件對衍射數(shù)據(jù)進行處理，并通過(1)—(5)式計算鉀長石結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征值，計算結(jié)果見表1。

表1 X射線粉晶衍射特征性數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)態(tài)特征值Table 1 Characteristic data and eigenvalues of X ray powder diffraction

圖7 鉀長石結(jié)構(gòu)狀態(tài)投圖(據(jù)文獻[16]，修改)Fig.7 Potassium feldspar structure state diagram

長石的結(jié)構(gòu)態(tài)受多種因素影響，一般認為其受溫度的影響最大[15,17]。大量實驗研究顯示，通過長石結(jié)構(gòu)參數(shù)η，可以推斷該長石的形成溫度，并認為結(jié)構(gòu)參數(shù)η求出的溫度是鉀長石保持最后一個結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的溫度，即穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度。前人認為鉀長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度是其形成的最低溫度而非鉀長石結(jié)晶時的溫度[13,15]。通過投圖方式，測定鉀長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度，見圖8，其溫度范圍為244～274.6℃。

4.3 電子探針分析

本次對48號脈-620中段蝕變帶中的鉀化帶3件樣品進行了電子探針測試，測點數(shù)共計26個，主要對鉀長石SiO2、K2O、CaO、Na2O、FeO、MgO、Al2O3等11種化學(xué)成分進行分析，分析結(jié)果見表2。

圖8 鉀長石平衡溫度投圖(據(jù)文獻[17]，修改)Fig.8 Projection of equilibrium temperature of potash feldspar

表2 鉀長石電子探針分析結(jié)果Table 2 Electron microprobe analysis of potash feldspar comment

測試單位：福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院電子探針實驗室。量單位：wB/%。

表中An、Or、Ab由以下公式計算：An=Ca/(Ca+Na+K)，Ab=Na/(Ca+Na+K)，Or=K/(Ca+Na+K)，長石中Ca、Na、K離子數(shù)以32個氧原子為標(biāo)準(zhǔn)來計算，且假定長石中的Fe全部為2價時計算Si、Al、Ca、Na、K陽離子數(shù)。

本次研究對所測數(shù)據(jù)進行鉀長石的端元組分標(biāo)示計算，并進行了An-Ab-Or圖解研判。在An-Ab-Or圖(圖9)中，所測鉀長石數(shù)據(jù)全部投點于正長石(微斜長石)位置。微斜長石與正長石的化學(xué)成分相近，結(jié)合礦床地質(zhì)特征、鉀長石X射線粉晶衍射分析結(jié)果，進一步證明玲瓏金礦田中的蝕變鉀長石為微斜長石[18]。

圖9 鉀長石化學(xué)成分分類圖(據(jù)文獻[18]，修改)Fig.9 Chemical composition classification of feldspar

前人研究[5-7]表明，鈉長石組分在斜長石系列及堿性長石系列之間的分配主要取決于其平衡時的溫度及壓力條件。因此，如果壓力確定，通過正長石、斜長石進行電子探針定量分析，計算斜長石與堿性長石中鈉長石的含量，就可得鉀長石形成時的大致溫度。

J.A.Whitney和J.C.Stormer根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的熱力學(xué)原理，提出了非理想混合模型下微斜長石中二長石地質(zhì)溫度計——(6)式，其精確度相對較高，誤差為±30℃[19]。

T(°K)=(A+B·P)/[-1.9872 ln(XAb.AF/XAb.PF)+C]

(6)

A=7973.1-16910.6XAb.AF+9901.9(XAb.AF)2

表3 二長石溫度計算結(jié)果Table 3 Temperature calculation of microcline and potash feldspar

B=0.11-0.22XAb.AF+0.11(XAb.AF)2

C=6.48-21.58XAb.AF+23.72(XAb.AF)2+8.62(XAb.AF)3

在(6)式中，T為溫度，°K為熱力學(xué)單位(開爾文)，P為壓力值；X為礦物中化學(xué)組分Na的摩爾分數(shù)，XAb=Na/(Na+Ca+K)，XAb.AF為鉀長石中的鈉長石含量，XAb.PF為斜長石中的鈉長石含量。

對于玲瓏金礦田的成礦壓力，根據(jù)前人在大開頭礦區(qū)所作的工作[3]，采用50 MPa作為該礦區(qū)的成礦壓力并代入(6)式中計算，計算結(jié)果見表3。表3中樣品形成溫度在410～470℃。已有學(xué)者通過二長石溫度計測定金礦鉀化帶中鉀長石平衡溫度，認為是其蝕變發(fā)生的溫度[4-5]。據(jù)此，玲瓏金礦田48號礦脈中鉀化蝕變溫度應(yīng)該發(fā)生在410～470℃。

5 討論

前人認為微斜長石形成溫度<500℃[20]，本文鉀長石的結(jié)構(gòu)態(tài)測定以及化學(xué)成分分析、物理化學(xué)特征均顯示48號礦脈的蝕變鉀長石為微斜長石，同時二長石溫度計測定的鉀化蝕變在410～470℃發(fā)生，因此認為48號脈蝕變鉀長石為最大微斜長石。微斜長石只有在水熱條件下通過堿交換反應(yīng)獲得[21]，考慮到鉀化蝕變時溫度在410～470℃，結(jié)合礦床地質(zhì)特征及本科研團隊前期對黃鐵礦成因礦物學(xué)特征研究[22]，認為48號脈屬巖漿期后熱液成因。

鉀長石結(jié)構(gòu)態(tài)測定以及其結(jié)構(gòu)態(tài)平衡溫度分布顯示，鉀長石發(fā)生蝕變時溫度為410～470℃，蝕變鉀長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度244～274.6℃。可以認為鉀化蝕變帶中在470℃左右發(fā)生蝕變，由于熱液中的物質(zhì)以及熱量不斷與圍巖發(fā)生交換，溫度逐漸降低，微斜長石結(jié)構(gòu)態(tài)隨著溫度的降低，有序度和三斜度逐漸升高，最終48號脈鉀長石蝕變帶熱液溫度長時間穩(wěn)定在244～274.6℃形成微斜長石。

前人通過實驗，認為溫度在300℃左右有利于金的集中與沉淀[23]。這與形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)的微斜長石的溫度區(qū)間相近，認為正是熱液長時間穩(wěn)定在244～274.6℃，給熱液中金的充分富集沉淀提供了適宜的成礦環(huán)境。同時，認為該礦區(qū)中最大微斜長石是該礦區(qū)金礦脈的良好找礦標(biāo)志，在實際工作中礦區(qū)內(nèi)微斜長石的結(jié)構(gòu)態(tài)測定，對于深部找礦工作具有指導(dǎo)意義。

6 結(jié)論

(1)大開頭礦區(qū)48號脈鉀長石平衡溫度投圖(有序度—三斜度投圖)顯示，礦脈鉀化花崗巖中的鉀長石為最大微斜長石，其有序度為0.830～0.907，三斜度為0.699～0.817。

(2)二長石溫度計分析研究表明，48號脈中鉀化蝕變溫度為410～470 ℃，蝕變鉀長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)溫度為244～274.6 ℃。

(3)因為最大微斜長石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)態(tài)形成時的熱液溫度有利于金富集沉淀，所以礦區(qū)內(nèi)最大微斜長石的出現(xiàn)是深部找礦的良好標(biāo)志。