揚(yáng)子板塊西緣攀西地區(qū)白草礦區(qū)黃鐵礦標(biāo)型元素特征及其指示意義

張貴山，邱紅信，彭 仁，孟乾坤，溫漢捷,3，李石磊

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054; 2. 自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所 礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550081; 4. 四川省川威集團(tuán)礦業(yè)總公司，四川 成都 610059)

0 引 言

黃鐵礦是重要的金屬硫化物礦物[1-10]。利用黃鐵礦標(biāo)型特征來(lái)探討礦床成因和預(yù)測(cè)礦體分布已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工作中。標(biāo)型元素是黃鐵礦最主要的標(biāo)型特征之一，包含了大量成礦信息，在黃鐵礦標(biāo)型特征中具有無(wú)法替代的地位[11]。因此，眾多學(xué)者對(duì)黃鐵礦標(biāo)型元素特征進(jìn)行了相關(guān)研究，積累了大量資料[12-15]。

攀西地區(qū)是中國(guó)主要釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)，但也有獨(dú)立的銅鎳硫化物礦床產(chǎn)出，集中形成于263～250 Ma[16]，這些礦床[17-31]與釩鈦磁鐵礦形成時(shí)間[32]基本一致。前人對(duì)銅鎳硫化物礦床成因做了大量研究，但關(guān)于硫化物的形成機(jī)制與硫源等還存在不確定性和爭(zhēng)議，如地幔硫和地殼硫混染之爭(zhēng)[33]、地殼硫混染機(jī)制[34-35]等。攀西地區(qū)除了獨(dú)立銅鎳硫化物礦床之外，還發(fā)育富鈷硫化物礦床，常以與釩鈦磁鐵礦共伴生或獨(dú)立富鈷硫化物等形式產(chǎn)出。賦存在釩鈦磁鐵礦礦床中的富鈷硫化物成因機(jī)制研究還比較薄弱，選擇攀西地區(qū)富鈷硫化物作為研究對(duì)象，系統(tǒng)討論富鈷硫化物礦床成因和硫化物形成機(jī)制，為該地區(qū)金屬硫化物礦床成礦理論提供證據(jù)，對(duì)豐富峨眉山地幔柱成礦理論具有重要意義[36]。

課題組在攀西地區(qū)白草釩鈦磁鐵礦礦區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育大量富鈷硫化物礦物，呈浸染狀、致密塊狀、斑雜狀和網(wǎng)脈狀產(chǎn)出。基于此，本文將通過(guò)對(duì)白草礦區(qū)4類礦石中黃鐵礦標(biāo)型元素特征的研究，來(lái)討論硫化物的成因及其與釩鈦磁鐵礦的關(guān)系，為本區(qū)金屬硫化物礦床成礦作用的研究提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

攀西地區(qū)位于揚(yáng)子板塊西緣，發(fā)育中條期和晉寧期形成的SN向深大斷裂和EW向次級(jí)斷裂。深大斷裂自西向東依次為程海深大斷裂帶、攀枝花深大斷裂帶、昔格達(dá)—元謀深大斷裂帶、安寧河深大斷裂帶，在時(shí)空上控制了基性—超基性侵入體(富含釩鈦磁鐵礦和銅鎳硫化物)的分布[37]。地層出露較為完整，主要由結(jié)晶基底和蓋層組成，基底為前震旦系雜巖，混合巖化作用強(qiáng)烈，蓋層為震旦系到第四系地層[38]。巖漿巖具有規(guī)模大、分布廣的特點(diǎn)，巖漿作用可分為元古、加里東—華力西—印支、燕山—喜山3個(gè)旋回。元古旋回主要出露在康滇地軸，主要是巖體侵位于康定群變質(zhì)巖中，以花崗片麻巖為主，原巖為花崗閃長(zhǎng)巖。加里東—華力西—印支旋回由于安寧河地體與鹽邊地體合并產(chǎn)生擠壓作用，使地幔部分熔融，產(chǎn)生玄武巖巖漿和堿性巖漿，形成了基性—超基性巖體和堿性巖體，二疊紀(jì)末期巖漿活動(dòng)達(dá)到頂峰，產(chǎn)生攀西巖漿活動(dòng)標(biāo)志性巖石——峨眉山玄武巖。燕山—喜山旋回巖漿巖主要為燕山—喜山陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物，巖石組合分為地?；煸葱透粔A淺成—超淺成侵入巖組合、幔源型堿性侵入巖組合、殼源型花崗巖組合三大類[39-40]。

白草礦區(qū)地層出露簡(jiǎn)單，僅有前震旦系會(huì)理群和第四系殘坡積地層出露。巖漿巖分布廣泛，玄武巖和正長(zhǎng)巖大面積分布，正長(zhǎng)巖呈巖株分布于礦區(qū)西部，輝長(zhǎng)巖脈、輝綠巖脈及少量正長(zhǎng)巖脈主要呈NE向侵位于玄武巖中，面積相對(duì)較小的橄輝巖呈NW向分布于玄武巖中，釩鈦磁鐵礦礦體近SN向分布于含礦輝長(zhǎng)巖巖體內(nèi)。構(gòu)造較為發(fā)育，受區(qū)域上SN向昔格達(dá)—元謀深大斷裂帶、安寧河深大斷裂帶控制明顯[41]，并有NE向和EW向次一級(jí)斷裂發(fā)育(圖1)。

1.2 金屬硫化物礦石特征

白草礦區(qū)富鈷硫化物礦石主要有4種類型：浸染狀、致密塊狀、斑雜狀和網(wǎng)脈狀。浸染狀礦石中金屬硫化物主要呈星點(diǎn)狀分布于釩鈦磁鐵礦的中部或邊緣，體積分?jǐn)?shù)約為4%，主要礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，比例為3∶1∶96[圖2(a)]；致密塊狀礦石產(chǎn)于致密塊狀釩鈦磁鐵礦礦體、輝長(zhǎng)巖或輝石巖的下部，產(chǎn)狀與致密塊狀釩鈦磁鐵礦礦體基本一致，硫化物體積分?jǐn)?shù)大于75%，主要礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，比例為2∶5∶93[圖2(b)]；網(wǎng)脈狀礦石中金屬硫化物體積分?jǐn)?shù)約為8.79%，產(chǎn)于輝石巖和輝綠巖裂隙中，主要礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，比例為1∶1∶98[圖2(c)]；斑雜狀礦石中金屬硫化物體積分?jǐn)?shù)約為15%，產(chǎn)出于正長(zhǎng)巖-碳酸巖等堿性雜巖與圍巖接觸處，主要礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，比例為5∶10∶85[圖2(d)]。

白草礦區(qū)硫化物礦物主要為黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦及少量紫硫鎳礦。黃鐵礦主要呈他形粒狀，粒徑為0.1～1.0 mm，多與磁黃鐵礦、黃銅礦共生；磁黃鐵礦多為半自形—他形粒狀結(jié)構(gòu)，以他形粒狀結(jié)構(gòu)為主，粒徑約為0.5 mm，常與黃鐵礦、黃銅礦共生；黃銅礦一般為他形粒狀，粒徑較細(xì)，一般為0.1～0.2 mm，氧化色為錆色；紫硫鎳礦發(fā)育于黃鐵礦中，主要呈他形粒狀產(chǎn)出，粒徑為0.1～0.3 mm(圖3)。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

本次研究共采集樣品15件，其中，致密塊狀礦石樣品3件、浸染狀礦石樣品8件、斑雜狀礦石樣品2件、網(wǎng)脈狀礦石樣品2件，采樣位置見圖1。浸染狀礦石采自釩鈦磁鐵礦中部，礦石以釩鈦磁鐵礦為主，硫化物含量較少；致密塊狀礦石采自釩鈦磁鐵礦礦體下部，礦石以硫化物礦物為主；斑雜狀礦石樣品采自正長(zhǎng)巖與圍巖接觸部位，以巨晶輝石和巨晶黑云母為主；網(wǎng)脈狀礦石樣品采自輝綠巖中，硫化物以網(wǎng)脈狀分布于巖石中。

2.2 分析方法

將野外采集樣品磨制成探針片，首先在礦相顯微鏡下觀察并圈定待測(cè)位置，然后在電子探針?lè)治鰞x上進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試單位為東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器型號(hào)為JXA-8530。測(cè)試條件包括：加速電壓為30 kV，束電流為20 nA，束斑直徑為40 nm，分析精度為0.01%。黃鐵礦電子探針?lè)治鼋Y(jié)果見表1。

底圖分別引自文獻(xiàn)[44]和[45]圖1 揚(yáng)子板塊西緣攀西地區(qū)白草礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological Sketch Maps of Baicao Mining Area in Panzhihua-Xichang Region, the Western Margin of Yangtze Plate

Po為磁黃鐵礦；Py為黃鐵礦；Ccp為黃銅礦圖2 富鈷硫化物礦石手標(biāo)本照片F(xiàn)ig.2 Hand Specimen Photos of Cobalt-rich Sulfide Ores

3 結(jié)果分析與討論

不同物理化學(xué)條件下形成的黃鐵礦化學(xué)組成存在微小差異，利用電子探針等現(xiàn)代高精度測(cè)試儀器可分辨這些差異，據(jù)此能夠發(fā)現(xiàn)大量成礦地質(zhì)作用信息用于進(jìn)一步探討礦物成因[42-43]。

3.1 Fe和S特征

不同成因的黃鐵礦中Fe和S含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)存在差異，如表2所示。攀西地區(qū)白草礦區(qū)致密塊狀礦石黃鐵礦S含量為52.001%～52.958%，平均值為52.446%，F(xiàn)e含量則為45.898%～47.304%，平均值為46.728%；浸染狀礦石黃鐵礦S含量為52.068%～54.458%，平均值為53.112%，F(xiàn)e含量則為42.388%～46.846%，平均值為45.385%；斑雜狀礦石黃鐵礦S含量為52.108%～53.764%，平均值為52.812%，F(xiàn)e含量則為44.426%～47.360%，平均值為46.337%；網(wǎng)脈狀礦石黃鐵礦S含量為52.520%～52.624%，平均值為52.572%，F(xiàn)e含量則為43.261%～47.217%，平均值為45.239%。白草礦區(qū)Fe、S含量與表2中所列礦床略有差異，主要介于與超基性巖有關(guān)的礦床和熱液成因礦床中黃鐵礦的Fe、S含量之間。根據(jù)本區(qū)硫同位素?cái)?shù)據(jù)(未發(fā)表)，結(jié)合野外發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)脈狀硫化物沿節(jié)理或裂隙穿插于釩鈦磁鐵礦礦體或輝長(zhǎng)巖中的地質(zhì)現(xiàn)象，可知網(wǎng)脈狀硫化物為后期充填形成的，暗示白草礦區(qū)黃鐵礦主要為巖漿型銅鎳硫化物類型夾雜少量高溫?zé)嵋撼梢蝾愋汀?/p>

表1 黃鐵礦電子探針?lè)治鼋Y(jié)果Tab.1 Electron Microprobe Analysis Results of Pyrite

3.2 δFe-δS特征

Mag為磁鐵礦；Vil為紫硫鎳礦；Px為輝石圖3 富鈷硫化物礦石野外照片與鏡下照片F(xiàn)ig.3 Outcrop Photos and Photomicrographs of Cobalt-rich Sulfide Ores

嚴(yán)育通等提出以δFe和δS進(jìn)行黃鐵礦主量元素標(biāo)型特征分析[46]。δFe和δS分別表示Fe和S含量偏離理論值的程度(Fe含量理論值為46.55%，S含量理論值為53.45%)，既表示質(zhì)量偏離程度，也可以表示元素個(gè)數(shù)偏離程度。其表達(dá)式分別為

(1)

(2)

式中：δ(Fe)為δFe值，δ(S)為δS值。

將白草礦區(qū)黃鐵礦與世界著名巖漿銅鎳硫化物礦床黃鐵礦利用式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算，并投點(diǎn)在δFe-δS特征圖解(圖4)上。從圖4可以看出，δFe、δS值均較大，部分δFe值已經(jīng)超過(guò)5%，數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中于第三、四象限。白草礦區(qū)黃鐵礦與南非Bushveld[47]，加拿大Sudbury[48]，中國(guó)金川[49]、夏日哈木[50]、紅旗嶺[51-52]、喀拉通克[53-54]、煎茶嶺[55]等礦床黃鐵礦具有相似的δFe、δS值，表明這些地區(qū)黃鐵礦具有相似的形成條件。

圖4 黃鐵礦δFe-δS特征圖解Fig.4 Characteristic Diagram of δFe-δS of Pyrite

3.3 Co和Ni特征

Fe、Co、Ni化學(xué)性質(zhì)相似，但也存在微小差異，親氧性從大到小依次為Fe、Co、Ni，親硫性則相反。黃鐵礦中Co、Ni常以類質(zhì)同象替換Fe的形式存在。由于Co與Fe的相似性強(qiáng)于Ni與Fe，所以Ni含量越高，Co/Ni值越低，指示黃鐵礦雜質(zhì)含量越高，礦物結(jié)晶越快[56]。因此，Co/Ni值是區(qū)分不同礦床成因的有效指標(biāo)。巖漿銅鎳硫化物礦床中黃鐵礦Co/Ni值約為1 200，巖漿熔離型釩鈦磁鐵礦礦床中約為0.09，沉積成因礦床中約為0.30，巖漿熱液成因礦床中約為3.00，變質(zhì)熱液成因礦床中約為0.50[57-62]。

表2 不同成因類型礦床中黃鐵礦Fe、S含量特征Tab.2 Characteristics of Fe and S Contents of Pyrite in Different Genetic Types of Ore Deposits

白草礦區(qū)致密塊狀礦石黃鐵礦Co/Ni值為0.229～1.465，平均值為0.984；浸染狀礦石黃鐵礦Co/Ni值為0.574～1.312，平均值為0.835；斑雜狀礦石黃鐵礦Co/Ni值為0.813～6.440，平均值為3.683；網(wǎng)脈狀礦石黃鐵礦Co/Ni值為0.561。浸染狀礦石、致密塊狀礦石、網(wǎng)脈狀礦石黃鐵礦Co/Ni值接近于巖漿熔離型釩鈦磁鐵礦礦床，斑雜狀礦石更接近巖漿熱液成因礦床。將4類礦石黃鐵礦Co/Ni值投影于Co-Ni圖解[圖5(a)]中，多數(shù)樣品Co/Ni值為0.5～2.0，落在巖漿成因范圍，少數(shù)樣品落在熱液成因附近，說(shuō)明白草礦區(qū)同時(shí)存在巖漿作用和熱液作用。這一點(diǎn)在Co/Ni-Co圖解[圖5(b)]中也得到了較好的證明。

圖(a)引自文獻(xiàn)[58]、[69]和[70]圖5 黃鐵礦Co-Ni圖解和Co/Ni-Co圖解Fig.5 Diagrams of Co-Ni and Co/Ni-Co of Pyrite

3.4 S、Se和Te特征

Se、Te與S地球化學(xué)性質(zhì)相似，在硫化物成礦過(guò)程中經(jīng)常參與礦化，因此，Se、Te是黃鐵礦標(biāo)型元素之一。Se、Te由于化學(xué)性質(zhì)相似，經(jīng)常被視為一個(gè)地球化學(xué)元素對(duì)[65]。Se、Te元素豐度分布如表3所示。Se、Te在地殼中以分散狀態(tài)存在，絕大多數(shù)分散到硫化物礦物晶格中，少數(shù)形成獨(dú)立礦物。Se、Te在巖漿期后熱液階段富集，以分散狀態(tài)分布于硫化物中或形成獨(dú)立礦物。S/Se值可用來(lái)判斷礦物的生成環(huán)境，沉積成因礦床硫化物S/Se值為幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)，巖漿內(nèi)生作用形成的硫化物S/Se值小于15 000，熱液成因礦床硫化物S/Se值為10 000～28 000，層控礦床黃鐵礦S/Se值為176 000～334 000，同生沉積型礦床黃鐵礦S/Se值大于30 000[66-68]。Se與S化學(xué)性質(zhì)相似性比Te與S大，當(dāng)溫度變化且發(fā)生類質(zhì)同象時(shí)，Se比Te更容易替代S，使Se/Te值發(fā)生劇烈變化，因此，Se/Te值可以反映成礦溫度的變化。當(dāng)溫度降低時(shí)，Se更易進(jìn)入礦物晶格，使Se/Te值變大[11]。

白草礦區(qū)黃鐵礦S/Se值為812～10 466，平均值為3 529，大部分為1 000～7 600，顯示黃鐵礦為巖漿內(nèi)生成因。致密塊狀礦石黃鐵礦Se/Te值為0.278，浸染狀礦石為0.148～5.333，平均值為1.327，斑雜狀礦石為1.778～8.125，平均值為4.952，網(wǎng)脈狀礦石為1.667。從浸染狀礦石到斑雜狀礦石，黃鐵礦Se/Te值逐漸變大，表明其結(jié)晶溫度逐漸變低。網(wǎng)脈狀礦石黃鐵礦Se/Te值變小，可能是本次所測(cè)數(shù)據(jù)較少引起的。野外觀察發(fā)現(xiàn)網(wǎng)脈狀硫化物沿節(jié)理或裂隙發(fā)育在輝石巖、釩鈦磁鐵礦礦體中，說(shuō)明網(wǎng)脈狀硫化物為熱液產(chǎn)物。因此，白草礦區(qū)4類礦石中黃鐵礦結(jié)晶順序?yàn)榻緺畹V石→致密塊狀礦石→斑雜狀礦石→網(wǎng)脈狀礦石。

表3 Se、Te元素豐度分布Tab.3 Distribution of Element Abundance of Se and Te

3.5 主量、微量元素特征

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)巖漿型金川[49]、紅旗嶺[51]礦床和熱液型科洛[72]、多不雜[73]礦床中黃鐵礦的主量、微量元素?cái)?shù)據(jù)，繪制了黃鐵礦的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化主量、微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6)，并與白草礦區(qū)黃鐵礦進(jìn)行對(duì)比研究。網(wǎng)脈狀礦石黃鐵礦主量、微量元素特征與科洛礦床相似，說(shuō)明其為熱液成因；浸染狀、塊狀、斑雜狀礦石黃鐵礦主量、微量元素特征與紅旗嶺礦床相似，說(shuō)明其為巖漿成因。因此，白草礦區(qū)黃鐵礦以巖漿成因?yàn)橹?，夾少量熱液成因。

ws為樣品含量；wp為原始地幔含量；原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[74]；白草礦區(qū)不同礦石黃鐵礦數(shù)據(jù)均為平均值圖6 黃鐵礦原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化主量、微量元素蛛網(wǎng)圖 Fig.6 Primitive Mantle-normalized Major and Trace Elements Spider Diagram of Pyrites

3.6 成礦機(jī)制

白草礦區(qū)成礦初期基性—超基性巖漿發(fā)生熔離作用，產(chǎn)生釩鈦磁鐵礦漿和硫化物礦漿[75-81]。硫化物礦漿密度較大，在重力作用下，硫化物礦漿向下富集并結(jié)晶形成致密塊狀礦石[82-86]。釩鈦磁鐵礦結(jié)晶溫度高于硫化物，位于上部的礦漿先結(jié)晶形成釩鈦磁鐵礦，殘留的硫化物熔體充填在磁鐵礦、鈦鐵礦和輝石等礦物中間，造成白草礦區(qū)富鈷浸染狀礦石中硫化物含量偏低。浸染狀礦石分布于致密塊狀礦石上部，產(chǎn)狀相同，兩者的Se/Te值相差不大，說(shuō)明致密塊狀礦石結(jié)晶稍晚于浸染狀礦石。正長(zhǎng)巖巖漿與圍巖發(fā)生交代作用形成斑雜狀礦石[87]，該類礦石中發(fā)育綠泥石、綠簾石等典型的接觸交代蝕變礦物，說(shuō)明斑雜狀礦石硫化物為接觸交代作用成因且晚于致密塊狀礦石。最后，巖漿期后熱液沿構(gòu)造裂隙貫入成礦，因此，在野外可見網(wǎng)脈狀硫化物多沿節(jié)理或釩鈦磁鐵礦礦體與圍巖裂隙發(fā)育。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)揚(yáng)子板塊西緣攀西地區(qū)白草礦區(qū)黃鐵礦的Fe、S、δFe-δS特征及原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化主量、微量元素蛛網(wǎng)圖表明，造成白草礦區(qū)黃鐵礦富集、結(jié)晶的主要因素為巖漿熔離作用，巖漿熱液也參加了部分成礦作用。

(2)白草礦區(qū)黃鐵礦Co-Ni特征表明黃鐵礦與釩鈦磁鐵礦共生；S/Se值小于15 000，表明黃鐵礦為巖漿內(nèi)生成因；黃鐵礦Se/Te值按浸染狀礦石、致密塊狀礦石、斑雜狀礦石順序逐漸變高，說(shuō)明其結(jié)晶溫度逐漸變低。

(3)結(jié)合黃鐵礦標(biāo)型元素特征及其野外產(chǎn)出特征，白草礦區(qū)4類礦石中黃鐵礦以巖漿熔離作用為主，含少量巖漿期后熱液作用，結(jié)晶順序?yàn)榻緺畹V石→致密塊狀礦石→斑雜狀礦石→網(wǎng)脈狀礦石。

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