津巴布韋霍普韋爾地區鉑鈀礦床特征及成因分析

張 維,吳延之,朱谷昌

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明650093;2.中南大學地學與環境工程學院,湖南長沙410083;3.有色金屬礦產地質調查中心,北京100012)

津巴布韋霍普韋爾地區鉑鈀礦床特征及成因分析

張 維1,吳延之2,朱谷昌3

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明650093;2.中南大學地學與環境工程學院,湖南長沙410083;3.有色金屬礦產地質調查中心,北京100012)

津巴布韋大巖墻于太古代晚期侵入津巴布韋克拉通內,形成了現在的南北段5個次級巖漿房的格局。利用對大巖墻主含礦層-主硫化物帶的地球化學分析結合野外地質資料,總結了該礦床的特征并分析了成因,認為形成礦床的原始巖漿來源于地幔深處,于太古代晚期上侵至現在的位置發生結晶分異作用而形成了現在的礦床。

津巴布韋大巖墻;鉑鈀礦床;主硫化物帶;結晶分異;津巴布韋

1 概 況

津巴布韋位于非洲東南部,是一個礦產資源豐富的內陸國家。礦區位于津巴布韋大巖墻的中段偏北,北東距津巴布韋首都哈拉雷約75km,西距祁古圖約25km,礦區海拔高度在1 250m左右,區內地勢較平坦,最大高差40m,西南部較高,其他地區相對較低。

2 研究現狀

津巴布韋大巖墻是世界著名的地質奇跡,其形成和演化在非洲大陸具有一定的代表性。由于津巴布韋克拉通和大巖墻侵入的世代距今都很久遠且形成后受構造運動破壞較少,所以研究津巴布韋大巖墻對于探索非洲大陸和地球泛大陸的的形成和演化都具有重要的意義(圖1)。

早在1977年,Hamilton在《Sr Isotope and Trace Element Studies of the GreatDyke and Bushveld》利用Sr同位素測定了大巖墻和克拉通的時間,從而為該地區的地質工作掃平了障礙。1989年,W ilsom在《The GreatDyke of Zi mbabwe》一文中詳細論述了津巴布韋大巖墻的地質構造、巖性分層等一系列問題。

圖1 津巴布韋大巖墻示意圖(Oberthur,1997)

德國地質科學與自然資源調查所Thomas Oberthur的研究顯示,津巴布韋克拉通形成于晚太古代,大概時間為(3 000～2 669)Ma±67Ma之間。根據大巖墻層狀輝石巖內黃銅礦共生的鋯石和金紅石U-Pb同位素年代測定,大巖墻的侵入時間為25.754億年,也就是太古代的晚期。

圖2 津巴布韋大巖墻東西向剖面圖

根據河南省地質調查院的鉆探和地球化學資料顯示,鉑族元素主要富集于S1、S2和S3層中,上層S1層厚度約2m,下兩層厚度為5m～10m左右。鉑族元素與基性—超基性巖中德硫化物密切相關,尤其富集于硫化物帶的底部,巖漿結晶分異作用為鉑族元素富集的主要原因。

筆者于2009年在津巴布韋霍普韋爾(Hopewell)地區參加了對該地區的地質勘探工作,利用60 000m鉆探資料和野外地質填圖等地質資料,結合巖石地球化學分析的結果探討礦床的成因和特征。

3 區域地質概況

3.1 地層

津巴布韋國土面積的3/5由太古宙克拉通構成(所謂克拉通指的是地殼上已達到穩定的、并在漫長時代演化過程中,很少受到構造運動影響而發生變形的部分),另外2/5的國土被各種變質沉積巖和變質火成巖所覆蓋。津巴布韋克拉通由花崗巖-綠巖帶和太古代片麻巖構成,并為晚期的花崗巖體和鎂鐵質巖墻群所侵入。根據最新研究成果表明,津巴布韋克拉通形成于晚太古代期間,大概形成年代為(3 000～2 669)Ma±67Ma之間。克拉通位于津巴布韋中部地區,其北界為贊比西變質帶,西界與西北界為馬貢迪變質帶,東界為莫桑比克變質帶,南界為林波波變質帶。津巴布韋大巖墻位于克拉通之上,為一鎂鐵質—超鎂鐵質侵入體侵入太古代花崗巖-綠巖帶內,近南北走向。區內斷裂構造發育,按照形成的時間,由老至新分為南北向,東西向、北北西和北北東向4組。西北與東南地區以北北東向斷裂為主,東西向斷裂集中分布于大巖墻兩側近20km的狹長區域,其余2組斷裂較少見。

3.2 大巖墻

津巴布韋大巖墻為一長達550多km的墻狀鎂鐵質—超鎂鐵質侵入體,于2 575Ma±0.7Ma沿斷裂脈動式侵入到花崗巖綠巖帶內。大巖墻分為北段和南段2個巖漿房,而上述2個部分又細分為Musengezi、Darwendale、Sebakwe和Selukwe、Wedza 5個次級巖漿房,從形成時間上,南段的形成時間比北段稍早。

從圖2可以清晰地看出巖漿結晶分異作用形成的成層性較好的大巖墻剖面,上部第四系粘土覆蓋以下為輝長巖,淺灰色,中—細粒結構,塊狀構造,巖石主要成分為斜長石和輝石,另有少量角閃石,含量不超過5%。輝長巖之下為輝石巖,深灰色,半自形細粒結構,塊狀構造。主要成分為輝石和斜長石。在輝長巖和輝石巖的分界線附近有1m～2m的粗粒輝石巖,可以作為判斷輝長巖和輝石巖分界線的標志之一。主硫化物帶蘊含于輝石巖中,位于輝長巖與輝石巖的分界線以下12m～20m的范圍內,此時巖石中出現浸染狀硫化物。再往下巖石中開始出現少量橄欖石,繼而出現斜方輝橄巖等巖石。

在大巖墻的部分地區可以看到有粗玄巖后期沿裂隙侵入大巖墻的現象,但規模較小,對大巖墻的破壞不大,對于主要的成礦作用影響也不大。

3.3 斷裂構造

區域內斷裂較發育,基本分為南北向、東西向、北北西和北北東向4組。南北向斷裂形成時期最早,分布的地區相對狹窄,僅分布于大巖墻周邊和大巖墻東側少量地區,但斷裂規模較大,部分斷裂長達100km。東西向斷裂分布范圍較廣,在大巖墻及兩側的廣闊地區都有分布,在Selukwe次級巖漿房東側和Darwendale次級巖漿房西側較為集中,該斷裂形成時間晚于南北向斷裂,在最上部的Dar wendale次級巖漿房可見因該斷裂錯動而導致的大巖墻位置呈東西向錯開,在礦區所在的Sebakwe次級巖漿房,該斷裂的影響較小,僅在礦區以北10km處見數條東西向斷裂切割大巖墻并被晚期的粗玄巖和輝長巖所充填;北北西向斷裂僅分布于津巴布韋大巖墻中部地區和其西南方的Gutu地區,其形成時間稍晚,在大巖墻中部地區可見其切割南北向斷裂的痕跡,其對區域地質構造的影響較其他3組斷裂都較小。北北東向斷裂形成時間最晚,在津巴布韋北部地區可見其切割東西向和南北向斷裂,其分布區域很廣,從西南部的Mwenezi地區到西部被沉積巖群覆蓋的Nyamandhlovu地區均有大面積分布,包括礦區所在的Sebakwe次級巖漿房在內都受其影響。

3.4 主含礦層-主硫化物帶

MSZ層即主硫化物帶,是礦區巖體中鉑族元素的主要含礦層,整個礦區的巖體中硫化物的含量并不高,一般不超過5%,所以主硫化物帶的特征并不明顯,根據20世紀90年代和2006年鉆孔分析結果結合野外鉆孔編錄,可以得出以下結論:MSZ層存在于輝石巖中,大概位置為輝長巖和輝石巖分界線以下10m～20m之間,主要的硫化物礦物組成按照含量多少依次為磁黃鐵礦、黃銅礦、鎳黃鐵礦及少量黃鐵礦,硫化物呈稀疏浸染狀分布,礦層厚度1.5m～8m不等。MSZ層中輝石含量占90%以上,呈半自形—他形細粒狀;斜長石含量在5%～10%,呈他形細粒狀。巖心裂隙較發育,蝕變一般較強,綠泥石化、碳酸鹽化、蛇紋石化、滑石化均多見。

從圖3可看出,第一次Cu和Ni元素峰值同時出現位于剛進入主硫化物帶的樣品中,Cu與Ni元素相對富集,此時鉑族元素含量極低。第二次峰值出現在1.0m～1.2m之后,樣品位于主硫化物帶的中部或末端,此時鉑族元素的含量突然拔高,并在Cu和Ni元素達到第二次峰值后的0.2m～0.4m處達到峰值。

圖3 某鉆孔中樣品各元素峰值曲線圖

除了鉑族元素與Cu、Ni等元素的關系以外,Pt和Pd元素之間也有一定的規律性,從圖3可以看出:Pd元素的峰值出現較晚,一般位于Pt元素峰值以后1m～1.5m左右,此時Pt值雖然較峰值低,但仍然有一個突然上升的趨勢。回顧Pt元素的第一次峰值可以得出如下規律:Pt與Pd元素出現2次峰值的位置一致,但Pt元素較早達到峰值,在1m之后Pd元素達到峰值。

從上面的規律中可以看出,鉑族元素的富集位置與Cu和Ni元素關系密切,結合鉆孔資料和野外地質資料分析,Cu和Ni元素主要以硫化物的形式存在,鉑族元素的富集與硫化物關系密切。硫化物分布于輝長巖和輝石巖中,但是只有在MSZ層中以浸染狀分布,以在未達到MSZ層之前,輝長巖和輝石巖中也出現硫化物,均不是鉑族元素的富集層位。

在輝長巖中,偶爾可見磁黃鐵礦、黃銅礦呈星點狀分布于巖心中,規模不大,厚度大部分在30cm之內。在裂隙面上,可見2種硫化物分布方式:一種是磁黃鐵礦呈薄膜狀分布于裂隙面上(圖4),薄膜厚度約0.3mm,面積很大,此現象較為常見。這種形態的磁黃鐵礦薄膜是裂隙晚期充填的結果,因為裂隙較窄空間不足,所以只能形成薄膜狀附著于綠泥石、碳酸鹽薄膜與圍巖間。

圖4 輝長巖裂隙中的硫化物薄膜

另一種出現在輝長巖中的硫化物是自形程度較好的黃鐵礦,呈正六面體形態結晶于開啟度較大的裂隙面間,顆粒大小0.5mm～3mm之間,鑲嵌于綠泥石和碳酸鹽薄膜中。這種形態的黃鐵礦也是由于裂隙晚期被充填而形成的,因為裂隙中空間較富裕而形成自形晶,由于裂隙的規模不同,結晶的大小也不統一。

在輝石巖中,輝長巖與輝石巖分界層位上,輝石顆粒較大,呈粗粒狀,粒徑5mm～10mm左右,巖層厚度約1m～2m。之后,顆粒開始變細,這時也會出現2種硫化物分布形式:一種是磁黃鐵礦、黃銅礦細粒呈稀疏星點狀分布。因為硫化物含量較少,根據以往數據分析的結果來看,此層位還未到達MSZ層,鉑族元素并不富集。另一種是磁黃鐵礦、黃銅礦粗粒分布于巖心中,粒徑約5mm～7mm,根據以往巖心分析結果結合野外地質編錄,這些自形程度較好、顆粒較粗的硫化物存在于主硫化物帶之上的層位中,此層位中鉑族元素同樣也不富集。

表1 地球各圈層和礦區鉆孔中樣品PGE含量對比

圖5 主硫化物帶中的浸染狀硫化物

圖5為MSZ層中浸染狀硫化物分布于巖心中的照片。跟上面幾幅圖的對照,可以得出MSZ層與其他含硫化物巖層的區別。

4 巖石地球化學分析

4.1 巖石鉑族元素特征分析

從地球的內部圈層到外部圈層,鉑族元素的含量急劇下降。鉑族元素在地殼中含量最少只有0.63ng/g,在地幔中,除了下地幔的Pd元素含量比上地幔稍高以外,沒有其他區別。而地核的情況就大相徑庭了,地核是地球各圈層最富集鉑族元素的地方,幾乎每個鉑族元素的含量都是地殼中的數千倍以上,13μg/g的Pt的含量遠高于“工業品位”。

從表1可以看出礦區鉆孔的PGE含量大多維持在0.2μg/g以上,大于地殼中均值,礦體的Pt元素品位大于0.3μg/g,PGE含量一般都在0.5μg/g以上,如果假設原始巖漿的來源較淺,很難想象單靠地殼中的鉑族元素經過結晶分異作用成礦,礦區的原始巖漿有可能來源于地幔甚至是地核。

4.2 巖石物質成分分析

從表2可以看出,輝長巖類巖石SiO2含量為49.44%～53.14%,平均50.18%,在正常范圍內;MgO 9.66%～21.17%,平均11.96%;Fe2O3+FeO (1.25%～2.40%)+(4.10%～10.20%),平均1.48%+5.32%;M/F 1.32%～1.42%,平均1.40%。

表2 巖、礦石硅酸鹽分析結果

輝石巖類巖石SiO247.08%～54.46%,平均52.1%,顯示出SiO2含量明顯偏高;MgO 21.32%～25.03%,平均22.82%,略低于模擬地幔巖(38.67%)的含量值;Fe2O3+FeO(0.64%～2.66%)+(7.73%～9.94%),平均1.80%+ 8.94%;M/F 1.35%～1.82%,平均1.67%。

由圖6可以看出,輝石巖類和輝長巖類的曲線與上地幔理想曲線很相近,且兩類之間也很相近,結合兩類巖石相似的SiO2含量和M/F值,可以確定上述兩類巖,屬于同源巖漿結晶分異的結果,形成這兩類巖石的原始巖漿來源于地幔。

花崗巖類巖石SiO260.82%～75.78%,平均72.04%;MgO 0.58%～2.15%,平均1.00%;Fe2O3+FeO(0.24%～2.75%)+(0.74%～4.24%),平均0.87%+1.61%;M/F 0.25%～0.47%,平均0.42%。可以看出兩類花崗巖類巖石從SiO2含量、MgO含量和Fe2O3+FeO含量及M/F比值都顯示出很大的區別,表明這兩酸性巖漿巖具有明顯差異,應是兩種侵入巖漿的產物。

玄武巖類巖石SiO2含量49.90%;MgO含量6.05%;Fe2O3+FeO含量3.56%+10.49%;M/F比值0.34%。

圖7中,從MgO含量、Fe2O3+FeO含量和M/F比值可以看出花崗巖類、玄武巖類巖石與前兩種巖石差別很大,不屬于同源巖漿的產物。從圖7的曲線上來看,花崗巖、閃長巖和玄武巖之間有較大差別,與地幔理想成分差別也很大。

圖6 巖石硅酸鹽分析圖

圖7 花崗巖類、玄武巖類與地幔理想物質對比圖

表3 巖、礦石稀土分析結果

4.3 巖石稀土元素特征分析

輝石巖類和輝長巖類樣品的稀土元素組成見表3,其中輝長巖類巖石的∑REE(Y除外)為(12.52～19.98)μg/g,平均為14.01μg/g,高出球粒隕石(∑REE為3.292μg/g)含量數倍,輝石巖類巖石的∑REE(Y除外)為(8.47～18.44)μg/g,平均為18.20μg/g,總體高于輝長巖類巖石。兩類巖石總體具有較高的∑REE含量,具有一定的富集特征,顯示出輝長巖與輝石巖是同一種巖漿的產物且巖石的原始巖漿可能來源于富集地幔。

同樣,細粒二長花崗巖和細粒二長閃長巖也在稀土元素的含量上差別很大,與前面硅酸鹽分析結果得出的結論一致,應是兩種侵入巖漿的產物。

4.4 巖石地球化學分析小結

從巖石地球化學分析來看,無論是巖石的硅酸鹽特性還是稀土元素的分析都指出,輝長巖類與輝石巖類來源于同一種原始巖漿,且其特性曲線與地幔理想物質曲線極為接近,進而可以證明形成礦床的原始巖漿來源于地幔,上侵到相應層位后,因為結晶分異作用而形成輝長巖類和輝石巖類。

5 結 語

根據最新研究成果,津巴布韋克拉通形成于晚太古代期間,大概形成年代為(3 000～2 669)Ma± 67Ma之間,由于陸內殼斷裂和超殼斷裂的作用使超鎂鐵質-鎂鐵質巖漿于2 575Ma±0.7Ma沿斷裂脈動式侵入到花崗巖綠巖帶內,形成了現在的津巴布韋大巖墻。大巖墻分為北段和南段2個巖漿房,而上述2個部分又細分為Musengezi、Darwendale、Sebakwe和Selukwe、Wedza 5個次級巖漿房,從形成時間上,南段的形成時間比北段稍早。在津巴布韋克拉通大巖墻脈動式侵入期間構造運動相對平穩,有利于巖漿的結晶分異作用,巖漿的冷卻,形成了成層性較好的礦床。期間,有部分斷裂垂直走向方向切割大巖墻,但對巖漿結晶分異成礦作用影響不大。通過對礦床類型的分析、鉑族元素富集機制和巖石地球化學特征的分析,可以得出如下結論。

本區礦床為與鎂鐵質-超鎂鐵質侵入體有關的銅鎳-硫化物礦床。形成礦床的原始巖漿來源于地幔深處,上升到地面的過程中不斷地混染圍巖從圍巖中獲取硫元素,當巖漿到達地殼上部,因為溫度的降低開始發生結晶分異作用,熔點高的礦物較先結晶,熔點低的礦物最后結晶,最終形成了輝石巖在底部、輝長巖在上部的垂直巖相分異。在各種礦物結晶的過程中,因為硫化物比重較大而結晶在輝石巖中,鉑族元素因為其親硫的特性也富集在相應的層位;輝石巖首先結晶,硫化物因為飽和稍后也開始結晶,待輝石巖結晶后,以填隙的方式充填在輝石巖之間的空隙中,因為硫化物含量較少而呈浸染狀。

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On characteristics and origin analysis of Pt-Pd ore deposit in Hopewell in Zimbabwe

ZHANGW ei1,W U Yan-zhi2,ZHU Gu-chang3
(1.College ofLand Resources Engineering,KunmingUniversity of Technology,Kunming 650093,China;2.College of Geosciences and Environmental Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;3.China Non-ferrousMetals Resources Geological Survey,Beijing 100012,China)

The GreatDyke of Zi mbabwe intruded into Zimbabwe craton in late Archean,formed the present structure of five secondary magma chambers located in north and south sectors.Based on the geochemical analysis on the primary ore-bearing beds and sulfide zone and in combination with field geological data,the authors summarized the characteristics and origins of Pt-Pd ore deposit,regarded that the primitive magma of the depositwas derived from the deep mantle,intruded up into the present location in late Archean, formed the present deposit through crystallization and differentiation.

GreatDyke of Zimbabwe;Pt-Pd ore deposit;Primary sulfide zone;Crystallization differentiation;Zimbabwe

book=3,ebook=146

P618.53

A

1674-3636(2010)03-0244-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.244

2010-03-24;

2010-04-09;編輯:陸李萍

張維(1983—),男,助理工程師,碩士研究生,主要從事礦床地質研究工作.