五河地區朱頂—石門山斷裂帶構造地球化學研究

劉玉娟, 陳 俊, 劉國生

(1.安徽工業經濟職業技術學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省地質礦產勘查局 325地質隊,安徽 淮北 235000;3.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

斷裂構造地球化學是介于構造地質學和地球化學間的邊緣學科,其主要研究是在斷裂構造作用下,地殼化學元素的活化遷移、分散富集特征及其動力學機制[1]。國外開展了大量關于斷裂地球化學的研究,如Kekulawala[2]對有關斷裂帶動力分異—化學親和作用的研究,L.Weiss[3]對斷裂巖相和應力蝕裂展開分析,J.Chester[4]提出斷裂耗散結構中的自組織機制。而中國關于斷裂地球化學的研究起始于20世紀60年代,陳國達[5]首次提出“構造地球化學”這個科學術語,后來涂光熾[6]著重強調“在地球各個部分的化學演化中,構造起了十分重要的作用”。孫巖等[7-8]經過10余條斷裂構造的全部相帶系統化學分析后,提出一套斷裂構造地球化學研究的理論與方法,認為斷裂地球化學的研究可以包括相關解釋、實驗模擬、基礎理論、應用實踐四個方面。此后楊為民[9]、章邦桐[10]等一些學者運用上述理論對各自的研究區斷裂帶構造地球化學特征進行了解釋,較好地豐富和發展了斷裂地球化學理論。

安徽省五河縣大鞏山地區朱頂—石門山斷裂帶及礦產方面前人曾做了大量研究。李建設等[11]對五河榮渡金礦床地質特征進行研究,提出金礦床為多種成礦作用疊加改造的產物,認為郯廬斷裂帶脆—韌性剪切帶為導礦與容礦場所,建立了蚌埠隆起的找礦標志;萬仁虎[12]對大鞏山金礦控礦構造作用進行研究,提出近南北向斷裂控制了蝕變巖型金礦的產出;董法先[13]認為大鞏山金礦屬脈狀熱液型金礦,金礦化類型為含金硫化物石英脈與構造破碎帶蝕變巖復合型金礦;劉建民等[14]研究大鞏山金礦床地球化學特征,認為該礦床成因上為燕山期花崗質巖漿活動有關的中—高溫熱液金礦床;陳皓龍等[15]近期從斷裂與礦產關系的角度對郯廬斷裂帶(五河段)的構造、演化特征進行了系統研究,認為五河地區NNE向斷裂對巖漿巖、礦化及含礦石英脈的產出與分布控制明顯;趙國春等[16]、劉貽燦等[17]、王娟等[18]、聶峰等[19]從巖石學角度研究五河地區變質巖的形成時代與演化過程。上述成果多是基于對斷裂構造地質學特征、礦產分布與賦存及礦床學、巖石學方面的研究,然而對其斷裂構造地球化學方面尚無報道。鑒于此,本文在系統的野外地質調查基礎上,以斷裂構造地球化學理論為指導,首次對隸屬于郯廬斷裂帶(五河地區朱頂—石門山斷裂帶)構造地球化學特征進行研究,同時探討大型斷裂帶對地球化學異常的影響特征,總結斷裂帶內、外化學元素的活化遷移、分散富集規律,為進一步認識區內斷裂對礦產控制規律提供佐證。

1 斷裂構造特征

研究區內呈NNE向展布的郯廬斷裂帶(五河地區),位于華北板塊東南緣、東西向的蚌埠復背斜東端(圖1),前人將該段稱為朱頂—石門山斷裂帶[20]。該斷裂帶切割地層為晚太古代或古元古代的五河群西堌堆組角閃巖相變質巖,其巖性主要為黑云斜長片麻巖、含黑云斜長片麻巖及混合巖化斜長片麻巖、二云石英片巖等[21]。研究區范圍內中生代脈巖廣泛發育,如花崗斑巖脈、蛇紋石化輝石巖脈等。

圖1 五河地區朱頂—石門山斷裂帶地質圖Fig.1 Geological map of Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe areaQ.第四系;K1x.下白堊統新莊組;Ar2x.新太古代西堌堆組;γπ.花崗斑巖;q.石英脈;1.地質界線;2.復背斜;3.朱頂—石門山斷裂帶;4.南北向斷裂帶;5.北西向斷裂;6.北東向斷裂;7.隱伏斷裂;8.糜棱巖帶;9.金礦體;10.采樣點。

經野外詳細的地質調查,該斷裂帶既表現有韌性變形,亦有脆性破裂的特征,其具體特征如下:

1.1 韌性剪切帶特征

經野外調查發現,該韌性剪切帶主要分布在樵子澗水庫南岸山馬莊—大鞏山一線,沿剪切帶發育糜棱巖,如圖2所示。根據野外對糜棱面理、線理的系統觀測,該斷裂帶在本地區樵子澗一帶發育的糜棱巖面理優勢走向NE10°,傾向北西,傾角30°～35°;礦物拉伸線理傾向南西,傾角20°～30°,顯示為走滑韌性剪切帶特征。野外在YZ面上所見的石英旋轉殘斑及揉褶均指示韌性剪切帶具有左旋走滑特征。野外還可見這些糜棱巖帶多疊加了晚期脆性斷層,并被脆性斷層所切割改造,反映出多期活動特點[22]。

圖2 五河地區朱頂—石門山斷裂帶NNE走向韌性剪切帶野外照片Fig.2 Field photographs of NNE strike ductile shear zone along Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

1.2 脆性變形特征

研究區疊加在早期韌性剪切帶之上的脆性斷裂極為發育,如在樵子澗水庫南側,野外測得脆性斷層產狀300°∠60°,斷面發育擦痕、階步,斷層擦痕產狀15°SW。斷裂帶內巖石破碎較為強烈,主要以碎裂巖、斷層角礫巖等形式出現,擠壓片理、劈理,構造透鏡體十分發育,如圖3所示。

圖3 五河地區朱頂—石門山斷裂帶NNE走向脆性斷裂帶野外照片Fig.3 Field photos of NNE strike brittle fracture zone in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

斷裂構造是成礦流體活動和礦質聚散的有利通道和場所,與圍巖相比斷裂構造巖中蘊藏著有關成礦物質聚散的豐富信息,而且深部礦體與其周圍的礦化原生暈通過斷裂、裂隙相聯系,并在元素組合上具有對應性和一致性。因此,礦體淺部的構造地球化學異常能更好地顯示深部的礦化異常,反映深部成礦作用的特點。

2 朱頂—石門山斷裂帶構造地球化學特征

2.1 構造精細解剖

在斷裂帶內實測一條剖面進行構造精細解剖,為了增強所獲得數據的可靠性,本次測試樣品分別取自韌性剪切帶內和兩盤(圖4)。剪切帶兩盤樣品分別為DHⅠ-1、DHⅠ-3、DHⅡ-1、DHⅡ-3,為花崗片麻巖。據野外觀察,其表面呈灰綠色、灰紅色,可見長石斑晶,石英具定向拉長,片理化強烈,野外測得面理產狀為289°∠30°(圖5-(a)),該套片麻巖的面理產狀可能由后期NNE向斷裂改造所致。經顯微鏡下觀測,該樣品主要礦物成分為斜長石、石英、黑云母、石榴石,及少量正長石,其中斜長石含量達60%～65%、石英20%～30%、石榴石3%～5%、黑云母3%～5%。由于后期蝕變強烈,斜長石多已絹云母化和綠泥石化,正長石多發生高嶺土化,呈他形;石英表面光滑但多有破裂,正低突起,不等粒變晶結構,多呈他形,可見波狀消光,定向分布,粒徑0.2～0.9 mm;石榴石多破裂,具正高—正極高突起,糙面明顯,在正交偏光間全消光,粒徑0.2～1 mm,其裂隙間充填有綠泥石等后期蝕變礦物(圖5-(b))。韌性剪切帶內為點樣DHⅠ-2、DHⅡ-2,為糜棱巖化花崗片麻巖。野外測得巖石產狀214°∠75°。在該點處,花崗片麻巖中夾寬約20 m的糜棱巖帶,糜棱面理產狀240°∠60°,發育傾向線理,通過對糜棱巖內小褶皺與石英斑的旋向判斷此糜棱巖帶的形成為逆沖運動背景(圖5-(c))。該樣品由正長石(45%～50%)+石英(15%～20%)+黑云母(10%～15%)+斜長石(5%～10%)+石榴石(1%～5%)+白云母(<5%)組成。該樣品具片麻構造。正長石蝕變嚴重,有絹云母化,他形,中粒,可見變余結構,粒徑0.4～0.9 mm;石英為他形,細—中粒,定向排列,表面破裂,粒徑約為0.3～1.2 mm;黑云母片狀,大部分顯示定向排列,自形—半自形,部分發生綠泥石化,粒徑0.2～0.8 mm;斜長石多發生絹云母化,具變余結構,可見聚片雙晶,自形—半自形,粒徑0.5～1.0 mm;石榴石正高突起,有裂紋,粒徑0.3～1.0 mm(圖5-(d))。

圖4 朱頂—石門山斷裂帶構造剖面及采樣位置圖Fig.4 Structural profile and sampling location map of Zhuding-Shimenshan fault zone1.西堌堆組;2.花崗片麻巖;3.正長斑巖脈;4.石英脈;5.糜棱巖帶;6.破碎帶;7.逆斷層;8.采樣點。

圖5 朱頂—石門山斷裂帶構造剖面樣品野外及鏡下照片Fig.5 Field and microscopic photos of structural profile samples of Zhuding-Shimenshan fault zone(a).剪切帶兩盤花崗片麻巖;(b).花崗片麻巖顯微鏡下照片;(c).剪切帶內糜棱巖化花崗片麻巖;(d).糜棱巖化花崗片麻巖顯微鏡下照片;(Grt.石榴子石;Pl.斜長石;Chl.綠泥石;Bt.黑云母;Ms.白云母;Qz.石英)。

2.2 樣品制備及分析測試

本次研究主要測定樣品的Au含量、主量及微量元素含量。首先將原巖樣品經干燥、破碎后縮分出300 g,用無污染缽在振動研磨機上研磨至85%以上達到75 μm(200目),采用Au-ICP21火試金電感耦合等離子體發射光譜法測定金含量,ME-MS61四酸消解法電感耦合等離子體質譜測定微量元素含量,ME-XRF26X熒光光譜儀熔融法進行巖石主量元素測定。全部測試由廣州澳實礦物實驗室完成,具體測試原理及方法參見參考文獻[23-25]。

2.3 元素組合分析

運用數理統計方法對樣品進行元素組合分析,繪制剖面及平面構造地球化學異常圖,用以闡述斷裂構造地球化學特征,總結斷裂帶內、外化學元素的活化遷移、分散富集規律。

2.3.1斷裂帶主量元素分析

孫巖等研究認為影響斷裂帶中化學組分變化的因素可歸結為宏觀和微觀兩類,前者包括各種構造活動和變質作用,它使得元素在構造活動過程中發生活化遷移、富集或貧化;后者則為化學組分受到的各種構造地球化學作用,從而使得元素的運移可以指示構造運動的性質[7]。為對比受斷裂帶改造后元素的遷移變化,本次測試了五河地區朱頂—石門山斷裂帶帶內及其兩側塊體的主量元素(表1),然后采用巴爾特法計算標準巖胞中各元素陽離子的原子數N,其具體計算步驟詳見參考文獻[26-27],計算結果如表2。

表1 五河地區朱頂—石門山斷裂構造帶主量元素含量Table 1 Content of major elements in Zhuding-Shimenshan fault tectonic belt in Wuhe area

表2 五河地區朱頂—石門山斷裂構造帶主量元素標準巖胞中陽離子的原子數NTable 2 Atomic number N of cations in standard cells of major elements in Zhuding-Shimenshan fault tectonic belt of Wuhe Area

根據其組分的變化曲線,如圖6可以看出,由斷裂帶外圍向斷裂帶中心,SiO2含量是直線的漸次遞增,呈現單峰折線狀;Al2O3含量逐漸遞減,峰值變化并不占主導;CaO含量出現雙峰折線狀,轉折端出現在相鄰兩巖帶的交接處;Fe2O3含量逐漸遞減,低值端出現在斷裂帶內,且兩斷裂帶低值區的數值相當;Na2O含量出現雙峰折線狀,轉折端出現在相鄰兩巖帶的交接處;燒失量出現雙峰折線狀,轉折端出現在相鄰兩巖帶的交接處;MgO、K2O含量是直線的漸次遞減;TiO2含量少,總體是遞增的;MnO、P2O5含量少,數值變化不大。

圖6 五河地區朱頂—石門山斷裂帶主量元素標準巖胞中陽離子數變化曲線Fig.6 Variation curve of cation number in standard cells of major elements in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

斷裂帶中各化學組分的變化規律反映了各種組分在斷裂的形成過程中遭受了不同的地球化學作用。斷裂帶中構造地球化學作用通常包括動力分異作用、動熱變質作用、氧化還原作用及水解脫水作用。動力分異作用表現在組分的變化上,由斷裂帶中心向外,呈現元素的離子半徑增大、密度減小,如Si、Ti的離子半徑小、密度大,由斷裂帶外圍向中心這些組分的含量有增高的趨勢,而Al、Mg、K的離子半徑大、密度小,由斷裂帶外圍向中心Al、Mg以及K組分的含量則表現為減小的趨勢。Na、Ca的離子半徑大、密度小,因它們的化學活潑性強,故其組分呈現多峰變化的特點。上述化學元素表現出的特征是因為離子半徑小、比重大的元素相對穩定,而離子半徑大、比重小的元素則相對活潑,在斷裂變形等強動力作用下,前者容易滯留原地,而后者容易離散逸去。同時結合斷裂帶中心Fe2O3含量較低,說明該斷裂帶為壓性或壓扭性斷裂[12-13,28]。因為壓性斷裂的形成環境是一個封閉系統,斷裂帶為還原帶,Fe的溶解度很低,尤其是三價鐵幾乎不能被搬運,只能依靠還原帶中的二價鐵氧化而成,因此當斷裂帶仍為還原帶時就會導致斷裂帶中心Fe3+含量較少。

五河地區朱頂—石門山斷裂帶為壓性或壓扭性斷裂帶,帶內SiO2含量高,石英多沿斷裂帶呈脈狀分布。斷裂帶主量元素的變化主要與斷裂帶化學元素的離子半徑、比重有關。

2.3.2斷裂帶微量元素相關性分析

相關性分析是一種直接研究元素親和性的方法。本次研究對采集的樣品中微量元素和Au元素做了相關性分析,計算各元素之間的相關系數,得出表3,用以分析成礦過程中指示性元素。通過分析得出,Ag、As、Bi、Co、Cu、Mo、Nb、Pb、Rb、Sb、Ta、Zn與Au呈明顯的正相關,相關系數為0.27～0.99,相關性較為密切,它們都對金礦有良好的指示作用。其中Cu與Au的相關系數高達0.99,Pb、Mo、Ag、Zn與Au的相關性分別為0.97、0.96、0.96、0.81。因此五河地區朱頂—石門山斷裂帶控制的金礦往往和含銅礦物、方鉛礦、閃鋅礦、含銀礦物共生,因此以上元素的峰值是良好的找金標志。

表3 五河地區朱頂—石門山斷裂帶Au和微量元素含量相關系數表Table 3 Correlation coefficient table of Au and content of trace elements in Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

2.3.3斷裂帶微量元素的聚類分析

聚類分析又稱點群分析,它是運用數學方法找出并計算能夠度量樣品間相似程度的相關性指標,按相關性數值的大小,將相似程度大的聚合到一類,相似程度小的聚合到另一類,直到把所有樣品都聚合完畢,形成一個由小到大的分類系統,最后將分類系統直觀地用圖形表示出來[26]。因此對該區微量元素進行聚類分析有助于識別性質相似的成礦元素,獲悉成礦元素的遷移富集規律。

以下是對采自五河地區受朱頂—石門山斷裂帶控制的金礦區中的25個樣品微量元素所做的聚類分析圖(如圖7),從圖中可以看出,與Au相關性最為密切的元素是Ag、Pb、Zn、Cu、Bi。當距離系數為20時,可分為4個元素組,其中第一組:Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi,該組反映出一個多金屬礦化階段,說明金礦化與銅礦化、鉛鋅銀礦化密切共生。在該組中Pb元素的富集主要是與低溫熱液成礦作用有關[29],該類組合異常的出現是測區尋找Pb、Zn多金屬礦床的重要地球化學找礦標志。同時,通過樣品中Cu含量的分析得出測區Cu含量異常偏高(如表4),且Cu與Au的相關性高達0.98,因此在有利構造部位Cu有富集成礦的可能。第二組:As、Mo、Sb、Co、Ni,該組中Mo為高溫元素,且Mo本身的特征決定了它與中酸性巖類具有一定的成礦專屬性[17],說明區內后期中酸性巖漿巖發育,可能為Au、Cu等元素富集成礦提供了條件。同時該組中Co、Ni為熱液元素組合,說明在有流體經過深部富Au圍巖時,Au被萃取出來,沿斷裂運移至地表。第三組:Nb、Ta,巖漿作用過程中Nb、Ta含量向著演化后期富集,大體上由超基性巖向酸性巖增加,此組的聚合可能與后期酸性侵入體有關[29-30]。第四組:Tl、Cr、Th、Be、Cs、Ga、Ge、In、Li、Rb、Sr、Ba,該組元素與Au的相關性數值較低或為負相關性,與Au的富集關連不大,劃為單獨一組。

表4 五河地區朱頂—石門山斷裂帶樣品Cu元素含量及濃度系數Table 4 The content and concentration coefficient of Cu elements in the samples of Zhuding-Shimenshan fault zone in Wuhe area

注:濃度系數=含量/克拉克值。

圖7 五河大鞏山金礦區微量元素聚類分析圖Fig.7 Cluster analysis map of trace elements in Dagongshan gold mine,Wuhe

五河地區朱頂—石門山斷裂帶Au與Cu、Pb、Zn、Ag相關性高,Au往往和含銅礦物、方鉛礦、閃鋅礦,以及含銀礦物共生,因此以上礦物可以作為本區找礦的標志。同時斷裂帶元素的聚類分析表明Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi為同一元素組合。說明金礦與銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、銀礦為伴生礦物。同時Au與Pb、Mo元素的相關性表明,五河金礦區至少經歷了中—高溫熱液成礦作用,金礦的形成與后期沿斷裂帶貫入的中酸性侵入體有關。

3 結論

本文通過對五河地區朱頂—石門山斷裂帶構造特征以及韌性剪切帶斷裂構造地球化學特征的分析得出如下結論:

(1) 五河地區朱頂—石門山斷裂帶為一經歷了多期的活動斷裂,早期表現為發育在五河群西堌堆組中的走滑韌性剪切帶,之后,相繼疊加了伸展正斷和逆沖擠壓的脆性斷裂,該斷裂帶控制著區內金礦床的形成。

(2) 斷裂帶主量元素分布具有從斷裂帶外圍至斷裂帶中心SiO2、TiO2含量漸次遞增,Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O含量漸次遞減,CaO、Na2O、灼失量呈現雙峰折線狀,這主要是受斷裂帶中的各種構造地球化學作用的影響。

(3) 斷裂帶帶內SiO2含量較高的特點說明,大量石英脈的形成與斷裂關系密切,這一點從野外所發現的含礦化石英脈主要沿NNE向斷裂展布得到了進一步地驗證。

(4) 該斷裂帶微量元素中Au與Cu、Pb、Mo、Ag、Zn的相關系數分別為0.99、0.97、0.96、0.96、0.81,反映出上述元素的峰值是良好的找金標志。

(5) 朱頂—石門山斷裂帶微量元素聚類分析表明,Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Bi為同一元素組合,說明金礦與銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、銀礦為伴生礦物。同時Au與Pb、Mo元素的相關性表明,五河金礦區至少經歷了中—高溫熱液成礦作用,金礦的形成與后期沿斷裂帶貫入的中酸性侵入體有關。