矿物的微量元素组成对矿床成因研究的指示作用.doc
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1、目录引言 1第一章 微量元素概论 11.1 微量元素的基本性质 11.2 微量元素的赋存状态 11.3 微量元素在矿床学中的应用 2第二章 黄铁矿中微量元素组成与矿床成因研究 22.1 安徽铜陵冬瓜山铜金矿床中的黄铁矿 22.2 小秦岭地区车仓峪钼矿中黄铁矿 8第三章 铅锌矿中微量元素组成与矿床成因研究 93.1 矿床地质简介 93.2 闪锌矿中微量元素特性 93.3 闪锌矿中稀土元素含量特性 113.4 成矿温度与成矿流体 133.5 矿床成因分析 14 第四章 铁矿床中稀土元素地球化学 154.1 矿区地质特性 154.2 样品分析 164.3 矽卡岩、矿石稀土模式的成因 194.4 矽卡
2、岩和矿石正Eu异常的形成与成矿热液温度 20讨 论 21 结 论 21参考文献 21矿物的微量元素组成对矿床成因研究的指示作用 中国地质大学(武汉)资源学院020231班 翟玉林 学号:摘要:黄铁矿、闪锌矿等矿物是常见的金属矿物,特别是黄铁矿与金钼矿床的关系更为密切,其中的微量元素组成对于研究矿床的成因具有重要的意义,本文重要是介绍根据黄铁矿、闪锌矿和铁矿床的矿物中微量元素的含量及分布特性,探讨成矿温度、成矿流体、岩浆演化等矿床成因问题,分析微量元素和稀土元素在矿床成因研究中的重要指示作用。关键字:黄铁矿、闪锌矿、铁矿床、微量元素、稀土元素、矿床成因引 言微量元素地球化学是研究微量元素在地球(
3、涉及部分天体)及其子系统中的分布、化学作用及化学演化的科学,也是近代地球化学发展中非常活跃的分支学科之一,已成为当代地球化学研究中必不可少的组成部分。成岩成矿作用过程及机理研究是地质学、地球化学研究中的重要课题之一,除了采用传统的岩石化学、矿物学等方法外,微量元素示踪在近些年来得到广泛应用。近些年,随着地质科学的发展,微量元素地球化学理论逐渐完善,研究的手段、精度不断提高,领域不断扩大,为各种类型岩石和矿床成因模型提供了重要约束,使微量元素地球化学在当代地质学研究领域中显示了广阔前景。一、微量元素概论1.1 微量元素的基本性质微量元素是指在矿物或地质体中不作为重要化学成分而存在的一类元素,目前
4、对其比较一致的结识是:微量元素以低浓度为重要特性,往往不能形成自己的独立矿物,而被容纳在由其他组分所形成的矿物固溶体、熔体或流体相中;在矿物中的存在形式有:快速结晶过程中被陷入吸留带内;在主晶格的间隙缺陷中;大多数情况下,以类质同象形式进入固溶体。尽管微量元素在地质体中的含量非常低,但是由于其特殊性质,在地球化学研究中被用来作为一种指示剂,在成岩、成矿作用及地球(涉及部分天体)的形成及演化等研究中发挥了重要作用。微量元素是一个相对的概念,因此在不同体系或地质体中,主量元素和微量元素都是相对的,例如K在地壳整体中是主量元素,但在陨石中常为微量元素;Fe在石英中为微量元素,但在磁铁矿、黄铁矿、磁黄
5、铁矿中就是主量元素;Zr 多数情况下是微量元素,但在锆石中却是重要元素。所以,我们在研究过程中要视具体对象来判断元素的主次地位,不能片面的一概而论。1.2 微量元素的赋存状态通过地质学家们长期不懈地努力,发现微量元素也可以形成自己独立的矿物,例如锆石、铌(钽)铁矿、褐钇铌矿、独居石、磷钇矿等。在这些矿物中,微量元素是矿物中的重要元素,并在矿物晶格中占据一定位置,但大部分微量元素重要还是以类质同象、非类质同象、吸附等形式赋存于寄主矿物晶格中。例如长石中Rb以类质同象置换 K,很少形成 Rb的单矿物,仅在少数情况下形整天河石;铜镍硫化物矿床中,铂族元素矿物常以细小包裹体(几十微米或更小)包裹在黄铜
6、矿等硫化物中。微量元素以离子状态吸附于矿物颗粒表面,典型实例是我国华南离子吸附型重稀土矿床。1.3 微量元素在矿床学中的应用矿床是在岩浆演化及后期地质作用改造的特定条件下形成的,其演化和发展过程比岩石形成更复杂,因而导致微量元素特别是稀土元素在岩石学领域的应用研究已经发展比较成熟,但在矿床学领域的研究应用则起步较晚。重要是由于矿床形成环境比岩石复杂的多,应用微量元素解释起来比较困难,加之传统的分析方法精度低、局限性比较大,微量元素在矿物中的含量本来就低,容易受到其他因素的干扰。但是近年来随着科学技术的发展,对于微量元素的测定也有了很大提高,矿物的微量元素组成也已被广泛地用来反映流体的组成以及示
7、踪元素在矿物和流体之间的分派特性,在矿床地球化学中也被用来解释矿床的形成机制,特别是硫化物中的微量元素含量或比值往往是成矿作用的灵敏指示,这些为微量元素在矿床学上的应用奠定了理论与技术基础。然而对于有些矿床来说,由于矿石矿物成矿金属元素含量高,给许多微量元素分析带来困难,因此,许多与矿石矿物密切共生的脉石矿物(如石英、方解石、石榴子石等)的微量元素分布特性愈来愈受到关注。近年来,由于石英的遍在性,对它的地球化学特性研究方面取得了令人鼓舞的成果。如含金石英中的稀土元素可以作为成矿物质来源的指示剂;深成矿床中石英的稀土元素组成为球粒陨石型,表白成矿物质来源于壳下,浅成矿床的石英稀土元素组成与地壳相
8、似,表白围岩物质参与成矿;不同深度矿床的石英稀土元素含量明显不同,可运用稀土元素作深度指示剂等。二、黄铁矿中微量元素组成与矿床成因研究21 安徽铜陵冬瓜山铜金矿床中的黄铁矿2.1.1 冬瓜山矿床地质特性简介冬瓜山矿床发育在上泥盆统五通组(D3w)砂岩、粉砂岩与上石炭统黄龙组船山组(C2hC2c)灰岩、白云质灰岩之间的层间滑脱构造与深部含矿岩体及其接触带中,其中黄龙船山组是主矿体的赋存层位。构造上处在青山背斜核部和包村后山青山 EW 向构造带之间的构造复合交汇部位。矿区内出露的岩浆岩重要为燕山期中酸性侵入岩,岩性重要为石英二长闪长岩及石英二长闪长玢岩。通过黑云母ArAr同位素定年方法测得冬瓜山石
9、英二长闪长岩体的形成年代为 135.81.1Ma,徐晓春等(2023a)运用更精确的锆石SHRIMP UPb 同位素年代学测得冬瓜山岩体年龄为135.52.2Ma(n=15,MSWD=1.3),两者的测试数据在误差范围内总体上一致,即为晚侏罗末早白垩世初。2.1.2 冬瓜山矿床黄铁矿微量元素地球化学黄铁矿是冬瓜山矿床中的重要矿石矿物。有人运用 LAICP MS 测定并获得了冬瓜山矿床中黄铁矿的微量元素组成数据,分析了黄铁矿中微量元素的分布特性、赋存状态,探讨了其成因,为结识该矿床成矿流体的特性及成矿元素的迁移规律提供了新的信息,进一步揭示了矿床的成因机制。(1)黄铁矿类型根据黄铁矿晶体形态、结
10、构构造特性,可将冬瓜山矿床中的黄铁矿分为胶状黄铁矿和粒状黄铁矿2类。粒状黄铁矿重要发育于深部含矿岩体、脉状矿体,少量发育于上部层状矿体中,呈亮黄色,半自形自形粒状结构,浸染状、条带状、脉状构造,与磁黄铁矿和黄铜矿共生;胶状黄铁矿重要发育于上部层状或似层状矿体中,呈土黄色,表面较粗糙,致密块状构造,纹层状和皮壳状结构,矿石中有沿后期石英方解石脉重结晶的细微粒状黄铁矿,也许是受到后期岩浆热液交代重结晶所形成,偶见零散分布的它形黄铜矿。(2)分析结果通过 LAICP MS 测试了黄铁矿中的 Co、Ni、As、Se、Te、Cu、Au、Ag、Pb、Zn、Mo、W、Ti、Bi、Cr、Sn、REE 等33种
11、元素,分析结果见下表,并对与黄铁矿成因有密切关系的磁黄铁矿进行了分析。在所分析的微量元素中,Co、Ni 等亲铁元素与 Cu、Au 等成矿元素含量大都在检测限之上,稀土元素含量总体偏低,只有少部分样品中稀土元素分析结果较全。冬瓜山胶状黄铁矿微量元素 冬瓜山粒状黄铁矿微量元素冬瓜山黄铁矿稀土元素冬瓜山磁黄铁矿微量元素冬瓜山磁黄铁矿稀土元素黄铁矿微量元素分析结果显示,胶状黄铁矿中成矿金属元素含量普遍高于粒状黄铁矿,其中Cu含量为(3.56395.0)10-6,Pb 含量为(0.3294.63)10-6,粒状黄铁矿中 Cu、Pb含量分别为(0.33360.80)10-6、(0.1019.14)10-6
12、,Zn在两类黄铁矿总差别不很大,Au、Ag 含量较小,但 Ag 比Au 稍多。Co含量为(0.253.0)10-6,较之粒状黄铁矿的(0.204966.0)10-6低;Ni 含量正好相反,在胶状黄铁矿中 Ni 为(1.21416.80)10-6,较粒状黄铁矿(1.36398.10)10-6为高。 Se、Te、As 在胶状黄铁矿中含量分别为(2.1887.55)10-6、(0.258.59)10-6、(0.05892.20)10-6,粒状黄铁矿中它们的含量依次分别为(0.5183.77)10-6、(0.015.74)10-6、(0.171054.0)10-6,含量差距较大,在黄铁矿中分布极不均匀
13、。两类黄铁矿中 REE 含量都较低,大部分低于检测限,且轻重稀土分异明显,总体上胶状黄铁矿REE 较粒状黄铁矿高。其他元素含量绝大多数都在检测限之上且含量稳定,其中 Ti 含量分别为(8.3088.30)10-6和(6.4356.74)10-6。磁黄铁矿的成矿元素中,Cu含量最大,为(0.2095.24)10-6,Pb、Zn 次之,分别为(0.1822.31)10-6、(1.1911.43)10-6,Au、Ag 都较低,但 Ag 含量较 Au 高。亲铁、亲硫元素 Co、Ni、As、Se、Te 的含量分别为(0.03122.20)10-6、(5.06186.0)10-6、(0.5030.88)1
14、0-6、(2.8242.91)10-6、(0.213.24)10-6,其中Co的含量最高。REE 特性与黄铁矿相似,REE 较低,轻重稀土分异明显。其他微量元素(Ti、Cr、Sn、Bi)含量大都在检测限之上,Ti 含量高且稳定,为(6.2965.23)10-6。(3)黄铁矿微量元素地球化学特性及成矿意义由上述分析结果可以看出,胶状黄铁矿、粒状黄铁矿和磁黄铁矿中微量元素特性之间既有相似性,又存在明显的差异性。Co、Ni、As、Se、Te 这组反映黄铁矿生成环境的亲硫铁元素在胶状黄铁矿、粒状黄铁矿中分布各有偏重,除Co 外,Ni、As、Se、Te 在胶状黄铁矿中的含量均比粒状黄铁矿高,磁黄铁矿中该
15、组元素含量差异明显;成矿元素大都在检测限之上,胶状黄铁矿中这组元素含量稳定且较高,粒状黄铁矿和磁黄铁矿中该组元素含量相似,其中Cu含量最高,最高可达464.710-6,且胶状黄铁矿含量较之粒状黄铁矿和磁黄铁矿中都高,也许与其成因及其被后期岩浆热液交代矿化叠加作用有关;其他微量元素如 Ti、Bi、Cr 在黄铁矿与磁黄铁矿含量相称,都较高,Ti、Bi、Cr 含量依次(6.2988.30)10-6、(0.019.22)10-6、(1.22852.80)10-6,其余几个含量极低。(4) 黄铁矿中微量元素的赋存状态冬瓜山矿床黄铁矿中各微量元素的含量及赋存状态,既与成矿流体性质有关,也与元素的地球化学性
16、质密切相关。元素周期表中 Co、Ni 同属第四周期第八副族元素,为一组结构相同、性质相似的元素,与Fe元素同样容易失去最外层的两个电子,氧化成+2 价,因此在黄铁矿中常以类质同像的形式代替Fe。在冬瓜山矿床黄铁矿的微量元素相关性图中Ni与 Fe 呈明显的负相关关系,而 Co 与 Fe 则表现的不甚明显,也许与其在黄铁矿中的含量较少有关。同样,黄铁矿中阴离子 S 与 Se、Te 性质相似,也会部分被 Se、Te 以类质同象的形式代替,Se、Te 均与 S 表现出弱的负相关性。这表白 Co、Ni、Se、Te 均以类质同象的形式存在于冬瓜山矿床的两类黄铁矿中。由于REE很难类质同象代替黄铁矿中的 F
17、e2+,它们在黄铁矿中最也许的位置是存在于流体包裹体或晶体缺陷中。这表白黄铁矿中的 REE受晶体结构的影响不大,而重要受形成黄铁矿之介质的 REE 特性控制。冬瓜山矿床中两类黄铁矿的REE 含量偏低,特性参数如下表。最高绝对含量不超过 5.8510-6,轻重稀土比值较大,因此不能反映其成矿流体的 REE 特性,仅能代表 REE 在黄铁矿中的不同分布状态,其 REE 配分曲线如下图54,胶状黄铁矿REE明显在粒状黄铁矿之上,且粒状黄铁矿亏损轻稀土元素。(5)黄铁矿成因黄铁矿特定的元素组成及晶体结构决定只能有部分外来元素可以进入黄铁矿的晶格而发生替代,例如亲铁元素 Co、Ni 等常代替 Fe 进入
18、黄铁矿晶格,Co可达14%,Ni 可达20%;As、Se、Te 可代替 S,可达 2.7%,它们均以类质同象的形式代替阴阳离子进入到黄铁矿的晶格中,使黄铁矿的晶胞参数发生变化,从而引起黄铁矿的性质发生变化。研究发现,Se 在沉积型黄铁矿中基本没有,而在热液成因的黄铁矿含量都超过 10ppm;而 V 在热液硫化物矿床黄铁矿中含量很少,但在沉积矿床的黄铁矿中基本都具有。王奎仁和杨海涛(1989)记录了国内各种矿床的黄铁矿成因,结果显示沉积成因黄铁矿中 Se 含量较低,S/Se 比值高,而与火山成因有关的黄铁矿表现刚好相反,这与国外学者的研究结果是一致的。因此沉积型黄铁矿中具有低 Se、高 V 的特
19、性可以与岩浆热液型黄铁矿相区分。黄铁矿中 Co、Ni 的含量变化受黄铁矿沉淀时物理化学条件的控制,因此Co、Ni 含量常被用来作为判别其形成环境的经验性指示器。将冬瓜山矿床中2类黄铁矿的Co、Ni 含量分别投入前人提出的不同成因黄铁矿图解中,发现胶状黄铁矿重要落在沉积区与沉积改造区,沉积区表白其也许为海底沉积成因,沉积改造区的也许是胶状黄铁矿受到后期岩浆热液交代或岩浆热液快速冷却所形成。粒状黄铁矿大部分落在岩浆区和热液区,认为其是燕山期含矿岩浆热液冷却过程中结晶的产物。而磁黄铁矿通过投图,大部分都投在岩浆区和热液区,表白矿床中磁黄铁矿重要是岩浆热液成因,与粒状黄铁矿是相似的。此外,从两类黄铁矿
20、中成矿元素(Cu、Pb、Zn、Au、Ag)的差异也可以看出,胶状黄铁矿中 Cu、Pb、Zn 含量较粒状黄铁矿都高,且 Cu 含量也高于赋矿的地层,也许与其受到后期含矿岩浆热液的叠加交代有关。然后再结合矿床地质特性,我认为胶状黄铁矿有沉积和岩浆两种成因,粒状黄铁矿为岩浆和交代重结晶两种成因。(6)黄铁矿微量元素组成对矿床成因的指示通过对冬瓜山矿床黄铁矿微量元素分析及讨论认为,该矿床中胶状黄铁矿最早也许形成于海西期的同生沉积,后来受到燕山期岩浆热液叠加交代,具多期成因的特点;粒状黄铁矿与燕山期岩浆热液作用密切相关,重要为含矿岩浆冷却结晶形成,也有初期胶状黄铁矿受后期热液交代重结晶形成。在此基础上,
21、认为冬瓜山矿床的形成也许经历了海西期的海底同生沉积和燕山期岩浆热液叠加改造两个阶段,但海西期同生沉积仅形成了含 S、Fe 的矿坯层,胶状黄铁矿也许就在此时形成,但到燕山期,岩浆的侵入及后期热液的叠加交代使原先的矿坯层富集成矿,Cu、Pb、Zn、Au、Ag 等成矿物质重要还是来自燕山期的含矿岩浆热液系统。2.2 小秦岭地区车仓峪钼矿中黄铁矿2.2.1 小秦岭地区地质特性小秦岭金矿矿集区是我国仅次于胶东金矿的第二大黄金产地,大地构造位置上位于华北地台的南部边沿,属于秦岭造山带的边沿组成部分。在中生代碰撞造山及随后的陆内造山过程中,伸展体制导致小秦岭地区最终在早-中白垩世演化为一变质核杂岩,该变质核
22、杂岩重要涉及作为本区刚性基底的太华群深变质岩系和中生代燕山期的花岗岩,而浅变质的盖层在该区缺失。小秦岭地区还存在两期钼矿化作用,一期为与金共生的钼,产在含金-钼石英脉中,围岩为太古代地层,通过对Au-Mo共生矿床中辉钼矿的Re-Os 定年得到等时线年龄为(21841)Ma, 加权平均年龄为(23418)Ma,表白钼矿化发生在印支期。此外一期为产在岩体与太古代地层接触带中的Mo矿,李厚民等(2023)对产在文峪花岗岩体接触带中的泉家峪Mo矿的两件辉钼矿进行Re-Os定年结果表白其形成年代为(129.11.6)Ma和(130.81.5)Ma,成矿略晚于燕山期花岗岩基的侵位年代。车仓峪钼矿属于第二期
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