对豆荚状铬铁矿床成因的认识_周美付.pdf

?年矿床地质?第?卷第?期对豆英状铬铁矿床成因的认识周美付?加拿大达霍希大 学海洋地质中心?中国地质科学院地质研究所,北京?提要?文章提出豆英状铬 铁矿床 不是上地慢局部熔融后的残余物,而是亏损地慢又经部分熔融形成的熔体发生液相不混熔,导致硅酸盐岩浆和富铬矿浆 的形成。当比重不同高度分馏的熔体在上升过程发生了分离,轻熔 体上升 侵入于岩浆房、重熔体和铬铁矿浆,就地堆积或贯入围岩形成豆荚状铬 铁矿 床。豆英状铬铁矿 的伴生围岩纯橄岩,不是 高度亏损的上 地慢 残余,可能是与铬 铁矿浆伴随的一种硅酸盐熔体。与大量纯橄岩脉伴随的基性岩、超基性岩脉,也属不同程度熔融的产物。主题词?铬 铁矿成因豆英状豆英状铬铁矿床,按矿石化学成分可分为高铝和高铬两 类。两类铬铁矿床均发育矿石胶结纯橄岩的角砾状构造,矿体通常为脉状、透镜状和墙状。块状矿石常含有伟晶铬尖晶石?造矿铬尖晶石与 围岩中可 能为残余成因的铬尖晶石具有不 同 的化学演化趋势?造矿 铬尖晶石含有富挥发分的矿物?如 云母、角闪石等?和熔融硅酸盐 包裹体。豆英状铬铁矿床的矿 石含有单斜辉石、斜方辉石、斜长石、霞石和硬玉等矿物。高铝铬铁矿石其造矿铬尖晶石比高铬铬铁矿石更含较高?和具较低铬系数,两者 的 围岩在地球化学 上也有许多差异。在?模式上,高铝铬铁矿石的?含量 明显低于 高铬型矿石。直到现代,对 于豆 英状铬铁矿成 因,还没 有得到完美 的解释。豆英 状铬铁矿 床 曾被解释为位于壳一慢边界岩浆房内的铬尖晶石的堆积成因?,由于地壳强烈褶皱使这 种堆积铬铁矿进入上地慢内。由于上地慢岩被作为部分熔融的残余,所以 又认为铬铁矿属上地鳗熔融残余成因。,由于上地慢产生部分熔融作用,单斜辉石首先熔化,铬尖晶石或先或 同时与单斜辉石熔化,其熔体在上地慢剪切活动中逐渐汇集形成豆荚状矿体川。近来王希斌等也提出中国豆英状铬铁矿床为高度耐火残余 的类似观点,认为西藏罗布莎铬铁矿床经过 了熔融再造作 用。铬铁矿床耐火残余成因的依据是?上地慢部分熔融过程中,?、?、?和碱金属富集于液相中,而?、?为耐火组分,富集于残余固相内。尽管堆积?晶?观点,卜,或矿 浆观点一?广泛流传,但必须回答在原始岩浆房中占极次要数量 的铬元素如何富集成大 型铬 铁矿体的。同时必须解释高铝和高铬两类豆英状铬铁矿的不同成因。本文除报导 一定新资料外,对两类不 同矿床的成因进行 了解释,供讨论。周美付,男,?年生,现在加拿大攻读博士学位,从事 铬铁矿、蛇绿岩和科马提岩的研究?一?一?收稿,?,?一?一?修改回第?卷第?期周美付等?对豆英状铬铁矿床成因的认识?高铬与高铝铬尖晶石化学成分铬尖晶石化学成分是寄主岩石和矿床的灵敏指示剂。根据铬系数?十?,豆英状铬铁矿 床 的造矿铬尖晶石 可分为 两种类型?高铝和高铬类型。以中国铬铁矿床为例,高铬型有?罗 布莎、东巧、玉石沟、索伦山、萨雷诺海、唐巴勒和乌珠尔等,而贺根 山、洪古勒楞、萨尔托海和鲸 鱼 为高铝型?表?,这 些矿 床都产于蛇绿岩中,都是典型 豆英状铬铁矿床,造矿铬尖晶石均分布于 阿尔卑斯型范围内?图?。需要说 明的是大道尔吉铬铁矿床虽属豆英 状矿床,但是产于堆积岩相内,而 不是 地鳗 橄榄岩 内,因而 略离开世界豆荚状铬铁矿床成分范围?图?。表?中国蛇 绿岩铬铁矿床的造矿铬尖晶石的平均化学成分?琳?一?一?恤?一?一?一?一?一?矿床?样品数?!?一了一?月?,?,工六切?一分?口?了?计?”?一?卜钊?小,?通?犷?人饭,一?总和?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。?。5115。400。070。080。1297。11737210。5755。995。9312。3113。440。090。200。1598。68657815。8050。59矿床:z一 萨尔托海(solt ohay),2一洪古勒 愣(Hong gulol。g),3一贺根山(H。genshan),4一鲸 鱼(whale),5一萨雷一唐巴勒(salei一1o:lbale),6一玉石沟(Yush:guo),7一索伦山(S otu,。han),8一罗布莎(Loubusa),。一东巧(Donq,。o),10一 乌珠尔(Wudur),l一大道 尔吉(D。d。orjJ);只有大道尔吉矿床产在堆积岩相内,其余为地慢橄榄岩相 内的矿床。吻*二1 00.吻/(Mg+F。少十),C,二10 0C:/(Cr+AI).以上为电子探针分析数据,分析人周美付,其中F cZo3以电子平衡法计算得出然 而,在同一地慢岩块 内,副矿物 铬尖晶石 化学成分可 以从高铝 系 数变化到高铬系数,如 果 豆英状铬铁矿床 代表最高度的 耐火残 余 物,则 造矿铬尖晶石应 该比副矿物铬尖 晶石具更高的铬系数,这 一点似乎可以 用来解释高铬 的豆荚状矿床的成因5,然而 无法解释高铝 豆荚状铬铁矿床的存在。已有的 文献曾试图 以铝交代解释萨尔托海高铝铬铁矿的成因6,但是造矿铬尖晶石高铝特点是与耐火残余假说相矛盾的。很 明显,用交 代 作用来解释铬铁矿成因是缺乏证据的。交 代作用是指一种矿物被另 一种新生矿物替代的作 用。不存在高铝铬铁矿交代高铬铬铁矿的任何室内和 野外观察证据。已知 亚固相元素交换,也仅 发生在铬尖晶石和橄榄石之 间的Mg和F护方面。假 设亚 固相A l一Cr替换存在的话,那 么必然存在与铝尖晶 石共存的矿床地质1994年一V+V、0 0 0 1100Mg/(Mg+Fe之+)图1中国豆英状铬铁矿床铬尖晶石的1 0。Mg/(吨+F eZ)一1 00C r八c r+A l)图解1一萨尔托海,2一索伦 山和乌珠尔,3一玉石沟,4一大道尔吉,5一罗布莎,6一东巧,7一贺根山(代表性投点)F ig.1.10 0.Mg/(Mg+FeZ十)verst t slooer/(Cr+AI)diagramofpieo tite,fr omP记iforn,ehromitedePo sitsofC hina.l一Sartohai;2一solun sha.,a,ldWuzuor,3一Yusigou一4一Dadaoerii,5一Luo卜u s a;6一Dongqo;7一Hegensha,1.变得更富铬更贫铝的矿物存在,事实上没 有这 种 矿物存在。Mau ra l等提供 的公式与铝交代作用是相矛盾的。可能 不存在铬尖晶石的铝交 代作用。高 铝铬铁矿和高铬铬 铁矿矿石在构造和结构 上和矿物组 合 上几乎没有 任何差 异。在高铝铬铁矿矿石中,少量绿泥 石含有微量铬 元素,但这种绿 泥 石无法接纳假 设的大量 的 由于交代作 用而迁移出来 的铬元素。应该注意到,在高铝铬铁矿存在的上 地慢层序内,常常分布大量的基性岩、超基性岩岩墙。这种岩墙被认为是上述交代 作用 的源泉 6,了,。而笔 者认为,这种 同豆英状矿体伴随的岩墙,正好表明高铝铬铁矿床 是从一种富铝的岩桨中熔离出来的。高铝铬铁矿浆 的共抚硅酸盐熔浆也必然富含铝。如果以基性熔体去交代高铬铬铁矿 石的话,则基性脉岩(辉长岩、橄长岩等)应 更加 贫铝 而富 铬,实际并非如此。此外,上述两类造矿铬尖晶石在其它成分上也有明显 的差异,如高铝 造 矿铬 尖晶石的T IOZ含量较高(0.2 0%。.2 9%),而高铬造矿铬尖 晶石的T IOZ含量较低(。.0 4%0.1 9%),见表1。两类造矿铬尖晶石 的存在,明显反映出两类铬铁矿矿浆的存在。造矿铬尖晶石与其围岩副矿物铬尖晶石具不同的化学演化特点。高铬造矿铬尖晶 石比其副矿物铬尖晶 石更富镁,如罗布莎和东巧(图 2);高铝造矿铬尖晶石比其副矿物铬尖晶石更富铝,”,如贺根山和 萨尔托海矿床。以 上表明,豆英状铬铁矿床之 矿石和其围岩具有不同 的成因,即其围岩为不 同程习熔融的上地慢的残余,而矿石则是矿浆 的固结物。第1 3卷第8期周美付等:对豆英状铬铁矿床成 因的认识245100.1o2.3盛4阿尔卑斯型区域6 0初一y+O、VS叫10 0一y+U、Vo ol斯型区域10 08 060402 0100Mg/(Mg+Fe)图2西藏罗布莎和东巧铬铁矿床 造矿铬尖晶石与副矿物铬尖晶石的一 0 0Mg/(Mg+Fe,+)一1 0 0cr/(C r+Al)图解a一罗布莎,b一东巧,1一造矿铬尖晶石,2一纯橄 岩中铬尖晶石,3一斜辉橄榄岩中铬尖晶石,4一二辉橄榄岩中铬尖晶石F ig,2。100加g/(Mg+Fe,+)ve r s u s1 0 0一。(Cr+A l)diagramo ftheo re一fo rmi此Pieotite andthea c ce sso ry PicotitefromthoLuobu shanan1Do ngqoehromi tedep加it,inTi bet.a一Luobusa,be sD o叩叼。,1一ore一formingpieotite一2一peiotitefromdunite,卜pieot it efr om har zbur-91t e,4一Pieotitef一omlhe r z ol ite.矿床地质1994年2铂族元素含量及模式铂族元素(Pt、Pd、Rh、Ru、O s和Ir或PG E)含量和分布模式,在一定程度上是镁铁一超镁铁岩浆演化的灵 敏指示剂。在P G E球粒陨石标准化图解上,豆英状和层 状铬铁矿具有 不 同的分布模 式。中国豆 英状铬铁矿床的矿 石P G E分布如 图3。这些模式与世界其它典型豆英 状 铬铁矿石 是类似的,即具有富集高熔点铱族(IP G E)而相对亏损低熔点铂族(P PG E)的特点。高一A I高一Cr一一 X一XS一 2。一一NI一2一一+一Nll一2一.一NI一3碑理0.1卖衡0.01捧狈0.001.XL一 1口一XL一5XD一1Ir/P d二 5.6一 10 00.000 105IrRu之卜PtP d中国蛇绿岩豆英状铬铁矿的矿石P G E分布模 式.球粒陨石标准值(ppb):1200、Pt1500、Rh200、Ru1000、图P d贺根 山,Nl一2、3一乌珠尔,XL一1、5一罗布莎,凡9.3.Chondrite一nor,nal izedPGFdiagran lofIr500、05900,XS一2一萨尔 托海,Nl l一xD一1一东巧,GD一大道尔吉orefro lnoP h ioliteP习iformehroinitedeP韶itsinC h ina.Xs一2:Sartohai,Nll:Hege nshan;NI一2,3:Wuzuer,XL一1,5:Luosus a一XD一1:Dongqo,GD:Dada oerii.富铬矿浆形成的矿石,由于P G E分布相 当均 匀,而使所 有豆英状铬铁矿石具有相似的分布型式。但是在层状岩体的原始岩浆房内,早期晶出的铬铁矿伴随高熔点PG E,而晚期晶出的铬铁矿则伴随低熔点P G E,因而层状铬铁矿可 出现上 述 两种不 同的分布型式。高铝和高铬铬铁矿石具有相似的P G E分布模式,但高铝铭铁矿石(如萨尔托海和贺根山矿床)的P G E含量明显 低于高铬型矿石(图3)。这一特点也 存在于希腊和 菲律宾的豆英 状铬铁矿床中,“。这一特点是无 法用交代 作用形 成铝 铬 铁矿来解释的,最合适 的解释 是:两 类 不同成分的矿石分别从 两种不 同成分的矿浆中固化的。低部分熔融程度形成的液相 比 高部分熔融程度产生的液相 更贫PG E而富 A l。由于在上地慢部分熔融过程中,PGE的性状更趋近于耐火元素,如Mg。必然从前者分熔出来的矿浆相 对贫pG E,而产生高铝铬铁矿石,从后 者分熔出来的矿桨则富含于G E,并形 成富铬铬铁矿石。.原始数据来自加拿大sa ska tc hew却大学地质系,样品经镍火试金法富集,在I CP一Ms仪器上分析,分析人周美付第1 3卷第3期周美付等:对豆英状铬铁矿床成因的认识3铬铁矿浆的岩相学证据豆英状铬铁矿石的原始构造已被广泛描述 过,2 1,最典型 的构造有条 带状、浸染状、块状和豆状,不 同构造 又可构成斑杂状构造。豆状或瘤状铬铁矿石,对 于岩浆矿床而言,是铬铁矿床独有的,但是,又是蛇绿岩豆荚状铬铁矿床独有 的,层状、同心状侵 人体中的铬铁矿床从没有这种构造的矿石。同时,在某些豆英状矿床内见有角砾状或球状构造的矿石,在中国 和新喀里多尼亚都存在仇5)。铬铁矿石呈枝脉状穿插和侵 入 到附近 围岩 的现象也不鲜见2。这种现象强烈反映出铬铁矿浆的存在。豆状和瘤状铬铁矿石的形成机理,历来争论很大。看来,矿瘤(最大直 径可达数厘米)的边缘相结晶早于中央(核)部分,矿瘤(豆)是从液相中结晶的,并非滚雪球似的形成机理,更 不是任意碎 块的被磨圆的机理。矿瘤(豆)形 成 的可能性是铬铁矿浆的球滴和 不混熔的纯橄岩熔体分别结晶的 卿。铬铁矿体 主要 赋存于蛇绿岩 剖面上地慢亏损 橄榄岩带 的一定部位,矿体 常 常具有 一层薄的纯橄岩外 壳,并且 与规模 不等的纯橄岩脉伴随。豆英状 铬铁矿体的形成曾被解释成 基性岩浆被萃取后,铬铁矿浆沿原始岩浆通道或岩浆囊就地堆积的6。豆英状铬铁矿体常常与纯橄岩脉伴生,这种纯橄岩的副矿物铬尖晶石与矿石 的造矿铬尖晶石同属一类,或高铬或高铝。如果矿石是高铝类型铬尖晶石组成,与矿体伴随的纯橄岩壳或纯橄岩脉副矿物铬尖晶石亦为高铝型,反 之亦 然。表明,铬铁矿体与纯橄岩成因相关。值得指出的是,如 果堆积岩为橄长岩、含长纯橄岩、橄 榄辉长岩 系列(晶序:0 1一P l叶C px”OP x),则岩体 内之铬铁矿均为高铝型;如果堆积岩为单辉橄 榄 岩、辉石岩、辉长岩系列(晶序:0 1CpO p:、P l或01、C px、P l一Opx),岩 体内铬铁矿石均为高铬型。所以,铬铁矿化学 成分 不但与纯 橄岩有 关,而且与堆积岩关系密 切。这就是说:铬 铁矿、纯橄岩 和堆积岩都 可被划分成两 个类型,而且三者具相同成因作用 的痕迹。以 纯 橄岩的副矿物铬尖晶石化学成分的两种 类型 来看,与豆英状铬铁矿伴随的纯橄 岩不可 能是高度熔融 的残余成因,而是由熔浆结晶 形成 的。豆英状铬铁矿矿石的脉石矿物有橄榄石、单斜辉 石、斜方辉石、角闪石、云母、霞石、硬玉、绿泥石、钠长石以及硅酸盐熔体包裹体“,有 些 产地的铬铁矿还含有液态包裹体的,这些表明铬铁矿不是高度熔融后的上地慢残余物,而是富含挥发分的贫硅铬矿浆的结晶物。铬铁矿 石中的橄榄石具有 高MgO特点(Fo可达9 5)卿,但橄榄 石具高F。并不一定表明它是高度耐火的残余0,因为f oZ(氧逸度)控制镁铁矿物的MgO含量,F o相 对高,反映出铬铁矿浆系一统内挥发组分内f oZ相对高。4豆荚状铬铁矿床成 因讨论按照部分熔融 的观点,Ti、Fe、Ca等元素为不相容元素,富集于液相中,而Cr、.Ke lema n教授个人通讯,AI、1991矿床地质1994年Mg为相容元素,富集在固相中。如果豆英状铬铁矿石代表最高度的耐 火残余,那 么只应是最富镁和 最富铬而 亏损A I和Fe等,然而铬铁矿石的化学成分和矿物成分并没 有表现出这种规律性。已知原始地慢岩中铬含量是很低的(约0.3%),要形成超过2 0%铬含量的矿石,部分熔融 程度 应超过8 5%,并且还要求铬都保留在固相中。现在还无资料表明大洋上 地慢曾达到如此高的部分熔融程度。科马提岩是目前公认最富镁的 原始液相,反映的部分熔融程度大 约为50%,并以纯橄岩 作为 固相残余。在原始地鳗岩中,铬 主要 赋存于铬尖晶石和单斜辉石中。有人认为在部分熔融 过程中,铬尖晶石几乎与单斜辉石同时熔化“,这 一点 又与其所提出的铬铁矿石是耐火残余成因的假设,是 自相矛盾。Lago等,6,、A鳍e“3,、Leblane 2、pakt une等认为铬铁矿体是在岩浆管道内,由玄武岩浆结晶分异的产物,其成矿作 用类似大陆内层状镁铁一超镁铁杂岩体的铬铁 矿床。但是,结晶分异作 用只 限于壳层内的 层状堆积岩或蛇绿岩的堆积岩层中,而豆英状铬铁矿体主要赋存于高亏损橄榄岩相内,难以 用结 晶分异解释其成 因。即使原始部分熔融体含铬,但含量 亦较低,重要向题是,熔体中低量铬是如何富集成大型铬铁矿体的?王恒升名曾以矿浆熔离说解释中国铬铁矿成因。微量铬是通过结晶分异富集于地壳和上地慢深处,当发 生熔融 作用 时,熔化的矿浆和岩浆不混熔,各 自沿管道贯 入形 成岩 脉和矿体。如果我们考虑到堆积岩系列与铬铁矿类型的规律性的话,我们 不难提出,与铬铁矿浆共扼的硅酸盐熔浆就是上升到 地壳内形成了蛇绿岩堆积层序的熔体。这种熔体 不同于玄 武岩,在化学成分上更富MgO而贫硅。由该熔体分熔出纯橄岩、橄长岩、辉长岩以 及 铬铁矿等成分熔体。富铬矿浆 由于 比重 大,多停留在岩浆通道或岩浆囊内,原地 堆积形成豆英状 铬 铁矿床。由于富铬的岩浆熔 体源于较高度亏损 的上 地慢岩,结果豆英状 铬铁矿体主要分布于这一层序中,但一部分堆积于堆积岩的下部层位。因而铬铁矿体不 代表最高度熔融的上地慢残余物,而是铬矿浆结晶 的产物,这种矿体与堆积岩中的相 同岩石的脉岩相伴随。本文受中国自然科学基金委员会和加拿大N SE R C的联 合资助,并得 到P.Ro bi n s on教授的帮助。参考文献1王恒升.对铬铁矿床生成若干问题的探讨.中国地质,19 62,(7)2王恒升,白文吉,王炳熙和柴熠楚.中国铬铁矿及其成因.北京:科学出版社,1 983.3彭礼贵.新疆西准噶尔地区阿尔卑斯型超基性岩的成因及其演化,地质学报,1987,(2)4白文吉,周美付.新获洪古勒楞蛇绿岩中铬尖晶石的化学成分变异及其意义.矿物学报,1988,(4)5王希斌,鲍佩声.豆英状铬铁矿床 的成因,地质学报,1987,(2)6鲍佩声,王希斌,郝梓国,彭 根永.对富铝型豆荚状铬铁矿矿床成因的新认识.矿床地质,199。,(2)7鲍佩声,王希斌.对大道尔吉铬铁矿床成因的新认识.矿床地质,19 89,(1)8白文吉,李行,L。Be l.中国内蒙古贺根山蛇绿岩中铬铁矿床形成条件的讨论.中国地质科学院地质研究所所刊,1985,(12)9ThayerTp.Gravit萝d if fere ntiatio na nd一nagmatiere一 emplaee:一 l entofpodiformehr omitedepositinma尔11atieoredepo sits.Eeon.Geol.,1969,(4):1321461OA,ai5.Dunite一h盆r zburgite一ehr omititee o了 11pl七 x e sa srefr oct oryr e sidueintheso n四n一Ya万 11a即ehizone,第1 3卷第3期周美付等:对豆英状铭铁 矿床成 因的认识249westernJapan.J.petrol.,1980,21:14116511Grafe na uers.Ge 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ighl y一depletedpyroliteofophiol it es.Nevertheles s,theydi fferdiametrieall yfromtheirhostroekinoriginandheneearenotresiduesa fterPar tialmelt-ing.EvideneeshowsthatthePodi for mehromitedePo si铭werefor medb yin一situdePositionoftheuPPermant leehro mium一riehmelt:1)a e e es so ryPie otite15obviousl ydi f fe r e只tfr omo r e一fo皿ing Pieoti tein variationt rendofehemiealeomPosi tion;(2)there existm ineraland gil ieatemel t inelusionsinehr o mitedePosits;3)theirPGE Patternsare si milartothePGE Patter刀5ofstr atifor mehr omitedePo sit sfor medb ymagmatiee rystall iz atio卫;4)the川i毛e r ala s s emb lagefor medinthePr o e e s sofmagmatieer ystal liz ationinelude selinoP y-r oxene,orthoPyroxene,ol ivineandPlagioelaso.AlthoughresidualPieotitemightaPPearafterPartialmel ting,thefor t nationofehro mitedePo si t smusthavethePrerequisitethatthedegreeofPartialmeltingshoul dexeeed80%,butt址515quiteimPos s ib lein nature.T here15merelya verys mallamou ntofehromiumintheinitialmelt,anditseoneentration15tl,oughttobether e sultofimmi-s ei b i l itybet we ensi l ie atemel tandehr omium一 rieho r emagma.Li ghtsilie atemel twhiehmighthavehadba saltiee om和siti ona seendedtofor mc u mulatesequenees ofoPhiol ites,wherea sden serandheavierehr omium一rieho r emagmawa seithe re rystal l izedin滋t uori习tr udedintotheh i g hlydepletedpyr oliteandt hens olidi f iedtofor mPodifor mehro mitedep osit s.