岩浆-热液体系与磁铁矿环带的形成演化及其地质意义 ——以东昆仑造山带矽卡岩型铁矿为例

论文摘要

东昆仑造山带是青藏高原北缘一条巨型岩浆构造带,蕴含着铁、铜、铅、锌、钼、镍、金等丰富的金属矿产资源。矽卡岩型铁多金属矿床是东昆仑成矿带的重要组成部分。近十年来,在该地区已经探明及扩大了许多这种类型大-中型矿床,如野马泉、白石崖、尕林格、肯得可克等。前人对该区矽卡岩型铁矿开展了详细的野外地质特征调查、矿化蚀变分布、成矿岩体地质年代学及岩石学成因等研究,但是关于成矿岩浆的演化及地球化学印迹、岩浆-热液体系的转变等关键科学问题方面还存在明显的欠缺,从而在一定程度上制约了我们对东昆仑成矿带中矽卡岩体系的认识。更重要的是,最近五年来,随着技术手段的进步与发展,磁铁矿微区结构和微量元素特征分析成为了国内外研究的热点前沿,用于刻画更加精细的成矿过程,尤其用于矽卡岩体系中磁铁矿的环带样式成因。然而,越来越多的研究表明,这种微区原位的分析结果并不能完全反应整个热液流体的演化历史;此外,磁铁矿中含有众多不相容元素,如Si、Al、Ca等,也无法完全用传统的类质同像理论来解释。此次研究中,论文选取了东昆仑造山带两个代表性的矽卡岩型铁多金属矿床作为研究对象。一方面,通过研究野马泉矿区出露的晚三叠纪花岗岩体的地质年代学、岩石学成因、热液事件年龄、高场强元素特征等,反演成矿岩浆岩的地质演化过程,进而示踪岩浆-热液体系转变过程中成矿斑岩体的地球化学印迹;另一方面,根据矽卡岩矿物共生组合的变化,详细研究白石崖矿区中磁铁矿的微区结构和微量元素特征,并进一步利用透射电镜从纳米级尺度上探索磁铁矿中可能赋存的矿物纳米颗粒,最终讨论矽卡岩体系中热液磁铁矿的环带样式成因及其地质意义。野马泉矿区出露了一系列从基性到酸性变化的岩浆岩,包括闪长岩、花岗闪长岩、花岗闪长斑岩、花岗岩、正长花岗岩。锆石U-Pb年代学表明它们都形成于晚三叠纪时期（228221Ma）。其中,花岗闪长斑岩形成于225Ma,与磁铁矿矿体中热液金云母的40Ar-39Ar坪年龄相一致,指示斑岩体是成矿相关的岩体,而其它粗粒结构的侵入岩则是“贫矿”岩体。所有这些岩浆岩全岩Sr-Nd-Pb同位素比值和锆石Hf同位素比值都暗示它们起源于同一个岩浆源区。结合全岩微量元素特征,以最基性的闪长岩代表母岩浆,可以看出与含矿斑岩体可能由于岩浆含水量较高的缘故,经历了角闪石的分离结晶,而贫矿的花岗岩和正长花岗岩由于地壳的持续混染而经历了黑云母的分离结晶。相对于贫矿岩体,含矿斑岩体有明显较低的Nb/Ta比值,且岩浆作用过程跳出了Nb/Ta vs.Zr/Hf演化趋势。根据前人文献中已经发表的实验岩石学数据,利用岩浆熔体中角闪石的平衡分离结晶模型,可以得出单纯的岩浆角闪石分离结晶作用无法解释含矿斑岩体中的低Nb/Ta比值。本文由此提出,亚固相岩浆熔体中含F热液流体中出溶可以降低成矿相关岩体中Nb/Ta比值。根据矽卡岩共生矿物组合的变化,可以将白石崖矿区中磁铁矿成矿期分为四个阶段:第一阶段,自形磁铁矿与金云母和钙铁辉石共生,背散射图像下磁铁矿具有均匀的核部和震荡环带的边部;第二阶段,磁铁矿往往是他形,多与石榴石和钙铁辉石共生,少量方解石充填在矿物缝隙中,磁铁矿显示出多期次的具有不规则边界的环带结构;第三阶段,他形磁铁矿与菱铁矿、方解石共生,背散射图像下显示出大量微米级孔隙,也有至少两期环带结构样式;第四阶段,自形磁铁矿与黄铁矿和石英共生,其颗粒最外缘有一层很窄的成分环带。磁铁矿的环带样式据此可以分成两种:一种是矿物生长环带,不同世代之间的界线与结晶面平行;另一种是矿物溶解-再沉淀反应过程中所形成的环带,主要受控于热液流体的交代作用。磁铁矿的环带结构主要是由Si、Al、Ca等不相容元素的含量区别引起的,且其微区原位的微量元素特征表现出系统性的变化。一些元素的含量,如V+Ti、Ni、V、Ga等可以用来指示热液流体温度的变化,且局部矽卡岩矿物的共生组合相一致,而Pb和W元素含量则可以用来示踪流体中硫化物是否沉淀。白石崖矿区的磁铁矿成矿期可以由此划分为两个过程:一是从第一阶段到第三阶段,热液流体的温度缓慢下降,矽卡岩矿物共生组合发生变化,控制了局部热液流体的成分,从而造成了磁铁矿的溶解-再沉淀反应,形成多期次环带样式和对应的微米孔隙;二是从第三阶段到第四阶段,热液流体经历了显著的温度下降,热液流体中硫化物开始沉淀,标志着磁铁矿矿化接近结束。然而,在第一阶段和第二阶段中,富Si的暗色区域（背散射图像）有明显较高的Nb/Ta和Zr/Hf比值,这些高场强元素比值的变化无法用热液流体中高场强元素含量及其物化参数的变化来解释。本文认为,矽卡岩体系中局部金云母的结晶造成了流体-磁铁矿界面上F、Cl的亏损,进而影响了部分高场强元素络合物的稳定性并使其发生局部富集的现象进入磁铁矿中。为了进一步探索这种局部流体-矿物界面上的动力学反应机制,本文利用透射电镜对第一阶段中磁铁矿的生长环带进行了研究,发现了热液磁铁矿中三种矿物的纳米颗粒:一种是通过出溶作用形成的纳米级富Al-Mg的尖晶石薄层;第二种是流体-磁铁矿界面沉淀并被磁铁矿包裹的锌尖晶石的纳米颗粒;最后一种是富钛磁铁矿纳米颗粒。大量的矿物纳米颗粒的层状分布可以用来解释微米尺度上的成分振荡环带。更重要的是,这些矿物纳米颗粒的存在完全改变了现有的认识。首先,传统的微米尺度的元素定量分析方法过高的估计了磁铁矿中以固溶体形式存在的Zn、Mg、Al等元素的含量,偏差可以高达到25%左右;其次,矿物的微区结构往往与其微量元素特征相对应,而微米级的分析手段可能并不能完全解释这背后的地质过程;最后,尽管热液流体中Zn的含量非常低（小于100 ppm）,但是通过流体-矿物界面层的存在,锌尖晶石仍可以在局部达到饱和并沉淀,最终被过度生长的磁铁矿包裹起来,避免了后期地质作用的重新平衡过程,如溶解-再沉淀反应过程。这种特殊的保存机制由此不仅可以用来解释热液流体中某些微量元素的富集机制,而且提供了一种适用于地质过程的、具有振荡成分环带的矿物,尤其适用于不平衡的流体体系。

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作者简介

摘要

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第一章绪论

1.1 选题来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩浆-热液体系的转变标志

1.2.2 磁铁矿微量元素特征

1.2.3 界面耦合型溶解-再沉淀反应

1.2.4 地质过程中矿物的纳米颗粒的识别与研究

1.2.5 东昆仑造山带矽卡岩型铁多金属矿床的研究进展

1.3 研究内容与研究方案

1.3.1 研究内容

1.3.2 采取的研究方法、技术路线、实验方案

1.4 论文工作量

第二章区域地质概况

2.1 构造

2.1.1 昆北断裂带

2.1.2 昆中断裂带

2.1.3 昆南断裂带

2.2 地层

2.2.1 元古界

2.2.2 古生界

2.2.3 中生界

2.3 岩浆岩

2.3.1 侵入岩

2.3.2 火山岩

2.4 矿产

第三章分析测试方法

3.1 扫描电子显微镜及电子探针分析

3.2 全岩主量元素分析

3.3 全岩微量元素分析

3.4 锆石微量元素和U-Pb年代学分析

3.5 磁铁矿微量元素微区原位分析

40Ar-³⁹Ar年代学'> 3.6 金云母⁴⁰Ar-³⁹Ar年代学

3.7 全岩Sr-Nd同位素分析

3.8 锆石原位Hf同位素分析（LA-MC-ICP-MS）

3.9 全岩Pb同位素分析（MC-ICP-MS）

3.10 透射电镜分析

第四章含矿岩浆的起源、演化及热液出溶过程

4.1 分析结果

4.1.1 岩相学特征

4.1.2 岩浆锆石U-Pb定年

4.1.3 热液金云母40Ar-39Ar定年

4.1.4 全岩主微量元素特征

4.1.5 全岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征

4.2 讨论

4.2.1 地质与成矿年代学

4.2.2 野马泉矿区岩体的岩石学成因

4.2.3 角闪石分离结晶对岩浆Nb/Ta比值的影响

4.2.4 亚固相岩浆-热液流体的出溶过程

4.3 小结

第五章热液磁铁矿的环带样式、成分及成因意义

5.1 矽卡岩蚀变矿物组合

5.2 磁铁矿微量元素特征

5.2.1 电子探针分析

5.2.2 LA-ICP-MS分析

5.3 讨论

5.3.1 磁铁矿多阶段形成演化历史

5.3.2 热液流体中高场强元素的活动性

5.3.3 矽卡岩体系中微量元素的地球化学行为

5.4 小结

第六章热液磁铁矿的纳米级包裹体

6.1 磁铁矿结构与成分特征

6.2 磁铁矿中的矿物纳米颗粒

6.2.1 矿物纳米颗粒的类型

6.2.2 矿物纳米颗粒的元素半定量评估

6.3 讨论

6.3.1 磁铁矿中富Al-Mg薄片层的出溶

6.3.2 流体-磁铁矿界面上锌尖晶石短暂的过饱和过程

6.3.3 流体-磁铁矿界面微量元素的地球化学行为

6.3.4 磁铁矿微量元素含量的多解性

6.3.5 矿物振荡环带的动力学成因模型

6.4 小结

第七章结束语

7.1 主要认识及结论

7.2 尚未解决的问题及对今后工作的建议

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 尹烁

导师: 马昌前

关键词: 矽卡岩型铁矿,高场强元素,磁铁矿环带,流体矿物反应界面

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 中国地质大学

基金: 马昌前教授的中国地质调查局“青藏高原中北部古特提斯岩浆演化与成矿地质背景(12120114057501),马昌前教授的矽卡岩型富铁矿成矿机制及控制因素(2012.01-2016.12),国家重点基础研究发展计划(973 计划),项目编号:2012CB416802

分类号: P618.31

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000040

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