Mineralization of High-Pressure and Ultrahigh-Pressure Metamorphic Belt in Northern Jiangsu Province
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摘要: 以苏北地区为例, 在分析区域岩石学、构造地质学和成矿学资料的基础上, 结合江苏省地质调查院和江苏省地质矿产局第六地质大队有关区域地质调查和矿产资料, 初步建立了2个成矿系列, 即与超高压变质作用有关的金刚石-金红石-蛇纹石-蓝晶石-大理石成矿系列和与高压变质作用有关的磷-水晶-蓝晶石成矿系列.前者与印支期巨量物质超深俯冲有关, 后者与稍晚发生的高压-超高压变质带的折返事件有关.本区可能存在燕山期金、银多金属成矿系列, 在下一步地质找矿时值得注意.
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关键词:
- 高压-超高压变质作用 /
- 金属和非金属矿 /
- 成矿系列 /
- 巨量物质超深俯冲 /
- 苏北
Abstract: Many deposits occur in the high-pressure and ultrahigh-pressure belt, northern Jiangsu Province, China. Diamond, rutile, kyanite, and marble metallogenic series, and phosphorus, quartz, and kyanite metallogenic series are presented on the basis of regional petrology, structural geology, metallogeny and mineralization age in northern Jiangsu Province. The former was formed when a huge amount of material from the Yangtze plate was subducted northwards beneath the North China plate. The latter is associated with the exhumation of the high-pressure and ultrahigh-pressure belt. The paper also discusses the existence of the Yanshanian gold, silver, and polymetallic metallogenic series. Its formation is related to the Yanshanian post-exhumation extension event. -
超高压变质作用是指地温梯度小于10 ℃/km条件下发生的高于“石英=柯石英”相变线压力(p > 28×105 kPa, T=800 ℃) 的变质作用(从柏林和王清晨, 1997).最近20年来, 大别-苏鲁超高压变质带的超高压变质作用的标志一直是国内外学者研究的主题之一.研究表明, 在榴辉岩和超镁铁质岩中发现柯石英和金刚石.另外, 苏鲁超高压变质带各种类型岩石内各种出溶结构和锆石中超高压矿物的研究表明在大别-苏鲁超高压变质带的形成过程中, 巨量物质发生了超深俯冲.在巨量物质发生超深俯冲及后期折返过程中, 发生了什么样的成矿作用?形成了什么样的成矿系列?这是本文关注的一个重要问题.建立和研究与高压-超高压变质作用有关的成矿系列, 对认识榴辉岩折返机理和大陆深部成矿地球动力学过程有重要的意义.本文以苏北地区为例, 在分析区域岩石学、构造地质学和成矿学资料的基础上, 结合江苏省地质调查院1999年和2002年有关区域地质调查报告以及江苏省地质矿产局第六地质大队1991年东海县毛北—新沂市蒋马金红石矿普查地质报告, 初步建立了2个成矿系列, 即印支期与超高压变质作用有关的金刚石-金红石-蛇纹石-蓝晶石-大理石成矿系列和稍晚进行的与高压变质作用有关的磷块岩-水晶-蓝晶石成矿系列.本文最后探讨了本区可能存在燕山期金、银多金属成矿系列, 在下一步地质找矿时对此应引起重视.
1. 区域地质背景
苏鲁高压-超高压变质带呈NE-SW走向, 宽180 km, 长750 km, 北界以五莲-烟台断裂与中朝板块为邻, 南界沿嘉山-响水断裂东段与扬子板块相连, 西界以郯庐断裂与北中国板块相隔.中国大陆科学钻探工程孔位于苏鲁超高压变质带南部的江苏省东海县(许志琴等, 2003).区域构造格架由北面的超高压变质带和南面的高压变质带组成, 二者之间的界线为韧性剪切带.北面的超高压变质带由北西向南东, 依次划分为临沐构造岩片(Ⅰ)、许沟-羽山-夹山构造岩片(Ⅱ)、双店-磨山-城头构造岩片(Ⅲ)、踢球山-阿湖-牛山-青龙山构造岩片(Ⅳ)和武强山-房山-安峰山构造岩片(Ⅴ, 潘明宝等, 2002; 图 1).超高压变质带岩主要由4种不同原岩的岩石类型组成, 即表壳岩、花岗质侵入岩、基性-超基性侵入岩和少量的地幔橄榄岩(张泽明等, 2002).表壳岩主要由沉积-中酸性-基性火山岩系组成, 它们的变质产物由副片麻岩、片岩、石英岩和榴辉岩组成.花岗质侵入岩是造山带核部大面积分布的长英质片麻岩的主要原岩.基性-超基性侵入岩主要是榴辉岩和少量夹于其中的石榴石橄榄岩的原岩.地幔橄榄岩由石榴石橄榄岩、纯橄榄岩和辉石榄榄岩组成, 它们来自俯冲带之上的地幔楔状体, 具典型地幔岩的岩石学和地球化学特征(张泽明等, 2002; Zhang et al., 2005).高压变质带位于超高压变质带的南侧, 主要出露于连云港、灌云和沭阳等地, 也见于杨集和盱眙管镇的钻孔中.出露的岩石片理总体呈NE-NNE向, 与区域构造线方向一致.高压变质带的原岩由中元古代锦屏岩群和云台岩群组成, 岩石类型复杂, 常见的岩石类型包括白云钠长片岩、绿泥绿帘钠长片岩、石榴绿帘白云钠长片岩、石榴二云钠长片岩、白云石英片岩和蓝晶石石英(片) 岩等(于津海等, 2001).
图 1 苏北地区地质构造略图(据潘明宝等, 2002, 略有修改)1.超高压变质地体; 2.高压变质地体; 3.大理岩; 4.榴辉岩; 5.石榴绿帘石变质带; 6.蓝晶石黄玉变质带; 7.中新生代断陷盆地; 8.构造岩片界线; 9.断层; 10.中生代花岗岩; 11.中生代基性火山岩; 12.蓝闪黑硬绿泥石变质带; ∑.蛇纹岩或超基性岩; ●.大型金红石矿; ◇.蓝晶石矿; ᐁ.磷矿Fig. 1. Sketch map showing geology and structure of northern Jiangsu Province2. 苏北地区的金属和非金属矿床
苏北地区超高压变质带各种类型的片麻岩中产出有大量榴辉岩、大理岩和超镁铁质岩, 各自形成金红石矿或蓝晶矿床、大理石矿和蛇纹石矿, 在榴辉岩折返阶段, 形成东海水晶矿.在高压变质带中, 锦屏岩群产有海州式磷矿、云台岩群中产有韩山蓝晶石矿.上述金属和非金属矿床在该区均具有开发前景, 其中蛇纹石矿和大理石矿当地均有小规模开采.
2.1 榴辉岩型金红石矿和金红石砂矿
榴辉岩型金红石矿位于新沂市、东海县和赣榆县境内, 展布于苏鲁超高压变质地体中.在苏鲁超高压变质带江苏境内, 已发现约1 000个规模不等的榴辉岩, 大者长达数千米, 宽数百米, 小者仅几十厘米至几米.榴辉岩形态复杂多样, 大多呈透镜状、扁豆状、纺锤状, 少数呈脉状、肠状和不规则状.上述不同形态的榴辉岩产于各种片麻岩中.在苏北地区, 榴辉岩型金红石矿主要位于双店-磨山-城头构造岩片(Ⅲ)和踢球山-阿湖-牛山-青龙山构造岩片内(Ⅳ, 图 1), 前者出露中小型金红石矿床(点), 如石桥金红石榴辉岩、尤塘金红石榴辉岩、偃水房金红石榴辉岩和岚山头金红石榴辉岩; 后者目前已经发现2个特大型的榴辉岩型金红石矿, 它们分别是东海县毛北-新沂市蒋马金红石矿和新沂市小焦金红石矿, 金红石产于榴辉岩中, 金红石榴辉岩为富矿体, 矿体的品位取决于榴辉岩中金红石含量的多少, 榴辉岩的围岩为正、副片麻岩.2个矿床的详细地质特征见表 1.金红石在各种榴辉岩中的存在形式有4种: (1) 前榴辉岩阶段的包体形式, 以细小的颗粒分布于石榴子石和绿辉石中; (2) 榴辉岩阶段的粒间充填形式, 以大小不等的颗粒分布在石榴子石和绿辉石矿物粒间, 这种形式的金红石数量最多, 也最为重要; (3) 退变质阶段形成的蚀变残余形式, 在后成合晶中所形成的金红石往往呈蚀变残留状, 金红石边缘常常有钛铁矿和榍石退变边; (4) 热液充填式金红石, 呈脉状、串珠状或巨晶状充填在矿石原生节理、裂隙中, 金红石自形程度较高, 大多为后期热液作用所形成.
表 1 苏北地区大型榴辉岩型金红石矿的地质特征Table Supplementary Table Geological characteristics of the large eclogite-hosted rutile deposits in northern Jiangsu Province
苏北地区已查明金红石砂矿11处, 金红石砂矿是原生矿经风化剥蚀、运移后富集成矿, 可分为残坡积型、坡冲积型和风化壳型3种类型, 以坡冲积型工业价值最好, 多形成于距矿源5~10 km左右的河谷下游地带.
2.2 金刚石矿
苏北原生金刚石矿包括榴辉岩型和橄榄岩型2类.苏北目前发现的含金刚石榴辉岩赋存于花岗片麻岩中, 其金刚石颗粒细小, 粒径约0.02~0.06 mm (樊金涛等, 1998), 无工业利用价值.尽管这样, 苏北地区有可能找到可供利用的榴辉岩型原生金刚石矿.
橄榄岩型金刚石矿赋存于石榴二辉橄榄岩中, 已在芝麻坊石榴二辉橄榄岩及其附近第四系中先后发现4颗金刚石, 最大粒径达2.25 mm×1.90 mm×1.35 mm.芝麻坊石榴二辉橄榄岩中石榴石为含铬镁铝榴石, Cr2O3的含量约1.63%~3.05%, 与金伯利岩中含铬镁铝榴石成分相当.本区超镁铁质岩同样有可能找到可供利用的原生金刚石矿.
2.3 蛇纹石矿
蛇纹石由超镁铁质岩变质所形成, 区内已发现90余个超镁铁岩、镁铁岩岩体, 其中大多遭受强烈的蛇纹石化, 形成蛇纹石矿床(点).初步查明有工业价值的矿床4处, 许沟和岗尚2个矿床规模最大, 质量最好, 为大型矿床, 蒋庄、芝麻坊矿床为小型矿床.这些蛇纹岩体平面形态呈透镜状、椭圆状、个别呈长条状、镰刀状.剖面形态多呈似层状、楔状, 少数为舌状和筒状.蛇纹岩体长轴呈北东向, 少数呈北西向, 一般向南或南东倾斜, 倾角35°~80°.矿体一般长数百米, 最长可达千余米, 宽数十米至数百米.蛇纹石矿位于许沟-羽山-夹山构造岩片(Ⅱ)和踢球山-阿湖-牛山-青龙山构造岩片内(Ⅳ, 图 1).前者总体呈北东向延伸, 长约60 km, 以许沟岩体为代表, 原岩岩性以尖晶石方辉橄榄岩和纯榄岩为主; 后者也呈北东向延伸, 有蒋庄、蔡湖、芝麻坊、岗尚等20多个矿床(点), 原岩为纯橄岩-(含石榴) 单辉橄榄岩-(含石榴) 方辉橄榄岩-(含石榴) 二辉橄榄岩等(李天福等, 2003; 陈世忠等, 2005; 杨经绥等, 2005).
蛇纹石矿矿石类型可分为块状蛇纹岩、聚斑状镁铝榴石蛇纹岩、聚斑状绿泥石蛇纹岩、似片麻状蛇纹岩4种, 矿石含MgO36%以上, CaO小于1%, SiO2 < 40%, Al2O3 < 1%, 符合制钙镁磷肥和耐火材料的工业要求, 蛇纹石矿已作为炼钢熔剂和钙镁磷肥原料开采使用.
2.4 大理石矿
大理石矿呈夹层展布于各种片麻岩之中, 如东海县三铺、代相、罗庄一带片麻岩中夹3层白云石大理岩, 延长600 m, 总厚80 m; 东海县黑豆涧白云石大理岩延长约1 000 m, 厚约100 m; 赣榆县三清阁大理石呈似层状、透镜状, 有二层矿体, 延长分别为950 m和730 m.矿石自然类型主要为白云石大理岩, 含少量阳起石大理岩.白云石大理岩主要由方解石和白云石组成, 含少量透闪石、石英、滑石和透辉石.阳起石大理岩以方解石和白云石为主, 次为阳起石, 含少量透闪石和滑石.
大理石呈纯白、白、灰白、浅灰等色, 中粗粒变晶结构, 块状、条带状构造, 色泽美观, 品种优良, 岩石坚硬, 其抗压、抗拉、抗剪强度均较高, 有关指标满足大理石板材高级建筑装饰的工业要求.
2.5 蓝晶石矿
在超高压变质带, 蓝晶石矿多为矿点, 矿石类型为蓝晶石榴辉岩和蓝晶石石英(片) 岩, 前者以新扬昌和岚山头蓝晶石矿点为代表, 后者属表壳岩石, 矿点甚多, 如虎山矿点, 目前的资料未显示出较大规模成矿.
在高压变质带, 含矿地层为中元古代云台群蓝晶石石英岩和蓝晶石白云母片岩, 由韩山、弧山、石灯4处组成一矿带, 呈北东向展布, 长约10 km.韩山蓝晶石矿为一中型矿床, 矿体呈透镜状、薄层状产于云台群中部, 矿体走向40°~60°, 倾向南东, 倾角25°~40°, 长595~1 415 m, 平均厚2.17~9.16 m, 最大厚度23.08 m, 平均延深257~435 m, 最大延深650 m, 并有分叉复合现象.含矿岩系岩性为白云母片岩、白云石英片岩、蓝晶石石英岩和蓝晶石白云母片岩, 其中蓝晶石石英岩和蓝晶石白云母片岩构成矿体.矿石按照矿物成分可分为石英岩型蓝晶石矿、片岩型蓝晶石矿和叶腊石型蓝晶石矿, 以石英岩型蓝晶石矿为主, 片岩型蓝晶石矿次之.
2.6 磷矿
分布于连云港市境内, 为高压变质带中最重要的矿种之一.已圈定30余个磷矿体, 出露于锦屏、陶湾、新浦、顾庄等地.含磷地层为元古代锦屏岩群, 地表仅见于锦屏西山和东山.5个主要矿床简明情况见表 2, 矿床成因类型均为沉积变质型.
表 2 磷矿主要矿床简明特征Table Supplementary Table Geological characteristics of the phosphorous deposits in the high pressure belt
2.7 水晶矿
水晶矿位于东海县和新沂市境内, 其中东海的水晶矿早已闻名于世.已发现4个小矿床、10个矿化点.水晶矿主要产于石英脉中, 位于榴辉岩与片麻岩接触部位, 或位于榴辉岩、片麻岩和角闪岩的裂隙中, 大多为单式脉, 个别为分支脉和交叉脉, 埋藏不深, 出露于地表或距地表 1~2 m.水晶石英脉呈脉状、透镜状、串珠状, 走向10°~35°, 倾向北西或南东, 倾角50°~74°, 含水晶石英脉大小悬殊, 长1~80 m, 宽一般1~2 m, 最宽20 m, 延深约10 m, 最深达18 m, 含水晶脉石英呈乳白色、灰白色和无色, 以致密块状为主, 局部可见晶簇, 含水晶石英脉以不规则状和分岔明显者含晶性较好, 一般为单晶晶洞.水晶晶体以无色为主, 晶体一般较大, 在柘塘发现最大的水晶晶体长达1.8 m, 直径1.2 m, 重3.5 t.但质量较好的晶体往往很小, 一般100~150 g.原生水晶矿床成因类型为中温热液型.
3. 苏北超高压和高压变质带成矿系列
中国大陆科学钻探工程的实施掀开了新一轮超高压变质作用的研究热潮, 其关键科学问题“大陆板片如何俯冲下去?又如何折返上来?”的动力学机制一直没有解决(许志琴等, 2003).基于全岩化学成分和矿物含量, 榴辉岩可划分为5种类型, 即富硅的石英榴辉岩、富钛的金红石榴辉岩、富铝的多硅白云母和蓝晶石榴辉岩、富镁的双矿物榴辉岩和具有正常玄武岩成分的普通榴辉岩(张泽明等, 2004, 2005).其中的金红石榴辉岩和蓝晶石榴辉岩分别构成了金红石矿床和蓝晶石矿床的容矿岩石, 如毛北-蒋庄和小焦金红石矿、新扬昌蓝晶石矿点.上述各种类型榴辉岩的石榴石和绿辉岩中含柯石英或柯石英假象包体, 普遍认为榴辉岩峰期变质温度、压力条件是700~860 ℃和3.0~4.0 GPa.
长英质片麻岩构成了大面积分布的角闪岩相变质岩, 在长英质变质岩的锆石中发现了柯石英、绿辉石、石榴石和多硅白云母等超高压变质矿物包体, 因而榴辉岩的围岩长英质片麻岩也经历了超高压变质作用(Liu et al., 2001, 2002, 2004).
在超高压变质带的大理岩中已经找到石榴石、绿辉石和多硅白云母等超高压变质矿物组合, 在锆石中发现柯石英包体, 同时大理岩中含柯石英榴辉岩透镜体, 表明大理岩经历了超高压变质作用(张泽明等, 2005).这一认识得到白云石的分解反应的佐证(朱永峰, 2005).
在东海的蒋庄、芝麻坊、许沟、毛北和岗尚等地的地表和钻孔中都有超基性岩出现, 岩石类型复杂多样, 常见的岩石类型包括石榴橄榄岩、石榴二辉橄榄岩、纯橄岩和石榴辉石岩, 常遭受强烈的蛇纹石化, 形成蛇纹石矿床.超基性岩可分为A、B两种类型(Zhang et al., 2000; 张泽明等, 2002; Zhang et al., 2005) : A型为地幔楔状体中的石榴石橄榄岩构造侵位到俯冲带之中, 后与深俯冲的陆壳物质一起经历了超高压变质作用, 它们基本保留了地幔岩的化学成分特征; B型是侵入到地壳的基性-超基性层状侵入体, 它们与表壳岩一起经历了深俯冲和超高压变质作用.
苏鲁造山带超高压变质作用形成的时代一直是研究的主题之一.尽管超高压变质的峰期年龄还未最终确定, 但许多资料显示峰期年龄约220~250 Ma, 大范围角闪岩相退变质年龄约210 Ma (张泽明等, 2005).这样, 苏北地区超高压变质带中出露的各种岩石, 包括各种榴辉岩、超镁铁质岩、表壳岩于印支期发生了巨量物质超深俯冲, 形成了规模宏观的超高压变质带, 与此同时, 形成了与超高压变质作用有关的金刚石-金红石-蛇纹石-蓝晶石-大理石成矿系列.
在苏北高压变质带, 许志琴等(2003)将其细分为高压(0.7~0.85 GPa) 低温(300~360 ℃) 构造岩片和高压(1.5~2.0 GPa) 中温(500~600 ℃) 构造岩片, 海州式磷矿床和韩山蓝晶石矿位于高压中温构造岩片内. 于津海等(2001)将苏北高压变质带划分为蓝闪石-黑硬绿泥石带、石榴石-绿帘石带和蓝晶石-黄玉带3个变质亚带, 并认为高压变质作用形成于超高压变质作用之后, 与超高压变质体折返到一定阶段的退变质作用同时发生.产于东海和新沂一带的水晶矿主要位于榴辉岩与片麻岩接触部位, 或位于榴辉岩、片麻岩和角闪岩的裂隙中, 这一特征决定了水晶矿与板片折返有关的重结晶和退变质有关, 也被同位素年代学所证实(王登红等, 2003).这样在苏北高压-超高压变质带存在有与高压变质作用有关的磷-蓝晶石-水晶矿成矿系列.
4. 可能存在的燕山期金银多金属成矿系列
苏鲁超高压、高压变质带是秦岭-大别造山带在郯庐断裂以东的东延部分, 苏北高压变质带与大别南部红安-宿松-张八岭高压变质带可对比, 超高压变质带与南大别超高压变质带也能进行对比.在大别造山带, 燕山期存在一巨大的岩浆-流体-成矿系统, 形成一系列金、银多金属矿床, 矿床成因类型包括构造蚀变岩型、岩浆热液型等, 矿床的形成与燕山期强烈的拆沉、伸展、折返和隆升有关(杜建国等, 2001a, 2001b).
苏鲁造山带经历了后折返的伸展事件, 表现为燕山期花岗岩(约150~100 Ma) 的大量侵位和韧性伸展转换型剪切带的形成(许志琴等, 2003).理论上存在与大别山同样的构造-岩浆-热液成矿系统.在苏北超高压-高压变质带, 近年来发现一系列金、银多金属矿化点, 尽管未构成一定规模的工业矿体, 但仍显示出寻找金、银多金属矿床的良好前景.
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图 1 苏北地区地质构造略图(据潘明宝等, 2002, 略有修改)
1.超高压变质地体; 2.高压变质地体; 3.大理岩; 4.榴辉岩; 5.石榴绿帘石变质带; 6.蓝晶石黄玉变质带; 7.中新生代断陷盆地; 8.构造岩片界线; 9.断层; 10.中生代花岗岩; 11.中生代基性火山岩; 12.蓝闪黑硬绿泥石变质带; ∑.蛇纹岩或超基性岩; ●.大型金红石矿; ◇.蓝晶石矿; ᐁ.磷矿
Fig. 1. Sketch map showing geology and structure of northern Jiangsu Province
表 1 苏北地区大型榴辉岩型金红石矿的地质特征
Table 1. Geological characteristics of the large eclogite-hosted rutile deposits in northern Jiangsu Province
表 2 磷矿主要矿床简明特征
Table 2. Geological characteristics of the phosphorous deposits in the high pressure belt
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