Distribution of Skarn Minerals and Sn in the Epidote in Jinchuantang Mining Area, Hunan
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摘要: 金船塘矿区位于千里山花岗岩岩体西侧, 与东侧柿竹园矿区均是湖南柿竹园特大型W-Sn-Mo-Bi矿床目前正在开采的重要矿区.该矿区块状矽卡岩的矿物特点是: 石榴子石以钙铝石榴子石为主, 辉石存在透辉石-钙铁辉石连续系列, 长石以钙长石大量产出为特点, 硅灰石出现了不常见的锰铁硅灰石; 绿帘石中普遍含Sn, SnO2含量0.2%~2%.根据绿帘石中Sn元素的详细测定和计算, 查明Sn元素在绿帘石中含量与在矿物中位置具幂律函数关系, 计算的分形维为1.93, 从矿物微观的尺度确认Sn等成矿元素在运移和分布上具分形时-空结构, 从而证实自组织的临界状态是柿竹园特大型多金属矿床动力学的基本特点.Abstract: Jinchuantang is an important mining area in operation in the super large W-Sn-Mo-Bi deposit of Shizhuyuan, Hunan Province.The mineral characteristics of the massive skarn of the area are: the garnet is mainly of anorthite; the pyroxene exists as continuous series of dipside-salite-ferrosolite-hedenbergite; the feldspar is mainly of anorthite; the wollastonite is found as a type of a rare mineral- (Mn, Fe) -wollastonite; the sphene is widely-spread as a skarn mineral, and its content of aluminum oxide is relatively high (maximum content being 8.32%wt), and the Sn content of some sphene minerals is also relatively high; Sn is also widely spread in the mineral epidote, and the content of SnO2 is 0.2%-2%.According to the distribution and the content of SnO2 in the mineral epidote, it is found that, the content has the power function with its location, and the calculated fractional-dimension from the distribution of tin oxide is 1.93.From the mineral micro-scale, the transportation and distribution of ore element tin possess the fractional dimension time-location structure, and it is confirmed that the self-constructing critical situation is the basic dynamical characteristic of the super large multi-metal deposit of Shizhuyuan.
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金船塘矿区位于千里山花岗岩岩体西侧, 与东侧柿竹园矿区遥呼对应, 均是湖南柿竹园特大型W-Sn-Mo-Bi矿床目前正在开采的重要矿区. 王昌烈等(1987)、王书凤和张绮玲(1988)、毛景文(1997)、毛景文等(1998)对柿竹园矿区的矽卡岩、矿床地质、地球化学已经做过详细的研究, 而对金船塘矿区矿床地质, 特别是矽卡岩的研究较少.
本文在野外工作的基础上, 通过详细的显微镜观察, 特别是通过系统的电子探针成分分析和若干单矿物的X射线分析, 对金船塘高钙矽卡岩矿物做了详细的研究工作, 并探讨了成矿元素Sn在矽卡岩矿物绿帘石中的分布特征, 从矿物微观的尺度确认Sn等成矿元素在运移和分布上具分形时-空结构, 从而进一步证实自组织的临界状态是柿竹园特大型多金属矿床动力学的基本特点.
1. 地质概况
柿竹园W-Sn-Mo-Bi多金属矿床位于中国湖南郴州市东南, 为一个超大型多金属矿床(图 1).近年来, 在柿竹园矿床外围又发现了一批规模可观的Pb、Zn、Ag矿床.该特大型矿床由3个阶段不同成矿作用叠加而成, 它们分别与本矿区千里山花岗岩3个成矿阶段有着成因联系.第一矿化阶段包括含矿钙质矽卡岩和含矿退化蚀变岩; 第二矿化阶段为云英岩矿化, 在空间上叠加于块状矽卡岩及外部大理岩之上, 这2个阶段的矿化均以W-Sn-Mo-Bi为主; 第三阶段为与锰质矽卡岩相伴生的Pb-Zn-Ag矿化.在柿竹园矿区, 矿化蚀变作用持续了几十个百万年.第一期似斑状黑云母花岗岩(Rb-Sr等时线年龄152±9 Ma) 侵入, 导致了大面积的块状矽卡岩及随之而出现的退化蚀变作用; 第二期等粒黑云母花岗岩(Rb-Sr等时线年龄137±7 Ma) 的侵入产生了云英岩、脉状矽卡岩和一些锰质矽卡岩小脉; 第三期花岗斑岩(Rb-Sr等时线年龄131±1 Ma) 的侵入形成了锰质矽卡岩(王昌烈等, 1987; 毛景文等, 1998).
图 1 千里山花岗岩及周围地质体略图(毛景文等, 1998)1.第四系; 2.上泥盆统锡矿山组白云质灰岩; 3.上泥盆统余田桥组灰岩和泥灰岩; 4.中泥盆统棋梓桥组白云质灰岩; 5.中泥盆统马涧组砂岩; 6.前寒武震旦系变质砂岩; 7.似斑状黑云母花岗岩; 8.等粒黑云母花岗岩; 9.花岗斑岩; 10.辉绿岩; 11.Sn-Cu矿化似斑状黑云母花岗岩; 12.块状云英岩; 13.块状矽卡岩; 14.地质界线; 15.断裂; 16.采样位置Fig. 1. Schematic geological map of the Qianlishan grantite stock2. 金船塘矿区主要矽卡岩矿物的特征
2.1 石榴子石
石榴子石产出于块状透辉石石榴子石矽卡岩, 岩石后期受云英岩化, 同时W-Sn-Mo-Bi矿化强烈.石榴子石大部分半自形-自形, 有明显的光性异常, 结晶比较粗大, 一般在1~2 mm, 最大达5 mm以上.石榴子石在光学显微镜下有光性异常(图 2A), 电子探针背散射成分像显示不太明显的成分环带.27个石榴子石矿物颗粒的电子探针分析结果见表 1, 表中Fe2O3的含量由FeO换算而成.
图 2 矿物的显微镜图片A.照相倍数100×正交偏光.1.石榴子石, 自形-半自形粒状, 具光性异常, 显光性环带, 被萤石、绿帘石等矿物交代; 2.次透辉石, 半自形粒状, 被萤石、绿帘石等矿物交代(成分见表 2中7号); 3.铁锰硅灰石, 他形-半自形短柱状, 颗粒比较细小(成分见表 3中13号); 4.绿帘石, 不规则粒状, 颗粒细小, 以干涉色鲜艳多色为特征, 后期蚀变矿物; 5.萤石.B.照相倍数400×单偏光.1.次透辉石, 半自形柱状, 有的颗粒断面上见两组解理, 与石榴子石交生, 含金属矿物包体(成分见表 2中7、8号); 2.石榴子石, 半自形粒状, 被萤石等矿物交代; 3.萤石; 4.辉铋矿.C.照相倍数400×单偏光.1.钙铁辉石, 新鲜者浅棕色, 铁质污染成棕褐色, 交代残余状(成分见表 2中13号); 2.次透辉石, 半自形粒状, 颗粒相对于钙铁辉石要大, (成分见表 2中6号); 3.石榴子石.4.绿帘石, 黄绿色, 交代钙铁辉石和次透辉石等矿物.D.照相倍数510×单偏光.1.钙长石, 半自形-自形粒状, 颗粒大小0.05~0.3 mm (成分见表 3中3号); 2.萤石, 无色, 局部显浅紫色, 不规则粒状, 分布在钙长石间.E.照相倍数400×正交偏光.硅灰石, 针柱状集合体, 成分比较纯(见表 3中6、7号).F.照相倍数400×单偏光.1.铁锰硅灰石, 长柱状, 含有较多的金属矿物包体(成分见表 3中15号); 2.萤石, 无色透明; 3.辉铋矿Fig. 2. Micrograph of minerals表 1 金船塘矿区石榴子石电子探针成分分析结果(%)Table Supplementary Table Electron microprobe analyses of garnet from Jinchuantang mining area
石榴子石为含铁钙铝石榴子石, 计算的矿物分子式为: (Ca2.8~2.9Mn0.05~0.1Fe0~0.12+) (Al1.3~1.5Fe0.5~0.73+) (SiO4) 3, 钙铁榴石分子(Ad) 为25%~35%, 钙铝榴石分子(Gr) 为65%~75%;而在柿竹园矿区, 矽卡岩中的石榴子石为含铝钙铁石榴子石(王书凤和张绮玲, 1988), 其钙铁榴石分子(Ad) 为52.5%~75%, 钙铝榴石分子(Gr) 为25%~47.5%; 毛景文等(1998)分析了柿竹园矽卡岩不同部位62个石榴子石, 钙铁榴石(And) 分子变化范围14%~73%, 钙铝榴石分子15%~76%, 属钙铁榴石-钙铝榴石过渡类型, 虽然两者得到的石榴子石种属有一定的差别, 但相比较, 金船塘矽卡岩中27个石榴子石颗粒成分变化小, 属钙铝石榴子石, 说明2个矿区的石榴子石在种属上存在着差异.
2.2 辉石
该矿区的辉石属透辉石-钙铁辉石系列辉石(表 2), 其中以透辉石-次透辉石为主(图 2B), 见残余状的钙铁辉石(图 2C).根据6件样品12个矿物颗粒的分析结果, 透辉石的4个亚种均存在:
表 2 金船塘矿区辉石的电子探针分析结果Table Supplementary Table Electron microprobe analyses of pyroxene from Jinchuantang mining area
透辉石(表 2, No.1~5) 计算的矿物分子式: Ca (Mg0.90~0.84Fe0.14~0.09Mn0.01~0.02Al0.01) Si2O6;
次透辉石(表 2, No.6~10) 计算的矿物分子式: Ca (Mg0.68~0.51Fe0.26~0.36Mn0.06~0.10Al0~0.04) Si2O6;
铁次透辉石(表 2, No.11~12) 计算的矿物分子式: Ca (Fe0.45~0.58Mn0.12~0.14Mg0.42~0.25Al0~0.05) Si2O6;
钙铁辉石(表 2, No.13) 计算的矿物分子式: Ca (Fe0.70Mg0.23Mn0.06Al0.01) Si2O6.
而在柿竹园矿区, 辉石中Fe的含量总体较高, 主要以铁次透辉石和钙铁辉石出现(毛景文等, 1998). 毛景文等(1998)、陆琦和刘惠芳(2001)研究过柿竹园矿区石榴子石在空间的分布特点, 指出随着矽卡岩离岩体距离的增加及蚀变时间的延续, 从钙铁石榴石向钙铝石榴石变化, 说明形成矽卡岩早期, 岩浆热液中含Fe元素较高.类比石榴子石成分上的变化, 从辉石成分上的特点, 可认为金船塘矿区主成矿蚀变期较柿竹园矿区主成矿期稍晚, 但成矿持续的时间要长.
2.3 长石
与石榴子石、透辉石一样, 长石也是金船塘矿区矽卡岩主要矿物, 其种属以钙长石为主, 其次为倍长石, 常呈自形-半自形板状、短柱状晶体产出(图 2D), 手标本和薄片中估算长石含量在10%~20%不等.长石的成分见表 3 (No.1~5).An分子含量自98%~73%.高钙长石的大量出现, 指示了金船塘矿区交代围岩形成矽卡岩的成矿热液富硅和铝, 而贫钾、钠.
表 3 长石、硅灰石、榍石的电子探针分析结果Table Supplementary Table Electron microprobe analyses of feldspar, wollastanite, sphene
2.4 硅灰石
在柿竹园矿区矽卡岩中的硅灰石成分比较单一(表 3, No.11), 为矽卡岩早期形成的矿物.在金船塘矿区硅灰石呈针状-纤维状, 常以放射状集合体产出, 按颜色可把硅灰石分为2种: 一种为无色, 集合体呈白色(成分见表 3, No.6~10, 图 2E); 另一种显浅绿灰色, 集合体为绿灰色(成分见表 3, No.12~16, 图 2F), 根据其成分应定名为铁锰硅灰石.2种硅灰石的X射线粉晶衍射见图 3, 衍射数据列于表 4, 二者有一定的区别.
表 4 两种硅灰石的衍射数据Table Supplementary Table XRD data of two wollastanites
计算的晶胞参数分别为: (白色) 硅灰石a=0.794 3 nm, b=0.735 4, c=0.708 6, α=90.02°, β=95.33°, γ=103.50, V=0.400 6 nm3, 铁锰硅灰石(Ca, Mn, Fe) SiO3, a=7.869, b=7.254, c=7.004, α=89.77°, β=95.48°, γ=103.45°, V=0.387 0 nm3.由于锰铁硅灰石中有Mn, Fe替代Ca, 因此相对来讲其晶胞参数和晶胞体积有所减小.
从野外和室内显微镜薄片观察, 铁锰硅灰石呈脉状穿切并交代白色硅灰石, 因此铁锰硅灰石形成时间较晚.天然产出的铁硅灰石, 特别是高锰的硅灰石, 很少见报道(王濮等, 1984).柿竹园多金属特大型矿床的成矿晚期(在空间上远离千里山花岗岩) 有锰质矽卡岩的广泛分布(毛景文, 1997), 因此金船塘矿区出现锰铁质硅灰石, 与该矿区透辉石上述的成分特点一样, 证实该矿区矿化蚀变时间要比柿竹园矿区更长, 一直延续到锰质矽卡岩时期.
综上所述, 金船塘矿区的主要矽卡岩矿物与柿竹园矿区的矽卡岩矿物存在一定的差异, 简单列于表 5.
表 5 金船塘矿区与柿竹园矿区主要矽卡岩矿物对比Table Supplementary Table Correlated essential skarn mineral at Jinchuantang mining aera with Shizhuyuan mining area
3. 绿帘石中Sn含量的分布特征
绿帘石亦是金船塘矿区块状矽卡岩中常见的矽卡岩矿物, 一般较石榴石、符山石等产出时间晚.绿帘石中普遍含Sn元素, 含量自0.2%~2%不等, 对绿帘石(颗粒大小约为300 μm×220 μm) 测试分析了39个点, 分析点的位置及SnO2成分分布见图 4和表 6.该矿物的元素含量范围及平均含量归纳如下: SiO2=37.17%~38.95%, 38.06%;TiO2=0%~0.21%, 0.10%;Al2O3=20.33%~24.43%, 21.76%;TFeO=10.82%~14.22%, 12.92%;CaO=21.35%~23.58%, 22.76%;SnO2=0.23%~1.89%, 0.61%.从表 6可以看到该绿帘石普遍含SnO2, 最高超过1%, 平均达0.61%.
图 4 一粒由三连晶围绕的绿帘石(a)和绿帘石中SnO2含量(×102)面分布等值线(b)a 中红线所圈表示分析区范围, 晶体中暗色为裂隙﹐充填有透闪石; b 中带圈的数字为表 6中成分分析的点号Fig. 4. Epidote rounded by threeling analysis range showed with red line (a); isopleth of SnO2 mass fraction at epidote (b)表 6 绿帘石电子探针成分分析结果(%)Table Supplementary Table Electron microprobe analyses of epidote
Sn元素的分布特征.用以下步骤计算获得(Kaye, 1994) : (1) 根据SnO2的含量, 画出SnO2在该绿帘石中的等值线分布图(图 4b). (2) 在绿帘石中心取边长(L) 为25 μm的正方形A和B (图 4b).分别以这2个正方形为中心, 分别取25, 75, 125, 175μm即L比值为1∶3∶5∶7) 的正方形, 以数格子的方法, 统计获得含量参数fa、fb.fa (b) =∑αiS其中α为SnO2面分布等值线值, S为某一等值线范围内的面积, i分别为1.2%, 1.0%, 0.8%, 0.6%及0.4%. (3) 列表计算出lnL和lnfa、lnfb (表 7). (4) 求lnL-lnfa、lnL-lnfb幂函数的斜率, 即求得分形为Da和Db (表 7).从图 5b, 5c可看出lnL-lnfa、lnL-lnfb幂函数为线性关系.
图 5 (a) L-fa函数图; (b) lnL-lnfa函数图; (c) lnL-lnfb函数Fig. 5. Relations of L vs. fa, lnL vs. lnfa and lnL vs. lnfb表 7 绿帘石的分形维参数Table Supplementary Table Parameters of fraction-dimension at epidote
4. 结语
(1) 金船塘矿区块状矽卡岩是硅灰石-透辉石-石榴子石矽卡岩, 后期遭受了退化蚀变作用, 但该区块状矽卡岩矿物与柿竹园的不同, 它具有以下特点: ①石榴子石以钙铝石榴子石为主, 低铁; ②辉石出现钙铁辉石-铁次透辉石-次透辉石-透辉石共存的情况, 以次透辉石-透辉石为主; ③出现了较多的钙长石、倍长石; (4) 该区除有成分单一的硅灰石存在外, 出现了较多锰铁硅灰石.
(2) 金船塘矿区地质体不但经历了早期矽卡岩化、中期云英岩化的矿化蚀变作用, 而且还受晚期锰质矽卡岩矿化作用, 所以认为金船塘矿区的矿化时间较柿竹园矿区要长.
(3) 本次工作表明, 金船塘矿区绿帘石普遍含Sn, SnO2含量在0.2%~2.0%, 绿帘石形成时间较石榴子石晚, 这指示了金船塘矿区Sn的成矿期较柿竹园矿区要晚一些.
(4) 根据对一颗完整的绿帘石晶体中Sn元素的详细测定工作和计算, 得到了Sn元素在绿帘石中的分布特点具幂律分布规律, 即具分形结构, 分形维为1.94.陆琦和刘惠芳(2001)报道了柿竹园矿区石榴子石中Sn元素分布的分形结构, 分形维为1.74, 两者基本相同.这更进一步证明了柿竹园特大型多金属矿床成矿元素Sn的运移和分布具有分形时-空结构特征.
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图 1 千里山花岗岩及周围地质体略图(毛景文等, 1998)
1.第四系; 2.上泥盆统锡矿山组白云质灰岩; 3.上泥盆统余田桥组灰岩和泥灰岩; 4.中泥盆统棋梓桥组白云质灰岩; 5.中泥盆统马涧组砂岩; 6.前寒武震旦系变质砂岩; 7.似斑状黑云母花岗岩; 8.等粒黑云母花岗岩; 9.花岗斑岩; 10.辉绿岩; 11.Sn-Cu矿化似斑状黑云母花岗岩; 12.块状云英岩; 13.块状矽卡岩; 14.地质界线; 15.断裂; 16.采样位置
Fig. 1. Schematic geological map of the Qianlishan grantite stock
图 2 矿物的显微镜图片
A.照相倍数100×正交偏光.1.石榴子石, 自形-半自形粒状, 具光性异常, 显光性环带, 被萤石、绿帘石等矿物交代; 2.次透辉石, 半自形粒状, 被萤石、绿帘石等矿物交代(成分见表 2中7号); 3.铁锰硅灰石, 他形-半自形短柱状, 颗粒比较细小(成分见表 3中13号); 4.绿帘石, 不规则粒状, 颗粒细小, 以干涉色鲜艳多色为特征, 后期蚀变矿物; 5.萤石.B.照相倍数400×单偏光.1.次透辉石, 半自形柱状, 有的颗粒断面上见两组解理, 与石榴子石交生, 含金属矿物包体(成分见表 2中7、8号); 2.石榴子石, 半自形粒状, 被萤石等矿物交代; 3.萤石; 4.辉铋矿.C.照相倍数400×单偏光.1.钙铁辉石, 新鲜者浅棕色, 铁质污染成棕褐色, 交代残余状(成分见表 2中13号); 2.次透辉石, 半自形粒状, 颗粒相对于钙铁辉石要大, (成分见表 2中6号); 3.石榴子石.4.绿帘石, 黄绿色, 交代钙铁辉石和次透辉石等矿物.D.照相倍数510×单偏光.1.钙长石, 半自形-自形粒状, 颗粒大小0.05~0.3 mm (成分见表 3中3号); 2.萤石, 无色, 局部显浅紫色, 不规则粒状, 分布在钙长石间.E.照相倍数400×正交偏光.硅灰石, 针柱状集合体, 成分比较纯(见表 3中6、7号).F.照相倍数400×单偏光.1.铁锰硅灰石, 长柱状, 含有较多的金属矿物包体(成分见表 3中15号); 2.萤石, 无色透明; 3.辉铋矿
Fig. 2. Micrograph of minerals
图 4 一粒由三连晶围绕的绿帘石(a)和绿帘石中SnO2含量(×102)面分布等值线(b)
a 中红线所圈表示分析区范围, 晶体中暗色为裂隙﹐充填有透闪石; b 中带圈的数字为表 6中成分分析的点号
Fig. 4. Epidote rounded by threeling analysis range showed with red line (a); isopleth of SnO2 mass fraction at epidote (b)
图 5 (a) L-fa函数图; (b) lnL-lnfa函数图; (c) lnL-lnfb函数
Fig. 5. Relations of L vs. fa, lnL vs. lnfa and lnL vs. lnfb
表 1 金船塘矿区石榴子石电子探针成分分析结果(%)
Table 1. Electron microprobe analyses of garnet from Jinchuantang mining area
表 2 金船塘矿区辉石的电子探针分析结果
Table 2. Electron microprobe analyses of pyroxene from Jinchuantang mining area
表 3 长石、硅灰石、榍石的电子探针分析结果
Table 3. Electron microprobe analyses of feldspar, wollastanite, sphene
表 4 两种硅灰石的衍射数据
Table 4. XRD data of two wollastanites
表 5 金船塘矿区与柿竹园矿区主要矽卡岩矿物对比
Table 5. Correlated essential skarn mineral at Jinchuantang mining aera with Shizhuyuan mining area
表 6 绿帘石电子探针成分分析结果(%)
Table 6. Electron microprobe analyses of epidote
表 7 绿帘石的分形维参数
Table 7. Parameters of fraction-dimension at epidote
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