1、中基性侵入岩中-大比例尺专题地质填图实践以河北武安铁矿集区填图试点为例 苏尚国 简东川 谢玉淳 罗照华 蒋俊毅 刘璐璐 霍延安 崔晓亮 张波 顾大鹏 王玉 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院 摘 要： 侵入岩类的填图方法伴随侵入岩成因分类、填图实践及研究技术手段发展而不断更新和完善。近 20 年来, 由于新技术及新方法的应用, 侵入岩的研究取得了长足的进步。研究表明, 一个岩浆系统可能具有多个岩浆源区, 单一岩浆房和全岩浆同时结晶模式在自然界几乎不能存在。因此, 基于同源岩浆演化理论的“单元-超单元”填图方法似乎应该得到修正和完善。以河北武安铁矿集区填图试点为依托, 总结出一套针对中性-基
2、性侵入岩的填图方法“岩浆系统-子系统”填图方法。运用该填图方法, 在武安地区识别出 6 个岩浆成矿系统, 在详细研究的基础上, 对每个系统进行了若干子系统的进一步划分。在此基础上, 厘清了每个系统的侵入岩组装过程及成岩成矿过程。关键词： 中基性侵入岩; 岩浆系统; 岩浆子系统; 专题地质填图; 河北武安; 作者简介：苏尚国 (1965-) , 男, 教授, 博士生导师, 矿物学、岩石学、矿床学专业, 从事岩浆作用与岩浆矿床研究。E-mail:收稿日期：2017-05-20基金：中国地质调查局项目重要成矿域岩浆岩 15 万及同位素填图试点与示范 (编号:12120115069701) The p
3、ractice of thematic geological mapping in medium-large scale for intermediate-basic intrusive rocks: A case study of the Wuan iron ore concentration area, Hebei ProvinceSU Shangguo JIAN Dongchuan XIE Yuchun LUO Zhaohua JIANG Junyi LIU Lulu HUO Yanan CUI Xiaoliang ZHANG Bo GU Dapeng WANG Yu School of
4、 Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing) ; Abstract： Mapping methods of igneous rocks have been upgraded and improved with the classification of igneous rocks, mapping practice and the development of the technology. The research on magmatic rocks has made a great prog
5、ress in the past 20 years with the application of new technologies and new methods. The new research shows that there is multiple magmatic sources in a magmatic system; there isnt magmatic chamber and crystallization in a whole magmatic chamber in the natural magmatic system. The “unit-superunit“ ma
6、pping method based on the theory of homogeneous magma evolution should be corrected and upgraded. Therefore, it is important to explore a set of mapping methods that are compatible with the understanding of the magmatic system. In this study, a mapping method for neutral basement intrusive rocks mag
7、matic “system-subsystem“ mapping method is summarized as an example. Using this method, the authors identified six magmatic systems in the Wuan area. Subsystems were divided for each magmatic system based on the characteristics of magma resource and metallogeny after the detailed research. The autho
8、rs have clarified the processes of intrusive rock assembly and metallogeny in each system.Keyword： intermediate-basic intrusive rocks; magma system; magma subsystem; thematic geological mapping; Wuan, Hebei Province; Received： 2017-05-20侵入岩类是岩石圈的重要组成部分, 是指示深部壳幔物质组成、演化、相互作用等信息的“岩石探针”, 也是研究地球动力学的主要窗口。
9、地质填图因矿业需求而产生、因社会需求而发展、因技术发展而变革, 是一项不断发展革新的国家基础地质工作。近年来, 侵入岩的研究取得了许多新的进展。本文在中国地质调查局“重要成矿域 15 万侵入岩填图试点”项目资助下, 对河北武安矿集区中基性侵入岩填图进行初步研究。1 火成岩研究新进展20 世纪 90 年代初以来, 岩浆成矿系统的物理过程研究取得了重大进展。有关岩浆成矿系统性质的认识发生了显著变化。 (1) 岩浆的基本定义被发现有缺陷, 需从多个角度重新厘定1-3; (2) 对岩浆成矿系统构成的认识也发生了明显改变, 一个岩浆成矿系统可以没有岩浆房, 也可以具有多个岩浆房4; (3) 岩浆起源模式
10、被重新认识, 注水熔融 (water-fluxed melting) 被赋予了重大意义5; (4) 火成岩体可以是单批次岩浆输入的结果, 更普遍的认为是多批次岩浆反复输入形成的6; (5) 火成岩可以是单矿物岩, 也可以由多种晶体群组成7-8; (6) 岩浆相关矿床主要在岩浆演化晚期, 由含矿熔体-流体在岩浆通道定位而成9; (7) 能够反映构造环境的不是单个的火成岩, 而是火成岩构造组合10。20 世纪末21 世纪初以来, 有关岩浆成矿系统的许多概念发生了重大的变化。特别是, 岩浆不再简单地被理解为熔体, 而是一种至少由熔体、固体、流体 3种物质组成的复杂性动力系统11。作用于岩浆成矿系统的
11、广义外力有时导致岩浆成矿系统行为的非线性变化 (事件) , 有时则表现为线性变化 (过程) , 后者是传统火成岩理论的主要研究内容12。在岩浆作用与成矿作用方面, 近年来越来越多的学者强调岩浆成矿系统中有外来流体的输入。罗照华等13-14援引了透岩浆流体的概念, 不仅强调含矿流体的外来属性 (exogenous) , 而且强调输入的含矿流体导致了岩浆成矿系统行为的非线性 (non-linear) 变化。苏尚国等9,15-16提出了“岩浆通道成矿系统”模型, 认为“矿浆”可能是一种“含矿熔体-流体”。2 侵入岩类地质填图方法现状及存在的主要科学问题侵入岩类的填图方法是伴随花岗岩类成因分类、填图实
12、践及研究技术手段而不断更新和完善的3,17-19。中国的区域地质调查工作始于 20 世纪 50 年代晚期, 在 60 年代以前, 对于火成岩的研究基本停留在单一的岩性分类和描述。6070年代, 中国 120 万区域地质填图, 基本上查明了不同时代和不同成因花岗岩类的空间分布情况。然而, 此时的填图工作强调岩浆活动时间顺序及其与围岩的接触关系, 将每一个深成体看作一次岩浆上侵就位的简单岩体。填图过程中, 有时只依据深成岩成分、结构、颜色等的变化划归不同的岩相带 (边缘相、过渡相、内部相) , 缺乏不同岩类之间接触关系的研究, 以致将一次岩浆事件多次涌动上侵形成的多期复式岩体, 认为是一次侵入活动
13、形成的简单深成体。80年代后, 国际上流行花岗岩类的 I 型和 S 型分类体系, 随之产生新的花岗岩类填图方法。如美国科学家在内华达山脉岩基中, 首次按照花岗岩类等级体制的概念划分了侵入序列20。中国借鉴国外花岗岩类岩石谱系填图方法, 推广了I 型花岗岩类成分演化序列填图方法, 并颁布了填图方法指南21, 大大提高了花岗岩类区区域地质调查的工作程度和研究水平。然而, 随着该填图方法的推广和开展, 又暴露出诸多问题: (1) 同源岩浆演化的理论尚不完善; (2) 忽视了岩浆成矿系统的复杂性; (3) S 型花岗岩单元的划分标志需要进一步研究; (4) 同源岩浆演化理论在实际应用中存在扩大化现象2
14、2。一个岩浆成矿系统必然产生一系列成因相关的火成岩, 而不是一种火成岩。火成岩组合的时空展布样式不仅反映了其形成的构造背景, 也反映了主控构造应力场的基本特征。由于外部能量作用于整个源区而不是特定的结构层, 一个岩浆成矿系统可能具有多个熔体供给区域;由于岩石圈结构的纵向不均一性, 岩浆可能侵位于多个深度层位 (图 1-a) 。因此, 自然岩浆成矿系统很可能具有如图 1 所示的形式, 而不是传统理论假定的单一岩浆房和全岩浆同时结晶模式。可见, 火成岩组合必然是多种多样的。此外, 近场应力场与远场应力场产生的岩浆侵位空间明显不同, 这将导致火成岩组合的空间展布样式有所差异。例如, 近场应力场控制的
15、火成岩组合往往呈斑块状分布, 而远场应力场控制的火成岩组合则呈线状分布。即使同为线状展布的火成岩组合, 其岩石组合特征也与应力场特征息息相关。图 1 岩浆系统模型 Fig.1 The model of magma system 下载原图a跨地壳多重岩浆房系统 (据参考文献5修改) ;b安山质-英安质火成岩组合 (据参考文献12修改) 总之, 花岗岩谱系填图方法曾经得到广泛的应用, 为深入理解深成侵入体的组装过程及其地球动力学意义发挥了重要作用。但是, 由于该理论解释过分依赖于同源岩浆演化理论, 这种填图法也受到诟病。随着中国地质工作程度的提高, 面积地质填图逐渐向专题地质填图转变。专题地质填图
16、是问题和需求驱动的地质填图, 是对已有地质填图的补充和提高, 是实现地质调查和科学研究一体化的有效方式23。因此, 问题驱动的地质调查成为新一轮地质填图的主要任务。火成岩分布区地质矿产填图的主要任务是解决岩浆成矿系统与相关地质系统的相互关系, 从而为研究区域地球动力学演化及其成矿潜力评价提供火成岩约束。火成岩理论的最新研究进展表明, 谱系填图法在基本层面上仍值得赞赏, 但不能完全满足现代地质工作的需求。为此, 本次填图工作尝试采用系统 (序列) -子系统 (亚序列) 的填图方法。3 岩浆成矿系统-子系统填图方法3.1 岩浆成矿系统-子系统定义岩浆成矿系统是在相同的动力学系统下, 由单一或一系列
17、地质事件形成的一整套岩浆岩组合及其相关产物。岩浆成矿系统由地理名称命名或以该岩浆成矿系统中最具代表性的地质事件名称命名。岩浆子系统是在相同的次一级动力学系统下, 同一地质事件形成的一套岩浆岩组合及其相关产物。岩浆子系统包括幔源岩浆产物、壳源岩浆产物、混合源产物等, 也包括岩浆与围岩相互活动作用的产物。岩浆子系统由独立的侵入体和相关变质岩组成。岩浆子系统一般以岩浆源区及壳幔相互作用特征命名。侵入体指具有一定规模的火成岩, 主要以岩性成分及结构的差异与其相邻侵入体或地质体区分。在地质填图中为可填绘的实体, 是岩浆岩填图的最小单位。3.2 岩浆成矿系统-子系统填图步骤3.2.1 划分侵入体岩浆成矿系
18、统-子系统填图工作的第一步工作, 就是要识别不同类型的侵入体。划分侵入体时需要考虑以下几个因素。(1) 岩石类型一般来讲, 单一侵入体的岩石类型及结构相对固定, 没有明显的变化, 暗示该岩体为同一批次或时间间隔很短的相邻批次岩浆侵位形成。(2) 岩石矿物成分不同侵入体单元岩石矿物组成应具有较大的差别。如武安地区侵入岩以二长岩为主, 呈似斑状结构, 根据这些二长岩中斑晶矿物成分的不同, 可分别命名为斑状角闪二长岩、斑状斜长二长岩、斑状斜长角闪二长岩等。(3) 岩石结构构造武安地区中性侵入岩多为闪长岩、二长岩、正长岩, 岩性成分变化不大, 但岩石结构变化较大。结构类型有斑状结构、似斑状结构、中粒半
19、自形粒状结构、细粒半自形粒状结构等。(4) 方向比 (高度/长度) 方向比也是岩浆侵入体的一个重要参数, 不仅可以反映岩浆的侵位机制, 也反映了岩浆的物理性质, 还反映了侵位空间的构造性质。反之, 方向比又影响一系列岩浆过程, 如在相同岩浆体积的条件下, 大方向比的岩浆体更容易实现岩浆对流、岩浆混合和分离结晶作用。正因为如此, 镁铁质-超镁铁质层状侵入体的形成机制重新成为关注的焦点。(5) 边界形态复杂性系数边界形态复杂性系数也是一个重要参数24, 不仅可以反映岩浆的物理性质 (粘度) , 也可以反映岩浆侵位深度和围岩的力学性质。对于富含流体的岩浆和具有较复杂构造裂隙的侵位环境 (地壳浅部)
20、, 岩浆侵入体将具有复杂的边界形态和内部结构。由于岩浆的粘度强烈依赖于温度和流体含量, 而流体含量又与火成岩体的成矿潜力密切相关, 因此形态复杂性系数既是评价岩浆上升速率的重要参数, 也是评价火成岩体成矿潜力的重要参数。3.2.2 追索和确定侵入体的界线及与相邻岩体的接触关系在野外追索岩体并划分侵入体的过程中, 如果遇到 2 种或 2 种以上不同岩性的岩体存在, 此时要求填图工作者追索和确定侵入体的形态, 并进行详细的观察记录, 做好资料收集和样品采集工作。通过野外宏观观察, 必要时配合室内微观研究, 确定侵入体的类型及其侵位的先后次序。3.2.3 针对特殊地质体进行大比例尺填图在填图过程中,
21、 如果遇到特殊地质体, 需要作详细研究, 可以针对某一特定区域进行大比例尺填图, 而不再拘泥于某一特定的比例尺和图幅。要将填图工作作为科学研究和生产的一种途径, 使之更好地为科研生产服务。4 河北武安铁矿集区中大比例尺填图实践4.1 武安市区域地质概况武安市基性-中性杂岩体位于华北克拉通中部, 东邻太行山断裂带, 东距邯郸市约 40km。基岩出露良好, 侵入岩体构造和岩性复杂, 是邯邢式铁矿的主产区, 前人已完成 120 万地质图和 15 万地质图, 是开展侵入岩地质试点填图的理想地区。邯邢地区中生代侵入岩主要受北东向、北北东向构造控制, 空间分布上从西向东分别为北东向的 3 个岩带:西部岩带
22、以符山岩体为主体, 向南延伸至涉县附近尚有零星露头;中部岩带为綦村、矿山、武安、磁山、固镇岩体, 钻探证明它们在地下断续相连;东部岩带主要以洪山岩体为代表, 新城、白沙岩体亦属此带的组成部分 (图 2) 。4.2 武安地区岩浆成矿系统-子系统填图成果根据岩浆成矿系统-子系统填图方法, 项目组对河北武安地区基性-中性杂岩进行了大中比例尺填图工作, 在武安地区识别出 6 个岩浆-成矿系统, 分别是符山岩浆-成矿系统、坦岭岩浆-成矿系统、西石门岩浆-成矿系统、固镇岩浆-成矿系统、白沙岩浆-成矿系统和胡峪岩浆-成矿系统 (图 2) 。6 个岩浆成矿系统中侵入岩整体与上覆围岩形成穹窿构造。由于剥蚀程度的
23、差异, 6 个岩浆子系统的侵入岩组合、围岩变质特征及成矿特征均有差异。各个岩浆成矿系统的主要特征对比见表 1。图 2 武安地区侵入岩及岩浆成矿系统分布 Fig.2 Distributionmap of intrusive rocks and magmatic-metallogenic system in Wuan area 下载原图(1) 符山岩浆成矿系统该岩浆成矿系统出露的岩体呈现多中心、多期次涌动、脉动侵入, 侵入体多为南北向展布。该系统内铁矿床分布密集, 主要分布在岩体的南东部, 如符山铁矿, 矿体周围岩体矽卡岩化显著。该岩浆成矿系统岩性以辉长岩、闪长岩、角闪闪长岩、二长闪长岩为主。根据
24、岩浆岩源区特征、与成矿作用的关系等, 可进一步划分为 4 类子系统: (1) 幔源岩浆子系统; (2) 壳源岩浆子系统; (3) 岩浆混合作用子系统; (4) 成矿作用子系统。各子系统的主要岩石组成:幔源岩浆子系统有辉长岩;壳源岩浆子系统有正长岩, 主要呈细脉产出, 多为 110cm, 此外还有闪长岩、黑云母闪长岩、角闪闪长岩斑状角闪闪长岩;岩浆混合作用子系统有二长岩、二长闪长岩、斑状角闪二长闪长岩;成矿作用子系统有矽卡岩、钠长岩、隐爆角砾岩。在近矿岩体中常发育长英质、闪长质脉体, 伴随有大量气孔和晶洞, 晶洞中充满石榴子石、绿帘石、透闪石等矽卡岩矿物, 磁铁矿石中也有大量气孔。这说明, 成矿
25、岩浆携带有大量气体, 一定程度上反映了“熔体-流体流”的存在。(2) 坦岭岩浆成矿系统该岩浆成矿系统内出露岩体主要以玉泉岭村为中心呈南北向延伸;围岩产状显示, 局部地区又以北白石村为中心呈穹窿状, 暗示该岩浆成矿系统以顺层侵入为主, 局部地区为垂直侵入的岩浆通道特征 (图 3) 。该岩浆成矿系统岩性以二长岩为主。根据岩浆岩源区特征、与成矿作用的关系等可进一步划分为 4 类子系统: (1) 壳源岩浆子系统; (2) 岩浆混合作用子系统; (3) 岩浆混染作用子系统; (4) 成矿作用子系统。各子系统的主要岩石组成:壳源岩浆子系统有闪长岩、角闪闪长岩、斑状斜长闪长岩、斑状角闪闪长岩;岩浆混合作用子
26、系统有二长岩、斑状二长岩;岩浆混染子系统有球状闪长岩;成矿作用子系统有隐爆角砾岩、斜长斑岩 (图 3) 。坦岭斜长斑岩具有多斑斑状结构, 基质为隐晶质结构, 其中斑晶含量高达70%。流体力学实验表明, 如果岩浆中斑晶含量大于 50%, 则该岩浆处于冻结状态, 不能移动。然而, 坦岭斜长斑岩中斑晶含量高达 70%, 且呈脉状产出, 明显发生了岩浆的侵入活动。那么造成坦岭斜长斑岩冻结岩浆活化的机制是什么?这一活化机制与铁矿床的成因是否有某种联系?为此, 项目组在坦岭岩浆-成矿系统 11 万地质图的基础上, 又专门对斜长斑岩的空间分布特征进行了12000 大比例尺地质填图 (图 4) 。填图结果表明
27、, 斜长斑岩总体以小岩株形式产出, 边部则多呈岩脉状出露8。斜长斑岩顶部有较多的二长岩包体, 初步研究表明, 斜长斑岩具有 Stopping 侵位机制。表 1 武安地区岩浆系统特征对比 Table 1 Comparison of characteristics of magma systems in Wuan area 下载原表 斜长斑岩中基质在显微镜下为显微显晶质结构 (图 5) 。斜长石斑晶大小一般为 3mm1.6mm, 核部排号 An=27, 边部则由条纹长石组成 (图 5-b) 。基质矿物主要由蓝透闪石、条纹长石、石英、钾长石 (An 0.3Ab4.7-5.9Or93.7-95.2)
28、、钠长石 (An 0.1-0.2Ab98.3-99.2Or0.7-1.5) 、磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿、磷灰石、榍石、锆石 11 种矿物组成, 基质中还有约 5%的气孔。斑晶斜长石边部没有融蚀现象, 且斑晶边部的条纹长石及多数的基质矿物具有富集 LILE (大离子亲石元素) 和LREE (轻稀土元素) 的特点。据此推测, 流体活化机制是坦岭斜长斑岩形成的主要机制。斜长石斑晶在深部岩浆房晶出、堆积, 后期由于富含Fe、P、Si、K、Na 等元素的流体加入到岩浆房, 促使岩浆房内压力快速增大, 最后岩浆房破裂, 含矿熔体-流体运移至地壳浅部就位;同时铁矿床也在同一时间形成/就位。图 3 坦岭岩浆成矿
29、系统地质图 Fig.3 Geological map of the Tanling magmatic-metallogenic system 下载原图(3) 西石门岩浆成矿系统该岩浆成矿系统出露的岩体以白鹿寺村为中心向四周延伸, 暗示该岩浆成矿系统主体为自下而上垂直展布的岩浆通道 (图 6) 。系统内隐爆角砾岩分布广泛, 其可拼合的尖棱角状形态及含铁基质暗示, 岩浆活动伴随大量的流体参与, 导致了这些角砾岩的形成 (图 7) 。该系统内铁矿床分布密集, 北部有储量巨大的西石门铁矿, 南部有北洺河铁矿床。根据岩浆岩源区特征、与成矿作用的关系等, 该岩浆成矿系统又可分为 4 个岩浆成矿子系统: (
30、1) 岩浆混合作用子系统; (2) 岩浆混染作用子系统; (3) 壳源岩浆作用子系统; (4) 成矿作用子系统。各子系统的主要侵入岩组合:岩浆混合作用子系统有二长岩、斑状角闪二长岩、斑状斜长二长岩, 斑状二长岩、角闪二长岩;岩浆混染子系统有球状闪长岩;壳源岩浆子系统有正长岩、角闪正长岩、闪长岩及角闪闪长岩;成矿作用子系统有斜长斑岩及隐爆角砾岩 (图 6) 。该系统内铁矿床分布密集, 不仅包括西石门、南铭河、玉石洼等大型铁矿床, 还有各类小型铁矿床分布, 达 50 余家, 主要分布在系统中部和南部。图 4 坦岭斜长斑岩 12000 分布图 Fig.4 The distribution of pl
31、agioporphyry in Tanling 下载原图(4) 固镇岩浆成矿系统该岩浆成矿系统内出露岩体主要以后山村为中心呈北西南东向展布, 暗示该系统岩浆通道为顺层侵入 (图 8) 。该岩浆成矿系统又可分为 4 个岩浆成矿子系统: (1) 幔源岩浆作用子系统; (2) 岩浆混合作用子系统; (3) 壳源岩浆作用子系统; (4) 成矿作用子系统。各子系统的主要侵入岩组合:幔源岩浆作用子系统有辉长岩;岩浆混合作用子系统有二长岩、斑状角闪二长岩、斑状斜长二长岩;壳源岩浆子系统有正长岩、角闪正长岩;成矿作用子系统有隐爆角砾岩 (图8) 。图 5 坦岭斜长斑岩特征 Fig.5 The characte
32、ristics of plagioporphyry 下载原图a斜长斑岩多斑斑状结构特征;b斜长斑岩中斜长石斑晶具有条纹长石“边”。Pth条纹长石;Pl斜长石;Amp角闪石;Bi黑云母图 6 西石门岩浆成矿系统地质图 Fig.6 Geological map of Xishimen magmatic-metallogenic system 下载原图该岩浆成矿系统存在一系列中型铁矿床, 如固镇铁矿、雷山铁矿, 走向与岩体延伸方向一致。(5) 白沙岩浆成矿系统该岩浆成矿系统内出露岩体主要呈北西向展布, 又可分为 2 个岩浆成矿子系统: (1) 岩浆混合作用子系统; (2) 成矿作用子系统。各子系统的
33、主要侵入岩组合:岩浆混合作用子系统有斑状角闪二长岩、斑状斜长二长岩、角闪二长岩;成矿作用子系统有隐爆角砾岩及钠长岩。图 7 西石门岩浆成矿系统中隐爆角砾岩特征 Fig.7 The characteristics of cryptoexplosive breccia in Xishimen magmatic and metallogenic system 下载原图图 8 固镇岩浆成矿系统地质图 Fig.8 Geological map of Guzhen magmatic-metallogenic system 下载原图(6) 胡峪岩浆成矿系统胡峪岩浆成矿系统侵入岩不发育, 仅有少量闪长岩呈脉体
34、形式产出。本子系统在空间上呈南北延长的穹窿状。穹窿体中部分岩石发生浅变质作用, 赤铁矿化带发育。该子系统内产出较大型的铁矿床胡峪铁矿 (图 9) 。图 9 胡峪岩浆成矿系统地质图 Fig.9 Geological map of Huyu magmatic-metallogenic system 下载原图5 结论(1) 岩浆成矿系统 (序列) -子系统 (亚序列) 的填图方法是侵入岩中大比例尺填图的新方法, 该填图方法对探究侵入杂岩体的组装过程及成岩成矿过程是有效的。(2) 武安地区 6 个岩浆成矿系统反映了 6 种不同的火成岩组合、壳幔相互作用过程、侵入岩组装过程及成矿特征。(3) 6 个岩浆成矿系统的识别为武安矿集区提供了 6 种不同的找矿思路。其中, 胡峪岩浆成矿子系统代表最浅部的岩浆成矿系统。本文是对武安市中基性侵入杂岩专题填图工作的初步总结, 很多工作还需深入研究, 供业内同行讨论参考。参考文献1罗照华, 黄忠敏, 柯珊.花岗质岩石的基本问题J.地质论评, 2007, 53 (b08) :180-226. 2罗照华, 卢欣祥, 刘翠, 等.岩浆热液成矿理论的失败:原因和出路J.吉林大学学报:地球科学版, 2011, 41 (1) :1-11.
