阿曼东部铬铁矿地球化学特征研究.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式：李霞,姚远.阿曼东部铬铁矿地球化学特征研究 J.铜业工程,2023(3):120-126.阿曼东部铬铁矿地球化学特征研究李霞1，2，姚远1（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西江铜银珠山矿业有限公司，江西 贵溪 335400）摘要：铬是世界上重要的战略金属之一，铬铁矿作为唯一一种可以提炼铬的矿石，在工业中具有不可替代的作用。为进一步了解铬铁矿的成因和化学特征，通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）研究阿曼东部蛇绿岩中铬铁矿的镜下特征和相关地球化学参数（例如Cr#），进而推测该铬铁矿可能的成因和类型。研究发现：阿曼东部铬铁矿Cr#值大于0.6，（TiO2）小于0.3%，从而推测出阿曼东部铬铁矿属于豆荚状铬铁矿；铬铁矿Cr#在6368之间，表明阿曼东部铬铁矿为高铬型铬铁矿；阿曼东部铬铁矿原始岩浆可能具有似玻安岩的性质。关键词：豆荚状铬铁矿；高铬型；蛇绿岩；阿曼东部；玻安岩doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.017中图分类号：P571 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）03-0120-071 引 言铬铁矿是目前唯一能提炼铬的矿物，在工业中具有不可替代的作用1。铬铁矿既存在于下地壳中，也存在于层状侵入体中的层状铬铁矿中，还存在于地幔中，即豆荚状铬铁矿2。1977年，铬铁矿床被认为是典型的岩浆矿床，铬铁矿的成矿过程主要受到基性、超基性岩浆本身特点的影响3。崔军文4通过对我国阿尔卑斯型铬铁矿矿床的研究发现，铬铁矿的形成与蛇绿岩洋脊扩张阶段的高温水平剪切流动和蛇绿岩仰冲阶段的剪切流动有关。中国的铬铁矿床基本上是岩浆晚期形成的5。杨经绥等6对西藏等地铬铁矿的研究发现，铬铁矿不是来源于浅部地幔橄榄岩而是来源于深部更广范围内的熔融地幔；熊发挥等7通过研究西藏雅鲁藏布江蛇绿岩，对豆荚状铬铁矿有新的认识，识别出了两种不同类型的铬铁矿，即致密状铬铁矿和浸染状铬铁矿；此外，熊发挥等8认为西藏罗布莎豆荚状铬铁矿的形成经历了几个阶段，即早期俯冲板片在过渡带位置的保存，地幔柱/地幔对流，洋中脊的部分熔融以及在俯冲带上发生岩石/熔体反应和再次的高度部分熔融作用。田亚洲9发现萨尔托海铬铁矿为典型的高铝型铬铁矿，认为形成于弧后盆地。赵慧10在西藏雅鲁藏布江缝合带西段对错不扎铬铁矿的研究中发现其铬铁矿属于高铬型铬铁矿。Rollinson11提出阿曼蛇绿岩中铬铁矿介于高铬和低铬之间，铬铁矿的成分变化反映了不同熔体成分范围内的结晶。Rollinson 和 Adetunji发现阿曼蛇绿岩中铬铁矿成分 Cr#在0.50.8之间，产出高铝型和高铬型铬铁矿12。铬铁矿的成因有多种，铬铁矿的成矿母岩浆与大洋中脊玄武岩（mid-oceanic ridge basalt，MORB）有关，但是否与玻安岩有关，却存在不一样的看法。有学者提出玻安岩与高铬型豆荚状铬铁矿之间没有亲缘关系13，反之，铬铁矿（0或富铬矿浆）的形成为玻安岩的形成提供了残余地幔。有人认为玻安岩的熔离促进了铬铁矿的进一步富集，高铬型铬铁矿的成因与玻安质岩浆和亏损地幔橄榄岩相互作用有关14-15。本研究以阿曼东部铬铁矿为例，研究铬铁矿是否与玻安岩有相关性以及阿曼东部铬铁矿的类型。对阿曼东部铬铁矿的研究可以进一步了解铬铁矿的成因、化学特征等，并且对铬铁矿的找矿也具有重大意义。中国铬铁矿资源稀少，其产出量难以满足需求量，对阿曼东部铬铁矿的研究有助于加强与阿曼的矿产资源相关管理收稿日期：2023-02-03；修订日期：2023-04-18基金项目：江西理工大学博士启动基金项目（205200100055）；江西省教育厅科技项目（GJJ200855）资助作者简介：李霞（1999），女，青海海西人，本科，研究方向：矿山地质，E-mail：；通信作者：姚远，男，博士研究生，E-mail：机构的联系。2 地质背景阿曼蛇绿岩中的铬铁矿位于蛇绿岩序列的地幔部分，并在蛇绿岩的整个长度上形成丰富的小豆荚状矿床12。当前，世界上发现的规模最大、保存最好的洋壳和上地幔逆冲推覆岩片是阿曼山的塞梅尔蛇绿岩（总面积超1104 km，长550 km，宽150 km）16。阿曼蛇绿岩的整个上升流历史持续了约23 Ma，从赛诺曼期蛇绿岩的形成和倾向北东的俯冲开始，然后是薄皮状浅表逆冲到阿拉伯陆壳被动边缘之上的运动16。阿曼蛇绿岩带的火山地层学和微量元素地球化学表明，其蛇绿岩带具有多期岩浆成因，包括：（1）边缘盆地海底扩张引起的岩浆作用；（2）与离散的海底火山中心或海山有关的岩浆作用；（3）与地壳抬升和断裂有关的岩浆作用；（4）与陆弧碰撞有关的岩浆作用17。阿曼蛇绿岩包含一个保存特别完好的火山序列；在沿走向约300 km的距离上，暴露几乎是连续的，几乎完整的垂直剖面暴露在主要河道中。然而，这个序列并不简单，它是由许多不同的熔岩单元组成的，而这些单元又被岩墙、岩床和偶尔出现的高层侵入体所切割17。阿曼蛇绿岩是新特提斯洋岩石圈的一部分，在白垩纪末期被带到阿拉伯板块上18。阿曼蛇绿岩可能是世界上保存最好、暴露最好的蛇绿岩，它在阿曼北部海岸形成一系列山脉，有些地方海拔超过2000 m，其岩石沿着塞梅尔逆冲带逆冲，经过几个变形带，形成沉积在阿拉伯板块上的陆架碳酸盐19。阿曼蛇绿岩被认为是来自快速扩张的洋脊20。地质和地球化学证据表明，阿曼蛇绿岩是白垩纪中期一个短时间俯冲带之上形成的海底弧盆杂岩的一个碎片21。3 样品处理3.1样品采集采集区域主要分布在阿曼东部地区，采样位置如图1所示。该矿区采样位置位于2212 16.1 N 5929 57.0 E，高程为7 m，采样编号为181225Cr。3.2样品处理直接用环氧树脂将样品固化在2.54 cm的模具中，然后抛光。如图 2 所示，铬铁矿的颜色为黑色、矿物颗粒直径约0.5 mm，硬度较大，矿物周围明显可见蚀变围岩，为蛇纹石等粘土矿物。3.3分析方法用光学显微镜（OM）观察铬铁矿并照相，用电子显微镜详细观察铬铁矿并获得背散射电子（BSE）图像。能谱（EDS）分析是在日本新潟大学理学部使用牛津Aztec Energy Standard 能谱仪完成。BSE图像是在江西理工大学工程院分析测试中心使用美国FEI公司MLA650F型扫描电镜（SEM）获得，其中扫描电镜的工作条件为高真空模式，仪器的加速电压是20 kV，其工作距离为13.3 mm。4 地球化学特征4.1铬铁矿镜下特征由图3可知，铬铁矿矿物颗粒大小不一，铬铁图1研究区采样位置图Fig.1Sampling location map of study area120李霞等 阿曼东部铬铁矿地球化学特征研究2023年第3期机构的联系。2 地质背景阿曼蛇绿岩中的铬铁矿位于蛇绿岩序列的地幔部分，并在蛇绿岩的整个长度上形成丰富的小豆荚状矿床12。当前，世界上发现的规模最大、保存最好的洋壳和上地幔逆冲推覆岩片是阿曼山的塞梅尔蛇绿岩（总面积超1104 km，长550 km，宽150 km）16。阿曼蛇绿岩的整个上升流历史持续了约23 Ma，从赛诺曼期蛇绿岩的形成和倾向北东的俯冲开始，然后是薄皮状浅表逆冲到阿拉伯陆壳被动边缘之上的运动16。阿曼蛇绿岩带的火山地层学和微量元素地球化学表明，其蛇绿岩带具有多期岩浆成因，包括：（1）边缘盆地海底扩张引起的岩浆作用；（2）与离散的海底火山中心或海山有关的岩浆作用；（3）与地壳抬升和断裂有关的岩浆作用；（4）与陆弧碰撞有关的岩浆作用17。阿曼蛇绿岩包含一个保存特别完好的火山序列；在沿走向约300 km的距离上，暴露几乎是连续的，几乎完整的垂直剖面暴露在主要河道中。然而，这个序列并不简单，它是由许多不同的熔岩单元组成的，而这些单元又被岩墙、岩床和偶尔出现的高层侵入体所切割17。阿曼蛇绿岩是新特提斯洋岩石圈的一部分，在白垩纪末期被带到阿拉伯板块上18。阿曼蛇绿岩可能是世界上保存最好、暴露最好的蛇绿岩，它在阿曼北部海岸形成一系列山脉，有些地方海拔超过2000 m，其岩石沿着塞梅尔逆冲带逆冲，经过几个变形带，形成沉积在阿拉伯板块上的陆架碳酸盐19。阿曼蛇绿岩被认为是来自快速扩张的洋脊20。地质和地球化学证据表明，阿曼蛇绿岩是白垩纪中期一个短时间俯冲带之上形成的海底弧盆杂岩的一个碎片21。3 样品处理3.1样品采集采集区域主要分布在阿曼东部地区，采样位置如图1所示。该矿区采样位置位于2212 16.1 N 5929 57.0 E，高程为7 m，采样编号为181225Cr。3.2样品处理直接用环氧树脂将样品固化在2.54 cm的模具中，然后抛光。如图 2 所示，铬铁矿的颜色为黑色、矿物颗粒直径约0.5 mm，硬度较大，矿物周围明显可见蚀变围岩，为蛇纹石等粘土矿物。3.3分析方法用光学显微镜（OM）观察铬铁矿并照相，用电子显微镜详细观察铬铁矿并获得背散射电子（BSE）图像。能谱（EDS）分析是在日本新潟大学理学部使用牛津Aztec Energy Standard 能谱仪完成。BSE图像是在江西理工大学工程院分析测试中心使用美国FEI公司MLA650F型扫描电镜（SEM）获得，其中扫描电镜的工作条件为高真空模式，仪器的加速电压是20 kV，其工作距离为13.3 mm。4 地球化学特征4.1铬铁矿镜下特征由图3可知，铬铁矿矿物颗粒大小不一，铬铁图1研究区采样位置图Fig.1Sampling location map of study area121总第181期铜业工程Total 181矿主要为粒状结构、块状构造，其中铬铁矿内部有较多包裹体，也有部分铬铁矿被氧化，铬铁矿颗粒之间的矿物主要为蛇纹石。4.2主量元素特征本研究分析了阿曼东部研究区铬铁矿床的10块矿石（矿石按顺序命名为110），对铬铁矿颗粒的分析是在OM镜和SEM下观察得出的。由表 1 可知，铬铁矿中不包含 SiO2，MnO，CaO，Na2O 和 K2O。铬铁矿矿物成分变化范围较小，Cr2O3的含量在 50.2%52.1%之间，平均值为51.29%，Al2O3在 16.6%19.3%之 间，平 均 值 为18.17%，TiO2在00.3%之间（部分数据为0是由于EDS没有标样，矿物元素含量低于仪器的检测下限），平均值为 0.21%，FeO 在 14.4%17.3%之间，平均值为15.59%，MgO在13.6%15.6%之间，平均值为14.64%，NiO在00.3%之间（部分数据为0是由于EDS没有标样，矿物元素含量低于仪器的检测下限），平均值为 0.06%。铬铁矿 Cr#100Cr/（Cr+Al）在 6368 之 间，平 均 值 为 65.45，Mg#100*Mg/（Mg+Fe2+）在 6272 之 间，平 均 值 为67.23，Fe3+#100*Fe3+/（Fe3+Cr+Al）在 26 之间，平均值为3.74，Fe2+#100*Fe2+/（Fe2+Mg）在2838之间，平均值为32.77。阿曼东部铬铁矿Cr2O3-TiO2图4（a）处于豆荚状铬铁矿的区域里，部分分析点重合在一起，并且在Cr2O3-Al2O3 图解中 图4（b）阿曼东部铬铁矿分析点也都分布在豆荚状铬铁矿的分布范围中；在铬铁矿铬尖晶石Mg#-Cr#图解中 图4（c），阿曼东部铬铁矿大部分分析点落在高铬型铬铁矿的分布范围内，还有一小部分在高铬和高铝的过渡线上，Cr#大于0.6，Mg#值也较高。图4（d）为铬铁矿铬尖晶石 Cr-Al-Fe3+三角图，可以看出，所有点都在蛇绿岩豆荚状铬铁矿和层状侵入体铬铁矿的共同区域中。图4（e）为铬铁矿TiO2-Cr#图解，可以看出，阿曼东部铬铁矿分析点大部分处于豆荚状铬铁矿的分布区域中，并且靠近玻安岩（boninite，BON）的区域范围。而且在Al2O3-TiO2图解中 图4（f）阿曼东部铬铁矿分析点落在了靠近MORB和岛弧火山岩（are-related volcanic rock，ARC）的分布区域中，图4（g）为铬铁矿Mg#-TiO2图解，可以看出，分析点处于岛弧玻安岩和大洋中脊玄武岩的共同区域范围内且偏向岛弧玻安岩。图 4（h）为铬铁矿 100*Fe2+/（Fe2+Mg）-Cr#变化图2（a，b）野外采样样品和（c）铬铁矿矿物样品Fig.2（a，b）Field samples and（c）chromite mineral samples图3阿曼东部铬铁矿（a）OM和（b）BSE图像Fig.3（a）OM and（b）backscatter images of chromite in Eastern Oman122李霞等 阿曼东部铬铁矿地球化学特征研究2023年第3期图，可以看出，阿曼东部铬铁矿的所有分析点都分布在豆荚状铬铁矿的分布区域中，但其中大部分分析点位于玻安岩的分布区域中，小部分分析点落在了MORB的区域范围内。由图4（i）可知，阿曼东部铬铁矿比较靠近玻安岩和弧前橄榄岩的区域。5 结果与讨论按照Cr#100Cr/（Cr+Al）值可以将豆荚状铬铁矿分为高铝型（冶金型）铬铁矿（Cr#为2060）和高铬型（耐火型）铬铁矿（Cr#为 6080）两种类型28。豆荚状铬铁矿可能形成于洋中脊（MOR）、板块俯冲带（SSZ）和地幔过渡带这三种环境中，主要在蛇绿岩的地幔橄榄岩中赋存29。高铬型铬铁矿的成因与玻安质岩浆和亏损地幔橄榄岩相互作用有关9。豆荚状铬铁矿中的高铬型铂族元素模式形成于岛弧环境，而高铝型铂族元素模式的豆荚状铬铁矿形成于弧后环境7，30。周二斌15则提出豆荚状铬铁矿的成矿成因是经历了从MOR扩张环境向岛弧体系俯冲环境的转变过程而形成的，并且岛弧环境（岛弧、弧后盆地等）是形成高铬型豆荚状铬铁矿最好的构造环境。Rollinson31认为在阿曼蛇绿岩的演化过程中，玻安岩的就位较晚，表明玻安岩起源的地幔纯岩形成于蛇绿岩的晚期。高钙玻安岩是在俯冲环境下通过地幔楔的浅含水熔融形成的，玻安岩和熔岩的存在进一步验证了阿曼蛇绿岩是在弧前环境下通过俯冲诱发扩张形成的观点。由图4可知，所有的铬铁矿分析点都落在了豆荚状铬铁矿的分布区域中，这表明阿曼东部的铬铁矿属于豆荚状铬铁矿。阿曼东部铬铁矿的Cr#在6368之间，是典型的高铬型铬铁矿。铬铁矿分析点落在了玻安岩的区域内或者附近，铬铁矿中TiO2的含量很低，与BON中的尖晶石的分布区域一样。因此，铬铁矿成矿母岩浆可能与玻安岩有关，不同于典型的MORB型。表1阿曼东部铬铁矿主量元素含量Table 1Main Element Content of chromite in Eastern Oman（w%）组分Cr2O3Al2O3TiO2FeOMgONiOtotalCrAlTiFe3+Fe2+MgNitotalCr#Mg#Fe3+#Fe2+#151.716.6017.314.40100.01.270.6100.120.330.6703.0067.666.85.933.2252.117.80.314.914.90100.01.270.650.010.060.320.6903.0066.368.23.331.8350.419.10.314.515.30.399.91.220.690.010.070.300.700.013.0063.970.03.730.0452.117.90.316.113.60100.01.280.660.010.040.380.6303.0066.162.82.237.2552.117.90.316.113.60100.01.280.660.010.040.380.6303.0066.162.82.237.2651.917.80.016.413.90100.01.280.6500.070.360.6403.0066.264.53.635.5751.717.2016.714.40100.01.270.6300.100.330.6703.0066.866.75.033.3850.319.00.314.415.60.399.91.220.690.010.080.290.710.013.0064.071.34.128.7950.419.10.314.715.4099.91.220.690.010.070.300.700.003.0063.969.93.730.11050.219.30.314.815.3099.91.220.700.010.070.310.7003.0063.669.53.630.5123总第181期铜业工程Total 1816 结 论（1）阿曼东部铬铁矿属于豆荚状铬铁矿。（2）阿曼东部铬铁矿的主量元素Cr2O3，Al2O3，TiO2，FeO，MgO图解都处在玻安岩的分布区域或附近，铬铁矿中TiO2的含量很低，表明阿曼东部铬铁矿原始岩浆与玻安岩有关。（3）铬铁矿Cr#在6368之间，表明阿曼东部铬铁矿为豆荚状铬铁矿中的高铬型铬铁矿。参考文献：1 张然.西藏班公湖-怒江缝合带中段依拉山蛇绿岩中铬铁矿特征及构造背景 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to the Podiform Chromite;the chromite Cr#is between 63 and 68,indicating that the chromite in Eastern Oman is a high chromium chromite;the original magma of chromite in Eastern Oman may have a boninite-like nature.Key words：podiform chromite；high chromium type；ophiolite；Eastern Oman；bothitedoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.017126