四川攀枝花铁矿碳酸岩的发现和确认

四川攀枝花铁矿碳酸岩的发现和确认——地质特征、斜锆石U-Pb年龄、C—O同位素组成证据

王生伟1，孙晓明2,3,4，周清1，李艳广5，付宇2,3,4，朱斯豹1，王坤6，郭阳1，刘宇杰1，马龙1，黄景厚1,7

1 中国地质调查局成都地质调查中心

2 中山大学地球科学与工程学院

3 中山大学海洋科学学院

4 广东省海洋资源与近岸工程重点实验室

5 中国地质调查局西安地质调查中心

6 四川省地质矿产勘探开发局106地质大队

7 中国地质大学(北京)

作者简介：王生伟，博士，高级工程师，主要从事矿床地球化学、岩石地球化学研究工作。

通讯作者：孙晓明，博士，教授，博士导师，主要从事矿床学研究。

导读：

攀枝花号称“钢铁之都”，钛储量世界第一，是我国重要的钢铁基地。攀枝花钒钛磁铁矿的形成与举世闻名的峨眉山大火成岩省的地幔柱演化成矿作用密切相关。

岩浆型碳酸岩是一类稀少但具有重要地质意义的一种岩石类型，往往是构成大火成岩省岩石序列中的重要组成部分。在攀枝花矿区发现和确认大规模岩浆型碳酸岩对研究地幔柱形成演化、构建完善地质模型和指导区内找矿具有十分重要意义。

本项目组在攀枝花地区开展1∶50000地质填图过程中，在攀枝花铁矿区前人圈定的灯影组“白云岩”或“大理岩”中发现大量的暗色捕虏体，通过研究发现捕虏体主要为二辉橄榄岩、纯橄榄岩、煌斑岩，而捕虏体围岩的矿物、岩石组合表明它们并非前人认为的上震旦统灯影组“白云岩”或“大理岩”，而是大规模的岩浆型碳酸岩，且出露范围广泛，延伸约20千米，在我国甚为罕见，可能是我国最大的岩浆型碳酸岩，也可能是全球规模最大的碳酸岩之一。

本文详细介绍了该区碳酸岩的野外及显微镜下证据、空间分布、岩石类型、岩石组合及矿物组合等主要地质特征，且报道了攀枝花西南地区粗粒白云石碳酸岩中斜锆石(ZrO2)以及与碳酸岩共生的石英二长岩锆石的U-Pb年龄，并探讨其重要的地质意义。

本文研究成果对区调和矿调工作都有一定的启示意义。(特别说明：汪青松不为原创)

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0 引言

1 区域地质背景

2 岩浆碳酸岩的证据及空间分布

2.1 碳酸岩的证据

2.2 碳酸岩的空间分布

3 岩石类型

3.1 侵入岩

3.2 喷出岩

3.3 暗色捕虏体

4 岩石组合类型及时代

4.1 岩石组合类型

4.2 与碳酸岩共生石英二长岩锆石的U-Pb年龄

4.3 粗粒白云石碳酸岩斜锆石的U-Pb年龄

5 攀枝花碳酸岩的成因探讨及地质意义

5.1 碳—氧同位素特征

5.2 碳酸岩的成因探讨

5.3 碳酸岩与稀土矿化

5.4 碳酸岩的科学意义

5.5 存在问题

6 结论

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0 引言

碳酸岩或火成碳酸岩(carbonatite)是指含碳酸盐矿物(如方解石、白云石等)体积大于50%，二氧化硅质量分数小于20%的岩浆岩，其矿物组成、结构构造及地质地球化学特征与沉积成因或变质成因的碳酸盐岩(carbonate rock)，如灰岩、灰质白云岩、白云岩、白云质灰岩、大理岩等差异明显。碳酸岩是一种地表少见，且硅不饱和的超基性岩浆岩类，据Woolley等(2008)统计，目前全球已发现的碳酸岩仅有527处，其中喷出岩49处、侵入岩478处。研究表明，由于已发现的大多数稀土矿床似乎均与碳酸岩有关，且碳酸岩往往是大火成岩省岩石序列中的重要组成部分，是研究地幔柱形成演化的重要载体，因此备受地质学家关注，已有大量研究成果发表。我国西南地区在晚二叠世发生了一次著名的峨眉山玄武岩喷发事件，形成了超过5×105km2的峨眉山大大火成岩省，被认为是峨眉地幔柱的产物。与峨眉大火成岩省有关的岩浆岩类型非常丰富，喷出岩主体为玄武岩，包括高Ti和低Ti玄武岩，其次为苦橄岩及粗面岩类。侵入岩以基性的辉长岩为主，在我国西南地区广泛出露，晚二叠世的橄榄岩、橄榄辉石岩等超基性岩则主要分布在康滇地区、红河断裂，此外在攀枝花地区还分布大量富碱的中酸性侵入岩。与峨眉山大火成岩省齐名的西伯利亚、德干大火成岩省先中先后发现同期的火成碳酸岩，但截至目前为止，还未有与峨眉山玄武岩同期碳酸岩的报道。近年来，本项目组在攀枝花地区开展1∶50000地质填图过程中，在攀枝花铁矿区前人圈定的灯影组“白云岩”或“大理岩”中发现大量的暗色捕虏体，并对捕虏体及其围岩进行了详细的野外调查、显微镜下鉴定及地球化学研究，发现前者主要为二辉橄榄岩、纯橄榄岩、煌斑岩，而后者的矿物、岩石组合表明它们并非前人认为的上震旦统灯影组“白云岩”或“大理岩”，而是为大规模的岩浆型碳酸岩，其出露范围之广泛、岩石类型之丰富，在我国甚为罕见，也可能是全球最大规模的碳酸岩之一。本文详细介绍了该区碳酸岩的野外及显微镜下证据、空间分布、岩石类型、岩石组合及矿物组合等主要地质特征，且报道了攀枝花西南地区粗粒白云石碳酸岩中斜锆石(ZrO2)以及与碳酸岩共生的石英二长岩锆石的U-Pb年龄，并探讨其重要的地质意义。

1 区域地质背景

攀枝花地区属扬子陆块西南缘，位于晚二叠世攀西裂谷的南端、康滇地轴中部，以全球最大的钒钛磁矿床闻名于世。本区大地构造位置位于扬子陆块与松潘—甘孜活动带的西南结合部，北西以箐河—程海接松潘—甘孜造山带、南西以红河—哀牢山断裂邻三江造山带、东部以安宁河深大断裂、昔格达—元谋—绿汁江深大断裂为界(图1a)。

图1 四川攀枝花地区实测地质简图

Qh—全新统；Qp—更新统；N2x—昔格达组；T3b—丙南组；T3d—大荞地组；T3bd—宝顶组；P3e—峨眉山玄武岩；P2y—阳新组；P1l—梁山组；Zbd—灯影组；P3v—晚二叠世辉长岩；P3ξ—晚二叠世正长岩；P3ηγ—晚二叠世石英二长岩；Fe—钒钛磁铁矿体；Ci—碳酸岩；φ—晚二叠世超基性岩捕掳体；Pt3p—斜长角闪片麻岩；Pt3g—花岗片麻岩；Pt3v—新元古代辉长岩；Pt3γ—新元古代花岗岩

区内沉积岩较少，以上三叠统最为发育，为一套河流及沼泽相沉积。其次为第三系昔格达组(N2x)半固结砂质粘土岩、粉砂岩，主要分布于江河及其支流沿岸的小盆地或宽缓地带。第四系主要分布于河谷谷坡平缓地带，与各个时代地层皆呈不整合接触。

主要构造为攀枝花深大断裂带，北起冕宁李庄，向南经攀枝花延伸至云南楚雄，全长200km，在本区出露长度约30km，走向NNE—SSW，平面上呈“Y”字形。由北西向的盐边—红果断裂、北北东向麻陇—红果断裂和近南北向的渡口—红果断裂组成。根据深部地球物理资料，该断裂带切穿上地幔岩石圈，北段向西倾斜，倾角78°～80°，南段向东倾斜，倾角为59°～80°。构造形迹表现为岩浆侵入的强烈性、多期性、重叠性，最为著名的即是华力西期攀枝花含矿层状侵入岩体。断裂力学性质为早期拉张，晚期压性改造，即华力西期至印支期表现为东西向拉张，形成南北向的张性构造，并控制该段时期内的岩浆活动和沉积作用；喜马拉雅期，攀枝花断裂再次活动，在区域性的东西向挤压应力作用下，表现为压性断层的特点，破坏了华力西—印支期岩浆岩和震旦系—侏罗系地层，并使老地层逆冲至新地层之上。

本区岩浆岩极其发育，地表超过50%被岩浆岩覆盖。根据前人及本项目组研究结果表明，区内主要由新元古代及晚二叠世两个时期岩浆岩构成。新元古代基性岩浆岩包括辉长岩、辉长闪长岩及其变质岩斜长角闪(片麻)岩，锆石的U-Pb年龄基本一致，如同德辉长岩、辉长闪长岩年龄分别为820±13Ma、813±14Ma，盐边冷水箐—高家村辉长岩年龄分别为825±12Ma、822±8Ma，斜长角闪岩年龄为830±7Ma；酸性岩浆岩由花岗岩(778±11Ma)、花岗片麻岩及混合花岗岩构成(锆石U-Pb年龄分别为821.0±5.1Ma和775.0±4.9Ma，本项目组未发表数据)，新元古代同一类型岩浆岩，尽管变质深浅差异明显，但其时代接近，反映本区变质作用以动力变质作用为主。

晚二叠世岩浆岩以层状辉长岩为主，并赋存全球著名的钒钛磁铁矿床。整个攀枝花层状基性岩体长约19km，宽2～4km，厚度最大2780m。含矿岩体相带明显，底部为含辉石、橄榄石的钒钛磁铁矿带，自下而上基性程度逐渐递减，中、上部为巨厚辉长岩，顶部暗色矿物含量较低。层状岩体发育原生流动构造，岩浆结晶分异作用彻底。钒钛磁铁矿体赋存于岩体底部及下部，呈稳定的层状、似层状产出，矿体厚大，矿石品位较高；中上部矿化较差，仅有规模小、品位低的矿体，大致划分了6个岩相带4个含矿层。晚二叠世碱性岩分布在层状辉长岩的北西侧，为浅色的正长岩、角闪正长岩；此外，测区北西侧还发育晚二叠世峨眉山玄武岩。

2 岩浆碳酸岩的证据及空间分布

2.1 碳酸岩的证据

前人所有的地质报告，如1∶20万永仁幅矿产图、1∶5万攀枝花市幅地质图、《四川省攀西地区钒钛磁铁矿整装勘查成果集成报告》等，以及截至目前为止所有发表的论文，均把攀枝花铁矿区的碳酸岩划入震旦系灯影组(Zbd)或观音崖组(Zbg)白云岩或大理岩，其原因可能与本区北西部广泛出露灯影组白云岩有关(图1b)。然而我们的野外调查及室内研究结果表明，攀枝花铁矿区内的“白云岩”或“大理岩”与区内北西侧真正的灯影组白云岩、大理岩的岩石组合、矿物组合差异非常大，而是大规模的岩浆型碳酸岩，主要有以下证据：

(1)区内北西侧真正的灯影组主体由不纯的碳酸盐岩(白云岩或大理岩)组成，并含大量碎屑岩夹层，层理发育，且灯影组上覆或下伏地层碎屑岩亦清晰可辨；其次，显微镜下观察，白云岩除了碳酸盐矿物之外，还可见大量黏土矿物和细粒石英，但详细的野外调查表明，攀枝花铁矿区内所谓的“大理岩”或“白云岩”出现得很突兀，既没有上覆地层，也无下伏地层，也没有碎屑岩夹层和层理，均为致密块状构造，与北西侧真正灯影组的岩石组合、结构构造差异显著，晚二叠世岩浆岩在侵位过程中不可能只选择灯影组侵位。

(2)大理岩属变质岩，但这些所谓“大理岩”，及其各类围岩主要为风化蚀变，几乎无变质变形，若是区域变质、动力变质或接触变质作用形成的大理岩，其围岩亦应一起变质，事实上，其两侧的岩石，不论是新元古代岩浆岩，还是晚二叠世岩浆岩，除了构造破碎，皆很新鲜，变质作用非常微弱，这也导致在攀枝花铁矿区的填图过程中，两个时代的岩浆岩难以分辨。

(3)在填图及剖面测制过程中，我们在大多数碳酸岩体内部发现大量规模不等、大小不同及形态各异的暗色捕虏体，主要为二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、纯橄榄岩及煌斑岩(图2)。煌斑岩在前人论文及报告中少有报道，接触变质作用根本不可能产生煌斑岩。橄榄岩由新鲜的自形橄榄石、斜方辉石以及蚀变的蛇纹石组成，其次为白云石及方解石，与攀枝花铁矿含矿层状岩体下部含橄榄石及辉石的暗色铁矿层中的矿物组合相差较大。橄榄岩或煌斑岩捕虏体与碳酸岩接触带上常发育熔蚀反应边结构(图2b)，即由暗色的橄榄岩与浅色的碳酸岩组成的条带、条纹状构造，显微镜下观察，浅色条带均为方解石或白云石组成，暗色条带在显微镜下观察几乎皆为橄榄石。

图2 四川攀枝花碳酸岩中的橄榄岩捕虏体及熔蚀反应边结构

新鲜纯橄榄岩捕虏体显微镜下几乎全部由橄榄石组成，橄榄石裂纹极为发育(图3a—d)，即典型的碎斑结构；煌斑岩捕虏体中的橄榄石斑晶粒径最大超过1cm，肉眼极易识别(图3e)，显微镜下观察橄榄石斑晶裂纹也极为发育(图3f)。橄榄岩和煌斑岩捕虏体中皆不发育浅色长英质矿物，为典型的地幔来源，只有岩浆(碳酸岩熔体)才能从地幔深处带出地表，也就是说捕虏体，尤其是纯橄岩、煌斑岩捕虏体是我们在野外认定岩浆型碳酸岩的重要证据。

图3 四川攀枝花碳酸岩中纯橄岩(a—d)、煌斑岩(e、f)捕虏体及其显微镜下特征

(4)碳酸岩的主要矿物组成为方解石和白云石，二者比例在不同岩石类型中有所差异，显微镜下，方解石或白云石的粒间或内部(包含结构)，常见新鲜的自形橄榄石、斜方辉石及其蚀变矿物，颜色越深，橄榄石、斜方辉石含量越高，上述矿物组合及其共生关系，尤其是常见的包含结构是典型的岩浆成因特征。

(5)本项目组在每个碳酸岩体、熔岩、火山角砾岩中(而不是辉长岩/白云岩接触带)都分选出了大量的斜锆石(ZrO2)，然而我们在攀枝花层状辉长岩体采集的十余件样品中却均未分选出斜锆石，前人也少有报道。斜锆石是典型岩浆成因矿物，尽管近年有报道可能存在变质、热液成因斜锆石，但其结构构造、矿物岩石组合、构造环境等皆与本区明显不一样，变质或热液斜锆石常含气液包裹体，且常与热液矿物共生，例如白云鄂博稀土矿床中(变质)热液成因的斜锆石通常与烧绿石、氟碳钡铯矿、氟碳铈矿、褐钇铌矿、萤石、易解石、磷灰石、独居石等热液矿物共生；南岭地区矽卡岩型矿床中变质斜锆石的伴生矿物常为萤石、锡石、绿泥石、透辉石。攀枝花铁矿为典型的正岩浆型矿床，晚二叠世热液活动不发育，因此上述热液矿物并不常见，斜锆石中也不发育气液包裹体，表明大量的斜锆石不是形成于变质或热液作用，而是碳酸岩、橄榄岩、煌斑岩等硅不饱和岩浆岩中特有的矿物。

(6)在本区北西侧，晚二叠世辉长岩与灯影组白云岩接触带，亦的确发育大理岩化，这可能是前人把攀枝花铁矿区大规模岩浆型碳酸岩划入灯影组的主要原因，但灯影组白云岩与辉长岩接触带大理岩化(或矽卡岩化)范围非常窄(可能与缺少热液活动有关)，且由于其灯影组原岩白云岩为不纯的碳酸盐岩，泥砂质成分含量较高，大理岩化后泥、砂质矿物不会无缘无故消失，多表现为白云母化或石英重结晶现象。在米易县安宁村钒钛磁铁矿区，含矿辉长岩侵入至真正的灯影组层状白云岩裂隙中，侵入接触面清晰、截然，但接触变质作用非常微弱。显微镜下观察大理岩与岩浆型碳酸岩的矿物组合有着巨大的差异，真正的大理岩中无暗色捕虏体，无暗色条带，岩石中皆不发育橄榄石、辉石、蛇纹石等暗色矿物，但常见白云母及石英。但在我们采集的上百件岩浆型碳酸岩薄片中，很难见到如绿帘石、电气石、阳起石及石英等典型接触变质作用形成的矿物组合，即使Ganino等(2008)中提及攀枝花铁矿区两种岩石接触面发育少量的水钙铝榴子、水镁石、柔葡萄石(Prenhite)、绿帘石、绿泥石等矿物，但这些矿物皆可由暗色矿物低温、常温蚀变形成，而并非接触变质作用的标型矿物；至于其中的石榴子石，实验地球化学模拟实验表明，CaO—MgO—Al2O3—SiO2—CO2(CMAS—CO2)体系中，碳酸盐化二辉橄榄岩在3～7GPa压力下的熔化，实验产物包括橄榄石、斜方辉石、石榴子石、碳酸盐集合体与熔体，也就是说岩浆岩型碳酸岩中存在石榴子石并不奇怪，也不是矽卡岩化的直接证据。如果真如Ganino等(2008,2013)所述本区方解石和白云石皆为接触交代重结晶成因，则需要大规模热液活动，会出现极为丰富的蚀变类型及热液矿物组合，而攀枝花钒钛磁铁矿属公认的正岩浆型矿床，矿区内晚二叠世热液活动几乎可以忽略。

总之，根据野外特征及室内显微镜观察综合分析，前人在攀枝花钒钛磁铁矿区内划分出所谓的灯影组“白云岩”或“大理岩”不是沉积岩或变质岩，而是大规模岩浆成因的碳酸岩。通过对比现有资料，攀枝花碳酸岩可能是我国最大的岩浆型碳酸岩，其规模之大，在世界上也是少有的。

2.2 碳酸岩的空间分布

从目前填图已发现的各碳酸岩体的展布情况判断(图1)，攀枝花碳酸岩总体上呈北东—南西向分布，与含矿辉长岩的空间展布基本一致。北东段主要分布在朱家包包铁矿矿区，紧邻钒钛磁铁矿矿体的南东侧产出，沿兰尖火山、瓜子坪、炳草岗，一直延伸至拉纳箐铁矿区的西南部，呈带状断续出露，总长度约20km，一般露头宽数十米至数百米，最宽出露范围超过1km(非垂向厚度)。根据目前填图结果初步可以判断，绝大多数的碳酸岩体，空间上与钒钛磁铁矿体如影随形，应为同时代、同一构造岩浆事件的产物。

3 岩石类型

根据野外填图和室内显微镜下鉴定结果，攀枝花碳酸岩以侵入岩为主体，其次为少量的喷出岩(包括熔岩、潜火山岩及火山碎屑岩三类)，二者在空间上紧邻。一般出现喷出岩及潜火山岩，附近必然有侵入相碳酸岩，但有侵入碳酸岩，则不一定会出现喷出岩。

3.1 侵入岩

碳酸岩侵入体分布最广泛，主要以独立岩体呈带状断续分布在钒钛磁铁矿体的南东侧，与层状辉长岩和磁铁矿体不同，碳酸岩看不出明显的倾向和倾角，层理、纹层不发育，主要以侵入接触的形式，侵入至稍早的层状辉长岩中。岩体出露大小不一，目前已识别的最大碳酸岩侵入体位于朱家包包(攀枝花铁矿的主矿体)钒钛磁铁矿区，称之为朱家包包碳酸岩体，由于工程揭露，该碳酸岩体出露极好，顶部、底部相对较窄，底部出露宽约400m，中、上部粗大，宽度超过1km，断面类似一巨型蘑菇形状(图4a)。南东部的拉纳箐地区出露也较好，在一些采石场，常见超过200m的新鲜露头(图4b)，可直接观察到各种类型的碳酸岩、暗色捕掳体及不同接触关系等丰富的地质现象。小的碳酸岩体一般地表出露数米至数十米不等，往往不会孤立出现，而是成群分布，推测相邻出露的小型碳酸岩体可能有共同的岩基。

图4 四川攀枝花铁矿床主要碳酸岩类型的野外照片

根据矿物组成，可分为白云石碳酸岩、方解石碳酸岩、复合型碳酸岩及含硅酸盐型碳酸岩，单独的方解石碳酸岩更少见，更多的是复合型碳酸岩及含硅酸盐型碳酸岩。白云石碳酸岩主要分布在西南端(图4c)，几乎全由粗粒白云石组成，遇稀盐酸微弱起泡，解理相对不发育。复合型碳酸岩及硅酸盐型碳酸岩分布最广泛，一般遇稀盐酸剧烈起泡(图4d)。前面提到，一般而言，碳酸盐矿物体积超过50%的岩浆岩，即命名为碳酸岩，但在攀枝花铁矿区，常见一些暗色岩石(图4e—h)，常发育在白色、灰白色碳酸岩与暗色捕虏体的接触带，硬度低、遇稀盐酸起泡明显，显微镜下观察，橄榄石与方解石、白云石含量相当，有的橄榄石超过50%，我们将其暂命名为含硅酸盐型碳酸岩或橄榄岩型碳酸岩，该类岩石又可分为两小类，一类为深灰色、灰黑色橄榄岩型碳酸岩，不发育条带和纹层，与较纯的碳酸岩以渐变过渡接触关系为主(图2a、b；图4e)，少量突变接触(图4f)，显微镜下观察，硅酸盐矿物与碳酸盐矿物均匀分布，橄榄石含量越高，其颜色越深；另外一类由暗色硅酸盐岩与浅色碳酸岩相间分布形成斑马状条带或纹层(图4g、h)，纹层一般为毫米至厘米级。这些接触关系与邵济安等(2003)对山西大同地区碳酸岩的描述相似，笔者等认为可能是碳酸岩熔体熔蚀暗色捕虏体或两种不同岩浆混合的结果。

根据碳酸岩矿物粒度大小，可以分为粗粒、中粒及细粒碳酸岩。粗粒碳酸岩相对较少，主要分布在碳酸岩带的南西段，以白云石碳酸岩为主，白云石粒度可达1cm(图4c)；中粒和细粒碳酸岩则最为普遍(图4d)，主要出露在中段和北东段。

根据颜色划分，可分为暗色碳酸岩和浅色碳酸岩，显微镜下观察，不同类型的侵入碳酸岩的矿物组成均较简单，主要由白云石、方解石、鲜橄榄石、斜方辉石、单斜辉石及其蚀变而成蛇纹石组成(图5a—d)，不同颜色的碳酸岩含上述矿物的多寡不一，一般而言，颜色越浅，暗色硅酸盐矿物越少，反之，则越深。方解石、白云石一般呈自形、半自形粒状结构，显微镜下方解石均可见粗而短的条纹结构，即聚片双晶(图5a、b)，白云石及方解石中目前尚未发现大规模的熔融包裹体。橄榄石、辉石裂纹发育，常见蛇纹石化，但保留其特征的结构特征，自形程度明显高于方解石和白云石，大多数分布在白云石、方解石粒间，但也常见包裹于白云石、方解石中，即典型的包含结构(图5a、c、d)，反映了二者的生成顺序。总之，宏观上，可见不同尺度超基性岩捕虏体分布于碳酸岩中，微观尺度亦同样可见暗色硅酸盐矿物包裹于碳酸岩矿物中。

图5 四川攀枝花铁矿区碳酸岩侵入岩的显微镜下照片

Cal—方解石;Dol—白云石;Ol—橄榄石;Srp—蛇纹石;PT—聚片双晶

需要特别指出的是，攀枝花铁矿区碳酸岩中既不发育长石、石英、萤石、霓石、钠长石、霓辉石等典型热液矿物，也未见氟碳铈矿、烧绿石等稀土矿物。

3.2 喷出岩

攀枝花地区碳酸岩喷出岩的出露面积相对侵入相小得多，主要分布在南西段的拉纳箐矿区，其次在北东段的兰尖火山矿段亦有少量出露。在拉纳箐矿区，喷出岩最为发育(图6a)，出露的最大厚度超过200m，单层气孔状熔岩最厚可达15m，顶部为数十米厚的火山角砾岩。相对于侵入岩，碳酸岩熔岩最大的特征是气孔构造极其发育(图6b,c,d)。熔岩遇稀盐酸强烈起泡，显微镜下观察，主要由白云石、方解石及气孔构成，少量蛇纹石化橄榄石，碳酸盐矿物多为中—细粒自形、半自形结构。

图6 攀枝花铁矿区碳酸岩喷出岩、火山角砾岩及潜火山岩

碳酸岩熔岩中，亦发现有超基性捕虏体，其矿物组成与碳酸岩侵入岩中捕掳体的矿物组成基本一致，即橄榄石、斜方辉石及其蚀变的蛇纹石等硅酸盐矿物，亦不含长石、石英等浅色矿物。熔岩中气孔形态不一，多为不规则状、次圆状、浑圆状等，一般毫米级，均匀分布在碳酸岩矿物粒间，在显微镜下常见哑铃状气孔(图6e、f)，为典型火山熔岩的特征。在拉纳箐地区，可见数十米厚的气孔状碳酸岩连续露头，极其壮观，这些孔洞不是钙质流失形成的，可能是碳酸岩岩浆在喷发过程中，高温常压条件下，部分碳酸盐矿物发生分解，类似于石灰的烧制过程(即高温常压下CaCO2→CaO+CO2)，形成的CO2在熔体中膨胀形成均匀分布的气孔。在拉纳河南东侧的熔岩顶部发育巨厚层状火山角砾岩(图6g)，显微镜下观察，岩石具不等粒结构，主要由火山碎屑(75%～80%)、胶结物(～15%)组成。碎屑几乎全由强蚀变橄榄岩组成，其中橄榄石均为蛇纹石、方解石替代，保留其原来特征的晶体外形和结构特征。胶结物由火山灰、泥分解生成的碳酸盐矿物组成，主体为方解石，不均匀充填于碎屑间隙，多数已溶蚀重结晶为较干净的细晶方解石，相互嵌生，有时相对集中呈团块，形成不均匀结构。此外，我们在气孔状熔岩及火山角砾岩中也分选出大量的斜锆石。

通过加密路线详细填图，在拉纳箐碳酸岩熔岩附近还可以识别出一处完整的火山颈相角砾岩，该角砾岩主要由火山碎屑、火山岩玻璃及胶结物组成(图6h)，火山碎屑和火山玻璃为不规则状，粒径一般小于5cm；胶结物为方解石，多呈粗粒他形结构，三组解理发育，遇稀盐酸剧烈起泡，这类方解石不是岩浆期后的次生方解石，其形成可能与火山通道的少量气液活动有关。

3.3 暗色捕虏体

暗色捕虏体在碳酸岩中极其发育，是整个长达20km碳酸岩带的重要组成部分，也是岩浆成因碳酸岩最重要、最直接的野外证据。捕虏体大至数十米(图4)，小者为毫米至米级。捕虏体多为深灰色、灰黑色及深绿色、墨绿色，一般而言，强蚀变的捕虏体颜色相对较深。根据其矿物组成及比例命名，捕虏体主要为二辉橄榄岩、方辉橄榄岩及纯橄榄岩，其次为煌斑岩。显微镜下橄榄岩主要由原生粒状碎裂橄榄石及辉石(多为斜方辉石)组成，且大多数已蛇纹石化，保留其特征的外形，橄榄石含量一般大于50%；在拉纳箐地区一些采石场露头，可见大量新鲜的黄绿色、暗绿色纯橄岩，呈球状、椭球体状，长轴5～10m，显微镜下观察几乎全部由碎裂的新鲜橄榄石组成(图3a、b)。上述原生粒状结构、碎斑结构及粒状镶嵌结构都是地幔捕掳体中主要矿物的典型结构特征。煌斑岩亦是碳酸岩中较常见的一种岩石类型，前人报道较少，野外露头一般出露数米宽。根据显微镜下斑晶的矿物类型，可分为三类，即以橄榄石斑晶为主的煌斑岩(图3c、d)、以辉石斑晶为主的煌斑岩及以黑云母(少量金云母)斑晶为主的煌斑岩三类，斑晶含量10%～45%，基质一般为细小橄榄石、辉石及黑云母，少见长英质矿物。

暗色硅酸盐岩捕虏体与浅色碳酸岩接触带几乎都可见到由浅色碳酸岩、深色硅酸岩条带(条纹)组成的过渡带(图2b、图4h)，接触带由于能干性较差，在后期构造作用下更容易破碎、滑动，蛇纹石化蚀变作用亦更强烈，常发育灰、灰白色“晕”。在显微镜下观察，浅色碳酸岩中含暗色矿物，暗色岩石也含较多方解石和白云石。

4 岩石组合类型及时代

4.1 岩石组合类型

攀枝花地区晚二叠世岩浆岩类型丰富，大范围内同时代的岩石类型有粗面岩、玄武岩、正长岩、辉长岩、橄榄岩、苦橄质岩脉、煌斑岩脉等。在攀枝花铁矿区及周边的小范围内与碳酸岩共生的岩浆岩主要包括辉长岩、橄榄岩、煌斑岩、石英二长岩类，在北东段如朱家包包铁矿区，同时代的岩浆岩组合为碳酸岩—橄榄岩—煌斑岩—(含矿)辉长岩；南西段如拉纳箐铁矿区，常见碳酸岩—橄榄岩—煌斑岩—辉长岩—石英二长岩组合。辉长岩是本区主要的岩石类型，前人也研究程度也最高；橄榄岩、煌斑岩与辉长岩比较而言相对较少，煌斑岩前人几乎未见报道。橄榄岩和煌斑岩一般分布在复式岩体的中心部位，其外围为碳酸岩，碳酸岩的围岩则是磁铁矿化辉长岩，各类岩石均为相变(或者说是渐变)接触关系，分带清晰。

石英二长岩仅一处，见于拉纳箐铁矿的南东侧(图7)，前人称之为二长花岗岩，在该区域出露宽度30～50m，相对新鲜，灰白色细粒结构，外观与碳酸岩相似、易混淆，与碳酸岩渐变过渡，在野外以其致密坚硬、遇稀盐酸不起泡与碳酸岩相区别。总体上，同期的碱性岩在碳酸岩出露区域比例较小，在辉长岩的外围则广泛出露。

图7 四川攀枝花铁矿拉纳箐铁矿区岩浆岩实测剖面图

到目前为止，本项目组在攀枝花铁矿区尚未识别出霞石岩、磷霞岩、霞石正长岩及响岩等碱性岩浆岩类型，上述岩石则是攀西牦牛坪、大陆槽等稀土矿床碳酸岩中常见的共生岩石种类。

4.2 与碳酸岩共生石英二长岩锆石的U-Pb年龄

目前已知的碳酸岩大多与碱性岩或超基性岩类共生，由于碳酸岩主要由方解石、白云石等矿物组成，能提供测年的矿物较少，前人大多采用与其共生的岩石或矿物的同位素年龄对碳酸岩形成时代进行间接制约，如田世洪(2008)对川西大陆槽稀土矿床中碳酸岩和正长岩中锆石进行了SHIRMP测年，二者基本一致；LiuYan等(2015)也根据川西牦牛坪—大陆槽稀土矿床中与碳酸岩共生的正长岩锆石的SHRIMP年龄来制约碳酸岩及稀土矿床的时代，表明与共生碱性岩体中锆石的U-Pb年龄可以代表复式岩体中碳酸岩的时代。

表1 攀枝花拉纳箐铁矿区与碳酸岩共生的石英二长岩锆石U-Pb定年分析结果

攀枝花拉纳箐铁矿区碳酸岩与橄榄岩、煌斑岩、辉长岩及石英二长岩共生，本次工作在进行详细的岩浆岩剖面测制过程中(图7)，采集了与碳酸岩为渐变过渡的石英二长岩锆石年龄样品。石英二长岩主要由斜长石(～45%)，钾长石(～40%)，石英(～10%)以及极少量的暗色矿物组成。斜长石主要为更—钠长石，规则板柱状，中细粒结构，聚片双晶发育，多数双晶纹细而密，部分发育卡纳双晶，局部绢云母化导致表面不干净。钾长石主要为微斜长石，部分为正长石，中细粒结构为主，微斜长石格子双晶发育，偶包裹石英、斜长石微晶和黑云母细片，正长石由于粘土化多数表面不干净，与斜长石呈不均匀相间分布，有时候相对集中呈团块。石英细—中粒结构，显微镜下多数干净明亮，由于结晶时应力影响，部分具有波状不均匀消光，一般不均匀分布在长石间隙，偶见相对集中呈团块分布。黑云母浅棕色( 5%)，一般为细小片状分散不均匀分布，部分已退色，主要蚀变为绿泥石及碳酸岩矿物。

利用设在中山大学东校区内广东省海洋资源与近岸工程重点实验室的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)，对锆石进行了U-Pb定年，测试仪器、参数及流程见付宇等(2015)，测试结果显示(表1)，石英二长岩锆石的n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为260.2±1.7Ma(MSWD=0.30,n=20)，与谐和线交点年龄为260.1±1.9Ma(MSWD=0.25,n=20)，二者高度一致(图8)。

图8 四川攀枝花拉纳箐铁矿区与碳酸岩共生石英二长岩锆石的U-Pb年龄

4.3 粗粒白云石碳酸岩斜锆石的U-Pb年龄

碳酸岩属硅不饱和岩浆岩，因此Zr元素多以斜锆石(ZrO2)存在，在南非的Phalaborwa火成碳酸岩体中最为发育，其中的斜锆石是国际上通用标准矿物(PHA)，不少学者对其进行了精确的U-Pb年龄测试，截止目前为止，公认的年龄为2060Ma。本次工作在攀枝花碳酸岩中均分选出大量斜锆石，以最南西侧的拉纳箐粗粒白云石碳酸岩为例，该碳酸岩体几千米范围内无晚二叠世辉长岩出露，主要矿物组成为白云石、橄榄石及斜方辉石，不发育热液矿物，因此排除Ganino等(2013)认为的辉长岩侵位后接触变质作用的影响。斜锆石颗粒粗大，绝大多数超过100μm，少数颗粒达200μm，在透射光下多为浅棕色、淡紫色或无色透明、半透明板片状及不规则状，不发育气液包裹体，阴极发光下震荡环带不如锆石清晰，少量斜锆石裂纹发育。斜锆石U-Pb同位素定年在中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，激光剥蚀系统为GeoLasPro，ICP-MS为Agilent 7700x，仪器参数、测试条件、详细流程数据处理及校正过程见李艳广等(2015)。

对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、U—Th—Pb同位素比值和年龄计算)采用软件BUSTER1.0完成。U-Pb同位素定年中采用通用的斜锆石标准Phalaborwa(PHA)作外标进行同位素分馏校正。对于与分析时间有关的U—Th—Pb同位素比值漂移，利用Phalaborwa的变化采用线性内插的方式进行校正。斜锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3完成。斜锆石属氧化物，如果利用硅酸盐矿物作标准物质，由于基体效应会产生很大的误差，因缺少斜锆石微量、稀土元素含量的标准物质，故在测试过程中未测试Th、U及Pb元素含量，且锆石、斜锆石年龄计算亦不需要上述物质含量，仅需比值即可。测试结果表明(表2)，斜锆石的n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为263.5±3.2Ma(MSWD=0.41,n=20)，与谐和线交点年龄为262.5±3.9Ma(MSWD=0.40,n=20)，二者亦高度吻合(图9)。

表2 四川攀枝花西南地区粗粒白云石碳酸岩中斜锆石U-Pb定年分析结果

图9 四川攀枝花西南部粗粒白云石碳酸岩中斜锆石的U-Pb年龄

攀枝花地区碳酸岩斜锆石及其共生石英二长岩锆石的U-Pb年龄，与区内辉长岩(263±3Ma)、正长岩(253.1±1.9Ma)及苦橄质岩脉(261.4±4.6Ma)的时代非常接近，表明上述正长岩、石英二长岩、辉长岩、碳酸岩、煌斑岩以及橄榄岩侵位时代均为晚二叠世，与峨眉山玄武岩同期，皆为峨眉地幔柱的产物。

5 攀枝花碳酸岩的成因探讨及地质意义

5.1 碳—氧同位素特征

已知大多数深源火成碳酸岩及金刚石的δ13C同位素为-5‰±2‰，Ganino等(2013)对攀枝花地区的不同类型的“大理岩”进行了较为详细的碳—氧同位素研究，实际上我们通过对这些“大理岩”详细考察后，认为它们皆是岩浆型碳酸岩，同时也补充了一些碳酸岩样品的碳—氧同位素测试。测试结果表明(表3)，16件样品的δ13C值位于-9.6‰～+1.3‰范围，其中12件样品值为负数，16件样品均值为-2.3‰。本文收集了目前已发表一些碳酸岩的碳同位素值进行对比(表4)，绝大多数碳酸岩的碳同位素均为负值，亦有极少部分为正值，对比可见攀枝花碳酸岩最低的δ13C值与甘肃礼县、肯尼亚及佛得角群岛碳酸岩最低值接近，最高值与德干、肯尼亚碳酸岩最高δ13C值相似。16件碳酸岩的氧同位素值位于+12.9‰～+21.3‰，均值为+17.5‰，与已发表的典型碳酸岩的氧同位素值对比，低值与白云鄂博、甘肃礼县碳酸岩相当，高值与德干、纳比米亚、肯尼亚及加拿大等地碳酸岩氧同位素值接近(图10)。

表3 四川攀枝花铁矿碳酸岩的碳—氧同位素组成

图10 四川攀枝花碳酸岩与其它典型碳酸岩的C—O同位素对比

目前已发表的灯影组沉积型碳酸盐岩的碳同位素结果表明，绝大多数δ13C为正值，而多数大于+2‰，即多数样品均高于岩浆型碳酸岩的碳同位素值；灯影组的氧同位素值较为集中(δ18OPDB换算成δ18OSMOW后的值大于21‰，小于32‰)，其值变化范围则不如多数岩浆型碳酸岩δ18O值范围大(表4)。

表4 攀枝花碳酸岩与世界主要碳酸岩的碳—氧同位素对比

5.2 碳酸岩的成因探讨

碳酸岩的形成目前有三种主流观点，第一是富CO2岩石圈或软流圈地幔极低部分熔融；其次为富CO2硅酸盐结晶分异；第三种为富CO2的碱性硅酸岩岩浆的不混溶作用，不同成因碳酸岩的岩石及矿物组合差异明显。攀枝花地区碳酸岩空间上与超基性岩、基性岩、钒钛磁铁矿体、正长岩及少量石英二长岩紧密共生，岩石主体为辉长岩，是地幔部分熔融的产物，晚二叠世本区为由峨眉地幔柱活动引起的快速陆内裂谷拉张环境，碳酸岩中常见煌斑岩脉、煌斑岩捕虏体，煌斑岩是公认的地幔低部分熔融产物，因此，根据本区岩石组合、矿物组合初步推测，区内碳酸岩可能形成于深部地幔低部分熔融，与峨眉地幔柱有关，是真正意义上的“干”火成碳酸岩。

此外，野外常见如图2a和图4e中暗色岩浆岩(橄榄岩或煌斑岩)与浅色碳酸岩组成的条纹、条带构造，与华北大同地区碳酸岩—煌斑岩相似。实验地球化学研究表明，1.5～3.0GPa煌斑岩在全熔温度为1400±20℃～1500±20℃；CaO—MgO—Al2O3—SiO2—CO2(CMAS—CO2)体系中，碳酸盐化二辉橄榄岩在2GPa固相线温度也在1400℃左右，表明在一定的温度、压力下，煌斑岩、碳酸岩、二辉橄榄岩岩浆可以共存。推测上述条纹、条带的成因可能由地幔低部分熔融形成的混合岩浆在侵位及冷却过程中，由于物理化学条件的改变，尤其是温度和压力的改变，可能发生过碳酸岩岩浆与硅酸盐岩浆不混溶，导致两相分异现象，由于局部分离不彻底，形成条纹、条带状构造；另外一种成因可能是碳酸岩熔体就位后，熔蚀橄榄岩捕虏体，在二者结合部形成熔蚀条纹、条带。

5.3 碳酸岩与稀土矿化

尽管已发现的大多数稀土矿床中存在碳酸岩，很多数学者认为稀土成矿作用与碳酸岩有关。全球范围内已发现的500多处碳酸岩中，也仅有100余处碳酸岩中发育稀土矿化。与攀西地区冕宁—德昌及内蒙古白云鄂博稀土矿床中岩浆演化晚期形成“湿”碳酸岩不同的是，攀枝花铁矿区内碳酸岩的矿物组合简单，岩石的变质作用亦非常微弱，在碳酸岩及周边，我们所穿越的数十条路线中，尚未发现大规模与稀土成矿作用有关的热液活动及稀土矿物，亦不发育如牦牛坪、大陆槽等稀土矿床中颗粒粗大的、常与稀土矿物共生的石英、萤石、霓石、钠长石(霓长岩化)、霓辉石，牦牛坪稀土矿床中晶洞极为发育，上述矿物组合及晶洞是典型的岩浆演化晚期富挥发份热液活动，即伟晶岩化作用的产物，也就是说牦牛坪、大陆槽等稀土矿床本质上属典型富挥发份的热液矿床，热液流体在稀土成矿作用过程中起着至关重要的控制作用。据统计，世界上大多数碳酸岩的稀土含量并不高，只有少数(不到20%)碳酸岩中富集稀土元素，对本区十余件碳酸岩样品分析结果显示(另文发表)，REE含量总体较低，与世界上绝大多数不含矿碳酸岩相似。由于攀枝花钒钛磁铁矿属典型的正岩浆矿床，峨眉地幔柱部分熔融形成的混合岩浆(硅酸岩浆+钒钛磁铁矿浆+碳酸岩浆)在向上运移过程中或侵位之后，由于物理、化学条件的改变，尤其是温度和压力变化，会发生强烈的岩浆熔离作用，目前为止，在朱家包包至拉纳箐矿区约20km的范围内，没有与这类“干”的碳酸岩同期大规模富碱、富挥发份热液活动的证据，缺少流体对稀土元素萃取、搬运及沉淀过程，也缺少如攀西牦牛坪大陆槽喜马拉雅期稀土成矿带中稀土元素富集的大地构造环境、过程，这可能是至今为止未在攀枝花铁矿区内发现大规模稀土成矿作用的根本原因。

5.4 碳酸岩的科学意义

本次工作在攀枝花铁矿区识别出的晚二叠世碳酸岩完善了峨眉大火成岩省的岩浆序列，尤其碳酸岩喷出岩，除了在甘肃礼县有发现外，在我国其它地方少有报道。碳酸岩在地球表面分布稀少，但其具有重要的地质意义，首先，在大火成岩省中，碳酸岩在空间中常与碱性硅酸岩共生，是研究地幔柱形成、演化的重要物质基础，对进一步探讨晚二叠世峨眉地幔柱具有重要意义；其次，碳酸岩形成于超过75km的低程度部分熔融，具有极高的相容元素如Rb、Sr、U、Th、Ba、Nb及REE分配系数，可以缓冲地壳混染，是研究地幔的重要载体；第三，部分熔融过程中，大量碳元素被碳酸岩从地幔中抽取出来，是探索地球内部碳循最重要的物质基础。因此，对本区碳酸岩进一步研究对于揭示晚二叠世地球深部的物质组成、结构、演化和动力学过程具有重要的理论意义。

5.5 存在问题

到目前为止，攀枝花大规模碳酸岩的识别主要是通过野外岩石组合和显微镜下矿物组合证据，其成因探讨缺少Sr—Nd等同位素支撑，应是下一步的研究重点。

其次，已发现的大多数稀土矿床中都存在碳酸岩，但到目前为止，在攀枝花铁矿区内大规模碳酸岩中并未发现明显的稀土等矿化，除了大规模同期正长岩、粗面岩及少量石英二长岩、煌斑岩之外，在很多稀土矿床及碳酸岩中常见的其他碱性岩，如霞石岩、磷霞岩、霞石正长岩及响岩等亦未发现，与稀土成矿相关的蚀变，如富碱流体的霓长岩化作用不明显，矿物组合也较简单，攀枝花铁矿区是否存在与晚二叠世与碳酸岩有关的大规模稀土成矿作用，值得进一步工作。

第三，本次工作在红格铁矿区发现了较大规模的稀土矿化，主要分布在细小正长岩脉与辉长岩的接触带，在厚大的正长岩中稀土矿化相对较弱，接触带的蚀变类型包括黑云母化、萤石化、霓长岩化等，矿物组合(烧绿石、氟碳铈矿、萤石、黑云母、霓辉石)亦较复杂，已知矿物超过20种，但在该区填图过程，目前尚未识别出碳酸岩，在所穿越的多条路线过程中，前人圈定的灯影组大理岩、白云岩层理发育，并夹大量碎屑岩，上覆及下伏地层也较清晰，原岩确属沉积岩无疑，红格铁矿区是否存在晚二叠世岩浆型碳酸岩，以及该区稀土矿化是否与碳酸岩有关也是值得进一步探讨的问题。

6 结论

(1)通过1∶5万地质填图及详细的薄片鉴定，在攀枝花铁矿区识别出大规模的岩浆型碳酸岩，以侵入岩为主，其次为少量喷出岩、潜火山岩及火山角砾岩；大量的、不同尺度的二辉橄榄岩、纯橄岩及煌斑岩地幔捕虏体是判定岩浆型碳酸岩最重要的、最直接的野外证据，也是其重要的物质组成。

(2)碳酸岩主要矿物组成为方解石、白云石和橄榄石、斜方辉石及其蚀变而成的蛇纹石。根据颜色、矿物组成、比例、粒度大小可进一步划分不同的碳酸岩类型。

(3)碳酸岩中斜锆石及其共生石英二长岩锆石的加权平均年龄分别为263.5±3.2Ma(MSWD=0.41,n=20)及260.2±1.7Ma(WSWD=0.30,n=20)，表明其形成于晚二叠世，δ13CPDB(-9.6‰～+1.3‰)及δ18OSMOW(+12.9‰～+21.3‰)值也与其他典型碳酸岩的同位素值相当，大规模碳酸岩的识别完善了峨眉山大火成岩省岩浆岩序列。

(4)攀枝花铁矿区碳酸岩与冕宁—德昌稀土成矿带中稀土矿化碳酸岩的岩石组合、矿物组合差异明显，前者形成于喜马拉雅造山运动环境，为岩浆演化晚期富气液的伟晶岩化产物，后者形成于晚二叠世快速陆内裂谷拉张环境，是一种“干”的碳酸岩，为深部地幔低部分熔融的产物；混合岩浆在侵位及冷却过程中，由于物理化学条件改变，发生过碳酸岩浆与硅酸岩浆的分异作用。

(5)尽管目前在攀枝花铁矿区未发现与碳酸岩有关的稀土矿化，但大规模碳酸岩的识别对进一步揭示晚二叠世地球深部的物质组成、结构、演化和动力学过程具有重要的科学意义。

致谢：野外工作中得到攀枝花铁矿张加飞、舒瑞青以及攀枝花市国土局刘怡、吴绍富大力协助，一起参加野外地质填图的还有四川省地质矿产勘探开发局106地质大队的刘毅、冯杰、徐小雨及成都理工大学在读研究生王刚、杨碧筠等，成都地质调查中心闵际坤老师在室内岩矿鉴定过程中给予了大量帮助，谢玉玲教授、张拴宏研究员及多位审稿专家提出了宝贵的修改意见，谨致谢忱！

原文来源：《地质论评》2020年第5期P1299-1320页

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