磁铁矿与黄铁矿双向交代研究及意义

1、文章编号:1006-6616(200003-0083-07收稿日期:2000-07-05基金项目:国家自然科学基金(49972020作者简介:徐和聆(1944,男,研究员,主要从事环境矿物与磁性矿物研究。磁铁矿与黄铁矿双向交代研究及意义徐和聆1,陈克樵2,马醒华1,孙知明1(1.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081; 2.中国地质科学院矿床地质研究所,北京100037摘要:在华北盆地南缘早古生代碳酸盐岩中,发现了包括交代假象和交代残余在内的一系列足以支持磁铁矿与黄铁矿之间发生过双向交代作用的确凿矿物学证据,甚至在同一个磁性矿物颗粒内,还辨认出方向完全相反而且是先后发生的2种交代现象。

2、磁铁矿(铁磁性矿物和黄铁矿(顺磁性矿物之间的双向交代会直接干扰古地磁数据,并影响以此为基础而开展的地块运动分析和古地理的重建。关键词:磁铁矿;黄铁矿;双向交代作用中图分类号:P571文献标识码:A0引言磁铁矿与黄铁矿是地壳中分布最广泛的铁的氧化物和硫化物,形成于各种不同的地质条件,见于多种岩石中。但关于它们之间的交代作用却尚少研究。有关的矿物学论著通常只介绍黄铁矿交代磁铁矿现象,至今仍未涉及磁铁矿交代黄铁矿问题1。磁铁矿是一种具有强磁性的铁磁性矿物,是最常见的能携带岩石剩余磁性的载磁矿物;而黄铁矿则属于一种显弱磁性或无磁性的顺磁性矿物,通常并不携带岩石剩磁。在磁铁矿交代黄铁矿时,新生的磁铁矿就

3、携带上新的剩磁(即重磁化剩磁。而在黄铁矿交代磁铁矿的同时,磁铁矿携带的剩磁反而会被清洗掉。因此,磁铁矿与黄铁矿的双向交代与古地磁研究有直接联系,更易引起地磁学家的关注。今天,古地磁方法已逐渐成为一种解决大地构造问题的重要手段24。然而由磁铁矿交代黄铁矿引起的岩石重磁化会对岩石的原生剩磁产生干扰,并进而影响古地磁结果的可靠性。目前,地磁学界已对此达成共识,并将其列为当前亟待解决的热点问题5,6。近年来,人们也开始采用矿物学方法对交代成因的磁铁矿进行鉴定7,8,但至今未发现交代残余等一系列能确认交代过程的可靠证据,这对判别交代作用来说甚为关键,而由黄铁矿交代磁铁矿导致对岩石剩磁的清洗,至今尚未引起

4、人们关注。本文试图在介绍磁铁矿与黄铁矿双向交代作用及一系列可靠证据的同时,分别对其形成第6卷第3期2000年9月地质力学学报JOU RNA L OF GEOM ECHANICSVol.6No.3Sep .200084地质力学学报2000机制、研究意义及其前景作初步介绍,企望引起有关学者的重视,以推动相关地学问题研究的深入。1研究基础在华北盆地南缘的焦作、济源、登封一带广泛发育古生代碳酸盐岩,选择已作过古地磁研究的12个样品作为本专题的研究对象。其中,中奥陶统泥灰岩或白云质灰岩样4个(JO-3-9,JO-5-10,JO-7-8和JO-18-12,采自河南焦作;上寒武统灰岩、白云岩或白云质灰岩样6

5、个(JCA-14-10,JCA-16-10,JCA-17-10,JCA-29-2,JCA-39-10和JCA-41-1,采自河南济源和登封;中寒武统白云岩样2个(JCA-9-10和JCA-22-26,采自河南济源。古地磁与岩石磁学实验研究表明,上述地区的碳酸盐岩样品,几乎都显示与近代地磁场方向一致,并且大体属于中生代的重磁化剩磁成分。样品的多种岩石磁学曲线都反映出载磁矿物组合中包含有磁铁矿(JCA-16-10,JCA-39-10,JCA-22-26等,有的以磁铁矿为主(JCA-9-10,JCA-7-8等,主要特点为低矫顽力(0.05T左右,在0.30.5T磁化场中等温剩磁达到饱和9。岩石薄片的

6、显微镜初步观察表明,磁铁矿与黄铁矿是样品中最常见的磁性矿物。它们之间的交代现象也有所发现,从而使上述样品成为本项研究的理想选择。2研究方法早古生代碳酸盐岩经历了漫长而复杂的沉积演化过程,其内可以出现不同成因与不同时间形成的磁铁矿和黄铁矿。它们不但颗粒十分细小,而且还发生不同程度的次生变化,难以用常规的矿物分离技术将它们分选出来分别去研究。本项研究首先对样品的二面抛光薄片进行偏反光显微镜观察,研究磁铁矿与黄铁矿的种类、形态、光性及其生成顺序和交代关系,然后选择镜下已经发现有双向交代现象的薄片,将其中的磁铁矿和黄铁矿采用新型电子探针(EPM A进行二次电子图像分析和硫、铁的元素特征X射线像分析,并

7、选择代表性测点,辅以化学成分和微量元素的定量分析,对矿物种类及其交代关系进行准确鉴定和系统研究。3磁铁矿交代黄铁矿3.1交代证据自济源上寒武统白云质灰岩中的一个典型草莓状黄铁矿集合体,发现颗粒内Fe 元素的分布范围显然比S 大,似乎已经出现磁铁矿的“反应边”,是一种轻微交代现象(图版I-46,表1。地质作用及其过程的复杂性与地质环境的多变性决定了此类交代作用发生的多成因特点,而其中主要者当属流体活动和热扰动10,11。,它们往往受构造躯动而活动,沿构造裂隙而运移,流体在其流动过程中将不断发生酸碱度等的变化,以至在水-岩地球化学体系的适宜时空段,发生磁铁矿交代黄铁矿现象。在低温情况下交代过程将会

8、持续很久,如果是热液,因有温度参与,导致分子运动加剧而大大缩短交代过程。(1鉴于此类交代作用至今并未得到矿物学界的足够重视,我们认为,若将这类交代作用与古地磁研究中的热点问题结合,对交代成因的磁铁矿进行深入的成因矿物学研究,或许有望逐渐开拓一个主要由矿物学与岩石磁学相互渗透、相互交叉形成的崭新研究学科磁性矿物成因矿物学。(2鉴于岩石重磁化这一古地磁热点问题已经影响到古地磁研究结果的可靠性,那么作为岩石重磁化的起因磁铁矿交代黄铁矿问题,就显得格外重要。在古地磁研究的同时,加强对此类交代作用的研究就有助于提高古地磁结果与数据的可信度,有助于提高以古地磁数85第3期徐和聆,等:磁铁矿与黄铁矿双向交代

9、研究及意义据为基础开展的地块运动和古地理重建的研究水平。表1磁铁矿和黄铁矿的电子探针分析数据T able1Data of mag netite and py rite fro m EPM A%矿物样号Na2O M gO Al2O3S iO2K2O CaO T iO2Cr2O3M nO FeO S O3黄铁矿注:表内数据由矿床地质研究所陈克樵研究员测试,分析仪器为日本电子公司生产的JXA-8800R型电子探针;样号: JCA-22-26 ,JCA-14-10 ,JCA-16-10 ,JC A-9-10 ,J CA-14-10 和J CA-22-26数据,获自图版I-13,46,7 11和图版I-

10、14所示颗粒。(3鉴于交代形成的磁铁矿成因矿物学研究涉及所携带的地磁场作用信息,直接与构造活动有关的构造热事件信息和断裂作用信息,以及间接与构造活动有关的岩浆与热液作用信息,从而可望据此建立地磁场与构造运动之间的联系,进一步开拓其在地学研究中的应用前景。4黄铁矿交代磁铁矿4.1交代证据5.06、TiO2=0.17、M nO=0.26、FeO=57.32(主要为磁铁矿成分;S=16.40、Fe=13.96、Co=0.27、Ni=0.16 (黄铁矿成分,总量96.90(图版I-14。既是形成机制的判别标志,又可以作为交代作用的一种证据。磁铁矿通常不含Co 、Ni,而岩浆型、热液型与矽卡岩型黄铁矿,

11、一般都含以类质同象方式存在的Co 和Ni 。因此,热液交代形成的黄铁矿就可能含Co 、Ni (图版I -14;而常温水溶液中交代形成的黄铁矿,就可能不含或少含Co 、N i (图版I-79,表1。4.2形成机制此类交代作用的发生多与流体活动和气体活动有关,但往往又以前者为主,有时二者密切相伴。12编制的pH -Eh 图表明,还原环境中流体的pH值变小或碳酸与硫的总浓度升高,有助于上述黄铁矿交代磁铁矿现象的发生。王濮等(19821也曾明确指出,在氧化电位升高或在溶液中含硫达一定浓度的条件下,可导致由磁铁矿形成黄铁矿。由此可见,在水-岩地球化学系统中,黄铁矿交代磁铁矿比较容易发生,常温下也不例外。

12、如果有岩浆期后热水溶液的参与,那么由于高温度和硫的高浓度,交代作用更容易发生。磁铁矿的存在和硫的参与,是发生交代作用的必要条件。上述假象磁铁矿和沉积成岩磁铁矿都可能是被交代的对象。地表水溶液中硫的含量并不低,通过风化淋滤或还原作用,借助于水溶液使地表岩石中的硫溶解、迁移或再分配;通过火山作用和构造运动,借助液态介质可将地球深部的硫沿构造裂隙排出,而岩浆活动中未在岩浆熔离中富集的硫也可直接进入岩浆期后热液并沿构造裂隙活动。上述不同来源的硫都有可能参与此种交代作用,水溶液中含硫量只需达到一定浓度,就有可能使岩石中的磁铁矿变成黄铁矿。此种交代作用可能主要以扩散交代方式进行,难以彻底改造碳酸盐岩中的磁

13、铁矿,因此,经常发现部分被黄铁矿交代的磁铁矿(图版I -79或未被交代的磁铁矿(图版I -12。(1无论是在沉积成岩阶段形成的陆源碎屑、火山碎屑或成岩磁铁矿,还是在后生阶段形成的次生交代磁铁矿,都有可能成为被黄铁矿交代的对象,从而使其携带的原生剩磁或重磁化剩磁在被交代过程中受到不同程度的清洗。显然,此种交代作用也会影响或干扰古地磁基本数据,因此,对其进行研究也可能是古地磁学及其在地学中应用研究的一个重要环节。(2在碳酸盐岩中,交代黄铁矿形成的磁铁矿后来又被黄铁矿交代的现象比较普遍。黄铁矿交代作用的叠加,会加大岩石重磁化问题的研究难度。在古地磁研究中,时有无法获得结果的情况出现。若在采样时预先考

14、虑此因素,尽可能避免采集此类样品,就有望提高样品的利用率;若按此思路去探讨无法得出古地磁结果的原因,有可能给出合理的解释,或许还能从另一角度对其进行研究,以便最大限度地挖掘古地磁研究的潜力,充分利用其大量而宝贵的样品资源。87第3期徐和聆,等:磁铁矿与黄铁矿双向交代研究及意义88 地质力学学报 2000 5结语 磁铁矿与黄铁矿的双向交代主要起因于流体与气体活动或热扰动, 而它们又都与构造运 动有着直接或间接的密切联系。在古老碳酸盐岩成岩后, 经历了漫长而复杂的后生与表生改 造, 经受了不同介质条件的水溶液与气态介质和热扰动的改造, 使其有可能不断发生双向交 代作用和不断形成新的磁铁矿或黄铁矿。

15、它们不但借助磁组构和剩磁方向直接携带地磁场的 变化信息, 而且还借助其晶格方位、显微形变、生成年龄、微量元素和稳定同位素成分等携 带了有关构造演化的信息。因此, 磁铁矿与黄铁矿的双向交代, 不仅仅是个矿物学和古地磁 学的问题, 通过它还可以直接把地磁场演化与构造演化联系起来, 为研究构造演化问题提供 一个切实可行的新思路。 参 考 文 献 1 王濮, 潘兆橹, 翁玲宝, 等. 系统矿物学 ( 上册 M . 北京: 地质出版社, 1982. 345. 2 朱日祥, 杨振宇, 吴汉宁, 等. 中国主要地块显生宙古地磁视极移曲线与地块运动 J . 中国科学 ( D 辑 , 1998, 28 ( 增

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22、显示黄铁矿五角十二面体与立方体聚形假象, 内含黄铁矿交代残 余。薄片 JCA-22-26, ×28; -46. 草莓状黄铁矿集合体。显示磁铁矿 “ 反应边” 。薄片 JCA -14-10, ×1000; I I-79. 显示黄铁矿五角十二面体假象的磁铁矿颗粒。 黄铁矿沿着颗粒内的破裂和碎粒部位交 代了磁铁矿。薄片 JCA -16-10, ×43; I -10. 呈黄铁矿八面体假象的磁铁矿颗粒, 内含黄铁矿交代残余, 薄片 JCA -9-10, ×43; I-11. 呈磁铁矿假象的黄铁矿颗粒。JCA-14-10, ×5500; I-12. 未被黄

23、铁矿交代的磁铁矿颗粒, 薄片 JCA-17-10, ×1200; I-13. 保留黄铁矿环带结构的假象磁铁矿, 薄片 JCA-16-10, ×6000; I -14. 先后被磁铁矿和黄铁矿交代的草莓状黄铁矿集合体, 左上角三角形区为次外层内的磁铁 矿与黄铁矿混合物, 薄片 JCA-22-26, ×11000。 ( 其中 I-1、4、7、1014 为电子探针二次电子像; I-2、5、8 为 S 元素的特征 X 射线像; I-3、 6、9 为 Fe 元素的特征 X 射线像 DUAL METASOMATISM BETWEEN MAGNETITE AND PYRITE AND ITS IMPLICATIONS XU He-ling 1, CH EN Ke-qiao 2, MA Xing-hua 1 , SUN Zhi-ming 1 ( 1. Insti tut e of G eomec hanics, CA GS , Beij i ng 100081, China; 2. Ins