Fe-O-S isotopic and geochemical characteristics of the Cihai iron deposit, Xinjiang
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摘要:
新疆磁海铁矿位于北山构造-成矿带西端，以磁海矿段为主要组成部分，铁矿体主要为透镜状、似层状，围岩以辉绿岩为主，二者接触线截然且平直；另外一种矿体产在基性岩体与地层接触带的石榴子石透辉石矽卡岩岩体内，整个矽卡岩岩体即为铁矿体。通过野外矿床特征与矿相学研究，成矿过程可分为：① 矿浆期，以磁铁矿+单斜辉石+普通角闪石的近同时产出为特征；② 矽卡岩期，先期以石榴子石+透辉石+磁铁矿为特征，后期以透闪石/阳起石+石英+磁黄铁矿+黄铜矿+黄铁矿的组合为特征。通过对矿浆期及矽卡岩期典型矿物的地球化学及Fe、S、O同位素结果分析，认为矿浆期铁质具有幔源特征，矽卡岩期成矿流体对矿浆期具有继承性。通过与前人研究结果对比分析，认为磁海成矿可能形成于塔里木地区二叠纪地幔柱背景，含矿母岩浆可能为地幔柱的分支。
Abstract:The Cihai iron deposit, located in the western Beishan tectonic-metallogenic belt, is mainly composed of Cihai ore block, in which the orebodies hosted by diabases in direct contact show stratiform and lentoid forms, whereas other orebodies in Cihai ore block are hosted by garnet-diopside-skarns.Based on the study of field geochemical characteristics and ore microscopy, the authors hold that the formation processes of the Cihai iron deposit involved two periods:① ore-magma period characterized by magnetite+clinopyrox-ene+hornblende formed almost simultaneously, and ② skarn period which contained garnet+diopside+magnetite formed earlier and tremolite/actinolite+quartz+pyrrhotine+chalcopyrite+pyrite formed at late stage.The geochemical and Fe-S-O isotopic data of main minerals in two periods show that the metallogenic iron was mainly derived from the upper mantle, and the ore-forming fluid in skarn period inherited that of the ore-magma period.In combination with previous studies, it is suggested that the iron mineralization of the Cihai iron deposit occurred in a setting of Permian mantle plum in Tarim.Targeted on iron ores in diabases and based on geological, geo-chemical and isotopic data and previous researches, the authors hold that the formation process of the Cihai deposit could be divided into immiscibility and injection of iron-rich silicate liquids(primary process)and hydrothermal metasomatic process.The iron mineraliza-tion occurred in a setting of Permian mantle plum in Tarim Basin and the metallogenic magma was a branch of mantle plume.
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Keywords:
- Fe-S-O isotope /
- major/trace elements /
- Cihai iron deposit /
- Beishan, Xinjiang
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致谢: 野外工作得到了磁海铁矿邵发志同志等工作人员及高海军、罗建宏硕士的大力帮助；电子探针试验得到了中国地质科学院陈小丹实验员的帮助；Fe同位素测试得到中国地质科学院马建雄、石垚等实验员的帮助；S、O同位素的测试得到了核工业地质所相关工作人员的帮助，一并在此表示诚挚的感谢。
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图 1 磁海矿区磁海矿段地质简图（据参考文献[8]修改）
P1j—下二叠统菊石滩组砂砾岩；P1s—下二叠统双堡塘组火山岩；ZjPn—蓟县系平头山群长英质片岩类；βμ—辉绿岩；ν—辉长岩
Figure 1. Sketch geological map of the Cihai ore block of the iron district
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图版Ⅰ
a.磁海矿段矿坑全貌；b.辉绿岩容矿磁铁矿体，矿体与围岩界线截然；c.矽卡岩铁矿体；d.矿浆期矿物-磁铁矿、单斜辉石及普通角闪石（薄片、透射单偏光）；e.矽卡岩期磁黄铁矿、黄铜矿对矿浆期磁铁矿交代、充填（光片、单偏光）；f.矽卡岩期黄铜矿、黄铁矿对矿浆期磁铁矿交代（光片、单偏光）；g.矽卡岩期形成的透辉石、透闪石-阳起石及石英充填交代于矿浆期磁铁矿中（薄片、透射单偏光）；h.矽卡岩矿石中石榴子石、透辉石和磁铁矿呈近似层纹状互层产出（薄片、透射单偏光）。Mag—磁铁矿；Po—磁黄铁矿；Ccp—黄铜矿；Py—黄铁矿；Cpx—单斜辉石；Hbl—角闪石；Di—透辉石；Grt—石榴子石；Tr—透闪石；Q—石英
图版Ⅰ.
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图 2 矿浆期和矽卡岩期磁铁矿稀土元素(a)和微量元素(b)球粒陨石标准化蛛网图（标准化数据据参考文献[23]）
Figure 2. Chondrite-normalized REE (a) and trace element (b) patterns of magnetite from massive iron ore and skarn iron ore
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图 3 矿浆期磁铁矿和矽卡岩期黄铁矿稀土元素(a)与微量元素(b)球粒陨石标准化配分图（标准化数据据参考文献[23]）
Figure 3. Chondrite-normalized REE (a) and trace element (b) patterns of magnetite and pyrite from massive iron ore
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表 1 矿浆期磁铁矿电子探针分析结果
Table 1 Electron microprobe analyses of magnetite from massive iron ore
% 样号 CH-8-1 CH-8-2 CH10-1 CH15-2 CH35-1 CH35-2 CH22-1 CH23-1 CH25-3 CH-25-1 Cn4-1 CN3-1 CN-5 SiO2 0.19 0.00 0.07 0.02 0.24 0.27 0.36 0.16 0.08 0.22 0.13 0.16 0.14 TiO2 0.00 1.18 0.03 0.10 0.13 0.21 0.03 0.00 0.05 0.04 0.02 0.09 0.00 Al2O3 0.54 0.55 0.65 0.59 3.16 3.24 0.59 0.77 0.73 0.84 0.03 1.88 1.50 TFeO 90.69 89.59 90.44 91.56 89.43 89.47 91.26 91.98 92.28 92.07 92.90 91.33 92.93 MnO 0.04 0.05 0.15 0.20 0.22 0.31 0.09 0.08 0.06 0.15 0.08 0.25 0.52 MgO 0.12 0.32 0.04 0.04 0.08 0.13 0.08 0.07 0.04 0.19 0.04 0.16 0.08 CaO 0.00 0.16 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Na2O 0.62 0.30 0.00 0.00 0.00 0.00 0.05 0.15 0.00 0.01 0.00 0.15 0.04 K2O 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 P2O5 0.01 0.00 0.03 0.01 0.00 0.01 0.01 0.02 0.00 0.00 0.03 0.02 0.02 Cr2O3 0.12 0.02 0.02 0.01 0.05 0.10 0.07 0.04 0.05 0.01 0.04 0.02 0.03 NiO 0.05 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 总计 92.38 92.18 91.44 92.53 93.30 93.73 92.52 93.28 93.30 93.53 93.26 94.06 95.27 注：TFeO代表全铁含量 
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表 2 矿浆期磁铁矿和矽卡岩期磁铁矿及黄铁矿微量和稀土元素分析结果
Table 2 Analytical results of trace and rare earth elements of the magnetite from massive iron ore and magnetite and pyrite from skarn iron ore
10-6 矿浆期 矽卡岩期 样号 CH-2 CH-3 CH-4 CH-5 CH-6 CH22-1 CH22-2 CH14-1 CH14-2 CH-7 CH-12 CH-29 矿物 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 磁铁矿 黄铁矿 黄铁矿 黄铁矿 Li 0.853 0.57 0.682 0.478 0.341 0.584 0.592 5.23 5.6 0.154 0.134 0.57 Be 0.319 0.409 0.47 0.425 0.476 0.054 0.077 0.234 0.256 0.335 0.25 0.343 Sc 0.701 0.592 0.644 0.654 0.567 4.51 5.62 7.2 7.93 0.054 0.141 0.542 V 17.7 17.2 24.6 16.5 22.6 134 143 167 176 0.385 0.393 6.22 Cr 6.51 6.98 34.7 24.6 12.7 121 128 251 264 2.88 1.82 3.69 Co 61.7 64.7 70.7 63.7 77.8 40.2 42.7 31.5 33.4 213 182 943 Ni 19 16.9 18.9 16.9 15.6 28.4 30 35.7 36.2 39.5 23.6 908 Cu 4.86 6.88 16 6.89 7.31 14.4 14.8 31.5 34.3 58 112 4461 Zn 149 293 403 346 331 121 126 302 322 22.2 20.2 93 Ga 7.96 7.82 6.42 6.11 6.51 14.2 14.6 14 15.2 0.388 0.341 1.24 Rb 0.218 0.297 0.485 0.163 0.064 0.155 0.208 2.72 2.92 0.058 0.021 0.384 Sr 2.23 1.26 1.6 1.43 2.11 2.81 2.79 21.2 23.1 1.19 1.62 3.52 Y 0.098 0.066 0.116 0.191 0.201 0.338 0.299 4.24 4.52 0.043 0.093 1.42 Zr 3.39 5.17 8.27 4.7 5.23 2.54 2.72 51.4 55.1 0.153 0.484 2.27 Nb 2.54 2.91 3.05 1.79 2.46 1.65 1.7 6.93 8.73 0.746 0.052 0.082 Cs 0.064 0.062 0.084 0.03 0.028 0.044 0.035 0.169 0.189 0.025 0.021 0.174 Ba 2.5 1.9 2.21 3.38 1.47 16.2 16.3 37.9 38 2.31 8.6 5.93 La 0.838 0.921 0.829 1.07 2.83 0.739 0.77 4.6 5.24 2.27 0.073 0.729 Ce 1.39 1.51 1.35 1.82 4.96 1.12 1.23 8.73 10.1 3.97 0.151 1.82 Pr 0.132 0.143 0.134 0.19 0.511 0.109 0.117 1.24 1.4 0.369 0.02 0.206 Nd 0.368 0.383 0.343 0.624 1.5 0.456 0.369 5.44 5.89 1.05 0.079 0.895 Sm 0.041 0.045 0.024 0.062 0.156 0.104 0.074 1.19 1.27 0.075 0.01 0.168 Eu 0.015 0.011 0.008 0.026 0.05 0.023 0.011 0.479 0.536 0.016 0.007 0.047 Gd 0.028 0.031 0.033 0.07 0.138 0.063 0.077 0.832 0.961 0.081 0.019 0.207 Tb 0.003 0.003 0.004 0.008 0.01 0.013 0.014 0.144 0.17 0.003 0.003 0.042 Dy 0.011 0.017 0.022 0.033 0.028 0.078 0.099 0.779 0.744 0.015 0.018 0.255 Ho 0.003 0.003 0.005 0.009 0.008 0.016 0.012 0.156 0.18 0.002 0.005 0.057 Er 0.012 0.006 0.018 0.025 0.026 0.037 0.047 0.44 0.452 0.01 0.008 0.186 Tm 0.002 0.001 0.002 0.003 0.002 0.007 0.003 0.077 0.065 0.001 0.002 0.025 Yb 0.007 0.006 0.019 0.02 0.014 0.056 0.059 0.451 0.452 0.006 0.011 0.247 Lu 0.003 0.001 0.003 0.006 0.003 0.013 0.012 0.066 0.07 0.002 0.003 0.064 Hf 0.054 0.151 0.234 0.202 0.096 0.094 0.089 1.61 1.72 0.009 0.027 0.059 Ta 0.056 0.007 0.069 0.06 0.085 0.015 0.004 0.031 0.124 0.006 0.003 未检出 Tl 0.023 0.02 0.018 0.021 0.009 0.015 0.011 0.031 0.025 0.549 0.787 7.76 Pb 18.3 10.4 10.6 5.02 6.08 4.65 4.71 10.7 11.2 18.2 26.1 268 Bi 0.088 0.284 1.17 0.175 0.221 0.122 0.095 0.373 0.391 0.19 0.375 2.93 Th 0.122 0.177 0.264 0.178 0.477 0.145 0.132 4.81 4.96 0.073 0.019 0.075 U 0.108 0.126 0.732 0.127 0.326 0.185 0.195 2.58 2.71 0.049 0.021 0.096 ΣREE 2.95 3.15 2.91 4.16 10.44 3.17 3.19 28.86 32.05 7.91 0.50 6.37
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表 3 矿浆期和矽卡岩期辉石电子探针分析结果
Table 3 Electron probe ingredients of pyroxene from massive iron ore and skarn iron ore
% 矿浆期单斜辉石 矽卡岩期透辉石 CH10-2 CH15-1 CH35-1 CH35-2 CH23-2 CN-5-2 CN3-2 GH12-14-3 CH12-Z2-2 CH12-Z2-4 CH12-Z2-5 CH12-Z2-6 SiO2 51.74 53.06 49.53 48.34 39.59 49.23 50.84 SiO2 21.65 35.28 34.68 49.82 49.93 TiO2 0.101 0 0 0 0.099 0.061 0 TiO2 14.89 1.06 0.39 0 0.15 Al2O3 2.89 1.15 1.28 1.85 11.81 1.19 0.53 Al2O3 6.23 10.78 7.38 0.96 1.65 FeO 16.15 8.44 20.87 20.99 25.01 18.34 14.96 Cr2O3 0.31 0.02 0.05 0.07 0.03 MnO 0.12 0.18 0.46 0.25 0.21 0.59 0.39 FeO 26.35 30.96 17.25 8.86 11.33 MgO 13.11 12.43 5.26 5.23 5.89 6.94 9.28 MnO 0.11 0.14 0.14 0.08 0.19 CaO 11.95 24.43 23.28 22.54 11.39 23.64 23.97 MgO 2.18 1.85 0.27 12.86 10.69 Na2O 0.43 0.01 0.1 0.11 2.57 0.03 0.06 CaO 11.92 11.25 32.35 23.55 24.52 K2O 0.136 0 0.011 0 1.281 0.003 0 Na2O 0.04 0.95 0.01 0.08 0.08 P2O5 0.019 0 0.037 0.012 0 0.012 0.04 K2O 0.01 2.49 0 0.01 0.01 Cr2O3 0 0.021 0 0.048 0.056 0.035 0.015 NiO 0 0 0.001 0 0.018 0 0 Si 2.00 1.99 1.95 1.94 1.63 1.94 1.97 Si 1.13 1.57 1.57 1.95 1.93 Al(ⅳ) 0.00 0.01 0.05 0.06 0.37 0.00 0.00 Al(ⅳ) 0.58 0.43 0.01 0.00 0.07 Al(ⅵ) 0.13 0.04 0.01 0.02 0.20 0.00 0.00 Al(ⅵ) 0.00 0.14 0.00 0.00 0.01 Ti 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Ti 0.58 0.04 0.01 0.00 0.00 Cr 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Cr 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 Fe3+ 0.00 0.00 0.06 0.07 0.61 0.09 0.07 Fe3+ 0.28 0.62 0.63 0.09 0.08 Fe2+ 0.53 0.27 0.63 0.63 0.21 0.51 0.41 Fe2+ 0.84 0.47 0.00 0.19 0.28 Mn 0.00 0.01 0.02 0.01 0.01 0.02 0.01 Mn 0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 Mg 0.76 0.69 0.31 0.31 0.36 0.41 0.54 Mg 0.17 0.12 0.02 0.75 0.62 Ca 0.50 0.98 0.98 0.97 0.50 1.00 0.99 Ca 0.66 0.54 1.57 0.99 1.02 Na 0.03 0.00 0.01 0.01 0.21 0.00 0.00 Na 0.00 0.08 0.00 0.01 0.01 K 0.01 0.00 0.00 0.00 0.07 0.00 0.00 K 0.00 0.14 0.00 0.00 0.00 Wo 27.26 50.38 49.15 48.48 26.53 49.23 49 Wo 33.84 29.17 70.95 48.54 50.59 En 41.62 35.67 15.46 15.65 19.1 20.11 26.39 En 8.63 6.68 0.81 36.87 30.69 Fs 29.34 13.93 34.99 35.44 43.54 30.56 24.37 Fs 57.3 59.69 28.22 14.28 18.43 注：以6个氧原子和4个阳离子为基准；Wo为硅辉石；En为顽火辉石；Fs为斜方铁辉石
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表 4 矽卡岩期金属矿物电子探针分析结果
Table 4 Electron probe ingredients of ore minerals from skarn iron ore
% 磁铁矿 黄铁矿 黄铜矿 GH12-14-1 GH12-14-2 GH12-14-4 CH12-Z2-1 CH12-Z2-3 CH13-2 CH-25-3 CN-4-4 CH13-1 CH-25-2 CN-4-3 SiO2 2.13 0.62 0.9 0.03 0 Se 0 0.004 0 0 0 0 TiO2 0.28 0.99 0.58 0.61 0.39 As 0.015 0 0.066 0 0 0 Al2O3 1.4 0.47 0.64 0.49 0.47 Pb 0 0 0.01 0 0.003 0.042 TFeO 90.62 92.69 90.67 93.22 93.46 Bi 0 0 0 0 0 0 MnO 0 0.02 0.04 0.06 0 Sb 0 0 0.013 0 0 0 MgO 0.59 0.03 0.3 0 0 Fe 45.733 58.233 59.989 29.8 29.715 30.485 CaO 0.1 0.26 0.14 0 0 Cu 0 0.032 0.013 34.466 34.037 34.858 Na2O 0 0 0.04 0 0.03 S 52.309 39.934 38.232 34.677 35.318 34.264 K2O 0 0 0.02 0 0.01 Ni 0 0.151 0.061 0 0 0 P2O5 0.02 0.04 0.02 0 0 Co 0.13 0.323 0.142 0.086 0.066 0.044 Cr2O3 0.09 0.09 0.16 0.03 0.03 Zn 0.011 0 0.005 0.167 0.043 0.16 NiO 0 0.01 0.01 0 0 总计 95.23 95.23 93.53 94.44 94.39 总计 98.198 98.677 98.531 99.196 99.182 99.853
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表 5 磁海铁矿床岩石和矿物Fe同位素组成分析结果
Table 5 Fe isotope compositions of diabase, iron ore and ilmenite of diabase in Cihai
样号 岩性/矿物 δ57Fe样-IRMM/‰ δ56Fe样-IRMM/‰ Q1 辉绿岩 0.36 0.29 Q2 辉绿岩 -0.29 -0.21 Q4 辉绿岩 0.01 0.02 Q5 辉绿岩 0.01 0.05 Q31 辉绿岩 0.11 0.10 Q6 铁矿石 0.13 0.13 Q7 铁矿石 0.43 0.33 Q10 铁矿石 -0.01 0.01 Q30 铁矿石 0.00 0.03 Q18 钛铁矿 -0.02 -0.01 Q19 钛铁矿 0.69 0.47 Q20 钛铁矿 0.46 0.33
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表 6 磁海铁矿S和O同位素组成分析结果
Table 6 S isotope and O isotope compositions of different minerals
样品编号 样品性质 分析矿物 δ34SV-CDT/‰ δ18OV-SMOW/‰ CH22 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 1.58 CH27 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 0.04 CH-2 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 2.09 CH-3 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 1.91 CH-5 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 1.53 CH-7 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 -1.75 CH-12 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 1.06 CH-29 辉绿岩容矿矿石 黄铁矿 1.74 CH2 辉绿岩容矿矿石 磁黄铁矿 1.59 CH25 辉绿岩容矿矿石 磁黄铁矿 2.76 CH27 辉绿岩容矿矿石 磁黄铁矿 2.10 CH32 矽卡岩矿石 黄铁矿 -6.09 CH12-27 矽卡岩矿石 黄铁矿 2.38 CH-24 矽卡岩矿石 黄铁矿 0.81 CH-01 矽卡岩矿石 黄铁矿 -1.08 CH12-14 矽卡岩矿石 黄铁矿 1.21 CH12-26 矽卡岩矿石 黄铁矿 0.81 CH12-15 矽卡岩矿石 黄铁矿 4.03 CH-4 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 7.4 CH-5 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 10.3 CH-6 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 11.1 CH-7 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 3.5 CH-12 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 4.0 CH-22 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 5.0 CH25 辉绿岩容矿矿石 磁铁矿 3.9 CH36 围岩辉绿岩 钛铁矿 2.6 CH40 围岩辉绿岩 钛铁矿 2.6 CH57 围岩辉绿岩 钛铁矿 5.8 CH58 围岩辉绿岩 钛铁矿 3.1 CH12-28 矽卡岩矿石 磁铁矿 4.8 CH12-27 矽卡岩矿石 磁铁矿 5.7 CH-24 矽卡岩矿石 磁铁矿 5.4 CH12-14 矽卡岩矿石 磁铁矿 4 CH12-26 矽卡岩矿石 磁铁矿 4.4 CH12-15 矽卡岩矿石 磁铁矿 4.2 CH12-8 矽卡岩矿石 磁铁矿 4 CH32 矽卡岩矿石 石榴子石 6.6 CH33 矽卡岩矿石 石榴子石 7.1 CH12-28 矽卡岩矿石 石榴子石 7.2 CH12-27 矽卡岩矿石 石榴子石 7.3 CH-24 矽卡岩矿石 石榴子石 1.6 CH-01 矽卡岩矿石 石榴子石 7.1 CH12-14 矽卡岩矿石 石榴子石 6.6
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