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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (6): 1064-1076  
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齐天骄, 薛春纪, 朱祥坤. 新疆磁海铁矿床Fe-O-S同位素和元素地球化学示踪[J]. 地质通报, 2017, 36(6): 1064-1076.
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QI Tianjiao, XUE Chunji, ZHU Xiangkun. Fe-O-S isotopic and geochemical characteristics of the Cihai iron deposit, Xinjiang[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(6): 1064-1076.
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基金项目

国家自然科学基金项目《西天山Almalyk和吐拉苏矿集区成矿作用对比研究》(批准号:U1303292)、《沙漠-草原覆盖区矿产综合预测理论与隐伏矿床含矿信息提取方法》(批准号:41430320)

作者简介

齐天骄(1988-), 男, 博士, 矿产普查与勘探专业。E-mail:qtj3002@qq.com

通讯作者

薛春纪(1962-), 男, 教授, 从事矿床学、矿产普查与勘探专业研究。E-mail:chunji.xue@cugb.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2016-12-22
修订日期: 2017-01-06
新疆磁海铁矿床Fe-O-S同位素和元素地球化学示踪
齐天骄1, 薛春纪1, 朱祥坤2    
1. 地质过程与矿产资源国家重点实验室/中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院地质研究所/国土资源部同位素地质重点实验室, 北京 100037
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。
关键词: Fe-O-S同位素    主/微量元素    磁海铁矿床    新疆北山    
Fe-O-S isotopic and geochemical characteristics of the Cihai iron deposit, Xinjiang
QI Tianjiao1, XUE Chunji1, ZHU Xiangkun2    
1. State key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, School of Geosciences and Resources, China University of Geosci-ence, Beijing 100083, China;
2. MLR Key Laboratory of Isotope Geology/Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
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.
Key words: Fe-S-O isotope    major/trace elements    Cihai iron deposit    Beishan, Xinjiang    

磁海超大型铁矿是东疆最为重要的铁矿资源基地,20世纪60年代因大规模磁异常而被发现,1999年完成勘探,探明铁矿石量2337×104t,TFe品位45.74%[1-2]。矿床产在北山构造带西南端,由于大面积风成沙覆盖,勘探工作主要方式为钻探,早期研究主要以钻孔资料为依据,以岩心样品为对象,观测到二叠纪辉绿岩与大规模铁成矿的密切联系和典型的岩浆热液铁成矿过程,提出二叠纪次火山热液成矿认识[3-4]。伴随2000年以来的大规模地表剥离和露天采矿,在大型露天采坑中观测到典型的铁矿浆贯入成矿地质事实,认为磁海大规模铁成矿为矿浆贯入方式[5]。综合研究认为,磁海铁成矿先后经历了矿浆贯入和热液交代2个过程[6],但是矿浆贯入与热液交代的关系尚不清楚。最近的研究认识到磁海大规模铁成矿的伸展构造背景[7],注意到成矿与二叠纪塔里木大火成岩省可能关联[8-11],但还需要更多更有力的证据。本文针对磁海铁矿不同类型矿石、辉绿岩、矿石矿物和脉石矿物开展Fe-O-S同位素组成质谱、主量元素电子探针、微量元素ICP-MS等分析,为理解磁海铁成矿中矿浆贯入与热液交代不同过程的关系,以及成矿与塔里木地幔柱的关联提供同位素和元素地球化学示踪。

1 矿床地质与矿相学

磁海铁矿大地构造位置位于塔里木板块东北缘,北山构造-成矿带西端(图 1-a)。晚古生代,北山地区处于板内伸展环境,构造主要为东西向断裂活化,并有大量的基性-超基性及中-酸性岩浆侵位或喷发(溢)[12-15]。矿区地层主要包括蓟县系平头山群及与其不整合接触的下二叠统,第四系在矿区也分布较多(图 1-b)。平头山群主要为一套长英质片岩类、大理岩,主要分布于矿区中部;下二叠统从老到新分为双堡塘组和菊石滩组,分别为一套滨海-浅海相基性-中性连续火山岩建造和一套浅海相碎屑岩建造,主要分布于矿区北部[4]。星星峡断裂和红柳河断裂横贯矿区北部和南部,早古生代,本区构造以褶皱运动为主,岩浆活动为辅,晚古生代,本区发生了强烈的褶皱和断裂运动,表现为东西向的断裂复活。矿区地层褶皱形态复杂,规模较大,总体呈开阔的箱形或圆形背斜(或向斜),伴以紧闭的向斜(或背斜)。矿区内断层属于区域深断裂的低级构造,展布方向与区域主要断层方向一致,以近东西向为主,并控制着基性岩体的分布。磁海矿区主要发育岩株状辉长岩、辉绿岩及少量中、酸性岩脉。晚古生代晚期,辉长岩类岩浆呈岩株状侵位,随后辉绿岩岩浆呈岩株状侵位,铁矿体则主要赋存于辉绿岩体中,晚期又有脉状辉绿岩及中、酸性岩发育。

图 1 磁海矿区磁海矿段地质简图(据参考文献[8]修改) Fig.1 Sketch geological map of the Cihai ore block of the iron district 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

磁海矿区共有3个矿段:磁海、磁西和磁南矿段。其中,磁海矿段是该矿的主要组成部分,为一露天开采矿坑,本文以磁海矿段为主要研究对象(图版Ⅰ-a)。磁海矿段共发现73条铁矿体,其中有5条主矿体,单个铁矿体呈板状、透镜状,产状近直立或向南陡倾,近东西走向,宽度从几十厘米到二十几米不等,沿走向长50~500m,延深50~500m,近地表的铁矿体多向北陡倾,深部则多向南陡倾。平面上磁海矿段铁矿体呈斜列式排列,构成近东西走向的矿体群,剖面上多呈叠瓦状密集分布[4, 6]。磁海矿段铁矿体的围岩主要是辉绿岩,二者接触界线平直、截然,呈突变的接触关系(图版Ⅰ-b),极少部分铁矿体围岩为地层,与地层的接触关系与前者相似。除以辉绿岩为围岩的铁矿体外,磁海矿段还发育石榴子石透辉石磁铁矿体,多产在辉绿岩体与地层接触部位(多在矿段东北部),该类型的铁矿体产于石榴子石透辉石矽卡岩体中,通常矽卡岩体即是矿体,二者无明显的界线而是混杂在一起(图版Ⅰ-c),矽卡岩体中部铁矿石较富,靠近边部铁矿石变贫。

图版Ⅰ   PlateⅠ   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

根据铁矿石中的矿物产出特征及先后形成关系,成矿整体上可分为2期,即矿浆期和矽卡岩期,以下分别进行阐述。

(1)矿浆期矿物组合:见于辉绿岩容矿的矿体中,金属矿物整体上为磁铁矿;脉石矿物主要为单斜辉石、普通角闪石等,磁铁矿与脉石矿物近同时形成,后期受金属硫化物交代(矽卡岩期)。

磁铁矿:呈铁黑色,金属光泽,不透明,在光片中显微反射光下呈浅灰色带微棕,均质型,内反色不显,主要是半自形粒状结构(图版Ⅰ-d),其次是他形粒状结构、溶蚀结构(图版Ⅰ-ef)等,单晶大小为0.05~0.1mm,部分0.2~0.4mm。

单斜辉石:暗绿色,偏光显微镜下为淡黄绿色,短柱状,正高突起,具辉石式2组解理(图版Ⅰ-c),干涉色Ⅱ级黄。

普通角闪石:横截面为近六边形的似菱形(图版Ⅰ-c),无色或浅灰绿色,干涉色为Ⅱ级。

(2)矽卡岩期矿物组合:矿石矿物主要是磁铁矿,其次为磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿等;脉石矿物主要是石榴子石、透辉石、透闪石/阳起石、石英等。

磁铁矿:见于矽卡岩铁矿中,他形,多呈浸蚀结构(图版Ⅰ-h),磁铁矿颗粒大小0.01~0.1mm。

石榴子石:主要产在矽卡岩矿石中,常为它形粒状或不规则状,褐黄色-褐红色,环带不发育(图版Ⅰ-h)。

透辉石:2种矿体中均有产出,无色至黄绿色,板状、短柱状,矽卡岩矿石中透辉石粒度较小(图版Ⅰ-gh)。

磁黄铁矿:多产于辉绿岩容矿矿石中,呈暗古铜色,部分表面氧化呈锖色,金属光泽,不透明,显微反射光下为浅黄色微带红棕色,具反射多色性,显非均质性,正交偏光下可见聚片双晶,主要为他形结构、交代结构等(图版Ⅰ-e)。

黄铜矿:多见于辉绿岩容矿矿石中,矽卡岩矿石中亦有产出,呈他形粒状或不规则状,可见其浸蚀交代磁黄铁矿和磁铁矿(图版Ⅰ-ef)。

黄铁矿:2种矿石中均可见,镜下黄白色,他形不规则状或脉状,多对磁铁矿、黄铜矿进行交代、充填(图版Ⅰ-f)。

透闪石/阳起石:呈细柱状、放射状,无色至浅灰色(图版Ⅰ-g),多与石英、黄铁矿等共同产出。

石英:粒状、他形,多与透闪石-阳起石共同产出。

矿浆期矿物组合以磁铁矿+单斜辉石+普通角闪石为主,近同时形成;矽卡岩期矿物组合早期以石榴子石+透辉石+磁铁矿为主,后期为透闪石/阳起石+石英+磁黄铁矿+黄铜矿+黄铁矿的组合,矿浆期的磁铁矿受其他硫化物不同程度交代,形成先后顺序为:磁铁矿-黄铜矿-磁黄铁矿-黄铁矿。矽卡岩矿石中先期交代形成干矽卡岩矿物石榴子石、透辉石、磁铁矿等,后期热液交代主要形成金属硫化物磁黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿、透闪石/阳起石、石英等。

2 测试分析 2.1 矿物化学组成

对以辉绿岩为围岩的铁矿石中的磁铁矿、黄铜矿、黄铁矿和单斜辉石进行电子探针测试分析,并对磁铁矿和黄铁矿单矿物进行微量元素测试分析。单矿物电子探针测试在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室进行,测试仪器为JXA-8800R型电子探针,工作电压20kV,电流20nA,束斑直径为3~5μm。单矿物微量元素测试实验在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成,使用仪器为Finnigan MAT公司生产的HR-ICP-MS(ElementⅠ)型质谱仪,RSD(10min) < 1.0%,RSD(4h) < 5.0%,测试方法依据DZ/T0223—2001(电感耦合等离子体质谱)方法通则,测试环境为温度20℃,相对湿度30%。

矿浆期磁铁矿的电子探针分析结果见表 1。SiO2含量为0~0.36%,平均为0.16%,TFe含量为89.43%~92.93%,TiO2含量为0~0.21%,平均为0.14%,CaO含量较少,平均为0.01%,Al2O3含量为0.03%~3.24%,平均为1.16%,MgO含量为0.04%~0.32%,平均为0.11%,MnO含量为0.05%~0.52%,平均为0.17%。

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

矿浆期磁铁矿稀土元素总量(ΣREE)为2.95×10-6~10.44×10-6表 2),平均为4.72×10-6,轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)为10.4~23.3,δEu=0.25~0.66,(La/Sm)N=11.1~22.3,(Gd/Lu)N=1.2~5.7。磁铁矿微量元素含量显示,Cu含量为4.7×10-6~16.0×10-6,Zn含量为149×10-6~403×10-6,V含量为17.2×10-6~24.6×10-6,Cr含量为6.5×10-6~34.7×10-6,Co含量为61.7×10-6~77.8×10-6,Ni含量为15.6×10-6~19.0×10-6,Ba含量为1.5×10-6~3.4×10-6,Th含量为0.122×10-6~0.477×10-6,U含量为0.108×10-6~0.732×10-6

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

矿浆期单斜辉石的电子探针分析结果见表 3。其中硅灰石分子含量占26.5%~50.4%,平均占42.9%,顽火辉石分子占15.5%~41.6%,平均占24.9%,斜方铁辉石分子成分为13.9%~43.5%,平均占30.3%。

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

矽卡岩期磁铁矿电子探针分析结果显示(表 4),SiO2含量为0~2.13%,TFe含量为90.62%~93.46%,TiO2含量为0.28%~0.99%,CaO含量较少,为0~0.26%,Al2O3含量为0.47%~1.40%,MgO含量为0~0.59%,MnO含量为0~0.06%。

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

矽卡岩期磁铁矿稀土元素总量(ΣREE)为3.17×10-6~32.05×10-6表 2),变化范围较大,轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)为3.02~4.13,δEu=0.15~0.49,(La/Sm)N=2.5~6.7,(Gd/Lu)N=0.6~1.7;矽卡岩期磁铁矿微量元素含量显示,Cu含量为14.4×10-6~34.3×10-6,Zn含量为121×10-6~322×10-6,V含量为134×10-6~176×10-6,Cr含量为121×10-6~264×10-6,Co含量为31.5×10-6~42.7×10-6,Ni含量为28.4×10-6~38.2×10-6,Ba含量为16.2×10-6~38×10-6,Th含量为0.132×10-6~4.96×10-6,U含量为0.185×10-6~2.71×10-6

黄铁矿的电子探针结果显示(表 4),Fe含量为45.73%~59.99%,S含量为38.23%~52.31%,S/Fe值为0.64~1.14。黄铁矿稀土元素测试结果表明(表 2),稀土元素总量(ΣREE)为0.5×10-6~7.9×10-6,轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)为1.5~47.5,δEu=0.63~1.55,(La/Sm)N=2.8~19.5,(Gd/Lu)N=0.4~5.0。黄铁矿微量元素结果显示,V含量为0.38×10-6~6.22×10-6,Cr含量为1.82×10-6~3.69×10-6,Co含量为182×10-6~943×10-6,Ni含量为23×10-6~908×10-6,Ni/Co值为0.13~0.96。

黄铜矿的电子探针结果显示(表 4),S含量为34.26%~35.32%,Fe含量为29.72%~30.49%,Cu含量30.04%~34.86%。

矽卡岩期透辉石:分析结果见表 3,硅灰石分子含量占29.17%~70.95%,顽火辉石分子占0.18%~36.87%,斜方铁灰石分子占14.28%~59.69%。

2.2 同位素组成 2.2.1 Fe同位素

本文对矿浆型铁矿石全岩、辉绿岩全岩及辉绿岩中钛铁矿单矿物样品进行了Fe同位素测试。实验在中国地质科学院大陆构造与动力学国家重点实验室完成,所用方法为多接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)法,Fe同位素测定使用仪器Nu Plasma HR型双聚焦多接收器等离子体质谱仪在高分辨模式下进行,可同时测定同位素的最大质量差为15%,分析误差一般小于0.03‰/amu[16],样品处理和分析方法见参考文献[17]。标准样品使用IRMM-014[18]和CAGS-Fe(实验室内部标准溶液,GSB单元素标准溶液,北京钢铁研究总院制备)。Fe同位素(56Fe、57Fe)结果用相对于国际标准样品IRMM-014的千分偏差表示。

测试结果显示(表 5),辉绿岩全岩δ57Fe为-0.29‰~0.36‰,铁矿石全岩δ57Fe结果为-0.01‰~0.43‰,辉绿岩中的钛铁矿单矿物δ57Fe为-0.02‰~0.69‰。

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
2.2.2 S、O同位素

S同位素测试在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室-稳定同位素实验室进行,所用仪器为英国GV公司生产的Isoprime型同位素质谱仪,测量范围为1~70AMU,分辨率(10%谷处)100。分析结果用国际标准CDT表达;O同位素测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行,测试仪器为MAT-253型质谱仪,检测方法和依据DZ/T0184.13—1997硅酸盐及氧化物O同位素组成的五氟化溴法规定,相对标准V-SMOW。

黄铁矿主要呈脉状、斑杂状等,镜下可见其对黄铜矿、磁铁矿等交代充填。结果显示,黄铁矿δ34SV-CDT=-6.09‰~4.03‰,除-6.09‰和4.03‰两个结果外, 其他结果集中于-1.75‰~2.09‰之间, 平均为0.94‰(n=14);磁黄铁矿δ34SV-CDT=1.59‰~2.10‰(平均2.15,n=3),黄铜矿δ34SV-CDT=1.18‰。矿浆期磁铁矿单矿物O同位素结果显示,δ18OV-SMOW=3.5‰~10.3‰;矿浆型矿体围岩辉绿岩中钛铁矿δ18OV-SMOW=2.6‰~5.8‰;矽卡岩矿石中磁铁矿δ18OV-SMOW=3.9‰~5.7‰,石榴子石δ18OV-SMOW=1.6‰~7.3‰(表 6)。

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
3 讨论 3.1 成矿阶段及地球化学特征

结合野外地质与矿相学研究,磁海铁矿成矿总体上划分为矿浆成矿期和矽卡岩成矿期2期。前者以辉绿岩容矿的矿体中磁铁矿+单斜辉石+普通角闪石的矿物组合为特征,早期形成并构成最主要的铁矿体,后期受黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿等不同程度交代;矽卡岩早期以石榴子石+透辉石+磁铁矿的矿物组合为特征,后期以黄铁矿+黄铜矿+磁黄铁矿形成为主。

不同阶段的同类矿物在地球化学组成上也分别具有一定特征。矿浆期磁铁矿TiO2含量较低,为0~0.21%,矿石显微镜下未见明显的钛铁矿等矿物,磁铁矿低的Ti含量可能与围岩辉绿岩中含量较多的钛铁矿有关,深部含矿熔浆发生熔离时,Ti主要留在岩浆中,导致熔离出的含铁熔浆Ti含量偏低,而在矿浆型矿体的围岩辉绿岩中观察到钛铁矿作为副矿物出现[8],矽卡岩期磁铁矿TiO2含量为0.28%~0.99%,相对于矿浆期磁铁矿Ti含量高,可能反映了基性岩浆侵入-岩浆热液交代地层-矽卡岩成矿具有一定的继承性;矿浆期磁铁矿也具有较高的Al2O3含量(0.54%~3.24%)和较低的MgO含量(0.04%~0.32%),也指示其具有岩浆成因特征[19-20];矿浆期单斜辉石成分结果显示,其具有较高的Fe含量(表 4),表明辉石形成于富铁环境,镜下显示其与磁铁矿无明显先后生成关系,可能为近同时形成。

矽卡岩期黄铁矿Fe含量总体高于标准分子,S含量低于标准分子(标准黄铁矿分子中Fe=46.55%,S=53.45%),一般研究认为与内生多金属矿床中黄铁矿与标准值相比亏S,与超基型岩有关的铜镍矿床中黄铁矿的Fe和S含量与理论值相近,S的亏损指示了黄铁矿形成温度较高,与岩浆热液有关[21-22],本次测得黄铁矿S/Fe =0.6~1.1,与标准分子(S/Fe=1.8~2.1)相比亏S,可能指示了其岩浆热液成因的特征。

矿浆期磁铁矿稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 2-a)显示,曲线呈右倾型,Eu显示微弱负异常,轻稀土元素部分较陡,说明具有内部分异,而重稀土元素部分曲线平缓,说明内部分异不明显;磁铁矿微量元素中铁族元素V、Cr、Ni含量相近,均不高,亲硫元素Cu、Ga含量较低,Zn含量较高,磁铁矿微量元素球粒陨石标准化蛛网图(图 2-b)上,元素Ta、Sr、Sm相对亏损,Th、U、Nb、Nd、Zr等呈不同程度的富集。磁铁矿Ni/Co=0.2~0.3,前人研究得出,与基性-超基性岩浆作用有关的磁铁矿一般Ni/Co≥1,而碱性岩浆成因的磁铁矿Cr含量较低[20],从这点看,矿浆期磁铁矿相对具有碱性岩浆成因的特征,而不具有接触交代成因的特征。

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]) Fig.2 Chondrite-normalized REE (a) and trace element (b) patterns of magnetite from massive iron ore and skarn iron ore

矽卡岩期磁铁矿稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 2-a)整体呈右倾,Eu呈弱的正异常或负异常,轻稀土元素内部较重稀土元素内部分异明显;磁铁矿微量元素V、Cr含量相对矿浆期磁铁矿较高,Co含量较矿浆期磁铁矿稍低,Cu、Ga含量较矿浆期磁铁矿高,微量元素球粒陨石标准化蛛网图显示(图 2-b),Ta、Sr、Sm相对亏损,Ni/Co值为0.7~1.1。矽卡岩期磁铁矿稀土元素、微量元素配分图显示与矿浆期磁铁矿曲线相近,可能具有一定的成矿继承性(图 2-a)。

矽卡岩期黄铁矿稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 3-a)上,Eu异常不明显,呈微弱的正或负异常,曲线呈右倾型,重稀土元素曲线部分呈左倾,显示重稀土元素内部具有分异。黄铁矿微量元素球粒陨石标准化蛛网图形态与磁铁矿相近(图 3-b),微量元素组成特征相似,一般在岩浆热液中黄铁矿Ni/Co值小于1,受热液或火山作用影响的黄铁矿Ni/Co值明显小于1,本次所测黄铁矿的Ni/Co=0.13~0.96,指示黄铁矿具有岩浆热液成因的特征。

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]) Fig.3 Chondrite-normalized REE (a) and trace element (b) patterns of magnetite and pyrite from massive iron ore
3.2 同位素特征及成矿物源

从前人统计结果看,陨石中的δ57Fe总体变化于-0.64‰~0.40‰之间,平均为0.01‰±0.22‰(n=126)[24],热液矿床和沉积岩中的Fe同位素组成变化范围远大于岩浆岩,目前研究Fe同位素变化范围最大的是前寒武纪条带状铁建造(BIF),其δ57Fe=-5.18‰~3.45‰ [25-26]。前人对攀枝花V-Ti磁铁矿矿床研究显示,含矿的辉长岩中磁铁矿相对于全岩具有重的Fe同位素组成[27],磁海矿床辉绿岩容矿铁矿石(δ57Fe=-0.01‰~0.43‰)相对于辉绿岩围岩(δ57Fe=-0.29‰~0.36‰)而言,也具有微弱的重的Fe同位素组成(不明显的对比可能受样品数量的影响)。总体上,磁海铁矿Fe同位素结果显示,铁质相对具有岩浆来源的特征(图 4)。

图 4 磁海铁矿及其他地质体Fe同位素组成(攀枝花数据据参考文献[27];其他主要地质体数据据参考文献[27-28]) Fig.4 Variation of Fe isotope composition in Cihai and other geological bodies

矽卡岩期黄铁矿δ34SV-CDT主要集中于-1.75‰~2.09‰之间,磁黄铁矿δ34SV-CDT平均值为2.15(n=3),黄铜矿δ34SV-CDT=1.18‰(n=1),未显示平衡分馏。矽卡岩期硫化物δ34SV-CDT整体分布于-1.75‰~2.10‰之间,变化较小,显示岩浆硫来源特征。据前人统计研究,幔源镁铁质岩的O同位素变化范围相对较窄,大致变化于5‰~7‰之间,与球粒陨石的O同位素值(3.7‰~6.3‰)接近[29],磁海矿浆期磁铁矿δ18O =3.5‰~10.3‰(平均6.88‰,n=6),围岩辉绿岩中钛铁矿δ18O =2.6‰~5.8‰(平均3.53‰,n=4);矽卡岩矿石中磁铁矿δ18O =3.9‰~5.7‰(平均4.55‰,n=8),石榴子石δ18O =1.6‰~7.3‰(平均6.21‰,n=7),整体上与深源岩浆O同位素范围相近,反映了成矿物质的深源特征。

3.3 矿浆形成的可能过程及两阶段成矿

综上可知,与矿浆期有关的成矿流体既不具备热液交代成矿流体的性质,又不完全与典型岩浆型磁铁矿成矿相同,矿浆型铁矿体是否可能为磁铁矿矿浆贯入形成的?通常岩浆型磁铁矿矿床主要由岩浆的结晶分异作用形成,而对于火山-次火山岩型铁矿,其铁矿浆的形成多与岩浆的不混熔有关[30-33]。实验室模拟研究指示,玄武质岩浆在一定条件下可以发生富铁的硅酸盐熔浆液相不混熔[34-37],含磷地壳物质的混染或岩浆体系氧逸度的升高都可能促使富铁硅酸盐熔浆的熔离[32, 38-39]

磁海铁矿矿浆型铁矿体是否具备富铁硅酸盐熔浆熔离贯入的条件?目前发现磁海矿段矿体围岩辉绿岩中多有磷灰石发育,矿浆型矿石中可见斑杂状方解石,假设矿浆型矿体与辉绿岩曾是同一富铁的玄武质岩浆,则此岩浆可能受地壳混染,富磷且氧逸度升高,即一定程度上满足了发生富铁硅酸盐熔浆不混熔分离的条件。富铁的硅酸盐熔体贯入成矿较直接的证据是,产状上近直立的铁矿体与辉绿岩围岩接触截然,且近平直,矿段下部离地表较远的矿浆型铁矿体和辉绿岩接触带及辉绿岩内部也不具有明显的蚀变分带,只是辉绿岩多数部分发育轻微的钠长石化,可能是富铁硅酸盐熔体贯入引起的。

对于磁海矿段存在的石榴子石透辉石磁铁矿体的热液交代成矿过程已有详细的研究[3-4],主要是基性岩浆期后热液中Ca、Mg大离子首先进入硅酸盐晶格,形成石榴子石、透辉石等,造成流体中Fe的进一步富集,随后磁铁矿沉淀充填于硅酸盐晶隙。石榴子石透辉石矽卡岩矿体多产在基性岩体与地层接触部位,未见矿浆型矿体切穿矽卡岩体及矿体,且浅部矿浆型矿体多受后期热液交代。这些特征表明,矽卡岩铁矿体很可能形成于富铁熔浆贯入成矿之后。

通过以上分析,结合前人研究成果推断,磁海铁矿的成矿过程可能为深部富铁岩浆上涌过程中发生更加富铁的硅酸盐熔浆熔离-贯入,继而发生含矿热液交代地层的矽卡岩型成矿。矿浆期磁铁矿与矽卡岩期磁铁矿及黄铁矿稀土和微量元素配分图均显示近似的配分模式,可能指示了矽卡岩期成矿流体对矿浆期成矿物质的继承性;矿浆期磁铁矿及辉绿岩中钛铁矿δ18O变化于2.6‰~10.3‰之间,矽卡岩期磁铁矿及石榴子石δ18O变化于1.6‰~7.3‰,同样显示出矽卡岩期成矿流体对矿浆期成矿物质的继承性。无论从地质空间关系,还是二者相关成矿矿物的地球化学、同位素特征比对,均显示了矿浆成矿和矽卡岩型成矿紧密相关。

综合前人年代学研究结果,磁海铁矿形成于286.5~262.3Ma[4, 8-11, 40];东天山石炭纪—二叠纪大规模裂谷火山作用,被认为与地幔柱活动相关[41-43]。前人研究认为,北山地区石炭纪—二叠纪镁铁-超镁铁岩火山活动与塔里木二叠纪地幔柱相关[8, 44-47];北山地区火山岩及镁铁质岩锆石δ18O值为4.3‰~10.3‰[45],塔里木大火成岩省2处含Fe-Ti氧化物矿床的镁铁-超镁铁岩锆石δ18O整体变化于5.2‰~7.1‰之间[48],峨眉山大火山岩省玄武岩辉石δ18O变化于6.2‰~7.86‰之间[49],与磁海矿区δ18O值的变化范围(2.6‰~10.3‰)均接近;峨眉山大火成岩省内的铂钯矿及镍矿硫化物δ34S变化于0.6‰~2.8‰及2.4‰~5.4‰之间[50],与磁海辉绿岩容矿矿石中硫化物δ34S值(-1.75‰~2.76‰)及矽卡岩矿石中硫化物δ34S值(-1.08‰~4.03‰,其中一个-6.09‰除外)变化范围均相似。综合认为,磁海铁矿成矿主期——矿浆期成矿可能与塔里木二叠纪地幔柱活动有关,含矿母岩浆可能为地幔柱的分支。

4 结论

(1)磁海铁矿成矿经历了矿浆期和矽卡岩期(规模以前者为主)。矿浆期以磁铁矿+单斜辉石+普通角闪石近同时形成为主;矽卡岩期先期以石榴子石+透辉石+磁铁矿产出为主,也为矽卡岩主要成矿期,后期以透闪石/阳起石+石英+磁黄铁矿+黄铜矿+黄铁矿产出为特征;地球化学及同位素结果反映,矽卡岩期成矿具有对矿浆期成矿流体的继承性,2期成矿关系密切。

(2)铁质总体上具有深部幔源特征,成矿可能受控于二叠纪地幔柱背景之下。

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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