地质通报  2020, Vol. 39 Issue (5): 698-711  
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沈立军, 王怀洪, 李大鹏, 朱裕振, 王勇军, 孙超, 邵玉宝. 新疆西天山智博铁矿床地球化学及同位素特征[J]. 地质通报, 2020, 39(5): 698-711.
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Shen L J, Wang H H, Li D P, Zhu Y Z, Wang Y J, Sun C, Shao Y B. Isotope geochemical characteristics of the Zhibo iron deposit in western Tianshan Mountains, Xinjiang[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(5): 698-711.
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基金项目

中国地质调查局项目《天山成矿带地质矿产调查评价》(编号:1212011120497)和山东省煤田地质局科研专项基金项目(编号:鲁煤地科字(2016)2号)

作者简介

沈立军(1988-), 男, 硕士, 工程师, 从事地质矿产勘查及矿床学研究。E-mail:sdmtslj@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-03-16
修订日期: 2019-12-02
新疆西天山智博铁矿床地球化学及同位素特征
沈立军1, 王怀洪1,2, 李大鹏3, 朱裕振1, 王勇军1, 孙超1, 邵玉宝1    
1. 山东省煤田地质规划勘察研究院, 山东 济南 250104;
2. 山东省煤田地质局, 山东 济南 250104;
3. 山东省地质科学研究院, 山东 济南 250013
摘要: 智博铁矿位于新疆西天山阿吾拉勒铁成矿带东段,矿体以层状、似层状、透镜状产出于下石炭统大哈拉军山组玄武质安山岩中。智博铁矿成矿作用主要划分为岩(矿)浆期和热液期2个成矿期次,包括3个成矿阶段:磁铁矿+透辉石阶段、磁铁矿+绿帘石+钾长石阶段和石英+硫化物+碳酸盐阶段。智博铁矿地球化学特征表明,其成矿构造背景为早石炭世南天山洋向伊犁板块俯冲形成的岛弧环境;火山岩与磁铁矿石具有相同的物质来源,均来源于受俯冲带流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成的玄武质岩浆。智博铁矿为岩浆(主要)-热液(次要)复合型矿床,受俯冲流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成富铁的玄武质岩浆,岩浆沿深大断裂上侵形成早期火山岩,上侵过程中由于物理化学条件的改变在不混溶作用下形成铁矿浆,铁矿浆侵入早期火山岩地层形成岩浆期磁铁矿体;后期富铁的岩浆或矿浆热液使围岩发生矿化与蚀变,形成热液期磁铁矿体。
关键词: 安山岩    地球化学    矿床成因    智博铁矿    西天山    
Isotope geochemical characteristics of the Zhibo iron deposit in western Tianshan Mountains, Xinjiang
SHEN Lijun1, WANG Huaihong1,2, LI Dapeng3, ZHU Yuzhen1, WANG Yongjun1, SUN Chao1, SHAO Yubao1    
1. Shandong Provincial Research Institute of Coal Geology Planning and Exploration, Jinan 250104, Shandong, China;
2. Shandong Bureau of Coal Geology, Jinan 250104, Shandong, China;
3. Shandong Geological Sciences Institute, Jinan 250013, Shandong, China
Abstract: The Zhibo iron deposit is located in eastern Awulale metallogenic belt of Western Tianshan Mountains.The orebodies of the Zhibo iron deposit are hosted in basaltic andesite of the Lower Carboniferous Dahalajunshan Formation in layered, quasi-lamellar and lenticular forms.The mineralization process of the Zhibo iron deposit can be divided into two metallogenic periods, i.e., magmatic period and hydrothermal period, which consist of three metallogenic stages:magnetite + diopside, magnetite + K-feldspar + epidote and quartz + sulfide + carbonate stages.The geochemical characteristics of the Zhibo iron deposit show that its metallogenic tectonic setting was an island-arc environment.The geochemical data support derivation of volcanic rock and magnetite ore from basaltic magma formed by partial melting of depleted mantle wedge altered by fluids in subduction zones, with the same material source.The Zhibo iron deposit is a magmatic(mainly)-hydrothermal(subordinately) deposit.The basaltic magma intruded upward along deep fault and formed the primitive volcanic rock.Because of the change of physical-chemical conditions during its intrusion, the iron ore slurry was liquidized from the basaltic magma.The intrusion of the iron ore slurry into primitive volcanic rock might have been responsible for the formation of the magmatic type magnetite orebody and the alteration of the surrounding rocks by the residual magmatic hydrothermal fluid for the formation of the hydrothermal type magnetite orebody.
Key words: andesite    geochemistry    genesis    Zhibo iron deposit    western Tianshan    

智博铁矿位于新疆和静县,西天山阿吾拉勒铁成矿带东段,是近年在该成矿带内发现的大型铁矿床之一。前人对该区域进行了大量的地质研究,划分了早中石炭世、早二叠世和晚二叠世3阶段构造岩浆活动[1],初步总结了区域构造背景和成矿规律[2-5];对带内智博、查岗诺尔等典型矿床的研究也不断深入,矿体主要呈层状、似层状赋存于下石炭统大哈拉军山组火山岩中[6-11],磁铁矿成矿与晚石炭世大陆岛弧岩浆活动有密切联系[12-14],矿床成因主要有火山作用铁矿浆分异、火山热液交代和火山喷流沉积3种解释[15-20],尚未形成统一的认识。对智博铁矿床的研究主要集中于矿物学、岩石地球化学、稳定同位素、年代学等方面,对火山岩和铁矿石的地球化学特征对比研究及对Sr-Nd同位素的研究相对较少。本文在详细的野外地质调查和系统的岩石学、矿相学研究的基础上,针对安山岩和铁矿石的地球化学特征进行对比研究,探讨矿床的成矿构造背景、成矿物质来源等,以期为矿床成因研究提供更进一步参考。

1 地质背景

智博铁矿区位于西天山东部,伊犁板块的东缘,伊犁板块呈楔形分布于准噶尔板块和塔里木板块之间(图 1-a)。西天山造山带属于晚古生代碰撞造山带[21],是经历了复杂变形改造[22]、多期次俯冲、碰撞和陆-陆叠覆造山形成的复合造山带[22-25]

图 1 智博铁矿矿区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of the Zhibo iron deposit 1—大哈拉军山组第三亚组安山岩;2—石英闪长岩;3—花岗闪长岩;4—第四系冲积、坡积物;5—第四系冰积物;6—第四系冰川;7—磁铁矿体;8—断层;9—地质界线

区域内出露的地层主要有元古宇、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及第四系,其中以石炭系分布最广,分为大哈拉军山组和伊什基里克组。阿吾拉勒山一带的大哈拉军山组,是一套基性-中性-酸性系列的火山-沉积岩系。关于该组火山岩形成的沉积-构造环境目前仍存在不同观点,有学者认为是大陆裂谷环境[26],或是陆相喷发环境[27],或是与地幔柱有关的大火成岩省[28],还有学者认为是海相岛弧钙碱性火山岩建造等[29-36]

西天山地区海西晚期中酸性岩体非常发育,侵入岩主要为一套与洋盆收敛俯冲有关的钙碱性侵入岩、与同碰撞有关的富铝花岗岩、后造山的富钾花岗岩等[17, 37]。区内断裂构造和火山机构广泛发育,断裂构造总体走向250°左右,倾向北,倾角70°左右,断层破碎带宽数厘米至数十米,构造角砾发育,蚀变较强,成矿地质条件十分有利[38]

2 矿床地质特征 2.1 矿区地质

矿区内出露的地层主要为下石炭统大哈拉军山组第三亚组火山岩和第四系冰川及其堆积物(图 1-b)。火山岩主要包括安山岩、玄武岩、玄武质安山岩、玄武质凝灰岩、粗面安山岩,以及少量的粗面岩和英安岩,铁矿体主要赋存于安山岩中。受火山机构及北侧NW向区域性大断裂控制,区内构造行迹较复杂,岩层劈理、节理发育,韧性变形复杂,但主要构造为单斜构造,此单斜构造走向NW315°左右,倾角60°左右。区内晚古生代火山活动频繁,古火山机构发育,岩浆岩以华力西期中晚期为主,侵入岩岩体主要为浅肉红色花岗闪长岩和灰色石英闪长岩,岩脉主要为后期侵入于矿区西北部石英闪长岩中的辉绿岩脉[38-39]

2.2 矿体特征

智博铁矿矿区分为东、中、西和西北4个矿段,共圈定24个铁矿体(图 1-b)。其中东矿段内的Fe15和Fe18矿体为矿区内的主矿体,占全矿区资源量的90%以上。主矿体沿绿帘石-钾长石-阳起石蚀变带呈带状分布,以层状、似层状、透镜状产出,在平面上总体为NW—SE向,产状北倾,倾角较缓,为15°~35°。矿体长800~1100 m,平均厚度约47~110 m;TFe平均品位为34.02%~50.50%,mFe平均品位为27.58%~32.22%。矿体顶底板均为浅灰绿色、灰褐色的玄武质安山岩,矿体内发育多层夹石,具分枝复合现象。

2.3 矿石特征

智博矿区内矿石矿物组成主要分为金属矿物和脉石矿物。金属矿物主要有磁铁矿,次为黄铁矿,偶见黄铜矿、磁黄铁矿、褐铁矿、赤铁矿等。磁铁矿呈他形粒状,自形-半自形,粒径小于0.1 mm,分布不均匀。黄铁矿呈星点状、团块状和细脉状产出。黄铜矿分布较少,呈点状产出。磁铁矿的裂隙及解理面上偶见少量赤铁矿,黄铁矿边缘偶见磁黄铁矿。脉石矿物主要有透辉石、钠长石、绿帘石、绿泥石、阳起石、钾长石等。

智博铁矿矿石结构以半自形-自形粒状结构和他形-半自形粒状结构为主,其次还有交代结构、填隙结构、包含结构等。智博铁矿矿石构造种类较多,有块状、浸染状、隐爆角砾状、斑杂状、条带状、网脉状等。

2.4 围岩蚀变与成矿期次

智博铁矿发育广泛的围岩蚀变,以绿帘石化、钾长石化和阳起石化为主,少量绿泥石化、硅化和碳酸盐化,离矿体愈近,围岩蚀变愈强烈,且具有多阶段的特点。矿体顶、底板几乎全为绿帘石化-钾长石化-绿泥石化的玄武质安山岩。

根据矿石组构、矿物共生和产出特征可将智博铁矿划分为岩(矿)浆成矿期、热液成矿期,其中热液成矿期又可划分为2个阶段,岩(矿)浆成矿期和热液成矿期第一阶段为主要成矿阶段(表 1)。

表 1 智博铁矿床成矿期次划分及矿物生成顺序 Table 1 Mineralizing periods and mineral-forming sequence of the Zhibo iron deposit

岩浆成矿期:此阶段是智博铁矿主要的成矿阶段,早期以出现磁铁矿+透辉石为特征,磁铁矿颗粒较细,一般为他形-半自形结构,多呈致密块状(图版Ⅰ-a)、角砾状(图版Ⅰ-bd)、浸染状构造。局部围岩玄武质安山岩与块状磁铁矿石之间的接触界线清楚(图版Ⅰ-c),指示此类矿石可能是铁矿浆直接贯入围岩中形成的,致密块状矿石和角砾状矿石中磁铁矿与透辉石共生,两者可能为同一期形成的矿物,也可见黄铁矿充填于自形磁铁矿的晶隙中,其形成应晚于磁铁矿(图版Ⅰ-e)。阶段后期则以绿帘石(+黄铁矿)+阳起石(+绿泥石)等矿物组合为特征,可能是由于铁矿浆的侵入,使围岩发生蚀变,生成绿帘石、阳起石、绿泥石等矿物(图版Ⅰ-f),并形成少量他形粒状的黄铁矿。

图版Ⅰ a.致密块状磁铁矿,具气孔构造;b.磁铁矿与围岩接触带,磁铁矿胶结围岩角砾;c.磁铁矿脉与围岩截然接触;d.角砾状矿石,磁铁矿胶结蚀变安山岩;e.磁铁矿与透辉石共生,反射光;f.绿帘石化与阳起石化,单偏光;g.条带状磁铁矿石;h.浸染状磁铁矿石;i.网脉状磁铁矿石;j.磁铁矿石具片状黄铁矿;k.黄铁矿交代磁铁矿,反射光;l.磁铁矿与绿帘石共生,单偏光。Mt—磁铁矿;Py—黄铁矿;Di—透辉石;Ep—绿帘石;Kf—钾长石;Chl—绿泥石;Act—阳起石;Qtz—石英

热液成矿期:划分为2个成矿阶段:①磁铁矿+绿帘石+钾长石阶段,以发育条带状矿石(图版Ⅰ-g)、浸染状矿石(图版Ⅰ-h)及网脉状矿石(图版Ⅰ-ij)为特征,此阶段黄铁矿较矿浆期多,颗粒也较大,一般呈团块状、条带状或脉状分布(图版Ⅰ-ij)。脉石矿物主要为绿帘石、钾长石、绿泥石等,镜下可见磁铁矿与绿帘石、钾长石密切共生(图版Ⅰ-k)。②石英+硫化物+碳酸盐阶段,出现石英+黄铁矿(+黄铜矿)+碳酸盐的矿物组合,形成时间晚于磁铁矿,并有少量绿帘石、绿泥石、钾长石等矿物形成。黄铁矿多与石英共生,常与石英脉一起产出于矿石及围岩裂隙中(图版Ⅰ-l)。

此外,在矿体形成之后,由于地表剥蚀或雨水灌入,导致部分磁铁矿发生氧化,形成褐铁矿,局部可见黄铜矿氧化成孔雀石,但对整个矿床影响不大。

3 矿床地球化学

本次研究在主矿体钻孔及地表采集围岩及矿石样品9件,其中围岩样品3件,矿石样品6件。分析测试在核工业北京地质研究院的分析测试研究中心完成,主量元素分析使用仪器为Philips PW2404型X荧光光谱仪(XRF),分析精度优于1%;微量元素分析使用仪器为Finnigan MAT Element I型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),分析精度多小于3%,测试环境温度20℃,湿度30%。Rb-Sr、Sm-Nd同位素及铅同位素测试仪器为热电离质谱仪,仪器型号为ISOPROBE-T。分析结果见表 2表 3表 4

表 2 智博铁矿火山岩和磁铁矿石主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth element data of volcanic rocks and iron ore in the Zhibo iron deposit
表 3 智博铁矿火山岩Sr-Nd同位素组成 Table 3 Sr-Nd isotopic data of volcanic rocks in the Zhibo iron deposit
表 4 智博铁矿火山岩与矿石铅同位素组成 Table 4 Pb isotope data of volcanic rocks and iron ore in the Zhibo iron deposits
3.1 主量元素

火山岩的TAS分类图解(图 2-a)表明,带内的火山岩主要为安山岩、玄武安山岩、粗面安山岩及玄武质粗安岩。SiO2-K2O图解(图 2-b)显示,火山岩多为钙碱性或高钾钙碱性岩石。

图 2 智博铁矿火山岩TAS图解(a)[40]和SiO2-K2O图解(b)[41] Fig.2 TAS(a)and SiO2-K2O(b)diagrams of volcanic rocks in the Zhibo iron deposit F—副长岩;Pc—苦橄玄武岩;U1—玄武岩/碧玄岩;U2—响岩质玄武岩;U3—碱玄质响岩;Ph—响岩;B—玄武岩;S1—粗面玄武岩;S2—玄武质粗面安山岩;S3—粗面安山岩;T—粗面岩/粗面英安岩;01—玄武安山岩;02—安山岩;03—英安岩;R—流纹岩;Ir—碱性、亚碱性界线

安山岩及玄武质安山岩的SiO2和TiO2含量分别在52.70%~57.54%和0.61%~1.00%之间,全碱ALK值为2.69~5.74,MgO含量(3.29%~9.71%)和Mg#值(40.29~68.20,Mg#=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+)的变化范围较大。粗安岩及玄武质粗安岩的SiO2含量为55.04%~60.45%,TiO2和P2O5的含量分别为0.53%~0.94%和0.11%~0.17%,全碱ALK值为5.84~8.00,MgO含量和Mg#值分别为1.50%~6.23%和31.64~60.77,变化范围也较大。Atherton等[42]认为,下地壳铁镁质岩石部分熔岩形成的岩浆,由于未与地幔发生相互作用,Mg#值小于45;Kelemen[43]则提出,Mg#>60和Ni>100×10-6的岩浆代表了地幔熔体。本矿区火山岩的Mg#值多介于45~60之间,显示其可能为壳幔混源。火山岩MgO含量和Mg#值较大的变化范围[41], 指示其经历了一定的结晶分异作用过程。

磁铁矿石中,Fe2O3含量为40.08%~61.36%,FeO含量为20.70%~30.05%,TiO2和P2O5含量均较低,分别为0.08%~0.17%和0.02%~0.13%,MgO和Al2O3含量变化较大,分别为0.85%~3.85%和0.00%~3.73%。与Kiruna-type矿床相比,智博铁矿铁矿石TiO2含量与其较一致,均较少;但P2O5含量比Kiruna-type铁矿(磷平均含量大于2%)低得多[44]

3.2 稀土元素

大哈拉军山组火山岩的稀土元素总量(ΣREE)为50.16×10-6~174.12×10-6,变化范围较大,平均为84.95×10-6,其中轻稀土元素(LREE)为32.99×10-6~142.55×10-6,平均为67.14×10-6,重稀土元素(HREE)为10.39×10-6~31.57×10-6,平均为17.82×10-6,LREE/HREE值为2.70~7.72,平均为3.81,LaN/YbN值为0.87~8.94,平均为3.29。在球粒陨石标准化配分曲线(图 3-a)中,所有安山岩一致性较好,表现出轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾型配分模式,轻稀土元素分馏较明显(LaN/SmN值为0.69~4.20),重稀土元素配分曲线较平坦,分馏较差(GdN/YbN值为0.86~1.82),多具弱的负Eu异常(δEu值为0.70~1.41),Ce异常不明显(δCe值为0.95~1.11)。

图 3 智博铁矿火山岩(a)和矿石(b)稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(球粒陨石标准化值据参考文献[45]) Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns of volcanic rocks(a)and iron ore(b)in the Zhibo iron deposit

磁铁矿石的稀土元素总量较低,∑REE为4.76×10-6~71.10×10-6,LREE/HREE值为2.47~19.34。(La/Yb)N变化较大,为1.31~37.73,在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图 3-b)上,总体表现为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾型配分模式,轻稀土元素分馏较明显(LaN/SmN为1.78~13.50),重稀土元素配分曲线较平坦,分馏较差(GdN/YbN为0.76~2.66)。具Eu的负异常,δEu=0.30~0.64,Ce的负异常不明显,δCe=0.82~0.96。袁家铮等认为,深部低氧逸度情况下容易造成岩浆熔体Eu异常,并造成铁的富集[46],也有研究认为Eu的负异常是由于富铁岩浆熔离过程中熔体-矿物稀土元素分配系数发生变化造成的[47]

3.3 微量元素

在火山岩样品原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 4-a)中可以看出,火山岩微量元素分配模式具有较好的一致性,均不同程度地富集大离子亲石元素(K、Rb、Th),而明显亏损高场强元素(Nb、Ta、P),与岛弧火山岩具有相似的地球化学特征[48]。同时多数火山岩样品中Ba相对于Th富集,与典型的岛弧火山岩富集Ba的特征相同[49]

图 4 智博铁矿火山岩(a)和矿石(b)微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔标准化值据参考文献[43]) Fig.4 Primitive mantle-normalized trace earth element patterns for volcanic rocks(a)and iron ore(b)in the Zhibo iron deposit

磁铁矿石原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 4-b)显示,其分配模式具有较好的一致性,均不同程度地富集大离子亲石元素(K、Rb、Th),而明显地亏损高场强元素(Nb、Ta),与矿区内火山岩具有一定的相似性,暗示了其成因上的联系,可能来源于同一岩浆源。但磁铁矿石却表现出P的富集,可能是岩浆上侵过程中受到了壳源物质的影响。

3.4 锶-钕-铅同位素

同位素特征不仅可以反映岩浆源区特征与岩浆作用过程,还可以为成矿作用和成矿机制提供信息。为此本次对智博矿区火山岩和矿石进行了锶-钕同位素和铅同位素分析测试(表 3表 4),以期为研究本区成岩成矿作用提供进一步证据。

智博铁矿火山岩样品的锶-钕同位素组成如表 3所示,(87Sr/86Sr)iεNd(t)按照320 Ma计算。本区火山岩的εSr(t)值变化较大,为8.5~15.6,均为正值,表明智博矿区火山岩的母岩浆可能来源于锶同位素相对亏损的地幔源区。87Sr/ 86Sr初始值较低,变化范围较小,介于0.70472~0.70522之间,平均值为0.70502,表明其母岩浆可能来源于同一源区的锶同位素较稳定的岩浆房。εNd(t)值变化较大,3件样品均为正值,介于0.9~3.3之间,平均值为2.43。

智博铁矿火山岩与磁铁矿石的铅同位素组成见表 4。其中(206Pb/204Pb)t、(207Pb/204Pb)t、(208Pb/204Pb)t是按照t=320 Ma,结合火山岩的Th、U和Pb的含量计算的。区内火山岩的208Pb/204Pb、207Pb/204Pb和206Pb/204Pb值的变化范围分别为36.993~37.849、15.480~15.549和17.416~17.882;磁铁矿石的208Pb/204Pb、207Pb/204Pb和206Pb/204Pb值分别为37.730~37.854、15.395~15.467和15.921~17.214。

4 讨论 4.1 成矿构造背景

西天山在晚古生代经历了一系列复杂的构造演化,关于本矿床主要赋矿围岩的大哈拉军山组火山岩形成的构造环境一直是颇有争议的科学问题,观点主要有大陆裂谷环境[26]、与地幔柱有关的裂谷环境[50-51]、大陆边缘弧或岛弧环境[1, 30-31, 52-57]等。

不同构造环境的火山岩具有不同的矿物学和地球化学特征,故可以通过其特征判断火山岩的形成环境。单斜辉石的成分与岩浆和构造环境有密切关系,特别是Ti、Al、Na等的含量对判断构造环境和岩浆系列有良好的指示作用[58-59]。辉石的Si-Al图和F1-F2构造环境的判别图[11]显示,大哈拉军山组火山岩形成于岛弧环境。

不同构造环境的火山岩微量元素地球化学特征也不同,可通过微量元素判断玄武岩的构造环境。火山岩稀土元素总量较低,Ba相对于Th富集,富集大离子亲石元素(K、Rb、Th),亏损高场强元素(Nb、Ta、P),均显示其具岛弧火山岩的特点。在Nb/Th-Zr/Nb判别图解[60]和Hf-Th-Ta判别图解[61](图 5)中,绝大多数玄武质火山岩样品点落入岛弧玄武岩区,表明智博铁矿火山岩可能形成于岛弧环境。火山岩在锶-钕同位素总体表明本区火山岩的源区可能为同一亏损地幔[62-63];在锶-钕判别图解(图 6)中,火山岩样品点集中于亏损的洋岛型地幔玄武岩区域,同样指示了火山岩的母岩浆来源于亏损地幔。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb图解(图 7)中,火山岩样品点落入下部大陆地壳和上地幔范围,并接近亏损地幔边缘,说明其岩浆形成过程中亏损地幔物质与下地壳物质均有参与,有力地证明了本区火山岩具岛弧性质。

图 5 智博铁矿火山岩构造环境判别图解 Fig.5 Discrimination diagrams of volcanic rocks in the Zhibo iron deposit a—Nb/Th-Zr/Nb判别图解[60];b—Hf-Th-Ta判别图解[61]。CAB—钙碱性玄武岩;IAT—岛内拉斑玄武岩;WPAB—碱性板内玄武岩;N-MORB—正常洋中脊玄武岩;E-MORB+WPT—富集洋中脊玄武岩和板内拉斑玄武岩
图 6 智博铁矿火山岩Sr-Nd同位素图解 Fig.6 Sr-Nd isotope diagram of volcanic rocks in the Zhibo iron deposit
图 7 智博铁矿火山岩206Pb/204Pb-207Pb/204Pb图解(底图据参考文献[64]) Fig.7 206Pb/204Pb-207Pb/204Pb isotope diagram of volcanic rocks in the Zhibo iron deposit BSE—全球硅酸盐地球;LCC—下部大陆地壳;UCC—上部大陆地壳;EMⅠ/EMⅡ—富集地幔;DM—亏损地幔;PREMA—常见的普通地幔成分;MORB—洋中脊玄武岩(上地幔);HIMU—具有高U/Pb值的地幔

早石炭世南天山洋向伊犁板块的持续俯冲,在阿吾拉勒地区发生了大规模的岛弧火山活动,形成了大哈拉军山组钙碱性火山岩地层[1, 31, 37]。地球化学资料显示,智博铁矿火山岩与磁铁矿石来源于同一岩浆源。结合上述分析可知,智博铁矿的成矿构造背景为南天山洋向伊犁板块俯冲形成的岛弧环境。

4.2 成矿物质来源

智博铁矿磁铁矿石与火山岩具有相似的稀土和微量元素配分特征。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb和207Pb/204Pb-208Pb /204Pb图解(图 8)中,火山岩与磁铁矿石具有很好的线性关系,均表明其可能来源于相同的岩浆系统。

图 8 智博铁矿火山岩及矿石206Pb/204Pb-207Pb/204Pb(a)和207Pb/204Pb-208Pb/204Pb(b)图解[38, 65-66] Fig.8 Pb isotope diagrams of volcanic rocks(a)and iron ore(b)in the Zhibo iron deposit

岛弧环境中的岩浆可能有:地幔楔的部分熔融、俯冲板片部分熔融、俯冲带流(熔)体、陆壳同化混染[67]等。智博铁矿火山岩的锶-钕同位素特征及锶-钕判别图解均指示其母岩浆来源于亏损地幔;弱富集的钕同位素组成(εNd(t)介于0.9~3.3之间),暗示了其岩浆源区可能受到俯冲洋壳析出流体的交代[68-69]。火山岩的铅同位素特征也显示其岩浆形成过程中亏损地幔物质与下地壳物质均有参与。这与火山岩主量、微量元素特征显示其母岩浆为壳幔混源吻合。因此,智博铁矿火山岩应来源于受到俯冲带流体交代的亏损地幔楔。

磁铁矿石成铅同位素在因分类图解(图 9)中,均落入上地壳与地幔混合的俯冲带铅范围,表明磁铁矿同样来源于深部岩浆系统,并有陆壳物质的参与,这与火山岩的特征吻合,也佐证了磁铁矿石与火山岩具有相同的物质来源。因此,智博铁矿磁铁矿的成矿物质来源应是受俯冲带流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成的岩浆。

图 9 智博铁矿矿石铅同位素Δβ-Δγ成因分类图解(底图据参考文献[70]) Fig.9 Genetic classification of iron ore's Pb isotope in the Zhibo iron deposit 1—地幔源铅;2—上地壳铅;3—上地壳与地幔混合的俯冲带铅(3a—岩浆作用;3b—沉积作用);4—化学沉积型铅;5—海底热水作用铅;6—中深变质作用铅;7—深变质下地壳铅;8—造山带铅;9—古老页岩上地壳铅;10—退变质铅
4.3 矿床成因

目前关于智博铁矿的成因主要有2种认识:一种是岩浆-热液复合成因[12, 14, 38],另一种是火山热液成因[18]。主要以层状、似层状和透镜状赋存于大哈拉军山组中基性火山岩中,具有矿浆型铁矿的典型特征;同时与矿区内广泛发育绿帘石化、钾长石化等热液蚀变也有密不可分的联系。

智博铁矿矿石多为致密块状,发育气孔杏仁状构造,部分矿体与围岩接触关系截然;角砾状矿石中,磁铁矿胶结(蚀变)安山岩角砾,局部角砾具有一定的拼合性;可见磁铁矿的流动构造;具有较高的V、Co、Ni等元素;与透辉石等高温伴生矿物共生等,这些特征均符合矿浆型铁矿的特征[71],指示了智博铁矿的矿浆成矿作用。前人实验研究证明,富铁硅酸岩浆在高温熔融状态下经液态不混溶作用可以熔离出铁矿浆,磷或其他挥发分(F、B)的加入可以促进铁矿浆的熔离[72-73]。一般在与陆相火山岩有关的铁矿床中富含磷灰石,如宁芜地区的玢岩铁矿[74-76]和Kiruna型铁矿[77-80];而与海相火山岩有关的磁铁矿中磷灰石普遍较少[5, 8-9],指示本矿床铁矿浆的熔离可能与磷的关系较小。如前文所述,智博铁矿的成矿母岩浆来源于受俯冲带流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成富铁的基性玄武质岩浆。富铁的基性玄武质岩浆沿深大断裂上侵,形成矿区广泛分布的大哈拉军山组火山岩,部分岩浆上侵过程中由于物理化学条件的改变,发生液态不混溶作用,熔离出铁矿浆,并沿通道继续上侵到早期的火山岩地层中参与成矿,形成智博铁矿大规模的岩浆期磁铁矿石。

智博铁矿发育广泛的绿帘石化、钾长石化、阳起石化等热液蚀变,尤其是浸染状和条带状矿石中,磁铁矿与绿帘石、钾长石密切共生,指示了热液作用对磁铁矿成矿的贡献。磁铁矿石地球化学特征表明,热液期矿石的成矿物质来源于中基性岩浆,同时火山岩与蚀变火山岩中的Fe含量并没有太大变化,因此热液可能为富铁的岩浆或矿浆热液。热液作用使围岩发生矿化与蚀变,形成磁铁矿体。

综上所述,智博铁矿为岩浆(主要)-热液(次要)复合型矿床,受俯冲流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成富铁的玄武质岩浆,岩浆沿深大断裂上侵形成早期火山岩,上侵过程中由于物理化学条件的改变在不混溶作用下形成铁矿浆,铁矿浆侵入早期火山岩地层形成岩浆期磁铁矿体;后期富铁的岩浆或矿浆热液使围岩发生矿化与蚀变,形成热液期磁铁矿体。

5 结论

(1) 智博铁矿成矿作用主要划分为岩(矿)浆期和热液期3个成矿期次,包括两个成矿阶段:磁铁矿+透辉石阶段、磁铁矿+绿帘石+钾长石阶段和石英+硫化物+碳酸盐阶段。

(2) 智博铁矿地球化学特征表明,其成矿构造背景为早石炭世南天山洋向伊犁板块俯冲形成的岛弧环境。

(3) 智博铁矿火山岩与磁铁矿石具有相同的物质来源,均来源于受俯冲带流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成的玄武质岩浆。

(4) 智博铁矿为岩浆(主要)-热液(次要)复合型矿床,受俯冲流体交代的亏损地幔楔部分熔融形成富铁的玄武质岩浆,沿深大断裂上侵形成早期火山岩,上侵过程中由于物理化学条件的改变在不混溶作用下形成铁矿浆,铁矿浆侵入早期火山岩地层形成岩浆期磁铁矿体;后期富铁的岩浆或矿浆热液使围岩发生矿化与蚀变,形成热液期磁铁矿体。

致谢: 野外工作得到新疆自治区地质调查院总工程师王磊,新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局教授级高工李凤鸣、屈迅及地矿局第三地质大队和十一地质大队的大力相助,在此一并表示衷心的感谢。

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