藏 梅, 董連慧, 柴鳳梅*, 楊富全, 劉 鋒, 李 強, 歐陽劉進

1)新疆大學新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預測實驗室, 新疆烏魯木齊 830046;

2)新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產勘查開發(fā)局, 新疆烏魯木齊 830000;

3)中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點開放實驗室, 北京 100037

新疆阿爾泰南緣巴利爾斯鐵礦床稀土元素地球化學研究

藏 梅1), 董連慧2), 柴鳳梅1)*, 楊富全3), 劉 鋒3), 李 強3), 歐陽劉進1)

1)新疆大學新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預測實驗室, 新疆烏魯木齊 830046;

2)新疆維吾爾自治區(qū)地質礦產勘查開發(fā)局, 新疆烏魯木齊 830000;

3)中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點開放實驗室, 北京 100037

巴利爾斯鐵礦是阿爾泰南緣麥茲盆地新近發(fā)現的中型鐵礦床。賦存于上志留—下泥盆統(tǒng)康布鐵堡下亞組第二巖性段變粒巖、淺粒巖及斜長角閃巖中, 礦體及其周圍發(fā)育大量矽卡巖礦物。本文對礦體圍巖、矽卡巖礦物和礦石進行了稀土元素地球化學研究, 結果表明磁鐵礦礦石、矽卡巖與圍巖斜長角閃巖的 REE特征具有相似性, 暗示磁鐵礦礦石與矽卡巖具有親緣性, 斜長角閃巖可能提供部分成礦物質。矽卡巖和礦石發(fā)育Eu正異常及所有礦石的負Ce異常, 表明鐵成礦作用發(fā)生在高溫氧化環(huán)境。

稀土; 矽卡巖; 鐵礦床; 巴利爾斯; 阿爾泰

*通訊作者: 柴鳳梅, 女, 1971年生。教授。主要從事礦物學、巖石學、礦床學研究。通訊地址: 830046, 烏魯木齊延安南路1230號。

E-mail: chaifengmei@163.com。

阿爾泰造山帶南緣是我國重要的多金屬成礦帶,大部分的鐵、銅、金以及鉛鋅礦等產于阿舍勒、沖乎爾、克朗和麥茲四個火山沉積盆地。其中麥茲盆地是最重要的鐵礦集區(qū), 已發(fā)現了蒙庫大型鐵礦、烏吐布拉克中型鐵礦、巴拉巴克布拉克中型鐵礦、巴利爾斯中型鐵礦等。這些鐵礦體均賦存于上志留—下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組變質火山沉積巖系中, 大致順地層產出, 但礦體周圍又發(fā)育大量的矽卡巖礦物。前人對該區(qū)的蒙庫鐵礦床和烏吐布拉克鐵礦床做了大量的工作, 但對它們的成因尚存在較大爭議,有矽卡巖型、火山噴流沉積型、火山噴流沉積+疊加改造型、海相火山巖型等不同認識(張建中等, 1987;仇仲學, 2003; Wang et al., 2003; 李嘉興等, 2003; 胡興平, 2004; 楊富全等, 2007; 張志欣等, 2011a)。富蘊縣巴利爾斯鐵礦發(fā)現于2002年, 目前該礦床尚未開展系統(tǒng)研究, 這在一定程度上制約了礦區(qū)深部找礦工作。本文對巴利爾斯鐵礦的火山巖、矽卡巖、礦石進行了稀土元素分析, 以期探討它們之間的成因關系, 為成礦機制探討提供新資料。

巴利爾斯鐵礦床位于新疆阿爾泰南緣的麥茲火山沉積盆地, 大地構造位置為晚古生代活動陸緣(何國琦, 2004; 童英等, 2005; 劉鋒等, 2008; 劉國仁等,2010)。盆地內出露有中—上志留統(tǒng)庫魯姆提群、上志留統(tǒng)—下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組和中—上泥盆統(tǒng)阿勒泰鎮(zhèn)組。庫魯姆提群為一套中深變質淺海-濱海相碎屑沉積巖建造?？挡艰F堡組主要由中等變質海相火山熔巖、火山碎屑巖, 以及少量陸源碎屑巖和碳酸鹽巖組成。阿勒泰鎮(zhèn)組為一套中淺變質淺海相復理石建造。盆地內構造活動比較強烈, 斷裂和褶皺發(fā)育, 主要有麥茲復式向斜、蒙克木背斜、巴特巴克布拉克向斜、鐵熱克薩依向斜, 巴寨、可依洛甫、沙爾布拉克等區(qū)域大斷裂。侵入巖主要有早—中泥盆世花崗巖巖株和基性-酸性巖脈(童英等, 2007; 楊富全等, 2008; 張志欣等, 2011b)。盆地內發(fā)育了蒙庫大型鐵礦和可可塔勒大型鉛鋅礦等。

1 礦床地質特征

1.1 礦區(qū)地層及侵入巖

圖1 巴利爾斯鐵礦區(qū)地質略圖(厲小鈞等, 2006修編)Fig. 1 Geological map of the Baliersi iron ore district (modified after LI et al., 2006)

礦區(qū)出露的地層主要為上志留—下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組下亞組的第二巖性段、第三巖性段和上亞組的第一巖性段。其中第二巖性段分布于礦區(qū)北東部,為磁鐵變粒巖、淺粒巖, 夾少量角閃更長片麻巖、斜長角閃巖和黑云母變粒巖等, 巴利爾斯鐵礦體位于該層位。第三巖性段分布于礦區(qū)中部, 主要為黑云母變粒巖、淺粒巖, 夾少量黑云母片巖。上亞組第一巖性段為變質凝灰質砂巖、變質鈣質長石石英砂巖、變質泥質粉砂巖、變質粉砂巖、黑云母片巖夾大理巖透鏡體(圖1)。

礦區(qū)北東部分布有中泥盆世也根拜黑云母花崗巖, 其年齡為385～388 Ma(張志欣等, 2011b)。該巖體空間分布受控于斷裂構造。

1.2 礦體及礦石特征

巴利爾斯鐵礦帶長約5 km, 寬0.4 km, 可分為北、南兩個礦化帶。礦體以似層狀、透鏡狀賦存于矽卡巖、變粒巖、淺粒巖及斜長角閃巖中。其中 2號礦體是最主要的礦體, 位于礦帶中部。礦石構造主要以致密塊狀、條帶狀構造為主, 浸染狀和團塊狀構造次之, 主要為自形-半自形中粗粒結構, 也見交代結構。礦石礦物主要有磁鐵礦, 偶見黃鐵礦、黃銅礦等, 脈石礦物主要有透輝石、石榴石, 其次為綠簾石、角閃石、綠泥石、石英及方解石等。塊狀礦石的脈石礦物為石榴石(圖 2A); 條帶狀礦石的脈石礦物以透輝石為主, 透輝石與磁鐵礦以條帶狀相互排列, 磁鐵礦與透輝石接觸的部位分布有角閃石(圖2B); 團塊狀礦石中的磁鐵礦一般以3～10 cm團塊產于石榴石或者透輝石矽卡巖中(圖 2C); 浸染狀礦石磁鐵礦通常以稠密浸染狀產于透輝石矽卡巖中,并見磁鐵礦交代透輝石(圖2D)。

1.3 熱液蝕變及成礦期次劃分

巴利爾斯鐵礦床圍巖蝕變主要以矽卡巖化為主。矽卡巖主要有石榴石矽卡巖、透輝石矽卡巖、透輝石綠簾石矽卡巖和綠泥石角閃石矽卡巖。石榴石矽卡巖中石榴石多為半自形-它形粒狀, 部分晶體呈現環(huán)帶(圖 3A); 透輝石干涉色鮮艷, 自形-它形短柱狀; 綠簾石以粒狀為主, 個別有姜黃異常干涉色(圖3B)。角閃石較自形, 綠泥石以片狀為主, 呈現藍綠色; 可見綠簾石交代透輝石、磁鐵礦交代透輝石的殘余、磁鐵礦交代石榴石形成的港灣(圖3C、3D),并見有石英及方解石交代石榴石、磁鐵礦及綠簾石(圖 3E、3F)。

根據礦體特征、穿插關系、礦物共生組合、生成順序及礦石組構等特征, 將礦床成礦過程大致劃分為三個階段: 矽卡巖階段、退化蝕變階段和石英硫化物階段。矽卡巖階段主要形成石榴石、透輝石等無水矽卡巖礦物; 退化蝕變階段主要形成綠簾石、綠泥石、角閃石、磁鐵礦等, 是鐵礦的主要成礦階段; 石英硫化物階段形成石英、方解石、黃鐵礦、黃銅礦等。

圖2 巴利爾斯鐵礦礦石特征Fig. 2 Features of ores from the Baliersi iron deposit

圖3 矽卡巖礦物及與磁鐵礦之間的關系Fig. 3 Skarn minerals and the relationship between skarn minerals and magnetite

2 樣品及分析方法

本次研究的18件樣品采自巴利爾斯鐵礦2號礦體, 其中火山巖圍巖 9件(斜長角閃巖 3件﹑變粒巖3件﹑淺粒巖3件)、矽卡巖3件(石榴石矽卡巖1件、綠簾石矽卡巖2件)﹑磁鐵礦礦石6件(條帶狀、浸染狀的透輝石(不含石榴石)磁鐵礦礦石 2件、團塊狀含石榴石磁鐵礦礦石3件、塊狀磁鐵礦礦石1件)。

18件樣品首先進行清洗、粉碎、縮分, 然后將樣品在瑪瑙研缽中研磨至200目以下粉末備用。稀土元素分析在中國地質科學院國家地質實驗測試中心完成, 分析儀器為等離子質譜X-series, 執(zhí)行標準為DZ/T 0223—2001, 分析誤差小于5%。

3 稀土元素分析結果

18件樣品稀土元素分析結果見表1。

斜長角閃巖: 3件斜長角閃巖的∑REE變化微小(183.63×10-6～187.67×10-6), 平 均 為 185.03×10-6。LREE相對較富集(LREE/HREE=3.28～3.31,(La/Yb)N=2.42～2.68), LREE和HREE內部分異不很明顯( (La/Sm)N=1.40～1.41, (Gd/Yb)N=1.51～1.71)。Eu異常與 Ce異常均不明顯(δEu=0.90～0.98,δCe=1.01～1.02)(圖 4A)。

變粒巖: 3件變粒巖的∑REE 變化較大(178.64×10-6～280.56×10-6), 平 均 為 227.27×10-6。LREE相對較富集(LREE/HREE=5.42～8.47,(La/Yb)N=4.61～8.84)。LREE內部元素發(fā)生了分異((La/Sm)N=2.58～2.85), HREE內部基本無分異((Gd/Yb)N=1.36～1.92)。樣品具有中等程度的Eu 負 異 常(δEu=0.48～0.51)和 弱 Ce正 異 常(δCe=1.05～1.20)(圖 4B)。

淺粒巖: 與斜長角閃巖和變粒巖相比, ∑REE相對較低(40.83×10-6～63.09×10-6), 平均為 51.02×10-6。3件樣品具有相似的LREE富集的配分曲線, LREE內部分異不大((La/Sm)N=1.15～1.85), 輕重稀土分異也不明顯(LREE/HREE=1.06～2.02), 3件樣品具有明顯的 Eu負異常(δEu=0.38～0.66), 樣品 bls68無明顯Ce異常(δCe=0.97), bls69具有弱的 Ce正異常(δCe=1.25), bls70 具有弱的 Ce 負異常(δCe=0.79)(圖4C)。

表1 巴利爾斯鐵礦床圍巖及礦石稀土元素組成/10-6Table 1 REE composition/10-6 of wall rocks and ores from the Baliersi iron deposit

矽卡巖: 3件矽卡巖的∑REE變化較大, 綠簾石矽卡巖(bls56、bls57)的∑REE 為 300.83×10-6和327.01×10-6, 石榴石矽卡巖(bls58)的∑REE 為109.86×10-6。 綠 簾 石 矽 卡 巖 富 集 LREE(LREE/HREE=2.80～5.17), 石榴石矽卡巖富集HREE(LREE/HREE=0.10)。樣品均具有 Eu正異常(δEu=1.35～2.08), 基本無 Ce異常(δCe=0.98～1.02)(圖 4D)。礦石: 6件礦石樣品的∑REE不高, 變化較大

(2.62×10-6～63.99×10-6)。條帶狀及浸染狀的透輝石磁鐵礦礦石(bls53、bls54)富集LREE(LREE/HREE=4.99,6.20), 并且 LREE內部分異程度不同((La/Sm)N=3.71～3.98), 含石榴石的磁鐵礦礦石(bls42、bls44、bls51)及塊狀礦石(bls21)富集HREE(LREE/HREE=0.12～0.32), LREE內部分異程度差別較大((La/Sm)N=0.22, 0.92, 1.12, 1.68), 樣品呈現明顯的Eu正異常(δEu=1.50～3.15)和弱的Ce負異常(δCe=0.79～0.91)(圖 4E、4F)。

4 討論

4.1 圍巖、矽卡巖和礦石的REE模式成因

巴利爾斯鐵礦區(qū)的斜長角閃巖、變粒巖和淺粒巖均具有輕稀土相對富集的稀土元素配分模式, 應該是繼承了原巖的稀土元素特征, 因為在低于角閃巖相的變質作用過程中, 稀土元素不會發(fā)生明顯遷移(王中剛等, 1989)。在 La/Yb-∑REE 圖解(圖 5)中礦區(qū)圍巖大部分落在玄武巖區(qū), 少量落在沉積巖區(qū)中,這與前人對康布鐵堡組變質原巖恢復的多數原巖為火山巖的結論一致(張建中, 1987)。圍巖均富集HREE, Eu異常具有差別, 這可能與巖漿演化過程有關。

圖5 巴利爾斯鐵礦床圍巖La/Yb-∑REE圖解(底圖轉引自朱笑青等, 1994)Fig. 5 La/Yb-∑REE diagram of wall rocks from the Baliersi iron deposit (base map after ZHU et al., 1994)

前人已對矽卡巖及其礦物的REE特征進行了大量的研究, 不同形成機制的矽卡巖的REE特征具有明顯差別。石榴石矽卡巖的REE配分模式受到石榴石中REE分配行為的控制。變質成因和巖漿成因的石榴石通常呈富 HREE的分布模式(Gaspar et al.,2008), 這種石榴石一般富Al(洪為等, 2011a)。趙斌等(1999)、趙勁松等(2007)將長江中下游 Cu(Au)、Cu-Fe(Au)和Fe礦床富集LREE虧損HREE和正Eu異常的石榴石矽卡巖稱為巖漿成因的矽卡巖。典型接觸交代成因矽卡巖的石榴石通常具有富 LREE的特點(Gressey, 1987), 受到巖體的影響較大(趙斌等,1999), 也有富集 HREE的模式, 王莉娟等(2002)認為可能受到大氣水等的影響, 這類矽卡巖及其礦物的REE受到巖體影響較小。

矽卡巖是巴利爾斯鐵礦常見的蝕變巖石, 其石榴石矽卡巖呈富集 HREE的左傾型, 綠簾石矽卡巖呈富集LREE的右傾型, 兩者均具有正Eu異常。石榴石矽卡巖的REE模式與蒙庫鐵礦部分石榴石及查崗諾爾鐵礦的石榴石的 REE模式相似, 楊富全等(2007)、洪為等(2012a, b)認為其為巖漿熱液交代火山巖地層形成。通常石榴石的REE模式主要受到礦物晶體化學性質和晶體結構對 REE控制(趙勁松等,2007)。巴利爾斯鐵礦床石榴石的化學式為(Fe2+, Mn,Mg, Ca)2.895～3.059(Al, Ti, Fe3+)1.923～2.040[SiO4]3, 端元組分為鈣鋁-鈣鐵系列(未發(fā)表資料), Al3+的存在促使HREE3+優(yōu)先進入石榴石的晶格。綠簾石矽卡巖為退化蝕變階段的產物, 與圍巖斜長角閃巖的REE模式較相似, 暗示綠簾石矽卡巖與斜長角閃巖具有密切關系, 這與斜長角閃巖受到綠簾石化的現象吻合,但綠簾石矽卡巖具有更明顯的Eu正異常, Eu異常的差別可能是流體作用的影響。綠簾石矽卡巖與長江中下游東獅子山、伏牛山、西獅子山和胡村Cu(Au)礦床的矽卡巖及大冶-武山礦化矽卡巖的 REE配分模式一致, 這些礦床的矽卡巖均與巖漿熱液作用有關, 也與蒙庫鐵礦退化蝕變階段的綠簾石矽卡巖的REE模式具有相似性(楊富全等, 2007)。巴利爾斯鐵礦床的矽卡巖REE模式與礦區(qū)出露巖體也根拜黑云母花崗巖(富LREE, 負Eu異常)的模式差別較大(張志欣等, 2011b), 矽卡巖的 REE受到礦區(qū)出露巖體的影響較小。雖然不同成因的矽卡巖的REE具有自身的特點,但巴利爾斯鐵礦床的矽卡巖由于測試數據有限等原因, 其具體形成機制還有待進一步研究, 但值得注意的問題有: 1)不同成礦階段的矽卡巖具有不同REE模式, 研究表明, 優(yōu)先富集某一部分REE礦物的晶出會引起流體中REE的分異, 使得流體中REE的組成顯著改變, 可導致后期形成的礦物呈現完全不同的REE配分模式(Brugger et al., 2000), 這可能是矽卡巖具有兩種REE模式的主要成因, 但也不排除成礦過程中可能有大氣水、地層封存海水等加入的影響; 2)巴利爾斯鐵礦床矽卡巖 REE特征結合其石榴石中熔融包裹體和氣-液兩相包裹體共存的現象, 表明成礦流體中存在硅酸鹽熔體(未發(fā)表資料),暗示巴利爾斯鐵礦矽卡巖的形成與巖漿熱液作用關系密切。

磁鐵礦礦石的REE模式除了受到成因不同的限制, 磁鐵礦 REE含量較低, 脈石礦物種類和含量的不同也會導致磁鐵礦礦石REE模式的變化。巴利爾斯磁鐵礦石呈現兩種REE模式, 分別富集HREE和LREE。樣品bls44(透輝石石榴石磁鐵礦礦石)的REE模式與石榴石矽卡巖的REE模式極相似(圖5), 暗示含石榴石的磁鐵礦礦石的REE模式可能受到石榴石的影響?？傮w來看, 巴利爾斯鐵礦床的磁鐵礦石與矽卡巖REE的特征具有相似性, 磁鐵礦礦石與矽卡巖具有親緣關系。

4.2 Eu、Ce等指示的成礦意義

Eu與Ce的異常對指示成巖成礦條件具有重要的指示意義, Eu正異常表明流體的溫度較高, 處于氧化環(huán)境(Hass et al., 1995); Eu異常的大小反映氧化還原程度的強弱, Eu異常峰值越高, 表明氧化程度越強, Eu異常谷越深, 表明還原程度越強(趙勁松等,2007)。Ce的正異常和無異常表明氧化環(huán)境, 負異常表明相對還原環(huán)境。丁振舉等(2003)認為礦石中 Ce的相對虧損, 是成礦熱液Ce相對虧損的反映, 由于海水的加入引起, 海水正常沉淀出的物質不會發(fā)育Eu的正異常, 礦石中Eu正異常和弱Ce負異常同時發(fā)育, 說明礦石沉淀時較高溫度的熱流體與少量的海水發(fā)生了對流混合。巴利爾斯鐵礦的矽卡巖和礦石均呈現中等程度到強的Eu正異常, 礦石發(fā)育弱的Ce負異常, 表明其形成于高溫的氧化環(huán)境, 氧化環(huán)境較適合磁鐵礦的析出(丁俊等, 2011), 成礦過程中可能有地層封存海水的加入。

Y和Ho兩個元素具有相同的離子電價, 其8次配位的離子半徑也幾乎完全相同, 因此它們在許多地球化學環(huán)境中具有相似的地球化學行為。Anders等(1989)認為球粒隕石中Y/Ho值為28, 火成巖及硅酸鹽碎屑沉積巖與球粒隕石的差別不大(Bau et al.,1995), 但在水溶液體系中其化學行為卻發(fā)生分異。巴利爾斯鐵礦床的矽卡巖和礦石的 Y/Ho比值在19—39范圍變化, 多數為 25～28, 接近火成巖的Y/Ho值, 也暗示磁鐵礦富集可能與巖漿熱液有關。

圖6 巴利爾斯鐵礦斜長角閃巖、變粒巖、矽卡巖及礦石(La/Yb)N-(La/Sm)N圖解Fig. 6 (La/Yb)N-(La/Sm)N diagrams of amphibolites,granulite, skarns and ores from the Baliersi iron deposit

在(La/Yb)N-(La/Sm)N圖(圖6)上, 礦石與矽卡巖及圍巖具有兩種不同的關系, 含石榴石的磁鐵礦礦石與石榴石矽卡巖具有線性相關性, 不同構造的磁鐵礦礦石(不含石榴石)與綠簾石矽卡巖及圍巖斜長角閃巖三者之間關系較密切。成礦物質來源也許具有多解性, 斜長角閃巖可能是物質來源之一, 因為其原巖為富鐵的中基性火山巖, 并發(fā)生綠簾石化和磁鐵礦化的現象, 成礦流體可能從中萃取了Fe等物質。

5 結論

1)巴利爾斯中型鐵礦床賦存于上志留統(tǒng)—下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組變質火山-沉積巖系中, 容礦巖石為矽卡巖、變粒巖、淺粒巖及斜長角閃巖中, 礦體空間上與矽卡巖密切相關。礦床的形成經歷了矽卡巖階段、退化蝕變階段和石英硫化物階段, 鐵礦主要形成于退化蝕變階段。

2)巴利爾斯鐵礦的磁鐵礦礦石、矽卡巖與圍巖斜長角閃巖的REE特征具有相似性, 暗示磁鐵礦礦石與矽卡巖具有親緣性, 斜長角閃巖可能提供部分物質來源。

3)矽卡巖和礦石發(fā)育 Eu正異常及所有礦石的Ce負異常, 表明它們形成于高溫氧化的環(huán)境。

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Research on REE Geochemistry of the Baliersi Iron Deposit in Altay,Xinjiang

ZANG Mei1), DONG Lian-hui2), CHAI Feng-mei1)*, YANG Fu-quan3), LIU Feng3), LI Qiang3),OUYANG Liu-jin1)
1)Xinjiang Key Laboratory for Geodynamic Processes and Metallogenic Prognosis of the Central Asian Orogenic Belt,Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang830046;
2)Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources, Urumqi, Xinjiang830000;
3)MRL Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037

The Baliersi iron deposit is located in Maizi Basin on the southern margin of Altay orogenic belt. The ore bodies are hosted in the metamorphosed volcaniclastic-sedimentary rocks of the Upper Silurian-Lower Devonian Kangbutiebao Formation. The ore bodies are largely concordant with the bedding of the strata, and the wall rocks are amphibolite, leptynite and leptite. Abundant skarn minerals such as garnet, diopside, amphibole,epitote and chlorite are widely distributed around the ore bodies. The REE characteristics of skarn, magnetite ore and amphibolite are similar to each other, indicating that skarn and magnetite ore have close relationship, and amphibolite might have provided part of metallogenic materials. Skarn and most ores have obvious Eu positive anomalies and Ce negative anomalies, implying that mineralization took place at high temperature and in an oxidation environment.

REE geochemistry; skarn; iron deposit; Baliersi; Altay

P618.31; P618.7; P595

A

10.3975/cagsb.2013.02.07

本文由國土資源部公益性行業(yè)科研專項經費項目(編號: 200911007-06)和“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號: 2011BAB06B03-02)聯(lián)合資助。

2012-11-25; 改回日期: 2013-02-21。責任編輯: 魏樂軍。

藏梅, 女, 1986年生。碩士研究生。主要從事礦床地質、地球化學研究。通訊地址: 830046, 烏魯木齊延安南路1230號。E-mail: xzangm@163.com。