荊德龍, 張 博, 汪幫耀,2, 王子璽, 姜常義,2,李永軍,2, 李新光

(1. 長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2. 長安大學(xué) 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室, 陜西 西安710054; 3. 新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局 第九地質(zhì)大隊, 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

阿吾拉勒成礦帶位于新疆西天山伊犁板塊東北緣, 是近年來發(fā)現(xiàn)的一條極其重要的鐵、銅、金多金屬成礦帶[1–4]。通過近年的地質(zhì)勘查工作, 在該成礦帶內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)和重新評價了查崗諾爾、備戰(zhàn)、智博、敦德等大型鐵礦床, 以及松湖、霧嶺、尼新塔格-阿克薩依等中型鐵礦床[4–11], 累計探獲鐵礦資源量 11.7億噸[4]和巨大的鐵礦資源勘查潛力。研究發(fā)現(xiàn), 這些鐵礦床大多數(shù)都賦存于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組火山巖地層中。由于分布廣泛并賦存有大量的鐵礦床, 該組火山巖對于研究西天山地區(qū)構(gòu)造演化及礦產(chǎn)分布都具有重要意義, 盡管對該組火山巖的進(jìn)行了眾多研究, 但是其形成的構(gòu)造環(huán)境仍存在爭議。本文選取阿吾拉勒成礦帶內(nèi)研究程度相對較低的尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)火山巖作為研究對象, 進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)及巖石地球化學(xué)研究, 探討該區(qū)大哈拉軍山組火山巖的成因和構(gòu)造背景, 以期對認(rèn)識西天山地區(qū)晚古生代構(gòu)造演化有所幫助, 進(jìn)一步限定該礦床的成因類型。

1 地質(zhì)背景

新疆西天山是中亞造山帶的重要組成部分,它位于中亞造山帶的西南部, 北以依連哈比爾尕斷裂為界, 南以長阿吾子-烏瓦門縫合帶為界, 向西延入哈薩克斯坦, 向東止于庫米什北東, 總體上向東呈楔形展布(圖 1a)。高俊等[13]將西天山地區(qū)劃分為北天山弧增生體、伊犁地塊北緣活動陸緣、伊犁地塊、伊犁地塊南緣活動陸緣、中天山復(fù)合弧地體和塔里木北部被動大陸邊緣(如圖1a)。伊犁地塊夾于天山主干斷裂(中天山北緣斷裂)和那拉提北坡斷裂之間, 呈楔形向東尖滅。石炭紀(jì)-二疊紀(jì)時期該區(qū)經(jīng)歷了從俯沖-碰撞造山向后碰撞伸展-拉張環(huán)境的構(gòu)造轉(zhuǎn)變[13–18], 形成了廣泛分布的石炭紀(jì)-二疊紀(jì)火山巖和火山碎屑巖地層。阿吾拉勒鐵成礦帶內(nèi)的鐵礦床均賦存于該階段形成的火山巖地層內(nèi)(圖 1b)。

尼新塔格鐵礦床位于阿吾拉勒山中部、闊爾庫巖體南側(cè)的火山巖分布區(qū)域, 礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組(C1d)、阿克沙克組(C1a)和上石炭統(tǒng)伊什基里克組(C2y)及第四系(如圖 1b、1c)。其中賦礦的大哈拉軍山組(C1d)主要出露于礦區(qū)北西部, 區(qū)域上該組劃分為三段, 礦區(qū)僅出露大哈拉軍山組的第三段(C1d3)地層。整體上為一套淺海相中基性火山巖、火山碎屑巖組合, 呈北西-南東向帶狀展布。

礦區(qū)范圍內(nèi)出露的侵入巖主要為早二疊世侵位的黑云母二長花崗巖, 出露面積較廣, 分布于礦區(qū)的北部(如圖1b)。

2 樣品及測試

尼新塔格鐵礦區(qū)范圍內(nèi)出露的火山巖巖石組合為: 安山巖、玄武安山巖、玄武巖等火山熔巖, 巖屑晶屑凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r、磁鐵礦化火山角礫巖、含集塊火山角礫巖、沉火山角礫巖以及漿屑沉凝灰?guī)r等火山碎屑巖。由于火山碎屑巖中碎屑物成分及來源具有多樣性, 使得其化學(xué)組成變化較大、特征不明顯, 對巖石的成因及源區(qū)不具有討論價值, 故本次研究工作僅在尼新塔格鐵礦區(qū)大哈拉軍山組第三段火山巖地層中部及下部層位采集火山熔巖樣品進(jìn)行化學(xué)分析。在對大量樣品進(jìn)行詳細(xì)的手標(biāo)本和光、薄片顯微鏡下觀察后, 挑選出 15件相對新鮮并具有代表性的樣品進(jìn)行主元素和微量元素分析。主要巖性特征描述如下。

(1) 安山巖 斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。巖石主要由斜長石、鈉長石和少量角閃石及磁鐵礦組成, 偶見輝石。斑晶以斜長石為主(圖2d), 少量的鈉長石、角閃石和黑云母, 偶見輝石。巖石中局部具氣孔發(fā)育(圖2a), 偶見有磁鐵礦和玄武巖角礫。

(2) 玄武安山巖 斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。斑晶成分主要為自形、半自形的斜長石, 少量角閃石、黑云母和輝石(圖 2b、2e)?；|(zhì)由斜長石、鈉長石微晶及填隙的暗色礦物集合體、玻璃質(zhì)和磁鐵礦組成。該類巖石基質(zhì)中普遍見有磁鐵礦化, 見有一系列玄武安山巖-弱礦化玄武安山巖-礦化玄武安山巖-浸染狀礦石, 它們反應(yīng)出一種特征: 磁鐵礦礦可以以任何比例存在于該類巖石的基質(zhì)中。

圖1 尼新塔格鐵礦區(qū)大地構(gòu)造位置(根據(jù)文獻(xiàn)[12–13]修改)及礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Tectonic location (modified after references [12–13]) and simplified geological map of Nixintage iron deposit

(3) 玄武巖 灰黑色、灰綠色, 斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。斑晶成分主要為斜長石, 角閃石和輝石次之(圖2c、2f)。斑晶斜長石呈自形板條狀、寬板狀, 多被綠泥石和絹云母交代。斑晶角閃石很少能保留完好, 多被綠泥石交代, 僅保留菱形晶形。斑晶輝石呈六邊形, 大多數(shù)都被綠泥石、透閃石不同程度交代。基質(zhì)由微晶斜長石、輝石、磁鐵礦和玻璃質(zhì)組成, 具間粒結(jié)構(gòu)和間隱結(jié)構(gòu)。

對挑選出的樣品進(jìn)行清洗、粉碎、縮分, 將其在瑪瑙研缽中研磨至過200目篩備用。樣品分析在長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室完成。主元素分析采用XRF法, 在X射線熒光光譜儀上完成; 微量元素分析采用美國X-7型ICP-MS完成。儀器工作參數(shù): Power: 1200w, Nebulizer gas:0.64 L/min, Auxiliarygas: 0.80 L/min, Plasmagas:13 L/min。巖石化學(xué)分析所獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

在對 15件樣品的主微量元素地球化學(xué)特征進(jìn)行分析以后, 又從中選取了 7件具代表性的樣品進(jìn)行 Nd-Sr同位素地球化學(xué)分析。樣品分析測試試由中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所漆亮研究員代為分析, 所用儀器為 Neptune公司生產(chǎn)的 MC-ICP-MS,所用的標(biāo)液參考樣品分別為 NISTSRM-987和JMC-Nd, 標(biāo)樣分別為BCR-1和BHVO-1。詳細(xì)測試方法見Chuet al.[19]。分析結(jié)果如表2所示。

圖2 尼新塔格鐵礦區(qū)玄火山巖照片及顯微特征Fig 2 Pictures and micrographs of volcanic rocks in Nixintage iron deposit

3 地球化學(xué)特征

3.1 巖石系列劃分

由于本次研究工作主要針對鐵礦區(qū)內(nèi)的賦礦火山巖, 雖然在采集樣品時盡可能的選取其中新鮮、蝕變?nèi)醯臉悠? 但是由于距離礦體較近, 所采集樣品均遭受不同程度的蝕變, 故分析結(jié)果中大多數(shù)樣品的燒失量(LOI)在3%以上。由于巖石中的K、Na、Ca等元素具有較強的活動性, 在巖石遭受蝕變后極易發(fā)生遷移, 故TAS圖解不適用于本區(qū)火山巖的巖石地球化學(xué)定名。而巖石中的 Al、Ti、Nb、Zr、Y等元素活動性弱, 它們可以反應(yīng)蝕變巖石及變質(zhì)巖石的某些原巖性質(zhì), 故本文利用 Zr/TiO2-Nb/Y二元圖解對本區(qū)火山巖進(jìn)行地球化學(xué)定名(圖 3)。由圖 3可知, 15件樣品中有9件樣品落入玄武安山巖區(qū)域, 6件樣品落入玄武巖區(qū)域, 均屬于亞堿性玄武巖系列。

AFM圖投影顯示, 本區(qū)火山巖具有較為明顯的鈣堿性玄武巖特征(圖 4a)。Ti-Zr圖投影也顯示, 所研究巖樣品絕大部分落在鈣堿性玄武巖區(qū)域內(nèi)(圖4b), 進(jìn)一步確定本區(qū)火山巖屬鈣堿性系列。

3.2 主元素地球化學(xué)特征

整體來看, 本區(qū)火山巖具有明顯的富堿特征,ALK含量大多數(shù)位于6%～9%之間, 平均值為6.48%,尤其富鈉(Na2O 含量大多介于 4%～7%之間, 平均5.04%)。此外, 本區(qū)火山巖較同類巖石略微富鈦,TiO2含量介于0.88%～1.28%之間, 平均為1.12%。在本區(qū)火山巖哈克圖解(圖5)上可以看出, 巖石中活動性較弱的Ti、Al氧化物含量與巖石中的SiO2含量具有較為明顯的線性相關(guān)性, 表明它們在蝕變作用后未發(fā)生明顯的遷移。此外, 巖石中的活動元素Na的氧化物與 SiO2之間也呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性, 這就表明, 巖石本身即具有富Na特征。而其他活動性元素 K、Ca、Mg的氧化物與 SiO2之間則表現(xiàn)出非線性的規(guī)律性變化, 表明在蝕變過程中, 這些元素發(fā)生了遷移。

圖3 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖Zr/TiO2-Nb/Y二元圖解(底圖據(jù)Winchester et al.[20])Fig 3 Zr/TiO2-Nb/Y diagram for the volcanic rocks in Nixintage iron deposit (after Winchester et al.[20])

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表2 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果Table 2 Sr and Nd isotopic compositions of volcanic rocks in Nixintage iron deposit

圖4 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖AFM圖(a)及Ti-Zr圖解(b)Fig.4 AFM diagram (a) and Ti-Zr diagram (b) for the volcanic rocks in Nixintage iron deposit

3.3 微量元素地球化學(xué)特征

15件火山巖樣品的微量元素分析結(jié)果見表 1。依據(jù)測試數(shù)據(jù)作稀土元素和微量元素分布圖解(圖6)。由圖6可知, 礦區(qū)各類巖石的稀土元素分布模式相似, 均為右傾的輕稀土略富集型, 稀土元素總量變化較大, ∑REE = 38.9～130 μg/g, 大部分介于80.0～120 μg/g之間。有 9個樣品表現(xiàn)出微弱的 Eu負(fù)異常, 6個表現(xiàn)出微弱Eu正異常,δEu = 0.85～1.15,綜合來看, Eu異常不明顯, 曲線較為平滑。大多數(shù)樣品的輕、重稀土元素分餾較弱, (La/Yb)N多介于2～4之間?？傮w上, 輕稀土元素之間的分餾程度略強于重稀土元素之間的分餾, (La/Sm)N= 1.09～2.93, 平均為 1.93, (Gd/Yb)N= 1.02～2.34, 平均為 1.52。

整體上各類巖石的微量元素配分曲線也大致相似, 具富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、K)而相對虧損高場強元素特征。絕大多數(shù)樣品都有明顯的Nb、Ta虧損和較弱的 Ti虧損。此外大多數(shù)樣品的

高場強元素曲線形態(tài)較為平滑, 而大離子親石元素部分則相對波動較大, 這與大離子親石元素在熱液蝕變等過程中具有相對較高的活動性有關(guān)。

圖5 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖哈克圖解Fig.5 Harker diagrams for volcanic rocks in Nixintage iron deposit

圖6 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖稀土元素和微量元素分布模式(稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自Sun et al.[21])Fig.6 Chondrite-normalized REEs patterns and primitive mantle-normalized trace elements spider diagram of volcanic rocks in Nixintage iron deposit (normalizing values after Sun et al.[21])

3.4 Nd-Sr同位素地球化學(xué)特征

筆者尚未直接獲得礦區(qū)安山巖形成年齡, 結(jié)合前人對西天山地區(qū)火山巖年代學(xué)研究, 認(rèn)為本次研究工作在距尼新塔格礦區(qū)西北約10 km的安山巖中獲得的該套火山巖年齡(343.2±2.0) Ma (MSWD =1.8)1)汪幫耀，荊德龍，姜常義, 松湖鐵礦床礦區(qū)地質(zhì)和礦床地質(zhì)特征研究報告, 西安, 2012。大致可代表本區(qū)火山巖的年齡(如圖 7), 因此采用t= 343 Ma進(jìn)行計算, 所有分析結(jié)果列于表2。

測試結(jié)果顯示, 4件玄武安山巖樣品的初始87Sr/86Sr值較低且變化范圍較大, 為 0.7064～0.7086,εNd(t)值低且變化范圍較小, 為+0.92～ +1.92。3 件玄武巖樣品的初始87Sr/86Sr值為 0.7066～0.7095,εNd(t)值為 0.75～2.62。將本次研究所得的分析結(jié)果投在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關(guān)圖(圖 8a)上, 所有樣品點均落入了第一象限內(nèi), 數(shù)據(jù)點排列呈向(87Sr/86Sr)i富集趨勢。在(87Sr/86Sr)i-SiO2圖解(圖8b)中, 各樣品點未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性; 而在εNd(t)-SiO2圖(圖8c)上則表現(xiàn)出一定的相關(guān)性,εNd(t)值隨SiO2含量的增加有增大的趨勢。前人曾對西天山地區(qū)大哈拉軍山組火山巖做過部分同位素地球化學(xué)研究, 本文選取距離本區(qū)較近的昭蘇北部[22]以及新源城南部[16]火山巖做對比研究, 將其數(shù)據(jù)點一并投在圖8a上, 其分布大致與本次分析所獲數(shù)據(jù)點相同。

4 討 論

4.1 構(gòu)造環(huán)境判別

研究區(qū)位于伊犁地塊東北緣、博羅科努山系主脊線上, 主要出露一套大哈拉軍山組火山巖地層。由于該組火山巖對于認(rèn)識西天山構(gòu)造演化具有重要的地質(zhì)意義, 長期以來, 該地區(qū)積累了大量對該組火山巖的研究成果, 但是對其形成的構(gòu)造環(huán)境仍存在多種不同的認(rèn)識。目前主要有以下三種不同的觀點:(1) 島弧環(huán)境[9,13,16,17,23–27]; (2) 大陸裂谷環(huán)境[28];(3) 與地幔柱有關(guān)的大火成巖省[29]。雖然隨著研究程度的提高越來越多的學(xué)者傾向認(rèn)同島弧環(huán)境[9,13,16,17,23–27],但是又有活動大陸邊緣弧后拉張環(huán)境[23,26]、活動大陸邊緣弧環(huán)境[9,13,16,17]、弧后盆地一側(cè)的內(nèi)弧[24]、靠近大陸邊緣的島弧環(huán)境[25]等幾種不同認(rèn)識。構(gòu)造環(huán)境認(rèn)識分歧的核心是大哈軍山組火山巖的形成是否與天山古生代洋盆活動有關(guān), 是形成于擠壓體制下還是伸展體制下。

圖7 西天山“大哈拉軍山組”火山巖形成年齡分布圖(據(jù)茹艷嬌[22]修改)Fig.7 Formation age distribution for the volcanic rocks of Dahalajunshan Formation in western Tianshan (after Ru[22])

圖8 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖εNd(t)-(87Sr/86Sr)i、εNd(t)-SiO2及(87Sr/86Sr)i-SiO2圖解Fig.8 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i, εNd(t)-SiO2 and (87Sr/86Sr)i-SiO2 diagrams for volcanic rocks in Nixintage iron deposit

如前所述, 本區(qū)火山巖稀土元素總體上具有相似的標(biāo)準(zhǔn)化曲線, 輕稀土元素相對富集, 重稀土元素相對虧損, 且輕重稀土分餾程度大, 具有弱的 Eu負(fù)異常。微量元素以富集大離子親石元素, 相對虧損高場強元素為特征, 具有明顯的Nb、Ta負(fù)異常、弱的Ti負(fù)異常, 顯示活動大陸邊緣火山巖或島弧火山巖的特點。

該區(qū)火山巖具有相對較高的 Ti含量, TiO2=0.78%～1.29%, 大多數(shù)介于 1%～1.2%之間, 平均值為 1.09%, 而 Al2O3= 15.21%～21%, 大多數(shù)介于16%～19%之間, 平均值為 17.8%, 與現(xiàn)代典型的Andes活動大陸邊緣弧火山巖[30]的 Al2O3(16.2%～18.4%)和 TiO2(0.73%～1.43%), 比較接近。

不同構(gòu)造環(huán)境下形成的火山巖, 其微量元素地球化學(xué)特性不同, 故可利用微量元素判斷火山巖的形成環(huán)境[31–32]。在 Th-Ta-Hf圖解(圖 9a)上, 本區(qū)火山巖樣品大多數(shù)投在了火山弧玄武巖區(qū)域, 在Zr/Y-Zr圖(圖9b, 底圖據(jù)Pearce[33])上所有樣品都落在了活動大陸邊緣弧區(qū)。而在不相容元素Th/Yb-Ta/Yb圖(圖 9c, 底圖據(jù) Pearceet al.[34])中,大多數(shù)樣品點則投在了活動大陸邊緣區(qū)域內(nèi)靠近大洋島弧區(qū)一側(cè)。

通過以上分析可知, 本區(qū)火山巖的形成環(huán)境可能為活動大陸邊緣環(huán)境。

伊犁-中天山板塊南北兩側(cè)的南天山洋和北天山洋均發(fā)生向伊犁-中天山板塊之下的俯沖消減直至最后關(guān)閉[13,15,35–36]。大量的蛇綠巖年代學(xué)資料指示北天山洋在晚奧陶世開始向南部的伊犁-中天山板塊下俯沖。巴音溝蛇綠混雜巖中堆晶輝長巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡為344 Ma, 硅質(zhì)巖、灰?guī)r中產(chǎn)出大量晚泥盆世-早石炭世放射蟲和牙形石化石[37–38],這就說明北天山洋盆在早石炭世還有一定規(guī)模。這一點剛好和本次研究工作獲得的本區(qū)大哈拉軍山組火山巖的形成時代吻合, 因此可以較好地解釋本區(qū)大哈拉軍山組火山巖可能是北天山洋盆在早石炭世早期向伊犁陸塊之下俯沖過程中形成的。

圖9 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.9 Tectonic settings discrimination diagrams for volcanic rocks in the Nixintage iron deposit

4.2 不同火山巖的成因關(guān)聯(lián)

礦區(qū)范圍內(nèi)主要出露地層及賦礦地層為大哈拉軍山組第三段(C1d3), 其中玄武巖-玄武安山巖-安山巖均有分布, 以玄武安山巖為主。巖石學(xué)研究發(fā)現(xiàn),隨著巖石的基性程度降低, 巖石中輝石含量降低,斑晶中輝石逐漸減少, 而斜長石增多。這說明礦區(qū)火山巖可能由同源巖漿形成, 礦區(qū)內(nèi)玄武安山巖以及少量安山巖均由玄武質(zhì)巖漿分異演化形成, 并經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分離作用過程。

雖然該區(qū)火山巖普遍遭受了不同程度的蝕變作用, 巖石中的活動性元素組分如 K2O、MgO、CaO等發(fā)生了遷移, 但是研究區(qū)火山巖的哈克圖解(圖5)顯示, 巖石中的不活動元素TiO2、Al2O3及活動元素Na2O與SiO2呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性, 并且各類巖石的稀土元素、微量元素配分形式也較為一致(如圖6所示), 這也進(jìn)一步證明本區(qū)火山巖具有同源性。

此外, 礦區(qū)各類火山巖的 Nd同位素組成差別不大,εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關(guān)圖(圖 8a)上各樣品點大致呈線性排列, 在(87Sr/86Sr)i-SiO2圖解(圖 8b)中, 各樣品點未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性; 而在εNd(t)-SiO2圖(圖8c)上則表現(xiàn)出一定的相關(guān)性,εNd(t)值隨SiO2含量的增加有增大的趨勢。研究區(qū)火山巖的(87Sr/86Sr)i與SiO2無相關(guān)性, 暗示巖漿演化過程中遭受了明顯的同化混染作用, 對同化混染作用較為敏感的Sr同位素體系受其影響較大而發(fā)生偏移。而εNd(t)值變化特征表明巖漿在演化過程中存在結(jié)晶分異作用, 同時也指示本區(qū)火山巖應(yīng)具有相同的巖漿源區(qū)。

綜合以上可知, 尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)火山巖的地層學(xué)、巖石學(xué)及地球化學(xué)特征均顯示, 它們是同源巖漿演化的產(chǎn)物。

4.3 同化混染與源區(qū)性質(zhì)

在流體活動中, Zr、Y、Nb、La均為不遷移或難遷移元素, 故地幔交代作用不會導(dǎo)致巖漿中各元素含量及其比值的變化。相對于地幔物質(zhì)而言, 地殼物質(zhì)具有較高的Zr含量、Zr/Y比值、La/Nb比值, 如果幔源巖漿遭受到大陸地殼物質(zhì)的混染, 必然會使其Zr含量、Zr/Y比值、La/Nb比值也相應(yīng)升高。前人研究表明, 非常高的(Th/Nb)N比值(遠(yuǎn)大于 1)和低的Nb/La比值(小于1)是地殼物質(zhì)混染作用可靠的微量元素指標(biāo)[32]。本區(qū)火山巖樣品普遍具有較高的Zr含量(66.89～171 μg/g, 大多數(shù)大于 100 μg/g, 平均為113 μg/g), Zr/Y 比值多大于(3.55～13.9, 平均 6.94);除一件樣品的(Th/Nb)N小于 1以外, 其余樣品的(Th/Nb)N比值均遠(yuǎn)大于1, 多介于3～8之間; 所有樣品的 Nb/La比值均小于 1。以上微量元素特征均表明, 巖漿在演化過程中受到了較強的地殼物質(zhì)混染作用。

從元素地球化學(xué)角度看, 總分配系數(shù)相同或相近的元素比值不受分離結(jié)晶作用和部分熔融程度的影響, 因此, 根據(jù)總分配系數(shù)相同或很相近、對同化混染作用又很敏感的不同元素比值(如 Ce/Pb、TiO2/Yb、La/Nb、Nb/Hf、Zr/Nb、Ta/Yb 等)之間的協(xié)變關(guān)系可以準(zhǔn)確地檢驗巖漿在上升過程中同化混染作用是否存在及程度[39]。隨機選取上述元素比值做二元協(xié)變圖(圖 10), 圖中本區(qū)火山巖的 Ce/Pb-Zr/Nb、TiO2/Yb-La/Nb、Nb/Hf-Y/Nb、La/Nb-Nb/Hf均未顯示相關(guān)性。如前文所述, 這些元素在熱液蝕變過程中不活動或活動性很弱, 所以這些元素比值之間缺乏相關(guān)性與熱液蝕變無關(guān)。這進(jìn)一步說明尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)火山巖在巖漿上升、演化過程中存在較強的同化混染作用。

在板塊匯聚的地帶, 可能的巖漿源區(qū)有 3個:①俯沖的大洋殼, 主要由玄武巖組成, 并有少量的深海沉積物; ②位于洋殼上面、火山弧下面的楔形地幔,主要由橄欖巖構(gòu)成; ③火山弧下面的大陸地殼[40]。

研究表明, 俯沖板片脫水及由此引起的部分熔融是俯沖帶、島弧火山體系中最重要的地質(zhì)作用過程。俯沖帶的流體交代作用過程可概括為: 俯沖洋殼脫水, 產(chǎn)生富大離子親石微量元素(K、Rb、Sr、U、Th和部分REE等)的流體進(jìn)入俯沖帶上方的地幔楔,發(fā)生交代作用, 繼而使地幔楔的橄欖巖部分熔融,形成火山弧巖漿巖。如前所述, 尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)火山巖樣品均富集大離子親石元素, 同時大多數(shù)樣品表現(xiàn)出明顯的Nb、Ta虧損和弱的Ti虧損, 而Nb、Ta虧損是濕地幔楔部分熔融的陸緣弧玄武巖的特征[41]。上述特征指示本區(qū)火山巖在成因上與俯沖板片脫水引起的濕地幔楔部分熔融有密切聯(lián)系。

同位素分析數(shù)據(jù)顯示本區(qū)火山巖的初始87Sr/86Sr值變化大, 介于 0.7064～0.7095之間, 為富集型, 而εNd(t)值為+0.75～ +2.62, 屬虧損型。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關(guān)圖(圖 8a)上, 本區(qū)火山巖樣品點均落入了第一象限內(nèi), 數(shù)據(jù)點排列呈向(87Sr/86Sr)i富集趨勢, 明顯偏離地幔組成。

圖10 尼新塔格鐵礦區(qū)火山巖Ce/Pb-Zr/Nb、TiO2/Yb-La/Nb、Nb/Hf-Y/Nb、La/Nb-Nb/Hf相關(guān)圖解Fig.10 Ce/Pb vs. Zr/Nb, TiO2/Yb vs. La/Nb, Nb/Hf vs. Y/Nb, La/Nb vs. Nb/Hf diagrams for the volcanic Rocks in Nixintage iron deposit

由于俯沖流體的交代作用對巖石圈地幔的Nd、Sr同位素組成影響較大, 可以使其Nd、Sr同位素解耦[42]。因為巖漿在受到海水或俯沖流體交代時, Sr同位素過于敏感, 而Nd同位素的影響相對較小, 可以示蹤源區(qū)的特征。此外, 巖漿在演化過程中遭受混染作用, 也必然改變其Nd、Sr同位素組成, 因為同化混染中的混染物質(zhì)常常是花崗巖、沉積巖及其變質(zhì)等價物等陸殼物質(zhì), 這些物質(zhì)往往都具有較高的Sr豐度以及87Sr/86Sr比值。并且, Sr元素相對于Nd元素更容易進(jìn)入巖漿, 故在同等條件下, 同化混染作用對Sr同位素組成的影響較大, 而Nd同位素組成受到的影響較小, 可以代表源區(qū)特征。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關(guān)圖解(圖 8a)中, 本區(qū)火山巖樣品均落入了第一象限內(nèi), 其εNd(t)值為+0.75～ +2.62,變化范圍較小, 說明其巖漿源區(qū)具虧損特征。受流體交代及同化混染作用影響, 本區(qū)火山巖樣品的(87Sr/86Sr)i值較分散, 明顯偏離地幔組成而表現(xiàn)為富集型。

前人對研究區(qū)周邊的大哈拉軍山組火山巖也做過大量的研究, 距該區(qū)最近的昭蘇北部火山巖及新源城南火山巖的同位素結(jié)果投在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關(guān)圖(圖 8a)上, 與研究區(qū)火山巖的投點相近, 均在第一象限內(nèi)。這說明了本次研究工作中所獲取的該套火山巖的同位素數(shù)據(jù)是可靠的, 區(qū)域上該套火山巖的巖漿源區(qū)均具有虧損地幔特征。

通過以上討論可知, 尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)出露的火山巖應(yīng)該來源于俯沖板片之上受流體交代的虧損地幔楔的部分熔融, 巖漿上升演化過程中, 有相當(dāng)數(shù)量的地殼物質(zhì)加入, 并經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分離作用過程。

5 結(jié) 論

(1) 尼新塔格鐵礦區(qū)內(nèi)火山巖屬亞堿性玄武巖中的鈣堿性系列, 具有富Na特征, 略微富Ti。

(2) 微量元素以富集大離子親石元素, 相對虧損高場強元素為特征, 具有明顯的Nb、Ta負(fù)異常和弱的Ti負(fù)異常, 并且具有相對較高Th/Yb和Ta/Yb比值, 指示本區(qū)火山巖應(yīng)形成于活動大陸邊緣環(huán)境。

(3) 巖相學(xué)及地球化學(xué)特征均指示該套火山巖為同源巖漿演化的產(chǎn)物。Nb、Ta虧損顯示其具有受流體交代的地幔楔部分熔融產(chǎn)生的陸緣弧玄武巖特征, 而其εNd(t)值為+0.75～ +2.62, 為虧損型, 這就指示本區(qū)火山巖的巖漿源區(qū)應(yīng)為俯沖板片之上受流體交代的虧損地幔楔。

(4) 較高的Zr含量、Zr/Y比值、La/Nb比值以及較分散的(87Sr/86Sr)i值表明巖漿在演化過程中受到了較強的地殼物質(zhì)混染作用。

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