新疆西天山備戰(zhàn)鐵礦床含礦地層巖石化學(xué)特征及形成時(shí)代探討

張建收，阿麗娜，穆媛芮，楊有生

摘? 要：以新疆西天山備戰(zhàn)鐵礦含礦地層為研究對(duì)象，通過(guò)開展系統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)、巖相學(xué)、主微量元素地球化學(xué)、鋯石U-Pb同位素年代學(xué)等方面的研究，進(jìn)一步分析鐵礦巖漿源性質(zhì)及成巖、成礦時(shí)代。研究結(jié)果表明，含礦地層下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段火山巖富集輕稀土元素及Rb，Th，K等大離子親石元素，虧損Nb，Ta，P，Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素?；鹕綆r形成于島弧環(huán)境，構(gòu)成一次完整的火山噴發(fā)旋回，最早噴發(fā)的為一套爆發(fā)相的凝灰?guī)r韻律，其次為溢流相的玄武巖韻律，再次為一套溢流相的英安巖韻律，最終為一套沉積礫巖、砂巖韻律組合。該組合中的每一組巖層在化學(xué)成分上具較好的相關(guān)性，反映其屬于同源巖漿演化的結(jié)果，且此類成巖先后順序與該區(qū)測(cè)定的U-Pb同位素測(cè)年結(jié)果相符合。

關(guān)鍵詞：西天山;地球化學(xué);U-Pb同位素測(cè)年;大哈拉軍山組第三段火山巖;島弧環(huán)境;火山噴發(fā)旋回

西天山阿吾拉勒成礦帶是新疆重要的鐵礦成礦帶之一，隨著我國(guó)地質(zhì)大調(diào)查的深入開展，該成礦帶內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)了一系列大-中型的鐵礦床，由西到東依次有闊拉薩依、式可布臺(tái)、松湖、尼新塔格、查崗諾爾、智博、敦德、備戰(zhàn)等鐵礦，其成礦均與下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組關(guān)系密切[1-3]。眾多綜合研究成果表明，西天山地區(qū)大哈拉軍山組不同區(qū)域沉積建造具不同的巖石組合特征和相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間跨度，整體表現(xiàn)出由西到東逐漸變年輕的趨勢(shì)。備戰(zhàn)鐵礦床分布于西天山阿吾拉勒成礦帶東段，為典型的大型鐵礦床，鐵礦體賦存于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段火山巖中。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多地質(zhì)學(xué)者對(duì)備戰(zhàn)鐵礦區(qū)大哈拉軍山組火山巖進(jìn)行地質(zhì)、地球化學(xué)、年代學(xué)方面的研究，總體來(lái)看，由于研究手段，研究層次不同，也存在不同認(rèn)識(shí)[4-6]。對(duì)該組火山巖主要認(rèn)識(shí)和存在的問(wèn)題有：①備戰(zhàn)鐵礦區(qū)地層層序不清。前人將礦區(qū)主體地層劃為上石炭統(tǒng)未分組，僅據(jù)主體巖性劃分為3個(gè)巖性段，礦體賦存于第一巖性段中;②礦床的成因不清。前人最主要的觀點(diǎn)是備戰(zhàn)鐵礦屬矽卡巖型鐵礦，規(guī)模不可能大，前景不好，認(rèn)為不具備大型鐵礦成礦條件;③礦床深部延伸不清。由于交通、氣候及地形條件限制，鉆機(jī)等深部探礦設(shè)備無(wú)法在礦區(qū)有利位置持續(xù)開展作業(yè)，礦體深部延伸情況無(wú)法掌握。上述問(wèn)題為備戰(zhàn)鐵礦地質(zhì)工作的主要難點(diǎn)，因此， 筆者認(rèn)為選取礦區(qū)內(nèi)主要含礦地層大哈拉軍山組第三巖性段a巖層與b巖層為研究對(duì)象，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題組的大量野外調(diào)查資料和室內(nèi)研究工作，深入進(jìn)行巖漿源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境與成巖、成礦時(shí)代方面的研究，對(duì)該區(qū)地質(zhì)演化研究和相關(guān)礦產(chǎn)勘查工作十分必要。

1? 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于阿吾拉勒（裂谷帶）Fe-Au-Cu-Pb-Zn-煤-硫鐵-重晶石礦帶。該成礦帶位于博羅科努成礦帶南部，西起尼勒克縣群吉一帶，東至備戰(zhàn)鐵礦一帶，長(zhǎng)430 km，寬10～20 km。區(qū)內(nèi)出露主要地層為石炭系中酸性火山-火山碎屑巖建造及少量碎屑巖建造，二疊系雙峰式火山巖、火山碎屑巖及碎屑巖。巖漿活動(dòng)以海西中晚期中酸性巖漿侵入活動(dòng)為主。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，分布的大量火山機(jī)構(gòu)、環(huán)狀、放射狀斷裂構(gòu)造與成礦作用關(guān)系密切。該成礦帶礦化具分段集中的特點(diǎn)，西段以陸相火山巖型銅礦化為主，東段以鐵、銅、金、多金屬礦為主，分布于式可布臺(tái)-備戰(zhàn)一帶，鐵礦類型主要為海相火山巖型，主要有查崗諾爾、式可布臺(tái)、松湖、智博、備戰(zhàn)等鐵礦（圖1）。

1.1? 礦區(qū)地質(zhì)特征

備戰(zhàn)鐵礦區(qū)出露地層由老到新為上泥盆統(tǒng)艾爾肯組，下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三巖性段，下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第四巖性段，下石炭統(tǒng)阿克沙克組第二巖性段，中—下侏羅統(tǒng)水西溝群，及少量的第四系全新統(tǒng)[1]。下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三巖性段為主要含礦巖層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，整體呈倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造，局部被斷層切割，其中較大斷層為F4、F5號(hào)斷層，對(duì)區(qū)內(nèi)礦體起破壞作用的斷層為F5號(hào)平移斷層。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，變質(zhì)作用較強(qiáng)，礦區(qū)南部大面積出露鉀長(zhǎng)花崗巖株，另有花崗斑巖脈、大量的輝綠巖脈等，變質(zhì)作用主要為區(qū)域變質(zhì)、動(dòng)力變質(zhì)及接觸交代變質(zhì)作用。

1.2? 含礦地層特征

大哈拉軍山組第三巖性段主體分布于勘查區(qū)南部，少量分布于北部尼勒克斷裂（F4）以南區(qū)域，整體呈近EW向條帶狀展布，其構(gòu)造形態(tài)為一緊閉的倒轉(zhuǎn)向斜，與上覆大哈拉軍山組第四巖性段為整合接觸，與阿克沙克組呈斷層接觸，未見底（圖2）。

大哈拉軍山組第三巖性段主要由一套濱海相火山碎屑巖、火山熔巖、沉積巖組成，巖性為深灰色凝灰?guī)r、黑色玄武巖、磁鐵礦體、灰色（玄武）安山巖、灰白色英安巖、大理巖、礫巖、砂巖等。底部為爆發(fā)相火山碎屑巖，中下部為基性火山巖，中上部為中酸性火山熔巖，頂部為沉積巖。據(jù)大哈拉軍山組第三巖性段火山噴發(fā)韻律、巖石組合及磁鐵礦產(chǎn)出特征等，將備戰(zhàn)礦區(qū)大哈拉軍山組第三巖性段劃分為4個(gè)巖性層，分別為a巖層、b巖層、c巖層和d巖層。

2? 巖石地球化學(xué)特征

2.1? 大哈拉軍山組a巖層

a巖層分布于礦區(qū)南部，構(gòu)成倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造南翼，向斜北翼受尼勒克斷裂F4影響未出露。該巖層與b巖層呈斷層接觸（圖2）。

2.1.1? 巖石學(xué)特征

該巖層地表僅出露凝灰?guī)r，深部鉆孔中見磁鐵礦體。巖性為深灰色英安質(zhì)晶屑巖屑凝灰?guī)r，呈灰-深灰色，致密塊狀構(gòu)造。晶屑以英安巖巖屑為主，少量長(zhǎng)石晶屑以自形-半自形產(chǎn)出，蝕變強(qiáng)烈，基質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。巖石發(fā)育綠泥石化、綠簾石化、方柱石化等蝕變（圖3-A，B），局部磁鐵礦化強(qiáng)而形成磁鐵礦體。磁鐵礦呈灰黑色粒狀集合體產(chǎn)出，可與黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等伴生，也可見呈長(zhǎng)板條狀與綠簾石、透輝石等脈石礦物共生。

2.1.2? 稀土元素特征

凝灰?guī)r類稀土元素測(cè)試數(shù)據(jù)見表1?？傮w表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土虧損，分布曲線右傾模式（圖4-a）?！芌EE介于50.51×10-6～124.77×10-6，平均81.14×10-6，LREE/HREE為2.380～7.794，平均5.43，表明輕稀土較富集。LaN/YbN值1.38～8.71，平均5.19，稀土元素分布曲線為右陡傾式;LaN/SmN值為2.68～6.74，平均4.64，反映輕稀土之間分餾程度較好;GdN/YbN值0.94～2.96，平均1.63，反映重稀土元素間分餾不明顯;δEu值為0.39～0.86，平均0.64，表現(xiàn)為Eu中等弱負(fù)異常（Eu虧損型）;δCe值0.86～1.17，平均1.03。

2.1.3? 微量元素特征

由微量元素分布圖可看出（圖4-b），整體呈負(fù)斜率，凝灰?guī)r中虧損Nb，Ta，P，Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素，與島弧火山巖具相似特征，富集Rb，Sm，U，Th等，說(shuō)明礦床并非形成于大陸裂谷初期階段，Rb/Sr在0.01～0.06，平均0.04（小于0.5）。

2.2? 大哈拉軍山組第三段b巖層

b巖層分布在礦區(qū)南部，構(gòu)成倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造南翼，向斜北翼受尼勒克斷裂影響未出露，與c巖層呈整合接觸。

2.2.1? 巖石學(xué)特征

b巖層地表出露玄武巖、大理巖、磁鐵礦體，深部鉆孔中還見玄武安山巖。其中玄武巖分布面積較廣，巖石呈黑綠色，塊狀構(gòu)造;磁鐵礦體為稠密浸染狀磁鐵礦，呈灰黑色粒狀集合體產(chǎn)出，可與黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等伴生，也可見呈長(zhǎng)板條狀與綠簾石、透輝石等脈石礦物共生（圖3-C，D）。

2.2.2? 微量元素特征

玄武巖類巖石微量元素測(cè)試數(shù)據(jù)見表2，在微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中呈負(fù)斜率（圖5-a），Sr，Rb，K，Th等富集，Ti，Y，Zr，Nb，Ta，Ce等虧損，為島弧玄武巖的分布型式。

2.2.3? 稀土元素特征

玄武巖類巖石稀土元素測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。稀土元素分布圖上表現(xiàn)為向右傾斜（圖5-b），表現(xiàn)出輕稀土明顯富集，重稀土虧損特征。∑REE介于57.29×10-6～168.74×10-6，平均113.93×10-6，LREE/HREE比值為2.00～7.34，平均5.54，大于地殼平均值1.15，說(shuō)明玄武巖系列巖石分異程度較強(qiáng)，∑REE及LREE/HREE變化范圍大，可能表明火山巖漿演化具長(zhǎng)期性和多次性，或?yàn)殡p峰式特征的體現(xiàn);LaN/YbN值1.65～9.49，平均6.37，為右陡傾式;LaN/SmN值2.02～7.28，平均4.22，反映輕稀土之間分餾程度較好;GdN/YbN值1.63～3.59，平均2.25，其值較小，說(shuō)明重稀土元素間分餾一般;δEu值0.58～1.25，平均0.83，為Eu弱負(fù)異常（弱虧損型），表明巖漿分異程度較高，巖漿形成時(shí)可能僅有少量斜長(zhǎng)石作為殘留相，或在巖漿演化過(guò)程中發(fā)生了一定分離結(jié)晶作用，另外也暗示玄武巖漿受到地殼混染。

2.3? 大哈拉軍山組第三段c巖層

c巖層分布在礦區(qū)南部，構(gòu)成倒轉(zhuǎn)向斜南翼，北翼受尼勒克斷裂影響未出露，該層與b、d巖層均呈整合接觸關(guān)系。

2.3.1? 巖石學(xué)特征

該巖層地表及鉆孔中出露巖性簡(jiǎn)單，主要為英安巖、大理巖。英安巖呈灰白色片理化英安巖，整體呈灰白色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部為斑狀結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造，斑晶以鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石為主，少見英安質(zhì)角礫，長(zhǎng)石斑晶以自形棱角狀、次棱角狀為主，蝕變強(qiáng)烈，基質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主（圖3–E，F(xiàn)）。

2.3.2? 微量元素特征

英安巖類巖石微量元素測(cè)試結(jié)果見表3。在微量元素蛛網(wǎng)圖中可見（圖6），整體呈負(fù)斜率，富集大離子親石元素K，Rb，Sm，U，Th，虧損Ba，Nb，P，Ti，K/Rb，平均326.98，屬流紋巖類型;Rb/Sr均值0.31（小于0.5），屬巖漿早期偏晚演化階段形成;Ba/Rb均值3.47;Nb/Ta均值7.96。在巖漿的演化過(guò)程中Ba減少而Rb增加，Ba/Rb降低，隨巖漿分異作用增強(qiáng)，Nb/Ta降低。

2.3.3? 稀土元素特征

英安巖類巖石稀土元素測(cè)試數(shù)據(jù)見表3，從稀土元素分布曲線中可看出（圖6），曲線右傾，表現(xiàn)為輕稀土明顯富集，重稀土虧損特征。∑REE平均值183.00×10-6，LREE/HREE平均值7.11，大于地殼平均值1.15，說(shuō)明該英安巖系列巖石分異程度較高，強(qiáng)于玄武巖系列巖石分異程度;LaN/YbN平均值8.14，表明稀土元素分布曲線為右傾式較陡;LaN/SmN均值5.87，反映輕稀土之間分餾程度較好;GdN/YbN均值1.63，值較小，說(shuō)明重稀土間分餾一般;δEu均0.65，小于上地殼均值0.72，且普遍虧損Sr，說(shuō)明巖漿形成時(shí)斜長(zhǎng)石作為殘留相存在，或在巖漿演化過(guò)程中發(fā)生了斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用。

2.4? 大哈拉軍山組第三段d巖層

d巖層分布在礦區(qū)南部及北部，構(gòu)成倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造的南北兩翼，北翼受尼勒克斷裂影響出露不全，與大哈拉軍山組第四巖性段呈整合接觸關(guān)系。該巖層地表及鉆孔中出露巖性較簡(jiǎn)單，主要有灰?guī)r、礫巖、細(xì)砂巖。灰?guī)r為大理巖化粉晶灰?guī)r，分布面積較小。巖石呈灰、灰白色，薄層狀構(gòu)造。巖石大理巖化強(qiáng)，鏡下顯示中間重結(jié)晶方解石沿層理定向分布，兩側(cè)為粉晶方解石（圖3-G，H）。礫巖分布于底部，淺綠、紫紅色呈互層狀韻律產(chǎn)出，礫狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。細(xì)砂巖呈層狀，主要分布于尼勒克斷裂南側(cè)，分布范圍較廣。

2.5? 總體特征總結(jié)

大哈拉軍山組第三巖性段a、b、c巖層均屬巖漿巖類，據(jù)各巖層巖石學(xué)特征可知，玄武巖類、（玄武）安山巖類、英安巖類在化學(xué)成分上具較好的相關(guān)性，反映其屬同源巖漿演化的結(jié)果，即基性→中基性→酸性的演化;據(jù)a，b，c巖層不同巖石微量元素特征可知，在巖漿的演化過(guò)程中，隨Ba減少而Rb增加，Ba/Rb減少，蛛網(wǎng)圖整體呈負(fù)斜率，隨巖漿分異作用增強(qiáng)，Nb/Ta降低;據(jù)a，b，c巖層不同巖石稀土元素分布特征可知，曲線均為右傾模式，具輕稀土明顯富集，重稀土虧損特征，說(shuō)明其成巖物質(zhì)具有相似的形成背景。下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三巖性段總體北傾，走向上巖性、巖相差異性不大，延伸穩(wěn)定。據(jù)各巖層巖石學(xué)特征及巖性組合分析，為一次完整的火山噴發(fā)旋回，最早噴發(fā)的為一套爆發(fā)相凝灰?guī)r，后為溢流相玄武巖，再后為一套溢流相英安巖，最后為一大套沉積礫巖、砂巖、灰?guī)r組合。

3? 形成時(shí)代

為研究區(qū)內(nèi)大哈拉軍山組第三巖性段火山巖的形成時(shí)代，分別在大哈拉軍山組第三巖性段b巖層玄武巖和c巖層英安巖中采集樣品，進(jìn)行U-Pb同位素測(cè)年。同位素測(cè)試在福建省121地質(zhì)大隊(duì)化驗(yàn)測(cè)試中心采用激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜法（LA-ICP-MS）完成。樣品經(jīng)過(guò)破碎、磁選和重選后，挑選出鋯石，鋯石粒徑100～250 μm，以粒狀為主，部分顆粒因破碎過(guò)細(xì)而不完整。英安巖、玄武巖中鋯石的陰極發(fā)光（CL）圖像顯示（圖7），韻律環(huán)帶清晰，為典型巖漿鋯石特征。

經(jīng)測(cè)試，樣品50個(gè)測(cè)點(diǎn)均為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。從英安巖的25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果可看出，206Pb/238U表面年齡比較均一，大多在313～362 Ma之間，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)中有15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)諧和性較好，206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（324.3±3.4）Ma（MSW =±0.16）（圖8-a），該年齡可能代表了巖石主體結(jié)晶年齡。從玄武巖測(cè)定的25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果可看出，206Pb/238U表面年齡一般在294～340 Ma之間，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)中有20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)諧和性較好，206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（325.3±2.8） Ma（MSW=±0.72）（圖8-b），該年齡可能代表了巖石主體結(jié)晶年齡。

4? 成巖、成礦時(shí)代討論

從備戰(zhàn)鐵礦床含礦巖層中英安巖、玄武巖鋯石U-Pb定年分析結(jié)果可知，大哈拉軍山組第三巖性段b巖層玄武巖成巖時(shí)代為（325.3±2.8） Ma，c巖層英安巖成巖時(shí)代為（324.3±3.4） Ma。

野外地質(zhì)觀察，大哈拉軍山組第三巖性段的4個(gè)巖性層及a、b層內(nèi)產(chǎn)出的磁鐵礦均為整合接觸關(guān)系，c層英安巖中不含磁鐵礦，可判斷磁鐵礦形成于c層成巖之前，與b層的成巖時(shí)代相當(dāng)。據(jù)b、c兩層的鋯石U-Pb測(cè)年結(jié)果，成礦年代約為325 Ma，為早石炭世晚期。

5? 結(jié)論

（1） 西天山備戰(zhàn)鐵礦床含礦地層為下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三巖性段，火山巖微量及稀土元素分析結(jié)果顯示，火山巖以輕稀土明顯富集，重稀土虧損為特征，相對(duì)富集大離子親石元素K，Rb，Th等，相對(duì)虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb，Ta，Ti等。

（2） 鋯石U-Pb同位素測(cè)年揭示，該地區(qū)大哈拉軍山組第三巖性段b巖層玄武巖成巖時(shí)代為（325.3±2.8） Ma，c巖層英安巖成巖時(shí)代為（324.3±3.4）Ma。結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，大哈拉軍山組第三巖性段b巖層玄武巖成巖時(shí)代基本代表了主體成礦時(shí)代。英安巖中不含礦表明，英安巖成巖時(shí)成礦已結(jié)束。備戰(zhàn)鐵礦磁鐵礦的成礦年齡約為325 Ma，屬早石炭世晚期。

（3） 通過(guò)對(duì)含礦層位巖石地球化學(xué)、成礦條件及成礦期的研究，認(rèn)為備戰(zhàn)鐵礦床屬海相火山噴溢沉積-熱液交代-礦漿充填型鐵礦床。

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Discussion on Petrochemical Characteristics and Formation Age of Ore Bearing Strata of Beizhan Iron Deposit in Western Tianshan， Xinjiang

Zhang Jianshou， A Lina， Mu Yuanrui， Yang Yousheng

（1.No.11 Geological Branch， Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Development， Changji，Xinjiang，831100， China; 2.School of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing，100083，China）

Abstract：In this paper， it takes the Ore-bearing strata of Beizhan Iron deposit as the study objects. The paper further analyzes the Characteristics of magma source and diagenetic and metallogenic age of the iron ore through carrying out systematic research on field geology， petrography， major and trace element geochemistry and zircon U-Pb isotopic chronology， etc. The findings show that the ore-bearing strata， namely the third volcanic rock of Dahalajunshan Formation of Lower Carboniferous， are enriched in LREE（Light Rare Earth Elements） and large ion lithophile elements（ Rb， Th， K） and depleted in high field strength elements（Nb， Ta， P， Ti）.Volcanic rocks are formed in the island arc environment， constituting a complete volcanic eruption cycle. The first eruption is a set of tuff rhythm of the eruptive phase， followed by basalt rhythm of the overflow phase， then a set of dacite rhythm of the overflow phase， and finally a set of sedimentary conglomerate and sandstone rhythm combination. Each group of stratas in the assemblage has a good correlation in chemical composition， which can reflect the result of homologous magmatic evolution. At the same time， the sequence of diagenesis is consistent with the U-Pb isotopic dating in study area.

Key words： Western Tianshan; Geochemistry; U-Pb isotope dating; Volcanic rocks of the third member of Dahalajunshan Formation of Lower Carboniferous; Island arc environment; Volcanic Eruption Cycle