新疆阿尔泰南缘巴利尔斯铁矿床稀土元素地球化学研究

藏 梅, 董连慧, 柴凤梅*, 杨富全, 刘 锋, 李 强, 欧阳刘进

1)新疆大学新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测实验室, 新疆乌鲁木齐 830046;

2)新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局, 新疆乌鲁木齐 830000;

3)中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点开放实验室, 北京 100037

新疆阿尔泰南缘巴利尔斯铁矿床稀土元素地球化学研究

藏 梅1), 董连慧2), 柴凤梅1)*, 杨富全3), 刘 锋3), 李 强3), 欧阳刘进1)

1)新疆大学新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测实验室, 新疆乌鲁木齐 830046;

2)新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局, 新疆乌鲁木齐 830000;

3)中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点开放实验室, 北京 100037

巴利尔斯铁矿是阿尔泰南缘麦兹盆地新近发现的中型铁矿床。赋存于上志留—下泥盆统康布铁堡下亚组第二岩性段变粒岩、浅粒岩及斜长角闪岩中, 矿体及其周围发育大量矽卡岩矿物。本文对矿体围岩、矽卡岩矿物和矿石进行了稀土元素地球化学研究, 结果表明磁铁矿矿石、矽卡岩与围岩斜长角闪岩的 REE特征具有相似性, 暗示磁铁矿矿石与矽卡岩具有亲缘性, 斜长角闪岩可能提供部分成矿物质。矽卡岩和矿石发育Eu正异常及所有矿石的负Ce异常, 表明铁成矿作用发生在高温氧化环境。

稀土; 矽卡岩; 铁矿床; 巴利尔斯; 阿尔泰

*通讯作者: 柴凤梅, 女, 1971年生。教授。主要从事矿物学、岩石学、矿床学研究。通讯地址: 830046, 乌鲁木齐延安南路1230号。

E-mail: chaifengmei@163.com。

阿尔泰造山带南缘是我国重要的多金属成矿带,大部分的铁、铜、金以及铅锌矿等产于阿舍勒、冲乎尔、克朗和麦兹四个火山沉积盆地。其中麦兹盆地是最重要的铁矿集区, 已发现了蒙库大型铁矿、乌吐布拉克中型铁矿、巴拉巴克布拉克中型铁矿、巴利尔斯中型铁矿等。这些铁矿体均赋存于上志留—下泥盆统康布铁堡组变质火山沉积岩系中, 大致顺地层产出, 但矿体周围又发育大量的矽卡岩矿物。前人对该区的蒙库铁矿床和乌吐布拉克铁矿床做了大量的工作, 但对它们的成因尚存在较大争议,有矽卡岩型、火山喷流沉积型、火山喷流沉积+叠加改造型、海相火山岩型等不同认识(张建中等, 1987;仇仲学, 2003; Wang et al., 2003; 李嘉兴等, 2003; 胡兴平, 2004; 杨富全等, 2007; 张志欣等, 2011a)。富蕴县巴利尔斯铁矿发现于2002年, 目前该矿床尚未开展系统研究, 这在一定程度上制约了矿区深部找矿工作。本文对巴利尔斯铁矿的火山岩、矽卡岩、矿石进行了稀土元素分析, 以期探讨它们之间的成因关系, 为成矿机制探讨提供新资料。

巴利尔斯铁矿床位于新疆阿尔泰南缘的麦兹火山沉积盆地, 大地构造位置为晚古生代活动陆缘(何国琦, 2004; 童英等, 2005; 刘锋等, 2008; 刘国仁等,2010)。盆地内出露有中—上志留统库鲁姆提群、上志留统—下泥盆统康布铁堡组和中—上泥盆统阿勒泰镇组。库鲁姆提群为一套中深变质浅海-滨海相碎屑沉积岩建造。康布铁堡组主要由中等变质海相火山熔岩、火山碎屑岩, 以及少量陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成。阿勒泰镇组为一套中浅变质浅海相复理石建造。盆地内构造活动比较强烈, 断裂和褶皱发育, 主要有麦兹复式向斜、蒙克木背斜、巴特巴克布拉克向斜、铁热克萨依向斜, 巴寨、可依洛甫、沙尔布拉克等区域大断裂。侵入岩主要有早—中泥盆世花岗岩岩株和基性-酸性岩脉(童英等, 2007; 杨富全等, 2008; 张志欣等, 2011b)。盆地内发育了蒙库大型铁矿和可可塔勒大型铅锌矿等。

1 矿床地质特征

1.1 矿区地层及侵入岩

图1 巴利尔斯铁矿区地质略图(厉小钧等, 2006修编)Fig. 1 Geological map of the Baliersi iron ore district (modified after LI et al., 2006)

矿区出露的地层主要为上志留—下泥盆统康布铁堡组下亚组的第二岩性段、第三岩性段和上亚组的第一岩性段。其中第二岩性段分布于矿区北东部,为磁铁变粒岩、浅粒岩, 夹少量角闪更长片麻岩、斜长角闪岩和黑云母变粒岩等, 巴利尔斯铁矿体位于该层位。第三岩性段分布于矿区中部, 主要为黑云母变粒岩、浅粒岩, 夹少量黑云母片岩。上亚组第一岩性段为变质凝灰质砂岩、变质钙质长石石英砂岩、变质泥质粉砂岩、变质粉砂岩、黑云母片岩夹大理岩透镜体(图1)。

矿区北东部分布有中泥盆世也根拜黑云母花岗岩, 其年龄为385～388 Ma(张志欣等, 2011b)。该岩体空间分布受控于断裂构造。

1.2 矿体及矿石特征

巴利尔斯铁矿带长约5 km, 宽0.4 km, 可分为北、南两个矿化带。矿体以似层状、透镜状赋存于矽卡岩、变粒岩、浅粒岩及斜长角闪岩中。其中 2号矿体是最主要的矿体, 位于矿带中部。矿石构造主要以致密块状、条带状构造为主, 浸染状和团块状构造次之, 主要为自形-半自形中粗粒结构, 也见交代结构。矿石矿物主要有磁铁矿, 偶见黄铁矿、黄铜矿等, 脉石矿物主要有透辉石、石榴石, 其次为绿帘石、角闪石、绿泥石、石英及方解石等。块状矿石的脉石矿物为石榴石(图 2A); 条带状矿石的脉石矿物以透辉石为主, 透辉石与磁铁矿以条带状相互排列, 磁铁矿与透辉石接触的部位分布有角闪石(图2B); 团块状矿石中的磁铁矿一般以3～10 cm团块产于石榴石或者透辉石矽卡岩中(图 2C); 浸染状矿石磁铁矿通常以稠密浸染状产于透辉石矽卡岩中,并见磁铁矿交代透辉石(图2D)。

1.3 热液蚀变及成矿期次划分

巴利尔斯铁矿床围岩蚀变主要以矽卡岩化为主。矽卡岩主要有石榴石矽卡岩、透辉石矽卡岩、透辉石绿帘石矽卡岩和绿泥石角闪石矽卡岩。石榴石矽卡岩中石榴石多为半自形-它形粒状, 部分晶体呈现环带(图 3A); 透辉石干涉色鲜艳, 自形-它形短柱状; 绿帘石以粒状为主, 个别有姜黄异常干涉色(图3B)。角闪石较自形, 绿泥石以片状为主, 呈现蓝绿色; 可见绿帘石交代透辉石、磁铁矿交代透辉石的残余、磁铁矿交代石榴石形成的港湾(图3C、3D),并见有石英及方解石交代石榴石、磁铁矿及绿帘石(图 3E、3F)。

根据矿体特征、穿插关系、矿物共生组合、生成顺序及矿石组构等特征, 将矿床成矿过程大致划分为三个阶段: 矽卡岩阶段、退化蚀变阶段和石英硫化物阶段。矽卡岩阶段主要形成石榴石、透辉石等无水矽卡岩矿物; 退化蚀变阶段主要形成绿帘石、绿泥石、角闪石、磁铁矿等, 是铁矿的主要成矿阶段; 石英硫化物阶段形成石英、方解石、黄铁矿、黄铜矿等。

图2 巴利尔斯铁矿矿石特征Fig. 2 Features of ores from the Baliersi iron deposit

图3 矽卡岩矿物及与磁铁矿之间的关系Fig. 3 Skarn minerals and the relationship between skarn minerals and magnetite

2 样品及分析方法

本次研究的18件样品采自巴利尔斯铁矿2号矿体, 其中火山岩围岩 9件(斜长角闪岩 3件﹑变粒岩3件﹑浅粒岩3件)、矽卡岩3件(石榴石矽卡岩1件、绿帘石矽卡岩2件)﹑磁铁矿矿石6件(条带状、浸染状的透辉石(不含石榴石)磁铁矿矿石 2件、团块状含石榴石磁铁矿矿石3件、块状磁铁矿矿石1件)。

18件样品首先进行清洗、粉碎、缩分, 然后将样品在玛瑙研钵中研磨至200目以下粉末备用。稀土元素分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成, 分析仪器为等离子质谱X-series, 执行标准为DZ/T 0223—2001, 分析误差小于5%。

3 稀土元素分析结果

18件样品稀土元素分析结果见表1。

斜长角闪岩: 3件斜长角闪岩的∑REE变化微小(183.63×10-6～187.67×10-6), 平 均 为 185.03×10-6。LREE相对较富集(LREE/HREE=3.28～3.31,(La/Yb)N=2.42～2.68), LREE和HREE内部分异不很明显( (La/Sm)N=1.40～1.41, (Gd/Yb)N=1.51～1.71)。Eu异常与 Ce异常均不明显(δEu=0.90～0.98,δCe=1.01～1.02)(图 4A)。

变粒岩: 3件变粒岩的∑REE 变化较大(178.64×10-6～280.56×10-6), 平 均 为 227.27×10-6。LREE相对较富集(LREE/HREE=5.42～8.47,(La/Yb)N=4.61～8.84)。LREE内部元素发生了分异((La/Sm)N=2.58～2.85), HREE内部基本无分异((Gd/Yb)N=1.36～1.92)。样品具有中等程度的Eu 负 异 常(δEu=0.48～0.51)和 弱 Ce正 异 常(δCe=1.05～1.20)(图 4B)。

浅粒岩: 与斜长角闪岩和变粒岩相比, ∑REE相对较低(40.83×10-6～63.09×10-6), 平均为 51.02×10-6。3件样品具有相似的LREE富集的配分曲线, LREE内部分异不大((La/Sm)N=1.15～1.85), 轻重稀土分异也不明显(LREE/HREE=1.06～2.02), 3件样品具有明显的 Eu负异常(δEu=0.38～0.66), 样品 bls68无明显Ce异常(δCe=0.97), bls69具有弱的 Ce正异常(δCe=1.25), bls70 具有弱的 Ce 负异常(δCe=0.79)(图4C)。

表1 巴利尔斯铁矿床围岩及矿石稀土元素组成/10-6Table 1 REE composition/10-6 of wall rocks and ores from the Baliersi iron deposit

矽卡岩: 3件矽卡岩的∑REE变化较大, 绿帘石矽卡岩(bls56、bls57)的∑REE 为 300.83×10-6和327.01×10-6, 石榴石矽卡岩(bls58)的∑REE 为109.86×10-6。 绿 帘 石 矽 卡 岩 富 集 LREE(LREE/HREE=2.80～5.17), 石榴石矽卡岩富集HREE(LREE/HREE=0.10)。样品均具有 Eu正异常(δEu=1.35～2.08), 基本无 Ce异常(δCe=0.98～1.02)(图 4D)。矿石: 6件矿石样品的∑REE不高, 变化较大

(2.62×10-6～63.99×10-6)。条带状及浸染状的透辉石磁铁矿矿石(bls53、bls54)富集LREE(LREE/HREE=4.99,6.20), 并且 LREE内部分异程度不同((La/Sm)N=3.71～3.98), 含石榴石的磁铁矿矿石(bls42、bls44、bls51)及块状矿石(bls21)富集HREE(LREE/HREE=0.12～0.32), LREE内部分异程度差别较大((La/Sm)N=0.22, 0.92, 1.12, 1.68), 样品呈现明显的Eu正异常(δEu=1.50～3.15)和弱的Ce负异常(δCe=0.79～0.91)(图 4E、4F)。

4 讨论

4.1 围岩、矽卡岩和矿石的REE模式成因

巴利尔斯铁矿区的斜长角闪岩、变粒岩和浅粒岩均具有轻稀土相对富集的稀土元素配分模式, 应该是继承了原岩的稀土元素特征, 因为在低于角闪岩相的变质作用过程中, 稀土元素不会发生明显迁移(王中刚等, 1989)。在 La/Yb-∑REE 图解(图 5)中矿区围岩大部分落在玄武岩区, 少量落在沉积岩区中,这与前人对康布铁堡组变质原岩恢复的多数原岩为火山岩的结论一致(张建中, 1987)。围岩均富集HREE, Eu异常具有差别, 这可能与岩浆演化过程有关。

图5 巴利尔斯铁矿床围岩La/Yb-∑REE图解(底图转引自朱笑青等, 1994)Fig. 5 La/Yb-∑REE diagram of wall rocks from the Baliersi iron deposit (base map after ZHU et al., 1994)

前人已对矽卡岩及其矿物的REE特征进行了大量的研究, 不同形成机制的矽卡岩的REE特征具有明显差别。石榴石矽卡岩的REE配分模式受到石榴石中REE分配行为的控制。变质成因和岩浆成因的石榴石通常呈富 HREE的分布模式(Gaspar et al.,2008), 这种石榴石一般富Al(洪为等, 2011a)。赵斌等(1999)、赵劲松等(2007)将长江中下游 Cu(Au)、Cu-Fe(Au)和Fe矿床富集LREE亏损HREE和正Eu异常的石榴石矽卡岩称为岩浆成因的矽卡岩。典型接触交代成因矽卡岩的石榴石通常具有富 LREE的特点(Gressey, 1987), 受到岩体的影响较大(赵斌等,1999), 也有富集 HREE的模式, 王莉娟等(2002)认为可能受到大气水等的影响, 这类矽卡岩及其矿物的REE受到岩体影响较小。

矽卡岩是巴利尔斯铁矿常见的蚀变岩石, 其石榴石矽卡岩呈富集 HREE的左倾型, 绿帘石矽卡岩呈富集LREE的右倾型, 两者均具有正Eu异常。石榴石矽卡岩的REE模式与蒙库铁矿部分石榴石及查岗诺尔铁矿的石榴石的 REE模式相似, 杨富全等(2007)、洪为等(2012a, b)认为其为岩浆热液交代火山岩地层形成。通常石榴石的REE模式主要受到矿物晶体化学性质和晶体结构对 REE控制(赵劲松等,2007)。巴利尔斯铁矿床石榴石的化学式为(Fe2+, Mn,Mg, Ca)2.895～3.059(Al, Ti, Fe3+)1.923～2.040[SiO4]3, 端元组分为钙铝-钙铁系列(未发表资料), Al3+的存在促使HREE3+优先进入石榴石的晶格。绿帘石矽卡岩为退化蚀变阶段的产物, 与围岩斜长角闪岩的REE模式较相似, 暗示绿帘石矽卡岩与斜长角闪岩具有密切关系, 这与斜长角闪岩受到绿帘石化的现象吻合,但绿帘石矽卡岩具有更明显的Eu正异常, Eu异常的差别可能是流体作用的影响。绿帘石矽卡岩与长江中下游东狮子山、伏牛山、西狮子山和胡村Cu(Au)矿床的矽卡岩及大冶-武山矿化矽卡岩的 REE配分模式一致, 这些矿床的矽卡岩均与岩浆热液作用有关, 也与蒙库铁矿退化蚀变阶段的绿帘石矽卡岩的REE模式具有相似性(杨富全等, 2007)。巴利尔斯铁矿床的矽卡岩REE模式与矿区出露岩体也根拜黑云母花岗岩(富LREE, 负Eu异常)的模式差别较大(张志欣等, 2011b), 矽卡岩的 REE受到矿区出露岩体的影响较小。虽然不同成因的矽卡岩的REE具有自身的特点,但巴利尔斯铁矿床的矽卡岩由于测试数据有限等原因, 其具体形成机制还有待进一步研究, 但值得注意的问题有: 1)不同成矿阶段的矽卡岩具有不同REE模式, 研究表明, 优先富集某一部分REE矿物的晶出会引起流体中REE的分异, 使得流体中REE的组成显著改变, 可导致后期形成的矿物呈现完全不同的REE配分模式(Brugger et al., 2000), 这可能是矽卡岩具有两种REE模式的主要成因, 但也不排除成矿过程中可能有大气水、地层封存海水等加入的影响; 2)巴利尔斯铁矿床矽卡岩 REE特征结合其石榴石中熔融包裹体和气-液两相包裹体共存的现象, 表明成矿流体中存在硅酸盐熔体(未发表资料),暗示巴利尔斯铁矿矽卡岩的形成与岩浆热液作用关系密切。

磁铁矿矿石的REE模式除了受到成因不同的限制, 磁铁矿 REE含量较低, 脉石矿物种类和含量的不同也会导致磁铁矿矿石REE模式的变化。巴利尔斯磁铁矿石呈现两种REE模式, 分别富集HREE和LREE。样品bls44(透辉石石榴石磁铁矿矿石)的REE模式与石榴石矽卡岩的REE模式极相似(图5), 暗示含石榴石的磁铁矿矿石的REE模式可能受到石榴石的影响。总体来看, 巴利尔斯铁矿床的磁铁矿石与矽卡岩REE的特征具有相似性, 磁铁矿矿石与矽卡岩具有亲缘关系。

4.2 Eu、Ce等指示的成矿意义

Eu与Ce的异常对指示成岩成矿条件具有重要的指示意义, Eu正异常表明流体的温度较高, 处于氧化环境(Hass et al., 1995); Eu异常的大小反映氧化还原程度的强弱, Eu异常峰值越高, 表明氧化程度越强, Eu异常谷越深, 表明还原程度越强(赵劲松等,2007)。Ce的正异常和无异常表明氧化环境, 负异常表明相对还原环境。丁振举等(2003)认为矿石中 Ce的相对亏损, 是成矿热液Ce相对亏损的反映, 由于海水的加入引起, 海水正常沉淀出的物质不会发育Eu的正异常, 矿石中Eu正异常和弱Ce负异常同时发育, 说明矿石沉淀时较高温度的热流体与少量的海水发生了对流混合。巴利尔斯铁矿的矽卡岩和矿石均呈现中等程度到强的Eu正异常, 矿石发育弱的Ce负异常, 表明其形成于高温的氧化环境, 氧化环境较适合磁铁矿的析出(丁俊等, 2011), 成矿过程中可能有地层封存海水的加入。

Y和Ho两个元素具有相同的离子电价, 其8次配位的离子半径也几乎完全相同, 因此它们在许多地球化学环境中具有相似的地球化学行为。Anders等(1989)认为球粒陨石中Y/Ho值为28, 火成岩及硅酸盐碎屑沉积岩与球粒陨石的差别不大(Bau et al.,1995), 但在水溶液体系中其化学行为却发生分异。巴利尔斯铁矿床的矽卡岩和矿石的 Y/Ho比值在19—39范围变化, 多数为 25～28, 接近火成岩的Y/Ho值, 也暗示磁铁矿富集可能与岩浆热液有关。

图6 巴利尔斯铁矿斜长角闪岩、变粒岩、矽卡岩及矿石(La/Yb)N-(La/Sm)N图解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图(图6)上, 矿石与矽卡岩及围岩具有两种不同的关系, 含石榴石的磁铁矿矿石与石榴石矽卡岩具有线性相关性, 不同构造的磁铁矿矿石(不含石榴石)与绿帘石矽卡岩及围岩斜长角闪岩三者之间关系较密切。成矿物质来源也许具有多解性, 斜长角闪岩可能是物质来源之一, 因为其原岩为富铁的中基性火山岩, 并发生绿帘石化和磁铁矿化的现象, 成矿流体可能从中萃取了Fe等物质。

5 结论

1)巴利尔斯中型铁矿床赋存于上志留统—下泥盆统康布铁堡组变质火山-沉积岩系中, 容矿岩石为矽卡岩、变粒岩、浅粒岩及斜长角闪岩中, 矿体空间上与矽卡岩密切相关。矿床的形成经历了矽卡岩阶段、退化蚀变阶段和石英硫化物阶段, 铁矿主要形成于退化蚀变阶段。

2)巴利尔斯铁矿的磁铁矿矿石、矽卡岩与围岩斜长角闪岩的REE特征具有相似性, 暗示磁铁矿矿石与矽卡岩具有亲缘性, 斜长角闪岩可能提供部分物质来源。

3)矽卡岩和矿石发育 Eu正异常及所有矿石的Ce负异常, 表明它们形成于高温氧化的环境。

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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

本文由国土资源部公益性行业科研专项经费项目(编号: 200911007-06)和“十二五”国家科技支撑计划项目(编号: 2011BAB06B03-02)联合资助。

2012-11-25; 改回日期: 2013-02-21。责任编辑: 魏乐军。

藏梅, 女, 1986年生。硕士研究生。主要从事矿床地质、地球化学研究。通讯地址: 830046, 乌鲁木齐延安南路1230号。E-mail: xzangm@163.com。