东天山沙泉子铁铜矿床矿物学特征及其成矿意义

江宏君, 陈华勇, 韩金生, 张维峰, 陆万俭



东天山沙泉子铁铜矿床矿物学特征及其成矿意义

江宏君1,2, 陈华勇1,3*, 韩金生1, 张维峰1,2, 陆万俭1,2

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 矿物学与成矿学重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 广东省 矿物物理与材料研究开发重点实验室, 广东 广州 510640)

东天山沙泉子铁铜矿床赋存于沙泉子组火山岩地层之中, 是阿齐山-雅满苏铁铜成矿带中重要的矿床之一。矿床的蚀变矿化期次可依次划分为早夕卡岩阶段、晚夕卡岩阶段、磁铁矿化阶段、黄铜矿化阶段和晚期绿帘石-碳酸盐化阶段, 而磁铁矿化阶段又可细分为赤铁矿亚阶段、钾长石-绿帘石-磁铁矿亚阶段以及磁铁矿-黄铁矿亚阶段。电子探针分析表明, 夕卡岩阶段主要发育钙铁榴石(And39~100Gro0~50Spe + Alm0.26~11.23)和阳起石, 暗示早期流体具有高氧逸度和碱性的特征, 并导致流体中的铁质不断富集。磁铁矿化阶段主要发育低钛磁铁矿(TiO2≤0.17%)、钾长石(Or97.09~97.43Ab2.35~2.60An0.22~0.31)、富铁绿帘石(TFeO = 14.13%~16.32%)、黄铁矿、石英以及赤铁矿。随着钾长石和富铁绿帘石的开始形成, 成矿流体中铁质大量沉淀形成富铁矿石; 而赤铁矿和低钛磁铁矿的沉淀使得流体氧逸度逐渐降低, 进而使黄铁矿发生沉淀。黄铜矿化阶段主要发育赤铁矿、富铁绿帘石(TFeO = 11.95%~16.29%)、密绿泥石、黄铜矿、方解石等矿物, 密绿泥石形成温度为147~190 ℃,平均为168 ℃, 说明其为低温中性流体; 该阶段赤铁矿和绿帘石先沉淀, 随着氧逸度的降低, 黄铜矿、密绿泥石等矿物形成。黄铁矿和方解石的硫、碳、氧同位素组成(34S流体= –1.7‰~ +4.7‰以及+15.6‰和+17.5‰;13C流体= –6.6‰~ –3.4‰;18O流体= –2.0‰~ +0.7‰)表明磁铁矿化阶段流体主要为岩浆流体并伴随有海水的加入, 而黄铜矿阶段为低温非岩浆热液流体, 主要为盆地卤水或海水, 可能伴随有大气降水的加入。结合沙泉子铁铜矿矿床地质、围岩蚀变特征以及矿床对比研究, 我们认为沙泉子铁铜矿床的形成与矿区晚石炭纪闪长岩的侵入有关, 不同于火山岩赋存的雅满苏铁矿, 且与典型的夕卡岩型铁铜矿床不同, 而具有许多与安第斯铁氧化物铜金(IOCG)矿床类似的特征。

蚀变矿化期次; 电子探针; 成矿作用; 铁铜矿床; 沙泉子; 东天山

0 引 言

赋存于海相火山岩中的铁矿床是我国高品位铁矿石的重要来源之一, 主要指与火山作用相关或赋存于火山-沉积岩中的铁氧化物成矿系统。大多数赋存于海相火山岩中的铁矿床常伴随有广泛的夕卡岩蚀变, 但是夕卡岩与侵入体缺少明显的空间关系, 导致其成因和成矿机制等问题长期以来存在着夕卡岩型和海相火山岩型(与海底火山作用晚期岩浆-热液相关)的争议[1–5]。

东天山成矿带位于新疆北部, 是中亚成矿域的重要组成部分(图1a和1b), 也是我国重要的铜、镍、金、铁、铅锌等大型矿床集中区[6–17](图1c)。其中阿齐山-雅满苏弧后盆地以富集一系列产于火山岩中的铁(铜)矿床著称, 探明铁矿资源储量为2.07×108t, 是新疆重要的铁矿成矿远景区, 具有重要研究意义。代表性矿床有红云滩、百灵山、赤龙峰、雅满苏铁矿和沙泉子、黑尖山铁铜矿等。这些矿床通常赋存于海相火山岩中, 发育有广泛的夕卡岩化蚀变, 与侵入体缺少明显的空间关系[4,5,15–18], 是研究赋存于海相火山岩中的铁矿床的天然实验室。

本文研究的沙泉子铁铜矿位于阿齐山-雅满苏成矿带的东段, 是该带众多铁矿床中少数含有铜作为经济元素的矿床代表。关于沙泉子铁铜矿床的地质特征、成矿构造背景、成矿流体以及成矿时代, 国内学者进行了一些研究[4,19–27], 但关于矿床成因认识仍存在较大分歧。宋治杰[25]根据矿床的成矿特征认为该矿床是火山喷发晚期与火山侵入岩有关的气液交代-充填成因; 徐晓彤等[26]根据矿床发育广泛的夕卡岩化蚀变, 认为该矿床为夕卡岩型矿床; Huang.[19]和黄小文等[23]根据矿床的磁铁矿、黄铁矿、方解石的微量元素及稀土元素组成认为磁铁矿为热液成因, 且该矿床为火山热液充填交代成因; Huang.[21]根据沙泉子铁铜矿床的矿化类型和地质特征认为该矿床还具有一些与铁氧化物铜金(IOCG)矿床相似的地质特征。此外, 黄小文等[22]和Huang.[20–21]根据对矿区火山岩地球化学特征以及矿床中磁铁矿和黄铁矿的Re-Os定年研究认为沙泉子铁铜矿床的成矿构造背景为弧后盆地环境, 成矿时代为300 Ma左右。同时, 黄铁矿和方解石的硫、碳、氧同位素研究表明成矿流体具有来源于幔源的特征, 矿床的形成可能与300 Ma左右的幔源岩浆有关。总之, 研究者普遍认为沙泉子铁铜矿床的成矿作用与岩浆作用有关, 但具体是火山活动还是侵入活动则存在分歧。由于缺乏详细的蚀变矿化期次研究, 使得前人关于矿物微量和同位素的研究不能与蚀变矿化阶段一一对应, 且未根据物理化学条件对矿物同位素进行换算, 进而导致对各阶段流体性质以及流体演化过程的解释可能存在问题。此外, 对于广泛发育的夕卡岩化(特别是夕卡岩矿物)的相关研究还处于空白; 同时, 沙泉子铁铜矿床作为少数含铜矿床的代表, 磁铁矿化和黄铜矿化之间相互关系的研究仍然缺失, 这些研究上的不足显然不利于矿床成因确立和进一步找矿勘查的突破。

图1 中亚造山带构造简图(a, 据文献[6]编修)、新疆北部构造纲要图(b, 据文献[7–8]编修)及东天山构造及矿床分布(c, 据文献[9–10]编修)

因此, 本文在建立详细蚀变矿化期次的基础上选取沙泉子铁铜矿中与成矿密切相关的主要蚀变矿物(石榴子石、角闪石、钾长石、绿帘石、绿泥石)和矿石矿物(磁铁矿、黄铁矿)进行电子探针分析, 并结合前人研究结果, 初步探讨矿床的围岩蚀变特征、流体性质、成矿的物理化学环境以及矿床成因, 为进一步研究阿齐山-雅满苏成矿带中铁铜矿床的成矿机制和成矿规律提供新依据。

1 区域地质背景

东天山位于中亚造山带的南缘(图1a), 是古亚洲洋构造演化的产物, 含有丰富的矿产资源[4–8,10,12,25]。东天山构造带自北向南依次被近东西向展布的深大断裂(康古尔、雅满苏和阿奇克库都克)划分为大南湖-头苏泉岛弧带、康古尔-黄山剪切带、阿齐山-雅满苏弧后盆地以及中天山地块。相应的不同构造带内发育有不同类型的矿床, 成矿元素主要呈现出北铜、中金-铜镍、南铁-铅锌-银的特征[10,11,14,23,28–34](图1c)。大南湖-头苏泉岛弧带位于吐哈盆地南缘, 出露地层主要为奥陶系-石炭系火山-沉积岩系, 主要发育以卡拉塔格和土屋-延东为代表的火山块状铜锌矿床和斑岩型铜矿; 康古尔-黄山剪切带夹于康古尔断裂和雅满苏断裂之间, 为一套变形变质强烈的无序地层-构造岩(糜棱岩、构造碎屑岩、构造透镜体和角砾岩), 其原岩主要为复理石建造和枕状拉斑玄武岩、硅质岩、泥质岩等深水相组合, 主要发育以康古尔和石英滩金矿为代表的剪切带型和浅成低温热液型金矿(西段)以及以黄山、黄山东为代表的铜镍硫化物矿床(东段); 阿齐山-雅满苏弧后盆地位于雅满苏断裂和阿奇克库都克断裂之间, 出露地层主要由下石炭统火山-沉积岩系及二叠系互层的海相和陆相碎屑岩组成, 主要发育产于火山岩中的铁(铜)矿床, 代表性矿床有百灵山、赤龙峰、雅满苏铁矿和沙泉子、黑尖山铁铜矿等; 中天山地块位于阿奇克库都克断裂以南, 为中深变质岩系, 原岩主要为基性-酸性火山岩, 以发育铁矿(尾垭、天湖)、铅锌矿(彩霞山)和银多金属矿(玉溪)为特色。花岗岩类在区内分布广泛, 在各个地层构造单元均有发育(图1c), 主要由泥盆系-二叠系的石英闪长岩、花岗闪长岩、钾长花岗岩、花岗斑岩和二长花岗岩等组成, 年龄主要集中在386~252 Ma[35]。

研究区位于阿齐山-雅满苏弧后盆地的东段(图1c), 出露的地层主要为中元古界中天山群、下石炭统雅满苏组、上石炭统沙泉子组和上二叠统阿其克布拉克组(图2)。元古宇中天山群主要由中元古界的长城系星星峡群和蓟县系卡瓦布拉克群的片岩、片麻岩、混合岩和大理岩等组成[10]; 雅满苏组整体上由以玄武岩和英安岩类为主的双峰式火山岩组合和火山碎屑岩、岩屑砂岩、粉砂岩等组成, 火山岩以钙碱性系列为主[36–37]; 沙泉子组与雅满苏组呈不整合接触, 为复理石建造夹基性-中性-酸性火山岩建造, 主要由玄武质、安山质熔岩, 凝灰岩, 火山角砾岩组成, 夹有少量中酸性熔岩、细碧-石英角斑岩、石灰岩和钙质砂岩、粉砂岩[23]; 阿其克布拉克组主要由中基性熔岩、火山碎屑岩、杂色长石石英砂岩、钙质砂岩、泥质粉砂岩组成, 与沙泉子组呈不整合或断层接触[23]。区内岩浆活动强烈, 闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩和黑云母花岗岩广泛分布, 同时也可见一些零星分布的基性-超基性岩、橄榄辉长岩和辉绿玢岩。

2 矿床地质

2.1 矿区和矿体地质特征

沙泉子铁铜矿床位于阿奇克库都克断裂北侧约500 m处(图2), 是一个以铁为主, 并伴生有铜的铁铜矿床。矿区出露地层主要为沙泉子组火山岩(图3), 矿体主要赋存在含矿蚀变带中, 其延伸方向与沙泉子组火山岩地层一致, 含矿带总长约5 km, 宽3~80 m,顶部为沙泉子组凝灰岩, 底部为沙泉子组安山岩。铁储量为249万t, 品位为26%~49%, 铜储量为2040 t,品位为0.23%~1.58%。矿区被较大的断层错断为东段、中段和西段三个部分, 矿体数量较多, 其中规模较大的有8个, 主要分布在中矿段。铁矿体一般长50~500 m, 宽1~10 m, 最宽可达17 m。铜矿体主要分布于深部, 常产于铁矿体的内部或边部, 延伸最长可达300 m, 厚度为2 m左右, 最大厚度可达8 m (图4)。铁铜矿体常呈透镜状或扁平状, 受近东西向的断裂控制, 并被后期近南北向断裂所切割。矿石矿物主要为磁铁矿、黄铜矿和少量的黄铁矿、赤铁矿以及闪锌矿。磁铁矿主要呈浸染状、块状和条带状。黄铜矿主要呈浸染状。脉石矿物主要为石榴子石、绿帘石、钾长石、石英、绿泥石、方解石和少量角闪石。

图2 新疆沙泉子区域地质图(据新疆地矿局第六地质大队 1) 编修)

图3 沙泉子铁铜矿床中段地质图(据新疆地矿局第六地质大队 2) 编修)

图4 沙泉子铁铜矿床0号勘探线(图3中0-0′)剖面图(据新疆地矿局第六地质大队2)编修)

2.2 围岩蚀变及蚀变矿化期次

沙泉子铁铜矿床发育有广泛的围岩蚀变, 以石榴子石化、钾长石化、绿帘石化、绿泥石化和碳酸盐化为主, 局部可见少量的角闪石化。在野外和室内详细观察的基础上, 根据脉体的穿插关系和蚀变矿物的共生组合类型, 我们将沙泉子铁铜矿床的成矿阶段依次划分为早夕卡岩蚀变阶段(Stage 1)、晚夕卡岩蚀变阶段(Stage 2)、磁铁矿矿化阶段(Stage 3)、黄铜矿矿化阶段(Stage 4)和晚期绿帘石-碳酸盐化阶段(Stage 5) (图5)。早夕卡岩阶段(Stage 1)主要发育石榴子石并伴随有少量的辉石, 可见石榴子石被晚阶段的磁铁矿、钾长石、绿帘石和石英等交代充填(图6a)。晚夕卡岩阶段(Stage 2)主要发育角闪石, 呈长柱状, 被磁铁矿化阶段的矿物沿其解理交代(图6b)。磁铁矿化阶段(Stage 3)可细分为: 赤铁矿亚阶段(Stage 3A), 主要发育具有赤铁矿晶型的磁铁矿(假像磁铁矿), 但局部可发现赤铁矿的残余, 并可见晚阶段的石英、黄铁矿、黄铜矿、绿泥石和方解石等充填在其格架中(图6c); 钾长石-绿帘石-磁铁矿亚阶段(Stage 3B), 主要发育他形-半自形的钾长石, 细粒的绿帘石和少量细粒磁铁矿(图5d); 磁铁矿-黄铁矿亚阶段(Stage 3C), 主要发育磁铁矿、黄铁矿和石英, 它们的接触边界较为平直, 指示它们可能具有共生关系(图6e和6f)。黄铜矿化阶段(Stage 4)主要发育黄铜矿、斑铜矿、赤铁矿、闪锌矿、绿帘石、绿泥石和方解石, 常呈脉状穿切早阶段形成的矿物组合, 该阶段赤铁矿呈自形针柱状结构, 可能与含铜硫化物为共生关系(图6g~6k)。晚期绿帘石-碳酸盐化阶段(Stage 5)主要发育一些切穿早阶段矿物和围岩的方解石、绿帘石以及少量石英和角闪石脉(图6l)。

图5 沙泉子铁铜矿床蚀变矿化期次

图6 沙泉子铁铜矿床主要矿物组成及其结构特征

Grt–石榴子石; Amp–角闪石; Kfs–钾长石; Ep–绿帘石; Qtz–石英; Chl–绿泥石; Cal–方解石; Mag–磁铁矿; Hem–赤铁矿; Py–黄铁矿; Ccp–黄铜矿; Bn–斑铜矿; Sp–闪锌矿。

(a) 磁铁矿化阶段磁铁矿、绿帘石、钾长石以及石英交代早夕卡岩阶段石榴子石(单偏光); (b) 磁铁矿化阶段磁铁矿、绿帘石、钾长石以及石英交代晚夕卡岩阶段角闪石(单偏光); (c) 假像磁铁矿被晚期石英、黄铁矿、绿帘石、方解石、绿泥石等充填, 并可见少量赤铁矿的残余(反射光); (d) 钾长石、绿帘石和细粒的磁铁矿共生(单偏光); (e) 磁铁矿和黄铁矿接触边界较为平直, 指示其共生的关系, 并被后期黄铜矿交代(反射光); (f) 石英与磁铁矿边界较为平直, 表明其共生的关系, 并被后期黄铜矿交代(反射光); (g) 黄铜矿、绿帘石、石英脉穿切早阶段的磁铁矿和绿帘石(单偏光); (h) 黄铜矿交代早阶段生成的磁铁矿、石英、黄铁矿(手标本); (i) 黄铜矿阶段绿帘石交代早阶段生成的矿物(反射光); (j) 赤铁矿、黄铜矿、赤铁矿、方解石和绿泥石呈脉状穿切早期黄铁矿(反射光); (k) 斑铜矿与黄铜矿共生, 并可见针状的赤铁矿(反射光); (l) 晚期方解石、角闪石、绿帘石脉交切围岩(正交偏光)。

3 蚀变矿物学特征及电子探针分析

为了确定蚀变矿物的成分和限定成矿流体的性质, 在划分蚀变矿化阶段的基础上, 我们挑选石榴子石、角闪石、钾长石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿和黄铁矿进行矿物化学分析。电子探针测试在中国科学院广州地球化学研究所进行, 使用仪器为JEOL JXA-8100。工作条件为: 加速电压15 kV, 电流20 nA,束斑直径1 μm。主要蚀变矿物及矿石矿物的矿物学和矿物化学特征如下。

3.1 石榴子石

石榴子石化蚀变通常产于中酸性的火山围岩中, 分布广泛, 多呈红棕色, 单偏光下为棕黄色, 正极高突起, 正交偏光下局部有异常干涉色, 环带和裂隙较发育, 往往被磁铁矿、钾长石以及绿帘石等晚期矿物充填交代(图6a)。石榴子石中SiO2含量为34.94%~40.05%; CaO含量主要为31.51%~35.53%; TFeO和Al2O3含量变化范围较大, TFeO含量为12.06%~29.89%, Al2O3主要为0.00%~12.87%; MgO的含量较低, 变化范围为0.00%~0.25%(表1)。电子探针结果表明, 沙泉子铁铜矿石榴子石以钙铁榴石(And = 38.59%~99.99%)为主(图7), 其次为钙铝榴石(Gro = 0.00%~49.53%), 还有少量的镁铝榴石、铁铝榴石和锰铝榴石, 属于钙铁榴石–钙铝榴石固溶体系列(And39~100Gro0~50Spe + Alm0.26~11.23)。对于出现明暗交替环带的石榴子石, 自边部到中心SiO2和CaO的含量呈正相关关系, TFeO和Al2O3呈震荡式变化, 且相邻环带间呈现周期性渐变(图8)。

3.2 角闪石

角闪石分布范围相对石榴子石较小, 仅在少量样品中可见。主要呈浅墨绿色柱状, 节理较为发育(图6b), 常被后期的绿帘石、钾长石、石英以及磁铁矿沿解理充填交代。角闪石中SiO2含量为47.76%~ 57.28%; CaO含量为10.30%~12.67%; TFeO含量为9.92%~20.04%; MgO含量为9.71%~16.38%; 而Al2O3的含量相对较低, 主要为0.40%~7.08%; Na2O含量为0.15%~1.00%(表2)。其特征阳离子组成和比值为SiT= 7.08~8.00; (Na + K)A= 0.034~0.23; Mg/(Mg + Fe2+) = 0.43~0.96; Mg/(Mg + Al) = 0.63~ 0.97。根据Leake.[41]的分类可知, 沙泉子铁铜矿的角闪石主要为阳起石, 但其中有2个点落入镁角闪石范围(图9)。

3.3 钾长石

钾长石分布相对广泛, 通常可见其交代早期的石榴子石和角闪石。主要呈他形粒状, 伴生有细粒的磁铁矿(图6a、6b和6d)。其SiO2含量为63.96%~64.50%; Al2O3含量为19.32%~19.74%; K2O含量为15.88%~17.34%; Na2O含量为0.27%~ 0.29%(表3)。沙泉子铁铜矿床的钾长石成分可表示为Or97.09~97.43Ab2.35~2.60An0.22~0.31。

图7 沙泉子铁铜矿床石榴子石端元组分三角图解(底图据文献[38–40])

图8 沙泉子铁铜矿床石榴子石环带成分变化示意图(SY0402)

图9 沙泉子铁铜矿床角闪石分类图解(底图据文献[41–43])

3.4 绿帘石

矿区内绿帘石分布广泛, 在磁铁矿化阶段和黄铜矿化阶段均有产出。磁铁矿阶段绿帘石通常为细粒他形, 而黄铜矿阶段绿帘石为粗粒半自形-自形。磁铁矿阶段绿帘石SiO2含量为37.06%~38.42%, CaO含量为23.10%~24.19%, TFeO含量为14.13%~ 16.32%, Al2O3的含量为21.01%~22.37%; 而黄铜矿阶段绿帘石具有相对较高的SiO2(38.87%~39.63%)、CaO (23.14%~24.32%)、Al2O3(20.90%~24.14%)和相对较低的TFeO (11.95%~16.29%)。同时, 黄铜矿阶段绿帘石的SiO2与TFeO、Al2O3和CaO有较好的线性关系, 而磁铁矿阶段的线性关系不明显(图10a~10c)。两类绿帘石Fe和Al置换的现象均比较普遍(图10d), 且均含有少量的MnO (表4)。

3.5 绿泥石

绿泥石通常与方解石、黄铜矿和赤铁矿等共生, 呈鳞片状集合体, 主要以交代充填早期矿物的形式产出。其SiO2含量为26.08%~29.15%, Al2O3含量为16.75%~19.94%, TFeO含量为18.40%~28.12%, MgO含量为12.86%~20.33%(表5)。根据Deer.[44]绿泥石分类图解, 沙泉子铁铜矿绿泥石主要为密绿泥石和少量的铁镁绿泥石(图11)。

3.6 磁铁矿

作为沙泉子铁铜矿中最重要的矿石矿物, 矿区磁铁矿石按结构和生成顺序可分为细粒浸染状磁铁矿、树枝状假像磁铁矿和块状磁铁矿。电子探针分析显示(表6), 矿石中磁铁矿整体以低TiO2(≤0.17%)、低Cr2O3(≤0.06%)和低MgO (≤0.31%, 主要接近于0.00%)含量为特点, 不同结构特征的磁铁矿成分略有区别。细粒浸染状磁铁矿的SiO2、TFeO、Al2O3、CaO和MnO含量范围相对较窄, SiO2含量为0.03%~0.54%, TFeO含量为92.81%~94.13%, Al2O3含量为0.00%~0.22%, CaO含量为0.00%~ 0.17%, MnO含量为0.00%~0.15%, 并且均与TFeO没有明显的线性关系; 树枝状假像磁铁矿的SiO2、TFeO、Al2O3、CaO和MnO含量分布较宽, SiO2含量主要为0.00%~1.68%(仅一个点为3.18%), TFeO含量为89.03%~93.55%, Al2O3含量主要为0.00%~ 0.34%(仅一个点为0.71%), CaO含量为0.00%~ 0.37%, 主要接近于0.00%, MnO含量为0.03%~ 0.35%; 其与TFeO也没有明显的线性关系; 块状磁铁矿相对细粒浸染状磁铁矿和树枝状假像磁铁矿具有相对较高的SiO2、TFeO、Al2O3、CaO和MnO含量。

图10 沙泉子铁铜矿床绿帘石中氧化物和主要阳离子相关图解

表3 沙泉子铁铜矿钾长石(ZK2-8)电子探针成分(%)

图11 沙泉子铁铜矿床绿泥石分类图解(底图据文献[42,44–47])

其SiO2含量为0.02%~4.02%, TFeO含量为88.32%~ 94.73%, Al2O3含量为0.00%~0.67%, CaO含量为0.00%~0.99%, MnO含量为0.00%~0.22%, 且与TFeO有较为明显的线性关系(图12)。

图12 沙泉子铁铜矿床磁铁矿中氧化物相关图解

3.7 黄铁矿

黄铁矿在矿区较为常见, 呈他形-半自形和磁铁矿石英共生, 并被后期黄铜矿等矿物交代(图6e、6f和6h)。电子探针分析结果表明(表7), 黄铁矿成分较为稳定, 但Co、Ni、Au、Cu、As和Se等元素的值略有不同。Co含量变化范围较广(0.05%~1.78%), 平均为0.32%; Ni含量较低, 小于0.1%, 多数低于检测限; Au含量相对较高, 变化范围为0.02%~0.65%, 平均为0.29%; Cu (0.00%~0.05%)、As (0.00%~0.07%)相对Se具有较高的含量。

4 讨 论

4.1 围岩蚀变特征和成矿物理化学环境

4.1.1 早夕卡岩阶段和晚夕卡岩阶段

岩相学和电子探针分析表明, 沙泉子铁铜矿床矿化前蚀变主要为钙质蚀变, 形成钙质石榴子石和角闪石。石榴子石以钙铁榴石为主, 其次为钙铝榴石(图7), 角闪石主要为阳起石(图9)。实验研究表明, 石榴子石形成于较氧化的条件, 且钙铁榴石组分越高代表其形成条件越氧化[48]。同时, 在中-碱性溶液中, 钙铁榴石最易形成, 而酸性介质更易形成钙铝榴石[49]。沙泉子铁铜矿石榴子石属于钙铁榴石-钙铝榴石系列(Ad39~100Gro0~50Spe + Alm0.26~11.23), 且钙铁榴石组分含量明显高于钙铝榴石组分含量, 指示石榴子石形成于较氧化、中-碱性的环境。

沙泉子铁铜矿床石榴子石多发育有震荡环带(图8), 与滇西红牛夕卡岩型铜矿和江西永平铜矿中石榴子石的特征相似[50–51]。前人研究表明, 这种震荡环带与石榴子石形成时的温度无关, 而与流体成分变化有关, 是石榴子石-流体相互作用的结果。同时, 这些韵律环带能有效记录成矿热液的演化历史, 可以为研究石榴子石环带成因及成矿热液演化提供重要信息[50–55]。具有震荡环带的石榴子石从边部至中心, SiO2和CaO的含量呈正相关关系, 而TFeO和Al2O3的含量呈震荡式变化, 且相邻环带间呈现周期性渐变(图8), 但总体看来, 边部钙铁榴石的含量高于钙铝榴石, 反映了晚期氧逸度增加, 碱性增强的特征。Yardley.[56]和Growe.[57]认为石榴子石明暗环带中Fe、Al含量的变化, 可能是流体氧逸度变化引起含矿热液中Fe3+含量周期性变化导致。因此沙泉子铁铜矿石榴子石震荡环带的形成可能是由于流体中某些组分发生周期性变化, 导致氧逸度发生变化, 进而引起流体中Fe3+和Al3+活度发生变化所致, 流体持续补充, 石榴子石多次生长, 从而形成震荡式环带。随着流体的进一步演化, 温度逐渐降低, 水分增高, 少量含OH–矿物如阳起石开始形成, 并消耗流体中的少量H+, 使流体的碱性相对增强[58]。

因此, 早夕卡岩阶段成矿流体应具有相对较高的氧逸度和pH值。随着晚夕卡岩阶段少量阳起石的形成, 流体仍旧具有较高的氧逸度和pH值, 而在高氧逸度条件下, 可使得Fe以离子形式进入流体, 为铁质的富集提供了条件[3,48,59,60]。同时, 石榴子石的大量形成, 可能导致围岩CO2的丢失, 致使围岩孔隙度和渗透性增加, 为成矿提供空间条件[61]。

4.1.2 磁铁矿化阶段

矿区钾长石化强烈, 且与细粒磁铁矿紧密共生(图6d)。钾长石中钠长石分子含量相对较低, 其成分可表示为Or97.09~97.43Ab2.35~2.60An0.22~0.31。一般高温条件下, 岩浆成因的钾长石中钠长石分子含量相对较高, 为Or82.3~88.0Ab11.7~17.3, 而钾长石交代岩中(即钾长石化)钠长石分子含量相对较低, 为Or89.3~94.8Ab5~10.5[61–62]。因此, 沙泉子铁铜矿中发育的钾长石可能属于岩浆热液阶段的产物, 是钾质交代的表现。磁铁矿化阶段的绿帘石大量出现且TFeO含量较高, 为14.13%~16.32%, 指示该阶段具有较高的氧逸度以及成矿流体含铁量较高[63]。磁铁矿阶段绿帘石的SiO2含量与TFeO、Al2O3和CaO含量线性关系不明显(图10a~10c), 可能与后期流体的多次交代有关。

块状磁铁矿TFeO含量与SiO2、CaO、Al2O3具有负相关关系(图12), 可能因为在成矿的过程中, 成矿流体不断从中-基性围岩中萃取Fe质, 并使之富集沉淀, 最终导致磁铁矿的纯度逐渐升高, 而Si、Al、Ca等元素则进入钾长石、绿帘石等矿物之中[63]。然而, 细粒浸染状磁铁矿和树枝状假像磁铁矿的TFeO含量高于块状磁铁矿, 且与SiO2、CaO、Al2O3不具有明显的相关关系, 说明早期成矿流体自身可能就具有很高的含铁量, 磁铁矿以高纯度的形式发生沉淀。假像磁铁矿的形成可能指示早期存在一个赤铁矿的阶段[64], 表明当时成矿热液的氧逸度已经升至较高的状态, 但由于成矿环境的改变, 导致赤铁矿转化为磁铁矿, 形成目前大量存在的树枝状假像磁铁矿(图6c)。与磁铁矿共生的黄铁矿作为一种重要的硫化物, 它的出现表明成矿流体已经处于相对还原的环境, 这可能与赤铁矿和磁铁矿的沉淀导致氧逸度下降有关[59]。

因此, 钾长石和绿帘石的形成标志着成矿流体的氧逸度和碱度已经处于较高的状态, 而绿帘石中TFeO含量较高也表明流体中的Fe已升至较高的状态, 使得铁以大量赤铁矿和少量磁铁矿的形式发生沉淀[58,45]。大量Fe3+的消耗, 使得流体氧逸度降低, 导致先形成的赤铁矿转化为磁铁矿, 并伴随有大量块状磁铁矿的形成。随着氧逸度的降低, 以高价态(S6 +、S4 +)存在的S易于被还原, 形成还原性的S2–, 为黄铁矿的沉淀创造了条件[45,61]。同时, 黄铁矿的硫同位素组成除两个较高的值+15.6‰和+17.5‰外, 主要为–1.7‰~ +4.7‰[21], 由于其与磁铁矿共生, 表明形成环境可能为中-高温、中氧逸度, 因此黄铁矿的硫同位素值可以近似代表热液流体的硫同位素值, 即磁铁矿化阶段热液流体的硫同位素值主要为–1.7‰~ +4.7‰, 以及+15.6‰和+17.5‰[65]。而晚石炭世海水的硫同位素值为约+15‰[66], 指示沙泉子铁铜矿磁铁矿化阶段成矿流体可能主要为岩浆热液, 并伴随有海水的加入。

4.1.3 黄铜矿化阶段

黄铜矿阶段绿帘石SiO2含量与TFeO呈负相关关系, 而与Al2O3和CaO呈正相关关系, 可能指示其形成环境向酸性转变[68]。同时, TFeO含量为11.95%~16.29%, 指示流体中含铁量可能仍然较高。此外, 溶液中氧逸度的升高对于绿帘石的形成具有重要的作用[59], 说明此阶段具有较高的氧逸度, 而针柱状赤铁矿在这一阶段的出现更证明了这一点(图6k)。

黄铜矿化阶段绿泥石分布广泛, 与方解石紧密共生, 主要为密绿泥石和少量的铁镁绿泥石(图11)。Inoue[68]认为在低氧逸度和低pH值的环境下有利于镁质绿泥石的形成, 而在相对还原的环境中则有利于富铁绿泥石的形成。同时, 相对富铁的绿泥石代表更为酸性的环境[69]。沙泉子铁铜矿绿泥石Fe/(Fe + Mg) = 0.34~0.55, 平均为0.47, 介于铁质和镁质之间, 因此其可能形成于较低氧逸度和中等pH(方解石的稳定态)的环境。Al/(Al + Mg + Fe)和Mg/(Fe + Mg)比值可以用来判别绿泥石与其母岩的关系[70]。一般认为, 由泥质岩蚀变形成的绿泥石, 比由镁铁质岩石转化而成的绿泥石具有较高的Al/(Al + Mg + Fe)比值(> 0.35)[71]。由表5可知, 几乎所有绿泥石的Al/(Al + Mg + Fe)比值小于或等于0.35, 反映矿区绿泥石的化学成分主要来源于铁镁质岩石。Mg/(Fe + Mg)比值高的绿泥石一般产于基性岩中, 而Mg/ (Fe + Mg)比值低的绿泥石产于含铁建造中[46,70]。矿区绿泥石Mg/(Fe + Mg)比值为0.45~0.66, 平均为0.53, 相对中等, 指示其形成于基性岩和含铁建造中, 这与矿区地质环境基本一致。利用绿泥石成分进行温度测算[72–74], 结果表明(表5)绿泥石的形成温度范围为147~190 ℃, 平均为168 ℃, 属于低温热液蚀变范围。

因此, 黄铜矿化阶段成矿流体应该属于低温中等pH热液。高氧逸度矿物赤铁矿、绿帘石先发生沉淀, 随着氧逸度的逐渐降低, 黄铜矿、绿泥石等低氧逸度矿物随之发生沉淀。此阶段方解石的碳氧同位素值分别为–5.5‰~ –2.4‰和+10.0‰~ +12.7‰[21], 根据绿泥石电子探针温度(168 ℃)换算为流体后分别为–6.6‰~ –3.4‰和–2‰~ +0.7‰[75–76], 表明黄铜矿阶段流体介于盆地卤水(13C = –9.3‰~ –5‰;18O =–2‰~ +4‰)[77]和海水(13C和18O均在0‰附近)[78]之间, 但更靠近盆地卤水的范围, 同时包裹体研究表明其为低盐度的流体[79], 因此我们推测可能有大气降水的加入。此阶段流体的性质与磁铁矿化阶段明显不同。

4.2 成矿流体特征及演化

沙泉子铁铜矿床早夕卡岩阶段和晚夕卡岩阶段形成大量的钙铁石榴子石和少量的阳起石, 暗示成矿热液可能具有相对较高的氧逸度和pH值, 有利于铁以离子的形式存在于溶液中发生迁移, 为铁质的富集提供条件。随着成矿热液(岩浆热液)中铁质的不断富集, 铁质以赤铁矿和少量浸染状磁铁矿的形式发生沉淀, 并交代围岩形成钾长石和富铁绿帘石, 表明当时成矿热液已具有很高的氧逸度和pH值, 但由于环境的转变, 大量赤铁矿转化为假像磁铁矿, 随着成矿热液不断交代围岩从围岩中萃取铁质, 以及晚石炭世海水的加入导致成矿热液中铁质的溶解和沉淀, 最终形成块状磁铁矿。大量磁铁矿的沉淀导致成矿热液的氧逸度逐渐降低, S以低价的形式出现, 与Fe结合形成黄铁矿。黄铜矿化阶段成矿流体主要为盆地卤水并且可能有大气降水加入的低温非岩浆热液(168 ℃), 赤铁矿、富铁绿帘石等代表较高氧逸度矿物先发生沉淀, 随着氧逸度的逐渐降低, 形成还原性的S, 为以黄铜矿为主的铜硫化物、密绿泥石等低氧逸度矿物的沉淀创造了有利条件, 并形成了方解石。磁铁矿化阶段流体特征与黄铜矿化阶段的流体特征截然不同, 表明其可能为两个不同的热液系统。

4.3 矿床成因探讨

关于沙泉子铁铜矿床的成因认识目前主要有: (1) 夕卡岩型, 认为矿化与夕卡岩化和火山侵入岩有关[25–26]; (2) 海相火山岩型, 认为矿化与火山热液有关[23]; (3) IOCG型, 认为沙泉子铁铜矿床具有一些与IOCG矿床相似的地质特征[21]。

Huang.[20–21]对沙泉子铁铜矿床磁铁矿和黄铁矿进行了Re-Os定年研究, 获得了较为一致的年龄, 表明矿床形成时代为303~295 Ma。同时, 沙泉子铁铜矿区出露的沙泉子组火山岩和闪长岩的锆石U-Pb年龄分别为315~305 Ma和298 Ma[80]。成矿年龄小于地层年龄且与闪长岩形成时代相近, 即沙泉子铁铜矿的形成可能与闪长岩岩浆作用相关, 不同于以雅满苏铁矿为代表的海相火山岩型铁矿(成矿年龄与海相火山岩地层年龄一致)[2,18]。黄铁矿Co、Ni含量和比值落入火山成因和热液成因区(图13), 指示其可能由岩浆热液流体从火山围岩中萃取成矿物质所导致。

图13 沙泉子铁铜矿床黄铁矿的Co-Ni图解(底图据文献[42,81])

沙泉子铁铜矿床夕卡岩化蚀变强烈, 矿体与夕卡岩蚀变关系密切。石榴子石主要为钙铁榴石, 其次为钙铝榴石, 其成分与典型夕卡岩铁矿和铜矿的成分相似[38], 也与澳大利亚南部Hillside IOCG矿床一致[39], 不同于火山喷流沉积铅锌矿床中所形成的富Mn、Fe的石榴子石, 如阿勒泰萨吾斯[40](图7)。角闪石主要为阳起石, 其成分与夕卡岩型铁矿和巴西Sessego IOCG矿床部分相同[42–43](图9)。磁铁矿TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)三角图解也表明磁铁矿的成因主要为接触交代型, 部分为夕卡岩型(图14), 落入其他范围的点主要为稍早阶段的浸染状磁铁矿和假像磁铁矿, 可能由流体从火山围岩中萃取成矿物质以及后期流体的扰动所导致。然而, 沙泉子铁铜矿中的绿泥石主要为密绿泥石和铁镁绿泥石, 其成分与巴西Igarapé Bahia 和Sessego IOCG矿床部分相同, 而与弓长岭铁矿和西藏尼雄日阿等夕卡岩型铜矿不同[42,45–47](图11)。由上可见, 沙泉子铁铜矿床的高温矿物普遍兼有夕卡岩和IOCG型矿床成因特征, 但黄铜矿阶段的低温蚀变矿物则更多表现出IOCG型矿床特征。

图14 沙泉子铁铜矿床磁铁矿TiO2-Al2O3-(MgO+MnO)图解(底图据文献[82])

一般认为, 夕卡岩由酸性-中酸性花岗质岩体与碳酸盐岩以及富钙镁质的碎屑岩接触交代作用而形成, 广泛发育于接触带, 与大量金属堆积成矿密切相关[62,83]。沙泉子铁铜矿床夕卡岩和矿体呈层状产出在沙泉子组凝灰岩和中基性火山岩中, 与矿区出露闪长岩体在时间上相关, 但在空间上无直接接触关系。典型夕卡岩型铁铜矿床早夕卡岩阶段通常发育石榴子和辉石, 晚夕卡岩阶段通常发育角闪石、绿帘石等矿物且磁铁矿主要在该阶段形成[38,62], 而沙泉子铁铜矿床早夕卡岩阶段只发育钙铁榴石-钙铝榴石, 透辉石少见, 晚夕卡岩阶段发育少量阳起石, 且被磁铁矿化阶段的磁铁矿、绿帘石、钾长石、石英所交代(图6), 这些均与典型夕卡岩型铁铜矿床不同。此外, 沙泉子铁铜矿床磁铁矿化阶段流体的硫同位素表明该阶段成矿流体主要为岩浆热液, 并伴随有海水的加入, 不同于典型夕卡岩中岩浆热液伴随少量大气降水的特征。同时, 沙泉子铁铜矿黄铜矿阶段绿泥石的形成温度平均为168 ℃, 属于低温热液蚀变范围, 且流体的碳氧同位素表明该阶段流体介于盆地卤水和海水之间, 而典型夕卡岩型铁铜矿的硫化物阶段形成温度通常大于200 ℃, 且流体主要为岩浆热液流体[38,43,62,83,84]。这些特征均表明沙泉子铁铜矿与典型的夕卡岩型铁铜矿床不同。

沙泉子铁铜矿床的蚀变矿化期次(图5)与安第斯IOCG矿床中典型代表-秘鲁Mina Justa IOCG矿床是较为相似的。Mina Justa IOCG矿床早期为K-Ca-Fe蚀变, 主要发育正长石、透辉石、阳起石以及少量的磁铁矿; 磁铁矿化阶段早期发育有以假像磁铁矿为代表的赤铁矿亚阶段, 晚期主要发育磁铁矿、黄铁矿、石英和绿泥石, 铜矿化阶段主要发育赤铁矿、黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、闪锌矿和方解石等[64,85]。同时, 对Mina Justa IOCG矿床的同位素以及流体包裹体研究也表明其磁铁矿化阶段热液主要为岩浆热液流体, 铜矿化阶段热液为低温(140 ℃)的非岩浆流体, 主要为盆地卤水, 并伴随有大气降水的混合[85]。安第斯La Candelaria-Punta del Cobre、Raúl-Condestable以及Mantoverde等一系列弧间盆地闭合过程中形成的IOCG矿床成矿流体也具有相似的特征[86]。沙泉子铁铜矿床磁铁矿化阶段的流体主要为岩浆热液, 并伴随有少量海水的加入, 黄铜矿阶段流体主要是低温的(168 ℃)盆地卤水或海水, 可能有大气降水的加入, 与安第斯IOCG矿床的流体特征非常相似。此外, 阿齐山-雅满苏成矿带在晚石炭世为弧后盆地环境, 随着俯冲的持续进行在晚石炭世末期弧后盆地开始闭合[18,22,80], 因此沙泉子铁铜矿床很可能也形成于弧后盆地闭合的环境, 同时其还具有一些IOCG矿床的普遍特征[87]): (1) 含有Cu (Au、REE)等有经济价值的成矿元素; (2) 受断裂控制; (3) 含大量低钛铁氧化物(磁铁矿)[21]; (4) 交代结构的矿石较为发育; (5) 与矿区闪长岩侵入体时间上相关但空间上关系不明显。因此, 沙泉子铁铜矿床不同于典型的夕卡岩型铁铜矿床, 而具有许多与安第斯IOCG矿床相似的特征。

5 结 论

(1) 沙泉子铁铜矿床蚀变矿化期次为早夕卡岩阶段、晚夕卡岩阶段、磁铁矿化阶段、黄铜矿化阶段和晚期热液脉阶段。磁铁矿化阶段又可细分为赤铁矿亚阶段、钾长石-绿帘石-磁铁矿亚阶段以及磁铁矿-黄铁矿亚阶段。

(2) 早夕卡岩阶段和晚夕卡岩阶段主要发育钙铁榴石和阳起石, 暗示早期流体具有高氧逸度和碱性的特征, 进而导致流体中的铁质不断富集; 磁铁矿化阶段随着钾长石和富铁绿帘石的开始形成, 导致铁质大量沉淀形成富铁矿石, 赤铁矿和磁铁矿的沉淀使得流体氧逸度逐渐降低进而使黄铁矿发生沉淀; 黄铜矿化阶段为低温中性流体, 高氧逸度矿物赤铁矿和绿帘石先沉淀, 随着氧逸度的降低, 黄铜矿、密绿泥石等较低氧逸度的矿物再次形成。

(3) 磁铁矿化阶段流体主要为岩浆流体并伴随有海水的加入, 而黄铜矿阶段为低温非岩浆流体, 主要为盆地卤水或海水, 可能伴随有大气降水的加入。

(4) 沙泉子铁铜矿床不同于雅满苏铁矿, 且与典型的夕卡岩型铁铜矿床不同, 而具有许多与安第斯IOCG矿床类似的特征。

本文受国家重点基础研究计划“新疆北部古弧盆体系成矿机理”(批准号: 2014CB440802)资助。电子探针实验和野外工作分别得到中国科学院广州地球化学研究所梁培博士和新疆地质矿产局第六地质大队谭志雄工程师的大力帮助; 两位审稿人和编辑提出了宝贵的修改意见, 在此一并表示衷心的感谢！

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1) 新疆地矿局第六地质大队, 新疆哈密市沙泉子铁铜矿补充勘查地质报告。

2)新疆地矿局第六地质大队, 新疆哈密市沙泉子铁铜矿补充勘查地质报告。

Mineralogy of the Shaquanzi Fe-Cu deposit, eastern Tianshan and its metallogenic implications

JIANG Hong-jun1,2, CHEN Hua-yong1,3*, HAN Jin-sheng1, ZHANG Wei-feng1,2and LU Wan-jian1,2

1. Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou 510640, China

The Shaquanzi Fe-Cu deposit is hosted in the volcanic rocks of the Shaquanzi Formation as one of the important deposits in the Aqishan-Yamansu Fe (-Cu) metallogenic belt. The alteration and mineralization sequence can be divided into the early skarn alteration stage, the late skarn alteration stage, the magnetite mineralization stage, the chalcopyrite mineralization stage and the late epidote-carbonatation stage. The magnetite mineralization stage can be subdivided into the hematite sub-stage, the K-feldspar-epidote-magnetite sub-stage and the magnetite-pyrite sub-stage. Electron microprobe analyses indicate that in the skarn stages are mainly developed andradite (And39~100Gro0~50Spe + Alm0.26~11.23) and actinolite, with minor grossularite, indicating that the early fluid is characterized by high(O2) and pH, resulting in the enrichment of Fe. The magnetite mineralization stage is characterized by low Ti magnetite (TiO2≤0.17%), K-feldspar (Or97.09~97.43Ab2.35~2.60An0.22~0.31), Fe-rich epidote (TFeO = 14.13%~16.32%), pyrite, quartz and hematite. Accompanied by precipitating of K-feldspar and Fe-rich epidote, abundant high-grade iron ores were formed. After hematite and low-Ti magnetite were precipitated, the(O2) of the ore-forming fluid tended to decrease, leading to the formation of pyrite. Dominated in the chalcopyrite mineralization stage are hematite, Fe-rich epidote (TFeO = 11.95%~16.29%), pycnochlorite, chalcopyrite, calcite, etc. The chlorite geothermometer temperatures range from 147 ℃ to 190 ℃ with an average of 168 ℃, suggesting that the fluid developed in the chalcopyrite mineralization stage is characterized by low temperature (168 ℃) and medium pH. With the formation of hematite and epidote, the(O2) of the ore-forming fluid tended to decrease, giving rise to the precipitation of chalcopyrite and pycnochlorite. The S, C, O isotope data of pyrite and calcite (34Sfluid= –1.7‰~ +4.7‰, and +15.6‰, +17.5‰;13Cfluid= –6.6‰~ –3.4‰;18Ofluid= –2‰~ +0.7‰) indicate that the fluid developed in the magnetite mineralization stage is dominated by magmatic-hydrothermal water mixing with minor seawater, whereas that developed in the chalcopyrite mineralization stage is dominated by basin brine (seawater) with the mixture of some meteotic water. Ore geology of the Shaquanzi Fe-Cu deposit, together with wall rock alteration features and deposit comparison study, suggests that the Shaquanzi Fe-Cu deposit is genetically related to the diorite intrusion, which differs from the volcanic-hosted Yamansu Fe deposit and classic skarn type Fe (Cu) deposit, but shares similarities with the Central Andes IOCG deposits.

alteration and mlization sequence; electron microprobe; mineralization; Fe-Cu deposit; Shaquanzi; eastern Tianshan

P594; P618.31; P618.41; P614

A

0379-1726(2016)04-0329-27

2015-11-04;

2015-12-21;

2016-01-11

国家重点基础研究发展计划(2014CB440802)

江宏君(1990–), 男, 硕士, 矿床学专业。E-mail: jhj120210@163.com

CHEN Hua-yong, E-mail: huayongchen@gig.ac.cn, Tel: +86-20-85292708