西天山松湖鐵礦區火山巖地球化學特征、成巖時代及其地質意義

荊德龍,汪幫耀,張 博,姜常義*,夏明哲,李永軍,任 毅

1)長安大學地球科學與資源學院,陜西西安 710054; 2)西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054; 3)新疆地質礦產勘查開發局第七地質大隊,新疆烏蘇 833000

西天山松湖鐵礦區火山巖地球化學特征、成巖時代及其地質意義

荊德龍1),汪幫耀1,2),張 博1),姜常義1,2)*,夏明哲1,2),李永軍1,2),任 毅3)

1)長安大學地球科學與資源學院,陜西西安 710054; 2)西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安 710054; 3)新疆地質礦產勘查開發局第七地質大隊,新疆烏蘇 833000

阿吾拉勒成礦帶位于新疆西天山伊犁地塊東北緣,是一條極其重要的鐵、銅、金多金屬成礦帶。松湖鐵礦床位于該成礦帶西段,礦區出露的地層主要為一套鈣堿性系列的火山巖,巖石類型有安山巖、安山質火山碎屑、少量英安巖、流紋巖及等質的火山碎屑巖。鐵礦體賦存于安山巖及安山質火山碎屑巖中。安山巖中鋯石U-Pb諧和年齡為(343.2±2) Ma,屬早石炭世維憲期。該組火山巖具有相似的稀土元素及微量元素地球化學特征,暗示它們應為同源巖漿演化的產物。其微量元素組成具有富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、K等)和輕稀土元素、虧損高場強元素(Nb、Ta和Ti)的特點,顯示活動大陸邊緣火山巖特征。礦區安山巖的Nd同位素組成具有虧損型特征(εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值為+2.59),而Sr同位素組成為富集型((87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060),顯示其巖漿源區應為莫霍面附近的島弧型地殼根部。

西天山; 松湖鐵礦; 火山巖; 地球化學特征; 年代學; 巖石成因

阿吾拉勒成礦帶位于新疆西天山伊犁地塊東北緣,是近年來發現的一條極其重要的鐵、銅、金多金屬成礦帶(陳毓川等,2008; 李文淵等,2012)。通過近年的地質勘查工作,在該成礦帶內相繼發現和重新評價了查崗諾爾、備戰、智博、敦德等大型鐵礦床,以及松湖、尼新塔格—阿克薩依等中型鐵礦床(盧宗柳和莫江平,2006; 馮金星等,2010; 李鳳鳴等,2011; 汪幫耀等,2011; 張作衡等,2012; 荊德龍等,2012,2014),累計探獲鐵礦資源量11.7億噸(張作衡等,2012)并仍有巨大的鐵礦資源勘查潛力。松湖鐵礦床位于獨庫公路以西的阿吾拉勒成礦帶西段,相對于成礦帶上其他鐵礦床,松湖鐵礦床的研究程度較低。已有的研究除對松湖鐵礦床的成因存有爭議外,對該礦床賦存地層劃分亦有不同認識(單強等,2009; 王軍年等,2009; 荊德龍等,2012;王春龍等,2012)。此外,已有的研究尚未獲得松湖鐵礦床準確的成巖、成礦年齡。為此,筆者對松湖鐵礦區內火山巖進行了系統的巖石學、地球化學研究,探討其巖石成因; 并對火山巖地層中的安山巖進行了精確的LA-ICPMS鋯石U-Pb定年,期望限定礦區內火山巖及鐵礦體的形成時代。

新疆西天山是指托克遜—庫米什公路以西的天山造山帶部分,傳統上被劃分為北天山、中天山和南天山。位于西天山腹地的伊犁盆地被認為是古生代洋盆中具有前寒武結晶基底的古老地塊(陳義兵等,1999; 左國朝等,2008; 李繼磊等,2009)。該地塊北以中天山北緣斷裂為界、南以那拉提北緣斷裂為界,呈楔形向東尖滅(如圖1a,圖9)。其北側發育古生代蛇綠巖帶,代表北天山洋的存在。該洋盆的打開時間沒有確切的地質記錄,現有的蛇綠巖年代學資料可以限定其在早石炭世存在。北天山洋盆發生向伊犁地塊之下的俯沖,石炭紀末期增生造山過程結束。二疊紀時期開始,西天山地區進入后碰撞演化階段(姜常義等,1995; 高俊等,2009; 龍靈利等,2008; 朱志新等,2013)。石炭紀—二疊紀時期該區經歷了從俯沖-碰撞造山向后碰撞伸展-拉張環境的構造轉變,形成了該區內廣泛發育的火山巖地層。阿吾拉勒成礦帶內的鐵礦床均賦存于該階段形成的火山巖地層內。

松湖鐵礦床位于預須開普臺(式可布臺)鐵礦東北約15 km處,隸屬于尼勒克縣,中心地理坐標為43°36'9"N,83°49'49.74"E。較早的研究認為該礦床賦礦地層為阿吾拉勒組(C1a)(單強等,2009; 王軍年等,2009),但根據最新的地層劃分(李永軍等,2009)及區域地質調查報告(薛志忠等,2005),礦區內出露的地層主要為下石炭統大哈拉軍山組第二巖性段(C1d2)及第四系(Q)(如圖1b,c)。其中大哈拉軍山組第二巖性段(C1d2)整體上為一套淺海相中酸性火山巖、火山碎屑巖組合,呈北西—南東向帶狀展布。王春龍等(2012)認為礦區內出露的主要為一套火山碎屑巖夾碳酸鹽巖地層,在松湖鐵礦區勘查工作實施單位所繪制的礦區地質圖中也未標示出安山巖地層(圖1b),但本次研究在礦區內及礦區東、西側均發現有安山巖地層分布(圖1c)。礦區范圍內侵入巖不發育。

1 火山巖地層與巖相學特征

如前所述,松湖鐵礦區內出露的地層主要為大哈拉軍山組第二巖性段,總體傾向為南南西、南西西向,傾角58°～84°。出露的巖石類型主要為安山巖、安山質火山碎屑巖,少量英安巖、流紋巖及等質的火山碎屑巖,局部夾有少量的灰巖-鈣質粉砂巖透鏡體。其中-下部為安山巖、安山質火山碎屑巖及鐵礦體,向上逐漸過渡為酸性火山碎屑巖,少量英安巖及流紋巖分布于地層頂部,各巖性層之間均為整合接觸。鐵礦體呈似層狀、透鏡狀賦存于安山巖及安山質火山碎屑巖中,為同期巖漿活動產物(如圖1b,c)。對礦區內出露的主要巖石類型的巖相學特征描述如下。

安山巖: 灰綠色,斑狀結構、玻晶交織結構,塊狀構造。斑晶含量為15％～35％,包括斜長石(15％～30％)和角閃石(0～15％)。基質為斜長石微晶、磁鐵礦、細粒角閃石和火山玻璃。斜長石斑晶為寬板狀,局部具定向排列特征(圖2a,d)。角閃石斑晶自形-半自形板狀分布,部分發生綠泥石化。基質中斜長石微晶呈定向、半定向排列(圖2d,e),斜長石微晶之間填隙物為細粒角閃石、磁鐵礦及火山玻璃。該類巖石中常發育不同程度的磁鐵礦化,并見有部分浸染狀礦石中斜長石斑晶呈定向、半定向分布于磁鐵礦基質中(圖2 f)。巖石中氣孔、杏仁構造發育(圖2a,b,d,f)。

安山質晶屑凝灰巖: 淺灰紫色,火山凝灰結構,塊狀構造。巖石主要由斜長石晶屑(30％～50％)、少量石英晶屑(0～15％)、玻屑和火山塵組成(圖2g)。晶屑多成棱角狀,粒度多在0.1～2 mm之間,少量可達3 mm以上。常見粉塵狀分布的微細粒磁鐵礦。

英安質晶屑凝灰巖: 淡紅色、淺灰紫色,火山凝灰結構,塊狀構造。巖石主要由石英晶屑(15％～30％)、斜長石晶屑(5％～20％)、玻屑及火山塵組成(圖2h)。該類巖石與安山質晶屑凝灰巖呈變過渡關系,顯示巖漿由中性向酸性逐漸演變。

流紋巖: 灰紫色、淺紫紅色,斑狀結構,塊狀構造。巖石中斑晶主要由石英(5％～10％)、堿性長石(5％～10％)組成,基質則主要由隱晶質、玻璃質和少量堿性長石微晶組成。基質中常見有球粒結構、霏細結構(圖2i),氣孔構造發育(圖2c)。該類巖石在礦區中不常見,僅在鉆孔中和松湖東見有少量分布,厚度不大。

2 樣品及測試方法

本次用于分析的14件樣品采自礦區內新鮮、無蝕變或相對蝕變較弱的圍巖,包括11件安山巖、1件安山質晶屑凝灰巖、1件英安質晶屑凝灰巖和1件流紋巖。在L1礦體底部圍巖的安山巖地層中采集相對新鮮的安山巖,挑選其中的鋯石礦物顆粒進行鋯石U-Pb同位素年代學測試。

首先將采集的樣品磨制成薄片或探針片進行鏡下觀察,挑選其中較典型的樣品進行顯微照相。對挑選出的巖石、礦石樣品進行清洗、粉碎、縮分,將其在瑪瑙研缽中研磨至200目以下粉末備用。樣品的分析由長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室及國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心完成。主量元素分析采用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系列電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)完成,儀器工作參數: Power: 1200 w,Nebulizer gas:0.64 L/min,Auxiliarygas:0.80 L/min,Plasmagas:13 L/min。

圖2 松湖鐵礦區火山巖照片及其顯微特征Fig. 2 Photographs and microscopic features of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

圖3 松湖鐵礦區安山巖鋯石CL圖像及其表面年齡數值Fig. 3 CL images and ages of zircons from andesites in the Songhu iron deposit

鋯石單礦物挑選由國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心完成。將挑選出的單顆粒鋯石進行制靶、透射光、反射光及陰極發光(CL)照相后,在西北大學大陸動力學國家重點實驗室用LA-ICP-MS方法(LA為193 nm準分子激光剝蝕系統Geolas200M; ICP-MS為ELAN6100DRC)完成U-Pb同位素年代學測試,詳細實驗分析步驟及數據處理方法參見袁洪林等(2003)。

在詳細的薄片觀察及主微量元素地球化學研究基礎上,選取本區具有代表性的安山巖樣品進行了Nd、Sr同位素地球化學研究。Nd、Sr同位素比值測試在中國科學院廣州地球化學研究所完成,所用儀器為Micromass Isoprobe型多接受器等離子質譜儀。

3 火山巖年代學

本次研究工作所測試的鋯石顆粒為淺黃色-無色透明的正方雙錐狀、中長柱狀、短柱狀及半截錐狀自形晶體,少數鋯石遭受破碎后晶形不完整,粒度多為70～160 μm。陰極發光圖像表現出典型的巖漿韻律環帶和明暗相間的條帶結構,屬于巖漿結晶產物(圖3)。鋯石的20個測點Th/U比值為0.48～1.09,Th含量變化范圍是54.55×10-6～340.44×10-6,U含量變化范圍是58.55×10-6～410.79×10-6。且Th、U含量呈現較好的正相關關系,故獲得的年齡可以代表該組火山巖的形成年齡。20個測點的表觀年齡變化于333～353 Ma,通過加權平均計算獲得其平均年齡為341.2 Ma。在206Pb/238U-207Pb/235U諧和比值圖上所有樣品均落在U-Pb諧和線上,最終計算獲得的諧和年齡為(343.2±2) Ma,MSWD=0.18(圖4),屬早石炭世維憲期。

圖4 鋯石U-Pb加權平均年齡(a)和206Pb/238U-207Pb/235U諧和圖(b)Fig. 4 Average zircon U-Pb ages (a) and206Pb/238U versus207Pb/235U diagram (b)

圖5 松湖鐵礦區火山巖SiO2-Zr/TiO2圖解(a)(底圖據J. A. Winchester and Floyd,1977)及AFM圖解(b)Fig. 5 SiO2-Zr/TiO2diagram (a) (after Winchester and Floyd,1977) and AFM diagram (b) of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

圖6 松湖鐵礦區火山巖哈克圖解Fig. 6 Harker diagrams of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

4 地球化學特征

4.1 主量元素地球化學

本次研究工作主要針對鐵礦區內的賦礦火山巖,雖然在采集樣品時盡可能的選取其中新鮮、蝕變弱的樣品,但是由于距離礦體較近,所采集樣品遭受不同程度的蝕變,故分析結果中部分樣品的燒失量(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生遷移,故TAS圖解不適用于本區火山巖的巖石地球化學定名。而巖石中的Al、Ti、Nb、Zr等元素活動性弱,它們可以反映蝕變巖石及變質巖石的某些原巖性質,故本文利用SiO2-Zr/TiO2二元圖解對本區火山巖進行地球化學定名,如圖5所示。由圖可知,14件樣品中有8件樣品落入英安巖區域,5件樣品落入安山巖區域,1件樣品落入流紋巖區域,所有樣品均屬于亞堿性玄武巖系列(圖5a)。AFM圖投影顯示,本區火山巖具有明顯的鈣堿性玄武巖特征(圖5b)。

TiO2含量整體較低,除一件安山巖樣品的TiO2含量為1.36％以外,其余樣品的TiO2含量均小于1％,介于0.24％～0.92％之間。安山巖的TiO2含量介于0.63％～14.36％之間,MgO含量在2.39％～4.06％之間,Na2O+K2O含量介于5.66％～8.02％之間,Mg#=0.35～0.42.英安巖TiO2含量變化較大,介于0.29％～0.92％之間,一件樣品中MgO含量異常低,為0.44,其余樣品介于1.39％～2.64％之間,Na2O+K2O含量為5.18％,Mg#=0.23～0.56。1件流紋巖樣品的TiO2含量最低,為0.24％,MgO含量為0.72％,Na2O+K2O含量介于5.66％～8.02％之間,Mg#=0.27。

圖7 松湖鐵礦區火山巖稀土元素配分圖解及微量元素蛛網圖(標準化數據引自McDonough and Sun,1995)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace elements spider diagram of volcanic rocks in the Songhu iron deposit ( normalizing values after McDonough and Sun,1995)

在本區火山巖哈克圖解(圖6)上,巖石中的TiO2、Al2O3、MgO、TFe2O3等與SiO2之間呈現明顯的負相關關系,表明各類巖石應是同源巖漿分異演化的產物。巖石中Na2O、K2O與SiO2之間無相關性,但是K2O+Na2O含量與LOI之間表現出一定的正相關關系,表明巖石蝕變過程中有K2O+Na2O的帶入。巖石中TFe2O3與LOI之間未表現出相關關系,表明熱液蝕變活動對礦區巖石中的Fe元素影響甚微。

圖8 西天山石炭紀火山巖εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關圖Fig. 8 εNd(t)-(87Sr/86Sr)idiagram of Carboniferous volcanic rocks in Western Tianshan Mountains

4.2 微量元素地球化學

依據測試結果作稀土元素配分圖解(圖7),王春龍等(2012)曾對松湖鐵礦區內的火山碎屑巖做過稀土元素地球化學特征研究,將其研究成果一并展示于圖7上。由圖可知,松湖鐵礦區內各類火山碎屑巖具有相似的稀土配分模式,均為輕稀土富集的右傾型(LREE/HREE=3.01～11.48,(La/Yb)N=2.50 ～14.43),且輕稀土元素內部分餾要強于重稀土元素((La/Sm)N=1.99～5.34,(Gd/Yb)N=0.99～2.29)。其中安山質火山碎屑巖(巖屑晶屑凝灰巖含角礫巖屑晶屑凝灰巖)的稀土元素含量與英安質屑晶屑凝灰巖相當(ΣREE=65.48～165.44 μg/g,平均為114.54 μg/g),而3件晶屑熔結凝灰巖的稀土元素含量較低(ΣREE=36.64～49.83 μg/g)。大部分碎屑巖樣品中出現正的Eu異常或無Eu異常(δEu介于0.95～1.57),僅有一件英安質巖屑晶屑凝灰巖出現明顯的負Eu異常(δEu=0.58)。

各類熔巖樣品的稀土元素配分曲線也呈輕稀土元素富集的右傾型(LREE/HREE=2.28～7.02,(La/Yb)N=2.31～6.28),輕稀土元素內部分餾要強于重稀土元素((La/Sm)N=1.48～5.22,(Gd/Yb)N= 1.01～1.44)。除兩件安山巖及一件英安巖樣品的δEu為1.01～1.22外,其余11件樣品的δEu值均小于1,為0.6～0.96,顯示弱的負Eu異常。各類巖石的ΣREE相當,介于47.79～108.72 μg/g,平均值為76.50 μg/g。

依據測試結果作礦區火山巖微量元素蛛網圖如圖6所示。從圖上可以看出,礦區內各類巖石的微量元素配分曲線大致相似,均富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、K等)而相對虧損高場強元素。所有樣品均具明顯的Nb、Ta、Ti虧損。大多數樣品的高場強元素曲線相對較為平滑,而大離子親石元素部分則相對波動較大,這可能與大離子親石元素在熱液蝕變等過程中具有較高的活動性有關。

表1 阿吾拉勒成礦帶石炭紀火山巖及侵入巖年齡統計表Table 1 Ages of Carboniferous volcanic and intrusive rocks in the Awulale metallogenic belt

4.3 同位素地球化學

根據本次研究工作所獲得的松湖鐵礦區安山巖形成年齡為(343.2±2) Ma,因此采用t=343 Ma進行計算,Sr-Nd同位素分析結果顯示松湖鐵礦區安山巖的εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值為+2.59; 3件樣品的εSr(t)值變化范圍也不大,介于+21.08 ～ +27.63之間,相應的(87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060。將本次研究所獲得的分析結果及松湖鐵礦區鄰區大哈拉軍山組火山巖的Sr、Nd同位素結果(朱永峰等,2006; 錢青等,2006)投影在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相關圖(圖8)上,其分布范圍相近,大部分樣品點落在了第一象限。這些Nd、Sr同位素數據表明,西天山地區大哈拉軍山組火山巖均具有Nd同位素虧損型特征,大多數火山巖的Sr同位素顯示富集型特征。

5 討論

5.1 大哈拉軍山組火山巖年代學格架

西天山地區廣泛發育石炭紀火山巖地層,其中大哈拉軍山組火山巖地層分布最為廣泛,并賦存有大量的鐵礦床。由于對于西天山地區構造演化與成礦規律研究均有重要意義,前人對該套地層火山巖做了大量的研究工作。茹艷嬌(2012)曾對前人所獲得的西天山地區大哈拉軍山組火山巖年齡做了系統的統計工作,指出西天山地區石炭紀火山作用具有從伊犁地塊南緣和北緣向地塊內部、從伊犁地塊西部向東部逐漸變年輕的特點。近兩年又陸續發表了若干關于該組火山巖年齡的研究成果,將之統計如圖9和表1所示。

圖9 西天山“大哈拉軍山組”火山巖形成年齡分布圖(據茹艷嬌,2012; 高俊等,2009修改)Fig. 9 Formation age distribution of volcanic rocks of Dahalajunshan Group in Western Tianshan Mountains (after RU,2012; GAO et al.,2009)

與研究區鄰近的阿吾拉勒山北東部衣生布谷地區安山巖的全巖Rb-Sr等時線年齡為337 Ma(李注蒼等,2006)、阿吾拉勒山中部闊爾庫地區英安巖的鋯石U-Pb同位素年齡為(339.9±4.3) Ma(茹艷嬌,2012)、闊爾庫地區流紋巖的鋯石U-Pb同位素年齡為(342.3±6.3) Ma(白建科等,2011)。朱維娜(2014)對研究區東南側晚期侵入的闊爾庫巖基中二長巖進行鋯石U-Pb測年,獲得年齡值為(334.4±2.3) Ma和(333.6±2.2) Ma。本次研究所得出的松湖鐵礦區安山巖年齡結果為(343.2±2) Ma,早于闊爾庫二長巖侵入體的年齡,在誤差范圍內與前人獲得的鄰區火山巖年齡相一致。

位于阿吾拉勒成礦帶東段的備戰鐵礦區英安巖的鋯石U-Pb年齡為329.1 Ma(孫吉明等,2012),而李大鵬等(2013)獲得該礦區流紋巖的年齡為(316.1±2.2) Ma; 汪幫耀和姜常義(2011)獲得的查崗諾爾鐵礦區流紋巖形成年齡為(321.2±2.3) Ma; 蔣宗勝(2014)對查崗諾爾鐵礦區流紋巖及智博鐵礦區英安巖的定年結果偏新,分別為(301.8±0.9) Ma和(300.3±1.1) Ma,與其他測試結果差距較大。本次研究工作亦獲得了敦德、智博和備戰鐵礦區火山巖的形成時代分別為(320.9±1.8) Ma、(322.1±1.5) Ma和(320.6±2.2) Ma。

綜合以上資料可知,阿吾拉勒成礦帶內大哈拉軍山組火山巖的形成時代亦具有西老東新的特征。阿吾拉勒成礦帶西段該組火山巖形成時代集中于337～343 Ma,而東段則多集中于321 Ma左右,東西兩段火山作用時代相差近20 Ma。該成礦帶內的4個大型鐵礦床均位于東段,在西段僅發現包括松湖、尼新塔格在內的若干中小型鐵礦床。成礦帶內火山巖形成時代相差近20 Ma的原因與東西兩段鐵礦床規模的差異之間是否有內在的聯系尚待進一步研究。

圖10 松湖鐵礦區山巖構造環境判別圖Fig. 10 Discrimination diagrams for tectonic settings of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

5.2 構造環境判別

對于大哈拉軍山組火山巖的形成環境目前有三種認識: (1)認為其為造山后大陸裂谷拉伸階段的產物,形成于大陸裂谷環境(車自成等,1996); (2)認為其是南、北天山洋盆向伊犁—中天山板塊俯沖作用形成的島弧火山巖,形成于島弧或大陸邊緣弧環境(姜常義等,1993,1995; 朱永峰等,2005; 錢青等,2006; 龍靈利等,2008); (3)依據該套火山巖分布較廣以及基性熔巖具有正εNd值,認為其構成與地幔柱有關的大火成巖省(夏林圻等,2004)。

基于大哈拉軍山組①缺乏大火成巖省常見的巖石組合、②該套火山巖出露面積相對峨眉山大火成巖省(這是目前所發現的最小的大火成巖省)還小很多以及③大哈拉軍山組火山巖的年齡區間超過40 Ma,其“古地幔柱”成因模式還值得推敲(朱永峰等,2005)。

裂谷環境火山噴發方式以裂隙式噴溢和溢流為主,爆發指數一般不大于20。而板塊匯聚邊緣環境火山噴發方式以中心式噴溢和爆發式為主,以一條造山帶整體而論,爆發指數不會小于50。所以,爆發指數是判斷構造環境的重要標志之一。茹艷嬌(2012)研究結果表明西天山地區大哈拉軍山組火山巖的爆發指數達30以上。松湖鐵礦區火山巖地層中火山碎屑巖比例較大,達70％以上,指示其應該形成于板塊匯聚邊緣環境。

除此以外,裂谷環境與板塊匯聚邊緣環境所形成的火山巖具有不同的地球化學特征。如前所述,研究區火山巖以中-酸性巖為主,巖石化學系列屬于鈣堿性火山巖系列; 稀土元素總體上具有相似的標準化曲線: 輕稀土元素相對富集,重稀土元素相對虧損,且輕稀土分餾程度明顯優于重稀土元素,大部分樣品具有弱的Eu負異常。微量元素以相對富集大離子親石元素,虧損高場強元素為特征,具有明顯的Nb、Ta、Ti負異常,顯示活動大陸邊緣或島弧火山巖的特點。

不同構造環境中形成的火山巖具有不同微量元素地球化學特性,故可利用微量元素進一步判別本區火山巖的形成環境。在Th-Ta-Hf/3圖解(圖10a,底圖據Wood,1980)上,本區火山巖樣品大多數投在火山弧玄武巖區域,與上述討論結果相一致。在不相容元素Yb標準化的Th-Nb二元協變圖(圖10b,底圖據Pearce,1983)中,大多數樣品點則投在了典型的Andes活動大陸邊緣火山巖投影區域,這就表明研究區內火山巖的形成環境應為活動大陸邊緣環境。

前人研究結果表明,分布于伊犁地塊北緣的巴音溝—莫托沙拉溝蛇綠混雜巖帶是晚古生代北天山洋盆向南俯沖消減的產物,其中的硅質巖含有大量晚泥盆世—早石炭世放射蟲化石(李生虎和杜青,1994),徐學義等(2006a,b)獲得巴音溝蛇綠巖中的堆晶輝長巖及侵入其中的斜長花崗巖的鋯石U-Pb年齡分別為(344±3.4) Ma和(324.7±7.1) Ma,這就說明北天山洋盆在早石炭世還有一定規模。茹艷嬌(2012)的研究認為,大哈拉軍山組火山巖的形成時代主體為早石炭世杜內期,部分形成于維憲期。本次研究工作獲得的阿吾拉勒成礦帶東段具有活動大陸邊緣環境的火山巖形成時代集中在321 Ma左右,前人獲得的成礦帶東段活動大陸邊緣火山巖形成時代也集中于330～316 Ma(汪幫耀和姜常義,2011; 孫吉明等,2012; 李大鵬等,2013; 張喜,2013; 蔣宗勝,2014),這說明在早石炭世的晚期,該區域仍屬活動大陸邊緣環境。Zhang等(2012)對智博鐵礦區后碰撞A型花崗巖的定年結果為(304.1±1.8) Ma,說明在這之前北天山洋盆已經閉合。據此我們推測北天山洋盆向伊犁地塊之下的俯沖應結束于早石炭世末期—晚石炭世初期。上石炭統下部的伊什基里克組以雙峰式火山巖為標志,意味著阿吾拉勒成礦帶在晚石炭世早期已經進入了裂谷化階段。

5.3 巖漿源區

在板塊匯聚的地帶,可能的巖漿源區有三個: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,主要由橄欖巖構成; ③火山弧下面的大陸地殼(朱永峰等,2005)。

源于地幔橄欖巖部分熔融產生的玄武巖漿在地殼內的分離結晶作用可產生派生的安山巖(包括英安巖和流紋巖)(Kuno,1966)。這種情況下形成的安山巖必然伴生有大量玄武巖,但是在松湖鐵礦區內未見玄武巖出露。其次,Nicholls(1972)通過熔漿-礦物平衡熱力學計算,指出SiO2含量為55％～60％的安山質巖漿不可能與上地幔橄欖巖相平衡。并且,研究區安山巖的Mg#較低(23～56),表明該安山質巖漿不是地幔橄欖巖部分熔融的產物。基于以上幾點認識,我們認為該區安山巖不是由玄武質巖漿分異而形成,其源區也不太可能是巖石圈地幔或軟流圈地幔。另外,熱的俯沖洋殼局部熔融產生的是高Al2O3TTG組合和埃達克巖而并非鈣堿性安山巖。研究區內的安山巖為鈣堿性安山巖,Sr＜300 μg/g、Yb＞1.9 μg/g,稀土元素具有弱負Eu異常,巖石地球化學特征與埃達克巖并不一致。這樣也排除了安山質巖漿直接來源于俯沖洋殼的可能性。

Otamendi等(2009)對阿根廷西部的Famatinian大陸弧研究表明,來自于俯沖板片之上楔形地幔的原始鎂鐵質巖漿(包括巖漿或其結晶分異產物)與大量陸殼物質相互作用,會形成大量的中性巖漿。而許多學者通過平衡計算也證明在島弧地殼根部的鎂鐵質巖漿和殼源巖漿的混合作用能產生大量的中性巖漿(Otamendi et al.,2009)。結合松湖鐵礦區火山巖的巖石學及地球化學特征,我們認為安山巖的巖漿源區應該是位于莫霍面附近的島弧型地殼根部。由于消減板片俯沖所產生的劇烈構造巖漿活動在莫霍面附近很快聚集大量的幔源巖漿,這些幔源巖漿與島弧型地殼根部的陸殼物質相互反應,形成的鎂鐵質巖漿巖與原有的陸殼物質混雜。后期上升的幔源巖漿將這部分物質加熱使之發生部分熔融產生安山質巖漿。Ba是俯沖帶流體中非常富集的元素,高Ba/Th比值(>300)一般指示俯沖帶流體對巖漿源區的貢獻比較顯著(Devine,1995),研究區中酸性火山巖的Ba/Th比值大多低于100,說明俯沖帶流體對巖漿源區的影響較小。安山巖Sr同位素為富集型,除受流體交代作用影響外,地殼物質的混入是主要影響因素。而其Nd同位素虧損特征則歸結為幔源巖漿的貢獻。

6 結論

(1)松湖鐵礦位于阿吾拉勒成礦帶西段,礦區出露的地層主要為一套鈣堿性系列的火山巖,巖石類型有安山巖、英安巖、少量流紋巖及等質的火山碎屑巖,鐵礦體賦存于安山巖及安山質火山碎屑巖中。

(2)L1礦體底板圍巖中安山巖的鋯石U-Pb定年結果為(343.2±2) Ma(MSWD=0.18),屬早石炭世維憲期。

(3)該組火山巖具有相似的稀土元素及微量元素地球化學特征,暗示它們應為同源巖漿演化的產物。其微量元素組成具有富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、K等)和輕稀土元素為特征,并顯著虧損高場強元素Nb、Ta和Ti,顯示活動大陸邊緣火山巖特征。

(4)礦區安山巖的Nd同位素組成具有虧損型特征(εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值為+2.59),而Sr同位素組成為富集型((87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060),顯示其巖漿源區應為莫霍面附近的島弧型地殼根部。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 12120114007501 and 12120113044000),the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nos. 2013G1271096 and 2014G1271066) and National Natural Science Foundation of China (No. 41273033).

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Geochemistry and Geochronology of the Volcanic Rocks in the Songhu Iron Deposit of Western Tianshan Mountains and Their Geological Significance

JING De-long1),WANG Bang-yao1,2),ZHANG Bo1),JIANG Chang-yi1,2)*,XIA Ming-zhe1,2),LI Yong-jun1,2),REN Yi3)
1) Earth Science & Resources College,Chang’an University,Xi’an,Shaanxi 710054; 2) Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geological Engineering,Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an,Shaanxi 710054; 3) No. 7 Geological Party,Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources and Development,Wusu,Xinjiang 833000

Located at the northwest edge of Yili plate in Western Tianshan Mountains,Xinjiang,the Awulale metallogenic belt is one of the significant polymetallic iron,copper and gold belts discovered in recent years. The Songhu iron deposit is one of the volcanic type iron deposits in the western part of the belt and is hosted in the 2ndmember of the Carboniferous Dahalajunshan Group. This paper focused on the petrology,petrography,geochemistry and geochronology of the volcanic rocks exposed in the ore district and tried to constrain their tectonic settings and petrogenesis. Some conclusions have been reached: (1) These volcanic rocks mainly consist of andesite and dacite,with minor rhyolite and volcaniclastic rocks,and belong to the calc-alkaline series. (2) The U-Pb age of zircons in the andesite is (343.2±2) Ma (MSWD=1.8),suggesting the Visean Age. (3) Trace element patterns show enrichment of LILE (Rb,Ba,Th,K etc.) and LREE,and depletion of HFSE (Nb,Ta,Ti). Thesecharacteristics suggest that these volcanic rocks might have been formed in the active continental margin arc and produced by cognate magma. (4) These volcanic rocks are characterized by relatively high εNd(t) values (+2.09 ～ +3.39) and high initial87Sr/86Sr ratios (0.7056～0.7060). The Nd-Sr isotopic characteristics indicate that their magma source was the roof of continental arc crust near the Moho surface.

Western Tianshan Mountains; Songhu iron deposit; volcanic rocks; geochemistry; geochronology; petrogenesis

P588.14; P59

A

10.3975/cagsb.2015.06.05

本文由中國地質調查局地質礦產評價專項(編號: 12120114007501; 12120113044000)、中央高校基本科研業務費專項基金(編號: 2013G1271096; 2014G1271066)和國家自然科學基金項目(編號: 41273033)聯合資助。

2015-05-22; 改回日期: 2015-08-30。責任編輯: 閆立娟。

荊德龍,男,1988年生。博士研究生。主要從事礦物學、巖石學、礦床學方面的研究。通訊地址: 710054,西安市雁塔路126號長安大學。E-mail: jing.delong@163.com。

*通訊作者: 姜常義,男,1951年生。教授,博士生導師。主要從事巖石學及銅鎳硫化物礦床學方面的研究。通訊地址: 710054,西安市雁塔路126號長安大學。電話: 029-82339010。E-mail: jiangchangyi001@163.com。