新疆清水鉻鐵礦床鉻尖晶石成分與礦床成因研究

解洪晶，王玉往，郭博然，周國超

（1.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；2.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083）

0 前言

豆莢狀鉻鐵礦是蛇綠巖地幔巖類的典型巖礦單元，保留有豐富的上地幔巖漿活動及后期高溫變形的構造信息，與蛇綠巖地幔橄欖巖體密切伴生，主要見于顯生宙以來各造山帶中，少數見于前寒武紀克拉通地區，是蛇綠巖特征性的礦產之一（楊經綏等,2010;熊發揮等,2013）。該類型礦床的礦體側向延伸有限，以斷續出露的豆莢狀為主要特征，也可呈透鏡狀、脈狀、板狀等。新疆東準噶爾卡拉麥里蛇綠巖帶大地構造上屬西伯利亞板塊與哈薩克斯坦-準噶爾板塊間的縫合帶，受控于卡拉麥里深大斷裂。前人對該蛇綠混雜巖研究發現其巖石組合為變質橄欖巖、輝長巖、輝綠巖和基性熔巖等（汪幫耀等,2009;楊梅珍等,2009），其中超鎂鐵質巖石具有俯沖帶型（SSZ）蛇綠巖特征，主要由地幔輝橄巖組成，并有純橄巖和鉻鐵礦產出（李現冰,2013）。趙恒樂等（2012）通過對卡拉麥里蛇綠巖地質特征、形成時代及就位機制研究探討，認為卡拉麥里蛇綠巖形成時代為357～492 Ma，洋盆拉張從中志留世或更早開始，洋盆閉合于中泥盆世。盡管對該區蛇綠巖進行了大量研究工作，然而對產出其中的鉻鐵礦則研究較少。鉻尖晶石的化學成分是成巖、成礦背景較為靈敏的指示劑，本文擬通過對產于卡拉麥里蛇綠混雜巖中的清水鉻鐵礦床的鉻尖晶石的礦物學研究，探討礦床的母巖漿成分、成礦構造背景和成礦作用過程，以期為后續研究蛇綠巖與鉻鐵礦的形成機制提供依據。

1 區域地質背景

卡拉麥里蛇綠巖位于準噶爾盆地東北緣，是東準噶爾古生代褶皺帶的重要組成部分（肖序常等,1992），產出有清水、苦水泉等鉻鐵礦床（圖1A,B）。卡拉麥里蛇綠巖走向NWW，全長約150 km，寬5～15 km，是西伯利亞板塊與哈薩克斯坦-準噶爾板塊的交匯部位——卡拉麥里縫合帶的標志性產物（唐紅峰等,2007），其南北兩側的分界線是卡拉麥里深斷裂和清水-蘇吉泉深斷裂。蛇綠巖分布區內出露的地層主要是泥盆系和石炭系，巖石組合以陸源碎屑巖、火山碎屑巖和熔巖為特征，其代表性的地層單元分別是中泥盆統平頂山組和下石炭統南明水組、清水組。少量志留系地層零星出露于卡拉麥里深斷裂南側，主要為淺海相陸源碎屑巖和碳酸鹽巖組成。蛇綠巖北側發育大量花崗巖類，以富堿為特征，成巖時代較晚（～300 Ma）。在蛇綠巖南側出露典型的斜長花崗巖，并被認為是蛇綠巖套內的淺色巖，屬于洋殼的一部分，形成于373 Ma，代表了卡拉麥里蛇綠巖的形成時代（唐紅峰等,2007）。

圖1 卡拉麥里蛇綠巖大地構造位置圖（A）（據黃崗等,2012）；卡拉麥里構造帶地質簡圖（B）（據唐紅峰等,2007）

卡拉麥里蛇綠巖受卡拉麥里斷裂的控制，導致洋殼殘片以構造塊體的形式賦存在圍巖中，塊體原生構造被后期構造改造或置換，但蛇綠巖各組成單元出露仍較為齊全，包括變質橄欖巖、鎂鐵質-超鎂鐵質堆晶巖、輝長質雜巖、淺色巖系、基性巖墻群和鎂鐵質火山巖，但其中堆晶巖分布不均，基性巖墻群不發育。變質橄欖巖出露面積約80 km2，主要為純橄巖、輝橄巖，橄欖石大多蛇紋石化蝕變，部分顆粒較大的中心有橄欖石殘留，在變質橄欖巖中含豆莢狀鉻鐵礦；鎂鐵質-超鎂鐵質堆晶巖主要由橄欖輝石巖、單斜輝石巖、橄長巖、輝長巖組成；淺色巖系主要為斜長花崗巖、閃長巖、斜長巖等；輝綠巖出露較少，呈巖塊或巖墻侵入基性熔巖和橄欖巖中；基性火山巖分布較廣，呈不同巖塊與各種類型的巖石共生，主要為枕狀玄武巖和塊狀玄武巖等；上覆巖系主要為與蛇綠巖殘片密切相伴的放射蟲硅質巖等（劉希軍等,2007;汪幫耀等,2009;黃崗等,2017）。

2 礦區地質

清水鉻鐵礦位于東準噶爾卡拉麥里蛇綠巖帶，卡拉麥里深斷裂北側，區域地層和構造線在該處呈NWW向。該區出露地層主要為下石炭統地層，主要有南明水組板巖、千枚巖、凝灰質砂巖等，在礦區附近為細碧巖-石英角斑巖建造，是超鎂鐵質巖體的直接圍巖；清水組凝灰質砂礫巖、層凝灰巖等；喀爾蘇組中酸性火山巖、凝灰巖等。區內褶皺、斷裂發育，其中NW-SE向斷裂形成時代最早，規模較大，對區內構造及超鎂鐵巖的分布起著制約作用，其中最主要的為卡拉麥里深斷裂。區內巖漿活動頻繁，根據各侵入巖體相互關系，可劃分為五個期次：閃長巖、石英閃長巖、斜長花崗巖、輝長巖、超基性巖，另外還發育少量細晶巖脈等。

清水15號超鎂鐵質巖體地面形態為不規則的向南凸出的弧形，巖體總長10 km，寬400～870 m，面積4 km2，包括四個巖相帶（東、西、北、南），主要分布在巖體的東端、西端及中部的北側及南側（圖2）。15 號超鎂鐵質巖體基本直立，東部向南陡傾斜，西部近于直立。礦區有價值的鉻鐵礦體主要賦存在南純橄巖體的東部，共圈定礦體22 個，一般長度6.6～23 m，厚度0.4～2.9 m，延深10～26 m，最深36 m（崔曰武,1980）。礦體形狀一般為透鏡狀、脈狀、似脈狀，傾向南，傾角較陡，有些礦體形狀變化較大，常見分支、復合等現象（圖3A,B,C）。礦體嚴格受純橄巖相控制，礦體圍巖均為純橄巖，圍巖一般呈黃綠色，發生蛇紋石化蝕變，靠近礦體邊緣有幾厘米或十幾厘米的綠泥石殼（圖3B）。

圖2 清水15號超鎂鐵質巖體地質圖（據新疆地質局第五地質大隊,1979①修改）

清水15號巖體主要由純橄巖、橄欖輝石巖、輝石巖等組成。純橄巖分布在四處，分別稱為東、西、南、北純橄巖帶，他們特點基本相同。新鮮純橄巖為黑綠色，呈不等粒結構，粒度0.1～6 mm，平均3 mm，主要由橄欖石組成（>90%），巖石常發生蛇紋石化蝕變，生成網格結構（圖3D），純橄巖中副礦物為鉻尖晶石，鉻尖晶石在橄欖石結晶之前就部分開始晶出，一直延續到與橄欖石同時結晶或部分可能晚于橄欖石結晶。橄欖輝石巖主要由單斜輝石和橄欖石組成（圖3E），單斜輝石呈粒狀，含量約75%，粒度1～7 mm，橄欖石呈填間狀分布于單斜輝石之間，多數發生蛇紋石化蝕變，含量約25%。輝石巖主要由單斜輝石組成（圖3F），呈中細粒結構，單斜輝石呈粒狀，含量約85%，有的輝石巖中含斜長石，構成含長輝石巖。清水15號巖體受NWW向與EW向構造復合控制，形成了鉻鐵礦床，且幾乎全部鉻鐵礦體都集中于南純橄巖帶東段。礦體呈透鏡狀、脈狀、及不規則狀產出，各礦體雖處于不同形態的巖體中，但其圍巖都為純橄巖。鉻鐵礦礦石類型可見浸染狀、條帶狀和塊狀礦石等，呈自形-半自形粒狀結構，脈石礦物主要為蛇紋石，還含有少量方解石。副礦物鉻尖晶石主要見于純橄巖和單輝橄欖巖，鉻尖晶石主要呈自形-半自形粒狀，鉻尖晶石粒度較細（圖3D,G），礦石中鉻尖晶石常見浸染狀、塊狀等，浸染狀礦石中鉻尖晶石呈自形-半自形粒狀，副礦物主要為蛇紋石和碳酸鹽（圖3H），塊狀礦石中鉻尖晶石呈自形-半自形粒狀，含量大于70%，鉻尖晶石壓碎結構明顯（圖3I）。

圖3 清水鉻鐵礦床巖石及礦石特征

3 礦物化學

鉻尖晶石礦物的主量元素分析在長安大學采用JX1-8100型電子探針上完成，其工作電壓為15 kV，電流1.0×10-8A，束斑大小為1 μm。使用的標準樣品為天然樣品和人工合成氧化物，分析精確度優于2.0%，測試結果列于表1。

在純橄巖中，鉻尖晶石具有較低的Cr2O3（32.72%～40.12%）和Cr#（35～36），較高的Al2O3（30.73%～31.15%）和FeOt（30.82%～31.73%）含量。相比純橄巖中的鉻尖晶石，單輝橄欖巖中的鉻尖晶石具有較高的Cr2O3含量（33.73%～34.79%）和Cr#（49～51），較低的Al2O3（22.03%～23.71%）和FeOt（28.11%～31.15%）含量。礦石中鉻尖晶石具有比副礦物鉻尖晶石更高的Cr2O3（53.06%～58.31%）和Cr#（80～83）、更低的Al2O3（8.26%～9.32%）和FeOt（15.38%～25.04%）含量。

從Cr2O3-TiO2關系看出，清水鉻鐵礦礦石均位于豆莢狀鉻鐵礦區，而非層狀堆晶鉻鐵礦區（圖4A），指示其為豆莢狀鉻鐵礦，與野外觀察一致。從Mg#-Cr#圖解中可以看出（圖4B），所有鉻鐵礦礦石Cr#均大于60，樣品點基本都落在玻安巖區域，而副礦物鉻尖晶石Cr#均小于60，樣品點大多落在弧前橄欖巖區域。

圖4 鉻尖晶石Cr2O3-TiO2（圖中豆莢狀和層狀鉻鐵礦范圍據Arai et al.,2004）（A）、Mg#-Cr#（圖中不同單元范圍據Dupuis et al.,2005及其中參考文獻）（B）圖解

4 討論

4.1 母巖漿熔體性質

Thayer（1970）根據鉻鐵礦礦石中Cr2O3和Al2O3含量細分為富鋁和富鉻兩種類型，富鋁型Al2O3含量大于20%，Cr2O3含量小于45%，鉻尖晶石的Cr#小于60；富鉻型Al2O3含量小于20%，Cr2O3含量大于45%，鉻尖晶石的Cr#大于60。清水鉻鐵礦礦石中鉻尖晶石Cr2O3含量大于45%，Cr#大于60，Al2O3含量小于20%，具有富鉻型鉻鐵礦特征。鉻尖晶石的地球化學組成已被許多學者用來約束母巖漿性質，特別是豆莢狀鉻鐵礦（e.g.,Kepezhinskas et al.,1993;Zhou et al.,1996;Kamenetsky et al.,2001;D?nmez et al.,2014）。一般認為，鉻鐵礦母巖漿熔體是俯沖帶背景下地幔源區熔體-巖石反應或熔體-熔體相互作用的結果（Kamenetsky et al.,2001;Uysal et al.,2005,2009）。通常與高鉻鉻鐵礦結晶有關的玻安質熔體來自被俯沖板片產生的流體或揮發分交代的難熔地幔（Pearce et al.,2000;Pagé et al.,2008）。實驗研究發現，鉻尖晶石Al2O3、TiO2含量與FeO/MgO比值與母巖漿熔體直接相關（Maurel and Maurel,1982;Kamenetsky et al.,2001;Rollinson,2008），母巖漿熔體Al2O3和FeO/MgO值可以通過下列公式進行計算（Maurel and Maurel,1982）：

母巖漿熔體TiO2含量可以通過回歸線方程計算（Zaccarini et al.,2011）：

計算結果顯示，清水鉻鐵礦母巖漿熔體含有9.56%～10.05%的Al2O3，0.45%～0.89%的TiO2，0.74～1.71的FeO/MgO。計算的Al2O3和TiO2含量投影在圖（5）中，可以明顯看出，副礦物鉻尖晶石母巖漿成分都位于MORB區，鉻鐵礦母巖漿組分基本相當于玻安巖，較高的TiO2含量可能指示母巖漿熔體與富Ti熔體的相互作用（Pearce et al.,2000）。

4.2 構造背景

近年來，關于卡拉麥里蛇綠巖的形成時代獲得了一批高精度的測年數據，如黃崗等（2012）曾獲得巴斯德闊彥地區該蛇綠巖中輝綠巖鋯石U-Pb年齡為416.7±3.2 Ma，胡朝斌等（2014）獲得滴水泉地區輝長巖的鋯石U-Pb年齡為416.8±3.2 Ma，方愛民等（2015）獲得紅柳溝地區輝長巖鋯石U-Pb年齡為406.8±1.8 Ma，這些年齡信息指示了該洋盆在早泥盆世已形成。黃崗等（2017）獲得卡拉麥里蛇綠混雜帶中形成于洋中脊構造環境的斜長角閃巖鋯石U-Pb年齡為402.7±4.9 Ma，表明斜長角閃巖的原巖形成時代為早泥盆世，進一步表明卡拉麥里古洋盆開啟時限至少可追溯至早泥盆世。汪幫耀等（2009）獲得卡拉麥里蛇綠巖中輝長巖鋯石U-Pb年齡為329.9 Ma，可能代表了卡拉麥里蛇綠巖的形成年齡，卡拉麥里洋盆可能形成于早泥盆世，很可能最終閉合于早石炭世。

鉻尖晶石相對地幔橄欖巖受蝕變影響較小（Ahmed et al.,2009），是進行蛇綠巖動力學研究最有效的指示劑（Arai,1994），其化學組分可用于判斷母巖漿源區及構造背景（Kamenetsky et al.,2001;Page and Barnes,2009）。一般認為富Al 型（Cr#<60）的鉻鐵礦一般形成于洋中脊或弧后盆地背景中，即MORB 型，而富Cr 型（Cr#>60）的鉻鐵礦一般形成于俯沖帶背景，即SSZ型（Uysal et al.,2005,2009;Akmaz et al.,2014）。然而，也可見高Cr和高Al鉻鐵巖形成在同一蛇綠巖內（如羅布莎和阿曼），顯示二階段演化過程（Zhou et al.,2005;Rollinson and Adetunji,2013；熊發揮等,2014,2015），即原始形成于MORB 環境，進而被俯沖帶流體熔融改造。

鉻尖晶石的Cr#-Mg#關系對其構造環境的判別具有很好指示意義，在圖（4B）中，清水鉻鐵礦的副礦物鉻尖晶石多投影于弧前橄欖巖區，靠近MORB，鉻鐵礦礦石投點在玻安巖區域。另外，在Cr#-TiO2，Al2O3-TiO2圖中，副礦物鉻尖晶石樣品點多投影于靠近MORB區，鉻鐵礦礦石樣品點也多落在俯沖島弧和玻安巖區域（圖6）。玻安巖是SSZ背景下典型代表巖石，是多階段演化的結果，通常始于MORB型巖漿作用，并演化為玻安質和島弧拉斑玄武質成分。一般來說，SSZ型巖漿作用通常被認為是MORB型熔體萃取后殘留的虧損地幔源（即虧損二輝橄欖巖）不同程度部分熔融的結果。這些地幔源通常被板片流體所交代，呈高度非均質性，且SSZ背景因富含俯沖板片帶來的流體/水（Dick and Bullen,1984），容易發生高程度部分熔融和充分的熔巖反應，從而形成大規模鉻鐵礦（Zhou and Robinson,1994;Zhou et al.,1996;Arai and Yurimoto,1994;Arai,1997;Arai and Matsukage,1998）。

圖6 清水鉻鐵礦床Cr#-TiO2（據Arai,1992）（A）和Al2O3-TiO2（據Kamenetsky et al.,2001）（B）圖解

4.3 鉻鐵礦成因

豆莢狀鉻鐵礦的成因問題一直是研究的熱點，以往觀點認為形成鉻鐵礦所需要的鉻主要來自地幔橄欖巖自身中副礦物鉻尖晶石和兩種輝石，兩種輝石通過不一致熔融形成橄欖石和鉻尖晶石，這些鉻尖晶石與副礦物鉻尖晶石一起，在部分熔融中經過再造形成富鉻的鉻鐵礦（王希斌和鮑佩聲,1987;郝梓國,1991;鮑佩聲,2009）。也有學者認為高Cr型鉻鐵礦為玻安質熔體與地幔橄欖巖反應形成，而高Al型鉻鐵礦則是結晶于MORB型拉斑質熔漿（Arai and Yurimoto,1994;Uysal et al.,2005;Zhou et al.,2014;Xiong et al.,2017）。卡拉麥里蛇綠巖帶鉻鐵礦內造礦鉻尖晶石具高Cr型特征，橄欖巖內副礦物鉻尖晶石具有高Al型特征，顯示二者可能為不同熔融事件的產物，在圖（6）中，橄欖巖內副礦物尖晶石落入或靠近MORB區，而塊狀鉻鐵礦尖晶石落入玻安質熔漿區，說明副礦物鉻尖晶石母巖漿熔體的熔融程度比塊狀鉻鐵礦的母巖漿熔體熔融程度更低。熊發揮等（2013）研究認為，要形成品位大于20%的鉻礦石，要求地幔巖部分熔融程度應該在85%以上，然而大部分SSZ背景的輝橄巖和純橄巖部分熔融程度也只有21%～22%，而MORB背景的輝橄巖和純橄巖其部分熔融程度也只有17%～18%（Ahmed and Habtoor,2015），因此簡單的部分熔融和低程度部分熔融時輝橄巖內尖晶石副礦物可能無法為鉻鐵礦的形成提供足夠的鉻源（Zhou et al.,1996）。

鉻鐵礦較高的Cr#和Mg#特征指示玻安質熔體性質，這也與計算出的母巖漿熔體成分相一致（圖5）。在俯沖帶背景下，玻安質巖漿與軟流圈地幔相互作用可以使輝石變為橄欖石，并通過如下公式將SiO2加入巖漿中：Opx,Cpx（輝石）+熔體 → Ol（橄欖石）+SiO2（液相）。SiO2的加入會降低Cr的溶解度，促進了鉻尖晶石的結晶（Zhou et al.,2014）。在泥盆紀，卡拉麥里古洋盆的拉張使得軟流圈地幔上涌發生減壓熔融，從而熔出大洋玄武巖，形成地幔殘留橄欖巖，與此同時形成副礦物鉻尖晶石，從而使得鉻鐵礦得以初始富集。隨著卡拉麥里洋盆打開、俯沖（李錦軼,1995），俯沖帶上盤富含俯沖板片帶來的流體（Dick and Bullen,1984）使熱的地幔楔發生變質作用，引發橄欖巖發生高程度部分熔融和充分的熔巖反應（Zhou et al.,2005），俯沖板片物質的混染使地幔巖漿相對富硅和Cr飽和（Zhou et al.,2014），地幔對流循環使早期大洋中脊背景下形成的鉻鐵礦進一步聚集形成規模較大的致密塊狀鉻鐵礦。

圖5 清水鉻鐵礦床母巖漿熔體TiO2-Al2O3 圖解（底圖據D?nmez et al.,2014）

5 結論

（1）清水鉻鐵礦礦石中鉻尖晶石具有較高的Cr2O3含量（53.06%～58.31%）和Cr#（80～83），較低的Al2O3含量（8.26%～9.32%），具有富鉻型鉻鐵礦特征。

（2）數值模擬表明，清水鉻鐵礦母巖漿熔體含有9.56%～10.05%的Al2O3，0.45%～0.89%的TiO2，0.74～1.71的FeO/MgO。副礦物鉻尖晶石母巖漿成分基本相當于MORB，鉻鐵礦母巖漿組分基本相當于玻安巖。

（3）清水鉻鐵礦床副礦物鉻尖晶石可能形成于MORB背景，使得鉻鐵礦得以初始富集，隨著卡拉麥里洋盆打開、俯沖，俯沖帶上盤發生高程度部分熔融和充分的熔巖反應，使早期MORB背景下形成的鉻鐵礦進一步聚集形成規模較大的致密塊狀鉻鐵礦。

注 釋

①新疆地質局第五地質大隊.1979.新疆維吾爾自治區富蘊縣清水15號超基性巖鉻鐵礦普查地質報告[R].