新疆尾亞釩鈦磁鐵礦夕卡巖捕虜體的地質特征

石煜，王玉往，王京彬，周國超，趙路通，解洪晶，李德東

（1.東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室，南昌 330013；2.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；3.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083）

0 引言

夕卡巖是巖漿對碳酸鹽巖地層同化混染作用的結果，常見于中酸性巖漿巖與碳酸鹽巖地層的接觸部位，亦見于基性-超基性巖漿巖與碳酸鹽巖地層的接觸部位，如我國攀枝花-西昌地區的攀枝花和白馬層狀巖體（Ganino et al.,2008,2013）。而巖體內的夕卡巖捕虜體僅報道于國內外少數幾個鎂鐵-超鎂鐵巖中，如南非Bushveld巖體（Pronost et al.,2008），美國Christmas 巖體（Joesten,1977），挪威Hortav?r巖體（Barnes et al.,2005），以及我國攀枝花和白馬巖體（Ganino et al.,2008,2013），是幔源巖漿對碳酸鹽巖地層同化混染作用的又一表現形式。

我國攀枝花-西昌地區的巖漿釩鈦磁鐵礦礦床與碳酸鹽巖地層顯示了密切的空間關系，其成礦作用被認為是同化混染碳酸鹽巖地層的結果：CO2流體的加入導致玄武質巖漿氧逸度發生顯著升高，并致使玄武質巖漿中鐵鈦氧化物大量結晶堆積（Ganino et al.,2008,2013;Tang et al.,2017;湯慶艷等,2020）。然而，Yu et al.（2015）認為攀枝花-西昌地區的含礦鎂鐵-超鎂鐵巖同化混染碳酸鹽巖地層比例較低，不足以使巖漿氧逸度發生顯著升高，致使鐵鈦氧化物富集成礦。碳酸鹽巖同化混染作用與巖漿釩鈦磁鐵礦礦床的成因關系研究有助于揭示區域巖漿礦床成礦規律，也將豐富幔源巖漿礦床的成礦作用機制理論。尾亞礦床是東天山地區規模最大、品位最高的釩鈦磁鐵礦礦床（王玉往等,2005,2006），其含礦巖體中存在大量夕卡巖捕虜體，為探討碳酸鹽巖同化混染作用和巖漿釩鈦磁鐵礦礦床的成因關系提供了天然的研究對象。本文對尾亞礦床新近發現的夕卡巖捕虜體進行報道，詳細描述其地質特征和巖相學特征，初步探討碳酸鹽巖同化混染作用在礦物學、巖石學和同位素地球化學等方面的響應，揭示其與尾亞礦床的成因關系。

1 區域地質背景

天山造山帶是中亞造山帶的一部分，形成時代為早二疊世（Wang et al.,2010），或者早三疊世（Xiao et al.,2004），是微陸塊合并以及島弧增生過程的產物（Jahn et al.,2004）。造山帶中的蛇綠巖帶、區域性斷裂以及高程度變質巖石將其劃分為南天山、中天山和北天山3個次級造山單元（Xiao et al.,2004）。北天山主要由泥盆紀-石炭紀鈣堿性火山巖和沉積巖組成，中天山和南天山主要由前寒武紀結晶基底和被動陸緣沉積物組成。南天山僅存于西南部，傳統上將中天山和北天山的東部稱為東天山（圖1）。區內主干斷裂主要為東西向展布，次為北東東向，從北到南依次為吐哈盆地南緣斷裂、康古爾斷裂、苦水斷裂和阿其克庫都克-沙泉子斷裂等（圖1），其中阿其克庫都克-沙泉子斷裂為北天山和中天山的分界線。

東天山地區幔源巖漿作用強烈，大量的鎂鐵-超鎂鐵巖體廣泛分布于中天山地軸和北天山覺羅塔格構造帶（圖1）。區內幔源巖漿侵入體主要分為層狀輝長巖和鎂鐵-超鎂鐵雜巖體。層狀輝長巖侵入體主體分布于中天山地軸（圖1），主要形成于晚石炭世（李德東等,2012;Wang et al.,2014;Shi et al.,2018a,2018b,2019;Zheng,2020），部分形成于中三疊世（如尾亞）（Zhang et al.,2005;王玉往等,2008;Zheng,2020;Shi et al.,2021）；鎂鐵-超鎂鐵雜巖體主要形成于晚石炭世—早二疊世（Han et al.,2004;Zhou et al.,2004;Han et al.,2010,2013;三金柱等,2010;Tang et al.,2011），廣泛分布于各個構造單元（圖1），主體形成巖漿銅鎳硫化物礦床，部分巖體形成CuNi-VTiFe復合型礦床（王玉往等,2010;Shi et al.,2018c）。

2 礦床地質特征

尾亞釩鈦磁鐵礦礦床位于哈密市東南約130 km處（圖1），是尾亞火成巖的組成部分，位于中天山地軸北緣，阿其克庫都克-沙泉子斷裂南側（圖1）。中天山地軸主要出露一套中元古宙中深變質巖系，主要為片巖、片麻巖和大理巖，發育有元古代、早古生代和晚古生代—早中生代侵入巖（李伍平等,2001;顧連興等,2003;張遵忠等,2004,2005）。尾亞火成巖包含有鎂鐵-超鎂鐵巖、正長巖和花崗巖等巖性（Zhang et al.,2005），長×寬約為14 km×13 km，出路面積約200 km2（圖2a），侵入于中—新元古代片巖和片麻巖地層（圖2a），未顯示顯著的變形和變質作用，其中花崗巖和輝長巖的高精度鋯石U-Pb年齡分別為246～233 Ma（Zhang et al.,2005）和238～236 Ma（Zhang et al.,2005;王玉往等,2008;Zheng,2020;Shi et al.,2021）。

圖1 東天山區域地質簡圖和正巖漿礦床分布圖（據石煜等,2018修改）

尾亞釩鈦磁鐵礦礦床產出于尾亞火成巖北部的鎂鐵-超鎂鐵巖中（圖2a），含有鐵礦石16.56×106t，TiO21.28×106t，以及V2O52301.5 t（王玉往等,2005;肖凡等,2013）。尾亞含礦鎂鐵-超鎂鐵巖體被后期侵入的花崗巖類和輝綠巖切穿（圖2b），可以分為西部礦段、中部礦段和東部礦段（圖2b），其主體被第四系覆蓋，其與圍巖接觸關系未見揭露。西部礦段的主體巖石為橄欖輝石巖，為礦區基性程度最高的巖石類型，礦區可見大量晚期侵入的角閃輝長巖（圖2b）。中部礦段為層狀輝長巖，傾向介于117°～123°，傾角介于20°～30°，由互層淺色輝長巖和暗色輝長巖組成，其中淺色輝長巖不含橄欖石，而暗色輝長巖富含橄欖石和黑云母，被后期侵入的角閃輝長巖和長英質脈巖切穿（圖2b）。東部礦段為層狀輝長巖，傾向介于116°～122°，傾角介于20°～30°，由互層粗粒淺色輝長巖和粗粒暗色輝長巖組成（Shi et al.,2021）。中部礦段為主要的控礦巖相帶，其中的4條礦體控制了礦石儲量的70%左右（王玉往等,2005），其中#5、#6和#7礦體產于橄欖輝長巖相，為浸染狀—稠密浸染狀礦石，#10礦體為塊狀富礦，以整合形態產于中部巖相帶和西南部巖相帶之間。

圖2 尾亞鎂鐵-超鎂鐵巖地質簡圖（據王玉往等,2005修改）

3 夕卡巖捕虜體

尾亞礦山新近的開采活動在其主要礦體中揭露出了大量夕卡巖捕虜體，如#7礦體（圖3a），以及#10礦體，其中夕卡巖捕虜體產出于#7礦體南端，與礦體膨大部位顯示了密切的空間關系（圖2b）。夕卡巖捕虜體總體長×寬均介于幾米到幾十米（圖3a），具有核部-邊部的二元結構，核部為圍巖地層變質形成的橄欖石-水鎂石-方解石夕卡巖（即外夕卡巖），捕虜體邊部為5～10 cm厚的單斜輝石夕卡巖（即內夕卡巖）。

圖3 尾亞釩鈦磁鐵礦礦床野外和鏡下照片

外夕卡巖顯示塊狀構造，它形粒狀結構，由10%～20%橄欖石，10%～15%的水鎂石，60%～70%的方解石，以及少量尖晶石組成（圖3b），其中橄欖石為鎂橄欖石，具有富CaO、貧NiO的成分特征（未發表數據）。內夕卡巖顯示塊狀構造，半自形粒狀結構，含有>95%的單斜輝石組成（圖3c），可含有少量尖晶石，其中單斜輝石富含鈣契爾馬克分子（未發表數據）。

4 討論

實驗巖石學結果表明，幔源巖漿與碳酸鹽巖地層相互作用將形成熱變質成因的外夕卡巖，以及巖漿成因的內夕卡巖（Joesten,1977;Owens,2000;Wenzel et al.,2002）。外夕卡巖以它形粒狀結構，以及含有大量方解石為特征（Di Rocco et al.,2012），其常見的礦物包括鎂橄欖石、水鎂石、鈣鎂橄欖石、透輝石和低Cr尖晶石，其中鎂橄欖石和透輝石成分較為特征，如Kiglapait巖體中鎂橄欖石Fo值大于98.1，透輝石Mg#大于96.1（Owens,2000）。內夕卡巖結晶于同化混染碳酸鹽巖的幔源巖漿（Mollo et al.,2010;Di Rocco et al.,2012），產于外夕卡巖和堆晶巖的接觸帶，多為單斜輝石巖（Joesten,1977;Owens,2000），可含有少量橄欖石和低Cr尖晶石，以及少量方解石。單斜輝石富含鈣契爾馬克分子（Ts），如Kiglapait巖體中內夕卡巖單斜輝石鈣契爾馬克分子總數（∑Ts）高達0.288～0.347（Owens,2000）。尾亞夕卡巖捕虜體具有外夕卡巖-內夕卡巖的二元結構，與國外相應夕卡巖具有一致的地質特征，其外夕卡巖中橄欖石為鎂橄欖石（未發表數據），其內夕卡巖單斜輝石為富鈣契爾馬克分子的單斜輝石（未發表數據），其礦物特征與國外夕卡巖中的礦物特征基本一致，表明尾亞含礦巖體在成巖過程中同化混染了碳酸鹽巖地層。此外，尾亞礦床夕卡巖捕虜體產出于#7礦體的膨大部位（圖2b），兩者緊密的空間聯系表明碳酸鹽巖同化混染作用與尾亞礦床具有緊密的成因關系。

尾亞礦床含礦巖體具有較為特殊的Sr-Nd-O同位素組成，可能是同化混然碳酸鹽巖地層的直接結果。尾亞含礦巖石δ18O介于5.67‰～8.04‰（Zhang et al.,2007），礦石礦物δ18O介于6.1‰～7.8‰（肖凡等,2013），高于幔源巖漿氧同位素組成，具有同化混染地殼物質的特征（Zhang et al.,2007;肖凡等,2013），然而同化混染對象卻并不明確。碳酸鹽巖地層具有高的δ18O組成，幔源巖漿對其同化混染作用可以使巖漿δ18O值發生顯著升高。尾亞釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體(87Sr/86Sr)i介于0.7066～0.7076，εNd(t)介于0.52～0.76（Zhang et al.,2007;王玉往等,2008;Shi et al.,2021），相比于區內其它含礦鎂鐵-超鎂鐵巖，具有更高的(87Sr/86Sr)i值和稍低的εNd(t)值（圖4）。碳酸鹽巖地層Sr含量較高，Nd含量較低，且具有較高的(87Sr/86Sr)i組成，幔源巖漿對其同化混染作用將使得巖漿(87Sr/86Sr)i發生顯著提高，而εNd(t)略微降低。綜上所述，尾亞含礦巖體的Sr-Nd-O同位素組成可能是含礦巖漿同化混染碳酸鹽巖地層的結果。

圖4 東天山含礦鎂鐵-超鎂鐵巖Sr-Nd同位素圖解（底圖據Zindler and Hart,1986）

尾亞礦床含礦巖體斜長石堆晶作用顯著，其含礦巖石和礦石的δEu值與區內釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體基本一致，顯著高于區內含銅鎳硫化物礦床的鎂鐵-超鎂鐵巖（圖5）。因此，斜長石堆晶作用與尾亞礦床的形成具有密切關系，對揭示區域釩鈦磁鐵礦礦床成礦作用機制具有重要意義。研究結果表明，斜長石不含Fe、Ti和V等成礦元素，其大量結晶將致使成礦元素在殘余巖漿中發生顯著富集（Shi et al.,2018b,2019,2021）。此外，斜長石密度顯著低于鐵鈦氧化物和殘余巖漿，在含礦巖漿侵位過程中將與鐵鈦氧化物發生有效分離，導致鐵鈦氧化物富集、成礦（Shi et al.,2018b,2019,2021）。然而，東天山地區釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體中斜長石大量結晶堆積的誘發機制卻并不清楚。實驗巖石學結果表明，碳酸鹽巖同化混染作用將使得幔源巖漿中CaO含量發生顯著提高，并導致富CaO硅酸鹽造巖礦物的結晶堆積（Di Rocco et al.,2012）。斜長石是富CaO的重要硅酸鹽造巖礦物，其顯著的結晶堆積作用可能是母巖漿中CaO含量升高的結果。此外，碳酸鹽巖同化混染作用將導致巖漿中CO2含量升高（Wenzel et al.,2002），使得巖漿氧逸度升高，促使鐵鈦氧化物結晶堆積成礦（Ganino et al.,2008）。綜上所述，碳酸鹽巖地層同化混染作用對尾亞礦床形成的影響可能主要存在兩個方面：一方面使得巖漿氧逸度發生明顯升高，誘發鐵鈦氧化物結晶；另一方面提高巖漿中CaO含量，致使斜長石發生大量結晶，并與鐵鈦氧化物發生有效分離，形成釩鈦磁鐵礦礦床。

圖5 東天山含礦鎂鐵-超鎂鐵巖TiO2-δEu（a）和V-δEu（b）圖解

5 結論

（1）尾亞釩鈦磁鐵礦礦床夕卡巖捕虜體可以分為內夕卡巖和外夕卡巖，其外夕卡巖具有鎂橄欖石和水鎂石等特征礦物，其內夕卡巖含有高鈣契爾馬克分子單斜輝石，是幔源巖漿同化混染碳酸鹽巖地層的產物。

（2）碳酸鹽巖同化混染作用對尾亞礦床含礦巖體的同位素、巖石學和成礦作用產生了一系列影響，改變了含巖體的Sr-Nd-O同位素組成，導致了斜長石大量結晶堆積，以及尾亞礦床的形成。

致謝論文的修改得益于到了兩位審稿專家悉心指導，在此表示誠摯的謝意。