西天山松湖铁矿区火山岩地球化学特征、成岩时代及其地质意义

2015-12-22荆德龙汪帮耀姜常义夏明哲李永军

地球学报 2015年6期

荆德龙,汪帮耀,张博,姜常义*,夏明哲,李永军,任毅

1)长安大学地球科学与资源学院,陕西西安 710054; 2)西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安 710054; 3)新疆地质矿产勘查开发局第七地质大队,新疆乌苏 833000

荆德龙1),汪帮耀1,2),张博1),姜常义1,2)*,夏明哲1,2),李永军1,2),任毅3)

阿吾拉勒成矿带位于新疆西天山伊犁地块东北缘,是一条极其重要的铁、铜、金多金属成矿带。松湖铁矿床位于该成矿带西段,矿区出露的地层主要为一套钙碱性系列的火山岩,岩石类型有安山岩、安山质火山碎屑、少量英安岩、流纹岩及等质的火山碎屑岩。铁矿体赋存于安山岩及安山质火山碎屑岩中。安山岩中锆石U-Pb谐和年龄为(343.2±2) Ma,属早石炭世维宪期。该组火山岩具有相似的稀土元素及微量元素地球化学特征,暗示它们应为同源岩浆演化的产物。其微量元素组成具有富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、K等)和轻稀土元素、亏损高场强元素(Nb、Ta和Ti)的特点,显示活动大陆边缘火山岩特征。矿区安山岩的Nd同位素组成具有亏损型特征(εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值为+2.59),而Sr同位素组成为富集型((87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060),显示其岩浆源区应为莫霍面附近的岛弧型地壳根部。

西天山; 松湖铁矿; 火山岩; 地球化学特征; 年代学; 岩石成因

阿吾拉勒成矿带位于新疆西天山伊犁地块东北缘,是近年来发现的一条极其重要的铁、铜、金多金属成矿带(陈毓川等,2008; 李文渊等,2012)。通过近年的地质勘查工作,在该成矿带内相继发现和重新评价了查岗诺尔、备战、智博、敦德等大型铁矿床,以及松湖、尼新塔格—阿克萨依等中型铁矿床(卢宗柳和莫江平,2006; 冯金星等,2010; 李凤鸣等,2011; 汪帮耀等,2011; 张作衡等,2012; 荆德龙等,2012,2014),累计探获铁矿资源量11.7亿吨(张作衡等,2012)并仍有巨大的铁矿资源勘查潜力。松湖铁矿床位于独库公路以西的阿吾拉勒成矿带西段,相对于成矿带上其他铁矿床,松湖铁矿床的研究程度较低。已有的研究除对松湖铁矿床的成因存有争议外,对该矿床赋存地层划分亦有不同认识(单强等,2009; 王军年等,2009; 荆德龙等,2012;王春龙等,2012)。此外,已有的研究尚未获得松湖铁矿床准确的成岩、成矿年龄。为此,笔者对松湖铁矿区内火山岩进行了系统的岩石学、地球化学研究,探讨其岩石成因; 并对火山岩地层中的安山岩进行了精确的LA-ICPMS锆石U-Pb定年,期望限定矿区内火山岩及铁矿体的形成时代。

新疆西天山是指托克逊—库米什公路以西的天山造山带部分,传统上被划分为北天山、中天山和南天山。位于西天山腹地的伊犁盆地被认为是古生代洋盆中具有前寒武结晶基底的古老地块(陈义兵等,1999; 左国朝等,2008; 李继磊等,2009)。该地块北以中天山北缘断裂为界、南以那拉提北缘断裂为界,呈楔形向东尖灭(如图1a,图9)。其北侧发育古生代蛇绿岩带,代表北天山洋的存在。该洋盆的打开时间没有确切的地质记录,现有的蛇绿岩年代学资料可以限定其在早石炭世存在。北天山洋盆发生向伊犁地块之下的俯冲,石炭纪末期增生造山过程结束。二叠纪时期开始,西天山地区进入后碰撞演化阶段(姜常义等,1995; 高俊等,2009; 龙灵利等,2008; 朱志新等,2013)。石炭纪—二叠纪时期该区经历了从俯冲-碰撞造山向后碰撞伸展-拉张环境的构造转变,形成了该区内广泛发育的火山岩地层。阿吾拉勒成矿带内的铁矿床均赋存于该阶段形成的火山岩地层内。

松湖铁矿床位于预须开普台(式可布台)铁矿东北约15 km处,隶属于尼勒克县,中心地理坐标为43°36'9"N,83°49'49.74"E。较早的研究认为该矿床赋矿地层为阿吾拉勒组(C1a)(单强等,2009; 王军年等,2009),但根据最新的地层划分(李永军等,2009)及区域地质调查报告(薛志忠等,2005),矿区内出露的地层主要为下石炭统大哈拉军山组第二岩性段(C1d2)及第四系(Q)(如图1b,c)。其中大哈拉军山组第二岩性段(C1d2)整体上为一套浅海相中酸性火山岩、火山碎屑岩组合,呈北西—南东向带状展布。王春龙等(2012)认为矿区内出露的主要为一套火山碎屑岩夹碳酸盐岩地层,在松湖铁矿区勘查工作实施单位所绘制的矿区地质图中也未标示出安山岩地层(图1b),但本次研究在矿区内及矿区东、西侧均发现有安山岩地层分布(图1c)。矿区范围内侵入岩不发育。

1 火山岩地层与岩相学特征

如前所述,松湖铁矿区内出露的地层主要为大哈拉军山组第二岩性段,总体倾向为南南西、南西西向,倾角58°～84°。出露的岩石类型主要为安山岩、安山质火山碎屑岩,少量英安岩、流纹岩及等质的火山碎屑岩,局部夹有少量的灰岩-钙质粉砂岩透镜体。其中-下部为安山岩、安山质火山碎屑岩及铁矿体,向上逐渐过渡为酸性火山碎屑岩,少量英安岩及流纹岩分布于地层顶部,各岩性层之间均为整合接触。铁矿体呈似层状、透镜状赋存于安山岩及安山质火山碎屑岩中,为同期岩浆活动产物(如图1b,c)。对矿区内出露的主要岩石类型的岩相学特征描述如下。

安山岩: 灰绿色,斑状结构、玻晶交织结构,块状构造。斑晶含量为15％～35％,包括斜长石(15％～30％)和角闪石(0～15％)。基质为斜长石微晶、磁铁矿、细粒角闪石和火山玻璃。斜长石斑晶为宽板状,局部具定向排列特征(图2a,d)。角闪石斑晶自形-半自形板状分布,部分发生绿泥石化。基质中斜长石微晶呈定向、半定向排列(图2d,e),斜长石微晶之间填隙物为细粒角闪石、磁铁矿及火山玻璃。该类岩石中常发育不同程度的磁铁矿化,并见有部分浸染状矿石中斜长石斑晶呈定向、半定向分布于磁铁矿基质中(图2 f)。岩石中气孔、杏仁构造发育(图2a,b,d,f)。

安山质晶屑凝灰岩: 浅灰紫色,火山凝灰结构,块状构造。岩石主要由斜长石晶屑(30％～50％)、少量石英晶屑(0～15％)、玻屑和火山尘组成(图2g)。晶屑多成棱角状,粒度多在0.1～2 mm之间,少量可达3 mm以上。常见粉尘状分布的微细粒磁铁矿。

英安质晶屑凝灰岩: 淡红色、浅灰紫色,火山凝灰结构,块状构造。岩石主要由石英晶屑(15％～30％)、斜长石晶屑(5％～20％)、玻屑及火山尘组成(图2h)。该类岩石与安山质晶屑凝灰岩呈变过渡关系,显示岩浆由中性向酸性逐渐演变。

流纹岩: 灰紫色、浅紫红色,斑状结构,块状构造。岩石中斑晶主要由石英(5％～10％)、碱性长石(5％～10％)组成,基质则主要由隐晶质、玻璃质和少量碱性长石微晶组成。基质中常见有球粒结构、霏细结构(图2i),气孔构造发育(图2c)。该类岩石在矿区中不常见,仅在钻孔中和松湖东见有少量分布,厚度不大。

2 样品及测试方法

本次用于分析的14件样品采自矿区内新鲜、无蚀变或相对蚀变较弱的围岩,包括11件安山岩、1件安山质晶屑凝灰岩、1件英安质晶屑凝灰岩和1件流纹岩。在L1矿体底部围岩的安山岩地层中采集相对新鲜的安山岩,挑选其中的锆石矿物颗粒进行锆石U-Pb同位素年代学测试。

首先将采集的样品磨制成薄片或探针片进行镜下观察,挑选其中较典型的样品进行显微照相。对挑选出的岩石、矿石样品进行清洗、粉碎、缩分,将其在玛瑙研钵中研磨至200目以下粉末备用。样品的分析由长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室及国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心完成。主量元素分析采用XRF法,在X射线荧光光谱仪上完成。微量元素分析采用美国X系列电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)完成,仪器工作参数: Power: 1200 w,Nebulizer gas:0.64 L/min,Auxiliarygas:0.80 L/min,Plasmagas:13 L/min。

图2 松湖铁矿区火山岩照片及其显微特征Fig. 2 Photographs and microscopic features of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

图3 松湖铁矿区安山岩锆石CL图像及其表面年龄数值Fig. 3 CL images and ages of zircons from andesites in the Songhu iron deposit

锆石单矿物挑选由国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心完成。将挑选出的单颗粒锆石进行制靶、透射光、反射光及阴极发光(CL)照相后,在西北大学大陆动力学国家重点实验室用LA-ICP-MS方法(LA为193 nm准分子激光剥蚀系统Geolas200M; ICP-MS为ELAN6100DRC)完成U-Pb同位素年代学测试,详细实验分析步骤及数据处理方法参见袁洪林等(2003)。

在详细的薄片观察及主微量元素地球化学研究基础上,选取本区具有代表性的安山岩样品进行了Nd、Sr同位素地球化学研究。Nd、Sr同位素比值测试在中国科学院广州地球化学研究所完成,所用仪器为Micromass Isoprobe型多接受器等离子质谱仪。

3 火山岩年代学

本次研究工作所测试的锆石颗粒为浅黄色-无色透明的正方双锥状、中长柱状、短柱状及半截锥状自形晶体,少数锆石遭受破碎后晶形不完整,粒度多为70～160 μm。阴极发光图像表现出典型的岩浆韵律环带和明暗相间的条带结构,属于岩浆结晶产物(图3)。锆石的20个测点Th/U比值为0.48～1.09,Th含量变化范围是54.55×10-6～340.44×10-6,U含量变化范围是58.55×10-6～410.79×10-6。且Th、U含量呈现较好的正相关关系,故获得的年龄可以代表该组火山岩的形成年龄。20个测点的表观年龄变化于333～353 Ma,通过加权平均计算获得其平均年龄为341.2 Ma。在206Pb/238U-207Pb/235U谐和比值图上所有样品均落在U-Pb谐和线上,最终计算获得的谐和年龄为(343.2±2) Ma,MSWD=0.18(图4),属早石炭世维宪期。

图4 锆石U-Pb加权平均年龄(a)和206Pb/238U-207Pb/235U谐和图(b)Fig. 4 Average zircon U-Pb ages (a) and206Pb/238U versus207Pb/235U diagram (b)

图5 松湖铁矿区火山岩SiO2-Zr/TiO2图解(a)(底图据J. A. Winchester and Floyd,1977)及AFM图解(b)Fig. 5 SiO2-Zr/TiO2diagram (a) (after Winchester and Floyd,1977) and AFM diagram (b) of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

图6 松湖铁矿区火山岩哈克图解Fig. 6 Harker diagrams of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

4 地球化学特征

4.1 主量元素地球化学

本次研究工作主要针对铁矿区内的赋矿火山岩,虽然在采集样品时尽可能的选取其中新鲜、蚀变弱的样品,但是由于距离矿体较近,所采集样品遭受不同程度的蚀变,故分析结果中部分样品的烧失量(LOI)在3％以上。由于岩石中的K、Na、Ca等元素具有较强的活动性,在岩石遭受蚀变后极易发生迁移,故TAS图解不适用于本区火山岩的岩石地球化学定名。而岩石中的Al、Ti、Nb、Zr等元素活动性弱,它们可以反映蚀变岩石及变质岩石的某些原岩性质,故本文利用SiO2-Zr/TiO2二元图解对本区火山岩进行地球化学定名,如图5所示。由图可知,14件样品中有8件样品落入英安岩区域,5件样品落入安山岩区域,1件样品落入流纹岩区域,所有样品均属于亚碱性玄武岩系列(图5a)。AFM图投影显示,本区火山岩具有明显的钙碱性玄武岩特征(图5b)。

TiO2含量整体较低,除一件安山岩样品的TiO2含量为1.36％以外,其余样品的TiO2含量均小于1％,介于0.24％～0.92％之间。安山岩的TiO2含量介于0.63％～14.36％之间,MgO含量在2.39％～4.06％之间,Na2O+K2O含量介于5.66％～8.02％之间,Mg#=0.35～0.42.英安岩TiO2含量变化较大,介于0.29％～0.92％之间,一件样品中MgO含量异常低,为0.44,其余样品介于1.39％～2.64％之间,Na2O+K2O含量为5.18％,Mg#=0.23～0.56。1件流纹岩样品的TiO2含量最低,为0.24％,MgO含量为0.72％,Na2O+K2O含量介于5.66％～8.02％之间,Mg#=0.27。

图7 松湖铁矿区火山岩稀土元素配分图解及微量元素蛛网图(标准化数据引自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)

在本区火山岩哈克图解(图6)上,岩石中的TiO2、Al2O3、MgO、TFe2O3等与SiO2之间呈现明显的负相关关系,表明各类岩石应是同源岩浆分异演化的产物。岩石中Na2O、K2O与SiO2之间无相关性,但是K2O+Na2O含量与LOI之间表现出一定的正相关关系,表明岩石蚀变过程中有K2O+Na2O的带入。岩石中TFe2O3与LOI之间未表现出相关关系,表明热液蚀变活动对矿区岩石中的Fe元素影响甚微。

图8 西天山石炭纪火山岩εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相关图Fig. 8 εNd(t)-(87Sr/86Sr)idiagram of Carboniferous volcanic rocks in Western Tianshan Mountains

4.2 微量元素地球化学

依据测试结果作稀土元素配分图解(图7),王春龙等(2012)曾对松湖铁矿区内的火山碎屑岩做过稀土元素地球化学特征研究,将其研究成果一并展示于图7上。由图可知,松湖铁矿区内各类火山碎屑岩具有相似的稀土配分模式,均为轻稀土富集的右倾型(LREE/HREE=3.01～11.48,(La/Yb)N=2.50 ～14.43),且轻稀土元素内部分馏要强于重稀土元素((La/Sm)N=1.99～5.34,(Gd/Yb)N=0.99～2.29)。其中安山质火山碎屑岩(岩屑晶屑凝灰岩含角砾岩屑晶屑凝灰岩)的稀土元素含量与英安质屑晶屑凝灰岩相当(ΣREE=65.48～165.44 μg/g,平均为114.54 μg/g),而3件晶屑熔结凝灰岩的稀土元素含量较低(ΣREE=36.64～49.83 μg/g)。大部分碎屑岩样品中出现正的Eu异常或无Eu异常(δEu介于0.95～1.57),仅有一件英安质岩屑晶屑凝灰岩出现明显的负Eu异常(δEu=0.58)。

各类熔岩样品的稀土元素配分曲线也呈轻稀土元素富集的右倾型(LREE/HREE=2.28～7.02,(La/Yb)N=2.31～6.28),轻稀土元素内部分馏要强于重稀土元素((La/Sm)N=1.48～5.22,(Gd/Yb)N= 1.01～1.44)。除两件安山岩及一件英安岩样品的δEu为1.01～1.22外,其余11件样品的δEu值均小于1,为0.6～0.96,显示弱的负Eu异常。各类岩石的ΣREE相当,介于47.79～108.72 μg/g,平均值为76.50 μg/g。

依据测试结果作矿区火山岩微量元素蛛网图如图6所示。从图上可以看出,矿区内各类岩石的微量元素配分曲线大致相似,均富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、K等)而相对亏损高场强元素。所有样品均具明显的Nb、Ta、Ti亏损。大多数样品的高场强元素曲线相对较为平滑,而大离子亲石元素部分则相对波动较大,这可能与大离子亲石元素在热液蚀变等过程中具有较高的活动性有关。

表1 阿吾拉勒成矿带石炭纪火山岩及侵入岩年龄统计表Table 1 Ages of Carboniferous volcanic and intrusive rocks in the Awulale metallogenic belt

4.3 同位素地球化学

根据本次研究工作所获得的松湖铁矿区安山岩形成年龄为(343.2±2) Ma,因此采用t=343 Ma进行计算,Sr-Nd同位素分析结果显示松湖铁矿区安山岩的εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值为+2.59; 3件样品的εSr(t)值变化范围也不大,介于+21.08 ～ +27.63之间,相应的(87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060。将本次研究所获得的分析结果及松湖铁矿区邻区大哈拉军山组火山岩的Sr、Nd同位素结果(朱永峰等,2006; 钱青等,2006)投影在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相关图(图8)上,其分布范围相近,大部分样品点落在了第一象限。这些Nd、Sr同位素数据表明,西天山地区大哈拉军山组火山岩均具有Nd同位素亏损型特征,大多数火山岩的Sr同位素显示富集型特征。

5 讨论

5.1 大哈拉军山组火山岩年代学格架

西天山地区广泛发育石炭纪火山岩地层,其中大哈拉军山组火山岩地层分布最为广泛,并赋存有大量的铁矿床。由于对于西天山地区构造演化与成矿规律研究均有重要意义,前人对该套地层火山岩做了大量的研究工作。茹艳娇(2012)曾对前人所获得的西天山地区大哈拉军山组火山岩年龄做了系统的统计工作,指出西天山地区石炭纪火山作用具有从伊犁地块南缘和北缘向地块内部、从伊犁地块西部向东部逐渐变年轻的特点。近两年又陆续发表了若干关于该组火山岩年龄的研究成果,将之统计如图9和表1所示。

图9 西天山“大哈拉军山组”火山岩形成年龄分布图(据茹艳娇,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)

与研究区邻近的阿吾拉勒山北东部衣生布谷地区安山岩的全岩Rb-Sr等时线年龄为337 Ma(李注苍等,2006)、阿吾拉勒山中部阔尔库地区英安岩的锆石U-Pb同位素年龄为(339.9±4.3) Ma(茹艳娇,2012)、阔尔库地区流纹岩的锆石U-Pb同位素年龄为(342.3±6.3) Ma(白建科等,2011)。朱维娜(2014)对研究区东南侧晚期侵入的阔尔库岩基中二长岩进行锆石U-Pb测年,获得年龄值为(334.4±2.3) Ma和(333.6±2.2) Ma。本次研究所得出的松湖铁矿区安山岩年龄结果为(343.2±2) Ma,早于阔尔库二长岩侵入体的年龄,在误差范围内与前人获得的邻区火山岩年龄相一致。

位于阿吾拉勒成矿带东段的备战铁矿区英安岩的锆石U-Pb年龄为329.1 Ma(孙吉明等,2012),而李大鹏等(2013)获得该矿区流纹岩的年龄为(316.1±2.2) Ma; 汪帮耀和姜常义(2011)获得的查岗诺尔铁矿区流纹岩形成年龄为(321.2±2.3) Ma; 蒋宗胜(2014)对查岗诺尔铁矿区流纹岩及智博铁矿区英安岩的定年结果偏新,分别为(301.8±0.9) Ma和(300.3±1.1) Ma,与其他测试结果差距较大。本次研究工作亦获得了敦德、智博和备战铁矿区火山岩的形成时代分别为(320.9±1.8) Ma、(322.1±1.5) Ma和(320.6±2.2) Ma。

综合以上资料可知,阿吾拉勒成矿带内大哈拉军山组火山岩的形成时代亦具有西老东新的特征。阿吾拉勒成矿带西段该组火山岩形成时代集中于337～343 Ma,而东段则多集中于321 Ma左右,东西两段火山作用时代相差近20 Ma。该成矿带内的4个大型铁矿床均位于东段,在西段仅发现包括松湖、尼新塔格在内的若干中小型铁矿床。成矿带内火山岩形成时代相差近20 Ma的原因与东西两段铁矿床规模的差异之间是否有内在的联系尚待进一步研究。

图10 松湖铁矿区山岩构造环境判别图Fig. 10 Discrimination diagrams for tectonic settings of volcanic rocks in the Songhu iron deposit

5.2 构造环境判别

对于大哈拉军山组火山岩的形成环境目前有三种认识: (1)认为其为造山后大陆裂谷拉伸阶段的产物,形成于大陆裂谷环境(车自成等,1996); (2)认为其是南、北天山洋盆向伊犁—中天山板块俯冲作用形成的岛弧火山岩,形成于岛弧或大陆边缘弧环境(姜常义等,1993,1995; 朱永峰等,2005; 钱青等,2006; 龙灵利等,2008); (3)依据该套火山岩分布较广以及基性熔岩具有正εNd值,认为其构成与地幔柱有关的大火成岩省(夏林圻等,2004)。

基于大哈拉军山组①缺乏大火成岩省常见的岩石组合、②该套火山岩出露面积相对峨眉山大火成岩省(这是目前所发现的最小的大火成岩省)还小很多以及③大哈拉军山组火山岩的年龄区间超过40 Ma,其“古地幔柱”成因模式还值得推敲(朱永峰等,2005)。

裂谷环境火山喷发方式以裂隙式喷溢和溢流为主,爆发指数一般不大于20。而板块汇聚边缘环境火山喷发方式以中心式喷溢和爆发式为主,以一条造山带整体而论,爆发指数不会小于50。所以,爆发指数是判断构造环境的重要标志之一。茹艳娇(2012)研究结果表明西天山地区大哈拉军山组火山岩的爆发指数达30以上。松湖铁矿区火山岩地层中火山碎屑岩比例较大,达70％以上,指示其应该形成于板块汇聚边缘环境。

除此以外,裂谷环境与板块汇聚边缘环境所形成的火山岩具有不同的地球化学特征。如前所述,研究区火山岩以中-酸性岩为主,岩石化学系列属于钙碱性火山岩系列; 稀土元素总体上具有相似的标准化曲线: 轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损,且轻稀土分馏程度明显优于重稀土元素,大部分样品具有弱的Eu负异常。微量元素以相对富集大离子亲石元素,亏损高场强元素为特征,具有明显的Nb、Ta、Ti负异常,显示活动大陆边缘或岛弧火山岩的特点。

不同构造环境中形成的火山岩具有不同微量元素地球化学特性,故可利用微量元素进一步判别本区火山岩的形成环境。在Th-Ta-Hf/3图解(图10a,底图据Wood,1980)上,本区火山岩样品大多数投在火山弧玄武岩区域,与上述讨论结果相一致。在不相容元素Yb标准化的Th-Nb二元协变图(图10b,底图据Pearce,1983)中,大多数样品点则投在了典型的Andes活动大陆边缘火山岩投影区域,这就表明研究区内火山岩的形成环境应为活动大陆边缘环境。

前人研究结果表明,分布于伊犁地块北缘的巴音沟—莫托沙拉沟蛇绿混杂岩带是晚古生代北天山洋盆向南俯冲消减的产物,其中的硅质岩含有大量晚泥盆世—早石炭世放射虫化石(李生虎和杜青,1994),徐学义等(2006a,b)获得巴音沟蛇绿岩中的堆晶辉长岩及侵入其中的斜长花岗岩的锆石U-Pb年龄分别为(344±3.4) Ma和(324.7±7.1) Ma,这就说明北天山洋盆在早石炭世还有一定规模。茹艳娇(2012)的研究认为,大哈拉军山组火山岩的形成时代主体为早石炭世杜内期,部分形成于维宪期。本次研究工作获得的阿吾拉勒成矿带东段具有活动大陆边缘环境的火山岩形成时代集中在321 Ma左右,前人获得的成矿带东段活动大陆边缘火山岩形成时代也集中于330～316 Ma(汪帮耀和姜常义,2011; 孙吉明等,2012; 李大鹏等,2013; 张喜,2013; 蒋宗胜,2014),这说明在早石炭世的晚期,该区域仍属活动大陆边缘环境。Zhang等(2012)对智博铁矿区后碰撞A型花岗岩的定年结果为(304.1±1.8) Ma,说明在这之前北天山洋盆已经闭合。据此我们推测北天山洋盆向伊犁地块之下的俯冲应结束于早石炭世末期—晚石炭世初期。上石炭统下部的伊什基里克组以双峰式火山岩为标志,意味着阿吾拉勒成矿带在晚石炭世早期已经进入了裂谷化阶段。

5.3 岩浆源区

在板块汇聚的地带,可能的岩浆源区有三个:①俯冲的大洋壳,主要由玄武岩组成,并有少量的深海沉积物; ②位于洋壳上面、火山弧下面的楔形地幔,主要由橄榄岩构成; ③火山弧下面的大陆地壳(朱永峰等,2005)。

源于地幔橄榄岩部分熔融产生的玄武岩浆在地壳内的分离结晶作用可产生派生的安山岩(包括英安岩和流纹岩)(Kuno,1966)。这种情况下形成的安山岩必然伴生有大量玄武岩,但是在松湖铁矿区内未见玄武岩出露。其次,Nicholls(1972)通过熔浆-矿物平衡热力学计算,指出SiO2含量为55％～60％的安山质岩浆不可能与上地幔橄榄岩相平衡。并且,研究区安山岩的Mg#较低(23～56),表明该安山质岩浆不是地幔橄榄岩部分熔融的产物。基于以上几点认识,我们认为该区安山岩不是由玄武质岩浆分异而形成,其源区也不太可能是岩石圈地幔或软流圈地幔。另外,热的俯冲洋壳局部熔融产生的是高Al2O3TTG组合和埃达克岩而并非钙碱性安山岩。研究区内的安山岩为钙碱性安山岩,Sr＜300 μg/g、Yb＞1.9 μg/g,稀土元素具有弱负Eu异常,岩石地球化学特征与埃达克岩并不一致。这样也排除了安山质岩浆直接来源于俯冲洋壳的可能性。

Otamendi等(2009)对阿根廷西部的Famatinian大陆弧研究表明,来自于俯冲板片之上楔形地幔的原始镁铁质岩浆(包括岩浆或其结晶分异产物)与大量陆壳物质相互作用,会形成大量的中性岩浆。而许多学者通过平衡计算也证明在岛弧地壳根部的镁铁质岩浆和壳源岩浆的混合作用能产生大量的中性岩浆(Otamendi et al.,2009)。结合松湖铁矿区火山岩的岩石学及地球化学特征,我们认为安山岩的岩浆源区应该是位于莫霍面附近的岛弧型地壳根部。由于消减板片俯冲所产生的剧烈构造岩浆活动在莫霍面附近很快聚集大量的幔源岩浆,这些幔源岩浆与岛弧型地壳根部的陆壳物质相互反应,形成的镁铁质岩浆岩与原有的陆壳物质混杂。后期上升的幔源岩浆将这部分物质加热使之发生部分熔融产生安山质岩浆。Ba是俯冲带流体中非常富集的元素,高Ba/Th比值(>300)一般指示俯冲带流体对岩浆源区的贡献比较显著(Devine,1995),研究区中酸性火山岩的Ba/Th比值大多低于100,说明俯冲带流体对岩浆源区的影响较小。安山岩Sr同位素为富集型,除受流体交代作用影响外,地壳物质的混入是主要影响因素。而其Nd同位素亏损特征则归结为幔源岩浆的贡献。

6 结论

(1)松湖铁矿位于阿吾拉勒成矿带西段,矿区出露的地层主要为一套钙碱性系列的火山岩,岩石类型有安山岩、英安岩、少量流纹岩及等质的火山碎屑岩,铁矿体赋存于安山岩及安山质火山碎屑岩中。

(2)L1矿体底板围岩中安山岩的锆石U-Pb定年结果为(343.2±2) Ma(MSWD=0.18),属早石炭世维宪期。

(3)该组火山岩具有相似的稀土元素及微量元素地球化学特征,暗示它们应为同源岩浆演化的产物。其微量元素组成具有富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、K等)和轻稀土元素为特征,并显著亏损高场强元素Nb、Ta和Ti,显示活动大陆边缘火山岩特征。

(4)矿区安山岩的Nd同位素组成具有亏损型特征(εNd(t)= +2.09 ～ +3.39,平均值为+2.59),而Sr同位素组成为富集型((87Sr/86Sr)i=0.7056～0.7060),显示其岩浆源区应为莫霍面附近的岛弧型地壳根部。

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

10.3975/cagsb.2015.06.05

本文由中国地质调查局地质矿产评价专项(编号: 12120114007501; 12120113044000)、中央高校基本科研业务费专项基金(编号: 2013G1271096; 2014G1271066)和国家自然科学基金项目(编号: 41273033)联合资助。

2015-05-22; 改回日期: 2015-08-30。责任编辑: 闫立娟。

荆德龙,男,1988年生。博士研究生。主要从事矿物学、岩石学、矿床学方面的研究。通讯地址: 710054,西安市雁塔路126号长安大学。E-mail: jing.delong@163.com。

*通讯作者: 姜常义,男,1951年生。教授,博士生导师。主要从事岩石学及铜镍硫化物矿床学方面的研究。通讯地址: 710054,西安市雁塔路126号长安大学。电话: 029-82339010。E-mail: jiangchangyi001@163.com。