新疆西天山查岗诺尔铁矿床环带石榴子石和绿帘石的发现及意义*

冯浩轩，申 萍**，李昌昊，武 阳，石福品，李文广

（1 中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；2 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049；3 中国科学院地球科学研究院，北京 100029；4 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三地质大队，新疆库尔勒 841000）

关键字 地质学；石榴子石；绿帘石；成分环带；物理化学条件；查岗诺尔铁矿；西天山

石榴子石是矽卡岩矿床中最常研究的矿物，积累了大量研究成果。矽卡岩矿床中的石榴子石通常发育成分环带，它们是流体演化和流体成分变化的重 要 标 志（Jamtveit et al.，1993；Clechenko et al.，2003；Ciobanu et al.，2004；Gaspar et al.，2008；Boc‐chio et al.，2010；高雪等，2014；Zhai et al.，2014；王伟等，2016；Park et al.，2017；边晓龙等，2019）。根据主量元素组成，石榴子石具有6 种端员组分，端员组分种类的不同往往与其形成环境密切相关，如钙铁榴石通常形成于相对氧化、碱性的环境，而钙铝榴石则利于在相对还原、酸性的环境中形成（赵斌等，1983；艾永富等，1981；Meinert et al.，2005）。石榴子石的微量元素组成可以有效地反映某些成岩成矿信息，稀土元素（REE）和O 同位素等则可以有效示踪流体来源和约束流体性质（Page et al.，2010；Ferry et al.，2014；王伟等，2016；Park et al.，2017；Ryan-Davis et al.，2019）。

绿帘石是一种含水Ca-Al硅酸盐矿物，广泛分布在矽卡岩矿床、俯冲带变质岩、地热系统和岩浆岩中（Bird et al.，2004；Schmid et al.，2004；Meinert et al.，2005；Guo et al.，2014）。绿帘石可以显著富集各类微量元素，特别是二价大离子亲石元素（Sr和Pb），稀土元素（REE）和过渡族金属元素（唐盼等，2019）。因此，绿帘石能够记录相应地质过程中的大量地质信息。热液绿帘石通常发育明显的成分环带结构（Caruso et al.，1988；Bird et al.，2004；Guo et al.，2014），它们是热液流体通量、温度、氧化-还原条件、CO2浓度、pH值条件以及流体中Al3+和Fe3+复合物物种等变化的产物（Bird et al.，2004；Guo et al.，2014）。因此，环带绿帘石对精细刻画热液流体物理-化学条件演化、流体成分变化以及流体来源等具有重要意义（唐盼等，2019）。

新疆西天山造山带是中亚成矿域南段内重要铜-钼-金-铁成矿省，发育斑岩型铜-钼矿、浅成低温热液型金矿和火山热液型铁矿（图1；Qin et al.，2002；Zhai et al.，2009；Zhang D et al.，2010；Pirajno et al.，2011；Pirajno，2012；Zhang X et al.，2015），其中，海相火山岩型铁矿床主要集中在阿吾拉勒铁矿带，发育查岗诺尔、智博、敦德、备战、古伦沟、松湖和雾岭等一系列大-中型矿床（图1；冯金星等，2010；董连慧等，2011；Zhang X et al.，2015），总资源量约为11.7 亿吨（Zhang et al.，2014）。这些铁矿床规模大，富铁矿石（w（TFeO）＞50%）占比高（约30%）（Zhang et al.，2014），其中备战和智博铁矿富矿资源超过50%（董连慧等，2011）。空间上，这些铁矿床常产于火山活动的中心或其附近，海相中基性-中酸性火山岩、次火山岩或火山碎屑岩为直接赋矿围岩（图2；张喜，2013）。火山岩型铁矿床的围岩蚀变常发育矽卡岩化，包括钠长石化、透辉石化、阳起石化、绿帘石化、绿泥石化和硅化等（洪为等，2012d；张作衡等，2012；张喜，2013），但与传统的矽卡岩型矿床不同，它们缺乏相应的侵入岩（张作衡等，2012；张招崇等，2014）。

图1 西天山造山带大地构造及矿产分布图（改自Gao et al.，2009；Zhang et al.，2015）Fig.1 Tectonic map of Western Tianshan orogen belt,showing the distribution of iron，gold，and copper deposits，and the location of the Awulale iron metallogenic belt（modified after Gao et al.，2009；Zhang et al.，2015）

查岗诺尔大型铁矿床位于阿吾拉勒铁矿带东段，资源量超过2 亿吨（图1；洪为等，2012d）。矿区发育矽卡岩化蚀变，广泛分布的石榴子石化、阳起石化和绿帘石化与铁矿体具有密切的时空关系（图3；洪为等，2012d；Zhang X et al.，2015）。石榴子石和绿帘石是不同热液磁铁矿化阶段的常见矿物，前人除对查岗诺尔铁矿床的火山岩-侵入岩地球化学和年代学、矿床地质矿床地球化学和成矿年代学已经做较多研究外，也开展了一些矿物学工作（汪帮耀等，2011；洪为，2012a; 2012b; 2012c; 2012d；张喜，2013；Zhang X et al.，2015）。然而，前人的矿物学研究对石榴子石和绿帘石矿物内部结构并未涉及，尤其是绿帘石。因此，它们中保存的热液成矿阶段成矿流体的物理-化学条件信息并未得到精细的解译。本次研究中，笔者基于岩相学、矿相学和背散射图像综合观察，发现石榴子石和绿帘石发育丰富内部环带结构，并以此识别出2 个世代、3 类石榴子石，3 个世代绿帘石。在此基础上，笔者开展了详细地电子探针分析，厘定石榴子石和绿帘石矿物结构差异性在成分上的表征。最后，笔者根据石榴子石、绿帘石的环带结构和化学成分，对早、晚成矿阶段流体演化进行了精细刻画。

1 区域地质

西天山造山带北邻准噶尔盆地，南接塔里木盆地，自北而南可以分为北天山弧增生体、伊犁地块、中天山复合弧地体和塔里木地块北缘4 个不同构造单元（图1；Gao et al.，1998；2009；2015；高俊等，2009）。早古生代以来，西天山经历了复杂的构造演化，其形成与准噶尔、伊犁、中天山、塔里木等多个微陆块多阶段拼贴、增生，以及相伴随的贴尔斯克依洋、北天山洋和南天山洋的关闭等过程密切相关（Windley et al.，2007；Gao et al.，2009；Charvet et al.，2011）。

图2 阿吾拉勒铁铜成矿带东段地质简图（据冯金星等，2010；张喜，2013修改）Fig.2 Geological map of the eastern segment of the Awulale iron-copper metallogenic belt（modified after Feng et al.，2010；Zhang，2013）

阿吾拉勒成矿带位于西天山造山带中部，处于北天山弧增生体、伊犁地块和中天山复合弧地体的三角地带，其北部为中天山北缘断裂，南部为那拉提北缘断裂（图1）。阿吾拉勒铁矿带出露地层齐全，除了主要由中-新元古代片岩、大理岩、混合岩和碎屑岩组成的前寒武基底之外，还有志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和第四系（图2）。志留系和泥盆系沿成矿带南、北边缘出露，主要为火山沉积岩。石炭系分布最广，以火山岩和火山碎屑岩为主，是大洋板片俯冲的产物（图2；Wang et al.，2007），其中，下石炭统以大哈拉军山组和伊什基里克组出露最为广泛，同时大哈拉军山组还是成矿带内重要铁矿床的赋存层位（冯金星等，2010；汪邦耀等，2011；张喜，2013）。二叠系、三叠系和侏罗系仅在局部地区出露，岩性主要为砾岩、砂岩、泥岩和页岩（图2；冯金星等，2010）。阿吾拉勒成矿带内岩浆活动强烈，发育晚奥陶世—二叠纪侵入岩，岩石类型多样，包括碱性岩、中-酸性岩（张喜，2013）。构造上，阿吾拉勒铁矿带发育多条东西向、向北陡倾的高角度断裂和1 个向斜构造（图2）。此外，遥感影像显示，该成矿带还存在破火山口，与铁成矿作用具有密切时空联系（董连慧等，2011；Zhang X et al.，2015）。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质

查岗诺尔铁矿区出露地层主要为下石炭统大哈拉军山组和上石炭统伊什基里克组。大哈拉军山组分布于矿区F2 断裂以南，查岗诺尔河两侧地区（图3a），岩性主要为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、粗面岩和玄武质（安山质）凝灰岩等，局部发育大理岩夹层状凝灰岩和火山角砾岩（张喜，2013）。伊什基里克组覆盖于大哈拉军山组之上，出露在F2 断裂以北和F10 断裂以东地区（图3a、b），岩性包括安山岩、安山质晶屑凝灰岩、安山质凝灰角砾岩、含角砾晶屑岩屑凝灰岩、火山角砾岩和火山集块岩组成（汪邦耀等，2011；张喜，2013）。

由于查岗诺尔矿床处于大型古火山机构西缘，矿区环状断裂和火山穹隆构造均发育（图3a）。断裂按产状可分为2 组：①NW 向至EW 向断裂，包括F1、F2、F3等，倾角20°～40°；②环破火山口呈弧形展布的断裂，如F4、F8、F10 等，倾角40°～75°（汪邦耀等，2011；张喜，2013）。F8 断裂和F10 断裂明显与Ⅰ号矿体及周缘围岩蚀变的分布密切相关。F8断裂走向NNE 向-NE 向延伸，倾角约60°，F10 断裂呈弧形展布，断层面倾角约70°（张喜，2013）。火山穹隆分布在F2 和F10 断裂之间，总体呈NNE 向-NE 向-EW向延伸（张喜，2013）。

矿区岩浆岩发育晚石炭世闪长玢岩、石英闪长玢岩、花岗岩、正长花岗岩、和花岗闪长岩以及晚石炭世—早二叠世放射状岩脉和岩墙。浅成闪长玢岩和石英闪长玢岩呈小岩株侵入到赋矿地层中，主要分布在Ⅱ号矿体附近，中深成正长花岗岩、花岗岩和花岗闪长岩规模较大，呈岩株状侵入到石炭纪地层中，主要分布在F3 断裂东北部（张喜，2013；Sun et al.，2015）。Sun 等（2015）通过LA-ICP-MS 锆石UPb 定年方法测得Ⅱ号矿体附近2 件花岗岩年龄为（249.9±1.3）Ma 和（249±1.9）Ma，F1 断裂东北侧花岗闪长岩年龄为（305±1.3）Ma。张喜（2013）在矿区东部新发现一钾长花岗岩岩株，锆石U-Pb 年龄为（319.4±2.1）Ma。岩脉和岩墙以辉绿玢岩、闪长玢岩脉为主，通常密集成群出现，但规模较小，宽约0.5～2 m，长十米至百余米。空间上，它们呈放射状垂直火山环状构造分布，产状陡倾，倾角不低于70°（张喜，2013）。

2.2 矿体地质与围岩蚀变

查岗诺尔铁矿矿体赋存在大哈拉军山第三亚组第一段灰绿色安山岩和安山质火山碎屑岩中，矿体形态比较规则，呈层状、似层状和透镜状，主要由Ⅰ号和Ⅱ号矿体组成，其中Ⅰ号矿体占总资源量的95%以上（图3a、b）。Ⅰ号矿体分布在查岗诺尔河以东，顶、底板为安山质凝灰岩和透镜状大理岩，矿体总体呈NE向-SW向环状分布在F8和F10断裂之间，倾向总体向东，倾角为105°～153°，倾角较缓，一般为15°～36°，局部呈水平产出（汪邦耀等，2011；洪为等，2012d；张喜，2013；图）。Ⅰ号矿体厚度最小为2.48 m，最大为226.9 m，平均厚度为87.26 m，矿石最高品位64.2%，最低品位20.2%，平均品位为35.6%（洪为等，2012d；张喜，2013）。Ⅱ号矿体分布在查汗乌苏河以西，呈带状或椭圆状位于F2 断裂南侧，倾向北西，倾角30°～43°，平均厚度45 m，平均品位32.66%（汪邦耀等，2011）。

图3 查岗诺尔铁矿矿区地质图（a）和A-A′勘探线剖面图（b）（改自冯金星等，2010；洪为等，2012a）Fig.3 Geological map of the Chagangnuoer iron deposit（a）and the A-A′ cross section（b）（modified after Feng et al.，2010；Hong et al.，2012a）

铁矿体中矿石矿物主要为磁铁矿，伴生少量赤铁矿、镜铁矿、黄铁矿和黄铜矿，脉石矿物发育石榴子石、阳起石、钾长石、钠长石、透辉石、透闪石、绿帘石和方解石（张喜，2013）。铁矿石类型多样，根据磁铁矿产状可分为致密块状矿石、浸染状矿石、角砾状矿石、斑点状矿石、条带状矿石和流动状矿石等，其中以浸染状矿石为主（张喜，2013）。在角砾状矿石中，磁铁矿不仅可以呈角砾，而且也可以作为胶结物。当角砾为磁铁矿时，胶结物为石榴子石和阳起石，而当胶结物为磁铁矿时，角砾则为大哈拉军山组火山岩，以安山质凝灰岩为主（洪为等，2012d；张喜，2013）。

赋矿地层大哈拉军山组火山岩蚀变强烈，发育钠长石化、阳起石化、石榴子石化、透辉石化、透闪石化、钾长石化、绿帘石化、绿泥石化、方柱石化和碳酸盐化（张喜，2013）。其中，石榴子石化发育最为普遍，与铁矿体的关系也最为密切。在Ⅰ号矿体所在范围内，围岩蚀变呈NE-SW 向带状分布，长1800 余米，宽500～600 m，根据不同矿物组合，自西向东，地在表出露的围岩蚀变可大致分出石榴子石蚀变带、阳起石-绿帘石蚀变带、磁铁矿矿体、阳起石-绿帘石蚀变带和大理岩蚀变带（图3a；洪为等，2012a）。垂向上，自上而下依次为绿泥石化安山质凝灰岩带、石榴子石蚀变带、磁铁矿矿体、阳起石-绿帘石蚀变带、石榴子石蚀变带、磁铁矿体、阳起石-绿帘石蚀变带、绿泥石化安山质凝灰岩带及大理岩带（图3b）。Ⅱ号矿体周围发育面状蚀变带，以阳起石化和绿帘石化最为发育。东北端稍具环带特征，以磁铁矿为中心向外，大体依次为阳起石-磁铁矿带或石榴子石-磁铁矿带、阳起石-绿帘石带和透辉石-石榴子石蚀变带（图3a；张喜，2013）。垂向上，自上而下依次为铁矿体或石榴石蚀变带、绿帘石化-阳起石蚀变带、闪长玢岩及安山质凝灰岩（洪为等，2012）。

整个铁矿化与蚀变作用可划分为岩浆成矿期和热液成矿期（洪为等，2012a）。岩浆成矿期可细分为磁铁矿-透辉石阶段和绿泥石-阳起石阶段，热液成矿期分为磁铁矿-石榴子石-阳起石阶段、青磐岩化阶段、硫化物阶段和石英-碳酸盐阶段（洪为等，2012a）。磁铁矿化发生在岩浆期磁铁矿-透辉石阶段和热液期磁铁矿-石榴子石-阳起石阶段和青磐岩化阶段，但以磁铁矿-石榴子石-阳起石阶段为主要矿化时期（洪为等，2012a）。在磁铁矿-透辉石阶段，细粒磁铁矿多呈块状、角砾状和浸染状，其中块状磁铁矿矿石有的与安山质凝灰岩之间呈截然接触；角砾状矿石中角砾为安山质岩屑，总体上分布凌乱，胶结物为磁铁矿（洪为等，2012a）。在磁铁矿-石榴子石-阳起石阶段，磁铁矿分布在角砾状矿石、“豹纹”状矿石、斑杂状矿石、条带状矿石及浸染状矿石之中，其颜色较深且结晶较好（洪为等，2012a）。此外，该阶段石榴子石发育，且可分为2 个不同世代（洪为等，2012a；张喜，2013），早世代石榴子石粒较细（＜2 mm），呈土黄色/褐黄色，多分布在矿体下部，与磁铁矿共存，形成块状磁铁矿-石榴子石岩（图4a～f），而晚世代石榴子石粒粗，晶形较大，可达2 mm～2 cm，呈褐红色，多分布在矿体上部（洪为等，2012a），以胶结物或沿裂隙充填形成石榴子石细脉的形式产出（图4g～i；张喜，2013）。青磐岩化阶段，出现绿帘石+绿泥石矿物组合，形成时间同时或晚于磁铁矿，常发育浸染状矿石（洪为等，2012a）。

3 样品采集与分析方法

本次研究从查岗诺尔铁矿的I 号和II 号矿体不同部位共采集30 余件含石榴子石、绿帘石的岩矿石样品。将所有样品手标本磨制成光薄片，通过详细的显微镜下观察鉴定，并用扫描电镜-背散射图像分析，笔者最终选择了3 件代表性的石榴子石样品和1件绿帘石，进行了细致地矿物学成分研究。其中，2件石榴子石样品（18CG-6 和18CG-21）来自磁铁矿-石榴子石岩，几乎全由早世代褐黄色石榴子石和磁铁矿组成，其中磁铁矿主要分布在石榴子石粒间，并发育环带结构，少量磁铁矿可包裹石榴子石（图4a～f）；另1 件石榴子石样品（18CG-29）含晚世代褐红色石榴子石，其与少量自形阳起石呈胶结物形式分布（图4g～i）。绿帘石样品（18CG-12）发育绿色自形-半自形柱状、粒状绿帘石集合体，可见其后期又被方解石-黄铁矿穿切、包裹。

电子探针分析和背散射图像观察在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成，仪器型号为JXA8100，工作电压为15 kV，电流20 nA，束斑5 μm。标准样品采用天然样品和人工合成氧化物，分析精度优于2.0%。

4 分析结果

4.1 多世代石榴子石结构及成分特征

4.1.1 石榴子石类型及其内部结构特征

基于光学显微镜和背散射下的矿相学观察，发现查岗诺尔铁矿区的早期石榴子石结构复杂，发育2类不同的石榴子石（Grt1 和Grt2）；晚期石榴子石类型单一，普遍发育振荡环带（Grt3）。因此，查岗诺尔铁矿区共发育3 类石榴子石（图4）。它们的内部结构特征如下：

Grt1：发育核-边结构，核部（Grt1-c）干涉色一级黄白色-橙色，不发育环带，生长边（Grt1-r）干涉色一级灰白色，发育振荡环带（图4b）。背散射图像中，Grt1-c呈灰黑色，Grt1-r由浅灰色-浅灰白色韵律环带组成（图4c）。Grt1-r含细小磁铁矿包裹体，边缘与磁铁矿直接接触（图4c），表明其与磁铁矿同时沉淀。

Grt2：发育核-边结构，但与Grt1 不同，其核部（Grt2-c）为均质体，正交镜下显全消光，生长边（Grt2-r）干涉色为一级灰色-白色，发育振荡环带（图4e）。背散射图像显示，Grt2-c 呈明亮白色，Grt2-r 较为多样，呈浅灰色-灰黑色（图4f）。而且，从Grt2-c向外，Grt-2r 的背散射亮度先逐渐降低，当降至最暗以后，其亮度便突然增强，并呈现浅灰白色-灰色交替的韵律性变化（图4f）。

Grt3：发育振荡环带结构，干涉色为一级灰色-黄白色，背散射图像呈浅灰色-灰白色（图4h、i）。空间上与阳起石共生，而且，其内部裂隙发育，可充填少量绿帘石。

4.1.2 石榴子石的主量元素

在本次研究中，选取了3 件代表性石榴子石进行了细致的电子探针成分分析，早期Grt1、Grt2 石榴子石，晚期Grt3 石榴子石样品各1 件，各类石榴子石电子探针成分分析结果见表1。不同石榴子石的元素组成主要为SiO2、CaO、FeOT和Al2O3，少量MnO、MgO 和TiO2。总体上，SiO2和CaO 含量变化并不大，而FeOT和Al2O3含量变化较大。w（SiO2）为35.75%～38.90%，w（CaO）为32.71%～35.02%，两者整体呈正相关关系；w（FeOT）为12.51%～28.50%，w（Al2O3）为0～12.80%，两者具有明显负相关关系；w（MnO）为0.32%～1.12%，w（MgO）为0～0.22%，w（TiO2）为0～2.52%。根据主量元素含量计算，石榴子石属于钙铝榴石-钙铁榴石固溶体系列，其中以钙铁榴石（And；38%～100%）和钙铝榴石（Gro；0～56%）为主，少量锰铝榴石（Spe）、镁铝榴石（Pyr）和铁铝榴石（Alm）（图5）。

Grt1：Grt1-c 的w（FeOT）为13.60%～14.18%，w（Al2O3）为11.82%～12.46%；钙铁榴石端员组分占51%～53%（Gro51-53And41-43Spr4-8）。Grt1-r 较Grt1-c 富铁而贫铝，w（FeOT）为14.76%～28.50%，w（Al2O3）为0～12.80%，钙铁榴石端员组分占60%～77%（Gro18-35And60-77Spr4-6）。从成分剖面中可以看出（图6a），Grt1 从核部到边部，石榴子石成分变化明显，呈现钙铁榴石端员组分先增加而后在边部显示较弱的振荡变化趋势。

Grt2：Grt2-c 具 有 最 高 的w（FeOT）（28.32%～28.49%），而最低的w（Al2O3）（0～0.12%），属于钙铁 榴石（And99-100Spr0-1）。Grt2-r 的成分 变 化 最大，w（FeOT）为18.55%～22.93%，w（Al2O3）为4.84%～8.12%，钙 铁 榴 石 端 员 组 分 占 60%～77%（Gro0-56And38-100Spr0-9）。此外，Grt2-c 的部分环带具有最高的w（TiO2）（1.00%～2.52%）。如图6b所示，从核部到生长边，石榴子石成分从钙铁榴石开始，钙铁榴石端员组分先逐渐减少、钙铝榴石端员组分逐渐增加，接着钙铁榴石端员组分突然增加、钙铝榴石组分突然减少，然后钙铁榴石和钙铝榴石端员组分呈现振荡变化。

图5 查岗诺尔铁矿石榴子石端员组分三角图解And—钙铁榴石；Alm—铁铝榴石；Gro—钙铝榴石；Pyr—镁铝榴石；Spe—锰铝榴石Fig.5 The end member composition diagram of garnet in the Chagangnuoer iron depositAnd—Andradite;Alm—Almandine;Gro—Grossularite;Pyr—Pyrope;Spe—Spessarine

Grt3：w（FeOT）为16.62%～21.27%，w（Al2O3）为6.63%～10.19%；钙铁榴石端员组分占50%～68%（Gro27-43And50-68Spr3-8）。总体看来，从核部到边部，Grt3 的钙铁榴石和钙铝榴石端员组分呈现振荡变化（图6c）。

4.2 多世代绿帘石结构及成分特征

在查岗诺尔铁矿区，绿帘石形成于热液成矿期青盘岩化阶段（洪为等，2012a），存在3 个不同世代，从早到晚依次为Ep1、Ep2 和Ep3，不同世代绿帘石具有明显不同的干涉色、背散射图像和成分特征（表2，图7a～g，图8）。

Ep1：呈粗粒自形-半自形晶，正交偏光显微镜和背散射图像下表面干净，多发育核-边结构。Ep1 核部（Ep1-c）具有较为均匀的一级紫红或姜黄异常干涉色、灰黑色背散射图像，且不发育振荡化带结构，而Ep1 边部（Ep1-r）的干涉色较为鲜艳的二-三级干涉色，背散射图像也较亮，呈浅灰色-灰白色（图7a、c）。此外，Ep1-r的干涉色的变化和BSE 图像的明暗程度呈韵律性变化，且二者具有很好的对应性，表明Ep1-r发育振荡环带结构（图7b、d）。Ep1-c的w（SiO2）为38.95%～39.23%，w（Al2O3）为25.44%～26.05%，w（FeOT）8.81%～9.31%，w（CaO）为23.62%～23.95%，w（MnO）为0.05%～0.18%，w（TiO2）为0.10%～0.12%，w（V2O3）为0.04%～0.07%（表2）。相较于Ep1-c，Ep1-r以具有更高的w（FeOT）（13.76%～16.29%）、w（TiO2）（0.19%～0.26%），更低的w（Al2O3）（19.75%～21.61%），以及相近的其他元素含量（表2，图7f，图8b）为特征。

表1 查岗诺尔铁矿石榴子石电子探针分析结果Table 1 Representative EPMA results of garnet in the Chagangnuoer iron deposit

续表 1-1Continued Table 1-1

续表 1-2Continued Table 1-2

表2 查岗诺尔铁矿绿帘石电子探针分析结果Table 2 The EPMA results of epidote in the Chagangnuoer iron deposit

Ep2：呈不规则粒状，常被Ep3 包裹、交代或交切，有时其内含Ep1包裹体或紧贴Ep1生长（图7a、c），它具有一级紫红异常干涉色和二级蓝干涉色，背散射图像总体也呈灰黑色，不发育振荡环带（图7a～e）。所有世代绿帘石中，Ep2 具有最高的w（MnO）（0.42%～1.19%），而其他主要元素含量与Ep1-c 相似，仅w（TiO2）（0.02%～0.07%）较Ep1-c 稍低一些（表2，图7f，图8a、b）。

Ep3：呈柱状和不规则粒状，通常围绕Ep1-r、Ep2边缘生长，或交代石榴子石，与阳起石、磁铁矿等伴生（图7a、c、e）。它具有鲜亮的不均匀二-三级干涉色，背散射图像显示弱不均匀性，总体呈亮灰白色（图7a～e）。除了相对较高w（MnO）（0.12%～0.77%）和较低w（TiO2）（0.02%～0.10%）以外，Ep3 的元素组成与Ep1-r较为相似（表2，图7f、g，图8a、b）。

总之，不同世代绿帘石的干涉色、背散射图像和FeO、Al2O3、MnO 含量存在明显的协变关系，由早到晚，从Ep1-c、Ep1-r、Ep2 到Ep3，绿帘石FeO、Al2O3、MnO含量呈现出一定地周期性变化。

5 讨 论

5.1 石榴子石形成的物理化学条件

图6 查岗诺尔铁矿三类石榴子石（a、b、c）环带成分变化示意图（剖面位置见图4c、f、i）Fig.6 The composition variation diagrams of garnet zonation（a,b,c）in the Chagangnuoer iron deposit（the location of EPMA analytical profiles shown in Fig.4c,f,i））

矽卡岩矿床中，石榴子石成分的变化与其形成的物理化学条件密切相关（艾永富等，1981；赵斌等，1983）。实验研究表明，在氧化条件下，常形成钙铁榴石，而在弱还原条件下，常形成富钙铝榴石（赵斌等，1983）。而且，中-碱性环境对钙铁榴石形成最佳，而酸性环境最利于钙铝榴石的形成（低pH 值时易于形成六次配位的Al），近等量的钙铁与钙铝榴石端员组分的石榴子石在相对中性的条件下形成（艾永富等，1981）。因此，矽卡岩矿床研究中，石榴子石成分常被用来定性约束成矿过程氧化还原条件和pH 值变化（李金祥等，2011；姚磊等，2012；费祥惠等，2014；高雪等；2014；王伟等，2016；李壮等，2017；边晓龙等，2019）。

查岗诺尔铁矿床早期石榴子石核部Grt1-c 的钙铝榴石组分略多于钙铁榴石（Gro51-53And41-43Spr4-8），表明其形成于弱氧化、弱碱性条件下；边部Grt1-r 以钙铁榴石组分占优（Gro18-35And60-77Spr4-6），表明Grt1-r形成于比Grt1-c 氧化且更偏碱性的流体环境。而且，Grt1-r发育细振荡环带，且明暗环带之间的Fe2O3和Al2O3含量呈现交替变化（图4c，图6a），这与多次周期性流体压力的聚集和释放有关，即流体的周期性沸腾作用，而与石榴子石形成时的温度无关（Yardley et al.，1991；Harlov et al.，2012；Park et al.，2017）。从Grt1-c到Grt1-r，FeOT含量是突然增加的，而且形貌上它们之间呈不整合接触（图4c），因此，推测Grt1-r 的形成与新注入的富铁流体相关，而非单一流体的连续演化。

图7 查岗诺尔铁矿不同世代绿帘石正交偏光照片（a、c）、BSE图像（b、d、e）及典型电子探针成分剖面示意图（f、g）Fig.7 Microphotographs under crossed nicols（a，c），BSE images（b，d，c）and compositional zonation profile（f，g）showing the compositional characteristics of three generations epidotes in the Chagangnuoer iron deposit

早期Grt2 石榴子石核部Grt2-c 几乎为纯钙铁榴石（And99-100Spr0-1），暗示其形成于富铁、氧化、碱性的热液流体；边部Grt2-r 的钙铁榴石与钙铝榴石端员组分含量相似（Gro34-54And38-61Spr6-9），指示此时流体具有弱氧化、弱碱性特征。在大多数矽卡岩矿床中，石榴子石核部多富集钙铝榴石，向边部多富集钙铁榴石（Gaspar et al.，2008；王伟等，2016）。相比而言，早期Grt2石榴子石明显不同，其发育反环带结构，即核部（Grt2-c）富钙铁榴石，边部（Grt2-r）富钙铝榴石（表1，图5，图6b）。如图4f 所示，Grt2-r 以灰黑色环带为界可进一步分为2 个不同部分，此带内侧从Grt2-c 向外，石榴子石的背散射图像整体亮度从Grt2-c 向外依次变暗，无明显明暗振荡变化，暗示此时石榴子石一直处于封闭或近封闭体系，并无压力明显压力波动。然而，矿物反环带结构同样可以在封闭体系中由流/熔体成分发生逆向变化而产生（Streck，2008）。Grt2-r 中灰黑色环带内侧石榴子石的Al2O3和TiO2含量相对Grt2-c明显是升高的（表1，图6b），这可能反映了水-岩作用过程中大哈拉军山组火山岩中的富Al 和富Ti 矿物，如斜长石、黑云母和辉石（洪为，2012），分解释放Al 和Ti，进而参与石榴子石结晶。对于Grt2-r 中灰黑色环带外侧石榴子石，其比内侧TiO2含量降低（图6b），而且还发育明暗相间振荡环带，表明流体开始起主导作用，且流体压力呈周期性变化（Yardley et al.，1991；Stowell et al.，1996；Harlov et al.，2012；Park et al.，2017）。

图8 查岗诺尔铁矿绿帘石XFe-MnO图解（a）和XFe-TiO2图解（b）Fig.8 XFe-MnO（a），and XFe-TiO2（b）diagrams of three generations epidotes in the Chagangnuoer iron deposit

晚期Grt3的钙铁榴石比钙铝榴石端员组分稍占优势（Gro27-43And50-68Spr3-8），表明其总体也形成于弱氧化、弱碱性环境。此外，Grt3发育明暗相间的振荡环带，且其通常作为角砾胶结物或细脉产出。因此，它的形成环境可能为开放、振荡的物理化学环境。3类石榴子石复杂的成分和结构变化所反映的主成矿阶段氧化还原条件的多变和氧化的富铁流体多次注入可能导致成矿体系铁质的不断浓集而形成大规模铁矿化。

5.2 绿帘石多阶段生长对流体演化的指示

绿帘石作为常见的含水矿物，其形成过程与流体直接相关。因此，绿帘石中记录了重要的相关流体的成分、温度、压力和氧逸度等信息（Holdaway，

1972；Bird et al.，2004；Enami et al.，2004；Mattinson et al.，2004；Feineman et al.，2007）。绿帘石的主量组分变化主要涉及M3+结构位置的Fe3+-Al3+替换（Bird et al.，2004；唐盼等，2019）。实验研究证实，绿帘石的Fe 含量（XFe值）与体系氧逸度和铁含量有关。通常氧化程度越高，绿帘石往往更富Fe（XFe值大）（Holdaway，1972；Liou，1973）。在自然体系中，这一结论也得到了证实，如Guo 等（2017）便识别出绿片岩相富Fe（高XFe值）绿帘石的形成与高氧逸度流体渗透有关。

查岗诺尔铁矿中的绿帘石与许多地热系统和矽卡岩型矿床中的热液绿帘石一样，呈现多阶段生长并发育复杂的内部环带结构（Bird et al.，2004；Kelmnd，2004 及其参考文献）。早世代绿帘石（Ep1）发育核-边结构（图7a～d），指示存在2 个阶段的生长历史。核部（Ep1-c）为低XFe值（0.19～0.21），边部Ep1-r 的XFe值明显稍高（0.26～0.32）（图7f，图8），表明边部（Ep1-r）相对核部（Ep1-c），其形成的氧逸度更高。边部（Ep1-r）往往还发育明暗相间的细振荡环带（图7a、b），表明边部的相关流体环境较为动荡。在微量元素组成上，从核部（Ep1-c）到边部（Ep-r），MnO含量基本没变，但TiO2含量显著增加（图8a、b）。流体中矿物发生结晶时，Cr、V、Ti和V等难溶元素通常较早发生沉淀。所以，边部（Ep1-r）若是从结晶出核部（Ep1-c）后的残余流体中沉淀出来的，其应该具有更低的TiO2含量。因此，富Ti的边部（Ep1-r）指示其形成过程中流体的成分也发生了变化。

中世代绿帘石Ep2 的XFe值（0.15～0.20）与早世代绿帘石的核部Ep1-c相似，但低于早世代绿帘石的边部Ep1-r 的XFe值（0.26～0.32）（图7f），表明流体氧逸度发生了降低。在微量元素组成上，Ep2 的MnO含量明显增加，最大可达1.19%，是所有绿帘石中MnO 含量最高的（图8a）。因此，与中世代绿帘石Ep2 相关的流体是富MnO 的流体。晚世代绿帘石Ep3 的XFe值（0.28～0.37）的与早世代绿帘石边部Ep1-r 相似，但比中世代Ep2 的XFe值高（图7f、g，图8），表明此时流体比与Ep2 平衡的流体氧逸度高。微量元素组成上，Ep3 的TiO2含量与Ep2 相似，而MnO 含量偏低且变化相对较大（0.14%～0.77%），但高于Ep1（图8a、b）。在结构上，Ep3 与Ep2 的边界多不规则，呈现交代关系。因此，Ep3 可能形成于较贫MnO 和TiO2的流体，而并不是由于Ep3 从Ep2 结晶后的残余流体中沉淀的结果，它的MnO 可能部分继承自Ep2。

综上所述，由早到晚，从Ep1-c、Ep1-r 到Ep2，再到Ep3，流体氧逸度经历了先升高、后降低、再升高的变化过程。同时，与之相平衡的流体的成分也是变化的，Ep1-r 形成于相对富TiO2的流体，Ep2 形成于富MnO 的流体，而与Ep3 相关的流体的MnO 和TiO2含量较低。

6 结 论

（1）查岗诺尔铁矿发育早世代（Grt1 和Grt2）和晚世代（Grt3）3 类不同类型的石榴子石，早世代石榴子石Grt1和Grt2发育明显核-边结构，晚世代石榴子石Grt3 发育单一振荡环带结构。早世代石榴子石Grt1 属于钙铁榴石-钙铝榴石系列，其中核部（Grt1-c）钙铁榴石-钙铝榴石端员组分相当，边部（Grt1-r）则明显更为富集钙铝榴石组分且显示振荡变化。早世代石榴子石Grt2 核部（Grt2-c）均匀，为钙铁榴石，边部（Grt2-r）发育成分环带，为钙铁榴石-钙铝榴石系列。晚世代Grt3主要为钙铁榴石，次为钙铝榴石，二者含量相差不大。这些石榴子石复杂的结构和成分上的变化与早期成矿环境的氧逸度、pH 值条件、压力波动、水-岩反应以及新流体注入等有关。

（2）查岗诺尔铁矿发育3 个世代绿帘石（Ep1、Ep2和Ep3），它们之间具有明显不同的结构和成分。系统的EPMA 分析结果显示，结构上的差异主要与Al、Fe、Mn、Ti 等元素的含量变化相关。不同世代绿帘石之间这些元素含量上的差异性指示流体体系氧逸度经历了先增加，后降低，再升高的变化过程。同时，流体成分先从相对贫Ti 和Mn 向相对富Ti 贫Mn演化，而后又变为富Mn贫Ti。

致 谢电子探针分析过程中得到了中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室贾丽辉老师的大力帮助，感谢杨富全研究员和一位匿名审稿人评阅了全文并提出了很多宝贵修改意见和建议，在此一并表示衷心感谢！