新疆海相火山岩型铁矿研究进展及问题

武阳 申萍 李昌昊

摘  要：海相火山岩型铁矿是近年来发现的重要富铁矿矿床类型。前人通过对不同矿床围岩进行锆石U-Pb年龄、黄铁矿Re-Os年龄、石榴子石Sm-Nd年龄和磁铁矿Re-Os年龄测试，认为主要形成时代多集中于古生代，此类矿床直接定年仍较困难。据矿床矿化特征认为有火山沉積型、火山岩浆-热液型和类矽卡岩型等成因类型。据磁铁矿电子探针、La-ICP-MS和Fe同位素实验认为，成矿物质为岩浆与岩浆-热液来源。该类矿床产出形态与矿床成因多与火山作用相关，距火山口由近及远具明显变化规律，造成同一成矿带中分布着不同成因矿床。其它类型铁矿已开展十分精细的矿物学成矿过程研究，矿床形成过程中的多期次成矿作用导致矿床兼具多种成矿类型特征。

关键词：海相火山岩型铁矿;磁铁矿;成矿模式

我国铁矿床类型丰富，按矿床成因分为沉积变质型、岩浆型、接触交代-热液型、火山岩型、沉积型、风化淋滤型等6种[1]，富铁矿多为火山岩型矿床与接触交代-热液型铁矿床。火山岩型铁矿按含矿建造形成环境可分为陆相火山岩型和海相火山岩型，海相火山岩型铁矿为产于海相火山-沉积岩系铁矿床，形成于与俯冲有关的活动大陆边缘（图1）[2]。铁矿床具以下特点：①矿床位于火山、岩浆构造活动带中，受火山机制控制明显;②含矿介质复杂，有火山岩浆、火山喷气、热液等;③矿石组构复杂多样;④铁矿石品位较高，一般大于35%，少量大于60%[3]。近年来随着勘查力度加大，西天山阿吾拉勒成矿带发现一系列海相火山岩型铁矿，主要以富铁矿石为主，该矿带为我国新发现的十大资源接替基地中唯一的铁矿资源接替基地[4]。本文拟通过对不同类型海相火山岩铁矿分布规律、地质特征、矿化类型及矿床成因与物质来源的分析，初步讨论该类矿床成矿规律。

1  铁矿床地质特征

海相火山岩型铁矿多分布于中国西部，主要矿集区为阿尔泰山、阿尔金山的喀腊大湾地区、东准噶尔北缘、扬子板块西缘、西天山阿吾拉勒成矿带和东天山，零星分布于青海开心岭地区及海南的石碌铁矿[4-14]。

海相火山岩型铁矿据其矿化阶段可划分为火山喷溢-沉积型、火山岩浆-热液型、火山热液交代型及火山沉积型等，同时存在后期多期次矿化叠加作用，矿床围岩特征、矿体产状、矿石组构及围岩蚀变等变化较大。海相火山岩型铁矿主要产于海相火山-沉积岩系中，矿体围岩岩性变化较大，基性-中性-酸性熔岩及火山岩均可产出矿体（雅满苏铁矿床、智博铁矿床）。同时火山沉积岩（松湖矿床、查岗诺尔矿床）或碎屑岩（红云滩矿床）也有产出[15-19]。矿床受火山机构控制，矿体形态多样。靠近火山口裂隙发育处，矿体以脉状产出且倾角较大（雅满苏矿床、备战矿床）。破火山口断裂裂隙中，矿体多以与围岩整合接触的层状、似层状或透镜状产出（智博矿床、查岗诺尔矿床）。远离火山口向沉积岩过渡地区，矿体一般呈层状和条带状（式可布台矿床、松湖矿床）。总体上，矿体以层状、脉状、似层状和透镜状为主。由于火山机构控制与成矿方式存在差异，矿区铁矿石组构不同。距火山口较远处，成矿方式为化学沉积为主的式可布台、松湖矿床和莫托萨拉矿床等。铁矿石以赤铁矿为主，少量镜铁矿和菱铁矿，其它为磁铁矿。矿石类型主要有块状、条带状、浸染状、角砾状、网脉状和纹层状，主要以块状块石为主。

由于矿床成矿作用不同，据不同矿床成矿期次，自早向晚可划分为岩浆成矿阶段、热液成矿阶段。矿体可能同时存在岩浆成矿阶段和热液成矿阶段（如智博矿床），也可能发育热液成矿阶段（敦德矿床），或存在后期表生成矿阶段（松湖铁矿）。因此，虽矿床不同，矿床间围岩蚀变则具相似特征。矿床围岩蚀变主要有钠长石化、矽卡岩化、绿帘石化、钾长石化、绿泥石化、碳酸盐化等，主要蚀变矿物为钠长石、透辉石、透闪石、石榴子石、绿帘石、绿泥石、方解石和石英等。矿床不完全发育上述蚀变矿物，如西天山智博矿床由于缺乏膏盐层，不发育石榴子石。主要基于蚀变矿物组合进行划分，其中类矽卡岩型矿物蚀变类型与矽卡岩矿床蚀变类型相似，又不同于传统矽卡岩矿床。传统矽卡岩产于中酸性岩体和碳酸盐岩接触带，矿体形成年龄多晚于围岩年龄。海相火山岩型类矽卡岩型矿床矿体和矽卡岩不产于中酸性岩体和碳酸盐岩的接触带。据前人获得的年龄数据，如查岗诺尔矿床石榴子石Sm-Nd等时线年龄为316.8 Ma[20]，矿区内拉斑玄武岩锆石年龄为314 Ma[21]，形成时代较接近，表现出同生矿床时代特征，有别于具明显后生矿床特征的传统矽卡岩矿床（表1）。

2  海相火山岩型铁矿成矿时代

火山岩型铁矿床矿石矿物多为铁氧化物（磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿等），前人对此类矿床定年多集中于含矿火山岩的年龄。扬子板块西缘铁矿、海南石碌铁矿与阿尔金山迪木那里克铁矿赋矿地层形成于元古代（622.6±1.4） Ma，并经后期多期次改造[10，12-13]。其它主要铁矿多形成于古生代，空间分布上具明显变化，如中亚造山带自北向南，阿尔泰山的蒙库铁矿和阿巴宫铁矿侵入花岗岩年龄分别为（400±6） Ma和（412±3.5）Ma[38-39]。准噶尔北缘乔夏哈拉铁矿形成年龄为377～383 Ma[40]。西天山阿吾拉勒成矿带中备战（301～303 Ma）、敦德（296 Ma）、智博（294～320 Ma）、查岗诺尔（314 Ma）、松湖（342 Ma）、式可布台（301～313 Ma）等矿床多形成于晚石炭世[21，26-27，41-43]。东天山雅满苏铁矿形成时间为323 Ma[19]。

上述年龄数据测试对象多为与矿体相关的火山岩锆石年龄，能否代表矿体形成时代仍存在争议。有学者使用黄铁矿Re-Os及石榴子石Sm-Nd年龄进一步约束矿床形成时代[20，44]，也有学者使用磁铁矿Re-Os年龄对矿体形成时代进行直接约束，并取得一些成果。如新疆东天山沙泉子铁矿获得磁铁矿Re-Os年龄为（303±12） Ma[45]，松湖与敦德铁矿磁铁矿Re-Os年龄分别为314 Ma和306 Ma[2]。此方法对实验样品要求较高，磁铁矿样品需满足较高纯度及较高且变化较大的Re和Os含量，且磁铁矿Re-Os体系未受后期地质事件影响，才可获得可靠的等时线年龄。因此对铁氧化的直接定年仍较困难。

3  矿床成因和矿床物质来源

3.1  磁铁矿元素特征

前人对海相火山岩型铁矿成因研究主要基于不同矿区地质特征与成矿环境判断矿床成因类型，主要成因认识集中于火山沉积型、火山岩浆-热液型和类矽卡岩型等成因類型[34，46-47]。

磁铁矿是火山岩型铁矿主要金属矿物，也是重要的成因指示矿物。由于形成环境的变化，磁铁矿中的Fe2+和Fe3+可与不同元素发生类质同象替换，不同元素组成可指示不同形成环境。前人通过对磁铁矿成分分析[48]，绘制了一系列不同元素组合判别图解，对不同成因磁铁矿进行分类，取得广泛应用。由于环境中温度、压力和化学条件的变化，磁铁矿可能经历岩浆阶段（发生钛铁矿出溶结构）或热液阶段（发生溶解再沉淀或重结晶过程）成矿过程[49-51]。此类图解在实际使用中常出现同一类型磁铁矿在数据投图中落于不同成因类型的结果（图2），不能对成矿类型过程进行准确解释，造成对同一矿床存在不同的成因认识。

基于上述磁铁矿图解存在的问题，近年来对磁铁矿矿物结构研究增多，通过详细的矿物学研究，对不同阶段磁铁矿元素特征进行 （Ti+V）-（Ca+Al+Mn） 图解，可准确反映各成矿阶段主要成矿作用，并取得较好结果[56-57]。由于海相火山岩型铁矿在形成过程中环境变化导致磁铁矿中元素特征的变化。在实际应用中，同一矿床可能存在指示多种成因解释的磁铁矿，存在既有指示岩浆成因的元素特征，也有指示热液成因的元素特征。在对磁铁矿元素特征数据分析中仍存在数据不能很好解释成矿类型的问题（图2）。因此，对后续此类型矿床中磁铁矿的研究，应对磁铁矿成矿期次和结构特征，结合同一磁铁矿中不同结构类型元素特征进行分析。通过对磁铁矿进行矿物学研究，结合成矿过程分析元素特征，研究成矿类型，可取得更准确的研究结论。

3.2  磁铁矿Fe同位素特征

前人开展同位素示踪研究，通过对不同矿床中磁铁矿Fe，O同位素、黄铁矿Fe，S同位素及流体H-O同位素等研究，认为矿床物质主要为岩浆来源和岩浆-热液来源[46，58-59]。随着近年来非传统同位素研究程度的深入，磁铁矿中Fe同位素为示踪矿床中铁质的理想示踪同位素。Fe为磁铁矿主要金属元素，在热液系统中其同位素稳定，可保持原有同位素特征。据Fe同位素在岩浆系统和岩浆-热液系统的不同分馏特征，可用于判别岩浆矿床和岩浆-热液矿床。Fe同位素数据在实际应用存在磁铁矿元素判别图解中的类似问题（图3），如备战铁矿中Fe同位素数据中，不同矿石构造Fe同位素表现出不同同位素特征。致密块状矿石中δ56Fe的值集中于0值附近，指示岩浆期铁质主要来自于地幔。脉状矿石相对富集铁的轻同位素，分布范围较致密块状矿石铁同位素大，热液活动对脉状矿石影响较大，指示矿床为火山岩浆成因+热液交代共同作用[54]。随着实验手段的提升，对智博和查岗诺尔矿床开展了原位Fe同位素研究。Fe同位素表明，智博磁铁矿δ56Fe位于正岩浆磁铁矿范围，与层状侵入体和IOCG矿床相近;查岗诺尔以浸染状出现的磁铁矿，δ56Fe特征值更接近热液成因[15]。磁铁矿Fe同位素可指示矿床成因。由于上述研究未开展磁铁矿详细成矿阶段与结构研究，因而不能对矿床在成矿过程中的Fe同位素进行准确描述。Knipping et al.等基于前期磁铁矿精细矿物学工作[56]，对各阶段磁铁矿进行原位Fe同位素测试，详细描述了Los Colorados基鲁纳型铁矿床（IOA矿床或陆相火山岩型铁矿）自岩浆过程向热液过程中Fe同位素的分馏变化及成矿过程。对海相火山岩型铁矿的Fe同位素的精细研究稍显不足，在以后研究工作中加强此类工作。

4  矿床成矿背景与成矿模式

海相火山岩型铁矿成矿时代多集中于古生代，中亚造山带由早古生代至早二叠世早期混合增生的古代微大陆、岛弧、海洋高原和海洋板块拼接形成[63]。前人通过自北向南典型矿床的成矿背景研究，认为存在陆缘弧环境下板块俯冲作用由大陆边缘俯冲-碰撞体系向后碰撞造山阶段的拉张体系转变，此过程中形成一系列矿床[18，64-65]。李凤鸣等通过对西天山石炭纪火山-沉积盆地研究，认为大哈拉军山组中形成的大型铁矿床受火山活动控制明显，与火山中心距离变化具明显成矿变化规律。总体演化规律为自火山机构内带及火山通道向火山机构外带过渡过程中，成矿作用由矿浆贯入-气液交代填充成矿火山喷发沉积-气液交代成矿化学沉积成矿过渡。Hou et al以东天山雅满苏铁矿为主要研究对象，总结相关海相火山岩成矿模式。据火山中心距离，分为中心相、近端相和远端相。随着火山中心距离的变化和海水在成矿过程中的作用，由近及远矿床中氧化铁富集机制由岩浆、热液向沉积转变。该研究与西天山智博和查岗诺尔矿床研究成矿模式相近[18]。申萍等通过对西天山阿吾拉勒成矿带中4处大型铁矿矿床地质总结，将阿吾拉勒成矿带东段海相火山岩型铁矿成矿模式划分为火山通道相热液富集铁多金属成矿模式和火山边缘相沉积-热液富集铁成矿模式。张招崇等通过建立双层对流模型解释围绕火山中心的成矿规律变化，认为火山口附近由于存在与火山作用有关的放射状或环状断裂-裂隙，当海水深度较浅时，压力较低，含有大量挥发分的成矿流体还没有到达海底就会在上升通道中发生沸腾卸载成矿，因此充填在裂隙中形成脉状矿床;当海水深度较深时，压力较大，成矿流体直接上升到海底，不会在通道发生卸载成矿，形成海底喷流作用。据成矿流体与海水密度大小关系，自火山口向远离火山口的地区形成不同矿体产状与矿化类型矿床。结合岩浆性质、岩浆演化过程和火山构造等地质因素，共同控制和制约与海底岩浆-热液系统相关的矿床。

综上所述，海相火山岩型铁矿在矿床地质特征上多与海底火山作用相关，围绕火山通道及与火山作用的断裂、裂隙均有空间上的成因联系。因此在矿床深部预测过程中，可进一步对位于火山通道相的矿床（矿体产状为脉状）和经历破火山口塌陷的矿床（矿体产状为层状）深部进行预测，以期探知深部矿体。

5  结语

海相火山岩型铁矿为重要富铁矿床类型，仍存在诸多科学问题未解决，如选择何种合适矿物与实验手段进行矿床定年;海相火山岩型铁矿蚀变矿物组合与矽卡岩铁矿相近，又不同于矽卡岩矿床，其蚀变过程如何进行;精细矿物学工作与详细成矿过程研究的相对薄弱等问题。

针对上述问题，国内学者对外陆相火山岩性或矽卡岩型铁矿进行了细致的成矿过程研究和成矿模式总结。目前对海相火山岩型铁矿的研究相对滞后。今后研究工作中可借鉴其它类型矿床的研究经验，开展海相火山岩型铁矿研究，进行细致和深入工作，以期更好地揭示海相火山岩型铁矿的成矿机制，丰富和发展铁矿的成矿与找矿理论依据。

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Abstract： Submarine volcanogenic iron oxide deposits are an important type of iron-rich ore deposits， according to the zircon U-Pb age， pyrite Re-Os age ， magnetite Re-Os age and garnet Sm-Nd age of the wall rock of different ore deposits， the result shows that thess mainly formed during the Paleozoic， but directly for such deposits dating is still more difficult.According to the mineralization characteristics of the deposit， it is considered that the deposit has volcanic sedimentary type， volcanic magmatic hydrothermal type and skarn-like type. According to the EMPA， LA-ICP-MS and Fe isotope experiments of magnetite， the source of ore-forming materials is considered to be magmatic source and magmatic hydrothermal source. In addition， the occurrence form and genesis of these deposits are mostly related to volcanism， and there are obvious changes from near to far from the crater， so the genesis of different deposits in the same metallogenic belt is caused. Exquisite mineralogical metallogenic processes of other types of iron ores have been studied .The multi-stage mineralization in the process of deposit formation leads to the characteristics of multiple metallogenic types.

Key words： Submarine volcanogenic iron oxide deposits; Magnetite; Metallogenic model