西天山松湖铁矿床磁铁矿标型特征及其对矿床成因的限定

荆德龙，汪帮耀，王志华，赵晓健，滕家欣，姜常义，杨镇熙

(1. 中国地质调查局西安地质调查中心 自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，陕西 西安 710054； 2. 长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054； 3. 甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000)

0 引 言

火山岩型铁矿床是指与火山—次火山岩有关的铁矿床,因常形成大型富铁矿床而备受关注[1-2]。根据火山喷发环境，该类矿床又可进一步划分为陆相火山岩型铁矿床和海相火山岩型铁矿床两类[3-7]。前者以瑞典Kiruna、南美El Laco和中国宁芜地区玢岩型铁矿床为代表；而后者在国际上研究相对较少，国内以新疆东天山雅满苏、新疆西天山智博、云南大红山、海南石碌等铁矿床为代表。铁成矿与火山岩浆活动密切相关，又普遍受到热液交代蚀变的影响，因此，其矿床成因备受争议[8]。近年来，国际上兴起了对铁氧化物-磷灰石(Iron Oxide-apatite,IOA)型矿床研究热潮，研究焦点主要集中于岩浆-热液过程中铁质富集机理。一些学者提出了岩浆磁铁矿气泡悬浮及不混溶富水铁矿浆熔体等成因模型[9-13]，实验岩石学研究同样支持铁氧化物溶体不混溶机理在IOA型矿床形成过程中发挥了重要作用[14]。越来越多的研究表明，与中酸性岩浆作用相关的铁质超常富集经历了矿浆和热液两个阶段。然而，与陆相火山岩型铁矿床不同，海相火山岩型铁矿床通常不具有磁铁矿-磷灰石矿物组合，晚期热液蚀变作用更为强烈且复杂，使得对于该类矿床的研究遭遇了更多的困扰和挑战，也在一定程度上制约了区域找矿勘查工作的进一步推进。

新疆西天山阿吾拉勒成矿带自西向东分布有预须开普台、松湖、尼新塔格、查岗诺尔、智博、敦德和备战等7个大中型铁矿床以及若干个小型铁矿床(点)，已探明铁矿石储量达15.46×108t[15-18]。这些铁矿床均赋存于石炭纪一套火山岩中，产出受火山机构的明显控制，并以富铁矿石为特征。随着该成矿带研究程度的提高，火山作用与铁成矿之间的密切联系逐渐被认识，海相火山岩型铁矿床这一成因类型被越来越多的学者所认同，但是对于成矿带内这些铁矿床的成矿作用仍存在不同认识[6,19-24]。松湖铁矿床发现较晚，虽然已积累了一定的研究，但相对于成矿带上其他铁矿床，其研究程度仍较低，成矿作用过程和铁质富集机理等尚存在不少争论。目前对该矿床的成因类型存在以下不同观点：①火山沉积型铁矿床[25-26]；②火山热液型铁矿床[27-29]；③火山沉积-热液复合型铁矿床[30-31]；④受热液作用改造的火山岩型铁矿床(火山岩浆-热液复合型铁矿床)[32-33]。这些研究均认同该矿床中存在热液磁铁矿，但对于是否存在岩浆磁铁矿仍有争议，因此，磁铁矿成因研究对于准确厘定松湖铁矿床成因类型显得尤为重要。

磁铁矿是一种铁矿床中最主要的矿石矿物或常见的副矿物。不同成因磁铁矿的显微结构、晶胞参数及化学组分等特征差异明显，因此，磁铁矿标型特征可作为一个重要的矿物成因指示剂[34-38]。近年来随着测试技术的进步，通过磁铁矿矿物学及矿物化学研究来探索矿床成因和指导找矿勘探工作引起了越来越多的关注。尤其是电子探针(EPMA)以及激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)等原位微区分析技术的发展极大地促进了矿物学结构和成分的微观尺度研究，为复杂矿床的成因研究提供了新的研究思路和方法[8,10,39-57]。除此以外，磁铁矿中出现矿物包裹体是常见现象，这些包裹体反映了磁铁矿的形成环境，可通过测量包裹体的爆裂温度来了解其形成温度[58]。

本文在详细的野外调查和室内岩相学研究基础上，采用EPMA、LA-ICP-MS、X射线衍射及包裹体热爆测温等测试方法对新疆西天山松湖铁矿床中的不同类型磁铁矿开展了详细的矿物学和矿物化学特征研究，通过对比分析磁铁矿标型特征探讨了其形成条件，并对该矿床的成因进行了限定。

1 地质背景概况

1.1 区域地质背景

新疆西天山是指新疆托克逊—库米什公路以西的天山造山带部分。位于西天山腹地的伊犁地块被认为是古生代洋盆中具有前寒武纪结晶基底的古老地块[59-63]。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(图1)。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。北天山洋盆向伊犁地块之下俯冲后，于石炭纪末期增生造山过程结束，西天山地区自二叠纪开始进入后碰撞演化阶段[59,63-66]。石炭纪—二叠纪，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，形成了区域内广泛发育的火山岩。西天山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内。

1.2 矿床地质特征

西天山松湖铁矿床位于尼勒克县养鹿场南侧，西距县城110 km，中心地理坐标为(43°36′09″N，83°49′49.74″E)。矿区内出露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)(图2)。其中，大哈拉军山组第二岩性段整体上为一套浅海相中酸性火山岩、火山碎屑岩组合，呈NW—SE向带状展布。本次研究通过大比例尺填图工作在矿区内及其外围发现大量安山岩、玄武安山岩及少量流纹岩地层(图2)。矿区范围内侵入岩不发育，小型断层和劈理构造发育，其中穿过矿区的F2断层对矿体的产出起到了一定的控制作用。

矿区内圈定L1、L2两个铁矿体，其中L1矿体最大，也是矿区内的主矿体，在空间上呈层状、似层状和透镜状赋存于灰绿色—灰紫色安山质火山碎屑岩及安山岩中，局部夹灰岩透镜体。矿体产状与地层产状基本一致，走向为270°～290°，倾角近于直立。矿体与围岩之间为整合接触、渐变过渡接触关系，局部为断层接触关系[32]。已有研究表明，松湖铁矿区内的火山岩形成于活动大陆边缘环境，其岩浆源区为莫霍面附近的加厚地壳根部[33,67]。不同学者获得矿区火山熔岩及火山碎屑岩的年龄差别较大，为343.23～326.80 Ma[29,67-68]。这些年龄均属早石炭世，明显早于成矿东段火山岩成岩年龄(321～294 Ma[33])。

1.3 矿化蚀变特征

①为天山北缘断裂带；②为尼古拉耶夫—那拉提南缘断裂；③为中天山南缘断裂；图件引自文献[59]，有所修改图1 西天山阿吾拉勒成矿带大地构造位置Fig.1 Tectonic Location of Awulale Metallogenic Belt in West Tianshan

图2 松湖铁矿床地质简图Fig.2 Geological Sketch Map of Songhu Iron Deposit

Mt为磁铁矿；Hm为赤铁矿；Py为黄铁矿；Kfs为钾长石；Ep为绿帘石图3 矿石构造特征Fig.3 Structural Characteristics of Ores

松湖铁矿床的铁矿石构造类型较为丰富，主要有浸染状、致密块状、角砾状、条带状和斑杂状等(图3)。其中，浸染状矿石为主要矿石类型，致密块状和角砾状矿石次之，条带状及斑杂状矿石分布较少。矿石中金属矿物以磁铁矿为主，次为黄铁矿，此外还有少量赤铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿。矿区围岩蚀变发育，蚀变类型丰富，可见绿泥石化、绿帘石化、阳起石化、碳酸盐化、硅化、钾长石化、钠长石化、电气石化和表生褐铁矿化，其中分布最为广泛、与磁铁矿关系最为密切的为钠长石化、阳起石化和绿泥石化。值得注意的是，在浸染状矿石及角砾状矿石磁铁矿角砾中见有气孔、杏仁构造，斜长石斑晶分布于磁铁矿及斜长石(通常为钠长石)微晶组成的基质中[图4(a)、(b)]，显示矿浆成因特征。此外，在部分角砾状矿石及火山角砾岩中常见一种特殊类型的磁铁矿浆屑，即不规则状碎屑全部由微细粒磁铁矿、半自形—他形磷灰石、钠长石以及绿泥石和阳起石杏仁组成，其中半自形—他形磷灰石、钠长石以及杏仁被压扁拉长，呈半定向排列[图4(h)]，指示该类碎屑为富挥发分、富铁岩浆喷出地表并快速冷却形成。在浸染状矿石中常见板条状、树枝状磁铁矿[图4(c)]，该类磁铁矿在瑞典Kiruna以及中国长江中下游地区玢岩型铁矿床(或将二者统称为IOA型矿床)中均较为常见，被认为是典型的岩浆磁铁矿。块状矿石与浸染状矿石呈渐变过渡关系，局部块状矿石显示晚期贯入特征[图3(c)]，脉石矿物常见钠长石、黄铁矿、钾长石及方解石团块[图3(a)～(f)]。而条带状及斑杂状矿石中粗粒磁铁矿与黄铁矿、钾长石、方解石等热液矿物呈条带状相间分布[图3(h)、(i)]，磁铁矿多为自形—半自形粒状，手标本上可见磁铁矿菱形十二面体或八面体完整晶体，镜下发现磁铁矿颗粒之间具120°共结夹角，具热液成因特征。角砾状矿石中磁铁矿有两种：一种作为角砾存在[图3(g)]，描述如前；另一种存在于胶结物中[图3(e)、(f)和图4(d)]，脉石角砾多呈隐爆角砾岩特征，磁铁矿胶结物呈贯入充填特征，伴随阳起石化、钠长石化等，该类矿石普遍叠加后期绿泥石化、绿帘石化及钾长石化。

2 样品采集

在详细的野外地质调查基础上，本次研究系统采集了西天山松湖铁矿区内矿体露头及钻孔中具代表性的岩石及矿石样品。在室内对这些样品进行了详细的岩相学研究，并在各类矿石中挑选出最具有代表性的样品作为进一步测试分析的对象。其中，浸染状矿石采自L1矿体中上部，矿石中磁铁矿体积分数为20%～25%，脉石矿物以斜长石和绿泥石为主，含少量角闪石；磁铁矿粒度较细，多呈半自形粒状，少量呈自形板条状[图4(a)～(c)]，常见针状赤铁矿化。致密块状矿石采自L1矿体中下部，矿石中磁铁矿体积分数为50%～55%，粒度较细，多呈半自形—他形[图4(d)～(f)]，常伴生少量黄铁矿，脉石矿物主要为细针状、长柱状斜长石和团块状分布的绿泥石、阳起石。角砾状矿石采自L1矿体顶部，矿石中磁铁矿有两种，一种存在于胶结物中，粒度较粗[图3(e)、(f)，图4(g)、(i)]，另一种存在于磁铁矿角砾中，粒度较细[图3(g)和图4(g)～(i)]；脉石矿物较为复杂；该类矿石中测试对象为胶结物中的粗粒磁铁矿。条带状矿石采自L1矿体底部(矿区底部通风峒)，整体上磁铁矿与黄铁矿、脉石矿物呈条带状相间分布[图3(h)、(i)，图4(j)～(l)]，局部呈现似层状构造[图3(i)]；矿石中磁铁矿呈中—粗粒半自形—他形粒状[图4(h)、(i)]，含量变化较大。根据上述特征，将研究区磁铁矿划分为岩浆磁铁矿(Mt1)和热液磁铁矿(Mt2)两类。

3 分析方法及结果分析

3.1 分析方法

本次研究对西天山松湖铁矿床铁矿石中的磁铁矿进行EMPA、包裹体爆裂温度、晶胞参数及LA-ICP-MS微量元素分析。

将采集的样品切取一部分磨制成厚约5.0 mm的磨光片或厚约0.5 mm的探针片，在显微镜下进行仔细观察研究，确定各类矿石中磁铁矿的典型特征并照相。磨光片及探针片制作由中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成；磁铁矿挑选及反射光照相、电子探针分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成。电子探针分析仪器型号为JEOL-JXI-8100，工作条件包括：加速电压为15 kV；电流为20 nA；束斑直径为5 μm。

将各类矿石粉碎至50～80目，在双目镜下挑选出磁铁矿颗粒，纯度超过99%，称取15 mg样品进行磁铁矿包裹体爆裂温度分析。分析流程主要是通过缓慢升温，使磁铁矿晶体内的包裹体发生爆炸破裂，利用声学原理对包裹体爆裂所产生的声响进行记录，同时记录包裹体爆裂时的温度。本测试由中国科学院地质与地球物理研究所谢亦汉研究员分析完成。分析仪器为DT-5型矿物包裹体热爆测温仪，分析精度优于2 ℃。

将挑选出的各类磁铁矿颗粒进一步粉碎至200目以下，取5 g左右进行磁铁矿晶胞参数分析。该分析由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，分析方法为粉晶X射线衍射法，所用仪器型号为Panalytical X’Pert PRO MPD，检测方法依据《矿物晶胞参数的测定：粉末X射线衍射法》(EJ/T 553—91)[69]。

Mt1为岩浆磁铁矿；Mt2为热液磁铁矿；Ccp为黄铜矿；Pl为斜长石；Ab为钠长石图4 磁铁矿显微结构特征Fig.4 Microstructure Characteristics of Magnetites

磁铁矿原位LA-ICP-MS微量元素分析由中国地质调查局国家地质实验测试中心完成。使用仪器为Thermo Element II型等离子质谱仪，激光剥蚀系统为New Wave UP-213。实验采用氦气作为剥蚀物质的载气，激光波长为213 nm，束斑直径为40 μm，脉冲频率为10 Hz，能量为0.176 mJ，密度为23～25 J·cm-2。测试过程中，首先遮挡激光束进行空白背景采集15 s；然后，在显微镜下圈定各类矿石中典型磁铁矿分析靶区，并进行样品连续剥蚀采集45 s；停止剥蚀后，继续吹扫15 s清洗进样系统。单点测试分析时间为75 s。等离子质谱测试参数包括：冷却气流速(Ar)为15.55 L·min-1；辅助气流速(Ar)为0.67 L·min-1；载气流速(He)为0.58 L·min-1；样品气流速为0.819 L·min-1；射频发生器功率为1 205 W。测试数据采用内标和外标相结合的方法，内标选择Fe，外标使用标样NIST-612[70]。

3.2 结果分析

3.2.1 爆裂温度

本次研究选取了松湖铁矿床5件磁铁矿样品进行包裹体爆裂温度分析，包括2件浸染状矿石、1件角砾状矿石、1件块状矿石以及1件条带状矿石。分析结果见表1。

分析获得的爆裂温度曲线(图5)中，每一个尖峰代表该温度下包裹体爆裂强度，可近似代表该温度下包裹体爆裂总数。本次研究分析的多数岩浆磁铁矿样品爆裂总数远远大于热液磁铁矿样品，指示岩浆磁铁矿较热液磁铁矿中含有更多的包裹体。这些包裹体爆裂温度表现出双峰特征(图5)，其中爆裂温度Ⅰ(TⅠ)为328 ℃～397 ℃，代表磁铁矿中包裹体初始爆裂温度，爆裂温度Ⅱ(TⅡ)为424 ℃～485 ℃，代表磁铁矿中包裹体大量爆裂温度。热液磁铁矿中包裹体数量明显较少，其爆裂温度双峰特征不明显，初始爆裂温度为343 ℃～385 ℃，与岩浆磁铁矿爆裂温度Ⅰ相当，而明显低于爆裂温度Ⅱ。

表1 包裹体爆裂温度统计结果Tab.1 Statistical Results of Inclusion Explosion Temperature

爆裂强度近似代表爆裂总数图5 包裹体爆裂温度曲线Fig.5 Curves of Inclusion Explosion Temperature

3.2.2 晶胞参数

一般来说，磁铁矿的晶胞参数主要受磁铁矿晶体中类质同象元素替代影响。不同成因类型磁铁矿的晶胞参数在一定范围内变化，由此可以根据获得的磁铁矿晶胞参数利用排除法粗略地得到部分成因信息。本次研究对阿吾拉勒成矿带内7个典型铁矿床磁铁矿样品进行晶胞参数分析，其中松湖铁矿床共计9件，分析结果如表2所示。此外，收集了长江中下游地区典型玢岩型铁矿床磁铁矿晶胞参数，并投在图6中进行对比研究。松湖铁矿床各类磁铁矿的单位晶胞棱长并无明显差异，与尼新塔格、备战、查岗诺尔及智博铁矿床磁铁矿的单位晶胞棱长变化特征基本一致，均浮动变化于纯磁铁矿(Pure Magnetite)的理论值(8.395 nm)附近(图6)。整体而言，与长江中下游地区典型陆相火山岩(玢岩)型铁矿床磁铁矿的晶胞参数对比，阿吾拉勒成矿带内磁铁矿晶胞参数略高，变化范围在接触交代矿床与岩浆矿床磁铁矿之间(图6)。

3.2.3 微量元素

Nadoll等通过对世界范围内不同地质环境中磁铁矿的1 415组EPMA、LA-ICP-MS分析数据的统计发现，磁铁矿中微量元素含量变化范围很广，但一系列元素(包括Mg、Al、Ti、V、Co、Ni、Zn、Cr、Mn、Ga和Sn)可以出现在各种成因类型的磁铁矿中并达到可检测含量水平[43]。这些元素被称为磁铁矿元素(Magnetite Elements)。本次研究所获得的分析结果(表3)亦证明了上述结论。除部分样品Co、Ga、Cr和Sn含量(质量分数，下同)低于10×10-6外，所有样品的其他磁铁矿元素含量均超过10×10-6。

就松湖铁矿床而言，岩浆磁铁矿具有高V、Ni含量，而Al、Mn、Co、Zn、Sn含量均低于热液磁铁矿，Ti、Cr含量则二者相当(图7、8)。与世界其他典型矿床中磁铁矿相比，松湖铁矿床热液磁铁矿具有高Mg、Al、Mn和Zn含量，各元素含量均与矽卡岩型矿床中的热液磁铁矿相当；岩浆磁铁矿则具有高V含量和低Al、Sn、Zn含量特征，V含量与玢岩(或斑岩)型及花岗闪长岩型岩浆磁铁矿相当，而Mg、Mn、Ni含量也与玢岩(或斑岩)型岩浆磁铁矿相当。

表2 晶胞参数分析结果Tab.2 Analysis Results of Lattice Parameter

图6 松湖铁矿床及典型火山岩型铁矿床磁铁矿晶胞参数对比Fig.6 Comparisons of Magnetite Lattice Parameters Between Songhu Iron Deposit and Other Typical Volcanic Iron Deposits

4 讨 论

4.1 磁铁矿成因

磁铁矿作为一种铁矿床中最主要的矿石矿物或常见的副矿物，在不同地质作用及环境条件下均有产出，其标型特征对于形成环境的指示作用备受关注。

由于不同类型矿石中常见岩浆磁铁矿与热液磁铁矿共存，而晶胞参数测试对象为大于200目的粉末，所以在制样过程中不可避免地获得两期磁铁矿混合样品。最终获得的分析结果显示松湖铁矿床中混合磁铁矿晶胞参数略低于前人统计的岩浆矿床，但又略高于长江中下游地区玢岩型铁矿床(图6)。由此可粗略地认为，松湖铁矿床的形成过程中岩浆磁铁矿占比要略高于典型的玢岩型铁矿床。

Huang等近年来一直致力于磁铁矿微量元素地球化学研究，对大量磁铁矿进行原位微量元素分析并引用偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)机器学习方法对这些数据进行统计挖掘[54-56]。研究表明，对于斑岩型矿床，V、Zr、P、Nb等与岩浆磁铁矿关系更为密切，而Mg、Si、Ge等则对热液磁铁矿的识别更为重要[54-56]。据此，将松湖铁矿床内各类磁铁矿大陆地壳标准化微量元素蛛网图(图9)与典型岩浆磁铁矿、热液磁铁矿进行对比。结果表明：松湖铁矿床内浸染状与块状矿石微量元素蛛网图的曲线分布大致相同，并与典型岩浆磁铁矿微量元素蛛网图更为相似；而条带状及角砾状矿石磁铁矿微量元素蛛网图与典型热液磁铁矿高度相似(图9)。

陈光远等通过对磁铁矿单矿物化学分析资料进行统计，建立了磁铁矿TiO2-Al2O3-MgO成因类型判别图解[34]；王顺金在此基础上将磁铁矿划分为10种成因类型[71]。林师整根据超过3 000个磁铁矿化学组成数据制作了TiO2-Al2O3-MgO+MnO磁铁矿成因类型判别图解[36]，更详细地将磁铁矿成因分为6种，即侵入岩副矿物型、岩浆型、火山岩(玢岩)型、接触交代型、矽卡岩型和沉积变质型。Dupuis等对世界上不同类型铁矿床中磁铁矿和赤铁矿的电子探针分析数据进行统计分析，提出了Ti+V-Al+Mn+Ca图解和Ni/(Cr+Mn)-Ti+V图解用于区分不同成因类型铁矿床[42]；Patorick等对上述图解进行了验证和改进，提出了Ti+V-Al+Mn图解[43]。这些图解是建立在前人对数以千计的磁铁矿分析数据统计研究基础之上的，虽然其具体划分区域的边界尚存争议，但对于辨别磁铁矿的成因类型仍有很大帮助。

在TiO2-Al2O3-MgO+MnO图解[图10(a)]中，松湖铁矿床浸染状矿石样品均落在侵入岩副矿物型和火山岩(玢岩)型磁铁矿区域，即岩浆磁铁矿区域。而在Ti+V-Al+Mn图解中，样品均落入玢岩(或斑岩)型矿床区域，且均落入Nadoll等统计的100件玢岩型岩浆磁铁矿投影区[图10(b)中的深蓝色区域][43]，说明其具有岩浆磁铁矿的地球化学特征，且形成环境与火山作用关系密切。

每个子图中从左往右按统计单元中值从低到高排列；底图引自文献[43]，有所修改图7 松湖铁矿床及其他典型矿床中磁铁矿微量元素分布对比Fig.7 Comparisons of Trace Element Distribution of Magnetite from Songhu Iron Deposit and Other Typical Deposits

每个子图中统计点从左往右按含量从低到高排列；底图引自文献[43]，有所修改图8 松湖铁矿床及其他典型矿床中磁铁矿重要微量元素概率投图Fig.8 Probability Plots of Important Trace Elements of Magnetite from Songhu Iron Deposit and Other Typical Deposits

条带状矿石中磁铁矿具有高Mg、Al、Mn和Zn含量，与矽卡岩型矿床中的热液磁铁矿特征相似。因而在Ti+V-Al+Mn图解[图10(b)]中，样品均落入高Al、Mn的矽卡岩型热液磁铁矿区域。在TiO2-Al2O3-MgO+MnO图解[图10(a)]中，样品多落入低Ti、高Al的接触交代型和沉积变质型磁铁矿区域，而岩相学观察表明该类矿石中磁铁矿常与黄铁矿、黄铜矿以及绿帘石和绿泥石等热液蚀变矿物伴生。以上特征表明，该类磁铁矿应为热液充填交代而成。

块状矿石中磁铁矿以热液磁铁矿为主，V含量较低，介于条带状矿石热液磁铁矿和浸染状矿石岩浆磁铁矿含量之间。在Ti+V-Al+Mn图解[图10(b)]中，3件块状矿石样品均落在IOCG型磁铁矿区域，而Nadoll等统计显示矽卡岩型热液磁铁矿的投影区延伸到了这一区域[43]并覆盖3件样品投影位置。以上特征说明，块状矿石中磁铁矿具有岩浆-热液过渡类型特征，可能与岩浆磁铁矿后期受到热液交代作用有关。这也与TiO2-Al2O3-MgO+MnO图解[图10(a)]中样品落入过渡区域相一致。

角砾状矿石中胶结物磁铁矿同样具有较高的Mg、Al、Mn和Zn含量。在Ti+V-Al+Mn图解[图10(b)]中，样品落在矽卡岩型热液磁铁矿区域，但Al、Mg含量明显较条带状矿石中热液磁铁矿要低，而Ti、V含量则明显高于条带状矿石，指示其与条带状矿石中磁铁矿虽同属热液成因，但形成条件略有差异。在Ti+V-Al+Mn图解及TiO2-Al2O3-MgO+MnO图解(图10)中，角砾状矿石样品均落在浸染状矿石与条带状矿石之间的过渡区域，而高Ti、V含量可能指示该类磁铁矿的形成温度要略高于条带状矿石中与黄铁矿、方解石、钾长石伴生的粗粒自形磁铁矿，而与块状矿石中热液交代成因磁铁矿形成环境较为接近。

4.2 成矿作用及成矿过程

松湖铁矿床赋存于大哈拉军山组安山岩及安山质火山碎屑岩中，矿区范围内侵入岩体不发育，钻孔勘探也未发现有隐伏岩体存在，故可排除其为斑岩(或玢岩)型或矽卡岩型矿床的可能。已有研究均认为该矿床的形成与石炭纪火山作用密不可分。王春龙等对矿区内围岩及磁铁矿的微量元素特征研究表明，二者具有同源特征[27]。此外，对矿石中硫化物的硫同位素研究结果显示，矿石中的S具有幔源硫特征[28-29,72]，证明成矿物质应来源于岩浆。然而，目前对该矿床争论的焦点在于是热液成矿还是矿浆成矿?热液成矿是高温热液充填、交代成矿还是沉积成矿？

骆文娟等对阿吾拉勒成矿带智博铁矿床火山岩中富铁岩屑进行了详细的岩石学研究[73]，其特征与本次研究在松湖铁矿床采集的浸染状及角砾状矿石中发现的、具有气孔和杏仁构造的磁铁矿角砾特征相一致，此外在备战、尼新塔格等铁矿床中亦发现此类矿石[74]，这是典型的矿浆成因铁矿石所具有的构造特征。

ws为样品含量；wcc为大陆地壳含量；大陆地壳标准化数据引自文献[76]；底图引自文献[54]，有所修改；同一图中相同线条对应不同样品图9 松湖铁矿床各类磁铁矿大陆地壳标准化微量元素蛛网图Fig.9 Continental Crust-normalized Trace Element Spider Diagrams of All Kinds of Magnetite in Songhu Iron Deposit

图(a)中，Ⅰ为侵入岩副矿物型，Ⅱ为岩浆型，Ⅲ为火山岩(玢岩)型，Ⅳ为接触交代型，Ⅴ为矽卡岩型，Ⅵ为沉积变质型；图(b)中，不同颜色线条和文字表示不同学者的分类方法；图(a)底图引自文献[36]；图(b)底图引自文献[43]图10 矿床成因类型判别图解Fig.10 Diagrams of Genetic Discrimination of Deposit

除此以外，磁铁矿微量元素变化特征对成矿作用也具有很好的指示意义。Si4+在高温情况下可与Ti4+、Al3+共同置换Fe3+进入磁铁矿晶格。在磁铁矿部分微量元素哈克图解(图11)中，具岩浆成因磁铁矿特征的浸染状和块状矿石中磁铁矿SiO2与Al2O3含量表现出一定的相关关系，SiO2与K2O、CaO、MgO含量也表现出很好的正相关关系，表明测试过程中剥蚀点受到硅酸盐矿物的污染或这些元素以硅酸盐矿物相存在于磁铁矿中。选取的测试点均为粒度较大的磁铁矿颗粒，激光束斑均落在磁铁矿表面，剥蚀深度小于10 μm，除非测试中激光束击穿磁铁矿晶粒，否则不会出现上述硅酸盐污染。磁铁矿扫描电镜图像采集及能谱分析发现，在粗粒磁铁矿晶体中确实存在多种成分的细小尖晶石(粒径小于10 μm)矿物及硅酸盐矿物包裹体(图12)，因而SiO2与K2O、CaO、MgO含量表现出很好的正相关关系应是由这些包裹体或出溶体所引起的。而Ti4+可存在于磁铁矿结构中，也可出现于各种不含Si的出溶体中，故TiO2与SiO2含量相关性不明显。这些矿物包裹体尤其是呈八面体晶型、定向连生的尖晶石族矿物一般存在于高温(岩浆温度)矿物相中[75]，进一步证明了这些磁铁矿形成于矿浆阶段。而条带状及角砾状矿石胶结物中的粗粒磁铁矿则不存在上述现象。

图11 磁铁矿部分微量元素哈克图解Fig.11 Harker Diagrams of Patial Trace Elements of Magnetites

图12 磁铁矿背散射图像Fig.12 BSE Images of Magnetites

磁铁矿爆裂温度分析结果显示：条带状和角砾状矿石热液磁铁矿中仅包含少量热液期包裹体，形成温度为343 ℃～385 ℃；浸染状和块状矿石磁铁矿中包含两期包裹体，低温包裹体数量较少，形成温度为328 ℃～397 ℃，高温包裹体形成温度均超过400 ℃(424 ℃～485 ℃)。通过爆裂温度曲线可知，大量包裹体爆裂发生在500 ℃～600 ℃。徐洋等通过磁铁矿Ti-Fe化学温度计计算了松湖铁矿床内岩浆磁铁矿和热液磁铁矿的温度分别为500 ℃～650 ℃和312 ℃～400 ℃[23]，进一步证实了上述分析结果的准确性。

底图引自文献[30]，有所修改图13 Ti+V-Al+Mn温度变化图解Fig.13 Temperature Diagram of Ti+V-Al+Mn

Nadoll等统计了不同类型磁铁矿的形成温度，将这些磁铁矿以其形成温度分类投影在Ti+V-Al+Mn温度变化图解中，得出一个大致的温度分布和变化趋势(图13)[43]。松湖铁矿床磁铁矿样品均落在相对高温区域，表明其形成温度较高。其中，浸染状和块状矿石中岩浆磁铁矿落在最高温度(>500 ℃)区域；角砾状矿石中磁铁矿落在两个温度区域的重叠区且靠近300 ℃～500 ℃高温区域边部；条带状矿石中磁铁矿均落在300 ℃～500 ℃高温区域(图13)。此外，块状矿石中磁铁矿落在浸染状矿石中磁铁矿相对温度呈降低趋势的低Ti+V、低Al+Mn区域，表明其形成温度要略低于浸染状矿石。

综上可知，浸染状矿石中磁铁矿形成温度最高，块状矿石次之，角砾状矿石再次之，条带状矿石最低。上述磁铁矿形成温度由高到低也代表了各类矿石的形成顺序，即随着演化程度的增加，岩浆中铁质不断富集最终形成铁矿浆，铁矿浆喷溢出地表或沿地表断裂充填，在矿区内形成第一期的浸染状矿石；之后部分矿石被后期的喷发作用破坏，形成角砾状矿石中的磁铁矿角砾和粉尘状磁铁矿晶屑；岩浆作用发展到最后，形成富铁的高温火山热液，这部分热液沿岩浆通道上升，对先前形成的浸染状矿石进行交代和叠加成矿，在矿体中下部形成块状矿石；另有少量热液可以沿裂隙到达初期铁矿体顶部的火山碎屑岩地层中，由于孔隙发育，火山热液与下渗的大气水混合，温度降低，混合后的热液交代火山碎屑岩地层，铁质发生沉淀形成角砾状矿石中的后期粗粒磁铁矿；随着火山热液的演化，更多地表流体加入，其温度进一步降低，导致铁质沉淀，在铁矿体底部形成条带状矿石。然而，即便是最后形成的条带状矿石，其中磁铁矿的形成温度也在300 ℃以上(图13)，远高于沉积成因的磁铁矿形成温度。综上所述，松湖铁矿床的形成经历了矿浆成矿和热液成矿两个阶段，成矿过程伴随火山作用的各个阶段，其成因类型应属于火山岩浆-热液复合型铁矿床。

5 结 语

(1)通过详细的矿物学、岩相学研究，在新疆西天山松湖铁矿床发现一类气孔、杏仁发育的铁矿石，矿石中磁铁矿呈板条状、树枝状，与自形钠长石及半自形黄铁矿共生，具典型矿浆成因特征，而矿体底部条带状和角砾状矿石中磁铁矿常呈自形—半自形粒状，与自形黄铁矿、绿泥石、阳起石等热液矿物共生，显示热液成因。

(2)利用LA-ICP-MS技术获取了松湖铁矿床内各类磁铁矿的原位微量元素组成。其中，浸染状与块状矿石中磁铁矿V、Ni和Ti含量高，Al、Mn、Co、Zn、Sn等含量较低，具有岩浆磁铁矿地球化学特征；而条带状与角砾状矿石胶结物中磁铁矿Mg、Al、Mn和Zn含量高，V含量相对较低，各元素含量均与矽卡岩型矿床中的热液磁铁矿相当。

(3)松湖铁矿床磁铁矿包裹体爆裂温度指示：浸染状及块状矿石中存在两期包裹体，形成温度分别为328 ℃～397 ℃和424 ℃～485 ℃；条带状及角砾状矿石中粗粒磁铁矿包裹体数量较少，形成温度为343 ℃～385 ℃。其中，浸染状矿石形成温度最高，其次为块状矿石，再次为角砾状矿石，条带状矿石形成温度最低，这也是各类矿石在松湖铁矿床成矿过程中的形成顺序。

(4)综合矿床地质及磁铁矿标型特征，认为松湖铁矿床形成过程中存在矿浆成矿阶段，晚期热液成矿以高温火山热液充填交代成矿为主，其成因类型应属火山岩浆-热液复合型铁矿床。

谨以此文祝贺长安大学七十周年华诞，感谢母校长期以来对我的培养和教育，尤其是地球科学与资源学院的各位老师在我本科和研究生九年求学路上给予的关爱与教诲。在校期间，有幸本科阶段就能得到姜常义、魏刚锋、苏春乾、裴先治等资深教授的授业解惑，更有汤中立院士的慷慨激励，让后辈有勇气叩开地球科学之门，为将来立志地质行业打下了坚实的基础。特别要感谢我的研究生导师姜常义教授，以身作则，以渊博的专业知识、严谨的治学态度和精益求精的敬业精神，在科研的道路上一直引导和激励我；还有汪帮耀、夏明哲、夏昭德老师，你们既是师兄也是导师，更是最好的朋友和最亲的亲人，感谢你们一路的照顾。走上工作岗位后，我更加体会到母校的伟大。七十载无私奉献，为祖国培养了千万人才，桃李满天下！作为学弟的我，不管走到哪里都能得到前辈学长、学姐的亲切鼓励，这里要尤其感谢滕家欣、石福品等学长在野外工作中提供的指导和帮助。我以作为一名长安大学学子而倍感自豪，也将以前辈学长、学姐为榜样，继续奋斗前行。感恩母校，拜谢师恩！“弘毅明德，笃学创新”，祝愿每一个从长安大学走出来的同学都学有所成，在时代发展的浪潮中勇立潮头！祝福母校人才辈出，宏图更展，在助力中华民族伟大复兴的壮阔征程中谱写新的辉煌！此外，本次研究室内岩矿鉴定工作得到了长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室白开寅高级工程师、于凤池副教授的帮助，张博博士全程参与了本次研究工作并提供了不可或缺的技术支持，在此一并表示感谢！