新疆北山地区罗东镁铁-超镁铁质岩体地球化学特征及找矿潜力分析

2021-09-10呼冬强张强孟和

西北地质 2021年3期

呼冬强，张强，孟和

(1.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆乌鲁木齐 830023；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830023；3.新疆地矿局第二地质大队，新疆喀什 844000)

新疆天山东部是中国重要的铜镍硫化物矿床富集地，广泛发育镁铁-超镁铁质杂岩体，主要包括黄山-镜儿泉镁铁-超镁铁质岩带、白石泉-天宇镁铁-超镁铁质岩带和陂北镁铁-超镁铁质岩带(柴凤梅等,2013)。北山地区陆续发现与镁铁质-超镁铁质有关的旋窝岭、坡一、坡十和红石山等大中型铜镍矿。罗东岩体位于北山地区西端，是坡北镁铁-超镁铁质岩带中典型镁铁质-超镁铁质杂岩体。前人对坡北杂岩带中镁铁质-超镁铁岩体开展了较多年代学及岩石与矿物地球化学工作(姜常义等,2006,2012; 颉炜等,2010; 李华芹等,2006,2009; 苏本勋等,2010,2011)，研究表明坡北岩带中镁铁-超镁铁质岩形成时代集中在274～289 Ma，且普遍存在早期分离结晶作用及一定的地壳混染作用，母岩浆具有高温高镁等特征。

罗东岩体的地质特征、岩相学及地球化学特征与坡十、坡一等岩体具有较高的相似性(姜常义等,2012; 苏本勋等,2011)。虽然前人对罗东岩体开展了全岩主微量、Sr-Nd-Pb同位素研究(凌锦兰等,2011)，但近些年长期的钻探验证并未取得突破，罗东地区的找矿潜力评价成为重点研究问题。此外，随着北山地区工作程度日益提高，相继发现一些新的镁铁质-超镁铁质杂岩体，其含矿性也急需进一步研究。因此加强罗东岩体找矿潜力分析，构建综合找矿模型，对北山地区经济、快速地从众多镁铁质-超镁铁质岩体中筛选出有利的赋矿岩体提供了经验和方向。

笔者通过开展罗东岩体地球化学研究，讨论罗东岩体地球化学特征及含矿性，结合研究区内物、化探特征，综合评价其找矿意义，对北山地区与镁铁质-超镁铁质岩体相关矿产的找矿工作具有重要意义。

1 地质背景

北山地区位于新疆东部，北为中天山地块，以红柳河-伊格孜塔格断裂为界，南为塔里木板块，东为敦煌地块(图1a、图1b)。研究区位于北山地块最西段，出露的地层较少,主要为古元古界北山岩群和中元古界长城系古硐井岩群。地处北山构造带，岩浆活动十分频繁，岩浆作用具有多期次、多类型的特点，发育早二叠世、中二叠世、三叠纪3个重要岩浆期中酸性侵入岩，基性-超基性侵入岩以及多类型(超基性、基性、中性和酸性脉岩)、多期次(前寒武纪—古生代)岩脉。

罗东岩体位于北山坡北白地洼-淤泥河断裂北侧，距离坡一铜镍矿约18 km,位于白地洼-淤泥河超基性岩带最西侧。罗东岩体向南侵入长城系古硐井岩群地层，北部被中二叠世二长花岗岩侵入。岩体走向为北东向，与北山白地洼-淤泥河断裂走向一致。岩体地表出露面积约2.5 km2，平面形态为眼球状(图1c)。

2 岩相特征

根据罗东岩体野外实测剖面成果(图2)和显微镜下薄片鉴定结果(图3)，罗东岩体岩相分异较好，以辉长岩相为主，主要出露在杂岩体北部。在杂岩体西南侧出露橄榄岩、橄榄辉石岩、辉石橄榄岩。根据野外各岩相接触关系，将罗东岩体划分成3个侵入阶段：第一阶段为辉长岩相；第二阶段为橄榄岩相、辉石橄榄岩相；第三阶段为橄辉岩相。其中在第二阶段的橄榄岩、辉石橄榄岩中可见铜镍矿化，为主要的含矿岩相。

1.断层；2.推测断层；3.镁质-超镁铁质岩；a.新疆北部地质简图；b.东天山—北山地区镁铁-超镁铁质岩体分布图；①.大南湖-头苏泉岛弧；②.小热泉子-梧桐窝子弧内盆地；③.康古尔-黄山韧性剪切带；④.雅满苏弧后盆地；Ⅰ.阿齐库都克-沙泉子断裂；Ⅱ.红柳河-伊格孜塔格断裂，(据阮班晓,2017)；c.研究区地质简图图1 罗东岩体大地构造位置及区域地质图Fig.1 Geotectonic position and regional geological map of Luodong magmatic rock

辉长岩相(P1ν)：是组成罗东杂岩体的主体岩相，轴向北东，长为2.2 km，最宽为1.3 km，岩性为中粗粒辉长岩，局部穿插有辉绿岩脉、花岗岩脉。

岩石多呈深灰色-灰绿色,辉长结构，块状构造。主要由斜长石和普通辉石组成。斜长石：呈半自形板状，粒径为0.3 mm×0.3 mm～2.5 mm×1.0 mm，聚片双晶发育，普遍轻度高岭土化，脱钙钠化，杂乱分布，含量为50%～65%；普通辉石：半自形柱状、粒状，粒径为0.5～2.4 mm，淡黄绿色，具辉石式解理，大部分透闪石化含量为35%～50%。

橄榄辉石岩相(P1σψ): 呈析离体状零星分布于辉长岩相中。灰-灰绿色，中细粒结构，块状构造。岩石由辉石、橄榄石组成。辉石多呈粒状，粒径一般在0.2～1.2 mm，具辉石式解理，含量约65%。橄榄石裂纹发育，后期透闪石化。透闪石呈纤柱状，粒径为0.03～0.7 mm，无色，具闪石式解理，杂乱分布，含量约35%。

橄榄岩相(P1σ)：为超基性岩相的主要组成部分，呈岩墙、岩脉状分布于岩体偏南部位，地表出露最大宽度为280 m，长度大于1.2 km。橄榄岩中见后期辉长岩脉穿插，为主要的含矿岩相。岩石呈深灰色，残余粒状结构，块状构造。主要矿物为橄榄石及微量磁铁矿。橄榄石呈粒状，粒径一般在0.2～1.0 mm，裂纹发育，大部分蛇纹石化和伊丁石化，蛇纹石呈纤维状、鳞片状，片径为0.03～0.7 mm，淡黄绿色，杂乱分布。

1.云母石英片岩；2.阳起片岩；3.辉绿岩；4.辉长岩；5.辉橄岩；6.橄榄岩；7.岩性界线；8.岩相界线；9.采样位置及编号图2 罗东岩体实测地质剖面图Fig.2 Measured geological section of Luodong magmatic rock

辉石橄榄岩(P1ψσ)：主要分布于岩体中西部及南侧边部，东南部有一处平面呈“C”字型，其余呈透镜状、椭圆状，有的已被后期的辉绿岩脉穿插破坏。最宽约110 m，长约1.3 km。

岩石呈灰黑色，残余粒状结构，块状构造。主要由辉石、橄榄石组成，大部分蛇纹石化、透闪石化，蛇纹石呈纤维状、鳞片状，片径为0.03～0.2 mm，淡黄绿色，杂乱分布；透闪石纤柱状，粒径为0.03～1.5 mm，无色，具闪石式解理。部分粒状橄榄石残留，粒径一般在0.1～2.0 mm，无色，裂纹发育。辉石，具辉石式解理，粒径为0.5～1.6 mm，含量约35%。

3 分析方法

笔者在野外实测剖面工作中采取了14件样品，主量元素分析14件，其中7件进行微量元素和稀土元素分析。采样位置分布在罗东岩体不同岩相中(图2)，其中橄榄岩7件，橄辉岩3件，辉长岩4件。所有样品采取均为新鲜岩石，重量都大于1 kg。

样品的分析和测试在新疆地矿局实验测试研究中心完成。主量元素分析采用XRF(X-射线荧光熔片法)法测定，按国家标准GB/T14506.28-1993执行，其中CO2、FeO、H2O+采用湿化学分析法测定。微量元素采用ICP-MS(电感藕合等离子质谱仪)测定，稀土元素采用ICP-AES(阳离子交换分离-电感藕合等离子体原子发射光谱法)法测定。

4 分析结果

4.1 主量元素特征

罗东岩体的主量元素分析结果见表1。总体上罗东岩体低硅、低碱、低钛，贫钙富镁，其中SiO2为39.1%～53.0%，为典型的镁铁质-超镁铁质岩。罗东岩体富集MgO和FeO，橄榄岩中MgO含量为12.8%～33.7%，TFeO为7.4%～17.8%，镁铁含量明显高于辉长岩和橄辉岩(MgO为7%～17.9%, TFeO 为4.8%～11.4%)。橄榄岩相对应的Mg#为77.6～91.1，辉长岩为79～92，属含铜镍中等镁铁质岩石(MgO含量为8%～30%)(钱兵等,2017)。m/f值为1.7～6.8，平均值为3.7，除一件橄榄岩样品(6.8)属于镁质超基性岩外，整体上属铁质超镁铁岩(m/f值为2～6.5)(吴利仁,1963)，对形成铜镍矿有利。在AFM图解中,样品基本位于拉斑玄武岩区域，样品具有明显的铁富集趋势,表明罗东岩体属于拉斑玄武岩系列(图4)。

表1 罗东岩体主量元素数据(%)Tab.1 Major element data of samples from Luodong magmatic rock(%)

在Harker图解中(图5)，MgO与SiO2、CaO、TiO2、Na2O具有明显的负相关关系，与TFeO呈正相关，与P2O5关系不明显。从橄榄岩，橄辉岩到辉长岩，基性程度减小，这些主量元素的协变关系表明岩浆演化过程中发生了结晶分异作用。

a.透闪石化辉长岩镜下特征(+)；b.透闪石化辉长岩镜下特征(+)；c.透闪石化橄榄岩镜下特征(+)；d.蛇纹石化橄榄岩镜下特征(+)；e.透闪石化橄榄辉石岩镜下特征(+)；f.含金属硫化物辉石橄榄岩镜下特征(+)；Pl.斜长石；Tr.透闪石；Ol.橄榄石；Srp.蛇纹石；Cpx.单斜辉石；S.金属硫化物图3 罗东岩体各岩相矿物特征Fig.3 Mineral characteristics of lithofacies from Luodong magmatic rock

图4 (a)罗东岩体TAS图解和(b)AFM图解Fig.4 (a)TAS diagram and (b) AFM diagram for Luodong magmatic rock

图5 罗东岩体Harker图解Fig.5 Harker diagrams for Luodong magmatic rock

4.2 微量元素特征

岩体的稀土和微量元素特征见表2。稀土元素总量较小，ΣREE含量为8.8×10-6～32.4×10-6，辉长岩稀土含量(24.9×10-6～32.5×10-6)高于橄榄岩(8.9×10-6～11.1×10-6)。辉长岩具有明显的轻重稀土分异特征(LREE/HREE=1.9～3.7；LaN/YbN=1.3～3.4)，LREE与HREE具有不同程度的分馏，在稀土元素球粒陨石标准化图解中呈现右倾的配分型式，具有微弱的Eu正异常(δEu=1.14～1.16)和Ce负异常(δCe=0.86～0.89)。橄榄岩除一件样品(02-3)稀土含量稍高外，其余4件样品稀土含量低且变化不大，中轻重稀土分馏较弱(LREE/HREE=1.8～2.9；LaN/YbN=1.0～2.0)。Eu正异常较辉长岩明显(δEu=1.20～1.60)。在粒陨石标准化图中表现为稍向右倾的平坦配分型式(图6)。

表2 罗东岩体微量、稀土元素数据(10-6)Tab.2 Trace elements and REEs elements (10-6) data of samples from Luodong magmatic rock

图6 (a)罗东岩体球粒陨石标准化稀土元素分布模式和(b)原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.6 (a)Primitive mantle normalized spider diagrams and (b)chondrite-normalized REE patterns for Luodong magmatic rock

5 讨论

5.1 同化混染作用

除最直接的地质证据，如捕掳体和残留顶盖，一些微量元素含量及比值的协变关系也可作为同化混染作用的指示。总分配系数相同或相近的元素比值在岩浆结晶过程中一般不会有太大的变化，根据对同化混染作用敏感的元素比值(如Ce/Pb、Th/Yb、Nb/Ta、Ta/Yb、K2O/P2O5、Ti/Yb、Zr/Yb等)的相关性,可以判断同化混染作用是否发生及其强度(Macdonald,2001)(夏明哲等,2018)。La/Yb-Ce/Yb、Ta/Yb-Th/Yb、Zr/Nb-Th/Nb和Ce/Nb-Th/Nb图解显示出不同元素比值之间具有一定的正相关关系，Zr-Th和Th-Nb图解显示出正相关(图7)，显示了一定的同化混染作用。前人对东天山的图拉尔根、黄山东、香山矿床研究表面，在地壳混染过程中，地壳中的S元素混入岩浆，有利于铜镍硫化物的熔离作用，对岩浆Cu-Ni硫化物的成矿机制具有主导控制作用。

图7 罗东岩体同化混染地球化学判别图Fig.7 Geochemical discrimination diagram of contamination of Luodong magmatic rock

Nb和Th在流体中的活动性较差(Plank,1996),为高度不相容元素,丰度变化不受部分熔融和岩浆分异作用的影响, 两者之间表现出的正相关性(图8f), 表明陆壳混染作用是存在的(Zhu et al.,2001)。一般认为La/Sm的值大于4.5时，指示地壳物质混染，La/Sm值小于2时则表明地壳物质混染的可能性很低(董俊等,2017)，罗东岩体La/Sm值为1.43～3.73，均值为2.34。在2.0～4.5之间，原始地幔La/Nb值为0.96(Mcdonough et al.,1995)，平均大陆壳La/Nb值为2.5(Rudnick et al.,2003)，罗东岩体的La/Nb=0.71～1.90，La/Sm和La/Nb值均表明成岩过程中受到一定地壳混染作用。在Th/Yb-Nb/Yb图解中，样品位于E-MORB和上地壳之间的区域。Neal et al.(Neal,2002)提出可用(La/Nb)PM-(Th/Ta)PM图解区分上地壳和下地壳对原始岩浆的混染作用，图解(图9)表明罗东岩体受到了一定上地壳物质的混染。

5.2 分离结晶作用

岩心及镜下光薄片观察显示，罗东基性-超基性岩体中多发育堆晶结构，橄榄石和斜长石常具有重力分异而形成的纹层状构造。橄榄岩中的堆晶相主要为橄榄石，在橄榄辉石岩中，堆晶矿物主要为斜长石，辉长岩类的堆晶相以斜长石为主要组成。另外，罗东岩体常见的包含结构、嵌晶结构、辉长结构，与北山其他镁铁质-超镁铁质岩体一致(汤庆艳等,2015; 谢燮等,2018)，代表了橄榄石、辉石和斜长石发生了分离结晶作用。哈克图解中(图5)，SiO2与MgO的负相关由橄榄石的堆晶作用和分离结晶导致，斜长石的分异结晶作用致使CaO、Na2O 与 MgO呈负相关。部分样品Mg#值较高(77.6～91.9)，显示辉石和橄榄石的结晶分离和堆晶作用(姜常义等,2012; 王冠等,2014)，主要由岩浆早期结晶的矿物相聚集而成。在(Mg+Fe)/Ti-Si/Ti图解(图8)中，橄榄石和部分橄辉岩样品沿着橄榄石与斜方辉石控制线分布，部分橄辉岩样品位于斜方辉石与单斜辉石控制线之间，而辉长岩样品位于单斜辉石与斜长石控制线之间，表明分离结晶过程受橄榄石、辉石和斜长石控制。

图8 罗东岩体(Mg+Fe)/Ti-Si/Ti图(底图据Stanley et al.,1989)Fig.8 (Mg+Fe)/Ti-Si/Ti diagram of Luodong magmatic rock

由于Sr、Eu元素在斜长石中的分配系数大，所以若发生斜长石分离结晶，则熔体会出现Sr、Eu亏损，而由早期结晶矿物(斜长石)发生堆晶作用则会出现Sr、Eu的正异常(陈立辉等,2006)。全岩稀土配分模式(图6)表现出明显的Sr和Eu正异常，可能是由斜长石发生分离结晶和堆晶作用引起的，这与其岩相学特征中堆积结构相吻合。样品岩相学特征以及岩石地球化学化学均表明岩体形成过程中经历了明显的橄榄石、辉石和斜长石的分离结晶作用。

5.3 源区性质

不相容元素分配系数的比值，在地幔部分熔融过程中变化小，对源区具有一定指示意义(焦建刚等,2017)。一般认为，高的(La/Yb)N值说明部分熔融程度较低，石榴子石作为源区主要的残留相，反之，低的(La/Yb)N值暗示了部分熔融程度相对较高，尖晶石作为源区主要的残留相，(Zhang et al.,2008; 夏明哲等,2008)。在(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解中(图10)，罗东岩体样品均落在尖晶石稳定区域，暗示岩浆源区部分熔融程度相对较高。

a底图据(NEAL,2002)，(La/Nb)PM与(Th/Ta)PM 为原始地幔标准化后的元素含量比值；b底图据(Pearce,2008)图9 同化混染判别图解Fig.9 The discrimination diagrams of contamination

图10 球粒陨石标准化(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解(底图据赵旭等,2018)Fig.10 The chondrite-normalized (Tb/Yb)N-(La/Sm)N diagram

Frey et al. (1978)认为，与地幔橄榄岩平衡的原生岩浆的Mg#=0.68～0.73，如果以Mg#=0.68～0.73代表原生岩浆或近于原生岩浆的Mg#值范围，罗东岩体的Mg#=0.78～0.92，均大于0.73，表明岩浆早期存在结晶矿物的堆积。

铬尖晶石和共生的橄榄石的矿物化学特征可以为其结晶时的温度提供限制，凌锦兰等(2011)据此温度计算出罗东岩体母岩浆液相线温度为1 412 ℃，与坡一岩体母岩浆液相线温度(1 322 ℃，柴凤梅等,2011)基本一致，表明罗东岩体与北山地区其他镁铁质-超镁铁质岩一样，均属于高温岩浆。利用橄榄石-熔体平衡原理可以估算进入岩浆房中原生岩浆的MgO含量。Mg-Fe在橄榄石-熔体之间的分配系数为一相对稳定的值，由于早期结晶的橄榄石与残余晶间液体之间要发生再平衡作用,使得早期结晶的橄榄石MgO含量比其最初结晶时的低,因此Fo值最高的橄榄石组分可能更接近于液相线橄榄石的组成(段星星等,2016)。凌锦兰等( 2011)根据罗东岩体橄榄石的最高Fo值(91)及FeO含量，估算出与之平衡的熔体MgO=14.7%，认为近似代表母岩浆的MgO含量，所得结果与北山地区其他岩体母岩浆成分相似(表3)，用橄榄石成分计算得到的母岩浆MgO含量通常低于真实的母岩浆MgO含量，可认为罗东岩体母岩浆为高镁苦橄质岩浆。因此，罗东岩体的母岩浆可能来源于软流圈地幔在尖晶石稳定域内较高程度部分熔融而形成的高温高镁苦橄质岩浆或者是与地幔柱有关的高镁高温苦橄质岩浆。

表3 新疆北山地区镁铁-超镁铁质岩体母岩浆特征Tab.3 The characteristics of primary magma of mafic-ultramafic intrusion in Beishan region, Xinjiang

5.4 成矿条件分析

5.4.1 岩石地球化学特征

在地幔部分熔融过程中，MgO趋于固相集中，表现为相容组分，FeO趋于液相富集，表现为不相容组分，趋于液相富集。故岩浆中的镁铁比值可以用来判断地幔部分熔融程度和岩体成矿专属性的标志(李鸿儒,1994)。吴利仁(1963)通过研究全国166个基性及超基性岩岩石化学特征总结出：m/f<0.5者，与钒钛磁铁矿有关；m/f=0.5～2者，无矿；m/f=2～6.5者与铜镍硫化物矿床有关；m/f>6.5者与铬铁矿有关。

罗东岩体各岩相m/f值为1.73～6.83，平均值为3.70，仅一件样品小于2，为1.73；一件样品大于6，为6.83；绝大多数样品m/f值为2～6.5。MgO含量为7.01%～36.27%，平均值为23.38%，属于含铜镍中等镁铁质岩石(MgO含量为8%～30%，(А. П Лихаиев,1983))，MgO含量和m/f 值均表明罗东岩体与铜镍硫化物矿床有关。

前人(冯京等,2014)通过研究新疆东天山—北山一带主要含Cu-Ni矿基性-超基性杂岩体主量元素特征，得出含矿岩体m/f值平均值为3.97，并将m/f<2.5与m/s<0.8的岩体划分为不含矿岩体。罗东岩体m/f平均值为3.70，与新疆东天山-北山含矿岩体m/f平均值相近。笔者将罗东岩体的TiO2与MgO和m/f与m/s值进行投图显示(图11)，绝大部分样品位于含矿区。

图11 (a)罗东岩体MgO-TiO2及(b)m/f-m/s关系图(底图据冯京等,2014)Fig.11 (a)The MgO-TiO2 and (b)m/f-m/s diagrams of Luodong magmatic rock

分离结晶作用和地壳混染作用是造成硫化物饱和的主要方式，也是幔源岩浆演化的重要过程(LI et al.,2013; LIU et al.,2015；2017)。前述研究表明，罗东岩体具有明显的橄榄岩相、辉橄岩相和辉长相的分带特征，发生了橄榄石等矿物的堆晶作用，主量元素MgO 与SiO2、FeOT、TiO2、CaO、Na2O之间的相关性及较高Mg#值(77.6～91.9)，均表明岩浆发生了明显的结晶分异作用。微量元素含量及比值的协变关系和野外地壳混染证据表明岩浆发生了一定程度的地壳混染作用。

5.4.2 土壤地球化学与地球物理特征

1∶1万土壤地球化学异常与岩体套合较好(图12)，其中Cu、Ni、Cr、Co元素的极大值分别为179.03×10-6、1 125.46×10-6、1 167.72×10-6和96.4×10-6。

1∶1万重力测量显示对应岩体处出现重力高异常，Δg幅值达1×10-5～1.5×10-5m/s2。通过二阶导数处理，获得7个局部高导异常，结合矿区地质情况，7处高导异常均分布在岩体的周边，与出露的超基性岩存在对应关系。经对岩体西部局部高异常进行钻探验证，共圈出5个铜镍(化)体，说明高导异常与超基性岩体中的局部铜镍矿层有对应关系。矿体主要赋存于辉石橄榄岩、橄榄辉长岩和橄榄岩相中，呈似层状或透镜状产出，矿石镍品位为0.20%～0.46%，平均为0.25%。矿体具有厚度大，深部延伸长等特点，结合物探资料，矿体有继续向深部延伸的趋势，证明罗东岩体具有很好寻找铜镍矿前景。

1.长城系古硐井组；2.中二叠世二长花岗岩；3.早二叠世基性岩；4.早二叠世超基性岩；5.中性岩脉；6.花岗岩脉；7.白地洼断裂图12 罗东岩体土壤地球化学异常特征图Fig.12 Soil geochemical anomaly characteristics of Luodong magmatic rock

5条1∶1万重力、高精度磁法及瞬变电磁法综合剖面结果显示岩体对应高重力异常，Δg曲线宽缓,向北异常未封闭，岩体呈北倾，ΔT曲线呈不规则变化，高的磁异常对应超基性岩，瞬变电磁法(TEM)结果显示出岩体与南部长城系古硐井岩群视电阻率较明显的差异，岩体整体表现出低阻异常， DBz/Dt异常呈椭圆状和串珠状向北深部延伸。综上所述，5条综合剖面表明岩体具向北倾且向深部延伸较大的特征。

5.4.3 综合找矿模型

在深入剖析罗东岩体土壤地球化学测量、重力、高精度测法信息的基础上，通过总结铜镍矿体的物、化探异常特征，建立了罗东铜镍矿区综合找矿模型(图5—图13，表4)。找矿模型的建立，有利于北山坡北地区快速经济地从镁铁质-超镁铁质岩体中筛选出赋矿岩体，为该地区寻找铜镍硫化物矿床提供了经验和方向。