新疆西天山备战铁矿床硅质岩的发现及其地质意义

2021-11-10潘鸿迪李昌昊冯浩轩郭新成张建收

地球科学与环境学报 2021年5期

潘鸿迪，申萍，李昌昊，冯浩轩，武阳，郭新成，张建收

(1. 长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054; 2. 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029; 3. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049; 4. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第十一地质大队，新疆昌吉 831100)

0 引言

硅质岩是一种富SiO2的沉积岩，其物质组成简单，以玉髓和石英为主；结构单一，具微晶结构，少量为细晶结构，手标本呈隐晶质；在后期改造作用中稳定性强，具有较强的抗风化能力；在沉积矿床中，有些硅质岩是铁、金、银等的赋存层位。因此，有关硅质岩的研究一直以来备受关注，尤其是Murray等提出硅质岩成因及沉积环境的判别标准[1-5]之后，硅质岩的研究在其成因、构造背景、沉积环境及成矿作用等方面取得了重要进展[6-9]。

新疆西天山东部阿吾拉勒山发育一系列大型铁矿床和中小型铜矿床(图1)。前者包括松湖、查岗诺尔、智博、敦德、备战等海相火山岩型铁矿床和式克布台火山沉积型铁矿床，后者包括奴拉赛、群吉萨依、109和胜利等铜矿床；它们共同构成了阿吾拉勒成矿带[10-14]。其中，备战铁矿床位于阿吾拉勒成矿带东端，是该成矿带中最典型、规模最大的铁矿床[15]。前人对备战铁矿床进行了系统的研究，已取得了许多重要进展[11-35]。然而，目前对铁矿床形成时的沉积环境研究尚不充分；对成矿构造背景仍有不同的认识，包括大陆裂谷或与造山后岩浆作用有关的裂谷环境[11,16-17]、与地幔柱有关的裂谷环境[18]、活动大陆边缘环境[19-21]、大陆减薄拉张环境[22]等；对矿床的成因也有多种不同认识，比如矽卡岩型[23]，岩浆喷溢型[24-26]，与火山沉积及接触交代作用有关的复合型[27-30]，海相火山沉积-后期热液叠加改造型[17,31]，海相火山喷发堆积-矿浆贯入-气液交代充填型[32]，上叠裂谷火山岩型[11]，以岩(矿)浆作用为主、热液作用为辅的叠加型[33-34]，矿浆-火山热液复合型[35]等。

底图引自文献[11]、[21]，有所修改；矿床图例大小不一表示不同规模

近年来，本课题组对备战铁矿床进行了大量研究，包括6条地质剖面测量、12个钻孔岩芯编录以及赋矿围岩的岩相学和岩石地球化学分析等，在矿区发育的下石炭统大哈拉军山组第三亚组火山-沉积岩中识别出多层硅质岩，并对这些硅质岩进行了野外产状分析和室内岩石学、岩石地球化学研究，确定矿区硅质岩为火山沉积成因，形成于大陆边缘环境，其沉积环境为浅海、弱碱性、氧化环境，有利于磁铁矿的形成。由此可见，矿区硅质岩的发现对确定备战铁矿床的成矿构造背景、形成环境及矿床成因具有重要的指示意义。

1 区域地质背景

阿吾拉勒成矿带地处伊犁地块东缘，夹持于中天山北缘断裂和那拉提北缘断裂之间(图1)。该成矿带主要出露石炭纪地层，包括下石炭统大哈拉军山组和上石炭统伊什基里克组。其中，大哈拉军山组分布最广，为一套海相火山喷发-沉积碎屑岩夹碳酸盐岩建造，该组又分为3个亚组：第一亚组为安山质晶屑凝灰岩、安山岩；第二亚组为流纹质熔结凝灰岩、大理岩、晶屑岩屑凝灰岩；第三亚组为安山质晶屑玻屑凝灰岩夹安山岩。阿吾拉勒成矿带东段发育的查岗诺尔、智博、备战和敦德等海相火山岩型铁矿床赋存于第三亚组中[10-11]。伊什基里克组主要为一套海陆交互相的类复理石建造，以火山角砾岩、凝灰岩、玄武岩、英安岩和流纹岩为主，局部夹正常沉积岩和灰岩，阿吾拉勒成矿带中段发育的式克布台火山沉积型铁矿床赋存其中[11,25,36]。阿吾拉勒成矿带内断裂构造发育，包括尼勒克和巩乃斯等断裂，主要为一组近于平行的高角度逆冲断裂。成矿带内侵入岩的时代以二叠纪为主，有少量石炭纪，侵入岩有花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩和闪长岩等。

备战铁矿区出露地层主要为下石炭统大哈拉军山组第三亚组(图2)。根据岩性的不同，其又可以划分为4个岩性段：第一岩性段以凝灰岩为主，有少量安山岩、英安岩、硅化凝灰岩夹砂岩、凝灰质砾岩，深部见有磁铁矿体；第二岩性段为玄武岩、安山岩、灰岩、白云岩夹大理岩化灰岩等，是主要的含矿层；第三岩性段为英安岩、白云质灰岩、白云岩夹大理岩化灰岩等；第四岩性段为灰岩、砂岩、砾岩和熔结角砾岩等[37]。此外，大哈拉军山组火山岩具有明显不同的岩相，包括爆发相(安山质熔结角砾岩和集块岩)、溢流相(玄武岩、安山岩、英安岩)和爆发沉积相(凝灰岩)[12,38]；矿体主要赋存于溢流相(玄武岩、安山岩)，少量赋存于爆发沉积相(凝灰岩)中[12]。矿区断裂构造发育，多为高角度压扭性正断层。侵入岩主要为钾长花岗岩，少量花岗斑岩脉、闪长岩脉和辉绿岩脉等。

底图引自文献[37]，有所修改

2 硅质岩岩石学特征

2.1 产出特征

在备战铁矿区进行了多条剖面测量，以采坑东、西部的A—B和C—D剖面为代表(图3)。研究表明：矿区下石炭统大哈拉军山组第三亚组除了发育海相火山岩和碳酸盐岩之外，还有多层硅质岩，这些硅质岩与碳酸盐岩和火山岩伴生，产状与上、下地层基本一致，走向近EW，倾向北(图3)。

剖面位置见图2

在矿区北部发育的硅质岩呈似层状、层状，分布在薄层状灰岩和大理岩化灰岩中[图4(a)]，厚度较小(0.5～1.0 m)，硅质岩呈浅灰色[图4(b)]。在矿区南部发育的硅质岩呈似层状、透镜状，分布于灰白色英安岩中[图4(c)]，少量位于灰黑色凝灰岩中，厚度变化较大，一般为0.5～5.0 m，硅质岩多呈灰白色[图4(d)]，少量呈灰黑色，因抗风化能力强常在地表凸出产出[图4(c)]。

2.2 岩石学特征

备战铁矿区硅质岩野外露头及手标本观察为隐晶质结构，具致密块状构造(图4)，部分可见层理构造。显微镜下可见硅质岩主要由玉髓和微粒石英组成(图5)，硅质占岩石总体积分数的70%～80%；玉髓极细(粒度小于0.01 mm)，石英颗粒一般为0.01～0.05 mm，呈半自形—他形粒状。综上所述，备战铁矿区硅质岩具微晶结构、块状构造和层理构造。

根据硅质岩矿物组成和结构构造特点，以及含有陆源碎屑物质和火山物质等特征，可以将备战铁矿区内硅质岩划分为Ⅰ和Ⅱ两类。类型Ⅰ硅质岩发育微晶石英和玉髓，具层理构造[图5(a)～(d)]，含有少量(体积分数小于5%)的陆源碎屑物质(长石、石英)和火山物质(玻屑)；类型Ⅱ硅质岩发育大量的玉髓和少量的微晶石英，岩石具块状构造[图5(e)～(h)]，含有较多(体积分数大于5%)的陆源碎屑物质和火山物质。其中，陆源碎屑物质包括长石、石英，碎屑形态多为棱角状，少量为次棱角状和次圆状[图5(e)、(f)]，粒度一般为0.05～0.20 mm，碎屑体积分数一般为5%～10%，局部达20%，分布不均匀，部分斜长石绢云母化；火山物质包括含晶屑、玻屑的凝灰岩岩屑，体积分数小于5%。此外，硅质岩中常见绢云母细脉沿裂隙充填[图5(g)、(h)]。

Pl为斜长石；Ser为绢云母；Cha为玉髓；Qtz为石英

3 分析方法

本次研究所选样品主要取自备战铁矿区采坑东、西部的A—B和C—D剖面(图3)，少量选自矿区东南部地区，远离采坑(样品19BZ8-47、19BZ8-54)。其中，用于硅质岩岩石地球化学分析的样品有10件，包括类型Ⅰ硅质岩2件和类型Ⅱ硅质岩8件。

硅质岩样品处理过程为：先用清水洗净除去表面的覆土和风化物，然后进行粗粉碎，选取新鲜样品，置于棒磨机中磨碎至200目以上，干燥保存。化学前处理和上机测试在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。主量元素测定依据与方法为《硅酸盐岩石化学分析方法第1部分：吸附水量测定》(GB/T 14506.1—2010)[39]和《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》(GB/T 14506.14—2010)[40]，测试仪器为AB104L Axiosm-AX波长色散X射线荧光光谱仪，分析误差小于1%；微量和稀土元素测试依据与方法为《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》(GB/T 14506.30—2010)[41]，测试仪器为EMEMENT XR等离子体质谱分析仪，相对标准偏差为1%～5%。备战铁矿区硅质岩的主量、微量和稀土元素分析结果分别列于表1～3中。

4 结果分析与讨论

4.1 硅质岩成因

硅质岩成因复杂，涉及SiO2来源、沉淀方式及沉积环境等问题，主要包括：①生物成因[42-43]；②化学成因，如火山沉积成因和热水沉积成因[5,44]；③热水交代(硅化)成因[44]等。据本次研究资料的综合分析认为，备战铁矿区硅质岩应为火山沉积成因。

4.1.1 岩相学特征

备战铁矿区硅质岩呈层状、似层状产出，与下石炭统大哈拉军山组第三亚组火山岩(英安岩)和沉积岩(白云岩、灰岩、大理岩化灰岩)产状一致(图3、4)，且大多数硅质岩与火山溢流作用形成的英安岩伴生，具有形成火山沉积成因硅质岩的沉积环境，为备战铁矿区硅质岩火山沉积成因提供了有力证据。

矿区硅质岩主要由玉髓和少量石英组成，呈隐晶—微晶结构，矿物晶粒小，结晶程度低，硅质岩中未见交代原岩的交代结构和原岩的残余结构(图5)，不具有热水交代(硅化)成因特征；此外，硅质岩中也未见硅质生物化石，因此，不可能是放射虫、海绵骨针等硅质生物死后堆积而成，不具有生物成因特征。综上所述，备战铁矿区硅质岩是在水体中结晶沉淀形成的，属于化学成因。

4.1.2 岩石地球化学特征

通常热水沉积成因的硅质岩以Fe、Mn富集为特征，而Al的富集则与陆源物质的介入有关[44-46]。以Al/(Al+Fe+Mn)值为界，当该比值小于0.4时，硅质岩为热水成因；当该比值大于0.4时，反映碎屑来源；当该比值接近0.6时，硅质岩为生物成因[44,46]。备战铁矿区硅质岩TFeO和MnO2含量较低，而Al2O3含量较高(表1)，Al/(Al+Fe+Mn)值为0.85～0.95；在Al-Fe-Mn图解(图6)中，硅质岩样品远离热水成因区域，落入富铝端，指示了备战铁矿区硅质岩为非热水沉积成因。

底图引自文献[45]，有所修改

火山沉积成因硅质岩通常以低SiO2、K2O、P2O5含量和高Al2O3、TiO2含量为特征，且SiO2含量变化范围较大[3-4,44,46]。备战铁矿区硅质岩SiO2含量(质量分数,下同)较低，且变化范围较大(67.26%～83.52%)，K2O含量(0.27%～4.09%)和P2O5含量(0.06%～0.12%)较低，而Al2O3含量(5.85%～15.88%)、FeO含量(0.35%～1.25%)、MgO含量(0.44%～3.63%)和TiO2含量(0.30%～0.68%)较高(表1)，与火山沉积成因硅质岩的主量元素含量范围基本相当。备战铁矿区一个样品(19BZ8-39)的K2O含量高达8.36%，这是样品中含有较多的绢云母所致[图5(b)]。在TiO2-Al2O3双变量判别图解(图7)中，备战铁矿区硅质岩样品落在火山成因硅质岩区，这与矿区硅质岩同大哈拉军山组第三亚组海相火山岩相伴生的结果相吻合。将前人研究确定的新疆北部石炭纪火山成因硅质岩样品[47-49]投在TiO2-Al2O3双变量判别图解中，结果显示这些样品均落在火山成因硅质岩区。此外，已有研究表明，与海底火山作用相关的硅质岩以K2O/Na2O值小于1为特征，而正常生物化学作用形成的硅质岩K2O/Na2O值远大于1[50]。备战铁矿区大多数硅质岩K2O/Na2O值为0.06～1.02(表1)，也吻合于海底火山作用有关的硅质岩特征。

表1 硅质岩主量元素分析结果

底图引自文献[44]，有所修改

在硅质岩主量元素中，Al和Ti也是判断其形成过程有无陆源物质加入的指示元素。通常在硅质岩沉积过程中，邻近和起源于剥蚀大陆或岛弧的沉积物相对富集Al2O3和TiO2[5,51]。备战铁矿区硅质岩Al2O3和TiO2含量较高，表明硅质岩中陆源物质注入较多，与岩相学研究显示备战铁矿区硅质岩中常见较多陆源碎屑物质和火山物质相吻合。

Girty等提出，硅质岩Al2O3/TiO2值大于20，指示其源区具有安山岩-流纹英安岩组成特点，而硅质岩Al2O3/TiO2值小于10，指示其源于镁铁质源区[51]。备战铁矿区除了两个硅质岩样品Al2O3/TiO2值为12.53和13.38之外，其余硅质岩Al2O3/TiO2值为22.05～44.45(表1)，吻合于以偏中性岩浆岩为源区的硅质岩特征，这与备战铁矿区大哈拉军山组第三亚组发育玄武岩、安山岩和英安岩的火山岩组合以及硅质岩与碳酸盐岩和火山岩伴生等特征一致，产状与上、下火山岩层基本一致。由此可见，备战铁矿区硅质岩与火山作用关系密切。

与地壳微量元素丰度值[52-53]相比(表2)，矿区硅质岩大多数微量元素含量明显偏低，且浓集系数远小于1，仅Th、U、Y等含量偏高，高场强元素Th、U、Y富集，反映了矿区硅质岩的物质组成中有陆源物质的混入。此外，矿区硅质岩Th/U值为2.48～5.82，均小于6，表明硅质岩的物源区主要为老的上地壳[50]，同时也表明硅质岩主要形成于大陆边缘环境。

表2 硅质岩微量元素分析结果

通常硅质岩稀土元素总含量在受陆源影响的环境中较高，但在远洋和深海盆地中较低，即陆源碎屑稀土元素总含量明显高于海水稀土元素总含量[1-4]。备战铁矿区类型Ⅰ硅质岩稀土元素总含量较低，为(11.32～32.94)×10-6，样品中陆源碎屑物质含量很少；类型Ⅱ硅质岩稀土元素总含量较高，为(65.34～119.14)×10-6，说明其形成过程中受到陆源物质加入的影响。

在球粒陨石标准化稀土元素配分模式(图8)中，备战铁矿区类型Ⅰ硅质岩稀土元素总含量较低，且轻稀土元素没有明显富集，具有负Eu异常(0.51～0.77)；类型Ⅱ硅质岩稀土元素总含量较高，为轻稀土元素富集的右倾型，具有负Eu异常或Eu异常不明显(0.59～1.00)，显示与大陆边缘硅质岩一致的稀土元素配分模式[57]。备战铁矿区发育英安岩，其SiO2含量为67%～76%，稀土元素总含量为(31～146)×10-6[17,56]。总体上，矿区硅质岩稀土元素总含量和球粒陨石标准化稀土元素配分模式与矿区英安岩相似。因此，备战铁矿区硅质岩在稀土元素特征方面也体现出火山沉积成因特征。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；球粒陨石标准化数据引自文献[54]；大哈拉军山组英安岩数据引自文献[17]、[56]

4.1.3 硅质来源

下石炭统大哈拉军山组第三亚组岩石组合及其岩石学特征显示，该亚组是海底火山喷发及沉积的产物。岩相学研究表明，矿区大多数硅质岩沉积与英安质火山溢流和沉积相伴，并且硅质岩中含火山凝灰物质，说明硅质来源主要与火山活动有关；岩石地球化学研究也表明，备战铁矿区硅质岩与英安质火山作用关系密切。已有研究表明，火山热液溶解的SiO2可进入水体，同时火山沉积物与海水间由于发生海解作用形成蒙脱石化会释放部分SiO2进入到水体中[5,44]。此外，硅质岩中还有陆缘碎屑物质加入，陆源硅酸盐物质被化学分解后也可形成部分SiO2。在备战铁矿区，这些不同来源和成因的SiO2聚集在一起，最终沉积形成本区硅质岩。

4.2 成矿构造背景及沉积环境

4.2.1 成矿构造背景

前已述及，众多学者对阿吾拉勒成矿带成矿构造背景有不同的认识，本次研究识别了备战铁矿区发育有火山沉积成因硅质岩，其沉积环境为大陆边缘。

通常，硅质岩中MnO来源于大洋深部热液，TiO2与陆源碎屑物质的加入有关。因此，MnO/TiO2值可作为判别硅质岩沉积环境的参数[58]。硅质岩的MnO/TiO2平均值从洋中脊附近(<19.8)→大洋盆地(1.3)→大陆边缘(<0.5)逐渐降低[2-4,44-45]。相比之下，备战铁矿区硅质岩的MnO/TiO2值低，为0.02～0.13(表1)，说明本区硅质岩的沉积环境为大陆边缘。

Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值是判断硅质岩沉积环境的一个良好指标。Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值从洋中脊附近(<0.4)→大洋盆地(0.4～0.7)→典型大陆边缘(>0.7)逐渐升高[1-2,5]。备战铁矿区硅质岩的Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.89～0.99(表1)，且在Fe2O3/TiO2-Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)图解(图9)中，除了类型Ⅰ硅质岩样品具有较低的Fe2O3/TiO2值(表1)而在图中不显示外，类型Ⅱ硅质岩样品接近于大陆边缘，也表明备战铁矿区硅质岩沉积环境为大陆边缘。

底图引自文献[2]、[5]，有所修改

硅质岩中Ce异常和(La/Ce)N值均是判断硅质岩沉积环境的重要标志[1,5]。硅质岩Ce异常从大洋中脊(0.29)→大洋盆地(0.55)→大陆边缘(0.90～1.30)表现为递增规律；而(La/Ce)N值从大洋中脊(3.5)→大洋盆地(1.0～2.5)→大陆边缘(0.5～1.5)表现为递减规律[1,5]。备战铁矿区硅质岩Ce异常为0.93～1.08，(La/Ce)N值为0.83～1.47，明显不同于洋中脊和大洋盆地硅质岩，而与大陆边缘硅质岩稀土元素特征一致。因此，备战铁矿区硅质岩形成于大陆边缘环境。

4.2.2 沉积环境

前期研究表明，备战铁矿区下石炭统大哈拉军山组第三亚组火山喷发强烈，且具有多个喷发旋回及岩相[12]。本次研究认为在火山喷发的间歇期，水体中主要源于火山活动的硅质和少量源于大陆边缘的硅质达到饱和，发生沉淀，形成硅质岩，部分硅质岩直接赋存在矿区碳酸盐岩中。备战铁矿区发育薄层状白云岩、灰岩和大理岩化灰岩，表明其形成的海水相对较浅，而矿区硅质岩与白云岩、灰岩和大理岩化灰岩共生，暗示硅质岩形成于海水较浅的沉积环境。

4.3 成矿指示意义

前人对备战铁矿床的成因有不同认识，本次研究发现备战铁矿区发育火山沉积成因硅质岩，且矿区贫矿体(L1)赋存在白云岩、灰岩和大理岩化灰岩中[图3(a)、4(a)]，而硅质岩与碳酸盐岩共生，因此，硅质岩的沉积环境可间接指示本区碳酸盐岩及有关铁矿体的形成环境。

一般情况下，硅质岩的微量元素U/Th值和稀土元素中Ceanom值被广泛用作判断古海水氧化-还原条件的标志[59-61]。通常，硅质岩U/Th值小于0.75时指示水体为氧化环境，U/Th值大于1.25时指示水体为还原环境[59]；Ceanom值大于-0.10时反映水体呈缺氧环境，而小于-0.10时反映水体呈氧化环境[61]。备战铁矿区硅质岩U/Th值为0.17～0.40(表2)，平均值为0.29，表明矿区硅质岩形成于氧化环境；备战铁矿区硅质岩Ceanom值为-0.07～-0.01(表3)，平均值为-0.04，也指示水体呈氧化环境，这有利于磁铁矿的形成。

表3 硅质岩稀土元素分析结果

前已述及，备战铁矿区赋存在与铁矿体(L1)有关的白云岩、灰岩和大理岩化灰岩中，其中发育硅质岩，包括样品19BZ8-16[图4(a)、(b)]和样品19BZ9-10；此外，野外多条剖面测量和12个钻孔岩芯编录过程中，在矿区中南部和深部也见有白云岩、灰岩和大理岩化灰岩。李厚民等研究表明：碳酸盐大量沉淀开始于pH值为7.8的弱碱性条件[62]；同时，pH值为7.8也是Fe(OH)3胶体的等电点[63]，Fe可以大量沉淀。备战铁矿床发育碳酸盐岩，表明其沉积时海水pH值为7.8，因此，形成碳酸盐岩指示的弱碱性环境十分有利于Fe的沉淀，导致备战铁矿床碳酸盐岩与铁矿体(L1)共生。

综上所述，备战铁矿区硅质岩的形成环境为浅海、弱碱性、氧化环境，有利于磁铁矿形成。