新疆西天山备战铁矿床含矿地层岩石化学特征及形成时代探讨

张建收，阿丽娜，穆媛芮，杨有生

摘  要：以新疆西天山备战铁矿含矿地层为研究对象，通过开展系统的地质学、岩相学、主微量元素地球化学、锆石U-Pb同位素年代学等方面的研究，进一步分析铁矿岩浆源性质及成岩、成矿时代。研究结果表明，含矿地层下石炭统大哈拉军山组第三段火山岩富集轻稀土元素及Rb，Th，K等大离子亲石元素，亏损Nb，Ta，P，Ti等高场强元素。火山岩形成于岛弧环境，构成一次完整的火山喷发旋回，最早喷发的为一套爆发相的凝灰岩韵律，其次为溢流相的玄武岩韵律，再次为一套溢流相的英安岩韵律，最终为一套沉积砾岩、砂岩韵律组合。该组合中的每一组岩层在化学成分上具较好的相关性，反映其属于同源岩浆演化的结果，且此类成岩先后顺序与该区测定的U-Pb同位素测年结果相符合。

关键词：西天山;地球化学;U-Pb同位素测年;大哈拉军山组第三段火山岩;岛弧环境;火山喷发旋回

西天山阿吾拉勒成矿带是新疆重要的铁矿成矿带之一，随着我国地质大调查的深入开展，该成矿带内相继发现了一系列大-中型的铁矿床，由西到东依次有阔拉萨依、式可布台、松湖、尼新塔格、查岗诺尔、智博、敦德、备战等铁矿，其成矿均与下石炭统大哈拉军山组关系密切[1-3]。众多综合研究成果表明，西天山地区大哈拉军山组不同区域沉积建造具不同的岩石组合特征和相对较长的时间跨度，整体表现出由西到东逐渐变年轻的趋势。备战铁矿床分布于西天山阿吾拉勒成矿带东段，为典型的大型铁矿床，铁矿体赋存于下石炭统大哈拉军山组第三段火山岩中。近年来，国内众多地质学者对备战铁矿区大哈拉军山组火山岩进行地质、地球化学、年代学方面的研究，总体来看，由于研究手段，研究层次不同，也存在不同认识[4-6]。对该组火山岩主要认识和存在的问题有：①备战铁矿区地层层序不清。前人将矿区主体地层划为上石炭统未分组，仅据主体岩性划分为3个岩性段，矿体赋存于第一岩性段中;②矿床的成因不清。前人最主要的观点是备战铁矿属矽卡岩型铁矿，规模不可能大，前景不好，认为不具备大型铁矿成矿条件;③矿床深部延伸不清。由于交通、气候及地形条件限制，钻机等深部探矿设备无法在矿区有利位置持续开展作业，矿体深部延伸情况无法掌握。上述问题为备战铁矿地质工作的主要难点，因此， 笔者认为选取矿区内主要含矿地层大哈拉军山组第三岩性段a岩层与b岩层为研究对象，在前人研究成果的基础上，结合本课题组的大量野外调查资料和室内研究工作，深入进行岩浆源区性质、构造环境与成岩、成矿时代方面的研究，对该区地质演化研究和相关矿产勘查工作十分必要。

1  成矿地质背景

研究区位于阿吾拉勒（裂谷带）Fe-Au-Cu-Pb-Zn-煤-硫铁-重晶石矿带。该成矿带位于博罗科努成矿带南部，西起尼勒克县群吉一带，东至备战铁矿一带，长430 km，宽10～20 km。区内出露主要地层为石炭系中酸性火山-火山碎屑岩建造及少量碎屑岩建造，二叠系双峰式火山岩、火山碎屑岩及碎屑岩。岩浆活动以海西中晚期中酸性岩浆侵入活动为主。区内断裂发育，分布的大量火山机构、环状、放射状断裂构造与成矿作用关系密切。该成矿带矿化具分段集中的特点，西段以陆相火山岩型铜矿化为主，东段以铁、铜、金、多金属矿为主，分布于式可布台-备战一带，铁矿类型主要为海相火山岩型，主要有查岗诺尔、式可布台、松湖、智博、备战等铁矿（图1）。

1.1  矿区地质特征

备战铁矿区出露地层由老到新为上泥盆统艾尔肯组，下石炭统大哈拉军山组第三岩性段，下石炭统大哈拉军山组第四岩性段，下石炭统阿克沙克组第二岩性段，中—下侏罗统水西沟群，及少量的第四系全新统[1]。下石炭统大哈拉军山组第三岩性段为主要含矿岩层。区内构造较发育，整体呈倒转向斜构造，局部被断层切割，其中较大断层为F4、F5号断层，对区内矿体起破坏作用的断层为F5号平移断层。区内岩浆活动强烈，变质作用较强，矿区南部大面积出露钾长花岗岩株，另有花岗斑岩脉、大量的辉绿岩脉等，变质作用主要为区域变质、动力变质及接触交代变质作用。

1.2  含矿地层特征

大哈拉军山组第三岩性段主体分布于勘查区南部，少量分布于北部尼勒克断裂（F4）以南區域，整体呈近EW向条带状展布，其构造形态为一紧闭的倒转向斜，与上覆大哈拉军山组第四岩性段为整合接触，与阿克沙克组呈断层接触，未见底（图2）。

大哈拉军山组第三岩性段主要由一套滨海相火山碎屑岩、火山熔岩、沉积岩组成，岩性为深灰色凝灰岩、黑色玄武岩、磁铁矿体、灰色（玄武）安山岩、灰白色英安岩、大理岩、砾岩、砂岩等。底部为爆发相火山碎屑岩，中下部为基性火山岩，中上部为中酸性火山熔岩，顶部为沉积岩。据大哈拉军山组第三岩性段火山喷发韵律、岩石组合及磁铁矿产出特征等，将备战矿区大哈拉军山组第三岩性段划分为4个岩性层，分别为a岩层、b岩层、c岩层和d岩层。

2  岩石地球化学特征

2.1  大哈拉军山组a岩层

a岩层分布于矿区南部，构成倒转向斜构造南翼，向斜北翼受尼勒克断裂F4影响未出露。该岩层与b岩层呈断层接触（图2）。

2.1.1  岩石学特征

该岩层地表仅出露凝灰岩，深部钻孔中见磁铁矿体。岩性为深灰色英安质晶屑岩屑凝灰岩，呈灰-深灰色，致密块状构造。晶屑以英安岩岩屑为主，少量长石晶屑以自形-半自形产出，蚀变强烈，基质以长英质为主。岩石发育绿泥石化、绿帘石化、方柱石化等蚀变（图3-A，B），局部磁铁矿化强而形成磁铁矿体。磁铁矿呈灰黑色粒状集合体产出，可与黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等伴生，也可见呈长板条状与绿帘石、透辉石等脉石矿物共生。

2.1.2  稀土元素特征

凝灰岩类稀土元素测试数据见表1。总体表现为轻稀土富集、重稀土亏损，分布曲线右倾模式（图4-a）。∑REE介于50.51×10-6～124.77×10-6，平均81.14×10-6，LREE/HREE为2.380～7.794，平均5.43，表明轻稀土较富集。LaN/YbN值1.38～8.71，平均5.19，稀土元素分布曲线为右陡倾式;LaN/SmN值为2.68～6.74，平均4.64，反映轻稀土之间分馏程度较好;GdN/YbN值0.94～2.96，平均1.63，反映重稀土元素间分馏不明显;δEu值为0.39～0.86，平均0.64，表现为Eu中等弱负异常（Eu亏损型）;δCe值0.86～1.17，平均1.03。

2.1.3  微量元素特征

由微量元素分布图可看出（图4-b），整体呈负斜率，凝灰岩中亏损Nb，Ta，P，Ti等高场强元素，与岛弧火山岩具相似特征，富集Rb，Sm，U，Th等，说明矿床并非形成于大陆裂谷初期阶段，Rb/Sr在0.01～0.06，平均0.04（小于0.5）。

2.2  大哈拉军山组第三段b岩层

b岩层分布在矿区南部，构成倒转向斜构造南翼，向斜北翼受尼勒克断裂影响未出露，与c岩层呈整合接触。

2.2.1  岩石学特征

b岩层地表出露玄武岩、大理岩、磁铁矿体，深部钻孔中还见玄武安山岩。其中玄武岩分布面积较广，岩石呈黑绿色，块状构造;磁铁矿体为稠密浸染状磁铁矿，呈灰黑色粒状集合体产出，可与黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等伴生，也可见呈长板条状与绿帘石、透辉石等脉石矿物共生（图3-C，D）。

2.2.2  微量元素特征

玄武岩类岩石微量元素测试数据见表2，在微量元素标准化蛛网图中呈负斜率（图5-a），Sr，Rb，K，Th等富集，Ti，Y，Zr，Nb，Ta，Ce等亏损，为岛弧玄武岩的分布型式。

2.2.3  稀土元素特征

玄武岩类岩石稀土元素测试数据结果见表2。稀土元素分布图上表现为向右倾斜（图5-b），表现出轻稀土明显富集，重稀土亏损特征。∑REE介于57.29×10-6～168.74×10-6，平均113.93×10-6，LREE/HREE比值为2.00～7.34，平均5.54，大于地壳平均值1.15，说明玄武岩系列岩石分异程度较强，∑REE及LREE/HREE变化范围大，可能表明火山岩浆演化具长期性和多次性，或为双峰式特征的体现;LaN/YbN值1.65～9.49，平均6.37，为右陡倾式;LaN/SmN值2.02～7.28，平均4.22，反映轻稀土之间分馏程度较好;GdN/YbN值1.63～3.59，平均2.25，其值较小，说明重稀土元素间分馏一般;δEu值0.58～1.25，平均0.83，为Eu弱负异常（弱亏损型），表明岩浆分异程度较高，岩浆形成时可能仅有少量斜长石作为残留相，或在岩浆演化过程中发生了一定分离结晶作用，另外也暗示玄武岩浆受到地壳混染。

2.3  大哈拉军山组第三段c岩层

c岩层分布在矿区南部，构成倒转向斜南翼，北翼受尼勒克断裂影响未出露，该层与b、d岩层均呈整合接触关系。

2.3.1  岩石学特征

该岩层地表及钻孔中出露岩性简单，主要为英安岩、大理岩。英安岩呈灰白色片理化英安岩，整体呈灰白色，细粒结构，局部为斑状结构，致密块状构造，斑晶以钾长石、斜长石为主，少见英安质角砾，长石斑晶以自形棱角状、次棱角状为主，蚀变强烈，基质以长英质为主（图3–E，F）。

2.3.2  微量元素特征

英安岩类岩石微量元素测试结果见表3。在微量元素蛛网图中可见（图6），整体呈负斜率，富集大离子亲石元素K，Rb，Sm，U，Th，亏损Ba，Nb，P，Ti，K/Rb，平均326.98，属流纹岩类型;Rb/Sr均值0.31（小于0.5），属岩浆早期偏晚演化阶段形成;Ba/Rb均值3.47;Nb/Ta均值7.96。在岩浆的演化过程中Ba减少而Rb增加，Ba/Rb降低，随岩浆分异作用增强，Nb/Ta降低。

2.3.3  稀土元素特征

英安岩类岩石稀土元素测试数据见表3，从稀土元素分布曲线中可看出（图6），曲线右倾，表现为轻稀土明显富集，重稀土亏损特征。∑REE平均值183.00×10-6，LREE/HREE平均值7.11，大于地殼平均值1.15，说明该英安岩系列岩石分异程度较高，强于玄武岩系列岩石分异程度;LaN/YbN平均值8.14，表明稀土元素分布曲线为右倾式较陡;LaN/SmN均值5.87，反映轻稀土之间分馏程度较好;GdN/YbN均值1.63，值较小，说明重稀土间分馏一般;δEu均0.65，小于上地壳均值0.72，且普遍亏损Sr，说明岩浆形成时斜长石作为残留相存在，或在岩浆演化过程中发生了斜长石的分离结晶作用。

2.4  大哈拉军山组第三段d岩层

d岩层分布在矿区南部及北部，构成倒转向斜构造的南北两翼，北翼受尼勒克断裂影响出露不全，与大哈拉军山组第四岩性段呈整合接触关系。该岩层地表及钻孔中出露岩性较简单，主要有灰岩、砾岩、细砂岩。灰岩为大理岩化粉晶灰岩，分布面积较小。岩石呈灰、灰白色，薄层状构造。岩石大理岩化强，镜下显示中间重结晶方解石沿层理定向分布，两侧为粉晶方解石（图3-G，H）。砾岩分布于底部，浅绿、紫红色呈互层状韵律产出，砾状结构，厚层状构造。细砂岩呈层状，主要分布于尼勒克断裂南侧，分布范围较广。

2.5  总体特征总结

大哈拉军山组第三岩性段a、b、c岩层均属岩浆岩类，据各岩层岩石学特征可知，玄武岩类、（玄武）安山岩类、英安岩类在化学成分上具较好的相关性，反映其属同源岩浆演化的结果，即基性→中基性→酸性的演化;据a，b，c岩层不同岩石微量元素特征可知，在岩浆的演化过程中，随Ba减少而Rb增加，Ba/Rb减少，蛛网图整体呈负斜率，随岩浆分异作用增强，Nb/Ta降低;据a，b，c岩层不同岩石稀土元素分布特征可知，曲线均为右倾模式，具轻稀土明显富集，重稀土亏损特征，说明其成岩物质具有相似的形成背景。下石炭统大哈拉军山组第三岩性段总体北倾，走向上岩性、岩相差异性不大，延伸稳定。据各岩层岩石学特征及岩性组合分析，为一次完整的火山喷发旋回，最早喷发的为一套爆发相凝灰岩，后为溢流相玄武岩，再后为一套溢流相英安岩，最后为一大套沉积砾岩、砂岩、灰岩组合。

3  形成时代

为研究区内大哈拉军山组第三岩性段火山岩的形成时代，分别在大哈拉军山组第三岩性段b岩层玄武岩和c岩层英安岩中采集样品，进行U-Pb同位素测年。同位素测试在福建省121地质大队化验测试中心采用激光剥蚀电感耦合等离子质谱法（LA-ICP-MS）完成。样品经过破碎、磁选和重选后，挑选出锆石，锆石粒径100～250 μm，以粒状为主，部分颗粒因破碎过细而不完整。英安岩、玄武岩中锆石的阴极发光（CL）图像显示（图7），韵律环带清晰，为典型岩浆锆石特征。

经测试，样品50个测点均为有效数据点。从英安岩的25个数据点测定结果可看出，206Pb/238U表面年龄比较均一，大多在313～362 Ma之间，这些数据点中有15个数据点谐和性较好，206Pb/238U 加权平均年龄为（324.3±3.4）Ma（MSW =±0.16）（图8-a），该年龄可能代表了岩石主体结晶年龄。从玄武岩测定的25个数据点结果可看出，206Pb/238U表面年龄一般在294～340 Ma之间，这些数据点中有20个数据点谐和性较好，206Pb/238U 加权平均年龄为（325.3±2.8） Ma（MSW=±0.72）（图8-b），该年龄可能代表了岩石主体结晶年龄。

4  成岩、成矿时代讨论

从备战铁矿床含矿岩层中英安岩、玄武岩锆石U-Pb定年分析结果可知，大哈拉军山组第三岩性段b岩层玄武岩成岩时代为（325.3±2.8） Ma，c岩层英安岩成岩时代为（324.3±3.4） Ma。

野外地质观察，大哈拉军山组第三岩性段的4个岩性层及a、b层内产出的磁铁矿均为整合接触关系，c层英安岩中不含磁铁矿，可判断磁铁矿形成于c层成岩之前，与b层的成岩时代相当。据b、c两层的锆石U-Pb测年结果，成矿年代约为325 Ma，为早石炭世晚期。

5  结论

（1） 西天山备战铁矿床含矿地层为下石炭统大哈拉军山组第三岩性段，火山岩微量及稀土元素分析结果显示，火山岩以轻稀土明显富集，重稀土亏损为特征，相对富集大离子亲石元素K，Rb，Th等，相对亏损高场强元素Nb，Ta，Ti等。

（2） 锆石U-Pb同位素测年揭示，该地区大哈拉军山组第三岩性段b岩层玄武岩成岩时代为（325.3±2.8） Ma，c岩层英安岩成岩时代为（324.3±3.4）Ma。结合野外调查结果，大哈拉军山组第三岩性段b岩层玄武岩成岩时代基本代表了主体成矿时代。英安岩中不含矿表明，英安岩成岩时成矿已结束。备战铁矿磁铁矿的成矿年龄约为325 Ma，属早石炭世晚期。

（3） 通過对含矿层位岩石地球化学、成矿条件及成矿期的研究，认为备战铁矿床属海相火山喷溢沉积-热液交代-矿浆充填型铁矿床。

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Discussion on Petrochemical Characteristics and Formation Age of Ore Bearing Strata of Beizhan Iron Deposit in Western Tianshan， Xinjiang

Zhang Jianshou， A Lina， Mu Yuanrui， Yang Yousheng

（1.No.11 Geological Branch， Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Development， Changji，Xinjiang，831100， China; 2.School of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing，100083，China）

Abstract：In this paper， it takes the Ore-bearing strata of Beizhan Iron deposit as the study objects. The paper further analyzes the Characteristics of magma source and diagenetic and metallogenic age of the iron ore through carrying out systematic research on field geology， petrography， major and trace element geochemistry and zircon U-Pb isotopic chronology， etc. The findings show that the ore-bearing strata， namely the third volcanic rock of Dahalajunshan Formation of Lower Carboniferous， are enriched in LREE（Light Rare Earth Elements） and large ion lithophile elements（ Rb， Th， K） and depleted in high field strength elements（Nb， Ta， P， Ti）.Volcanic rocks are formed in the island arc environment， constituting a complete volcanic eruption cycle. The first eruption is a set of tuff rhythm of the eruptive phase， followed by basalt rhythm of the overflow phase， then a set of dacite rhythm of the overflow phase， and finally a set of sedimentary conglomerate and sandstone rhythm combination. Each group of stratas in the assemblage has a good correlation in chemical composition， which can reflect the result of homologous magmatic evolution. At the same time， the sequence of diagenesis is consistent with the U-Pb isotopic dating in study area.

Key words： Western Tianshan; Geochemistry; U-Pb isotope dating; Volcanic rocks of the third member of Dahalajunshan Formation of Lower Carboniferous; Island arc environment; Volcanic Eruption Cycle