新疆尾亚钒钛磁铁矿夕卡岩捕虏体的地质特征

石煜，王玉往，王京彬，周国超，赵路通，解洪晶，李德东

（1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013；2.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012；3.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

0 引言

夕卡岩是岩浆对碳酸盐岩地层同化混染作用的结果，常见于中酸性岩浆岩与碳酸盐岩地层的接触部位，亦见于基性-超基性岩浆岩与碳酸盐岩地层的接触部位，如我国攀枝花-西昌地区的攀枝花和白马层状岩体（Ganino et al.,2008,2013）。而岩体内的夕卡岩捕虏体仅报道于国内外少数几个镁铁-超镁铁岩中，如南非Bushveld岩体（Pronost et al.,2008），美国Christmas 岩体（Joesten,1977），挪威Hortavær岩体（Barnes et al.,2005），以及我国攀枝花和白马岩体（Ganino et al.,2008,2013），是幔源岩浆对碳酸盐岩地层同化混染作用的又一表现形式。

我国攀枝花-西昌地区的岩浆钒钛磁铁矿矿床与碳酸盐岩地层显示了密切的空间关系，其成矿作用被认为是同化混染碳酸盐岩地层的结果：CO2流体的加入导致玄武质岩浆氧逸度发生显著升高，并致使玄武质岩浆中铁钛氧化物大量结晶堆积（Ganino et al.,2008,2013;Tang et al.,2017;汤庆艳等,2020）。然而，Yu et al.（2015）认为攀枝花-西昌地区的含矿镁铁-超镁铁岩同化混染碳酸盐岩地层比例较低，不足以使岩浆氧逸度发生显著升高，致使铁钛氧化物富集成矿。碳酸盐岩同化混染作用与岩浆钒钛磁铁矿矿床的成因关系研究有助于揭示区域岩浆矿床成矿规律，也将丰富幔源岩浆矿床的成矿作用机制理论。尾亚矿床是东天山地区规模最大、品位最高的钒钛磁铁矿矿床（王玉往等,2005,2006），其含矿岩体中存在大量夕卡岩捕虏体，为探讨碳酸盐岩同化混染作用和岩浆钒钛磁铁矿矿床的成因关系提供了天然的研究对象。本文对尾亚矿床新近发现的夕卡岩捕虏体进行报道，详细描述其地质特征和岩相学特征，初步探讨碳酸盐岩同化混染作用在矿物学、岩石学和同位素地球化学等方面的响应，揭示其与尾亚矿床的成因关系。

1 区域地质背景

天山造山带是中亚造山带的一部分，形成时代为早二叠世（Wang et al.,2010），或者早三叠世（Xiao et al.,2004），是微陆块合并以及岛弧增生过程的产物（Jahn et al.,2004）。造山带中的蛇绿岩带、区域性断裂以及高程度变质岩石将其划分为南天山、中天山和北天山3个次级造山单元（Xiao et al.,2004）。北天山主要由泥盆纪-石炭纪钙碱性火山岩和沉积岩组成，中天山和南天山主要由前寒武纪结晶基底和被动陆缘沉积物组成。南天山仅存于西南部，传统上将中天山和北天山的东部称为东天山（图1）。区内主干断裂主要为东西向展布，次为北东东向，从北到南依次为吐哈盆地南缘断裂、康古尔断裂、苦水断裂和阿其克库都克-沙泉子断裂等（图1），其中阿其克库都克-沙泉子断裂为北天山和中天山的分界线。

东天山地区幔源岩浆作用强烈，大量的镁铁-超镁铁岩体广泛分布于中天山地轴和北天山觉罗塔格构造带（图1）。区内幔源岩浆侵入体主要分为层状辉长岩和镁铁-超镁铁杂岩体。层状辉长岩侵入体主体分布于中天山地轴（图1），主要形成于晚石炭世（李德东等,2012;Wang et al.,2014;Shi et al.,2018a,2018b,2019;Zheng,2020），部分形成于中三叠世（如尾亚）（Zhang et al.,2005;王玉往等,2008;Zheng,2020;Shi et al.,2021）；镁铁-超镁铁杂岩体主要形成于晚石炭世—早二叠世（Han et al.,2004;Zhou et al.,2004;Han et al.,2010,2013;三金柱等,2010;Tang et al.,2011），广泛分布于各个构造单元（图1），主体形成岩浆铜镍硫化物矿床，部分岩体形成CuNi-VTiFe复合型矿床（王玉往等,2010;Shi et al.,2018c）。

2 矿床地质特征

尾亚钒钛磁铁矿矿床位于哈密市东南约130 km处（图1），是尾亚火成岩的组成部分，位于中天山地轴北缘，阿其克库都克-沙泉子断裂南侧（图1）。中天山地轴主要出露一套中元古宙中深变质岩系，主要为片岩、片麻岩和大理岩，发育有元古代、早古生代和晚古生代—早中生代侵入岩（李伍平等,2001;顾连兴等,2003;张遵忠等,2004,2005）。尾亚火成岩包含有镁铁-超镁铁岩、正长岩和花岗岩等岩性（Zhang et al.,2005），长×宽约为14 km×13 km，出路面积约200 km2（图2a），侵入于中—新元古代片岩和片麻岩地层（图2a），未显示显著的变形和变质作用，其中花岗岩和辉长岩的高精度锆石U-Pb年龄分别为246～233 Ma（Zhang et al.,2005）和238～236 Ma（Zhang et al.,2005;王玉往等,2008;Zheng,2020;Shi et al.,2021）。

图1 东天山区域地质简图和正岩浆矿床分布图（据石煜等,2018修改）

尾亚钒钛磁铁矿矿床产出于尾亚火成岩北部的镁铁-超镁铁岩中（图2a），含有铁矿石16.56×106t，TiO21.28×106t，以及V2O52301.5 t（王玉往等,2005;肖凡等,2013）。尾亚含矿镁铁-超镁铁岩体被后期侵入的花岗岩类和辉绿岩切穿（图2b），可以分为西部矿段、中部矿段和东部矿段（图2b），其主体被第四系覆盖，其与围岩接触关系未见揭露。西部矿段的主体岩石为橄榄辉石岩，为矿区基性程度最高的岩石类型，矿区可见大量晚期侵入的角闪辉长岩（图2b）。中部矿段为层状辉长岩，倾向介于117°～123°，倾角介于20°～30°，由互层浅色辉长岩和暗色辉长岩组成，其中浅色辉长岩不含橄榄石，而暗色辉长岩富含橄榄石和黑云母，被后期侵入的角闪辉长岩和长英质脉岩切穿（图2b）。东部矿段为层状辉长岩，倾向介于116°～122°，倾角介于20°～30°，由互层粗粒浅色辉长岩和粗粒暗色辉长岩组成（Shi et al.,2021）。中部矿段为主要的控矿岩相带，其中的4条矿体控制了矿石储量的70%左右（王玉往等,2005），其中#5、#6和#7矿体产于橄榄辉长岩相，为浸染状—稠密浸染状矿石，#10矿体为块状富矿，以整合形态产于中部岩相带和西南部岩相带之间。

图2 尾亚镁铁-超镁铁岩地质简图（据王玉往等,2005修改）

3 夕卡岩捕虏体

尾亚矿山新近的开采活动在其主要矿体中揭露出了大量夕卡岩捕虏体，如#7矿体（图3a），以及#10矿体，其中夕卡岩捕虏体产出于#7矿体南端，与矿体膨大部位显示了密切的空间关系（图2b）。夕卡岩捕虏体总体长×宽均介于几米到几十米（图3a），具有核部-边部的二元结构，核部为围岩地层变质形成的橄榄石-水镁石-方解石夕卡岩（即外夕卡岩），捕虏体边部为5～10 cm厚的单斜辉石夕卡岩（即内夕卡岩）。

图3 尾亚钒钛磁铁矿矿床野外和镜下照片

外夕卡岩显示块状构造，它形粒状结构，由10%～20%橄榄石，10%～15%的水镁石，60%～70%的方解石，以及少量尖晶石组成（图3b），其中橄榄石为镁橄榄石，具有富CaO、贫NiO的成分特征（未发表数据）。内夕卡岩显示块状构造，半自形粒状结构，含有>95%的单斜辉石组成（图3c），可含有少量尖晶石，其中单斜辉石富含钙契尔马克分子（未发表数据）。

4 讨论

实验岩石学结果表明，幔源岩浆与碳酸盐岩地层相互作用将形成热变质成因的外夕卡岩，以及岩浆成因的内夕卡岩（Joesten,1977;Owens,2000;Wenzel et al.,2002）。外夕卡岩以它形粒状结构，以及含有大量方解石为特征（Di Rocco et al.,2012），其常见的矿物包括镁橄榄石、水镁石、钙镁橄榄石、透辉石和低Cr尖晶石，其中镁橄榄石和透辉石成分较为特征，如Kiglapait岩体中镁橄榄石Fo值大于98.1，透辉石Mg#大于96.1（Owens,2000）。内夕卡岩结晶于同化混染碳酸盐岩的幔源岩浆（Mollo et al.,2010;Di Rocco et al.,2012），产于外夕卡岩和堆晶岩的接触带，多为单斜辉石岩（Joesten,1977;Owens,2000），可含有少量橄榄石和低Cr尖晶石，以及少量方解石。单斜辉石富含钙契尔马克分子（Ts），如Kiglapait岩体中内夕卡岩单斜辉石钙契尔马克分子总数（∑Ts）高达0.288～0.347（Owens,2000）。尾亚夕卡岩捕虏体具有外夕卡岩-内夕卡岩的二元结构，与国外相应夕卡岩具有一致的地质特征，其外夕卡岩中橄榄石为镁橄榄石（未发表数据），其内夕卡岩单斜辉石为富钙契尔马克分子的单斜辉石（未发表数据），其矿物特征与国外夕卡岩中的矿物特征基本一致，表明尾亚含矿岩体在成岩过程中同化混染了碳酸盐岩地层。此外，尾亚矿床夕卡岩捕虏体产出于#7矿体的膨大部位（图2b），两者紧密的空间联系表明碳酸盐岩同化混染作用与尾亚矿床具有紧密的成因关系。

尾亚矿床含矿岩体具有较为特殊的Sr-Nd-O同位素组成，可能是同化混然碳酸盐岩地层的直接结果。尾亚含矿岩石δ18O介于5.67‰～8.04‰（Zhang et al.,2007），矿石矿物δ18O介于6.1‰～7.8‰（肖凡等,2013），高于幔源岩浆氧同位素组成，具有同化混染地壳物质的特征（Zhang et al.,2007;肖凡等,2013），然而同化混染对象却并不明确。碳酸盐岩地层具有高的δ18O组成，幔源岩浆对其同化混染作用可以使岩浆δ18O值发生显著升高。尾亚钒钛磁铁矿矿床含矿岩体(87Sr/86Sr)i介于0.7066～0.7076，εNd(t)介于0.52～0.76（Zhang et al.,2007;王玉往等,2008;Shi et al.,2021），相比于区内其它含矿镁铁-超镁铁岩，具有更高的(87Sr/86Sr)i值和稍低的εNd(t)值（图4）。碳酸盐岩地层Sr含量较高，Nd含量较低，且具有较高的(87Sr/86Sr)i组成，幔源岩浆对其同化混染作用将使得岩浆(87Sr/86Sr)i发生显著提高，而εNd(t)略微降低。综上所述，尾亚含矿岩体的Sr-Nd-O同位素组成可能是含矿岩浆同化混染碳酸盐岩地层的结果。

图4 东天山含矿镁铁-超镁铁岩Sr-Nd同位素图解（底图据Zindler and Hart,1986）

尾亚矿床含矿岩体斜长石堆晶作用显著，其含矿岩石和矿石的δEu值与区内钒钛磁铁矿矿床含矿岩体基本一致，显著高于区内含铜镍硫化物矿床的镁铁-超镁铁岩（图5）。因此，斜长石堆晶作用与尾亚矿床的形成具有密切关系，对揭示区域钒钛磁铁矿矿床成矿作用机制具有重要意义。研究结果表明，斜长石不含Fe、Ti和V等成矿元素，其大量结晶将致使成矿元素在残余岩浆中发生显著富集（Shi et al.,2018b,2019,2021）。此外，斜长石密度显著低于铁钛氧化物和残余岩浆，在含矿岩浆侵位过程中将与铁钛氧化物发生有效分离，导致铁钛氧化物富集、成矿（Shi et al.,2018b,2019,2021）。然而，东天山地区钒钛磁铁矿矿床含矿岩体中斜长石大量结晶堆积的诱发机制却并不清楚。实验岩石学结果表明，碳酸盐岩同化混染作用将使得幔源岩浆中CaO含量发生显著提高，并导致富CaO硅酸盐造岩矿物的结晶堆积（Di Rocco et al.,2012）。斜长石是富CaO的重要硅酸盐造岩矿物，其显著的结晶堆积作用可能是母岩浆中CaO含量升高的结果。此外，碳酸盐岩同化混染作用将导致岩浆中CO2含量升高（Wenzel et al.,2002），使得岩浆氧逸度升高，促使铁钛氧化物结晶堆积成矿（Ganino et al.,2008）。综上所述，碳酸盐岩地层同化混染作用对尾亚矿床形成的影响可能主要存在两个方面：一方面使得岩浆氧逸度发生明显升高，诱发铁钛氧化物结晶；另一方面提高岩浆中CaO含量，致使斜长石发生大量结晶，并与铁钛氧化物发生有效分离，形成钒钛磁铁矿矿床。

图5 东天山含矿镁铁-超镁铁岩TiO2-δEu（a）和V-δEu（b）图解

5 结论

（1）尾亚钒钛磁铁矿矿床夕卡岩捕虏体可以分为内夕卡岩和外夕卡岩，其外夕卡岩具有镁橄榄石和水镁石等特征矿物，其内夕卡岩含有高钙契尔马克分子单斜辉石，是幔源岩浆同化混染碳酸盐岩地层的产物。

（2）碳酸盐岩同化混染作用对尾亚矿床含矿岩体的同位素、岩石学和成矿作用产生了一系列影响，改变了含岩体的Sr-Nd-O同位素组成，导致了斜长石大量结晶堆积，以及尾亚矿床的形成。

致谢论文的修改得益于到了两位审稿专家悉心指导，在此表示诚挚的谢意。