石煜，王玉往，王京彬，周國(guó)超，趙路通，解洪晶，李德東

（1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100012；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

0 引言

夕卡巖是巖漿對(duì)碳酸鹽巖地層同化混染作用的結(jié)果，常見(jiàn)于中酸性巖漿巖與碳酸鹽巖地層的接觸部位，亦見(jiàn)于基性-超基性巖漿巖與碳酸鹽巖地層的接觸部位，如我國(guó)攀枝花-西昌地區(qū)的攀枝花和白馬層狀巖體（Ganino et al.,2008,2013）。而巖體內(nèi)的夕卡巖捕虜體僅報(bào)道于國(guó)內(nèi)外少數(shù)幾個(gè)鎂鐵-超鎂鐵巖中，如南非Bushveld巖體（Pronost et al.,2008），美國(guó)Christmas 巖體（Joesten,1977），挪威Hortav?r巖體（Barnes et al.,2005），以及我國(guó)攀枝花和白馬巖體（Ganino et al.,2008,2013），是幔源巖漿對(duì)碳酸鹽巖地層同化混染作用的又一表現(xiàn)形式。

我國(guó)攀枝花-西昌地區(qū)的巖漿釩鈦磁鐵礦礦床與碳酸鹽巖地層顯示了密切的空間關(guān)系，其成礦作用被認(rèn)為是同化混染碳酸鹽巖地層的結(jié)果：CO2流體的加入導(dǎo)致玄武質(zhì)巖漿氧逸度發(fā)生顯著升高，并致使玄武質(zhì)巖漿中鐵鈦氧化物大量結(jié)晶堆積（Ganino et al.,2008,2013;Tang et al.,2017;湯慶艷等,2020）。然而，Yu et al.（2015）認(rèn)為攀枝花-西昌地區(qū)的含礦鎂鐵-超鎂鐵巖同化混染碳酸鹽巖地層比例較低，不足以使巖漿氧逸度發(fā)生顯著升高，致使鐵鈦氧化物富集成礦。碳酸鹽巖同化混染作用與巖漿釩鈦磁鐵礦礦床的成因關(guān)系研究有助于揭示區(qū)域巖漿礦床成礦規(guī)律，也將豐富幔源巖漿礦床的成礦作用機(jī)制理論。尾亞礦床是東天山地區(qū)規(guī)模最大、品位最高的釩鈦磁鐵礦礦床（王玉往等,2005,2006），其含礦巖體中存在大量夕卡巖捕虜體，為探討碳酸鹽巖同化混染作用和巖漿釩鈦磁鐵礦礦床的成因關(guān)系提供了天然的研究對(duì)象。本文對(duì)尾亞礦床新近發(fā)現(xiàn)的夕卡巖捕虜體進(jìn)行報(bào)道，詳細(xì)描述其地質(zhì)特征和巖相學(xué)特征，初步探討碳酸鹽巖同化混染作用在礦物學(xué)、巖石學(xué)和同位素地球化學(xué)等方面的響應(yīng)，揭示其與尾亞礦床的成因關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

天山造山帶是中亞造山帶的一部分，形成時(shí)代為早二疊世（Wang et al.,2010），或者早三疊世（Xiao et al.,2004），是微陸塊合并以及島弧增生過(guò)程的產(chǎn)物（Jahn et al.,2004）。造山帶中的蛇綠巖帶、區(qū)域性斷裂以及高程度變質(zhì)巖石將其劃分為南天山、中天山和北天山3個(gè)次級(jí)造山單元（Xiao et al.,2004）。北天山主要由泥盆紀(jì)-石炭紀(jì)鈣堿性火山巖和沉積巖組成，中天山和南天山主要由前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和被動(dòng)陸緣沉積物組成。南天山僅存于西南部，傳統(tǒng)上將中天山和北天山的東部稱為東天山（圖1）。區(qū)內(nèi)主干斷裂主要為東西向展布，次為北東東向，從北到南依次為吐哈盆地南緣斷裂、康古爾斷裂、苦水?dāng)嗔押桶⑵淇藥?kù)都克-沙泉子斷裂等（圖1），其中阿其克庫(kù)都克-沙泉子斷裂為北天山和中天山的分界線。

東天山地區(qū)幔源巖漿作用強(qiáng)烈，大量的鎂鐵-超鎂鐵巖體廣泛分布于中天山地軸和北天山覺(jué)羅塔格構(gòu)造帶（圖1）。區(qū)內(nèi)幔源巖漿侵入體主要分為層狀輝長(zhǎng)巖和鎂鐵-超鎂鐵雜巖體。層狀輝長(zhǎng)巖侵入體主體分布于中天山地軸（圖1），主要形成于晚石炭世（李德東等,2012;Wang et al.,2014;Shi et al.,2018a,2018b,2019;Zheng,2020），部分形成于中三疊世（如尾亞）（Zhang et al.,2005;王玉往等,2008;Zheng,2020;Shi et al.,2021）；鎂鐵-超鎂鐵雜巖體主要形成于晚石炭世—早二疊世（Han et al.,2004;Zhou et al.,2004;Han et al.,2010,2013;三金柱等,2010;Tang et al.,2011），廣泛分布于各個(gè)構(gòu)造單元（圖1），主體形成巖漿銅鎳硫化物礦床，部分巖體形成CuNi-VTiFe復(fù)合型礦床（王玉往等,2010;Shi et al.,2018c）。

2 礦床地質(zhì)特征

尾亞釩鈦磁鐵礦礦床位于哈密市東南約130 km處（圖1），是尾亞火成巖的組成部分，位于中天山地軸北緣，阿其克庫(kù)都克-沙泉子斷裂南側(cè)（圖1）。中天山地軸主要出露一套中元古宙中深變質(zhì)巖系，主要為片巖、片麻巖和大理巖，發(fā)育有元古代、早古生代和晚古生代—早中生代侵入巖（李伍平等,2001;顧連興等,2003;張遵忠等,2004,2005）。尾亞火成巖包含有鎂鐵-超鎂鐵巖、正長(zhǎng)巖和花崗巖等巖性（Zhang et al.,2005），長(zhǎng)×寬約為14 km×13 km，出路面積約200 km2（圖2a），侵入于中—新元古代片巖和片麻巖地層（圖2a），未顯示顯著的變形和變質(zhì)作用，其中花崗巖和輝長(zhǎng)巖的高精度鋯石U-Pb年齡分別為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）。

圖1 東天山區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖和正巖漿礦床分布圖（據(jù)石煜等,2018修改）

尾亞釩鈦磁鐵礦礦床產(chǎn)出于尾亞火成巖北部的鎂鐵-超鎂鐵巖中（圖2a），含有鐵礦石16.56×106t，TiO21.28×106t，以及V2O52301.5 t（王玉往等,2005;肖凡等,2013）。尾亞含礦鎂鐵-超鎂鐵巖體被后期侵入的花崗巖類和輝綠巖切穿（圖2b），可以分為西部礦段、中部礦段和東部礦段（圖2b），其主體被第四系覆蓋，其與圍巖接觸關(guān)系未見(jiàn)揭露。西部礦段的主體巖石為橄欖輝石巖，為礦區(qū)基性程度最高的巖石類型，礦區(qū)可見(jiàn)大量晚期侵入的角閃輝長(zhǎng)巖（圖2b）。中部礦段為層狀輝長(zhǎng)巖，傾向介于117°～123°，傾角介于20°～30°，由互層淺色輝長(zhǎng)巖和暗色輝長(zhǎng)巖組成，其中淺色輝長(zhǎng)巖不含橄欖石，而暗色輝長(zhǎng)巖富含橄欖石和黑云母，被后期侵入的角閃輝長(zhǎng)巖和長(zhǎng)英質(zhì)脈巖切穿（圖2b）。東部礦段為層狀輝長(zhǎng)巖，傾向介于116°～122°，傾角介于20°～30°，由互層粗粒淺色輝長(zhǎng)巖和粗粒暗色輝長(zhǎng)巖組成（Shi et al.,2021）。中部礦段為主要的控礦巖相帶，其中的4條礦體控制了礦石儲(chǔ)量的70%左右（王玉往等,2005），其中#5、#6和#7礦體產(chǎn)于橄欖輝長(zhǎng)巖相，為浸染狀—稠密浸染狀礦石，#10礦體為塊狀富礦，以整合形態(tài)產(chǎn)于中部巖相帶和西南部巖相帶之間。

圖2 尾亞鎂鐵-超鎂鐵巖地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)王玉往等,2005修改）

3 夕卡巖捕虜體

尾亞礦山新近的開(kāi)采活動(dòng)在其主要礦體中揭露出了大量夕卡巖捕虜體，如#7礦體（圖3a），以及#10礦體，其中夕卡巖捕虜體產(chǎn)出于#7礦體南端，與礦體膨大部位顯示了密切的空間關(guān)系（圖2b）。夕卡巖捕虜體總體長(zhǎng)×寬均介于幾米到幾十米（圖3a），具有核部-邊部的二元結(jié)構(gòu)，核部為圍巖地層變質(zhì)形成的橄欖石-水鎂石-方解石夕卡巖（即外夕卡巖），捕虜體邊部為5～10 cm厚的單斜輝石夕卡巖（即內(nèi)夕卡巖）。

圖3 尾亞釩鈦磁鐵礦礦床野外和鏡下照片

外夕卡巖顯示塊狀構(gòu)造，它形粒狀結(jié)構(gòu)，由10%～20%橄欖石，10%～15%的水鎂石，60%～70%的方解石，以及少量尖晶石組成（圖3b），其中橄欖石為鎂橄欖石，具有富CaO、貧NiO的成分特征（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。內(nèi)夕卡巖顯示塊狀構(gòu)造，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，含有>95%的單斜輝石組成（圖3c），可含有少量尖晶石，其中單斜輝石富含鈣契爾馬克分子（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。

4 討論

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明，幔源巖漿與碳酸鹽巖地層相互作用將形成熱變質(zhì)成因的外夕卡巖，以及巖漿成因的內(nèi)夕卡巖（Joesten,1977;Owens,2000;Wenzel et al.,2002）。外夕卡巖以它形粒狀結(jié)構(gòu)，以及含有大量方解石為特征（Di Rocco et al.,2012），其常見(jiàn)的礦物包括鎂橄欖石、水鎂石、鈣鎂橄欖石、透輝石和低Cr尖晶石，其中鎂橄欖石和透輝石成分較為特征，如Kiglapait巖體中鎂橄欖石Fo值大于98.1，透輝石Mg#大于96.1（Owens,2000）。內(nèi)夕卡巖結(jié)晶于同化混染碳酸鹽巖的幔源巖漿（Mollo et al.,2010;Di Rocco et al.,2012），產(chǎn)于外夕卡巖和堆晶巖的接觸帶，多為單斜輝石巖（Joesten,1977;Owens,2000），可含有少量橄欖石和低Cr尖晶石，以及少量方解石。單斜輝石富含鈣契爾馬克分子（Ts），如Kiglapait巖體中內(nèi)夕卡巖單斜輝石鈣契爾馬克分子總數(shù)（∑Ts）高達(dá)0.288～0.347（Owens,2000）。尾亞夕卡巖捕虜體具有外夕卡巖-內(nèi)夕卡巖的二元結(jié)構(gòu)，與國(guó)外相應(yīng)夕卡巖具有一致的地質(zhì)特征，其外夕卡巖中橄欖石為鎂橄欖石（未發(fā)表數(shù)據(jù)），其內(nèi)夕卡巖單斜輝石為富鈣契爾馬克分子的單斜輝石（未發(fā)表數(shù)據(jù)），其礦物特征與國(guó)外夕卡巖中的礦物特征基本一致，表明尾亞含礦巖體在成巖過(guò)程中同化混染了碳酸鹽巖地層。此外，尾亞礦床夕卡巖捕虜體產(chǎn)出于#7礦體的膨大部位（圖2b），兩者緊密的空間聯(lián)系表明碳酸鹽巖同化混染作用與尾亞礦床具有緊密的成因關(guān)系。

尾亞礦床含礦巖體具有較為特殊的Sr-Nd-O同位素組成，可能是同化混然碳酸鹽巖地層的直接結(jié)果。尾亞含礦巖石δ18O介于5.67‰～8.04‰（Zhang et al.,2007），礦石礦物δ18O介于6.1‰～7.8‰（肖凡等,2013），高于幔源巖漿氧同位素組成，具有同化混染地殼物質(zhì)的特征（Zhang et al.,2007;肖凡等,2013），然而同化混染對(duì)象卻并不明確。碳酸鹽巖地層具有高的δ18O組成，幔源巖漿對(duì)其同化混染作用可以使巖漿δ18O值發(fā)生顯著升高。尾亞釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體(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），相比于區(qū)內(nèi)其它含礦鎂鐵-超鎂鐵巖，具有更高的(87Sr/86Sr)i值和稍低的εNd(t)值（圖4）。碳酸鹽巖地層Sr含量較高，Nd含量較低，且具有較高的(87Sr/86Sr)i組成，幔源巖漿對(duì)其同化混染作用將使得巖漿(87Sr/86Sr)i發(fā)生顯著提高，而εNd(t)略微降低。綜上所述，尾亞含礦巖體的Sr-Nd-O同位素組成可能是含礦巖漿同化混染碳酸鹽巖地層的結(jié)果。

圖4 東天山含礦鎂鐵-超鎂鐵巖Sr-Nd同位素圖解（底圖據(jù)Zindler and Hart,1986）

尾亞礦床含礦巖體斜長(zhǎng)石堆晶作用顯著，其含礦巖石和礦石的δEu值與區(qū)內(nèi)釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體基本一致，顯著高于區(qū)內(nèi)含銅鎳硫化物礦床的鎂鐵-超鎂鐵巖（圖5）。因此，斜長(zhǎng)石堆晶作用與尾亞礦床的形成具有密切關(guān)系，對(duì)揭示區(qū)域釩鈦磁鐵礦礦床成礦作用機(jī)制具有重要意義。研究結(jié)果表明，斜長(zhǎng)石不含F(xiàn)e、Ti和V等成礦元素，其大量結(jié)晶將致使成礦元素在殘余巖漿中發(fā)生顯著富集（Shi et al.,2018b,2019,2021）。此外，斜長(zhǎng)石密度顯著低于鐵鈦氧化物和殘余巖漿，在含礦巖漿侵位過(guò)程中將與鐵鈦氧化物發(fā)生有效分離，導(dǎo)致鐵鈦氧化物富集、成礦（Shi et al.,2018b,2019,2021）。然而，東天山地區(qū)釩鈦磁鐵礦礦床含礦巖體中斜長(zhǎng)石大量結(jié)晶堆積的誘發(fā)機(jī)制卻并不清楚。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明，碳酸鹽巖同化混染作用將使得幔源巖漿中CaO含量發(fā)生顯著提高，并導(dǎo)致富CaO硅酸鹽造巖礦物的結(jié)晶堆積（Di Rocco et al.,2012）。斜長(zhǎng)石是富CaO的重要硅酸鹽造巖礦物，其顯著的結(jié)晶堆積作用可能是母巖漿中CaO含量升高的結(jié)果。此外，碳酸鹽巖同化混染作用將導(dǎo)致巖漿中CO2含量升高（Wenzel et al.,2002），使得巖漿氧逸度升高，促使鐵鈦氧化物結(jié)晶堆積成礦（Ganino et al.,2008）。綜上所述，碳酸鹽巖地層同化混染作用對(duì)尾亞礦床形成的影響可能主要存在兩個(gè)方面：一方面使得巖漿氧逸度發(fā)生明顯升高，誘發(fā)鐵鈦氧化物結(jié)晶；另一方面提高巖漿中CaO含量，致使斜長(zhǎng)石發(fā)生大量結(jié)晶，并與鐵鈦氧化物發(fā)生有效分離，形成釩鈦磁鐵礦礦床。

圖5 東天山含礦鎂鐵-超鎂鐵巖TiO2-δEu（a）和V-δEu（b）圖解

5 結(jié)論

（1）尾亞釩鈦磁鐵礦礦床夕卡巖捕虜體可以分為內(nèi)夕卡巖和外夕卡巖，其外夕卡巖具有鎂橄欖石和水鎂石等特征礦物，其內(nèi)夕卡巖含有高鈣契爾馬克分子單斜輝石，是幔源巖漿同化混染碳酸鹽巖地層的產(chǎn)物。

（2）碳酸鹽巖同化混染作用對(duì)尾亞礦床含礦巖體的同位素、巖石學(xué)和成礦作用產(chǎn)生了一系列影響，改變了含巖體的Sr-Nd-O同位素組成，導(dǎo)致了斜長(zhǎng)石大量結(jié)晶堆積，以及尾亞礦床的形成。

致謝論文的修改得益于到了兩位審稿專家悉心指導(dǎo)，在此表示誠(chéng)摯的謝意。