新疆清水铬铁矿床铬尖晶石成分与矿床成因研究

2021-09-16解洪晶王玉往郭博然周国超

矿产勘查 2021年4期

解洪晶，王玉往，郭博然，周国超

（1.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012；2.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

0 前言

豆荚状铬铁矿是蛇绿岩地幔岩类的典型岩矿单元，保留有丰富的上地幔岩浆活动及后期高温变形的构造信息，与蛇绿岩地幔橄榄岩体密切伴生，主要见于显生宙以来各造山带中，少数见于前寒武纪克拉通地区，是蛇绿岩特征性的矿产之一（杨经绥等,2010;熊发挥等,2013）。该类型矿床的矿体侧向延伸有限，以断续出露的豆荚状为主要特征，也可呈透镜状、脉状、板状等。新疆东准噶尔卡拉麦里蛇绿岩带大地构造上属西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块间的缝合带，受控于卡拉麦里深大断裂。前人对该蛇绿混杂岩研究发现其岩石组合为变质橄榄岩、辉长岩、辉绿岩和基性熔岩等（汪帮耀等,2009;杨梅珍等,2009），其中超镁铁质岩石具有俯冲带型（SSZ）蛇绿岩特征，主要由地幔辉橄岩组成，并有纯橄岩和铬铁矿产出（李现冰,2013）。赵恒乐等（2012）通过对卡拉麦里蛇绿岩地质特征、形成时代及就位机制研究探讨，认为卡拉麦里蛇绿岩形成时代为357～492 Ma，洋盆拉张从中志留世或更早开始，洋盆闭合于中泥盆世。尽管对该区蛇绿岩进行了大量研究工作，然而对产出其中的铬铁矿则研究较少。铬尖晶石的化学成分是成岩、成矿背景较为灵敏的指示剂，本文拟通过对产于卡拉麦里蛇绿混杂岩中的清水铬铁矿床的铬尖晶石的矿物学研究，探讨矿床的母岩浆成分、成矿构造背景和成矿作用过程，以期为后续研究蛇绿岩与铬铁矿的形成机制提供依据。

1 区域地质背景

卡拉麦里蛇绿岩位于准噶尔盆地东北缘，是东准噶尔古生代褶皱带的重要组成部分（肖序常等,1992），产出有清水、苦水泉等铬铁矿床（图1A,B）。卡拉麦里蛇绿岩走向NWW，全长约150 km，宽5～15 km，是西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块的交汇部位——卡拉麦里缝合带的标志性产物（唐红峰等,2007），其南北两侧的分界线是卡拉麦里深断裂和清水-苏吉泉深断裂。蛇绿岩分布区内出露的地层主要是泥盆系和石炭系，岩石组合以陆源碎屑岩、火山碎屑岩和熔岩为特征，其代表性的地层单元分别是中泥盆统平顶山组和下石炭统南明水组、清水组。少量志留系地层零星出露于卡拉麦里深断裂南侧，主要为浅海相陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成。蛇绿岩北侧发育大量花岗岩类，以富碱为特征，成岩时代较晚（～300 Ma）。在蛇绿岩南侧出露典型的斜长花岗岩，并被认为是蛇绿岩套内的浅色岩，属于洋壳的一部分，形成于373 Ma，代表了卡拉麦里蛇绿岩的形成时代（唐红峰等,2007）。

图1 卡拉麦里蛇绿岩大地构造位置图（A）（据黄岗等,2012）；卡拉麦里构造带地质简图（B）（据唐红峰等,2007）

卡拉麦里蛇绿岩受卡拉麦里断裂的控制，导致洋壳残片以构造块体的形式赋存在围岩中，块体原生构造被后期构造改造或置换，但蛇绿岩各组成单元出露仍较为齐全，包括变质橄榄岩、镁铁质-超镁铁质堆晶岩、辉长质杂岩、浅色岩系、基性岩墙群和镁铁质火山岩，但其中堆晶岩分布不均，基性岩墙群不发育。变质橄榄岩出露面积约80 km2，主要为纯橄岩、辉橄岩，橄榄石大多蛇纹石化蚀变，部分颗粒较大的中心有橄榄石残留，在变质橄榄岩中含豆荚状铬铁矿；镁铁质-超镁铁质堆晶岩主要由橄榄辉石岩、单斜辉石岩、橄长岩、辉长岩组成；浅色岩系主要为斜长花岗岩、闪长岩、斜长岩等；辉绿岩出露较少，呈岩块或岩墙侵入基性熔岩和橄榄岩中；基性火山岩分布较广，呈不同岩块与各种类型的岩石共生，主要为枕状玄武岩和块状玄武岩等；上覆岩系主要为与蛇绿岩残片密切相伴的放射虫硅质岩等（刘希军等,2007;汪帮耀等,2009;黄岗等,2017）。

2 矿区地质

清水铬铁矿位于东准噶尔卡拉麦里蛇绿岩带，卡拉麦里深断裂北侧，区域地层和构造线在该处呈NWW向。该区出露地层主要为下石炭统地层，主要有南明水组板岩、千枚岩、凝灰质砂岩等，在矿区附近为细碧岩-石英角斑岩建造，是超镁铁质岩体的直接围岩；清水组凝灰质砂砾岩、层凝灰岩等；喀尔苏组中酸性火山岩、凝灰岩等。区内褶皱、断裂发育，其中NW-SE向断裂形成时代最早，规模较大，对区内构造及超镁铁岩的分布起着制约作用，其中最主要的为卡拉麦里深断裂。区内岩浆活动频繁，根据各侵入岩体相互关系，可划分为五个期次：闪长岩、石英闪长岩、斜长花岗岩、辉长岩、超基性岩，另外还发育少量细晶岩脉等。

清水15号超镁铁质岩体地面形态为不规则的向南凸出的弧形，岩体总长10 km，宽400～870 m，面积4 km2，包括四个岩相带（东、西、北、南），主要分布在岩体的东端、西端及中部的北侧及南侧（图2）。15 号超镁铁质岩体基本直立，东部向南陡倾斜，西部近于直立。矿区有价值的铬铁矿体主要赋存在南纯橄岩体的东部，共圈定矿体22 个，一般长度6.6～23 m，厚度0.4～2.9 m，延深10～26 m，最深36 m（崔曰武,1980）。矿体形状一般为透镜状、脉状、似脉状，倾向南，倾角较陡，有些矿体形状变化较大，常见分支、复合等现象（图3A,B,C）。矿体严格受纯橄岩相控制，矿体围岩均为纯橄岩，围岩一般呈黄绿色，发生蛇纹石化蚀变，靠近矿体边缘有几厘米或十几厘米的绿泥石壳（图3B）。

图2 清水15号超镁铁质岩体地质图（据新疆地质局第五地质大队,1979①修改）

清水15号岩体主要由纯橄岩、橄榄辉石岩、辉石岩等组成。纯橄岩分布在四处，分别称为东、西、南、北纯橄岩带，他们特点基本相同。新鲜纯橄岩为黑绿色，呈不等粒结构，粒度0.1～6 mm，平均3 mm，主要由橄榄石组成（>90%），岩石常发生蛇纹石化蚀变，生成网格结构（图3D），纯橄岩中副矿物为铬尖晶石，铬尖晶石在橄榄石结晶之前就部分开始晶出，一直延续到与橄榄石同时结晶或部分可能晚于橄榄石结晶。橄榄辉石岩主要由单斜辉石和橄榄石组成（图3E），单斜辉石呈粒状，含量约75%，粒度1～7 mm，橄榄石呈填间状分布于单斜辉石之间，多数发生蛇纹石化蚀变，含量约25%。辉石岩主要由单斜辉石组成（图3F），呈中细粒结构，单斜辉石呈粒状，含量约85%，有的辉石岩中含斜长石，构成含长辉石岩。清水15号岩体受NWW向与EW向构造复合控制，形成了铬铁矿床，且几乎全部铬铁矿体都集中于南纯橄岩带东段。矿体呈透镜状、脉状、及不规则状产出，各矿体虽处于不同形态的岩体中，但其围岩都为纯橄岩。铬铁矿矿石类型可见浸染状、条带状和块状矿石等，呈自形-半自形粒状结构，脉石矿物主要为蛇纹石，还含有少量方解石。副矿物铬尖晶石主要见于纯橄岩和单辉橄榄岩，铬尖晶石主要呈自形-半自形粒状，铬尖晶石粒度较细（图3D,G），矿石中铬尖晶石常见浸染状、块状等，浸染状矿石中铬尖晶石呈自形-半自形粒状，副矿物主要为蛇纹石和碳酸盐（图3H），块状矿石中铬尖晶石呈自形-半自形粒状，含量大于70%，铬尖晶石压碎结构明显（图3I）。

图3 清水铬铁矿床岩石及矿石特征

3 矿物化学

铬尖晶石矿物的主量元素分析在长安大学采用JX1-8100型电子探针上完成，其工作电压为15 kV，电流1.0×10-8A，束斑大小为1 μm。使用的标准样品为天然样品和人工合成氧化物，分析精确度优于2.0%，测试结果列于表1。

在纯橄岩中，铬尖晶石具有较低的Cr2O3（32.72%～40.12%）和Cr#（35～36），较高的Al2O3（30.73%～31.15%）和FeOt（30.82%～31.73%）含量。相比纯橄岩中的铬尖晶石，单辉橄榄岩中的铬尖晶石具有较高的Cr2O3含量（33.73%～34.79%）和Cr#（49～51），较低的Al2O3（22.03%～23.71%）和FeOt（28.11%～31.15%）含量。矿石中铬尖晶石具有比副矿物铬尖晶石更高的Cr2O3（53.06%～58.31%）和Cr#（80～83）、更低的Al2O3（8.26%～9.32%）和FeOt（15.38%～25.04%）含量。

从Cr2O3-TiO2关系看出，清水铬铁矿矿石均位于豆荚状铬铁矿区，而非层状堆晶铬铁矿区（图4A），指示其为豆荚状铬铁矿，与野外观察一致。从Mg#-Cr#图解中可以看出（图4B），所有铬铁矿矿石Cr#均大于60，样品点基本都落在玻安岩区域，而副矿物铬尖晶石Cr#均小于60，样品点大多落在弧前橄榄岩区域。

图4 铬尖晶石Cr2O3-TiO2（图中豆荚状和层状铬铁矿范围据Arai et al.,2004）（A）、Mg#-Cr#（图中不同单元范围据Dupuis et al.,2005及其中参考文献）（B）图解

4 讨论

4.1 母岩浆熔体性质

Thayer（1970）根据铬铁矿矿石中Cr2O3和Al2O3含量细分为富铝和富铬两种类型，富铝型Al2O3含量大于20%，Cr2O3含量小于45%，铬尖晶石的Cr#小于60；富铬型Al2O3含量小于20%，Cr2O3含量大于45%，铬尖晶石的Cr#大于60。清水铬铁矿矿石中铬尖晶石Cr2O3含量大于45%，Cr#大于60，Al2O3含量小于20%，具有富铬型铬铁矿特征。铬尖晶石的地球化学组成已被许多学者用来约束母岩浆性质，特别是豆荚状铬铁矿（e.g.,Kepezhinskas et al.,1993;Zhou et al.,1996;Kamenetsky et al.,2001;Dönmez et al.,2014）。一般认为，铬铁矿母岩浆熔体是俯冲带背景下地幔源区熔体-岩石反应或熔体-熔体相互作用的结果（Kamenetsky et al.,2001;Uysal et al.,2005,2009）。通常与高铬铬铁矿结晶有关的玻安质熔体来自被俯冲板片产生的流体或挥发分交代的难熔地幔（Pearce et al.,2000;Pagé et al.,2008）。实验研究发现，铬尖晶石Al2O3、TiO2含量与FeO/MgO比值与母岩浆熔体直接相关（Maurel and Maurel,1982;Kamenetsky et al.,2001;Rollinson,2008），母岩浆熔体Al2O3和FeO/MgO值可以通过下列公式进行计算（Maurel and Maurel,1982）：

母岩浆熔体TiO2含量可以通过回归线方程计算（Zaccarini et al.,2011）：

计算结果显示，清水铬铁矿母岩浆熔体含有9.56%～10.05%的Al2O3，0.45%～0.89%的TiO2，0.74～1.71的FeO/MgO。计算的Al2O3和TiO2含量投影在图（5）中，可以明显看出，副矿物铬尖晶石母岩浆成分都位于MORB区，铬铁矿母岩浆组分基本相当于玻安岩，较高的TiO2含量可能指示母岩浆熔体与富Ti熔体的相互作用（Pearce et al.,2000）。

4.2 构造背景

近年来，关于卡拉麦里蛇绿岩的形成时代获得了一批高精度的测年数据，如黄岗等（2012）曾获得巴斯德阔彦地区该蛇绿岩中辉绿岩锆石U-Pb年龄为416.7±3.2 Ma，胡朝斌等（2014）获得滴水泉地区辉长岩的锆石U-Pb年龄为416.8±3.2 Ma，方爱民等（2015）获得红柳沟地区辉长岩锆石U-Pb年龄为406.8±1.8 Ma，这些年龄信息指示了该洋盆在早泥盆世已形成。黄岗等（2017）获得卡拉麦里蛇绿混杂带中形成于洋中脊构造环境的斜长角闪岩锆石U-Pb年龄为402.7±4.9 Ma，表明斜长角闪岩的原岩形成时代为早泥盆世，进一步表明卡拉麦里古洋盆开启时限至少可追溯至早泥盆世。汪帮耀等（2009）获得卡拉麦里蛇绿岩中辉长岩锆石U-Pb年龄为329.9 Ma，可能代表了卡拉麦里蛇绿岩的形成年龄，卡拉麦里洋盆可能形成于早泥盆世，很可能最终闭合于早石炭世。

铬尖晶石相对地幔橄榄岩受蚀变影响较小（Ahmed et al.,2009），是进行蛇绿岩动力学研究最有效的指示剂（Arai,1994），其化学组分可用于判断母岩浆源区及构造背景（Kamenetsky et al.,2001;Page and Barnes,2009）。一般认为富Al 型（Cr#<60）的铬铁矿一般形成于洋中脊或弧后盆地背景中，即MORB 型，而富Cr 型（Cr#>60）的铬铁矿一般形成于俯冲带背景，即SSZ型（Uysal et al.,2005,2009;Akmaz et al.,2014）。然而，也可见高Cr和高Al铬铁岩形成在同一蛇绿岩内（如罗布莎和阿曼），显示二阶段演化过程（Zhou et al.,2005;Rollinson and Adetunji,2013；熊发挥等,2014,2015），即原始形成于MORB 环境，进而被俯冲带流体熔融改造。

铬尖晶石的Cr#-Mg#关系对其构造环境的判别具有很好指示意义，在图（4B）中，清水铬铁矿的副矿物铬尖晶石多投影于弧前橄榄岩区，靠近MORB，铬铁矿矿石投点在玻安岩区域。另外，在Cr#-TiO2，Al2O3-TiO2图中，副矿物铬尖晶石样品点多投影于靠近MORB区，铬铁矿矿石样品点也多落在俯冲岛弧和玻安岩区域（图6）。玻安岩是SSZ背景下典型代表岩石，是多阶段演化的结果，通常始于MORB型岩浆作用，并演化为玻安质和岛弧拉斑玄武质成分。一般来说，SSZ型岩浆作用通常被认为是MORB型熔体萃取后残留的亏损地幔源（即亏损二辉橄榄岩）不同程度部分熔融的结果。这些地幔源通常被板片流体所交代，呈高度非均质性，且SSZ背景因富含俯冲板片带来的流体/水（Dick and Bullen,1984），容易发生高程度部分熔融和充分的熔岩反应，从而形成大规模铬铁矿（Zhou and Robinson,1994;Zhou et al.,1996;Arai and Yurimoto,1994;Arai,1997;Arai and Matsukage,1998）。

图6 清水铬铁矿床Cr#-TiO2（据Arai,1992）（A）和Al2O3-TiO2（据Kamenetsky et al.,2001）（B）图解

4.3 铬铁矿成因

豆荚状铬铁矿的成因问题一直是研究的热点，以往观点认为形成铬铁矿所需要的铬主要来自地幔橄榄岩自身中副矿物铬尖晶石和两种辉石，两种辉石通过不一致熔融形成橄榄石和铬尖晶石，这些铬尖晶石与副矿物铬尖晶石一起，在部分熔融中经过再造形成富铬的铬铁矿（王希斌和鲍佩声,1987;郝梓国,1991;鲍佩声,2009）。也有学者认为高Cr型铬铁矿为玻安质熔体与地幔橄榄岩反应形成，而高Al型铬铁矿则是结晶于MORB型拉斑质熔浆（Arai and Yurimoto,1994;Uysal et al.,2005;Zhou et al.,2014;Xiong et al.,2017）。卡拉麦里蛇绿岩带铬铁矿内造矿铬尖晶石具高Cr型特征，橄榄岩内副矿物铬尖晶石具有高Al型特征，显示二者可能为不同熔融事件的产物，在图（6）中，橄榄岩内副矿物尖晶石落入或靠近MORB区，而块状铬铁矿尖晶石落入玻安质熔浆区，说明副矿物铬尖晶石母岩浆熔体的熔融程度比块状铬铁矿的母岩浆熔体熔融程度更低。熊发挥等（2013）研究认为，要形成品位大于20%的铬矿石，要求地幔岩部分熔融程度应该在85%以上，然而大部分SSZ背景的辉橄岩和纯橄岩部分熔融程度也只有21%～22%，而MORB背景的辉橄岩和纯橄岩其部分熔融程度也只有17%～18%（Ahmed and Habtoor,2015），因此简单的部分熔融和低程度部分熔融时辉橄岩内尖晶石副矿物可能无法为铬铁矿的形成提供足够的铬源（Zhou et al.,1996）。

铬铁矿较高的Cr#和Mg#特征指示玻安质熔体性质，这也与计算出的母岩浆熔体成分相一致（图5）。在俯冲带背景下，玻安质岩浆与软流圈地幔相互作用可以使辉石变为橄榄石，并通过如下公式将SiO2加入岩浆中：Opx,Cpx（辉石）+熔体 → Ol（橄榄石）+SiO2（液相）。SiO2的加入会降低Cr的溶解度，促进了铬尖晶石的结晶（Zhou et al.,2014）。在泥盆纪，卡拉麦里古洋盆的拉张使得软流圈地幔上涌发生减压熔融，从而熔出大洋玄武岩，形成地幔残留橄榄岩，与此同时形成副矿物铬尖晶石，从而使得铬铁矿得以初始富集。随着卡拉麦里洋盆打开、俯冲（李锦轶,1995），俯冲带上盘富含俯冲板片带来的流体（Dick and Bullen,1984）使热的地幔楔发生变质作用，引发橄榄岩发生高程度部分熔融和充分的熔岩反应（Zhou et al.,2005），俯冲板片物质的混染使地幔岩浆相对富硅和Cr饱和（Zhou et al.,2014），地幔对流循环使早期大洋中脊背景下形成的铬铁矿进一步聚集形成规模较大的致密块状铬铁矿。