弧岩浆演化对海底火山岩容矿铁矿床的控制：来自中国西北中亚造山带南缘一种经济型矿床类别的启示

《Geoscience Frontiers》：Arc magmatic evolution of submarine volcanic-hosted iron deposits: insights from an economic deposit class in the southern Central Asian orogenic belt, Northwest China

　　

海底火山岩容矿铁矿床是重要的铁矿石类型之一。近年来，中国东天山地区在该类铁矿找矿方面取得了显著进展。然而，该类矿床的成矿时代、物质来源及成因机制仍存在争议。因此，本研究基于野外地质调查、显微观察以及区域代表性海底火山岩容矿铁矿床的综合分析数据，建立了以下认识。赋矿围岩由一套海底火山建造组成，包括玄武岩、安山质凝灰岩和英安质凝灰岩，整体以中基性火山岩为主。新的二次离子质谱（SIMS）锆石U-Pb定年结果表明，玄武岩、安山质凝灰岩和英安质凝灰岩分别形成于约317.0 Ma、313.9 Ma和313.2 Ma。地球化学上，这些海底火山岩表现出大离子亲石元素（LILEs）（如Rb、Ba和Pb）和轻稀土元素（LREEs）富集，以及高场强元素（HFSEs）（如Nb、Ta和Ti）亏损的特征。所有火山岩均具有相似的低δ¹⁸O值（4.7‰–6.2‰）、正εHf(t)值（+8.2至+17.0）和正εNd(t)值（+4.6至+7.3）。磁铁矿颗粒的微量元素组成显示Ga、Zn、V、Ti、Cr含量相对较低，而Ni含量及Ni/Cr比值较高。磁铁矿氧同位素组成以及黄铁矿硫-铅同位素特征共同指示，成矿物质主要来源于深部岩浆源，并可能在晚阶段混入海水组分。结合岩石学与地球化学特征，研究人员提出：石炭纪古天山洋向南俯冲诱发板片脱水，交代其上覆地幔楔并形成富铁玄武质岩浆；随后分离结晶（fractional crystallization）使富铁流体发生分离，残余熔体喷发形成火山岩；之后构造活动促使这些流体释放，并诱发海水对流及对火山岩中额外铁的淋滤，从而进一步富集热液系统；最终，磁铁矿在流体运移过程中由于温度和压力变化，于有利构造圈闭部位自热液中沉淀。本研究为这一重要矿床系统类型的特征与成因提供了新的认识，并可为找矿勘查提供参考。

该文发表于《Geoscience Frontiers》，聚焦中国西北中亚造山带（CAOB）南缘东天山雅满苏弧海底火山岩容矿铁矿床的岩浆演化与成矿耦合关系。研究背景在于：这类矿床已成为中国重要铁矿类型之一，东天山近年来找矿突破明显，但其成矿时代、成矿物质来源、岩浆—热液演化过程及区域构造背景长期存在分歧。尤其是典型矿床虽有个案研究，但缺乏对整个雅满苏弧代表性矿床的系统对比，制约了对该类矿床成因模式与找矿标志的统一认识。基于此，研究人员选择黑尖山、白岭山和红云滩等代表性矿床，综合约束火山岩形成时代、岩浆源区性质、矿质来源及铁富集机制，进而建立东天山海底火山岩容矿铁矿床的成矿模式。研究表明，这些矿床与石炭纪弧岩浆活动密切相关，围岩是一套以中基性为主的海底火山岩系，成矿作用略晚于火山喷发作用；火山岩总体形成于俯冲相关岛弧环境，源区为受俯冲板片流体交代的亏损地幔楔，并伴有轻微陆壳混染；中酸性火山岩主要由玄武质岩浆分离结晶演化形成。矿石中磁铁矿微量元素、磁铁矿氧同位素及黄铁矿硫—铅同位素共同限定，成矿物质早期以深源岩浆贡献为主，晚期则有海水循环体系参与。其重要意义在于：该研究将弧岩浆演化、海底火山喷发、热液活动和铁再活化富集联系起来，为雅满苏弧乃至类似火山岩容矿铁矿床的成因判别和区域找矿部署提供了新的理论依据。

研究所用主要关键技术方法可概括为以下几类：研究人员对东天山雅满苏弧黑尖山、红云滩和白岭山矿床开展野外地质调查与岩相学观察；选取新鲜、蚀变较弱的玄武岩、安山质凝灰岩和英安质凝灰岩样品，进行锆石二次离子质谱（SIMS）U-Pb定年、全岩主量—微量元素分析、锆石Hf-O同位素分析、全岩Sr-Nd同位素测试；同时对磁铁矿开展原位激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）微量元素分析，对磁铁矿进行氧同位素分析，并对黄铁矿进行硫同位素和铅同位素分析，以实现年代学、岩石成因和成矿过程的综合约束。

研究结果如下。

5.1 岩浆作用与成矿作用的时间尺度
研究人员通过SIMS锆石U-Pb定年获得黑尖山玄武岩317.0 ± 3.0 Ma、黑尖山安山质凝灰岩313.8 ± 2.7 Ma、红云滩英安质凝灰岩313.2 ± 2.8 Ma，以及文献中白岭山英安质凝灰岩312.4 ± 4.4 Ma等年龄，结合区域磁铁矿和黄铁矿Re-Os年龄资料，认定东天山该类矿床的成岩成矿高峰集中于石炭纪。通过火山岩年龄与矿化年龄的对比，得出铁矿化略晚于海底火山喷发，二者具有紧密时序联系。

5.2 雅满苏弧石炭纪火山岩的岩石成因

5.2.1 海底火山岩蚀变作用
研究人员通过稀土元素（REE）、高场强元素（HFSE）及Nd同位素稳定性分析认为，尽管海底蚀变和变质作用影响了Rb、Ba、Sr、U、Ca、K、Na等活动性元素，但REE、HFSE及Nd同位素体系总体仍保留原始岩浆信息，因此可用于成因判别。

5.2.2 基性火山岩
依据主微量元素、Sr-Nd-Hf-O-Pb同位素组成，玄武岩表现为LILE和LREE富集、HFSE亏损，具有低初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值、正εNd(t)、正εHf(t)和接近亏损地幔（DM）的δ¹⁸O特征。通过这些证据，研究人员认为其来源于受俯冲板片脱水流体交代的亏损地幔楔，并仅有轻微壳源物质加入。

5.2.3 中酸性火山岩
安山质与英安质凝灰岩在时空分布和地球化学特征上具有一致性。研究人员依据连续的Harker演化趋势、低Ni-Cr-Co含量以及与玄武岩相近的同位素组成，认为其并非来自独立源区部分熔融，而是由基性岩浆在岩浆房内经历分离结晶演化形成。

5.3 海底火山岩容矿铁矿床富铁机制的启示

5.3.1 成矿金属来源
磁铁矿δ¹⁸O值部分落入正岩浆场，说明成矿物质具有深部岩浆来源；部分样品δ¹⁸O明显偏低，则反映晚期低温流体或海水加入。黄铁矿δ³⁴S总体集中于幔源硫范围附近，但部分样品偏高，指示还原海水硫酸盐参与。黄铁矿Pb同位素与区内火山岩Pb同位素接近，说明矿质与围岩火山岩具有共同深源背景。

5.3.2 铁富集机制
研究人员认为，俯冲交代作用形成富铁玄武质岩浆，这是铁的初始来源；随后岩浆在较低氧逸度条件下分离结晶，使铁在残余体系及析出流体中富集。随着H₂O和Cl达到过饱和，高盐度富铁岩浆热液从熔体中出溶。此后，构造活动促使流体释放并驱动海水对流，海底热液系统进一步从中基性火山岩中淋滤铁。研究中火山岩FeO与Na₂O负相关、钠长石化（albitization）增强伴随铁亏损，支持“钠化蚀变促进铁迁移并再富集”的解释。

5.4 构造背景
综合年代学、微量元素判别图解及同位素约束，研究人员认为雅满苏弧属于俯冲相关岛弧体系，形成于石炭纪古天山洋向南俯冲过程中。与丹南湖弧北向俯冲体系相对，东天山在石炭纪可能存在双向俯冲格局，而海底火山岩容矿铁矿床主要形成于雅满苏弧这一南向俯冲弧环境。

5.5 海底火山岩容矿铁矿床的形成
结合磁铁矿Ni/Cr比值大于1、Ga-Zn-Ti-V含量较低、矿体呈层状—似层状和透镜状、磁铁矿与石英—绿帘石—绿泥石等热液矿物共生等特征，研究人员判定东天山该类铁矿床总体属于热液成因，而非氧化铁熔体不混溶直接结晶的岩浆成因。最终模式为：俯冲作用形成富铁基性岩浆；分离结晶导致富铁高盐流体分离；残余熔体喷发形成海底火山岩；后续构造转换促使富铁流体释放并诱发海水循环，进一步萃取围岩中的铁；含矿热液在有利构造部位因温压变化沉淀磁铁矿，形成工业矿体。

讨论部分总结：论文的核心贡献在于把东天山海底火山岩容矿铁矿床置于“俯冲弧岩浆—海底喷发—岩浆热液出溶—海水循环改造—构造圈闭沉淀”的统一框架下加以解释。研究并未将矿床简单归因为纯岩浆型或单纯海底喷流型，而是强调深源岩浆供铁与后期海水热液系统叠加富集的复合过程。这一认识既解释了矿床与火山岩在时空上的紧密伴生关系，也解释了磁铁矿、黄铁矿和围岩在微量元素与同位素上的耦合特征。

研究结论部分翻译如下：本研究表明，石炭纪海底火山活动与铁矿形成之间存在显著的时间和成因联系。火山岩形成于俯冲相关岛弧环境，其岩浆来源于受俯冲板片流体交代的亏损地幔楔部分熔融，并可能混入少量陆壳物质；中酸性岩浆由玄武质岩浆分离结晶形成。此外，成矿物质在早阶段主要来源于深部岩浆储库，晚阶段可能有海水贡献。研究人员进一步认为，在石炭纪古天山洋向南俯冲过程中，板片脱水交代上覆亏损地幔楔，形成富铁玄武质岩浆；这些岩浆经分离结晶产生富铁流体，残余岩浆喷发形成火山岩；后续构造演化促进富铁流体释放，诱发海水对流并淋滤火山岩中的铁，从而进一步富集成矿流体；最终，含矿热液在运移过程中因温度和压力条件变化，在有利构造部位沉淀磁铁矿。