2012, Vol. 28
2. 中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆矿产资源研究中心，乌鲁木齐 830011;
3. 新疆大学地质与勘查工程学院，乌鲁木齐 830046;
4. 中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083
, YANG FuQuan1, LIU Feng1, CHAI FengMei3, GENG XinXia1, OUYANG LiuJin3, JIANG LiPing3, Lü ShuJun4
2. Xinjiang Research Center for Mineral Resources, Xinjiang Institute of Ecology and Geography Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
3. College of Geology & Prospecting Engineering Program, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;
4. Faculty of Geosciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
新疆阿尔泰山南缘是哈萨克斯坦阿尔泰巨型成矿带的东延部分，其北以阿巴宫断裂为界，南至克兹加尔断裂，与额尔齐斯构造带相邻，是我国重要的有色、稀有金属成矿带之一。随着找矿勘查力度的加大，阿勒泰地区已发现100余处铁矿床 (点)，这些铁矿床 (点) 具有分布广、规模小、成因类型多和矿物组合多等特征。其中规模较大的主要集中于阿尔泰南缘麦兹盆地，如蒙库铁矿 (大型)、巴拉巴克布拉克铁矿 (中型)、巴利尔斯铁矿 (中型)、乌吐布拉克铁矿 (中型)。这些铁矿床地质特征表现出诸多相似性，主要为铁矿体呈似层状、透镜状赋存于上志留统-下泥盆统康布铁堡组变质火山-沉积岩系中，矿体及其周围发育大量的矽卡岩矿物。前人对蒙库铁矿床的地质特征、成矿规律、矿区岩体、矽卡岩矿物特征、成矿流体和成矿物质来源、矿石及矿物的稀土元素等方面做了大量的研究，但对于其成因类型存在着争论，主要有矽卡岩型、火山喷流沉积+叠加改造型、海相火山岩型等几种观点 (张建中等，1987；王登红等，2002；李嘉兴等，2003；Wang et al., 2003；胡兴平，2004；童英等，2007；徐林刚等，2007；杨富全等, 2007, 2008a, b；林龙华等，2010；Xu et al., 2010)。乌吐布拉克铁矿床位于阿勒泰市南东约75km处，经详查估算铁矿石资源量共计2098.2万吨 (易朝楷等，2009①)，矿床规模为中型，研究程度较低，张志欣等 (2011a，b，c) 对矿区花岗岩年代学及地球化学，矽卡岩矿物组合，围岩及矿石稀土元素进行过系统研究，但目前还缺乏对矿床成矿流体性质及演化、成矿物质来源及成矿机制的研究，在一定程度上制约了外围和深边部找矿工作。本文重点对矿体附近的矽卡岩矿物、石英及方解石中的流体包裹体特征，石榴子石、石英和方解石的碳、氢和氧同位素组成，硫化物的硫同位素组成进行了系统的研究，探讨了成矿流体性质、演化、来源，成矿物质来源及成矿机制，为深入研究阿尔泰南缘铁矿床的成因及成矿规律提供新的依据。
①易朝楷等.2009.新疆富蕴县蒙库铁矿区乌吐布拉克矿段补充详查及外围普查地质报告
1 区域地质背景乌吐布拉克铁矿床位于麦兹火山沉积盆地中，所处大地构造位置为阿尔泰微板块的南阿尔泰晚古生代活动陆缘 (图 1a，何国琦等，2004)。麦兹盆地主要由康布铁堡组和阿勒泰镇组变质火山-沉积岩系，其次是中上志留统片岩、片麻岩、变粒岩组成。康布铁堡组主要由中等变质的海相火山熔岩、火山碎屑岩，夹陆源碎屑岩和碳酸盐岩组成，形成时代为晚志留世-早泥盆世。阿勒泰镇组为一套中浅变质浅海相复理石建造，主要由变质含砾砂岩、变质钙质砂岩、变凝灰质砂岩和大理岩组成，形成时代为中晚泥盆世 (380Ma?~354Ma，杨富全等，2011)。
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图 1 乌吐布拉克铁矿矿区地质图 (据何国琦等，2004；易朝楷等，2009修改) 1-康布铁堡组下亚组角闪变粒岩；2-康布铁堡组下亚组大理岩；3-康布铁堡组下亚组角闪黑云石英片岩；4-康布铁堡组下亚组斜长角闪片麻岩；5-康布铁堡组下亚组浅粒岩；6-康布铁堡组下亚组磁铁角闪变粒岩；7-石榴子石矽卡岩；8-铁矿体及编号；9-伟晶岩脉 Fig. 1 Geological map of the Wutubulake iron ore district (modified after He et al., 2004) 1-Lower of Kangbutiebao Formation hornblendite granulite; 2-Lower of Kangbutiebao Formation marble; 3-Lower of Kangbutiebao Formation biotic hornblendite quartz schist; 4-Lower of Kangbutiebao Formation amphibolite gneiss; 5-Lower of Kangbutiebao Formation leptite; 6-Lower of Kangbutiebao Formation magnetite hornblendite granulite; 7-garnet skarn; 8-iron ore body and number; 9-pegmatitic vein |
麦兹盆地构造活动强烈，褶皱主要有麦兹复式向斜，呈NW-SE向延长约40km，核部地层为阿勒泰镇组，两翼地层为康布铁堡组。在转折端部位出现多个次级褶皱，主要有蒙库背斜、铁木下尔衮向斜、巴特巴克布拉克向斜及结别特向斜等，多分布于麦兹复式向斜的北东翼，均为紧闭线性复式褶皱。区域内主要发育NW向和NNW向两组断裂，这些断裂是巴寨深大断裂的部分或次级断裂，表现为强烈挤压破碎带。区内侵入岩发育，从基性到酸性岩均有出露，以中酸性-酸性侵入岩为主。酸性侵入岩主要沿北西向构造线分布，多呈岩基和岩株状，岩性主要为黑云母花岗岩、英云闪长岩，少数为二云母花岗岩、白云母花岗岩、辉长苏长岩及辉长辉绿岩。花岗岩的形成时代以早泥盆世为主，如蒙库北部琼库尔片麻状似斑状黑云母花岗锆石SHRIMP U-Pb年龄为399±4Ma (童英等，2007)，蒙库矿区片麻状英云闪长岩锆石SHRIMP U-Pb年龄为400±6Ma，1号矿体北部近矿围岩片麻状花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄为404±8Ma (杨富全等，2008a)。
2 矿床地质特征矿区出露上志留统-下泥盆统康布铁堡组 (图 1b)，由变质火山沉积岩-正常沉积岩组成，根据岩性组合可分为上下两个亚组。下亚组分布于矿区北东部，分为二个岩性段。第一段岩石组合为斜长角闪片麻岩、黑云角闪变粒岩、角闪变粒岩、浅粒岩、条带状角闪黑云变粒岩，夹角闪黑云石英片岩及大理岩透镜体。第二段岩石组合为含磁铁黑云变粒岩、黑云母变粒岩、条带状角闪变粒岩、浅粒岩、夹斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩及大理岩透镜体，是矿区内主要赋矿层位。上亚组主要分布于矿区南西侧，岩性为变凝灰质砂岩、浅粒岩、变砂岩、变含砾砂岩夹大理岩。
矿区北部片麻状黑云母英云闪长岩岩呈岩株产出，锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和年龄为387.7±2.1Ma (MSDW=0.23)；矿区南部片麻状英云闪长岩呈纺锤状岩株产出，锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和年龄为385.6±2.3Ma (MSDW=0.13)，两者均为中泥盆世早期侵入体 (张志欣等，2011a)。
矿区已圈定Fe1、Fe2、Fe3、Fe4四个主要铁矿体及多个盲矿体。赋矿围岩以角闪变粒岩、黑云母变粒岩、石榴子石矽卡岩为主，其次为斜长角闪岩、浅粒岩、角闪黑云石英片岩、斜长角闪片麻岩及透镜状大理岩。矿体呈似层状、透镜状及不规则状顺层产出，常见膨大收缩、分枝复合、尖灭等现象。矿体呈北西~南东向展布，单个矿体水平厚度不等，最大可达30.9m，延长约80~600m，延伸大于400m。矿体与围岩顺层产出，走向300°左右，倾角65°~75°，局部切层明显。
矿石构造主要为块状、浸染状，其次为条带状、角砾状、斑杂状、脉状构造。矿石结构主要有粒状变晶结构、交代残余结构，少数变余结构和碎裂结构。矿石中主要金属矿物为磁铁矿，其次为磁赤铁矿，少量黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿等。脉石矿物主要为石榴子石、钙铁辉石、透辉石、角闪石、长石，其次为黑云母、石英、方解石、绿泥石、绿帘石、透闪石、绢云母，少量方柱石、磷灰石、萤石、褐帘石等。矿体全铁平均品位为23%~28%(易朝楷等，2009)。
围岩蚀变发育，主要为矽卡岩化 (石榴子石、钙铁辉石、透辉石、透闪石、绿帘石、绿泥石、阳起石)，其次为硅化、方解石化、绢云母化和钠长石化等。其中石榴子石化、钙铁辉石化、透辉石化、绿帘石化与铁矿化关系密切。根据野外及室内镜下矿物的组合与穿插关系，将乌吐布拉克铁矿成矿过程划分为矽卡岩期，进一步划分为3个阶段：(1) 早期矽卡岩阶段：主要形成石榴子石，其次为钙铁辉石、透辉石、方柱石等，属无水矽卡岩阶段；(2) 退化蚀变阶段：主要形成磁铁矿、绿帘石、绿泥石、透闪石、角闪石、阳起石、钠长石、黑云母等，属含水矽卡岩阶段，是主要成矿阶段；(3) 石英-硫化物-碳酸盐阶段：主要形成石英、黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、辉钼矿、方解石、钠长石、黑云母等；表生氧化期：在地表矿体及浅部矿体中形成氧化矿物，主要有褐铁矿、磁赤铁矿、孔雀石等。
3 流体包裹体 3.1 样品及分析方法用于包裹体研究的40件样品采自Fe1、Fe2、Fe3及Fe4矿体，岩石名称为含磁铁矿石榴子石矽卡岩、石榴子石矽卡岩、含石榴子石磁铁矿矿石、透辉石磁铁矿矿石、含黄铁矿绿帘石矽卡岩、含石英脉绿帘石矽卡岩、含石英脉绿泥石矽卡岩、绿泥石矽卡岩、石英脉、方解石脉、含绿泥石石榴子石方解石脉、含方解石脉斜长角闪岩，这些样品形成于早期矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、石英-硫化物-碳酸盐阶段。对上述样品中石榴子石、透辉石、绿帘石、绿泥石、石英及方解石中包裹体进行了研究。
液体包裹体显微测温工作在中国地质大学 (北京) 地球化学实验室利用英国产Linkam THMSG 600冷热台上进行，可测温范围为-196~+600℃，测试精度在30℃以下时为±0.1℃，30℃以上时为±1℃，冰点温度误差±0.1℃。显微镜型号为OLMPUS-BX51，放大倍数100~800倍。在-56.6℃、0.0℃和371.4℃，系统用人造包裹体进行了校正。冷冻测温时，利用液氮对包裹体降温，并观察包裹体变化，待其冷冻后，缓慢升温，当接近相变点时控制升温速率，使之小于1℃/min，观察记录三相点、冰点、笼形化合物融化温度等。对气液两相包裹体，盐度利用NaCl-H2O体系的冰点-盐度关系表中查得 (Bodnar，1993)，密度利用NaCl-H2O体系的T-W-ρ相图 (Bodnar，1983) 上查得。对CO2-H2O型包裹体，盐度通过CO2笼形化合物熔化温度与盐度关系表 (Collins，1979) 来确定，密度利用经验公式 (刘斌和段光贤，1987) 求的。
3.2 流体包裹体类型及特征乌吐布拉克铁矿床原生包裹体主要为流体包裹体，在石榴子石中见有少量硅酸盐熔融包裹体。依据室温下化学组成，将流体包裹体进一步划分为NaCl-H2O型和CO2-H2O型。NaCl-H2O型主要见有纯气体包裹体、富气体包裹体、气液两相包裹体及含子矿物包裹体。CO2-H2O型主要为含CO2的气体包裹体及含CO2的气液两相包裹体。不同成矿阶段、不同矿物中包裹体类型各不相同 (图 2及表 1)。
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图 2 乌吐布拉克铁矿床流体包裹体显微照片 (a)-V-L包裹体；(b)-V-L+S包裹体；(c)-纯气相包裹体；(d，e)-V-L包裹体；(f)-V-L+S包裹体；(g)-V-L包裹体；(h)-V-L包裹体与V-L+S包裹体；(i，j)-V-L包裹体；(k)-VCO2包裹体；(l)-V-L包裹体 Fig. 2 Photomicrographs of fluid inclusions from the Wutubulake iron deposit (a)-two-phase vapor-liquid inclusions in garnet; (b)-daughter mineral-bearing inclusions in garnet; (c)-vapor-rich inclusions in garnet; (d, e)-two-phase vapor-liquid inclusions in diopside; (f)-daughter mineral-bearing inclusions in diopside; (g)-two-phase vapor-liquid inclusions in epidote; (h)-two-phase vapor-liquid inclusions in chlorite; (i, j)-two-phase vapor-liquid inclusions in quartz; (k)-two-phase CO2-type inclusions in quartz; (l)-two-phase vapor-liquid inclusions in calcite |
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表 1 乌吐布拉克铁矿床NaCl-H2O型包裹体类型、特征及显微测温数据表 Table 1 Microthermometric data and characteristic of the NaCl-H2O types of the fluid inclusions from the Wutubulake iron deposit |
(1) 早期矽卡岩阶段
石榴子石普遍发育包裹体，类型以气液两相包裹体为主，其次是含子矿物包裹体、硅酸盐熔融包裹体、富气相包裹体及纯气体包裹体，形态主要为不规则状、次圆状，其次为长条状及短柱状，长轴范围3~50μm (图 2a-c)。
透辉石中包裹体主要为气液两相包裹体，形态较多，主要为柱状、多边形及不规则状，长轴范围2~18μm (图 2d-f)。
(2) 退化蚀变阶段
绿帘石中包裹体以气液两相包裹体为主，其次为含子矿物包裹体，包裹体大小差异较大，形态主要为不规则状、椭圆状，其次为浑圆状等，长轴范围3~15μm (图 2g)。
绿泥石中包裹体仍以气液两相包裹体为主，形态主要为不规则状，其次为长条状及菱形状，长轴范围4~16μm (图 2h)。
(3) 石英-硫化物-碳酸盐阶段
石英中包裹体以气液两相包裹体为主，以出现含CO2的气体包裹体、含CO2的气液两相包裹体及大量次生包裹体为特征，偶见有含子矿物包裹体，形态主要为不规则状及次圆状，其次为长条状、负晶形等，长轴范围3~24μm (图 2i-k)。
方解石中包裹体类型以气液两相包裹体为主，偶见富气相包裹体及纯气体包裹体，形态主要为不规则状、次圆状，其次为长条状及菱形，长轴范围3~20μm (图 2l)。
3.3 显微测温结果对上述成矿阶段矿物中NaCl-H2O型和石英中CO2-H2O型包裹体进行了显微测温，其结果见表 1。
(1) 早期矽卡岩阶段
石榴子石中气液两相包裹体均一温度变化于为256~534℃，主要集中在350~375℃与＞550℃两个区间内 (图 3)，冰点温度变化于-19.7~-8.2℃，对应流体的盐度值为11.9%~22.2% NaCleqv，密度为0.56~0.96g/cm3；9个含子矿物包裹体的完全均一温度为变化于311~457℃，盐度值均大于73.96% NaCleqv，其均一温度与气液两相包裹体特征较为相近。透辉石中气液两相包裹体均一温度变化于为262~568℃，主要集中在300~325℃，冰点温度变化于-15.3~-5.9℃，盐度值为9.08%~18.88% NaCleqv，密度为0.65~0.88g/cm3。
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图 3 乌吐布拉克铁矿床包裹体均一温度、盐度直方图 Fig. 3 Histograms of homogenization temperature and salinity for the inclusions in the Wutubulake iron deposit |
(2) 退化蚀变阶段
绿帘石中气液两相包裹体均一温度为188~313℃，冰点温度变化于-19.1~-8.6℃，对应盐度为12.4%~21.8% NaCleqv，密度为0.83~1.05g/cm3；5个含子矿物包裹体均一温度平均为222℃，盐度均大于39.76% NaCleqv。
绿泥石中气液两相包裹体均一温度变化于247~291℃，主要集中于260~280℃，冰点温度变化于-9.0~-6.6℃，对应盐度为9.98%~12.85% NaCleqv，密度为0.83~0.91g/cm3。
(3) 石英-硫化物-碳酸盐阶段
石英中气液两相包裹体均一温度变化于为162~228℃，峰值在230℃，冰点温度变化于-9.5~-2.8℃，对应盐度为4.65%~15.57% NaCleqv，密度为0.78~1.02g/cm3。1个含子矿物包裹体完全均一温度为235℃，冰点温度为-7.4℃，盐度为10.98% NaCleqv，密度为0.91g/cm3。10个含CO2的气体包裹体初熔温度变化于为-63~-60.6℃，表明包裹体中CO2不纯，可能存在较多的CH4或N2(Burruss，1981)，其完全均一温度变化于为10.3~28.4℃，均值为16.8℃，盐度为7.05~8.19% NaCleqv。4个含CO2的气液两相包裹体初熔温度变化于为-62.6~-60.1℃，与上述含CO2的气体包裹体初熔温度一致，其笼形化合物的消失温度为5.5~6.2℃，部分均一温度变化于为22.8~29.5℃，完全均一温度为209~312℃，对应其盐度和密度分别为7.05%~8.19% NaCleqv与0.77~0.91g/cm3。
方解石中气液两相包裹体均一温度变化范围大，介于168~320℃，在210~230℃之间出现峰值，冰点温度变化于-3.2~-1.7℃，对应盐度为2.90%~5.26% NaCleqv，密度为0.70~0.94g/cm3。
4 稳定同位素 4.1 样品及分析方法对采自Fe1、Fe2、Fe3及Fe4矿体的27件样品中石英、石榴子石及方解石的碳、氢和氧同位素组成进行了系统分析。这些样品形成于早期矽卡岩阶段和石英-硫化物-碳酸盐阶段，包括石英脉、含石英磁铁矿石榴子石矽卡岩、石榴子石磁铁矿矿石、含磁铁矿石榴子石矽卡岩、方解石脉、含石榴子石方解石脉及大理岩。对石英-硫化物-碳酸盐阶段的17件黄铁矿、2件磁黄铁矿及1件黄铜矿单矿物的硫同位素进行了分析，这些样品包括浸染状黄铁矿、块状黄铁矿、条带状黄铁矿、团块状黄铁矿及浸染状黄铜矿及浸染状磁黄铁矿。
首先在显微镜下挑选石榴子石、石英和方解石及硫化物单矿物，纯度达99%以上。氧同位素分析方法为BrF5法 (Clayton and Mayeda, 1963)，首先将纯净的石英和石榴子石样品分别与BrF5反应15h，萃取氧。分离出的氧进入CO2转化系统，温度为700℃，时间为12min，最后收集CO2(Mao et al., 2002)。
氢同位素分析采用爆裂法，其测试程序为：加热石英、石榴子石和方解石包裹体样品使其爆裂，释放挥发份，提取水蒸气，然后在400℃条件下使水与锌反应产生氢气，再用液氮冷冻后，收集到有活性炭的样品瓶中 (Coleman et al., 1982)。
方解石的碳和氧同位素分析步骤如下。首先在25℃条件下，使方解石与磷酸反应释放CO2(McCrea，1950)。用中国的国家一级碳酸盐碳、氧同位素参考物质GBW04416和GBW04417作为工作标准，GBW04416的δ13CPDB和δ18OPDB值分别为1.61‰和-11.59‰，GBW04417的δ13CPDB和δ18OPDB值分别为-6.06‰和-24.12‰。方解石的δ18OPDB值和δ13CPDB直接从CO2测得。在转变δ18OPDB与δ18OSMOW时，使用Friedman and O'Neil (1977)的方程：δ18OSMOW=1.03086δ18OPDB+30.86。
硫化物样品以Cu2O作为氧化剂制样，再用V2O5氧化法制备SO2，释放的SO2进行硫同位素测试。
同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室进行，氢、氧和碳同位素用MAT 253 EM质谱计进行测试。氧、碳、氢同位素的分析精密度为±0.2‰，硫以VCDT为标准，测试精度为±0.2‰。
4.2 稳定同位素组成特征乌吐布拉克铁矿床碳、氢、氧、硫同位素测试结果列于表 2、表 3。
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表 2 乌吐布拉克铁矿床碳氢氧同位素组成 Table 2 Carbon, oxygen and hydrogen isotopic data of the Wutubulake iron deposit |
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表 3 乌吐布拉克铁矿床硫同位素组成 Table 3 Sulfur isotopic data of the Wutubulake iron deposit |
9件早期矽卡岩阶段石榴子石的δDSMOW值变化于-133‰~-106‰，平均为-122‰；δ18OSMOW值介于0.5‰~5.4‰，平均为2.2‰。使用石榴子石-水分馏方程1000㏑α=1.22×106T-2-4.88(Taylor，1976) 和对应石榴子石样品中流体包裹体均一温度平均值，计算出石榴子石的δ18OH2O值介于2.4‰~7.4‰，平均为4.2‰。
7件石英-硫化物-碳酸盐阶段石英的δDSMOW值较高，介于-150‰~-121‰，平均为-134‰；δ18OSMOW值相对集中，介于7.4‰~8.6‰，平均为7.9‰，使用石英-水分馏方程1000㏑α=3.38×106T-2-3.40(Clayton et al., 1972) 和对应石英样品中流体包裹体均一温度平均值，计算出石英的δ18OH2O值介于-4.0~-1.4‰，平均为-2.6‰。
9件方解石的δDSMOW(其中1件未测δDSMOW) 变化范围介于-146‰~-113‰之间，平均为-133‰，δ13CPDB值变化于-6.9‰~-0.3‰，平均为-5.0‰；使用方解石-水分馏方程1000㏑α=2.78×106T-2-3.39(O'Neil et al., 1969) 及对应方解石样品中流体包裹体均一温度平均值，计算出9件方解石脉中δ18OH2O值介于-1.4‰~0.7‰，平均为-0.5‰。
2件大理岩中方解石δ18O值变化范围较大，介于14.2‰~17.4‰，δ13CPDB值变化于1.6‰~1.8‰。
16件黄铁矿δ34S值介于3.7‰~10.2‰，平均为6.4‰；2件黄铜矿δ34S值介于6.9‰~10.0‰，平均为8.5‰；2件磁黄铁矿δ34S值介于为6.0‰~7.2‰，平均为6.6‰。
5 讨论 5.1 成矿流体性质早期矽卡岩阶段石榴子石中气液两相包裹体、含子矿物多相包裹体、硅酸盐熔融包裹体、纯气体包裹体和富气体包裹体共存。气液两相包裹体均一温度变化于256~534℃，在350~375℃与＞500℃区间出现峰值，含子矿物多相包裹体完全均一温度变化于311~457℃，杨富全等 (2008b)测得蒙库铁矿石榴子石中硅酸盐熔融包裹体的均一温度高达1100℃，这均表明该类型铁矿中石榴子石形成时温度较高，且变化范围较大。这与世界矽卡岩型矿床中与磁铁矿有关的钙铁榴石-透辉石-黄铁矿矽卡岩矿物组合形成温度为250~＞760℃(Meinert，1998) 的认识相吻合。透辉石中气液两相包裹体均一温度变化于262~568℃，在300~325℃之间出现峰值，其内未发现熔融包裹体，表明其形成温度明显较石榴子石低。石榴子石和透辉石中气液两相包裹体盐度分别变化于11.9%~22.2% NaCleqv与9.08%~18.88% NaCleqv，子矿物多相包裹体盐度均大于73.96% NaCleqv，两者在12%~15% NaCleqv区间 (图 3) 出现峰值。以上特征均表明该阶段成矿流体属高-中温、高-中盐度、高-中密度的NaCl-H2O体系。
退化蚀变阶段绿帘石中气液两相包裹体均一温度变化于188~313℃，平均为234℃，含子矿物多相包裹体完全均一温度变化于196~273℃。绿泥石中气液两相包裹体均一温度变化于247~291℃，平均为275℃，较绿帘石结晶温度较高。两者均一温度在260~280℃处出现峰值，盐度在12%~13% NaCleqv出现峰值。该阶段包裹体与早期矽卡岩阶段相比，温度区间变窄，流体盐度明显降低，密度略有增大趋势，未发现含CO2包裹体，表明该阶段成矿流体为中温、中-低盐度、高-中密度的NaCl-H2O体系。
石英-硫化物-碳酸盐阶段石英和方解石中气液两相包裹体均一温度变化范围较大，介于162~320℃，两者在220~240℃出现峰值。石英中气液两相包裹体盐度在9%~10% NaCleqv及12%~13% NaCleqv区间出现峰值，而方解石中气液两相包裹体盐度在5% NaCleqv出现峰值。该阶段石英与方解石中出现了含CO2气体包裹体和含CO2气液两相包裹体。以上均表明该阶段温度变化大，从中温逐渐演化到低温 (320~162℃)，盐度变化范围宽，介于2.90%~15.57% NaCleqv，密度变化于0.70~1.02g/cm3，与早期矽卡岩阶段和退化蚀变阶段相比，平均均一温度、流体盐度和密度明显降低，暗示存在低温、低盐度的大气降水的加入。总之，该阶段流体以NaCl-H2O-CO2±CH4或N2型为主，局部混合有CO2-H2O型流体，大气降水与早期流体混合导致了流体的降温稀释过程。
研究矽卡岩矿物中的流体包裹体是证明成矿流体演化的重要途径 (Kwak and Tan, 1981；Baker and Lang, 2003)。流体包裹体研究可以为矽卡岩系统中早阶段及晚阶段温度和盐度的降低提供最直接的证据 (Meinert et al., 2003)。世界矽卡岩型矿床早期矽卡岩阶段石榴子石和透辉石中的流体包裹体温度为500~＞700℃之间，盐度＞50% NaCleqv，然而退化蚀变阶段绿帘石和石英-硫化物-碳酸盐阶段石英的均一温度明显降低，盐度＜25% NaCleqv (Singoyi and Zaw, 2001；Zuercher et al., 2001)。乌吐布拉克铁矿矽卡岩矿物中流体包裹体温度相比世界矽卡岩型矿床较低，但是从早期矽卡岩阶段→退化蚀变阶段→石英-硫化物-碳酸盐阶段同样伴随着温度和盐度的降低，表明其成矿流体性质与世界矽卡岩型矿床成矿流体性质相似。
5.2 成矿流体来源 5.2.1 氢、氧同位素示踪早期矽卡岩阶段9件石榴子石的δ18OH2O值介于2.4‰~7.7‰，δ18DSMOW值变化于-133‰~-106‰，明显低于岩浆水范围 -80‰~-40‰，(Sheppard，1986)，暗示受到大气降水的影响；在δD-δ18OH2O图解中 (图 4) 中样品点落在岩浆水左下方，靠近岩浆水分布区，表明矽卡岩期成矿流体主要为岩浆水，混合少量大气降水。
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图 4 乌吐布拉克铁矿床δD-δ18OH2O图解 (原始岩浆水范围据Sheppard，1986) Fig. 4 δD versus δ18OH2O diagram of the Wutubulake iron deposit (data of primary magmatic water after Sheppard, 1986) |
石英-硫化物-碳酸盐阶段7件石英的δ18OH2O值介于-4.0‰~-1.4‰，9件方解石脉的δ18OH2O值介于-1.4‰~0.7‰。在δD-δ18OH2O图解中 (图 4) 样品均落于岩浆水的左下方，并明显向大气降水线方向偏移，表明该阶段成矿流体来源于混合的岩浆水和大气降水，相比早期矽卡岩阶段大气降水的比例明显增加。
5.2.2 碳、氧同位素示踪9件方解石脉的δ18OH2O值介于-1.4‰~-0.7‰，δ13CPDB值变化于-6.9‰~-0.3‰，平均为-5.0‰，与地幔来源碳同位素值 (-5‰±2‰，Hoefs，1997) 接近，显示成矿流体中碳来自地幔或深部岩浆水。2件大理岩中方解石的δ18O值变化范围较大，介于14.2‰~17.4‰，略低于海相碳酸盐岩，δ13CPDB值变化于1.6‰~1.8‰，与海相碳酸盐岩的碳同位素组成十分相近 (-1‰~2‰，Rollinson，1993)，表明大理岩的原岩为海相碳酸盐岩，在变质过程中氧同位素发生了变化，向碳酸盐溶解作用方向漂移。在方解石的δ18OSMOW-δ13CPDB图解中 (图 5)，9件方解石脉样品8件落于原始地幔中或界线上以及地幔多项体系中，1件样品落在花岗岩范围内，明显区别于2件大理岩样品，表明成矿流体中碳并非来自围岩中的灰岩，而是来源于深部岩浆或地幔。
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图 5 乌吐布拉克铁矿床方解石的δ18OSMOW-δ13CPDB图解 (底图据刘建明等，1997；孙景贵等，2001；刘家军等，2004) Fig. 5 δ18OSMOW vs.δ13CPDB diagram of calcite from the Wutubulake iron deposit (after Liu et al., 1997; Sun et al., 2001; Liu et al., 2004) |
总之，早期矽卡岩阶段成矿流体主要是岩浆水，混合少量大气降水；石英-硫化物-碳酸盐阶段则存在大量大气降水加入的特点，成矿流体为混合的岩浆水和大气降水。以上特点与世界大型矽卡岩矿床中成矿流体来源于混合流体的特征一致 (Taylor and O'Neil，1977；Shimazaki et al., 1986；Shimazaki and Kusakoabe, 1990；Naito et al., 1995；Bowman，1998；Baker and Lang, 2003)。
5.3 成矿物质来源20件硫化物的δ34S值变化范围为3.7‰~10.2‰，平均为6.6‰，极差为6.5‰，与花岗岩的硫同位素组成相似 (δ34S=-10‰~10‰)。在硫同位素直方图 (图 6) 中，绝大多数样品的δ34S值集中于6‰~8‰之间，δ34S值大于10‰的样品仅有两个，表明硫分馏程度比较低。硫化物的硫同位素值呈正态分布，具有明显的均一化过程，说明来自同一硫的储库。Ohmoto and Rye (1979)认为在矿物组合简单情况下，矿物的δ34S平均值可代表热液的总硫值。乌吐布拉克铁矿中含硫矿物主要为硫化物，因此，热液中总δ34S值相当于矿物中δ34S平均值，为6.6‰，可以代表石英-硫化物-碳酸盐期成矿流体中的δ34S值，主要显示岩浆硫的特征，同时可能有少量的地壳硫的加入。以上特征与世界上许多被认为成矿物质来源于岩浆硫的矽卡岩型矿床中硫化物的硫同位素组成特点相似 (Shimazaki and Yamamoto, 1979；Shimazaki and Sakai, 1984)。
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图 6 乌吐布拉克铁矿床硫同位素直方图 Fig. 6 Histogram of sulfur isotope composition of sulfides from the Wutubulake iron deposit |
乌吐布拉克铁矿床产于康布铁堡组火山岩中，硫化物的硫同位素变化特征表明该铁矿床中的硫来源于岩浆硫，因此，初步判定矿床的形成与康布铁堡组火山岩有关，成矿物质来源于围岩的基性火山岩，这一点得到了火山岩、矽卡岩和矿石稀土元素特征的支持 (张志欣等，2011b)。
5.4 成矿机制讨论乌吐布拉克铁矿矿体体呈似层状、透镜状赋存于上志留统-下泥盆统康布铁堡组变质火山-沉积岩系中，矿体及其周围发育大量的矽卡岩矿物及含浸染状磁铁矿大理岩。结合上述野外地质特征、成矿流体性质及来源及成矿物质来源的研究，推断铁矿床的形成与岩浆侵入地层形成的矽卡岩作用密切相关，矿床类型为矽卡岩型磁铁矿矿床。在Fe2号矿体中发现了含辉钼矿石榴子石磁铁矿矿石，辉钼矿与磁铁矿为共生关系。2件辉钼矿Re-Os同位素模式年龄为243.6±4.1Ma与244.2±4.2Ma，限定铁矿形成时代为早三叠世，首次确定阿尔泰存在三叠纪成矿作用 (课题组未发表资料)。乌吐布拉克铁矿地质特征表明该铁矿的形成与岩浆侵入活动密切相关，尽管矿区出露英云闪长岩和黑云母英云闪长岩，但年龄结果表明这两个岩体年龄分别为385.6±2.3Ma和387.7±2.1Ma，早于辉钼矿年龄近140Ma，显然这两个岩体的侵入在成矿事件之前，与成矿没有关系，推测矿区存在与成矿相关的三叠纪岩体 (脉)，但仍有待进一步工作。
在乌吐布拉克铁矿床地质特征、成矿流体性质及来源、成矿物质来源、矿床成因及成矿时代研究的基础上，基于以下几个方面来认识和构建矿床成矿模型 (图 7)：
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图 7 乌吐布拉克铁矿床成矿模式图 Fig. 7 Model of iron mineralization in the Wutubulake iron deposit |
(1) 志留-泥盆纪阿尔泰南缘处于活动大陆边缘环境 (Windley et al., 2002；Xu et al., 2003；Xiao et al., 2004；Wang et al., 2006；Yuan et al., 2007)。由于古亚洲洋向北俯冲于阿尔泰微大陆之下，俯冲板片发生裂离下沉，导致软流圈上涌，加热俯冲板片及沉积物并使之熔融，软流圈地幔与俯冲板片熔体及地幔楔熔体混合底侵于下地壳，导致地壳物质熔融，伴随产生基性和酸性双峰式火山活动的喷溢-爆发-沉积作用，形成了以流纹岩为主，含少量玄武岩的火山熔岩、火山碎屑岩和正常沉积岩组合的康布铁堡组。伴随着火山喷发沉积作用，形成了以可可塔勒铅锌矿为代表的VMS型矿床。
(2) 随着古亚洲洋持续的俯冲作用，阿尔泰南缘广泛发生400Ma左右的岩浆侵入活动。乌吐布拉克矿区英云闪长岩在388~386Ma期间侵入到康布铁堡组火山沉积岩系中。
(3)386~354Ma阿尔泰南缘的断陷盆地仍处于拉张环境，裂离形成的下插板片进一步扰动软流圈地幔，使之底辟上隆，形成了阿勒泰镇组沉积岩、局部形成枕状玄武岩和双峰式火山岩。360Ma以后哈萨克斯坦-准噶尔板块与阿尔泰微大陆进入碰撞阶段，导致泥盆纪火山沉积盆地隆起，康布铁堡组和阿勒泰镇组地层经历了变形和区域变质作用，褶皱和逆冲断层发育，矿区古生代地层发生变形和遭受中低压绿片岩相-角闪岩相变质作用。
(4) 三叠纪阿尔泰南缘属陆内演化阶段，区域上主要形成与花岗岩有关的伟晶岩型稀有金属-白云母-宝石矿床 (王登红等，2002)。在乌吐布拉克一带244Ma期间存在一期岩浆侵入活动 (推测)，由于岩浆结晶分异作用产生高温、高盐度岩浆气液流体，主要成分为H2O，并且富含挥发组分和碱质。岩浆热液与康布铁堡组基性火山岩 (熔岩和火山碎屑岩) 及灰岩产生高温热液蚀变反应，并从康布铁堡组火山岩中萃取大量的Ca、Fe、Al、Si、Mg等元素。在高温高压条件下，早期矽卡岩阶段形成无水岛状和链状硅酸盐矿物，如石榴子石、透辉石等。由于随着系统中温度和压力的降低，水从岩浆中分离出来，与其它矿化剂对早期形成的矽卡岩进行交代，在退化蚀变阶段生成带状或复杂链状构造的含水硅酸盐矿物，主要以绿帘石、绿泥石为主，其次是阳起石、透闪石、角闪石等。同时由于氧化还原电位、溶液酸碱度改变，在矽卡岩退化变质过程中促使铁的卤化物和络合物分解，铁呈磁铁矿形式沉淀并出现大量磁铁矿。后期大气降水的加入导致流体温度、压力、盐度及Ph的持续降低，使得SiO2一般不与Ca、Fe、Al、Mg等元素组成矽卡岩矿物，而是形成大量的石英，同时H2S在水溶液中分解出S2-，与铁等元素的络合物结合生成黄铁矿和硫化物。
6 结论(1) 乌吐布拉克中型铁矿床赋存于上志留统-下泥盆统康布铁堡组变质火山-沉积岩系中，矿体呈似层状、透镜状，矿体及其周围发育大量矽卡岩矿物。
(2) 早期矽卡岩阶段成矿流体为高-中温 (256~534℃)、高-中盐度 (11.90%~＞73.96% NaCleqv)、高-中密度的NaCl-H2O体系 (0.56~0.96g/cm3)。退化蚀变阶段成矿流体为中温 (188~313℃)、中-低盐度 (12.30~＞39.76% NaCleqv)、高-中密度的NaCl-H2O体系 (0.83~1.05g/cm3)。石英-硫化物-碳酸盐阶段成矿流体为中-低温 (162~320℃)、低盐度 (2.90%~15.57% NaCleqv) 的NaCl-H2O-CO2-H2O±CH4/N2型流体。
(3) 石榴子石、石英及方解石氢和氧同位素组成表明早期矽卡岩阶段成矿流体主要来源于岩浆水，暗示石英-硫化物-碳酸盐阶段存在低温、低盐度大气降水的加入。方解石的碳、氧同位素表明流体中碳主要来自深部岩浆或地幔。硫化物硫同位素表明成矿物质中硫来源于岩浆。
(4) 矿床成矿机制可能为早三叠世岩浆热液交代上志留-下泥盆统康布铁堡组火山岩形成矽卡岩矿物，在矽卡岩退化蚀变过程中形成铁矿体。
致谢 野外期间得到新疆富蕴县金山矿冶公司钟天智技术员及公司领导的大力支持和帮助；流体包裹体测定在中国地质大学 (北京) 地球化学实验室诸慧燕女士的帮助下完成；稳定同位素测试由中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室万德芳、罗续荣女士和王成玉先生完成；在此一并致以衷心的感谢。| [] | Baker T, Lang JR. 2003. Reconciling fluid inclusions, fluid processes and fluid source in skarns: An example from the Bismark skarn deposit, Mexico. Mineralium Deposita, 38: 474–495. DOI:10.1007/s00126-002-0306-3 |
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