1. 引言
西西尔塔克硼矿是目前国内发现的少数火山沉积型硼矿床之一 [1] - [8]，1974年、1988年 [9]、2001年前人先后在该区开展了对硼矿的勘查工作 [10]，因品位低、交通条件差等原因均未深入开展地质勘查及研究工作，致使研究区矿床成因依据不足，矿床含矿层位、矿体深部延伸等问题不清。
2016~2017年，作者在新疆东天山西西尔塔克一带开展了硼矿调查评价工作，通过工作，了解了研究区硼矿深部延伸情况，确定研究区内发现的硼矿体及许多零星矿(化)点均赋存在同一个含矿层位——上石炭统柳树沟组二段，为矿床成因提供了新的论据。本文通过综合研究区各类工作成果，总结了研究区硼矿床地质特征，初步探讨了成矿规律与矿床成因类型，为该地区硼矿床勘查找矿工作提供重要线索。
2. 区域地质背景
研究区大地构造位置位于哈萨克斯坦–准葛尔板块(I级)、准葛尔微板块(II级)，博格达晚古生代弧后裂陷盆地 [11]。
博格达晚古生代弧后裂陷盆地位于准格尔地块南和吐哈地块以北，弧后拉张始于早石炭世，在七角井一带出现灰绿岩、枕状玄武岩夹硅质岩、英安斑岩的双峰式火山岩建造，向上在博格多一带则为滨海相火山碎屑–陆源碎屑岩，石炭系上统为滨浅海陆源碎屑岩，夹碳酸盐岩和中酸性火山岩，下二叠统为滨浅海相正常碎屑岩，碳质页岩夹霏细岩，上二叠统转为陆相含磷、含油页岩的正常碎屑岩，中新生界不整合其上，为含煤建造和红层。该带侵入岩很少，除拉张后期大量灰绿岩脉顺层贯入和岩株外，仅有个别花岗闪长岩和钾长花岗小岩体和岩株，构造活动也较弱，褶皱开阔，反映出剧拉张后平稳隆起为陆的夭折裂谷特点，进入陆内演化阶段后，在南、北地块对挤压，山体迅速抬升，在山体南北均出现从内向外逆冲的叠瓦式构造推覆体 [11]。
区内变质作用轻微，岩石变质程度低，总体为低绿片岩相区域埋深变质，动力变质作用表现为岩石普遍碎裂化。区内断裂活动强烈，褶皱以舒缓型为主，反映出该构造单元早期急剧拉张，晚期平稳隆起挤压为主的断褶特点 [11]。
研究区出露地层主要为上石炭统柳树沟组(C2l)、祁家沟组(C2q)及奥尔吐组(C2ae)；二叠系阿尔巴萨依组(P2ae)、大河沿组(P3d)、塔尔郎组(P3ter)、泉子街组(P3q)、梧桐沟组(P3w)、锅底坑组(P3g)；三叠系烧房沟组(T1sh)、克拉玛依组(T2-3k)、黄山街组(T3h)和郝家沟组(T3hj)。
研究区火山岩主要以互层或夹层出现于沉积岩间，主要发生于三个时代，上石炭统火山活动相对强烈，形成厚度较大的火山岩；二叠系活动同样频繁，但规模一般；在三叠系偶有活动，规模小、分布少。
上石炭统柳树沟组根据岩性组合特征划分为二段，一段主要岩性为灰–青灰色薄层凝灰质砂质硅质岩、细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩夹流纹质沉凝灰岩、砂质泥晶鲕粒砂屑灰岩及灰绿色安山岩、蚀变玄武岩，是一套形成于浅海陆棚环境中的陆源碎屑岩沉积建造，火山岩以少量夹层形式出现；二段主体岩性为灰色、灰绿色、紫红色安山岩、杏仁状安山岩、安山质沉角砾凝灰岩夹安山质含集块角砾岩及少量含粉砂硅质岩、安山质角砾凝灰熔岩，顶部见复成分砾岩，为一套浅海相陆棚环境下形成的沉积–火山建造。柳树沟组火山岩主要包括喷溢相、爆发相、火山沉积相和沉积相四个岩相类型；根据岩石化学成分，玄武岩类具有向安山岩过渡特征，安山岩类具有向酸性岩过渡的趋势，流纹岩类具有向中性岩过渡的特性，三个岩石类型均属铝过饱和类型 [11]。
3. 研究区地质特征
3.1. 研究区地层
研究区主要出露地层为上石炭统柳树沟组一段(C2l1)、柳树沟组二段(C2l2)、祁家沟组(C2q)、奥尔吐组(C2ae)及第四纪全新统(图1)。
1-全新统；2-奥尔吐组一段；3-祁家沟组；4-柳树沟组二段；5-柳树沟组一段；6-逆断层及产状；7-不明性质断层；8-地质界线；9-硼矿点。
Figure 1. Geological sketch map of Xixiertake area, Xinjiang
图1. 新疆西西尔塔克一带地质简图
① 上石炭统柳树沟组一段(C2l1)
主要分布在研究区西南部，主要岩性为灰–青灰色薄层凝灰质砂质硅质岩、细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩夹流纹质沉凝灰岩、砂质泥晶鲕粒砂屑灰岩及灰绿色安山岩、蚀变玄武岩，地层厚度大于1135.49 m。
② 柳树沟组二段(C2l2)
柳树沟组二段总体呈近东西向展布，地层厚度大于444.66米，岩性组合为浅灰色灰岩–深灰色伊丁石化橄榄玄武岩、硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩、玄武质熔结凝灰岩、玄武质熔结火山角砾岩、硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩、硼矿化玄武质熔结凝灰岩、钙质内碎屑硅质岩、含硼含砂灰岩、粉微晶灰岩、含凝灰不等晶灰岩(图2)。上部与祁家沟组(C2q)呈整合接触。主要岩性特征如下：
1. 第四系残坡积物，2. 上石炭统柳树沟组二段，3. 粉微晶灰岩，4. 含凝灰不等晶灰岩，5. 含硼含砂灰岩，6. 钙质内碎屑硅质岩(①)，7. 伊丁石化橄榄玄武岩(②)，8. 玄武质熔结凝灰岩(③)，9. 硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩(⑧)，10. 硼矿化玄武质熔结凝灰岩(⑩)，11. 玄武质熔结火山角砾岩(⑤)，12. 构造角砾岩(⑬)，13. 地质界线，14. 推测地质界线，15. 分层序号，16. 产状，17. 采样位置及编号，18. 导线方位角。
Figure 2. Geologic section of the second member of Liushugou formation
图2. 柳树沟组二段地质剖面图
伊丁石化橄榄玄武岩：深灰色–灰黑色，斑状结构，基质呈间粒间隐结构。斑晶由橄榄石(3%)、斜长石(15%)组成。斜长石斑晶，半自形板状，d = 0.5 × 0.8 mm~3 × 10 mm，零散分布。橄榄石斑晶，半自形–他形粒状、板状，伊丁石化仅呈其假象，d = 0.3~0.8 mm，零散分布。基质由磁铁矿(4%)、橄榄石(4%)、单斜辉石(20%)、斜长石微晶(40%)与半晶质长英质玻璃(10%)组成。斜长石微晶，半自形柱状、板柱状，l = 0.1~0.8 mm，长轴半定向–无规律杂乱排列。单斜辉石，显微粒状、短柱状，d = 0.05~0.25 mm，零散分布。橄榄石，他形粒状，d = 0.05~0.25 mm，伊丁石化仅呈其假象，零散分布。磁铁矿，自形粒状，d = 0.01~0.04 mm，零散分布。在半定向–杂乱排列的柱状斜长石微晶所组成的格隙中，充填分布着显微粒状单斜辉石、伊丁石化橄榄石、磁铁矿及半晶质脱玻长英质矿物，构成岩石基质之间粒间隐结构。沿岩石气孔有绿泥石充填，形成d = 0.2~1.0 mm云朵状杏仁体，零散分布。
含硼含砂灰岩：灰色，含砂粉微晶结构，定向构造，岩石矿物主要由自生矿物组成，陆源碎屑少量。自生矿物主要由方解石(78%)组成，石英(2%)、硅硼钙石(5%)少量，褐铁矿(1%)微量。方解石，他形粒状，d = 0.01~0.06 mm，多数d = 0.02~0.05 mm，受沉积过程中硅硼钙石及陆源碎屑等异类物质沉积影响，成团块状聚集，定向分布。硅硼钙石，半自形柱状、放射状，d = 0.03~0.35 mm，零散分布。自生石英，无定形粒状，零散分布。褐铁矿，粉末状、胶状，多与碎屑及硅硼钙石同沉积，零散分布。陆源碎屑由石英碎屑、长石碎屑及安山岩屑组成。安山岩屑，次棱角状，d = 0.1~0.5 mm，零散分布。石英碎屑、长石碎屑，次棱角状，d = 0.01~0.20 mm，零散分布。
玄武质熔结火山角砾岩；深灰色，熔结火山角砾结构，定向构造，岩石由胶结物与火山碎屑组成。火山碎屑主要由玄武岩屑(65%)组成，杏仁体及晶屑少量。玄武岩屑，间粒间隐结构，部分具斑状结构，杏仁状构造，杏仁体由绿泥石(6%)组成，扁平–椭球状，d = 0.5~8.0 mm，多数d = 2~8 mm，长轴大致定向排列，大致定向分布。斜长石晶屑(12%)，次棱角–棱角状，d = 0.3~3.5 mm，多数d = 1.0~3.5 mm，零散分布。普通辉石晶屑(2%)，次棱角状，d = 0.3~1.5 mm，零散分布。伊丁石橄榄石晶屑(3%)，次棱角状，d = 0.4~1.0 mm，零散分布。岩石气孔及裂隙发育，沿气孔为绿泥石充填，形成d = 0.5~4.0 mm次圆–长条状杏仁体，长轴大致定向排列，零散分布。火山碎屑间由玄武安山质熔浆充填胶结。安山质熔浆具间粒间隐结构。火山碎屑间以压结为主。
硼矿化玄武质熔结凝灰岩：灰绿色，熔结凝灰结构，定向构造，岩石由胶结物与火山碎屑组成。火山碎屑主要由玄武安山质岩屑(64%)组成，晶屑少量。玄武岩屑，具间粒间隐结构，扁平–椭球状，d = 0.2~0.8 mm，长轴大致定向排列，定向分布。斜长石晶屑(4%)，次棱角–棱角状，d = 0.2~1.0 mm，零散分布。岩石气孔及裂隙发育，其中主要由硅硼钙石充填，次圆–长条状–薄层状，多数沿玄武质熔结凝灰岩层面呈薄层状分布，部分沿碎屑分布方向断续定向分布。硅硼钙石(12%)，半自形柱状、放射状，d = 0.1~2.0 mm；方解石(5%)，他形变晶粒状，d = 0.03~1.0 mm，多数d = 0.2~1.0 mm；石英(4%)，他形变晶粒状，d = 0.05~0.8 mm，多数d = 0.2~0.8 mm。火山碎屑间由玄武质熔浆充填胶结。火山碎屑间以压结为主。
根据上石炭统柳树沟组二段岩性特征(图2)及研究区地质特征，上石炭统柳树沟组二段至少存在4个喷发旋回，第一个喷发旋回岩性为玄武质熔结凝灰岩，上部沉积一薄层钙质硅质岩；第二个喷发旋回岩性自下而上分别为硼矿化玄武质熔结凝灰岩、玄武质熔结凝灰岩、硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩、玄武质熔结凝灰岩，局部见硼矿(化)体，上部沉积一薄层粉微晶灰岩；第三个喷发旋回岩性为玄武质熔结火山角砾岩，局部见硼矿(化)体，上部沉积一薄层含硼含砂灰岩；第四个喷发旋回岩性为玄武质熔结凝灰岩、伊丁石化橄榄玄武岩，局部见硼矿(化)体，上部沉积一薄层钙质内碎屑硅质岩。其中硼矿化主要发育在第二、三、四个喷发旋回。
③ 祁家沟组(C2q)
总体上呈近东西向带状展布，地层厚度大于791.31米，岩性组合为灰黑色粉砂岩–灰色灰岩，与柳树沟组二段呈整合接触。
3.2. 研究区构造
研究区断裂构造主要为北西向、近东西向断层，次为北东向断层(图1)。
研究区褶皱构造发育，褶皱方位总体呈近东西向展布，主要位于喀拉玉孜果勒向斜的南翼，该向斜延伸长大于14千米，总体呈285º方向展布，北翼倾向210˚~190˚∠15˚~40˚，南翼倾向10˚~30˚∠15˚~50˚，核部地层为晚石炭世祁家沟组、奥尔吐组柳树沟组二段，两翼地层为柳树沟组二段(图1)。
另外喀拉玉孜果勒向斜内还发育一些次级褶皱构造，主要有西西尔塔克背、向斜，空间组合形式为“一背二向”的褶皱构造。其中背斜轴面弯曲，总体呈310˚方向展布，研究区内延伸约1 km，中部和两翼层间小褶皱发育，并被后期北西向和北东向断裂所破坏，核部及两翼地层均为晚石炭世柳树沟组二段，北翼倾向40˚~350˚∠15˚~40˚，南翼200˚~230˚∠40˚~80˚。
3.3. 研究区火山岩
3.3.1. 岩石学特征
研究区火山岩主要以上石炭统火山活动为主，上石炭统柳树沟组一段岩性主要为安山岩、蚀变玄武岩等，上石炭统柳树沟组二段岩性主要为玄武质熔结凝灰岩、硼矿化玄武质熔结凝灰岩、硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩、玄武质熔结火山角砾岩、伊丁石化橄榄玄武岩等。
3.3.2. 主量元素特征
从表1的分析结果可以看出：硼矿化玄武质熔结凝灰岩中的SiO2含量40.89%~44.61%，平均42.85%，CaO 11.93%~14.88%，平均14.16%。SiO2含量较低，含量均低于45%，CaO和烧失量普遍较高，应是岩石气孔及裂隙内充填硅硼钙石、方解石等所致。
Table 1. Chemical total analysis results
表1. 化学全分析结果表
3.3.3. 稀土与微量元素特征
从表2可以看出研究区石炭系柳树沟组玄武岩，SR跨度较小，为75.67~80.22 × 10−6，；LR/HR = 1.16~1.21，(La/Yb)N = 1.70~1.82，轻、重稀土分异不明显；δEu = 1.07~1.13，为铕正异常型；(La/Sm)N = 1.05~1.08，比值较小，相对于重稀土，轻稀土轻度富集；(Sm/Nd)N = 0.83~0.85，反映深源特征。稀土元素曲线斜率总体较小，近于平坦型(图3)，反映轻、重稀土分馏均不明显。此类稀土元素配分曲线型式与大陆裂谷玄武岩稀土配分型式极为相似，表明本旋回火山岩具有深源特点 [12]。
Figure 3. Standard mapping of rare earth chondrites for Carboniferous volcanic rocks (standardized data according to Evensen et al., 1978)
图3. 石炭系火山岩稀土元素球粒陨石标准配分图(标准化数据来自Evensen et al., 1978)
Table 2. Analysis results of rare earth elements (WB/10−6) [17] (Analysis data according to Liu Liang et al., 2020)
表2. 稀土元素分析结果表(WB/10−6) [17] (分析数据来自刘亮等，2020)
石炭系柳树沟组玄武岩微量元素以富集Ba、Rb等大离子亲石元素和不相容元素(P、k)，相对亏损Ti、Ta、Nb等高场强元素和不相容元素(U、Th)为特征 [12]。
3.3.4. 岩石地球化学特征
在岩石地球化学剖面上按照40 m点距采集了样品，从地球化学剖面图(图4)上可以看出，研究区内B、Cu等元素异常特征基本一致，硼元素异常特征与柳树沟组二段分布范围一致，充分显示该期火山岩富含硼的特征 [13] [14] [15] [16]。
1. 上石炭统柳树沟组二段，2. 上石炭统祁家沟组，3. 灰岩，4. 粉砂岩，5. 伊丁石化橄榄玄武岩，6. 硼矿化玄武质熔结凝灰岩，7. 玄武质熔结凝灰岩，8. 硼矿化玄武质熔结含火山角砾凝灰岩，9. 辉绿岩。
Figure 4. Geochemistry section of the Xixiertake Boron Deposit
图4. 西西尔塔克硼矿岩石地球化学剖面图
4. 矿床地质特征
4.1. 矿体特征
通过工作，发现研究区内硼矿(化)点均赋存于同一个含矿层位——上石炭统柳树沟组二段。通过工程控制含矿层厚度9.76~77.84米，在含矿层柳树沟组二段内第二、三、四喷发旋回圈定3层硼矿(化)体，硼矿体厚度0.66~11.84米不等，平均品位(B2O3) 3.07%~7.32%不等。主要矿体特征见表3。
4.2. 矿石矿物成分
矿石矿物主要为硅硼钙石，偶见硼镁铁矿。在(含)硼矿化(含火山角砾)玄武质熔结凝灰岩、硼矿化玄武岩等火山岩内硅硼钙石含量一般1%~16%，粒径d = 0.03~2 mm，局部形成d = 0.3~20 mm的杏仁体；在含硼灰岩内硅硼钙石含量一般3%~25%，粒径d = 0.03~0.8 mm。
Table 3. Table of main ore body features
表3. 主要矿体特征表
地表硅硼钙石多风化呈黄白色(图5(a))，深部呈棕色或无色(图5(b))，火山岩内硅硼钙石呈半自形柱状、放射状、扇形纤维–板状集合体(图5(e))或同心状、放射状、纤维叶片集合体充填于杏仁体中或气孔中，部分呈脉状(图5(f))、网脉状充填在岩石裂隙中。含硼灰岩中硅硼钙石多呈放射集合体聚集、放射鲕粒聚集(图5(c))，零散分布。
(a) 地表杏仁状硅硼钙石特征，(b) 钻孔中团块状硅硼钙石特征，(c) 含硼灰岩细晶鲕粒结构，(d) 硼矿化玄武质熔结凝灰岩熔结凝灰结构，杏仁状构造，(e) 半自形柱状、放射状、扇形纤维–板状集合体硅硼钙石，(f) 脉状硅硼钙石。
Figure 5. Boron ore of Xixiertake Boron Mine and its microscopic (crossed polars) characteristics
图5. 西西尔塔克硼矿硼矿石及其镜下(正交偏光)显微特征
含硼火山岩脉石矿物主要为斜长石(中) (70%±)、辉石(15%±)、绿泥石(10%±)，次为橄榄石、葡萄石等。斜长石呈斑晶分布，斜长石、辉石分布于基质中，绿泥石、方解石、葡萄石主要分布于杏仁体中。
含硼灰岩脉石矿物主要为方解石(80%±)，次为石英、褐铁矿。方解石呈放射鲕粒聚集、他形粒状团块状聚集。
4.3. 矿石的结构及构造
4.3.1. 矿石结构
火山岩型硼矿石的结构主要有斑状结构、玻晶交织结构、熔结凝灰结构、脱玻玻晶交织结构、熔结含火山角砾凝灰结构(图5(d))，灰岩型硼矿石的结构主要有细晶鲕粒结构(图5(c))、微晶结构。
4.3.2. 矿石构造
火山岩型硼矿石的构造主要为杏仁状构造(图5(d))、定向构造，灰岩型硼矿石的构造主要为块状构造。
4.4. 矿石类型
矿石自然类型为玄武质熔结凝灰岩型硼矿石、玄武质熔结火山角砾岩型硼矿石、玄武质火山角砾岩硼矿石、灰岩型硼矿石，据王金株等，研究区矿石类型具有杏仁状玄武岩型硼矿石、玄武岩型硼矿石、碳酸盐化玄武安山岩型硼矿石、构造角砾岩型硼矿石等 [9]。工业类型为硅硼钙石类硼矿石。
5. 讨论
博格达晚古生代弧后裂陷盆地拉张始于早石炭世，在博格多一带为滨海相火山碎屑–陆缘碎屑岩，上石炭统为滨浅海相陆源碎屑岩，夹碳酸盐岩和中酸性火山岩，该带侵入岩很少，构造活动较弱 [3]。
柳树沟组二段火山岩特征反映该期火山岩至少存在4个喷发旋回，每一个喷发旋回上部沉积一薄层灰岩或硅质岩，且在第二、三、四喷发旋回火山岩内圈定3层硼矿(化)体，局部火山岩上部沉积灰岩内可圈定硼矿(化)体。
根据岩石地化剖面结果，研究区硼元素异常特征与柳树沟组二段分布范围一致(图4)，充分显示该期火山岩富含硼的特征。
早石炭世博格达晚古生代弧后裂陷盆地拉张，为研究区岩浆喷发提供了通道，富含硼元素的岩浆喷发形成了硼含矿层，硼元素局部富集形成硼矿床。
在火山喷发及地壳较大幅度的差异升降过程中，形成了一些的高山闭流盆地，富含硼元素的岩浆喷发，把一部分硼元素带入海盆，同时落入盆地中的火山灰被海水淋滤分解出的硼以及来自海水及其溶解和搬运的组分中的硼，同时进入海盆溶液中，在火山活动的间隙期，含硼火山岩上部沉积形成了薄层富含硼的灰岩。
在火山活动中心或深大断裂发育地段，富含硼元素的岩浆沿其火山喷发中心或深大断裂上升形成火山角砾岩型硼矿石。受后期构造活动影响，在构造带内形成少量构造角砾岩型硼矿石。
综上，该区硼矿形成与区内火山活动关系极为密切，是富含硼的火山活动的产物。矿床成因类型应为火山沉积型。
6. 结论
1) 新疆东天山西西尔塔克一带硼矿均属于一个含矿层位——上石炭统柳树沟组二段。
2) 上石炭统柳树沟组二段至少存在4个以上喷发旋回，第二、三、四喷发旋回及上部灰岩内局部形成硼矿床。
3) 新疆西西尔塔克一带硼矿矿石矿物主要为硅硼钙石，矿石自然类型为玄武质熔结凝灰岩型硼矿石、玄武质熔结火山角砾岩型硼矿石、玄武质火山角砾岩硼矿石、灰岩型硼矿石等。
4) 新疆西西尔塔克一带硼矿是富含硼的火山活动的产物，矿床成因类型为火山沉积型。
基金项目
新疆吐鲁番市小羊沟–苏伦纳一带硼矿调查评价(新疆地勘基金项目，编号为T16-2-LQ31)。