新疆阿斯喀爾特鈹鉬礦床中輝鉬礦Re-Os定年及成因意義

劉文政, 張 輝, 唐紅峰, 唐 勇, 呂正航

(1. 中國科學院 地球化學研究所, 貴州 貴陽 550002; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

0 引 言

中亞造山帶是全球最大的增生造山帶與大陸成礦域[1–5], 它經(jīng)歷了多期次的洋盆形成、俯沖消減和閉合等過程, 并在二疊紀末-三疊紀初徹底閉合[6–11]。按照現(xiàn)代成礦理論, 洋殼俯沖和大陸碰撞可分別形成古生代和中生代的巖漿熱液 (斑巖型夕卡巖型等)、變質熱液型(造山型)和淺成熱液等多類成礦系統(tǒng)[11–15]。

阿斯喀爾特鈹-鉬礦床位于中亞成礦域阿爾泰成礦省哈龍-青河成礦帶的東南部, 為一富含綠柱石的大型鈹鉬礦床。截止目前, 該礦床仍是我國花崗巖型鈹?shù)V床的典型代表, 在礦床學上具有重要的理論意義。前人對礦床的地質特征、控礦因素、形成機理及其成因等方面開展了一定的研究[16–17], 但至今還缺乏高精度的成礦年代學數(shù)據(jù), 從而制約了對該礦床成因的認識。本次我們對阿斯喀爾特鈹-鉬礦床開展輝鉬礦Re-Os定年, 并根據(jù)輝鉬礦中Re含量,初步探討礦床成因。

1 地質背景

1.1 區(qū)域地質背景

阿爾泰造山帶位于中國、蒙古、俄羅斯和哈薩克斯坦四國的交界處, 是中亞造山帶的重要組成部分, 北鄰西薩彥嶺古島弧帶, 東北部是烏列善-科布多古島弧帶, 南側以額爾齊斯深斷裂與哈薩克斯坦板塊相接。中國阿爾泰造山帶構造運動劇烈, 以紅山嘴-諾爾特斷裂、康布鐵堡-庫爾特斷裂和額爾齊斯斷裂帶為界劃分為北、中、南阿爾泰3個塊體[18–20]。北阿爾泰塊體主要由中晚泥盆世火山巖(安山巖、英安巖等)和晚泥盆世-早石炭世火山沉積巖組成。中阿爾泰主要為震旦紀-早古生代深變質巖系以及奧陶紀-二疊紀侵入巖, 并可能有前寒武紀基底[21], 具有微陸塊的特點[3,18,22,23]。南阿爾泰由片麻巖和志留紀-石炭紀火山-沉積巖巖系組成[19,24]。

阿斯喀爾特礦區(qū)位于中阿爾泰塊體的東南端的北東翼, 礦區(qū)主要構造線方向與區(qū)域構造一致, 為NNW 310°～330°。區(qū)域上的沉積火山巖建造主要有下中元古界克木齊群(Pt1-2km)和上元古界富蘊群(Pt3fn)等結晶基底、中上泥盆統(tǒng)忙代恰群(D2-3md)和下石炭統(tǒng)紅山咀組(C1h)等上古生代蓋層、第四系等新生代蓋層; 巖漿巖建造主要有海西早期的青格里英云閃長巖(D2Q)、海西中晚期的阿爾沙特二云母花崗巖(CAL)和庫吉爾特鉀長花崗巖(KL)、海西晚期的別也薩麻斯鉀長花崗巖(PB)和諾爾特達坂花崗斑巖、石英斑巖(PN) (圖1)。

1.2 礦區(qū)地質特征

礦區(qū)出露地層為中上奧陶統(tǒng)哈巴河群上亞群的黑云石英片巖、十字黑云石英片巖、條帶狀綠簾變粒巖、片麻巖及混合巖, 第四系冰川堆積沿水系分布。礦區(qū)位于蒙古邊緣弧西段, 走向 NW, 傾向 NE的科克托木斯克-巴勒其格壓扭性主干斷裂的下盤所派生的第三序次張扭性分枝斷裂所夾部位。巖漿活動頻繁, 出露花崗巖占區(qū)域面積的 60%以上, 主要有花崗閃長巖、黑云母花崗巖、二云母花崗巖、中細粒白云母花崗巖和細粒鈉長石化白云母花崗巖。黑云母花崗巖分布于1號礦脈外圍, 面積約0.9 km2,為阿斯喀爾特花崗巖型鈹鉬礦床的圍巖。二云母花崗巖出露面積約為5.0 km2, 局部地段含綠柱石, 為阿斯喀爾特花崗巖型鈹鉬礦床的母巖(圖 2a)。中細粒白云母花崗巖與二云母花崗巖呈漸變關系。細粒鈉長石化白云母花崗巖產狀與中細粒白云母花崗巖一致, 位于中細粒白云母花崗巖頂部, 兩者也呈漸變關系。

花崗閃長巖呈淺灰黑色, 中細粒結構, 塊狀構造。主要礦物組成為石英(20%～25%)、斜長石(50%)、鉀長石 (約 10%)和黑云母(10%～15%)。黑云母花崗巖為灰白色, 不等粒半自形粒狀結構, 塊狀構造。主要由石英 (30%～35%)、斜長石(約 40%)、鉀長石(約15%)、黑云母(5%～10%)以及少量白云母(約 2%)組成。二云母花崗巖呈灰白色, 中粗?；◢徑Y構, 似斑狀構造、塊狀構造。主要由鉀長石(35%)、斜長石(30%)、石英(25%)、黑云母(約5%)、白云母(約4%)等組成。中細粒白云母花崗巖呈淺灰白色, 中細粒結構, 塊狀構造。主要礦物組成為石英 (15%～20%)、鉀長石(約 50%)、鈉長石(25%～30%)、白云母(2%～5%), 副礦物(磷灰石、鋯石及榍石等)含量小于1%。細粒鈉長石化白云母花崗巖呈淺灰白色, 中細粒結構、花崗結構, 塊狀構造。主要礦物為石英(約28%)、鈉長石(約40%)、鉀長石(約30%)、白云母(約2%)。

1.3 花崗巖-偉晶巖的垂直分帶及礦化特征

阿斯喀爾特鈹鉬礦床由原生礦和次生砂礦兩部分組成, 其中原生礦產于鈉長石化白云母花崗巖巖株頂部, 巖株呈等軸狀, 傾向NE, 傾角約60°, 為含Be、Mo、Nb花崗巖。阿斯喀爾特鈹鉬礦床是由上部的似偉晶巖型鈹?shù)V體與下部的花崗巖型鈹?shù)V體組成, 兩者呈漸變過渡關系。從下部花崗巖到上部偉晶巖, 存在明顯的垂直分帶現(xiàn)象, 由下往上發(fā)育 7個巖性(結構)帶, 依次是中細粒白云母花崗巖帶、含綠柱石的細粒鈉長石化白云母花崗巖帶、條帶狀白云母-石英-鈉長石帶、含綠柱石的下部白云母-石英帶、塊體石英帶、含綠柱石的上部白云母-石英帶、含綠柱石的白云母-微斜長石-鈉長石帶(圖2b)。各巖性(結構)帶的特征分述如下。

圖1 研究區(qū)地質簡圖(據(jù)丁建剛1))Fig.1 Geological sketch map of the study area (after Ding Jian-gang1))CAOB –中亞造山帶。

(1) 含綠柱石的白云母-微斜長石-鈉長石帶, 厚2～10 m, 鈹?shù)V化弱, 上盤與斑狀黑云母花崗巖接觸,圍巖蝕變強烈, 礦體本身則有微斜長石、鈉長石、白云母和石英, 副礦物有磷灰石、石榴石、磁鐵礦、黃鐵礦和輝鉬礦。礦物顆粒大小、結構及成分變化較大, 粒度0.1～10 cm。

(2) 含綠柱石的上部白云母-石英帶, 寬0.1～0.2 m,長 125 m, 傾角 45°～50°, 為鈹?shù)V體, 由白云母、微斜

1) 丁建剛, 新疆富蘊縣可可托海北部區(qū)域地質礦產圖, 新疆維吾爾自治區(qū)有色地質勘查局, 2008。長石、鈉長石、石英和綠柱石組成, 副礦物包括輝鉬礦、黃鐵礦及鉍的氧化物。綠柱石為不同顏色的綠色, 六方柱狀, 常見為不透明, 少許無色透明, 橫截面直徑多數(shù)在0.5～4cm之間, 大者可達10 cm。輝鉬礦為鉛灰色, 呈大小不等的鱗片狀, 聚集成星散狀、脈狀或層狀, 發(fā)育極不連續(xù)。

圖2 阿斯喀爾特地鈹-鉬礦床地質簡圖(a)和巖性分帶剖面圖(b) (據(jù)文獻[17]改編)Fig.2 Geological sketch map of Asikaerte Be-Mo deposit (a) and a profile showing lithologic zonation (b) (after Reference [17])

(3) 塊體石英帶, 產于礦脈的中心部位, 呈紡錘狀, 長264 m, 寬30 m, 延伸60 m, 上下盤皆與石英-白云母帶呈波狀接觸, 鈹?shù)V化弱; 石英塊體的邊部有綠柱石產出, 伴生有黃鐵礦、閃鋅礦、輝鉍礦、巢狀石膏及重晶石脈; 輝鉬礦產于石英邊緣內側, 與黃鐵礦、輝鉍礦、閃鋅礦和綠柱石共生, 含量極少。

(4) 含綠柱石的下部白云母-石英帶, 圍繞石英脈呈環(huán)狀分布, 長265 m, 寬0.1～5 m, 沿傾斜延伸大于100 m, 主要礦物包括白云母(20%～30%)、石英(10%～20%)、綠柱石(3%～5%)、微斜長石(2%～20%),為鈹?shù)V體, 副礦物包括輝鉬礦、黃鐵礦及鉍的氧化物。綠柱石為不同顏色的綠色, 六方柱狀, 常見為不透明, 少許無色透明, 橫截面直徑多數(shù)在 0.5～4 cm之間, 大者可達 10cm。輝鉬礦為鉛灰色, 呈大小不等的鱗片狀, 聚集成星散狀、脈狀或層狀, 發(fā)育極不連續(xù)。

(5) 條帶狀白云母-石英-鈉長石帶, 長 140 m,寬 4～5 m, 與細粒鈉長石化白云母花崗巖石漸變關系, 與白云母綠柱石礦帶界線清楚, 具有十分清晰的鈉長石、微斜長石、石英、白云母及綠柱石組成的條帶狀構造, 條帶長0.1～2 m, 各條帶之界面處輝鉬礦較多, 該帶為鈹?shù)V體, 綠柱石是淺綠色、黃綠色,短柱狀和放射狀, 粒徑0.3～2 cm。

(6) 含綠柱石的細粒鈉長石化白云母花崗巖帶,厚 20～50 m, 為鈹?shù)V體, 綠柱石主要產于鈉長石化白云母花崗巖的內部及其巖脈中, 其分布極不均勻。綠柱石產狀主要包括: (a) 產于巖體內部, 通常晶體多呈他形-半自形, 充填在微斜長石與石英之間;(b) 賦存于鈉長石化白云母巖體頂部的長英質脈中,脈體形狀大多不規(guī)則, 寬約10～30 cm, 長0.2～1 m,主要由大小為1～2 cm的石英和微斜長石組成。綠柱石主要產于石英與微斜長石的接觸處或石英集合體中, 其中產于微斜長石中的綠柱石, 多為他形或半自形, 產于石英、微斜長石接觸帶中綠柱石, 在靠近微斜長石一側多為他形, 而靠近石英一側多發(fā)育有完整的晶面, 完全產于石英集合體中的綠柱石則為完整的六方柱狀; (c) 綠柱石-石英共生組合呈脈狀充填于白云母花崗巖巖體頂部裂隙中, 脈厚2～20 cm,長 1～3 m, 脈體中部主要為石英, 綠柱石一般分布在脈的兩側, 發(fā)育完整的六方柱狀, 晶體大小在1～2 cm, 晶體的長軸方向多與脈壁垂直排列, 形成梳狀結構。當石英特別少時, 便形成了單純的綠柱石網(wǎng)脈, 厚1～2 cm, 長不到1 m, 同時綠柱石還可形成很小的晶洞, 其中還伴生有少量的無色水晶。輝鉬礦呈六角形、葉片狀、薄板狀(片徑0.1～0.4 mm),或沿裂隙面呈星點狀、玫瑰浸染狀, 與錳鋁榴石、綠柱石、黃鐵礦密切共生, 或呈巢狀集合體星點狀分布。

(7) 中細粒白云母花崗巖帶, 僅有微弱的鈹?shù)V化。

2 樣品采集及分析方法

本次采集了 7個輝鉬礦樣品, 圖 3顯示含輝鉬礦樣品的手標本的實物照片, 有關輝鉬礦產狀及其礦物共生組合特征的描述列于表1。

樣品經(jīng)粉碎分離粗選和雙目鏡下挑純, 獲得了純度大于 99%的輝鉬礦。輝鉬礦樣品溶解, Re、Os純化分離, ICP-MS分析等均在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室完成。

具體步驟如下: 首先進行初測。稱取輝鉬礦10 mg,放入已清洗的特氟龍罐子中, 加入5 mL HNO3及0.1 mL Re稀釋劑 (25 ng/g)密封, 放入烘箱內于120 ℃加熱5 h。將特氟龍杯敞口蒸干, 加入2 mL HCl并蒸干(此步驟重復2次)。完全蒸干后加入HCl約2 mL, 趁熱轉移至15 mL試管內, 定容到10 mL,將溶液混合均勻后離心, 將上述溶液上柱, 用 2 mol/L的HCl清洗1遍以后, 收集用9 mol/L的HNO3淋洗的液體, 濃縮成1滴時轉移到試管內, 定容到3 mL,用于Re含量的初測。然后進行實測。根據(jù)初測得到的 Re含量確定稱樣量及稀釋劑含量(Re稀釋劑及Os稀釋劑), 準確稱取后放入卡洛斯管中, 并加入5 mL HNO3密封放入鋼套中于 185 ℃加熱 12 h, 將冷卻后的卡洛斯管放入冰箱冷凍層冷凍1 h。開管后連接好特氟龍密封塞, 在消解后的試液中加入約 1倍的純水及3 mL H2O2, 水浴加熱, 將Os鼓入吸收液中,吸收完全后將吸收液放入冰箱冷凍, 該溶液用于Os含量的測定。將剩下的試液移出, 放入100 mL燒杯中蒸干, 用 HCl趕出 HNO3, 完全蒸干后加入 HCl約2 mL, 趁熱轉移至15 mL試管內, 定容到10 mL,將溶液混合均勻后離心, 將上述溶液上柱以后, 收集用9 mol/L的HNO3淋洗的液體, 濃縮成1滴時轉移到試管內, 定容到 3 mL, 該溶液用于 Re的ICP-MS測定。Re-Os化學分離和質譜測定方法參見文獻[25–26]。實驗儀器為 ELAN DRC-e ICP-MS, 儀器靈敏度大于40000 cps/ppb (1 ppb = l ng/g115In),相對標準偏差(RSD)小于3%。Re和Os全流程空白值分別為0.006 ng/g和0.002 ng/g。實驗結果由輝鉬礦標樣JDC監(jiān)控, 標樣測定年齡數(shù)據(jù)與推薦值基本一致, 指示分析結果穩(wěn)定可靠。

圖3 含輝鉬礦樣品的顯微照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photos for molybdenite-bearing hand samples

表1 輝鉬礦樣品產狀及礦物共生組合特征Table 1 Occurrence of the molybdenite samples and its mineral paragenesis

3 討 論

3.1 阿斯喀爾特鈹鉬礦床的成礦時代及成礦物質來源

模式年齡根據(jù)輝鉬礦中的187Re和187Os含量進行計算, 7件輝鉬礦Re-Os同位素測試結果列于表2。計算公式為t= (1/λ) × ln (1 +187Os/187Re), 其中衰變常數(shù)λ= 1.666×10–11a–1[27]。本次獲得單個輝鉬礦樣品 Re-Os 同位素年齡介于(224.6±3.1) Ma與(235.7±3.4) Ma之間, 其加權平均值為(229.0±3.0) Ma(圖4a)。利用ISOPLOT軟件[28], 將7件樣品數(shù)據(jù)進行線性擬合, 獲得Re-Os等時線年齡為(228.7±7.1) Ma(圖4b)。兩者在誤差范圍內一致, 顯示了數(shù)據(jù)的可靠性。因此, 所獲得的(228.7±7.1) Ma的輝鉬礦Re-Os等時線年齡代表了阿斯喀爾特鈹鉬礦床的成礦時代。此年齡與礦區(qū)細粒鈉長石化白云母花崗巖、偉晶巖中鋯石U-Pb年齡((231.4±2.0) Ma和(220.6±1.6) Ma,課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))基本一致, 表明阿斯喀爾特鈹鉬礦床的成礦時代與鈉長石化白云母花崗巖、偉晶巖形成時代幾乎是同時, 均形成于印支期。

已有的研究表明, 輝鉬礦中Re含量可用于成礦物質來源示蹤, 從幔源→殼幔混合源→殼源, 輝鉬礦 Re 含量顯示從 100nμg/g → 10nμg/g →nμg/g遞降趨勢[11,15,26,29–31]。阿斯喀爾特鈹鉬礦床7件輝鉬礦樣品的 Re含量為 38.26～56.45 μg/g, 顯示成礦物質的殼幔混合源特征。

表2 阿斯喀爾特鈹鉬礦床輝鉬礦Re-Os同位素測年數(shù)據(jù)Table 2 Re-Os isotopic data for molybdenite from the Asikaerte Be-Mo deposit

圖4 輝鉬礦加權平均年齡(a)和Re-Os等時線年齡(b)Fig.4 The weighted mean age (a) and Re-Os isochron age (b) of molybdenite

3.2 阿勒泰造山帶中印支期構造-巖漿-熱液-成礦作用

已有的研究揭示, 阿爾泰造山帶經(jīng)歷了奧陶紀-志留紀陸緣俯沖, 晚泥盆世發(fā)生主碰撞造山, 導致陸弧及陸緣邊緣裂解、弧后盆地形成, 最終洋盆閉合, 早石炭世開始轉入晚(或后)造山階段, 早-中二疊世時期開始進入了后造山階段, 而中生代之后則進入非造山期[18–21,24,32,33]。

近年來, 在阿爾泰造山帶中越來越多的印支期成巖、成礦作用得到證實。位于阿爾泰造山帶南緣(阿巴宮斷裂的北側)的阿巴宮多金屬成礦帶中的鐵木爾特鉛鋅銅礦床Ar-Ar年齡為235～240 Ma[34], 烏拉斯溝銅礦Ar-Ar年齡為220 Ma[35], 薩熱闊布金礦Ar-Ar年齡為(213.5±2.3) Ma[36], 上述礦床被認為是典型的陸-陸碰撞體制下形成的造山型礦床。而廣泛分布于中阿爾泰構造單元中的花崗偉晶巖及其相關的稀有金屬礦床, 已有的鋯石U-Pb定年結果顯示它們形成于印支期, 如世界著名的可可托海 3號偉晶巖脈超大型稀有金屬礦床(Li-Be-Nb-Ta-Cs-Rb-Hf礦床)的形成時代應該在 220～210 Ma 之間[37–40], 柯魯木特 112號偉晶巖脈(Li-Be-Nb-Ta礦床)形成于(238.3±2.0) Ma至(210.7±1.6) Ma之間[41], 群庫爾偉晶巖(Be-Nb-Ta礦床)和佳木開偉晶巖(Li-Be-Nb-Ta-Cs礦床)等形成時代分別為(206.8±1.6)Ma和(212.2±1.7) Ma[42]。通過對阿爾泰造山帶中典型偉晶巖(可可托海3號脈、柯魯木特112號脈)地球化學研究, 我們提出陸-陸碰撞造山體制下, 在三疊紀時構造體制由擠壓轉換為伸展背景, 導致加厚地殼物質減壓熔融, 是我國阿爾泰造山帶中偉晶巖大規(guī)模分布的構造背景[41]。

本文所研究的阿斯喀爾特鈹鉬礦床的細粒鈉長石化白云母花崗巖、偉晶巖形成時代分別為(231.4±2.0) Ma和(220.6±1.6) Ma (課題組未發(fā)表數(shù)據(jù)), 與可可托海3號偉晶巖北部的阿拉爾花崗巖的形成時代(約220 Ma[43]和約230 Ma[39])一致, 表明它們是相同構造-巖漿活動的產物。與之對應的是, 俄羅斯山區(qū)阿爾泰有相當數(shù)量的中生代花崗巖類產出, 分布在比斯克-巴爾瑙爾盆地以南至中俄、中蒙邊界之間的區(qū)域以及哈薩克斯坦阿爾泰山區(qū), 主要包括似斑狀二云母花崗巖、白云母電氣石花崗巖、似斑狀角閃石黑云母花崗巖、黑云母花崗巖、角閃石黑云母正長巖、花崗正長巖, 還有白崗巖、翁崗巖和含鋰輝石花崗巖等, 構成“淡色花崗巖-花崗巖類”組合,形成時代在250～180 Ma之間[44–46]。在俄羅斯山區(qū)阿爾泰南部與中、蒙、哈等國接壤的地區(qū), 已發(fā)現(xiàn)有 10多個與稀有金屬礦床有關的早中生代花崗巖體, 其中重要的巖體有欽達加泰、昆古爾賈林、奧羅察干、卡爾古特、阿卡拉哈等[46]。已有的研究顯示, 俄羅斯阿爾泰山中生代花崗巖的形成時代集中在早三疊紀-早侏羅世, 而相關的稀有金屬礦床主要形成于晚三疊世-早侏羅世, 稀有金屬成礦作用往往與同一巖體的晚期巖漿活動密切相關。由于花崗巖εNd(t)值與富集地幔來源的巖漿基本相當, 因此很可能是幔源巖漿與地殼物質混合所致[46–47]。

本文研究的礦區(qū)條帶狀偉晶巖中鋯石εHf(t)值在–1.50～ +1.69范圍, 平均為+0.32, 偉晶巖 Hf 同位素模式年齡為 790～910 Ma,tDM2為 1140～1350 Ma (課題組未發(fā)表數(shù)據(jù)); 與可可托海3號脈、柯魯木特112號脈、卡魯安礦區(qū)偉晶巖具有相似的Hf同位素特征,均以其鋯石中低的正值 (εHf(t) = 0.0～ +2.4)和相對較老的模式年齡(tDM2= 1100～1250 Ma)為特征。較小的正εHf(t)值和古老的tDM2年齡顯示偉晶巖的物源是以古老地殼為主、幔源物質為輔的混合物源, 由此, 我們認為與稀有金屬礦床相關的偉晶巖初始巖漿很可能是與先期存在幔源物質的古老地殼物質部分熔融有關。

由上可見, 阿爾泰造山帶中印支期構造-巖漿-熱液-成礦作用異常發(fā)育, 三疊紀(即印支期)是中亞地區(qū)最重要的成礦時代之一[48]。就阿爾泰山造山帶而言, 中生代花崗巖、偉晶巖及其相關的稀有金屬成礦作用的時限應為三疊紀-侏羅紀, 是哈薩克斯坦與西伯利亞板塊在晚古生代發(fā)生陸-陸碰撞造山作用, 在三疊紀-侏羅紀時構造體制由擠壓轉換為伸展背景下的加厚地殼物質減壓熔融的產物。顯然, 與偉晶巖一樣, 與中生代花崗巖相關的稀有金屬礦床在阿爾泰山及毗鄰地區(qū)可能具有廣闊的找礦遠景。

4 結 論

(1) 阿斯喀爾特鈹鉬礦床的 7件輝鉬礦樣品Re-Os年齡介于(224.6±3.1) Ma和(235.7±3.4) Ma之間,加權平均年齡為(229.0±3.0) Ma, 等時線年齡為(228.7±7.1) Ma, 表明阿斯喀爾特鈹鉬礦床形成于三疊紀;

(2) 阿斯喀爾特鈹鉬礦床輝鉬礦樣品Re含量介于 38.26～56.45 μg/g, 指示成礦元素 Re具有殼幔混合源特征;

(3) 與鈹鉬礦床形成具成因關系的花崗巖-偉晶巖體系, 其形成很可能與三疊紀時后碰撞體制的伸展背景下先期存在幔源物質的古老地殼物質發(fā)生減壓部分熔融有關。

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