東天山馬莊山金礦區(qū)賦礦石英斑巖的巖石成因和構(gòu)造背景：元素地球化學(xué)、U-Pb年代學(xué)和Sr-Nd-Hf同位素約束*

王琦崧 張靜** 王肅 于立棟 肖兵

1. 中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1000832. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5106401.

中國天山位于中亞造山帶西南緣，西伯利亞和華北塔里木板塊之間，是世界上最大的顯生宙增生造山帶(eng?retal., 1993; Jahnetal., 2000; Windleyetal., 2007; Kr?neretal., 2014; Zhangetal., 2016c)。傳統(tǒng)上，以東經(jīng)88°線為界將其進(jìn)一步分為西天山、東天山造山帶，后者向東延伸至北山造山帶(Xiaoetal., 2004)，東天山造山帶是中亞重要的多金屬礦產(chǎn)省(Pirajnoetal., 1997, 2011; Chenetal., 2012; Deng and Wang, 2016; Wangetal., 2019)。馬莊山礦床位于新疆哈密市東南約250km，大地構(gòu)造上屬于東天山造山帶的東緣，是區(qū)內(nèi)的淺成低溫?zé)嵋旱V床的典型礦床之一，雖然自1982年發(fā)現(xiàn)以來，不同研究者對(duì)該礦床開展了地質(zhì)特征、地球化學(xué)及礦床成因等方面的研究(靖軍和徐斌, 1997; 李華芹等, 1999; Chenetal., 2011; 李新俊和劉偉, 2002; 陳永彬等, 2003; Chenetal., 2012)，但是對(duì)于賦礦圍巖——石英斑巖的研究極其薄弱，僅李華芹等(1999)采用Rb-Sr法測得石英斑巖年齡為301±21Ma和303±26Ma，由于測試精度所限，僅將成巖年齡寬泛的限定在晚于早石炭世。這不僅嚴(yán)重制約了研究區(qū)巖漿活動(dòng)與區(qū)域構(gòu)造演化、深部過程的深入探討，而且制約了對(duì)賦存在其中的礦床的形成構(gòu)造背景、成礦過程的準(zhǔn)確厘定。因此，本文選取東天山東段馬莊山地區(qū)的石英斑巖為研究對(duì)象，通過全巖元素地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)和Sr-Nd-Hf同位素系統(tǒng)研究分析，精確限定巖體的年齡，探討了巖石成因、源區(qū)特征和構(gòu)造環(huán)境，為進(jìn)一步研究東天山造山帶東緣的構(gòu)造巖漿演化提供了新的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

中國天山是中亞造山帶的重要組成部分，在古生代歐亞大陸的構(gòu)建中起到了至關(guān)重要的作用(圖1a;eng?retal., 1993; Gaoetal., 1998; Windleyetal., 2007; Kr?neretal., 2014; Klemdetal., 2015)。通常將東天山劃分為三個(gè)主要的構(gòu)造-巖石單元，自北向南依次為：博格達(dá)-哈爾里克構(gòu)造帶、覺羅塔格構(gòu)造帶和中天山地塊，它們分別被卡拉麥里和阿奇克庫都克分隔(圖1b)。

博格達(dá)-哈爾里克構(gòu)造帶由奧陶紀(jì)-石炭紀(jì)火山巖、花崗巖和鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)雜巖組成(顧連興等, 2001)。從北到南，覺羅塔格構(gòu)造帶又分為大南湖-頭蘇泉島弧、康古爾-黃山韌性剪切帶和阿奇山-雅滿蘇帶三個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1c; Hanetal., 2006; Shenetal., 2014)。大南湖-頭蘇泉弧盆體系由奧陶系至泥盆系火山沉積巖組成。帶內(nèi)發(fā)育斑巖銅礦床(圖1c，如土屋和延?xùn)|；Hanetal., 2006; Xiaoetal., 2017; Wangetal., 2018a)、VMS銅鋅礦床(如卡拉塔格和紅海-黃土坡礦床；Dengetal., 2016; 李遙等, 2018)?？倒艩?黃山韌性剪切帶由石炭紀(jì)火山沉積巖組成，并發(fā)育有多個(gè)以剪切帶為主體的金礦床(如康古爾；Wangetal., 2004)和斑巖礦床(如白山和東戈壁；Zhangetal., 2016a; Wangetal., 2016, 2018b)。阿奇山-雅滿蘇帶由石炭-二疊紀(jì)火山沉積巖組成，帶內(nèi)發(fā)育有多個(gè)鐵礦床(如雅滿蘇和百靈山；Houetal., 2014; Zhangetal., 2018; Hanetal., 2019)。中天山北側(cè)為阿奇克庫都克斷裂，南側(cè)為星星峽斷裂(圖1c)。該地體被認(rèn)為是一個(gè)由中泥盆世-上石炭世鈣堿性玄武巖安山巖和火山碎屑巖覆蓋的前寒武紀(jì)基底組成的復(fù)合型火山弧(圖1c, Xiaoetal., 2004)。中天山地體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)天宇和白石泉Cu-Ni礦床(Tangetal., 2012; Maoetal., 2018)、小白石頭W (-Mo)矽卡巖礦床(Dengetal., 2017)和馬莊山金礦(李華芹等, 1999)等。

圖1 北疆地區(qū)構(gòu)造示意圖(a, 據(jù)eng?r et al., 1993修改)、新疆北部大地構(gòu)造單元及東天山區(qū)域構(gòu)造位置圖(b, 據(jù)Chen et al., 2012修改)和東天山構(gòu)造與礦產(chǎn)地質(zhì)簡圖(c, 據(jù)Deng et al., 2017修改)Fig.1 Schematic tectonic map showing the location of North Xinjiang (a, after eng?r et al., 1993), sketch showing the distribution of major tectonic units in North Xinjiang (b, after Chen et al., 2012) and geologic map showing the distribution of major ore deposits in the Eastern Tianshan Orogen (c, after Deng et al., 2017)

2 礦區(qū)地質(zhì)及石英斑巖特征

2.1 礦區(qū)地質(zhì)

馬莊山金礦床位于中天山地體東側(cè)的明水-雙井子-南金山火山巖盆地內(nèi)(圖1c)，礦區(qū)內(nèi)主要出露下石炭統(tǒng)白山組中性-長英質(zhì)火山巖。根據(jù)巖性特征，白山組可進(jìn)一步分為3個(gè)層位，下段主要巖性為砂巖、板巖、安山巖、玄武巖夾凝灰?guī)r、火山角礫巖、灰?guī)r和大理巖；中段為安山巖、英安質(zhì)角礫巖、凝灰?guī)r、流紋巖以及板巖；上段為(生物)灰?guī)r、安山巖和英安質(zhì)火山碎屑巖(Chenetal., 2012)。白山組地層發(fā)生褶皺，在馬莊山礦區(qū)呈單斜構(gòu)造產(chǎn)出，傾向40°，傾角35°～50°(圖2; 李華芹等, 1999; Chenetal., 2012)。

圖2 馬莊山金礦床地質(zhì)圖(a, 據(jù)李新俊和劉偉, 2002修改)及第19勘探線剖面圖(b, 據(jù)江思宏, 2004修改)Fig.2 Regional geological map of the Mazhuangshan gold ore belt (a, modified after Li and Liu, 2002) and cross-section of exploration line No.19 of the Mazhuangshan gold deposit (b, modified after Jiang, 2004)

圖3 馬莊山地區(qū)石英斑巖野外及鏡下照片(a、b)石英斑巖的野外露頭；(c)灰白色石英斑巖；(d)石英斑巖的石英斑晶和鉀長石斑晶Fig.3 Field and petrographic photos of Mazhuangshan area(a, b) field photos of the quartz porphyry; (c) whrite quartz porphyry; (d) quartz and K-feldspar phenocrysts in quartz porphyry

礦區(qū)內(nèi)以石英斑巖為代表的次火山巖廣布，是馬莊山已探明金礦體的主要賦礦圍巖。石英斑巖總體上呈北東走向，傾角為30°～70°，沿礦區(qū)中部斷裂、英安質(zhì)凝灰?guī)r和安山巖侵入，與下石炭統(tǒng)白山組火山巖近于平行呈帶狀產(chǎn)出，在礦區(qū)及外圍不連續(xù)出露(圖3a)。目前礦區(qū)內(nèi)揭露石英斑巖面積約為1.2km2，總體上北東端膨大，西南端狹窄，最寬約有1000m；石英斑巖深部延深較大，目前鉆孔揭露尚未見底(圖2b)。前人利用全巖的Rb-Sr定年將其侵入時(shí)間寬泛的限定在303±26Ma和301±21Ma(李華芹等, 1999)。此外，在礦區(qū)深部或者外圍，可見花崗巖、(花崗)閃長巖、輝綠巖等侵入巖。輝綠巖常表現(xiàn)為極強(qiáng)的片理化，侵入于石英斑巖體內(nèi)；花崗巖、(花崗)閃長巖與石英斑巖體之間的關(guān)系尚不明確。

斷裂構(gòu)造主要呈NE、NW、EW和近SN向，其中NW、EW和近SN向斷裂為該礦床的主要控礦構(gòu)造；礦體賦存于次級(jí)NW向張性斷裂帶中，多呈脈狀、囊狀與透鏡體狀(圖2)，絕大多數(shù)金礦體均賦存于石英斑巖體內(nèi)，金品位為0.1～23.3g/t(武警黃金八支隊(duì)與新疆哈密金礦, 2005[注]武警黃金八支隊(duì)與新疆哈密金礦. 2005. 新疆哈密市馬莊山金礦床資源潛力調(diào)查報(bào)告)。

2.2 石英斑巖特征及樣品概況

石英斑巖呈灰白色，具斑狀結(jié)構(gòu)，局部發(fā)育片理化(圖3b)。斑晶主要為石英，多呈自形-半自形粒狀，粒徑0.2～0.25mm，含量10%～30%，石英斑晶見有熔蝕、擠壓破碎和波狀消光現(xiàn)象；也可見正長石斑晶，粒徑0.5～1mm，含量～5%，具卡斯巴雙晶，部分已發(fā)生絹云母化、高嶺土化蝕變(圖3c, d)；偶見斜長石斑晶，呈半自形寬板狀，粒徑～0.01mm，可見聚片雙晶，測得其牌號(hào)介于20%～26%之間，屬于更長石。

石英斑巖中的基質(zhì)可占75%～90%，由長英質(zhì)微晶和少量暗色礦物構(gòu)成，普遍發(fā)生硅化、絹云母化、黃鐵礦化；基質(zhì)中石英無色透明，大多為他形粒狀，粒徑一般小于0.02mm。暗色礦物為黑云母或角閃石，且大多蝕變?yōu)榻佋颇?、綠泥石和綠簾石，沿礦物解理析出有黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦等金屬礦物。

本次研究樣品主要采自馬莊山金礦區(qū)及外圍的石英斑巖，取樣過程中，盡可能采集遠(yuǎn)離礦體未礦化蝕變的巖石。在對(duì)所有采集樣品進(jìn)行巖相學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，篩選6件進(jìn)行全巖成分分析，1件進(jìn)行定年，3件進(jìn)行同位素測試。

3 測試方法

研究樣品碎至200目后送到廣州澳實(shí)分析檢測有限公司進(jìn)行常微量及稀土元素含量的測定。常量元素的分析方法為ME-XRF06，采用X-熒光光譜儀進(jìn)行測試，型號(hào)為PANalytical AXIOS。實(shí)驗(yàn)步驟：樣品在煅燒后加入Li2B4O7-LiBO2助熔物，混合均勻后，放置于自動(dòng)熔煉儀中，使其在高溫下熔融；將倒出的熔融物制成玻璃片后使用光譜儀進(jìn)行分析。常量元素的分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01%。微量元素分析方法為ME-ICP61，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ELAN 9000)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)步驟：將一定量樣品置于試管中，用四分三階段酸進(jìn)行消解，首先用硝酸和高氯酸進(jìn)行預(yù)氧化，然后加入氫氟酸，在電熱爐上加熱、蒸發(fā)至近干，用鹽酸稀釋定容后放置于儀器中分析。微量元素的分析精度和準(zhǔn)確度分別為：Th、U為0.05×10-6，Cs、Sr、Ta為0.1×10-6，Ba為0.5×10-6，Rb、Hf、Nb為0.2×10-6，Zn、Zr為2×10-6，V、Co、Ni、Cr、Cu為1×10-6，K、P、Ti為0.01%。稀土元素分析方法為ME-MS81，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)步驟：將樣品與LiBO2溶劑充分混合，放入1000%以上的熔爐中使之融化；溶液冷卻后加入硝酸定容后放置于儀器中進(jìn)行分析。稀土元素的分析精度和準(zhǔn)確度除La、Ce、Y為0.5×10-6外，其余分析精度和準(zhǔn)確度全為0.05×10-6。

鋯石單礦物的挑選是在廊坊市峰澤源巖礦檢測技術(shù)有限公司完成，經(jīng)破碎、重選和磁選后，在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒。制靶和陰極發(fā)光(CL)圖像在北京鋯石領(lǐng)航科技有限公司完成，用環(huán)氧樹脂將鋯石固化后對(duì)其拋光至中心，然后通過反射光和陰極發(fā)光圖像對(duì)鋯石進(jìn)行仔細(xì)觀察并選擇最佳分析點(diǎn)。LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測試在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程和礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，分析使用的激光剝蝕束斑直徑為32μm，實(shí)驗(yàn)中He為剝蝕物質(zhì)的載氣，Ar作為補(bǔ)償氣。年齡采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)，MUD作為監(jiān)測樣品，元素含量采用NIST610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)。在測試過程中，每測定兩次91500標(biāo)樣后，測定5～6個(gè)鋯石待測點(diǎn)，每個(gè)樣品的信號(hào)采集時(shí)間為90s，其中前20s為背景信號(hào)采集時(shí)間。測試完成后，離線數(shù)據(jù)處理使用軟件ICPMSDataCal和Isoplot完成(Ludwig, 2003)。

在已經(jīng)完成U-Pb定年的鋯石顆粒中，挑選代表性的在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司進(jìn)行鋯石Hf同位素測試，儀器采用多接收質(zhì)譜MC-ICP-MS(Neptune Plus)和相干193nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(GeoLasPro HD)。測試時(shí)束斑直徑44μm，能量強(qiáng)度8mJ/cm2，頻率8Hz，載氣600ml/min，標(biāo)樣推薦值(91500: 0.282308; GJ-1: 0.282013; TEM: 0.282677)。

Sr、Nd同位素組成測試在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)儀器為Finnigan Neptune多接收器電感耦合等離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)。分析采用Teflon溶樣器，加入HNO3和HF混合溶樣，用專用的陽離子交換柱進(jìn)行分離，測試的146Nd/144Nd和86Sr/88Sr比值分別用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219進(jìn)行校正。詳細(xì)的分析流程及儀器分析情況見(韋剛健等, 2002)。分析過程中，NBS987標(biāo)準(zhǔn)的86Sr/88Sr測定值為0.710280±6(2σ，N=15)，EstonJndi-1標(biāo)準(zhǔn)的143Nd/144Nd測定值0.512087±2(2σ，N=18)。

4 測試結(jié)果

4.1 主微量元素

研究區(qū)內(nèi)石英斑巖的SiO2含量為73.53%～78.78%，表現(xiàn)出高的Al2O3含量(10.37%～14.28%)、全堿(Na2O+K2O)含量(3.42%～9.46%)和K2O/Na2O比值(2.57～66.5)，低的MgO(0.11%～0.51%)、TiO2(0.03%～0.33%)、CaO(0.02%～0.88%)和P2O5含量(0.01%～0.09%)的特點(diǎn)(表1)。樣品巖石堿度率(AR)為1.67～5.38，里特曼指數(shù)(σ)為0.32～2.91<小于3.3。在TAS圖解上，石英斑巖落在花崗巖區(qū)域(圖4a)；在SiO2-K2O圖解(圖4b)中，主要落入鉀玄巖-高鉀鈣堿性系列范圍。綜上，馬莊山礦區(qū)的石英斑巖屬于鉀玄巖-高鉀鈣堿性系列。在哈克圖解中，樣品的SiO2與TiO2、MgO、CaO、MnO、Al2O3和P2O5呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)，表明存在著磷灰石、輝石、鈦鐵礦的明顯的分離結(jié)晶作用(李獻(xiàn)華等, 2000)。

石英斑巖的稀土元素總量中等，∑REE=65×10-6～161×10-6，[La/Yb]N值為6.15～12.5，δEu=0.46～0.80(表1)，表明輕重稀土分異中等，相對(duì)富集輕稀土元素、虧損重稀土元素，顯示弱的負(fù)Eu異常(圖6a)，表明巖漿沒有發(fā)生明顯的斜長石的分離結(jié)晶作用(張宏飛和高山, 2012)。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6b)顯示：石英斑巖總體富集Rb(177×10-6～338×10-6)、K(109.6×10-6～307.1×10-6)、Th(14.1×10-6～16.7×10-6)、U(1.54×10-6～4.59×10-6)和Pb(2×10-6～66.8×10-6)，虧損Sr(12×10-6～163.5×10-6)、Ba(211×10-6～632×10-6)、P(0.46×10-6～4.13×10-6)、 Nb(6.9×10-6～10.9×10-6)和Ti(0.37×10-6～1.52×10-6)等元素。

表1 馬莊山石英斑巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)測試結(jié)果

Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) elements data of the quartz porphyry in Mazhuangshan area

樣品號(hào)ZKII-101-2MZS9-1MZS9-3MZS9-15MZS2-11MZS2-13MZS9-B2MZS7-B2M7S9-B3SiO274.5776.7473.5378.5075.6378.7875.1073.6179.85TiO20.130.080.080.330.260.220.350.290.26Al2O312.6612.4213.9014.1014.2810.3713.7613.0811.68FeO0.620.240.310.430.481.870.550.560.16Fe2O30.540.210.310.230.310.961.292.101.62MnO0.030.010.010.010.010.010.020.070.04MgO0.300.110.170.110.510.350.470.280.36CaO0.880.030.020.110.040.170.090.190.06Na2O2.380.170.210.260.080.060.140.150.09K2O6.118.389.253.305.323.365.607.443.91P2O50.030.020.010.020.010.090.040.100.02LOI1.830.961.172.462.122.782.202.862.33Total100.1899.4399.0499.9299.0899.0599.61100.73100.38K2O+Na2O8.638.689.673.655.573.555.897.764.08K2O/Na2O2.5749.344.112.766.556.040.049.643.4σ2.272.162.910.360.890.321.021.870.43La29.2031.9032.4033.5031.7014.1035.1037.033.1Ce54.7064.2066.9061.1059.2027.6063.963.853.8Pr5.817.077.616.165.952.975.174.534.51Nd18.8024.6027.3020.2019.7010.3018.019.616.6Sm3.555.275.954.053.892.183.123.653.16Eu0.790.731.011.000.780.390.510.720.65Gd2.704.224.983.402.931.942.994.563.29Tb0.360.630.760.510.440.310.420.590.51Dy2.083.864.993.352.732.031.632.542.56Ho0.440.851.120.710.610.450.340.480.48Er1.372.653.342.191.951.391.131.601.48Tm0.220.410.510.360.330.220.130.230.21Yb1.582.693.552.492.191.450.851.581.73Lu0.270.430.580.400.350.240.110.270.27∑REE12114916113913265.0133141122δEu0.750.460.550.800.680.570.500.540.61(La/Yb)N12.58.006.159.079.766.5627.815.812.9Rb235318361210338187-273177Ba595501559632291272616.9482211Th16.7010.9016.2010.7015.0011.6014.1016.0015.00U3.783.164.552.544.591.54-3.23.1Nb10.208.108.909.6010.906.90-1211Ta1.000.901.000.901.200.60<100.901.00Pb27.023.046.09.02.017.066.816.017.0Sr163.5138.0116.546.949.912.0104.850.018.0Zr7610210516515910660.68161118Hf2.53.63.84.64.73.14.03.64.0Y14.125.331.522.219.313.2-4.03.6Ga13.212.814.416.217.314.67.0413.3314.77K202.9278.2307.1109.6176.7111.6185.9247.1129.8P1.380.920.460.920.464.131.844.590.92Ti0.600.370.371.521.201.011.611.341.20Mg#33.935.224.856.119.731.433.117.028.4Nb/Ta10.29.008.9010.79.0811.50.013.311.0Nb/La0.350.250.270.290.340.490.000.320.33Zr/Hf30.428.327.635.933.834.215.244.729.5來源本文江思宏,2004

表2 馬莊山礦區(qū)石英斑巖LA-ICP-MS鋯石測年數(shù)據(jù)

Table 2 Zircon U-Pb isotope data of the quartz porphyry in Mazhuangshan deposit

測點(diǎn)號(hào)(×10-6)PbThUTh/U同位素比值同位素年齡(Ma)207Pb206Pb1σ207Pb235U1σ206Pb238U1σ207Pb235U1σ206Pb238U1σ208Pb232U1σ115932570.360.051970.003880.361460.029030.050310.00100313.321.7316.46.2328.714.82201323430.390.052720.002890.370140.020450.050330.00072319.815.2316.54.4320.510.73292844650.610.051980.002440.361500.016400.050320.00077313.312.2316.54.8313.09.24212163580.600.051490.002480.346190.015920.048610.00078301.812.0306.04.8304.59.25231613870.420.052860.002770.367600.018500.050320.00084317.913.7316.55.2322.912.16302485060.490.051940.002080.363670.014900.050310.00076315.011.1316.44.7324.69.47261694430.380.052670.002820.367050.019350.050320.00076317.514.4316.54.7321.112.6817962890.330.052560.002620.367410.018250.050320.00077317.713.6316.54.7343.413.99231563970.390.052580.002470.364570.017030.050340.00082315.612.7316.65.0329.710.410191123260.340.054440.002840.377000.019800.050380.00092324.814.6316.95.6304.612.111151152400.480.052900.003010.365710.020280.050340.00079316.515.1316.64.9330.014.112211633410.480.052740.003260.370390.024090.050310.00089319.917.8316.45.5314.013.613151302500.520.054030.002950.374860.019800.050270.00079323.214.6316.24.8319.710.514211223680.330.052250.002930.362800.019820.050310.00071314.314.8316.44.4334.412.115231803840.470.054910.002960.379090.019620.050330.00080326.414.4316.54.9342.912.816211153660.320.055140.003170.376400.020910.050350.00088324.415.4316.75.4314.313.817262164340.500.053170.002660.367720.017710.050320.00068318.013.1316.54.2314.19.918322435400.450.052650.002340.365780.016700.050310.00065316.512.4316.54.0316.610.519191123360.330.054190.002810.375990.019300.050270.00079324.114.2316.24.9324.014.720271594570.350.052660.002630.366620.018780.050320.00068317.114.0316.54.2348.238.821191293310.390.053450.002900.370090.019570.050310.00079319.714.5316.44.9320.613.8

圖4 礦床石英斑巖的TAS圖解(a, 據(jù)Middlemost, 1994)和K2O-SiO2圖解(b, 底圖據(jù)Rickwood, 1989)Fig.4 TAS diagram (a, modified after Middlemost, 1994) and K2O vs. SiO2 diagram (b, modified after Rickwood, 1989) of the quartz porphyry in Mazhuangshan deposit

圖5 馬莊山金礦床石英斑巖的哈克圖解Fig.5 Harker diagrams of the quartz porphyry in Mazhuangshan deposit

圖6 馬莊山石英斑巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分型式(a, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蜘蛛圖(b, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of the quartz porphyry in Mazhuangshan deposit

圖7 馬莊山石英斑巖鋯石陰極發(fā)光圖像(a)、LA-ICP-MS U-Pb年齡一致曲線(b)和加權(quán)平均年齡譜圖(c)Fig.7 Cathodoluminescence images (a), U-Pb concordant age (b) and weighted mean zircon 206Pb/238U age (c) of the Mazhuangshan quartz porphyry

圖8 馬莊山石英斑巖中鋯石的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of the zircon from quartz porphyry in Mazhuangshan area

4.2 鋯石U-Pb年齡

馬莊山石英斑巖(MZS9-1)中的鋯石多呈無色透明長柱或短柱狀，自形程度較好，粒徑多為80～120μm，大部分具有清楚的振蕩環(huán)帶(圖7a)。鋯石具有較高的Th(93×10-6～284×10-6)、U(240×10-6～540×10-6)含量和Th/U比值(0.32～0.61)(表2)，稀土元素配分曲線具有輕稀土虧損、重稀土富集、明顯Ce正異常、Eu負(fù)異常的特點(diǎn)(圖8)；顯示巖漿鋯石的特征(Belousovaetal., 2002)。選取21個(gè)鋯石顆粒進(jìn)行LA-ICP-MS U-Pb年齡測定(表2)，所有點(diǎn)的測試結(jié)果均落在諧和線上或附近，獲得其U-Pb一致年齡為315.4±0.6Ma(MSWD=0.67；圖7b)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡值為316.0±2.0Ma(MSWD=0.23；圖7c)。

4.3 Sr-Nd-Hf同位素

馬莊山石英斑巖Sr-Nd同位素組成測定結(jié)果及根據(jù)年齡計(jì)算的相關(guān)參數(shù)見表3，樣品的87Sr/86Sr比值變化范圍為0.740188～0.765981，遠(yuǎn)高于原始地?，F(xiàn)在值(87Sr/86Sr=0.7045; DePaolo and Wasserburg, 1976)；143Nd/144Nd變化范圍為0.512423～0.512577，低于原始地幔現(xiàn)在值(143Nd/144Nd=0.512638; Jacobsen and Wasserburg, 1980)。根據(jù)U-Pb定年結(jié)果，計(jì)算獲得(87Sr/86Sr)i為0.7077～0.7102，εNd(t)介于-1.62～1.82之間，二階段Nd模式年齡(tDM2)為0.9～1.2Ga。

在εNd(t)-t圖解上(圖9a)，樣品的投影點(diǎn)均位于古-中元古代地殼的上方、球粒隕石均一庫(CHUR)的附近，表明成巖過程中有一定的幔源組分的參與；在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解上(圖9b)，樣品點(diǎn)較分散，主要落在球粒隕石演化線與大陸上地殼之間，東天山-北山侵入巖范圍內(nèi)，并且與柳園晚古生代花崗巖有部分重合(圖9b)，說明原巖可能來自于上地幔和地殼。

Hf同位素測試結(jié)果(表4)顯示，石英斑巖中12顆鋯石的176Yb/177Hf比值為0.042886～0.065516、176Lu/177Hf比值介于0.001204～0.001886，176Hf/177Hf比值為0.282506～0.282604，計(jì)算獲得的εHf(t)為-3.2～0.4，tDM2在1.28～1.51Ga之間。在εHf(t)-t圖解中，部分樣品投點(diǎn)落在虧損地幔(DM)和球粒隕石(CHUR)演化線之間(εHf(t)>0)，顯示其可能來自新生地殼或虧損地幔(Jahnetal., 2000; Vervoortetal., 2000; 朱弟成等, 2009a)；部分樣品落在球粒隕石演化線以下(εHf(t)<0)，暗示其源巖為古老地殼物質(zhì)(Kinny and Maas, 2003)。

表3 馬莊山礦區(qū)石英斑巖Sr-Nd同位素組成

Table 3 Sr and Nd isotope data of the quartz porphyryat Mazhuangshan

樣品號(hào)MZS-9-1MZS-9-3MZS-9-15Rb (×10-6)318361210Sr (×10-6)1381174787Rb/86Sr3.09.013.087Sr/86Sr0.7401880.7504140.765981±2σ0.0000170.0000180.000018Age (Ma)316316316(87Sr/86Sr)i0.71020.71010.7077Sm (×10-6)5.275.954.05Nd (×10-6)24.627.320.2147Sm/144Nd0.1300000.1300000.120000143Nd/144Nd0.5125510.5124230.512577±2σ0.0000090.0000090.000009(143Nd/144Nd)i0.5122820.5121490.512326εNd(t)0.98-1.621.82tDM (Ga)1.101.370.95tDM2 (Ga)1.01.20.9

注：計(jì)算參數(shù)為λ87Rb=1.42×10-11a-1，λ147Sm=6.54×10-12a-1，λ238U=1.55125×10-1a-1，λ235U=9.8485×10-10a-1，λ232Th=0.49475×10-10a-1(Steiger and J?ger, 1977).同位素初始值計(jì)算所用參數(shù)為：87Rb/86Sr=0.0847，87Sr/86Sr=0.7045，147Sm/144Nd=0.1967，143Nd/144Nd=0.512638(Hartetal., 1984)

表4 馬莊山地區(qū)石英斑巖(MZS9-1)中鋯石的Hf同位素組成

Table 4 Zircon Hf isotopic compositions of the quartz porphyry in Mazhuangshan area

測點(diǎn)號(hào)176Yb/177Hf176Lu/177Hf176Hf/177HfσεHf(t)tDM2 (Ga)fLu/HfMZS9-1-010.0655160.0018860.2825890.000007-0.31.32-0.94MZS9-1-020.0607830.0017190.2825830.000007-0.51.33-0.95MZS9-1-030.0494410.0013880.2825570.000007-1.31.39-0.96MZS9-1-040.0651910.0018590.2825060.000006-3.21.51-0.94MZS9-1-050.0547140.0014930.2825610.000008-1.21.38-0.96MZS9-1-060.0458810.0013030.2825720.000007-0.81.35-0.96MZS9-1-070.0599870.0016680.2825810.000008-0.51.34-0.95MZS9-1-080.0492480.0013680.2825100.000007-3.01.49-0.96MZS9-1-090.0522070.0014470.2825350.000007-2.11.44-0.96MZS9-1-100.0463260.0012720.2825200.000012-2.61.47-0.96MZS9-1-110.0569280.0015990.2825950.0000070.01.31-0.95MZS9-1-120.0428860.0012040.2826040.0000080.41.28-0.96

注：εHf(t)根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)的鋯石U-Pb年齡計(jì)算而來，采用的176Lu衰變常數(shù)λ=1.867×10-11a-1(S?derlundetal., 2004)；鋯石Hf同位素地殼模式年齡(tDM2)是利用平均大陸殼的176Lu/177Hf=0.015 (Griffinetal., 2006) 計(jì)算獲得

圖9 馬莊山石英斑巖t-εNd(t)(a)和(87Sr/86Sr)i-εNd(t)(b)圖解東天山-北山侵入巖區(qū)域線據(jù)Zhang et al. (2015)；柳園地區(qū)晚古生代花崗巖演化線據(jù)李小菲等(2015)Fig.9 The t vs. εNd(t) diagram (a) and (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) diagram (b) of the quartz porphyryThe region of the Eastern Tianshan-Beishan intrusive rocks is after Zhang et al. (2015) and the region of the Liuyuan Late Paleozoic granites is after Li et al. (2015)

圖10 馬莊山石英斑巖的成因類型判別圖解(a, b, 據(jù)Whalen et al., 1987; c, d, 據(jù)Li et al., 2007)Fig.10 Granites discrimination diagram of the quartz porphyry at Mazhuangshan (a, b, base map after Whalen et al., 1987; c, d, base map after Li et al., 2007)

5 討論

5.1 巖石成因與巖漿來源

馬莊山石英斑巖以石英和堿性長石等為主要造巖礦物，具有較高的SiO2含量(73.53%～79.85%)、較低的MgO(0.11%～0.51%)、TiO2(0.08%～0.33%)和P2O5(0.01%～0.09%)含量(表1)，Na2O+K2O值為3.55～9.67，平均值為6.4，K2O/Na2O為2.57～66.50，屬于高鉀鈣堿性系列巖石。在10000Ga/Al-Y圖解中，樣品點(diǎn)投影在I型和S型花崗巖區(qū)(圖10a; Chappell and White, 1992)，故需要更多證據(jù)來分析馬莊山石英斑巖的成因類型。前人研究表明：鋁飽和指數(shù)(A/CNK)易受蝕變作用的影響，相比而言，花崗巖中P2O5含量也是判別巖石類型的一個(gè)有利指標(biāo)(Lietal., 2007; 王銀宏等, 2015)。一般來說，在I型花崗巖中，P2O5隨著SiO2含量的增加而呈現(xiàn)遞減的趨勢；然而，在S型花崗巖中，P2O5隨著SiO2含量的遞增而呈現(xiàn)遞增或基本不變的趨勢(Wuetal., 2003; Lietal., 2007; 朱弟成等, 2009b)。馬莊山石英斑巖P2O5(0.01%～0.09%)含量較低，且與SiO2含量呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，暗示其可能為I型花崗巖。此外，富集Th和Y的礦物在準(zhǔn)鋁質(zhì)巖漿結(jié)晶早期不會(huì)優(yōu)先結(jié)晶，但在過鋁質(zhì)巖漿演化的早期則會(huì)優(yōu)先結(jié)晶，這導(dǎo)致了I型花崗巖比S型花崗巖有較高的Th和Y的含量，并且Y、Th與Rb均表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系(Wuetal., 2003; Lietal., 2007; 王銀宏等, 2015)。馬莊山石英斑巖的Y、Th含量分別為3.6×10-6～31.5×10-6和0.6×10-6～1.52×10-6(表1)，而且與Rb均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，也進(jìn)一步佐證了研究區(qū)的次火山巖屬于I型花崗巖類。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mg#可以作為識(shí)別地殼來源和地幔來源的重要判別標(biāo)志，一般認(rèn)為，由下地殼部分熔融的巖漿具有較低的Mg#(<50)和MgO含量(Xiongetal., 2003; Zhaoetal., 2009)。俯沖板片部分熔融的巖漿具有較高的Mg#(>50)和較高的MgO含量(Yogodzinski and Kelemen, 1998; Rappetal., 1999; Xuetal., 2002)。馬莊山石英斑巖具有較低的Mg#值(17～56)和較低的MgO值(0.29～1.16)，指示它們很可能為新生下地殼的部分熔融所致。石英斑巖的Nb/Ta比值為8.90～11.5，接近陸殼巖石(～11)，但明顯低于幔源巖石(36.27±2; Taylor and McLennan, 1985)，顯示殼源的特點(diǎn)。同時(shí)，Zr/Hf比值為27.3～35.9，平均為33.3，與殼源巖石(～33; Taylor and McLennan, 1985)接近；Nb/La值較低(0.27～0.49)，表明石英斑巖巖漿源區(qū)有陸殼物質(zhì)參與。

石英斑巖的Nd二階段模式年齡tDM2介于0.9～1.2Ga，暗示這種陸殼物質(zhì)是從幔源物質(zhì)分異演化時(shí)間不長的年輕物質(zhì)，即年輕地殼。由于其tDM2值與巖體的實(shí)際侵位年齡(～316Ma)差別較大，表明原始巖漿在上侵過程中很可能與一些古老地殼物質(zhì)發(fā)生了混染作用。

圖11 石英斑巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)Pearce et al., 1984)(a) Yb-Ta圖解；(b) Y-Nb圖解；(c) Rb/30-Hf-Ta×3圖解；(d) Ta/Yb-Th/Yb圖解Fig.11 Tectonic discrimination diagrams for quartz porphyry (based map after Pearce et al., 1984)

圖12 東天山晚石炭世構(gòu)造演化示意圖(據(jù)Xiao et al., 2004; Pirajno et al., 2011修改)Fig.12 Schematic diagram showing the tectonic evolution of the Eastern Tianshan Orogen in Late Carboniferous (modified after Xiao et al., 2004; Pirajno et al., 2011)

5.2 構(gòu)造環(huán)境與演化過程

前人研究表明，東天山造山帶大規(guī)模的巖漿活動(dòng)主要發(fā)生于晚泥盆世、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、早-中三疊世四個(gè)階段。其中，石炭紀(jì)-二疊紀(jì)被認(rèn)為是區(qū)內(nèi)最重要的成巖-成礦階段(唐俊華等, 2007; Maoetal., 2005; Chenetal., 2012; Wangetal., 2015)，一系列大型、中型銅金礦床集中在該階段產(chǎn)出，主要礦床類型包括淺成低溫?zé)嵋盒徒鸬V床(石英灘金礦, 李華芹等, 1998)、造山型金礦床(康古爾-馬頭灘金礦床, Chenetal., 2012)和斑巖型銅礦床(土屋, 芮宗瑤等, 2002; 王銀宏等, 2014; Xiaoetal., 2017)。然而，對(duì)于東天山地區(qū)晚石炭世的構(gòu)造環(huán)境仍存在爭議，一些學(xué)者認(rèn)為研究區(qū)在晚石炭-三疊紀(jì)時(shí)，北天山洋已經(jīng)閉合，處于俯沖后階段，以碰撞/碰撞后事件為特征(Yangetal., 2009; Pirajnoetal., 2011; 王玉往等, 2012; Chenetal., 2012)；而另一些研究者認(rèn)為在晚石炭世仍存在俯沖作用，直到早二疊世北天山洋才閉合，之后進(jìn)入后碰撞階段(Xiaoetal., 2004; Aoetal., 2010; Hanetal., 2012; Maoetal., 2014; Wangetal., 2015; Zhangetal., 2016b; Han and Zhao, 2018)。

本次研究中，石英斑巖中鋯石的LA-ICP-MS U-Pb一致年齡為315.4±0.6Ma(MSWD=0.67)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為316.0±2.0Ma(MSWD=0.23)，這首次將馬莊山石英斑巖的侵位時(shí)間精確限定在314～318Ma。因此，這套產(chǎn)出于東天山東段的以石英斑巖為代表的次火山巖的侵位構(gòu)造環(huán)境研究，可以為解答研究區(qū)內(nèi)晚石炭世大地構(gòu)造背景的歸屬提供關(guān)鍵證據(jù)。

巖石地球化學(xué)研究表明，礦區(qū)內(nèi)石英斑巖形成于晚石炭世與俯沖相關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣弧環(huán)境，主要依據(jù)有：(1)在Ta-Yb和Rb/30-Hf-Ta×3圖解(圖11a, c)中，樣品全部落在火山弧環(huán)境內(nèi)；在Nb-Y圖解中(圖11b)，石英斑巖樣品投點(diǎn)落在火山島弧與同碰撞區(qū)域；在Ta/Yb-Th/Yb圖解(圖11d)中，樣品點(diǎn)落在了陸緣弧及其附近，表明巖石形成于島弧或活動(dòng)陸緣弧環(huán)境。(2)巖石富集輕稀土，輕重稀土分餾明顯，具有Eu負(fù)異常，相對(duì)富集Rb、K、Th、U和Pb等大離子親石元素，虧損Sr、Ba、P、Nb和Ti等高場強(qiáng)元素(表1、圖6b)，顯示了陸緣弧火山巖特征(Pearceetal., 1984)。(3)不同類型的火山弧具有不同的巖石組合，島弧型火山巖以拉斑玄武巖為主，富Mg、貧K和大離子親石元素富集程度不明顯；而大陸邊緣弧火山巖以鈣堿性為主，富K、貧Mg和富集大離子親石元素(Wilson, 1989)；而馬莊山石英斑巖的特征恰與后者一致。綜上，馬莊山石英斑巖形成于與俯沖相關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣弧的大地構(gòu)造背景下。

這一認(rèn)識(shí)為東天山東段晚石炭世時(shí)構(gòu)造格架的重建提供了證據(jù)。東天山-北山造山帶的演化歷史與古天山洋密切相關(guān)(Xiaoetal., 2004, 2010; Chenetal., 2012; Xiaoetal., 2017)，在早石炭世，區(qū)內(nèi)主要為古亞洲洋俯沖作用形成的島弧環(huán)境，此時(shí)，大量的火山-碎屑巖沉積形成；隨著俯沖作用的持續(xù)，至～315Ma，研究區(qū)處于活動(dòng)陸緣弧環(huán)境，下地殼物質(zhì)的部分熔融形成了石英斑巖的初始巖漿，侵位至地殼淺部以次火山巖的形式產(chǎn)出(圖12)；晚石炭世末期，古大洋逐漸閉合，東天山研究區(qū)開始進(jìn)入后碰撞造山階段，這也與東天山存在～310Ma的最年輕的蛇綠巖和～290Ma的雙峰火山巖廣泛分布相吻合(秦克章等, 2002; Chenetal., 2011; Suetal., 2012)。

6 結(jié)論

(1)馬莊山次火山巖石英斑巖具有富堿高鉀、過鋁質(zhì)特征，富集大離子親石元素和輕稀土元素、虧損高場強(qiáng)元素，Eu顯示弱的負(fù)異常。

(2)全巖(87Sr/86Sr)i=0.7077～0.7102、εNd(t)=-1.62～1.82，鋯石的εHf(t)=-3.2～0.4，認(rèn)為石英斑巖的源區(qū)可能來源于下地殼物質(zhì)的部分熔融，原始巖漿在上侵過程中有部分地幔物質(zhì)的加入。

(3)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年限定了研究區(qū)內(nèi)以石英斑巖為主導(dǎo)的次火山巖侵位年齡為314～318Ma，形成于與俯沖相關(guān)的陸緣弧環(huán)境下；為東天山東段晚石炭世時(shí)構(gòu)造格架的重建提供了證據(jù)。

致謝 論文的完成得益于陳衍景教授、陳華勇研究員的指導(dǎo)；野外工作得到了西部礦業(yè)哈密金礦、新疆有色地質(zhì)勘查局704隊(duì)的幫助；實(shí)驗(yàn)工作得到了感謝中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持；在此一并感謝。感謝兩位審稿人對(duì)論文提出的寶貴建議。

作者有幸聆聽翟裕生為博士生主講的《區(qū)域成礦學(xué)》課程，通訊作者長期得到先生在教學(xué)、科研等方面的指導(dǎo)和幫助，他對(duì)晚輩的悉心培養(yǎng)和教導(dǎo)令人終身受益。謹(jǐn)以此文表達(dá)我們對(duì)翟院士九十華誕的美好祝愿。