東天山雙龍銅礦石英閃長巖鋯石U-Pb定年、Hf同位素分析及對構(gòu)造環(huán)境的制約

郭遠(yuǎn)新 趙同陽 孫月園

摘 ?要：通過對新疆東天山雅滿蘇島弧帶雙龍銅礦成巖地質(zhì)特征、巖石地球化學(xué)特征及Hf同位素分析，認(rèn)為賦礦巖體為一套形成于后碰撞環(huán)境下的準(zhǔn)鋁質(zhì)高鉀鈣堿性巖石系列的石英閃長巖，LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡為（300.9±1.2）Ma。巖石地球化學(xué)顯示，賦礦巖石具富集大離子親石元素（LILE）K，Rb等及高場強(qiáng)元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，貧Nb，Ta，Ti，Sr，P特征，可能形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境。石英閃長巖鋯石176Hf/177Hf變化范圍0.282 949～0.283 002，平均值0.282 979，εHf（t）值為12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）為375～482 Ma，平均 429 Ma，表明巖漿物源可能來自志留紀(jì)新生地殼的部分熔融。

關(guān)鍵字：東天山;雙龍銅礦;石英閃長巖;鋯石U-Pb定年;構(gòu)造環(huán)境

東天山位于吐哈盆地以南，中天山北緣斷裂——阿其克庫都克斷裂以北地區(qū)，屬中亞造山帶南緣。受古亞洲洋盆形成、消減的影響，經(jīng)歷了復(fù)雜多樣的陸殼增生，是全球顯生宙構(gòu)造-巖漿事件及陸殼增生最顯著地區(qū)[1-4]。該區(qū)完整的碰撞造山演化歷史、強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿活動、顯著的陸殼增生過程和大規(guī)模成礦作用成為研究構(gòu)造巖漿活動及成礦作用的理想地區(qū)，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5-8]。該區(qū)為我國西北地區(qū)重要的Cu，Au，F(xiàn)e，Mo等礦產(chǎn)富集區(qū)[9]。2004年新疆地礦局第一地質(zhì)大隊(duì)在實(shí)施“新疆鄯善縣百靈山-多頭山一帶銅礦資源評價項(xiàng)目”時發(fā)現(xiàn)雙龍銅礦，經(jīng)槽探揭露和鉆孔驗(yàn)證，圈出銅、鐵（伴生金、銀、鈷等）礦體。但對新發(fā)現(xiàn)的銅礦床及銅礦床成礦時代研究仍屬空白。本文針對雙龍銅礦賦礦巖體進(jìn)行研究，在野外觀察基礎(chǔ)上，對與成礦相關(guān)的石英閃長巖進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)和地球化學(xué)研究，旨在對銅礦成礦時代及研究區(qū)構(gòu)造環(huán)境提供有效證據(jù)。

1 ?地質(zhì)背景

東天山位于中亞造山帶南緣（圖1-a），自北向南分別為博格達(dá)-哈爾里克造山帶、吐哈盆地（陸塊）、覺羅塔格造山帶、中天山地塊（圖1-b，c）。雙龍銅礦即產(chǎn)于東天山覺羅塔格構(gòu)造帶南部阿奇山-雅滿蘇島弧帶西段，百靈山巖體東南部（圖1-c）。覺羅塔格構(gòu)造帶為夾持于吐哈陸塊與中天山前寒武紀(jì)地塊之間的長條形造山帶，被近EW向康古爾-黃山韌性剪切帶分割成北部大南湖-頭蘇泉島弧帶和南部阿奇山-雅滿蘇島弧帶。從現(xiàn)有資料來看，覺羅塔格構(gòu)造帶是吐哈地塊南緣的晚古生代活動大陸邊緣，其南部阿奇山-雅滿蘇島弧帶主要出露石炭系火山-沉積巖系，下部以中基性、酸性火山熔巖為主，中部以陸緣碎屑巖、碳酸鹽巖建造為主，上部以中基性火山熔巖及同質(zhì)火山碎屑巖為主。受后期造山作用影響，發(fā)育大面積不同期次的中酸性侵入巖體[10]，其中規(guī)模較大的為百靈山巖體，圍繞該巖體已發(fā)現(xiàn)矽卡巖型銀銅礦（維權(quán)）、火山巖型鉛鋅礦（阿齊山）、火山巖型鐵礦（百靈山）、層控型鉛鋅礦（彩霞山）等一大批大、中型礦產(chǎn)，反映出該期侵入巖漿的控礦作用十分明顯。

雙龍銅礦即產(chǎn)于百靈山巖體與地層接觸帶之內(nèi)帶閃長巖體中（圖2），初步認(rèn)為成礦類型為斑巖型。礦區(qū)出露地層主要為上石炭統(tǒng)土古土布拉克組，總體產(chǎn)狀傾向SW向，傾角67°～75°。礦區(qū)侵入巖極發(fā)育，為百靈山巖體的一部分。主要巖石類型有閃長巖、石英閃長巖、二長花崗巖、花崗巖等，巖體侵入時代為晚石炭世。閃長巖和石英閃長巖二者呈相變過渡關(guān)系，二長花崗巖與花崗巖同樣也呈相變過渡關(guān)系?；◢弾r類晚于閃長巖類侵入。礦區(qū)脈巖較發(fā)育，主要類型有輝長巖、斜長花崗斑巖、花崗斑巖、輝綠巖等。其中輝長巖、輝綠巖脈主要分布在花崗巖體中，斜長花崗斑巖、花崗斑巖主要分布在閃長巖巖體中。

2 ?巖石學(xué)特征

雙龍銅礦主要賦礦巖石類型為蝕變細(xì)粒石英閃長巖，侵入于上石炭統(tǒng)土古土布拉克組基性凝灰?guī)r中，石英閃長巖呈細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要由斜長石（58%）、石英（15%）、鉀長石（10%）、角閃石（15%）及少量黑云母（2%）組成。巖石次生蝕變明顯，主要為絹云母化、粘土化、綠泥石化。斜長石呈半自形-自形板狀，粒徑0.5～1.5 mm，表面多被絹云母、粘土礦物取代。石英呈他形粒狀，鉀長石亦呈他形粒狀，粒徑細(xì)小，與石英填隙于板狀斜長石粒間。角閃石為半自形-自形柱狀，粒徑0.2～0.5 mm，中心或邊緣多見綠泥石化。黑云母少量，片狀，多被綠泥石化，并沿解理析出鐵質(zhì)。見少量短柱狀磷灰石分布于長石粒之間（圖3）。礦石類型為孔雀石化、褐鐵礦化蝕變閃長巖礦石。礦石呈殘余半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造、網(wǎng)脈狀構(gòu)造。主要金屬礦物有褐鐵礦、孔雀石、銅藍(lán)、磁鐵礦及少量黃鐵礦、黃銅礦等，主要非金屬礦物有長石、暗色礦物、石英及蝕變礦物絹云母等。

3 ?成礦時代

對雙龍銅礦區(qū)石英閃長巖樣品進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素組成分析，結(jié)果見表1。鋯石CL圖像在北京離子探針中心完成。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試分析在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所實(shí)驗(yàn)室完成，定年分析儀器為Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及與之配套的Newwave UP 213激光剝蝕系統(tǒng)。激光剝蝕所用斑束直徑為25 μm，以He為載氣。鋯石標(biāo)準(zhǔn)定年精度和準(zhǔn)確度為1%（2σ）左右，鋯石U-Pb定年以鋯石GJ-1為外標(biāo)，U，Th含量以鋯石M127為外標(biāo)進(jìn)行校正。測試過程中測定5～7個樣品前后重復(fù)測定兩個鋯石GJ-1對樣品進(jìn)行校正，并測量一個鋯石Plesovice，觀察儀器狀態(tài)以保證測試精確度。數(shù)據(jù)處理采用ICPSDataCal程序[11]，鋯石年齡諧和圖用Isoplot3.0程序獲得[12]。鋯石以短柱及長柱狀晶形為主，自形晶，具明顯震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)（圖4），Th/U比值為0.9～1.6，具巖漿結(jié)晶鋯石特征。進(jìn)行普通鉛校正后，石英閃長巖17個點(diǎn)均為有效數(shù)據(jù)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為（300.9±1.2）Ma（n=17，MSWD=2.3）（圖5），分析數(shù)據(jù)位于諧和線上，鋯石年齡代表了石英閃長巖的結(jié)晶年齡。

本文獲得雙龍石英閃長巖的LA-ICP-MS U-Pb鋯石年齡為（300.9±1.2）Ma，代表了雙龍石英閃長巖結(jié)晶年齡。從已知年代學(xué)數(shù)據(jù)可知，本次測得的年齡數(shù)據(jù)可代表雙龍銅礦含礦巖體的成巖年齡，該年齡限定了成礦時代的下限，為探討雙龍銅礦成礦作用提供了依據(jù)。

4 ?巖石地球化學(xué)特征

主量元素、稀土元素、微量元素分析在北京國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心完成，其中主量元素采用X射線熒光光譜儀（PW4400），分析精度優(yōu)于1%，檢測方法依據(jù)GB/T14506.28-2010。稀土和微量元素利用等離子質(zhì)譜儀（PE300D）進(jìn)行測定，分析精度優(yōu)于5%～10%，檢測方法依據(jù)DZ/T0223-2001。本次研究石英閃長巖巖石地球化學(xué)分析結(jié)果見表2。

巖石SiO2含量為55.32%～57.82%，Al2O3=15.19%～16.02%，Na2O+K2O=5.22%～6.81%，里特曼指數(shù)（σ）<3.3，A/CNK介于0.9～1.2，顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖特征（圖6-b）。鎂鐵指數(shù)較高，Mg#=47.04～55.65，在SiO2-K2O圖解上，樣品主要分布于高鉀鈣堿性系列巖石區(qū)域（圖6-a）。稀土元素分布模式總體上呈輕稀土富集的右傾型（圖7-a）[13]，巖石稀土總量變化較小，介于93.96×10-6～105.37×10-6，平均98.65×10-6，具較高的輕重稀土元素比值（LREE/HREE=3.78～4.26，平均3.99），LaN/YbN=2.69～4.05，表明輕重稀土元素分餾較強(qiáng)，其中輕稀土分異明顯，重稀土分異不顯著。δEu值變化于0.74～0.93（平均0.81），具弱的銪負(fù)異常。蛛網(wǎng)圖分布模式為平行簇狀（圖7-b）[14]，巖體總體上富集大離子親石元素（LILE）K，Rb等和高場強(qiáng)元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，但貧Nb，Ta，Ti，Sr，P。Ba含量30×10-6～724×10-6，與花崗巖平均值（Ba為557×10-6）較接近。Nb和Ta虧損明顯，含量分別為5.97×10-6～7.28×10-6和0.3×10-6～0.4×10-6，遠(yuǎn)低于上地殼平均值，Nb為25×10-6，Ta為2.2×10-6，在微量元素蜘網(wǎng)圖上具有明顯的Nb負(fù)異常，表明該巖體的形成與陸殼有密切關(guān)系。Ga含量15.5×10-6～16.5×10-6接近于大多數(shù)火成巖（1×10-6～40×10-6）和中國花崗巖平均值（18×10-6）;Al/Ga比值（4 870～5 320）低于中國花崗巖平均值（≈7 900）。相對Ga而言，Al更易進(jìn)入鈣長石的結(jié)構(gòu)之中，因此，低的Al/Ga比值指示巖體源區(qū)發(fā)育斜長石的殘留較多。巖體的Nd/Th值（變化于3.70～4.38），與殼源巖石相當(dāng)（Nd/Th≈3），但明顯低于幔源巖石（Nd/Th>15）。

5 ?討論

5.1 鋯石Hf同位素

鋯石Hf同位素測試在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Neptune多接收等離子質(zhì)譜和Newwave UP 213紫外激光剝蝕系統(tǒng)（LA-MC-ICP-MS）上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣，剝蝕直徑采用55 μm，測定時使用鋯石國際標(biāo)樣GJ-1作為參考物質(zhì)，分析點(diǎn)與U-Pb定年分析點(diǎn)為同一位置。

對石英閃長巖定年樣品進(jìn)行鋯石原位Hf同位素測試，分析數(shù)據(jù)見表3、圖8。所有鋯石的176Lu/177Hf小于0.004，顯示鋯石形成具有較低的放射成因Hf積累?？紤]到巖體的fLu/Hf平均值為-0.93，明顯小于鎂鐵質(zhì)地殼的fLu/Hf（-0.34）和硅鋁質(zhì)地殼的fLu/Hf（-0.72）[15-16]，故二階段模式年齡更能反映源區(qū)物質(zhì)從虧損地幔被抽取的時間（或其源區(qū)物質(zhì)在地殼的平均存留年齡）。據(jù)Hf同位素相關(guān)計(jì)算公式，采用硅鋁質(zhì)大陸地殼的fLu/Hf計(jì)算巖體的初始εHf（t）、tDM1和tDM2（表3）。石英閃長巖的15個巖漿鋯石176Hf/177Hf的變化范圍為0.282 949～0.283 002，Hf同位素成分較均一，平均值為0.282 979，εHf（t）值為12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）為375～482 Ma，平均429 Ma，表明其二階模式年齡為中志留世。

5.2 ?巖石成因及源區(qū)分析

雙龍石英閃長巖中，SiO2介于55.32%～57.82%、高鉀（K2O/Na2O），鎂鐵指數(shù)較高，具準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖特征（A/CNK介于0.9～1.2），該石英閃長巖應(yīng)屬高鉀鈣堿性準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖。在A/NK-A/CNK花崗巖成因判別圖解中，樣品均落入I&S型花崗巖區(qū)域。巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征表明，石英閃長巖具有高鉀鈣堿性系列的準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖特點(diǎn)，稀土元素均表現(xiàn)出近一致的右傾分布模式，以富集輕稀土、具弱的銪負(fù)異常為特征，微量元素表現(xiàn)出相當(dāng)一致的分布型式，巖體總體上富集大離子親石元素（LILE）K，Rb等和高場強(qiáng)元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，貧Nb，Ta，Ti，Sr，P。本區(qū)石英閃長巖鋯石Hf同位素分析結(jié)果表明，其εHf（t）值都落入虧損地幔線以下，石英閃長巖εHf（t）值均為正值（12.32～14.40），推斷其源巖主要來自新生地殼的部分熔融作用。

5.3 ?構(gòu)造環(huán)境探討

雙龍銅礦石英閃長巖形成于晚石炭世，在花崗巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Yb+Ta-Rb和Y+Nb-Rb中（圖9-a，9-b）[22]，樣品落入板塊碰撞后隆起期花崗巖、晚造山期花崗巖及后碰撞花崗巖區(qū)域，由此認(rèn)為石英閃長巖屬后碰撞環(huán)境，與百靈山巖體所處的構(gòu)造演化階段一致[19]，巖性上與后碰撞演化階段巖石普遍具有高鉀鈣-堿性系列特征的認(rèn)識相一致。在花崗巖R1-R2構(gòu)造環(huán)境判別圖解中（圖10）[23]，樣品均落入后碰撞花崗巖區(qū)域。該巖體侵位于上石炭統(tǒng)土古土布拉克組中，后者以發(fā)育含自然銅的基性熔巖為主。前人獲得含自然銅的玄武巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡為（306～308）Ma[20]，并認(rèn)為該期巖漿活動形成于后碰撞構(gòu)造階段的伸展期[21]。該期巖體為石英閃長巖-花崗閃長巖-二長花崗巖-花崗巖組合，屬典型后碰撞環(huán)境侵入巖石組合1。由此我們認(rèn)為，雙龍地區(qū)晚石炭世花崗質(zhì)侵入體形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境。

6 ?結(jié)論

（1） 雙龍銅礦區(qū)石英閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡為（300.9±1.2）Ma（晚石炭世晚期），代表了石英閃長巖的結(jié)晶年齡。

（2） 通過巖石地球化學(xué)分析，認(rèn)為賦礦巖石富集大離子親石元素（LILE）K，Rb等和高場強(qiáng)元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，貧Nb，Ta，Ti，Sr，P元素，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，認(rèn)為其形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境。

（3） 石英閃長巖鋯石176Hf/177Hf變化范圍為0.282 949～0.283 002，平均值0.282 979，εHf（t）值為12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）為375～482 Ma，平均429 Ma（中志留世），表明巖漿物源可能來自于志留紀(jì)新生地殼的部分熔融。

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Abstract： Through the study of quartz diorite geological characteristics， rock geochemical characteristics and Hf isotope analysis of the Shuanglong copper deposit in Yamansu island area，it is concluded that the mineralized rock mass is a set of quartz dendrites formed in the series of quasi-aluminum high potassium calcium alkaline rocks in the post-collision environment.Its LA-ICP-MS zircon U-Pb isotope age is （300.9 ±1.2） Ma（late Late Carboniferous）， representing the crystallization age of magma.Through rock geochemistry analysis，it is concluded that the mineralized rocks have the characteristics of rich Cs， Rb， Ba and other large Ionic prostony elements， and high field strong elements Nb，Ta，Ti，Sr，P are obviously losing.The geochemical characteristics of the island arc magmatic rock may be formed in the post-collision tectonic environment. The variation of quartz diorite zircon 176Hf/177Hf ranged from 0.282 949 to 0.283 002 with an average value of 0.282 979. The value of εHf（t） was 12.32～14.40， the average was 13.40， and the tDM2（Hf） was 375 ～ 482 Ma， the average was 429 Ma（middle Silurian）， it is indicated that the source of magmatic material may come from the mixing of the Silurian strata.

Keywords： Eastern Tianshan;Shuanglong Cu Deposit;Quartz Diorite;Zircon U-Pb Dating;Tectonic Setting