新疆蒙其古爾鈾礦區(qū)頭屯河組碎屑鋯石U-Pb年齡及地質(zhì)意義

黃廣文 黃廣楠 薛萬文 潘家永 陳正樂 宋泰忠 吳德海

摘? 要：隨著同位素測試技術(shù)的提高，采用碎屑鋯石的 SHRIMP或LA-ICP-MS等高精度測年方法分析和推測沉積盆地的形成時代、碎屑物來源及形成的大地構(gòu)造背景等已廣泛使用。運用LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年法對頭屯河組砂巖中的碎屑鋯石進行相關(guān)研究。結(jié)果表明，碎屑鋯石年齡主要為400～450 Ma、450～485 Ma、301～348 Ma，另分布有幾粒古老鋯石年齡，主要為701～2 174 Ma、（3 144±22）Ma。結(jié)合鋯石礦物學特征、CL圖像、Th/U比值、砂巖巖相學特征及區(qū)域年代學資料等可知，頭屯河組砂巖主體物源可能來源于烏孫山及南部那拉提山地區(qū)出露的石炭—奧陶紀中酸性侵入巖，但并未反映出為蒙其古爾鈾礦區(qū)提供相關(guān)的鈾源信息。

關(guān)鍵詞：蒙其古爾;碎屑鋯石U-Pb定年;砂巖;物源

碎屑鋯石是各類陸源碎屑巖中較常見和具較高穩(wěn)定性的重礦物之一[1]，由于自身同位素封閉溫度高，能全面記錄和攜帶源區(qū)發(fā)生的構(gòu)造事件信息。隨著現(xiàn)代測試手段的提高及大批量測試技術(shù)的完善，普遍采用LA-ICP-MS U-Pb等相關(guān)高精度測年方法獲取物源形成的定量年代，進一步分析和推測物源形成時代與周邊大地構(gòu)造背景等，已成為較通用的研究方法[2，3]，是提供沉積盆地大地構(gòu)造背景、古河流體系的再現(xiàn)及古侵蝕區(qū)的判別等方面的重要依據(jù)[4-6]，同時推動了構(gòu)造沉積學、地貌動力學、盆地（盆山）動力學等相關(guān)學科的發(fā)展與革新[5-8]。

伊犁盆地是我國基礎(chǔ)能源開發(fā)勘探的重要盆地之一，同時也是可地浸砂巖型鈾礦的重要產(chǎn)鈾地。盆地自東向西依次分布有達拉地、蒙其古爾、扎吉斯坦、烏庫爾其、庫捷爾太、洪海溝等鈾礦床[9-13]。蒙其古爾是目前伊犁盆地規(guī)模最大的鈾礦床，具成礦層位多、礦石品位高、礦石儲量大等特點，為我國首個建設(shè)千噸級可地浸砂巖型鈾基地[13]。前人對該礦床進行大量研究，尤其在礦床地球化學特征、成礦條件與成礦機理、構(gòu)造、沉積體系等方面取得不菲成果[13-23]。但對區(qū)內(nèi)頭屯河組碎屑巖相關(guān)的巖石學特征、年代學特征及物源研究等方面鮮見報道。本文在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，從室內(nèi)詳細巖石學特征入手，結(jié)合LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學研究，初步解析頭屯河組碎屑巖的年代學特征，探討物源特征，為進一步補充該區(qū)盆山演化模式提供理論依據(jù)。

1? 地質(zhì)概況

伊犁盆地位于哈薩克斯坦板塊與塔里木板塊夾持的伊犁微地塊之上，受NS向天山擠壓應(yīng)力作用，在石炭—二疊紀弧間裂陷槽基礎(chǔ)上發(fā)展演變，形成內(nèi)陸中新生代大型山間裂陷-坳陷復合型盆地。該盆地主造山成盆期為石炭—二疊紀和侏羅紀，盆地沉積蓋層自上而下發(fā)育第四系、古近系、上白堊系、侏羅系及三疊系，相互間呈不整合接觸[1，11]。

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣斜坡帶東部構(gòu)造活動區(qū)與西部構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的過渡區(qū)帶，屬次級構(gòu)造單元NE向扎吉斯坦屜型向斜東南翼的組成部分，該向斜整體上呈東、西、南3面翹起，向斜軸部為扎吉斯坦河谷地段[13，15]。礦區(qū)主要發(fā)育F1、F2、F3 3條斷裂構(gòu)造，礦床位于F1與F3斷裂之間（圖1）。F1斷裂位于礦區(qū)東南部，為伊犁盆地南緣逆沖控盆斷裂帶組成部分;F2斷裂為F1斷裂的分支部分，位于礦區(qū)西南部;F3斷裂即扎吉斯坦河斷裂，位于礦區(qū)西北部，為隱伏逆斷層[13，24]。礦區(qū)南部蝕源區(qū)廣泛出露石炭—二疊系中酸性火山巖、火山碎屑巖（圖1），巖性見晶屑巖屑凝灰?guī)r、氣孔狀杏仁狀凝灰?guī)r;其次普遍發(fā)育中下侏羅統(tǒng)水西溝群、中上侏羅統(tǒng)頭屯河組、上白堊統(tǒng)東溝組、新近系及第四系。

中下侏羅統(tǒng)水西溝群主要由下統(tǒng)八道灣組和三工河組及中統(tǒng)西山窯組構(gòu)成。其中，八道灣組為一套潮濕背景下的沖積扇沉積體系，出露巖性為砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖[1]。三工河組在沉積相方面顯示三角洲平原亞相沉積，局部發(fā)育水平紋理的粉砂巖與泥巖互層，出露砂體厚46～82 m。中統(tǒng)西山窯組依次分為下段、中段及上段，其中下段為三角洲平原亞相沉積體系，中段為三角洲前緣亞相沉積體系，上段為曲流河沉積體系。出露巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層，尤其在下段局部出露有燒結(jié)巖，西山窯組砂體出露厚度均大于102 m[1]。礦區(qū)目前共揭露4層砂巖型工業(yè)鈾礦化，分別為三工河組下段、三工河組上段、西山窯組下段和西山窯組上段。中上侏羅統(tǒng)頭屯河組出露巖性以雜色泥巖、砂巖為主。其中砂巖見淺黃色含礫粗砂，厚度小于35 m，主要分布于層位底部[1]?？臻g接觸關(guān)系上，與下侏羅統(tǒng)水西溝群呈假整合接觸，與上白堊統(tǒng)東溝組呈低角度不整合接觸。上白堊統(tǒng)東溝組主要分布于盆地南北緣地區(qū)，與水西溝群呈低角度不整合接觸，出露巖性為褐紅色鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥質(zhì)砂礫巖等。

2? 樣品采集與分析方法

2.1? 樣品采集與巖相學特征

本文分析測試樣品（樣號MP-13）采自伊犁盆地蒙其古爾砂巖型鈾礦區(qū)頭屯河組（圖1），所采樣品巖性為淺黃色含礫巖屑砂巖（圖2-a），鏡下呈（含礫）砂狀結(jié)構(gòu)（圖2-b），塊狀構(gòu)造。巖石主要由礫石、碎屑、膠結(jié)物及雜基組成。礫石呈次棱角-次圓狀展布，粒徑2.00～2.56 mm;主要為石英巖、花崗巖、凝灰?guī)r;碎屑主要由石英、長石、白云母、巖屑組成;膠結(jié)物以鐵質(zhì)及鈣質(zhì)（主要為方解石）為主;雜基由粘土物質(zhì)及細粉砂組成;重礦物見黃鐵礦，偶見鋯石等。巖石整體分選性差，磨圓度差，結(jié)構(gòu)成熟度低，成分成熟度低（Q/F+L=0.67）。碎屑支撐類型為雜基支撐，膠結(jié)類型呈孔隙式-接觸式膠結(jié)，顆粒間呈線接觸或點接觸。巖石整體發(fā)育較強粘土化、綠泥石化、高嶺石化、水云母化、絹云母化及碳酸鹽化等（圖2-c，圖2-d，圖2-e）。碎屑占全巖含量的81%;膠結(jié)物占全巖含量的10%;雜基占全巖含量的8%;副礦物約1%。

碎屑石英呈次棱角狀-次圓狀，粒徑0.34～1.12 mm，最大者約1.55 mm，局部顆粒發(fā)育熔蝕邊及熔蝕凹坑（圖2-f），個別發(fā)育有包裹體，說明主要來自于中酸性火山巖或中酸性侵入巖;石英端元占碎屑含量的44%（單晶石英Qm=34%，多晶石英及燧石等Qp=10%）。鉀長石呈次棱角-次圓狀，粒徑0.40～1.02 mm，部分常見格子雙晶發(fā)育，為微斜長石，整體粘土化強烈;斜長石呈次棱角狀，粒徑0.34～1.00 mm，聚片雙晶發(fā)育，雙晶單體較細，可能主要來自于周圍中酸性火山巖體，粘土化及絹云母化較強，長石端元占碎屑含量的14%。巖屑見云母片巖、石英巖、燧石及凝灰?guī)r、花崗巖，呈次棱角狀，粒徑0.62～1.35 mm，巖屑端元占碎屑含量的52%。碎屑黑云母呈它形片狀，局部向葉綠泥石過渡（圖2-c），且邊緣析出有不透明鐵質(zhì)組分，少數(shù)晶體在成巖過程中受壓實作用，晶體彎曲變形明顯。另外巖石內(nèi)展布的巖屑、長石及膠結(jié)物等不穩(wěn)定組份多向水云母、伊利石、高嶺石等轉(zhuǎn)變（圖2-d）。雜基部分充填于碎屑石英、長石及巖屑周圍，黏土物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)變，局部泥質(zhì)組分向高嶺石及綠泥石過渡。

2.2? 分析方法

用于測年的碎屑巖樣品送至河北省廊坊市誠信地質(zhì)服務(wù)公司進行分選，將樣品粉碎后用磁選及重液方法粗選鋯石，最后在雙目鏡下挑選出用于定年的鋯石顆粒[1，25]。鋯石制靶在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成，然后在陰極射線下生成CL圖像，進一步觀察鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。CL圖像分析在東華理工大學放射性地質(zhì)與勘探國防重點學科實驗室完成。鋯石微區(qū)激光剝蝕等離子質(zhì)譜 LA-ICP-MS 采用南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室?guī)Ъす馊畚g裝置的Agilent HP 7500 ICP-MS分析儀進行測定[1，26]，儀器工作參數(shù)為：波長213 nm，激光脈沖重復頻率5 Hz，脈沖能量為10～20 J/cm2，熔蝕直徑為32 μm，剝蝕時間60 s，背景測量時間40 s。樣品測試數(shù)據(jù)均按相關(guān)標準進行處理校正最終校正后的年齡計算及諧和圖的繪制采用Isoplo程序完成[1，5，27】。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 碎屑鋯石測年實驗結(jié)果

結(jié)合碎屑鋯石樣品的透、反射光和陰極發(fā)光圖像，本次測試所挑選的碎屑鋯石大部分粒徑在50～100 μm，個別≥120 μm，呈無色透明，半自形-它形柱狀、渾圓狀分布（圖3），少數(shù)晶體表面無裂紋及無包裹體發(fā)育，表明他們在搬運過程中受到明顯風化磨蝕作用。本文選取76粒碎屑鋯石進行測年分析，共獲得76個U-Pb定年有效數(shù)據(jù)點（以不諧和度10%為標準遴選U-Pb年齡），數(shù)據(jù)詳見表1。從圖4-a中可看出，年齡諧和度高，鋯石U-Pb表面年齡主峰為400～450 Ma（圖4-b），主峰年齡占總有效數(shù)據(jù)點的29%;次峰年齡為450～485 Ma、301～348 Ma（圖4-b），分別占總有效數(shù)據(jù)點的24%、25%。另外出露有8粒元古代年齡、1粒太古代年齡記錄。

400～450 Ma這組主峰年齡共有22粒鋯石，其中U，Th含量分別介于95×10-6～529×10-6和19×10-6～366×10-6，Th/U值為0.13～1.43，呈巖漿結(jié)晶鋯石標型特征[28-30]，它們的陰極發(fā)光圖像顯示大部分呈自形-半自形柱狀、細長柱狀，晶棱鋒銳、清晰（圖3中49、51號），約95%以上的碎屑鋯石均具巖漿成因鋯石所具有的振蕩環(huán)帶（圖3中25、40、57、66號），進一步說明巖漿成因類型占主要。300～350 Ma這組次峰年齡鋯石共有18粒，U，Th含量分別為60×10-6～555×10-6和29×10-6～248×10-6，其Th/U比值為0.32～0.77，平均為0.48，結(jié)合陰極發(fā)光結(jié)構(gòu)分析，大部分均呈自形柱狀，巖漿韻律環(huán)帶發(fā)育（圖3中2、47號），顯示為巖漿成因鋯石。

元古代年齡鋯石共計8粒，年齡區(qū)間分別位于（701±11）Ma、1 467～1 623 Ma、1 941～2 174 Ma，其中1粒顯示為新元古代年齡，1粒顯示為中元古代年齡，6粒顯示為古元古代年齡。另出露有1粒206Pb/238U加權(quán)平均年齡為（3 144±22）Ma，屬古太古代。圖3中12、19、48、62、67均打在復合鋯石核部，206Pb/238U加權(quán)平均年齡分別為（1941±26）Ma、（2171±23）Ma、（701±11）Ma、（1 623±29）Ma、（1 963±29）Ma。上述碎屑鋯石年齡較分散，陰極發(fā)光圖像顯示為黑色不分帶圓卵狀（圖3中19、54、67），無振蕩環(huán)帶及自形特征，故初步推斷一種可能是由于早期的碎屑鋯石受到了變質(zhì)改造，其地質(zhì)意義暫不明確;另一種可能即這些碎屑鋯石來自于前寒武紀中深變質(zhì)巖系，今后需做進一步研究論證。

3.2? 砂巖的物質(zhì)來源判別

伊犁盆地是在伊犁微地塊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的內(nèi)陸中新生代山間裂陷-坳陷復合型盆地，石炭—二疊紀和侏羅紀為盆地的主造山成盆期[31]。南北天山洋盆在造山帶開始收縮，大洋板塊向伊犁地塊下俯沖，在伊犁地塊南北緣形成巖漿弧，到晚泥盆—早石炭世時，板塊俯沖作用加劇，形成大量沿那拉提山北緣和科古琴山、博努科努山南緣呈線性帶狀分布的一套晚泥盆—早石炭世大哈拉軍山組中酸性火山碎屑巖[32，33]。

研究區(qū)砂巖野外露頭發(fā)育有不同規(guī)模的楔狀交錯層理（多為小型楔狀交錯層理），其指向標志表明碎屑物源主體來源于南部。巖相學方面表明，頭屯河組砂巖中碎屑多以中酸性火山巖巖屑和長石等不穩(wěn)定組分為主，次為石英等穩(wěn)定組分（來源于中酸性火山巖），整體分選性、磨圓度差，存在大量火山巖屑及不同程度蝕變的不穩(wěn)定長石礦物，故初步推斷其物源可能有兩種，其一是火山巖巖屑來源于先形成的主要以火山巖-侵入巖出露的地區(qū)，經(jīng)風化、剝蝕及搬運作用后沉積于蒙其古爾地區(qū);其二為晚泥盆世—早石炭世期間在蒙其古爾地區(qū)南部及其以南地區(qū)發(fā)生過強烈的火山活動，該火山活動形成的火山巖經(jīng)風化剝蝕、搬運后沉積于研究區(qū)。

本文所測試的碎屑鋯石其Th/U比值、CL圖像等特征表明，大部分碎屑鋯石均為巖漿鋯石，表明它們皆來源于巖漿巖區(qū)，其測試年齡中有22粒介于400～450 Ma，18粒介于301～348 Ma，19粒介于450～485 Ma，整體屬奧陶—石炭紀。從收集的區(qū)域資料來看，西天山烏孫山及南部那拉提地塊分布有大面積古生代侵入巖，前人做了一系列的測年研究（表2）。從上述收集的年代學資料得出，伊犁地塊南部那拉提山地區(qū)出露的早古生代巖漿活動侵入時代為407～466 Ma，與本次研究區(qū)頭屯河組測得的39粒碎屑鋯石年齡（400～472 Ma）較一致。烏孫山地區(qū)及南部那拉提山地區(qū)出露的晚古生代巖漿活動侵入巖時代為310～370 Ma，與本次研究區(qū)測試獲得的21粒碎屑鋯石年齡（301～379 Ma）基本一致。另前人對伊犁盆地南側(cè)蝕源區(qū)出露的花崗巖及火山巖進行相關(guān)U-Pb同位素測年工作，得出蝕源區(qū)內(nèi)花崗巖年齡為293～342 Ma，火山巖年齡為235～259 Ma，表明火山作用時代明顯晚于花崗巖漿活動時代[39]。因此，本文初步推斷頭屯河組砂巖的碎屑物主體來源于盆地南側(cè)蝕源區(qū)烏孫山及南部那拉提山地區(qū)出露的早、晚古生代中酸性侵入巖，其中烏孫山源區(qū)主要為博拉森林公園、昭蘇煤礦及莫乎爾村南，那拉提山地區(qū)源區(qū)為新源林場、科克蘇河東岸、森木塔斯等地。

前人針對蒙其古爾鈾礦床含礦砂體和蝕源區(qū)巖石U-Pb同位素體系演化特征做了相關(guān)研究，夏毓亮等對伊犁盆地南部蝕源區(qū)森林公園、洪海溝及察布查爾山南等地區(qū)出露的花崗巖、火山巖以及含礦層內(nèi)沉積砂體均做了相關(guān)的鈾含量測定[39]，得出中酸性火山巖中的鈾含量普遍較高，鈾值介于6.2×10-6～12.9×10-6，含礦層中沉積砂體的原始鈾含量普遍較高，鈾值介于15.9×10-6～26.32×10-6，綜合表明礦區(qū)南部蝕源區(qū)出露的中酸性火山巖可能為盆地砂巖型鈾礦的富集提供了重要的鈾源，且沉積砂體在固結(jié)成巖時期就存在一定程度的鈾富集過程。截至目前，蒙其古爾鈾礦床含礦砂體分布于三工河組和西山窯組內(nèi)，頭屯河組中并未發(fā)現(xiàn)含礦砂體，說明烏孫山及南部那拉提山地區(qū)的早、晚古生代侵入巖并未反映出為該礦區(qū)提供了相關(guān)的鈾源信息。

4? 結(jié)論

（1）頭屯河組碎屑鋯石年齡主要分布于400～450 Ma、450～485 Ma、301～348 Ma 3個區(qū)間內(nèi)。另存在少量（n=9）古老鋯石年齡，其中8粒碎屑鋯石年齡介于701～2 174 Ma，屬元古代，1粒碎屑鋯石年齡為（3 144±22）Ma，屬古太古代。

（2）結(jié)合測區(qū)巖相學及年代學等特征綜合分析表明，蒙其古爾鈾礦床頭屯河組砂巖的碎屑物源主體來源于烏孫山地區(qū)及南部那拉提山地區(qū)出露的石炭紀—奧陶紀中酸性侵入巖，且它們并未反映出為蒙其古爾鈾礦區(qū)提供相關(guān)的鈾源信息。

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Detrital Zircon U-Pb Age of the Toutunhe Formation in the Mengqiguer Uranium Deposit and its Geological Significance，Xinjiang

Huang Guangwen1， Huang Guangnan2， Xue Wanwen1，Pan Jiayong3，Cheng Zhengle4，

Song Taizhong1，Wu Dehai3

（（1.Qinghai Province Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources of Northern Qinghai-Tibet Plateau，Qinghai Geological Survey Institute，Xining，Qinghai，810012，China;2. No.105 Exploration Team，Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration， Xining，Qinghai， 810007，China;3.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology， Nanchang，Jiangxi，330013，China;4.Institute of Geomechanics，

Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）

Abstract： With the improvement of isotope analytical techniques，SHRIMP or LA-ICP-MS dating methods of detrital zircons have been widely used to analyze and predict the formation age of sedimentary basins，the source and their formation geotectonic background of clastic materials.In this paper，the in situ U-Pb dating on zircons by LA-ICP-MS is used to study detrital zircons in Toutunhe Formation sandstones. The results show that zircon ages are mainly 400～450 Ma，450～485 Ma and 301～348 Ma.In addition，there are several ancient zircon ages，mainly 701～2 174 Ma and （3 144±22） Ma.Based on the zircon mineralogical characteristics，CL images，Th/U ratio， petrographical characteristics of sandstones and regional geochronology datas，it is considered that the main source of the sandstones in Toutunhe Formation is mainly from the Carboniferous-Ordovician intermediate-acid intrusive rocks which exposed in the Wusun Mountain and Nalati Mountain area，and they do not reflect the relevant uranium source information for the Mengqiguer uranium mining area.

Key words： Mengqiguer;Detrital zircon U-Pb dating;Sandstone;Material