東天山阿奇山鉛鋅礦形成時代的確定：來自石榴子石LA
--ICP--MS U--Pb年齡的制約

文斌，張元厚，楊萬志，杜尚澤，王鵬，劉金偉，陳蕾

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質調查院，烏魯木齊 830000；3.中國地質科學院 礦產資源研究所 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037

0 引言

成礦年代學的研究對于礦床成因以及成礦作用研究起到重要作用，隨著科學技術的發(fā)展，年代學測試方法被廣泛應用于金屬礦床的研究中，如40Ar--39Ar法、U--Pb法、Sm--Nd法、Rb--Sr法和Re--Os法等。通常礦床形成及演化過程極其復雜，同時礦床的形成具有多階段特征，因此礦床形成時間的確定，需要在基礎地質精確研究的基礎上，采用合適的同位素方法，才能精確確定成礦時代。

石榴子石作為造巖礦物之一，廣泛分布于自然界中，通常石榴子石具有變質成因、巖漿作用成因、接觸變質成因以及熱水噴流沉積成因等。由于石榴子石具有較高的封閉體系溫度，可以作為年代學研究對象，Mezger et al.[1]、Burton et al.[2]和Barrie[3]等學者采用石榴子石U--Pb同位素方法得到了精確年齡。但由于石榴子石礦物中較低的U含量且多賦存于包裹體中[4--5]，因此石榴子石U--Pb同位素在年代學研究中存在一定缺陷。近年來在對鈣榴石的研究過程中發(fā)現(xiàn)U分布均勻，且主要賦存于石榴子石的晶格中，可通過U--Pb同位素分析實現(xiàn)對鈣榴石形成時間的精確限定[6--12]。

東天山阿奇山鉛鋅(銅)礦床礦體周圍存在大量層狀石榴子石，與礦體產狀一致，觀察研究表明石榴子石的形成時間可以較好地反映礦體的形成時間。東天山阿齊山Pb--Zn(Cu)礦床位于烏魯木齊市東南部，約400 km處，小熱泉子VMS型礦床和康古爾金及多金屬礦床的南部，是2013年由新疆地質礦產調查院發(fā)現(xiàn)的大型鉛鋅(銅)礦床。自礦床發(fā)現(xiàn)起研究者已經進行了大量研究，部分學者研究認為該礦床為矽卡巖型礦床[13]，夏冬等[14]通過對花崗斑巖體的研究認為該礦床為火山沉積--熱液疊加型礦床，鄧莉明等[15]通過硫鉛同位素的研究認為該礦床為火山熱液型礦床，仇銀江等[16]通過對野外地質概況的研究認為該礦床為熱水噴流沉積型礦床。對于礦床成因問題的研究一直存在爭議，而礦床形成時間的精確確定對于礦床成因的研究至關重要[17]。前人對于阿奇山礦體周圍的雅滿蘇組火山巖以及花崗巖侵入體進行的研究表明礦床形成時間為340～320 Ma[18--23]，但并未對與礦體共生的石榴子石進行定年研究。

筆者通過石榴子石U--Pb同位素定年結合花崗斑巖中鋯石U--Pb定年對阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍的石榴子石以及花崗斑巖巖體進行研究，以確定礦床的形成時間，為礦床成因研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質背景

東天山覺羅塔格成礦帶位于古亞洲洋南緣，地處西伯利亞板塊與塔里木板塊的聚合地區(qū)，北以康古爾剪切帶與大南湖島弧帶相鄰，南以庫姆塔克杜克斷裂與塔里木板塊接壤，是中國重要的銅、鎳、金、鐵、鉛、鋅等大型礦床集中區(qū)之一，帶內發(fā)育石炭系—二疊系火山巖--海陸相沉積巖，區(qū)域巖漿作用發(fā)育。古生代期間，東天山造山帶經歷了極其復雜的裂解和拼合的構造演化歷史：早古生代奧陶紀裂解和拼合、晚古生代晚泥盆世—早石炭世裂解、晚石炭世—二疊紀碰撞拼貼[24--31]。

阿奇山鉛鋅礦位于東天山覺羅塔格成礦帶西部，其大地構造位置位于阿奇山—雅滿蘇島弧火山帶，又稱為雅滿蘇裂陷槽[29]。北部以雅滿蘇斷裂帶為界，南部緊鄰阿奇庫克杜克斷裂帶(圖1)。

研究區(qū)地層主要為雅滿蘇組和上石炭統(tǒng)土古土布拉克組[24]。雅滿蘇組地層主要發(fā)育中酸性火山碎屑巖，夾少量凝灰質砂巖、粉砂巖、礫巖以及生物碎屑灰?guī)r等，不僅是錳礦的重要含礦層也是阿奇山鉛鋅礦重要含礦地段，礦體周圍大面積發(fā)育石榴子石矽卡巖，與礦體產狀一致，呈層狀、似層狀分布在地層中(圖2)。地層中的流紋巖以及安山巖鋯石U--Pb年齡顯示其形成時間為320 Ma±[20--23]。

圖1 東天山構造格架(a)與礦產分布圖(b)(據(jù)文獻[32]修改)

上石炭世土古土布拉克組，與雅滿蘇組為不整合接觸關系，分布于礦區(qū)的南部，總體巖性組合為中酸性火山巖夾沉積巖組合，產狀穩(wěn)定，呈NEE--SWW走向，傾向SE，傾角約60°。底部發(fā)育一套礫巖，中部發(fā)育灰綠、紫紅色英安質晶屑凝灰?guī)r、凝灰質砂巖、粉砂巖，上部發(fā)育灰綠色、紫紅色晶屑巖屑凝灰?guī)r、凝灰質細砂巖、粉砂巖以及頂部的紫紅色英安質火山角礫巖、角礫熔巖及凝灰?guī)r，夾灰綠色安山巖。

伴隨東天山古亞洲洋開與合的地質事件，發(fā)育了泥盆紀(386.5～369.5 Ma)、早石炭世(349～330 Ma)、晚石炭世—晚二疊世(320～252 Ma)等3期花崗質巖石和超鎂鐵質巖石的侵位[33]。

研究區(qū)構造樣式簡單，整體表現(xiàn)為一單斜構造，區(qū)域發(fā)育1條NE向斷裂構造以及4條NW向次生走滑斷裂構造。NE向斷裂構造與地層走向大體一致，NW向次生斷裂為左旋平移斷層，切穿花崗斑巖侵入體，依其產出特征，斷裂對礦體無明顯控制作用，推測其為成礦后斷裂[34]。

圖2 阿奇山鉛鋅礦地質簡圖(據(jù)文獻[35]修改)

2 礦床地質特征

阿奇山鉛鋅礦化集中在山前緩坡帶，長3 600 m、寬180～800 m的范圍內，地表圈出礦體42條，鉛鋅礦體長80～3 000 m、視厚2～106 m，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀，礦體傾向SE、傾角35°～45°，與地層產狀一致(圖2) 。上部鋅礦體主要賦存于中--粗粒石榴子石矽卡巖中，頂板為細粒石榴子石矽卡巖，底板為鈉長石化巖屑凝灰?guī)r；下部鉛鋅礦主要賦存于火山凝灰?guī)r、凝灰質粉砂巖中，Zn平均品位0.5%～1.21%，Pb平均品位0.3%～0.9%，Pb+Zn平均0.63%～1.77%。局部鉆孔巖芯中，見有碳質泥巖，Pb、Zn和Cu品位較高，礦床規(guī)模為中到大型。

礦石礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、黃銅礦、毒砂、磁鐵礦、白鎢礦和鏡鐵礦等。脈石礦物主要有方解石、石英、綠簾石、重晶石、石膏、透閃石和石榴子石等。礦石結構類型比較簡單，主要包括自形--半自形粒狀結構、他形結構、碎裂結構、交代結構和乳滴狀結構(圖3)。

礦區(qū)內礦石構造主要有浸染狀、條帶狀、似層狀、網脈狀和角礫狀等(圖4)。圍巖蝕變主有石榴子石--透輝石化、鈉長石--硅化、綠簾石化--綠泥石化，局部見有重晶石化、石膏化等。

阿齊山鉛鋅礦床具有上層下脈的分布特征，即上部呈現(xiàn)矽卡巖型層狀鋅礦石，下部為裂隙脈狀、角礫狀鋅礦石，伴有硅化、綠泥石化、綠簾石化。根據(jù)阿奇山鉛鋅礦礦體及礦石結構構造特征，該礦床可以劃分為2個成礦期4個成礦階段(表1)，其中層狀礦體中可以劃分為2個成礦階段：①黃鐵礦--閃鋅礦成礦階段：見有自形程度很高的黃鐵礦，黃鐵礦邊部見有共生的閃鋅礦、石榴子石與黃鐵礦界線平直，周圍無蝕變交代特征。②黃鐵礦--黃銅礦--方鉛礦--閃鋅礦成礦階段：該階段見有黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦以他形填隙結構分布在石榴子石的晶間空隙中。交代蝕變作用較弱。閃鋅礦中見有乳滴狀的黃鐵礦和星點狀的方鉛礦。網脈狀礦體中的方解石脈中見有少量黃鐵礦化，同時受后期氧化作用影響，黃鐵礦周圍發(fā)育褐鐵礦化。

Sp.閃鋅礦；Py.黃鐵礦；Cp.黃銅礦；Gn.方鉛礦；Grt.石榴子石；Q.石英。

a.紋層狀、條帶狀構造；b、c.脈狀網脈狀構造；d.角礫狀構造。

表1 阿奇山鉛鋅礦床主要礦物生成順序圖表

圖5 阿奇山鉛鋅礦床剖面圖

礦體附近巖漿作用發(fā)育，在礦體上部見有花崗斑巖巖體(圖5)，偶見少量中--酸性巖脈。如圖2花崗斑巖位于礦體南部，巖體走向NE，長約3 000 m，寬80～380 m，侵入于雅滿蘇組地層(圖5)。花崗斑巖體地表風化剝蝕嚴重，接觸界線不易區(qū)分，被北西向次生走滑斷層錯斷，巖石風化面為黃褐色，新鮮面為灰白色，中粗粒斑狀結構，塊狀構造，斑晶主要以斜長石和石英為主，斜長石含量約55%～60%，多呈自形--半自形板狀，長度多為1～2 mm，少量長度為2～3 mm，聚片雙晶和環(huán)帶結構均較發(fā)育，部分晶體具明顯絹云母化。石英含量約12%～13%，他形粒狀，粒徑多為0.2～1 mm，波形消光現(xiàn)象發(fā)育?；|為隱晶質礦物。周圍見有少量二長花崗斑巖，輝綠巖中的鋯石U--Pb年齡為237 Ma。

綜合區(qū)域地質特征，層狀礦體中的石榴子石以及花崗斑巖體的形成時間，可以反映礦床的形成時間。選取ZK4801、ZK4803中的石榴子石進行U--Pb同位素定年，以期確定阿奇山鉛鋅礦床的成礦時間。其中阿奇山地區(qū)的石榴子石手標本上可見褐色、黃綠色--灰綠色石榴子石礦物，石榴子石顯微鏡下主要為半自形--他形粒狀，粒徑多為0.3～1 mm，少量粒徑1～1.5 mm，極高突起。石榴子石可以分為兩種類型：褐色石榴子石樣品AQ4803采自層狀礦體，與礦體產狀一致，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴重，見有綠簾石，黃鐵礦等硫化物沿裂隙發(fā)育，邊部發(fā)育較窄的環(huán)帶。AQ4801灰綠色石榴子石矽卡巖采自層狀礦體上部。

阿奇山鉛鋅礦床礦區(qū)花崗斑巖體中鋯石U--Pb年齡引自文獻[13]，鋯石樣品為巖漿鋯石，共測試15個鋯石U--Pb同位素測試點，206Pb/238U年齡為(312±5)～(299±5)Ma，U--Pb和諧圖上交點年齡為(309±0.28)Ma(MSWD=0.17；n=15)，校正后的加權平均年齡(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)。

3 分析方法

將石榴子石樣品制作成電子探針片，在顯微鏡下對石榴子石進行觀察研究拍照后，通過掃描電鏡和電子探針分別進行BSE采集(圖6)以及石榴子石主量元素分析。電子探針在吉林大學地球科學學院巖礦測試與制樣中心進行，采用電子探針X射線顯微分析儀(Electron Microprobe)，型號JXA--8230。U--Pb同位素在中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室進行，采用飛秒激光剝蝕系統(tǒng)高分辨電感耦合等離子體質譜(fs--LA--HR--ICP--MS)分析完成，飛秒激光剝蝕系統(tǒng)為Applied Spectra公司的J200，激光輸出波長343 nm，激光脈沖寬度<480 fs。分析石榴子石的激光能量設定為50%，束斑為60 μm，頻率為8 Hz。電感耦合等離子質譜為Thermo Element XR。ZK4801共測試49個樣品點，ZK4803共測試35個樣品點，每個測試點的時間共3 min，詳細的分析方法同文獻[11]。石榴子石數(shù)據(jù)分析采用軟件ICPMSDataCal[36]完成。

a. 4801--1; b. 4801--3石榴子石單偏光鏡下照片；c. 4801--2;d. 4803--1石榴子石BSE圖像。

4 分析結果

4.1 石榴子石主量元素

對阿奇山鉛鋅礦床石榴子石樣品AQ4801、AQ4803進行主量元素分析(表2)，石榴子石主要為鈣鐵榴石--鈣鋁榴石固溶體系列。石榴子石三角分類圖如圖7所示，電子探針成分計算表明樣品AQ4801主要為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列(And97Gro2～And50Gro48)，AQ4801--2核部發(fā)育鈣鐵榴石，邊部為少量的鈣鋁榴石，SiO2、CaO和MnO含量分別為34.79%～37.17%、32.71%～34.05%和0.32%～0.78%；Al2O3和FeO含量分別為0.01%～9.88%和14.51%～27.10%，MgO和TiO2含量較低。樣品AQ4803為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列(And96Gro2～And28Gro70)，SiO2含量為35.13%～37.74%，CaO含量為32.46%～34.82%，MnO含量為0.39%～0.85%，Al2O3和FeO含量分別為0.11%～14.91%和8.45%～27.26%，少量MgO和TiO2。

4.2 石榴子石U--Pb同位素分析結果

阿奇山地區(qū)的石榴子石手標本上可見褐色、灰綠色石榴子石礦物，五角十二面體，石榴子石顯微鏡下主要為半自形--他形粒狀， 粒徑多為0.3～1 mm，少量粒徑1～1.5 mm。淡粉色，極高突起，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴重，見有綠簾石化現(xiàn)象，BSE圖像顯示石榴子石不發(fā)育環(huán)帶特征(圖6c)，少量石榴子石邊部發(fā)育細小環(huán)帶(圖6d)。樣品AQ4801石榴子石矽卡巖為灰綠色、褐色，其中以灰綠色為主，無明顯環(huán)帶特征。樣品AQ4803主要為褐色，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴重，見有綠簾石化黃鐵礦化等硫化物沿裂隙發(fā)育，邊部發(fā)育較窄的環(huán)帶。電子探針結果表明石榴子石主要為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列，F(xiàn)e含量較高(圖7)。

石榴子石U--Pb同位素數(shù)據(jù)如表3所示，樣品AQ4801石榴子石矽卡巖中的石榴子石U含量1.0×10-6～32.2×10-6，共分析49個激光點，在T--W U--Pb諧和圖上其下交點206Pb/238U年齡為(316.3 ± 4.4)Ma(MSWD = 1.4；n=49)，207Pb校正的206Pb/238U加權平均年齡為(314.6 ± 3.9)Ma(MSWD = 1.15)。樣品AQ4803石榴子石U含量5.4×10-6～61.2×10-6，分析35個激光點，其中有效點13個，在T--W U--Pb諧和圖上其下交點206Pb/238U年齡為(317 ± 18)Ma(MSWD = 1.4；n=13)，207Pb校正的206Pb/238U加權平均年齡為(323±15)Ma(MSWD=0.6)(圖8)。

Gro.鈣鋁榴石；And.鈣鐵榴石；Alm.鐵鋁榴石；Pyr.鎂鋁榴石；Spe.錳鋁榴石。

圖8 石榴子石U--Pb諧和圖和207Pb校正的206Pb/238U加權平均年齡圖

表3 阿奇山石榴子石LA--ICPMS U--Pb同位素分析結果

續(xù)表3

5 討論

LA--ICP--MS石榴子石U--Pb同位素方法的應用為新疆東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體成礦時代的確定提供了新的研究方法，為礦床成因的研究提供了重要依據(jù)。東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍大量分布層狀石榴子石矽卡巖，電子探針分析表明主要為鈣鐵榴石--鈣鋁榴石等鈣榴石系列，實驗研究證明僅在鈣榴石中U分布十分均勻，且主要賦存于礦物晶格中[4]。相較于其他石榴子石，如錳鋁榴石、鐵鋁榴石、鎂鋁榴石等具有較低的U含量[5]，鈣榴石系列具有較高的U含量。阿奇山礦床周圍石榴子石U--Pb同位素測試結果顯示石榴子石具有較高的U含量(AQ4801 U含量為1.0×10-6～32.2 ×10-6，AQ4803 U含量為5.4×10-6～61.2×10-6)。符合石榴子石U--Pb同位素定年方法的研究要求，因此樣品AQ4801與AQ4803石榴子石U--Pb同位素定年結果可以較好地反映礦物的生成時間。

阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍的石榴子石矽卡巖與礦體產狀一致具有較好的層狀特征(圖2)。U--Pb同位素定年結果AQ4801年齡為(314.6±3.9)Ma(MSWD=1.15)，AQ4803年齡為(323±15)Ma(MSWD=0.6)，兩類石榴子石年齡在誤差范圍內一致，同時與雅滿蘇組地層流紋巖以及安山巖鋯石U--Pb年齡一致，形成于晚石炭世。在石榴子石樣品中(圖6)，樣品AQ4801石榴子石為黃綠色，無明顯蝕變特征，礦物成分均勻。AQ4803石榴子石為褐色礦物,碎裂結構發(fā)育，在石榴子石礦物裂隙以及礦物晶間空隙中見有金屬硫化物等。阿奇山鉛鋅礦金屬礦物具有不同的礦化階段，礦體中含有自形--半自形的黃鐵、鉛鋅礦和閃鋅礦等,與石榴子石界線清晰，同時如圖3中礦物的晶間空隙充填他形閃鋅礦、黃鐵礦等。礦體南側的花崗斑巖體中的鋯石U--Pb年齡為(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)?；◢彴邘r體(圖5)侵入雅滿蘇組地層，形成時間晚于礦體的形成時間，與花崗斑巖體中的U--Pb同位素定明年結果一致。

結合礦床地質特征，阿奇山鉛鋅礦地區(qū)的灰?guī)r無明顯蝕變，與典型的矽卡巖礦床存在差異，且該礦床的礦化樣式剖面上部以紋層狀為特征，下部發(fā)育少量的網脈狀、浸染狀礦化；平面上，礦石礦物則從中心向外呈黃銅礦、黃鐵礦、閃鋅礦、含鐵閃鋅礦、方鉛礦、磁鐵礦、赤鐵礦到Mn--Fe--Ti氧化物，礦體具有明顯的上層下脈的沉積模式，具有熱水噴流沉積礦床構造特征。含礦圍巖主要為流紋巖、流紋質凝灰?guī)r以及大面積層狀石榴子石矽卡巖，與礦體產狀一致，可以精確限制礦床的成礦時代。

6 結論

(1)東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體上部主要為層狀、似層狀，下部發(fā)育脈狀、網脈狀礦體，典型的雙層構造，具有熱水噴流沉積型礦床的構造特征。

(2)據(jù)阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍石榴子石U--Pb同位素定年結果顯示，阿奇山鉛鋅礦床礦體形成于早石炭世末—晚石炭初(323～314.6 Ma)。