西天山察漢烏蘇鐵礦鋯石U-Pb年代學(xué)及Lu-Hf同位素示蹤

邢金春 白權(quán)金 郭新成 張建收 高軍 楊有生

摘? 要：察漢烏蘇鐵礦位于西天山阿吾拉勒晚古生代裂谷帶東段，礦體賦存于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段火山巖中。通過(guò)對(duì)察漢烏蘇鐵礦礦體頂板圍巖進(jìn)行巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)、同位素年代學(xué)分析來(lái)探討火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境、成巖時(shí)代及成巖物質(zhì)來(lái)源。地球化學(xué)分析表明，察漢烏蘇鐵礦礦體頂板圍巖為鈣堿性系列，構(gòu)造環(huán)境為島弧。通過(guò)鋯石U-Pb測(cè)年，獲得206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（324.3±3.4） Ma，屬早石炭世晚期。二階段模式年齡tMD2變化于618.40～903.84 Ma，具古老地殼的源區(qū)屬性，察漢烏蘇鐵礦成巖物質(zhì)來(lái)源于虧損地幔并有基底物質(zhì)的加入。

關(guān)鍵詞：中亞造山帶;阿吾拉勒晚古生代裂谷帶;大哈拉軍山組;地球化學(xué)特征;構(gòu)造背景;LA-ICP-MS 鋯石U-Pb;? Lu-Hf同位素

中亞造山帶是位于西伯利亞板塊和塔里木-中朝板塊之間的巨型造山帶，西天山造山帶是中亞巨型復(fù)合造山帶的重要組成部分，為西伯利亞板塊、塔里木板塊、古亞洲洋在演化過(guò)程中的多陸塊拼合增生、俯沖、碰撞的產(chǎn)物，是世界上最復(fù)雜的造山帶之一。西天山阿吾拉勒晚古生代裂谷帶自西向東依次分布有式可布臺(tái)、松湖、尼新塔格-阿克薩依、查崗諾爾、智博、敦德、備戰(zhàn)等一系列與石炭紀(jì)火山作用有關(guān)的鐵礦床，且絕大多數(shù)鐵礦床賦存于石炭紀(jì)大哈拉軍山組火山巖中[1-10]。對(duì)該組火山巖構(gòu)造環(huán)境還存在較大爭(zhēng)議：①與造山后巖漿作用有關(guān)的大陸裂谷環(huán)境;②與地幔柱有關(guān)的裂谷環(huán)境;③大陸邊緣或島弧環(huán)境;④大陸減薄拉張環(huán)境。察漢烏蘇鐵礦位于阿吾拉勒晚古生代裂谷帶東段，鐵礦產(chǎn)出于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段火山巖中，筆者對(duì)察漢烏蘇鐵礦開(kāi)展了研究工作，收集和整理了大量的野外一手成果資料，本次重點(diǎn)對(duì)大哈拉軍山組第三段c巖層英安巖的主量元素、微量元素、稀土元素特征、LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年代學(xué)及Lu-Hf同位素示蹤進(jìn)行研究，為察漢烏蘇鐵礦勘查提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為進(jìn)一步對(duì)阿吾拉勒一帶晚古生代火山巖的研究乃至對(duì)整個(gè)西天山晚古生代火山巖的研究提供新的資料。

1? 區(qū)域地質(zhì)背景

察漢烏蘇鐵礦位于阿吾拉勒（裂谷帶）Fe-Au-Cu- Pb-Zn-煤-硫鐵-重晶石礦帶[11]，隸屬于天山興蒙造山系，伊寧-中天山地塊，伊犁裂谷-阿吾拉勒晚古生代裂谷[12]，受天山北緣斷裂與尼古拉耶夫線-那拉提北坡斷裂控制（圖1）。區(qū)域上出露地層主要有：上泥盆統(tǒng)艾爾肯組、下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段、下石炭統(tǒng)阿克沙克組第二段、下石炭統(tǒng)艾肯達(dá)坂組、下—中侏羅統(tǒng)水西溝群及第四系等??。察漢烏蘇鐵礦賦存于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組，該組為一套濱海相火山碎屑沉積建造，主要為中基性火山熔巖，酸性火山熔巖次之，少量火山碎屑巖、沉積巖的巖石組合。區(qū)域侵入巖較發(fā)育，時(shí)代有元古代、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)，泥盆、石炭系內(nèi)均有分布，多呈小型巖株、巖枝狀，延伸方向與區(qū)域構(gòu)造線方向基本一致。區(qū)域構(gòu)造處于阿吾拉勒晚古生代裂谷帶東部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造形跡主要為脆性斷裂，多呈環(huán)狀，放射狀。

2? 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1? 地層

察漢烏蘇鐵礦區(qū)出露地層為?：下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段、下石炭統(tǒng)阿克沙克組第二段及少量的第四系全新統(tǒng)。下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段為一套濱海相火山碎屑巖、火山熔巖、沉積巖組成，巖性主要為深灰色英安質(zhì)凝灰?guī)r、黑色玄武巖、灰色（玄武）安山巖、灰白色英安巖、大理巖、礫巖、砂巖等。主要為一套爆發(fā)相火山碎屑巖→溢流相基性熔巖→溢流相中酸性熔巖→沉積巖相巖石組合，據(jù)火山噴發(fā)旋回及巖石組合特征將下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三段進(jìn)一步分解為4個(gè)層?：a巖層以爆發(fā)相英安質(zhì)凝灰?guī)r為主;b巖層以溢流相玄武巖為主;c巖層以溢流相英安巖為主;d巖層以沉積相碎屑巖為主（圖2-A，B）。a巖層與b巖層呈斷層接觸，b巖層、c巖層、d巖層呈整合接觸關(guān)系。區(qū)內(nèi)磁鐵礦體賦存于a、b層，b層內(nèi)磁鐵礦體直接出露地表，a層內(nèi)僅深部見(jiàn)磁鐵礦盲礦體。察漢烏蘇鐵礦共圈出磁鐵礦體14條，編號(hào)為L(zhǎng)1～L14號(hào)，在大哈拉軍山組第三段a層內(nèi)共圈定磁鐵礦體共7條，編號(hào)依次為L(zhǎng)8～L14號(hào)礦體;b層內(nèi)共圈定磁鐵礦體7條，編號(hào)依次為L(zhǎng)1～L7號(hào)礦體。區(qū)內(nèi)主要礦體為L(zhǎng)5、L6、L8。

2.2? 構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，察漢烏蘇鐵礦整體位于一倒轉(zhuǎn)向斜南翼，向斜核部地層為下石炭統(tǒng)阿克沙克組，兩翼為大哈拉軍山組，向斜軸面向北陡傾，傾角大于80°，向斜軸面走向約280°，向東西兩側(cè)均延出研究區(qū)，向斜核部整體呈負(fù)地形，巖石具強(qiáng)片理化。區(qū)內(nèi)規(guī)模較大斷裂為F5斷層，斷層走向約280°，傾向NE，傾角75°～85°，為左行走滑斷裂，斷層以北為阿克沙克組第二段，以南為大哈拉軍山組第三段，兩側(cè)巖石均發(fā)生強(qiáng)烈的劈理化和碎裂巖化，局部具糜棱巖化，石英網(wǎng)脈發(fā)育。不同規(guī)模的無(wú)根褶皺變形普遍存在，可見(jiàn)不同規(guī)模的拖曳褶皺，表現(xiàn)出脆性斷裂特點(diǎn)，該斷裂穿過(guò)察漢烏蘇鐵礦體，對(duì)礦體有較大破壞作用。

2.3? 英安巖特征

察漢烏蘇鐵礦大哈拉軍山組第三段主要為一套火山碎屑巖-火山熔巖-沉積巖組合，巖性主要為英安質(zhì)凝灰?guī)r、玄武巖、（玄武）安山巖、英安巖等，前人已對(duì)英安質(zhì)凝灰?guī)r、玄武巖、（玄武）安山巖進(jìn)行了深入研究[15-20]，但對(duì)英安巖研究較少，本次重點(diǎn)對(duì)礦體頂板英安巖進(jìn)行研究，英安巖巖石特征見(jiàn)圖3。

英安巖構(gòu)成大哈拉軍山組第三段c巖層主體，分布于礦區(qū)南部，構(gòu)成向斜的南翼的一部分，大哈拉軍山組第三段c巖層與b、d巖層均呈整合接觸關(guān)系，厚54～581 m，灰白色，細(xì)粒斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)具球粒包含結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶以自形板狀更長(zhǎng)石為主，長(zhǎng)石斑晶以自形棱角狀、次棱角狀為主，蝕變強(qiáng)烈，基質(zhì)由球粒包含結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)英礦物組成;在球粒間有細(xì)小片狀的綠泥石、他形粒狀的石英、次生的方解石、半自形粒狀的黃鐵礦，黃鐵礦邊緣少量褐鐵礦化。顯微鏡下觀察斑晶中長(zhǎng)石表面有次生絹云母，斑晶石英受構(gòu)造擠壓，表面多裂紋，巖石片理化，沿片理有定向分布的絹云母。

3? 英安巖巖石地球化學(xué)特征

3.1? 主量元素

筆者在察漢烏蘇鐵礦區(qū)礦體頂板采集6件巖石化學(xué)樣品（表1）。據(jù)火山巖TAS圖解（圖4），樣點(diǎn)均落入英安巖中，與野外定名及巖礦鑒定成果基本一致，且均落入Irvine分界線下方，屬亞堿性巖。

SiO2含量66.91%～73.82%，平均70.24%;Al2O3含量高，變化大，為12.96%～15.33%，平均14.32%;全堿含量（K2O+Na2O）2.56%～5.84%，平均4.84%，里特曼指數(shù)0.21～1.26<4，屬鈣堿性巖系（太平洋型）;TiO2含量0.26%～0.48%，平均0.38%，含量相對(duì)較低;MgO含量0.41%～1.57%，平均1.07%。在巖石系列判別圖中（圖4），樣品落入鈣堿系列，屬鈣堿巖石系列。

3.2? 稀土元素

從樣品的稀土元素分析結(jié)果和特征參數(shù)可知（表1），英安巖稀土總量88.75×10-6～129.57×10-6，均值100.89×10-6;輕稀土總量均值84.03×10-6;重稀土總量均值16.86×10-6;LREE/HREE為3.39～7.52，平均5.48，大于地殼平均值1.15，說(shuō)明巖石分異程度較強(qiáng) [21];（La/Yb）N均值5.03，稀土分布曲線為右傾式較陡，呈現(xiàn)輕稀土富集、重稀土虧損的特點(diǎn);（La/Sm）N均值5.04，反映輕稀土之間分餾程度較好;（Gd/Yb）N平均1.36，說(shuō)明重稀土之間分餾一般;δCe均小于1，平均0.94，顯示負(fù)異常特征，與海洋環(huán)境特征相同;δEu平均0.73，小于1，顯示負(fù)異常特征，且普遍虧損Sr，說(shuō)明巖漿形成時(shí)斜長(zhǎng)石作為殘留相存在，在巖漿演化過(guò)程中發(fā)生了斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用[22]。

經(jīng)對(duì)比前人對(duì)區(qū)內(nèi)凝灰?guī)r、（玄武）安山巖、玄武巖研究成果資料 [15-20]，稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布圖趨勢(shì)基本相似，說(shuō)明其成巖物質(zhì)來(lái)源具一定的相關(guān)性，且與OIB 分布模式近似一致（圖5）。

3.3? 微量元素

原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分布圖上，呈近似一致的鋸齒狀分布（ 圖5）。富集大離子親石元素K，Rb，Ba，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb，Ta，P，Ti。K/Rb在177.52～1 313.33，平均391.83;Rb/Sr一般在0.01～0.29，平均0.19（小于0.5），屬巖漿早期偏晚演化階段形成;Ba/Rb一般在3.10～27.60，平均8.66;Nb/Ta平均8.27。

經(jīng)對(duì)比前人對(duì)區(qū)內(nèi)凝灰?guī)r、（玄武）安山巖、玄武巖的研究成果資料[15-20]，由玄武巖→（玄武）安山巖→英安巖微量元素Ba減少而Rb增加，Ba/Rb逐漸減少，Nb/Ta逐漸降低，說(shuō)明巖漿分異作用增強(qiáng)，這也印證了區(qū)內(nèi)火山巖演化是由玄武巖→（玄武）安山巖→英安巖的成巖過(guò)程。

4? 英安巖鋯石U-Pb年齡和Lu-? ? ? Hf同位素示蹤

4.1? 鋯石U-Pb年齡

筆者在大哈拉軍山組第三段c巖層針對(duì)英安巖采集1件U-Pb同位素測(cè)年樣品，采樣位置見(jiàn)圖2。挑選的鋯石大多呈無(wú)色透明，以粒狀為主，粒徑約為100～250 μm，較破碎，韻律環(huán)帶清晰，Th/U 比值為0.45～0.95（均值0.4），顯示具巖漿成因特性。選擇其中較完整的25顆鋯石進(jìn)行測(cè)定， 206Pb/238U表面年齡在313～362 Ma（圖6），數(shù)據(jù)點(diǎn)中有15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)諧和性較好，206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（324.3±3.4） Ma，MSWD =0.61，代表其形成年齡屬早石炭世（圖7，表2）。

4.2? 鋯石Lu-Hf同位素

本次對(duì)英安巖U-Pb年齡諧和性較好的15顆鋯石進(jìn)行Lu-Hf同位素分析測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置位于鋯石U-Pb定年的同一顆鋯石相同部位同一巖漿震蕩環(huán) 。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可看出（表3），鋯石176Lu/177Hf值為0.000 989～0.002 470 4，平均0.001 481。Hf元素的組成比較單一，176Hf/177Hf（t）值為0.282 773～0.282 899;鋯石年齡計(jì)算的εHf（t）為6.731 024～11.252 046，單階段模式年齡tMD1位于512.65～689.12 Ma ;二階段模式年齡tMD2變化于618.40～903.84 Ma，具古老地殼源區(qū)屬性[24]，二階段模式年齡更能反映源區(qū)物質(zhì)在地殼中的平均年齡[25]，εHf（t）變化范圍較大-0.052 797～4.430 697， 176Hf/177Hf 均大于0.282 7，176Lu/177Hf值低于上地殼0.009 3，單顆鋯石二階段模式年齡均遠(yuǎn)大于單階段模式年齡，表明源區(qū)物質(zhì)在地殼中存在較長(zhǎng)時(shí)間。由圖8可知，點(diǎn)都集中分布在球粒隕石Hf同位素演化線之上與虧損地幔之間，代表成巖物質(zhì)來(lái)源于虧損地幔并有基底物質(zhì)的加入。

5? 討論

5.1 巖石構(gòu)造環(huán)境

英安巖具相對(duì)較高的Al2O3，Na2O，K2O，低MgO，CaO，TiO2，屬鈣堿性巖石系列;微量元素富集大離子親石元素K，Rb，Ba，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb，Ta，P，Ti，顯示典型島弧環(huán)境特征。通過(guò)微量元素地球化學(xué)研究認(rèn)為，其類似于OIB。在花崗巖的構(gòu)造環(huán)境（Rb）-（Yb）+ （Nb）判別圖中（圖9），樣點(diǎn)投入火山弧花崗巖區(qū)域。綜上確定察漢烏蘇鐵礦火山巖成巖構(gòu)造環(huán)境為島弧環(huán)境。

5.2? 成巖時(shí)代

本次筆者在大哈拉軍山組第三段c巖層采集鋯石U-Pb年齡測(cè)試樣一件，選擇較完整的25顆進(jìn)行測(cè)定，其中有15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)諧和性較好，206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（324.3±3.4） Ma，MSWD =0.61，代表其形成年齡，屬早石炭世。英安巖的年齡基本代表察漢烏蘇鐵礦火山巖年齡，屬早石炭世。

5.3? 成巖物質(zhì)來(lái)源

Hf同位素單階段模式年齡、二階段模式年齡表明，巖石源區(qū)物質(zhì)在地殼中存在較長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)，Hf模式年齡遠(yuǎn)大于成巖年齡表明，其巖漿源區(qū)受到過(guò)地殼物質(zhì)的混染[25]。察漢烏蘇鐵礦火山巖成巖物質(zhì)來(lái)源具一定的相關(guān)性，英安巖成巖物質(zhì)來(lái)源基本能代表察漢烏蘇鐵礦火山巖物質(zhì)來(lái)源，察漢烏蘇鐵礦成巖物質(zhì)來(lái)源于虧損地幔并有基底物質(zhì)的加入。

6? 結(jié)論

（1） 察漢烏蘇鐵礦大哈拉軍山組火山巖產(chǎn)出構(gòu)造環(huán)境為島弧環(huán)境。

（2） 察漢烏蘇鐵礦英安巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡為（324.3±3.4） Ma，屬早石炭世。

（3） 察漢烏蘇鐵礦成巖物質(zhì)來(lái)源于虧損地幔并有基底物質(zhì)的加入。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 莫江平，黃明揚(yáng)，覃龍芳，等.新疆預(yù)須開(kāi)普臺(tái)鐵銅礦床成因探討[J].地質(zhì)與勘探，1997，33（4）：7-12.

[2]? ? 馮金星，石福品，汪幫耀，等.西天山阿吾拉勒成礦帶火山巖型? 鐵礦[M].北京：地質(zhì)出版社，2010.

[3]? ? 汪幫耀.新疆西天山查崗諾爾和智博火山巖型鐵礦礦床地質(zhì)特征與成因研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[4]? ? 李風(fēng)鳴，彭湘萍，石福品，等.西天山石炭紀(jì)火山-沉積盆地鐵錳礦成礦規(guī)律淺析[J].新疆地質(zhì)，2011，29（1）：55-60.

[5]? ? 董連慧，馮京，莊道澤，等.新疆富鐵礦成礦特征及主攻類型成礦模式探討[J].新疆地質(zhì)，2011，29（4）：416-422.

[6]? ? 張博，汪幫耀，荊德龍，等.新疆西天山備戰(zhàn)鐵礦礦床地質(zhì)特征與礦床成因[J].西北地質(zhì)，2015，48（1）：145-163.

[7]? ? 李大鵬.新疆西天山阿吾拉勒鐵礦帶疊加成礦作用[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2012.

[8]? ? 蔣宗勝，張作衡，侯可軍，等.西天山查崗諾爾和智博鐵礦區(qū)火山巖地球化學(xué)特征、鋯石U-Pb年齡及地質(zhì)意義[J].巖石學(xué)報(bào)，2012，28（7）：2074-2088.

[9]? ? 王春龍，王義天，董連慧，等.新疆西天山松湖鐵礦床稀土和微量元素地球化學(xué)特征及其意義[J].礦床地質(zhì)，2012，31（5）：1038-1050.

[10]? 荊德龍，張博，汪幫耀，等.新疆西天山尼新塔格鐵礦區(qū)石炭紀(jì)火山巖地球化學(xué)特征及其成因研究[J].地球化學(xué)，2015，44（4）：377-391.

[11]? 董連慧，馮京，劉德權(quán)，唐延齡，屈迅，王克卓，楊在峰.新疆成礦單元?jiǎng)澐址桨秆芯縖J].新疆地質(zhì)，2010，28（01）：1-15.

[12]? 董連慧，馮京， 屈迅，等.中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)志.新疆維吾爾自治區(qū)礦床成礦系列圖[M].北京：地質(zhì)出版社，2017.

[13]? 汪幫耀，荊德龍，姜常義，等.西天山阿吾拉勒火山巖型鐵礦帶東段成礦地質(zhì)背景與成礦機(jī)理[J].巖石學(xué)報(bào).2017.

[14]? 荊德龍. 西天山阿吾拉勒成礦帶鐵礦成礦作用與成礦規(guī)律研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

[15]? 孫吉明，馬中平，徐學(xué)義，等.新疆西天山備戰(zhàn)鐵礦流紋巖的形成時(shí)代及其地質(zhì)意義[J].地質(zhì)通報(bào)，2012，31（12）：1973-1982.

[16]? 韓瓊，弓小平，毛磊，等.西天山備戰(zhàn)鐵礦成巖年代厘定及礦床成因研究[J].新疆地質(zhì)，2013，31（2）：136-140.

[17]? 王騰. 新疆備戰(zhàn)鐵礦床地質(zhì)特征及成因[D].成都理工大學(xué)，2014.

[18]? 張博，汪幫耀，荊德龍，等.新疆西天山備戰(zhàn)鐵礦礦床地質(zhì)特征與礦床成因[J].西北地質(zhì)，2015，48（1）：145-163.

[19]? 郭新成，張建收，余元軍，等.新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦地質(zhì)特征及找礦標(biāo)志[J].新疆地質(zhì)，2009，27（4）：341-345.

[20]? 阿麗娜，弓小平，徐謝軍.新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦礦體特征及圍巖蝕變[J].西部探礦工程，2012，24（3）：171-172+175.

[21]? 趙軍，張作衡，張賀，等.新疆阿吾拉勒山西段下二疊統(tǒng)陸相火山巖巖石地球化學(xué)特征、成因及構(gòu)造背景[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87（4）：525-541.

[22]? Boynton W V.Geochemistry of the rare earth elements：Meteostudies[C].Henderson P.Rare Earth Element Geochemis Amsterdam：Elsevier，1984，63-114.

[23]? SUN S S，MCDONOUGH W F.Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts： implications for mantle composition and processes[J].Geological Society，Special Publications，1989，42（1） ： 313-345.

[23]? 宋博，張慧元，魏東濤，等.中亞造山帶南緣中—新元古代地殼的揭示——來(lái)自北山-阿拉善北部鉆遇堿性花崗巖的年代學(xué)和Hf同位素示蹤研究[J].地球?qū)W報(bào)，2021， 42（1）：1-18.

[24]? 吳福元，李獻(xiàn)華，鄭永飛.Lu-Hf同位素體系及其巖石學(xué)應(yīng)用[J].巖石學(xué)報(bào)，2007（2）：185-220