新疆北山地區(qū)清白山礦集區(qū)剝露史及對礦產(chǎn)保存的制約

張文高，陳正樂，鄭利宏，李季霖，劉博，趙同陽，周振菊，閆巧娟

摘? 要：新疆北山地區(qū)清白山礦集區(qū)位于中亞造山帶南緣東天山造山帶與北山造山帶交界部位，近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一系列多金屬礦產(chǎn)，成礦潛力巨大。研究從分析礦集區(qū)剝蝕程度的角度，以礦集區(qū)內(nèi)與成礦關(guān)系密切的花崗巖體為研究對象，利用磷灰石裂變徑跡技術(shù)，結(jié)合溫度-時間熱史模擬反演，推測礦集區(qū)的剝蝕程度，探討清白山礦集區(qū)多金屬礦產(chǎn)深部的找礦潛力。研究結(jié)果顯示，樣品裂變徑跡年齡集中在（（50±5）～（84±5）） Ma之間，溫度-時間反演模擬結(jié)果表明，北山地區(qū)在晚白堊世經(jīng)歷過快速隆升過程。100 Ma以來，清白山礦集區(qū)剝蝕厚度累計約2.85 km，結(jié)合礦集區(qū)礦產(chǎn)分布特征，認為研究區(qū)深部還有較大找礦潛力。

關(guān)鍵詞：磷灰石; 裂變徑跡; 熱年代學(xué); 礦產(chǎn)保存; 清白山礦集區(qū)

清白山礦集區(qū)位于新疆北山地區(qū)，大地構(gòu)造上處于東天山造山帶與北山造山帶的交界部位。近年來，清白山地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了清白山鉛鋅礦、清白山東金多金屬礦及聚源鎢礦等礦產(chǎn)地，指示了研究區(qū)優(yōu)越的成礦條件[1-5]。前人從成礦地質(zhì)背景、區(qū)域成礦系列、礦床成因及找礦模型等不同方面對清白山礦集區(qū)進行過較多的研究[4，6-9]，認為研究區(qū)以發(fā)育前寒武紀變質(zhì)基底和古—中生代巖漿為特征，區(qū)內(nèi)多金屬礦產(chǎn)與古亞洲洋的形成與演化密切相關(guān)，形成了由洋盆初始演化階段形成的古老地塊中的MVT型鉛鋅礦、沉積型鈷錳、釩、磷礦、俯沖消減階段形成的造山型金礦及后碰撞階段形成的石英脈型鎢多金屬礦的區(qū)域成礦系列，上述研究明顯提升了清白山地區(qū)的研究程度。由于研究區(qū)地處戈壁，地表露頭極差，且賦礦地層主要為前寒武系深變質(zhì)地層，地層和構(gòu)造產(chǎn)狀極不穩(wěn)定，導(dǎo)致在清白山礦集區(qū)開展構(gòu)造控礦分析較為困難，對礦集區(qū)深部找礦潛力還存在爭議，影響了研究區(qū)構(gòu)造-巖漿事件對礦體形成與改造的研究程度，制約了下一步找礦勘查工作的部署。

隨著低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，通過定量提供地質(zhì)體時間和溫度的演化歷史，有效制約不同礦帶礦區(qū)的隆升剝露特征，推測礦床深部的找礦潛力已經(jīng)成為可能[10-15]。清白山礦集區(qū)成礦系列中的多金屬礦產(chǎn)，分別具有不同的形成深度，現(xiàn)均出露于地表，一方面受構(gòu)造作用影響，另一方面體現(xiàn)研究區(qū)存在強烈隆升剝露歷史。前人在東天山構(gòu)造帶和北山構(gòu)造帶均進行過較多低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究，認為東天山新生代以來，地殼穩(wěn)定，構(gòu)造活動不明顯[10-15，20，21]。但上述研究多為區(qū)域上的整體認識，對清白山礦集區(qū)范圍內(nèi)的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究，目前還未見發(fā)表。

本次研究選擇清白山礦集區(qū)出露的典型花崗巖樣品，利用磷灰石裂變徑跡技術(shù)及溫度-時間模擬反演，分析研究區(qū)中生代以來的隆升-剝露過程，探討礦集區(qū)成礦后的礦床改造-保存過程，預(yù)測深部資源潛力，為下一步找礦勘查部署提供依據(jù)。

1? 區(qū)域地質(zhì)背景

清白山礦集區(qū)位于中亞造山帶南側(cè)，塔里木地塊北緣，北山增生造山帶北部，其北側(cè)為中天山地塊和紅柳河蛇綠混雜巖帶。研究區(qū)出露地層主要為前寒武紀變質(zhì)巖基底，北部分布少量早古生代蓋層，中南部主要分布石炭—二疊紀裂谷沉積。研究區(qū)整體位于鹽灘-紅柳灘復(fù)式背斜和平臺山復(fù)背斜內(nèi)，發(fā)育紅柳河斷裂和三架山斷裂。其中紅柳河斷裂位于研究區(qū)北部，為中天山地塊與北山古生代裂谷系的分界斷裂，該斷裂為一系列斷裂組成的寬1～2 km的斷裂帶，沿斷裂巖石破碎，并發(fā)育各種糜棱巖、碎裂巖，具多期活動特點，該斷裂既是控巖構(gòu)造，也是導(dǎo)礦容礦構(gòu)造。三架山斷裂是研究區(qū)最重要的斷裂構(gòu)造，近兩年發(fā)現(xiàn)的清白山鉛鋅礦、清白山西鉛鋅礦點、清白山東金礦點均分布在三架山斷裂南側(cè)，三架山斷裂兩側(cè)地質(zhì)體的剪切變形、扭曲直接影響其礦層分布情況[5]。研究區(qū)巖漿活動頻繁，晚志留世、泥盆紀、石炭紀及二疊紀均有巖漿侵入活動，侵入巖主要為二長花崗巖、花崗閃長巖及少量輝長巖?；鹕綆r以二疊紀玄武巖為主。分布在不同時代的巖漿活動為清白山礦集區(qū)鉛鋅、金、鐵、錳等礦產(chǎn)提供了優(yōu)越的成礦條件。研究區(qū)在成礦區(qū)帶上屬磁海-大水Fe- Mn-Au-Pb-Zn-W-Sn-Co-Cu-Ni-Pt-磷-鈉硝石-鹽類礦帶[4]。研究區(qū)內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)以Fe，Mn，Co，Zn，Pb，Au，W，V，P，螢石為主，雖規(guī)模較小，但礦點眾多。清白山礦集區(qū)所處的地質(zhì)位置由于具有突出的成礦區(qū)帶特征，地、物、化背景突出，在成礦時間和空間分布上與所處地層、巖性、巖漿巖、構(gòu)造有著緊密聯(lián)系，綜合控制特征較突出，顯示出明顯的分布規(guī)律。

2? 樣品采集處理及測試結(jié)果

本次樣品采樣位置見圖1。分別采集了清白山花崗巖樣品4件，樣品盡可能采集新鮮的花崗巖露頭，以免受到后期蝕變影響，樣品高程利用手持GPS獲得，并依據(jù)局部地形進行校正。通過挑選花崗巖內(nèi)的磷灰石顆粒，用于裂變徑跡測年分析。

磷灰石裂變徑跡分析（AFT）采用外探測器法，巖石樣品經(jīng)過粉碎、分選和晾干，經(jīng)初選后利用電磁、重液及介電等手段，對單礦物提純，分離出磷灰石的單礦物顆粒。然后將磷灰石顆粒固定在聚四氟乙丙烯塑料片和環(huán)氧基樹脂上，制成光薄片，并拋光至礦物顆粒內(nèi)表面露出。將磷灰石薄片在恒溫25℃的7%的 HNO3溶液中蝕刻30 s 以揭示自發(fā)徑跡[14]。將低鈾白云母（小于4×10-9）蓋在光薄片上作為外探測器，與磷灰石顆粒貼緊，然后與CN5（磷灰石）標準鈾玻璃一并接受熱中子輻照。完成后，在25℃條件下的40%的HF中蝕刻白云母外探測器 20 min揭示誘發(fā)徑跡。裂變徑跡年齡采用Zeta常數(shù)法校準，Zeta常數(shù)ζ=410±17.6。樣品的粉碎和分選在廊坊市地科勘探技術(shù)服務(wù)有限公司進行，磷灰石裂變徑跡測試在北京市澤康恩科技有限公司完成。

本次研究選擇4個典型花崗巖體進行采樣測試，每個樣品測試的磷灰石單顆粒數(shù)量均為35粒，挑選徑跡數(shù)量較多的樣品（D1884-3，D1894-2）進行熱演化歷史模擬[11]。本次測試樣品除D18105-5外，P （x2）均大于 5%，裂變徑跡選用“合并年齡”（Pool Age）。D18105-5樣品P （x2）小于5%，選用中值年齡。本次測試樣品單顆粒徑跡年齡在誤差范圍內(nèi)集中（圖2）。樣品測試結(jié)果顯示，樣品的裂變徑跡年齡集中在（50±5） ～（84±5） Ma之間（表1）。前人研究顯示，新疆北山清白山花崗巖的侵位時代主要集中在400 Ma左右[6-7]，所有樣品的磷灰石裂變徑跡年齡都遠小于原巖花崗巖的侵位時代，表明其年齡值代表了后期的構(gòu)造隆升-剝蝕的熱冷卻年齡，而非巖漿冷卻年齡。樣品徑跡長度集中在（12.2±1.8）～（13.2±1.8） μm，主體呈單峰分布，具有未經(jīng)擾動的基巖類型特征。

3? 磷灰石的溫度-時間反演模擬

前人研究表明，裂變徑跡的長度信息記錄了樣品接近150℃以下所有的熱歷史，因而對徑跡長度的研究可獲取更多的溫度-時間信息。根據(jù)實測的裂變徑跡數(shù)據(jù)和徑跡長度的參數(shù)，本次研究利用HeFly軟件[16]，開展了磷灰石的溫度-時間反演模擬研究。在模擬過程中，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析，結(jié)合磷灰石裂變徑跡的封閉溫度，設(shè)定約束條件，樣品的模擬結(jié)果見圖3。每個樣品模擬時，模擬結(jié)果的長度擬合度（K-S Test）和年齡配分擬合度（Age GOF）都遠大于0.5，表明模擬結(jié)果是可靠的和可行的[17-18]。

模擬結(jié)果顯示，兩個樣品的溫度-時間曲線都記錄了100～80 Ma的快速冷卻事件，表明新疆北山地區(qū)在中—晚白堊世發(fā)生了強烈的構(gòu)造隆升過程，導(dǎo)致研究區(qū)花崗巖體抬升至近地表。在60～20 Ma之間，北山地區(qū)的隆升速率明顯變慢，開始進入準平原化的階段，構(gòu)造活動較弱。值得注意的是，兩個樣品的溫度-時間曲線均記錄了20 Ma以來北山地區(qū)快速的隆升過程。本次野外工作在吐哈盆地漸新—中新統(tǒng)桃樹園組雜色砂礫巖內(nèi)觀察到褶皺變形及逆沖斷層（圖4），可能為該期隆升事件的構(gòu)造響應(yīng)。

4? 剝蝕速率與剝蝕深度

裂變徑跡數(shù)據(jù)反演的溫度-時間曲線可用來計算研究區(qū)域的平均剝蝕狀況，通常稱為剝蝕厚度（Denudation），表示以地表為參考系，地層剝露厚度的總量。而冷卻速率則是地質(zhì)熱歷史演化的一個重要指標，對于冷卻速率的計算，可依據(jù)公式：

Cr =（θm - θsurf）/tm… （1）

公式中θm為磷灰石裂變徑跡的封閉溫度，θsurf為現(xiàn)今地表溫度;tm為樣品的裂變徑跡年齡[19]。本次研究將磷灰石裂變徑跡的封閉溫度限定為110℃，現(xiàn)今地表溫度限定為20℃。根據(jù)公式（1），樣品D1884-3，D1892-2，D18105-5和D1947-1的冷卻速率分別為1.8℃/Ma，1.07℃/Ma，1.47℃/Ma和1.4℃/Ma。

為了計算研究區(qū)的剝露速率，需要估計古地溫梯度，不同構(gòu)造區(qū)、不同地質(zhì)時期的地溫梯度相差較大。本次研究選取的古地溫梯度為35℃/km。冷卻速率與地溫梯度的比值即為剝露速率。因此，樣品D1884-3，D1892-2，D18105-5和D1947-1的剝露速率分別為0.051 mm/a，0.031 mm/a，0.042 mm/a，0.040 mm/a，平均剝露速率為0.041 mm/a。該剝露速率反映了新疆北山地區(qū)自84 Ma以來的剝蝕狀態(tài)。

利用熱歷史反演圖中的溫度-時間曲線，可分階段的計算不同地質(zhì)歷史時期的剝蝕程度。觀察兩個樣品的溫度-時間曲線，可以發(fā)現(xiàn)，二者均自100 Ma以來開始快速隆升，約在70 Ma快速隆升結(jié)束，研究區(qū)進入緩慢抬升階段，從20 Ma至今又開始快速隆升。因此，可將研究區(qū)的剝蝕歷史粗略分為100～70 Ma快速隆升，70～20 Ma緩慢抬升及20 Ma至今快速隆升3個階段，分別計算剝蝕量，再累加即為研究區(qū)100 Ma以來總體剝蝕量。

一般計算剝蝕厚度可利用某時間段內(nèi)下降的溫度值比相應(yīng)的古地溫梯度，即可計算出該時間段內(nèi)的剝露厚度，其公式如下：

D =（θB – θO）/G… （2）

公式中D為剝蝕厚度（km），θB為樣品記錄的快速冷卻事件開始時的溫度，θO代表快速冷卻事件結(jié)束時的溫度，G代表快速冷卻事件發(fā)生時研究區(qū)古地溫梯度[12，19]。θB可以在溫度-時間曲線上讀出，冷卻事件結(jié)束時間為現(xiàn)今，記為0 Ma，結(jié)束點溫度近似于地表溫度，取20℃。則可計算出研究區(qū)不同時期的剝蝕厚度。

第一階段快速冷卻時間內(nèi)，溫度-時間曲線顯示，溫度快速從120℃以上經(jīng)過部分退火帶，下降到磷灰石的封閉溫度以上，取古地溫梯度為35℃/km，該階段清白山地區(qū)平均剝蝕厚度D1=1.71 km，平均冷卻速率為2℃/Ma。第二階段緩慢隆升時間內(nèi)，模擬熱歷史較平坦，指示巖體較長時間均保持穩(wěn)定，未發(fā)生隆升。本次計算忽略該階段的剝露厚度，將剝蝕厚度D2視為0。第三階段清白山地區(qū)又發(fā)生快速冷卻，由10 Ma到現(xiàn)今，將冷卻事件結(jié)束時間記為0 Ma，結(jié)束時的溫度記為20℃，則該階段剝蝕厚度D3為1.14 km。

綜上所述，清白山礦集區(qū)100 Ma至今的總平均剝露厚度D = D1 + D2 + D3 = 1.71 + 0 + 1.14 = 2.85 km。

5? 討論

5.1? 新疆北山晚白堊世構(gòu)造隆升事件

前人研究表明，晚白堊世整個天山山脈普遍經(jīng)歷強烈的隆升-剝露過程，筆者之前在西天山進行的花崗巖裂變徑跡數(shù)據(jù)顯示，晚白堊世西天山北段和中段都發(fā)生了明顯的快速隆升-剝露事件，且該過程是由南向北擴張的[14]。結(jié)合前人對天山地區(qū)磷灰石裂變徑跡研究結(jié)果認為[20-24]，天山及其鄰區(qū)在晚白堊世都經(jīng)歷了快速隆升過程。特別對研究區(qū)具參考意義的清白山西側(cè)、東天山地塊內(nèi)，劉紅旭等對阿奇山-雅滿蘇地區(qū)花崗巖進行的磷灰石裂變徑跡研究，也顯示了晚白堊世的快速隆升[21]，表明在晚白堊世時期新疆北山地區(qū)和東天山地區(qū)經(jīng)歷了相同的隆升-剝露過程，紅柳河斷裂兩側(cè)的地層經(jīng)歷了相似的構(gòu)造過程。東天山地區(qū)與新疆北山地區(qū)上白堊統(tǒng)整體缺失，應(yīng)為這期構(gòu)造隆升事件的沉積響應(yīng)。對于晚白堊世構(gòu)造隆升事件的動力學(xué)機制，前人進行過多方面的討論。多數(shù)學(xué)者贊同其為晚白堊世科希斯坦島弧向北的拼貼-增生作用的遠程效應(yīng)[24，26]，郭召杰等提出天山白堊紀的隆升過程可能是古中亞造山帶解體剝蝕事件的響應(yīng)，天山造山帶的形成過程可能與白堊世巖漿底辟作用相關(guān)[20]。但越來越多的數(shù)據(jù)表明，天山造山帶不同塊段之間，具有明顯不同的隆升過程，其隆升的動力學(xué)機制，可能不能用單一的來源來解釋。本次研究表明，至少在晚白堊世時期，新疆北山地區(qū)與東天山地區(qū)可能為同一整體隆升，具相似的隆升過程。

5.2? 隆升-剝露過程對礦產(chǎn)保存的制約

清白山礦集區(qū)存在著區(qū)域性的紅柳河斷裂和三架山斷裂，其中三架山斷裂是研究區(qū)重要的控礦斷裂，控制著清白山鉛鋅礦、清白山東金礦以及聚源鎢礦的產(chǎn)出。野外調(diào)查顯示，三架山斷裂發(fā)育明顯的韌性變形，斷裂帶內(nèi)灰?guī)r中可見代表逆沖推覆的堆垛構(gòu)造（圖5-a），且灰?guī)r內(nèi)發(fā)育“A”型褶皺，樞紐與剪切帶延伸方向一致（圖5-b）;拉伸線理清晰，傾伏向東，傾伏角約30° （圖5-c），還可見不對稱褶皺，指示左行剪切（圖5-d）;有變形礫巖中S-C組構(gòu)指示左行剪切。一般來說，韌性變形為深層次的變形，主要形成于地殼5 km以下。結(jié)合前文對研究區(qū)剝蝕厚度的計算，研究區(qū)總剝蝕量不超過3 km，但三架山韌性變形出露于地表，可能為研究區(qū)在100 Ma之前，已經(jīng)歷過構(gòu)造抬升，本次計算的剝蝕量為樣品經(jīng)過封閉溫度以來的剝蝕量，且研究區(qū)經(jīng)歷過多期次的變形，導(dǎo)致深層變形因褶皺或逆沖推覆抬升至地表。三架山斷裂韌性變形表現(xiàn)為明顯的強弱應(yīng)變帶分帶產(chǎn)出，也證明了后期構(gòu)造作用的影響。特別是對于清白山東金礦，前人認為是韌性剪切帶型金礦[5]，而韌性剪切帶型金礦的成礦元素遷出區(qū)域與成礦元素富集區(qū)域存在空間位置的差異[27]，成礦元素富集區(qū)一般位于脆韌性轉(zhuǎn)換帶附近。據(jù)本次計算的剝蝕量，相對于韌性變形形成深度來說，研究區(qū)剝蝕程度并不大，可能深部還存在有利的找礦區(qū)域。

6? 結(jié)論

（1） 通過磷灰石裂變徑跡技術(shù)，對新疆北山清白山礦集區(qū)的花崗巖體進行低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究，樣品的裂變徑跡年齡集中在（50±5）～（84±5） Ma之間，100 Ma至今的剝蝕厚度為2.85 km。

（2） 熱史模擬顯示，新疆北山地區(qū)在晚白堊世經(jīng)歷過快速強烈的隆升，且在晚白堊世時期，新疆北山地區(qū)與東天山地區(qū)經(jīng)歷了相似的構(gòu)造隆升過程。

（3） 通過剝蝕厚度的計算，對比清白山礦集區(qū)的礦產(chǎn)分布特征，認為研究區(qū)剝蝕程度不大，礦產(chǎn)保存狀態(tài)較理想，深部勘探潛力較大。

致謝：感謝審稿人的意見，使作者受益頗豐！

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Exhumation history of qingbaishan ore concentration district in eishan area of Xinjiang and its constraints on mineral preservation

Zhang Wengao1， Chen Zhengle1， Zheng Lihong2， Li Jilin1， Liu Bo1， Zhao Tongyang3，

Zhou Zhenju1， Yan Qiaojuan1

（1. Institute of Geomechanics， Chinese Academy of Geological Sciences ， Beijing，100081， China; 2. China Gold Science and Technology Co.Ltd，Beijing，100176， China; 3. Xinjiang Institute of Geological Survey，

Urumqi， Xinjiang， 830000， China）

Abstract： The Qingbaishan ore - concentration district in the Beishan area of Xinjiang is located at the junction of the eastern Tianshan orogenic belt and the Beishan orogenic belt on the southern margin of the Central Asian orogenic belt. In recent years， a series of polymetallic minerals have been discovered in this area， and it indicates that it has great metallogenic potential. In this study， from the perspective of analyzing the denudation degree of the ore concentration area.The granite body closely related to mineralization in the ore concentration area is taken as the research object.Using apatite fission track technology and temperature time thermal history simulation inversion， the denudation degree of the ore concentration area is speculated， and the deep prospecting potential of polymetallic minerals in qingbaishan ore concentration area is discussed. The results show that the fission track ages of the samples range from （50 ± 5）Ma to （84 ± 5）Ma. The temperature time inversion simulation results show that the Beishan area of Xinjiang experienced a rapid uplift process in the late Cretaceous. Since 100 Ma， the denudation thickness of Qingbaishan ore concentration district has accumulated about 2.85km. Combined with the mineral distribution characteristics of the ore concentration area， it is considered that there is still great prospecting potential in the deep part of the study area. This conclusion has a certain reference value for the deployment of prospecting and exploration in Qingbaishan ore concentration district.

Key words：Apatite;Fission track; Thermochronology; Ore preservation; Qingbaishan ore concentration district