新疆富蕴县索尔库都克铜矿床含矿辉石安山玢岩地球化学及年代学特征＊

姚春彦，董永观，张传林，沈雪华

（中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016）

新疆索尔库都克－哈腊苏铜钼多金属矿集区位于阿尔泰山东段，东起老山口，西至锡伯渡，北到额尔齐斯河，南至喀拉萨依［1］。该矿集区东西长约160km，南北宽约40km，是准噶尔北缘向阿尔泰南缘过渡地区重要的铜、钼、金多金属矿集区。富蕴县索尔库都克铜矿床是该区规模最大的铜矿床，前人对该矿床进行了大量研究，包括含矽卡岩矿石中的石榴石和绿帘石成岩时代（Sm－Nd 等时线年龄，284．3±3．9 Ma❶）、安山质凝灰岩的成岩时代（KAr年龄，274．99±4．5Ma❷）、安山岩的成岩时代（40Ar／39Ar全熔年龄，274．04±1．11 Ma❸）以及赋矿围岩（蚀变安山岩）的成岩时代（Rb－Sr等时线年龄，288±17 Ma［2］）等。此外，对矿床的矿石特征、地质特征及矿床成因及成矿规律等也进行了较多的探讨［1，3－6］。但是，前人对该矿床的含矿岩石（如安山玢岩、辉石安山玢岩）缺乏关注和研究。本文以新疆富蕴县索尔库都克铜矿矿区分布面积较大且与铜矿化较密切的岩石（安山玢岩、辉石安山玢岩）为研究对象，对其开展年代学、地球化学特征研究，揭示其成矿时代和成因类型信息。

1 矿床地质概况及矿化特征

索尔库都克铜矿区位于新疆富蕴县西南，准噶尔盆地北缘，构造上位于西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块的结合部位。区内断裂和褶皱构造发育，断层有30多条，以北西向逆断层为主，北东向平推断层次之（图1），其中最主要的断裂是索尔库都克阔腊断层（矿区称为F1 断层），与成矿有关的裂隙遍布矿区［6－7］。矿体赋存在索尔库都克阔腊背斜的南西翼偏核部，该背斜构造和同时形成的构造裂隙，为索尔库都克铜（钼）矿液的运移及铜、钼矿质的沉淀、富集提供了良好的空间条件❹［7］。

区内侵入岩期次主要有华力西中期、华力西晚期和燕山早期，其中华力西中期侵入活动频繁，岩石类型主要有石英辉长岩、角闪辉长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、碱长花岗岩、正长花岗岩和花岗斑岩等。矿区侵入岩主要分布于东部，以正长花岗岩和花岗斑岩为主，其中辉石闪长岩、闪长玢岩与索尔库都克铜的矿化关系密切［1］。

图1 矿区地质图（a）和索尔库都克铜矿床位置图（b）❹Fig．1 Geological sketch of mining area（a）and the location of the Suorkuduk Cu deposit（b）

索尔库都克铜矿床产于中泥盆统北塔山组第二亚组中（D2b2）。北塔山组第二亚组自下而上可分为3个岩性段：第一岩性段主要分布在矿区北部，下部为凝灰质粉砂岩，角岩化明显，中部为凝灰质岩屑砂岩，上部为长石岩屑砂岩；第二岩性段分布于矿区中部，为主要赋矿层位，主要岩性为凝灰质砂岩、安山玢岩，其次为辉石安山玢岩、安山岩、辉绿岩、玄武岩、含砾凝灰质砂岩，偶见火山角砾岩、硅质岩等；第三岩性段出露于矿区西部，主要为安山玢岩和砾岩。

野外实地调查表明，矿体集中分布在中泥盆统北塔山组第二亚组第二岩性段中，矿体产状与地层产状一致。铜矿主要赋存于辉石闪长岩体外接触带的辉石安山岩、辉石安山玢岩、安山玢岩和凝灰质砂岩中。赋矿围岩蚀变呈带状分布，主要有绿帘石化、石榴石化、透辉石－钙铁辉石化和少量的钾长石化，其中绿帘石化最发育，与矿化关系最密切。矿体与矽卡岩关系密切，大部分产于矽卡岩带中下部的绿帘石、石榴石矽卡岩或石榴石绿帘石矽卡岩中，具有一定的层控性质［8］。铜矿化矿石矿物成分复杂，种类繁多，主要金属矿物为黄铜矿、黄铁矿、次为辉钼矿、闪锌矿、方铅矿、白铁矿和磁铁矿，还有少量碲银矿、自然金、孔雀石等。脉石矿物主要为石榴石、绿帘石和透辉石，次有斜长石、钾长石、石英和方解石等。

2 样品和测试方法

对索尔库都克铜矿床内的赋矿安山玢岩和辉石安山玢岩样品进行了系统采样和分析测试。对安山玢岩和辉石安山玢岩样品进行主量和稀土元素分析；对安山玢岩样品进行锆石U－Pb测年和Hf同位素测试。

2．1 主量元素和稀土元素分析

野外采集的新鲜样品在粉碎前用去离子水清洗，然后在低温（50°C）下烘干24h，人工剔除样品中的脉体，最后将小块样品研磨至200目以备岩石地球化学分析用。全岩的主量元素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室采用ICP－AES方法测定，将0．1000g测试样品粉末与0．125g四硼酸锂混合在玛瑙研钵中磨均匀，将混合后的样品放入石墨坩埚中，放入马弗炉加热到1000°C后持续加热15 min。坩埚冷却后，取出坩埚内的样品熔体柱，加入10%的盐酸溶解，待样品充分溶解后定溶到100mL。将定溶后的样品摇匀后送入电感耦合等离子光谱ICP－AES进行测试。测试误差在2%以内。稀土元素采用ICP－MS方法分析（仪器型号：Finnigan Element2），主要步骤为：（1）将50mg 200目粉末样品加入1mL HF加热至150°C蒸干，除去样品中的Si；（2）分别加入HF和HNO3后，将溶样加热至190°C并保持温度96h以上，然后，蒸发溶液至乳滴状，以除去样品中过量的HF；（4）加入1mL浓HNO3并加热蒸发至乳滴状（重复此过程两次）；（5）继续加入1．6mL HNO3后在140°C条件下保温3～5h，冷却后将样品溶液转移到50mL的离心管中，最后在离心管中加入1mL 500ppb的Rb内标，稀释至50mL刻度；（6）摇匀后送入电感耦合等离子光谱（HR／ICP－MS）进行测试。测试误差在5%以内。

2．2 锆石U－Pb测年及Hf同位素分析

样品中锆石分选采用传统重砂和磁选方法完成。首先将岩石样品破碎，经重砂淘选和电磁选，分选出无磁重矿物，并在双目镜下挑选透明、晶形完好的锆石颗粒约1000粒。选取代表性锆石（大于200粒）均匀粘贴在环氧树脂表面。待环氧树脂充分固化后，将其上的锆石样品打磨至锆石颗粒的中心部位，并进行抛光，制成环氧树脂锆石样品靶。对制作好的样品靶进行反射光、透射光照相，在中国地质科学研究地质研究所离子探针中心对锆石进行阴极发光（CL）显微照相，对锆石内部结构进行研究。在天津地质矿产研究所LA－ICP－MS实验室对样品进行锆石U－Pb定年和原位Hf同位素测试分析。分析方法和流程参见文献［9－10］。

3 分析结果

3．1 主量元素和稀土元素

索尔库都克铜矿侵入岩（安山玢岩、辉石安山玢岩）主量元素、稀土元素分析结果见表1。

辉石安山玢岩的主量元素特征为高硅（SiO2含量为48．15～54．45%），高钛（TiO2为1．01～1．69%），接近典型大洋中脊拉斑玄武岩的TiO2含量（1．5%）［11］，富Al2O3（Al2O3为16．38～17．66%），MgO 含量为3．15～5．8%，富Na2O，K2O／Na2O比值为0．25～0．86，岩石为中－高钾钙碱性系列（图2）。CaO 含量较高（5．01～8．38），A／CN值为1．41～1．53%，A／CNK 为1．24～1．39%。安山玢岩同样具有高硅、高钛，富Al2O3的特征，SiO2含量为60．83%，Al2O3含量为15．94%，MgO含量为2．17%，TiO2为1．02%，富Na2O，K2O／Na2O比值为0．46，CaO 含量较高（5．83），A／CN 值为1．55%，A／CNK为1．29%，岩石为高钾钙碱性系列（图2）。

表1 索尔库都克铜矿辉石安山玢岩和安山玢岩主量元素（%）和稀土元素（×10－6）含量及相关参数Table 1 Major elements（%）and rare earth elements（×10－6）values and relevant parameters of the pyroxene andesitic porphyrites and andesitic porphyrite in the Suorkuduk Cu deposit

图2 索尔库都克铜矿床辉石安山玢岩和安山玢岩K2O－SiO2 判别图解Fig．2 K2O vs．SiO2 plots for pyroxene andesitic porphyrites and andesitic porphyrite in the Suorkuduk Cu deposit

辉石安山玢岩和安山玢岩的稀土元素特征较为类似，在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图（图3）中，两者配分曲线模式近乎一致，表明两者可能具有相同的岩浆源区。辉石安山玢岩和安山玢岩的稀土总量（∑REE）分别为（99．53～163）×10－6和141．44×10－6，∑LREE分别为（83．92～140．43）×10－6和121．83×10－6，∑HREE 分别为（15．61～22．57）×10－6和19．6×10－6。∑LREE／∑HREE比值分别为5．07～6．22和6．21。稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图上表现为轻稀土较重稀土富集（图3）。辉石安山玢岩和安山玢岩的（La／Sm）N比值分别为2．08～2．61 和2．64，（Sm／Yb）N比值分别为2．18～2．59和2．56，均呈轻稀土富集的右倾型配分模式。辉石安山玢岩和安山玢岩的δCe值分别为0．99～1．01和0．95，呈微弱的负异常或正异常，所有样品δEu均呈现微弱的负异常（δEu值分别为0．9～0．98和0．9）。

3．2 锆石U－Pb定年

为了取得索尔库都克铜矿区安山玢岩侵入的确切时间，对安山玢岩中的锆石进行了LA－ICP－MS锆石U－Pb定年，得到了比较好的结果。索尔库都克铜矿床安山玢岩锆石年代学数据见表2。

图3 索尔库都克铜矿床辉石安山玢岩和安山玢岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图Fig．3 Chondrite－normalized REE patterns for pyroxene andesitic porphyrite and andesitic porphyrites in the Suorkuduk Cu deposit

偏光显微镜下安山玢岩中的锆石大部分呈短柱状，粒径介于80～100μm。阴极发光（CL）图像显示，安山玢岩中的大多数锆石具较好的锥面和柱面，具有清晰的韵律环带结构，为典型的岩浆成因锆石。安山玢岩共测定27个点，分布于388．6～402 Ma，且均落在谐和线上（图4），说明388．6～402 Ma代表了岩浆结晶时间，27个点的206Pb／238U 加权平均年龄为396．6±1．2 Ma（MSWD＝2．7）。锆石的w（U）的变化范围为（150．72～512．55）×10－6，w（Th）的变化范围为（45．18～292．92）×10－6；Th／U 比值除一个点的比值（0．06）略小于0．1外，其他测点的Th／U 比值（0．28～0．73）均较变质锆石（＜0．1）的Th／U 比值高。

图4 索尔库都克铜矿床安山玢岩锆石CL 图像（a）和LA－ICP－MS锆石U－Pb定年谐和图Fig．4 Zircon CL images（a），and LA－ICP－MS U－Pb zircon concordant diagram （b）of the andesitic porphyrites in the Suorkuduk Cu deposit

3．3 锆石原位Hf同位素

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锆石Hf同位素的测试在以前进行U－Pb定年锆石的相同部位进行，其初始176Hf／177Hf值通过用相对应的锆石年龄进行校正。所有测试的锆石均得到了质量较好的Hf 同位素数据，所有锆石的176Hf／177Hf的误差值（2σ）均＜0．00002，表明锆石形成后放射性成因Hf积累很少，可以很好地反映锆石形成时Hf同位素组成特征。研究区安山玢岩Hf同位素测试结果见表3。

由表3可知，安山玢岩脉的初始176Hf／177Hf同位素介于0．282864～0．282955 之间，平均值为0．282912；计算后εHf值为＋3．1～＋6．5，平均值为＋4．9。根据锆石的CL特征，绝大多数锆石属岩浆结晶锆石，因此，在锆石TDMHf计算中，采用了两阶段模式。单阶段Hf模式年龄（TDM）为425～567 Ma，二阶段Hf模式年龄（TCDM）为456～778 Ma，其平均年龄为609．4 Ma。

表3 索尔库都克铜矿床安山玢岩Hf同位素数据Table 3 Hf isotopic data of andesitic porphyrite from the Suorkuduk Cu deposit

4 讨论

4．1 成矿时代

矿床的精确测年是研究该矿床主要物质来源、形成机制等问题的基础。由于同位素定年结果与封闭温度的关系极为密切，不同的同位素定年方法所对应的封闭温度存在差异。全岩或矿物的Rb－Sr或K－Ar体系的封闭温度较低（200°C～550°C）［12］，热液蚀变作用可能会导致岩石的Rb－Sr或K－Ar同位素年龄偏小，因此用该方法测得的年龄可能代表了热液蚀变时期或是较晚期同位素体系封闭时的年龄，而不是岩石初始形成的年龄。通过该矿区域性地质特征分析，认为胡蔼琴等（1990）❸发表的主要集中在早二叠世（290～270 Ma）的年龄，反映了该区域在290～270 Ma发生了一期与成矿有关的热事件［13－14］。本次所测安山玢岩样品锆石U－Pb年龄为396．6±1．2 Ma，与矽卡岩矿床所赋存的地层时代一致，表明岩体的侵位结晶年龄为中泥盆世，因此推测索尔库都克矿床铜矿化作用发生在中泥盆世。

4．2 成因类型

对于索尔库都克矿床的成因类型，前人有不同的认识。由于索尔库都克铜矿床蚀变岩矿物组合与“接触交代型”矿床中矽卡岩一致，且成因不是由岩体和围岩在接触带上通过双交代作用所形成的，因此李华芹等（1995）❶将上述蚀变岩称为“似矽卡岩”，并将该矿床定名为似矽卡岩型岩浆热液矿床。王新源（1990）❺认为该矿床具有接触交代矽卡岩化火山热液矿床的某些特征，具备火山热液矿床的特点，因此认为该矿床属火山热液蚀变层控矿床；刘铁庚等（1992）［15］通过对索尔库都克铜矿几个典型特征分析后认为应属于斑岩型铜矿床而不应划入矽卡岩型矿床和块状硫化物矿床；陈仁义等（1995）［4］认为该矿床是发育于火山岩系中的层状类的矽卡岩矿床。董运如等（2010）［6］认为该矿床既不同于一般的由中酸性岩浆与碳酸盐接触交代形成的典型矽卡岩矿床，也不同于非矽卡岩热液矿床，应该属于次火山热液层控型铜（钼）矿床，并提出了该矿床的成矿作用模型：早期来自岩浆房的次火山热液携带成矿有益组分，沿接触带附近或裂隙构造顺层侵入，与中泥盆统北塔山组第二亚组第二岩性段中的中基性火山岩系发生渗滤交代，形成层状、似层状类矽卡岩硫化物矿；晚期在构造作用的影响下，由于地表水的加入，促使流体环境的物理化学条件发生显著变化，导致矿质富集沉淀形成铜（钼）矿床。本文获得的安山玢岩的εHf（t）－Age（Ma）组成落入亏损地幔与下地壳中间且靠近亏损地幔区域，且εHf（t）值为11．3～14．9（图5，表3），属于亏损地幔（DM）的εHf（t）值范围［16］，高于徐义刚等（2007）［17］确定的富集岩石圈地幔值（－16），说明源区具有亏损地幔来源特征［18］。

图5 索尔库都克铜矿安山玢岩锆石εHf－t（Ma）图解Fig．5 εHf vs．t（Ma）diagram for the andesitic porphyrites from the Souorkuduk Cu deposit

与大部分矽卡岩矿床明显不同，索尔库都克含矿建造以凝灰质砂岩和安山玢岩等火成岩系为组合，无碳酸盐。对索尔库都克铜矿石榴石和次透辉石测温，得到均一温度最高达到560°C，成矿压力在35～70 MPa，如此高的温压条件热水环境是无法达到的，黄铁矿和黄铜矿硫同位素组成呈现负值（δ34S＝－3．4‰～－1．5‰），接近陨石硫，说明硫源主要来自深源［4］。刘铁庚等（1995）也测定了该矿石榴石－绿帘石型矿石硫同位素组成（δ34S＝－1．77‰～－10．12‰），石榴石型矿石的硫同位素组成（δ34S＝－3．44‰～－4．46‰）和辉石闪长玢岩样品的硫同位素组成（δ34S＝－2．77‰）［15］。以上数据显示索尔库都克铜矿无论石榴石－绿帘石型矿石或石榴石型矿石或辉石闪长玢岩以及黄铁矿和黄铜矿的硫同位素组成均非常接近，即可能有共同的深源硫。

鉴于稀土元素属于不活泼元素，在热液体系中稀土元素地球化学可以十分有效地示踪成矿流体的来源和水－岩相互作用［19］。索尔库都克铜矿赋矿岩石安山玢岩和辉石安山玢岩的稀土特征元素比例、特征参数变化一致，配分模式非常相似，如均为明显的轻稀土富集的右倾型，Eu轻微负异常（δEu值为0．9～0．98）。由于Eu的异常受到氧化还原环境以及不同压力条件下分异热液流体的影响［19］。一般还原条件和高压条件下分异的热液流体，Eu呈负异常；在低压下分异的流体Eu由负异常向正异常转化［19］。索尔库都克含矿岩石安山玢岩和辉石安山玢岩的Eu呈现轻微负异常，指示Cu成矿物理化学条件为压力相对高的还原环境。

综合前人研究成果，结合本文年代学和地球化学特征，我们较认同董运如等（2010）［6］的观点，认为该矿床应属于火山热液层控型铜（钼）矿床：早期来自于亏损地幔岩浆房的火山热液携带成矿有益组分，沿接触带附近或裂隙构造顺层侵入，与中泥盆统北塔山组第二亚组第二岩性段中的中基性火山岩系发生渗滤交代形成硫化物矿；早二叠世（290～270 Ma）的热液事件使硫化物发生蚀变形成层状、似层状类矽卡岩矿床。

5 结论

（1）新疆富蕴县索尔库都克铜矿床赋矿岩石安山玢岩的锆石U－Pb年龄为396．6±1．2 Ma，表明其侵位结晶年龄为中泥盆世，与矽卡岩矿床所赋存的地层时代一致；在早二叠世（290～270 Ma）时期，该区域曾发生了一期与成矿有关的热事件。

（2）索尔库都克铜矿床属于火山热液层控型铜（钼）矿床，成矿岩体具有主要亏损地幔特征，断裂等构造为容矿构造，早二叠世的热液事件对该矿床有一定的改造作用。

注释

❶李华芹．新疆北部有色金属矿床成矿作用年代学研究．国家305项目专题研究报告．1995．

❷于学元．额尔齐斯火山岩及其含矿性研究．国家305项目专题研究报告．1990．

❸胡霭琴．新疆北部主要地质事件同位素地质年代学研究．国家305项目专题研究报告．1990．

❹唐兴国，王新源，马忠福，等．新疆富蕴县索尔库都克铜矿详查报告．2004．

❺王新源．新疆维吾尔自治区富蕴县索尔库都克矿区及外围普查地质报告．1990．

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