新疆东天山玉海斑岩铜矿锆石SHRIMP U-Pb年龄及构造意义

张照伟, 臧遇时, 王亚磊, 陈寿波

1)国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 西安地质矿产研究所, 陕西西安 710054; 2)陕西省核工业地质局二二四大队, 陕西西安 710024;　3)新疆有色地质勘查局704队, 新疆哈密 839000



新疆东天山玉海斑岩铜矿锆石SHRIMP U-Pb年龄及构造意义

张照伟1), 臧遇时2), 王亚磊1), 陈寿波3)

1)国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 西安地质矿产研究所, 陕西西安 710054; 2)陕西省核工业地质局二二四大队, 陕西西安 710024;3)新疆有色地质勘查局704队, 新疆哈密 839000

摘要:新疆东天山玉海铜矿是2011年新疆有色地质勘查局704队新发现的铜矿床, 现已达到中-大型矿床规模。成矿岩体地质特征、岩石地球化学特征、矿体地质特征及蚀变分带表明, 玉海铜矿具有斑岩型铜矿特征, 其赋矿岩体为一套形成于洋陆俯冲环境的富钠的闪长岩-花岗闪长岩。含矿岩石锆石SHRIMP U-Pb年龄为(422.3±4.0) Ma, 这也是在东天山觉罗塔格成矿带首次发现的早古生代斑岩铜矿。结合区域构造演化特点和康古尔塔格构造带中的古洋壳残片证据, 认为其符合北天山洋自奥陶纪至早石炭世一直俯冲消减的说法, 对早古生代东天山的构造演化给出更进一步的数据支持。对于相同类型矿床的发现与勘查具有较好的启示作用。

关键词:年龄; 构造意义; 斑岩铜矿; 玉海; 新疆东天山

本文由中国地质调查局项目“新疆北部晚古生代大规模岩浆作用与成矿藕合关系研究”(编号: 1212011121092)和“中国与西伯利亚二叠纪大火成岩省对比研究”(编号: 1212011120183)联合资助。

玉海斑岩铜矿是2011年新疆有色地质勘查局704队于新疆东天山新发现的一处铜矿床, 钻孔控制矿体厚度超过100 m, Cu最高品位2.18%, 全部为隐伏矿体。但由于受以往地质和评价工作手段所限,加之地表大面积被中—新生代地层覆盖, 该区的铜矿资源潜力问题一直被人们关注, 但研究程度不深(郭进京等, 1999; 耿林等, 2007; 姜春发, 2009; 计文化等, 2009; Qin et al., 2011; 王居里等, 2013; 刘伟和刘秀金, 2013; 李大鹏等, 2014)。玉海斑岩铜矿位于东天山觉罗塔格构造带内, 该带构造-岩浆作用复杂, 成矿类型多样, 且发育大量内生金属矿床, 一直是地质工作者研究认识东天山地质构造演化、岩浆成矿作用及成矿地球动力学机制的重要场所和天然实验室(Zhou et al., 2005; Lu et al., 2008; 李怀坤等, 2009; 李强和赵丽, 2009; 李文渊等, 2012; 张照伟等, 2014a; 吴玉峰等, 2015)。玉海铜矿所处的具体位置与三岔口铜矿仅7 km, 但与觉罗塔格构造带西段的土屋、延东斑岩铜矿距离达200 km, 并且在玉海斑岩铜矿外围基本上都是二叠纪镁铁-超镁铁质侵入岩及岩浆铜镍硫化物矿床。它们是否为同一构造背景、同期岩浆作用的产物呢？本文拟从成岩成矿时代及岩石地球化学角度探讨岩体的成因进而研究其矿床成因。旨在揭示玉海斑岩铜矿成岩成矿时代及其可能的地球动力学机制, 厘定其构造意义, 同时为区内其他岩体的研究和矿产资源评价提供线索。

天山造山带位于中亚大陆, 横亘于中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯坦、塔吉克斯坦和乌兹别克斯坦,全长约3000 km, 宽200~300 km, 是世界上规模最大, 也是最年轻的造山带之一(图1a)。天山中国境内部分处于准噶尔盆地和塔里木盆地之间, 从地理上可分为东天山和西天山, 是我国重要的矿产资源基地, 蕴藏着石油、铜、镍、金、铀、煤炭、钾盐等亟缺矿产。长期以来, 吸引了国内外众多地学工作者于此开展地质科学研究和矿产资源调查评价工作(李文渊等, 2012)。玉海铜矿产出于康古尔塔格韧性剪切带内, 该带呈NEE走向, 全长超过600 km,也是划分哈萨克斯坦—准噶尔板块与塔里木板块的分界线(图1b)。地表可见一系列断层和挤压带, 整体略向南凸出; 断面较陡直, 多向南倾斜。带内以强烈挤压, 走滑韧性剪切为特征, 构造片岩, 揉皱,劈理, 拉伸线理发育; 岩石中矿物颗粒定向排列、砾石的压扁拉长等现象十分发育, 并可见糜棱岩分布(李文渊, 2004; 汤中立等, 2006; Wang et al., 2006;聂江涛等, 2010; 程学展等, 2011)。

玉海所处的构造带内地质构造复杂, 岩浆活动发育且多样(图1b), 造就了众多内生金属矿床的集中爆发, 尤其是晚古生代的石炭—二叠纪, 像土屋、延东等斑岩型铜矿, 黄山、黄山东、香山、图拉尔根等岩浆铜镍硫化物矿床(李文渊等, 2012; 张照伟等, 2014a)。此外还有大量的铁矿、金矿等。

1　矿床地质特征

1.1岩体特征

图1　新疆东天山玉海铜矿构造位置(a)和区域地质图(b)(据李锦轶, 2004; 李文渊等, 2012修改)Fig. 1　The tectonic location (a) and regional geological map (b) of the Yuhai Cu deposit in Eastern Tianshan Mountains, Xinjiang (modified after LI, 2004; LI et al., 2012)

图2　新疆东天山玉海斑岩铜矿地质简图(据新疆有色地质勘查局704队, 2013)Fig. 2　Simplified geological map of the Yuhai Cu deposit in Eastern Tianshan Mountains, Xinjiang(after No.704 Brigade of Xinjiang Geoexploration Bureau for Non-ferrous Metals, 2013)

玉海铜矿位于新疆东天山觉罗塔格构造带东段北缘, 距离三岔口斑岩型铜矿大约7 km(图2a)。矿区出露地层主要为第三系桃树园组砖红色泥质粉砂岩、砂砾岩等, 总体上覆盖面积超过50%。区内构造以近EW向断裂为主, 地表以岩石强片理化、构造角砾岩、构造蚀变带为主要特征, 深部矿(化)体的富集部位与构造活动有着密切的联系。区内岩浆岩活动频繁, 以海西期中期侵入的斜长花岗岩体和早期形成的闪长质岩体为主; 花岗岩体分布于矿区南带, 呈岩基产出; 闪长质岩体零星出露于矿区北带, 蚀变强烈, 多呈土状风化物分布, 是矿区主要含矿岩体(图2a)。由地表探槽揭露显示, 区内地表石英闪长玢岩蚀变较为强烈, 地表呈土状风化物,呈现出南绿北白的色率差异; 由南往北依次可见绿泥石化、绿帘石化(青磐岩化带)→高岭土化→绢云母化、高岭土化、褐铁矿化(石英绢云母化带)→新生代地层覆盖。其中绢云母化、高岭土化及褐铁矿化在剖面C-D线附件尤为发育且厚度大, 宽100~240 m。

1.2矿体特征

图3　黄铁矿和黄铜矿的形态及定向排列特征(反射光, 10×2.5)Fig. 3　Shape and directional arrangement characteristics of pyrite and chalcopyrite in the Yuhai deposit

表1　玉海矿区成矿岩体主量元素数据分析结果表(%)Table 1　Analytical data of main elements and trace elements in the Yuhai Cu deposit (%)

表2　玉海矿区成矿岩体微量(稀土)元素数据表(×10-6)Table 2　Analytical data of trace elements (REE) of the Yuhai Cu deposit (×10-6)

玉海斑岩铜矿体均为隐伏矿体(图2b, c), 根据施工钻孔见矿情况, 初步圈定出铜矿体8条, 控制矿(化)体长约1510 m, 宽600 m, 面积约0.91 km2,矿体累计视厚度约200 m。矿体呈多层沿倾向平行斜列, 沿走向尖灭再现, 矿体形态为似层状、透镜状, 局部有分支复合现象。产状与含矿岩体基本一致, 即走向280°, 倾向166°, 倾角约10°。矿体长100~1500 m, 厚度1~44 m; 铜品位0.2×10–2~2.18×10–2, 钼品位0.03×10–2~0.18×10–2。矿石结构主要为它形黄铜矿与黄铁矿围边交代结构, 辉钼矿呈半自形叶片状结构。矿石构造主要有细脉浸染状、稀疏浸染状和星点状。矿石中金属硫化物以黄铜矿、黄铁矿为主, 次为辉钼矿、斑铜矿等。脉石矿物以斜长石、角闪石、石英为主, 次为绿泥石、绿帘石、钾长石、黑云母、白云母、绢云母, 可见少量磷灰石、方解石等。

图4　玉海赋矿岩体微量元素原始地幔(a)与稀土元素球粒陨石(b)标准化配分曲线Fig. 4　Primitive-mantle normalized trace elements diagram (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of the Yuhai Cu deposit

黄铁矿为矿石矿物中最常见的硫化物, 多呈半自形或它形细粒、微粒、集合体团块状, 以脉状、浸染状分布, 粒度约在0.05~0.5 mm之间。微、细粒具定向拉长、压扁的特征; 矿物颗粒常呈立方体状、自形-半自形晶体分布, 表明其形成时受到一定的应力作用; 另见部分颗粒较大的黄铁矿发生碎裂现象, 并被帘石类、方解石等后期矿物所充填, 表明矿体在形成之后, 又发生过一期或者多期构造-热液活动, 但是并非全部黄铁矿都遭受了后期改造作用, 可见后期热液活动规模并不大。大多数黄铁矿晶体都可见细脉状定向分布、纺锤体状晶形、压力影现象。而是在成岩作用之后, 伴随构造和热液作用侵蚀原岩, 富集成矿。这是斑岩铜矿形成的典型特征, 即中酸性岩浆侵位→晚期热液演化改造→成矿(图3)。

1.3岩石地球化学特征

玉海含矿岩体主量元素分析在国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室测试中心采用3080E 型X荧光光谱仪上完成, XRF熔片法按GB/T 14506.28–1993进行。微量元素分析采用Thermo-X7电感耦合等离子体质谱仪测定, 仪器工作参数Power: 1200 w, Nebulizer gas: 0.64 L/min, Auxiliary gas:0.80 L/min, Plasma gas:13 L/min。分析所用的试剂硝酸和氢氟酸均为由优级纯酸经亚沸蒸馏装置制得的高纯试剂。

玉海成矿岩体主量元素分析数据见表1。SiO2含量在40.69%~71.71%之间, 其中, 样品YH-3为71.71%, 显示了酸性岩的特征, 样品YH-8由于矿化较强, SiO2只有40.69%, 相对较低, 除这两个样品外, 其余样品的SiO2含量变化范围较小, 全部集中在58.30%~62.86%之间, 属中性岩类(53%~66%); Al2O3含量在11.66%~17.36%之间, 除去YH-3, 则全部分布于15.5%~17.5%之间, 含量变化范围很小; MgO的含量在1.95%~7.88%之间, 除去YH-8中含量偏高, 其余样品含量较稳定, 约为2%~4%; Fe2O3+FeO的含量变化较小, 只有黄铁矿化较强的YH-8的含量比较高, 以及YH-3含量较低, 其它都集中在6%~7%之间; K2O、TiO2含量整体偏低。Na2O/K2O变化于2.6~13.7之间。

岩体的微量和稀土元素分析结果见表2, 稀土元素总量为52.23×10-6~108.54×10-6。稀土元素配分曲线呈轻稀土富集的右倾型(图4b), (La/Yb)N介于1.99~9.29之间, δEu在0.89~1.39之间, 样品的铕异常不明显, 除个别样品Sr含量为358×10-6, 其余全部在600×10-6~800×10-6以上, 表现了典型的幔源特征。Yb为1.02×10-6~2.03×10-6, Y为6.50×10-6~21.8×10-6, 大多处于10×10-6~15×10-6之间。岩石中微量元素中相容元素(Cr, Ni)大多含量较低, 有个别数据出现高值, 推测与蚀变作用有关。大离子亲石元素(Ba, Sr等)含量较高; Sr的含量多集中在607×10-6~828×10-6之间, Sr/Y介于70.17~328.57之间, 表现了不相容元素相对富集的特征。在原始地幔标准化配分图上总体显示Ba、U、Sr、Sm正异常和Th、Nb、Nd、Ti的负异常(图4a)。矿石与成矿岩石稀土元素配分模式及微量元素蛛网图特征一致, 与本区为斑岩型矿床特征吻合。

2　定年样品处理及锆石特征

本次研究中用于挑选锆石的样品采于玉海矿区ZKx–01和ZKx–02的300~500 m深度的闪长岩和花岗闪长岩, 岩石新鲜。锆石分选工作在廊坊河北地质矿产勘查局区域地质研究院实验室进行。将样品破碎至60~80目, 先用磁法和重液分选, 然后在双目镜下挑选。将挑选好的锆石样品与标样(TEM)

样品一起排列在固定位置上, 随后用磨具注入环氧树脂, 抽真空, 烘干, 树脂固化后对其进行打磨,抛光。对靶上的标样及待测锆石进行透射光和反射光照相, 确定锆石的内部包裹体及裂纹的发育情况。随后对靶进行超声波清洗、镀金, 在扫描电镜下进行阴极发光(CL)照相。阴极发光照相在北京离子探针中心HITACHI S3000-N型扫描电镜和GATAN公司Chroma阴极发光探头仪器上完成。

表3　玉海矿区成矿岩体SHRIMP U-Pb测试数据表Table 3　SHRIMP U-Pb analytical data for zircons from the Yuhai Cu deposit

图5　新疆东天山玉海斑岩铜矿锆石CL图像Fig. 5　CL diagram of zircons in the Yuhai Cu deposit, Eastern Tianshan Mountains, Xinjiang

阴极发光照片显示所测锆石具有明显的岩浆振荡环带(图5), 为典型的岩浆锆石, 选点时尽量避开锆石中的包裹体及裂纹发育部位。具体分析测试条件及流程见Compston等(1992)和宋彪等(2002)。所测样品的206Pb/238U比值采用澳大利亚TEMORA(417 Ma,206Pb/238U=0.06683)进行校正。单点测量的绝对误差为1σ, 普通铅根据实测的204Pb进行校正。年龄加权平均值计算采用Isoplot软件,加权平均年龄置信度为95%。

3　测试结果

图6　玉海成矿岩体SHRIMP U-Pb年龄谐和曲线图Fig. 6　SHRIMP U-Pb concordia diagram of the Yuhai Cu deposit

玉海矿床含矿岩体锆石测试数据见表3。在锆石U-Pb年龄谐和图上, 各数据点均位于谐和曲线附近, 谐和度较好; 根据前寒武纪年龄用207Pb/235U年龄值, 寒武纪以及之后的年龄用206Pb/238U年龄值的标准, 本次测试结果得出最大年龄为429.6 Ma,最小年龄为413.8 Ma, 这些数据变化范围较小, 加权平均年龄(422.3±4.0) Ma, MSWD=0.52, 置信度95%, 表明该矿床含矿岩体形成于早古生代中晚志留世。

4　讨论

在新疆东天山觉罗塔格带内, 斑岩铜矿的形成年龄大多集中在300~330 Ma, 可能是晚古生代(主要是石炭纪)大规模岩浆活动的结果。而本研究得出的是同区域上唯一一个中晚志留世岩体年龄, 在已有研究资料中, 该地区并未发现同时代的岩体和地层, 这更突出了玉海岩体的重要构造意义, 也许是东天山早古生代构造演化与岩浆活动的重要线索。

觉罗塔格构造-岩浆带内已发现多处斑岩型铜矿床, 自西向东, 依次为延西、延东、土屋-土屋东、灵龙、赤湖、玉海、三岔口和白山等一系列矿床(图1b)。这些矿床全部集中在大南湖岛弧带中, 该岛弧上广泛分布晚古生代钙碱性火山侵入岩。含矿围岩主要为企鹅山群拉斑玄武岩、安山岩、砂岩和中酸性火山角砾岩。玄武岩年龄为320~334 Ma(周鼎武等, 1997; 侯广顺等, 2005; 王立社等, 2008)。企鹅山群火山岩系的SiO2含量变化较大, 最低为46.01%, 最高为58.80%, Al2O3的含量均高于17%。样品的镁指数分别在42~54与36~60之间, 表明岩浆经历了一定程度的结晶分异。企鹅山群玄武岩的稀土总量在43.64×10-6~112.58×10-6之间, 约为球粒陨石稀土含量的20~60倍。稀土元素配分模式属轻稀土富集的右倾型, 无明显的Eu异常, 具有典型的岛弧玄武岩的特征, 指示其形成源于洋壳的俯冲作用。大离子亲石元素(Sr、Ba、Th)明显富集, 而高场强元素Nb、Ta明显亏损, 显示了岛弧火山岩的特征(侯广顺等, 2005; 李峰等, 2007; Li et al., 2008)。

天山造山带经历过多期构造旋回(王赐银等, 1994), 古生代洋盆实际上应当是古亚洲洋巨型复杂洋盆的组成部分。根据现有研究成果显示, 古亚洲洋并不是像现今太平洋那样浩翰广阔的大洋, 而是一个包含有众多陆块的复杂洋陆间杂混生洋域体系(夏林圻等, 2002), 作为古亚洲洋域体系组成的天山古生代洋盆被哈萨克斯坦—伊犁—中天山古陆块群分成两个分支, 即北部的斋桑—准噶尔—北天山和南部乌拉尔—南天山等两个分支洋盆, 在这两个分支洋盆内包含了准噶尔、吐鲁番—哈密微小陆块。天山古生代洋盆的北侧为西伯利亚古陆块, 南侧为塔里木—卡拉库姆—东欧古陆块。

根据玉海矿区赋矿岩体野外观察与室内分析,可以判定其形成于洋陆俯冲的火山弧环境, 即板片俯冲脱水部分熔融形成岩浆上侵, 引起地壳富铝质沉积物部分重熔。古洋盆的闭合消失是通过洋盆的俯冲-消减作用完成的, 通常在造山带中发现的伴生有高压变质岩石(蓝闪片岩+榴辉岩)的蛇绿混杂岩带作为古洋盆俯冲-消减的证据, 其在地表出露的位置则相应被当作是古洋盆消减的位置。在天山造山带及其邻区内已发现伴有高压变质岩的古生代蛇绿混杂岩发育地点共有4处, 它们分别是中天山南缘西段的长阿吾子—科克苏河、中天山南缘东段的库米什、中天山北缘的干沟—乌斯特沟和西准噶尔南缘的唐巴勒等(高俊, 1997; 高辉等, 2009)。以伊犁—中天山微陆块为界, 上述四处含有高压变质岩石的蛇绿混杂岩可以被分为南北两组, 分别对应北部的斋桑—准噶尔—北天山洋盆和南部乌拉尔—南天山洋盆。

中天山北缘的干沟—乌斯特沟蛇绿混杂岩被含笔石化石的下志留统不整合覆盖, 表明其形成时代应早于志留纪。西准噶尔南缘唐巴勒蛇绿混杂岩中蓝闪石的40Ar/39Ar坪年龄为458~470 Ma(张立飞, 1997; Wang et al., 2006)。可以看出中天山以北这两处的蛇绿混杂岩所指示的准噶尔—北天山洋盆消减的年龄基本上可以认为在奥陶纪。但是, 北天山洋的消减作用究竟持续到什么时候完全闭合, 仍缺少确凿的蛇绿岩证据。然而, 康古尔塔格构造带中的少量的古洋壳残片可以提供一些有用的信息。康古尔塔格碰撞带的组成地质体中可见少量的古洋壳残片, 由玄武岩、红色放射虫硅质岩和复理石组成(李锦轶, 2004)。其中的玄武岩均遭受了低绿片岩相的变质作用改造, 其岩石化学成分与洋底低钾拉斑玄武岩类似, 稀土元素为具有铕弱负异常的平坦型;放射虫硅质岩与玄武岩紧密伴生, 纹层构造发育,多数已经变质为含铁石英岩, 伴生的复理石有灰色和杂色两种, 均显示出远源的成分和结构特征(Boynton, 1984; Peng et al., 2007)。

区域资料表明, 在泥盆—石炭纪, 新疆北部天山地区除板块作用之外, 还出现了地幔柱活动, 致使整个新疆北部晚古生代出现大规模的岩浆活动与成矿作用(李红霞等, 2010; Qin et al., 2011; 李文渊等, 2012; 张照伟等, 2014b), 这一阶段的构造运动与岩浆活动将早古生代的岩体与矿体严重破坏, 只有玉海岩体等很少数作为残留体保留了下来。可见玉海铜矿和同区域斑岩型矿床是不同的, 后者全部为晚古生代产物, 其矿床所在位置即为初始生成位置, 而玉海铜矿是早古生代生成之后, 经过长时间的后期改造与破坏, 才呈现出今天的形态, 这在区域上具有重要的构造意义。

5　结论

(1)新疆东天山玉海铜矿的矿床地质特征、矿体形态特征、矿石类型特征及蚀变分带表明该矿床类似于斑岩型铜矿, 赋矿岩体为一套形成于洋陆俯冲环境的富钠的闪长岩-花岗闪长岩类。含矿岩体形成时代为(422.3±4.0) Ma, 为在新疆东天山首次确定的早古生代斑岩铜矿。

(2)新疆东天山造山带的构造演化认识并不一致, 玉海矿区的赋矿岩体的地球化学特征显示为火山弧环境, 结合SHRIMP U-Pb年龄, 符合北天山洋自奥陶纪至早石炭世一直俯冲消减的说法, 对早古生代东天山的构造演化给出更进一步的证据支持,具有重要的构造意义。

致谢: 在研究与成文过程中, 新疆有色地质勘查局704队三金柱教授级高级工程师给予了细心指导,两名匿名审稿人提出了诸多宝贵修改意见, 在此表示真诚感谢。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 1212011121092 and 1212011120183).

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Zircon SHRIMP U-Pb Age of the Yuhai Porphyry Copper Deposit in Eastern Tianshan Mountains of Xinjiang and Its Tectonic Implications

ZHANG Zhao-wei1), ZANG Yu-shi2), WANG Ya-lei1), CHEN Shou-bo3)
1) MLR Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Xi’an Institute of Geology and Mineral Resources, Xi’an, Shaanxi 710054; 2) No. 224 Geological Party, Shaanxi Geological Bureau of China Nuclear Industry, Xi'an, Shaanxi 710024; 3) No. 704 Brigade of Xinjiang Geoexploration Bureau for Non-ferrous Metals, Hami, Xinjiang 839000

Abstract:The middle-large sized Yuhai copper deposit in Eastern Tianshan Mountains of Xinjiang was discovered in 2011 by No. 704 Geological Party of Xinjiang Nonferrous Bureau. The characteristics of geology, petrology geochemistry, orebody geology and alteration zoning show that the Yuhai copper deposit belongs to the porphyry Cu type, with ore-bearing intrusion being a set of sodium rich diorite-granodiorite bodies formed under the condition of ocean-continental subduction. Zircon SHRIMP U–Pb dating shows that the age of Yuhai intrusive rock is (422.3±4.0) Ma. This is the first discovery of an intrusive rock of early Paleozoic in the Jueluotage metallogenic belt. These data, combined with the regional tectonic evolution and the ancient oceanic crust of the Kangur tectonic belt, support the argument that North Tianshan Ocean was under the subcution state from the Ordovician to early Carboniferous, and this conclusion provides evidence for tectonic evolution of Eastern Tianshan Mountains of early Paleozoic. The results achieved by the authors provide better tectonic implications for guiding exploration of Yuhai type copper deposits in this region.

Key words:age; tectonic implication; porphyry copper deposit; Yuhai; Eastern Tianshan Mountains; Xinjiang

作者简介:第一 张照伟, 男, 1976年生。博士, 副研究员。从事岩浆作用矿床及区域成矿研究。E-mail: zhaoweiz@126.com。

收稿日期:2015-07-15; 改回日期: 2015-10-06。责任编辑: 魏乐军。

中图分类号:P618.41; P588.122; P597.1

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.06