西准噶尔巴音布拉克花岗斑岩成因：岩石地球化学、年代学与Sr-Nd-Hf同位素证据

刘朕语，李光来*，刘晓东，陈光旭，王 果，宋 佳

(1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013;2.核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

中亚造山带处于东欧地台—卡拉库姆地台—塔里木地台—中朝地台和西伯利亚地台之间，是全球显生宙地壳增生与改造最显著的地区，也是全球最大的增生型造山带与大陆成矿域[1]。西准噶尔作为中亚造山带的重要组成部分，地处额尔齐斯—斋桑缝合带以南、北天山缝合带以北、准噶尔盆地以西、中国与哈萨克斯坦国界以东的区域[2-3]。雪米斯坦成矿带位于西准噶尔中部和哈萨克斯坦—准噶尔板块北部的活动大陆边缘，属于额尔齐斯—斋桑晚古生代褶皱系的南部，带内矿产资源丰富，是中国重要的火山岩型铀矿成矿带，发育有著名的白杨河铍铀矿，为亚洲最大的铍矿，同时铀资源储量超过中型[4-9]。前人研究结果显示，与形成白杨河铍铀矿密切相关的杨庄岩体受查干托洛盖—巴音布拉克大断裂控制，形成时代为早石炭世((313.4±2.3)Ma)，具有高Si，富碱，Al含量偏高，强烈富集Nb、Ta和贫Ti的特征，属于A1亚型花岗岩[6-7]。巴音布拉克岩体位于雪米斯坦成矿带的东南部，与杨庄岩体处于同一构造带，同受查干托洛盖—巴音布拉克大断裂控制，前人推测其与杨庄岩体具有相似的成矿条件[10]。目前，该岩体的周围已经发现有一系列的铀矿化点，但还没有发现具有工业意义的铀矿，同时对于该岩体尚无针对性的研究工作。

本文在详细的野外地质考察基础上，对雪米斯坦成矿带巴音布拉克岩体开展了岩相学、岩石地球化学、年代学以及同位素地球化学等研究，厘定了花岗斑岩的形成时代，探讨了岩体的成因及其形成的构造背景，并与杨庄岩体进行了初步对比，预测该地区的找铀前景。

1 地质背景及岩石特征

西准噶尔岩浆岩极其发育，空间上呈面型分布，数量庞大，按照形成时间可以分成3期(图1)：晚石炭世—早二叠世(290～310 Ma)、早石炭世(320～340 Ma)、晚志留世—早泥盆世(405～422 Ma)[11-12]。巴音布拉克地区断裂构造非常发育，一级断裂呈近EW向展布，次级断裂主要为NE向和NW向，其中NW向断裂在区内分布规模较小，且多被近EW向、NE向断裂夹持。区内发育有大量中基性岩脉，以辉绿岩脉为主，遍布于从老到新的各类岩石中，且在断裂带旁侧和岩体内及其周边集中分布。辉绿岩脉主要呈近SN向，一般宽度为1～2 m，最宽者近10 m，长数米至百米，个别长达近千米。本文研究的花岗斑岩岩体位于巴音布拉克地区的中部，岩体出露面积约0.8 km2，受查干托洛盖—巴音布拉克大断裂控制。该岩体侵入于志留系雪米斯坦组(Sx)地层之中，与围岩呈侵入接触关系[图1(c)]。围岩岩性主要为中基性—中酸性火山岩和火山碎屑岩，主要岩石类型有流纹岩、流纹质含角砾玻屑弱熔结凝灰岩、流纹质玻屑弱熔结凝灰岩、流纹质玻屑凝灰岩及薄层凝灰岩、晶屑凝灰岩和凝灰质砂砾岩，玄武岩仅在局部有发育。

Q为石英；Kfs为钾长石；Zr为锆石

岩相学特征上，花岗斑岩呈深灰色至灰黑色，具斑状结构和块状构造，斑晶大小为3～5 mm，主要为石英、钾长石和极少量的白云母。石英为半自形—他形结构，部分为浑圆状，多数石英斑晶的边部被熔蚀成港湾状[图2(a)]，部分石英中包裹有火山玻璃，后期地质作用过程中发生了不同程度脱玻化[图2(b)]，形成了少量白云母和石英等酸性岩的典型造岩矿物；钾长石多呈半自形结构，发育有卡斯巴双晶[图2(c)]；大量锆石被放射性晕圈所包裹[图2(d)]。副矿物主要为锆石、磷灰石、金红石、磁铁矿和钛铁矿等。

2 样品采集及分析方法

本次实验所用的花岗斑岩样品均采自钻孔，选取新鲜无污染未发生蚀变的样品，清洗后无污染粉碎至200目供岩石地球化学分析。主量元素分析测试仪器为Philips PW2404型X荧光光谱仪；微量和稀土元素分析采用Agilent 7700x型四极杆电感耦合等离子体质谱仪。全岩主量、微量元素分析工作均在澳实分析检测(广州)有限公司完成。

用于定年和Hf同位素分析的锆石选自样品16BYH-29。将样品粉碎后，用常规方法挑选出锆石，在双目镜下进一步精选裂隙少、透明度高的锆石制作样品靶，拍摄透射光和反射光照片，在扫描电镜下进行阴极发光(CL)图像采集。综合光学照片和阴极发光图像，选择光滑平整、无包体、颜色均一的位置作为分析点。

锆石U-Pb定年采用的分析仪器为Analyte Excite 193 nm ArF准分子激光剥蚀系统和Agilent 7700x型四极杆电感耦合等离子体质谱仪。激光剥蚀系统的能量密度为6.0 J·cm-2，束斑直径为35 μm，频率为8 Hz，剥蚀时间为40 s。测试过程中以标准锆石91500为外标，校正仪器质量歧视与元素分馏；以标准锆石GJ-1为盲样，检验U-Pb定年数据质量；以NIST SRM 610为外标，同时以Si为内标标定锆石中的Pb含量，以Zr为内标标定锆石中其余微量元素含量。U-Pb年龄原始数据用ICPMSDataCal软件离线处理得到[14]，然后使用Isoplot 4.15软件[15]绘制谐和曲线并计算加权平均年龄。

Sr-Nd同位素分析使用多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)。全岩岩石粉末经高压密闭溶样弹消解后，一部分消解液经过阳离子-锶特效联合树脂分离出Sr，总稀土元素组分再经过镧系特效树脂分离出Nd。Sr、Nd淋洗液被蒸干后，先用1.0 mL 2%稀硝酸溶解，将其作为母液；取其中50 μL，稀释成500 μL，在Agilent 7700x型四极杆电感耦合等离子体质谱仪上准确测定Sr、Nd含量。再用2%稀硝酸将Sr、Nd母液稀释成Sr含量(质量分数，下同)为50×10-6、Nd含量为50×10-6的溶液。同位素溶液经 Cetac Aridus Ⅱ膜去溶系统引入，在Nu Plasma Ⅱ MC-ICP-MS仪上测定同位素比值。Sr同位素比值测定过程中，采用86Sr/88Sr值为0.119 4校正仪器质量分馏。Sr同位素国际标准物质NIST SRM 987作为外标校正仪器漂移。Nd同位素比值测定过程中，采用146Nd/144Nd值为0.721 9校正仪器质量分馏，国际标准物质JNdi-1作为外标校正仪器漂移。

锆石Hf同位素分析使用型号为Nu Plasma II的多接收器电感耦合等离子体质谱仪，和锆石U-Pb定年使用同一激光剥蚀系统。准分子激光发生器产生的深紫外光束经匀化光路聚焦于锆石表面，能量密度为6.0 J·cm-2，束斑直径为50 μm，频率为8 Hz，剥蚀时间为40 s，剥蚀气溶胶由氦气送入多接收器电感耦合等离子体质谱仪完成测试。测试过程中，先测试5颗标准锆石GJ-1、91500、Plesovice、Mud Tank、Penglai，之后每隔10颗样品锆石交替测试2颗标准锆石(GJ-1、91500)，以检验锆石Hf同位素比值数据质量。数据处理过程中，首先采用179Hf/177Hf值为0.732 5获得Hf同位素质量歧视因子βHf，通过锆石自身的172Yb/173Yb实测数据获得Yb同位素质量歧视因子βYb；然后，再采用176Yb/172Yb值为0.588 7扣除176Yb对176Hf的同量异位干扰；由于Lu只有175Lu与176Lu两个同位素，假定βLu=βHf，再采用176Lu/175Lu值为0.026 55扣除176Lu对176Hf的同质异位干扰[16]。锆石U-Pb定年、Hf同位素分析及全岩Sr-Nd同位素分析工作均在南京聚谱检测科技有限公司完成。详细实验测试过程见文献[17]～[19]。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素

巴音布拉克花岗斑岩的主量元素组成如表1所示。该岩体具有酸性(SiO2含量为68.88%～74.62%)，富碱(ALK值为8.71%～9.38%)，特别是富K(K2O含量为3.44%～6.11%)、Al(Al2O3含量为13.23%～15.10%)，贫Mg、Ca(MgO含量为0.08%～0.11%，CaO为0.04%～0.13%)的特征；氧逸度较高，为0.40～0.92；MgO#值为0.03～0.13，显示岩石具有相对贫Mg的特征。

在TAS图解[图3(a)]中，除了一个样品落在石英二长岩区域外，其余样品均落在花岗岩区域。在A/NK-A/CNK图解[图3(b)]中，样品位于准铝质和过铝质过渡区域。在AR-SiO2图解[图3(c)]中，样品全部落在碱性区域；在碱性岩进一步分类的K2O-SiO2图解[图3(d)]中，样品落在钾玄岩系列和高钾钙碱性系列区域。

3.2 微量元素

原始地幔标准化微量元素蛛网图上，与相邻元素对比，Rb、Th、U、Zr、Hf富集，Sr、P、Ti强烈亏损[图4(a)]。微量元素比值对于花岗岩的成因具有重要的指示意义，特定元素比值在不同的岩石单元中具有不同的变化范围。熔体的演化程度增强通常会引起K/Rb值的显著变小[20]，大多数地壳岩石为150～350，巴音布拉克花岗斑岩为334.51～432.84，绝大部分大于350，说明巴音布拉克花岗斑岩形成过程中花岗质熔体的演化程度相对较弱；Nb/Ta值会随着壳-幔之间的岩浆演化程度增大而减小[21]，原始地幔和球粒陨石为17.5±2.0[21-22]，花岗岩为12，若发生壳-幔演化作用，Nb/Ta值会远小于12，巴音布拉克花岗斑岩Nb/Ta值为13.96～17.07，平均为14.9，十分接近原始地幔，说明巴音布拉克花岗斑岩在形成过程中壳-幔之间的岩浆演化程度较弱；岩浆演化过程中，Zr/Hf值会随着岩浆演化程度的增大而变小[20,22]，大多数花岗岩平均值为39[20,22]，巴音布拉克花岗斑岩为42.18～45.30，大于一般花岗岩的平均值(39)[20,22]，说明巴音布拉克花岗斑岩形成过程中岩浆演化相对较弱。综上所述，巴音布拉克花岗斑岩的化学成分具有初始岩浆的特征。

3.3 稀土元素

花岗斑岩稀土元素分析结果如表1所示。球粒陨石标准化稀土元素配分模式呈现明显的右倾趋势[图4(b)]，轻稀土元素(含量为(205.2～297.8)×10-6)比较富集，重稀土元素((29.54～37.65)×10-6)相对亏损，轻、重稀土元素分馏比较明显(LREE/HREE值为6.48～9.99,(La/Yb)N值为5.96～9.07)。稀土元素总含量为(236.8～327.6)×10-6，相对较高。所有样品均表现出Eu负异常(0.18～0.21)，说明可能发生了斜长石的分离结晶作用或者源区有斜长石的残留，Ce无明显异常(1.00～1.07)。

4 锆石U-Pb年龄

对巴音布拉克花岗斑岩中的锆石进行了20个分析点测试，结果如表2所示。花岗斑岩的锆石具有明显的振荡环带(图5)，Th/U值普遍大于0.4(仅有两个分析点为0.39)，属于典型岩浆锆石[29]。

w(·)为元素或化合物的含量；图(a)引自文献[23]；图(b)引自文献[24]；图(c)引自文献[25]；图(d)引自文献[26]

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；同一图中相同线条对应不同样品；原始地幔标准化数据引自文献[27]；球粒陨石标准化数据引自文献[28]

所有分析点206Pb/238U年龄为387.7～401.2 Ma，除一个分析点偏离谐和曲线较远外，其余点均在谐和曲线附近；20个分析点加权平均年龄为(393.7±1.7)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为1.3)(图6)，指示巴音布拉克花岗斑岩为早泥盆世产物。

表1 主量、微量和稀土元素分析结果

续表1

注：MgO#值为镁饱和度；AR值为莱特碱度率；wtotal为主量元素总含量；wREE为稀土元素总含量；wLREE为轻稀土元素总含量；wHREE为重稀土元素总含量。

实线圆圈表示U-Pb定年分析点；虚线圆圈表示Hf同位素分析点

图6 锆石U-Pb年龄谐和曲线和年龄分布

图(a)引自文献[11];图(b)引自文献[30]

图引自文献[31]

5 Sr-Nd-Hf同位素特征

5.1 Sr-Nd同位素

本次分析的4个花岗斑岩样品的87Sr/86Sr值为0.736 217～0.794 827，143Nd/144Nd值为0.512 755 8～0.512 791 3(表3)。取锆石U-Pb年龄为393.7 Ma进行计算，获得初始87Sr/86Sr值(ISr)为0.699 409～0.706 062，这一比值位于原始地幔区间；εNd(t)为4.3～6.7，其变化范围较小，说明岩浆相对均一；二阶段Nd模式年龄为591～788 Ma。在εNd(t)-ISr图解中，样品大部分处于亏损地幔组分范围内；在εNd(t)-t图解中，样品主要落在古生代新生地壳及其附近区域(图7)。由此可以认为，成岩物质有可能来自于亏损地幔，且既有古生代新生地壳物质参与，又有新元古代古老地壳物质参与。

5.2 锆石Hf同位素

对定年锆石中具有Hf同位素测试条件的16个分析点(不包括分析点2、6、9、13)进行原位Hf同位素分析，分析结果如表4所示。所有εHf(t)和二阶段Hf模式年龄均根据锆石各自测试年龄计算得到。在Hf同位素图解中，样品全部落在球粒陨石演化线和亏损地幔演化线之间(图8)；εHf(t)为3.98～9.35，均为正值，在锆石εHf(t)分布直方图中，集中在8～9(图9)，显示了较多的亏损地幔信息[32]。二阶段Hf模式年龄为794～1 130 Ma，平均为910 Ma，同样说明成岩物质可能来源于新元古代。

表2 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果

表3 Sr-Nd同位素分析结果

注：εNd(t)为年龄t对应的εNd值；TDM为一阶段模式年龄；T2DM为二阶段模式年龄。

表4 锆石Hf同位素分析结果

注：εHf(t)为年龄t对应的εHf值。

图9 锆石εHf(t)分布直方图

6 讨 论

6.1 岩石成因类型

Loiselle等将A型花岗岩定义为碱性、贫水、非造山的花岗岩[33]。巴音布拉克花岗斑岩具有较高的全碱含量(ALK值为8.71～9.38)，斑晶中含水矿物极少，符合A型花岗岩富碱和贫水的特征；巴音布拉克花岗斑岩中的Zr+Ce+Nb+Y含量为(694.3～806.0)×10-6，远大于A型花岗岩的下限(350×10-6)[34]。10 000Ga/Al值为2.59～3.14，绝大部分高于I型和S型花岗岩的最大值(2.6)[34]，表现出较明显的A型花岗岩特征(图10)。

Eby等提出A型花岗岩可以进一步分为A1和A2两种类型：A1亚型(非造山环境)主要与上地幔热柱、裂谷作用有关，是造山作用岩浆活动时间序列中最晚的一次[35-36]；A2亚型(后造山环境)主要与大陆边缘地壳伸展作用或陆内剪切作用产生的拉张环境有关[36]。Eby同时也提出了可以运用Nb-Ce-Y、Nb-3Ga-Y图解来判别A1和A2亚型花岗岩[35]，但是判别的样品必须既处在Pearce等提出的判别图解中板内花岗岩区域内(图11)[37]，也要处于Whalen等提出的相关图解中A型花岗岩的区域内[34]。在满足上述两个条件的前提下，对巴音布拉克花岗斑岩进行A型花岗岩进一步的分类投图，结果显示巴音布拉克花岗斑岩虽主要处在A2亚型花岗岩区域，但是靠近A1和A2亚型花岗岩分界线(图12)，并不能准确地判断巴音布拉克花岗斑岩的类型，需要更进一步的判断。刘昌实等提出利用R1、R2值区分A1和A2亚型花岗岩，巴音布拉克花岗斑岩R1值为1 465～2 446，R2值为272～305，所有数据均处于A2亚型的范围内(R1值为1 187～2 703，R2值为202～577)[38]；另外，利用锆饱和温度计计算的巴音布拉克花岗斑岩的锆饱和温度为951 ℃～971 ℃，亦处于A2亚型锆饱和温度范围内(772℃～1 103 ℃)。综上所述，巴音布拉克花岗斑岩属于A2亚型花岗岩。

图件引自文献[34]

图件引自文献[37]

图件引自文献[35]

图件引自文献[39]

在巴音布拉克花岗斑岩εHf(t)-εNd(t)图解(图13)中，所有样品均位于大洋岛弧玄武岩区域内，并十分靠近地幔演化趋势线，推测巴音布拉克花岗斑岩的原岩可能较多地来自地幔。结合原始地幔标准化微量元素蛛网图(图4)，Nb元素的位置有一个小低谷，说明有陆壳物质参与，导致Nb亏损[40-41]。同时，La/Sm值可指示岩浆在上升过程中受到地壳物质混染的情况[37]。若未有地壳物质的加入，La/Sm值为5；若有地壳物质的加入，则La/Sm值大于5。巴音布拉克花岗斑岩的La/Sm值为5.4～13.9，均大于5，说明有很少陆壳物质的参与。综上所述，巴音布拉克花岗斑岩的原始岩浆可能是洋壳在俯冲环境下地幔发生部分熔融作用产生酸性岩浆，并在沿俯冲带上升过程中混入少量古老地壳物质而形成的。

6.2 构造背景

西准噶尔成矿带发育有大量NE向左行走滑断裂，且有多条蛇绿混杂岩带沿主要断裂带出露[42-47]，发育的古生代蛇绿混杂岩带主要有6条，分别是唐巴勒、玛依勒、达拉布特、巴尔雷克、克拉玛依和洪古勒楞[图1(a)]，年龄为(332±14)～(572±9)Ma，据此可以认为西准噶尔前寒武世到中泥盆世一直有洋盆的存在[48-49]。杨维等发现志留系雪米斯坦组锆石U-Pb年龄存在中间老、两边新的特征(中部为(436±11)Ma，南部为(429.0±4.9)Ma，北部为(421.1±5.8)Ma)，暗示志留纪雪米斯坦岛弧两侧存在洋盆的双向俯冲，即准噶尔洋盆和斋桑洋盆向雪米斯坦岛弧下俯冲并向南、向北增生[50]。巴音布拉克花岗斑岩具有Nb、Ta和Ti负异常，同时富集大离子亲石元素和轻稀土元素(图4)，这一现象多被认为与岛弧的俯冲作用有关[51-52]。结合巴音布拉克花岗斑岩属于A2亚型花岗岩的事实推测，该花岗斑岩是在与俯冲有关的局部拉张环境下形成的。陈家富等在雪米斯坦地区进行锆石U-Pb年龄工作，发现该区侵入岩年龄为405～422 Ma[2]，而本文的巴音布拉克花岗斑岩年龄为393.7 Ma，因此，研究区岩浆活动时间应至少持续到393.7 Ma。

6.3 与杨庄岩体对比

杨庄岩体位于雪米斯坦成矿带西部，距巴音布拉克岩体约40 km，与巴音布拉克岩体同受查干托洛盖—巴音布拉克大断裂控制。在该岩体中发现了白杨河火山岩型铍铀矿床，孙远强等研究认为巴音布拉克岩体与杨庄岩体非常类似，均为产铀岩体[10]。杨庄岩体的岩性为花岗斑岩，形成于早石炭世((313.4±2.3)Ma)，具有高Si，富碱，Al含量偏高，强烈富集Nb、Ta和贫Ti的特征，属于典型的A1亚型花岗岩[7-8]。巴音布拉克岩体的花岗斑岩则为晚泥盆世((393.7±1.7)Ma)产物，具有高Si，贫水，富碱，富集Th、U、Zr、Hf，亏损K、Sr、P、Ti、Nb、Ta的特征，属于A2亚型花岗岩。通过上述特征对比后不难发现：巴音布拉克岩体和杨庄岩体均为花岗斑岩，Si含量都比较高；微量元素组成上，巴音布拉克岩体亏损Nb和Ta，而杨庄岩体强烈富集Nb和Ta；岩石成因类型上，杨庄岩体为A1亚型花岗岩，巴音布拉克岩体则为A2亚型花岗岩，差异比较明显，两个岩体可能形成于不同的构造背景。综上所述，巴音布拉克岩体与杨庄岩体之间存在比较明显的差异。

尽管与杨庄岩体存在许多差异，但巴音布拉克岩体同样也显示了一些有利铀矿化的信息。首先，巴音布拉克岩体锆石中U含量普遍较低(普遍低于300×10-6)，而全岩Zr含量尽管部分可以高达584×10-6，简单计算后不难发现，被锆石“囚禁”的惰性铀不足0.4×10-6；其次，巴音布拉克岩体还具有极低的P含量(P2O5含量不超过0.03%)，可以推断被独居石、磷钇矿、磷灰石等磷酸盐类副矿物“囚禁”的惰性铀含量也非常低；最后，该岩体具有斑状结构，因此，基质中相当一部分U并未被矿物“囚禁”，在后期水岩反应过程中，相当部分活性较高的U进入成矿流体是完全有可能的，事实上该岩体周围已发现了多个铀矿化异常点。

7 结 语

(1)西准噶尔巴音布拉克花岗斑岩具有高Si、贫水、富碱(特别是富K)、贫Mg的特征，Th、U、Zr、Hf富集，Sr、P、Ti亏损，稀土元素总含量((236.8～327.6)×10-6)较高，轻、重稀土元素分馏明显(LREE/HREE值为6.48～9.99，(La/Yb)N值为5.96～9.07)，具有Eu负异常，10 000Ga/Al值为2.59～3.14，具有典型的A2亚型花岗岩特征。

(2)巴音布拉克花岗斑岩形成时代为(393.7±1.7)Ma；初始87Sr/86Sr值为0.699 409～0.706 062，εNd(t)为4.3～6.7，二阶段Nd模式年龄为591～788 Ma；εHf(t)为3.98～9.35，二阶段Hf模式年龄为794～1 130 Ma，平均年龄为910 Ma。成岩物质有可能来自于亏损地幔，并有前寒武纪古老地壳物质的参与。

(3)巴音布拉克花岗斑岩是在泥盆纪由俯冲导致的局部拉张背景下形成的。洋壳俯冲过程中，地幔发生部分熔融作用产生酸性岩浆，并在沿俯冲带上升过程中混入少量古老地壳物质，最终形成巴音布拉克花岗斑岩的原始岩浆。

(4)巴音布拉克岩体和杨庄岩体在微量元素组成、岩石成因类型、形成时代及构造背景方面存在比较明显的差异。对巴音布拉克岩体中含铀副矿物中U含量的计算发现，基质中相当一部分U并未被矿物“囚禁”，在后期水岩反应过程中，相当部分活性较高的U完全有可能进入成矿流体，故该岩体仍具有找铀前景。

野外工作过程中，核工业二一六大队王谋高级工程师，核工业二一六大队三分队队长康永、杨文龙工程师提供了大量帮助，东华理工大学李成祥老师和曹俊老师审阅了论文，东华理工大学张展适老师和邬斌老师参与了论文讨论，东华理工大学Christophe Bonnetti博士后参与了部分野外地质工作，在此一并表示感谢！