东天山阿奇山铅锌矿形成时代的确定：来自石榴子石LA<br/>--ICP--MS U--Pb年龄的制约

东天山阿奇山铅锌矿形成时代的确定：来自石榴子石LA
--ICP--MS U--Pb年龄的制约

2021-04-07文斌张元厚杨万志杜尚泽王鹏刘金伟陈蕾

世界地质 2021年1期

文斌，张元厚，杨万志，杜尚泽，王鹏，刘金伟，陈蕾

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，乌鲁木齐 830000；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037

0 引言

成矿年代学的研究对于矿床成因以及成矿作用研究起到重要作用，随着科学技术的发展，年代学测试方法被广泛应用于金属矿床的研究中，如40Ar--39Ar法、U--Pb法、Sm--Nd法、Rb--Sr法和Re--Os法等。通常矿床形成及演化过程极其复杂，同时矿床的形成具有多阶段特征，因此矿床形成时间的确定，需要在基础地质精确研究的基础上，采用合适的同位素方法，才能精确确定成矿时代。

石榴子石作为造岩矿物之一，广泛分布于自然界中，通常石榴子石具有变质成因、岩浆作用成因、接触变质成因以及热水喷流沉积成因等。由于石榴子石具有较高的封闭体系温度，可以作为年代学研究对象，Mezger et al.[1]、Burton et al.[2]和Barrie[3]等学者采用石榴子石U--Pb同位素方法得到了精确年龄。但由于石榴子石矿物中较低的U含量且多赋存于包裹体中[4--5]，因此石榴子石U--Pb同位素在年代学研究中存在一定缺陷。近年来在对钙榴石的研究过程中发现U分布均匀，且主要赋存于石榴子石的晶格中，可通过U--Pb同位素分析实现对钙榴石形成时间的精确限定[6--12]。

东天山阿奇山铅锌(铜)矿床矿体周围存在大量层状石榴子石，与矿体产状一致，观察研究表明石榴子石的形成时间可以较好地反映矿体的形成时间。东天山阿齐山Pb--Zn(Cu)矿床位于乌鲁木齐市东南部，约400 km处，小热泉子VMS型矿床和康古尔金及多金属矿床的南部，是2013年由新疆地质矿产调查院发现的大型铅锌(铜)矿床。自矿床发现起研究者已经进行了大量研究，部分学者研究认为该矿床为矽卡岩型矿床[13]，夏冬等[14]通过对花岗斑岩体的研究认为该矿床为火山沉积--热液叠加型矿床，邓莉明等[15]通过硫铅同位素的研究认为该矿床为火山热液型矿床，仇银江等[16]通过对野外地质概况的研究认为该矿床为热水喷流沉积型矿床。对于矿床成因问题的研究一直存在争议，而矿床形成时间的精确确定对于矿床成因的研究至关重要[17]。前人对于阿奇山矿体周围的雅满苏组火山岩以及花岗岩侵入体进行的研究表明矿床形成时间为340～320 Ma[18--23]，但并未对与矿体共生的石榴子石进行定年研究。

笔者通过石榴子石U--Pb同位素定年结合花岗斑岩中锆石U--Pb定年对阿奇山铅锌矿床矿体周围的石榴子石以及花岗斑岩岩体进行研究，以确定矿床的形成时间，为矿床成因研究提供依据。

1 研究区地质背景

东天山觉罗塔格成矿带位于古亚洲洋南缘，地处西伯利亚板块与塔里木板块的聚合地区，北以康古尔剪切带与大南湖岛弧带相邻，南以库姆塔克杜克断裂与塔里木板块接壤，是中国重要的铜、镍、金、铁、铅、锌等大型矿床集中区之一，带内发育石炭系—二叠系火山岩--海陆相沉积岩，区域岩浆作用发育。古生代期间，东天山造山带经历了极其复杂的裂解和拼合的构造演化历史：早古生代奥陶纪裂解和拼合、晚古生代晚泥盆世—早石炭世裂解、晚石炭世—二叠纪碰撞拼贴[24--31]。

阿奇山铅锌矿位于东天山觉罗塔格成矿带西部，其大地构造位置位于阿奇山—雅满苏岛弧火山带，又称为雅满苏裂陷槽[29]。北部以雅满苏断裂带为界，南部紧邻阿奇库克杜克断裂带(图1)。

研究区地层主要为雅满苏组和上石炭统土古土布拉克组[24]。雅满苏组地层主要发育中酸性火山碎屑岩，夹少量凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩以及生物碎屑灰岩等，不仅是锰矿的重要含矿层也是阿奇山铅锌矿重要含矿地段，矿体周围大面积发育石榴子石矽卡岩，与矿体产状一致，呈层状、似层状分布在地层中(图2)。地层中的流纹岩以及安山岩锆石U--Pb年龄显示其形成时间为320 Ma±[20--23]。

图1 东天山构造格架(a)与矿产分布图(b)(据文献[32]修改)

上石炭世土古土布拉克组，与雅满苏组为不整合接触关系，分布于矿区的南部，总体岩性组合为中酸性火山岩夹沉积岩组合，产状稳定，呈NEE--SWW走向，倾向SE，倾角约60°。底部发育一套砾岩，中部发育灰绿、紫红色英安质晶屑凝灰岩、凝灰质砂岩、粉砂岩，上部发育灰绿色、紫红色晶屑岩屑凝灰岩、凝灰质细砂岩、粉砂岩以及顶部的紫红色英安质火山角砾岩、角砾熔岩及凝灰岩，夹灰绿色安山岩。

伴随东天山古亚洲洋开与合的地质事件，发育了泥盆纪(386.5～369.5 Ma)、早石炭世(349～330 Ma)、晚石炭世—晚二叠世(320～252 Ma)等3期花岗质岩石和超镁铁质岩石的侵位[33]。

研究区构造样式简单，整体表现为一单斜构造，区域发育1条NE向断裂构造以及4条NW向次生走滑断裂构造。NE向断裂构造与地层走向大体一致，NW向次生断裂为左旋平移断层，切穿花岗斑岩侵入体，依其产出特征，断裂对矿体无明显控制作用，推测其为成矿后断裂[34]。

图2 阿奇山铅锌矿地质简图(据文献[35]修改)

2 矿床地质特征

阿奇山铅锌矿化集中在山前缓坡带，长3 600 m、宽180～800 m的范围内，地表圈出矿体42条，铅锌矿体长80～3 000 m、视厚2～106 m，矿体呈层状、似层状、透镜状，矿体倾向SE、倾角35°～45°，与地层产状一致(图2) 。上部锌矿体主要赋存于中--粗粒石榴子石矽卡岩中，顶板为细粒石榴子石矽卡岩，底板为钠长石化岩屑凝灰岩；下部铅锌矿主要赋存于火山凝灰岩、凝灰质粉砂岩中，Zn平均品位0.5%～1.21%，Pb平均品位0.3%～0.9%，Pb+Zn平均0.63%～1.77%。局部钻孔岩芯中，见有碳质泥岩，Pb、Zn和Cu品位较高，矿床规模为中到大型。

矿石矿物主要为闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、黄铜矿、毒砂、磁铁矿、白钨矿和镜铁矿等。脉石矿物主要有方解石、石英、绿帘石、重晶石、石膏、透闪石和石榴子石等。矿石结构类型比较简单，主要包括自形--半自形粒状结构、他形结构、碎裂结构、交代结构和乳滴状结构(图3)。

矿区内矿石构造主要有浸染状、条带状、似层状、网脉状和角砾状等(图4)。围岩蚀变主有石榴子石--透辉石化、钠长石--硅化、绿帘石化--绿泥石化，局部见有重晶石化、石膏化等。

阿齐山铅锌矿床具有上层下脉的分布特征，即上部呈现矽卡岩型层状锌矿石，下部为裂隙脉状、角砾状锌矿石，伴有硅化、绿泥石化、绿帘石化。根据阿奇山铅锌矿矿体及矿石结构构造特征，该矿床可以划分为2个成矿期4个成矿阶段(表1)，其中层状矿体中可以划分为2个成矿阶段：①黄铁矿--闪锌矿成矿阶段：见有自形程度很高的黄铁矿，黄铁矿边部见有共生的闪锌矿、石榴子石与黄铁矿界线平直，周围无蚀变交代特征。②黄铁矿--黄铜矿--方铅矿--闪锌矿成矿阶段：该阶段见有黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿以他形填隙结构分布在石榴子石的晶间空隙中。交代蚀变作用较弱。闪锌矿中见有乳滴状的黄铁矿和星点状的方铅矿。网脉状矿体中的方解石脉中见有少量黄铁矿化，同时受后期氧化作用影响，黄铁矿周围发育褐铁矿化。

Sp.闪锌矿；Py.黄铁矿；Cp.黄铜矿；Gn.方铅矿；Grt.石榴子石；Q.石英。

a.纹层状、条带状构造；b、c.脉状网脉状构造；d.角砾状构造。

表1 阿奇山铅锌矿床主要矿物生成顺序图表

图5 阿奇山铅锌矿床剖面图

矿体附近岩浆作用发育，在矿体上部见有花岗斑岩岩体(图5)，偶见少量中--酸性岩脉。如图2花岗斑岩位于矿体南部，岩体走向NE，长约3 000 m，宽80～380 m，侵入于雅满苏组地层(图5)。花岗斑岩体地表风化剥蚀严重，接触界线不易区分，被北西向次生走滑断层错断，岩石风化面为黄褐色，新鲜面为灰白色，中粗粒斑状结构，块状构造，斑晶主要以斜长石和石英为主，斜长石含量约55%～60%，多呈自形--半自形板状，长度多为1～2 mm，少量长度为2～3 mm，聚片双晶和环带结构均较发育，部分晶体具明显绢云母化。石英含量约12%～13%，他形粒状，粒径多为0.2～1 mm，波形消光现象发育。基质为隐晶质矿物。周围见有少量二长花岗斑岩，辉绿岩中的锆石U--Pb年龄为237 Ma。

综合区域地质特征，层状矿体中的石榴子石以及花岗斑岩体的形成时间，可以反映矿床的形成时间。选取ZK4801、ZK4803中的石榴子石进行U--Pb同位素定年，以期确定阿奇山铅锌矿床的成矿时间。其中阿奇山地区的石榴子石手标本上可见褐色、黄绿色--灰绿色石榴子石矿物，石榴子石显微镜下主要为半自形--他形粒状，粒径多为0.3～1 mm，少量粒径1～1.5 mm，极高突起。石榴子石可以分为两种类型：褐色石榴子石样品AQ4803采自层状矿体，与矿体产状一致，裂理较发育，中部蚀变破碎严重，见有绿帘石，黄铁矿等硫化物沿裂隙发育，边部发育较窄的环带。AQ4801灰绿色石榴子石矽卡岩采自层状矿体上部。

阿奇山铅锌矿床矿区花岗斑岩体中锆石U--Pb年龄引自文献[13]，锆石样品为岩浆锆石，共测试15个锆石U--Pb同位素测试点，206Pb/238U年龄为(312±5)～(299±5)Ma，U--Pb和谐图上交点年龄为(309±0.28)Ma(MSWD=0.17；n=15)，校正后的加权平均年龄(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)。

3 分析方法

将石榴子石样品制作成电子探针片，在显微镜下对石榴子石进行观察研究拍照后，通过扫描电镜和电子探针分别进行BSE采集(图6)以及石榴子石主量元素分析。电子探针在吉林大学地球科学学院岩矿测试与制样中心进行，采用电子探针X射线显微分析仪(Electron Microprobe)，型号JXA--8230。U--Pb同位素在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室进行，采用飞秒激光剥蚀系统高分辨电感耦合等离子体质谱(fs--LA--HR--ICP--MS)分析完成，飞秒激光剥蚀系统为Applied Spectra公司的J200，激光输出波长343 nm，激光脉冲宽度<480 fs。分析石榴子石的激光能量设定为50%，束斑为60 μm，频率为8 Hz。电感耦合等离子质谱为Thermo Element XR。ZK4801共测试49个样品点，ZK4803共测试35个样品点，每个测试点的时间共3 min，详细的分析方法同文献[11]。石榴子石数据分析采用软件ICPMSDataCal[36]完成。

a. 4801--1; b. 4801--3石榴子石单偏光镜下照片；c. 4801--2;d. 4803--1石榴子石BSE图像。

4 分析结果

4.1 石榴子石主量元素

对阿奇山铅锌矿床石榴子石样品AQ4801、AQ4803进行主量元素分析(表2)，石榴子石主要为钙铁榴石--钙铝榴石固溶体系列。石榴子石三角分类图如图7所示，电子探针成分计算表明样品AQ4801主要为钙铁榴石--铁铝榴石系列(And97Gro2～And50Gro48)，AQ4801--2核部发育钙铁榴石，边部为少量的钙铝榴石，SiO2、CaO和MnO含量分别为34.79%～37.17%、32.71%～34.05%和0.32%～0.78%；Al2O3和FeO含量分别为0.01%～9.88%和14.51%～27.10%，MgO和TiO2含量较低。样品AQ4803为钙铁榴石--铁铝榴石系列(And96Gro2～And28Gro70)，SiO2含量为35.13%～37.74%，CaO含量为32.46%～34.82%，MnO含量为0.39%～0.85%，Al2O3和FeO含量分别为0.11%～14.91%和8.45%～27.26%，少量MgO和TiO2。

4.2 石榴子石U--Pb同位素分析结果

阿奇山地区的石榴子石手标本上可见褐色、灰绿色石榴子石矿物，五角十二面体，石榴子石显微镜下主要为半自形--他形粒状，粒径多为0.3～1 mm，少量粒径1～1.5 mm。淡粉色，极高突起，裂理较发育，中部蚀变破碎严重，见有绿帘石化现象，BSE图像显示石榴子石不发育环带特征(图6c)，少量石榴子石边部发育细小环带(图6d)。样品AQ4801石榴子石矽卡岩为灰绿色、褐色，其中以灰绿色为主，无明显环带特征。样品AQ4803主要为褐色，裂理较发育，中部蚀变破碎严重，见有绿帘石化黄铁矿化等硫化物沿裂隙发育，边部发育较窄的环带。电子探针结果表明石榴子石主要为钙铁榴石--铁铝榴石系列，Fe含量较高(图7)。

石榴子石U--Pb同位素数据如表3所示，样品AQ4801石榴子石矽卡岩中的石榴子石U含量1.0×10-6～32.2×10-6，共分析49个激光点，在T--W U--Pb谐和图上其下交点206Pb/238U年龄为(316.3 ± 4.4)Ma(MSWD = 1.4；n=49)，207Pb校正的206Pb/238U加权平均年龄为(314.6 ± 3.9)Ma(MSWD = 1.15)。样品AQ4803石榴子石U含量5.4×10-6～61.2×10-6，分析35个激光点，其中有效点13个，在T--W U--Pb谐和图上其下交点206Pb/238U年龄为(317 ± 18)Ma(MSWD = 1.4；n=13)，207Pb校正的206Pb/238U加权平均年龄为(323±15)Ma(MSWD=0.6)(图8)。

Gro.钙铝榴石；And.钙铁榴石；Alm.铁铝榴石；Pyr.镁铝榴石；Spe.锰铝榴石。

图8 石榴子石U--Pb谐和图和207Pb校正的206Pb/238U加权平均年龄图

表3 阿奇山石榴子石LA--ICPMS U--Pb同位素分析结果

续表3

5 讨论

LA--ICP--MS石榴子石U--Pb同位素方法的应用为新疆东天山阿奇山铅锌矿床矿体成矿时代的确定提供了新的研究方法，为矿床成因的研究提供了重要依据。东天山阿奇山铅锌矿床矿体周围大量分布层状石榴子石矽卡岩，电子探针分析表明主要为钙铁榴石--钙铝榴石等钙榴石系列，实验研究证明仅在钙榴石中U分布十分均匀，且主要赋存于矿物晶格中[4]。相较于其他石榴子石，如锰铝榴石、铁铝榴石、镁铝榴石等具有较低的U含量[5]，钙榴石系列具有较高的U含量。阿奇山矿床周围石榴子石U--Pb同位素测试结果显示石榴子石具有较高的U含量(AQ4801 U含量为1.0×10-6～32.2 ×10-6，AQ4803 U含量为5.4×10-6～61.2×10-6)。符合石榴子石U--Pb同位素定年方法的研究要求，因此样品AQ4801与AQ4803石榴子石U--Pb同位素定年结果可以较好地反映矿物的生成时间。

阿奇山铅锌矿床矿体周围的石榴子石矽卡岩与矿体产状一致具有较好的层状特征(图2)。U--Pb同位素定年结果AQ4801年龄为(314.6±3.9)Ma(MSWD=1.15)，AQ4803年龄为(323±15)Ma(MSWD=0.6)，两类石榴子石年龄在误差范围内一致，同时与雅满苏组地层流纹岩以及安山岩锆石U--Pb年龄一致，形成于晚石炭世。在石榴子石样品中(图6)，样品AQ4801石榴子石为黄绿色，无明显蚀变特征，矿物成分均匀。AQ4803石榴子石为褐色矿物,碎裂结构发育，在石榴子石矿物裂隙以及矿物晶间空隙中见有金属硫化物等。阿奇山铅锌矿金属矿物具有不同的矿化阶段，矿体中含有自形--半自形的黄铁、铅锌矿和闪锌矿等,与石榴子石界线清晰，同时如图3中矿物的晶间空隙充填他形闪锌矿、黄铁矿等。矿体南侧的花岗斑岩体中的锆石U--Pb年龄为(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)。花岗斑岩体(图5)侵入雅满苏组地层，形成时间晚于矿体的形成时间，与花岗斑岩体中的U--Pb同位素定明年结果一致。

结合矿床地质特征，阿奇山铅锌矿地区的灰岩无明显蚀变，与典型的矽卡岩矿床存在差异，且该矿床的矿化样式剖面上部以纹层状为特征，下部发育少量的网脉状、浸染状矿化；平面上，矿石矿物则从中心向外呈黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、含铁闪锌矿、方铅矿、磁铁矿、赤铁矿到Mn--Fe--Ti氧化物，矿体具有明显的上层下脉的沉积模式，具有热水喷流沉积矿床构造特征。含矿围岩主要为流纹岩、流纹质凝灰岩以及大面积层状石榴子石矽卡岩，与矿体产状一致，可以精确限制矿床的成矿时代。