文斌，張?jiān)?，楊萬志，杜尚澤，王鵬，劉金偉，陳蕾

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，烏魯木齊 830000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所 自然資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

0 引言

成礦年代學(xué)的研究對于礦床成因以及成礦作用研究起到重要作用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，年代學(xué)測試方法被廣泛應(yīng)用于金屬礦床的研究中，如40Ar--39Ar法、U--Pb法、Sm--Nd法、Rb--Sr法和Re--Os法等。通常礦床形成及演化過程極其復(fù)雜，同時(shí)礦床的形成具有多階段特征，因此礦床形成時(shí)間的確定，需要在基礎(chǔ)地質(zhì)精確研究的基礎(chǔ)上，采用合適的同位素方法，才能精確確定成礦時(shí)代。

石榴子石作為造巖礦物之一，廣泛分布于自然界中，通常石榴子石具有變質(zhì)成因、巖漿作用成因、接觸變質(zhì)成因以及熱水噴流沉積成因等。由于石榴子石具有較高的封閉體系溫度，可以作為年代學(xué)研究對象，Mezger et al.[1]、Burton et al.[2]和Barrie[3]等學(xué)者采用石榴子石U--Pb同位素方法得到了精確年齡。但由于石榴子石礦物中較低的U含量且多賦存于包裹體中[4--5]，因此石榴子石U--Pb同位素在年代學(xué)研究中存在一定缺陷。近年來在對鈣榴石的研究過程中發(fā)現(xiàn)U分布均勻，且主要賦存于石榴子石的晶格中，可通過U--Pb同位素分析實(shí)現(xiàn)對鈣榴石形成時(shí)間的精確限定[6--12]。

東天山阿奇山鉛鋅(銅)礦床礦體周圍存在大量層狀石榴子石，與礦體產(chǎn)狀一致，觀察研究表明石榴子石的形成時(shí)間可以較好地反映礦體的形成時(shí)間。東天山阿齊山Pb--Zn(Cu)礦床位于烏魯木齊市東南部，約400 km處，小熱泉子VMS型礦床和康古爾金及多金屬礦床的南部，是2013年由新疆地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院發(fā)現(xiàn)的大型鉛鋅(銅)礦床。自礦床發(fā)現(xiàn)起研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，部分學(xué)者研究認(rèn)為該礦床為矽卡巖型礦床[13]，夏冬等[14]通過對花崗斑巖體的研究認(rèn)為該礦床為火山沉積--熱液疊加型礦床，鄧?yán)蛎鞯萚15]通過硫鉛同位素的研究認(rèn)為該礦床為火山熱液型礦床，仇銀江等[16]通過對野外地質(zhì)概況的研究認(rèn)為該礦床為熱水噴流沉積型礦床。對于礦床成因問題的研究一直存在爭議，而礦床形成時(shí)間的精確確定對于礦床成因的研究至關(guān)重要[17]。前人對于阿奇山礦體周圍的雅滿蘇組火山巖以及花崗巖侵入體進(jìn)行的研究表明礦床形成時(shí)間為340～320 Ma[18--23]，但并未對與礦體共生的石榴子石進(jìn)行定年研究。

筆者通過石榴子石U--Pb同位素定年結(jié)合花崗斑巖中鋯石U--Pb定年對阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍的石榴子石以及花崗斑巖巖體進(jìn)行研究，以確定礦床的形成時(shí)間，為礦床成因研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

東天山覺羅塔格成礦帶位于古亞洲洋南緣，地處西伯利亞板塊與塔里木板塊的聚合地區(qū)，北以康古爾剪切帶與大南湖島弧帶相鄰，南以庫姆塔克杜克斷裂與塔里木板塊接壤，是中國重要的銅、鎳、金、鐵、鉛、鋅等大型礦床集中區(qū)之一，帶內(nèi)發(fā)育石炭系—二疊系火山巖--海陸相沉積巖，區(qū)域巖漿作用發(fā)育。古生代期間，東天山造山帶經(jīng)歷了極其復(fù)雜的裂解和拼合的構(gòu)造演化歷史：早古生代奧陶紀(jì)裂解和拼合、晚古生代晚泥盆世—早石炭世裂解、晚石炭世—二疊紀(jì)碰撞拼貼[24--31]。

阿奇山鉛鋅礦位于東天山覺羅塔格成礦帶西部，其大地構(gòu)造位置位于阿奇山—雅滿蘇島弧火山帶，又稱為雅滿蘇裂陷槽[29]。北部以雅滿蘇斷裂帶為界，南部緊鄰阿奇庫克杜克斷裂帶(圖1)。

研究區(qū)地層主要為雅滿蘇組和上石炭統(tǒng)土古土布拉克組[24]。雅滿蘇組地層主要發(fā)育中酸性火山碎屑巖，夾少量凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、礫巖以及生物碎屑灰?guī)r等，不僅是錳礦的重要含礦層也是阿奇山鉛鋅礦重要含礦地段，礦體周圍大面積發(fā)育石榴子石矽卡巖，與礦體產(chǎn)狀一致，呈層狀、似層狀分布在地層中(圖2)。地層中的流紋巖以及安山巖鋯石U--Pb年齡顯示其形成時(shí)間為320 Ma±[20--23]。

圖1 東天山構(gòu)造格架(a)與礦產(chǎn)分布圖(b)(據(jù)文獻(xiàn)[32]修改)

上石炭世土古土布拉克組，與雅滿蘇組為不整合接觸關(guān)系，分布于礦區(qū)的南部，總體巖性組合為中酸性火山巖夾沉積巖組合，產(chǎn)狀穩(wěn)定，呈NEE--SWW走向，傾向SE，傾角約60°。底部發(fā)育一套礫巖，中部發(fā)育灰綠、紫紅色英安質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖，上部發(fā)育灰綠色、紫紅色晶屑巖屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖以及頂部的紫紅色英安質(zhì)火山角礫巖、角礫熔巖及凝灰?guī)r，夾灰綠色安山巖。

伴隨東天山古亞洲洋開與合的地質(zhì)事件，發(fā)育了泥盆紀(jì)(386.5～369.5 Ma)、早石炭世(349～330 Ma)、晚石炭世—晚二疊世(320～252 Ma)等3期花崗質(zhì)巖石和超鎂鐵質(zhì)巖石的侵位[33]。

研究區(qū)構(gòu)造樣式簡單，整體表現(xiàn)為一單斜構(gòu)造，區(qū)域發(fā)育1條NE向斷裂構(gòu)造以及4條NW向次生走滑斷裂構(gòu)造。NE向斷裂構(gòu)造與地層走向大體一致，NW向次生斷裂為左旋平移斷層，切穿花崗斑巖侵入體，依其產(chǎn)出特征，斷裂對礦體無明顯控制作用，推測其為成礦后斷裂[34]。

圖2 阿奇山鉛鋅礦地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[35]修改)

2 礦床地質(zhì)特征

阿奇山鉛鋅礦化集中在山前緩坡帶，長3 600 m、寬180～800 m的范圍內(nèi)，地表圈出礦體42條，鉛鋅礦體長80～3 000 m、視厚2～106 m，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀，礦體傾向SE、傾角35°～45°，與地層產(chǎn)狀一致(圖2) 。上部鋅礦體主要賦存于中--粗粒石榴子石矽卡巖中，頂板為細(xì)粒石榴子石矽卡巖，底板為鈉長石化巖屑凝灰?guī)r；下部鉛鋅礦主要賦存于火山凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖中，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%。局部鉆孔巖芯中，見有碳質(zhì)泥巖，Pb、Zn和Cu品位較高，礦床規(guī)模為中到大型。

礦石礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、黃銅礦、毒砂、磁鐵礦、白鎢礦和鏡鐵礦等。脈石礦物主要有方解石、石英、綠簾石、重晶石、石膏、透閃石和石榴子石等。礦石結(jié)構(gòu)類型比較簡單，主要包括自形--半自形粒狀結(jié)構(gòu)、他形結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)和乳滴狀結(jié)構(gòu)(圖3)。

礦區(qū)內(nèi)礦石構(gòu)造主要有浸染狀、條帶狀、似層狀、網(wǎng)脈狀和角礫狀等(圖4)。圍巖蝕變主有石榴子石--透輝石化、鈉長石--硅化、綠簾石化--綠泥石化，局部見有重晶石化、石膏化等。

阿齊山鉛鋅礦床具有上層下脈的分布特征，即上部呈現(xiàn)矽卡巖型層狀鋅礦石，下部為裂隙脈狀、角礫狀鋅礦石，伴有硅化、綠泥石化、綠簾石化。根據(jù)阿奇山鉛鋅礦礦體及礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，該礦床可以劃分為2個(gè)成礦期4個(gè)成礦階段(表1)，其中層狀礦體中可以劃分為2個(gè)成礦階段：①黃鐵礦--閃鋅礦成礦階段：見有自形程度很高的黃鐵礦，黃鐵礦邊部見有共生的閃鋅礦、石榴子石與黃鐵礦界線平直，周圍無蝕變交代特征。②黃鐵礦--黃銅礦--方鉛礦--閃鋅礦成礦階段：該階段見有黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦以他形填隙結(jié)構(gòu)分布在石榴子石的晶間空隙中。交代蝕變作用較弱。閃鋅礦中見有乳滴狀的黃鐵礦和星點(diǎn)狀的方鉛礦。網(wǎng)脈狀礦體中的方解石脈中見有少量黃鐵礦化，同時(shí)受后期氧化作用影響，黃鐵礦周圍發(fā)育褐鐵礦化。

Sp.閃鋅礦；Py.黃鐵礦；Cp.黃銅礦；Gn.方鉛礦；Grt.石榴子石；Q.石英。

a.紋層狀、條帶狀構(gòu)造；b、c.脈狀網(wǎng)脈狀構(gòu)造；d.角礫狀構(gòu)造。

表1 阿奇山鉛鋅礦床主要礦物生成順序圖表

圖5 阿奇山鉛鋅礦床剖面圖

礦體附近巖漿作用發(fā)育，在礦體上部見有花崗斑巖巖體(圖5)，偶見少量中--酸性巖脈。如圖2花崗斑巖位于礦體南部，巖體走向NE，長約3 000 m，寬80～380 m，侵入于雅滿蘇組地層(圖5)?；◢彴邘r體地表風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，接觸界線不易區(qū)分，被北西向次生走滑斷層錯(cuò)斷，巖石風(fēng)化面為黃褐色，新鮮面為灰白色，中粗粒斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要以斜長石和石英為主，斜長石含量約55%～60%，多呈自形--半自形板狀，長度多為1～2 mm，少量長度為2～3 mm，聚片雙晶和環(huán)帶結(jié)構(gòu)均較發(fā)育，部分晶體具明顯絹云母化。石英含量約12%～13%，他形粒狀，粒徑多為0.2～1 mm，波形消光現(xiàn)象發(fā)育?；|(zhì)為隱晶質(zhì)礦物。周圍見有少量二長花崗斑巖，輝綠巖中的鋯石U--Pb年齡為237 Ma。

綜合區(qū)域地質(zhì)特征，層狀礦體中的石榴子石以及花崗斑巖體的形成時(shí)間，可以反映礦床的形成時(shí)間。選取ZK4801、ZK4803中的石榴子石進(jìn)行U--Pb同位素定年，以期確定阿奇山鉛鋅礦床的成礦時(shí)間。其中阿奇山地區(qū)的石榴子石手標(biāo)本上可見褐色、黃綠色--灰綠色石榴子石礦物，石榴子石顯微鏡下主要為半自形--他形粒狀，粒徑多為0.3～1 mm，少量粒徑1～1.5 mm，極高突起。石榴子石可以分為兩種類型：褐色石榴子石樣品AQ4803采自層狀礦體，與礦體產(chǎn)狀一致，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴(yán)重，見有綠簾石，黃鐵礦等硫化物沿裂隙發(fā)育，邊部發(fā)育較窄的環(huán)帶。AQ4801灰綠色石榴子石矽卡巖采自層狀礦體上部。

阿奇山鉛鋅礦床礦區(qū)花崗斑巖體中鋯石U--Pb年齡引自文獻(xiàn)[13]，鋯石樣品為巖漿鋯石，共測試15個(gè)鋯石U--Pb同位素測試點(diǎn)，206Pb/238U年齡為(312±5)～(299±5)Ma，U--Pb和諧圖上交點(diǎn)年齡為(309±0.28)Ma(MSWD=0.17；n=15)，校正后的加權(quán)平均年齡(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)。

3 分析方法

將石榴子石樣品制作成電子探針片，在顯微鏡下對石榴子石進(jìn)行觀察研究拍照后，通過掃描電鏡和電子探針分別進(jìn)行BSE采集(圖6)以及石榴子石主量元素分析。電子探針在吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院巖礦測試與制樣中心進(jìn)行，采用電子探針X射線顯微分析儀(Electron Microprobe)，型號JXA--8230。U--Pb同位素在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用飛秒激光剝蝕系統(tǒng)高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜(fs--LA--HR--ICP--MS)分析完成，飛秒激光剝蝕系統(tǒng)為Applied Spectra公司的J200，激光輸出波長343 nm，激光脈沖寬度<480 fs。分析石榴子石的激光能量設(shè)定為50%，束斑為60 μm，頻率為8 Hz。電感耦合等離子質(zhì)譜為Thermo Element XR。ZK4801共測試49個(gè)樣品點(diǎn)，ZK4803共測試35個(gè)樣品點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)的時(shí)間共3 min，詳細(xì)的分析方法同文獻(xiàn)[11]。石榴子石數(shù)據(jù)分析采用軟件ICPMSDataCal[36]完成。

a. 4801--1; b. 4801--3石榴子石單偏光鏡下照片；c. 4801--2;d. 4803--1石榴子石BSE圖像。

4 分析結(jié)果

4.1 石榴子石主量元素

對阿奇山鉛鋅礦床石榴子石樣品AQ4801、AQ4803進(jìn)行主量元素分析(表2)，石榴子石主要為鈣鐵榴石--鈣鋁榴石固溶體系列。石榴子石三角分類圖如圖7所示，電子探針成分計(jì)算表明樣品AQ4801主要為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列(And97Gro2～And50Gro48)，AQ4801--2核部發(fā)育鈣鐵榴石，邊部為少量的鈣鋁榴石，SiO2、CaO和MnO含量分別為34.79%～37.17%、32.71%～34.05%和0.32%～0.78%；Al2O3和FeO含量分別為0.01%～9.88%和14.51%～27.10%，MgO和TiO2含量較低。樣品AQ4803為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列(And96Gro2～And28Gro70)，SiO2含量為35.13%～37.74%，CaO含量為32.46%～34.82%，MnO含量為0.39%～0.85%，Al2O3和FeO含量分別為0.11%～14.91%和8.45%～27.26%，少量MgO和TiO2。

4.2 石榴子石U--Pb同位素分析結(jié)果

阿奇山地區(qū)的石榴子石手標(biāo)本上可見褐色、灰綠色石榴子石礦物，五角十二面體，石榴子石顯微鏡下主要為半自形--他形粒狀， 粒徑多為0.3～1 mm，少量粒徑1～1.5 mm。淡粉色，極高突起，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴(yán)重，見有綠簾石化現(xiàn)象，BSE圖像顯示石榴子石不發(fā)育環(huán)帶特征(圖6c)，少量石榴子石邊部發(fā)育細(xì)小環(huán)帶(圖6d)。樣品AQ4801石榴子石矽卡巖為灰綠色、褐色，其中以灰綠色為主，無明顯環(huán)帶特征。樣品AQ4803主要為褐色，裂理較發(fā)育，中部蝕變破碎嚴(yán)重，見有綠簾石化黃鐵礦化等硫化物沿裂隙發(fā)育，邊部發(fā)育較窄的環(huán)帶。電子探針結(jié)果表明石榴子石主要為鈣鐵榴石--鐵鋁榴石系列，F(xiàn)e含量較高(圖7)。

石榴子石U--Pb同位素?cái)?shù)據(jù)如表3所示，樣品AQ4801石榴子石矽卡巖中的石榴子石U含量1.0×10-6～32.2×10-6，共分析49個(gè)激光點(diǎn)，在T--W U--Pb諧和圖上其下交點(diǎn)206Pb/238U年齡為(316.3 ± 4.4)Ma(MSWD = 1.4；n=49)，207Pb校正的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(314.6 ± 3.9)Ma(MSWD = 1.15)。樣品AQ4803石榴子石U含量5.4×10-6～61.2×10-6，分析35個(gè)激光點(diǎn)，其中有效點(diǎn)13個(gè)，在T--W U--Pb諧和圖上其下交點(diǎn)206Pb/238U年齡為(317 ± 18)Ma(MSWD = 1.4；n=13)，207Pb校正的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(323±15)Ma(MSWD=0.6)(圖8)。

Gro.鈣鋁榴石；And.鈣鐵榴石；Alm.鐵鋁榴石；Pyr.鎂鋁榴石；Spe.錳鋁榴石。

圖8 石榴子石U--Pb諧和圖和207Pb校正的206Pb/238U加權(quán)平均年齡圖

表3 阿奇山石榴子石LA--ICPMS U--Pb同位素分析結(jié)果

續(xù)表3

5 討論

LA--ICP--MS石榴子石U--Pb同位素方法的應(yīng)用為新疆東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體成礦時(shí)代的確定提供了新的研究方法，為礦床成因的研究提供了重要依據(jù)。東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍大量分布層狀石榴子石矽卡巖，電子探針分析表明主要為鈣鐵榴石--鈣鋁榴石等鈣榴石系列，實(shí)驗(yàn)研究證明僅在鈣榴石中U分布十分均勻，且主要賦存于礦物晶格中[4]。相較于其他石榴子石，如錳鋁榴石、鐵鋁榴石、鎂鋁榴石等具有較低的U含量[5]，鈣榴石系列具有較高的U含量。阿奇山礦床周圍石榴子石U--Pb同位素測試結(jié)果顯示石榴子石具有較高的U含量(AQ4801 U含量為1.0×10-6～32.2 ×10-6，AQ4803 U含量為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，因此樣品AQ4801與AQ4803石榴子石U--Pb同位素定年結(jié)果可以較好地反映礦物的生成時(shí)間。

阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍的石榴子石矽卡巖與礦體產(chǎn)狀一致具有較好的層狀特征(圖2)。U--Pb同位素定年結(jié)果AQ4801年齡為(314.6±3.9)Ma(MSWD=1.15)，AQ4803年齡為(323±15)Ma(MSWD=0.6)，兩類石榴子石年齡在誤差范圍內(nèi)一致，同時(shí)與雅滿蘇組地層流紋巖以及安山巖鋯石U--Pb年齡一致，形成于晚石炭世。在石榴子石樣品中(圖6)，樣品AQ4801石榴子石為黃綠色，無明顯蝕變特征，礦物成分均勻。AQ4803石榴子石為褐色礦物,碎裂結(jié)構(gòu)發(fā)育，在石榴子石礦物裂隙以及礦物晶間空隙中見有金屬硫化物等。阿奇山鉛鋅礦金屬礦物具有不同的礦化階段，礦體中含有自形--半自形的黃鐵、鉛鋅礦和閃鋅礦等,與石榴子石界線清晰，同時(shí)如圖3中礦物的晶間空隙充填他形閃鋅礦、黃鐵礦等。礦體南側(cè)的花崗斑巖體中的鋯石U--Pb年齡為(306±2.8)Ma(MSWD=0.5)?；◢彴邘r體(圖5)侵入雅滿蘇組地層，形成時(shí)間晚于礦體的形成時(shí)間，與花崗斑巖體中的U--Pb同位素定明年結(jié)果一致。

結(jié)合礦床地質(zhì)特征，阿奇山鉛鋅礦地區(qū)的灰?guī)r無明顯蝕變，與典型的矽卡巖礦床存在差異，且該礦床的礦化樣式剖面上部以紋層狀為特征，下部發(fā)育少量的網(wǎng)脈狀、浸染狀礦化；平面上，礦石礦物則從中心向外呈黃銅礦、黃鐵礦、閃鋅礦、含鐵閃鋅礦、方鉛礦、磁鐵礦、赤鐵礦到Mn--Fe--Ti氧化物，礦體具有明顯的上層下脈的沉積模式，具有熱水噴流沉積礦床構(gòu)造特征。含礦圍巖主要為流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r以及大面積層狀石榴子石矽卡巖，與礦體產(chǎn)狀一致，可以精確限制礦床的成礦時(shí)代。

6 結(jié)論

(1)東天山阿奇山鉛鋅礦床礦體上部主要為層狀、似層狀，下部發(fā)育脈狀、網(wǎng)脈狀礦體，典型的雙層構(gòu)造，具有熱水噴流沉積型礦床的構(gòu)造特征。

(2)據(jù)阿奇山鉛鋅礦床礦體周圍石榴子石U--Pb同位素定年結(jié)果顯示，阿奇山鉛鋅礦床礦體形成于早石炭世末—晚石炭初(323～314.6 Ma)。