东天山双龙铜矿石英闪长岩锆石U-Pb定年、Hf同位素分析及对构造环境的制约

郭远新 赵同阳 孙月园

摘  要：通过对新疆东天山雅满苏岛弧带双龙铜矿成岩地质特征、岩石地球化学特征及Hf同位素分析，认为赋矿岩体为一套形成于后碰撞环境下的准铝质高钾钙碱性岩石系列的石英闪长岩，LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为（300.9±1.2）Ma。岩石地球化学显示，赋矿岩石具富集大离子亲石元素（LILE）K，Rb等及高场强元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，贫Nb，Ta，Ti，Sr，P特征，可能形成于后碰撞构造环境。石英闪长岩锆石176Hf/177Hf变化范围0.282 949～0.283 002，平均值0.282 979，εHf（t）值为12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）为375～482 Ma，平均 429 Ma，表明岩浆物源可能来自志留纪新生地壳的部分熔融。

关键字：东天山;双龙铜矿;石英闪长岩;锆石U-Pb定年;构造环境

东天山位于吐哈盆地以南，中天山北缘断裂——阿其克库都克断裂以北地区，属中亚造山带南缘。受古亚洲洋盆形成、消减的影响，经历了复杂多样的陆壳增生，是全球显生宙构造-岩浆事件及陆壳增生最显著地区[1-4]。该区完整的碰撞造山演化历史、强烈的构造-岩浆活动、显著的陆壳增生过程和大规模成矿作用成为研究构造岩浆活动及成矿作用的理想地区，受到学者们的广泛关注[5-8]。该区为我国西北地区重要的Cu，Au，Fe，Mo等矿产富集区[9]。2004年新疆地矿局第一地质大队在实施“新疆鄯善县百灵山-多头山一带铜矿资源评价项目”时发现双龙铜矿，经槽探揭露和钻孔验证，圈出铜、铁（伴生金、银、钴等）矿体。但对新发现的铜矿床及铜礦床成矿时代研究仍属空白。本文针对双龙铜矿赋矿岩体进行研究，在野外观察基础上，对与成矿相关的石英闪长岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学和地球化学研究，旨在对铜矿成矿时代及研究区构造环境提供有效证据。

1  地质背景

东天山位于中亚造山带南缘（图1-a），自北向南分别为博格达-哈尔里克造山带、吐哈盆地（陆块）、觉罗塔格造山带、中天山地块（图1-b，c）。双龙铜矿即产于东天山觉罗塔格构造带南部阿奇山-雅满苏岛弧带西段，百灵山岩体东南部（图1-c）。觉罗塔格构造带为夹持于吐哈陆块与中天山前寒武纪地块之间的长条形造山带，被近EW向康古尔-黄山韧性剪切带分割成北部大南湖-头苏泉岛弧带和南部阿奇山-雅满苏岛弧带。从现有资料来看，觉罗塔格构造带是吐哈地块南缘的晚古生代活动大陆边缘，其南部阿奇山-雅满苏岛弧带主要出露石炭系火山-沉积岩系，下部以中基性、酸性火山熔岩为主，中部以陆缘碎屑岩、碳酸盐岩建造为主，上部以中基性火山熔岩及同质火山碎屑岩为主。受后期造山作用影响，发育大面积不同期次的中酸性侵入岩体[10]，其中规模较大的为百灵山岩体，围绕该岩体已发现矽卡岩型银铜矿（维权）、火山岩型铅锌矿（阿齐山）、火山岩型铁矿（百灵山）、层控型铅锌矿（彩霞山）等一大批大、中型矿产，反映出该期侵入岩浆的控矿作用十分明显。

双龙铜矿即产于百灵山岩体与地层接触带之内带闪长岩体中（图2），初步认为成矿类型为斑岩型。矿区出露地层主要为上石炭统土古土布拉克组，总体产状倾向SW向，倾角67°～75°。矿区侵入岩极发育，为百灵山岩体的一部分。主要岩石类型有闪长岩、石英闪长岩、二长花岗岩、花岗岩等，岩体侵入时代为晚石炭世。闪长岩和石英闪长岩二者呈相变过渡关系，二长花岗岩与花岗岩同样也呈相变过渡关系。花岗岩类晚于闪长岩类侵入。矿区脉岩较发育，主要类型有辉长岩、斜长花岗斑岩、花岗斑岩、辉绿岩等。其中辉长岩、辉绿岩脉主要分布在花岗岩体中，斜长花岗斑岩、花岗斑岩主要分布在闪长岩岩体中。

2  岩石学特征

双龙铜矿主要赋矿岩石类型为蚀变细粒石英闪长岩，侵入于上石炭统土古土布拉克组基性凝灰岩中，石英闪长岩呈细粒半自形粒状结构，块状构造。岩石主要由斜长石（58%）、石英（15%）、钾长石（10%）、角闪石（15%）及少量黑云母（2%）组成。岩石次生蚀变明显，主要为绢云母化、粘土化、绿泥石化。斜长石呈半自形-自形板状，粒径0.5～1.5 mm，表面多被绢云母、粘土矿物取代。石英呈他形粒状，钾长石亦呈他形粒状，粒径细小，与石英填隙于板状斜长石粒间。角闪石为半自形-自形柱状，粒径0.2～0.5 mm，中心或边缘多见绿泥石化。黑云母少量，片状，多被绿泥石化，并沿解理析出铁质。见少量短柱状磷灰石分布于长石粒之间（图3）。矿石类型为孔雀石化、褐铁矿化蚀变闪长岩矿石。矿石呈残余半自形-他形粒状结构、块状构造、网脉状构造。主要金属矿物有褐铁矿、孔雀石、铜蓝、磁铁矿及少量黄铁矿、黄铜矿等，主要非金属矿物有长石、暗色矿物、石英及蚀变矿物绢云母等。

3  成矿时代

对双龙铜矿区石英闪长岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素组成分析，结果见表1。锆石CL图像在北京离子探针中心完成。LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质科学院矿产资源研究所实验室完成，定年分析仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为25 μm，以He为载气。锆石标准定年精度和准确度为1%（2σ）左右，锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，U，Th含量以锆石M127为外标进行校正。测试过程中测定5～7个样品前后重复测定两个锆石GJ-1对样品进行校正，并测量一个锆石Plesovice，观察仪器状态以保证测试精确度。数据处理采用ICPSDataCal程序[11]，锆石年龄谐和图用Isoplot3.0程序获得[12]。锆石以短柱及长柱状晶形为主，自形晶，具明显震荡环带结构（图4），Th/U比值为0.9～1.6，具岩浆结晶锆石特征。进行普通铅校正后，石英闪长岩17个点均为有效数据，206Pb/238U加权平均年龄为（300.9±1.2）Ma（n=17，MSWD=2.3）（图5），分析数据位于谐和线上，锆石年龄代表了石英闪长岩的结晶年龄。

本文获得双龙石英闪长岩的LA-ICP-MS U-Pb锆石年龄为（300.9±1.2）Ma，代表了双龙石英闪长岩结晶年龄。从已知年代学数据可知，本次测得的年龄数据可代表双龙铜矿含矿岩体的成岩年龄，该年龄限定了成矿时代的下限，为探讨双龙铜矿成矿作用提供了依据。

4  岩石地球化学特征

主量元素、稀土元素、微量元素分析在北京国家地质实验测试中心完成，其中主量元素采用X射线荧光光谱仪（PW4400），分析精度优于1%，检测方法依据GB/T14506.28-2010。稀土和微量元素利用等离子质谱仪（PE300D）进行测定，分析精度优于5%～10%，檢测方法依据DZ/T0223-2001。本次研究石英闪长岩岩石地球化学分析结果见表2。

岩石SiO2含量为55.32%～57.82%，Al2O3=15.19%～16.02%，Na2O+K2O=5.22%～6.81%，里特曼指数（σ）<3.3，A/CNK介于0.9～1.2，显示准铝质花岗岩特征（图6-b）。镁铁指数较高，Mg#=47.04～55.65，在SiO2-K2O图解上，样品主要分布于高钾钙碱性系列岩石区域（图6-a）。稀土元素分布模式总体上呈轻稀土富集的右倾型（图7-a）[13]，岩石稀土总量变化较小，介于93.96×10-6～105.37×10-6，平均98.65×10-6，具较高的轻重稀土元素比值（LREE/HREE=3.78～4.26，平均3.99），LaN/YbN=2.69～4.05，表明轻重稀土元素分馏较强，其中轻稀土分异明显，重稀土分异不显著。δEu值变化于0.74～0.93（平均0.81），具弱的铕负异常。蛛网图分布模式为平行簇状（图7-b）[14]，岩体总体上富集大离子亲石元素（LILE）K，Rb等和高场强元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，但贫Nb，Ta，Ti，Sr，P。Ba含量30×10-6～724×10-6，与花岗岩平均值（Ba为557×10-6）较接近。Nb和Ta亏损明显，含量分别为5.97×10-6～7.28×10-6和0.3×10-6～0.4×10-6，远低于上地壳平均值，Nb为25×10-6，Ta为2.2×10-6，在微量元素蜘网图上具有明显的Nb负异常，表明该岩体的形成与陆壳有密切关系。Ga含量15.5×10-6～16.5×10-6接近于大多数火成岩（1×10-6～40×10-6）和中国花岗岩平均值（18×10-6）;Al/Ga比值（4 870～5 320）低于中国花岗岩平均值（≈7 900）。相对Ga而言，Al更易进入钙长石的结构之中，因此，低的Al/Ga比值指示岩体源区发育斜长石的残留较多。岩体的Nd/Th值（变化于3.70～4.38），与壳源岩石相当（Nd/Th≈3），但明显低于幔源岩石（Nd/Th>15）。

5  讨论

5.1 锆石Hf同位素

锆石Hf同位素测试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Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP 213紫外激光剥蚀系统（LA-MC-ICP-MS）上进行，实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，剥蚀直径采用55 μm，测定时使用锆石国际标样GJ-1作为参考物质，分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。

对石英闪长岩定年样品进行锆石原位Hf同位素测试，分析数据见表3、图8。所有锆石的176Lu/177Hf小于0.004，显示锆石形成具有较低的放射成因Hf积累。考虑到岩体的fLu/Hf平均值为-0.93，明显小于镁铁质地壳的fLu/Hf（-0.34）和硅铝质地壳的fLu/Hf（-0.72）[15-16]，故二阶段模式年龄更能反映源区物质从亏损地幔被抽取的时间（或其源区物质在地壳的平均存留年龄）。据Hf同位素相关计算公式，采用硅铝质大陆地壳的fLu/Hf计算岩体的初始εHf（t）、tDM1和tDM2（表3）。石英闪长岩的15个岩浆锆石176Hf/177Hf的变化范围为0.282 949～0.283 002，Hf同位素成分较均一，平均值为0.282 979，εHf（t）值为12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）为375～482 Ma，平均429 Ma，表明其二阶模式年龄为中志留世。

5.2  岩石成因及源区分析

双龙石英闪长岩中，SiO2介于55.32%～57.82%、高钾（K2O/Na2O），镁铁指数较高，具准铝质花岗岩特征（A/CNK介于0.9～1.2），该石英闪长岩应属高钾钙碱性准铝质花岗岩。在A/NK-A/CNK花岗岩成因判别图解中，样品均落入I&S型花岗岩区域。岩石地球化学数据特征表明，石英闪长岩具有高钾钙碱性系列的准铝质花岗岩特点，稀土元素均表现出近一致的右倾分布模式，以富集轻稀土、具弱的铕负异常为特征，微量元素表现出相当一致的分布型式，岩体总体上富集大离子亲石元素（LILE）K，Rb等和高场强元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，贫Nb，Ta，Ti，Sr，P。本区石英闪长岩锆石Hf同位素分析结果表明，其εHf（t）值都落入亏损地幔线以下，石英闪长岩εHf（t）值均为正值（12.32～14.40），推断其源岩主要来自新生地壳的部分熔融作用。

5.3  构造环境探讨

双龙铜矿石英闪长岩形成于晚石炭世，在花岗岩构造环境判别图解Yb+Ta-Rb和Y+Nb-Rb中（图9-a，9-b）[22]，样品落入板块碰撞后隆起期花岗岩、晚造山期花岗岩及后碰撞花岗岩区域，由此认为石英闪长岩属后碰撞环境，与百灵山岩体所处的构造演化阶段一致[19]，岩性上与后碰撞演化阶段岩石普遍具有高钾钙-碱性系列特征的认识相一致。在花岗岩R1-R2构造环境判别图解中（图10）[23]，样品均落入后碰撞花岗岩区域。该岩体侵位于上石炭统土古土布拉克组中，后者以发育含自然铜的基性熔岩为主。前人获得含自然铜的玄武岩锆石SHRIMP U-Pb年龄为（306～308）Ma[20]，并认为该期岩浆活动形成于后碰撞构造阶段的伸展期[21]。该期岩体为石英闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩-花岗岩组合，属典型后碰撞环境侵入岩石组合1。由此我们认为，双龙地区晚石炭世花岗质侵入体形成于后碰撞构造环境。

6  结论

（1） 双龙铜矿区石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为（300.9±1.2）Ma（晚石炭世晚期），代表了石英闪长岩的结晶年龄。

（2） 通过岩石地球化学分析，认为赋矿岩石富集大离子亲石元素（LILE）K，Rb等和高场强元素（HFSE）Th，U，Zr和Hf，贫Nb，Ta，Ti，Sr，P元素，结合区域地质构造背景，认为其形成于后碰撞构造环境。

（3） 石英闪长岩锆石176Hf/177Hf变化范围为0.282 949～0.283 002，平均值0.282 979，εHf（t）值为12.32～14.40，平均13.40，tDM2（Hf）為375～482 Ma，平均429 Ma（中志留世），表明岩浆物源可能来自于志留纪新生地壳的部分熔融。

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Abstract： Through the study of quartz diorite geological characteristics， rock geochemical characteristics and Hf isotope analysis of the Shuanglong copper deposit in Yamansu island area，it is concluded that the mineralized rock mass is a set of quartz dendrites formed in the series of quasi-aluminum high potassium calcium alkaline rocks in the post-collision environment.Its LA-ICP-MS zircon U-Pb isotope age is （300.9 ±1.2） Ma（late Late Carboniferous）， representing the crystallization age of magma.Through rock geochemistry analysis，it is concluded that the mineralized rocks have the characteristics of rich Cs， Rb， Ba and other large Ionic prostony elements， and high field strong elements Nb，Ta，Ti，Sr，P are obviously losing.The geochemical characteristics of the island arc magmatic rock may be formed in the post-collision tectonic environment. The variation of quartz diorite zircon 176Hf/177Hf ranged from 0.282 949 to 0.283 002 with an average value of 0.282 979. The value of εHf（t） was 12.32～14.40， the average was 13.40， and the tDM2（Hf） was 375 ～ 482 Ma， the average was 429 Ma（middle Silurian）， it is indicated that the source of magmatic material may come from the mixing of the Silurian strata.

Keywords： Eastern Tianshan;Shuanglong Cu Deposit;Quartz Diorite;Zircon U-Pb Dating;Tectonic Setting