新疆東準噶爾壩西早石炭世石英閃長巖及其對斑巖銅礦的指示意義

張銘鴻，姚 勇，程志國，張招崇

(中國地質大學(北京) 地質過程與礦產資源國家重點實驗室， 北京 100083)

中亞成礦域是世界三大成礦域之一，蘊含豐富的礦產資源(朱永峰等， 2007； 薛春紀等， 2010； 高俊等， 2019)，在哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦及蒙古等國境內均發現有一系列超大型及眾多大中型斑巖型銅鉬金礦床(圖1)，如Bozshakol、Nurkazgan、Kounrad、Aktogai、Taldy Bulak、Koksai、Aidarly、Kalmakyr、Oyu Tolgoi及Erdenet等世界級超大型斑巖銅、銅-鉬及銅-金型礦床(Seltmann and Porter, 2005； Maoetal., 2014； 申萍等， 2015； 高俊等， 2019)。我國新疆北部位于中亞成礦域西段，西與哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦相接，東與蒙古國相鄰，但礦床數量及規模均明顯低于周邊國家和地區(董連慧等， 2009； 楊富全等， 2010)，是找礦勘查工作程度低還是成礦條件本身問題尚不明朗。

瓊河壩礦集區位于中亞成礦域西段東準噶爾瓊河壩鐵、銅、金、鉬、明礬石成礦帶，地理上與蒙古國相鄰，是中亞造山帶在我國境內重要的成礦區帶之一，目前初步查明有多處銅、鐵、金等金屬礦床(點)，前人從礦床地質、地球化學、地球物理等方面對瓊河壩礦集區的礦床成因、成礦模型及成礦潛力等進行了研究，相關成果對區內進一步找礦勘查具有重要的啟示意義(張招崇等， 2006； 屈迅等， 2009； Quetal., 2009； Zhangetal., 2010a, 2010b； 張永等， 2010a， 2010b； 王軍等， 2010； 梁廣林等， 2010； 劉建朝等， 2014)。近年來，瓊河壩礦集區找礦勘查工作取得了一系列重要成果，區內已查明有蒙西、和爾賽、銅華嶺、綠石溝、拉伊克勒克、瓊河壩和桑南等眾多中-小型規模的斑巖型銅礦床(點)，顯示出一定的找礦前景，但是尚未實現斑巖銅礦找礦的重大突破。壩西銅礦的發現是瓊河壩礦集區最新取得的地質工作成果之一(王斯林等， 2017， 2018)。本文將通過對壩西銅礦成礦巖體的礦物學、巖石學、地球化學特征以及鋯石U-Pb年代學與Hf同位素特征的研究，分析其成礦潛力，以期為該銅礦勘探找礦工作提供一些新的線索。

1 成礦地質背景

瓊河壩地區大地構造位置位于準噶爾板塊謝米斯臺-野馬泉-瓊河壩古生代島弧帶東段。該島弧帶是由晚古生代火山巖疊加于早古生代島弧上形成的古生代復合島弧帶。

瓊河壩地區地層自北向南大致呈NWW向，依次為奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系和侏羅系，該地區大部分被第四系沉積物覆蓋(圖2a)。區域構造主要為與準噶爾地區地體拼貼接合作用相關的NWW向斷裂和褶皺及其派生的次級構造。侵入巖體以志留紀花崗閃長巖、二長花崗巖和鉀長花崗巖等為主，泥盆紀花崗閃長斑巖呈巖枝、巖脈狀侵入其中，該套巖體主要侵位到奧陶系綠片巖相變質火山沉積巖中。

2 礦床地質特征

礦區出露地層以中泥盆統庫魯木迪組為主，呈殘留弧島狀分布，巖性主要為安山質晶屑凝灰巖、安山巖。礦區構造以斷裂為主，早期發育NW向次級斷裂構造、晚期發育近EW向斷裂構造。礦區侵入巖主要可分為兩期，早期巖體為區域上廣泛出露的志留紀至泥盆紀花崗閃長巖、二長閃長巖和正長花崗巖，礦化較弱或不含礦，是銅礦的圍巖之一，晚期侵入巖為早石炭世石英閃長巖、石英二長閃長巖和侵入其中的閃長玢巖脈，它們侵入于早期的志留紀-泥盆紀巖體中，但面積較小，約0.06 km2。石英閃長巖與石英二長閃長巖呈過渡關系，前者為主體，分布在中心，后者作為邊緣相出現。其中銅礦化主要與石英閃長巖、石英二長閃長巖有關。此外礦區內還有一些中酸性巖脈侵入在志留紀和早石炭世巖體中。

圖 1 中亞成礦區域中西段斑巖銅鉬金礦床分布圖(據高俊等， 2019修改)

壩西銅礦床已查明有南北兩條礦帶，以南礦帶為主，總體呈近NW-SE向延伸，與區域構造線方向一致(圖2b)。南礦帶沿NW-SE走向延伸約1 km，地表北西側礦帶侵入至中泥盆統庫魯木迪組安山質晶屑凝灰巖、安山巖中。北礦帶礦化較弱，地表孔雀石化、褐鐵礦化及黃鉀鐵礬化發育，目前發現3條礦體。礦體幾何形態呈似層狀、透鏡狀，傾向NE，傾角65°～85°，最大控制深度700 m。目前已控制礦化體規模為小型，銅品位為0.2%～0.4%。

根據礦物組合特征，大致可劃分出4個蝕變帶：鉀化帶、絹英巖化帶、泥英巖化帶、青磐巖化帶。鉀化帶位于蝕變帶中心，礦物組合以石英-鉀長石-黑云母為主，絹云母化和電氣石化發育，分布較為局限，蝕變原巖主要為閃長玢巖脈；絹英巖化帶部分疊加在鉀化帶上，礦物組合以石英-絹云母為主，綠泥石化和電氣石化局部發育，是銅礦體主要賦存部位，原巖為石英閃長巖；泥英巖化帶主要蝕變礦物為高嶺石、綠泥石和沸石等，分布于絹英巖化帶外側，有少量銅化體分布，原巖為邊緣相石英二長閃長巖；青磐巖化帶分布于最外側，淺黃綠色到灰綠色，主要由綠泥石化、綠簾石化組成，原巖為安山質晶屑巖屑凝灰巖，局部裂隙中有少量銅礦化體分布。

圖 2 東準噶爾瓊河壩島弧區域地質圖(a， 據屈迅等， 2009修改)和壩西銅礦礦區地質圖(b， 據王斯林等， 2017修改)

礦區礦石礦物組成較為簡單，以黃銅礦和黃鐵礦為主，此外還有少量磁鐵礦、輝鉬礦等。礦石結構為中細粒半自形至他形粒狀，構造以細脈浸染狀為主，浸染狀及斑團狀次之。黃銅礦它形，銅黃色，可見浸染狀及細脈浸染狀礦化，部分礦石中與黃鐵礦共生。

3 早石炭世巖體的巖相學特征

石英閃長巖呈灰白色，中粒半自形粒狀結構，塊狀構造，粒度約0.2～5 mm，斜長石含量60%～70%，石英含量15%～20%，鉀長石含量<10%，暗色礦物以黑云母為主，含量約10%，角閃石含量較低，副礦物以磁鐵礦為主。斜長石普遍遭受蝕變，以絹云母化蝕變為主，部分黑云母綠泥石化(圖3a、3b)。

石英閃長巖中可見橢球狀及團斑狀暗色包體，大小約2 cm×2 cm～6 cm×10 cm，半自形到它形微細粒-細粒結構，粒度約0.1～0.4 mm，以自形到半自形斜長石、石英、黑云母及角閃石為主，淺色礦物含量65%～75%，暗色礦物含量20%～30%，此外還有約1%的磁鐵礦、鈦鐵礦等副礦物，包體與寄主石英閃長巖截然接觸(圖3c、3d)。

圖 3 石英閃長巖以及其中包體的手標本和顯微鏡下照片

石英二長閃長巖呈淺肉灰色-灰白色，中細粒自形到半自形粒狀結構，塊狀構造，礦物組成與石英閃長巖相似，鉀長石含量明顯升高，約10%～20%。

閃長玢巖呈斑狀結構，塊狀構造，斜長石斑晶粒徑約在3～8 mm，與銅礦化的關系密切。

4 樣品及測試方法

本次研究的對象主要為和成礦密切相關的石英閃長巖巖體的巖心樣品(如ZK2901、ZK2902、ZK1701以及ZK3702等)，還采集了礦區地表較為新鮮的年齡樣品(BX3)。角閃石及斜長石的電子探針分析在中國地質大學(北京)地質過程與礦產資源國家重點實驗室電子探針室完成。分析儀器為EPMA-6000，實驗條件為加速電壓15 kV，電流20 nA，束斑直徑5 μm，數據采用ZAF修正計算。

主量和微量元素分析在國家地質實驗測試中心完成。主量元素和微量元素分析方法分別為XRF和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)。其中FeO和Fe2O3由濕化學分析法分析。

鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年和Hf同位素分析在中國地質科學院地質研究所大陸構造與動力學實驗室和礦產資源研究所完成。鋯石U-Pb定年工作所用的MC-ICP-MS為美國Thermo Fisher公司最新一代Neptune Plus型多接收等離子體質譜儀。采用的激光剝蝕系統為美國Coherent公司生產的GeoLasPro 193 nm。本次U-Pb定年實驗激光剝蝕以氦氣作為剝蝕物質的載氣，激光剝蝕束斑直徑為24 μm，激光能量密度為10 J/cm2，頻率為8 Hz，每個分析點的氣體背景采集時間為4 s，信號采集時間為23 s。實驗測定及校準標樣為標準鋯石91500，采用GJ-1作為輔助標樣驗證數據準確性。采用ICPMSDataCal程序(Liuetal., 2010)和Isoplot 3.0程序(Ludwig， 2003)進行數據處理；年齡計算以標準鋯石91500 為外標進行同位素比值分餾。測定時采用標準鋯石91500作為參考物質，選點位置與相應U-Pb定年位置相同，相關儀器運行條件及詳細分析流程見侯可軍等(2007， 2009)。

5 分析結果

5.1 巖體鋯石U-Pb年齡和鋯石Hf同位素

分析結果見表1。石英閃長巖(BX3)的鋯石多為灰白色，形態主要為短柱狀-粒狀，顆粒較小，粒徑多為60～100 μm，巖漿震蕩環帶發育(圖4)，無明顯繼承核結構。26顆鋯石的26個點中，1號點與6號點未得出有效一致年齡，得出有效一致年齡的24個點全部落在諧和線上及附近(圖5)，其206Pb/238U諧和年齡為346.6±3.6 Ma，MSWD=0.38，加權平均年齡為345.7±3.0 Ma，MSWD=0.40，為早石炭世。本文采用加權平均年齡作為巖體年齡，分析所得每個樣品的諧和年齡具有不同的誤差，加權平均年齡更真實的反映了巖體年齡以及誤差的大小。

對13顆已測U-Pb年齡鋯石進行了原位Hf同位素分析結果見表2。從表2可以看出，其176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值范圍分別為0.036 940～0.093 871和0.000 980～0.002 345，176Hf/177Hf 值為0.282 954～0.283 012,176Hf/177Hf平均值為0.282 976±0.000 036。根據鋯石U-Pb年齡和Lu-Hf同位素測試結果計算得出εHf(t)值為+13.66～+15.64，兩階段模式年齡值變化于499～353 Ma。

5.2 礦物學特征

石英閃長巖的斜長石和角閃石的電子探針分析結果見表3和表4。從表3可以看出，斜長石的成分為An70～55Ab29～44Or1，屬于拉長石，明顯較一般的中性巖類中的斜長石要富鈣，中性巖類的斜長石通常為中長石。

從表4可以看出，角閃石的成分非常均勻，均為鈣質角閃石。Ridolfi等(2012)根據過去的角閃石經驗公式和新的實驗數據，可以計算鈣堿性和堿性巖石中的富Mg鈣質角閃石的溫度、壓力、水含量以及氧逸度。根據該方法，計算得到角閃石形成的壓力為28.6～166.9 MPa，相當于大約0.6～3.1 km，溫度673～908℃，水含量約3.18%～4.64%，氧逸度為ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27。計算結果顯示出較高的水含量與斜長石高的牌號(An為70～55)一致，因為在高的水含量條件下，巖漿中結晶的斜長石牌號要比低水含量結晶出的斜長石牌號高。

5.3 主量元素和微量元素特征

石英閃長巖的主要元素和微量元素分析結果見表5。從表5可以看出，其SiO2含量為58.97%～64.89%；Al2O3含量為16.5%～19.48%，A/CNK值為0.79～1.14，表現為準鋁質到弱過鋁質的特征，高的A/CNK值主要與絹云母化有關。里特曼指數[σ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43)]為1.21～2.27，屬于鈣堿性系列。

表 1 石英閃長巖鋯石U-Pb年齡測定結果

圖 4 石英閃長巖巖體鋯石樣品陰極發光(CL)圖像

圖 5 石英閃長巖中的鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb 諧和年齡(a)及加權平均年齡(b)

表 2 石英閃長巖鋯石Lu-Hf同位素分析結果

表 3 斜長石電子探針分析結果 wB/%

其∑REE為69.17×10-6～81.82×10-6，LREE為57.42×10-6～69.60×10-6，HREE為11.75×10-6～14.10×10-6；δEu值為0.73～1.08，整體表現為較弱的Eu負異常或無異常；其(La/Yb)N值為3.58～4.76，在球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖解上呈弱右傾型(圖6)。微量元素中大離子親石元素Rb、Ba、Sr相對富集，高場強元素Th、Nb、Ta、Ti、P相對虧損，Sr表現為明顯的正異常，Nb、Ta、Ti表現為較強負異常(圖6)。

6 討論

6.1 礦體年齡及地質意義

東準噶爾地區在古生代期間巖漿活動強烈而頻繁，大范圍的板塊聚合作用在不同地質歷史時期形成了一系列蛇綠巖帶及島弧巖漿巖帶(Xiaoetal., 2004)。東準噶爾島弧巖漿巖帶上，已經發現了一系列的晚古生代斑巖銅礦床，如～380 Ma哈臘蘇斑巖銅金礦床(張招崇等， 2006)、～390 Ma的卡拉先格爾斑巖銅礦床(相鵬等， 2009)、～410 Ma的和賽爾斑巖銅鉬礦床(杜世俊等， 2010)、～410 Ma的蒙西斑巖銅鉬礦床(屈訊等， 2009)、～337 Ma的桑南斑巖銅礦床(Xuetal., 2017)、～410 Ma的拉伊克勒克斑巖銅鉬礦床(李高峰等， 2018)和354 Ma的綠石溝斑巖銅礦(趙建新等， 2017)等，說明該地區斑巖成礦作用時間長，其中早泥盆世以銅鉬礦化為主，而中晚泥盆世則變為斑巖銅(金)礦化。根據前人資料，壩西銅礦存在兩期中酸性侵入體，早期巖體為志留紀花崗閃長巖和二長花崗巖，晚期巖體為早石炭世石英閃長巖、石英二長閃長巖和閃長玢巖脈，與銅礦化密切相關。石英閃長巖與石英二長閃長巖呈過渡關系，前者為主體，分布在中心，后者作為邊緣相出現，本次研究揭示石英閃長巖的鋯石U-Pb平均年齡為345.7±3.0 Ma(MSWD=0.40)，因此推測成礦時代應為早石炭世。巖漿作用和成礦作用持續時間長的特點和中亞成礦域一些大型礦集區相似，如烏茲別克斯坦的Almalyk礦集區內分布有Kalmakyr、Dalneye、Sarcheku和Kyzata等4個超大型斑巖銅礦床，成礦作用從中泥盆世一直到晚石炭世(薛春紀等， 2014； Chengetal., 2018)。南蒙古的Oyu Tolgoi斑巖銅金礦床是亞洲最大的斑巖銅礦床，其斑巖鋯石年齡為374～334 Ma(陳正等， 2016； Wainwrightetal., 2017)。這些都說明，壩西斑巖銅礦所在的東準噶爾古生代島弧帶具有很好的斑巖銅礦成礦背景。

6.2 巖石成因

礦區早石炭世石英閃長巖和石英二長閃長巖的巖石組合、低的SiO2含量(58.97%～64.89%)以及存在原生角閃石表明其屬于I型花崗巖類。微量元素中Sr含量為418.00×10-6～556.00×10-6，Y含量為17.40×10-6～21.00×10-6，Sr/Y值變化于22.72～28.22，與區域上具有埃達克質地球化學特征的侵入巖體有明顯區別(杜世俊等， 2010； 王金榮等，2013)，表現為典型的島弧環境成因特征(圖7)。

鋯石Lu-Hf同位素分析結果，其εHf(t)值為+13.66～+15.56，兩階段模式年齡值變化于499～353 Ma之間，暗示巖漿起源于虧損地幔或由幔源物質分異產生的新生地殼(Peteretal., 2003)。此外，礦區石英閃長巖中含有大量同生微細粒暗色閃長質包體(MME)，橢圓狀到團斑狀，微細粒結構，這種MME通常被認為是幔源巖漿的加入。另外，石英閃長巖屬于中性巖類，其中的斜長石一般是中長石，而石英閃長巖中的斜長石是拉長石，并且拉長石通常是基性巖漿結晶的產物，所以這也說明可能有幔源巖漿的加入。因此，綜合考慮這些特征，石英閃長巖可能是幔源基性巖漿和新生地殼熔體混合形成的。

表 4 角閃石電子探針分析結果(wB/%)及特征參數

表 5 石英閃長巖主要元素(wB/%)和微量元素(wB/10-6)分析結果

圖 6 石英閃長巖和石英二長閃長巖稀土元素球粒隕石標準化(a)與微量元素原始地幔標準化曲線圖(b)(球粒隕石和原始地幔標準化數據來自Sun and McDonough， 1989 )

圖 7 石英閃長巖和石英二長閃長巖的Sr/Y-Y(a，底圖據Martin, 1999)和(La/Yb)N-YbN圖解(b， 底圖據Drummond and Defant, 1990)

6.3 斑巖銅礦成礦潛力分析

要分析斑巖銅礦的成礦潛力，首先要從地質背景和成礦環境進行分析，即是否具備斑巖銅礦的有利的斑巖銅礦背景，其次是斑巖巖漿是否有利于斑巖銅礦形成的物理化學條件。

對于斑巖銅礦而言，其最有利的背景是俯沖的巖漿弧，典型的如安第斯山和太平洋島弧，全球前20名巨型斑巖銅礦均形成于這樣的背景，包括中亞成礦域的烏茲別克斯坦的Kalmakyr和蒙古的Oyu Tologoi；其次是大陸碰撞造山帶，如青藏高原的岡底斯帶。弧環境中形成的含礦鈣堿性巖漿最早被認為是俯沖的大洋板片直接熔融的產物(Sillitoe, 1972)，但后來的研究表明，除少數埃達克質巖漿為年輕大洋板片直接熔融形成外(如Defant and Drummond, 1990； Peacocketal., 1994； Martin, 1999)，絕大多數的鈣堿性巖漿是由大洋板塊沿畢尼奧夫俯沖帶到達深部后，發生脫水，使上地幔發生交代，產生含水的地幔部分熔融形成的。這種鈣堿性玄武質巖漿通常在下地殼經歷MASH過程(Hildreth and Moorbath, 1988)，形成原始的含礦島弧巖漿(Peacock, 1993； Arculus, 1994； Richards， 2003， 2005)，其特點是富水，而且具有較高的氧逸度(Richards， 2003)，因為在高氧逸度條件下，S主要以硫酸鹽的形式溶解于巖漿之中，從而導致Cu、Mo、Au等元素不至于在早期和S結合形成硫化物而分散，可以更好地在晚期的硅酸鹽熔漿中富集(Richardsetal., 1991； Richards, 1995)。

前已述及，研究區與成礦有關的石英閃長巖地球化學特征上與埃達克巖明顯不同，說明其不是俯沖的大洋板塊部分熔融形成的。其所含的MME包體、石英閃長巖中的斜長石是拉長石以及正的εHf(t)值都暗示與成礦有關的石英閃長巖起源于幔源的基性巖漿與新生地殼部分熔融的巖漿混合的產物，這一點與傳統的斑巖銅礦成礦背景一致。

過去的大量研究表明，要形成斑巖銅礦，與成礦有關的斑巖有利于成礦的條件是： ① 源區具有高的銅含量，即巖漿巖是Cu的主要來源，所以巖漿巖的源區應該有高的Cu含量； ② 高的氧逸度，硫是變價元素，在高的氧逸度條件下硫以+6價硫酸鹽的形式溶解于巖漿中，而在還原條件下是以硫化物的形式結晶沉淀而在早期階段分散； ③ 高的水含量，斑巖礦床是在熱液階段成礦，所以要形成足夠多的巖漿熱液流體，巖漿中的水要足夠的高(Richardsetal., 1991，1995)； ④ 淺侵位，流體在熔體中的溶解度與壓力呈正相關，壓力越高溶解度越高，所以巖漿上升到淺位時流體不飽和的巖漿由于壓力的降低導致過飽和而出溶形成巖漿流體。按照上述條件，壩西石英閃長巖基本上具有以上3個有利條件： ① 其來自于幔源基性巖漿與新生地殼部分熔融巖漿的混合，這樣的源區應該是富銅的(Sillitoe， 1972， 2010；Richards， 2005)； ② 根據角閃石成分估算的氧逸度為ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27，屬于高的氧逸度； ③ 根據角閃石成分估算的水含量為3.18%～4.64%。但是根據角閃石成分估算的深度大約為0.6～3.1 km，這個深度比一般的斑巖侵位深度要深。然而，角閃石是比較早的結晶礦物，所以實際侵位深度應該<3.3 km。

王斯林等(2017)對礦區進行了激發極化法、TEM 視電阻率和CSAMT測深剖面等地球物理方法，結果顯示礦區西北部中高阻、中高極化體、弱高磁異常，與礦區已知含礦部位物探異常基本一致，異常部位對應石英閃長巖體及礦化帶側伏延伸方向，他們推測為礦致異常引起，也同樣顯示出一定的找礦前景。

綜上所述，無論是成礦地質背景還是與斑巖礦床有關的石英閃長巖以及地球物理異常均顯示出該區具有較好的找礦潛力。

7 結論

(1) 壩西銅礦床賦礦巖體為早石炭世以石英閃長巖、石英二長閃長巖為主的小巖株和侵入其中的閃長玢巖脈，中間相的石英閃長巖鋯石U-Pb加權平均年齡為345.7±3.0 Ma。礦物學和巖石學表明其屬于準鋁質-弱過鋁質鈣堿性中酸性Ⅰ型花崗質巖石，其母巖漿可能為幔源的基性巖漿與新生地殼部分熔融形成的中酸性巖漿的混合，所以其構造背景應該是俯沖大洋板塊脫水導致的地幔楔部分熔融再經歷MASH過程，而不是直接由俯沖的熱的大洋殼部分熔融的結果。

(2) 根據角閃石成分計算出的壓力為28.6～166.9 MPa，相當于大約0.6～3.1 km，溫度673～908℃，水含量約3.18%～4.64%，氧逸度為ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27。

(3) 巖漿高的水含量和高的氧逸度為斑巖銅礦的形成提供了有利的條件。結合其產出的構造背景以及礦區地球物理異常，認為該區具有很好的斑巖銅礦找礦潛力。