新疆東天山三岔口銅礦床同位素組成及成礦物質來源示蹤

艾珂丹·阿里根江, 李順達,2*, 王可勇

(1. 新疆大學地質與礦業工程學院, 烏魯木齊 830017; 2. 新疆中亞造山帶大陸動力學及成礦預測重點實驗室, 烏魯木齊 830017)

斑巖型礦床是全球銅資源的重要來源之一,提供了世界上約75%的銅[1-2],該類型礦床不僅形成于陸緣弧和島弧中,還與碰撞造山事件相關[2],通常以細脈浸染狀礦化為主,具有規模大、品位低、埋藏淺的特點。

天山成礦帶地處中亞造山帶南緣, 是一條近東西向延伸,全長超4 000 km的跨境成礦帶。中國境內的天山成礦帶以E88°線為界,分為東天山和西天山[3]。其中,東天山地區顯生宙巖漿-熱液事件顯著,是全球陸殼增生最明顯的地區之一,也是重要的多金屬成礦帶[4-5]。區內巖漿巖可劃分3個期次。

(1)石炭紀侵入巖形成于俯沖島弧背景[6-7],花崗巖類巖石為鈣堿性類型[8],包括土屋-延東、延西一帶斑巖型礦化相關的斜長花崗斑巖、閃長玢巖、花崗斑巖,及赤湖斑巖型銅礦化相關的斜長花崗斑巖等。

(2)二疊紀末期造山帶碰撞后的基性-超基性巖漿巖主要有黃山東巖體[7]、香山巖體[9]等。

(3)三疊紀造山后板內演化階段與白山[10]、東戈壁斑巖型鉬礦床具有成因聯系的花崗斑巖體等[11]。

三岔口礦區位于東天山東段。1985年,由新疆地礦局物化探大隊在礦區進行水系沉積物1∶5萬測量時發現,隨后新疆地質礦產勘查開發局第六及第一地質大隊對礦區進行了大量的野外勘查工作,目前礦區達到工業級別的銅礦體有35條,銅品位0.35%～2.34%。

前人已對三岔口銅礦的地質特征、流體來源及演化、成巖成礦時代、礦床成因開展了大量研究,并取得諸多成果。孫燕等[12]通過巖漿期后熱液作用研究,認為銅礦化主要形成黃銅礦、斑銅礦化,礦體形成受到含礦巖體邊緣相中的裂隙的控制;孫燕等[12]通過流體包裹體及H—O同位素研究,認為源于含礦石英脈中的包裹體屬于氣-液型包裹體,平均溫度約210 ℃,平均鹽度約9.2% 的NaCl-H2O體系;林濤等[13]通過鋯石U-Pb及輝鉬礦Re-Os定年研究,獲得(425±3.9)Ma成巖年齡與(416±6.4) Ma的成礦年齡,成巖成礦作用形成于中志留世。目前,對于該礦床的爭論主要在成因方面。郎智君等[14]通過對含礦巖石進行巖石化學及微量元素測試分析,認為礦床屬于熱液交代-充填型礦床;秦克章等[4]通過對輝鉬礦進行X射線分析,認為三岔口銅礦床為斑巖-疊加熱液脈型礦床。

硫鉛同位素是有效的物質來源示蹤劑,同時能夠通過S、Pb同位素組成,提供礦床成因指示,如斑巖型礦床,S、Pb同位素特征指示其物質來源于巖漿;矽卡巖型礦床,S、Pb同位素特征指示其來源于巖漿與地層的混合;淺成低溫熱液脈型礦床,S、Pb同位素特征指示其主要來自地層。但目前研究缺少S、Pb同位素數據及討論,現通過對三岔口礦床硫化物中的黃銅礦和黃鐵礦進行S、Pb同位素組成分析,并分析成礦物質來源,簡述可能的礦床成因。

1 區域地質概況

東天山地區位于中亞增生型造山帶的西段南緣[圖1(a)],哈薩克斯坦-準噶爾地體和塔里木地塊的聚合部位,北側以吐哈盆地南緣大南湖島弧帶為標志,南到中天山地塊北緣,西起托克遜南,東延至甘肅和新疆的省界[15],西起小熱泉子,東至甘新交界,面積約6 萬km2,是中國重要的銅、鎳、金、鐵、鉛鋅等大型礦床集中區、是中國重要的成礦帶之一,也是中國資源勘查的重點區域。

Ⅰ為吐哈盆地南緣斷裂;Ⅱ為康古爾斷裂;Ⅲ為阿齊山-雅滿蘇斷裂;Ⅳ為阿其克庫都克斷裂;Ⅴ為星星峽斷裂圖1 東天山區域地質圖[30]Fig.1 Regional geological map of East Tianshan Mountains[30]

該帶由兩條主斷裂組成,是康古爾與雅滿蘇斷裂,再由3個次單元組成[圖1(b)]:大南湖-頭蘇泉島弧帶、康古爾-黃山韌性剪切帶與阿齊山-雅滿蘇島弧帶[4]。

大南湖-頭蘇泉島弧帶位于吐-哈盆地南緣,沁城斷裂為界的北部與博格達-小鋪構造帶相鄰,以康古爾塔格斷裂為界的南部與康古爾塔格構造帶相鄰,被視為大量保存了古亞洲洋板塊俯沖以及弧陸碰撞等地質過程的關鍵證據。主要由下泥盆統大南湖組中基性火山巖造與中泥盆統頭蘇泉組陸相火山-碎屑巖造組成,是塊狀硫化物型(volcanic-associated massive sulfide deposits,VMS)型銅礦與斑巖型銅礦的主構造帶。帶內侵入巖以花崗巖、花崗閃長巖、二長花崗巖為主,代表性礦床有土屋-延東、靈龍、赤湖等斑巖型銅(鉬、金)礦床,三岔口、白山、東戈壁等斑巖型銅鉬和鉬礦床。

康古爾-黃山韌性剪切帶處于康古爾-雅滿蘇斷裂之間,特征是變質變性作用的石炭系火山-沉積巖露頭,簡稱中帶[16-18]。此帶西起底坎兒南部,向東經康古爾塔格、夾白山。此帶長600 km,寬5～40 km,帶內主要露出糜棱巖、千糜棱巖系變質巖。東側苦水、黃山一帶為有高度變質和變性程度的綠片巖相、角閃巖相的動力變質巖。區域以發育下石炭統小熱泉子組及梧桐窩子組以基性、酸性火山巖及其火山碎屑巖為主,代表性礦床有香山、黃山及梧桐窩子泉等。

在覺羅塔格區域雅滿蘇深大斷裂與阿齊庫都克之間的阿奇山-雅滿蘇火山巖帶,毗鄰北部與中帶、南部與中天地塊,簡稱南帶。此帶從西邊的阿奇山地區,向東經過十里坡、黑龍峰、路白山。地層特征是雅滿蘇組雙峰式火山巖、沉積巖夾層,有暫全相間的板內伸展盆地背景[19-20]。南帶花崗巖系的鐵礦床比較發達,火山巖型的銅鐵礦床也很多[21]。

2 礦區地質

三岔口銅礦床位于新疆東天山大南湖島弧帶的東北緣。三岔口礦區出露地層由古到新有三組組成:①下石炭統干洞組;②中石炭統梧桐窩子組;③中新統桃樹組。其中干洞組分布廣泛,是礦區的主層,有殘余巖體、淺變質巖石英砂巖、板巖、石英巖等。梧桐窩子組整合在干洞組上部,角斑質、石英角斑質、安山質凝灰巖及細碧巖與桃樹組紅色碎屑巖重疊[22]。

三岔口銅礦床的斷裂位于赤湖、土屋、延東、紅嶺及小熱泉子銅礦床邊界的南側,斷裂南側與阿齊克-庫都克斷裂相鄰[23]。礦區被康古爾斷裂影響,區內分布著近EW向的次級斷裂,該斷裂橫穿整個礦區,總方向70°～75°,傾角為70°～80°,向南傾斜[13-14,24]。

礦區內巖體發育,主要是早期侵入的少量輝長巖,中期侵入的(石英)閃長巖(439 Ma)、花崗閃長巖(425～430 Ma)、英云閃長(斑)巖(被前人稱為斜長花崗斑巖或者花崗閃長斑巖),及晚期侵入的二云母花崗巖等組成的復式巖體[13-14,24](圖2)。輝鉬礦Re-Os年代學測定結果顯示,礦化形成年代為(416±6.4) Ma,與該地區志留紀島弧巖漿巖與斑巖型礦床年齡相似,被認為是洋殼俯沖消減的環境下形成的。

圖2 三岔口銅礦床地質圖[13]Fig.2 Geological map of Sanchakou copper deposit[13]

2.1 礦體特征

三岔口礦體形態主要為細脈狀、浸染狀,局部礦體有分支復合現象,呈NEE或近EW向,與區域構造線的走向相一致。目前發現的銅礦體35個,其中較大的礦體有5個,主要賦存在三岔口復式巖體北部斜長花崗斑巖中,被破碎帶所控制。

其中,Ⅰ號礦體處于巖體東側,由浸染狀礦石組成,大部分由呈透鏡狀向南傾斜的礦石組成,黃銅礦是主要的礦石礦物,少量含有黃鐵礦和硫化物;Ⅱ號礦體處于斜長花崗斑巖帶的中部,由大大小小十多個透鏡狀、脈狀礦體構成,礦體以浸染狀、細脈狀礦石為主,含礦以黃銅礦為主;Ⅴ號礦體處于Ⅳ號礦體底部,規模大,東西向延伸大概1 km,主要為細脈狀和浸染狀,礦體埋深340～570 m,厚3～34 m,礦體平均品位銅為6.394%,鉬為0.013%,礦石礦物似Ⅳ號礦體;Ⅵ號礦體離地表近,是在礦區發現的最大的地表礦體,走向延伸410 m。礦體產于NW和NE斷裂的匯合點,被斷裂破碎帶控制,一般有后期的含銅石英脈和網狀脈貫穿礦體,金屬硫化物主要為輝銅礦和黃銅礦(圖3)。鉆孔ZK01從下而上蝕變帶分為黑云母化、硅化、絹英巖化、青磐巖化與斑巖型銅礦床的蝕變分帶特征。

圖3 三岔口銅礦床礦體形態示意圖和ZK0-1鉆孔柱狀圖[13]Fig.3 Diagram of ore body morphology of Sanchakou copper deposit and bar chart of ZK0-1 borehole[13]

Mal為孔雀石;Ccp為黃銅礦;Amp為角閃石;Bi為黑云母;Py為黃鐵礦;Q為石英;Pl為斜長石;Sp為閃鋅礦圖4 三岔口銅礦的鏡下及手標本照片Fig.4 Microscopical and hand specimen photos of Sanchakou copper mine

2.2 礦石、礦物特征

礦石礦物以黃銅礦為主,然后是黃鐵礦、輝銅礦、輝鉬礦(圖 4)。脈石礦物主要為石英,次為黑云母、白云母、絹云母、綠泥石、鉀長石、綠簾石,另見少量方解石、磷灰石、輝石等。

黃鐵礦是礦石礦物中最常見的硫化礦物之一,呈淺黃色和黃白色,分布形式為脈狀、浸染狀,以半自形或他形細粒、微粒、集合體團粒狀為主,粒度為0.05～0.5 mm。粒狀大致為立方體,自形-半自形晶體浸染狀分布,在形成礦物時受到應力。可見礦物在形成過程中受到應力。黃銅礦是主要經濟礦物,呈銅黃色,絕大多數分布在礦山區域內,其他不規則顆粒、粒狀聚集體、它形團塊占優勢,分布著大小與黃銅礦、黃鐵礦相似的其他金屬硫化物聚集體。

石英是礦石中的主要脈石礦物,以粒徑0.05～1.0 mm的非均質顆粒多階段和形態差異為特征,幾乎所有的金屬礦物都浸染在石英鐘;重結晶作用與粗粒金屬礦物密切相關。分布在巖石經常破裂的地方,可見微小的粒狀集體和團塊等分布不均。區內成礦作用按早晚順序依次劃分為:石英-輝鉬礦脈、石英-黃鐵-黃銅礦脈、石英-碳酸鹽脈3個礦化階段。

3 樣品采集及分析方法

硫、鉛同位素一直被認為是探討成礦物質來源最有效的一種手段。為查明三岔口銅礦的成礦物質來源,對礦石硫化物做了硫、鉛同位素分析。測試所用樣品取自鉆孔ZK01、ZK02、ZK03(圖3),其中黃鐵礦、黃銅礦樣品均來自石英-黃鐵-黃銅礦脈。

中國地質科學院礦產資源研究所同位素室承擔硫同位素分析。礦石硫化物以Cu2O作氧化劑制作測試的樣品,使用MAT230C質譜儀,采用CDT國際標準,分析精度為±0.2%[25]。采用硫化物單礦物樣品的Pb同位素分析采樣酸溶法,鉛的分離與提純使用傳統的AG1-X8陰離子交換樹脂柱方法。在測試過程中樣品用磷酸硅膠,把樣品點在錸帶上,利用ISOP ROBE-T熱電離質譜儀(MAT261)測量同位素比值。通過標樣和某些樣品的多次測量結果顯示,獲得的Pb同位素比值分析誤差小于0.005%[21]。

在本研究區選擇了黃銅礦、黃鐵礦中純度大于99%的4個樣品,經過實驗可知,δ34S的變化范圍在0.1‰～0.5‰,如表1所示。從礦物的同位素組成上看,表現出幔源硫特點。

表1 三岔口銅礦床硫化物硫同位素組成Table 1 Sulfur isotopic composition of sulfide at the Sanchakou copper deposit

鉛同位素化學分離和測試在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成的。依據Pb含量低的樣品,取出50 mg樣品,增加15 mL Savillex消解罐,加入2 mL HF和1 mL HNO3(均為二次蒸餾濃酸),密閉加熱48 h,蒸干溶解的樣品,添加幾滴濃HNO3,蒸干后再加入1 mL 3.5 mol/L HNO3。Pb同位素的分離,采用Sr特效樹脂(Triskem公司生產,100～150 μm,柱床體積為0.2 mL),預先清洗的樹脂中裝填3.5 mol/L HNO3,8 mol/L HCl和MQ水依次清洗,平衡樹脂,然后用7 mL 3.5 mol/L HNO3清洗7次,再加入4 mL Milli-Q水清洗Sr,加入5 mL 8 mol/L HCl接收Pb;蒸取純化后的Pb溶液,加入幾滴濃硝酸,再次蒸干,然后加入1 mL 2% HNO3,進行測試。用ThermoFisher公司Neptune plus型MC-ICP-MS進行Pb同位素組成測試,先測量Pb濃度,然后加入Tl的標準溶液,使Pb∶Tl=1∶1。使用指數方程進行Pb同位素儀器分餾校正,校正值為203Tl/205Tl=2.389。

新疆東天山三岔口銅礦床成礦物質主要來源是鉛同位素,為研究此礦區物質的來源,測定了礦物的鉛同位素組成情況,結果如表2所示,黃銅礦的206Pb/204Pb值為18.234～18.266、207Pb/204Pb值為15.603～15.619、208Pb/204Pb值為37.813～37.872;黃鐵礦的206Pb/204Pb值為18.177～18.193、207Pb/204Pb值為15.591～15.599、208Pb/204Pb值為37.756～37.778。

表2 三岔口礦床硫化物鉛同位素比值及特征參數表Table 2 Table of lead sulfide isotope ratios and characteristic parameters of the Sanchakou copper deposit

4 成礦物質來源

4.1 S同位素

硫是礦床中成礦金屬元素沉淀的重要礦化劑,亦是探討成礦物質來源的重要手段之一,因此硫同位素可以有效地示蹤斑巖銅礦床的成礦物質來源[25]。利用硫元素示蹤礦床成礦物質來源是目前比較成熟有效的物質來源示蹤方法[26]。由圖5可知,三岔口銅礦床的硫同位素組成變化范圍小,兩黃銅礦樣品的δ34S分別為0.1‰和0.2‰,兩黃鐵礦樣品的δ34S分別為0.4‰和0.5‰,δ34S值變化范圍小,說明礦床硫的來源均一,沒有經歷過復雜的地質演化過程。

圖5 東天山斑巖型銅礦床硫同位素分布圖Fig.5 Sulfur isotope distribution map of porphyry copper deposits in the East Tianshan

金屬礦床硫化物中的硫元素來源較廣,不同來源的硫表現出不同的同位素組成特征。三岔口銅礦床硫化物中的δ34S變化范圍為0.1‰～0.5‰,平均值為0.3‰,變化范圍很狹窄。礦床δ34S非常接近于0,表現為明顯的地幔硫特征,因此,認為礦床硫化物中的硫主要來源于地幔(圖5)。

研究總結了東天山地區斑巖型銅礦床的硫同位素組成,可以看出,土屋銅礦床金屬硫化物δ34S在-3‰～1.7‰、延東銅礦床金屬硫化物的δ34S在0.6‰～0.9‰、玉海銅礦床金屬硫化物的δ34S在-0.6‰～0.2‰。從硫同位素組成圖解上可以看出,東天山地區斑巖型銅礦床的δ34S集中于-3‰～2‰。將三岔口礦床硫同位素特征與土屋、延東、玉海斑巖型銅礦床的特征進行對比,上述礦床均分布于康古爾斷裂兩側未超過10 km范圍內,發現三岔口礦床跟這些礦床具有相似的特征,成礦物質硫主要為地幔硫。

4.2 Pb同位素

鉛同位素在成礦熱液發生物理化學條件變化的情況下,一般也能保持其組成不發生改變,因此成為了示蹤成礦物質方面一個重要的應用方法。Zartman的鉛同位素206Pb/204Pb-207Pb/204Pb增長曲線圖由上地殼、造山帶、地幔、下地殼4條鉛同位素演化線構成[21]。在Pb同位素207Pb/204Pb-206Pb/204Pb及208Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖解中可以進一步確定三岔口銅礦床成礦物質來源。Pb同位素投影點位于造山帶附近,表明成礦物質來源為混源,地殼和地幔物質均有參與[27-28],如圖6所示。

圖6 東天山斑巖型銅礦床206Pb /204Pb-207Pb /204Pb相關圖解與鉛同位素構造環境演化圖[29]Fig.6 206Pb/204Pb-207Pb/204Pb related diagrams of the East Tianshan porphyry copper deposit and lead isotope tectonic environment evolution map[29]

收集了東天山地區斑巖型銅礦床的Pb同位素組成資料。從鉛同位素構造演化圖解中可以看出[圖6(a)],三岔口銅礦床與土屋-延東銅礦床有差異。三岔口銅礦床主要分布在造山帶附近,說明該礦床是造山活動有關的殼幔混合來源。土屋和延東斑巖型銅礦床的鉛同位素特征一致,均分布于地幔附近,礦床中圍巖和礦石的鉛源單一,成礦物質以地幔為主。從[圖6(b)]可以看出土屋和延東礦床的數據點更靠近地幔,鉛范圍很小,因此成礦物質主要是來自地幔。三岔口銅礦床的數據點位于造山帶范圍內,充分說明幔源物質明顯加入到了成礦作用當中,并有部分地殼物質的參與。礦石和圍巖試樣都投在地殼和地幔混合的俯沖帶鉛(巖漿作用)范圍內,且接近造山帶鉛范圍,該特征與數據點的分布特征一致[圖6(b)]。林濤等[13]對礦區中的含礦巖體閃長質-花崗閃長質侵入巖進行過主微量元素分析,結果表明,銅含量較高,為克拉克值的4.7倍,巖體明顯富集銅元素,圍巖提供了部分成礦物質,同時與圖6(b)中指示的地殼來源一致,說明成礦物質為幔源和圍巖的混合來源。

三岔口銅礦床的礦體賦存于下石炭統干洞組、中石炭統梧桐窩子組和中新統桃樹組中,該區被斷裂破碎帶所控制,礦化類型以浸染狀、細脈狀為主。這個結果表明,三岔口銅礦床的礦石硫化物的δ34S值分布于0.1‰～0.5‰,4件樣品206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb值的變化范圍分別是18.177～18.266、15.591～15.619、37.756～37.872。依據鉛構造判別圖解、參數綜合分析,支持礦床中的鉛來自地殼和地幔的混合物這一觀點。依據礦石特征、硫化物的S、Pb同位素分析及成礦物質來源特征來看,該礦床的成礦物質為地殼與地幔的混合來源,巖漿與地層均提供了部分成礦物質。

4.3 礦床成因

新疆斑巖銅礦床形成時代漫長,從奧陶紀到三疊紀,集中在泥盆-二疊紀。礦床成礦環境多為島弧、陸緣弧、板塊俯沖形成的撞擊后的板塊內環境,含礦巖漿起源于地幔,發育高氧逸度的中酸性鈣堿性巖漿和低氧逸度的中性鈣堿性巖漿。

三岔口銅礦床大地構造位置在新疆東天山大南湖島弧帶的東北緣。根據東天山地區斑巖型銅(鉬)礦床的對比如表3所示,三岔口銅礦床與東天山地區的斑巖型銅(鉬)礦床在地質特征、礦化特征等方面非常相似,都產于俯沖島弧帶內,含礦巖體的產出受東南向的局部斷裂所控制,與典型的斑巖型礦床類似。三岔口銅礦成礦物質主要來自地殼和地幔。

表3 東天山地區斑巖型銅礦床地質特征對比[4,11-13]Table 3 Comparison of geological characteristics of porphyry copper deposits in the East Tianshan area[4,11-13]

5 結論

(1)三岔口銅礦硫同位素組成具有塔效應式,指示礦物硫來源單一,主要來自深源地幔,地層混染較少。

(2)礦石鉛同位素組成介于地幔與地殼演化線之間,具有造山帶鉛同位素特征,顯示成礦物質來自殼-幔混合來源。

(3)三岔口銅礦硫同位素與區域斑巖型礦床硫同位素一致,但鉛同位素向地殼演化線偏移,指示成礦過程中有更多的地層組分加入。