新疆蒙其古尔铀矿区头屯河组碎屑锆石U-Pb年龄及地质意义

黄广文 黄广楠 薛万文 潘家永 陈正乐 宋泰忠 吴德海

摘  要：随着同位素测试技术的提高，采用碎屑锆石的 SHRIMP或LA-ICP-MS等高精度测年方法分析和推测沉积盆地的形成时代、碎屑物来源及形成的大地构造背景等已广泛使用。运用LA-ICP-MS锆石U-Pb测年法对头屯河组砂岩中的碎屑锆石进行相关研究。结果表明，碎屑锆石年龄主要为400～450 Ma、450～485 Ma、301～348 Ma，另分布有几粒古老锆石年龄，主要为701～2 174 Ma、（3 144±22）Ma。结合锆石矿物学特征、CL图像、Th/U比值、砂岩岩相学特征及区域年代学资料等可知，头屯河组砂岩主体物源可能来源于乌孙山及南部那拉提山地区出露的石炭—奥陶纪中酸性侵入岩，但并未反映出为蒙其古尔铀矿区提供相关的铀源信息。

关键词：蒙其古尔;碎屑锆石U-Pb定年;砂岩;物源

碎屑锆石是各类陆源碎屑岩中较常见和具较高稳定性的重矿物之一[1]，由于自身同位素封闭温度高，能全面记录和携带源区发生的构造事件信息。随着现代测试手段的提高及大批量测试技术的完善，普遍采用LA-ICP-MS U-Pb等相关高精度测年方法获取物源形成的定量年代，进一步分析和推测物源形成时代与周边大地构造背景等，已成为较通用的研究方法[2，3]，是提供沉积盆地大地构造背景、古河流体系的再现及古侵蚀区的判别等方面的重要依据[4-6]，同时推动了构造沉积学、地貌动力学、盆地（盆山）动力学等相关学科的发展与革新[5-8]。

伊犁盆地是我国基础能源开发勘探的重要盆地之一，同时也是可地浸砂岩型铀矿的重要产铀地。盆地自东向西依次分布有达拉地、蒙其古尔、扎吉斯坦、乌库尔其、库捷尔太、洪海沟等铀矿床[9-13]。蒙其古尔是目前伊犁盆地规模最大的铀矿床，具成矿层位多、矿石品位高、矿石储量大等特点，为我国首个建设千吨级可地浸砂岩型铀基地[13]。前人对该矿床进行大量研究，尤其在矿床地球化学特征、成矿条件与成矿机理、构造、沉积体系等方面取得不菲成果[13-23]。但对区内头屯河组碎屑岩相关的岩石学特征、年代学特征及物源研究等方面鲜见报道。本文在野外地质调查基础上，从室内详细岩石学特征入手，结合LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究，初步解析头屯河组碎屑岩的年代学特征，探讨物源特征，为进一步补充该区盆山演化模式提供理论依据。

1  地质概况

伊犁盆地位于哈萨克斯坦板块与塔里木板块夹持的伊犁微地块之上，受NS向天山挤压应力作用，在石炭—二叠纪弧间裂陷槽基础上发展演变，形成内陆中新生代大型山间裂陷-坳陷复合型盆地。该盆地主造山成盆期为石炭—二叠纪和侏罗纪，盆地沉积盖层自上而下发育第四系、古近系、上白垩系、侏罗系及三叠系，相互间呈不整合接触[1，11]。

蒙其古尔铀矿床位于伊犁盆地南缘斜坡带东部构造活动区与西部构造稳定区的过渡区带，属次级构造单元NE向扎吉斯坦屉型向斜东南翼的组成部分，该向斜整体上呈东、西、南3面翘起，向斜轴部为扎吉斯坦河谷地段[13，15]。矿区主要发育F1、F2、F3 3条断裂构造，矿床位于F1与F3断裂之间（图1）。F1断裂位于矿区东南部，为伊犁盆地南缘逆冲控盆断裂带组成部分;F2断裂为F1断裂的分支部分，位于矿区西南部;F3断裂即扎吉斯坦河断裂，位于矿区西北部，为隐伏逆断层[13，24]。矿区南部蚀源区广泛出露石炭—二叠系中酸性火山岩、火山碎屑岩（图1），岩性见晶屑岩屑凝灰岩、气孔状杏仁状凝灰岩;其次普遍发育中下侏罗统水西沟群、中上侏罗统头屯河组、上白垩统东沟组、新近系及第四系。

中下侏罗统水西沟群主要由下统八道湾组和三工河组及中统西山窑组构成。其中，八道湾組为一套潮湿背景下的冲积扇沉积体系，出露岩性为砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩[1]。三工河组在沉积相方面显示三角洲平原亚相沉积，局部发育水平纹理的粉砂岩与泥岩互层，出露砂体厚46～82 m。中统西山窑组依次分为下段、中段及上段，其中下段为三角洲平原亚相沉积体系，中段为三角洲前缘亚相沉积体系，上段为曲流河沉积体系。出露岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层，尤其在下段局部出露有烧结岩，西山窑组砂体出露厚度均大于102 m[1]。矿区目前共揭露4层砂岩型工业铀矿化，分别为三工河组下段、三工河组上段、西山窑组下段和西山窑组上段。中上侏罗统头屯河组出露岩性以杂色泥岩、砂岩为主。其中砂岩见浅黄色含砾粗砂，厚度小于35 m，主要分布于层位底部[1]。空间接触关系上，与下侏罗统水西沟群呈假整合接触，与上白垩统东沟组呈低角度不整合接触。上白垩统东沟组主要分布于盆地南北缘地区，与水西沟群呈低角度不整合接触，出露岩性为褐红色钙质泥质粉砂岩、钙质砂质泥岩、钙质泥质砂砾岩等。

2  样品采集与分析方法

2.1  样品采集与岩相学特征

本文分析测试样品（样号MP-13）采自伊犁盆地蒙其古尔砂岩型铀矿区头屯河组（图1），所采样品岩性为浅黄色含砾岩屑砂岩（图2-a），镜下呈（含砾）砂状结构（图2-b），块状构造。岩石主要由砾石、碎屑、胶结物及杂基组成。砾石呈次棱角-次圆状展布，粒径2.00～2.56 mm;主要为石英岩、花岗岩、凝灰岩;碎屑主要由石英、长石、白云母、岩屑组成;胶结物以铁质及钙质（主要为方解石）为主;杂基由粘土物质及细粉砂组成;重矿物见黄铁矿，偶见锆石等。岩石整体分选性差，磨圆度差，结构成熟度低，成分成熟度低（Q/F+L=0.67）。碎屑支撑类型为杂基支撑，胶结类型呈孔隙式-接触式胶结，颗粒间呈线接触或点接触。岩石整体发育较强粘土化、绿泥石化、高岭石化、水云母化、绢云母化及碳酸盐化等（图2-c，图2-d，图2-e）。碎屑占全岩含量的81%;胶结物占全岩含量的10%;杂基占全岩含量的8%;副矿物约1%。

碎屑石英呈次棱角状-次圆状，粒径0.34～1.12 mm，最大者约1.55 mm，局部颗粒发育熔蚀边及熔蚀凹坑（图2-f），个别发育有包裹体，说明主要来自于中酸性火山岩或中酸性侵入岩;石英端元占碎屑含量的44%（单晶石英Qm=34%，多晶石英及燧石等Qp=10%）。钾长石呈次棱角-次圆状，粒径0.40～1.02 mm，部分常见格子双晶发育，为微斜长石，整体粘土化强烈;斜长石呈次棱角状，粒径0.34～1.00 mm，聚片双晶发育，双晶单体较细，可能主要来自于周围中酸性火山岩体，粘土化及绢云母化较强，长石端元占碎屑含量的14%。岩屑见云母片岩、石英岩、燧石及凝灰岩、花岗岩，呈次棱角状，粒径0.62～1.35 mm，岩屑端元占碎屑含量的52%。碎屑黑云母呈它形片状，局部向叶绿泥石过渡（图2-c），且边缘析出有不透明铁质组分，少数晶体在成岩过程中受压实作用，晶体弯曲变形明显。另外岩石内展布的岩屑、长石及胶结物等不稳定组份多向水云母、伊利石、高岭石等转变（图2-d）。杂基部分充填于碎屑石英、长石及岩屑周围，黏土物质可相互转变，局部泥质组分向高岭石及绿泥石过渡。

2.2  分析方法

用于测年的碎屑岩样品送至河北省廊坊市诚信地质服务公司进行分选，将样品粉碎后用磁选及重液方法粗选锆石，最后在双目镜下挑选出用于定年的锆石颗粒[1，25]。锆石制靶在北京锆年领航科技有限公司完成，然后在阴极射线下生成CL图像，进一步观察锆石内部结构特征。CL图像分析在东华理工大学放射性地质与勘探国防重点学科实验室完成。锆石微区激光剥蚀等离子质谱 LA-ICP-MS 采用南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室带激光熔蚀装置的Agilent HP 7500 ICP-MS分析仪进行测定[1，26]，仪器工作参数为：波长213 nm，激光脉冲重复频率5 Hz，脉冲能量为10～20 J/cm2，熔蚀直径为32 μm，剥蚀时间60 s，背景测量时间40 s。样品测试数据均按相关标准进行处理校正最终校正后的年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplo程序完成[1，5，27】。

3  结果与讨论

3.1  碎屑锆石测年实验结果

结合碎屑锆石样品的透、反射光和阴极发光图像，本次测试所挑选的碎屑锆石大部分粒径在50～100 μm，个别≥120 μm，呈无色透明，半自形-它形柱状、浑圆状分布（图3），少数晶体表面无裂纹及无包裹体发育，表明他们在搬运过程中受到明显风化磨蚀作用。本文选取76粒碎屑锆石进行测年分析，共获得76个U-Pb定年有效数据点（以不谐和度10%为标准遴选U-Pb年龄），数据详见表1。从图4-a中可看出，年龄谐和度高，锆石U-Pb表面年龄主峰为400～450 Ma（图4-b），主峰年龄占总有效数据点的29%;次峰年龄为450～485 Ma、301～348 Ma（图4-b），分别占总有效数据点的24%、25%。另外出露有8粒元古代年龄、1粒太古代年龄记录。

400～450 Ma这组主峰年龄共有22粒锆石，其中U，Th含量分别介于95×10-6～529×10-6和19×10-6～366×10-6，Th/U值为0.13～1.43，呈岩浆结晶锆石标型特征[28-30]，它们的阴极发光图像显示大部分呈自形-半自形柱状、细长柱状，晶棱锋锐、清晰（图3中49、51号），约95%以上的碎屑锆石均具岩浆成因锆石所具有的振荡环带（图3中25、40、57、66号），进一步说明岩浆成因类型占主要。300～350 Ma这组次峰年龄锆石共有18粒，U，Th含量分别为60×10-6～555×10-6和29×10-6～248×10-6，其Th/U比值为0.32～0.77，平均为0.48，结合阴极发光结构分析，大部分均呈自形柱状，岩浆韵律环带发育（图3中2、47号），显示为岩浆成因锆石。

元古代年龄锆石共计8粒，年龄区间分别位于（701±11）Ma、1 467～1 623 Ma、1 941～2 174 Ma，其中1粒显示为新元古代年龄，1粒显示为中元古代年龄，6粒显示为古元古代年龄。另出露有1粒206Pb/238U加权平均年龄为（3 144±22）Ma，属古太古代。图3中12、19、48、62、67均打在复合锆石核部，206Pb/238U加权平均年龄分别为（1941±26）Ma、（2171±23）Ma、（701±11）Ma、（1 623±29）Ma、（1 963±29）Ma。上述碎屑锆石年龄较分散，阴极发光图像显示为黑色不分带圆卵状（图3中19、54、67），无振荡环带及自形特征，故初步推断一种可能是由于早期的碎屑锆石受到了变质改造，其地质意义暂不明确;另一种可能即这些碎屑锆石来自于前寒武纪中深变质岩系，今后需做进一步研究论证。

3.2  砂岩的物质来源判别

伊犁盆地是在伊犁微地块基础上发展起来的内陆中新生代山间裂陷-坳陷复合型盆地，石炭—二叠纪和侏罗纪为盆地的主造山成盆期[31]。南北天山洋盆在造山带开始收缩，大洋板块向伊犁地块下俯冲，在伊犁地块南北缘形成岩浆弧，到晚泥盆—早石炭世时，板块俯冲作用加剧，形成大量沿那拉提山北缘和科古琴山、博努科努山南缘呈线性带状分布的一套晚泥盆—早石炭世大哈拉军山组中酸性火山碎屑岩[32，33]。

研究区砂岩野外露头发育有不同规模的楔状交错层理（多为小型楔状交错层理），其指向标志表明碎屑物源主体来源于南部。岩相学方面表明，头屯河组砂岩中碎屑多以中酸性火山岩岩屑和长石等不稳定组分为主，次为石英等稳定组分（来源于中酸性火山岩），整体分选性、磨圆度差，存在大量火山岩屑及不同程度蚀变的不稳定长石矿物，故初步推断其物源可能有两种，其一是火山岩岩屑来源于先形成的主要以火山岩-侵入岩出露的地区，经风化、剥蚀及搬运作用后沉积于蒙其古尔地区;其二为晚泥盆世—早石炭世期间在蒙其古尔地区南部及其以南地区发生过强烈的火山活动，该火山活动形成的火山岩经风化剥蚀、搬运后沉积于研究区。

本文所测试的碎屑锆石其Th/U比值、CL图像等特征表明，大部分碎屑锆石均为岩浆锆石，表明它们皆来源于岩浆岩区，其测试年龄中有22粒介于400～450 Ma，18粒介于301～348 Ma，19粒介于450～485 Ma，整体属奥陶—石炭纪。从收集的区域资料来看，西天山乌孙山及南部那拉提地块分布有大面积古生代侵入岩，前人做了一系列的测年研究（表2）。从上述收集的年代学资料得出，伊犁地块南部那拉提山地区出露的早古生代岩浆活动侵入时代为407～466 Ma，与本次研究区头屯河组测得的39粒碎屑锆石年龄（400～472 Ma）较一致。乌孙山地区及南部那拉提山地區出露的晚古生代岩浆活动侵入岩时代为310～370 Ma，与本次研究区测试获得的21粒碎屑锆石年龄（301～379 Ma）基本一致。另前人对伊犁盆地南侧蚀源区出露的花岗岩及火山岩进行相关U-Pb同位素测年工作，得出蚀源区内花岗岩年龄为293～342 Ma，火山岩年龄为235～259 Ma，表明火山作用时代明显晚于花岗岩浆活动时代[39]。因此，本文初步推断头屯河组砂岩的碎屑物主体来源于盆地南侧蚀源区乌孙山及南部那拉提山地区出露的早、晚古生代中酸性侵入岩，其中乌孙山源区主要为博拉森林公园、昭苏煤矿及莫乎尔村南，那拉提山地区源区为新源林场、科克苏河东岸、森木塔斯等地。

前人针对蒙其古尔铀矿床含矿砂体和蚀源区岩石U-Pb同位素体系演化特征做了相关研究，夏毓亮等对伊犁盆地南部蚀源区森林公园、洪海沟及察布查尔山南等地区出露的花岗岩、火山岩以及含矿层内沉积砂体均做了相关的铀含量测定[39]，得出中酸性火山岩中的铀含量普遍较高，铀值介于6.2×10-6～12.9×10-6，含矿层中沉积砂体的原始铀含量普遍较高，铀值介于15.9×10-6～26.32×10-6，综合表明矿区南部蚀源区出露的中酸性火山岩可能为盆地砂岩型铀矿的富集提供了重要的铀源，且沉积砂体在固结成岩时期就存在一定程度的铀富集过程。截至目前，蒙其古尔铀矿床含矿砂体分布于三工河组和西山窑组内，头屯河组中并未发现含矿砂体，说明乌孙山及南部那拉提山地区的早、晚古生代侵入岩并未反映出为该矿区提供了相关的铀源信息。

4  结论

（1）头屯河组碎屑锆石年龄主要分布于400～450 Ma、450～485 Ma、301～348 Ma 3个区间内。另存在少量（n=9）古老锆石年龄，其中8粒碎屑锆石年龄介于701～2 174 Ma，属元古代，1粒碎屑锆石年龄为（3 144±22）Ma，属古太古代。

（2）结合测区岩相学及年代学等特征综合分析表明，蒙其古尔铀矿床头屯河组砂岩的碎屑物源主体来源于乌孙山地区及南部那拉提山地区出露的石炭纪—奥陶纪中酸性侵入岩，且它们并未反映出为蒙其古尔铀矿区提供相关的铀源信息。

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Detrital Zircon U-Pb Age of the Toutunhe Formation in the Mengqiguer Uranium Deposit and its Geological Significance，Xinjiang

Huang Guangwen1， Huang Guangnan2， Xue Wanwen1，Pan Jiayong3，Cheng Zhengle4，

Song Taizhong1，Wu Dehai3

（（1.Qinghai Province Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources of Northern Qinghai-Tibet Plateau，Qinghai Geological Survey Institute，Xining，Qinghai，810012，China;2. No.105 Exploration Team，Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration， Xining，Qinghai， 810007，China;3.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology， Nanchang，Jiangxi，330013，China;4.Institute of Geomechanics，

Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing，100081，China）

Abstract： With the improvement of isotope analytical techniques，SHRIMP or LA-ICP-MS dating methods of detrital zircons have been widely used to analyze and predict the formation age of sedimentary basins，the source and their formation geotectonic background of clastic materials.In this paper，the in situ U-Pb dating on zircons by LA-ICP-MS is used to study detrital zircons in Toutunhe Formation sandstones. The results show that zircon ages are mainly 400～450 Ma，450～485 Ma and 301～348 Ma.In addition，there are several ancient zircon ages，mainly 701～2 174 Ma and （3 144±22） Ma.Based on the zircon mineralogical characteristics，CL images，Th/U ratio， petrographical characteristics of sandstones and regional geochronology datas，it is considered that the main source of the sandstones in Toutunhe Formation is mainly from the Carboniferous-Ordovician intermediate-acid intrusive rocks which exposed in the Wusun Mountain and Nalati Mountain area，and they do not reflect the relevant uranium source information for the Mengqiguer uranium mining area.

Key words： Mengqiguer;Detrital zircon U-Pb dating;Sandstone;Material