新疆东准噶尔坝西早石炭世石英闪长岩及其对斑岩铜矿的指示意义

张铭鸿，姚 勇，程志国，张招崇

(中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室， 北京 100083)

中亚成矿域是世界三大成矿域之一，蕴含丰富的矿产资源(朱永峰等， 2007； 薛春纪等， 2010； 高俊等， 2019)，在哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦及蒙古等国境内均发现有一系列超大型及众多大中型斑岩型铜钼金矿床(图1)，如Bozshakol、Nurkazgan、Kounrad、Aktogai、Taldy Bulak、Koksai、Aidarly、Kalmakyr、Oyu Tolgoi及Erdenet等世界级超大型斑岩铜、铜-钼及铜-金型矿床(Seltmann and Porter, 2005； Maoetal., 2014； 申萍等， 2015； 高俊等， 2019)。我国新疆北部位于中亚成矿域西段，西与哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦相接，东与蒙古国相邻，但矿床数量及规模均明显低于周边国家和地区(董连慧等， 2009； 杨富全等， 2010)，是找矿勘查工作程度低还是成矿条件本身问题尚不明朗。

琼河坝矿集区位于中亚成矿域西段东准噶尔琼河坝铁、铜、金、钼、明矾石成矿带，地理上与蒙古国相邻，是中亚造山带在我国境内重要的成矿区带之一，目前初步查明有多处铜、铁、金等金属矿床(点)，前人从矿床地质、地球化学、地球物理等方面对琼河坝矿集区的矿床成因、成矿模型及成矿潜力等进行了研究，相关成果对区内进一步找矿勘查具有重要的启示意义(张招崇等， 2006； 屈迅等， 2009； Quetal., 2009； Zhangetal., 2010a, 2010b； 张永等， 2010a， 2010b； 王军等， 2010； 梁广林等， 2010； 刘建朝等， 2014)。近年来，琼河坝矿集区找矿勘查工作取得了一系列重要成果，区内已查明有蒙西、和尔赛、铜华岭、绿石沟、拉伊克勒克、琼河坝和桑南等众多中-小型规模的斑岩型铜矿床(点)，显示出一定的找矿前景，但是尚未实现斑岩铜矿找矿的重大突破。坝西铜矿的发现是琼河坝矿集区最新取得的地质工作成果之一(王斯林等， 2017， 2018)。本文将通过对坝西铜矿成矿岩体的矿物学、岩石学、地球化学特征以及锆石U-Pb年代学与Hf同位素特征的研究，分析其成矿潜力，以期为该铜矿勘探找矿工作提供一些新的线索。

1 成矿地质背景

琼河坝地区大地构造位置位于准噶尔板块谢米斯台-野马泉-琼河坝古生代岛弧带东段。该岛弧带是由晚古生代火山岩叠加于早古生代岛弧上形成的古生代复合岛弧带。

琼河坝地区地层自北向南大致呈NWW向，依次为奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系和侏罗系，该地区大部分被第四系沉积物覆盖(图2a)。区域构造主要为与准噶尔地区地体拼贴接合作用相关的NWW向断裂和褶皱及其派生的次级构造。侵入岩体以志留纪花岗闪长岩、二长花岗岩和钾长花岗岩等为主，泥盆纪花岗闪长斑岩呈岩枝、岩脉状侵入其中，该套岩体主要侵位到奥陶系绿片岩相变质火山沉积岩中。

2 矿床地质特征

矿区出露地层以中泥盆统库鲁木迪组为主，呈残留弧岛状分布，岩性主要为安山质晶屑凝灰岩、安山岩。矿区构造以断裂为主，早期发育NW向次级断裂构造、晚期发育近EW向断裂构造。矿区侵入岩主要可分为两期，早期岩体为区域上广泛出露的志留纪至泥盆纪花岗闪长岩、二长闪长岩和正长花岗岩，矿化较弱或不含矿，是铜矿的围岩之一，晚期侵入岩为早石炭世石英闪长岩、石英二长闪长岩和侵入其中的闪长玢岩脉，它们侵入于早期的志留纪-泥盆纪岩体中，但面积较小，约0.06 km2。石英闪长岩与石英二长闪长岩呈过渡关系，前者为主体，分布在中心，后者作为边缘相出现。其中铜矿化主要与石英闪长岩、石英二长闪长岩有关。此外矿区内还有一些中酸性岩脉侵入在志留纪和早石炭世岩体中。

图 1 中亚成矿区域中西段斑岩铜钼金矿床分布图(据高俊等， 2019修改)

坝西铜矿床已查明有南北两条矿带，以南矿带为主，总体呈近NW-SE向延伸，与区域构造线方向一致(图2b)。南矿带沿NW-SE走向延伸约1 km，地表北西侧矿带侵入至中泥盆统库鲁木迪组安山质晶屑凝灰岩、安山岩中。北矿带矿化较弱，地表孔雀石化、褐铁矿化及黄钾铁矾化发育，目前发现3条矿体。矿体几何形态呈似层状、透镜状，倾向NE，倾角65°～85°，最大控制深度700 m。目前已控制矿化体规模为小型，铜品位为0.2%～0.4%。

根据矿物组合特征，大致可划分出4个蚀变带：钾化带、绢英岩化带、泥英岩化带、青磐岩化带。钾化带位于蚀变带中心，矿物组合以石英-钾长石-黑云母为主，绢云母化和电气石化发育，分布较为局限，蚀变原岩主要为闪长玢岩脉；绢英岩化带部分叠加在钾化带上，矿物组合以石英-绢云母为主，绿泥石化和电气石化局部发育，是铜矿体主要赋存部位，原岩为石英闪长岩；泥英岩化带主要蚀变矿物为高岭石、绿泥石和沸石等，分布于绢英岩化带外侧，有少量铜化体分布，原岩为边缘相石英二长闪长岩；青磐岩化带分布于最外侧，浅黄绿色到灰绿色，主要由绿泥石化、绿帘石化组成，原岩为安山质晶屑岩屑凝灰岩，局部裂隙中有少量铜矿化体分布。

图 2 东准噶尔琼河坝岛弧区域地质图(a， 据屈迅等， 2009修改)和坝西铜矿矿区地质图(b， 据王斯林等， 2017修改)

矿区矿石矿物组成较为简单，以黄铜矿和黄铁矿为主，此外还有少量磁铁矿、辉钼矿等。矿石结构为中细粒半自形至他形粒状，构造以细脉浸染状为主，浸染状及斑团状次之。黄铜矿它形，铜黄色，可见浸染状及细脉浸染状矿化，部分矿石中与黄铁矿共生。

3 早石炭世岩体的岩相学特征

石英闪长岩呈灰白色，中粒半自形粒状结构，块状构造，粒度约0.2～5 mm，斜长石含量60%～70%，石英含量15%～20%，钾长石含量<10%，暗色矿物以黑云母为主，含量约10%，角闪石含量较低，副矿物以磁铁矿为主。斜长石普遍遭受蚀变，以绢云母化蚀变为主，部分黑云母绿泥石化(图3a、3b)。

石英闪长岩中可见椭球状及团斑状暗色包体，大小约2 cm×2 cm～6 cm×10 cm，半自形到它形微细粒-细粒结构，粒度约0.1～0.4 mm，以自形到半自形斜长石、石英、黑云母及角闪石为主，浅色矿物含量65%～75%，暗色矿物含量20%～30%，此外还有约1%的磁铁矿、钛铁矿等副矿物，包体与寄主石英闪长岩截然接触(图3c、3d)。

图 3 石英闪长岩以及其中包体的手标本和显微镜下照片

石英二长闪长岩呈浅肉灰色-灰白色，中细粒自形到半自形粒状结构，块状构造，矿物组成与石英闪长岩相似，钾长石含量明显升高，约10%～20%。

闪长玢岩呈斑状结构，块状构造，斜长石斑晶粒径约在3～8 mm，与铜矿化的关系密切。

4 样品及测试方法

本次研究的对象主要为和成矿密切相关的石英闪长岩岩体的岩心样品(如ZK2901、ZK2902、ZK1701以及ZK3702等)，还采集了矿区地表较为新鲜的年龄样品(BX3)。角闪石及斜长石的电子探针分析在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针室完成。分析仪器为EPMA-6000，实验条件为加速电压15 kV，电流20 nA，束斑直径5 μm，数据采用ZAF修正计算。

主量和微量元素分析在国家地质实验测试中心完成。主量元素和微量元素分析方法分别为XRF和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。其中FeO和Fe2O3由湿化学分析法分析。

锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年和Hf同位素分析在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学实验室和矿产资源研究所完成。锆石U-Pb定年工作所用的MC-ICP-MS为美国Thermo Fisher公司最新一代Neptune Plus型多接收等离子体质谱仪。采用的激光剥蚀系统为美国Coherent公司生产的GeoLasPro 193 nm。本次U-Pb定年实验激光剥蚀以氦气作为剥蚀物质的载气，激光剥蚀束斑直径为24 μm，激光能量密度为10 J/cm2，频率为8 Hz，每个分析点的气体背景采集时间为4 s，信号采集时间为23 s。实验测定及校准标样为标准锆石91500，采用GJ-1作为辅助标样验证数据准确性。采用ICPMSDataCal程序(Liuetal., 2010)和Isoplot 3.0程序(Ludwig， 2003)进行数据处理；年龄计算以标准锆石91500 为外标进行同位素比值分馏。测定时采用标准锆石91500作为参考物质，选点位置与相应U-Pb定年位置相同，相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2007， 2009)。

5 分析结果

5.1 岩体锆石U-Pb年龄和锆石Hf同位素

分析结果见表1。石英闪长岩(BX3)的锆石多为灰白色，形态主要为短柱状-粒状，颗粒较小，粒径多为60～100 μm，岩浆震荡环带发育(图4)，无明显继承核结构。26颗锆石的26个点中，1号点与6号点未得出有效一致年龄，得出有效一致年龄的24个点全部落在谐和线上及附近(图5)，其206Pb/238U谐和年龄为346.6±3.6 Ma，MSWD=0.38，加权平均年龄为345.7±3.0 Ma，MSWD=0.40，为早石炭世。本文采用加权平均年龄作为岩体年龄，分析所得每个样品的谐和年龄具有不同的误差，加权平均年龄更真实的反映了岩体年龄以及误差的大小。

对13颗已测U-Pb年龄锆石进行了原位Hf同位素分析结果见表2。从表2可以看出，其176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值范围分别为0.036 940～0.093 871和0.000 980～0.002 345，176Hf/177Hf 值为0.282 954～0.283 012,176Hf/177Hf平均值为0.282 976±0.000 036。根据锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素测试结果计算得出εHf(t)值为+13.66～+15.64，两阶段模式年龄值变化于499～353 Ma。

5.2 矿物学特征

石英闪长岩的斜长石和角闪石的电子探针分析结果见表3和表4。从表3可以看出，斜长石的成分为An70～55Ab29～44Or1，属于拉长石，明显较一般的中性岩类中的斜长石要富钙，中性岩类的斜长石通常为中长石。

从表4可以看出，角闪石的成分非常均匀，均为钙质角闪石。Ridolfi等(2012)根据过去的角闪石经验公式和新的实验数据，可以计算钙碱性和碱性岩石中的富Mg钙质角闪石的温度、压力、水含量以及氧逸度。根据该方法，计算得到角闪石形成的压力为28.6～166.9 MPa，相当于大约0.6～3.1 km，温度673～908℃，水含量约3.18%～4.64%，氧逸度为ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27。计算结果显示出较高的水含量与斜长石高的牌号(An为70～55)一致，因为在高的水含量条件下，岩浆中结晶的斜长石牌号要比低水含量结晶出的斜长石牌号高。

5.3 主量元素和微量元素特征

石英闪长岩的主要元素和微量元素分析结果见表5。从表5可以看出，其SiO2含量为58.97%～64.89%；Al2O3含量为16.5%～19.48%，A/CNK值为0.79～1.14，表现为准铝质到弱过铝质的特征，高的A/CNK值主要与绢云母化有关。里特曼指数[σ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43)]为1.21～2.27，属于钙碱性系列。

表 1 石英闪长岩锆石U-Pb年龄测定结果

图 4 石英闪长岩岩体锆石样品阴极发光(CL)图像

图 5 石英闪长岩中的锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb 谐和年龄(a)及加权平均年龄(b)

表 2 石英闪长岩锆石Lu-Hf同位素分析结果

表 3 斜长石电子探针分析结果 wB/%

其∑REE为69.17×10-6～81.82×10-6，LREE为57.42×10-6～69.60×10-6，HREE为11.75×10-6～14.10×10-6；δEu值为0.73～1.08，整体表现为较弱的Eu负异常或无异常；其(La/Yb)N值为3.58～4.76，在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图解上呈弱右倾型(图6)。微量元素中大离子亲石元素Rb、Ba、Sr相对富集，高场强元素Th、Nb、Ta、Ti、P相对亏损，Sr表现为明显的正异常，Nb、Ta、Ti表现为较强负异常(图6)。

6 讨论

6.1 矿体年龄及地质意义

东准噶尔地区在古生代期间岩浆活动强烈而频繁，大范围的板块聚合作用在不同地质历史时期形成了一系列蛇绿岩带及岛弧岩浆岩带(Xiaoetal., 2004)。东准噶尔岛弧岩浆岩带上，已经发现了一系列的晚古生代斑岩铜矿床，如～380 Ma哈腊苏斑岩铜金矿床(张招崇等， 2006)、～390 Ma的卡拉先格尔斑岩铜矿床(相鹏等， 2009)、～410 Ma的和赛尔斑岩铜钼矿床(杜世俊等， 2010)、～410 Ma的蒙西斑岩铜钼矿床(屈讯等， 2009)、～337 Ma的桑南斑岩铜矿床(Xuetal., 2017)、～410 Ma的拉伊克勒克斑岩铜钼矿床(李高峰等， 2018)和354 Ma的绿石沟斑岩铜矿(赵建新等， 2017)等，说明该地区斑岩成矿作用时间长，其中早泥盆世以铜钼矿化为主，而中晚泥盆世则变为斑岩铜(金)矿化。根据前人资料，坝西铜矿存在两期中酸性侵入体，早期岩体为志留纪花岗闪长岩和二长花岗岩，晚期岩体为早石炭世石英闪长岩、石英二长闪长岩和闪长玢岩脉，与铜矿化密切相关。石英闪长岩与石英二长闪长岩呈过渡关系，前者为主体，分布在中心，后者作为边缘相出现，本次研究揭示石英闪长岩的锆石U-Pb平均年龄为345.7±3.0 Ma(MSWD=0.40)，因此推测成矿时代应为早石炭世。岩浆作用和成矿作用持续时间长的特点和中亚成矿域一些大型矿集区相似，如乌兹别克斯坦的Almalyk矿集区内分布有Kalmakyr、Dalneye、Sarcheku和Kyzata等4个超大型斑岩铜矿床，成矿作用从中泥盆世一直到晚石炭世(薛春纪等， 2014； Chengetal., 2018)。南蒙古的Oyu Tolgoi斑岩铜金矿床是亚洲最大的斑岩铜矿床，其斑岩锆石年龄为374～334 Ma(陈正等， 2016； Wainwrightetal., 2017)。这些都说明，坝西斑岩铜矿所在的东准噶尔古生代岛弧带具有很好的斑岩铜矿成矿背景。

6.2 岩石成因

矿区早石炭世石英闪长岩和石英二长闪长岩的岩石组合、低的SiO2含量(58.97%～64.89%)以及存在原生角闪石表明其属于I型花岗岩类。微量元素中Sr含量为418.00×10-6～556.00×10-6，Y含量为17.40×10-6～21.00×10-6，Sr/Y值变化于22.72～28.22，与区域上具有埃达克质地球化学特征的侵入岩体有明显区别(杜世俊等， 2010； 王金荣等，2013)，表现为典型的岛弧环境成因特征(图7)。

锆石Lu-Hf同位素分析结果，其εHf(t)值为+13.66～+15.56，两阶段模式年龄值变化于499～353 Ma之间，暗示岩浆起源于亏损地幔或由幔源物质分异产生的新生地壳(Peteretal., 2003)。此外，矿区石英闪长岩中含有大量同生微细粒暗色闪长质包体(MME)，椭圆状到团斑状，微细粒结构，这种MME通常被认为是幔源岩浆的加入。另外，石英闪长岩属于中性岩类，其中的斜长石一般是中长石，而石英闪长岩中的斜长石是拉长石，并且拉长石通常是基性岩浆结晶的产物，所以这也说明可能有幔源岩浆的加入。因此，综合考虑这些特征，石英闪长岩可能是幔源基性岩浆和新生地壳熔体混合形成的。

表 4 角闪石电子探针分析结果(wB/%)及特征参数

表 5 石英闪长岩主要元素(wB/%)和微量元素(wB/10-6)分析结果

图 6 石英闪长岩和石英二长闪长岩稀土元素球粒陨石标准化(a)与微量元素原始地幔标准化曲线图(b)(球粒陨石和原始地幔标准化数据来自Sun and McDonough， 1989 )

图 7 石英闪长岩和石英二长闪长岩的Sr/Y-Y(a，底图据Martin, 1999)和(La/Yb)N-YbN图解(b， 底图据Drummond and Defant, 1990)

6.3 斑岩铜矿成矿潜力分析

要分析斑岩铜矿的成矿潜力，首先要从地质背景和成矿环境进行分析，即是否具备斑岩铜矿的有利的斑岩铜矿背景，其次是斑岩岩浆是否有利于斑岩铜矿形成的物理化学条件。

对于斑岩铜矿而言，其最有利的背景是俯冲的岩浆弧，典型的如安第斯山和太平洋岛弧，全球前20名巨型斑岩铜矿均形成于这样的背景，包括中亚成矿域的乌兹别克斯坦的Kalmakyr和蒙古的Oyu Tologoi；其次是大陆碰撞造山带，如青藏高原的冈底斯带。弧环境中形成的含矿钙碱性岩浆最早被认为是俯冲的大洋板片直接熔融的产物(Sillitoe, 1972)，但后来的研究表明，除少数埃达克质岩浆为年轻大洋板片直接熔融形成外(如Defant and Drummond, 1990； Peacocketal., 1994； Martin, 1999)，绝大多数的钙碱性岩浆是由大洋板块沿毕尼奥夫俯冲带到达深部后，发生脱水，使上地幔发生交代，产生含水的地幔部分熔融形成的。这种钙碱性玄武质岩浆通常在下地壳经历MASH过程(Hildreth and Moorbath, 1988)，形成原始的含矿岛弧岩浆(Peacock, 1993； Arculus, 1994； Richards， 2003， 2005)，其特点是富水，而且具有较高的氧逸度(Richards， 2003)，因为在高氧逸度条件下，S主要以硫酸盐的形式溶解于岩浆之中，从而导致Cu、Mo、Au等元素不至于在早期和S结合形成硫化物而分散，可以更好地在晚期的硅酸盐熔浆中富集(Richardsetal., 1991； Richards, 1995)。

前已述及，研究区与成矿有关的石英闪长岩地球化学特征上与埃达克岩明显不同，说明其不是俯冲的大洋板块部分熔融形成的。其所含的MME包体、石英闪长岩中的斜长石是拉长石以及正的εHf(t)值都暗示与成矿有关的石英闪长岩起源于幔源的基性岩浆与新生地壳部分熔融的岩浆混合的产物，这一点与传统的斑岩铜矿成矿背景一致。

过去的大量研究表明，要形成斑岩铜矿，与成矿有关的斑岩有利于成矿的条件是： ① 源区具有高的铜含量，即岩浆岩是Cu的主要来源，所以岩浆岩的源区应该有高的Cu含量； ② 高的氧逸度，硫是变价元素，在高的氧逸度条件下硫以+6价硫酸盐的形式溶解于岩浆中，而在还原条件下是以硫化物的形式结晶沉淀而在早期阶段分散； ③ 高的水含量，斑岩矿床是在热液阶段成矿，所以要形成足够多的岩浆热液流体，岩浆中的水要足够的高(Richardsetal., 1991，1995)； ④ 浅侵位，流体在熔体中的溶解度与压力呈正相关，压力越高溶解度越高，所以岩浆上升到浅位时流体不饱和的岩浆由于压力的降低导致过饱和而出溶形成岩浆流体。按照上述条件，坝西石英闪长岩基本上具有以上3个有利条件： ① 其来自于幔源基性岩浆与新生地壳部分熔融岩浆的混合，这样的源区应该是富铜的(Sillitoe， 1972， 2010；Richards， 2005)； ② 根据角闪石成分估算的氧逸度为ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27，属于高的氧逸度； ③ 根据角闪石成分估算的水含量为3.18%～4.64%。但是根据角闪石成分估算的深度大约为0.6～3.1 km，这个深度比一般的斑岩侵位深度要深。然而，角闪石是比较早的结晶矿物，所以实际侵位深度应该<3.3 km。

王斯林等(2017)对矿区进行了激发极化法、TEM 视电阻率和CSAMT测深剖面等地球物理方法，结果显示矿区西北部中高阻、中高极化体、弱高磁异常，与矿区已知含矿部位物探异常基本一致，异常部位对应石英闪长岩体及矿化带侧伏延伸方向，他们推测为矿致异常引起，也同样显示出一定的找矿前景。

综上所述，无论是成矿地质背景还是与斑岩矿床有关的石英闪长岩以及地球物理异常均显示出该区具有较好的找矿潜力。

7 结论

(1) 坝西铜矿床赋矿岩体为早石炭世以石英闪长岩、石英二长闪长岩为主的小岩株和侵入其中的闪长玢岩脉，中间相的石英闪长岩锆石U-Pb加权平均年龄为345.7±3.0 Ma。矿物学和岩石学表明其属于准铝质-弱过铝质钙碱性中酸性Ⅰ型花岗质岩石，其母岩浆可能为幔源的基性岩浆与新生地壳部分熔融形成的中酸性岩浆的混合，所以其构造背景应该是俯冲大洋板块脱水导致的地幔楔部分熔融再经历MASH过程，而不是直接由俯冲的热的大洋壳部分熔融的结果。

(2) 根据角闪石成分计算出的压力为28.6～166.9 MPa，相当于大约0.6～3.1 km，温度673～908℃，水含量约3.18%～4.64%，氧逸度为ΔNNO-0.22～ΔNNO+3.27。

(3) 岩浆高的水含量和高的氧逸度为斑岩铜矿的形成提供了有利的条件。结合其产出的构造背景以及矿区地球物理异常，认为该区具有很好的斑岩铜矿找矿潜力。