西天山察汉乌苏铁矿锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素示踪

邢金春 白权金 郭新成 张建收 高军 杨有生

摘  要：察汉乌苏铁矿位于西天山阿吾拉勒晚古生代裂谷带东段，矿体赋存于下石炭统大哈拉军山组第三段火山岩中。通过对察汉乌苏铁矿矿体顶板围岩进行岩石学、岩石地球化学、同位素年代学分析来探讨火山岩形成的构造环境、成岩时代及成岩物质来源。地球化学分析表明，察汉乌苏铁矿矿体顶板围岩为钙碱性系列，构造环境为岛弧。通过锆石U-Pb测年，获得206Pb/238U 加权平均年龄为（324.3±3.4） Ma，属早石炭世晚期。二阶段模式年龄tMD2变化于618.40～903.84 Ma，具古老地壳的源区属性，察汉乌苏铁矿成岩物质来源于亏损地幔并有基底物质的加入。

关键词：中亚造山带;阿吾拉勒晚古生代裂谷带;大哈拉军山组;地球化学特征;构造背景;LA-ICP-MS 锆石U-Pb;  Lu-Hf同位素

中亚造山带是位于西伯利亚板块和塔里木-中朝板块之间的巨型造山带，西天山造山带是中亚巨型复合造山带的重要组成部分，为西伯利亚板块、塔里木板块、古亚洲洋在演化过程中的多陆块拼合增生、俯冲、碰撞的产物，是世界上最复杂的造山带之一。西天山阿吾拉勒晚古生代裂谷带自西向东依次分布有式可布台、松湖、尼新塔格-阿克萨依、查岗诺尔、智博、敦德、备战等一系列与石炭纪火山作用有关的铁矿床，且绝大多数铁矿床赋存于石炭纪大哈拉军山组火山岩中[1-10]。对该组火山岩构造环境还存在较大争议：①与造山后岩浆作用有关的大陆裂谷环境;②与地幔柱有关的裂谷环境;③大陆边缘或岛弧环境;④大陆减薄拉张环境。察汉乌苏铁矿位于阿吾拉勒晚古生代裂谷带东段，铁矿产出于下石炭统大哈拉军山组第三段火山岩中，笔者对察汉乌苏铁矿开展了研究工作，收集和整理了大量的野外一手成果资料，本次重点对大哈拉军山组第三段c岩层英安岩的主量元素、微量元素、稀土元素特征、LA-ICP-MS 锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素示踪进行研究，为察汉乌苏铁矿勘查提供基础地质资料，为进一步对阿吾拉勒一带晚古生代火山岩的研究乃至对整个西天山晚古生代火山岩的研究提供新的资料。

1  区域地质背景

察汉乌苏铁矿位于阿吾拉勒（裂谷带）Fe-Au-Cu- Pb-Zn-煤-硫铁-重晶石矿带[11]，隶属于天山兴蒙造山系，伊宁-中天山地块，伊犁裂谷-阿吾拉勒晚古生代裂谷[12]，受天山北缘断裂与尼古拉耶夫线-那拉提北坡断裂控制（图1）。区域上出露地层主要有：上泥盆统艾尔肯组、下石炭统大哈拉军山组第三段、下石炭统阿克沙克组第二段、下石炭统艾肯达坂组、下—中侏罗统水西沟群及第四系等??。察汉乌苏铁矿赋存于下石炭统大哈拉军山组，该组为一套滨海相火山碎屑沉积建造，主要为中基性火山熔岩，酸性火山熔岩次之，少量火山碎屑岩、沉积岩的岩石组合。区域侵入岩较发育，时代有元古代、石炭纪、二叠纪，泥盆、石炭系内均有分布，多呈小型岩株、岩枝状，延伸方向与区域构造线方向基本一致。區域构造处于阿吾拉勒晚古生代裂谷带东部，地质构造复杂，构造形迹主要为脆性断裂，多呈环状，放射状。

2  矿区地质特征

2.1  地层

察汉乌苏铁矿区出露地层为?：下石炭统大哈拉军山组第三段、下石炭统阿克沙克组第二段及少量的第四系全新统。下石炭统大哈拉军山组第三段为一套滨海相火山碎屑岩、火山熔岩、沉积岩组成，岩性主要为深灰色英安质凝灰岩、黑色玄武岩、灰色（玄武）安山岩、灰白色英安岩、大理岩、砾岩、砂岩等。主要为一套爆发相火山碎屑岩→溢流相基性熔岩→溢流相中酸性熔岩→沉积岩相岩石组合，据火山喷发旋回及岩石组合特征将下石炭统大哈拉军山组第三段进一步分解为4个层?：a岩层以爆发相英安质凝灰岩为主;b岩层以溢流相玄武岩为主;c岩层以溢流相英安岩为主;d岩层以沉积相碎屑岩为主（图2-A，B）。a岩层与b岩层呈断层接触，b岩层、c岩层、d岩层呈整合接触关系。区内磁铁矿体赋存于a、b层，b层内磁铁矿体直接出露地表，a层内仅深部见磁铁矿盲矿体。察汉乌苏铁矿共圈出磁铁矿体14条，编号为L1～L14号，在大哈拉军山组第三段a层内共圈定磁铁矿体共7条，编号依次为L8～L14号矿体;b层内共圈定磁铁矿体7条，编号依次为L1～L7号矿体。区内主要矿体为L5、L6、L8。

2.2  构造

研究区内构造较发育，察汉乌苏铁矿整体位于一倒转向斜南翼，向斜核部地层为下石炭统阿克沙克组，两翼为大哈拉军山组，向斜轴面向北陡倾，倾角大于80°，向斜轴面走向约280°，向东西两侧均延出研究区，向斜核部整体呈负地形，岩石具强片理化。区内规模较大断裂为F5断层，断层走向约280°，倾向NE，倾角75°～85°，为左行走滑断裂，断层以北为阿克沙克组第二段，以南为大哈拉军山组第三段，两侧岩石均发生强烈的劈理化和碎裂岩化，局部具糜棱岩化，石英网脉发育。不同规模的无根褶皱变形普遍存在，可见不同规模的拖曳褶皱，表现出脆性断裂特点，该断裂穿过察汉乌苏铁矿体，对矿体有较大破坏作用。

2.3  英安岩特征

察汉乌苏铁矿大哈拉军山组第三段主要为一套火山碎屑岩-火山熔岩-沉积岩组合，岩性主要为英安质凝灰岩、玄武岩、（玄武）安山岩、英安岩等，前人已对英安质凝灰岩、玄武岩、（玄武）安山岩进行了深入研究[15-20]，但对英安岩研究较少，本次重点对矿体顶板英安岩进行研究，英安岩岩石特征见图3。

英安岩构成大哈拉军山组第三段c岩层主体，分布于矿区南部，构成向斜的南翼的一部分，大哈拉军山组第三段c岩层与b、d岩层均呈整合接触关系，厚54～581 m，灰白色，细粒斑状结构，基质具球粒包含结构，块状构造，斑晶以自形板状更长石为主，长石斑晶以自形棱角状、次棱角状为主，蚀变强烈，基质由球粒包含结构的长英矿物组成;在球粒间有细小片状的绿泥石、他形粒状的石英、次生的方解石、半自形粒状的黄铁矿，黄铁矿边缘少量褐铁矿化。显微镜下观察斑晶中长石表面有次生绢云母，斑晶石英受构造挤压，表面多裂纹，岩石片理化，沿片理有定向分布的绢云母。

3  英安岩岩石地球化学特征

3.1  主量元素

笔者在察汉乌苏铁矿区矿体顶板采集6件岩石化学样品（表1）。据火山岩TAS图解（图4），样点均落入英安岩中，与野外定名及岩矿鉴定成果基本一致，且均落入Irvine分界线下方，属亚碱性岩。

SiO2含量66.91%～73.82%，平均70.24%;Al2O3含量高，变化大，为12.96%～15.33%，平均14.32%;全碱含量（K2O+Na2O）2.56%～5.84%，平均4.84%，里特曼指数0.21～1.26<4，属钙碱性岩系（太平洋型）;TiO2含量0.26%～0.48%，平均0.38%，含量相对较低;MgO含量0.41%～1.57%，平均1.07%。在岩石系列判别图中（图4），样品落入钙碱系列，属钙碱岩石系列。

3.2  稀土元素

从样品的稀土元素分析结果和特征参数可知（表1），英安岩稀土总量88.75×10-6～129.57×10-6，均值100.89×10-6;轻稀土总量均值84.03×10-6;重稀土总量均值16.86×10-6;LREE/HREE为3.39～7.52，平均5.48，大于地壳平均值1.15，说明岩石分异程度较强 [21];（La/Yb）N均值5.03，稀土分布曲线为右倾式较陡，呈现轻稀土富集、重稀土亏损的特点;（La/Sm）N均值5.04，反映轻稀土之间分馏程度较好;（Gd/Yb）N平均1.36，说明重稀土之间分馏一般;δCe均小于1，平均0.94，显示负异常特征，与海洋环境特征相同;δEu平均0.73，小于1，显示负异常特征，且普遍亏损Sr，说明岩浆形成时斜长石作为残留相存在，在岩浆演化过程中发生了斜长石分离结晶作用[22]。

经对比前人对区内凝灰岩、（玄武）安山岩、玄武岩研究成果资料 [15-20]，稀土元素球粒陨石标准化分布图趋势基本相似，说明其成岩物质来源具一定的相关性，且与OIB 分布模式近似一致（图5）。

3.3  微量元素

原始地幔标准化分布图上，呈近似一致的锯齿状分布（ 图5）。富集大离子亲石元素K，Rb，Ba，亏损高场强元素Nb，Ta，P，Ti。K/Rb在177.52～1 313.33，平均391.83;Rb/Sr一般在0.01～0.29，平均0.19（小于0.5），属岩浆早期偏晚演化阶段形成;Ba/Rb一般在3.10～27.60，平均8.66;Nb/Ta平均8.27。

经对比前人对区内凝灰岩、（玄武）安山岩、玄武岩的研究成果资料[15-20]，由玄武岩→（玄武）安山岩→英安岩微量元素Ba减少而Rb增加，Ba/Rb逐渐减少，Nb/Ta逐渐降低，说明岩浆分异作用增强，这也印证了区内火山岩演化是由玄武岩→（玄武）安山岩→英安巖的成岩过程。

4  英安岩锆石U-Pb年龄和Lu-      Hf同位素示踪

4.1  锆石U-Pb年龄

笔者在大哈拉军山组第三段c岩层针对英安岩采集1件U-Pb同位素测年样品，采样位置见图2。挑选的锆石大多呈无色透明，以粒状为主，粒径约为100～250 μm，较破碎，韵律环带清晰，Th/U 比值为0.45～0.95（均值0.4），显示具岩浆成因特性。选择其中较完整的25颗锆石进行测定， 206Pb/238U表面年龄在313～362 Ma（图6），数据点中有15个数据点谐和性较好，206Pb/238U 加权平均年龄为（324.3±3.4） Ma，MSWD =0.61，代表其形成年龄属早石炭世（图7，表2）。

4.2  锆石Lu-Hf同位素

本次对英安岩U-Pb年龄谐和性较好的15颗锆石进行Lu-Hf同位素分析测试，测点位置位于锆石U-Pb定年的同一颗锆石相同部位同一岩浆震荡环 。通过测试数据可看出（表3），锆石176Lu/177Hf值为0.000 989～0.002 470 4，平均0.001 481。Hf元素的组成比较单一，176Hf/177Hf（t）值为0.282 773～0.282 899;锆石年龄计算的εHf（t）为6.731 024～11.252 046，单阶段模式年龄tMD1位于512.65～689.12 Ma ;二阶段模式年龄tMD2变化于618.40～903.84 Ma，具古老地壳源区属性[24]，二阶段模式年龄更能反映源区物质在地壳中的平均年龄[25]，εHf（t）变化范围较大-0.052 797～4.430 697， 176Hf/177Hf 均大于0.282 7，176Lu/177Hf值低于上地壳0.009 3，单颗锆石二阶段模式年龄均远大于单阶段模式年龄，表明源区物质在地壳中存在较长时间。由图8可知，点都集中分布在球粒陨石Hf同位素演化线之上与亏损地幔之间，代表成岩物质来源于亏损地幔并有基底物质的加入。

5  讨论

5.1 岩石构造环境

英安岩具相对较高的Al2O3，Na2O，K2O，低MgO，CaO，TiO2，属钙碱性岩石系列;微量元素富集大离子亲石元素K，Rb，Ba，亏损高场强元素Nb，Ta，P，Ti，显示典型岛弧环境特征。通过微量元素地球化学研究认为，其类似于OIB。在花岗岩的构造环境（Rb）-（Yb）+ （Nb）判别图中（图9），样点投入火山弧花岗岩区域。综上确定察汉乌苏铁矿火山岩成岩构造环境为岛弧环境。

5.2  成岩时代

本次笔者在大哈拉军山组第三段c岩层采集锆石U-Pb年龄测试样一件，选择较完整的25颗进行测定，其中有15个数据点谐和性较好，206Pb/238U 加权平均年龄为（324.3±3.4） Ma，MSWD =0.61，代表其形成年龄，属早石炭世。英安岩的年龄基本代表察汉乌苏铁矿火山岩年龄，属早石炭世。

5.3  成岩物质来源

Hf同位素单阶段模式年龄、二阶段模式年龄表明，岩石源区物质在地壳中存在较长时间。同时，Hf模式年龄远大于成岩年龄表明，其岩浆源区受到过地壳物质的混染[25]。察汉乌苏铁矿火山岩成岩物质来源具一定的相关性，英安岩成岩物质来源基本能代表察汉乌苏铁矿火山岩物质来源，察汉乌苏铁矿成岩物质来源于亏损地幔并有基底物质的加入。

6  结论

（1） 察汉乌苏铁矿大哈拉军山组火山岩产出构造环境为岛弧环境。

（2） 察汉乌苏铁矿英安岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄为（324.3±3.4） Ma，属早石炭世。

（3） 察汉乌苏铁矿成岩物质来源于亏损地幔并有基底物质的加入。

参考文献

[1]    莫江平，黄明扬，覃龙芳，等.新疆预须开普台铁铜矿床成因探讨[J].地质与勘探，1997，33（4）：7-12.

[2]    冯金星，石福品，汪帮耀，等.西天山阿吾拉勒成矿带火山岩型  铁矿[M].北京：地质出版社，2010.

[3]    汪帮耀.新疆西天山查岗诺尔和智博火山岩型铁矿矿床地质特征与成因研究[D].长安大学，2011.

[4]    李风鸣，彭湘萍，石福品，等.西天山石炭纪火山-沉积盆地铁锰矿成矿规律浅析[J].新疆地质，2011，29（1）：55-60.

[5]    董连慧，冯京，庄道泽，等.新疆富铁矿成矿特征及主攻类型成矿模式探讨[J].新疆地质，2011，29（4）：416-422.

[6]    张博，汪帮耀，荆德龙，等.新疆西天山备战铁矿矿床地质特征与矿床成因[J].西北地质，2015，48（1）：145-163.

[7]    李大鹏.新疆西天山阿吾拉勒铁矿带叠加成矿作用[D].中国地质大学，2012.

[8]    蒋宗胜，张作衡，侯可军，等.西天山查岗诺尔和智博铁矿区火山岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄及地质意义[J].岩石学报，2012，28（7）：2074-2088.

[9]    王春龙，王义天，董连慧，等.新疆西天山松湖铁矿床稀土和微量元素地球化学特征及其意义[J].矿床地质，2012，31（5）：1038-1050.

[10]  荆德龙，张博，汪帮耀，等.新疆西天山尼新塔格铁矿区石炭纪火山岩地球化学特征及其成因研究[J].地球化学，2015，44（4）：377-391.

[11]  董连慧，冯京，刘德权，唐延龄，屈迅，王克卓，杨在峰.新疆成矿单元划分方案研究[J].新疆地质，2010，28（01）：1-15.

[12]  董连慧，冯京， 屈迅，等.中国地质矿产志.新疆维吾尔自治区矿床成矿系列图[M].北京：地质出版社，2017.

[13]  汪帮耀，荆德龙，姜常义，等.西天山阿吾拉勒火山岩型铁矿带东段成矿地质背景与成矿机理[J].岩石学报.2017.

[14]  荆德龙. 西天山阿吾拉勒成矿带铁矿成矿作用与成矿规律研究[D].长安大学，2016.

[15]  孙吉明，马中平，徐学义，等.新疆西天山备战铁矿流纹岩的形成时代及其地质意义[J].地质通报，2012，31（12）：1973-1982.

[16]  韩琼，弓小平，毛磊，等.西天山备战铁矿成岩年代厘定及矿床成因研究[J].新疆地质，2013，31（2）：136-140.

[17]  王腾. 新疆备战铁矿床地质特征及成因[D].成都理工大学，2014.

[18]  张博，汪帮耀，荆德龙，等.新疆西天山备战铁矿矿床地质特征与矿床成因[J].西北地质，2015，48（1）：145-163.

[19]  郭新成，张建收，余元军，等.新疆和静县备战铁矿地质特征及找矿标志[J].新疆地质，2009，27（4）：341-345.

[20]  阿丽娜，弓小平，徐谢军.新疆和静县备战铁矿矿体特征及围岩蚀变[J].西部探矿工程，2012，24（3）：171-172+175.

[21]  赵军，张作衡，张贺，等.新疆阿吾拉勒山西段下二叠统陆相火山岩岩石地球化学特征、成因及构造背景[J].地质学报，2013，87（4）：525-541.

[22]  Boynton W V.Geochemistry of the rare earth elements：Meteostudies[C].Henderson P.Rare Earth Element Geochemis Amsterdam：Elsevier，1984，63-114.

[23]  SUN S S，MCDONOUGH W F.Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts： implications for mantle composition and processes[J].Geological Society，Special Publications，1989，42（1） ： 313-345.

[23]  宋博，張慧元，魏东涛，等.中亚造山带南缘中—新元古代地壳的揭示——来自北山-阿拉善北部钻遇碱性花岗岩的年代学和Hf同位素示踪研究[J].地球学报，2021， 42（1）：1-18.

[24]  吴福元，李献华，郑永飞.Lu-Hf同位素体系及其岩石学应用[J].岩石学报，2007（2）：185-220