新疆北山地区清白山矿集区剥露史及对矿产保存的制约

张文高，陈正乐，郑利宏，李季霖，刘博，赵同阳，周振菊，闫巧娟

摘  要：新疆北山地区清白山矿集区位于中亚造山带南缘东天山造山带与北山造山带交界部位，近年来陆续发现一系列多金属矿产，成矿潜力巨大。研究从分析矿集区剥蚀程度的角度，以矿集区内与成矿关系密切的花岗岩体为研究对象，利用磷灰石裂变径迹技术，结合温度-时间热史模拟反演，推测矿集区的剥蚀程度，探讨清白山矿集区多金属矿产深部的找矿潜力。研究结果显示，样品裂变径迹年龄集中在（（50±5）～（84±5）） Ma之间，温度-时间反演模拟结果表明，北山地区在晚白垩世经历过快速隆升过程。100 Ma以来，清白山矿集区剥蚀厚度累计约2.85 km，结合矿集区矿产分布特征，认为研究区深部还有较大找矿潜力。

关键词：磷灰石; 裂变径迹; 热年代学; 矿产保存; 清白山矿集区

清白山矿集区位于新疆北山地区，大地构造上处于东天山造山带与北山造山带的交界部位。近年来，清白山地区陆续发现了清白山铅锌矿、清白山东金多金属矿及聚源钨矿等矿产地，指示了研究区优越的成矿条件[1-5]。前人从成矿地质背景、区域成矿系列、矿床成因及找矿模型等不同方面对清白山矿集区进行过较多的研究[4，6-9]，认为研究区以发育前寒武纪变质基底和古—中生代岩浆为特征，区内多金属矿产与古亚洲洋的形成与演化密切相关，形成了由洋盆初始演化阶段形成的古老地块中的MVT型铅锌矿、沉积型钴锰、钒、磷矿、俯冲消减阶段形成的造山型金矿及后碰撞阶段形成的石英脉型钨多金属矿的区域成矿系列，上述研究明显提升了清白山地区的研究程度。由于研究区地处戈壁，地表露头极差，且赋矿地层主要为前寒武系深变质地层，地层和构造产状极不稳定，导致在清白山矿集区开展构造控矿分析较为困难，对矿集区深部找矿潜力还存在争议，影响了研究区构造-岩浆事件对矿体形成与改造的研究程度，制约了下一步找矿勘查工作的部署。

随着低温热年代学技术的快速发展，通过定量提供地质体时间和温度的演化历史，有效制约不同矿带矿区的隆升剥露特征，推测矿床深部的找矿潜力已经成为可能[10-15]。清白山矿集区成矿系列中的多金属矿产，分别具有不同的形成深度，现均出露于地表，一方面受构造作用影响，另一方面体现研究区存在强烈隆升剥露历史。前人在东天山构造带和北山构造带均进行过较多低温热年代学研究，认为东天山新生代以来，地壳稳定，构造活动不明显[10-15，20，21]。但上述研究多为区域上的整体认识，对清白山矿集区范围内的低温热年代学研究，目前还未见发表。

本次研究选择清白山矿集区出露的典型花岗岩样品，利用磷灰石裂变径迹技术及温度-时间模拟反演，分析研究区中生代以来的隆升-剥露过程，探讨矿集区成矿后的矿床改造-保存过程，预测深部资源潜力，为下一步找矿勘查部署提供依据。

1  区域地质背景

清白山矿集区位于中亚造山带南侧，塔里木地块北缘，北山增生造山带北部，其北侧为中天山地块和红柳河蛇绿混杂岩带。研究区出露地层主要为前寒武纪变质岩基底，北部分布少量早古生代盖层，中南部主要分布石炭—二叠纪裂谷沉积。研究区整体位于盐滩-红柳滩复式背斜和平台山复背斜内，发育红柳河断裂和三架山断裂。其中红柳河断裂位于研究区北部，为中天山地块与北山古生代裂谷系的分界断裂，该断裂为一系列断裂组成的宽1～2 km的断裂带，沿断裂岩石破碎，并发育各种糜棱岩、碎裂岩，具多期活动特点，该断裂既是控岩构造，也是导矿容矿构造。三架山断裂是研究区最重要的断裂构造，近两年发现的清白山铅锌矿、清白山西铅锌矿点、清白山东金矿点均分布在三架山断裂南侧，三架山断裂两侧地质体的剪切变形、扭曲直接影响其矿层分布情况[5]。研究区岩浆活动频繁，晚志留世、泥盆纪、石炭纪及二叠纪均有岩浆侵入活动，侵入岩主要为二长花岗岩、花岗闪长岩及少量辉长岩。火山岩以二叠纪玄武岩为主。分布在不同时代的岩浆活动为清白山矿集区铅锌、金、铁、锰等矿产提供了优越的成矿条件。研究区在成矿区带上属磁海-大水Fe- Mn-Au-Pb-Zn-W-Sn-Co-Cu-Ni-Pt-磷-鈉硝石-盐类矿带[4]。研究区内目前已发现矿产以Fe，Mn，Co，Zn，Pb，Au，W，V，P，萤石为主，虽规模较小，但矿点众多。清白山矿集区所处的地质位置由于具有突出的成矿区带特征，地、物、化背景突出，在成矿时间和空间分布上与所处地层、岩性、岩浆岩、构造有着紧密联系，综合控制特征较突出，显示出明显的分布规律。

2  样品采集处理及测试结果

本次样品采样位置见图1。分别采集了清白山花岗岩样品4件，样品尽可能采集新鲜的花岗岩露头，以免受到后期蚀变影响，样品高程利用手持GPS获得，并依据局部地形进行校正。通过挑选花岗岩内的磷灰石颗粒，用于裂变径迹测年分析。

磷灰石裂变径迹分析（AFT）采用外探测器法，岩石样品经过粉碎、分选和晾干，经初选后利用电磁、重液及介电等手段，对单矿物提纯，分离出磷灰石的单矿物颗粒。然后将磷灰石颗粒固定在聚四氟乙丙烯塑料片和环氧基树脂上，制成光薄片，并抛光至矿物颗粒内表面露出。将磷灰石薄片在恒温25℃的7%的 HNO3溶液中蚀刻30 s 以揭示自发径迹[14]。将低铀白云母（小于4×10-9）盖在光薄片上作为外探测器，与磷灰石颗粒贴紧，然后与CN5（磷灰石）标准铀玻璃一并接受热中子辐照。完成后，在25℃条件下的40%的HF中蚀刻白云母外探测器 20 min揭示诱发径迹。裂变径迹年龄采用Zeta常数法校准，Zeta常数ζ=410±17.6。样品的粉碎和分选在廊坊市地科勘探技术服务有限公司进行，磷灰石裂变径迹测试在北京市泽康恩科技有限公司完成。

本次研究选择4个典型花岗岩体进行采样测试，每个样品测试的磷灰石单颗粒数量均为35粒，挑选径迹数量较多的样品（D1884-3，D1894-2）进行热演化历史模拟[11]。本次测试样品除D18105-5外，P （x2）均大于 5%，裂变径迹选用“合并年龄”（Pool Age）。D18105-5样品P （x2）小于5%，选用中值年龄。本次测试样品单颗粒径迹年龄在误差范围内集中（图2）。样品测试结果显示，样品的裂变径迹年龄集中在（50±5） ～（84±5） Ma之间（表1）。前人研究显示，新疆北山清白山花岗岩的侵位时代主要集中在400 Ma左右[6-7]，所有样品的磷灰石裂变径迹年龄都远小于原岩花岗岩的侵位时代，表明其年龄值代表了后期的构造隆升-剥蚀的热冷却年龄，而非岩浆冷却年龄。样品径迹长度集中在（12.2±1.8）～（13.2±1.8） μm，主体呈单峰分布，具有未经扰动的基岩类型特征。

3  磷灰石的温度-时间反演模拟

前人研究表明，裂变径迹的长度信息记录了样品接近150℃以下所有的热历史，因而对径迹长度的研究可获取更多的温度-时间信息。根据实测的裂变径迹数据和径迹长度的参数，本次研究利用HeFly软件[16]，开展了磷灰石的温度-时间反演模拟研究。在模拟过程中，根据区域地质资料分析，结合磷灰石裂变径迹的封闭温度，设定约束条件，样品的模拟结果见图3。每个样品模拟时，模拟结果的长度拟合度（K-S Test）和年龄配分拟合度（Age GOF）都远大于0.5，表明模拟结果是可靠的和可行的[17-18]。

模拟结果显示，两个样品的温度-时间曲线都记录了100～80 Ma的快速冷却事件，表明新疆北山地区在中—晚白垩世发生了强烈的构造隆升过程，导致研究区花岗岩体抬升至近地表。在60～20 Ma之间，北山地区的隆升速率明显变慢，开始进入准平原化的阶段，构造活动较弱。值得注意的是，两个样品的温度-时间曲线均记录了20 Ma以来北山地区快速的隆升过程。本次野外工作在吐哈盆地渐新—中新统桃树园组杂色砂砾岩内观察到褶皱变形及逆冲断层（图4），可能为该期隆升事件的构造响应。

4  剥蚀速率与剥蚀深度

裂变径迹数据反演的温度-时间曲线可用来计算研究区域的平均剥蚀状况，通常称为剥蚀厚度（Denudation），表示以地表为参考系，地层剥露厚度的总量。而冷却速率则是地质热历史演化的一个重要指标，对于冷却速率的计算，可依据公式：

Cr =（θm - θsurf）/tm… （1）

公式中θm为磷灰石裂变径迹的封闭温度，θsurf为现今地表温度;tm为样品的裂变径迹年龄[19]。本次研究将磷灰石裂变径迹的封闭温度限定为110℃，现今地表温度限定为20℃。根据公式（1），样品D1884-3，D1892-2，D18105-5和D1947-1的冷却速率分别为1.8℃/Ma，1.07℃/Ma，1.47℃/Ma和1.4℃/Ma。

为了计算研究区的剥露速率，需要估计古地温梯度，不同构造区、不同地质时期的地温梯度相差较大。本次研究选取的古地温梯度为35℃/km。冷却速率与地温梯度的比值即为剥露速率。因此，样品D1884-3，D1892-2，D18105-5和D1947-1的剥露速率分别为0.051 mm/a，0.031 mm/a，0.042 mm/a，0.040 mm/a，平均剥露速率为0.041 mm/a。该剥露速率反映了新疆北山地区自84 Ma以来的剥蚀状态。

利用热历史反演图中的温度-时间曲线，可分阶段的计算不同地质历史时期的剥蚀程度。观察两个样品的温度-时间曲线，可以发现，二者均自100 Ma以来开始快速隆升，约在70 Ma快速隆升结束，研究区进入缓慢抬升阶段，从20 Ma至今又开始快速隆升。因此，可将研究区的剥蚀历史粗略分为100～70 Ma快速隆升，70～20 Ma缓慢抬升及20 Ma至今快速隆升3个阶段，分别计算剥蚀量，再累加即为研究区100 Ma以来总体剥蚀量。

一般计算剥蚀厚度可利用某时间段内下降的温度值比相应的古地温梯度，即可计算出该时间段内的剥露厚度，其公式如下：

D =（θB – θO）/G… （2）

公式中D为剥蚀厚度（km），θB为样品记录的快速冷却事件开始时的温度，θO代表快速冷却事件结束时的温度，G代表快速冷却事件发生时研究区古地温梯度[12，19]。θB可以在温度-时间曲线上读出，冷却事件结束时间为现今，记为0 Ma，结束点温度近似于地表溫度，取20℃。则可计算出研究区不同时期的剥蚀厚度。

第一阶段快速冷却时间内，温度-时间曲线显示，温度快速从120℃以上经过部分退火带，下降到磷灰石的封闭温度以上，取古地温梯度为35℃/km，该阶段清白山地区平均剥蚀厚度D1=1.71 km，平均冷却速率为2℃/Ma。第二阶段缓慢隆升时间内，模拟热历史较平坦，指示岩体较长时间均保持稳定，未发生隆升。本次计算忽略该阶段的剥露厚度，将剥蚀厚度D2视为0。第三阶段清白山地区又发生快速冷却，由10 Ma到现今，将冷却事件结束时间记为0 Ma，结束时的温度记为20℃，则该阶段剥蚀厚度D3为1.14 km。

综上所述，清白山矿集区100 Ma至今的总平均剥露厚度D = D1 + D2 + D3 = 1.71 + 0 + 1.14 = 2.85 km。

5  讨论

5.1  新疆北山晚白垩世构造隆升事件

前人研究表明，晚白垩世整个天山山脉普遍经历强烈的隆升-剥露过程，笔者之前在西天山进行的花岗岩裂变径迹数据显示，晚白垩世西天山北段和中段都发生了明显的快速隆升-剥露事件，且该过程是由南向北扩张的[14]。结合前人对天山地区磷灰石裂变径迹研究结果认为[20-24]，天山及其邻区在晚白垩世都经历了快速隆升过程。特别对研究区具参考意义的清白山西侧、东天山地块内，刘红旭等对阿奇山-雅满苏地区花岗岩进行的磷灰石裂变径迹研究，也显示了晚白垩世的快速隆升[21]，表明在晚白垩世时期新疆北山地区和东天山地区经历了相同的隆升-剥露过程，红柳河断裂两侧的地层经历了相似的构造过程。东天山地区与新疆北山地区上白垩统整体缺失，应为这期构造隆升事件的沉积响应。对于晚白垩世构造隆升事件的动力学机制，前人进行过多方面的讨论。多数学者赞同其为晚白垩世科希斯坦岛弧向北的拼贴-增生作用的远程效应[24，26]，郭召杰等提出天山白垩纪的隆升过程可能是古中亚造山带解体剥蚀事件的响应，天山造山带的形成过程可能与白垩世岩浆底辟作用相关[20]。但越来越多的数据表明，天山造山带不同块段之间，具有明显不同的隆升过程，其隆升的动力学机制，可能不能用单一的来源来解释。本次研究表明，至少在晚白垩世时期，新疆北山地区与东天山地区可能为同一整体隆升，具相似的隆升过程。

5.2  隆升-剥露过程对矿产保存的制约

清白山矿集区存在着区域性的红柳河断裂和三架山断裂，其中三架山断裂是研究区重要的控矿断裂，控制着清白山铅锌矿、清白山东金矿以及聚源钨矿的产出。野外调查显示，三架山断裂发育明显的韧性变形，断裂带内灰岩中可见代表逆冲推覆的堆垛构造（图5-a），且灰岩内发育“A”型褶皱，枢纽与剪切带延伸方向一致（图5-b）;拉伸线理清晰，倾伏向东，倾伏角约30° （图5-c），还可见不对称褶皱，指示左行剪切（图5-d）;有变形砾岩中S-C组构指示左行剪切。一般来说，韧性变形为深层次的变形，主要形成于地壳5 km以下。结合前文对研究区剥蚀厚度的计算，研究区总剥蚀量不超过3 km，但三架山韧性变形出露于地表，可能为研究区在100 Ma之前，已经历过构造抬升，本次计算的剥蚀量为样品经过封闭温度以来的剥蚀量，且研究区经历过多期次的变形，导致深层变形因褶皱或逆冲推覆抬升至地表。三架山断裂韧性变形表现为明显的强弱应变带分带产出，也证明了后期构造作用的影响。特别是对于清白山东金矿，前人认为是韧性剪切带型金矿[5]，而韧性剪切带型金矿的成矿元素迁出区域与成矿元素富集区域存在空间位置的差异[27]，成矿元素富集区一般位于脆韧性转换带附近。据本次计算的剥蚀量，相对于韧性变形形成深度来说，研究区剥蚀程度并不大，可能深部还存在有利的找矿区域。

6  结论

（1） 通过磷灰石裂变径迹技术，对新疆北山清白山矿集区的花岗岩体进行低温热年代学研究，样品的裂變径迹年龄集中在（50±5）～（84±5） Ma之间，100 Ma至今的剥蚀厚度为2.85 km。

（2） 热史模拟显示，新疆北山地区在晚白垩世经历过快速强烈的隆升，且在晚白垩世时期，新疆北山地区与东天山地区经历了相似的构造隆升过程。

（3） 通过剥蚀厚度的计算，对比清白山矿集区的矿产分布特征，认为研究区剥蚀程度不大，矿产保存状态较理想，深部勘探潜力较大。

致谢：感谢审稿人的意见，使作者受益颇丰！

参考文献

[1]    丁建华，邢树文，肖克炎，等.东天山-北山Cu-Ni-Au-Pb-Zn成矿带主要成矿地质特征及潜力分析[J].地质学报，2016，90（7）：1392-1412.

[2]    夏天，陈晔.复杂褶皱构造对新疆北山地区清白山铅锌矿床的影响[J].新疆地质，2017，35（4）：470-473.

[3]    周军，彭峰，刘亚楠，等.适用于东天山地区的区域化探工作方法与找矿效果——以新疆哈密市清白山铅锌矿为例[J].物探与化探，2017，41（1）：1-8.

[4]    赵同阳，郑加行，韩琼，等.新疆北山地区清白山铅锌矿“三位一体”勘查找矿地质模型探讨[J].新疆地质，2020，38（2）：198-202.

[5]    郑加行，赵同阳，韩琼，等.新疆北山地区三架山韧性剪切带构造变形特征及控矿意义[J].地质力学学报，2019，25（S1）：32-38.

[6]    付鹏飞，夏冬，弓小平，等.新疆北山地区清白山花岗岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义[J].新疆地质，2020，38（1）：25-31.

[7]    孙乾龙，夏冬，弓小平.新疆北山清白山花岗岩体成因及构造环境分析[J].新疆地质，2020，38（3）：298-304.

[8]    夏天.新疆哈密清白山铅锌矿矿床成因及成矿模型探讨[J].新疆地质，2019，37（3）：309-312.

[9]    李玉星.新疆清白山铅锌矿遥感找矿信息提取及遥感找矿模型探讨[J].世界有色金属，2020（5）：68-70.

[10]  LIU X，FAN H R，EVANS N J， et al. Cooling and exhumation of the mid-Jurassic porphyry copper systems in Dexing City， SE China： insights from geo- and thermochronology[J]. Mineralium Deposita， 2014， 49（7）：809-819..

[11]  Malusà M G，FITZGERALD P G.Fission-Track-Thermochronology and its Application to Geology[M]. springer， 2019

[12]  袁万明， 冯云磊. 吉林夹皮沟本区金矿剥露历史与矿床保存变化[J]. 地质学报， 2015， 89（S1）： 55.

[13]  HICKEY K A，BARKER S L L，DIPPLE G M，et al. The Brevity of Hydrothermal Fluid Flow Revealed by Thermal Halos around Giant Gold Deposits： Implications for Carlin-Type Gold Systems[J]. Society of Economic Geologists， Inc. Economic Geology， 2019， 109： 1461-1487

[14]  YIN J Y，CHEN W，XIAO W J， et al. Multi-Method Chronometric Constraints on the Thermal Evolution of the Central Tianshan， NW China[J]. Acta Geologica Sinica （English Edition）， 2015， 89 （6）： 2092-2093.

[15]  XIANG D F，ZHANG Z Y，XIAO W J，et al. Episodic Meso-Cenozoic denudation of Chinese Tianshan： evidence from detrital apatite fission track and zircon U-Pb data， southern Junggar Basin margin， NW China[J]. Journal of Asian Earth Sciences， 2019， 175.

[16]  Richard A. Ketcham. Forward and inverse modeling of Low-Temperature thermochronometry Data[J]. Mineralogical Society of America， 2005， 58，275 - 314

[17]  R A Donelick， P B O’Sullivan， R A Ketcham. Apatite fission-track analysis[M].Reviews in Mineralogy & Geochemistry.2005，58： 49～94.

[18]  JOHNSON J E， FLOWERS R M，BAIRD G B， et al. “Inverted”zircon and apatite （U-Th）/He dates from the Front Range， Colorado： High-damage zircon as a low-temperature （<50℃） thermochronometer [J]. Earth and Planetary Science Letters， 2017，466： 80-90.

[19]  冯云磊， 袁万明， 郝娜娜， 等. 吉林桦甸市夹皮沟本区金矿剥露历史和矿床保存变化——来自磷灰石裂变径迹年代学证据[J]. 地质论评， 2015， 61（1）： 109-120.

[20]  郭召杰， 刘树文， 张志诚. 库鲁克塔格—星星峡是古生代末天山最高地區[J]. 新疆地质， 1998（4）： 381-387.

[21]  刘红旭，颜丹平，何建国，等.阿齐山—雅满苏地区中—新生代构造隆升裂变径迹证据：兼论构造活动对核废选址场的意义[J].高校地质学报，2014，20（1）：81-92.

[22]  常健， 邱楠生. 磷灰石低温热年代学技术及在塔里木盆地演化研究中的应用[J]. 地学前缘， 2017， 24（3）： 79-93.

[23]&nbsp; 张志诚， 王雪松. 裂变径迹定年资料应用中的问题及其地质意义[J]. 北京大学学报（自然科学版）， 2004， 06： 898-905.

[24]  高洪雷， 刘红旭， 何建国， 等. 东天山地区中—新生代隆升-剥露过程：来自磷灰石裂变径迹的证据[J]. 地学前缘， 2014， 21（1）： 249-260.

[25]  陈正乐， 韩凤彬， 杨农， 等. 江西相山铀矿田地貌剥蚀特征及其控矿意义——磷灰石裂变径迹证据[J]. 地球物理学报， 2012， 55（7）： 2371-2384.

[26]  E R Sober.， T A Dumitm. Thrusting and exhumation around the margins of the western Tarim basin during the India-Asia collision[J]. Journal of Geophysical Research， 1997， 102（B3）： 5043～5063.

[27]  陈柏林，吴淦国，刘晓春，叶德金，舒斌，杨农.北山地区发现韧性剪切带型金矿床[J].中国区域地质，2000（3）：336.

Exhumation history of qingbaishan ore concentration district in eishan area of Xinjiang and its constraints on mineral preservation

Zhang Wengao1， Chen Zhengle1， Zheng Lihong2， Li Jilin1， Liu Bo1， Zhao Tongyang3，

Zhou Zhenju1， Yan Qiaojuan1

（1. Institute of Geomechanics， Chinese Academy of Geological Sciences ， Beijing，100081， China; 2. China Gold Science and Technology Co.Ltd，Beijing，100176， China; 3. Xinjiang Institute of Geological Survey，

Urumqi， Xinjiang， 830000， China）

Abstract： The Qingbaishan ore - concentration district in the Beishan area of Xinjiang is located at the junction of the eastern Tianshan orogenic belt and the Beishan orogenic belt on the southern margin of the Central Asian orogenic belt. In recent years， a series of polymetallic minerals have been discovered in this area， and it indicates that it has great metallogenic potential. In this study， from the perspective of analyzing the denudation degree of the ore concentration area.The granite body closely related to mineralization in the ore concentration area is taken as the research object.Using apatite fission track technology and temperature time thermal history simulation inversion， the denudation degree of the ore concentration area is speculated， and the deep prospecting potential of polymetallic minerals in qingbaishan ore concentration area is discussed. The results show that the fission track ages of the samples range from （50 ± 5）Ma to （84 ± 5）Ma. The temperature time inversion simulation results show that the Beishan area of Xinjiang experienced a rapid uplift process in the late Cretaceous. Since 100 Ma， the denudation thickness of Qingbaishan ore concentration district has accumulated about 2.85km. Combined with the mineral distribution characteristics of the ore concentration area， it is considered that there is still great prospecting potential in the deep part of the study area. This conclusion has a certain reference value for the deployment of prospecting and exploration in Qingbaishan ore concentration district.

Key words：Apatite;Fission track; Thermochronology; Ore preservation; Qingbaishan ore concentration district