东天山彩霞山大型铅锌矿床成矿年龄的Re-Sr同位素年代学证据

魏然，王义天，胡乔青，王嘉玮，陈俊，陈贵民

摘  要：东天山彩霞山大型铅锌矿床位于中天山地块北缘，矿体主要产于白云石大理岩与下伏的硅化粉砂岩接触部位，其热液期成矿作用可分为4个阶段：黄铁矿阶段、闪锌矿-黄铁矿阶段、闪锌矿-磁黄铁矿-透闪石阶段、硫盐-方铅矿阶段。前人获得成矿时代数据范围跨度大，直接影响了对矿床成因的认识。本次工作选取不同矿体矿石中33件金属硫化物，分期次开展Rb-Sr同位素测年，获得了（326.5±4.2） Ma、（315.3～312.9） Ma、（302.3～299） Ma等前3个成矿阶段的年龄，结合成矿地质特征和前人有关东天山区域构造演化的研究成果，认为彩霞山铅锌矿的成矿构造背景为弧前盆地向弧内盆地转换阶段，是东天山造山带晚石炭世构造-岩浆活动的产物。

关键词：彩霞山铅锌矿床;金属硫化物Rb-Sr等时线年龄;中天山地块;东天山

东天山彩霞山大型铅锌矿床位于中天山地块的北缘，阿其克库都克断裂带的南侧，矿体赋存于元古宇卡瓦布拉克群碳酸盐岩-碎屑岩建造中，构造上与北部的阿其克库都克大断裂关系密切。近年来，彩霞山铅锌矿周边新发现了多个矿床及矿点：如小东山铁矿、小黑山铁矿、宏源铅锌矿和阿齐山铅锌矿、彩虹山铁矿、百灵山铁矿、维权铁矿、屹立铅多金属矿点、黄龙山银铅多金属矿点、吉源多金属矿点等，指示本地区具有多金属成矿潜力。彩霞山铅锌矿是东天山地区目前唯一的大型铅锌矿床，前人对其开展了大量研究工作。研究内容主要包括成矿地质特征、成矿物质来源、成矿流体特征等[1-5]，取得了许多研究成果和进展。但是在成矿年代学方面的研究相对较少，Dengfeng Li测得不同成矿阶段的黄铁矿Re-Os同位素年龄分别为（1 019±70）Ma，（859±79）Ma，（837±39） Ma[6]，Rongzhen Gao测得彩霞山闪锌矿和磁黄铁矿Rb-Sr等时线年龄为（337.2±5.7） Ma[7]。不同学者之间研究成果的数据范围跨度大，导致了对矿床成因认识的不同。鉴于此，本次工作在详细研究成矿地质特征的基础上划分了成矿阶段，分别测定了不同成矿阶段金属硫化物的Rb-Sr同位素等时线年龄，为深入认识彩霞山铅锌矿床的成因提供了新证据，进一步理解东天山的区域成矿特征和规律。

1  区域地质背景

新疆东天山造山带北与准噶尔盆地相邻，南与塔里木盆地相邻（图1）。构造单元自北向南依次为大南湖-头苏泉岛弧、康古尔-黄山韧性剪切带、阿齐山-雅满苏弧/弧后盆地和中天山地块，它们之间依次以康古尔断裂、雅满苏断裂和阿其克库都克断裂为界（图1）。东天山造山带经历了复杂的构造演化，从晚古生代到中生代，分别经历了古天山洋的俯冲和碰撞增生作用、塔里木盆地与准噶尔盆地的走滑运动、碰撞后陆内伸展作用等[8]。

中天山地块主要出露一套前寒武纪中深变质岩系，包括星星峡群、卡瓦布拉克群、天湖群[9]，并被不同时代花岗岩侵入，大致呈向南突出的弧形带状展布。星星峡群岩性为条带状和眼球状花岗片麻岩、大理岩、片岩、混合岩及石英岩等组成，总体为角闪岩相变质，局部达到麻粒岩相[10];卡瓦布拉克群为花岗质片麻岩、富含叠层石的镁质碳酸盐岩、少量陆源碎屑岩及凝灰质碎屑岩;天湖群主要为片岩、石英岩、大理岩和斜长角闪岩等，其原岩以陆源碎屑岩为主，仅含有少量基性火山岩[11]。

大量同位素数据表明，中天山地块的结晶基底主要形成于古元古代，由2.2～1.6 Ga前地幔分异形成[11]，并于中元古代早期约1.4 Ga活化形成具有岛弧岩浆特征的花岗闪长岩[12]。中元古代晚期至新元古代早期（1.2～0.9 Ga），本区再次发生强烈的构造岩浆活动，使早期地质体发生变质和改造，形成相应的混合岩和花岗片麻岩[11，13]。古生代时期中天山地块主要发生板内伸展及变形活动，复杂的区域构造演化及广泛的岩浆活动致使成矿活动频繁，发育了大规模的多金属成矿作用。

2  矿床地质特征

彩霞山铅锌矿区内出露地层为元古宇清白口系卡瓦布拉克群（图2），岩性为石英砂岩、白云石化灰岩、片岩、泥岩、硅化粉砂岩、碳质粉砂岩等。矿区主要构造为一倒转背斜，核部为深灰色含碳质粉砂岩、泥岩、硅质岩互层，两翼为白云石大理岩。背斜枢纽走向NEE向，轴面倾向SSE向，倾角70°。南翼地层层序正常，倾向SSE向，倾角68°～73°，北翼倒转并被石炭纪侵入岩侵蚀破坏，地层南倾，倾角82°～89°，局部近于直立。同时，矿区内断裂构造发育，矿区北部约3 km为阿其克库都克区域性大断裂，伴随次级断裂或派生断裂。按断裂分布方向大致可归为3组：NEE向、NNE-NE向、NW向。其中NEE向断裂走向与地层走向大致一致，为顺层断裂，两侧糜棱岩面理发育，与断裂走向一致（图2）。

矿区内岩浆活动较为强烈，侵入岩主要分布在矿区北部，为华力西中期石英闪长岩、闪长岩、闪长玢岩、石英二长岩、辉长岩等组成的复式岩体。该岩体与矿体在地表未显示出直接的接触关系，矿化带主要沿岩体南缘展布，带内中-基性岩脉也较发育。

矿区内已发现有4个矿化蚀变带（编号I、II、III、IV）（图2），蚀变带内发育多个规模不一、近似平行的铅锌矿体。矿体主要分布在白云石大理岩与下伏的硅化粉砂岩接触部位，绝大多数位于白云石大理岩一侧。矿体顶板围岩为白云石大理岩，底板为硅化粉砂岩或白云石大理岩。礦体在走向和倾向上呈膨大尖灭的透镜状、脉状、似层状。矿体走向NEE向，倾向SSE向，倾角55°。矿体厚度约3～6 m，长200～350 m。围岩蚀变主要有透闪石化、硅化、白云石化、碳酸盐化、绿泥石化、磁黄铁矿化等，次生氧化蚀变为黄钾铁矾化、褐铁矿化、菱锌矿化等。蚀变带呈EW向展布，长500～1 200 m，宽60～300 m（图2）。

矿石类型有脉状、条带状和块状矿石。脉状矿石的特征为细粒磁黄铁矿与粗粒棕红色闪锌矿共生，多被后期粗粒黄铁矿石英脉穿切，围岩为透闪石化大理岩。条带状矿石特征为细粒闪锌矿与细粒黄铁矿呈条带状互层，围岩为大理岩化灰岩。块状矿石主要为粗粒块状黄铁矿，镜下观察，黄铁矿为多孔状，颜色较浅。

据野外地质、矿物组合及镜下特征研究，成矿作用可分为沉积期和热液期两期。沉积期的特征主要为草莓状及纹层状的细粒黄铁矿Py0（图3-D），多产于片岩及透闪石化作用之前，脉石矿物为较自形的方解石与白云石，纹层状黄铁矿多被后期黄铁矿-石英脉穿切。熱液期分为4个成矿阶段： ①黄铁矿阶段，条带状黄铁矿与少量条带状闪锌矿共生（图3-A），黄铁矿为细粒-隐晶质，条带宽0.5～20 cm;闪锌矿呈细粒（图3-F），条带宽0.2～0.5 cm;围岩多为发生硅化的灰岩、泥岩和大理岩化灰岩;②闪锌矿-黄铁矿阶段（图3-B），团块状、胶状、脉状中粗粒自形黄铁矿与中粗粒闪锌矿共生，产于碳质片岩、硅化灰岩中;闪锌矿呈流动构造，偶尔出溶磁黄铁矿;偶见粗粒黄铁与石英穿切条带状闪锌矿;围岩发育白云石化、大理岩化，矿体边部发生硅化蚀变，脉石矿物为石英、方解石、白云石（图3-G-I）;③闪锌矿-磁黄铁矿-透闪石阶段（图3-C），细粒闪锌矿与磁黄铁矿共生，围岩普遍发育透闪石化（图3-J-L）;④硫盐-方铅矿阶段，发育少量的块状辉锑铅矿、银黝铜矿、车轮矿等硫盐矿物，及少量方铅矿、黄铁矿、黄铜矿等。

3  样品、测试方法和测试结果

样品分别采自4个矿体及钻孔岩心，共计150多件。制作薄片在显微镜下观察后，挑选33件分别为热液1、2、3阶段的矿石样品用于测试工作。将样品用去离子水清洗表面后，在玛瑙钵中粉碎至80～100目，然后在双目镜下挑选1阶段黄铁矿、2阶段黄铁矿及闪锌矿、3阶段闪锌矿与磁黄铁矿用于同位素测年。在玛瑙钵中将挑选的金属硫化物单矿物粉碎至200目，矿物经精化处理后通过镜下再选择、超声波处理、氯化物负离子硅酸盐碳酸盐等粘结物处理。硫化物样品经不同稀和浓HCl+HNO3混合酸、稀和浓H2SO4和HNO3+HClO4混合酸多次消化溶解成清液，蒸干后以酸为介质溶解成清液。将该溶液一分为二：一份为测定同位素比值样品（不加Rb-Sr同位素稀释剂），另一份为测定同位素含量样品（加进口高纯丰度Rb-Sr同位素稀释剂）。静置一夜以达同位素平衡，待上分离柱。样品中Rb-Sr同位素比值测定均在南京南太地质测试研究所测试，通过高准确度多接收热电离同位素质谱计（英国制造）完成。实验分析中，对美国国家标准局NBS-987碳酸盐锶同位素标准样中87Sr/86Sr的测定值为0.710 241±7。Sr的全流程本低分别优于3×10-9 g。Sr均测精度达百万分之几。

不同热液成矿阶段金属硫化物的Rb-Sr同位素分析结果见表1。年龄计算采用国际通用ISOPLOT计算程序。等时线年龄计算中，样品87Rb/86Sr比值误差为1%，87Sr/86Sr误差采用0.005%[14]。Rb-Sr同位素数据处理结果见图4，5。热液1阶段黄铁矿Rb-Sr等时线年龄为（326.5±4.2） Ma;热液2阶段黄铁矿Rb-Sr等时线年龄为（312.9±3.2） Ma。闪锌矿为（315.3±4.2） Ma;热液3阶段磁黄铁矿Rb-Sr等时线年龄为（299±15）Ma，闪锌矿为（302.3±3.8） Ma。在第2、3成矿阶段中，不同的金属硫化物Rb-Sr等时线年龄在误差范围内一致，整体上前3个热液成矿阶段的年龄分别为（326.5±4.2） Ma、（315.3～312.9） Ma、（302.3～299） Ma。

4  讨论

4.1 成矿年龄

热液矿物Rb-Sr等时线定年的基本前提是同源、同时、封闭性、一致的[n（87Sr）/n（86Sr）]i，及具有不同的[n（87Rb）/n（86Sr）]i[15]。本次测试所采用样品分别来自同一热液成矿阶段，手标本及镜下详细观察表明，样品中的黄铁矿、磁黄铁矿和闪锌矿纯度高，脉石矿物穿插与裂隙不发育，很大程度上满足了测年的同时、同源、封闭性和初始比值一致性的基本前提。

受晶体化学条件的制约，黄铁矿、磁黄铁矿和闪锌矿中Rb，Sr等微量杂质元素主要以类质同象或机械混入的形式赋存在矿物的晶格间、吸附在矿物的表面、或在流体包裹体中等3种状态[16]。前两种赋存状态对于同位素测年的影响可忽略，原生包裹体的影响也可忽略，仅有次生包裹体需要排除。在成矿过程中，黄铁矿、磁黄铁矿和闪锌矿在中温热液条件下迅速结晶并形成完好晶形以保持良好的封闭状态。实验过程中，将硫化物粉碎至200目以下后，进行超声波清洗，基本可排除原生及次生包裹体的干扰。因此，本次工作获得的硫化物（326.5±4.2） Ma、315.3～312.9 Ma、302.3～299 Ma等前3个成矿阶段的Rb-Sr同位素等时线年龄，可代表彩霞山铅锌矿床热液成矿期的成矿时代，即晚石炭世。3个成矿阶段的年龄跨度相对较大，与区内晚石炭世大规模的岩浆活动持续时间长相一致[17，18]，构造-岩浆活动引发了长时间、多期次的铅锌成矿作用[19]。

4.2  成矿构造环境

夹持于吐哈地块和中天山地块之间的东天山造山带，在时间上经历了明显的3阶段演化[20]：①吐哈盆地南缘奥陶—泥盆纪为活动大陆边缘，形成了包括VMS型铜锌矿床和斑岩型矿床在内的古陆源成矿系统;晚泥盆世末—早石炭世初古洋壳向北俯冲关闭，中天山地块增生拼贴到吐哈地块南缘;②早石炭世（维宪期）沿康古尔缝合带再次拉张，形成石炭纪裂陷槽火山-沉积岩系及相应的层控成矿系统（VMS型铜锌矿床、火山岩型铁（铜）矿床、自然铜矿床），裂陷槽封闭过程中发育了矽卡岩型银多金属矿床;③早二叠世形成与幔源岩浆底侵作用有关、跨构造单元发育的铜镍硫化物成矿系统和与剪切活动有关的金矿床。

Zhao在总结前人大量研究数据的基础上提出[21]，东天山阿齐山-雅满苏地区构造演化可分为弧前盆地阶段（350～325 Ma），弧前盆地转换阶段（325～300 Ma），同碰撞阶段（300～290 Ma），后碰撞阶段（290～252 Ma）和陆内演化阶段（246～228 Ma）。Zhang通过地质年代学和地球化学的研究[22]，认为阿齐山-雅满苏地区弧前盆地-弧内盆地的转换作用发生在325～300 Ma。本次工作所获得的彩霞山铅锌矿床的成矿年龄与这一构造演化阶段相一致。事实上，这一时期中天山地块北缘及阿齐山-雅满苏岛弧带南缘发育了大量与成矿作用相关的岩浆热液系统。陈雅茹测得彩霞山铅锌矿附近的花岗岩体锆石U-Pb年龄为330.0～333.3 Ma[23];周涛发测得百灵山铁矿床矿区内的花岗闪长岩锆石U-Pb年龄为（317.7±3.7） Ma[24];本项目组测得多头山二长花岗岩的锆石U-Pb年龄为312 Ma（未发表数据）;王龙生测得维权银（铜）矿床矿区内花岗闪长岩锆石U-Pb年龄为（297±3） Ma[25]。东天山康古尔大洋板块南向俯冲到伊犁-中天山地块，于350～325 Ma期间形成了阿齐山-雅满苏弧前盆地及与岛弧作用相关的中酸性火山岩及侵入岩[26]。随着持续的南向俯冲，阿齐山-雅满苏弧前盆地于325 Ma开始闭合，在325～300 Ma的弧前盆地转换期间发育大规模的中酸性岩浆活动[21]，及相关的多金属成矿作用，彩霞山大型铅锌矿床正是这一地质演化阶段的产物。

5  结论

东天山彩霞山大型铅锌矿床热液成矿分为4个成矿阶段：黄铁矿阶段、闪锌矿-黄铁矿阶段、闪锌矿-磁黄铁矿-透闪石阶段、硫盐-方铅矿阶段。前3个成矿阶段的硫化物Rb-Sr同位素等时線年龄分别为（326.5±4.2）Ma、315.3～312.9 Ma、302.3～299 Ma，即成矿时代为晚石炭世，为东天山造山带弧前盆地向弧内盆地转换过程中的构造-岩浆活动的产物。

参考文献

[1]    彭明兴，王君良，虞文英，等. 新疆鄯善彩霞山铅锌矿床地质特征及找矿模型建立[J].新疆地质，2006，24（4）：405-411.

[2]    高景刚，梁婷，彭明兴，等. 新疆彩霞山铅锌矿床硫 、碳 、氢 、氧同位素地球化学[J].地质与勘探，2007， 43（5）：57-60.

[3]    Li D F， Chen H Y， Hollings P， et al. Isotopic footprints of the giant Precambrian Caixiashan Zn-Pb mineralization system[J]. Precambrian Research， 2018，305： 79-90.

[4]    高晓理，彭明兴，胡长安，等. 新疆彩霞山铅锌矿床流体包裹体研究[J].地球科学与环境学报，2006，28（2）：25-29.

[5]    Wang K， Wang Y H， Xue C J， et al. Fluid inclusions and C-H-O-S-Pb isotope systematics of the Caixiashan sediment-hosted Zn-Pb deposit， eastern Tianshan， northwest China： Implication for ore genesis[J]. Ore Geology Reviews， 2020， 119： 1-14.

[6]    Li D F， Chen H Y， Zhang L， et al. Ore geology and fluid evolution of the giant Caixiashan carbonate-hosted Zn-Pb deposit in the Eastern Tianshan， NW China[J]. Ore Geology Reviews， 2016， 72： 355-372.

[7]    Gao R Z， Xue C J， Chi G X， et al. Genesis of the giant Caixiashan Zn-Pb deposit in Eastern Tianshan， NW China： Constraints from geology， geochronology and S-Pb isotopic geochemistry， Ore Geology Reviews （2020）， doi： https：//doi.org/10.1016/j.oregeorev.2020.103366

[8]    Zhang L C， Qin K Z， Xiao W J. Multiple mineralization events in the eastern Tianshan district， NW China： isotopic geochronology and geological significance[J]. Journal of Asian Earth Sciences， 2008， 32， 236-246.

[9]    Shu L S， Yu J H， Charvet J， et al. Geological， geochronological and geochemical features of granulites in the eastern Tianshan， NW China[J]. Journal of Asian Earth Sciences， 2004， 24： 25−41.

[10]  秦克章，彭晓明，三金柱，等. 东天山主要矿床类型、成矿区带划分与成矿远景区优选[J].新疆地质，2003，21（2）：143-147.

[11]  刘树文， 郭召杰， 张志诚， 等. 中天山东段前寒武纪变质地块的性质： 地质年代学和钕同位素地球化学的约束[J]. 中国科学D辑， 2004，34（5）： 395−403.

[12]  胡霭琴， 韦刚健， 邓文峰， 等. 天山东段1.4 Ga花岗闪长质片麻             岩SHRIMP 错石 U-Pb 年龄及其地质意义[J]. 地球化学， 2006，    35（4）： 333−345.

[13]  胡霭琴， 韦刚健， 江博明， 等.天山0.9Ga新元古代花岗岩SHRIMP锆石U-Pb年龄及其构造意义[J]. 地球化学， 2010， 39（3）： 197−212.

[14]  Wang Y X ，  Yang J D ，  Chen J ， et al. The Sr and Nd isotopic variations of the Chinese Loess Plateau during the past 7 Ma： Implications for the East Asian winter monsoon and source areas of loess[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology， 2007， 249（3-4）：351-361.

[15]  張长青， 李向辉， 余金杰，等. 四川大梁子铅锌矿床单颗粒闪锌矿铷-锶测年及地质意义[J]. 地质论评， 2008，54（4）： 532-537.

[16]  刘建明，刘家军，郑明华，等.微细浸染型金矿床的稳定同位素特征与成因探讨[J]. 地球化学， 1998，（6）：585-591.

[17]  聂张星， 石磊， 古黄玲，等. 皖南东至查册桥金矿岩浆岩锆石U-Pb年龄及其成矿意义[J]. 地质学报， 2016，（6）：1146-1166.

[18]  李宝龙， 季建清， 龚俊峰，等. 云南个旧锡铜多金属矿区新山和高峰山岩体中高温热演化史及其与成矿的关系[J]. 大地构造与成矿学， 2016， 40（6）：1154-1173.

[19]  高荣臻， 薛春纪， 满荣浩，等. 中国及境外天山铅锌成矿作用与找矿方向[J]. 地球科学与环境学报， 2021，43（1）：44.

[20]  王京彬， 王玉往， 何志军. 东天山大地构造演化的成矿示踪[J]. 中国地质， 2006， 33（3）：461-469.

[21]  Zhao L D， Chen H Y， Li Z， et al. The Late Paleozoic magmatic evolution of the Aqishan-Yamansu belt， Eastern Tianshan： Constraints from geochronology， geochemistry and Sr-Nd-Pb-Hf isotopes of igneous rocks. Journal of Asian Earth Sciences. 2018，153：170-192.

[22]  Zhang W F， Chen H Y， Han J， et al. Geochronology and geochemistry of igneous rocks in the Bailingshan area： implications for the tectonic setting of late Paleozoic magmatism and iron skarn mineralization in the eastern Tianshan， NW China[J]. Gondwana Res. 2016，38：40-59.

[23]  陈雅茹.中天山南缘晚古生代构造格架及演化：彩霞山一带花岗岩的制约[D].新疆大学，2019.

[24]  周涛发，袁峰，张达玉，等.新疆东天山觉罗塔格地区花岗岩类年代学、构造背景及其成矿作用研究[J].岩石学报， 2010，26（2）：478−502.

[25]  王龙生，李华芹，陈毓川，等.新疆哈密百灵山铁矿地质特征及成矿时代[J].矿床地质，2005，3：264-269.

Rb-Sr Chronological Evidence for Metallogenic age of the Caixiashan Large Pb-Zn deposit， East Tianshan， NW China

Wei Ran1，2， Wang Yitian2，3， Hu Qiaoqing2， Wang Jiawei2， Chen Jun4， Chen Guimin5

（1.School of Earth Sciences and Resources， Chang'an University， Xi'an，Shannxi，710054，China;2.Institute of Mineral Resources， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing， 100037，China;3. Xinjiang Research Center for Natural Resources and Ecological Environment， Urumqi， Xinjiang，830000，China;4. Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development First Geological Group， Changji，Xinjiang，831100，China;

5. Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Six Geological Group， Hami，Xinjiang，839000，China）

Abstract：Caixiashan giant Pb-Zn deposit in East Tianshan is located in the north margin of the middle Tianshan massif. The ore bodies mainly occur in the contact areas between dolomite marble and underlying siltstone. The hydrothermal mineralization can be divided into four stages： Pyrite， Sphalerite-pyrite， Sphalerite-pyrrhotite-tremolite， Sulfate-galena. The large range of ore-forming ages obtained by predecessors makes the genesis of this deposit debatable. Therefore， 33 sulfides from different stages of this deposit were selected and Rb-Sr isotopic dating was carried out. We obtained ore-forming ages of the three stages， （326.5±4.2）Ma， （ 315.3～ 312.9）Ma and （302.3～299）Ma. Combined with metallogenic geological characteristics and previous research achievements on regional tectonic evolution in the East Tianshan， we believe that the mineralization occurred in fore/intra-arc basin inversion stage. The metallogeny is the product of the tectonic-magmatic activity of the Late Carboniferous in the East Tianshan orogenic belt.

Key words：Caixiashan Pb-Zn deposit， Rb-Sr isochron age of the metallic sulfide， Middle Tianshan massif， Eastern Tianshan