新疆东天山三岔口铜矿床同位素组成及成矿物质来源示踪

艾珂丹·阿里根江, 李顺达,2*, 王可勇

(1. 新疆大学地质与矿业工程学院, 乌鲁木齐 830017; 2. 新疆中亚造山带大陆动力学及成矿预测重点实验室, 乌鲁木齐 830017)

斑岩型矿床是全球铜资源的重要来源之一,提供了世界上约75%的铜[1-2],该类型矿床不仅形成于陆缘弧和岛弧中,还与碰撞造山事件相关[2],通常以细脉浸染状矿化为主,具有规模大、品位低、埋藏浅的特点。

天山成矿带地处中亚造山带南缘, 是一条近东西向延伸,全长超4 000 km的跨境成矿带。中国境内的天山成矿带以E88°线为界,分为东天山和西天山[3]。其中,东天山地区显生宙岩浆-热液事件显著,是全球陆壳增生最明显的地区之一,也是重要的多金属成矿带[4-5]。区内岩浆岩可划分3个期次。

(1)石炭纪侵入岩形成于俯冲岛弧背景[6-7],花岗岩类岩石为钙碱性类型[8],包括土屋-延东、延西一带斑岩型矿化相关的斜长花岗斑岩、闪长玢岩、花岗斑岩,及赤湖斑岩型铜矿化相关的斜长花岗斑岩等。

(2)二叠纪末期造山带碰撞后的基性-超基性岩浆岩主要有黄山东岩体[7]、香山岩体[9]等。

(3)三叠纪造山后板内演化阶段与白山[10]、东戈壁斑岩型钼矿床具有成因联系的花岗斑岩体等[11]。

三岔口矿区位于东天山东段。1985年,由新疆地矿局物化探大队在矿区进行水系沉积物1∶5万测量时发现,随后新疆地质矿产勘查开发局第六及第一地质大队对矿区进行了大量的野外勘查工作,目前矿区达到工业级别的铜矿体有35条,铜品位0.35%～2.34%。

前人已对三岔口铜矿的地质特征、流体来源及演化、成岩成矿时代、矿床成因开展了大量研究,并取得诸多成果。孙燕等[12]通过岩浆期后热液作用研究,认为铜矿化主要形成黄铜矿、斑铜矿化,矿体形成受到含矿岩体边缘相中的裂隙的控制;孙燕等[12]通过流体包裹体及H—O同位素研究,认为源于含矿石英脉中的包裹体属于气-液型包裹体,平均温度约210 ℃,平均盐度约9.2% 的NaCl-H2O体系;林涛等[13]通过锆石U-Pb及辉钼矿Re-Os定年研究,获得(425±3.9)Ma成岩年龄与(416±6.4) Ma的成矿年龄,成岩成矿作用形成于中志留世。目前,对于该矿床的争论主要在成因方面。郎智君等[14]通过对含矿岩石进行岩石化学及微量元素测试分析,认为矿床属于热液交代-充填型矿床;秦克章等[4]通过对辉钼矿进行X射线分析,认为三岔口铜矿床为斑岩-叠加热液脉型矿床。

硫铅同位素是有效的物质来源示踪剂,同时能够通过S、Pb同位素组成,提供矿床成因指示,如斑岩型矿床,S、Pb同位素特征指示其物质来源于岩浆;矽卡岩型矿床,S、Pb同位素特征指示其来源于岩浆与地层的混合;浅成低温热液脉型矿床,S、Pb同位素特征指示其主要来自地层。但目前研究缺少S、Pb同位素数据及讨论,现通过对三岔口矿床硫化物中的黄铜矿和黄铁矿进行S、Pb同位素组成分析,并分析成矿物质来源,简述可能的矿床成因。

1 区域地质概况

东天山地区位于中亚增生型造山带的西段南缘[图1(a)],哈萨克斯坦-准噶尔地体和塔里木地块的聚合部位,北侧以吐哈盆地南缘大南湖岛弧带为标志,南到中天山地块北缘,西起托克逊南,东延至甘肃和新疆的省界[15],西起小热泉子,东至甘新交界,面积约6 万km2,是中国重要的铜、镍、金、铁、铅锌等大型矿床集中区、是中国重要的成矿带之一,也是中国资源勘查的重点区域。

Ⅰ为吐哈盆地南缘断裂;Ⅱ为康古尔断裂;Ⅲ为阿齐山-雅满苏断裂;Ⅳ为阿其克库都克断裂;Ⅴ为星星峡断裂图1 东天山区域地质图[30]Fig.1 Regional geological map of East Tianshan Mountains[30]

该带由两条主断裂组成,是康古尔与雅满苏断裂,再由3个次单元组成[图1(b)]:大南湖-头苏泉岛弧带、康古尔-黄山韧性剪切带与阿齐山-雅满苏岛弧带[4]。

大南湖-头苏泉岛弧带位于吐-哈盆地南缘,沁城断裂为界的北部与博格达-小铺构造带相邻,以康古尔塔格断裂为界的南部与康古尔塔格构造带相邻,被视为大量保存了古亚洲洋板块俯冲以及弧陆碰撞等地质过程的关键证据。主要由下泥盆统大南湖组中基性火山岩造与中泥盆统头苏泉组陆相火山-碎屑岩造组成,是块状硫化物型(volcanic-associated massive sulfide deposits,VMS)型铜矿与斑岩型铜矿的主构造带。带内侵入岩以花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩为主,代表性矿床有土屋-延东、灵龙、赤湖等斑岩型铜(钼、金)矿床,三岔口、白山、东戈壁等斑岩型铜钼和钼矿床。

康古尔-黄山韧性剪切带处于康古尔-雅满苏断裂之间,特征是变质变性作用的石炭系火山-沉积岩露头,简称中带[16-18]。此带西起底坎儿南部,向东经康古尔塔格、夹白山。此带长600 km,宽5～40 km,带内主要露出糜棱岩、千糜棱岩系变质岩。东侧苦水、黄山一带为有高度变质和变性程度的绿片岩相、角闪岩相的动力变质岩。区域以发育下石炭统小热泉子组及梧桐窝子组以基性、酸性火山岩及其火山碎屑岩为主,代表性矿床有香山、黄山及梧桐窝子泉等。

在觉罗塔格区域雅满苏深大断裂与阿齐库都克之间的阿奇山-雅满苏火山岩带,毗邻北部与中带、南部与中天地块,简称南带。此带从西边的阿奇山地区,向东经过十里坡、黑龙峰、路白山。地层特征是雅满苏组双峰式火山岩、沉积岩夹层,有暂全相间的板内伸展盆地背景[19-20]。南带花岗岩系的铁矿床比较发达,火山岩型的铜铁矿床也很多[21]。

2 矿区地质

三岔口铜矿床位于新疆东天山大南湖岛弧带的东北缘。三岔口矿区出露地层由古到新有三组组成:①下石炭统干洞组;②中石炭统梧桐窝子组;③中新统桃树组。其中干洞组分布广泛,是矿区的主层,有残余岩体、浅变质岩石英砂岩、板岩、石英岩等。梧桐窝子组整合在干洞组上部,角斑质、石英角斑质、安山质凝灰岩及细碧岩与桃树组红色碎屑岩重叠[22]。

三岔口铜矿床的断裂位于赤湖、土屋、延东、红岭及小热泉子铜矿床边界的南侧,断裂南侧与阿齐克-库都克断裂相邻[23]。矿区被康古尔断裂影响,区内分布着近EW向的次级断裂,该断裂横穿整个矿区,总方向70°～75°,倾角为70°～80°,向南倾斜[13-14,24]。

矿区内岩体发育,主要是早期侵入的少量辉长岩,中期侵入的(石英)闪长岩(439 Ma)、花岗闪长岩(425～430 Ma)、英云闪长(斑)岩(被前人称为斜长花岗斑岩或者花岗闪长斑岩),及晚期侵入的二云母花岗岩等组成的复式岩体[13-14,24](图2)。辉钼矿Re-Os年代学测定结果显示,矿化形成年代为(416±6.4) Ma,与该地区志留纪岛弧岩浆岩与斑岩型矿床年龄相似,被认为是洋壳俯冲消减的环境下形成的。

图2 三岔口铜矿床地质图[13]Fig.2 Geological map of Sanchakou copper deposit[13]

2.1 矿体特征

三岔口矿体形态主要为细脉状、浸染状,局部矿体有分支复合现象,呈NEE或近EW向,与区域构造线的走向相一致。目前发现的铜矿体35个,其中较大的矿体有5个,主要赋存在三岔口复式岩体北部斜长花岗斑岩中,被破碎带所控制。

其中,Ⅰ号矿体处于岩体东侧,由浸染状矿石组成,大部分由呈透镜状向南倾斜的矿石组成,黄铜矿是主要的矿石矿物,少量含有黄铁矿和硫化物;Ⅱ号矿体处于斜长花岗斑岩带的中部,由大大小小十多个透镜状、脉状矿体构成,矿体以浸染状、细脉状矿石为主,含矿以黄铜矿为主;Ⅴ号矿体处于Ⅳ号矿体底部,规模大,东西向延伸大概1 km,主要为细脉状和浸染状,矿体埋深340～570 m,厚3～34 m,矿体平均品位铜为6.394%,钼为0.013%,矿石矿物似Ⅳ号矿体;Ⅵ号矿体离地表近,是在矿区发现的最大的地表矿体,走向延伸410 m。矿体产于NW和NE断裂的汇合点,被断裂破碎带控制,一般有后期的含铜石英脉和网状脉贯穿矿体,金属硫化物主要为辉铜矿和黄铜矿(图3)。钻孔ZK01从下而上蚀变带分为黑云母化、硅化、绢英岩化、青磐岩化与斑岩型铜矿床的蚀变分带特征。

图3 三岔口铜矿床矿体形态示意图和ZK0-1钻孔柱状图[13]Fig.3 Diagram of ore body morphology of Sanchakou copper deposit and bar chart of ZK0-1 borehole[13]

Mal为孔雀石;Ccp为黄铜矿;Amp为角闪石;Bi为黑云母;Py为黄铁矿;Q为石英;Pl为斜长石;Sp为闪锌矿图4 三岔口铜矿的镜下及手标本照片Fig.4 Microscopical and hand specimen photos of Sanchakou copper mine

2.2 矿石、矿物特征

矿石矿物以黄铜矿为主,然后是黄铁矿、辉铜矿、辉钼矿(图 4)。脉石矿物主要为石英,次为黑云母、白云母、绢云母、绿泥石、钾长石、绿帘石,另见少量方解石、磷灰石、辉石等。

黄铁矿是矿石矿物中最常见的硫化矿物之一,呈浅黄色和黄白色,分布形式为脉状、浸染状,以半自形或他形细粒、微粒、集合体团粒状为主,粒度为0.05～0.5 mm。粒状大致为立方体,自形-半自形晶体浸染状分布,在形成矿物时受到应力。可见矿物在形成过程中受到应力。黄铜矿是主要经济矿物,呈铜黄色,绝大多数分布在矿山区域内,其他不规则颗粒、粒状聚集体、它形团块占优势,分布着大小与黄铜矿、黄铁矿相似的其他金属硫化物聚集体。

石英是矿石中的主要脉石矿物,以粒径0.05～1.0 mm的非均质颗粒多阶段和形态差异为特征,几乎所有的金属矿物都浸染在石英钟;重结晶作用与粗粒金属矿物密切相关。分布在岩石经常破裂的地方,可见微小的粒状集体和团块等分布不均。区内成矿作用按早晚顺序依次划分为:石英-辉钼矿脉、石英-黄铁-黄铜矿脉、石英-碳酸盐脉3个矿化阶段。

3 样品采集及分析方法

硫、铅同位素一直被认为是探讨成矿物质来源最有效的一种手段。为查明三岔口铜矿的成矿物质来源,对矿石硫化物做了硫、铅同位素分析。测试所用样品取自钻孔ZK01、ZK02、ZK03(图3),其中黄铁矿、黄铜矿样品均来自石英-黄铁-黄铜矿脉。

中国地质科学院矿产资源研究所同位素室承担硫同位素分析。矿石硫化物以Cu2O作氧化剂制作测试的样品,使用MAT230C质谱仪,采用CDT国际标准,分析精度为±0.2%[25]。采用硫化物单矿物样品的Pb同位素分析采样酸溶法,铅的分离与提纯使用传统的AG1-X8阴离子交换树脂柱方法。在测试过程中样品用磷酸硅胶,把样品点在铼带上,利用ISOP ROBE-T热电离质谱仪(MAT261)测量同位素比值。通过标样和某些样品的多次测量结果显示,获得的Pb同位素比值分析误差小于0.005%[21]。

在本研究区选择了黄铜矿、黄铁矿中纯度大于99%的4个样品,经过实验可知,δ34S的变化范围在0.1‰～0.5‰,如表1所示。从矿物的同位素组成上看,表现出幔源硫特点。

表1 三岔口铜矿床硫化物硫同位素组成Table 1 Sulfur isotopic composition of sulfide at the Sanchakou copper deposit

铅同位素化学分离和测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成的。依据Pb含量低的样品,取出50 mg样品,增加15 mL Savillex消解罐,加入2 mL HF和1 mL HNO3(均为二次蒸馏浓酸),密闭加热48 h,蒸干溶解的样品,添加几滴浓HNO3,蒸干后再加入1 mL 3.5 mol/L HNO3。Pb同位素的分离,采用Sr特效树脂(Triskem公司生产,100～150 μm,柱床体积为0.2 mL),预先清洗的树脂中装填3.5 mol/L HNO3,8 mol/L HCl和MQ水依次清洗,平衡树脂,然后用7 mL 3.5 mol/L HNO3清洗7次,再加入4 mL Milli-Q水清洗Sr,加入5 mL 8 mol/L HCl接收Pb;蒸取纯化后的Pb溶液,加入几滴浓硝酸,再次蒸干,然后加入1 mL 2% HNO3,进行测试。用ThermoFisher公司Neptune plus型MC-ICP-MS进行Pb同位素组成测试,先测量Pb浓度,然后加入Tl的标准溶液,使Pb∶Tl=1∶1。使用指数方程进行Pb同位素仪器分馏校正,校正值为203Tl/205Tl=2.389。

新疆东天山三岔口铜矿床成矿物质主要来源是铅同位素,为研究此矿区物质的来源,测定了矿物的铅同位素组成情况,结果如表2所示,黄铜矿的206Pb/204Pb值为18.234～18.266、207Pb/204Pb值为15.603～15.619、208Pb/204Pb值为37.813～37.872;黄铁矿的206Pb/204Pb值为18.177～18.193、207Pb/204Pb值为15.591～15.599、208Pb/204Pb值为37.756～37.778。

表2 三岔口矿床硫化物铅同位素比值及特征参数表Table 2 Table of lead sulfide isotope ratios and characteristic parameters of the Sanchakou copper deposit

4 成矿物质来源

4.1 S同位素

硫是矿床中成矿金属元素沉淀的重要矿化剂,亦是探讨成矿物质来源的重要手段之一,因此硫同位素可以有效地示踪斑岩铜矿床的成矿物质来源[25]。利用硫元素示踪矿床成矿物质来源是目前比较成熟有效的物质来源示踪方法[26]。由图5可知,三岔口铜矿床的硫同位素组成变化范围小,两黄铜矿样品的δ34S分别为0.1‰和0.2‰,两黄铁矿样品的δ34S分别为0.4‰和0.5‰,δ34S值变化范围小,说明矿床硫的来源均一,没有经历过复杂的地质演化过程。

图5 东天山斑岩型铜矿床硫同位素分布图Fig.5 Sulfur isotope distribution map of porphyry copper deposits in the East Tianshan

金属矿床硫化物中的硫元素来源较广,不同来源的硫表现出不同的同位素组成特征。三岔口铜矿床硫化物中的δ34S变化范围为0.1‰～0.5‰,平均值为0.3‰,变化范围很狭窄。矿床δ34S非常接近于0,表现为明显的地幔硫特征,因此,认为矿床硫化物中的硫主要来源于地幔(图5)。

研究总结了东天山地区斑岩型铜矿床的硫同位素组成,可以看出,土屋铜矿床金属硫化物δ34S在-3‰～1.7‰、延东铜矿床金属硫化物的δ34S在0.6‰～0.9‰、玉海铜矿床金属硫化物的δ34S在-0.6‰～0.2‰。从硫同位素组成图解上可以看出,东天山地区斑岩型铜矿床的δ34S集中于-3‰～2‰。将三岔口矿床硫同位素特征与土屋、延东、玉海斑岩型铜矿床的特征进行对比,上述矿床均分布于康古尔断裂两侧未超过10 km范围内,发现三岔口矿床跟这些矿床具有相似的特征,成矿物质硫主要为地幔硫。

4.2 Pb同位素

铅同位素在成矿热液发生物理化学条件变化的情况下,一般也能保持其组成不发生改变,因此成为了示踪成矿物质方面一个重要的应用方法。Zartman的铅同位素206Pb/204Pb-207Pb/204Pb增长曲线图由上地壳、造山带、地幔、下地壳4条铅同位素演化线构成[21]。在Pb同位素207Pb/204Pb-206Pb/204Pb及208Pb/204Pb-207Pb/204Pb图解中可以进一步确定三岔口铜矿床成矿物质来源。Pb同位素投影点位于造山带附近,表明成矿物质来源为混源,地壳和地幔物质均有参与[27-28],如图6所示。

图6 东天山斑岩型铜矿床206Pb /204Pb-207Pb /204Pb相关图解与铅同位素构造环境演化图[29]Fig.6 206Pb/204Pb-207Pb/204Pb related diagrams of the East Tianshan porphyry copper deposit and lead isotope tectonic environment evolution map[29]

收集了东天山地区斑岩型铜矿床的Pb同位素组成资料。从铅同位素构造演化图解中可以看出[图6(a)],三岔口铜矿床与土屋-延东铜矿床有差异。三岔口铜矿床主要分布在造山带附近,说明该矿床是造山活动有关的壳幔混合来源。土屋和延东斑岩型铜矿床的铅同位素特征一致,均分布于地幔附近,矿床中围岩和矿石的铅源单一,成矿物质以地幔为主。从[图6(b)]可以看出土屋和延东矿床的数据点更靠近地幔,铅范围很小,因此成矿物质主要是来自地幔。三岔口铜矿床的数据点位于造山带范围内,充分说明幔源物质明显加入到了成矿作用当中,并有部分地壳物质的参与。矿石和围岩试样都投在地壳和地幔混合的俯冲带铅(岩浆作用)范围内,且接近造山带铅范围,该特征与数据点的分布特征一致[图6(b)]。林涛等[13]对矿区中的含矿岩体闪长质-花岗闪长质侵入岩进行过主微量元素分析,结果表明,铜含量较高,为克拉克值的4.7倍,岩体明显富集铜元素,围岩提供了部分成矿物质,同时与图6(b)中指示的地壳来源一致,说明成矿物质为幔源和围岩的混合来源。

三岔口铜矿床的矿体赋存于下石炭统干洞组、中石炭统梧桐窝子组和中新统桃树组中,该区被断裂破碎带所控制,矿化类型以浸染状、细脉状为主。这个结果表明,三岔口铜矿床的矿石硫化物的δ34S值分布于0.1‰～0.5‰,4件样品206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb值的变化范围分别是18.177～18.266、15.591～15.619、37.756～37.872。依据铅构造判别图解、参数综合分析,支持矿床中的铅来自地壳和地幔的混合物这一观点。依据矿石特征、硫化物的S、Pb同位素分析及成矿物质来源特征来看,该矿床的成矿物质为地壳与地幔的混合来源,岩浆与地层均提供了部分成矿物质。

4.3 矿床成因

新疆斑岩铜矿床形成时代漫长,从奥陶纪到三叠纪,集中在泥盆-二叠纪。矿床成矿环境多为岛弧、陆缘弧、板块俯冲形成的撞击后的板块内环境,含矿岩浆起源于地幔,发育高氧逸度的中酸性钙碱性岩浆和低氧逸度的中性钙碱性岩浆。

三岔口铜矿床大地构造位置在新疆东天山大南湖岛弧带的东北缘。根据东天山地区斑岩型铜(钼)矿床的对比如表3所示,三岔口铜矿床与东天山地区的斑岩型铜(钼)矿床在地质特征、矿化特征等方面非常相似,都产于俯冲岛弧带内,含矿岩体的产出受东南向的局部断裂所控制,与典型的斑岩型矿床类似。三岔口铜矿成矿物质主要来自地壳和地幔。

表3 东天山地区斑岩型铜矿床地质特征对比[4,11-13]Table 3 Comparison of geological characteristics of porphyry copper deposits in the East Tianshan area[4,11-13]

5 结论

(1)三岔口铜矿硫同位素组成具有塔效应式,指示矿物硫来源单一,主要来自深源地幔,地层混染较少。

(2)矿石铅同位素组成介于地幔与地壳演化线之间,具有造山带铅同位素特征,显示成矿物质来自壳-幔混合来源。

(3)三岔口铜矿硫同位素与区域斑岩型矿床硫同位素一致,但铅同位素向地壳演化线偏移,指示成矿过程中有更多的地层组分加入。