新疆東天山小白石頭鎢(鉬)礦輝鉬礦Re-Os同位素年齡及成礦時代

李寧， 楊富全*， 李超， 張志欣， 楊成棟

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所， 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室， 北京 100037；2.國家地質(zhì)實驗測試中心， 北京 100037；3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆礦產(chǎn)資源研究中心， 新疆 烏魯木齊 830011)

精確測定成礦時代是探討成礦機(jī)制、建立礦床模型、總結(jié)成礦規(guī)律、開展成礦預(yù)測的基礎(chǔ)。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高精度測年方法被應(yīng)用于確定成礦時代，如Re-Os法，含鉀礦物40Ar/39Ar法[1]，鋯石[2]、榍石[3]、石榴石[4]、錫石[5]、鈮鉭礦[6]、獨居石[7]、磷釔礦U-Pb定年等。Re-Os同位素體系目前已經(jīng)成為礦床學(xué)最重要的定年技術(shù)之一，它能夠直接應(yīng)用于礦石礦物(如硫化物礦物或磁鐵礦)測定礦物形成年齡的方法[8]，尤其是對于輝鉬礦，研究表明其初始富集Re且基本上不含Os，輝鉬礦中的Os全部是放射性成因的187Os[9]。因此，對輝鉬礦進(jìn)行Re-Os定年是獲取其成礦事件發(fā)生時間的最有效方法之一，如江西朱溪超大型鎢礦床、新疆東戈壁超大型鉬礦床和吉林東風(fēng)北山鉬礦床都是應(yīng)用輝鉬礦確定成礦時代[10-12]。

中亞造山帶是全球最大的增生造山帶和全球四大成礦域之一[13-14]。新疆東天山造山帶是中亞造山帶的重要組成部分，其位于塔里木板塊和哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊的聚合部位，東西長超過550km，南北寬超過110km[15]。作為中亞造山帶晚古生代構(gòu)造演化的重要組成部分，東天山造山帶從泥盆紀(jì)到二疊紀(jì)經(jīng)歷了一個完整的拉張、俯沖、碰撞、碰撞后演化過程[16]，以發(fā)育巖漿巖型銅鎳礦、斑巖型銅礦、造山帶型金礦、與海相火山作用相關(guān)的鐵礦而聞名[17-19]。近年來，隨著一系列三疊紀(jì)鎢鉬礦床，如小白石頭中型鎢(鉬)礦、沙東大型鎢礦、東戈壁超大型鉬礦、白山大型鉬礦等[20-23]的發(fā)現(xiàn)和深入研究，為研究東天山造山帶三疊紀(jì)板內(nèi)環(huán)境的成礦作用提供了重要信息。

小白石頭鎢(鉬)礦床位于中天山地塊東部南緣，距離甘肅—新疆邊界附近的星星峽斷裂約17km。礦體沿卡瓦布拉格群與花崗閃長巖、黑云母花崗巖接觸帶產(chǎn)出。礦區(qū)分為5個礦段，主礦段(1礦段)已控制白鎢礦儲量為3.03萬噸(礦體平均品位WO3為0.76%)[20]。對于小白石頭礦區(qū)與成礦密切相關(guān)的黑云母花崗巖體的侵位時代已進(jìn)行了許多研究：陳岳龍等[24]最早獲得了該巖體的全巖Rb-Sr年齡(294±49Ma)和黑云母40Ar/39Ar全熔年齡(227Ma)；李華芹等[25]獲得了礦區(qū)3礦段似斑狀中細(xì)粒黑云母花崗巖的全巖Rb-Sr等時線年齡(244±5Ma)；李鵬等[26]測得小白石頭礦區(qū)黑云母花崗巖的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為322±5Ma(MSWD=3.2)；Deng等[20]指出小白石頭礦區(qū)輝鉬礦Re-Os同位素年齡為239.7～251.4Ma以及鉬礦化花崗巖的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為242±1.7Ma(MSWD=0.35)，認(rèn)為其代表了小白石頭鎢(鉬)礦床的成礦年齡。Deng等[20]獲得的輝鉬礦Re-Os年齡(239.7～251.4Ma)可以代表與黑云母花崗巖有關(guān)的鎢鉬礦形成時代，但對于花崗閃長巖年齡和與之有關(guān)的輝鉬礦成礦時代仍然缺乏詳細(xì)研究。與黑云母花崗巖有關(guān)的礦化和與花崗閃長巖有關(guān)的礦化是否為同一期成礦事件是一個重要科學(xué)問題，直接關(guān)系到成礦規(guī)律總結(jié)和進(jìn)一步找礦方向的確定。

本文在詳盡野外調(diào)查及室內(nèi)研究基礎(chǔ)上，選取了小白石頭鎢(鉬)礦區(qū)5礦段與花崗閃長巖相關(guān)的輝鉬礦作為研究對象，利用輝鉬礦Re-Os同位素定年技術(shù)，精確厘定輝鉬礦成礦年齡，限定花崗閃長巖侵位時代，對于研究新疆東天山三疊紀(jì)鎢鉬成礦帶成礦規(guī)律和找礦勘查具有重要意義。

1 礦床地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

東天山造山帶由北向南劃分為三個主要的構(gòu)造-巖漿單元：博格達(dá)—哈爾克構(gòu)造帶、覺羅塔格構(gòu)造帶和中天山地塊[27]。小白石頭鎢(鉬)礦床位于東天山造山帶的中天山地塊東南緣，其結(jié)晶基底為中元古界星星峽群、卡瓦布拉格群和新元古界天湖群等，巖性主要為片巖、片麻巖、大理巖和石英巖等綠片巖相或角閃巖相變質(zhì)巖[26]。中天山地塊北緣以阿奇克庫都克—沙泉子斷裂為界，與覺羅塔格構(gòu)造帶的阿奇山—雅滿蘇帶相鄰；南緣以紅柳河斷裂帶與北山構(gòu)造帶相鄰[28]。中天山地塊的大多數(shù)侵入巖為Ⅰ型花崗巖[29]。沿著中天山地塊的北緣分布著一系列與二疊紀(jì)超鎂鐵質(zhì)混雜巖有關(guān)的Cu-Ni礦床，如白石泉銅-鎳礦床等[30]。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)出露地層主要為卡瓦布拉格群，巖性主要為白色大理巖、灰黑色條帶狀炭質(zhì)灰?guī)r、石英片巖、黑云母石英片巖等。礦區(qū)地層大部分向北傾斜，構(gòu)成了北傾的單斜構(gòu)造[26]。礦區(qū)斷裂比較發(fā)育，主要為北東向斷裂，多分布于3礦段。礦區(qū)主要侵入巖為花崗閃長巖和黑云母花崗巖(圖1)。花崗閃長巖主要分布在礦區(qū)中部和西部，灰-灰白色，塊狀構(gòu)造，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要由斜長石(～50%)、鉀長石(～10%)、石英(～20%)和暗色礦物(角閃石+黑云母，～20%)構(gòu)成(圖2a和b)。黑云母花崗巖分布在礦區(qū)西部。

圖1 小白石頭鎢(鉬)礦區(qū)地質(zhì)圖[20]Fig.1 General geologic map of the Xiaobaishitou W-(Mo) ore district[20]

小白石頭鎢(鉬)礦床是矽卡巖型礦床，礦體分布在黑云母花崗巖/花崗閃長巖與大理巖接觸帶中，礦化類型主要有矽卡巖型(鎢礦、鉬礦)和石英大脈型鉬礦，以及少量云英巖型錫礦。礦區(qū)主要分為5個礦段，已圈定96個礦體(圖1)。其中，3礦段為鎢礦主礦段，鎢礦賦存于黑云母花崗巖與大理巖接觸帶之中；5礦段為鉬礦主礦段，鉬礦賦存于花崗閃長巖中，其與圍巖形成于矽卡巖和石英脈中。礦石中金屬礦物主要為白鎢礦，其次為輝鉬礦，少量黃銅礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦等。非金屬礦物主要為矽卡巖礦物，包括石榴石、硅灰石、透輝石、綠簾石、透閃石、陽起石、方柱石、石英、螢石等。白鎢礦呈半自形浸染狀或星點狀分布于矽卡巖中，或呈細(xì)脈狀分布于石英脈中。輝鉬礦呈自形-半自形浸染狀、團(tuán)塊狀分布于花崗閃長巖(圖2c和d)、矽卡巖中(圖2e和f)，或呈半自形脈狀分布于石英脈中(圖2g和h)。巖體內(nèi)蝕變主要有絹云母化、鉀長石化、鈉長石化、綠簾石化、綠泥石化、云英巖化和硅化等。巖體與碳酸鹽巖接觸帶主要為矽卡巖化、螢石化、硅化、碳酸鹽化，具有明顯分帶性。

2 實驗部分

2.1 樣品特征及處理

a—花崗閃長巖的塊狀構(gòu)造; b—花崗閃長巖的花崗結(jié)構(gòu); c—花崗閃長巖中的浸染狀輝鉬礦; d—花崗閃長巖中的自形輝鉬礦; e—石榴石矽卡巖中團(tuán)塊狀輝鉬礦; f—石榴石矽卡巖中的半自形輝鉬礦； g—花崗閃長巖裂隙中的石英脈型輝鉬礦; h—石英脈中的半自形輝鉬礦。Mo—輝鉬礦; Q—石英; Hbl—角閃石; Pl—斜長石; Py—黃鐵礦; Ccp—黃銅礦; Gar—石榴石; Di—透輝石。圖2 小白石頭鎢(鉬)礦花崗閃長巖和輝鉬礦特征Fig.2 Characteristics of granodiorite and molybdenite in the Xiaobasihitou W-(Mo) deposit

5件輝鉬礦樣品采集于小白石頭鎢(鉬)礦區(qū)5礦段(圖1)。為保證實驗精度，采集了不同產(chǎn)狀的樣品。其中，3件輝鉬礦樣品為輝鉬礦化花崗閃長巖(XBST16-142、XBS616-144、XBS616-145，圖2b和c)；1件為含輝鉬礦石榴石矽卡巖(XBS616-146，圖2d和f)；1件為花崗閃長巖中的含輝鉬礦石英脈(XBS616-148，圖2g和h)。樣品的分選工作在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所完成。在無污染環(huán)境下，將樣品粉碎至60～80目，經(jīng)淘洗、磁選和雙目鏡分選，使樣品純度達(dá)99%以上。然后用瑪瑙缽研磨至200目，保證用于Re-Os同位素測試分析的輝鉬礦質(zhì)純，無污染。

2.2 輝鉬礦Re-Os同位素分析測試方法

輝鉬礦Re-Os同位素分析測試工作在國家地質(zhì)實驗測試中心Re-Os同位素年代學(xué)實驗室完成，測定儀器為美國ThermoFisher公司的TAJ X-series電感耦合等離子體質(zhì)譜儀?；瘜W(xué)分離、ICP-MS測定和數(shù)據(jù)處理遵照Re-Os同位素測試的實驗流程與標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[31-34]，主要測試分析流程如下。

(1)樣品分解：準(zhǔn)確稱取適量(200mg)輝鉬礦樣品，通過長細(xì)頸漏斗加入Carius管底部(一種高硼厚壁大玻璃安瓿瓶)。緩慢加入液氮至有半杯乙醇的保溫杯中，使其成黏稠狀，調(diào)節(jié)溫度為-50℃至-80℃。將已經(jīng)裝好樣品的Carious管置于該保溫杯中，用純濃鹽酸通過長細(xì)頸漏斗準(zhǔn)確稱取185Re和190Os混合稀釋劑轉(zhuǎn)入Carius管底部。再依次加入5mL 10mol/L硝酸和30% H2O2。

當(dāng)Carius管底的溶液冰凍后，用丙烷和氧氣火焰高溫加熱Carius管的細(xì)頸部分，使之密封。擦凈表面殘留的乙醇后，將其放入兩端有帶孔螺旋帽的不銹鋼套管中。將不銹鋼套管輕輕放入鼓風(fēng)箱中，等待回升至室溫后，再逐漸升溫至200℃，保溫24h。取出，在底部冷卻的情況下打開Carius管，用40mL水將管中溶液轉(zhuǎn)入蒸餾瓶中。

(2)蒸餾分離錸：把裝有5mL超純水的25mL比色管放入冰水中，準(zhǔn)備吸收蒸餾出的OsO4。連接蒸餾裝置，在105～110℃條件下蒸餾50min。所得OsO4溶液可直接用于ICP-MS測定其Os同位素比值。將蒸餾殘液轉(zhuǎn)入150mL聚四氟乙烯燒杯中等待分離錸。

(3)萃取分離錸：將第一次蒸餾殘留液置于電熱板上，加熱烘干。為了降低酸度，在接近烘干時加水重復(fù)兩次。加入5～6mol/L氫氧化鈉溶液10mL，略微加熱，使樣品轉(zhuǎn)為堿性介質(zhì)。將樣品轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯離心管中，加入4～10mL丙酮，振蕩5min萃取錸。離心后，用滴管取上層清液轉(zhuǎn)入已經(jīng)加入2mL水的聚四氟乙烯燒杯中。在電熱板上加熱至50℃以蒸發(fā)丙酮，后加熱溶液到120℃至干。加入數(shù)滴濃硝酸和30% H2O2，加熱蒸干以去除殘留的Os。加入數(shù)滴稀硝酸溶解殘渣，稀釋到硝酸濃度為2%，用ICP-MS測定Re同位素比值。

(4)質(zhì)譜測定：Re和Os的測定，均使用TAJ X-series電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定同位素比值。對于錸，選擇質(zhì)量數(shù)為185和187，使用190監(jiān)測鋨；對于鋨，選擇質(zhì)量數(shù)為186、187、188、189、190和192，使用185監(jiān)測錸。

3 結(jié)果與討論

3.1 Re-Os同位素測試結(jié)果

小白石頭鎢(鉬)礦區(qū)5件輝鉬礦樣品的Re-Os同位素測試結(jié)果列于表1。本次測定的輝鉬礦中的普Os含量很低，接近于零，表明輝鉬礦形成時幾乎不含187Os，其中的187Os由187Re衰變形成，說明所獲得的模式年齡能夠準(zhǔn)確反映礦化年齡。187Re含量為4454～12775ng/g，187Os含量為18.21～52.36ng/g，兩者變化協(xié)調(diào)一致。5件樣品的Re-Os模式年齡十分接近，變化于244.0±4.1～245.6±3.9Ma之間，輝鉬礦Re-Os加權(quán)平均模式年齡為245.0±1.7 Ma，MSWD=0.101(圖3a)。五個點采用ISOPLOT程序[35]進(jìn)行等時線擬合，得到了輝鉬礦Re-Os等時線年齡為245.5±4.3Ma，MSWD=0.19(圖3b)。

3.2 成礦時代及其地質(zhì)意義

3.2.1小白石頭鎢(鉬)礦成礦時代

本次研究用于Re-Os同位素測年的輝鉬礦處于封閉體系，其形成年齡可代表輝鉬礦形成年齡，即5礦段輝鉬礦形成于245Ma左右，與黑云母花崗巖有關(guān)礦化的輝鉬礦加權(quán)平均年齡(244.9±4.2Ma)[20]一致，表明與黑云母花崗巖有關(guān)的礦化和與花崗閃長巖有關(guān)的礦化，為同一成礦事件的產(chǎn)物。本次獲得的輝鉬礦年齡也限定了與成礦密切相關(guān)的花崗閃長巖侵位年齡為245Ma左右。該年齡數(shù)據(jù)略早于礦區(qū)黑云母花崗巖年齡(鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡246.4±1.7Ma，MSWD=1.3；未發(fā)表數(shù)據(jù))，且與Deng等[20]數(shù)據(jù)(黑云母花崗巖年齡為242±1.7Ma，鉬礦化花崗巖年齡為240.5±2.1Ma)十分相近，表明黑云母花崗巖和花崗閃長巖為同一巖漿侵入事件形成的不同侵入體。本次研究結(jié)合Deng等所測數(shù)據(jù)，限定小白石頭鎢(鉬)礦床的形成年齡在245Ma左右，成礦時代為早三疊世。

表1小白石頭鎢(鉬)礦床輝鉬礦Re-Os同位素組成

Table 1 Re-Os isotopic data of molybdenite in the Xiaobaishitou W-(Mo) deposit

樣品編號樣品質(zhì)量(mg)Re含量(ng/g)普Os含量(ng/g)187Re含量(ng/g)187Os含量(ng/g)模式年齡(Ma)測定值2σ測定值2σ測定值2σ測定值2σ測定值2σXBST16-14230.5111297870.028700.0003071005529.030.22244.93.6XBST16-14430.10112221240.017700.0003070547828.730.22244.04.1XBST16-14510.427087480.074530.0013744543018.210.12244.83.4XBST16-14650.42120121220.000380.0087675507730.960.22245.63.9XBST16-14850.19203262580.007560.008831277516252.360.40245.54.4

圖3 小白石頭鎢(鉬)礦輝鉬礦Re-Os同位素加權(quán)平均年齡(a)和等時線年齡(b)Fig.3 Re-Os isotope (a) weighted average age and (b) isochrone age of molybdenites from the Xiaobaishitou W-(Mo) deposit

3.2.2東天山三疊紀(jì)區(qū)域成礦事件

前人大量研究認(rèn)為新疆東天山地區(qū)成礦作用主要發(fā)生在晚古生代，且主要與石炭紀(jì)到二疊紀(jì)的巖漿侵入活動密切相關(guān)，形成了一系列與之相關(guān)的巖漿巖型銅鎳礦、造山型金礦和斑巖型銅礦。盡管東天山造山帶從晚古生代至中生代構(gòu)造演化復(fù)雜，成礦時代存在一定爭議，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同東天山造山帶在二疊紀(jì)屬于碰撞后構(gòu)造環(huán)境[36-38]。研究表明，進(jìn)入三疊紀(jì)后，東天山地區(qū)巖石圈開始伸展并伴隨著幔源巖漿底侵[20,23]。尤其是在中-晚三疊世，巖石圈進(jìn)一步拆沉、伸展和減薄，幔源巖漿底侵下地殼形成殼幔混合花崗巖[22,39]。這些巖漿將富集在下地殼中的鎢、鉬元素初步富集，并沿著先期形成的構(gòu)造薄弱帶上升到成礦有利部分富集成礦。

近年來，在東天山和北山發(fā)現(xiàn)了多個三疊紀(jì)巖體及相關(guān)的鎢、鉬礦床(圖4)，包括矽卡巖型鎢礦(沙東大型鎢礦、小白石頭中型鎢(鉬)礦、綠洲泉小型鎢礦、姜山小型鎢礦、望家山小型鎢礦、黃堿灘小型鎢鉬礦等)和斑巖型鉬礦(東戈壁超大型鉬礦、白山大型鉬礦)。其中，矽卡巖鎢礦形成于239～245Ma，斑巖鉬礦形成于233～246Ma(圖4)。東天山這些礦床構(gòu)成了一條東西長超過100km的東天山三疊紀(jì)鎢鉬成礦帶，該帶延伸到甘肅北山，如紅尖兵山中型鎢礦(云英巖中白云母Ar-Ar坪年齡為217Ma[47])、玉山鎢礦(礦石中鋯石SHRIMP U-Pb年齡為250Ma[48])、小狐貍山中型鉬礦(輝鉬礦Re-Os年齡為213～220Ma[49])、花黑灘中型鉬礦(輝鉬礦Re-Os年齡為225Ma[50])等。這條三疊紀(jì)鎢鉬成礦帶再向東可以延伸到蒙古境內(nèi)。綜上所述，在新疆東天山—甘肅北山存在一條三疊紀(jì)鎢鉬礦帶，其中目前已發(fā)現(xiàn)12個鎢、鉬礦床，另存在多個疑似三疊紀(jì)礦床，該礦帶具有較大找礦潛力。

圖4 東天山三疊紀(jì)主要礦床年代學(xué)數(shù)據(jù)Fig.4 Summary of geochronology for the Triassic major deposits in East Tianshan

4 結(jié)論

研究表明，小白石頭為矽卡巖型鎢(鉬)礦床，其成礦與礦區(qū)花崗閃長巖和黑云母花崗巖的侵位密切相關(guān)。本次獲得輝鉬礦Re-Os加權(quán)平均模式年齡和等時線年齡分別為245.0±1.7Ma和245.5±4.3Ma，確定與花崗閃長巖有關(guān)的輝鉬礦形成于245Ma，與前人獲得的與黑云母花崗巖有關(guān)輝鉬礦年齡一致。確定了小白石頭礦區(qū)與黑云母花崗巖有關(guān)的礦化和與花崗閃長巖有關(guān)的礦化為同一期成礦事件，限定小白石頭鎢(鉬)礦形成于早三疊世。

本研究獲得準(zhǔn)確的小白石頭輝鉬礦Re-Os定年數(shù)據(jù)，不僅對小白石頭鎢(鉬)礦構(gòu)建礦床模型有重要意義，而且為找礦方向的確認(rèn)提供了重要依據(jù)，同時也為東天山三疊紀(jì)成礦規(guī)律的總結(jié)提供了有利的證據(jù)，進(jìn)一步指出了新疆東天山—甘肅北山地區(qū)存在著一條找礦潛力巨大的三疊紀(jì)鎢鉬成礦帶。

致謝： 感謝新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所楊俊杰實驗員在野外工作中提供了巨大幫助；感謝評審專家提出了寶貴的修改意見。