摘要
新疆坝西铜矿位于东准噶尔琼河坝矿集区，是新发现的斑岩型铜矿。主要赋矿围岩为石英闪长岩、花岗闪长岩和石英二长闪长岩组成。锆石 U-Pb 测年显示，花岗闪长岩和石英闪长岩均形成于 337 Ma，时代一致，属早石炭世晚期。花岗闪长岩和石英闪长岩都具有高硅、中低钾，属钙碱性系列，富钙、富铝，为准铝质-弱过铝质。富集轻稀土及大离子亲石元素，亏损 Nb、Ta、Ti 等高场强元素，具有弱的负 Eu 异常，表现出弧花岗岩特征和某此埃达克岩特性。结合区域研究，初步认为形成于东准噶尔岩浆活动相对“宁静期”的坝西含矿石英闪长岩和花岗闪长岩，应与早期俯冲的弧物质的部分熔融有关，并发生了岩浆混合作用，且伴随有一度程度的结晶分异，同时也形成斑岩型铜矿，此时应处于从俯冲增生到后造山伸展的转换阶段。琼河坝地区除了志留纪—泥盆纪发育大量矿产外，石炭纪也是一个重要的成矿期，值得关注。本次研究对北疆及邻区的晚古生代后碰撞斑岩矿产的找矿勘查工作具有重要的指示意义。
关键词：琼和坝；石炭纪；斑岩铜矿；构造体制转换；东准噶尔
中亚造山带作为世界上最大的显生宙增生造山带，也是世界上重要的矿产资源集中分布区，包括大量与增生作用密切相关的斑岩铜矿。自西向东由哈萨克斯坦，经西准噶尔、东准噶尔、南蒙古，到内蒙古北部，再到我国东北北部，在中亚造山带南部形成一条规模宏大的斑岩铜矿带，这些斑岩铜（钼、金）矿形成时代主要为早中古生代。我国境内的东准噶尔地区，位于该巨型成矿带的中段，也发现了一系列的斑岩铜矿，特别是琼河坝地区，如蒙西铜矿、琼河坝铜矿、桑南铜矿、铜华岭铜矿以及和尔赛铜矿等，已成为一个重要的矿集区。这些斑岩铜矿与整个中亚造山带南部斑岩铜矿带一样，其形成时代也主要集中在晚志留世—早泥盆世，因此斑岩铜矿勘查也围绕着该时期侵入岩和含火山岩地层展开。尽管一部分学者认为北疆地区在二叠纪仍存在着俯冲，但是多数学者都认为整个大洋的消失应该在晚石炭世之前，不同于青藏高原的后碰撞斑岩成矿，北疆的造山后斑岩成矿显然不是重点。然而，随着勘查的进一步深入，在坝西地区新近发现一处斑岩铜矿，其赋矿斑岩侵入到中泥盆统中，其成岩成矿时代应该要晚于中泥盆世，前人获得矿区石英闪长岩的年龄为早石炭世，显示出与琼河坝主体的成矿时代不一致的特征。本文对该矿区的两类赋矿围岩开展年代学和地球化学研究，探讨其成因，这将为在北疆地区开展晚古生代的斑岩勘查提供重要信息。
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地质背景
东准噶尔地区位于北疆（新疆北部阿尔泰、准噶尔和天山）准噶尔盆地东部，夹在阿尔泰和东天山之间，被认为是图瓦－蒙古山弯构造的最南缘。主要为泥盆纪—二叠纪的火山-沉积地层，少量侏罗系，新生界及第四系广泛分布。该地区的构造环境一直存在着争论，有观点认为是在古生代东准噶尔洋向北俯冲导致的一系列洋内增生，也有观点认为，晚古生代晚期区域已是后碰撞环境。坝西铜矿位于东准噶尔东南部琼河坝矿集区，距伊吾县北东约 160 km，构造上属于谢米斯台－野马泉－琼河坝古生代岛弧带的一部分，是环准噶尔北部斑岩铜矿带的重要组成部分(图 1－a)。该地区出露的地层主要有中奥陶统—上奥陶统荒草坡群（O2-3h）含化石的火山碎屑岩；中泥盆北塔山组（D2b）海相的中基性火山岩及中酸性火山碎屑岩夹碳酸盐岩地层和库鲁木迪组（D2k）砂岩、灰质粉砂岩、生物灰岩夹少量火山岩；下石炭统黑山头组（C1h）滨海、浅海相碎屑岩和中性火山岩；上二叠统红雁池组陆相中－基性火山熔岩。区内岩浆活动较为强烈，中酸性侵入岩广泛分布，主要形成于古生代。
图 1 东准噶尔地质简图（a）、区域地质图（b）及矿区地质简图（c）
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矿区地质及成矿特征
坝西铜矿位于绿石沟铜矿、灰西沟铜矿和宝山铁矿的北部（图 1－b），可以分为南、北两个矿区，主体在南部。区内陆层为中泥盆统北塔山组，主要分布于矿区中部及西北角，为一套中性的浅海相火山熔岩及火山凝灰岩，岩性主要为安山质晶屑凝灰岩、安山质角砾晶屑岩屑凝灰岩、沉凝灰岩和安山岩，普遍具角岩化、青磐岩化（绿帘石化、绿泥石化和碳酸盐化）蚀变。
矿区侵入岩发育，外围主要为花岗岩闪长岩，占主体，包括南、北两个侵入体，中部则主要为石英闪长岩和石英二长闪长岩，石英二长闪长岩分布面积相对较少（图 1－c），同时发育辉绿岩脉和闪长玢岩脉。南部矿区 3 类侵入岩在接触带附近相互穿插，还可以见到过渡类型，尤其是石英闪长岩和石英二长闪长岩之间，矿物组成略有变化，粒度变化并不规律。3 类岩石均侵入到中泥盆统北塔山组中。
石英闪长岩为细-中粒结构，局部可见斜长石粗斑晶，呈似斑状结构（图 2－a），主要矿物组成：斜长石（55%~60%）普遍自形，主要为板状－板柱状，大多数情况下呈等粒结构，但有时粒径也相差达 2~4 倍，使岩石呈现不等粒-似斑状结构(图 2－a)，双晶和环带结构普遍存在钾长石（10%~12%）主要呈半自形，多数等粒，与斜长石呈相嵌结构，石英（15%）完全呈它形，且粒度明显小于长石，分布于长石粒间。角闪石（3%）多蚀变，为板片状，与黑云母较密切伴生，分布于长石粒间。黑云母（10%）分布广泛，多呈长条状分布于长石粒间，有时也呈片状零星分布（图 3－a）。
花岗闪长岩为中粒结构，呈浅肉红色，暗色矿物普遍较少，局部可见角闪石聚集，岩石颜色较深（图 2－b），主要矿物组成：石英（15%~20%），斜长石（50%~55%），钾长石20%~25%，暗色矿物主为角闪石 5%~8%（图 3－b）。
矿区构造以断裂为主，按其走向大致可分为 NW 向和 EW 向 2 组，NW 向断裂形成较早，规模较大，活动比较强烈，常伴随有一定的热液活动和蚀变，发育串珠状石英脉，见有孔雀石化、褐铁矿化。EW 向断裂形成较晚，常切割 NW 向断裂断裂带中岩石也较破碎，有泥化、次生石英岩化、孔雀石化、褐铁矿化。
坝西铜矿体主要产于石英闪长岩(图 2－c)中，在花岗闪长岩（图 2－d）和石英二长闪长岩也有分布，多呈细脉状、浸染状、细脉-浸染状。矿化元素主要是铜，其次是钼，矿化只发生在蚀变岩石中。黄铜矿较多分布于角闪石和黑云母蚀变强烈部位，黄铜矿常单独呈短小细脉分布于蚀变岩中，有时也和绢云母或石英构成细脉，个别还有含黄铜矿的绿泥石细脉。
图 2 坝西铜矿含矿石英闪长岩(a、c)、花岗闪长岩(b、d)手标本及其岩心样品
矿化岩石的蚀变作用非常普遍，主要蚀变有长石的高岭土化、角闪石等暗色矿物的蚀变、绿泥石化、绿帘石化、绢云母化、硅化、电气石化、沸石化和碳酸盐化。矿化蚀变总体表现为以矿体为中心，从内向外依次为钾化（黑云母化）-硅化、绢英岩化带（绢云母+绿泥石）-泥化带（沸石化+高岭土化+高岭石化+碳酸盐化）-青磐岩化带，显示出典型的斑岩铜矿特征。石英闪长岩中的角闪石等暗色矿物普遍蚀变，与磁铁矿和硫化物密切伴生（图 3－a），磁铁矿和黄铁矿的产出与黑云母蚀变关系密切（图 3－b、c）。在石英闪长岩中暗色矿物多被绢云母交代（图 3－d），在强粘土化的石英闪长岩中可见铜矿化与绢云母化关系密切(图3－e)，在花岗闪长岩中可见电气石呈放射状分布在绢云母化-粘土化的长石边部，并产生少量黄铜矿（图 3－f）。
图 3 坝西铜矿含矿石英花岗岩(a~e)、花岗闪长岩(f)镜下显微照片
a.石英闪长岩中角闪石等暗色矿物普遍蚀变，与磁铁矿和硫化物密切伴生; b~c.石英闪长岩中磁铁矿和黄铁矿与黑云母蚀变关系密切; d.石英闪长岩中暗色矿物被绢云母交代; e.强粘土化的石英闪长岩中可见铜矿化与绢云母化关系密切; f.花岗闪长岩中的电气石呈放射状分布于绢云母化-粘土化的长石边部，并伴随少量黄铜矿; Q—石英；Bi—黑云母；Kfs—钾长石；Pl—斜长石；Am—角闪石；Tur—电气石；Ser—绢云母；Cp—黄铜矿
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样品与测试方法
3.1 样品
本文重点选择与成矿相关的石英闪长岩和花岗闪长岩进行锆石 U-Pb 测年和地球化学分析。
石英闪长岩锆石 U-Pb 测年样品（WSS-2），采自矿区西南含矿岩体中部（图 1－c）。岩石呈浅黄色，呈细-中粒结构到似斑状结构。斜长石和钾长石所占比例为 3∶1，斜长石普遍自形，晶体粒径明显大于钾长石，钾长石，多数为他形，石英（15%~25%）呈他形不等粒结构，角闪石和黑云母（10%）并存，但前者稍占优势。副矿物有榍石、磷灰石、锆石、磁铁矿等。
花岗闪长岩锆石 U-Pb 测年样品（C-2）采自矿区西南含矿岩体南端（图 1－c）。岩石呈灰白色，具半自形粒状结构，块状构造。主要矿物有斜长石（50%），呈自形板柱状，环带结构发育；钾长石（5%），多呈半自形到他形；石英（15%~20%），呈他形粒状；黑云母（<5%）和角闪石（15%~25%）均发生了蚀变（图 2－c、d）。副矿物有榍石、磷灰石、锆石、磁铁矿等。
这 2 类岩石的地球化学分析样品分别来自于钻孔岩心和野外露头。
3.2 测试方法
3.2.1 锆石 U-Pb 年龄
锆石单矿物分离及锆石的透射光、反射光和阴极发光照相在河北省区域地质调查院完成，将原岩样品粉碎，经常规重选和电磁选后，在双目镜下挑选锆石。将完整的典型锆石颗粒置于 DEVCON 环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露，然后进行锆石显微（反射光和透射光）照相和锆石的阴极发光（CL）照相。
石英闪长岩（图 4－a）与花岗闪长岩（图 4－b）样品的锆石均呈自形粒状和柱状，无色透明，CL 图像显示大部分锆石晶型较完整，少量比较破碎，极少量为浑圆椭球状。其中，石英闪长岩的锆石长约 50~150 μm，部分锆石具有非常明显的震荡环带韵律结构，部分具有扇状分带结构；花岗闪长岩的锆石长约 50~200 μm，大部分锆石内部结构均匀，震荡环带韵律结构非常明显，部分具有扇状分带结构。这 2 类岩石中的部分锆石具有暗色包裹体或继承核，实验选取了晶形完好、无核无包裹体的锆石进行测试分析。
图 4 坝西铜矿赋矿围岩石英闪长岩（a）及花岗闪长岩（b）锆石 CL 图
锆石U-Pb同位素分析在北京燕都中实测试技术有限公司实验室完成。激光剥蚀系统为New Wave UP213，ICP-MS为布鲁克M90。激光剥蚀的斑束为30 μm，激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。每个时间分辨分析数据包括大约15 s的空白信号和50 s的样品信号。U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正，每分析5~10个样品点，分析2次91500。数据处理采用中国地质大学刘勇胜编写的ICPMSData Cal程序和Kenneth R. Ludwig的Isoplot程序进行分析和作图，采用208Pb对普通铅进行校正。利用NIST612作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量。具体操作方法可见参考文献。
3.2.2 主量和微量分析
样品的主量和微量分析在国家地质实验测试中心完成。首先取 0.2 g 样品粉末进行Lithium metaborate/tetrabortate 融合和硝酸稀释溶解，将样品/助溶剂的融合物于马弗炉上在1050℃的温度下加热 15 min。提取熔融物，倒入 100 m L 由去离子水和 ACS 级纯度硝酸配置的 5%浓度的 HNO3中。将溶液摇晃 2h 使其充分溶解，取其一部分置于聚丙分析管内。通过电感耦合等离子光谱分析（ICP-AES）进行主要氧化物和 Ba、SC、Cu、Zn 和 Ni 含量的分析。在 ICP-MS 上进行其他微量元素及其稀土元素含量的分析。对于贵金属的分析，称取 0.5 g 样品，置于 3 m L 高温的（95℃）王水中进行溶解，通过 ICP-MS 进行分析。所有的分析以 OS-18 为标准样，精度均优于±3%。
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测试结果
4.1 锆石 U-Pb 年龄
锆石 U-Pb 同位素分析测试结果列于表 1。其中，石英闪长岩所有测试结果都落在谐和线附近，呈集中分布（图 5－a），206Pb/238U 年龄加权平均值为(336.7±2.4) Ma（MSWD=0.22），代表石英闪长岩的形成年龄。花岗闪长岩共进行了 20 个测点分析，1 个样品因高204Pb 而未获得结果，19 个测点集中分布，落在谐和线附近，206Pb/238U 年龄为 335~342 Ma（图 5－b），206Pb/238U 年龄加权平均值为(337.3±4.1) Ma（MSWD=0.13），代表花岗闪长岩的形成年龄。
图5坝西铜矿石英闪长岩（WSS-2）（a）及花岗闪长岩（C-2）（b）锆石 U-Pb 协和图
4.2 岩石地球化学特征
岩石化学成分测试结果见表 2。花岗闪长岩 Si O2 含量为 62.97%~63.97%，K2O+Na2O 含量为 5.40%~6.53%，里特曼指数 σ 为 1.43~2.04，在 Si O2-K2O 图解中大部分落入到钙碱性系列（图 6－a）；Al2O3 含量为 15.95%~17.52%，Ca O 含量为 4.13%~6.64%，属准铝质或弱过铝质(A/CNK=0.95~1.02，A/NK=1.85~2.05)（图 6－b）。具有低的 Mg O 含量（1.48%~3.43%）和 P2O5含量（0.13%~0.20%）。石英闪长岩无论是硅（Si O2=56.87%~61.33%），还是碱含量（K2O+Na2O=4.81%~5.98%）都较花岗闪长岩低，但铝相对较高（Al2O3=16.19%~17.85%），主体也属钙碱性系列（图 6－a），但全部属于准铝质（A/CNK=0.90~0.97，A/NK=1.98~2.42，张铭鸿等获得石英闪长岩相对宽泛的分析结果，部分落在过铝质区（图 6－b）。
图 6 坝西铜矿岩石 Si O2-K2O 图解（a）和 A/CNK-A/NK 图解（b）
含 矿 石 英 闪 长 岩 和 花 岗 闪 长 岩 的 稀 土 元 素 含 量 均 不 高 ， 总 量 （ ∑REE ） 介 于68.97×10-6~87.17×10-6，变化范围较小，轻稀土元素（LREE）含量为 57.33×10-6~75.50×10-6，重稀土元素（HREE）含量为 10.87×10-6~19.88×10-6。在球粒陨石标准化的稀土配分曲线中样品差异不大，呈右倾型（图 7－a）。岩石 LREE/HREE 比值介于 3.51~6.47，显示轻稀土元素富集、重稀土元素含量低。δEu 值为 0.66~1.03，仅 3 个样品 δEu＞1，δEu 平均值为 0.85，总体上表现 Eu 负异常；(La/Yb）N 比值为 2.89~5.40，平均 4.07，轻稀土元素相对富集，轻、重稀土元素之间分馏较明显；(La/Sm)N 值介于为 1.63~2.84。微量元素原始地幔蛛网图（图 7－b）示上，较富集的元素有 U、La、Hf 及 K、Rb、Ba 等大离子亲石元素，相对亏损 Th、Nb、Ta、Ti 高场强元素。这与前人获得石英闪长岩的稀土元素和微量元素特征总体一致（图7－b）。
图 7 坝西铜矿石英闪长岩和花岗闪长岩稀土元素分配模式图（a）及微量元素蛛网图（b）
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讨论
5.1 成岩成矿时代
本次对坝西斑岩铜矿的赋矿围岩中的石英闪长岩和花岗岩闪长岩锆石 U-Pb 测年结果显示，石英闪长岩锆石 U-Pb 年龄为(336.6±2.4) Ma，与前人测年结果（345.7 Ma)基本一致，属早石炭世侵位产物；花岗闪长岩锆石 U-Pb 年龄为(337.3±4.1) Ma，与石英闪长岩测年结果一致（337 Ma）。结果与两者在野外呈相互穿插关系相一致，且与矿区辉钼矿 Re-Os 测年结果（(338.9±4.6) Ma，另文发表）相一致，符合斑岩铜矿成岩成矿时代一致性的特点。
东准噶尔及邻区主要的岩浆事件主要发生在早中古生代（志留纪—泥盆纪）和晚古生代中晚期，是整个中亚成矿域内大规模斑岩矿产的聚集区之一。早石炭世岩浆活动比较弱，呈现 2 个峰期。之前的勘查与研究显示，东准噶尔成矿期主要为早中古生代（志留纪—泥盆纪）。琼河坝地区除了北山金矿形成于晚古生代外（346 Ma），其它的矿产均形成于志留纪—泥盆纪，如蒙西铜矿、琼河坝铜矿、桑南铜矿、铜华岭铜矿以及和尔赛铜矿，形成时代较为集中（420~390 Ma）。本次研究表明，除了早古生代的峰期成矿事件外，在东准噶尔地区还存在一期北山金矿、坝西铜矿这样的晚古生代成矿事件，这对后期的矿产勘查具有重要指示意义。
5.2 成因及构造意义
坝西铜矿石英闪长岩和花岗闪长岩主量元素含量相近，低硅、低钾，属于钙碱性系列花岗岩类，钙、铝含量中等，显示出准铝质或弱过铝质花岗岩特点，与典型 I 型花岗岩类一致。在 Harke 图解上，赋矿围岩显示出 2 个不同的演化序列，各自成较好的线性关系，暗示这 2类岩石并不是同一种岩浆分异的产物，而可能是岩浆混合的产物，同时，无论在花岗闪长岩还是石英闪长岩均可见到暗色微粒包体，暗示了岩浆混合作用的存在。前人获得石英闪长岩的锆石 Hf 同位素（εHf(t)=+13.66~+15.56），这与本区同期花岗岩类同位素特征相一致,显示年轻幔源物质是其主要的物质来源。
矿区几类岩石的稀土总量均较低，且相对富集轻稀土元素，Eu 负异常较弱，表明斜长石分离结晶作用不明显，分异指数较低也指示了这一点。在微量元素蛛网图上，岩石相对富集大离子亲石元素，亏损 Nb、Ta、Ti 等高场强元素，暗示了有明显的榍石的分离结晶。综合来看，虽然这些赋矿花岗岩类显示出弧花岗岩的特征，如，相对高的 Y(16.0×10-6~28.7×10-6)和 Yb(1.90×10-6~3.18×10-6)，以及低 Sr/Y 和(La/Yb)N 值，但它们却具有埃达克岩的某些地球化学特征，如高硅（Si O2>56%）、低镁（Mg O<3%）、高锶（Sr>400×10-6），表明它们可能跟典型的弧花岗岩有所区别。
值得注意的是，东准噶尔地区大量发育的早古生代弧岩浆作用，而在早石炭世（360~330 Ma）似乎出现一个岩浆“宁静期”，随后（330~270 Ma）发育大规模的碱性（A 型）花岗岩(图 8)，并且发育时间上从北到南是同步的，不具有时空迁移性，揭示区域性造山后伸展背景。东准噶尔地区石炭纪沉积相由滨海、浅海相向浅海相-陆相的转变，以及整个北疆地区全区性的晚石炭世不整合也为此提供了证据，表明早石炭世应是一个从泥盆纪的俯冲挤压环境向晚石炭世后造山伸展环境转变的重要时期，只是由于缺乏碰撞相关的证据，实际上整个中亚造山带构造演化晚期均缺失碰撞的直接证据，但早石炭世是一个重要的构造体制转换期无疑。形成于早石炭世晚期的坝西岩体应是这种构造体制转换期的产物，并不是直接与俯冲作用有关，而是早期的弧物质发生部分熔融，为这些石英闪长岩和花岗岩闪长岩岩浆提供了重要物质来源，因而这些岩石均显示出弧花岗岩的特征，但又与之不同。同时，这些早期的弧物质也是成矿物质的重要来源，或者说早期的俯冲促成了成矿物质的初步富集，在构造转换阶段的初期进一步富集成矿。像坝西铜矿这种出现岩浆活动“宁静期”之后，岩浆作用渐强的关键时期斑岩铜矿，虽然不一定是后碰撞成矿，但其与冈底斯大规模后碰撞斑岩之间在成岩成矿物质来源、演化特征之间具有很多的相似之处，需要注意这种早期俯冲阶段的成矿物质富集，在后期再富集（活化）成矿的（斑岩）矿产，这不仅对琼河坝地区的找矿工作有重要的指示意义，也有助于深化整个北疆乃到中亚造山带南缘的构造转换阶段-后碰撞斑岩铜矿形成机制的认识。
图8 东准噶尔地区花岗岩类形成时代统计直方图
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结论
坝西斑岩铜矿赋矿围岩形成于早石炭世晚期，石英闪长岩和花岗岩闪长岩锆石 U-Pb 年龄分别为(336.6±2.4) Ma 和(337.3±4.1) Ma，二者形成时代基本一致，表明在琼河坝地区除了早古生代的成岩成矿事件外，还存在一期晚古生代的成岩成矿事件，这对区域找矿具有重要意义。
坝西岩体形成于从早古生代的俯冲增生到的晚石炭世—早二叠世的后造山伸展的构造体制转换期，早期的弧物质应是这些岩浆作用和成矿作用提供了重要物质来源，岩浆混合作用是岩体形成的重要机制。
原文详见：孟秋熠，童英，薛春纪，赵云，王斯林，刘一浩，罗森森，李嘉宝．新疆东准噶尔石炭纪坝西铜矿斑岩成因及对矿产勘查的指示[J/OL]．地质通报
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