新疆東天山天宇銅鎳硫化物礦床金云母Ar-Ar 年代學及其地質意義*

王曉青，段士剛，陳小龍，高 坡

（1 長安大學地球科學與資源學院，陜西西安 710054；2 西藏金和礦業有限公司，西藏拉薩 850211；3 中國地質科學院礦產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）

作為巖漿巖中常見的鎂鐵質造巖礦物，黑云母類質同象置換相當廣泛，使其組成在相當大的范圍內變化。國際礦物學協會劃分出了黑云母的4 個端員固溶體：鐵云母、金云母、鐵葉云母和富鎂黑云母（Rieder et al.,1998），以促進黑云母的進一步研究。黑云母的一些類質同象替換與溫度、壓力和氧逸度等物理化學條件之間展示了緊密的相關關系。例如，契爾馬克替換（tschermakite substitution），即（Mg，Fe）Si?Al2替換，會導致體積減小，從而與結晶壓力緊密相關，據此發展出了黑云母全鋁地質壓力計（Uchida et al.,2007）；Ti 與Fe、Mg、Al 等之間復雜的偶合反應替代隨溫度升高而增強，據此發展出了黑云母Ti 飽和溫度計（Henry et al.,2005）；黑云母Mg/(Mg+Fe)比值隨巖漿的氧逸度增加而增加，可能與Mg?Fe完全置換和熔體中Fe2+?Fe3+間的轉變有關（Wones et al.,1965）?；诖?，黑云母的礦物化學常被用來揭示巖漿的物化條件、演化過程、物質來源及評價含礦性（Abdel?Rahman,1994；Borodina et al.,1999；Webster,2004；Henry et al.,2005；唐攀等，2017；張毓策等，2020；張忠坤，2020）。此外，黑云母40Ar-39Ar 同位素年齡屬于中溫熱年代學（袁萬明等，2016；田朋飛等，2020），代表了40Ar-39Ar 同位素體系封閉后至今的時間，被用來限定礦床成礦年齡（鄭義等，2013；鐘軍等，2020）和研究礦床變化保存問題（孫敬博等，2015）。

東天山的中天山地塊和覺羅塔格構造帶內產出有一系列早二疊世賦存在鎂鐵-超鎂鐵質雜巖體中的銅鎳硫化物礦床（王京彬等，2006；毛景文等，2006;秦克章等，2012）。其中，天宇礦床是在中天山地塊內發現的一處中型銅鎳硫化物礦床，前人對其開展了巖相學、巖石地球化學與同位素年代學研究（唐冬梅等，2009a;2009b;Tang et al.,2011）、礦物學與礦物化學研究（宋林山等，2014；方林茹等，2019）、成礦物質來源研究（王亞春等，2013;段士剛等，2017）、控礦構造（陳柏林等，2018）及成礦模式研究（鄧剛等，2012）等等，取得了許多重要認識，而關于礦床中云母的種屬、成分特征及成因意義的研究仍很薄弱，關于云母在礦床變化保存方面的指示意義也未提及。本文報道了對天宇銅鎳硫化物礦床中云母開展的該方面研究工作，并分析了其對礦床形成與變化保存的指示意義。

1 地質背景

東天山天宇銅鎳礦區位于新疆哈密市東南方向約170 km。東天山位于中亞造山帶的西南緣，它西起小熱泉子，東至甘新交界，是中國重要的鐵、鎳、銅、金、鉛鋅成礦帶（圖1）。東天山是由塔里木和準噶爾古板塊及其增生邊緣拼接、碰撞形成，其地質歷史大體可以劃分為前震旦紀古陸塊基底形成階段、震旦紀至石炭紀古洋盆開合階段和二疊紀以來大陸地殼陸內演化階段（毛景文等，2006；陳毓川等，2008）。

圖1 東天山構造格架與礦床分布圖（據王京彬等，2006修改）1—中新生代沉積蓋層；2—二疊紀陸相火山-沉積巖系；3—石炭紀火山-沉積巖系；4—奧陶紀—泥盆紀火山-沉積巖系；5—前寒武紀變質巖；6—花崗巖類；7—地質界線；8—區域斷層/推測區域斷層；9—斷層/逆斷層；10—剪切帶；11—金礦床（大、中、小型）；12—銅礦床（大、中、小型）；13—銅鎳硫化物礦床（大、中、小型）；14—鐵礦床（大、中、小型）；15—鉛鋅礦床；16—銀多金屬礦床；17—多金屬礦床Fig.1 Map of the tectonic framework and deposit distribution in the East Tianshan Mountains(modified after Wang et al.,2006)1—Mesozoic to Cenozoic sedimentary cover;2—Permian continental volcanic sedimentary rocks;3—Carboniferous volcanic sedimentary rocks;4—Ordovician to Devonian volcanic sedimentary rocks;5—Precambrian metamorphic rocks;6—Granite;7—Geological boundary;8—Regional fault/Inferred regional fault;9—Fault/Reverse fault;10—Ductile shear zone;11—Gold deposits(large,medium and small);12—Copper deposits(large,medium and small);13—Copper-nickel sulfide deposits(large,medium and small);14—Iron ore deposits(large,medium and small);15—Lead-zinc deposits;16—Silver-rich polymetallic ore deposits;17—Polymetallic ore deposits

東天山地區在早二疊世為后碰撞環境，主要發生了韌性剪切作用與幔源巖漿底侵作用，韌性剪切作用形成了康古爾剪切帶，沿剪切帶形成了蝕變巖型及石英脈型金礦，如康古爾Au 礦和馬頭灘Au 礦；幔源巖漿底侵作用具有跨構造單元的“面型”分布特征，形成了大量巖漿銅鎳硫化物礦床，如覺羅塔格構造帶的圖拉爾根、黃山和香山Cu-Ni 礦床，及中天山地塊內的天宇Cu-Ni礦床（王京彬等，2006）。

天宇銅鎳礦床及周邊地區出露的巖層為中元古界長城系星星峽群，該群為一套綠片巖相至角閃巖相的變質火山熔巖、火山碎屑巖夾碳酸鹽巖。區內構造作用強烈，主要為斷裂，次為褶皺和單斜構造。斷裂構造主要為沙泉子深大斷裂及其次級斷裂。區域內侵入巖十分發育，分布廣泛，并以華力西期侵入巖為主，以加里東期侵入巖為次。加里東期侵入巖主要為片麻狀花崗巖；華力西期侵入巖從酸性-中性-基性-超基性均有出露。華力西期晚期侵入巖是區內鎂鐵-超鎂鐵巖體形成的主要階段，天宇銅鎳礦、白石泉銅鎳礦均與華力西晚期侵入巖關系密切。

天宇雜巖帶由Σ15～Σ21 號7 個雜巖體組成。其中Σ20 號雜巖體是天宇銅鎳硫化物礦床的主體（圖2），其出，露長度大于1150 m，寬6～70 m，總體走向49°，向北傾，但傾角變化較大，且在東、西兩端出現分支。其西北側圍巖為片麻狀花崗巖，東南側圍巖為云母斜長片巖、斜長石英片巖，雜巖體深部超鎂鐵巖為全巖礦化，輝石巖、橄輝巖和橄欖巖相即為礦體，地表礦化較弱，以盲礦體為主（圖3）。該雜巖體由北向南可劃分為輝石閃長巖相、輝石巖相、橄輝巖相和橄欖巖相，其中后三者為漸變過度關系，被輝石閃長巖侵入（唐冬梅等，2009a）。在地表僅達鎳工業品位，鎳礦體位于深部，包括低品位的浸染狀礦體和少量高品位的塊狀礦體，礦體與圍巖花崗片麻巖、花崗質糜棱巖、絹云石英片巖和片麻狀花崗巖截然接觸。

圖2 天宇銅鎳硫化物礦床地質圖Fig.2 Geological map of the Tianyu copper-nikel sulfide deposit

圖3 天宇銅鎳硫化物礦床6號勘探線剖面圖（位置見圖2）Fig.3 Geological profile of exploration line 6 of the Tianyu copper-nikel sulfide deposit(see Fig.2 for location)

礦石主要為稀疏浸染狀、浸染狀、稠密浸染狀、塊狀、角礫狀及脈狀等構造，結構類型主要為自形-半自形粒狀結構、半自形-他形粒狀結構、他形粒狀結構、海綿隕鐵結構，其次有出溶體結構和鑲嵌狀結構（唐冬梅等，2009a；段士剛等，2017）。礦石中金屬硫化物以磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦、鎳黃鐵礦為主，閃鋅礦、方鉛礦、輝鉬礦等微量；脈石礦物以橄欖石、輝石、蛇紋石、斜長石、透閃石、黑云母、金云母、綠泥石、方解石、白云石、滑石等為主（鄧剛等，2012）。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

野外和室內觀察發現，天宇銅鎳硫化物礦床原生云母有2 種：一種是在超鎂鐵質巖中，另一種是產在塊狀硫化物礦體與圍巖的接觸面上。樣品采自1350 中段和1400 中段，其中TY-5、TY-26、TY-39、TY-153、TY-168 為采自1350 中段的浸染狀礦石（圖4a），TY-49、TY-152、TY-7、TY-163 為采自1400 中段塊狀礦體邊部的礦石（圖4b）。將前7 件磨制了光薄片，鏡下挑選新鮮的云母進行探針成分分析。后2件發育粗大的金云母（圖4c、d），挑選金云母單礦物進行40Ar-39Ar 同位素測年。金云母在浸染狀礦石手標本上肉眼不易辨識，在顯微鏡下呈他形片狀分布在橄欖石與輝石顆粒之間，與角閃石間呈嵌晶結構（圖4e、f），大小0.2～1.0 mm。塊狀礦體邊部的金云母，產在塊狀硫化物礦體與圍巖的接觸面上。接觸界線附近的圍巖發生了約10 cm 寬的重結晶，礦物顆粒變得更加粗大。接觸界線上的金云母單體呈粗大片狀（2～8 mm），他形，集合體呈葉片狀集合體，且平行接觸面呈薄面狀延伸，新鮮無蝕變、無變形現象。

圖4 天宇礦床含金云母銅鎳礦石樣品照片(a～d)和正交偏光顯微照片(e、f)a.浸染狀銅鎳礦石；b.塊狀礦石及其邊部粗大金云母和重結晶圍巖；c、d.塊狀礦石與重結晶圍巖之間粗大的金云母；e、f.他形片狀金云母和黑云母與角閃石間呈嵌晶結構Fig.4 Photographs (a～d) and orthogonally polarized micrographs (e,f) of Cu-Ni ore samples containing phlogopite in the Tianyu deposita.Disseminated copper-nickel ore;b.Massive ore and coarse phlogopite and recrystallized surrounding rock at its edge;c,d.Coarse phlogopite between massive ore and recrystallized surrounding rock;e,f.Allomorphic lamellar phlogopite and biotite which are intercalated with amphibole

2.2 實驗方法

電子探針分析在中國地質科學院礦產資源所電子探針實驗室完成，儀器為JEOL JXA-8230 型電子探針儀，分析條件為加速電壓5 kV、電流20 nA、束斑直徑5 μm，標樣采用天然礦物或合成金屬國家標準，分析精度為0.01%。

Ar-Ar 同位素測年在中國地質科學院地質研究所氬氬同位素實驗室完成。首先將樣品粉碎、過篩后進行水漂、磁選和重液分離等，分選出60～80 目的金云母，然后在雙目鏡下手工挑選，挑選金云母純度達到99%以上，送中國地質科學院地質研究所Ar-Ar同位素實驗室進行測試。先對選純的金云母樣品用超聲波清洗。清洗后的樣品被封進石英瓶中送核反應堆中接受中子照射。照射工作是在中國原子能科學研究院的“游泳池堆”中進行的。樣品的階段升溫加熱使用石墨爐，質譜分析是在多接收稀有氣體質譜儀Helix MC 上進行的。所有的數據在回歸到時間零點值后再進行質量歧視校正、大氣氬校正、空白校正和干擾元素同位素校正，用ISOPLOT 程序計算坪年齡及正、反等時線（Ludwig,2001），坪年齡誤差以2 s 給出。詳細實驗流程和參數見有關文章（陳文等,2006;張彥等,2006）。

2.3 實驗結果

2.3.1 EPMA分析

電子探針分析結果見表1，表中以22 個氧原子為基礎計算了云母的陽離子數及相關參數。由分析結果可知，天宇雜巖體云母具有貧鈦特征。在Foster等（1962）的云母分類圖解中投影于鐵質黑云母、鎂質黑云母和金云母區域（圖5）。測年云母樣品種屬為金云母。

圖5 天宇礦床云母分類圖解（據Foster et al.,1962）Fig.5 Classification diagram of mica in Tianyu deposit(after Foster et al.,1962)

2.3.2 Ar-Ar同位素測年

天宇銅鎳硫化物礦床金云母樣品階段加熱40Ar-39Ar年齡分析結果見表2，計算的年齡譜和等時線見圖6。樣品TY-7 在840～1400°C 的10 個中-高溫階段組成了1個年齡坪，坪年齡tp=（250.4±1.5）Ma，對應了98.4% 的39Ar 釋放量（圖6a）。相 應的40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等時線年齡ti=（250.7±2.4）Ma，初始值40Ar/36Ar 為283.7±6.8（MSWD=1.2）（圖6b），等時線年齡和坪年齡在誤差范圍內一致。40Ar/36Ar初始值接近于現代大氣氬比值（尼爾值295.5±5），兩者在誤差范圍內一致，表明測試結果是有意義的。因此，TY-7 金云母(250.4±1.5)Ma 的坪年齡是有地質意義的，代表了金云母Ar同位素的封閉年齡。

表2 金云母40Ar/39Ar階段升溫加熱分析結果Table 2 Stage heating results of 40Ar/39Ar ratios of phlogopite

樣品TY-163在820～1400°C的10個中-高溫階段組成了1個年齡坪，坪年齡tp=（247.7±1.5）Ma，對應了92.7%的39Ar釋放量（圖6c）。相應的40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等時線年齡ti=（247.7±2.6）Ma，初始值40Ar/36Ar 為268±70（MSWD=0.72）（圖6d），等時線年齡和坪年齡在誤差范圍內一致。40Ar/36Ar 初始值與現代大氣氬比值（尼爾值295.5±5.0）在誤差范圍內一致，表明測試結果是有意義的。因此，TY-163 金云母（247.7±1.5）Ma 的坪年齡是有地質意義的，代表了金云母Ar同位素的封閉年齡。

圖6 天宇金云母39Ar/40Ar階段升溫年齡譜圖（a、c）和等時線圖（b、d）Fig.6 Plateau ages(a,c)and isochron charts of stage heating results(b,d)of 40Ar/39Ar ratios of Tianyu phlogopite

樣品TY-7 金云母坪年齡（250.4±1.5）Ma 和TY-163 金云母坪年齡（247.7±1.5）Ma 在誤差范圍內一致，代表了礦體地溫梯度降低到金云母40Ar-39Ar 封閉溫度（300°C）后至今的時間。

3 討論

天宇銅鎳礦床的云母有2 種產狀，其一是在浸染狀與海綿隕鐵狀礦石中與角閃石呈嵌晶結構，分布在具有渾圓狀蛇紋石化的橄欖石和輝石顆粒之間，又被大量金屬礦物充填形成海綿隕鐵結構；其二是在塊狀硫化物礦石與重結晶圍巖接觸面上由粗大的深棕色葉片狀金云母呈線狀平行接觸面延伸，新鮮無蝕變，無變形現象，并且圍巖重結晶帶寬約10 cm，顆粒粗大，顏色變深。前者具有巖漿黑云母的巖相學特征（唐攀等，2017），結晶發生在橄欖石和輝石之后，與角閃石近同期，但明顯早于硫化物；后者明顯是熾熱的硫化物礦漿侵位后引起圍巖變質重結晶或與圍巖發生小范圍同化混染新生成的金云母。在FeOT-10TiO2-MgO 圖解（圖7；Nachit et al.,2005）中，前者投影在重結晶黑云母區，可能反映了晚期硫化物熔體對早期結晶黑云母和金云母的影響；后者投影在新生黑云母區域，與野外觀察認識一致。天宇礦床金云母的低Ti 特征（Ti<0.2）也符合固相線下交代作用成因黑云母的特征（馬昌前等，1994）。利用Henry 等（2005）提出的黑云母Ti 含量溫度計：T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}0.333，其中XMg=Mg/(Mg+Fe)，a=-2.3594，b=4.6482×10-9，c=-1.7283，計算出天宇銅鎳礦床的金云母結晶溫度為609.6～646.2°C（表1），仍處于巖漿溫度范圍內。因此，可以認為天宇塊狀礦體邊部的粗大金云母是銅鎳硫化物礦漿冷凝固結過程中形成的。

圖7 天宇礦床金云母FeOT-10TiO2-MgO圖解（據Nachit et al.,2005）Fig.7 FeOT-10TiO2-MgO diagram of Tianyu phlogopite（after Nachit et al.,2005）

40Ar/39Ar 同位素年齡屬于中溫熱年代學（袁萬明等，2016；田朋飛等，2020），根據測年對象的不同可以用來約束成礦年齡（Duan et al.,2018）、構造帶活動時間（陳文等，2006）、隆升剝蝕（孫敬博等，2015）、盆地演化、礦床保存變化等方面（田朋飛等，2020）。天宇礦床金云母40Ar-39Ar 年齡可以用來指示礦床形成后的變化保存。天宇雜巖體鋯石SIMS U-Pb 年齡是(280±2) Ma（Tang et al.,2011），鋯石U-Pb 體系的封閉溫度高于900°C（Lee et al.,1997;Cherniak et al.,2000），因此該鋯石年齡記錄了雜巖體和礦體的侵位時間在早二疊世。天宇金云母Ar-Ar 坪年齡為(250.4±1.5)Ma 和(247.7±1.5)Ma，代表了金云母40Ar-39Ar 同位素體系封閉（封閉溫度(350±50)°C；Harrison et al.,1985;Grove et al.,1996;McDougall et al.,1999）后至今的時間。該年齡比鋯石年齡晚了約30 Ma，可能由以下2 種原因造成：一是由于隆升剝蝕地溫梯度降低到金云母40Ar-39Ar 封閉溫度，二是礦體附近印支期巖漿活動或斷裂作用使40Ar-39Ar 年齡發生了重置。

針對第一種可能性，考慮到東天山印支期活躍的巖漿和構造活動，假設天宇礦床所在地區地溫梯度介于造山帶正常水平30°C/km（朱文斌等，2007）至較高溫度50°C/km（朱文斌等，2007）之間，地表溫度選擇10°C，那么云母Ar-Ar 體系封閉溫度350°C 代表的地下深度約為6.8～11.3 km（孫敬博等，2015）。也就是說自250 Ma 至今，該地區發生了約6.8～11.0 km 的隆升和剝蝕。天宇銅鎳硫化物礦床為貫入式成礦（唐冬梅等，2009a；鄧剛等，2012），其角閃石以填隙形式產出，是巖漿固結-近固結狀態下的產物，根據Ridolfi 等（2010）角閃石壓力計計算得到其角閃石結晶壓力在274～452 MPa 之間，平均為361 MPa，換算的侵位深度在12～15 km 之間（方林茹等，2019）。位于天宇銅鎳礦西南約50 km 處的尾亞巖體年齡介于253.9～259.9 Ma（王京彬等，2006），其發育的角閃石也以填隙形式產出，是巖漿固結-近固結狀態下的產物，根據Ridolfi 等（2010）角閃石壓力計計算得到角閃石結晶壓力介于0.27～0.45 GPa 之間，對應的侵位深度為10.1～16.9 km（石煜等，2016）。似乎均支持剝蝕深度接近11 km。然而必須指出的是，Ridolfi 等（2010）的角閃石全鋁壓力計估算的是角閃石在熔體中結晶時的壓力值，不是在近固相線溫度下結晶的角閃石的壓力值，因此它適用于估算火山巖角閃石斑晶結晶時的壓力，而不適用于計算侵入體的結晶壓力（汪洋，2014）。因此上述深度的可靠性存在疑問。Wang 等（2008;2010）根據斷裂構造熱年代學數據推測該地區出露的晚二疊世—早三疊世巖體侵位深度均較淺。李季霖等（2021）利用黑云母全鋁壓力計計算了該地區花崗巖類剝蝕程度，結果表明尾亞環形雜巖體內環（鋯石U-Pb 年齡范圍為244.7～228.7 Ma）平均為5.8 km，尾亞外環（鋯石U-Pb 年齡范圍為257.4～236 Ma）平均為5 km；天湖雜巖體（243～241 Ma）內環平均為2.4 km，外環平均為3.3 km。因此，天宇-尾亞地區三疊紀以來剝蝕程度可能在2.4～5.8 km，而并非角閃石壓力計指示的近11 km的剝蝕。

在地殼淺部，僅幾十米厚的天宇巖墻狀雜巖體會快速冷卻。金云母Ar-Ar 年齡與鋯石年齡間約30 Ma 的差距，可能反映了印支期巖漿或斷裂活動的熱作用重置。印支期侵入巖在中天山地塊比較發育，例如上述尾亞雜巖體、天湖雜巖體。但目前天宇礦區還未見有印支期侵入巖的報道，因此推測該重置年齡可能由斷裂活動導致。天宇礦區位于沙泉子深大斷裂南側4～5 km處，礦區賦礦斷裂以及后期破礦斷裂被認為是沙泉子深大斷裂派生的次級斷裂。斷裂構造研究表明，區域上在約270～245 Ma 發生了大規模右行剪切作用，在約240～235 Ma 發生了左行剪切作用（陳文等，2005；Wang et al.,2010）。天宇礦區近南北向和北北東向斷裂主要為成礦后斷裂（陳柏林等，2018），可能是沙泉子大斷裂晚二疊世—早三疊世再活動在礦區的反映。天宇金云母Ar-Ar年齡與區域大規模右行剪切作用時代吻合，可能反映了后期構造熱作用對金云母Ar-Ar 同位素封閉體系的重置。

4 結論

天宇銅鎳硫化物礦床原生云母有2 種：一種是在超鎂鐵質巖中，呈他形片狀分布在橄欖石與輝石顆粒之間，與角閃石間呈嵌晶結構；另一種是產在塊狀硫化物礦體與圍巖的接觸面上，呈葉片狀集合體，云母單體為粗大的他形片狀。前者結晶后受到了晚期硫化物熔體的影響，后者為熾熱的硫化物礦漿侵位時與圍巖相互作用新生成的金云母。金云母結晶溫度為609.6～646.2°C，Ar-Ar坪年齡為(250.4±1.5)Ma 和(247.7±1.5)Ma。金云母Ar-Ar 坪年齡比巖體的鋯石U-Pb 年齡晚了約30 Ma，推測是由于區內晚二疊世—早石炭世的走滑斷裂活動使該Ar-Ar年齡發生了重置。

致 謝在野外工作中得到了新疆第六地質大隊齊利平工程師的幫助，在此表示衷心的感謝！同時感謝審稿人對本文的評論和提出的修改意見。