2015, Vol. 31
2. 中国地质科学院, 北京 100037;
3. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
4. Laboratory of Geological Formations, K. Satpaev Institute of Geological Sciences, Almaty 050010;
5. 中国地质大学, 北京 100083
, CHEN XuanHua2, CHEN ZhengLe3, HAN ShuQin3, SEITMURATOVA Eleonora4, WANG ZhiHong2, SHI Wei3, YE BaoYing5
2. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
4. Laboratory of Geological Formations, K.Satpaev Institute of Geological Sciences, Almaty 050010, Kazakhstan;
5. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
哈萨克斯坦巴尔喀什成矿带(图 1)是中亚造山带(也被称为“中亚成矿域”)的核心地区之一(朱永峰等， 2007，2014；陈宣华等， 2010a，2011)，晚古生代经历了从晚石炭世板块俯冲机制到早二叠世后碰撞机制的转换(刘刚等，2012)。Yakubchuk(2004)认为，中亚造山带(也被称为Altaid)是古特提斯洋的一个残余，它的形成完全是克拉通内部的拼贴作用，其构造演化与成矿作用主要受几个地幔柱事件的强烈影响。
 | 图 1 中亚成矿域巴尔喀什-准噶尔成矿带断裂构造体系与矿床分布简图(据Chen et al，2014修改) 断裂构造体系修改自任纪舜等(1999)和李廷栋等(2008) 斑岩型铜钼矿床分布修改自李明等(2007)和其它资料 图中四边形框给出本文研究范围1-左行走滑断裂；2-右行走滑断裂；3-逆冲断层；4-正断层；5-断层；6-盆地边界；7-火山机构(破火山口)；8-斑岩铜矿(符号大小分别代表大、中、小型矿床，下同)；9-矽卡岩型铜矿；10-黄铁矿型矿床(铜、金)；11-热液型铜矿；12-铜镍硫化物矿床；13-火山岩型铜矿；14-斑岩型金矿；15-矽卡岩型金矿；16-热液型金矿；17-稀有金属矿床(W、Mo、Sn、Bi等)；18-稀有金属矿床(Ta、Nb、Li、Be、TR等)；19-铁矿床 Fig. 1 Structural geological sketch map of the Balkhash，the West Junggar，the East Junggar， and the East Tianshan metallogenic belts and their adjacent areas in the Central Asian metallogenic domain，showing distribution of mineral deposits(after Chen et al，2014) |
巴尔喀什成矿带区域地壳演化与金属成矿作用具有以下主要特征：1)古生代地壳生长和演化具有多阶段性(朱永峰等， 2007，2014)，陆壳增生显著(肖文交等，2008；刘刚等，2012)；2)壳幔相互作用强烈(肖文交等，2008)，多旋回物质活化-再活化作用显著(朱永峰等，2007)；3)成矿环境和成矿作用演化具有长期性、周期性(朱永峰等，2007)和继承性，成矿物质具有同源性；4)成矿环境和成矿类型的多样性(肖文交等，2008)；5)成矿时代相对集中在几个时期，主要在晚石炭世-早二叠世(Shen et al., 2013; Chen et al., 2014; 朱永峰等，2014)；6)陆内改造复杂(肖文交等，2008)，造就了成矿作用的多次改造与叠加。以上这些特征导致了成矿带内成矿物质的多次迁移、聚集与成矿，形成了大量世界级的大型超大型矿床，如科翁腊德、阿克斗卡、科克赛、博尔雷等大型超大型斑岩铜矿床，萨亚克大型矽卡岩型铜矿床，以及东科翁腊德、阿克沙套、扎涅特等云英岩-石英脉型钨钼矿床等(陈宣华等，2012a; Chen et al., 2014)。
本文在哈萨克斯坦巴尔喀什成矿带博尔雷斑岩铜矿床北侧采取了有关花岗岩类样品，进行了锆石SHRIMP定年、黑云母和钾长石40Ar/39Ar测年、磷灰石裂变径迹测年，揭示了该地区晚古生代最晚期的花岗岩类岩浆侵入事件及其热演化历史，将原本认为是属于三叠纪的花岗岩类侵入体重新厘定为二叠纪侵入岩体，从而为巴尔喀什成矿带与我国新疆西准噶尔成矿带的对比研究提供了新的依据。
1 巴尔喀什成矿带地质概况
巴尔喀什成矿带(图 1、图 2)位于中亚哈萨克斯坦巴尔喀什湖北侧的巴尔喀什、萨亚克和阿克斗卡地区，是中亚造山带哈萨克斯坦-天山马蹄形构造带的内缘，为一晚古生代(海西期)褶皱区，大地构造位置属准噶尔北缘古生代活动陆缘的滨巴尔喀什泥盆-石炭纪残余洋盆(何国琦等，2004)，是中亚成矿域多核成矿系统的核心部分(朱永峰等， 2007，2014；陈宣华等，2010a)。
 | 图 2 巴尔喀什成矿带西部区域地质简图(据陈宣华等，2010a修改)
1-第四系；2-二叠系；3-石炭-二叠系(未分)；4-石炭系；5-泥盆系；6-志留系；7-前寒武系；8-三叠纪花岗岩类；9-二叠纪花岗岩类；10-石炭纪花岗岩类；11-泥盆纪花岗岩类；12-奥陶纪花岗岩类；13-前寒武纪花岗岩类；14-巴尔喀什湖区；15-逆冲断裂；16-右行走滑断裂；17-断裂；18-采样点位置 Fig. 2 Geological sketch map of the western part of Balkhash metallogenic belt(after Chen et al., 2010a) |
成矿带区域地壳演化主要可以划分为两个阶段：1)中元古代至古生代晚期古洋盆的演化与关闭阶段(李锦轶等，2006)，包括罗地尼亚超大陆形成(Pt2)，罗地尼亚超大陆裂解与古亚洲洋形成(Pt3)，古亚洲洋发展(Pz1)，古亚洲洋最后消亡、关闭和欧亚大陆形成(D-P)；2)二叠纪以来的陆内演化阶段，主要受陆内断裂构造体系的控制，在二叠纪至侏罗纪期间受古太平洋和古特提斯洋演化的影响，新生代期间受印度板块与欧亚板块碰撞的影响(李锦轶等，2006)。晚石炭世至早二叠世，巴尔喀什成矿带东延的新疆北部地区进入后碰撞伸展至大陆裂谷演化阶段(高睿等，2013；徐学义等，2014)。
巴尔喀什成矿带前寒武纪和古生代地层出露于相对稳定地块(莫因特地块)和缝合带中，地层出露齐全，有文德纪-寒武纪石英砂岩、灰岩和含磷地层，奥陶纪灰岩、粉砂岩、砂岩和砾岩建造，在缝合带内有蛇绿岩及蛇绿混杂岩建造。志留纪地层为一套陆相碎屑岩系，其厚度巨大，达5000~6000m。泥盆系分布很广泛，下泥盆统主要为海相陆源沉积，局部含安山玢岩建造，下中泥盆统为海相火山沉积岩建造，期后火山活动强烈，广泛出现安山岩-英安岩-流纹岩建造。早石炭世在滨巴尔喀什地区广泛分布有碳酸盐-陆源碎屑岩建造和陆相流纹岩-英安岩建造，其上为晚石炭世陆源碎屑岩及磨拉石建造。
成矿带具有多期构造-岩浆侵入活动，其中以海西期最为强烈，侵入岩分布十分广泛，主要为中酸性侵入岩，早石炭世花岗岩分布在北巴尔喀什复背斜的边缘，中石炭世-晚石炭世是岩浆活动的鼎盛期，大面积分布的花岗闪长岩-花岗岩建造以及中浅成侵入的中酸性斑岩，构成最具潜力的成矿建造。在托克劳盆地的托帕尔杂岩体，科翁腊德超大型斑岩铜矿床就产于其中最晚期的花岗闪长斑岩中。晚古生代构造-岩浆活动造就了巴尔喀什成矿带，使之成为哈萨克斯坦最主要的斑岩型铜矿化集中区(申萍和沈远超，2010; 李光明等，2008; 陈宣华等，2012a; Shen et al., 2013; Chen et al., 2014; 朱永峰等，2014)，同时也是世界上三大斑岩型铜矿带最重要的铜矿区之一。
2 样品采集与分析方法 2.1 SHRIMP锆石U-Pb定年
本文在哈萨克斯坦巴尔喀什成矿带西部博尔雷斑岩铜矿床的北边采取了有关碱性花岗岩样品(xh080911-1(1)；采样点位置见图 2，野外照片见图 3a)。通过岩样破碎、浮选、电磁选等方法挑选出单颗粒锆石，然后在双目镜下挑纯，手工挑出晶形完好、透明度和色泽度好的锆石。锆石样品靶制备与阴极发光照相：将选出的锆石样品颗粒，固定在双面胶上，将锆石标样(结晶年龄为417Ma)与样品排列在指定位置，随后用模具注入环氧树脂，抽真空，烘干，使树脂固化后对其进行打磨、抛光(至锆石粒径的大约二分之一)，使靶表面光滑、锆石内部充分暴露。锆石阴极发光照相采用北京离子探针中心阴极发光实验室GATAN公司Chroma阴极发光(CL)探头。
 | 图 3 岩石样品与锆石测年分析结果 (a)野外露头照片；(b)测年锆石CL图像；(c)锆石U-Pb谐和图；(d)锆石平均年龄分布 Fig. 3 Rock sample and zircon SHRIMP U-Pb dating results |
锆石U-Pb年龄数据是在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的网络虚拟实验室，通过SHRIMP远程共享控制系统(SHRIMP Remote Operation System，SROS)远程控制位于澳大利亚Curtin理工大学(School of Physical Sciences，Curtin University of Techonology)的SHRIMP II(高分辨二次离子探针质谱仪)仪器而获得的。SHRIMP II具有高灵敏度和高分辨率的特点。SHRIMP远程共享控制系统(SROS)由北京离子探针中心、中国计量科学研究院和吉林大学共同研发，可以实现通过Internet公共网络，远程控制SHRIMP II仪器，远程选取样品待测点和实时远程实验数据输出打印等功能。
测试流程为每分析一次标样接着做3个(有时为2个)锆石测点。一个年龄数据用5组扫描结果的平均值求得。锆石U-Pb年龄计算采用ISOPLOT(3.00版)程序(Ludwig，2003)进行。根据实测的204Pb含量进行普通铅校正。为了避开晶体表层可能存在的微裂纹造成铅的淋滤丢失，分析点选在锆石颗粒中较暗部位(U含量通常较高)，以期尽可能得到准确的测年数据。 2.2 40Ar/39Ar热年代学
40Ar/39Ar测年在国土资源部同位素地质重点实验室完成。选纯的矿物(纯度>99%)用超声波清洗，然后封进石英瓶中送核反应堆中接受中子照射。照射工作在中国原子能科学研究院“游泳池堆”中进行，使用B4孔道，中子流密度约为2.60×1013n·cm-2S-1。照射总时间为2878min，积分中子通量为4.49×1018n·cm-2；同期接受中子照射的监控标准样ZBH-25黑云母标样，标准年龄132.7±1.2Ma，K含量7.6%。
样品阶段升温加热使用石墨炉，初始温度为700℃，相邻加热阶段的温度差主要在40℃至100℃不等，每个阶段加热30min，净化30min。质谱分析在多接收稀有气体质谱仪Helix MC上进行，每个峰值均采集20组数据。所有的数据在回归到时间零点值后再进行质量歧视校正、大气氩校正、空白校正和干扰元素同位素校正。中子照射过程中所产生的干扰同位素校正系数通过分析照射过的K2SO4和CaF2来获得，其值为：(36Ar/37Aro)Ca=0.0002389，(40Ar/39Ar)K=0.004782，(39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar经过放射性衰变校正；40K衰变常数λ=5.543×10-10a-1(Steiger and Jäger，1977)；用ISOPLOT程序计算坪年龄及正、反等时线(Ludwig，2001; v2.49)。坪年龄误差以2σ给出。详细实验流程见陈文等(2006)和张彦等(2006)。 2.3 磷灰石裂变径迹热年代学
裂变径迹(FT)测年分析在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成。采用外探测器法(Gleadow and Duddy， 1981)标准测试流程及Zeta(ζ)校正法(Hurford and Green， 1983)计算得到样品的磷灰石裂变径迹(AFT)年龄。年龄标准样为杜兰哥(Durango)磷灰石(31.4±0.5Ma)。标准玻璃为美国国家标准局SRM612铀标准玻璃，在照射过程中用作放射性剂量计测量中子通量。磷灰石自发裂变径迹在5.5N HNO3中20℃室温条件下蚀刻20s。照射过程中盖在磷灰石颗粒样品和标准玻璃放射性剂量计之上的低铀白云母外探测器诱发裂变径迹蚀刻条件为40% HF，20℃室温，30min。
磷灰石样品在中国原子能科学研究院492反应堆进行辐照。磷灰石裂变径迹统计和径迹长度测量用OLYMPUS偏光显微镜，在放大1000倍浸油及反射光源条件下完成围限径迹长度的测量。计算AFT年龄采用的权重平均Zeta(ζ)值为356.6±10。
3 分析结果 3.1 SHRIMP锆石U-Pb定年
样品xh080911-1(1)锆石为自形粒状和短柱状，无色透明，CL图像(图 3b)显示锆石晶形比较完整，呈短柱状，柱长为100~300μm，个别可长达350μm以上，锆石内部结构均匀，振荡环带韵律结构和扇状分带结构非常明显，个别比较破碎，少数锆石核部或边部有细小的1个或多个暗色包体。所测锆石晶形均较好，具有明显的岩浆锆石特点。
测年结果见表 1。共分析了12粒锆石，每粒锆石测试1个点。锆石中的U、Th含量变化较小，U为48×10-6~379×10-6，Th为44×10-6~315×10-6，Th/U比值为0.65~1.06，均大于0.5，具有岩浆锆石的特点。所有12个测点给出206Pb/238U加权年龄平均值为289.7±2.3Ma(MSWD=1.7；图 3c)，可能代表该碱性花岗岩的结晶年龄，属于早二叠世(二叠纪乌拉尔世)萨克马尔期。
 | 表 1 样品锆石SHRIMP测年数据 Table 1 Zircon U-Pb dating of sample |
博尔雷东北碱性花岗岩样品Xh080911-1(1)钾长石和黑云母40Ar/39Ar阶段升温测年结果见表 2。
| 表 2 黑云母和钾长石40Ar/39Ar法年龄测试数据 Table 2 40Ar/39Ar dating of biotite and K-feldspar |
Xh080911-1(1)钾长石40Ar/39Ar(图 4a，b)12个加热阶段的全熔年龄(Total age)为282.0Ma，坪年龄发育较好，其860~1400℃加热阶段坪年龄为283.2±1.6Ma(包括释出39ArK的90%)。该样品等时线年龄的线性关系较好，给出40Ar-39Ar正等时线年龄为283.8±3.4Ma，反等时线年龄为283.5±2.8Ma。由反等时线得到的40Ar/36Ar初始比值为290.9±5.5，略小于现代大气氩同位素比值(298.56±0.31; Lee et al., 2006)，说明该样品基本上不存在放射性成因氩过剩或氩丢失，因此，这里采用反等时线年龄283.5±2.8Ma为其冷却年龄，属于早二叠世。
 | 图 4 40Ar/39Ar阶段加热年龄谱(a、c)和年龄反等时线(b、d) (a、b)钾长石；(c、d)黑云母 Fig. 4 40Ar/39Ar release spectra(a，c)for stepwise heating analyses and isochron diagrams(b，d) |
Xh080911-1(1)黑云母(图 4c，d)13个加热阶段的全熔年龄(Total age)为303.1Ma，坪年龄发育较好，其850~1300℃加热阶段坪年龄为302.8±1.8Ma(包括释出39ArK的93.9%)。该样品等时线年龄的线性关系较好，给出40Ar-39Ar正等时线年龄为300.6±3.5Ma，反等时线年龄为300.5±3.4Ma。由反等时线得到的40Ar/36Ar初始比值为362±43，大于现代大气氩同位素比值(298.56±0.31; Lee et al., 2006)，说明该样品存在放射性成因氩过剩，真实的冷却年龄要小于该反等时线年龄，因此，这里仍然采用反等时线年龄300.5±3.4Ma为其冷却年龄，属于晚石炭世。该黑云母40Ar/39Ar年龄略大于同样品锆石结晶年龄(289.7±2.3Ma)，不能很好地反映所在岩体的冷却过程。 3.3 磷灰石裂变径迹热年代学
XH080911-1(1)磷灰石裂变径迹(AFT)测年结果如下：测试的颗粒数(Nc)为25，标准玻璃的诱发径迹密度(ρd)为0.949×106cm-2，标准玻璃的诱发径迹数(Nd)为2373，自发径迹密度(ρs)为2.877×105cm-2，自发径迹数(Ns)为538，外探测器诱发径迹密度(ρi)为0.523×106cm-2，外探测器诱发径迹数(Ni)为978，磷灰石样品U含量为6.9×10-6，自由度为Nc-1时得到的χ2值的概率P(χ2)为92.4%，Ns和Ni之间的相关系数(r)为0.876，测量的水平围限径迹数(Nj)为100。
测试结果表明，磷灰石裂变径迹年龄(FT AGE)为92.4±5.9Ma(±1σ)，明显小于岩浆侵入年龄(289.7±2.3Ma；本文)，处在晚白垩世早期。磷灰石围限径迹平均长度(MTL)为14.30±0.11μm(±1σ)，径迹长度标准偏差(SD)为1.05μm。该径迹平均长度小于原始径迹长度(16.3±0.9μm；陈刚等，2005)，也小于快速冷却至地表温度的裂变径迹平均长度(14.5~15.5μm；Green et al., 1989)，表明这些样品均经历了完全退火作用，然后又被缓慢抬升到部分退火带之上并最终成为地表露头。
图 5给出了该样品磷灰石单颗粒年龄直方图和放射图(a)和热历史模拟结果(b)。
 | 图 5 巴尔喀什成矿带磷灰石裂变径迹分析(a)和热历史模拟结果(b) (a)数据图说明：左为单颗粒年龄直方图，曲线为拟合中心年龄趋势;右为放射图，其左侧坐标为误差范围，右侧坐标为年龄，横坐标上为相对误差下为精度，图中圆点为所测试颗粒，直观标明中心年龄、P(χ2)检验值、相对误差和测试颗粒数；(b)采用AFTSolve(Ketcham et al., 2000)得到的热历史模拟结果 Fig. 5 Apatite fission-track(AFT)age histograms(left of a)，radial plots(right of a)，AFT thermal history model(left of b)， and track length distribution(right of b) |
地质热年代学研究的矿物封闭温度是认识地质体(包括矿床)形成与剥露作用的热演化历史的重要依据(陈宣华等，2010b; Chen et al., 2014)。前人认为，巴尔喀什成矿带内存在三叠纪花岗岩类岩浆活动，为该地区(特别是巴尔喀什岩基)的最年轻花岗岩类侵入体。本次研究所进行的锆石SHRIMP U-Pb测年结果，显示该地区最年轻的花岗岩类侵入体的年龄为289.7±2.3Ma，属于早二叠世萨克马尔期。原来被认为是早三叠世侵入的岩体，也给出了早二叠世的年龄。与之类似，在巴尔喀什成矿带东延的我国境内西准噶尔成矿带，也出现一些早二叠世花岗岩类岩基，如夏尔莆岩体(即克拉玛依岩体)给出早二叠世年龄(297.6±2.5Ma；李永军等，2013)，大致属于同一时期。
从巴尔喀什成矿带西部云英岩-石英脉型钨钼矿床花岗岩类和晚古生代最晚期花岗岩类侵入岩体的锆石U-Pb年龄、黑云母和钾长石40Ar/39Ar年龄、磷灰石FT年龄和模拟热历史，以及它们各自的封闭温度所构成的演化曲线(图 6)来看，该地区钨-钼成矿作用的深度可能要远远超过磷灰石FT部分退火带的深度(其上界面在2km附近)，而达到钾长石40Ar/39Ar封闭温度所代表的深度位置(估计在5km左右; 陈宣华等， 2012a，b)。
 | 图 6 巴尔喀什成矿带晚古生代最晚期侵入岩体岩浆作用和剥露过程的温度-时间图解 图中同时给出钨钼矿床的岩浆-成矿作用和剥露过程(修改自陈宣华等，2012b). 矿物封闭温度据陈宣华等(2010b)和引用的相关文献. a-d分别为冷却速率0.1℃/Ma、1℃/Ma、10℃/Ma和100℃/Ma线. 粗虚线及其阴影部分为推测冷却曲线. 磷灰石裂变径迹模拟曲线：①为东科翁腊德；②为阿克沙套；③为扎涅特；④为本文数据. 矿物代号：Zr-锆石;Bt-黑云母;Kfs-钾长石;Ap-磷灰石 Fig. 6 Temperature vs. time diagram showing the evolution history of the latest pluton in Late Paleozoic and its exhumation in the western part of the Balkhash metallogenic belt |
巴尔喀什成矿带西部晚古生代最晚期花岗岩类岩浆侵入岩体的磷灰石FT年龄(92.4±5.9Ma)，与该地区钨-钼矿床花岗岩类的磷灰石FT年龄(92.2±5.0Ma至80.3±4.9Ma；陈宣华等，2012b)极为一致，代表了该岩体与钨-钼矿床共同的剥露年龄，同时也是区域地壳的整体剥露年龄。这说明，只有到了晚白垩世，该地区才开始剥露到2km(约60℃)以浅(图 6)。磷灰石FT年龄反映巴尔喀什成矿带的整体隆升事件处在我国新疆准噶尔盆地周缘构造抬升-剥露作用的时限(~135Ma至~67Ma；李丽等，2008；李玮等，2010)之内，说明了巴尔喀什成矿带与我国新疆西准噶尔成矿带在晚中生代剥露历史上具有一致性。由于受中生代右行走滑断裂活动和局部的差异抬升作用的影响，造成了不同地质体之间磷灰石裂变径迹年龄之间的微小差异。磷灰石裂变径迹测年结果表明，巴尔喀什地区并没有受新生代印度-欧亚板块陆-陆碰撞事件的影响，也没有受新生代天山造山带构造变形作用的影响。 5 结论
通过巴尔喀什成矿带西部晚古生代最晚期花岗岩类侵入岩体的锆石SHRIMP U-Pb定年、40Ar/39Ar热年代学、磷灰石裂变径迹定年和热历史模拟，结合前人研究数据，得到结论如下：
(1)巴尔喀什成矿带西部地区原来被认为是属于三叠纪的后碰撞花岗岩类侵入岩体，给出锆石SHRIMP U-Pb年龄为289.7±2.3Ma(早二叠世)，代表了该地区晚古生代最晚期深成岩浆侵入事件的年龄，与该地区最晚期云英岩-石英脉型钨钼成矿作用的年龄相当。
(2)区域深成岩浆侵入、钨钼成矿作用、中温冷却到低温剥露作用热历史全过程的构建，揭示了晚古生代最晚期花岗岩类侵入体具有与钨钼矿床类似的热演化历史，反映了区域热演化的整体性与一致性。其中，晚古生代最晚期花岗岩类侵入体具有与钨钼矿床相同的中生代晚白垩世剥露作用年龄(92.4±5.9Ma)，反映了巴尔喀什成矿带晚白垩世整体抬升与剥露历史。
致谢 一起参加野外地质调查与采样的还有杨农、李光明、张进、申萍、薛春纪、吕新彪、张林浩、西尔班·佳克巴娃等;研究工作得到新疆维吾尔自治区国家305项目办公室、哈萨克斯坦萨特巴耶夫地质科学研究所和课题组聂凤军、白大明和江思宏研究员的大力支持与帮助;资料收集得到新疆自然资源与生态环境研究中心王煜高级工程师的帮助;两位审稿专家提出了建设性的修改意见;作者谨表衷心感谢。| [1] | Chen G, Zhao ZY, Li PL, Ren ZL, Chen JP and Tan MY. 2005. Fission track evidence for the tectonic thermal history of the Hefei basin. Chinese Journal of Geophysics, 48(6): 1366-1374 (in Chinese with English abstract) |
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