2012, Vol. 28
2. 中国科学院研究生院，北京 100049;
3. 中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083;
4. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871;
5. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局，乌鲁木齐 830000
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China;
4. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
5. Bureau of Geology and Mineral Resources Development of Xinjiang, Urumqi 830000, China
乔霍特铜矿为一中型铜矿，位于新疆和静县巴音布鲁克镇东约45km，地处中天山中段、伊犁地块东南缘、阿吾拉勒山与那拉提山交汇处。围岩为志留纪巴音布鲁克组火山岩，因其含浸染状铜等硫化物矿石，缺乏块状矿石而与块状硫化物矿床有别，故命名为海相火山岩浸染状硫化物型铜矿床 (陈毓川等，2008)。该类型矿床在新疆天山地区分布广泛，多为中小型矿床，控制资源储量约74.04万吨，约占中国天山控制铜资源储量的8.75%(陈毓川等，2008)。新疆西天山地区 (特别是在伊犁地块南北缘) 分布有大量的古生代海相火山岩，近年来新发现了一大批海相火山岩浸染状硫化物型铜矿床 (点)(陈毓川等，2008；吴淦国等，2008)。目前，关于该矿床成因机制主要以火山热液充填-交代成矿为主，如王立本等 (2000①) 认为该矿床西段含铜金石英脉型矿体与其南侧的花岗岩岩浆活动有关，其它矿段矿体为火山热液充填交代而成；刘运纪等 (2002)通过赋矿岩石及矿石矿物地质地球化学研究认为其为火山热液充填-交代而成；王志良等 (2004)认为晚志留世巴音布鲁克组火山岩为其矿源层，火山活动晚期热液成矿特征明显。然而，该矿床形成于何种构造环境下？其与块状硫化物矿床有何成因上的关联？对于块状硫化物矿床的勘查找矿具有何种指示意义？仍是值得讨论的重要问题。因此，本文在野外地质工作的基础上，根据矿区内围岩火山岩的地质地球化学特征、Sr-Nd同位素及侵入其中的辉绿岩LA-ICP-MS锆石定年结果，分析了围岩火山岩的成因及形成的构造环境，讨论了乔霍特铜矿的成矿构造背景和矿床成因，初步建立了成矿模式，阐述了成矿过程。
① 王立本，郑明华，蔡宏渊.2000.南天山大型贵重、有色金属矿床成矿条件研究、靶区优选与评价 (国家305项目96-915-04-03-03)
1 区域成矿地质背景天山造山带位于中亚造山带西南缘，在我国境内以伊犁-中天山北缘断裂带、那拉提北缘断裂带和中天山南缘断裂带为界，分为北天山弧增生体、伊犁地块、中天山复合弧地体和塔里木北部陆缘 (Gao et al., 2009；高俊等，2009)。研究区位于伊犁地块东南缘，中天山复合弧地体西部，夹持于那拉提北缘断裂带和中天山南缘断裂带间，毗邻中天山南缘断裂带 (图 1)。伊犁-中天山北缘断裂带自东向西，经干沟、冰达坂、哈希勒根达坂延至精河县南与博尔塔拉河断裂交汇，构成伊犁地块和准噶尔的分界线。沿该带出露的蛇绿岩 (车自成等，1994)、岛弧火山岩 (朱志新等，2006a；董云鹏等，2006)、活动陆缘闪长岩 (朱志新等，2006b；Gao et al., 2009) 及高温低压变质带等表明伊犁-中天山北缘断裂带为一条古生代缝合带，代表了准噶尔洋的存在。那拉提北缘断裂带西与尼古拉耶夫线相连，代表了一早古生代缝合带 (Gao et al., 2009；Qian et al., 2009)，为伊犁地块和中天山复合弧地体的分界线。该带在我国境内可确定延伸至夏特南约5km的那拉提山北坡 (Qian et al., 2009)，向东推测与伊犁中天山北缘断裂带汇合 (高俊等，2009)。中天山南缘断裂带西接吉尔吉斯斯坦境内的阿特巴什-伊内里切克断裂 (Solomovich and Trifonov, 2002)，经汗腾格里峰、哈尔克山北坡、巴仑台、库米什，延伸至东天山，代表了中天山复合弧地体与塔里木地块拼接的缝合带。沿该带分布着两支蛇绿混杂岩带 (图 1；王作勋等，1990；Gao et al., 1998)，即位于南天山北缘、沿长阿吾子-库米什展布的早古生代蛇绿岩带 (肖序常和汤耀庆，1991) 和位于南天山南缘、沿黑英山-欧西达坂展布的晚古生代蛇绿岩带 (李春昱等，1982)。中天山复合弧地体位于天山造山带核部，以那拉提北缘断裂带和南天山缝合带为界，夹持于伊犁地块与塔里木北部陆缘之间 (图 1)。区内发育中新元古代那拉提群变质岩，以片麻岩、混合岩为主，夹少量角闪片岩和大理岩 (王宝瑜等，1994)，且广泛叠加古生代岩浆岩、火山岩和沉积岩 (高俊等，2009)。高精度年代学资料表明，中天山具新太古代-古中元古代结晶基底 (陈义兵和胡霭琴，1999；杨天南等，2006；Zheng et al., 2006；李继磊等，2010；Long et al., 2011)。此外，大量古生代花岗质岩石呈复式岩体侵入到前寒武纪角闪岩相变质岩中。高精度年代学获得的479~275Ma的花岗岩类年龄 (韩宝福等，2004；朱志新等，2006b；杨天南等，2006；Gao et al., 2009) 表明，中天山奥陶纪至二叠纪岩浆活动强烈。研究区志留纪巴音布鲁克组和石炭纪大哈拉军山组火山岩在那拉提山、拉尔敦达坂至巴仑台一带广泛发育，是区内重要的铁、铜、金等多金属赋矿地层。
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图 1 天山及其邻区构造略图 (据Lomize，1997；Gao et al., 1998；Qian et al., 2009改绘) 1-前寒武纪基底；2-前寒武纪基底叠加古生代岩浆岩；3-早古生代碳酸盐岩、碎屑岩和复理石；4-古生代火山岩和沉积岩；5-高压-低温变质岩；6-蛇绿岩；7-断裂；8-研究区域；NYCS-伊犁-中天山北缘断裂；NNF-那拉提北缘断裂；SCS-中天山南缘断裂；NTF-塔里木北缘断裂；AIF-阿特巴什-伊内里切克断裂 Fig. 1 Sketch tectonic map of Tianshan Orogen and adjacent regions (modified after Lomize, 1997; Gao et al., 1998; Qian et al., 2009) |
乔霍特地区出露的地层主要有北部艾肯达坂至那拉提一带的中元古界拉尔墩群、分布在该区南部的志留系巴音布鲁克组、艾肯达坂以南和北部断裂以北的巩乃斯河流域的石炭系地层及巴音布鲁克镇附近的侏罗纪地层 (图 2a)。其中，晚志留世巴音布鲁克组中基性火山岩为赋矿围岩，主要以安山质火山岩为主，夹有薄层玄武岩和流纹岩。此外，辉绿岩常呈小岩株状侵入到火山岩地层及矿区南侧的花岗闪长岩中。王立本等 (2000)对该组火山岩进行Rb-Sr同位素地质年代学研究，获得火山岩Rb-Sr等时线年龄408Ma，结合该套地层中含有王冠虫化石 (新疆维吾尔自治区地质矿产局，1971①)，认为矿区火山岩应形成于晚志留世。笔者曾对包裹于火山岩地层中的钾长花岗岩角砾进行锆石U-Pb定年获得431Ma年龄 (张喜等，2011)，据此推测该套火山岩可能形成于中-晚志留世。矿区内断裂构造广泛发育，以近东西向大断裂构造为主，是成矿物质运移的重要导矿构造；与其平行的次级断裂为重要的容矿构造。
①新疆维吾尔族自治区地质矿产局.1971.1:20万巴音布鲁克幅(K-45-7)地质图(内部资料)
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图 2 乔霍特地区地质略图 (a，据新疆维吾尔族自治区地质矿产局，1971改编；b，据宋果齐等，1992①改绘) Fig. 2 Geological sketch map in Qiaohuote region |
① 宋果齐等.1992.新疆和静县乔霍特铜矿普查报告(内部资料)
乔霍特铜矿自西向东，依次可分为乔西、乔霍特、八一、大河沿和大东沟矿区 (图 2b)，自南向北可分为南、中、北3个矿化带 (蔡宏渊等, 2001；刘运纪等，2002)。南矿化带分布于矿区南部，以石英脉型和重晶石石英脉型矿化为主，铜矿物以黄铜矿为主，赋矿围岩为巴音布鲁克组安山岩；中矿带铜矿物以辉铜矿为主，黄铜矿少量，赋矿围岩为巴音布鲁克组玄武岩类岩石；北矿带分布于矿区中北部，赋矿围岩为巴音布鲁克组灰岩、细砂岩等。各矿化带矿体以层状、似层状、透镜状为主，局部有膨大和收缩。走向大致平行、呈近东西向断续产出，与东西向区域大断裂走向一致。矿石品位0.88%~3.51%，局部富矿石可达15%(王志良等，2004)。
矿石类型主要为辉铜矿型和黄铜矿型 (包括重晶石石英脉型黄铜矿矿石和碳酸盐型黄铜矿矿石；蔡宏渊等, 2001)，金属矿物主要为黄铜矿、黄铁矿、辉铜矿、黝铜矿、斑铜矿等；氧化物以孔雀石、蓝铜矿、赤铜矿、赤铁矿和褐铁矿为主。脉石矿物为绿帘石、绿泥石、石英、重晶石、绢云母和碳酸盐矿物等。矿石结构为他形粒状结构、半自形粒状结构、残余结构、交代结构和熔蚀结构。矿石构造为细脉状、细脉浸染状、团块状、条带状和角砾状构造等。乔霍特铜矿大体经历了三个矿化期：早期为同生喷流沉积成矿期，在杏仁状玄武岩及部分火山沉积岩中形成少量初始矿化富集，矿体为层状、似层状，铜矿物以辉铜矿为主，具有类似于喷流-沉积型铜矿的特征。中期为富硫化物-绿帘石-石英成矿期 (聂凤军等，2005；王志良等，2004)，矿化较强，主要产出在安山质火山岩的断裂破碎带或裂隙中，金属硫化物常遭破坏，并被后期矿物交代、熔蚀 (图 3)；蚀变以绿泥石化、绿帘石化、硅化和碳酸盐化为主，铜矿物以黄铜矿为主，呈浸染状、细脉状和团块状赋存在石英-碳酸盐-绿帘石脉中。晚期含硫化物石英-方解石成矿期 (聂凤军等，2005；王志良等，2004) 矿化赋存在安山质火山岩与矿区北部灰岩接触破碎带中，蚀变主要以绿泥石化、碳酸盐化和硅化为特征，铜矿物为黄铜矿，呈细脉 (浸染) 状赋存在石英-碳酸盐-绿泥石脉中。
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图 3 乔霍特铜矿矿化特征 (a)-黄铜矿内部发育特征的碎裂组构、并被拉长呈定向排列 (反射光)；(b)-黄铜矿发生破裂 (反射光)；(c)-针铁矿交代、熔蚀黄铜矿 (正交)；(d)-针铁矿交代、熔蚀黄铜矿 (反射光) Fig. 3 Mineralization of Qiaohuote copper deposit |
矿区出露的火山岩主要以熔岩类为主，火山碎屑岩次之。以中性安山岩为主，基性玄武岩类次之，有少量酸性流纹岩类。辉绿岩呈小岩株状侵入到火山岩地层及矿区南侧的花岗闪长岩中。本次工作自西向东分别在乔西、乔霍特和八一矿区系统采集了与成矿相关的各类火山岩、辉绿岩及代表性矿石样品 (采样点见图 2b)，经过镜下详细观察，挑选了具有代表性、且蚀变较弱的样品进行了岩石地球化学分析及辉绿岩锆石U-Pb年龄测试。
主、微量元素和Sr-Nd同位素测试均在中国科学院地质与地球物理研究所完成。主量元素使用顺序式X射线荧光光谱仪 (XRF-1500) 完成测试，分析采用国家一级岩石标样GBW07101-07114为基本效应校正，每10个样品带一个平行样品，检验实验的可靠性，利用标准曲线法校正，分析误差优于5%。微量和稀土元素含量测试利用酸溶法制备样品，使用ICP-MS Element Ⅱ测试完成，以GSR为标样进行质量监控，采用标准曲线法来校正，以ln内标校正仪器漂移。分析精度为：当元素含量大于10×10-6时，精度优于5%，当含量小于10×10-6时，精度优于10%。主量、稀土及微量元素分析结果见表 1、表 2。Rb、Sr、Sm、Nd同位素测试在德国Finnigan公司生产的MAT-262热电离质谱计 (TIMS) 上完成，化学流程和同位素比值测试可参见 (Chen et al., 2000, 2002)，同位素测试结果见表 3。锆石U-Pb年龄测试在中国地质大学 (北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，激光束斑直径为36μm，采用He作为剥蚀物质的载气，流速为0.8L/min。测试时每隔十个样品测试标准锆石91500、TEM和NIST612，具体实验流程类似于Ren et al.(2010)。年龄计算时以标准锆石TEM为外标进行同位素比值校正，标准锆石91500、Qinghu和Plesovice为监控盲样；元素含量以国际标样NIST610为外标，Si为内标计算，NIST612和NIST614做监控盲样。锆石测定点的同位素比值、U-Pb表面年龄和U-Th-Pb含量计算采用GLITTER4.4程序，谐和图及年龄计算采用Isoplot 3.0程序 (Ludwig，2003)，测试结果见表 4。
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表 1 乔霍特铜矿围岩及矿化火山岩主量元素地球化学分析数据 (wt%) Table 1 Major element compositions of the volcanic and ore-hosting volcanic rocks in Qiaohuote copper deposit (wt%) |
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表 2 乔霍特铜矿区围岩火山岩、矿化火山岩和矿石稀土及微量元素地球化学分析数据 (×10-6) Table 2 Trace element compositions of volcanic, ore-hosting volcanic rocks and ores in Qiaohuote copper deposit (×10-6) |
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表 3 乔霍特铜矿区围岩火山岩、矿化火山岩和矿石Rb-Sr和Sm-Nd同位素组成 Table 3 Rb-Sr and Sm-Nd isotopic compositions of the volcanic, ore-hosting volcanic rocks and ores from Qiaohuote copper deposit |
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表 4 乔霍特铜矿区辉绿岩单颗粒锆石U-Pb同位素分析结果 Table 4 Zircons U-Pb isotopic compositions of the diabase in Qiaohuote copper deposit |
主量元素分析结果 (表 1) 显示火山岩样品的挥发份 (LOI) 介于1.25%~4.55%之间，表明岩石样品较新鲜，没有经过强烈的蚀变。乔霍特铜矿围岩火山岩SiO2变化大 (50.06%~71.73%)，发育了从基性到酸性多种类型火山岩，以基性-中基性岩石为主。岩石全碱 (K2O+Na2O) 含量为4.54%~9.32%，K2O/Na2O较低，介于0.01~1.05，σ值为1.71~6.12，为钙碱性-碱钙性岩。除样品S1-8外，其他火山岩样品的Mg#值 (40.3~64.51) 较高，且变化范围较大，表明经历了中等程度的分离结晶作用。此外，两件流纹岩样品 (S1-8、B1-33) 的TiO2和P2O5含量较低，其他样品TiO2含量较高为1.22%~2.28%，P2O5含量为0.17%~0.50%。在TAS图解中 (图 4a)，大部分样品位于玄武安山岩区域，呈碱性，少数样品为亚碱性。考虑到该套火山岩地层形成时代较早，活动性较强的元素 (如K、Na等) 易在后期蚀变过程中发生迁移，故又通过Zr/TiO2-Nb/Y图解 (图 4b)，SiO2-FeOT/MgO图解 (图 4c) 及AFM图解 (图 4d) 进行岩石系列划分。结果显示，围岩火山岩多为玄武安山岩，属钙碱性系列。
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图 4 乔霍特铜矿志留纪火山岩TAS图解 (a)、Zr/TiO2-Nb/Y图解 (b)、SiO2-FeOT/MgO图解 (c) 及AFM图解 (d) BA-玄武安山岩；TB-粗面玄武岩；TBA-玄武质粗面安山岩. 图 5、图 8、图 9的图例同此图 Fig. 4 TAS (a), Zr/TiO2 vs.Nb/Y (b), SiO2 vs.FeOT/MgO (c) and AFM (d) diagrams of Silurian volcanic rocks from Qiaohuote copper deposit |
部分样品 (0845-2) 富Fe (Fe2O3T=14.09%.)、Ti (TiO2=1.96%)，低SiO2(50.06%)，且FeOT/MgO高 (12.68)，具有Fe-Ti玄武岩的特征。与其他玄武质火山岩相比，Fe-Ti玄武岩Al2O3、MgO、CaO含量偏低，而P2O5相对富集，其Mg#值为49.15，反映岩浆经历了较高程度的结晶分离作用。此外，镜下观察发现，Fe-Ti玄武岩中不透明矿物含量较少 (约2%~6%)，近于或低于其他火山岩中的不透明矿物含量，表明其高的Fe和Ti含量并非来自于磁铁矿或钛铁矿的富集所致。
乔霍特矿区围岩火山岩和矿化火山岩样品稀土总量不高 (ΣREE=67×10-6~187×10-6)，轻重稀土具有一定的分异 ((La/Yb)N=1.35~3.30)，且轻稀土相对富集 (表 2)。轻重稀土内部分异差异明显，反映轻稀土元素内部分异程度的 (La/Sm)N比值为1.26~2.5，而反映重稀土元素内部分异程度的 (Gd/Yb)N比值为1.12~1.51，表明乔霍特铜矿区火山岩中稀土元素配分模式为轻稀土富集、重稀土相对亏损型，具有左陡右缓的特征。在稀土元素球粒陨石标准化图中 (图 5a)，火山岩样品均表现出LREE相对于HREE富集的配分型式，除个别样品 (0840-4)δEu稍大于1外，其他样品均具有不同程度的Eu负异常，说明源区有斜长石的残留或经历了斜长石的结晶分异作用。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上 (图 5b)，各类火山岩样品具有相似的配分曲线，大离子亲石元素 (LILE) Rb、Ba、Th、U等富集，高场强元素 (HFSE) Nb、Ta、Ti等相对亏损。
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图 5 乔霍特铜矿围岩火山岩、矿化火山岩及矿石球粒陨石标准化稀土配分模式图和原始地幔标准化微量元素蛛网图 (标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 5 Chondrite-normalized REE distribution patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of the volcanic, ore-hosting volcanic rocks and ores from Qiaohuote copper deposit (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
3件浸染状矿石样品稀土总量ΣREE介于104×10-6~117×10-6，与矿化的中性火山岩相当。矿石样品轻重稀土分异较明显 ((La/Yb)N=1.85~3.56)，分异程度高于矿区围岩火山岩。矿石样品球粒陨石标准化的稀土配分曲线呈右倾型 (图 5c)，轻稀土轻度分异 ((La/Sm)N=1.00~1.39)，重稀土分异较强 ((Gd/Yb)N=1.42~1.91)，具有弱的Ce负异常 (δCe=0.93~0.94) 和Eu负异常 (δEu=0.71~0.95；一件样品显示正的Eu异常)。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上 (图 5d)，矿石样品表现为大离子亲石元素 (LILE) Rb、Ba、Th、U等富集，高场强元素 (HFSE) Nb、Ta、Ti等相对亏损的特征。
4.2 Nd-Sr同位素乔霍特铜矿区志留纪火山岩Sr-Nd同位素分析结果见表 3，本文采用430Ma计算εNd(t) 和初始87Sr/86Sr值。由表可见，矿区内围岩火山岩、矿化火山岩和矿石具有相似的εNd(t) 值和初始87Sr/86Sr值，表明成矿物质与围岩火山岩具有相同的物质来源。此外，正的εNd(t) 值 (+4.58~+5.60) 和高且变化较大的初始87Sr/86Sr值 (0.7047~0.7065) 与中亚造山带显生宙花岗质岩石的特征相似 (Han et al., 1997；韩宝福等，1998)，这些具有初生地壳性质岩浆的普遍发育是中亚地区地壳生长的主要方式 (朱永峰等，2006)。乔霍特铜矿区火山岩正εNd(t) 值及相对较高的初始87Sr/86Sr值，表明该地区志留纪时期的地壳生长方式主要为与俯冲有关的幔源岩浆通过岛弧叠加到大陆地壳上，矿区火山岩与成矿物质应是洋壳俯冲消减部分熔融的产物。
4.3 辉绿岩锆石U-Pb年龄本文对侵入于火山岩地层中的辉绿岩进行了共计19个测试点的单颗粒锆石LA-ICP-MS U-Pb分析，分析结果见表 4。待测锆石大部分为短柱状到长柱状，长/宽比约为1.2︰1~3︰1，颗粒大小约50~100μm，阴极发光 (CL) 图像显示测年锆石均自形且具有清晰的结晶成分环带 (图 6a)。所测锆石的Th、U含量分别变化于93×10-6~315×10-6和78×10-6~247×10-6，Th/U比值变化于0.75~1.45，属于典型的岩浆锆石 (Williams，2001；Rubatto，2002；吴元保和郑永飞，2004；Schulz et al., 2006)。19个锆石分析点的206Pb/238U加权平均年龄为281.0±1.9Ma (MSWD=0.79，图 6b)，代表了辉绿岩的形成年龄。
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图 6 辉绿岩中典型锆石的阴极发光图像 (a) 及U-Pb年龄谐和图 (b) Fig. 6 Cathodoluminescence images of zircons (a) and LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram of zircons from the diabase in Qiaohuote copper deposit |
马中平等 (2008)通过巴音布鲁克镇东北部戈仑唐古什地区火山岩研究，认为该套火山岩系受俯冲洋壳板片沉积物-流体及板片熔体双重交代作用的产物，流体-沉积物对地幔楔的交代作用占主导地位，板片熔体的交代作用程度相对较低。相对于戈仑唐古什地区，其东侧乔霍特地区火山岩具有如下的地球化学特征：(1) 研究区火山岩具有相似的REE配分模式和微量元素标准化分布型式 (图 5) 及相近的εNd(t) 和 (87Sr/86Sr)i值，表明这些火山岩来源于同一地幔源区。火山岩Zr/Nb (平均37)、Hf/Ta (平均17) 比值均与N-MORB的相应比值接近 (Sun and McDonough, 1989；分别为30和15.5)，表明乔霍特铜矿区火山岩的源区与N-MORB的地幔源区相类似，为亏损地幔。此外，流纹-安山-玄武质火山岩之间的稀土元素配分模式存在一定的差异 (图 5)，暗示它们之间存在较明显的岩浆结晶分异作用。玄武岩稀土元素配分模式呈平缓右倾的平滑斜线；安山质火山岩呈平缓右倾并略有V谷的曲线，且铕异常 (δEu) 具有从较低的负异常到正异常的演化模式；流纹岩则为平缓右倾且具有中等V谷的曲线。从玄武岩->安山岩->流纹岩，稀土总量表现出逐渐递增的趋势，而铕异常 (δEu) 则呈现出由大到小的递变特点，稀土元素配分模式由平坦型逐渐过渡为右倾型和“V”型。这些特征表明，本区火山岩应是同源岩浆分异由基性向酸性演化的产物。(2) 在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相关图中 (图 7)，围岩火山岩、矿化火山岩及矿石样品均落入地幔阵列右侧，并存在与地幔阵列近平行的线性负相关关系，其地幔源区可能有俯冲带中的流体或洋壳消减所携带的沉积物加入或是由岩浆上升过程中地壳物质的混染所致。而Nb/Ta-La/Yb负相关性 (图略) 则进一步说明研究区火山岩具有一定程度的地壳混染 (Münker，1998)。(3) 尽管乔霍特火山岩中Th和LREE含量高于N-MORB、HFSE含量 (如Zr=108×10-6~246×10-6、Hf=2.91×10-6~6.39×10-6、Ta=0.13×10-6~0.43×10-6、Nb=2.44×10-6~6.92×10-6；表 2) 高于典型岛弧岩浆值，反映源区可能有俯冲板片熔体的加入 (Klein et al., 1997；Defant et al., 2002；Gertisser and Keller, 2003；Hawkins，2003)。但是乔霍特火山岩较戈仑唐古什地区火山岩具有较低的Sr (73×10-6~545×10-6) 含量和较高的Y (27.1×10-6~47.1×10-6)、Yb (2.62×10-6~4.38×10-6) 含量，表明乔霍特火山岩源区深度浅于戈仑唐古什地区的火山岩，俯冲洋壳板片发生部分熔融所需的条件不成熟，可见乔霍特地区火山岩板片熔体的交代作用程度可能更低。
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图 7 乔霍特铜矿火山岩εNd(t)-(87Sr/86Sr)i相关图 (据Zindler and Hart, 1986修改) Fig. 7 Diagram of of εNd(t) vs.(87Sr/86Sr)i volcanic rocks in Qiaohuote copper deposit (after Zindler and Hart, 1986) |
研究表明，形成于俯冲环境下源区受俯冲带中的流体或沉积物改造的火山岩在地球化学特征上具有显著区别。俯冲带中的流体常富集LILE (如Rb、Ba、Sr)、贫REE和HFSE (如Ce、Th、Nb、Ta、Zr) 及U、Pb等活动元素，而俯冲带中的沉积物则具有较高的Th和LREE (Seghedi et al., 2001；Guo et al., 2006)。因此，源区受俯冲带流体交代的火山岩应具有较高的Ba/Nb、Pb/Nd、Sr/Th和Ba/Th比值，而源区受俯冲带中沉积物改造的火山岩则亏损Th并具有较低的Th/Ce比值。地球化学特征显示乔霍特铜矿围岩火山岩具有较高的Ba/Nb、Pb/Nd、Ba/Th比值，及较低的Th/Ce比值 (图 8)。由此可见，乔霍特铜矿围岩火山岩的地幔源区主要受到了俯冲带中流体的交代，沉积物加入的影响较小或可忽略不计。
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图 8 乔霍特铜矿火山岩La/N-Ba/Nb (a，据Jahn et al., 1999修改)、Ba/La-Pb/Nd (b，据Seghedi et al., 2001修改)、Sr/Th-Th/Ce (c) 和Th-Ba/Th (d，据朱永峰等，2005修改) 图解 Fig. 8 Plots of La/Nb vs.Ba/Nb (a, after Jahn et al., 1999), Ba/La vs.Pb/Nd (b, after Seghedi et al., 2001), Sr/Th vs.Th/Ce (c) and Th vs.Ba/Th (d, after Zhu et al., 2005) for the representative samples from Qiaohuote copper deposit |
研究区火山岩的 (Nb/La)N(0.28~0.77) 比值小于1，Th/Ta (4.86~9.60)、Th/Nb (2.44~6.92) 比值较高，表明岩浆具有岛弧岩浆的性质，可能来自于受俯冲流体交代的地幔源区 (Wilson, 1989；Pearce and Peate, 1995)。围岩火山岩轻稀土富集、重稀土相对亏损，大离子亲石元素富集 (如Th，U，La，Ce等)，而相对亏损Rb、Nb、Ta、Ti等，呈现出典型的岛弧火山岩的微量元素变化特征 (Hawkesworth et al., 1993；Pearce and Peate, 1995；Tatsumi and Kogiso, 1997)。研究表明，俯冲洋壳板片脱水产生的流体向地幔偰提供LILE和少量LREE，地幔偰加水部分熔融并与流体及俯冲组分发生交代反应 (Hawkesworth et al., 1993；Elliott et al., 1997；Plank and Langmuir, 1998)，而高场强元素HFSE (如Nb、Ta、Ti) 则以金红石、榍石和钛铁矿等形式残留下来 (Brenan et al., 1994)，从而形成富LILE，轻度富集LREE、贫HFSE的岛弧火山岩。在不活动元素构造判别图Hf/3-Th-Ta中 (图 9a)，矿区火山岩均具有从岛弧拉斑玄武岩向钙碱性玄武岩演化的线性趋势，表明这些火山岩可能形成于汇聚板块边缘环境；而Th/Yb-Ta/Yb关系 (图 9b) 进一步表明研究区火山岩主要产于大洋岛弧中。
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图 9 乔霍特铜矿区火山岩Hf-Th-Ta图解 (a，据Wood，1980) 和Th/Yb-Nb/Yb图解 (b，据Pearce，1983) Fig. 9 Hf-Th-Ta discrimination diagram showing subduction-related calc-alkaline compositions (after Wood, 1980) and Th/Yb vs.Nb/Yb diagram showing the subduction-related continental arc affinities (after Pearce, 1983) of volcanic rocks in Qiaohuote copper deposit |
Fe-Ti玄武岩主要形成于“前进裂谷”环境 (指离散型板块边界岩石圈发生渐次裂离的前缘位置)，如大洋扩张脊环境，弧后盆地 (如Lau Basin) 和陆内环境 (Furnes et al., 1998；Harper，2003)。围岩火山岩中的富Fe、Ti和贫Si的玄武岩主量元素特征符合Fe-Ti玄武岩的定义，表明乔霍特铜矿围岩火山岩可能形成于拉张环境。此外，该套火山岩中含化石的灰岩和砂岩大量发育 (刘运纪等，2002)，说明火山喷发活动在浅海环境中进行。因此，我们认为乔霍特铜矿围岩火山岩可能形成于岛弧区的弧后拉张环境，处于浅海环境中。
综上所述，乔霍特铜矿围岩火山岩可能形成于岛弧区弧后拉张环境，主要系受俯冲带中流体交代的地幔源区通过岩浆结晶分异而来，板片熔体的交代作用程度很低。鉴于该套地层地处伊犁地块南缘，紧邻中天山南缘断裂带 (图 1)，我们认为它可能是南天山洋向伊犁-中天山板块之下俯冲的产物。
5.2 火山岩与成矿关系研究区围岩火山岩从玄武岩->安山岩->流纹岩具有明显的分异演化特征，构成一套较完整的钙碱性岛弧火山岩系列。围岩火山岩球粒陨石标准化稀土配分曲线呈轻稀土富集、重稀土相对亏损型，具有左陡右缓的特征。从玄武岩->安山岩->流纹岩，稀土分异程度逐渐增强。相对而言，矿区矿石样品稀土总量较高，部分样品具有较高的Eu正异常，其δCe异常及稀土和微量元素标准化配分型式与围岩相似。此外，野外发现杏仁状玄武岩的杏仁构造中矿石矿物与绿帘石、方解石、钾长石等蚀变共生，且围岩火山岩、矿化火山岩及矿石样品具有相似的εNd(t) 值和初始87Sr/86Sr值，表明围岩火山岩为矿源层，成矿物质与围岩火山岩具有相同的物质来源，矿化火山岩与矿石对围岩火山岩具有继承性。
研究表明，LREE在热液中较HREE具有更强的活动性，热液蚀变过程中更容易被活化、淋滤和运移，热液沉淀物较围岩相对富集LREE (Terakado and Fujitani, 1998；Campbell et al., 1984；Norman et al., 1989)。乔霍特铜矿矿石LREE相对富集，表明成矿物质稀土元素与来自火山岩同源流体的稀土元素的分异演化有关；矿石样品具有弱的Ce负异常则表明成矿物质在沉淀过程中可能受到了海水的轻微影响，成矿流体有海水参与 (丁振举等，2003)。国内外典型VMS型矿床研究发现，其围岩火山岩和矿石具有Eu正异常的特征 (Shikazono，1999；Shikazono et al., 2008；Michard，1989)，而乔霍特铜矿除部分围岩和矿石具有较强的Eu正异常外，其他样品均显示不同程度的Eu负异常，可能原因有二：矿石由继承了Eu亏损的成矿热液沉淀而成或/且矿石形成后受到了构造改造或流体作用导致Eu与其他稀土元素发生分离。上已述及，乔霍特铜矿围岩火山岩从基性到酸性具有不同程度的Eu负异常，由此表明成矿流体可能继承了围岩Eu负异常的特征。此外，矿区内东西向构造大量发育，镜下可见早期形成的金属硫化物遭受破坏且具一定的定向性 (图 3a)，并常被后期蚀变矿物交代、熔蚀 (图 3d)，表明矿体形成后受构造破坏明显，成矿后期热液叠加改造强烈。综上所述，乔霍特铜矿可能由与火山作用同源的火山热液沉淀而成的初始矿源层受到了后期强烈的构造与热液的叠加改造而成。
5.3 辉绿岩年龄及其意义大量研究表明二叠纪时期南天山古生代地层中发育大量后碰撞碱性花岗岩，如黑英山275Ma克其克果勒霓霞正长岩、黑英山北285Ma角闪黑云母花岗岩 (刘楚雄等，2004)、巴雷公273Ma钾长花岗岩 (王超等，2007)、285Ma “S”型花岗岩 (Gao et al., 2011) 以及大量介于260~298Ma的花岗岩 (姜常义和穆艳梅，1999)，揭示出此时南天山造山带已进入碰撞后演化阶段。乔霍特铜矿区南邻南天山缝合带，地球化学特征显示围岩火山岩形成于中-晚志留世南天山洋俯冲环境下，早期成矿阶段与该套火山岩喷发同期，成矿晚期受构造和热液的叠加改造。本文获得的辉绿岩281Ma锆石U-Pb年龄表明，早二叠世时期乔霍特地区存在一期岩浆活动，此时乔霍特地区进入碰撞后演化阶段。
前人研究认为矿区南侧的花岗闪长岩为后期侵入于该套火山岩中，对成矿后期的改造、富集起到了一定的作用 (王立本等，2000；王志良等，2004)。但最新研究发现，该花岗闪长岩为晚奥陶世 (450Ma) 南天山洋北向俯冲的产物 (张喜等，2011)，该岩体早于围岩火山岩 (约430Ma) 形成，其岩浆活动可能与成矿作用无直接关系。由此可见，乔霍特铜矿区至少经历了三个阶段的岩浆活动：即晚奥陶世时期 (450Ma)，南天山洋向北侧中天山地体下俯冲，形成了具有I型花岗岩性质的花岗闪长岩体；中-晚志留世时期 (约430Ma)，南天山洋继续向北俯冲，俯冲带北侧大量呈线性分布、东西向展布的火山活动强烈，乔霍特矿区围岩火山岩即是该时期火山活动的产物；石炭纪末至早二叠世时期，随着南天山洋逐渐闭合，乔霍特地区由汇聚挤压环境逐渐过渡到碰撞后拉张环境，大洋岛弧火山与中天山古老陆块碰撞拼接，围岩火山岩与花岗闪长岩岩体呈断层接触，281Ma的辉绿岩呈小岩株状侵入到围岩火山岩地层中。
5.4 矿床成因探讨乔霍特铜矿的矿石结构及矿体形态具有特定的VMS型铜矿特征，围岩火山岩形成于拉张环境，研究表明典型VMS型铜矿多产于张性环境下 (Sillitoe，1982；Lentz，1998；Hart et al., 2004)。此外，矿石中可见团块状、层状及条带状构造；绢云母化、硅化和碳酸盐化等蚀变发育；成矿早期，金属硫化物常以浸染状富集在杏仁状玄武岩的杏仁体中，具有与火山岩同生的特征；矿区金属矿物硫同位素组成以深源硫为主 (王立本等，2000)，成矿流体主要来自岩浆，有来自变质作用的偏酸性富钾流体的叠加 (刘运纪等，2002)。以上特征表明，乔霍特铜矿成矿早期很可能存在火山喷流沉积成矿作用。
研究表明，形成于造山带中的VMS型矿床大都受到后期强烈的构造叠加改造 (Gu et al., 2007)。乔霍特铜矿初始形成的火山喷流沉积型铜矿体也经历了后期强烈且复杂的构造改造，在空间上和时间上与南天山洋的俯冲与闭合及西天山增生造山过程相耦合。其早期形成的矿体在经历了后期构造叠加改造后，常被挤压变薄、拉断或被破坏，由于垂直于主控矿断裂的次级小断裂大量发育，常使矿体局部膨大收缩，在交汇处形成富矿段，从而表现出空间上矿体呈近东西向成群、成带与主控矿断裂近平行展布的特征 (图 2)。此外，早期形成的黄铜矿碎裂组构发育 (图 3a)，后期矿物常交代、熔蚀初始形成的矿源层 (图 3d)，进一步显示乔霍特早期火山喷流-沉积作用形成的矿体曾受到后期构造热液的强烈改造，矿体发生了变形与变位。
对比典型VMS型铜矿 (如日本黑矿型矿床；Shikazono，1999；Shikazono et al., 2008)，乔霍特铜矿与其具有较大的差异，如赋矿围岩以中基性火山岩为主，而非浅变质的火山凝灰岩和角砾岩；闪锌矿和方铅矿等矿物较少，含重晶石但缺失石膏-硬石膏等蚀变。虽然乔霍特铜矿具有类似于日本黑矿的矿石和矿体特征，但后者基本未受到强烈的构造改造，原始矿层保存完好；而前者受构造控制明显，矿区内大型构造体系广泛发育，受构造改造的现象随处可见，矿石与矿体受到了较大规模的改造。此外，矿区金属矿物硫同位素具有岩浆硫与生物硫和海水硫混合，以岩浆硫为主的特征 (王立本等，2000)；成矿流体具有岩浆水与偏酸性富钾流体叠加作用的特点 (刘运纪等，2002)；矿石中Eu异常正负兼具。以上特征表明，乔霍特铜矿系发育于造山带中的VMS型矿床，应属火山喷流沉积+后期构造热液叠加改造型铜矿，是南天山洋俯冲闭合及西天山增生造山综合作用的结果。
5.5 成矿模式与成矿过程综合本文关于乔霍特铜矿成矿背景与成因机制研究及西天山造山带的构造演化过程 (Gao et al., 1998, 2009, 2011；Qian et al., 2009；高俊等，2009；张喜等，2011；Long et al., 2011)，初步建立了乔霍特铜矿成矿模式 (图 10)，其成矿过程概述如下：
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图 10 乔霍特铜矿成矿模式图 Fig. 10 The metallogenic process of Qiaohuote copper deposit |
(1) 奥陶世或更早时期，南天山洋向北侧中天山地体下俯冲，在乔霍特地区形成岛弧带，奥陶世晚期 (约450 Ma) 具I型花岗岩性质的岩浆侵位，形成花岗闪长岩体 (图 10a)。
(2) 中-晚志留世时期 (约430Ma)，南天山洋继续向北俯冲，俯冲板片脱水，产生大量热液流体进入地幔楔，活化萃取地幔偰中的Cu等金属矿物，并促使地幔楔发生部分熔融，产生含矿钙碱性岛弧火山岩浆，岩浆及富含成矿物质的流体上升与古地壳发生一定程度的混染，在浅海相岛弧区弧后盆地中喷发，火山热液在海水与下伏火山岩之间循环，淋滤火山岩中的金属矿物，同时以挥发份的形式携带金属矿物。火山活动相对宁静 (溢流) 阶段金属矿物沉淀，在玄武岩中 (尤其是杏仁状玄武岩) 广泛发育矿化，形成了层状、似层状初始矿源层 (图 10b)。
(3) 志留纪后，南天山洋持续向北俯冲，于石炭纪末最终闭合，大洋岛弧火山与中天山古老陆块碰撞拼接，围岩火山岩与花岗闪长岩岩体呈断层接触，281Ma的辉绿岩呈小岩株状侵入到围岩火山岩地层中。由于持续的南天山洋俯冲，岩浆作用强烈，构造改造明显，初始矿源层受到了含矿热液的强烈叠加改造，面貌被改造一新，早期形成的金属矿物被破坏、交代、熔蚀。矿体被近东西的构造强烈改造，挤压变薄、拉断或被破坏，局部发生膨大收缩，在交汇处形成富矿段，空间上呈近东西向成群、成带与主控矿断裂近平行展布 (图 10c)。
6 结论(1) 乔霍特铜矿围岩火山岩形成于岛弧区弧后拉张环境中，主要系受俯冲带中流体交代的地幔源区通过岩浆结晶分异而来，为南天山洋向伊犁-中天山板块之下俯冲的产物。
(2) 中-晚志留世 (约430Ma)，在浅海相岛弧区弧后盆地中火山喷发形成了巴音布鲁克组火山岩，与火山岩同期的火山喷流沉积作用形成了乔霍特铜矿初始矿源层。初始矿体形成后，伴随南天山洋的持续俯冲及西天山增生造山作用，初始矿体受到了强烈的构造叠加改造。
(3) 乔霍特铜矿系发育于造山带中的VMS型矿床，应属火山喷流沉积+后期构造热液叠加改造型铜矿，是南天山洋俯冲、闭合及西天山增生造山综合作用的结果。
致谢 野外工作得到了新疆和静县八一铜矿刘罗清总经理的帮助；主微量元素地球化学分析和同位素测试工作得到了李禾工程师、靳新娣工程师、李潮峰工程师、李金荣工程师、李倩楠助理工程师的帮助和支持；评审人对论文初稿进行了认真细致的修改，使论文得以进一步完善；在此，一并表示衷心的感谢。| [] | Brenan JM, Shaw HF, Phinney DL, Ryerson FJ. 1994. Rutile-aqueous fluid partitioning of Nb, Ta, Hf, Zr, U and Th: Implications for high field strength element depletions in island-arc basalts. Earth and Planetary Science Letters, 128(3-4): 327–339. DOI:10.1016/0012-821X(94)90154-6 |
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