中亞造山帶多金屬礦床與花崗巖的形成時(shí)代及物質(zhì)來(lái)源

中亞造山帶多金屬礦床與花崗巖的形成時(shí)代及物質(zhì)來(lái)源

為了解決成礦活動(dòng)理論所解決的最基本問(wèn)題之一是成礦元素的來(lái)源。從成礦物質(zhì)來(lái)源的角度研究礦床成因,不僅可以更深刻地揭示礦質(zhì)富集的本質(zhì),有效地指導(dǎo)礦產(chǎn)預(yù)測(cè)和資源評(píng)價(jià),而且可以把成礦作用研究同深部過(guò)程研究緊密地結(jié)合起來(lái),這樣將有助于探討成礦作用的地球動(dòng)力學(xué)背景。現(xiàn)代同位素測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為該項(xiàng)研究提供了一個(gè)強(qiáng)有力的武器。中亞造山帶是世界上最重要的以銅、金為代表的多金屬成礦帶之一,也是世界上最重要的稀有金屬(鋰、鈹、鈮、鉭)成礦帶之一,其中所產(chǎn)出的大多數(shù)礦床都同花崗巖類(lèi)巖石有密切的關(guān)系。本文的目的就是試圖在現(xiàn)已積累的大量Sr,Nd,S,Pb多元同位素資料的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)區(qū)域花崗巖與礦床的形成時(shí)代和物質(zhì)來(lái)源的對(duì)比來(lái)探索它們之間的關(guān)系,以求揭示地幔來(lái)源物質(zhì)在中亞造山帶金屬成礦作用中的重要意義。中亞造山帶位于西伯利亞和中朝—塔里木地臺(tái)之間(圖1)。作為中亞造山帶形成背景的古亞洲洋,大約在1000Ma前開(kāi)始張開(kāi),大規(guī)模擴(kuò)張?jiān)?00～600Ma。在經(jīng)歷過(guò)若干微陸塊之間、微陸塊與南北大陸之間的碰撞之后,直至晚泥盆_早石炭世古亞洲洋最終封閉(洪大衛(wèi)等,1994;Dobretsovetal.,1995;Khainetal.,2002)。中亞造山帶的一個(gè)顯著特點(diǎn)是廣泛發(fā)育古生代_中生代的花崗巖,花崗巖的出露面積超過(guò)5000000km2?；◢弾r漿活動(dòng)從500Ma前開(kāi)始,在晚泥盆_早石炭世古亞洲洋最終封閉、西伯利亞板塊同中朝—塔里木板塊碰撞拼合前后達(dá)到高潮,在碰撞之后的拉伸機(jī)制下還繼續(xù)進(jìn)行?；◢弾r的構(gòu)造類(lèi)型相應(yīng)地由俯沖型到碰撞型到最后變?yōu)槔瓘埿?因而中亞造山帶中既有大量的Ⅰ型花崗巖,也有大量的S型和A型花崗巖(洪大衛(wèi)等,2000)。1巖石學(xué)和構(gòu)造學(xué)特征從近年來(lái)對(duì)東哈薩克斯坦、俄羅斯阿爾泰、新疆阿爾泰、東_西準(zhǔn)噶爾、阿拉套山、天山、蒙古、俄羅斯外貝加爾、中國(guó)內(nèi)蒙古和東北地區(qū)、俄羅斯遠(yuǎn)東濱海區(qū)等地花崗巖的釤_釹同位素研究的主要結(jié)果(Jahnetal.,2000a,b;洪大衛(wèi)等,2000)可見(jiàn):(1)中亞造山帶的大量花崗巖,不論屬于什么時(shí)代(加里東期、海西期、中生代),也不論屬于什么構(gòu)造背景(同造山、晚造山、后造山和非造山)和何種類(lèi)型(Ⅰ型、S型、A型、M型),均顯示出εNd(t)為正值,而且變化范圍很小(圖2)。這一方面說(shuō)明釹同位素成分同巖石總成分之間沒(méi)有什么相關(guān)性(釹同位素成分不受巖漿分異的影響,更深刻地反映了巖漿來(lái)源的本來(lái)性質(zhì));另一方面也反映出古老地殼物質(zhì)混染的影響很小。這種特點(diǎn)同西歐加里東造山帶、海西造山帶和喜馬拉雅碰撞帶等顯生宙造山帶的花崗巖和澳大利亞拉克蘭褶皺帶的S型和Ⅰ型花崗巖明顯不同(圖2)。眾所周知,在初始釹同位素成分的基礎(chǔ)上大陸地殼一般可以分成地幔來(lái)源的新生地殼和至少有部分古老地殼來(lái)源的進(jìn)化地殼。前者具有正εNd值,類(lèi)似虧損地幔來(lái)源;后者具有負(fù)εNd值,類(lèi)似古老地殼來(lái)源(Bowringetal.,1995)。因此,上地幔來(lái)源的新生物質(zhì)在中亞造山帶顯生宙花崗巖的來(lái)源中顯然將占?jí)旱箖?yōu)勢(shì),因而同世界其他地區(qū)地殼來(lái)源的顯生宙花崗巖形成鮮明的對(duì)比。中亞造山帶中大量的、成分高度演化的花崗巖漿卻來(lái)源于地幔物質(zhì),這就在巖石學(xué)上提出了一個(gè)十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。筆者認(rèn)為其中必然經(jīng)歷過(guò)一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程,包括同化_分餾_結(jié)晶(AFC)模型(DePaolo,1981)和熔融_同化_儲(chǔ)集_均一化(MASH)模型(Hildrethetal.,1998)在內(nèi)的許多作用都可能在短時(shí)間內(nèi)共同導(dǎo)致新生物質(zhì)的熔融和同化,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成新生地殼。(2)中亞造山帶的花崗巖,不論屬于什么時(shí)代,釹模式年齡tDM大都在500～1000Ma范圍內(nèi),主要集中在700～800Ma左右。同世界其他地區(qū)顯生宙花崗巖相比,它們的tDM不僅比較小,而且相對(duì)集中,反映了本區(qū)花崗巖源區(qū)同位素的均一性。值得注意的是,花崗巖的tDM同由蛇綠巖和島弧雜巖時(shí)代所記錄的古亞洲洋大規(guī)模擴(kuò)張的時(shí)間十分接近。如果考慮到在花崗巖的形成過(guò)程中還曾有少量陸殼物質(zhì)混染的影響而使tDM偏高的話,則花崗巖的tDM就同古亞洲洋大規(guī)模擴(kuò)張的時(shí)間基本上是一致的。由此或可推斷,在中亞造山帶的花崗巖中至少有一部分(例如某些加里東期和海西早期的花崗巖)的形成可能同古亞洲洋消減時(shí)的板塊俯沖作用有關(guān),這部分花崗巖的來(lái)源可能是俯沖的洋殼及其上覆的地幔楔(洪大衛(wèi)等,2000)。(3)只有在一些元古代微陸塊上的花崗巖(多發(fā)生在300Ma以后)才出現(xiàn)εNd為負(fù)值,tDM明顯升高,且εNd和tDM有較大的變化范圍(Kovalenkoetal.,1996;洪大衛(wèi)等,2000)。但是同世界其他典型的殼源花崗巖相比,它們的εNd值仍然較高、tDM較低。這一方面說(shuō)明,從300Ma左右開(kāi)始,微陸塊上古老的前寒武紀(jì)陸殼物質(zhì)積極參與了花崗巖的形成過(guò)程;另一方面說(shuō)明雖然有古老的陸殼物質(zhì)混染的影響,地幔物質(zhì)仍然在花崗巖形成過(guò)程中起了主導(dǎo)作用。這同中亞造山帶花崗巖的總體特點(diǎn)是并行不悖的。值得注意的是,古亞洲洋最終封閉、西伯利亞板塊同中朝—塔里木板塊碰撞拼合的時(shí)代就在晚泥盆—早石炭世。這次碰撞事件乃是古亞洲洋構(gòu)造域內(nèi)最重大的一次構(gòu)造事件,標(biāo)志著勞亞超級(jí)大陸的基本形成(Veevers,1994;Debretsovetal.,1995)?？赡苷且?yàn)檫@樣一次巨大的碰撞事件,才導(dǎo)致古老地殼物質(zhì)在300Ma左右積極參與微陸塊上的花崗巖漿活動(dòng),形成負(fù)εNd值花崗巖。同時(shí),可能由于這次碰撞事件后引發(fā)的大規(guī)模拉伸體制為地幔來(lái)源物質(zhì)的底侵作用、碰撞后的拆沉作用提供了有利的條件,促使由俯沖洋殼形成的先存年輕地殼同部分古老陸殼泥質(zhì)物質(zhì)一起部分熔融,才導(dǎo)致造山帶中大面積的晚古生代_中生代花崗巖具有正εNd值;(4)眾所周知,地幔由于析出大陸地殼而變成虧損地幔,隨著地殼的不斷析出,地幔的虧損程度逐漸升高,相應(yīng)地εNd值亦逐漸升高。但是,隨著時(shí)代逐漸變新,中亞造山帶花崗巖的εNd值卻逐漸降低,尤其是200Ma以后的中生代花崗巖,無(wú)論是在造山帶還是在微陸塊上,εNd值都趨近于零(Kovalenkoetal.,1996;洪大衛(wèi)等,2000)。這可能是因?yàn)閯趤喅箨懺?00Ma以后開(kāi)始裂解和離散(Veevers,1994),陸殼重循環(huán)作用得到增強(qiáng)的結(jié)果。2中亞造山帶的成礦作用如果如上所述,中亞造山帶中的大量花崗巖是由地幔來(lái)源的新生物質(zhì)重熔而成的,那么人們自然會(huì)感興趣,在這樣的背景下,與巖漿巖有關(guān)的金屬礦床是不是也與地幔來(lái)源的物質(zhì)有密切的關(guān)系?這是下面將繼續(xù)討論的問(wèn)題。表1中列舉了研究區(qū)內(nèi)與巖漿巖有關(guān)的主要大、中型礦床的基本特點(diǎn)。圖1則展示了這些礦床的空間分布。從表1和圖1可知:(1)中亞造山帶的金屬礦床一方面以銅多金屬為主,包括Cu,Au,Mo,Ni,Pb,Zn,Ag等,其中包括許多世界著名的大型、超大型礦床,例如哈薩克斯坦的阿克斗卡斑巖銅礦、阿爾哈雷陸相火山巖金礦、蒙古的額爾登特斑巖銅鉬礦、奧隆奧夫特?zé)嵋好}型金礦、塔林破碎觸變帶金礦、我國(guó)新疆的阿舍勒火山沉積型銅鋅礦、土屋斑巖銅礦等;另一方面,區(qū)內(nèi)還出現(xiàn)了許多著名的大型、超大型稀有金屬和放射性元素礦床,如新疆阿爾泰地區(qū)的可可托海、庫(kù)魯木圖花崗偉晶巖型Li_Be_Nb_Ta礦床、內(nèi)蒙古中部的巴爾哲堿性花崗巖型Nb_Y_Be礦床、哈薩克斯坦的維爾赫尼_厄斯佩堿性花崗巖型稀土_Zr_Nb礦床(研究區(qū)之外,據(jù)Heinhorstetal.,2000)、俄羅斯外貝加爾地區(qū)的斯特列利佐夫和蒙古東部的多爾諾特超大型火山巖型鈾礦等。這些金屬礦床,除黑色巖系礦床之外,包括塊狀硫化物型、斑巖型、陸相火山巖型、銅鎳硫化物型、夕卡巖型、熱液脈狀型、偉晶巖型等在內(nèi)的各類(lèi)礦床均與巖漿作用有關(guān),尤其是與不同時(shí)代的花崗巖有密切的成因聯(lián)系。(2)在中亞造山帶,雖然晚元古代(例如內(nèi)蒙古白乃廟銅礦)和早古生代(例如哈薩克斯坦的科克塔斯扎爾銅金礦、博謝庫(kù)利銅鉬礦、庫(kù)斯莫龍銅鋅礦、阿克巴斯套銅鋅礦、熱依桑銅鉬礦等,均在研究區(qū)之外,據(jù)MMAJ,1998)就已有成礦活動(dòng),但成礦作用的高峰期卻出現(xiàn)在晚古生代和中生代,同區(qū)域花崗巖漿活動(dòng)的高峰完全一致。而且大體上以E150°為界,西部的成礦作用主要發(fā)生在晚古生代,東部主要在中生代,反映出西部的成礦作用主要受古亞洲洋構(gòu)造域的控制,而東部則明顯受到太平洋構(gòu)造域疊加的影響。值得注意的是,過(guò)去人們一直以為,陸相火山巖金礦在時(shí)空分布上局限于環(huán)太平洋帶和特提斯帶的中新生代火山巖帶中,現(xiàn)在卻在中亞造山帶范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了晚古生代的陸相火山巖型金礦,如新疆阿希、哈薩克斯坦阿爾哈雷和烏茲別克斯坦可奇布拉克(在研究區(qū)之外,據(jù)戴自希等,2001)等。這無(wú)論從拓寬經(jīng)濟(jì)效益還是從深化成礦理論研究等方面看均具有重要意義(涂光熾,1999)。(3)從礦床的成礦元素組合上看,以Cu,Au為代表的多金屬元素組合遍布整個(gè)中亞造山帶,但是從西向東又有明顯的變化。哈薩克斯坦的礦山阿爾泰地區(qū)明顯是以Cu,Au為主,產(chǎn)出一系列的超大型礦床;而至中國(guó)新疆境內(nèi),則明顯變成以Li_Be_Nb_Ta稀有金屬為主(例如可可托海和庫(kù)魯木圖超大型礦床),并伴有少數(shù)的Cu_Ni礦床(例如喀拉通克和黃山)。至東蒙古—額爾古納一帶,則以Cu,Pb,Zn,Ag為主,且出現(xiàn)了少量的Cu_Sn組合(例如內(nèi)蒙古黃崗、浩布高和大井)、U_Mo組合(例如俄羅斯的斯特列利佐夫和蒙古多爾諾特超大型鈾礦)和Nb_Y_Be稀有金屬組合(內(nèi)蒙古巴爾哲)。大興安嶺南段,即內(nèi)蒙古錫林浩特—甘珠爾廟一帶是我國(guó)北方目前唯一已知的Sn多金屬成礦密集區(qū),其中黃崗錫礦是目前我國(guó)北方地區(qū)最大的錫礦。同廣西大廠、云南個(gè)舊、湖南騎田嶺等華南著名錫礦相比,它的最大特點(diǎn)是與Cu密切共生。類(lèi)似的情況亦見(jiàn)于俄羅斯額爾古納—黑龍江成礦帶的布格達(dá)因和舍爾洛伏戈?duì)朩_Sn礦(趙一鳴等,1997)。Cu,Au,Ni是地幔來(lái)源成礦域的典型成礦元素,W,Sn,U則是地殼來(lái)源成礦域的典型成礦元素。本區(qū)東部出現(xiàn)的Sn_Cu,U_Mo組合可能是不同類(lèi)型花崗巖、不同來(lái)源成礦作用疊加的結(jié)果。(4)在空間分布上,礦床常成群、成帶出現(xiàn),明顯受一定的構(gòu)造_巖漿活動(dòng)帶的控制,例如阿爾泰、巴爾喀什—伊犁、北蒙古鄂爾渾—色楞格、東天山吐哈盆地、東蒙古克魯倫—額爾古納、內(nèi)蒙古錫林浩特—甘珠爾廟、南蒙古中戈壁—內(nèi)蒙古溫都爾廟等成礦帶就都是最顯著的成礦密集帶。3單因素地球化學(xué)特征礦床的性質(zhì)3.1成巖巖石及含礦巖石特征從表2可見(jiàn):(1)含礦巖石的鍶初始值ISr絕大多數(shù)都小于0.706,εNd值絕大多數(shù)為正值,同前述花崗巖的總體同位素特點(diǎn)完全一致,說(shuō)明它們都來(lái)源于地幔物質(zhì)。甚至礦石流體包裹體的鍶同位素也反映了上述特點(diǎn),說(shuō)明成礦流體也繼承了巖漿來(lái)源于地幔物質(zhì)的性質(zhì)。某些與鎢、錫、稀有金屬礦化有關(guān)的花崗巖,即便是ISr值較高(0.711～0.728),它們的εNd值仍然較高,甚至仍為正值,或在零值附近擺動(dòng),仍然表明了地幔來(lái)源物質(zhì)的強(qiáng)烈影響。只有一些出露在微陸塊上的含礦巖石,如內(nèi)蒙古白乃廟、俄羅斯外貝加爾和山區(qū)阿爾泰的某些稀有金屬、鎢錫礦床的含礦巖石才顯出εNd為負(fù)值的特點(diǎn),這同上述區(qū)域花崗巖的特點(diǎn)也是完全一致的。(2)含礦巖石,尤其是與鎢、錫、稀有金屬礦化有關(guān)的巖石,一般都是巖漿演化晚期分異比較充分的巖石,但是它們的同位素特點(diǎn)卻同區(qū)域花崗巖一致,沒(méi)有受到巖漿結(jié)晶分異和礦化作用的影響。(3)盡管本區(qū)礦床的成礦時(shí)代跨度較大,但是它們的鍶、釹同位素系統(tǒng)卻是穩(wěn)定的,變化范圍狹窄,說(shuō)明從早古生代直至中生代,含礦巖石的來(lái)源基本類(lèi)似。同區(qū)域花崗巖一樣,含礦巖石的εNd值從早古生代到中生代逐漸降低,尤其是200Ma以后的中生代含礦巖石,εNd值都趨近于零,說(shuō)明本區(qū)的含礦巖石同區(qū)域花崗巖一樣,一方面來(lái)源于地幔來(lái)源物質(zhì),一方面在中生代以后又受到地殼重循環(huán)作用增強(qiáng)的影響。3.2不同地質(zhì)構(gòu)造及微量元素限于目前掌握的資料,以下僅將新疆北部和大、小興安嶺地區(qū)各類(lèi)Cu_Au多金屬礦床的硫、鉛同位素資料(表3和表4)綜述如下:新疆北部和大、小興安嶺地區(qū),除新疆可可塔勒、銅華山、鐵木爾特鉛鋅礦和內(nèi)蒙古謝爾塔拉鐵鋅礦等少數(shù)礦床之外,大多數(shù)金屬礦床礦石的硫同位素組成都比較穩(wěn)定,硫化物的δ34S變化于1.5‰～4.3‰之間,峰值或平均值接近于零,極差一般小于5‰(表3)。與隕石硫相似,少數(shù)礦床相對(duì)于隕石硫的最大偏差不超過(guò)±4‰。因此上述地區(qū)大多數(shù)礦床的礦質(zhì)硫應(yīng)主要來(lái)自深部,即上地幔、俯沖洋殼或下地殼(趙一鳴等,1997;李華芹等,1998;王登紅等,2002)。由于成礦流體在地殼巖石內(nèi)對(duì)流循環(huán),硫同位素有充分的機(jī)會(huì)在高溫下混合均一,導(dǎo)致δ34S值分布范圍十分狹窄。新疆北部和大、小興安嶺地區(qū)大多數(shù)金屬礦床的巖石和礦石鉛同位素組成變化幅度不大,具有低μ值和低Th/U比值的特點(diǎn)(表4)。在206Pb/204Pb_207Pb/204Pb圖上沿一狹長(zhǎng)的范圍呈清楚的線性排列,構(gòu)成了本區(qū)鉛同位素組成的一條主趨勢(shì)線。其主干段均落在島弧鉛演化線和地幔鉛演化線之間,在島弧鉛和大洋火山巖鉛區(qū)域范圍內(nèi)(圖3