新疆中天山地块花岗岩隆升剥露过程及对区域找矿潜力的制约

李季霖 陈正乐 周涛发 韩凤彬 张文高 霍海龙 刘博 赵同阳 韩琼 李平 陈贵民

摘    要：新疆中天山地块位于中亚造山带东南部，区内矿产资源丰富，是我国西北部重要的多金属矿产分布区，成矿作用与岩浆活动密切相关。在野外地质调查基础上，对区内7个花岗岩体进行磷灰石裂变径迹分析。结果表明，磷灰石裂变径迹年龄变化范围为124～54 Ma，径迹长度介于（12.3±2.3）～（13.2±1.8） μm，显示该区磷灰石径迹形成后以较慢速度通过部分退火带，后期未发生明显升温。结合前人数据发现，花岗岩裂变径迹年龄可分为124～114 Ma、94～92 Ma、79～54 Ma 3组，分别对应3期区域性构造事件。温度-时间热史模拟结果表明，样品大多经历两个阶段的快速隆升期，分别为160～120 Ma和70～30 Ma。通过定量计算得出中天山地块内花岗岩体中—新生代剥蚀量为1.4～2.4 km，剥蚀速率0.011～0.036 mm/a。剥蚀深度与区内彩霞山铅锌矿、沙东和小白石头钨矿等中低温矿床成矿深度相似，对矿床保存不利。区内阿拉塔格铁矿、天宇-白石泉铜镍矿及尾亚铁矿等高温矿床成矿深度远大于花岗岩体剥蚀深度，推测中天山地块深部仍具较好的矽卡岩型铁矿床、铜镍硫化物矿床及钒钛磁铁矿床找矿潜力。

关键词：中天山地块;磷灰石; 裂变径迹; 热年代学;找矿潜力

中天山地块位于东天山觉罗塔格构造带南部，具强烈构造-岩浆活动和显著陆壳增生，为我国西北地区重要成矿带之一[1-6]。中天山地块由西向东分布有彩霞山岩浆热液型Pb-Zn矿床、阿拉塔格矽卡岩型Fe矿、沙东层控与岩浆热液复合型W矿床、黑焰山矽卡岩型W矿床、天宇、白石泉Cu-Ni硫化物矿床、小白石头矽卡岩型W矿床、尾亚V-Ti磁铁矿床及天湖东沉积型铁矿床等[7-14]。国内外学者对该区矿床研究主要集中于成礦物质来源、矿床成因及成矿作用过程研究，对矿床形成后变化与保存尚缺乏系统认识和探究[15]。成矿后矿区地层、岩体隆升-剥露程度与矿体保存关系是矿床学研究难题之一[16]。一定程度上，隆升作用和剥蚀过程，可评价矿区成矿潜力，为后期找矿工作提供指示性意义[17-18]。裂变径迹为一种新兴低温热年代学测试方法，广泛用于矿床学、构造地质学、地层沉积学、石油地质学等领域。磷灰石具较低封闭温度，通过温度-时间演化关系，能灵敏地反映地壳浅部变化过程，揭示地质体剥露和冷却历史[19-22]。

本文通过对中天山地块典型花岗岩体中磷灰石进行裂变径迹数据分析，利用软件模拟花岗岩中—新生代演化过程，定量计算岩体通过裂变径迹年龄的剥蚀量和剥蚀速率，与岩体附近及区内典型矿床的成矿深度进行对比研究，为找矿勘探工作提供关键性指示作用。

1  区域地质背景

东天山地处天山造山带成矿域腹地，位于西伯利亚克拉通、哈萨克斯坦和塔里木克拉通的交汇地区（图1-a）[23-24]，由北向南依次为吐哈盆地、博格达裂谷、哈尔里克岛弧带、觉罗塔格构造带和中天山地块（图1-b）[3，23-27]。中天山地块北部与觉罗塔格构造带以阿奇克库都克-沙泉子断裂相隔，南部与南天山地块、北山分别以卡瓦布拉克断裂和星星峡断裂为界，西至托克逊库米什一带，东至甘肃-新疆交界处，构造带长600 km，宽30～50 km，是新疆重要的成矿域之一。

中天山地块主要出露一套前寒武纪变质基底，包括中元古界长城系星星峡群、蓟县系卡瓦布拉克群和新元古界青白口系天湖群。星星峡群主要由一套变质程度较高的条带状和眼球状花岗片麻岩、片岩、混合岩及石英岩组成。卡瓦布拉克群以浅变质的含硅质条带碳酸岩、碳质大理岩、云英片岩、角闪片岩为主。天湖群分布于地块内东部天湖岩体至星星峡地区，为灰绿-浅肉红色黑云斜长片麻岩、黑云母石英片岩、角闪石英片岩和大理岩的岩性组合[14，28-31]。地块内断裂十分发育，主干断裂为不同构造单元分界线，分别为EW向阿其克库都克-沙泉子断裂、NW向卡瓦布拉克断裂和NE向星星峡断裂。阿其克库都克-沙泉子断裂北侧为觉罗塔格构造带，南侧为中天山地块，断裂带分隔出截然不同的两套岩性（北部为火山-沉积地层，南部为前寒武纪变质岩基底）。断裂带附近不仅有基性、中酸性岩浆侵入，沿断裂带两侧还分布有百灵山铁矿、黑尖山铜矿、彩霞山铅锌矿、维权铜银矿、白石泉铜镍硫化物矿床、沙泉子铁铜矿、尾亚钛铁矿等[32-35]。南部卡瓦布拉克断裂及星星峡断裂两侧矿点相对较少，但有晚古生代花岗岩侵入，说明断裂约束着该区成岩成矿作用。

中天山地块内岩浆活动强烈，广泛分布有各类侵入岩，占该区总面积的53%，为天山造山带中侵入岩出露比例最高地区。受区域构造作用控制，侵入岩多呈EW向和NE向展布，区内岩浆活动发生于元古—中生代。中元古代侵入岩分布于那拉提段和星星峡段，为早期碰撞前花岗片麻岩序列;早古生代岩浆活动于区内很多地方，主要为碰撞前钙碱性花岗岩序列;晚古生—中生代侵入岩分布较散，主要为石炭纪大陆弧花岗岩序列和三叠纪造山带钙碱性岩序列[36-38]。

2  样品测试方法与结果

本次测试样品选自中天山地块内花岗岩体（图1-b），岩性分别为白顶山东北花岗闪长岩（E91°25′4.4″、N41°42′22.2″），白滩南花岗片麻岩（E91°25′11.92″、N41°35′42.53″），白滩石英闪长岩（E91°50′28.4″、N41°38′7.8″），阿拉塔格花岗闪长岩（E92°07′14.47″、N41°38′41.86″）、二长花岗岩（E92°39′57.37″、N41°40′21.41″）和钾长花岗岩（E92°43′43.89″、N41°38′34.92″），白山粱花岗闪长岩（E93°51′38.6″、N41°33′12.6″），沙泉子石英闪长岩（E94°54′10.2″、N41°51′2″）、星星峡花岗闪长岩（E95°7′54″、N41°48′1.5″）。样品均采自地表新鲜花岗岩露头，避免蚀变风化岩石，保证测试结果的准确性和可靠性。单件样品质量大于2 kg，选出足量磷灰石颗粒，采样过程中使用GPS记录采样点高程。本次磷灰石裂变径迹测年实验采用外探测器法。实验操作步骤如下：将采集样品破碎至1～2 cm，置于盘式粉碎机粉碎到60目或以下，经重液分选、介电选等方法，对矿物颗粒进行单矿物提纯，挑选出磷灰石单矿物颗粒。分别用环氧树脂和聚四氟乙烯透明塑料片将磷灰石颗粒固定，制作厚3 mm左右光薄片，固定后研磨抛光达到表面高度透明。将磷灰石样片放入恒温21℃环境下，用5.5%的HNO3溶液中蚀刻20 s揭示自发径迹。结合IUGS推荐的Zeta常数标定法计算裂变径迹中心年龄，加权平均得出Zeta常数值。本次试验获得的磷灰石Zeta常数为391[39-40]。磷灰石裂变径迹测试分析由北京市泽康恩科技有限公司完成。

本次研究共测试7个岩体中10件磷灰石样品，10件样品均获得裂变径迹（AFT）年龄及平均径迹长度测试结果和分布特征（表1，图2）。Galbaith等运用[x2]检测法评价所测磷灰石裂变径迹年龄是否符合泊松分布[41]，据P（[x2]）的不同区分池年龄和混合年龄。通常以5%为界线，当P（[x2]）>5%时，样品年龄服从单一泊松分布，径迹年龄属同一年龄组分，表明裂变径迹年龄受相同热事件影响，经较单一冷却历史，年龄选用池年龄。当P（[x2]）<5%时，样品年龄不服从单一泊松分布，径迹年龄为非单一组分，说明样品可能经多次部分退火带温度区间，年龄选用中值年龄[42]。

通过测试结果可知，中天山地块岩体中磷灰石裂变径迹池年龄介于（54±4）Ma～（124±8）Ma，整体变化幅度较大，3个样品（D1832-5、D1901-1和D18137-1）P（[x2]）<5%，单颗粒年龄较分散，说明磷灰石裂变径迹年龄为多组分年龄。受多次热事件影响，使用RadialPlotter软件对样品裂变径迹年龄进行分解[43]。样品D1832-5分解的两个年龄分别为（92.4±8.7） Ma和（124.3±7.4） Ma。D1901-1分解年龄为（30.3±4.9） Ma和（66±3.8） Ma，D18137-1分解年龄为（64.9±3.6） Ma和（94±5.5） Ma。所测试岩体裂变径迹年龄明显小于岩体锆石U-Pb年龄，且磷灰石封闭温度低于花岗岩体结晶温度及矿床成矿温度，所以，裂变径迹年龄值纪录了花岗岩体及矿床形成以来的构造-岩浆活动事件。10个样品径迹长度为（12.3±2.3）～（13.2±1.8） mm，平均径迹长度值較小，却有着较大的标准差值，反映了磷灰石裂变径迹以较慢的速度通过部分退火带。

3  磷灰石热史模拟

磷灰石裂变径迹年龄、长度及分布特征记录了样品经历的热历史，并获得冷却隆升-剥露时间。样品热史模拟对揭示区域经历的构造热事件具重要意义。热史模拟采用Ketcham编制的正-反演模拟软件“HeFTy”，建立热史模拟时，以东天山地区地质背景为基础，在充分了解研究区构造演化史、沉积埋藏史和冷却事件年龄基础上，限定模拟边界条件。时间-温度反演史中最大温度定为200 ℃，现今地表温度定为东天山地表温度20 ℃，磷灰石部分退火带范围为60 ℃～120 ℃。与径迹年龄谱模式（TASC）相结合，据获得的裂变径迹参数和样品所处的地质背景，确定反演模拟初始条件，模拟结果见图3。通过HeFTy软件反演热史模拟结果图中参数有：Measured Age（Ma）-由外探测器法测试获得的年龄（Pooled age）;Model Age（Ma）-软件预测通过封闭温度的年龄;Measured Length（μm）-实测裂变径迹长度及标准差;Model Length（μm）-软件预测裂变径迹长度分布的平均值及标准差;每个样品模拟结果可获得“可以接受的”热史拟合曲线（绿色区）;“高质量”热史曲线（红色区），“最佳”热史拟合曲线（黑色实线）。函数GOF（Goodness of Fitting）用于评价模拟结果和实测结果之间的拟合程度，“Age-GOF”和“Length-GOF”分别代表径迹年龄与长度的模拟值与实测值的吻合度，当“Age-GOF”和“Length-GOF”大于5%时，表明模拟结果可以接受;当超过50%时，模拟结果是高质量的。

据东天山样品模拟温度-时间曲线图可知（图3），样品D1858-1、D18144-1、D1832-5、D18137-1的热历史拟合结果为“可接受的”（绿色区域），其余样品结果为“高质量的”（紫色区域）。结合10个样品热演化史模拟图将整个隆升-剥露过程分为3个阶段：①约180 Ma到100～80 Ma。温度较高，样品位于磷灰石裂变径迹部分退火带底部，温度高于120 ℃;②从100～80 Ma到35 Ma。样品经历不同程度冷却，温度由120℃降至70 ℃～60 ℃;③从约35 Ma到现今。温度由70 ℃～60 ℃降为当前东天山地表温度20℃。第二阶段分为两部分，60 Ma之前降温速率较慢，60～35 Ma冷却速率较快。从进入磷灰石部分退火带至今，所有样品均为持续冷却过程，未发生后期增温。

4  讨论

4.1  中天山中-新生代隆升剥露过程分析

据10件样品温度-时间模拟最佳曲线图可知（图4），所有样品具相似的热演化历史，除D1901-1和D19134-1外，其余8个样品都记录了中—新生代的两次快速隆升事件。其中样品D18137-1在180 Ma开始快速隆升，样品D19133-1在130 Ma才开始快速隆升，这可能与D18137-1更靠近阿其克库都克-沙泉子断裂有关，其余样品第一次快速隆升事件主要集中于160～120 Ma。120～70 Ma为缓慢冷却阶段，D1901-1为最早进入第二快速隆升阶段岩体，约70 Ma，其余样品隆升时间为50～30 Ma。第二快速隆升阶段持续时间为40 Ma，从30 Ma至今，进入较稳定的缓慢冷却阶段。

结合前人对中天山地块尾亚、天湖岩体和沙泉子断裂附近磷灰石裂变径迹的测试[44-46]，对获得的年龄结果进行统计分析，中天山地块磷灰石裂变径迹年龄大致分为3组：早白垩世124～114 Ma、晚白垩世94～92 Ma、晚白垩—古新世79～54 Ma。磷灰石年龄124～114 Ma为晚侏罗世（140～125 Ma）拉萨地块增生作用的响应，记录了中天山北缘剪切带在燕山晚期经抬升-冷却事件[47-49]。磷灰石年龄94～92 Ma记录了科希斯坦岛弧早期向欧亚板块的增生作用，天山东部地区的构造体制开始变换，由区域性伸展构造阶段变为挤压构造阶段[45]。磷灰石年龄大多分布于79～54 Ma，该时间段为科希斯坦岛弧增生作用末期与印度板块对欧亚板块碰撞、挤压作用早期[46，50-51]。新生代以来印度板块和欧亚板块发生了强烈的碰撞挤压作用，致使天山地区发生陆内造山，形成现今特殊盆-山相间的特殊地貌格局。由图4可知，中天山地块中—新生代的两次隆升-剥露事件分别与拉萨地块增生及印度板块和欧亚板块碰撞相呼应。经历两次快速构造隆升使中天山地块内的花岗岩体抬升至近地表，从西部白顶山东北岩体，中部阿拉塔格岩体，及东部星星峡岩体进入准平原化阶段。这与该区缺少侏罗纪和白垩纪地层，且在山间盆地含大量中新—上新统沉积物地质事件相符。

4.2  花岗岩中—新生代剥蚀量及对区域找矿潜力启示

上文涉及的花岗岩体与区内岩浆热液型铅锌矿床，矽卡岩型铁、钨矿床，岩浆热液复合型钨矿床，铜镍硫化物矿床，钒钛磁铁矿床等的形成密切相关，可通过岩体剥蚀程度判断矿床形成后的变化保存情况。据年龄-封闭温度法，剥蚀量=（封闭温度-地表温度）/地温梯度[52]，计算得到岩体剥蚀量及剥蚀速率。封闭温度（TC）为记录裂变径迹测年结果时体系的温度，因实验得出裂变径迹的年龄范围在中—新生代（124～54 Ma），通过热演化模拟，在“最佳”热史拟合曲线中Model Age年龄值对应的温度视为该样品的封闭温度。所以，通过封闭温度的剥蚀量可视为样品中—新古代的剥蚀程度。东天山地区地表温度约为20℃，地温梯度取35℃/km。由表2可知，中天山地块花岗岩中—新生代剥蚀量为1.4～2.4 km，剥蚀速率范围为0.011～0.036 mm/a。中天山地块晚白垩世以来的剥蚀量较小，剥蚀速率较低。区内剥蚀量和剥蚀速率最大的地方位于尾亚-天湖一带，这可能因岩体在侵位及后期隆升-剥露过程受到南部星星峡断裂控制，剥蚀作用持续时间较短所致。

通过国内学者近年来对中天山地块金属矿床成矿深度研究，西部彩霞山铅锌矿流体包裹体计算的成矿深度为0.8～2.0 km，具中-浅成矿床特征[53];中部沙东钨矿流体包裹体计算成矿深度范围1.8～2.4 km，为典型低温矿床[54];东部小白石头钨（钼）矿流体包裹体换算成矿深度为1.0～3.3 km[55];天宇、白石泉铜镍硫化物矿床中角闪石温压计指示的含矿岩体形成于6.2～15 km[12，56];尾亚钒钛磁铁矿浸染状矿石中角闪石成分计算矿体侵位深度为10.1～16.9 km[57]。前人虽未对中部地区阿拉塔格矽卡岩型铁矿床进行成矿深度相关工作，但项目组（未发表数据）用黑云母温压计对阿拉塔格岩体进行了侵位深度计算，得到2.5～5.2 km的结果。结合本次实验结果，发现位于彩霞山铅锌矿附近的3个岩体（白顶山东北、白滩南、白滩）中—新生代以来剥蚀范围为1.4～1.8 km，沙东矿区岩体（白山梁）剥蚀量为1.8 km，小白石头钨矿区岩体（星星峡）剥蚀量为2 km。该区矿床成矿年龄主要集中于晚古生代[12，32]，晚古生代东天山高山山脉已被逐渐夷平，地形平坦，高程差较小。因此，对已被剥露到地表的花岗岩体，其侵位深度可代表岩体成岩后至今的剥蚀深度。通过矿区岩体剥蚀深度、成矿深度对比磷灰石裂变径迹定量计算出中—新生代的剥蚀程度，可直观反映矿体变化保存情况。巖体中—新生代记录的剥蚀程度与上述低温矿床（彩霞山、沙东和小白石头）成矿深度相似，表明矿体在古生代形成后的深度小于岩体形成至今的剥蚀深度，这使矿体剥露地表，受到一定程度破坏和改造。阿拉塔格、沙泉子、尾亚、天湖岩体中—新生代剥蚀量远小于岩体形成时侵位深度及尾亚钒钛磁铁矿床和天宇、白石泉铜镍硫化物等高温矿床的成矿深度[58]，说明该类矿床受该区构造隆升事件影响较小，对矿床形成后的保存较有利。这与中天山地块目前发现的矿床（点）以高温为主的地质事实相符，推测深部具较好的找矿前景。

5  结论

（1） 中天山地块内花岗岩磷灰石裂变径迹年龄为124～54 Ma，径迹长度（12.3±2.3）～（13.2±1.8） mm。平均径迹长度较小，样品在部分退火带内滞留时间较长。结合前人成果，大致可将区内所获结果分为3个年龄组，即124～114 Ma、94～92 Ma、79～54 Ma。该年龄组较好地反映了研究区经历的构造热事件。区内第一次隆升-剥露事件受拉萨地块增生控制，第二次为印度板块和欧亚板块碰撞事件的响应。

（2） 通过年龄-封闭温度法计算得出该区花岗岩中—新生代以来的剥蚀量为1.4～2.4 km，剥蚀速率范围0.011～0.036 mm/a。中天山地块构造隆升活动对区内中低温矿床（岩浆热液型铅锌矿、岩浆热液复合型钨矿和矽卡岩型钨矿）造成一定程度剥蚀。矽卡岩型铁矿床、钒钛磁铁矿床及铜镍硫化物矿床成矿深度远大于岩体剥蚀深度，矿体保存较完整。表明区内剥蚀量小的地方，地表和深部仍具较大的中-高温矿床找矿前景。

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Abstract： The Central Tianshan Terrane is located at southeast of the Central Asian Orogenic Belt （CAOB）. It is rich in mineral resources and is an important polymetallic mineral distribution area in Northwest China.Mineralization is closely related to magmatism. Based on the detailed field geological survey.Apatite fission track analysis was carried out on 7 granite bodies in the area. The results show that the apatite fission track pooled age ranges from 124～54Ma， with the mean track lengths varying from 12.3±2.3 to 13.2±1.8 μm， indicating that these samples have passed through the partial annealing zone at a slower speed， and there is no obvious reheating event in the later stage. Combined with the previous achievements， the fission track ages of apatite from the granites in the Central Tianshan Terrane can be divided into three groups， 124～114 Ma， 94～92 Ma and 79～54 Ma， in accordance with three times of regional tectonic activities in western China. The further temperature-time modeling of fission track indicates that there are two exhumation events during the Mesozoic-Cenozoic time （160～120Ma and 70～30Ma， respectively）. According to the quantitative calculation， the Mesozoic-Cenozoic denudation depth of granites in the Central Tianshan Terrane ranges from 1.4 to 2.4km， and the denudation rate changes from 0.011 to 0.036 mm/a. This denudation depth is similar to the mineralization depth of the Caixiashan Pb-Zn deposit， Shadong W deposit， Xiaobaishitou W-（Mo） deposit and other meso-hypabyssal deposits， suggesting that the denudation degree is unfavorable for the preservation of this type deposit. However， the mineralization depth of Alatage Fe deposit， Tianyu， Baishiquan Cu-Ni sulfide deposit and Weiya Fe deposit in the area is far greater than the denudation depth of granites. Therefore， it is suggested that the depth area of the Central Tianshan Terrane should be a favorable place for ore-prospecting of skarn iron deposits， Cu-Ni sulfide deposit and V-Ti magnetite deposits.

Key words： Fission track dating of apatite; Thermochronology; Prospecting potential; The Central Tianshan Terrane