謝明材 韓春明 范宏瑞 楊奎鋒 李興輝 佘海東 梁改忠

在大火成巖省的形成過程中,大規(guī)模的巖漿活動往往伴隨有多種具有重要經(jīng)濟價值的礦床形成(例如:Cr礦床、Cu-Ni-PGE礦床、Fe-Ti礦床、Nb-REE礦床),是許多重要戰(zhàn)略資源的巨大儲庫(Schissel and Smail, 2001;胡瑞忠等, 2005; Pirajnoetal., 2008, 2009; Zhouetal., 2008; Beggetal., 2010; 宋謝炎等, 2010;Ernst and Jowitt, 2013; Jowittetal., 2014)。塔里木大火成巖省是近十幾年來繼峨眉山大火成巖省之后在中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的又一個二疊紀大火成巖省(厲子龍等, 2017),形成了一些具有經(jīng)濟價值的礦床(姜常義等, 2004; Jiangetal., 2006; Maoetal., 2008; Pirajnoetal., 2008, 2009;Zhangetal., 2008, 2010b, 2014; Zhouetal., 2008, 2009; 厲子龍等, 2008; Qinetal., 2011; Caoetal., 2014; Chengetal., 2018)。另外,在塔里木克拉通北緣及鄰區(qū)(南天山造山帶)分布著一條長約1100km的堿性巖帶,西起阿圖什的托云,東至尉犁縣以東,發(fā)育了多個時代的堿性火山巖、侵入巖與碳酸巖,以早二疊世為主(鄒天人等, 2002; 劉楚雄等, 2004)。同時,早二疊世也是南天山和塔里木區(qū)域堿性巖型稀有-稀土礦床最重要的成礦期,形成大量的稀土-稀有金屬礦床(點)(鄒天人和李慶昌, 2006; 袁忠信等, 2012; 厲子龍等, 2017; 謝明材等, 2020)。堿性巖通常形成于大陸裂谷、板內(nèi)(地幔柱/熱點)、造山后伸展或者俯沖-島弧背景(Thompson and Gibson, 1994; Wilsonetal., 1995; Xuetal., 2008; Yangetal., 2012)。由于其成因上的特殊性,其研究涉及到巖石圈演化、殼幔相互作用、地幔交代、物質(zhì)循環(huán)以及關(guān)鍵金屬成礦等眾多固體地球科學(xué)問題而被廣泛關(guān)注(Markletal., 2010; Schillingetal., 2011; Dostal, 2016, 2017; Zhuetal., 2017; Beardetal., 2023)。

近年來,在塔里木堿性巖帶中發(fā)現(xiàn)的波孜果爾堿性巖是以Nb-Ta-Rb礦化為主伴生Zr和REE礦的超大型稀有-稀土綜合礦床,具有很重要的經(jīng)濟價值(徐海明等, 2011(1)徐海明, 方景玲, 張致英, 王軍, 樊莉, 鄒天人, 劉林生, 劉捷, 張磊, 周圓心. 2011. 新疆維吾爾自治區(qū)拜城縣波孜果爾鈮、鉭礦勘探報告. 北京: 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 1-192)。波孜果爾堿性巖侵入體在構(gòu)造上位于與塔里木克拉通緊鄰的南天山造山帶上(圖1b),巖體形成時代約290Ma(Huangetal., 2014; 劉春花等, 2014)。目前大多數(shù)學(xué)者認為波孜果爾堿性巖的形成與塔里木大火成巖省成因上有聯(lián)系(劉春花等, 2014; 楊樹鋒等, 2014; Hanetal., 2019; 孫政浩等, 2021),其中塔里木溢流玄武巖的噴發(fā)峰期約為290Ma,與波孜果爾巖體形成時代一致(厲子龍等, 2017)。不同學(xué)者基于時空相關(guān)性、較高的鋯飽和溫度(>800℃;劉春花等, 2012)和堿性巖的成因分析來討論波孜果爾與塔里木大火成巖省和地幔柱的聯(lián)系,但缺少更為直接的證據(jù)來對其加以限定。值得一提的是,波孜果爾堿性巖體形成年代早于塔里木大火成巖省侵入巖類的形成年齡,后者形成時間主要集中在284～274Ma,峰期為ca.280Ma (厲子龍等, 2017)。另外,有關(guān)于南天山洋閉合的時間也存在很大爭議,有的學(xué)者認為南天山洋在西南天山閉合不早于晚二疊世,即波孜果爾堿性巖可能形成于俯沖增生構(gòu)造背景(Xiaoetal., 2013);也有學(xué)者認為南天山洋盆閉合發(fā)生在晚石炭世(Gaoetal.,2011; Wangetal., 2018; Hanetal., 2019),因此,有學(xué)者認為波孜果爾巖體與塔里木大火成巖省成因上沒有聯(lián)系,而是在碰撞造山后伸展背景下形成的(黃河等, 2010; Huangetal., 2014)。綜上所述,目前波孜果爾堿性巖的成礦動力學(xué)背景爭議很大。另一方面,波孜果爾堿性巖同時伴生中型規(guī)模的稀土礦產(chǎn),特別是含有一定規(guī)模的重稀土(HREE)資源(鄒天人和李慶昌, 2006),但是缺少對該稀土礦床成礦時代的研究,成礦時代不清楚,導(dǎo)致其成礦動力學(xué)背景不明。

本文在野外地質(zhì)觀察、巖相學(xué)研究的基礎(chǔ)上,通過該巖體的全巖化學(xué)分析、晶質(zhì)石墨激光拉曼光譜分析和原位LA-ICP-MS獨居石 U-Th-Pb定年分析,旨在探討晶質(zhì)石墨形成條件對堿性巖成因指示、堿性巖稀土礦床形成時限和成礦動力學(xué)背景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

中亞造山帶位于西伯利亞克拉通、卡拉庫姆-塔里木克拉通、華北克拉通和東歐克拉通之間(圖1a),是全球顯生宙陸殼增生與改造最顯著的增生型造山帶(eng?retal., 1993; Huetal., 2000; Xiaoetal., 2004; Windleyetal., 2007)。中亞造山帶包含了許多構(gòu)造單元,包括微大陸、島弧、海洋高原、海山、蛇綠巖和增生雜巖體等(Windleyetal., 1990, 2007;Jahnetal., 2004; Kr?neretal., 2013; Xiaoetal., 2013; Huangetal., 2014; Safonova, 2014; Safonova and Santosh, 2014)。南天山造山帶位于中亞造山帶的西南緣,是中亞造山帶的重要組成部分,在古生代由多個微大陸、島弧和海洋盆地的增生和碰撞形成。南天山造山帶記錄了南天山洋的閉合過程,南天山洋是古亞洲海洋的一個分支,位于南面的塔里木克拉通和北面的中天山地塊之間。南天山造山帶特點是存在各種類型的蛇綠巖、高壓(HP)-超高壓(UHP)變質(zhì)巖以及增生雜巖體,這為俯沖-增生系統(tǒng)的性質(zhì)和演變提供了重要線索(Xiaoetal., 2013)。

南天山造山帶以中天山板塊南緣的阿特巴什-伊內(nèi)里切克-南那拉提縫合帶為北界,以塔北斷裂為南界(圖1b, Gaoetal., 2009; Qianetal., 2009)。縫合帶由不連續(xù)的新元古代晚期至石炭紀蛇綠混雜巖、高壓/超高壓變質(zhì)地體和大洋板片地層單元組成(Gaoetal., 2009; Hegneretal., 2010; Xiaoetal., 2013; Jiangetal., 2014; Alexeievetal., 2015; Mühlbergetal., 2016; Safonovaetal., 2016; Dolgopolovaetal., 2017; Sangetal., 2018; Wangetal., 2018)。塔北斷裂以南的塔里木克拉通主要由前寒武系結(jié)晶基底和上覆厚層的沉積序列所構(gòu)成,前者主要由太古代和元古代結(jié)晶巖組成,后者主要包括寒武系到二疊系、白堊系和新生界等地層,塔里木內(nèi)部大部分被沙漠覆蓋(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1993; 賈承造, 1997; 賈承造等, 2004:Luetal., 2008)。南天山帶被認為是弧前增生雜巖體,是南天山洋向北俯沖過程中廣泛向南和向洋方向增生而形成(Xiaoetal., 2013)。也就是說,它與南天山洋的俯沖閉合以及隨后中天山地塊與塔里木克拉通的陸-陸碰撞造山運動密切相關(guān)(eng?retal., 1993; Xiaoetal., 2004; Gaoetal., 2009; Zhangetal., 2010b; Hanetal., 2011)。構(gòu)造單元主要為晚奧陶世-石炭紀碎屑碳酸鹽巖系列,變形強烈,中-低變質(zhì)程度疊加,并伴有互層火山巖(Wangetal., 2018)。前寒武紀基底巖系很少出露,只有部分區(qū)域出露,主要分布在南木扎爾特河和庫車以北的黑英山一帶(陳義兵等, 2000;Alexeievetal., 2015),基底巖系的年代和組成與塔里木和中天山地塊相似(如:古元古界興地塔格組,中元古界阿克蘇組; Huangetal., 2014)。局部,下二疊統(tǒng)陸相火山碎屑系列與下伏地層不整合接觸(Liuetal., 2014; Huangetal., 2015)。南天山造山帶主要經(jīng)歷了兩次巖漿活動,分別發(fā)生在440～338Ma和310～270Ma (Konopelkoetal., 2007;Seltmannetal., 2011; Huangetal., 2013; Linetal., 2013; Zhaoetal., 2015)。沿著哈爾克山南坡-霍拉山的古生代地層及在塔里木克拉通北緣分布一條巖漿巖帶,為南天山花崗巖-堿性巖帶(圖1b; Coleman, 1989),以二疊紀巖體為主(劉楚雄等, 2004; 王超等, 2007),部分為早古生代(韓寶福等, 2004)。

2 礦床地質(zhì)特征

波孜果爾礦床位于新疆拜城縣北部的哈爾克山系南坡(81°54′30″E、42°13′30″N;圖1b)。該礦床處于塔里木克拉通北緣與南天山造山帶接合處的東阿萊-哈爾克山早古生代弧前增生帶,位于塔北深大斷裂帶的北側(cè)(圖1b)。礦區(qū)內(nèi)主要出露古生界地層,從老到新依次為上志留統(tǒng)窮庫什太組、下石炭統(tǒng)干草湖組、下二疊統(tǒng)小提坎里克組。礦區(qū)內(nèi)巖漿活動不強烈,僅中部有海西晚期堿性花崗巖小巖株出露。區(qū)內(nèi)最重要的斷裂為阿克牙依利亞克塔格斷裂,近東西向貫穿全區(qū),其余斷裂大多為其次級派生斷裂,走向NE-SW,以逆斷層為主(圖2a)。該區(qū)褶皺構(gòu)造強烈,總體呈NE-SW向的短軸背斜,內(nèi)部斷裂和裂隙發(fā)育。受區(qū)域變質(zhì)作用的影響,巖石普遍具有淺變質(zhì)現(xiàn)象,變質(zhì)巖分布廣泛,總體屬于低壓相系,可分為低壓低綠片巖相、低壓高綠片巖相、低壓低角閃巖三個相帶。

圖2 波孜果爾地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(a,據(jù)劉春花等, 2012修改)、波孜果爾堿性巖侵入體地質(zhì)簡圖(b,據(jù)徐海明等, 2011修改)及波孜果爾Nb-Ta-Rb-Zr-REE礦床Ⅱ-Ⅱ′線礦體剖面圖(c,據(jù)徐海明等, 2011修改)Fig.2 Regional geological map of the Boziguoer area (a, modified after Liu et al.,2012), geological sketch map of the Boziguoer alkaline intrusion (b, modified after Xu et al., 2011) and orebody section along Ⅱ-Ⅱ′ line of the Boziguoer Nb-Ta-Rb-Zr-REE deposit (c, , modified after Xu et al., 2011)

波孜果爾堿性巖體為一近東西向展布的魚狀巖株,順層侵位于上志留統(tǒng)窮庫什太組大理巖中(圖2a),南北寬約0.4～1.2km,東西長約4.5km,出露面積約3.6km2。巖體總體走向為295°,傾向NNE,傾角70°左右,可以分為東、西兩個巖性單元,東段為黑云母鉀長花崗巖,西段為霓石-鈉鐵閃石堿性巖,兩個單元之間被一斷裂分開(圖2b)。前人對波孜果爾堿性巖體進行了較為詳細的巖石學(xué)研究工作,特別是西段巖體單元(劉春花等,2012,2013,2014;尹京武等,2013,2014)。已出露的巖體全巖礦化,以鈮、鉭礦化為主,并伴隨有鋯、釷、鈾、銣和稀土礦化,其中礦化特富帶是巖株頂部的似偉晶巖和霓石鈉長花崗巖,以及呈巖枝或巖脈穿入外接觸帶大理巖中的霓石鈉長花崗巖。巖體東、西兩側(cè)與大理巖呈斷層接觸,南北兩側(cè)則與大理巖小角度相交,侵入關(guān)系清晰(圖2b、圖3a)。野外常見堿性暗色條帶狀巖石,條帶粗細大小不一(圖3b)。

圖3 波孜果爾堿性巖野外和鏡下顯微照片(a)堿性巖體與大理巖呈斷層接觸; (b)暗色條帶狀堿性巖;(c)單偏光下顯示霓石、鈉鐵閃石和星葉石在長英質(zhì)礦物顆粒間共生分布; (d)正交偏光下自形-半自形鋯石成群出現(xiàn)于長英質(zhì)礦物內(nèi); (e)鈉鐵閃石與燒綠石共生; (f)長板狀星葉石和鋯石顆粒共生; (g)鋯石與燒綠石緊密共生;(h)半自形短板狀獨居石BSE照片; (i)半自形短板狀氟鈰礦BSE照片,與富釔螢石緊密共生.Ab-鈉長石;Aeg-霓石;Arf-鈉鐵閃石;Ast-星葉石;Fcrt-氟鈰礦;Flr-螢石;Kfs-鉀長石;Mnz-獨居石;Pcl-燒綠石;Qz-石英;Zrn-鋯石Fig.3 Field photos and petrographic images of Boziguoer alkaline rocks(a) the fault contact between alkaline rock intrusion and marble; (b) dark-banded alkaline rocks; (c) pegmatitic aegirine, arfvedsonite and astrophyllite are co-occurring and distributed between grains of pegmatitic felsic minerals under polarized light; (d) euhedral-subhedral zircon occur in groups within the felsic minerals under crossed-polarized light; (e) arfvedsonite and pyrochlore are co-occurring; (f) long tabular astrophyllite and zircon grains are co-occurring; (g) zircon is closely associated with pyrochlore; (h, i) BSE images of rare earth minerals: (h) subhedral short board-like monazite BSE image, (i) subhedral short board-like fluocerite BSE image. Ab-albite; Aeg-aegirine; Arf-arfvedsonite; Ast-astrophyllite; Fcrt-fluocerite; Flr-fluorite; Kfs-K-feldspar; Mnz-monazite; Pcl-pyrochlore; Qz-quartz; Zrn-zircon

波孜果爾堿性巖體全巖礦化,品位均勻,已圈定礦體東西長2800m,南北寬400～1000m,平均厚度173m。礦體分為東、西兩個礦段,西礦段地表分布較多大理巖捕虜體,礦體內(nèi)亦見較多大理巖捕虜體,自東向西逐漸尖滅(圖2c)。東礦段地形較西部為緩,地表及深部均未見捕虜體和夾石,但是東礦段被冰川覆蓋。主要的礦石礦物有燒綠石(Nb、Ta、U)、星葉石(Rb)、其次為鋯石(Zr)、獨居石(LREE)、氟碳鈰礦(LREE)、氟鈰礦(LREE)、磷釔礦(HREE)以及釷石(Th)(圖3c-i)。脈石礦物有鈉長石、鉀長石、黑云母、石英、鈉鐵閃石、霓石、螢石、榍石、石墨等(圖3c-f)。礦石礦物多呈粒狀集合體或單體充填于脈石礦物顆粒間,形成明顯的稀疏浸染狀構(gòu)造,偶見有細脈浸染狀構(gòu)造(圖3d-i)。經(jīng)過2010年的勘探評價工作,目前估算的Nb2O5氧化物量322363.7t,平均品位0.0418%;Ta2O5氧化物量22102.3t,平均品位0.0028%;Rb2O氧化物量641295.6t,平均品位0.0831%;Zr資源量71萬t,伴生稀土資源量約21萬t,平均品位0.0765%,其中重稀土5.64萬t(鄒天人和李慶昌, 2006;徐海明等, 2011)?？傊?波孜果爾屬于以鈮、鉭和銣為主,伴生稀土和鋯的綜合性超大型稀有金屬礦床。

礦區(qū)以巖漿作用為主,熱液作用較弱,形成的蝕變類型較為簡單。巖體與大理巖接觸部位發(fā)生矽卡巖化,其他圍巖蝕變包括綠簾石化、綠泥石化以及螢石化。

3 樣品及分析方法

本次研究共采集堿性巖樣品20件,這些樣品大部分采自礦區(qū)西礦段,包括不同類型的巖性樣品:塊狀鈉鐵閃石-霓石正長巖、細粒霓石-鈉鐵閃石正長巖、條帶狀霓石-鈉鐵閃石正長巖、黑云母-霓石-鈉鐵閃石堿性花崗巖以及霓石-鈉鐵閃石偉晶巖。選取有代表性的巖石樣品制成薄片,巖石碎樣在廊坊市區(qū)域地質(zhì)與資源調(diào)查研究所完成,利用瑪瑙粉碎機粉碎成200目的粉末。

每個樣品的薄片首先通過顯微鏡進行巖相學(xué)研究,隨后在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源重點實驗室,利用TM4000臺式掃描電子顯微鏡在背散射電子成像(BSE)下觀察獨居石顆粒,最后進行元素和同位素分析。

3.1 全巖地球化學(xué)

在廊坊市區(qū)域地質(zhì)資源調(diào)查研究所進行了全巖主量元素和微量元素分析測試工作。主量元素采用無水四硼酸鋰熔融,以硝酸銨作為氧化劑,加氟化鋰和少量溴化鋰作助熔劑和脫模劑。樣品粉末與助熔劑的質(zhì)量比為1/8。在熔樣機上于1150～1250℃熔融,制成玻璃樣品,然后用X射線熒光光譜儀(Axios-mAX)分析。樣品粉末用氫氟酸和硫酸分解,溶液中剩余的氟加入硼酸使其絡(luò)合。以二苯胺磺酸鈉為指示劑,用基準重鉻酸鉀溶液滴定,計算出氧化亞鐵的含量。熔化后測定燒失量(LOI),樣品(1g)置于已燒過、定重的空坩堝中,由低溫逐漸加熱至1000±25℃,持續(xù)加熱2h,冷卻后稱量。再次燃燒30min,再次稱量至恒重,用P124S電子分析天平根據(jù)加熱前后重量差計算損失百分比。

微量元素樣品粉末用氫氟酸和硝酸溶解在封閉的溶樣器中,在電熱板上蒸發(fā)趕盡氫氟酸,然后用硝酸密封溶解。稀釋后直接用ICP-MS (ICAPQ)外標法測定。用氫氟酸、硝酸和高氯酸對試驗材料進行分解,去除多余的高氯酸。在王水中溶解后,它們被轉(zhuǎn)移到聚乙烯試管中,并制成一定容量。取一部分澄清后的溶液,用硝酸稀釋至總稀釋系數(shù)達到1000倍。采用ICP-MS(ICAPQ)法測定Sc、Cr、Mo和Cd元素含量。

3.2 激光拉曼光譜分析

不同巖性的堿性巖薄片的激光拉曼光譜分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所流體包裹體實驗室采用HORIBA JOBIN YVON LabRam HR型激光拉曼光譜儀完成,激光波長為532nm,掃描區(qū)間為100～3000cm-1或100～4000cm-1,發(fā)射功率為50mw,曝光時間為30s,激光斑束大小為1μm,光譜分辨率全波段不超過0.65cm-1,空間分辨率優(yōu)于1μm。

3.3 獨居石微量元素和U-Th-Pb年齡分析

在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所對波孜果爾堿性巖中的獨居石進行了原位LA-ICP-MS定年測試工作。獨居石定年使用Agilent 7500a Q-ICP-MS與193nm ArF準分子激光剝蝕系統(tǒng)(Geolas HD, Lambda Physik, G?ttingen, Germany)來測定微量元素組成和U-Th-Pb年齡,分析的激光束斑和頻率分別為16μm和3Hz。獨居石標準物質(zhì)RW-1被用作外部標準,以校正207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U和208Pb/232Th的比值。每測量10個樣品點,測量2個RW-1和多組標樣(標樣Ban和Dia)的分析結(jié)果。在樣品分析過程中,RW-1標樣的所有測量的207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U和208Pb/232Th同位素比值都按照Liuetal.(2012)的方法進行回歸和校正。微量元素含量以140Ce為內(nèi)標(Ce2O3含量先前由EPMA測量),以ARM-1(Wuetal., 2019, 2021)為外標材料進行校準。使用Glitter 4.0軟件(Griffin, 2008)對同位素和元素分餾加上儀器的質(zhì)量偏差進行了校準。對于多組標樣,選擇線性擬合比率的內(nèi)插選項來進行漂移校正。每個分析的信號部分都是獨立選擇的,以獲得標樣和樣品之間非常相似的區(qū)間。U-Pb和Th-Pb年齡以及加權(quán)平均年齡是使用IsoplotR程序計算而來(Vermeesch, 2018)。

4 分析結(jié)果

4.1 全巖地球化學(xué)特征

表1 波孜果爾堿性巖主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析結(jié)果

圖4 波孜果爾堿性巖的地球化學(xué)分類圖解(a)總堿質(zhì)(Na2O+K2O)與SiO2圖(Wilson, 1989),粉色虛線將堿性與亞堿性巖石系列進行了細分;(b) A/NK-A/CNK圖(Maniar and Piccoli, 1989), A/NK為Al2O3/(Na2O+K2O)的摩爾比,A/CNK為Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)的摩爾比Fig.4 Discremination diagrams of geochemical compositions of the Boziguoer alkaline rocks(a) total alkaline (Na2O+K2O) vs. SiO2 (Wilson, 1989), the pink dotted line subdivides the alkalic from the sub-alkalic rock series; (b) A/NK vs. A/CNK (Maniar and Piccoli, 1989), A/NK is the molar ratio of Al2O3/(Na2O+K2O), A/CNK is the molar ratio of Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)

波孜果爾堿性巖全巖稀土總含量較高(227.2×10-6～1266×10-6),呈現(xiàn)富集輕稀土的球粒隕石標準化配分模式,(La/Yb)N為4.05～21.23,(La/Sm)N為5.51～20.63 (圖5a)。稀土含量的變化可能與稀土礦物(如獨居石、磷釔礦和氟碳鈰礦)的含量有關(guān)。細粒霓石-鈉鐵閃石正長巖樣品總稀土含量最高,條帶狀霓石-鈉鐵閃石正長巖樣品總稀土含量最低(表1)。此外,塊狀鈉鐵閃石-霓石正長巖樣品和霓石-鈉鐵閃石偉晶巖樣品表現(xiàn)出不同于其他樣品的重稀土元素配分模式(相對平坦的HREE模式),HREE含量較低(圖5a)。所有樣品均表現(xiàn)出強烈的Eu負異常(δEu=0.05～0.23)(圖5a)。從原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖中可以看出(圖5b),雖然主要元素組成不同,但這些樣品的微量元素分布相似,表明這些不同巖相的巖石是同源巖漿演化的產(chǎn)物。這些樣品均以富集大離子親石元素(LILEs)(如Rb)、高場強元素(HFSEs)(如Zr、Hf、Nb、Ta)、REEs (Eu除外)和Th為特征。HFSEs的高含量是由于燒綠石和鋯石的存在,Rb的高含量是由于星葉石的存在。此外,巖石表現(xiàn)出明顯的負Ba和負Sr異常(圖5b)。

圖5 波孜果爾堿性巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖(b)(標準化值據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of Boziguoer alkaline rocks (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

4.2 石墨激光拉曼光譜特征

將含晶質(zhì)石墨的波孜果爾堿性巖樣品分為兩組進行拉曼測試,一組樣品Group1(22BZ05、22BZ16)以細粒和條帶狀霓石-鈉鐵閃石正長巖為主,另外一組樣品Group2(22BZ15、22BZ18)以霓石-鈉鐵閃石堿性偉晶巖為主。晶質(zhì)石墨一般呈自形的球粒狀或者不規(guī)則粒狀包裹體產(chǎn)出于不同礦物內(nèi)部或者邊緣(圖6)。這兩組樣品在顯微鏡下沒有明顯的構(gòu)造特征區(qū)別,唯一的區(qū)別在于在偉晶巖中出現(xiàn)晶質(zhì)石墨顆粒呈串出現(xiàn),但是顆粒結(jié)晶度較差,呈帶狀產(chǎn)于鉀長石內(nèi)部(圖6d)。晶質(zhì)石墨在單偏光、正交偏光鏡下和背散射照片中均表現(xiàn)為黑色,在反射光下呈金黃色,粒度大小不一,從10μm到100μm不等(圖6)。晶質(zhì)石墨包裹體普遍存在于礦石礦物(如燒綠石、星葉石和鋯石;圖6a, b, e, f)和堿性礦物(如霓石和鈉鐵閃石;圖6b)中,因此,推測晶質(zhì)石墨形成早于這些巖漿礦物,甚至早于造巖礦物。

圖6 波孜果爾堿性巖中晶質(zhì)石墨的反射光下照片和BSE照片(a)自形燒綠石內(nèi)的晶質(zhì)石墨包體; (b)霓石、鈉鐵閃石和星葉石內(nèi)含有大量晶質(zhì)石墨包體; (c)半自形-不規(guī)則晶質(zhì)石墨與鈉鐵閃石共生; (d)晶質(zhì)石墨球粒呈串珠狀分布于鉀長石晶體內(nèi); (e)晶質(zhì)石墨穿切燒綠石顆?；蚺c燒綠石共生; (f)晶質(zhì)石墨BSE照片顯示石墨與燒綠石和鋯石復(fù)雜的共生組合關(guān)系.Gr-石墨;Thr-釷石Fig.6 Petrographic under reflected light and BSE images of crystalline graphite in Boziguoer alkaline rocks(a) crystalline graphite inclusions in euhedral pyrochlore; (b) aegirine, arfvedsonite and astrophyllite contain a large number of crystalline graphite inclusions; (c) subhedral and irregular crystalline graphite symbiosis with arfvedsonite; (d) the crystalline graphite spherules are beaded in the K-feldspar crystals; (e) the crystalline graphite cuts through the pyrochlore grains or is symbiotic with pyrochlore; (f) the crystalline graphite BSE image show complex symbiotic associations of graphite with pyrochlore and zircon. Gr-graphite; Thr-Thorite

石墨能夠引起約1580cm-1拉曼頻譜位移處出現(xiàn)拉曼振動峰(Graphite峰,稱為G帶)以及因晶格缺陷、邊緣無序排列和碳結(jié)構(gòu)的非對稱性而誘發(fā)起碳原子集體呼吸振動而引起約1350cm-1(Disorder峰,稱為D1帶)和約1620cm-1(D2帶)處的拉曼峰,以上為一級序區(qū)的三個主要譜峰;石墨片層間的結(jié)構(gòu)缺陷與雜原子則會在約2400cm-1(S1帶)、2700cm-1(S2帶)、2900cm-1(S3帶)和3200cm-1(S4帶)處出現(xiàn)因泛音與共振引起的頻譜振動,該區(qū)域稱之為二級序區(qū) (Sfornaetal., 2014; 吳娟霞等, 2014; 姜高珍等, 2017; Zhang and Sntosh, 2019)。Group1和Group2的晶質(zhì)石墨拉曼光譜譜峰分布特征基本上一致(圖7、表2),大部分具有結(jié)晶程度較高的特點(圖6),以G帶、D1帶、D2帶、S1帶、S2帶、S3帶和S4帶譜峰為主,無D3、D4等反映低級結(jié)晶的譜峰存在(Nemanich and Solin, 1979)。

圖7 波孜果爾堿性巖中含晶質(zhì)石墨樣品代表性特征拉曼光譜(a、b)細粒和條帶狀霓石-鈉鐵閃石正長巖Group1組樣品;(c、d)霓石-鈉鐵閃石堿性偉晶巖Group2組樣品Fig.7 Representative of characteristics of Raman spectra of crystalline graphite samples from Boziguoer alkaline rocks(a, b) fine grained and banded aegirine-arfvedsonite syenite Group1 samples; (c, d) aegirine-arfvedsonite alkali pegmatite Group2 samples

在Group1組中(圖7a, b),所有樣品的G帶位置在1581.27～1584.63cm-1之間,大部分在1581cm-1左右(平均為1581.87cm-1),譜峰強度相對較高,介于259.20～1216.57之間(平均為611.53),G帶峰的半高寬(FWHM)在16.32～23.61(平均為19.81)。D1帶位置在1333.92～139.01cm-1之間(平均為1335.62cm-1),譜峰強度在164.81～557.19之間(平均為364.80),D1帶峰的FWHM相對穩(wěn)定,范圍在41.79～50.39,均值為44.51,表明晶質(zhì)石墨的無序度較高。D1帶峰與G帶峰強度比值R1在0.22～1.23之間,平均為0.67。緊靠G帶右側(cè)的D2帶譜峰位置位于1618.93cm-1附近?？傮w而言,D1帶譜峰強度相對G帶低,且G帶譜峰FWHM小,具有“高而窄”的特點。二級序區(qū)內(nèi)主要存在S1帶、S2帶、S3帶和S4帶譜峰,其中S2帶譜峰強度最高,位置在2670.99～2689.79cm-1之間(平均為2680.77cm-1),峰高介于41.25～293.26之間(平均為121.13),變化范圍相對較大,FWHM在29.75～81.85之間(平均為54.99)。其余三個譜峰強度較低,S1帶、S3帶和S4帶分別位于2465.66cm-1、2928.32cm-1和3241.36cm-1附近。

在Group2組的樣品中(圖7c, d),所有樣品的G帶峰位置在1581.07～1583.02cm-1(平均1581.90cm-1,譜峰強度變化較大,介于91.08～853.99(平均為503.97),FWHM在17.33～27.13之間(平均為20.55)。D1帶位置在1334.64cm-1～1337.24cm-1之間(平均為1335.62cm-1),峰高介于173.18～663.24之間(平均為397.42),FWHM在42.60～50.30之間(平均為45.60),D2帶緊靠G帶右側(cè),位置在1618.65cm-1左右。在大約865cm-1的位置會偶爾出現(xiàn)峰高較強的譜峰,為(CH2)n鍵團,而該特征峰在Group1組中幾乎不出現(xiàn)。另外,在偉晶巖中呈串出現(xiàn)的晶質(zhì)石墨(圖6d),其拉曼光譜特征也明顯區(qū)別于其他的晶質(zhì)石墨(圖7d),具有明顯的左傾特征,推測可能是石墨晶體被破壞,而受到礦物基質(zhì)的影響。D1帶峰與G帶峰強度比值R1在0.30～1.85之間(平均為0.93),相對于Group1組石墨具有更高的無序度,特別是在樣品22BZ18中,部分晶質(zhì)石墨的R1值大于1。在二級序區(qū)同樣存在S1帶、S2帶、S3帶和S4帶譜峰,其中S2帶譜峰強度最高,位置介于2668.21～2689.31cm-1之間(平均為2677.88cm-1),峰高在24.20～176.28之間(平均為101.75),變化范圍比較大,FWHM在35.49～84.53之間(平均為63.41),具有“矮而寬”的特點。其余三個譜峰強度較低,S1帶位置分布于2459.75～2469.74cm-1之間;S3帶和S4帶位置分別位于2926.57cm-1和3243.73cm-1附近。

4.3 獨居石U-Th-Pb年齡

波孜果爾堿性巖中的獨居石顆粒進行了U-Th-Pb原位年代學(xué)研究,該獨居石的LA-ICP-MS U-Th-Pb數(shù)據(jù)見電子版附表1。相對于Th,獨居石顆粒中的U濃度過低(Th/U比值為114.10-493.69;附表1)而不能獲得可靠的U-Pb年齡,但是232Th始終遠高于檢出限。分析點的232Th-208Pb年齡分布均勻,與實測Th含量無關(guān),表明巖漿侵位后不存在變形或變質(zhì)疊加影響Pb遷移(Songetal., 2017)。

條帶狀霓石-鈉鐵閃石正長巖(樣品22BZ16: 81°53′55.8″E、42°13′8.47″N)中的獨居石顆粒Th濃度在19472×10-6～64078×10-6之間,U在67×10-6到270×10-6之間,Th/U比值在114～494之間(附表1)。29個獨居石分析點在Tera-Wasserburg圖上限定了一條約束良好的線(圖8a),并獲得下交點年齡為280.0±7.0Ma (MSWD=1.1)。由于獨居石232Th-208Pb年齡分布均勻,本文獲得208Pb/232Th的加權(quán)平均值為279.5±2.4Ma (n=29, MWSD=2.4)(圖8b)。獨居石顆粒的微量元素分析結(jié)果表明,它們具有相同的稀土元素配分模式,并且強烈富集LREE,(La/Yb)N比值大于10000,并且表現(xiàn)出強烈的負Eu異常(δEu=0.11～0.14,圖8c)。

圖8 LA-ICP-MS分析波孜果爾堿性巖獨居石Tera-Wasserburg U-Pb年齡 (a)、加權(quán)平均Th-Pb年齡(b)和球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(c,標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Monazite Tera-Wasserburg U-Pb ages (a), weighted mean Th-Pb ages (b) and chondrite-normalized REE distribution patterns diagram (c, normalization values after Sun and McDonough, 1989) by LA-ICP-MS from Boziguoer alkaline rock

5 討論

5.1 晶質(zhì)石墨形成條件對堿性巖的成因指示

因為含晶質(zhì)石墨包體的各種礦物直接從巖漿結(jié)晶而來,這些晶質(zhì)石墨顆粒不與普遍存在的裂縫或者退火斷裂面有任何關(guān)聯(lián)(圖6),因此可以被認為是原生石墨(Roedder, 1984)。通常而言,不同成因類型的石墨具有不同的結(jié)晶程度和形態(tài)特征(王克勤,1990;Wildeetal., 1999;孫新浩等, 2021)。變質(zhì)成因的石墨結(jié)晶程度與變質(zhì)程度成正比,具定向性,結(jié)晶程度較高,常呈現(xiàn)粗大的鱗片狀,亦或是微晶或隱晶質(zhì),后者多見于接觸變質(zhì)成因的石墨中;巖漿成因的石墨具有較高的結(jié)晶程度,自形程度較好,常以塊狀、球狀或囊狀集合體出現(xiàn)(Rawat and Sharma, 2011; 姜高珍等, 2017)。正如本文前面提到的,波孜果爾堿性巖中的晶質(zhì)石墨無明顯定向性,自形程度較好,因此認為石墨的形成與巖漿作用有關(guān),且石墨的形成可能早于堿性巖的造巖礦物。

理想的石墨單晶的拉曼光譜在一級序區(qū)只存在G帶峰,即石墨的有序度越高,有序度可以反映石墨的結(jié)晶程度,并以此推測石墨的形成條件(Beyssacetal., 2002)。石墨拉曼光譜中“無序”的D帶(D1、D2)譜峰會隨著進變質(zhì)作用而減弱,當巖石達到深熔作用時,會形成只有G帶的純石墨,其峰寬也隨著石墨成熟度而變窄(Henryetal., 2019)。相對結(jié)晶程度較低且無序的石墨的拉曼光譜在一級序區(qū)會出現(xiàn)D1和D2帶峰,并且在二級序區(qū)無S2帶峰,因為S2帶峰越明顯,石墨結(jié)晶程度越高(Wopenka and Pasterris, 1993; 李凱月等, 2018; 孫新浩等, 2021)。波孜果爾堿性巖中的晶質(zhì)石墨拉曼譜峰特征基本上一致,除了Group2組中串珠狀石墨顆粒受礦物基質(zhì)影響而顯示不同的光譜特征外,大部分具有極其尖窄的G帶峰以及伴隨著較為明顯的D1和D2帶峰特征,并且有較為明顯的S2帶峰,表明石墨化程度較高,但是石墨的無序程度普遍偏高(圖6;Zhang and Santosh, 2019)。值得注意的是,在Group2組樣品中,D1帶與G帶強度比值R1比Group1組樣品的高,特別是在樣品22BZ18中,R1的比值大部分大于1(表2)。石墨結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化可能是由于通過Th和U衰變鏈發(fā)射的高能粒子對石墨的輻射造成的結(jié)果(Smithetal., 2011)。相對于細粒霓石-鈉鐵閃石正長巖,霓石-鈉鐵閃石偉晶巖中含有更多的燒綠石、釷石和鋯石(圖6a, e, f),它們都富含放射性元素(Th和U),這就導(dǎo)致Group2組樣品具有更高的無序度,但是Group1組和Group2組樣品中的晶質(zhì)石墨都屬于石墨化程度較高的原生石墨。石墨化碳物質(zhì)硬度較低,在薄片制作時,拋光的過程會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷,而影響拉曼測試結(jié)果,對D1峰的信號會有一定程度的增強(Pasteris, 1989; Beyssacetal., 2002; Beyssac and Lazzeri, 2012; 田野和田云濤, 2020)。但是,對礦物內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)基本不受拋光影響的晶質(zhì)石墨包體的測試結(jié)果也顯示較強的D1帶譜峰信號,因此可以排除拋光對測試結(jié)果的影響。盡管有研究表明堿性巖中鋯石的結(jié)晶溫度大于800℃(劉春花等, 2012),晶質(zhì)石墨有可能是早于巖漿礦物結(jié)晶,并且被巖漿攜帶并侵位至大理巖中隨著礦物結(jié)晶而包裹在礦物內(nèi),高溫可能會導(dǎo)致石墨的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變得無序還有待商榷(孫新浩等, 2021),但富含放射性元素的礦物的原位輻射隨著時間的推移改變了原本高度有序的石墨,這可能是最好的解釋。

Busemannetal. (2007)和Codyetal. (2008)通過對比研究了不同變質(zhì)級別的碳質(zhì)物質(zhì)和原始隕石的拉曼光譜特征,利用D1帶的半高寬值(FWHM)計算石墨的形成溫度,分別獲得了兩個經(jīng)驗公式(1)和(2),該方法適用于結(jié)晶溫度較高的石墨:

T(℃)=931-5.10×FWHMD1+0.0091×(FWHMD1)2

(1)

T(℃)=899.9-3.0×FWHMD1+0.0014×(FWHMD1)2

(2)

由公式(1)計算的溫度,Group1組樣品在697～734℃之間,Group2組樣品在697～730℃之間;由公式(2)計算的溫度,Group1組樣品在752～777℃之間,Group2組樣品在752～75℃之間,兩組溫度基本上一致。由于大部分樣品的D1帶峰信號可能受到過放射性元素衰變輻射的影響而變得更強,因此實際結(jié)晶溫度應(yīng)該比目前計算結(jié)果要高,可能大于800℃,基本上跟鋯石的結(jié)晶溫度一致(劉春花等, 2012)。

波孜果爾堿性巖中晶質(zhì)石墨的產(chǎn)出狀態(tài)基本排除了碳酸鹽礦物還原反應(yīng)形成石墨的可能(胡晗和張立飛, 2021)。首先,石墨的形成需要非常還原的條件,而波孜果爾堿性巖體演化的早期階段氧逸度較高,并有磁鐵礦形成(孫政浩等, 2021)。其次,基于對鋯石中4價元素Ce4+、U4+和Ti4+的鋯石氧逸度計計算波孜果爾巖體的氧逸度(Loucksetal., 2020),獲得中等氧化的氧逸度fO2(ΔFMQ的中位數(shù)和平均值分別為+2.0和+1.6;數(shù)據(jù)引用自Huangetal., 2018)。因此,相對氧化的堿性巖漿侵位于大理巖中與之接觸反應(yīng)不能形成石墨。一種可能的機制是沉積物中生物有機物質(zhì)隨著俯沖過程中溫壓的升高而通過一系列無序石墨質(zhì)碳的中間階段逐步轉(zhuǎn)化為晶質(zhì)石墨,并隨堿性母巖漿由深部攜帶至淺層地殼中(Buseck and Beyssac, 2014)。在石墨質(zhì)碳化過程中是一種高溫且相對還原的體系,而隨著石墨的形成,體系趨于氧化。

5.2 成礦時代

波孜果爾堿性巖中的獨居石多以自形板狀或柱狀為主,少數(shù)呈半自形粒狀,常分布于鉀長石、鈉長石中,與霓石、鈉鐵閃石以及星葉石等共生。在BSE圖像中其亮度分布均勻,表現(xiàn)為均質(zhì)結(jié)構(gòu),具有明顯的巖漿獨居石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(圖3h; Itanoetal.,2018)。通常巖漿獨居石Eu負異常程度較高(δEu=0.01～0.20),波孜果爾堿性巖中的獨居石的Eu異常值介于0.11～0.14之間,而區(qū)別于高級變質(zhì)獨居石(δEu=0.1～0.6)(Zhuetal., 2019)。另外,獨居石具有較高的Th含量(19000×10-6～65000×10-6)以及Th/U比值(>110),可以說明獨居石是巖漿成因獨居石(梁曉等, 2022)。因此,樣品22BZ16中的獨居石作為巖漿期結(jié)晶的礦物之一,其結(jié)晶年齡可以代表堿性巖形成時稀土礦化年齡,即波孜果爾堿性巖稀土礦化年齡為ca.280Ma。

劉春花等(2014)和Huangetal. (2014)獲得波孜果爾堿性巖中鋯石U-Pb年齡為ca.290Ma,被解釋為堿性巖的成巖年齡,即波孜果爾堿性巖為早二疊世巖漿活動的產(chǎn)物。本次研究獲得的獨居石LA-ICP-MS U-Th-Pb年齡(～280Ma)結(jié)果表明這次巖漿活動可能持續(xù)到280Ma左右,即至少持續(xù)了10Myr。區(qū)域上同期的堿性巖型稀有-稀土礦床還有依蘭里克、巴什索貢等(謝明材等, 2020)。依蘭里克含礦堿性偉晶巖年齡為273Ma,主要的礦石礦物包括獨居石、鋯石和寶石級透輝石以及方鈉石,其中稀土富集在金云母透輝石方解石偉晶巖中(碳酸巖脈),而鈮、鋯則與堿性偉晶巖有關(guān),兩者屬于同一期巖漿的產(chǎn)物,即依蘭里克稀土成礦時代與堿性偉晶巖一致,都在273Ma左右(鄒天人等, 2002; 徐海明等, 2012)。巴什索貢是一個鈮、鉭為主伴生稀土的堿性巖型稀有-稀土礦床,含礦巖系為粗粒霓石正長巖和堿性花崗巖。Maetal. (2016)獲得堿性花崗巖和石英正長巖的鋯石U-Pb年齡分別為278.6±1.9Ma和277.2±0.9Ma,與鄒思遠 (2016)獲得的堿長花崗巖鋯石U-Pb年齡(277.0±2.1Ma)一致,表明巴什索貢含礦堿性巖形成于同一時期但不同的演化階段。巴什索貢堿性巖中的礦石礦物基本上是在巖漿期形成,均呈現(xiàn)出遭受后期流體改造的特征,因此可以推測其稀土形成時代與鋯石年齡應(yīng)該一致,同屬于巖漿階段的產(chǎn)物。瓦吉里塔格碳酸巖型稀土-鈮礦床雖然位于塔里木大火成巖省西北部,其形成時代介于284～272Ma之間 (Chengetal., 2018), 與上述南天山造山帶上的含礦堿性巖形成于同一時代。因此,塔里木克拉通北緣及其鄰區(qū)(南天山)主要的稀土成礦時代集中在280～270Ma之間,即形成于早二疊世,它們可能有成因上的聯(lián)系。

5.3 成礦動力學(xué)背景

堿性巖一般與裂谷和/或伸展環(huán)境有關(guān),可以形成于俯沖、碰撞后伸展和板內(nèi)等多種構(gòu)造環(huán)境(Collinsetal., 1982; Eby, 1992; Turneretal., 1992; Jungetal., 2000; Shellnutt and Zhou, 2007; Quetal., 2012; Chenetal., 2015)。當前對波孜果爾堿性巖的成礦動力學(xué)背景研究也存在爭議,對應(yīng)著堿性巖的三大形成構(gòu)造背景:(1)俯沖增生背景(Xiaoetal., 2013);(2)碰撞造山后伸展(Huangetal., 2014);(3)地幔柱作用(劉春花等, 2014;楊樹鋒等, 2014; Hanetal., 2019; 孫政浩等, 2021)。

有關(guān)于南天山洋閉合的時間雖然存在較大爭議,但是普遍的共識是洋盆閉合發(fā)生在晚石炭世前后(Gaoetal.,2011; Wangetal., 2018)。當然也有觀點認為南天山是一個大的增生雜巖體,由南天山洋向北俯沖并向南增生而成,整個南天山洋閉合是東邊早、西邊晚,西邊大約在晚二疊世閉合(Xiaoetal., 2013)。就上述情況而言,波孜果爾堿性巖形成于俯沖增生背景下,但是俯沖背景下形成的堿性巖一般伴隨銅、金(鉬)礦化,而非鈮、鉭、稀土、鋯、銣、鈾等稀有稀土金屬礦化(Richards, 1995; 張偉波和王豐翔, 2014; 王豐翔等, 2017)。另外,考慮到南天山洋向中天山地塊俯沖,有持續(xù)的巖漿活動記錄,而南天山和塔里木克拉通北緣則存在兩期明顯的巖漿活動期(450～380Ma和310～260Ma),并且缺乏390～310Ma的碎屑鋯石(Hanetal., 2015, 2016)。因此,這表明南天山不是俯沖增生雜巖體,并且南天山洋閉合發(fā)生在晚石炭世(Wangetal., 2018)。

隨著南天山洋在晚石炭世的閉合(ca.320～310Ma),碰撞造山運動開始,即塔里木克拉通與伊犁-中天山地塊在晚石炭世晚期-早二疊世早期已經(jīng)進入碰撞造山階段(Wangetal., 2018)。一系列早二疊世的堿性巖發(fā)育在塔里木克拉通與南天山造山帶接合處(如哈拉俊、波孜果爾和依蘭里克;鄒天人和李慶昌, 2006; Zhangetal., 2010b; Huangetal., 2018),這些堿性巖的出現(xiàn)被認為是由于應(yīng)力釋放出現(xiàn)伸展環(huán)境和軟流圈上涌引起的巖石圈熔融而形成,表明南天山地區(qū)已經(jīng)進入碰撞后階段(Huangetal., 2014)。但是,在晚石炭末期塔里木克拉通與伊犁-中天山地塊的碰撞由于缺乏大陸型(超)高壓巖系和缺乏明顯的同碰撞引起的表面侵蝕和隆起等特征而有別于陸-陸碰撞的一般特征(Hanetal., 2019; Zhangetal., 2019)。另一方面,南天山造山帶堿性巖相關(guān)礦化組合與典型的造山后伸展背景下的成礦組合存在差異(孫政浩等, 2021)。綜上所述,波孜果爾堿性巖不太可能形成于碰撞造山后伸展的構(gòu)造背景中。

塔里木大火成巖省主體位于塔里木盆地西部和西南部,是繼峨眉山大火成巖省之后中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的又一個二疊紀大火成巖省,主要由火山巖系列(以大陸溢流玄武巖為主)和伴生的侵入巖(鎂鐵-超鎂鐵和中酸性侵入巖體、碳酸巖巖體、A型花崗巖、雙峰式巖墻和金伯利質(zhì)隱爆角礫巖筒等)組成(楊樹鋒等, 2014; 厲子龍等, 2017)。晚石炭世末期(約300Ma)塔里木克拉通發(fā)生了明顯的地殼抬升(Lietal., 2014),并且在塔北地區(qū)和巴楚地區(qū)分別發(fā)現(xiàn)了苦橄巖、金伯利質(zhì)隱爆角礫巖筒的存在(李昌年等, 2001; Lietal., 2010; Tianetal., 2010),此時地幔柱開始就位(Lietal., 2014)。隨著地幔柱的就位,誘發(fā)了大規(guī)模巖漿噴發(fā)事件,噴發(fā)峰期為ca.290Ma,而侵入巖類的形成時間主要集中在284～274Ma,峰期為ca.280Ma,明顯晚于塔里木溢流玄武巖的噴發(fā)時間(Yangetal.,2007; Zhangetal.,2008; Zhouetal., 2009; Lietal., 2011; 徐義剛等, 2013; Xieetal., 2022)。本文獲得的波孜果爾堿性巖獨居石Th-Pb年齡和前人獲得的鋯石U-Pb年齡結(jié)果一致,顯示波孜果爾巖體形成于291～280Ma(Huangetal., 2014; 劉春花等, 2014),巖漿活動至少持續(xù)了10Myr,表明波孜果爾巖體形成時代與塔里木大火成巖省的巖漿活動時限近乎一致。另外,目前獲得塔里木克拉通北緣南天山造山帶其他堿性巖(哈拉俊堿性巖群和黑英山堿性巖群)的年齡集中在279～273Ma之間(劉楚雄等, 2004; Zhangetal., 2010a; 周黎霞等, 2010; 徐海明等, 2012; 曹俊等, 2013; Huangetal., 2015; Maetal., 2016; 鄒思遠, 2016),說明在時空上南天山造山帶中發(fā)育的堿性巖與塔里木大火成巖省可能有成因聯(lián)系。Hanetal. (2019)通過總結(jié)南天山和塔里木大火成巖省早二疊世巖漿巖的元素和同位素數(shù)據(jù),結(jié)果顯示地幔柱對南天山造山帶巖漿巖石形成有顯著的影響,例如波孜果爾堿性巖具有相對較高的鋯飽和溫度(～900℃,據(jù)Huangetal., 2018數(shù)據(jù)計算)。另外,在Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga三角圖上,大部分波孜果爾堿性巖樣品落在A1區(qū)域(圖9),A1型花崗巖形成于非造山的大陸裂谷或地幔柱環(huán)境,而A2型多形成于造山后、活動大陸邊緣、弧后盆地等構(gòu)造環(huán)境(Eby, 1992)。綜上所述,波孜果爾堿性巖所在的南天山早二疊世堿性巖帶形成于地幔柱作用的非造山板內(nèi)拉張的構(gòu)造背景,正是由于地幔柱的影響,沒有碰撞造山后板片應(yīng)力釋放的伸展構(gòu)造背景(Hanetal., 2019)。因此,波孜果爾堿性巖中的晶質(zhì)石墨包體可能是地幔柱與俯沖板片作用而攜帶上來的石墨化碳,塔里木地幔柱作用包括南天山造山帶,其既為堿性巖的形成提供了熱源又提供了物質(zhì)。

圖9 波孜果爾堿性巖Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga三角圖解(據(jù)Eby, 1992)Fig.9 Triangular diagrams of Nb-Y-Ce and Nb-Y-3Ga of Boziguoer alkaline rocks (after Eby, 1992)

5.4 成礦指示

地幔柱活動形成的大火成巖省不僅是研究地球深部地質(zhì)過程和生物圈滅絕的重要窗口,而且往往伴隨著大量具有重要經(jīng)濟價值的礦床類型的形成,導(dǎo)致重要戰(zhàn)略資源的極度富集(Beggetal., 2010; Jowittetal., 2014;Pirajno, 2022)。大火成巖省在形成過程中,大量玄武質(zhì)巖漿在短時間內(nèi)生成,為大型鉻鐵礦床、銅鎳硫化物礦床、釩鈦磁鐵礦和鈮-稀土礦床等巖漿礦床創(chuàng)造了有利的成礦條件(胡瑞忠等, 2005; 宋謝炎等, 2010)。許多超大型巖漿礦床形成在大火成巖省內(nèi),典型代表包括:西伯利亞大火成巖省Noril’sk-Talnakh超大型鎳-銅-鉑族元素硫化物礦床(Naldrett, 1992; Arndtetal., 2003)、北大西洋大火成巖省Skaergaard鉑-金礦床(Andersenetal., 1998; Holwell and Keays, 2014)、峨眉山大火成巖省攀西鐵-鈦-釩礦床(張洪安等, 2009; Songetal., 2013)、巴拉那-伊滕德卡大火成巖省Brandberg稀土礦床(Ernst and Buchan, 2001)、Alto Paranaiba大火成巖省Araxá和Catal?o鈮礦床(Hutchisonetal., 2019)以及SW Slave大火成巖省Nechalacho鈮-鋯-稀土礦床(M?ller and Williams-Jones, 2016)。

塔里木大火成巖省的形成同樣伴隨著一定數(shù)量的堿性巖型稀有-稀土礦床(點)的形成(Xieetal., 2022),波孜果爾堿性巖型Nb-Ta-Rb-Zr-REE礦床就是其中之一。這些礦床(點)形成于伸展背景,與塔里木地幔柱上升引起的巖石圈破壞改造時期發(fā)育的巖漿和熱液體系密切相關(guān)(厲子龍等, 2017; 朱圣柱等, 2023)。通常而言,要形成具有經(jīng)濟意義的稀有-稀土礦床,交代富集的克拉通邊緣,特別是匯聚邊緣,是稀土-稀有金屬礦化的理想條件(Houetal., 2015; Liu and Hou, 2017)。巖漿源區(qū)被先前俯沖物質(zhì)交代富集稀有-稀土元素和揮發(fā)性成分,或俯沖沉積物交代大陸下巖石圈地幔,巖石圈破壞或軟流圈上涌誘發(fā)交代地?；虼箨懴聨r石圈地幔低程度部分熔融形成富成礦元素的堿性巖母巖漿,使成礦元素初步富集(Bell and Simonetti, 2010)。隨后,經(jīng)過一系列巖漿演化和熱液流體作用,成礦元素在構(gòu)造薄弱帶進一步活化、遷移、富集、沉淀,形成稀有-稀土礦床(Klemme and Dalpé, 2003; Houetal., 2009; Veksleretal., 2012; Martinetal., 2013; Guzmicsetal., 2015; Migdisovetal., 2016; Chebotarevetal., 2019; Yangetal., 2019; Fengetal., 2020)。塔里木克拉通北緣及其鄰區(qū)一系列與堿性巖有關(guān)的稀有-稀土礦床的形成可能是由于中-新元古代和古生代俯沖相關(guān)沉積物和大洋地殼成分的循環(huán)作用對塔里木克拉通下地幔進行了長期的交代和改造(Zhangetal., 2008; Zhuetal., 2021)。在早二疊世早期,受塔里木地幔柱侵位的影響,大規(guī)模巖漿活動形成塔里木大火成巖省,并伴隨富稀有-稀土元素堿性巖漿的形成,堿性巖巖漿沿深斷裂或板內(nèi)裂陷遷移沉淀形成礦床。

6 結(jié)論

(1)波孜果爾堿性巖以正長巖為主,主要的礦石礦物為燒綠石、星葉石、鋯石、獨居石、氟碳鈰礦和磷釔礦;堿性巖總體具有稀土元素總量較高,富集輕稀土和高場強元素(Nb、Ta、Zr、Hf等),虧損重稀土和Ba、Sr等大離子親石元素,具有強烈負Eu異常等特征。

(2)晶質(zhì)石墨經(jīng)歷較高溫度的石墨化過程,估算的形成溫度介于700～800℃之間;堿性巖中含有大量石墨包體指示堿性巖漿演化早期是偏還原環(huán)境,隨著石墨的形成,體系趨于氧化。

(3)波孜果爾堿性巖獨居石LA-ICP-MS U-Th-Pb定年結(jié)果表明成礦時代～280Ma,波孜果爾礦床成礦時代為早二疊世。

(4)波孜果爾礦床成礦時代與塔里木大火成巖省巖漿活躍期的時限一致(290～270Ma),其所在的塔里木北緣堿性巖帶與塔里木地幔柱有密切的成因聯(lián)系,即波孜果爾礦床形成與塔里木地幔柱有關(guān)。

致謝在野外地質(zhì)工作中拜城縣休相村牧民提供了大量的野外幫助及后勤保障;中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所多接收-電感耦合等離子質(zhì)譜實驗室吳石頭老師和許蕾老師在獨居石U-Th-Pb定年、流體包裹體實驗室黃亮亮工程師在石墨激光拉曼光譜分析測試過程中提供了指導(dǎo)和幫助;承蒙兩位匿名審稿專家提出建設(shè)性的修改意見,使文章質(zhì)量得以大幅度提升;副主編俞良軍對于本文的文字、圖件進行了細致審校并提出了很多修改意見;在此一并致以衷心的感謝!