王晓青，段士刚，陈小龙，高 坡

（1 长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054；2 西藏金和矿业有限公司，西藏拉萨 850211；3 中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037）

作为岩浆岩中常见的镁铁质造岩矿物，黑云母类质同象置换相当广泛，使其组成在相当大的范围内变化。国际矿物学协会划分出了黑云母的4 个端员固溶体：铁云母、金云母、铁叶云母和富镁黑云母（Rieder et al.,1998），以促进黑云母的进一步研究。黑云母的一些类质同象替换与温度、压力和氧逸度等物理化学条件之间展示了紧密的相关关系。例如，契尔马克替换（tschermakite substitution），即（Mg，Fe）Si⇌Al2替换，会导致体积减小，从而与结晶压力紧密相关，据此发展出了黑云母全铝地质压力计（Uchida et al.,2007）；Ti 与Fe、Mg、Al 等之间复杂的偶合反应替代随温度升高而增强，据此发展出了黑云母Ti 饱和温度计（Henry et al.,2005）；黑云母Mg/(Mg+Fe)比值随岩浆的氧逸度增加而增加，可能与Mg⇌Fe完全置换和熔体中Fe2+↔Fe3+间的转变有关（Wones et al.,1965）。基于此，黑云母的矿物化学常被用来揭示岩浆的物化条件、演化过程、物质来源及评价含矿性（Abdel⁃Rahman,1994；Borodina et al.,1999；Webster,2004；Henry et al.,2005；唐攀等，2017；张毓策等，2020；张忠坤，2020）。此外，黑云母40Ar-39Ar 同位素年龄属于中温热年代学（袁万明等，2016；田朋飞等，2020），代表了40Ar-39Ar 同位素体系封闭后至今的时间，被用来限定矿床成矿年龄（郑义等，2013；钟军等，2020）和研究矿床变化保存问题（孙敬博等，2015）。

东天山的中天山地块和觉罗塔格构造带内产出有一系列早二叠世赋存在镁铁-超镁铁质杂岩体中的铜镍硫化物矿床（王京彬等，2006；毛景文等，2006;秦克章等，2012）。其中，天宇矿床是在中天山地块内发现的一处中型铜镍硫化物矿床，前人对其开展了岩相学、岩石地球化学与同位素年代学研究（唐冬梅等，2009a;2009b;Tang et al.,2011）、矿物学与矿物化学研究（宋林山等，2014；方林茹等，2019）、成矿物质来源研究（王亚春等，2013;段士刚等，2017）、控矿构造（陈柏林等，2018）及成矿模式研究（邓刚等，2012）等等，取得了许多重要认识，而关于矿床中云母的种属、成分特征及成因意义的研究仍很薄弱，关于云母在矿床变化保存方面的指示意义也未提及。本文报道了对天宇铜镍硫化物矿床中云母开展的该方面研究工作，并分析了其对矿床形成与变化保存的指示意义。

1 地质背景

东天山天宇铜镍矿区位于新疆哈密市东南方向约170 km。东天山位于中亚造山带的西南缘，它西起小热泉子，东至甘新交界，是中国重要的铁、镍、铜、金、铅锌成矿带（图1）。东天山是由塔里木和准噶尔古板块及其增生边缘拼接、碰撞形成，其地质历史大体可以划分为前震旦纪古陆块基底形成阶段、震旦纪至石炭纪古洋盆开合阶段和二叠纪以来大陆地壳陆内演化阶段（毛景文等，2006；陈毓川等，2008）。

图1 东天山构造格架与矿床分布图（据王京彬等，2006修改）1—中新生代沉积盖层；2—二叠纪陆相火山-沉积岩系；3—石炭纪火山-沉积岩系；4—奥陶纪—泥盆纪火山-沉积岩系；5—前寒武纪变质岩；6—花岗岩类；7—地质界线；8—区域断层/推测区域断层；9—断层/逆断层；10—剪切带；11—金矿床（大、中、小型）；12—铜矿床（大、中、小型）；13—铜镍硫化物矿床（大、中、小型）；14—铁矿床（大、中、小型）；15—铅锌矿床；16—银多金属矿床；17—多金属矿床Fig.1 Map of the tectonic framework and deposit distribution in the East Tianshan Mountains(modified after Wang et al.,2006)1—Mesozoic to Cenozoic sedimentary cover;2—Permian continental volcanic sedimentary rocks;3—Carboniferous volcanic sedimentary rocks;4—Ordovician to Devonian volcanic sedimentary rocks;5—Precambrian metamorphic rocks;6—Granite;7—Geological boundary;8—Regional fault/Inferred regional fault;9—Fault/Reverse fault;10—Ductile shear zone;11—Gold deposits(large,medium and small);12—Copper deposits(large,medium and small);13—Copper-nickel sulfide deposits(large,medium and small);14—Iron ore deposits(large,medium and small);15—Lead-zinc deposits;16—Silver-rich polymetallic ore deposits;17—Polymetallic ore deposits

东天山地区在早二叠世为后碰撞环境，主要发生了韧性剪切作用与幔源岩浆底侵作用，韧性剪切作用形成了康古尔剪切带，沿剪切带形成了蚀变岩型及石英脉型金矿，如康古尔Au 矿和马头滩Au 矿；幔源岩浆底侵作用具有跨构造单元的“面型”分布特征，形成了大量岩浆铜镍硫化物矿床，如觉罗塔格构造带的图拉尔根、黄山和香山Cu-Ni 矿床，及中天山地块内的天宇Cu-Ni矿床（王京彬等，2006）。

天宇铜镍矿床及周边地区出露的岩层为中元古界长城系星星峡群，该群为一套绿片岩相至角闪岩相的变质火山熔岩、火山碎屑岩夹碳酸盐岩。区内构造作用强烈，主要为断裂，次为褶皱和单斜构造。断裂构造主要为沙泉子深大断裂及其次级断裂。区域内侵入岩十分发育，分布广泛，并以华力西期侵入岩为主，以加里东期侵入岩为次。加里东期侵入岩主要为片麻状花岗岩；华力西期侵入岩从酸性-中性-基性-超基性均有出露。华力西期晚期侵入岩是区内镁铁-超镁铁岩体形成的主要阶段，天宇铜镍矿、白石泉铜镍矿均与华力西晚期侵入岩关系密切。

天宇杂岩带由Σ15～Σ21 号7 个杂岩体组成。其中Σ20 号杂岩体是天宇铜镍硫化物矿床的主体（图2），其出，露长度大于1150 m，宽6～70 m，总体走向49°，向北倾，但倾角变化较大，且在东、西两端出现分支。其西北侧围岩为片麻状花岗岩，东南侧围岩为云母斜长片岩、斜长石英片岩，杂岩体深部超镁铁岩为全岩矿化，辉石岩、橄辉岩和橄榄岩相即为矿体，地表矿化较弱，以盲矿体为主（图3）。该杂岩体由北向南可划分为辉石闪长岩相、辉石岩相、橄辉岩相和橄榄岩相，其中后三者为渐变过度关系，被辉石闪长岩侵入（唐冬梅等，2009a）。在地表仅达镍工业品位，镍矿体位于深部，包括低品位的浸染状矿体和少量高品位的块状矿体，矿体与围岩花岗片麻岩、花岗质糜棱岩、绢云石英片岩和片麻状花岗岩截然接触。

图2 天宇铜镍硫化物矿床地质图Fig.2 Geological map of the Tianyu copper-nikel sulfide deposit

图3 天宇铜镍硫化物矿床6号勘探线剖面图（位置见图2）Fig.3 Geological profile of exploration line 6 of the Tianyu copper-nikel sulfide deposit(see Fig.2 for location)

矿石主要为稀疏浸染状、浸染状、稠密浸染状、块状、角砾状及脉状等构造，结构类型主要为自形-半自形粒状结构、半自形-他形粒状结构、他形粒状结构、海绵陨铁结构，其次有出溶体结构和镶嵌状结构（唐冬梅等，2009a；段士刚等，2017）。矿石中金属硫化物以磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿为主，闪锌矿、方铅矿、辉钼矿等微量；脉石矿物以橄榄石、辉石、蛇纹石、斜长石、透闪石、黑云母、金云母、绿泥石、方解石、白云石、滑石等为主（邓刚等，2012）。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

野外和室内观察发现，天宇铜镍硫化物矿床原生云母有2 种：一种是在超镁铁质岩中，另一种是产在块状硫化物矿体与围岩的接触面上。样品采自1350 中段和1400 中段，其中TY-5、TY-26、TY-39、TY-153、TY-168 为采自1350 中段的浸染状矿石（图4a），TY-49、TY-152、TY-7、TY-163 为采自1400 中段块状矿体边部的矿石（图4b）。将前7 件磨制了光薄片，镜下挑选新鲜的云母进行探针成分分析。后2件发育粗大的金云母（图4c、d），挑选金云母单矿物进行40Ar-39Ar 同位素测年。金云母在浸染状矿石手标本上肉眼不易辨识，在显微镜下呈他形片状分布在橄榄石与辉石颗粒之间，与角闪石间呈嵌晶结构（图4e、f），大小0.2～1.0 mm。块状矿体边部的金云母，产在块状硫化物矿体与围岩的接触面上。接触界线附近的围岩发生了约10 cm 宽的重结晶，矿物颗粒变得更加粗大。接触界线上的金云母单体呈粗大片状（2～8 mm），他形，集合体呈叶片状集合体，且平行接触面呈薄面状延伸，新鲜无蚀变、无变形现象。

图4 天宇矿床含金云母铜镍矿石样品照片(a～d)和正交偏光显微照片(e、f)a.浸染状铜镍矿石；b.块状矿石及其边部粗大金云母和重结晶围岩；c、d.块状矿石与重结晶围岩之间粗大的金云母；e、f.他形片状金云母和黑云母与角闪石间呈嵌晶结构Fig.4 Photographs (a～d) and orthogonally polarized micrographs (e,f) of Cu-Ni ore samples containing phlogopite in the Tianyu deposita.Disseminated copper-nickel ore;b.Massive ore and coarse phlogopite and recrystallized surrounding rock at its edge;c,d.Coarse phlogopite between massive ore and recrystallized surrounding rock;e,f.Allomorphic lamellar phlogopite and biotite which are intercalated with amphibole

2.2 实验方法

电子探针分析在中国地质科学院矿产资源所电子探针实验室完成，仪器为JEOL JXA-8230 型电子探针仪，分析条件为加速电压5 kV、电流20 nA、束斑直径5 μm，标样采用天然矿物或合成金属国家标准，分析精度为0.01%。

Ar-Ar 同位素测年在中国地质科学院地质研究所氩氩同位素实验室完成。首先将样品粉碎、过筛后进行水漂、磁选和重液分离等，分选出60～80 目的金云母，然后在双目镜下手工挑选，挑选金云母纯度达到99%以上，送中国地质科学院地质研究所Ar-Ar同位素实验室进行测试。先对选纯的金云母样品用超声波清洗。清洗后的样品被封进石英瓶中送核反应堆中接受中子照射。照射工作是在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”中进行的。样品的阶段升温加热使用石墨炉，质谱分析是在多接收稀有气体质谱仪Helix MC 上进行的。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，用ISOPLOT 程序计算坪年龄及正、反等时线（Ludwig,2001），坪年龄误差以2 s 给出。详细实验流程和参数见有关文章（陈文等,2006;张彦等,2006）。

2.3 实验结果

2.3.1 EPMA分析

电子探针分析结果见表1，表中以22 个氧原子为基础计算了云母的阳离子数及相关参数。由分析结果可知，天宇杂岩体云母具有贫钛特征。在Foster等（1962）的云母分类图解中投影于铁质黑云母、镁质黑云母和金云母区域（图5）。测年云母样品种属为金云母。

图5 天宇矿床云母分类图解（据Foster et al.,1962）Fig.5 Classification diagram of mica in Tianyu deposit(after Foster et al.,1962)

2.3.2 Ar-Ar同位素测年

天宇铜镍硫化物矿床金云母样品阶段加热40Ar-39Ar年龄分析结果见表2，计算的年龄谱和等时线见图6。样品TY-7 在840～1400°C 的10 个中-高温阶段组成了1个年龄坪，坪年龄tp=（250.4±1.5）Ma，对应了98.4% 的39Ar 释放量（图6a）。相 应的40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等时线年龄ti=（250.7±2.4）Ma，初始值40Ar/36Ar 为283.7±6.8（MSWD=1.2）（图6b），等时线年龄和坪年龄在误差范围内一致。40Ar/36Ar初始值接近于现代大气氩比值（尼尔值295.5±5），两者在误差范围内一致，表明测试结果是有意义的。因此，TY-7 金云母(250.4±1.5)Ma 的坪年龄是有地质意义的，代表了金云母Ar同位素的封闭年龄。

表2 金云母40Ar/39Ar阶段升温加热分析结果Table 2 Stage heating results of 40Ar/39Ar ratios of phlogopite

样品TY-163在820～1400°C的10个中-高温阶段组成了1个年龄坪，坪年龄tp=（247.7±1.5）Ma，对应了92.7%的39Ar释放量（图6c）。相应的40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等时线年龄ti=（247.7±2.6）Ma，初始值40Ar/36Ar 为268±70（MSWD=0.72）（图6d），等时线年龄和坪年龄在误差范围内一致。40Ar/36Ar 初始值与现代大气氩比值（尼尔值295.5±5.0）在误差范围内一致，表明测试结果是有意义的。因此，TY-163 金云母（247.7±1.5）Ma 的坪年龄是有地质意义的，代表了金云母Ar同位素的封闭年龄。

图6 天宇金云母39Ar/40Ar阶段升温年龄谱图（a、c）和等时线图（b、d）Fig.6 Plateau ages(a,c)and isochron charts of stage heating results(b,d)of 40Ar/39Ar ratios of Tianyu phlogopite

样品TY-7 金云母坪年龄（250.4±1.5）Ma 和TY-163 金云母坪年龄（247.7±1.5）Ma 在误差范围内一致，代表了矿体地温梯度降低到金云母40Ar-39Ar 封闭温度（300°C）后至今的时间。

3 讨论

天宇铜镍矿床的云母有2 种产状，其一是在浸染状与海绵陨铁状矿石中与角闪石呈嵌晶结构，分布在具有浑圆状蛇纹石化的橄榄石和辉石颗粒之间，又被大量金属矿物充填形成海绵陨铁结构；其二是在块状硫化物矿石与重结晶围岩接触面上由粗大的深棕色叶片状金云母呈线状平行接触面延伸，新鲜无蚀变，无变形现象，并且围岩重结晶带宽约10 cm，颗粒粗大，颜色变深。前者具有岩浆黑云母的岩相学特征（唐攀等，2017），结晶发生在橄榄石和辉石之后，与角闪石近同期，但明显早于硫化物；后者明显是炽热的硫化物矿浆侵位后引起围岩变质重结晶或与围岩发生小范围同化混染新生成的金云母。在FeOT-10TiO2-MgO 图解（图7；Nachit et al.,2005）中，前者投影在重结晶黑云母区，可能反映了晚期硫化物熔体对早期结晶黑云母和金云母的影响；后者投影在新生黑云母区域，与野外观察认识一致。天宇矿床金云母的低Ti 特征（Ti<0.2）也符合固相线下交代作用成因黑云母的特征（马昌前等，1994）。利用Henry 等（2005）提出的黑云母Ti 含量温度计：T={[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}0.333，其中XMg=Mg/(Mg+Fe)，a=-2.3594，b=4.6482×10-9，c=-1.7283，计算出天宇铜镍矿床的金云母结晶温度为609.6～646.2°C（表1），仍处于岩浆温度范围内。因此，可以认为天宇块状矿体边部的粗大金云母是铜镍硫化物矿浆冷凝固结过程中形成的。

图7 天宇矿床金云母FeOT-10TiO2-MgO图解（据Nachit et al.,2005）Fig.7 FeOT-10TiO2-MgO diagram of Tianyu phlogopite（after Nachit et al.,2005）

40Ar/39Ar 同位素年龄属于中温热年代学（袁万明等，2016；田朋飞等，2020），根据测年对象的不同可以用来约束成矿年龄（Duan et al.,2018）、构造带活动时间（陈文等，2006）、隆升剥蚀（孙敬博等，2015）、盆地演化、矿床保存变化等方面（田朋飞等，2020）。天宇矿床金云母40Ar-39Ar 年龄可以用来指示矿床形成后的变化保存。天宇杂岩体锆石SIMS U-Pb 年龄是(280±2) Ma（Tang et al.,2011），锆石U-Pb 体系的封闭温度高于900°C（Lee et al.,1997;Cherniak et al.,2000），因此该锆石年龄记录了杂岩体和矿体的侵位时间在早二叠世。天宇金云母Ar-Ar 坪年龄为(250.4±1.5)Ma 和(247.7±1.5)Ma，代表了金云母40Ar-39Ar 同位素体系封闭（封闭温度(350±50)°C；Harrison et al.,1985;Grove et al.,1996;McDougall et al.,1999）后至今的时间。该年龄比锆石年龄晚了约30 Ma，可能由以下2 种原因造成：一是由于隆升剥蚀地温梯度降低到金云母40Ar-39Ar 封闭温度，二是矿体附近印支期岩浆活动或断裂作用使40Ar-39Ar 年龄发生了重置。

针对第一种可能性，考虑到东天山印支期活跃的岩浆和构造活动，假设天宇矿床所在地区地温梯度介于造山带正常水平30°C/km（朱文斌等，2007）至较高温度50°C/km（朱文斌等，2007）之间，地表温度选择10°C，那么云母Ar-Ar 体系封闭温度350°C 代表的地下深度约为6.8～11.3 km（孙敬博等，2015）。也就是说自250 Ma 至今，该地区发生了约6.8～11.0 km 的隆升和剥蚀。天宇铜镍硫化物矿床为贯入式成矿（唐冬梅等，2009a；邓刚等，2012），其角闪石以填隙形式产出，是岩浆固结-近固结状态下的产物，根据Ridolfi 等（2010）角闪石压力计计算得到其角闪石结晶压力在274～452 MPa 之间，平均为361 MPa，换算的侵位深度在12～15 km 之间（方林茹等，2019）。位于天宇铜镍矿西南约50 km 处的尾亚岩体年龄介于253.9～259.9 Ma（王京彬等，2006），其发育的角闪石也以填隙形式产出，是岩浆固结-近固结状态下的产物，根据Ridolfi 等（2010）角闪石压力计计算得到角闪石结晶压力介于0.27～0.45 GPa 之间，对应的侵位深度为10.1～16.9 km（石煜等，2016）。似乎均支持剥蚀深度接近11 km。然而必须指出的是，Ridolfi 等（2010）的角闪石全铝压力计估算的是角闪石在熔体中结晶时的压力值，不是在近固相线温度下结晶的角闪石的压力值，因此它适用于估算火山岩角闪石斑晶结晶时的压力，而不适用于计算侵入体的结晶压力（汪洋，2014）。因此上述深度的可靠性存在疑问。Wang 等（2008;2010）根据断裂构造热年代学数据推测该地区出露的晚二叠世—早三叠世岩体侵位深度均较浅。李季霖等（2021）利用黑云母全铝压力计计算了该地区花岗岩类剥蚀程度，结果表明尾亚环形杂岩体内环（锆石U-Pb 年龄范围为244.7～228.7 Ma）平均为5.8 km，尾亚外环（锆石U-Pb 年龄范围为257.4～236 Ma）平均为5 km；天湖杂岩体（243～241 Ma）内环平均为2.4 km，外环平均为3.3 km。因此，天宇-尾亚地区三叠纪以来剥蚀程度可能在2.4～5.8 km，而并非角闪石压力计指示的近11 km的剥蚀。

在地壳浅部，仅几十米厚的天宇岩墙状杂岩体会快速冷却。金云母Ar-Ar 年龄与锆石年龄间约30 Ma 的差距，可能反映了印支期岩浆或断裂活动的热作用重置。印支期侵入岩在中天山地块比较发育，例如上述尾亚杂岩体、天湖杂岩体。但目前天宇矿区还未见有印支期侵入岩的报道，因此推测该重置年龄可能由断裂活动导致。天宇矿区位于沙泉子深大断裂南侧4～5 km处，矿区赋矿断裂以及后期破矿断裂被认为是沙泉子深大断裂派生的次级断裂。断裂构造研究表明，区域上在约270～245 Ma 发生了大规模右行剪切作用，在约240～235 Ma 发生了左行剪切作用（陈文等，2005；Wang et al.,2010）。天宇矿区近南北向和北北东向断裂主要为成矿后断裂（陈柏林等，2018），可能是沙泉子大断裂晚二叠世—早三叠世再活动在矿区的反映。天宇金云母Ar-Ar年龄与区域大规模右行剪切作用时代吻合，可能反映了后期构造热作用对金云母Ar-Ar 同位素封闭体系的重置。

4 结论

天宇铜镍硫化物矿床原生云母有2 种：一种是在超镁铁质岩中，呈他形片状分布在橄榄石与辉石颗粒之间，与角闪石间呈嵌晶结构；另一种是产在块状硫化物矿体与围岩的接触面上，呈叶片状集合体，云母单体为粗大的他形片状。前者结晶后受到了晚期硫化物熔体的影响，后者为炽热的硫化物矿浆侵位时与围岩相互作用新生成的金云母。金云母结晶温度为609.6～646.2°C，Ar-Ar坪年龄为(250.4±1.5)Ma 和(247.7±1.5)Ma。金云母Ar-Ar 坪年龄比岩体的锆石U-Pb 年龄晚了约30 Ma，推测是由于区内晚二叠世—早石炭世的走滑断裂活动使该Ar-Ar年龄发生了重置。

致 谢在野外工作中得到了新疆第六地质大队齐利平工程师的帮助，在此表示衷心的感谢！同时感谢审稿人对本文的评论和提出的修改意见。