Zircon Geochronology and Hf Isotope of Intermediate Acidity Magmatic Rocks in the Island Arc Terrane of South Mongolia and Their Geological Significance
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摘要: 南蒙古曼达洛沃-古尔班赛汗岛弧地体是中亚造山带的重要组成部分，为了探讨岛弧地体内岩浆活动及地壳演化过程与斑岩型铜多金属矿床成矿作用的成因关系，对产出在该地体内代表性斑岩铜矿床与成矿作用有关的岩石进行了岩相学、锆石年代学及Hf同位素组成分析. 哈马戈泰铜-金矿床出露的与成矿有关的岩石为花岗闪长岩-二长闪长玢岩组合，LA⁃MC⁃ICP⁃MS锆石定年数据显示，成岩年龄为332~324 Ma；查干苏布尔加矿区产出有二长花岗斑岩，为铜-钼矿化的容矿岩体，本次测定的成岩年龄为~372 Ma；青狐狸斑岩型铜多金属矿化与闪长岩具有成因联系，本次测定的成岩年龄为~333 Ma；奥尤特乌兰铜多金属矿区岩浆岩活动强烈，产出有二长岩和安山岩-花岗闪长岩杂岩体，本次测定的成岩年龄分别为~381 Ma和338~332 Ma. 综上所述，曼达洛沃-古尔班赛汗岛弧地体晚古生代岩浆活动主要分为3个阶段：383~369 Ma、367~363 Ma和338~321 Ma. 其中，与斑岩铜多金属矿化有成因联系的岩浆活动主要集中在375~369 Ma和338~328 Ma两个时期，可能为该区域两个最重要的成矿期. 原位锆石εHf（t）位于球粒陨石演化线之上，介于+7.85~+16.14之间，部分分析点与亏损地幔值相似，显示成岩物质来源可能是亏损地幔部分熔融形成的新生物质在地壳短暂停留后再次部分熔融的产物，同时也受到了一定程度成熟地壳的混染. Hf同位素两阶段模式年龄tDM2为331~717 Ma，表明本区发生重要的地壳增生事件的时间是新元古代至晚古生代.Abstract: The Mandalovoo⁃Gurvansaikhan island⁃arc Terrane in South Mongolia is an important part of Central Asian Orogenic Belt (CAOB). In order to constrain the genetic relationship between the large⁃scale magmatism, porphyry⁃type Cu⁃polymetallic mineralization and regional crustal evolution, petrography, LA⁃MC⁃ICP⁃MS zircon geochronology and Hf⁃isotop were completed on the typical deposits. Based on geological evidence, the metallogenic⁃related rocks at Kharmagtai Cu⁃Au deposit is the andesite⁃monzodiorite porphyritem, and the LA⁃ICP⁃MS zircon U⁃Pb dating of them yields crystallization age of 332 to 324 Ma. The monzonitic granite hosting the Tsagaan Suvarga Cu⁃Mo ore⁃bodies and the diorite granodiorite porphyry related to Bronze Fox porphyry⁃type mineralization yield crystallization age of ~372 Ma and ~333 Ma respectively. The monzonite intrusions and andesite⁃granodiorite complexes at Oyut Ulaan were emplaced at ~381 Ma and 338 to 332 Ma. Based on geological evidence, and chronology data, the Late Paleozoic magmatic activity at Mandalovoo⁃Gurvansaikhan island⁃arc Terrane is mainly divided into three stages: 383 to 369 Ma, 367 to 363 Ma and 338 to 321 Ma. Among them, the metallogenic⁃related magmatic active are mainly concentrated in two periods of 375 to 369 Ma and 338 to 328 Ma, which may be the two most important mineralization periods in the region. Moreover, the in⁃situ zircon εHf(t) show positive values between +7.85 to +16.14, which are above the chondrite evolution line, partial sample are markedly close to the depleted mantle (DM) evolution line, indicating that the source of the diagenetic material may be the new material formed by the DM partial⁃melting, and the new material subject to partial melting after a short stay in the crust, mixed with a certain amount of mature crust. The tDM2 are 331~717 Ma, indicating that the time of important crustal accretion events in region is from Neoproterozoic to Late Paleozoic.
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斑岩型矿床通常具有全岩矿化的特征，并可能发育为数千万吨乃至上亿吨的超大型矿床，如智利的El Teniente和Chuquicamata斑岩型铜矿床，美国Bingham斑岩型铜金钼矿床，印度尼西亚的Grasberg斑岩型铜金矿床等（Sinclair et al., 2007；Sillitoe，2010）. 据统计，全球已发现的矿产资源中，53.5%的铜储量和96%的钼储量来自斑岩型矿床（毛景文等，2012），鉴于斑岩型矿床巨大的经济价值，已经成为矿业界最为关注的矿床类型之一. 已发现的斑岩型矿床在全球的分布极为不均，主要集中的环太平洋成矿域、特提斯-喜马拉雅成矿域和中亚成矿域（夏斌等，2002；毛景文等，2012），其形成过程及控制因素也一直是矿床学界研究和探讨的重点（侯增谦，2004；Sillitoe，2010；毛景文等，2014）.
中亚成矿域西起欧亚两大洲交界的乌拉尔山脉，东至俄罗斯远东及我国东北地区，包括了哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、蒙古以及我国西北和内蒙古北部等地（申萍等，2015）. 据统计，中亚成矿域内已发现铜金属储量超过100万t的大型斑岩型矿床达12处（申萍等，2015），其中在蒙古国南部的曼达洛沃-古尔班赛汗（Mandalovoo⁃Gurvansaikhan）岛弧地体是中亚成矿域内一个极为重要的成矿区，区内已发现欧玉陶勒盖（Oyu Tolgoi）铜-金-钼矿床、查干苏布尔加铜-钼矿床（Tsagaan Suvarga）和哈马戈泰（Kharmagtai）铜-金矿床等超大型斑岩型矿床，此外还探获了青狐狸（Bronze Fox）、奥尤特乌兰（Oyut Ulaan）、苏廷（Shuteen）、那瑞胡塔格（Narin Hudag）、曼达赫（Mandah）、哈茨维奇（Haciwaqi）等数十个铜多金属等矿床（点）（聂凤军等，2010；Enkhjargal et al., 2016；江思宏等，2019；Gerel et al., 2021）. 随着超大型斑岩铜多金属矿床的发现与开发，许多学者对典型矿床的矿体特征和形成机制进行了深入的研究，并取得了很多成果和认识（Watanabe and Stein, 2000；Kirwin et al., 2005a, 2005b；Blight et al., 2010a；侯万荣等，2010；Dolgopolova et al., 2013；Batkhishig et al., 2014；朱明帅等，2015；Wang et al., 2021）. 但前人的研究多集中在地体南部的欧玉陶勒盖和查干苏布尔加等超大型矿床，对于近年来地体北部具有重大勘查发现的哈马戈泰等矿床的科学数据仅有零星报道. 前人的研究及勘查成果显示，南蒙古岛弧还有非常巨大的成矿潜力，但是也非常具有复杂性，地体内中多个矿床的岩浆活动的时限及其对地壳生长的意义问题尚缺乏系统的研究，可能限制了我们对大规模岩浆活动与巨量铜多金属成矿的成因联系. 本文主要对曼达洛沃-古尔班赛汗地体内与成矿作用有关的成矿岩体及同时代的火山岩开展研究，通过详细的地质观测，锆石U⁃Pb年龄和Hf同位素数据，解释该地体岩浆活动以及岛弧地体地壳体演化过程，以及该地体岩浆活动与巨量铜多金属矿化的联系.
1. 区域地质概况
蒙古国位于中亚造山带的中部（图 1a），主要由一系列南凸的弧形构造形迹和岩浆岩带组成（Badarch et al., 2002；Yakubchuk，2005），并被蒙古主线断裂（MML）划分为南、北两个构造单元，分别是海西期和加里东期造山带，其中南蒙古海西期造山带由克拉通块体、岛弧带、增生地楔等17处构造-地层单元（地体）组成地，曼达洛沃和古尔班赛汗岛弧带分属其中之一（Badarch et al., 2002；聂凤军等，2010）.
图 1 研究区大地构造位置（a）以及蒙古国主要构造单元（b）Fig. 1. The figure showing the geotectonic location of the study area (a) and Main terranes of Mongolia(b)曼达洛沃-古尔班赛汗地体呈狭长弧形，东西延伸近600 km，宽200 km. 其中，古尔班赛汗地体为古亚洲洋板块向南俯冲过程中，逐渐由形成的洋内弧发展而来的岛弧地体，而曼达洛沃是古尔班赛汗岛弧形成之后拼贴与其北侧的长条状岛弧. 二者组合成为曼达洛沃-古尔班赛汗地体，是古生代哈萨克-蒙古岩浆弧重要组成部分（Badarch et al., 2002）. 该地体受断裂构造控制明显，北部边界是E⁃W向西伯利亚南缘弧形次级断裂，东部以NE向蒙东深大断裂（EMF）为界，西南和东南边界分别为鸡笼山（Zoolen）增生地体和准巴彦（Zuunbayan）谷地. 其中，NE⁃NEE向断层或破碎带可能与区域性左行走滑断裂构造活动有关，是区域重要的导岩构造，控制着区域地层、岩体的分布（图 1b，Perello et al., 2001；Badarch et al., 2002）.
曼达洛沃-古尔班赛汗岛弧地体由古生代基底和中生代以来的盖层组成，古生代地层主要为奥陶纪-石炭纪变形火山-沉积岩，自下而上包括：（1）奥陶系-志留系海相沉积岩，岩石类型主要有砂岩、硅质泥岩、硅质岩、生物碎屑灰岩；（2）泥盆系活动大陆边缘岛弧带的典型岩石组合，岩石类型主要有安山-英安岩、英安-流纹岩和深海相硅质岩、碧玉岩及凝灰碎屑岩，局部夹有碳酸盐岩；（3）石炭系海相-陆相沉积岩系和典型的成熟岛弧带中的岩石组合，岩性在横向上和纵向上变化较大，岩石类型主要有玄武岩、安山-英安质火山岩、流纹岩和玄武粗面岩、粗安岩、安山-流纹岩以及砂岩、粉砂岩. 古生代火山-沉积岩出露的范围较为有限，大部分被中生代以来的盖层所覆盖，主要为侏罗系、白垩系和新近系，呈不整合上覆于古生代基底. 白垩系主要为砂岩、硅质岩、含恐龙化石砾岩夹和层状玄武质熔岩（图 2，Badarch et al., 2002）.
图 2 研究区地质简图及主要斑岩型铜矿床分布Fig. 2. Simplified geological map of study area in South Mongolia, showing major porphyry deposits域侵入岩主要由与岛弧岩浆作用有关的钙碱性中酸性侵入岩和以及俯冲结束后伸展环境下形成的分异程度较高的花岗岩甚至碱性花岗岩，前者主要有闪长岩、花岗闪长斑岩、花岗岩、二长花岗斑岩和正长花岗斑岩组成；后者主要为钠长斑岩、正长斑岩、正长花岗斑岩等岩脉（Gerel et al., 2006）.
2. 样品采集和测试方法
2.1 样品采集
2.1.1 哈马戈泰矿区
样品KM19⁃14和KM19⁃21采自哈马戈泰矿区出露的岩体，对应的地理坐标分别为44°02′45"N，106°08′48"E和44°02′33"N，106°09′21"E. KM19⁃14为石英二长闪长玢岩，岩石新鲜面呈灰白色，斑状结构. 斑晶主要为斜长石（粒度1~2 mm，含量~20%）和普通角闪石（粒度0.5~3.0 mm，含量~10%），偶见石英，基质主要为微晶长石和石英（粒度 < 0.02 mm）. 普通角闪石大部分蚀变为绿泥石、绿帘石及不透明矿物的集合体（图 3a）.
图 3 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品照片和岩相学照片Fig. 3. Specimen photos and photomicrographs of intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia样品KM19⁃21为花岗闪长斑岩，岩石新鲜面呈浅肉红色，斑状结构，斑晶成分主要为斜长石和少量普通角闪石（粒度1~2 mm，含量~30%），均发生强烈蚀变；基质为细粒结构（0.1 ~0.3mm），主要为蚀变的长石和石英（含量~20%）（图 3b）.
样品KMD19⁃03为花岗闪长斑岩，采自钻孔，具体的地理坐标是44°02′56"N，106°09′23"E，为斑岩矿体的赋矿围岩. 镜下鉴定特征如下：岩石呈斑状结构，斑晶主要为蚀变斜长石（1~2 mm；含量~30%）和普通角闪石（含量 < 5%）组成. 含少量正长石，并可以看到卡式双晶. 普通角闪石基本全部蚀变为绿泥石；基质为微晶结构，粒度0.01 mm，成分难以确定（图 3c）.
2.1.2 奥尤特乌兰矿区
奥尤特乌兰矿区岩浆活动强烈，侵入岩主要呈岩基和岩株产出，并伴生有面积较大的火山岩，岩石主要为安山岩和玄武质安山岩（Seltmann et al., 2005）. OU19⁃01采自地表出露的安山岩，地理坐标为44°35′28"N，109°25′47"E. 镜下鉴定特征为，斑状结构，斑晶为斜长石（粒度~1 mm）和少量角闪石（含量~20%），基质则为显微隐晶质，轻微蚀变（图 3d）. 样品OU19⁃13采自于二长斑岩体，地理坐标为44°35′21"N，109°25′03"E. 镜下鉴定特征为，斑状结构，斑晶为长石、石英和少量暗色矿物（含量~40%）. 斜长石斑晶强烈蚀变，呈自形-半自形，表面绢云母化或泥化，部分可见聚片双晶；暗色矿物基本蚀变为绿帘石化和不透明矿物（图 3e）.
样品OU19⁃24和OU19⁃32均采自花岗闪长岩体，对应的地理坐标分别为44°35′20"N，109°25′11"E和44°34′21"N，106°25′43"E（图 3f）. 两者均呈自形-半自形中粗粒粒状结构，矿物成分主要为自形-半自形斜长石和钾长石（粒度1~3 mm，含量~75%；其中钾长石含量小于斜长石）、长柱状角闪石（1~2 mm，含量 < 5%）、半自形的石英（含量10%~15%）和少量透明矿物（< 5%），偶见云母.
2.1.3 青狐狸矿区
样品BF19⁃01采自青狐狸矿区赋矿岩体，采样位置为44°04'30"N，107°54'23"E. 被矿区定义为闪长岩，镜下鉴定则为轻微蚀变中粗粒闪长岩（图 3g）. 岩石的鉴定特征如下：中粗粒半自形粒状结构，矿物成分为半自形斜长石（粒度0.1~1.0 mm，含量~40%）和蚀变的暗色矿物. 斜长石基本保留聚片双晶，但有较明显的蚀变，角闪石基本绿帘石化和绢云母化.
2.1.4 查干苏尔加矿区
查干苏尔加矿区主要分布在地体中南部，呈东西向延伸，侵入岩类主要有辉长闪长岩、花岗闪长岩、正长闪长岩、石英正长岩和花岗岩组成，对应的火山岩是安山岩、粗安岩和流纹岩. 其中，样品TS16⁃3为似斑状二长花岗岩（图 3h），采样位置为43°51'45"N，108°20'41"E似斑状结构，块状构造. 主要矿物成分斜长石（粒度0.1~0.5 mm；含量30%~35%），半自形-它形钾长石（可见卡式双晶粒度2~5 mm，含量40%~45%），半自形石英（含量~30%），偶见云母、金红石和锆石.
2.2 测试方法
2.2.1 LA-MC-ICP-MS测年
锆石微区LA⁃MC⁃ICP⁃MS测年在中国地质科学院矿产资源研究所LA⁃MC⁃ICP⁃MS实验室完成，锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC⁃ICP⁃MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统. 采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ⁃1进行调试仪器，使之达到最优状态，锆石U⁃Pb定年以锆石GJ⁃1为外标，U、Th含量以锆石M127（U：923×10-6；Th：439×10-6；Th/U：0. 475；Nasdala et al., 2008）为外标进行校正. 测试过程中在每测定5个样品前后重复测定两个锆石GJ1对样品进行校正，并测量一个锆Plesovice，观察仪器的状态以保证测试的精确度. 数据处理采用ICPMSDataCal 4.3程序（Liu et al., 2010），测量过程中绝大多数分析点206Pb/204Pb > 1 000，未进行普通铅校正，204Pb由离子计数器检测，204Pb含量异常高的分析点可能受包体等普通Pb的影响，对204Pb含量异常高的分析点在计算时剔除，锆石年龄谐和图用Isoplot 3. 0程序获得. 详细实验测试过程可参见侯可军等（2009）.
2.2.2 Hf同位素
选择已经做过锆石年龄和微量元素的锆石，在相应的位置进行锆石Lu⁃Hf同位素分析. 分析岩浆锆石和热液锆石Lu⁃Hf同位素组成的共、异性. 锆石Hf同位素测试在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完成，所用仪器为Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统（LA⁃ICP⁃MS），实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，根据锆石大小，剥蚀直径采用55 μm或40 μm，测定时使用国际上通用的锆石标样GJ⁃1作为参考物质，分析过程中的测试条件据侯可军等（2007）和吴福元等（2007）.
3. 测试结果
3.1 年代学特征
详细的锆石微区定年测试结果列于附表1和图 4.
图 4 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品锆石U⁃Pb谐和图Fig. 4. U⁃Pb concordia diagrams of zircon for intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia3.1.1 哈马戈泰矿区
石英二长闪长玢岩（KM19⁃14）锆石Th和U的质量分数变化大，含量分别为（24.22~169.23）×10-6和（62.78~208.62）×10-6，Th/U比值在0.39~0.83之间变化，为岩浆锆石的地球化学特征. 共对19颗锆石进行了测年，其中4颗锆石数据异常，未列入附表1中，其余15个测点的206Pb/238U年龄较一致，测试数据点均集中在谐和线上及附近，加权平均年龄为332±2Ma，MSWD=0.14，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4a）.
花岗闪长斑岩（KM19⁃21）锆石Th和U的质量分数分别为（25.03~140.37）×10-6和（45.79~201.13）×10-6，Th/U比值在0.36~0.99之间变化，且Th、U之间正相关性较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 在20颗锆石测年数据中，7颗锆石数据异常，未列入附表1中，采用其余13个测点进行计算、作图. 在谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 13个锆石的加权平均年龄为324±2 Ma，MSWD=0.062，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4b）.
花岗闪长斑岩（KMD19⁃03）锆石表面透明、清洁，晶形完整呈长-短柱状，具有韵律环带，没有明显的蚀变边，指示岩浆锆石. 测试过程中未发现较老的锆石颗粒或核部的残留锆石. 锆石的Th和U含量变化大，质量分数介于（22.91~134.37）×10-6之间和（43.26~105.92）×10-6之间，Th/U比值在0.45~1.27之间变化，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 在测试的19颗锆石中，6个测点数据异常高或低，未列入附表1中，采用其余13颗锆石测点进行计算、作图. 在传统谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 13个锆石的加权平均年龄为331±3 Ma，MSWD=0.64，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4c）.
3.1.2 奥尤特乌兰矿区
安山岩（OU19⁃01）锆石为透明-半透明的短柱状，颗粒呈自形-半自形，年龄差距较大. 共对12颗锆石进行了测年，其中5个异常高年龄和2个异常低年龄测点，未列入附表1中，其余5个测点的206Pb/238U年龄较一致，测试数据点均集中在谐和线上及附近，选择点Th和U含量相对较高，质量分数分别为（107.57~223.50）×10-6和（105.44~169.01）×10-6，Th/U比值范围为0.88~1.32，且Th、U之间正相关性也较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征. 5个锆石的加权平均年龄为332±3 Ma，MSWD=0.13，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4d）.
二长斑岩（OU19⁃13）锆石表面透明、清洁，晶形完整呈长-短柱状，具有韵律环带，没有明显的蚀变边，指示岩浆锆石. 测试过程中未发现较老的锆石颗粒或核部的残留锆石. 锆石的Th和U含量较低，分别为（33.19~89.67）×10-6和（88.55~163.40）×10-6，Th/U比值在0.37~0.58之间变化，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 共对20颗锆石进行了测年，其中6个测点数值异常，未列入附表1中，其余14个测点的206Pb/238U年龄较一致，测试数据点均集中在谐和线上及附近，加权平均年龄为381±2 Ma，MSWD=0.008，代表该期岩浆的侵位时间为晚泥盆世（图 4e）.
花岗闪长岩（OU19⁃24）锆石为透明柱状，发育良好晶形，测试点在锆石的中部和边缘均有分布. 测试样品Th和U的质量分数相对较低，分布范围分别为（18.79~129.87）×10-6和（39.55~129）×10-6，对应的Th/U比值在0.48~1.01之间变化，且Th、U之间正相关性也较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 20个锆石测点中6个数值异常，采用其余14个锆石点进行计算、作图. 在传统谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 加权平均年龄为338±2 Ma，MSWD=0.023，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4f）.
花岗闪长岩（OU19⁃32）样品锆石为透明柱状，发育良好晶形和震荡环带状结构，测试点在锆石的中部和边缘均有分布，年龄差距较小. 测试样品Th和U含量相对较高，质量分数分别为（144.92~366.54）×10-6和（125.91~225.54）×10-6，Th/U比值均 > 1，变化范围为1.02~1.63，且Th、U之间正相关性也较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 20个锆石测点数据中5个数值异常，采用其余15个锆石测点数据进行计算、作图. 在传统谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 加权平均年龄为333±2 Ma，MSWD=0.058，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4g）.
3.1.3 青狐狸矿区
闪长岩（BF⁃1）的锆石Th和U的质量分数介于（111.34~572.91）×10-6和（156.34~630.52）×10-6，Th/U比值在0.58~1.01之间变化，且Th、U之间正相关性较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 15个锆石测点数据中7个数值异常高或低，采用其余8个锆石点进行计算、作图. 在谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 加权平均年龄为333±4 Ma，MSWD=1.6，代表该期岩浆的侵位时间为早石炭世（图 4h）.
3.1.4 查干苏尔加矿区
似斑状二长花岗岩（TS16⁃3）的锆石Th和U的质量分数分别介于（75.37~603.67）×10-6之间和（140.41~1 088.85）×10-6之间，Th/U比值大多在0.45~0.97之间变化，且Th、U之间正相关性较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（附表1，Claesson et al., 2000）. 20个锆石测点数据中3个数值异常高或低，采用其余17个锆石点进行计算、作图. 在谐和图里，大多数锆石落在一致曲线上，或者稍微偏离. 锆石的加权平均年龄为372±3 Ma，MSWD=1.7，代表该期岩浆的侵位时间为晚泥盆世（图 4i）.
3.2 Hf同位素
在LA⁃MC⁃ICP⁃MS锆石U⁃Pb测年的基础上，对研究区9个样品进行锆石微区Lu⁃Hf同位素测定，结果详细见附表2.
3.2.1 哈马戈泰矿区
石英二长闪长玢岩（KM19⁃14）锆石的176Lu/177Hf比值介于0.000 87~0.001 70之间，显示锆石析出后具有少量或无放射成因Hf的积累（吴福元等，2007）. 测试样品锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动小，介于0.282 90~0.283 03之间. εHf（t）值分布在11.64~15.95，对应的平均值为13.09. 样品的一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为325~502 Ma和321~597 Ma，对应的平均值分别为440 Ma和504 Ma. 样品KM19⁃21测试的9个锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化范围在0.282 92~0.282 99之间，εHf（t）值分布在11.17~14.69之间，对应的平均值为13.09. 样品的一阶段Hf模式年龄（tDM1）变化范围为分别为371~510 Ma，对应的平均值430 Ma，二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为396~620 Ma，对应均值493 Ma.
花岗闪长斑岩（KMD19⁃03）锆石的176Lu/177Hf比值介于0.000 689~0.002 417之间，均值0.001 183±0.000 010（1σ，n=10），小于0.002 0，指示锆石析出后具有少量或无放射成因Hf的积累（吴福元等，2007）. 该样品锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动小，分别介于0.282 866~0.283 014之间，对应的加权平均值为0.282 920±0.000 029（2σ，n=10）. εHf（t）值分别分布在12.46~15.62之间，对应的平均值分别为12.25. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为339~549 Ma和342~676 Ma，对应的平均值分别为473 Ma和557 Ma.
3.2.2 奥尤特乌兰矿区
安山岩（OU19⁃01）锆石的176Lu/177Hf比值相对均一，介于0.001 238~0.001 709之间，平均值为0.001 431± 0.000 01（1σ，n=5），指示锆石析出后具有少量或无放射成因Hf的积累（吴福元等，2007）. 该样品锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动介于0.282 849~0.283 013之间，对应的加权平均值则为0.282 932±0.000 026（2σ，n=5）. εHf（t）值分别分布在9.73~15.55之间，对应的平均值分别为12.66. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为342~575 Ma和347~614 Ma，对应的平均值分别为458 Ma和531 Ma.
二长斑岩（OU19⁃13）锆石的176Lu/177Hf比值介于0.001 268~0.002 604之间，均值为0.001 672±0.000 01（1σ，n=10），指示锆石析出后具有少量或无放射成因Hf的积累（吴福元等，2007）. 该样品锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动介于0.282 888~0.2829 40之间，对应的加权平均值则为0.282 915±0.000 024（2σ，n=10）. εHf（t）值分别分布在11.81~14.85，对应的平均值分别为13. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为412~536 Ma和429~624 Ma，对应的平均值分别为487 Ma和547 Ma.
花岗闪长岩（OU19⁃24）锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动较小，介于0.282 921~0.282 997之间，对应的加权平均值则为0.282 960±0.000 024（2σ，n=10）. εHf（t）值分别分布在12.16~15.14，对应的平均值分别为13.75. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为361~488 Ma和376~568 Ma，对应的平均值分别为419 Ma和466 Ma.
花岗闪长岩（OU19⁃32）锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动介于0.282 989~0.282 963之间，εHf（t）值分别分布在11.81~16.14. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为318~496 Ma和331~587 Ma，对应的平均值分别为388 Ma和419 Ma.
3.2.3 青狐狸矿区
闪长岩（BF-1）锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动小，分别介于0.282 79~0.283 76之间，对应的加权平均值则为0.283 76±0.000 025（2σ，n=8）. εHf（t）值变动大，数值分别分布在7.85~15.55. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为341~656 Ma和347~846 Ma，对应的平均值分别为423 Ma和475 Ma.
3.2.4 查干苏尔加矿区
似斑状二长花岗岩（TS16⁃3）锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动小，分别介于0.282 86~0.282 98之间. εHf（t）值变动大，数值分别分布在10.70~15.10. 一阶段Hf模式年龄（tDM1）和二阶段Hf模式年龄（tDM2）变化范围为分别为402~574 Ma和414~689 Ma，对应的平均值分别为507 Ma和583 Ma.
4. 讨论
4.1 岩浆岩的侵入时代
中亚造山带在显生宙期间经历了显著的地壳增生，蒙古是中亚造山带显生宙地壳增生重要的一部分（Sengör et al. 1993；Badarch et al., 2002；Windley et al., 2007；Jahn et al., 2009），这一过程涉及到新生岛弧形成、陆块拼合和造山后伸展（Wilson，1989）. 南蒙古岛弧带是古生代期间中亚造山带大陆增生的结果. 在南蒙古地壳增生的过程中，也伴随着巨量的富金斑岩型铜多金属矿化（Dejidmaa，2005）. 曼达洛沃-古尔班赛汗岛弧地体中的斑岩型铜多金属矿化与古生代闪长岩-二长闪长岩-石英闪长岩-石英二长岩及相对应的火山岩具有显著的成因和共生关系，斑岩型铜多金属矿化的分布与这些岩石类型的分布具有显著的对应关系. 这些岩性的分布范围，也显著地控制斑岩铜多金属有关蚀变带的分布. 同时，这些岩性和蚀变带的分布也是南蒙古大量斑岩型铜多金属矿床勘查权分布范围相对应的. 这种岩性-蚀变-斑岩铜多金属矿化的对应关系也在本次研究的哈马戈泰、奥尤特乌兰和青狐狸具有显著的体现. 因此，根据斑岩型铜多金属矿床的成矿模型（Sillitoe，2010），这些斑岩铜多金属矿化带内古生代成矿岩体的年龄，可以近似地反映成矿这些斑岩铜多金属矿化的年龄.
本次研究对南蒙古部分正在开展勘查的斑岩铜-金矿床进行了年代学研究，结合前人开展的年代学研究成果（附表3），显示南蒙古曼达洛沃-古尔班赛汗地体岩浆侵入主要分为3个时期（图 6），主要特征如下：
图 5 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品锆石εHf(t)⁃t图解Fig. 5. εHf(t) vs. zircon age plot for intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia
图 6 南蒙古岛弧地体古生代主要岩浆活动Fig. 6. Age of Paleozoic magmatic event in the island arc terrane of South Mongolia（1）中-晚泥盆世偏碱性中性侵入体主要分布在曼达洛沃-古尔班赛汗地体北部和南部，涉及的矿区主要有奥尤特乌兰、查干苏布尔加和欧玉陶勒盖，代表岩性主要由二长岩、石英二长岩和石英闪长岩组成，锆石U⁃Pb年龄为383~369 Ma. 根据已获得的成矿年龄数据，欧玉陶勒盖斑岩型Cu⁃Au⁃Mo矿床的辉钼矿Re⁃Os同位素等时线年龄为373~370 Ma（Kirwin et al., 2005b），与赋矿的石英二长闪长岩的侵位年龄近于一致；查干苏布尔加斑岩型Cu⁃Mo矿床的辉钼矿Re⁃Os同位素等时线年龄为370±1 Ma（Watanabe and Stein, 2000），其赋矿岩体的年龄为372±3 Ma，在误差范围内. 因此，375~369 Ma为区域重要的斑岩型铜、金、钼多金属成矿期.（2）晚泥盆世中酸性钙碱性岩浆岩，主要分布在欧玉陶勒盖和查干苏布尔加矿区，岩性主要为英安岩、二长花岗斑岩和花岗闪长岩，锆石U⁃Pb年龄介于367~363 Ma之间. 该期岩浆岩为成矿期后岩浆岩，尚未发现与之有成因联系的斑岩型矿化.（3）早石炭世钙碱性岩浆岩，分布范围最为广泛，涉及到欧玉陶勒盖、奥尤特乌兰、青狐狸、那瑞胡塔格和哈马戈泰等矿区，代表性岩性有安山岩、二长斑岩、似斑状二长花岗岩、花岗岩和花岗斑岩，锆石U⁃Pb年龄为338~321 Ma. 其中，哈马戈泰、奥尤特乌兰、青狐狸、苏廷和那瑞胡塔格斑岩型矿区内的赋矿岩体的成岩年龄分别为331±1 Ma、332±1 Ma、333± 4 Ma、333±5 Ma和332±1 Ma. 由于上述矿床均为典型的斑岩型矿化，其成岩年龄接近成矿时代. 因此，338~328 Ma是区域又一重要的斑岩型铜、钼、金的成矿期.
从空间上而言，曼达洛沃-古尔班赛汗地体北部的岩体有奥尤特乌兰侵入-火山岩体、那瑞胡塔格花岗岩体、曼达赫二长岩岩体、青狐狸和苏廷中酸性侵入体. 锆石U⁃Pb年龄明显分为两个阶段：中-晚泥盆世（383~363 Ma）和早石炭世（340~328 Ma）. 其中，中-晚泥盆世岩浆岩主要分布在奥尤特乌兰矿区和苏廷矿区，岩性具有埃达克质岩体的特征（侯万荣等，2010），锆石U⁃Pb年龄接近地体南部欧玉陶勒盖矿区石英闪长玢岩（~374±3 Ma）和北缘断裂构造变形作用的上限，可能为洋内弧向北拼贴的过程有关形成的动力机制（江思宏等，2019）. 早石炭世岩浆岩（340~328 Ma）分布范围广泛，整个地体北部均有分布，可能与该地体中南部“石炭世岩浆弧”成因机制相似，均为中酸性浆岩为特征（Yarmolyuk et al., 2008；Blight et al., 2010a, 2010b；江思宏等，2019）.
4.2 岩浆源区及成因
本次测试的所有样品（哈马戈泰、奥尤特乌兰、青狐狸和查干苏布尔加岩体）锆石的176Hf/177Hf比值较高（0.282 793~0.283 037），对应的εHf（t）介于+7.85~+16.14之间，与前人测得欧玉陶勒盖矿区岩浆岩εHf（t）（+11.6~+14.5）的范围相似（Dolgopolova et al., 2013）. 在εHf（t）⁃t图解上，这些岩浆岩的数据均落在球粒陨石演化线之上，部分分析数据与亏损地幔演化线值接近，但也有一定的分布范围. 这些特征可能有两个原因，一是成矿岩浆直接来源于亏损地幔，同时经历了一定程度成熟地壳的混染；二是亏损地幔来源物质形成的新生地壳，经历了短暂地壳停留又部分熔融的结果，也经历了一定程度成熟地壳的混染. 本次Hf同位素的结果，与区域上前人在其他矿区开展的Hf同位素具有非常一致的特征，如欧玉陶勒盖矿床（Dolgopolova et al., 2013），Dolgopolova et al.（2013）研究认为，这种Hf同位素显示，南蒙古古生代俯冲作用过程中，亏损地幔来源岩浆所形成的新生地壳的再次部分熔融是欧玉陶勒盖成矿岩浆来源，同时也受到了一定程度成熟地壳的混染. 从本次Hf同位素的研究结果来看，εHf（t）值有较大的分布范围[εHf（t）的差值可达5，图 5]，显示哈马戈泰、奥尤特乌兰、青狐狸和查干苏布尔加岩体的岩浆主要来源于亏损地幔来源新生地壳的再次部分熔融，但是成熟地壳的贡献可能比欧玉陶勒盖更高.
从本次研究结果也可以看出，不论是古尔班赛汗岛弧早期洋内弧刚刚形成时，还是之后该岛弧逐渐成熟之时所形成的斑岩铜矿床，或是随后拼贴的曼达洛沃岛弧带，均属于新生地壳部分熔融的产物，但均受到了相对成熟地壳的混染作用，只从Hf同位素的特征，较难完全准确的区分南蒙古斑岩型铜-金和斑岩型铜-钼矿床成矿岩浆的源区.
测试数据显示，样品的fLu/Hf值分布在-0.979 2~-0.918 0之间，均值分别为-0.956 3，明显小于镁铁质地壳和硅铝质地壳的fLu/Hf（-0.72和-0.34；Amelin et al., 2000），二阶段Hf模式年龄（tDM2）更能反应其源区物质从亏损地幔被抽取的时间. 剔除1个极高值（846 Ma），其他测试样品tDM2介于331~717 Ma之间，表明本区发生重要的地壳增生事件的时间是新元古代至晚古生代.
4.3 地质意义
中亚造山带并非是西伯利亚克拉通与华北克拉通之间一条简单的缝合带，而是由一系列产出规模和形态各不相同相块体构成的拼合带和对接带（Windley et al., 2007；程杨等，2019；王涛等，2020；曹胜楠等，2021）. 研究区位于蒙古南部的中古生代钙碱性-碱性岩浆岩带上，是哈萨克-蒙古岛弧重要组成部分（Yakubchuk et al., 2001）. 就区域地壳演化而言，该区域经历了成熟洋内弧和大陆边缘弧的俯冲，演化活动至少持续了60 Ma（侯万荣等，2010；Blight et al., 2010b；Wainwright et al., 2011；朱明帅等，2015；本文）. 然而，区域地壳演化主要存在以下观点：（1）向北漂移的单俯冲模式. 早古生代，研究区处于大洋边缘，大面积裂陷形成了蒙古古海洋. 早-中泥盆世，南蒙古微板块开始向北漂移致使古蒙古洋闭合（Helo et al., 2006；Batkhishig et al., 2010；江思宏等，2019）；（2）向南漂移的单俯冲模式. 泥盆世时期，南蒙古古海洋向南俯冲产生的洋内弧（Rippington et al., 2008）；（3）双俯冲模式. 部分学者认为研究区南部存在一个洋盆，晚泥盆世向南俯冲形成泥盆纪岛弧（欧玉陶勒盖-查干苏布尔加一带），晚石炭世向北则发生俯冲碰撞，形成石炭纪岛弧（苏廷-哈马戈泰一带），二者最终拼合在一起（朱明帅等，2015）.（4）大量泥盆-石炭世岛弧岩浆可能与区域深大断裂（蒙东断裂）发生北东向的走滑，产生双岛弧效应（Sengör and Natal'In，1996；Badarch et al., 2002）.
根据前人年代学数据和本次测试结果，曼达洛沃-古尔班赛汗地体内产出的岩浆岩可以分3个阶段：383~369 Ma、367~363 Ma和338~321 Ma. 就时空分布特征而言，主要呈以下特征：（1）中-晚泥盆世岩浆岩主要分布在研究区南部，呈NE向分布在欧玉陶勒盖-查干苏布尔加-奥尤特乌兰矿区一带（中-晚泥盆世岩浆弧）；晚石炭世岩浆岩分布在研究区北部，呈近E⁃W向分布在奥尤特乌兰-哈马戈泰-苏廷矿区一带. 两条岩浆岩弧在空间上主要呈“剪刀”式镶嵌（晚石炭世岩浆弧）；（2）就岩石类型和产出规模而言，泥盆世侵入岩主要由石英闪长岩、花岗闪长岩、和石英二长岩组成，对应的火山岩是安山岩和英安岩，主要大规模产出在古尔班赛汗地体内，并零星分布在其东延部分——奥尤特乌兰矿区（Lamb and Badarch, 1997）. 早石炭世侵入岩则以大规模的复式岩基形式产出，主要岩性为闪长岩-花岗闪长岩组份，为典型的岛弧型岩体（Lamb and Badarch, 1997）；（3）无论是古尔班赛汗地体内的泥盆世岩浆岩，还是曼达洛沃地体内的泥盆世岩浆岩，成岩年龄和εHf（t）值分布范围大致相同，其成岩机制和岩浆源区可能具有非常类似的属性；（4）就岩体含矿性质而言，中-晚泥盆世岩浆岩一般呈大规模的斑岩型Cu+Au矿化（例如欧玉陶勒盖矿床）；而晚泥盆世则主要呈斑岩型Cu±Au（例如哈马戈泰矿床）和Cu±Mo矿化（例如查干苏布尔加矿床）；显示南蒙古斑岩型铜多金属矿床受到地体多次拼贴的控制；斑岩型铜多金属矿化结束以后，南蒙古开始发育的碱性岩则以含有REE和Zr⁃Nb矿化为特征，显示碰撞后伸展环境，同时也显示斑岩型铜多金属矿化的结束.
综上所述，本次研究认为：（1）研究区泥盆世岩浆弧的演化时间与前人研究结果（390 Ma；Wainwright et al., 2011）基本一致；岩浆弧的范围比先前认为的更大，可能延伸至奥尤特乌兰矿区；（2）中-晚泥盆世岩浆弧和晚石炭世岩浆弧在空间上呈“剪刀式”镶嵌，但在成岩时间上具有25 Ma时间间隔，并呈现出自南向北逐次年轻的趋势. 因此，区域深大断裂—蒙东断裂走滑切割岩浆弧的可能性较小，两者性质可能存在一定的差异. 双俯冲模式也很难解释区域岩浆岩年龄自南向北规律性变化的特征. 因此，本次研究认为，向北漂移的单俯冲模式比较合理，区域地壳演化可能以奥尤特乌兰一带为碰撞轴心，呈剪刀式碰撞增生.
5. 结论
（1）LA⁃MC⁃ICP⁃MS锆石测年结果表明，查干苏布尔加、青狐狸、哈马戈泰和奥尤特乌兰的赋矿斑岩体锆石U⁃Pb年龄分别为372±3 Ma（MSWD=1.7）、333±4 Ma（MSWD=1.6）、332±2 Ma（MSWD=0.14）和332±1 Ma（MSWD=0.104）. 鉴于其矿化主要为斑岩型矿化，其成矿时代基本接近成矿时代.
（2）曼达洛沃-古尔班赛汗地体内的斑岩型矿区岩浆活动主要分3个阶段：383~369 Ma、367~363 Ma和338~328 Ma. 其中，与斑岩型成矿有关的赋矿岩体的成岩时代集中在375~369 Ma和338~328 Ma两个时期.
（3）锆石Hf同位素研究表明，曼达洛沃-古尔班赛汗地体内主要成矿岩体的εHf（t）介于+7.85~+16.14之间，位于球粒陨石演化线之上，成岩岩浆是古生代俯冲形成的新生地壳再次部分熔融的产物，但均受到了相对成熟地壳的混染作用. Hf同位素两阶段模式年龄tDM2为331~717 Ma，表明本区发生重要的地壳增生事件的时间是新元古代至晚古生代.
附表见本刊官网（www.earth⁃science.net）.
致谢: 本文的野外考察工作得到中国地质科学院矿产资源研究所陈雷博士，蒙古科技大学Otgonkhuu Javkhlan博士和河北地质大学郭襄博士的大力帮助. 编辑老师和两位审稿人对本文提出的宝贵意见，在此表示衷心的感谢！ -
图 1 研究区大地构造位置（a）以及蒙古国主要构造单元（b）
Fig. 1. The figure showing the geotectonic location of the study area (a) and Main terranes of Mongolia(b)
图 2 研究区地质简图及主要斑岩型铜矿床分布
Fig. 2. Simplified geological map of study area in South Mongolia, showing major porphyry deposits
图 3 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品照片和岩相学照片
Fig. 3. Specimen photos and photomicrographs of intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia
图 4 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品锆石U⁃Pb谐和图
Fig. 4. U⁃Pb concordia diagrams of zircon for intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia
图 5 南蒙古岛弧地体中酸性岩石样品锆石εHf(t)⁃t图解
Fig. 5. εHf(t) vs. zircon age plot for intermediate acidity magmatic rocks in the island arc terrane of South Mongolia
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