何晗晗， 艾爾肯·吐爾孫， 王登紅， 王瑞江， 陳振宇

(1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院， 北京 100195；2.自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所， 北京 100037；3.新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局701隊(duì)， 新疆 昌吉 831100)

鉭錳礦屬于鈮鉭礦物鈮鐵礦-鉭鐵礦一族，晶體化學(xué)式為(Mn,Fe)Ta2O6。鈮鉭礦物多產(chǎn)于世界各地的偉晶巖和花崗巖中，如可可托海3號(hào)偉晶巖脈中的鈮鉭鐵(錳)礦、細(xì)晶石、重鉭礦等[1-4]，蘇州花崗巖中的鈮鐵礦和鉭鈮鐵礦[5]，法國(guó)中央高原Beauvoir花崗巖中的鈮錳礦[6]，瑞士Varutrask 花崗偉晶巖中的鈮鐵礦、錫鉭錳礦、重鉭鐵礦等[7]，西班牙LA Canalita偉晶巖中的鉭鐵礦、鉭錳礦[8]及斯洛伐克Jezuitské Lesy偉晶巖中的鈮鐵礦、重鉭鐵礦等[9]。前人對(duì)于鈮鉭礦物作了較多研究，包括礦物的化學(xué)成分、物理性質(zhì)等[7,10-13]。近年來，越來越多的研究?jī)A向于通過含鈾副礦物尤其是鈮鉭礦物的U-Pb定年[14-18]，來確定稀有金屬礦床的成礦時(shí)代。相較于巖體測(cè)年，稀有金屬礦物的年代學(xué)測(cè)試能夠更加真實(shí)地反映成礦年齡[19]，成為確定偉晶巖型稀有金屬成礦時(shí)代的最佳方法之一[20]，從而為后續(xù)礦床成因研究、找礦預(yù)測(cè)等提供有利依據(jù)。

鉭錳礦作為一種重要的鈮鉭礦物，含量上Mn>Fe，Ta>Nb，是鉭元素的主要賦存礦物之一，此外，鉭是我國(guó)的緊缺資源[21-22]，對(duì)鉭錳礦的年代學(xué)與礦物學(xué)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選取新疆別也薩麻斯礦區(qū)礦化偉晶巖脈中的鉭錳礦為研究對(duì)象，應(yīng)用電子探針測(cè)試其化學(xué)組成，分析礦物的元素分帶性；通過應(yīng)用熱電離質(zhì)譜法(TIMS)測(cè)定其U-Pb年齡，確定含礦脈體的形成年代，探討礦化與圍巖花崗巖侵入體的成因聯(lián)系，以期為區(qū)內(nèi)后續(xù)稀有金屬找礦工作提供思路。

圖1 (a)新疆北阿爾泰區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[23]); (b)別也薩麻斯礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 (a) Geological sketch map of North Altay in Xinjiang (after Reference [23]); (b) Geological sketch map of Bieyesamasi orefield

1 地質(zhì)背景

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

別也薩麻斯礦區(qū)位于可可托海稀有金屬礦床的北部，其大地構(gòu)造位置屬于西伯利亞板塊阿爾泰陸緣活動(dòng)帶的諾爾特晚古生代火山帶[23]。區(qū)內(nèi)出露地層主要有下泥盆統(tǒng)諾爾特組、上泥盆統(tǒng)忙代恰組、上泥盆統(tǒng)庫馬蘇組、下石炭統(tǒng)紅山嘴組[23]以及全新統(tǒng)沖洪積物[24]，巖性以凝灰?guī)r、碎屑巖、絹云綠泥千枚巖、火山沉積巖等為主。構(gòu)造上，區(qū)內(nèi)發(fā)育多組斷裂，如庫熱克特?cái)嗔?又名紅山嘴或諾爾特)，總體呈NW-SE向展布(圖1a)。區(qū)內(nèi)侵入巖以花崗巖為主，包括二云母花崗巖、黑云母花崗巖、花崗斑巖、石英斑巖等[3,23]。二云母花崗巖體出露面積達(dá)上千平方公里，呈巨大的巖基狀向NWW向延伸。二云母花崗巖體可分為外部邊緣黑云母花崗巖(或二長(zhǎng)花崗巖)相和內(nèi)部二云母花崗巖(或鉀長(zhǎng)花崗巖)相，外部為中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，向中心逐漸過渡為中粗粒、似斑狀結(jié)構(gòu)。礦物組成主要為斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、白云母和少量鈉長(zhǎng)石。研究區(qū)偉晶巖脈體廣泛發(fā)育(圖1b)，根據(jù)其空間分布關(guān)系，將別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)劃分為三個(gè)偉晶巖密集區(qū)：阿克布拉克區(qū)、別也薩麻斯區(qū)和馬伊普特區(qū)。

1.2 別也薩麻斯區(qū)偉晶巖脈

別也薩麻斯含礦偉晶巖脈群位于富蘊(yùn)縣額爾齊斯河上游東側(cè)，脈群地處阿爾泰高山區(qū)，海拔2300～3200m，為高山深切割區(qū)[3]，區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)12條偉晶巖脈，樣品編號(hào)為L(zhǎng)6～L21。

區(qū)內(nèi)出露海西期二云母花崗巖(鉀長(zhǎng)花崗巖)，僅局部被第四系殘坡積及沖積物覆蓋[3]。別也薩麻斯偉晶巖脈主要分布在粗粒、似斑狀二云母花崗巖與中粒二云母花崗巖的接觸界帶，以中細(xì)粒結(jié)構(gòu)居多，受控于二云母花崗巖中的原生層節(jié)理和區(qū)域北西向構(gòu)造所伴生或派生的構(gòu)造裂隙，并受到后期斷裂和褶皺構(gòu)造的破壞[22]。偉晶巖脈的主要造巖礦物有微斜長(zhǎng)石、石英、白云母及少量的鈉長(zhǎng)石，常見的副礦物有磷灰石、鋯石、電氣石、石榴子石等，主要的稀有元素礦物有鋰輝石、鈮鉭礦物、綠柱石以及少量的鋰霞石、鋰蒙脫石等[3]。

本文研究的鉭錳礦采集于L18號(hào)脈，該偉晶巖脈體產(chǎn)于海西期二云母花崗巖內(nèi)，走向220°，與圍巖界線清楚。脈體可以劃分為石英-白云母與石英核2個(gè)結(jié)構(gòu)帶，石英-白云母結(jié)構(gòu)帶占全脈斷面積的30%，石英核占全脈斷面積的70%。稀有金屬礦物主要為鈮鉭鐵礦、綠柱石，其中鈮鉭鐵礦呈黑色，板狀，晶體大小(1～3)cm×(1～2)cm×(0.5～1)cm；綠柱石呈淡綠色，晶形不完整，粒徑約2～5cm。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

鉭錳礦是鈮鐵礦-鉭鐵礦族的一種。鈮鐵礦-鉭鐵礦族屬斜方晶系，晶形多呈短柱狀，沿(100)呈板狀晶體，常見直角柱形，柱體末端呈銳角狀。研究區(qū)L18號(hào)偉晶巖脈鉭錳礦呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤。本次采集的鉭錳礦顆粒質(zhì)量18.7g，體積2.5cm3，相當(dāng)于密度為7.48g/cm3，與鉭鐵礦一致，比鈮鐵礦高(鈮鐵礦的比重為5.2～6.25，鉭鐵礦的比重為6.25～8.25[10])。

2.2 電子探針分析

鉭錳礦成分分析是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所電子探針實(shí)驗(yàn)室完成，使用儀器為JXA-8230型電子探針，其工作條件為：加速電壓15kV，探針電流20nA，光束直徑為5μm。電子探針工作條件和礦物標(biāo)樣參見表1。

2.3 鉭錳礦TIMS U-Pb同位素年代學(xué)研究

為了查明鉭錳礦的形成時(shí)代及其與圍巖二云母花崗巖體的關(guān)系，本次在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了TIMS U-Pb同位素分析測(cè)試。使用儀器為美國(guó)ThermoFisher公司生產(chǎn)的 Triton熱電離質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀配置9個(gè)法拉第杯和9個(gè)離子計(jì)數(shù)器接收器以及1個(gè)帶有正負(fù)離子的電子倍增器，能夠進(jìn)行快速峰切換，接收器有效接收能力為17%的相對(duì)質(zhì)量范圍，儀器具有正負(fù)離子檢測(cè)功能。在利用Triton熱電離質(zhì)譜儀測(cè)定樣品前，使用國(guó)際上通用的鉛標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SRM982、鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)U-500對(duì)儀器進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)。ID-TIMS數(shù)據(jù)處理使用 PBDAT程序[25]，不一致線和平均權(quán)重計(jì)算及作圖使用Isoplot程序[26]，利用Stacey-Kramers[27]模式進(jìn)行普通鉛校正。

表1 電子探針工作條件

鉭錳礦樣品溶樣及同位素稀釋-熱電離質(zhì)譜(ID-TIMS)的U、Pb化學(xué)分離實(shí)驗(yàn)詳細(xì)流程和條件，與金紅石類似。首先對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行清洗，除去表面有機(jī)物及雜質(zhì)，采用同位素稀釋法進(jìn)行U-Pb定年，鉭錳礦的溶解，U、Pb分離和質(zhì)譜分析具體流程參見周紅英等[28]。

圖2 鉭錳礦背散射點(diǎn)位Fig.2 Point locations for electron microprobe analyses of tantalite-(Mn)

3 結(jié)果與討論

3.1 鉭錳礦電子探針分析結(jié)果

別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)鉭錳礦的電子探針測(cè)試結(jié)果見表2。測(cè)點(diǎn)(BY-1-1～BY-7-4)共計(jì)42個(gè)，均位于橫跨鉭錳礦橫剖面的一條直線(近于直線)上(圖2a～g)，因此各點(diǎn)的主微量成分可以反映鉭錳礦由邊部到中心的化學(xué)成分變化特征。

表2 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦的電子探針分析結(jié)果

鉭錳礦在電子探針鏡下呈三種不同顏色：淺灰白色、灰白色及灰色(圖2a～g)，但未表現(xiàn)出分帶性。鉭錳礦中Ta2O5含量也可劃分為三個(gè)范圍：51%～58%、59%～64%、69%～75%，電子探針鏡下顏色較淺的鉭錳礦中Ta2O5含量較高。Ta2O5含量介于51.58%～74.80%之間，均值68.49%；Nb2O5含量介于6.15%～27.63%之間，均值13.23%；Ta2O5+Nb2O5含量為78.56%～96.50%，均值81.71%；Ta2O5/Nb2O5=1.91～12.14，變化較大，均值6.94；WO3含量較高，遠(yuǎn)高于南平偉晶巖中的錫鉭錳礦(WO3含量為0.25%[11])以及俄羅斯Kolmozero偉晶巖中的鉭錳礦(WO3含量為0.116%[12])。這與W、Sn、Zr地球化學(xué)性質(zhì)接近，易于發(fā)生類質(zhì)同象替代有關(guān)[11-12]。

將本次測(cè)定的鉭錳礦與世界各地偉晶巖中該礦物的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)投于鈮鐵礦-鉭鐵礦四方圖中(圖3a,b)，該圖顯示別也薩麻斯鉭錳礦的Ta/(Ta+Nb)比值略小，但變化較大。鈮鉭族礦物的化學(xué)通式為AB2O6，其中A=Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe2+、Pb2+、Sb3+、Bi、U、Th；B=Nb、Ta、Ti、Zr、Fe3+、Sn4+等[1]。以6個(gè)氧原子為基礎(chǔ)計(jì)算鉭鉭錳礦晶體化學(xué)式為: (Mn0.838Fe0.080Ca0.001)0.919(Ta1.468Nb0.449W0.068Si0.033Ti0.005Zr0.002)2.025O6。

3.2 鉭錳礦TIMS U-Pb定年結(jié)果

所研究的鉭錳礦采集于別也薩麻斯礦區(qū)L18號(hào)偉晶巖脈，呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤。TIMS鉭錳礦U-Pb測(cè)年結(jié)果如表3和圖4所示。

該鉭錳礦樣品2次測(cè)試(測(cè)號(hào)：H-N-1、H-N-2)中U含量為13.112mg/g、11.845mg/g，Pb含量為3.192mg/g、5.421mg/g，U-Pb諧和年齡為160.13±0.32Ma(MSWD=0.00095，n=2)，206Pb/238U平均年齡為160.1±1.1Ma(MSWD=0.0057,n=2)。這是本文應(yīng)用TIMS方法獲得鉭錳礦的U-Pb年齡，此次獲得的諧和年齡與平均年齡在誤差范圍內(nèi)一致，表明區(qū)內(nèi)鉭錳礦化主要發(fā)生于晚侏羅世早期。

4 礦化偉晶巖脈與圍巖花崗巖的成因聯(lián)系

根據(jù)巖漿演化規(guī)律，由巖漿熱液形成的稀有金屬礦物，酸性組分趨于晚期富集。同一礦物顆粒，邊部的SiO2、WO3一般高于中心，而CaO、FeO等低于中心，但本次分析結(jié)果并不符合這種規(guī)律(圖5a～d)。別也薩麻斯L18號(hào)偉晶巖脈的鉭錳礦，中心位置CaO含量較邊部低，SiO2含量除在BY-2點(diǎn)處增高至1.14%外，在其余點(diǎn)處變化不大。因此鉭錳礦并非單純的由結(jié)晶分異作用形成，應(yīng)當(dāng)受到后期交代作用的影響：一方面發(fā)生SiO2的帶出與CaO的帶入，另一方面也可能對(duì)已晶出的稀有金屬礦物重熔和捕集，并在有利條件下進(jìn)一步富集。

可可托海3號(hào)偉晶巖脈據(jù)文獻(xiàn)[4]; 別也薩麻斯為自測(cè); Jezuitské Lesy pegmatite據(jù)文獻(xiàn)[9]; Kenticha rare-metal field據(jù)文獻(xiàn)[29]; Kolmozero pegmatite據(jù)文獻(xiàn)[12]; Petalite pegmatite據(jù)文獻(xiàn)[30]。圖3 (a)不同地區(qū)鈮鉭礦物成分關(guān)系；(b)別也薩麻斯偉晶巖脈鉭錳礦礦物成分關(guān)系圖Fig.3 (a) Mn/(Mn+Fe) versus Ta/(Ta+Nb) of columbite-tantalites in different mining areas; (b)Mn/(Mn+Fe) versus Ta/(Ta+Nb) of tantalite-(Mn) from Bieyesamasi pegmatite vein

表3 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦TIMS U-Pb分析結(jié)果

圖4 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦(a)TIMS U-Pb年齡諧和圖與(b)加權(quán)平均年齡Fig.4 (a) TIMS U-Pb concordia diagram and (b) the weighted mean ages of tantalite-(Mn) from Bieyesamasi orefield

Fig.5 鉭錳礦橫截面上的各成分含量變化(邊部—中心—邊部)Fig.5 Content variation of major elements along the tantalite-(Mn)’s cross section (edge—center—edge)

L18號(hào)偉晶巖脈在空間上分布于中粗粒似斑狀二云母花崗巖內(nèi)，本次通過TIMS方法所獲得的鉭錳礦U-Pb年齡為160.1±1.1Ma。這一數(shù)據(jù)與礦區(qū)內(nèi)石英-鋰輝石偉晶巖脈的鋯石U-Pb年齡(151.0±1.8Ma)[23]、鋰礦區(qū)偉晶巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡(151Ma)[20]相近，表明別也薩麻斯礦區(qū)的含礦偉晶巖形成于晚侏羅世。阿爾泰地區(qū)在二疊紀(jì)—侏羅紀(jì)期間出現(xiàn)了連續(xù)的成礦作用，形成了特色且復(fù)雜的稀有金屬礦床[20]。此次年齡數(shù)據(jù)表明別也薩麻斯鉭錳礦化處于這一密集成礦期的末尾。L18號(hào)偉晶巖脈的圍巖為二云母花崗巖，形成于海西期(449Ma[23]；412～396Ma[20,31])，脈體與圍巖侵入體在空間上密不可分，但二者形成時(shí)代相差甚遠(yuǎn)，因此二云母花崗巖并非礦化偉晶巖的直接成礦母巖。此外，有學(xué)者[23]研究表明別也薩麻斯含礦偉晶巖脈與二云母花崗巖的鋯石Hf同位素組成具有一定差異，暗示二者的成巖物質(zhì)來源不同，是不同演化階段的產(chǎn)物，進(jìn)一步證明了二者不具有成因聯(lián)系。

此類偉晶巖礦化與圍巖花崗巖不具有成因聯(lián)系的情況并非個(gè)例。如王登紅等[32-34]研究發(fā)現(xiàn)可可托海3號(hào)脈形成于印支晚期—燕山期，也明顯晚于其直接圍巖——輝長(zhǎng)巖及附近的海西期花崗巖；楊富全等[20]測(cè)得阿爾泰地區(qū)沙依肯布拉克鈹?shù)V區(qū)的偉晶巖(202Ma)和稀有金屬成礦與圍巖花崗巖(406～531Ma)無關(guān)。至于出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，存在兩種可能性：①偉晶巖脈附近或深部存在與偉晶巖型稀有金屬(本文指鈮鉭礦)礦化具有成因聯(lián)系的燕山期花崗巖體；②缺失偉晶巖母體花崗巖，即深部巖漿房中的花崗巖熔體在地?；蛳碌貧ち黧w的作用下發(fā)生了長(zhǎng)期的分異演化，進(jìn)一步形成了獨(dú)立的偉晶巖巖漿。

5 結(jié)論

鉭錳礦是稀有金屬鉭的主要賦存礦物之一，相較于鈮鐵礦、鉭鐵礦等常見鈮鉭礦物而言并不易見，對(duì)其研究有限。別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)L18號(hào)偉晶巖脈中發(fā)育典型的鉭錳礦，晶形完整粒度較大。本文以礦區(qū)內(nèi)采集的鉭錳礦為研究對(duì)象，通過電子探針、TIMS U-Pb測(cè)年等方法，獲得了鉭錳礦的化學(xué)組成、形成年齡，計(jì)算了其晶體化學(xué)式，分析了礦化與圍巖花崗巖的成因聯(lián)系。主要結(jié)論概括為以下幾點(diǎn)。

(1)采集于別也薩麻斯礦區(qū)L18號(hào)偉晶巖脈中的鉭錳礦，呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤，密度為7.48g/cm3，與鉭鐵礦一致。

(2)鉭錳礦的成分不均，未表現(xiàn)出規(guī)律的分帶性，但礦物顆粒中心部位的CaO含量較邊部低，F(xiàn)eO含量較邊部高。礦物橫剖面上SiO2含量相對(duì)穩(wěn)定，TiO2與WO3顯示不規(guī)律的波動(dòng)。這種特征表明鉭錳礦并非單純的由結(jié)晶分異作用形成，也受到了后期交代作用的影響。

(3)通過TIMS法對(duì)鉭錳礦U-Pb測(cè)年獲得其成礦年齡為160Ma，遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于圍巖二云母花崗巖，后者并非L18號(hào)偉晶巖脈的成礦母巖體。

致謝：TIMS鉭錳礦 U-Pb測(cè)年工作得到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所侯可軍副研究員的幫助，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院科技信息研究所范光研究員提供了寶貴意見，在此表示衷心的感謝。