呂正航 劉堃,2 張輝 唐勇

1. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550081 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049

稀有金屬是指地殼豐度低、提取分離難度大但具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的金屬。我國(guó)只把鋰、鈹、鈮、鉭、銣、銫、鋯和鉿等金屬元素稱為稀有金屬(鄒天人和李慶昌, 2006)。近年來(lái),“四稀”(稀有、稀土、稀散、稀貴)礦產(chǎn)之一的稀有金屬被多國(guó)和組織列為戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)(翟明國(guó)等,2019),繼而引發(fā)了極大的研究和勘查熱潮。鈹(Be)是原子量?jī)H次于鋰的超輕金屬元素,具有無(wú)磁、抗腐、高硬度、高熱吸附性等特點(diǎn)(Tayloretal., 2003),其產(chǎn)品主要用于工業(yè)、航空航天、國(guó)防、電子及電信基礎(chǔ)設(shè)施等戰(zhàn)略及新興領(lǐng)域(USGS, 2022)。美國(guó)作為全球最大的鈹儲(chǔ)產(chǎn)國(guó),高純鈹金屬向來(lái)被該國(guó)國(guó)防部視為戰(zhàn)略關(guān)鍵資源之一(Foley, 2017),足見(jiàn)其重要性。相較而言,我國(guó)的鈹資源在國(guó)際儲(chǔ)量和產(chǎn)量上的占比較低,對(duì)美的進(jìn)口依賴程度高達(dá)約70%(Gulleyetal., 2018),資源供應(yīng)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。然而,目前對(duì)稀有金屬的富集成礦研究及勘查主要集中在鋰資源之上,而對(duì)鈹?shù)绕渌∮薪饘俚年P(guān)注較少。

根據(jù)成礦巖石類(lèi)型,全球的鈹?shù)V床可分為火山巖型、花崗巖型、偉晶巖型、云英巖型、矽卡巖型、碳酸巖型和石英脈型(饒燦等, 2022)。我國(guó)的鈹?shù)V床類(lèi)型豐富,分布廣泛,但優(yōu)勢(shì)類(lèi)型和產(chǎn)地高度集中,主要以偉晶巖型和火山巖型為主,花崗巖型和矽卡巖型次之,且集中分布在新疆、四川、內(nèi)蒙古、云南和江西(李建康等, 2017)。最近,在西藏喜馬拉雅成礦帶中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)那洞矽卡巖型鈹?shù)V規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)超大型,預(yù)示巨大的鈹成礦潛力(李光明等, 2017)。新疆是我國(guó)當(dāng)前最重要的鈹?shù)V產(chǎn)地,產(chǎn)出了可可托海超大偉晶巖型鈹?shù)V和白楊河特大火山巖型鈾鈹?shù)V,二者分別以綠柱石和羥硅鈹石為主要礦石礦物,合計(jì)探明的BeO儲(chǔ)量超過(guò)10萬(wàn)t(Lietal., 2015; 鄒天人和李慶昌, 2006)。新疆阿爾泰是我國(guó)最早的鈹?shù)V產(chǎn)區(qū)之一,可可托海3號(hào)偉晶巖中已探明的BeO儲(chǔ)量超過(guò)6萬(wàn)t(鄒天人和李慶昌, 2006),為新中國(guó)的國(guó)防經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn),因此被稱為“功勛礦”。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的開(kāi)采,其中的鈹?shù)认∮薪饘儋Y源已近枯竭。而火山巖型鈾鈹?shù)V開(kāi)采所面臨的環(huán)境壓力,以及其他類(lèi)型如矽卡巖型,其礦石礦物符山石和方柱石的利用存在難度,導(dǎo)致利用受限。

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)新疆阿爾泰稀有金屬成礦研究和資源開(kāi)發(fā)主要局限于中阿爾泰的可可托海至哈龍一帶,而南部的瓊庫(kù)爾和南阿爾泰地體目前僅發(fā)現(xiàn)一些小型礦床和礦化點(diǎn)。近年來(lái),筆者在瓊庫(kù)爾地體中沖乎爾一帶的偉晶巖中發(fā)現(xiàn)了大量的綠柱石晶體。這些偉晶巖規(guī)模較大,但由于Be的成礦主要集中于脈體內(nèi)部的石英-白云母結(jié)構(gòu)帶內(nèi),因此其成礦潛力被嚴(yán)重低估。本次研究以代表性的鈹?shù)V化偉晶巖脈為研究對(duì)象,開(kāi)展全巖Be含量、綠柱石礦物學(xué)和年代學(xué)等研究,目的在于揭示其成礦時(shí)代、物質(zhì)來(lái)源和分異演化程度,進(jìn)而對(duì)偉晶巖中鈹?shù)认∮薪饘俪傻V潛力進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為阿爾泰未來(lái)的稀有金屬礦床勘查提供思路。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)

中國(guó)新疆阿爾泰位于中亞增生造山帶的西段,是古生代阿爾泰巖漿弧的重要組成部分,其北、西、南、東分別與俄羅斯山區(qū)阿爾泰、哈薩克斯坦礦區(qū)阿爾泰、中國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地和蒙古戈壁阿爾泰相連。根據(jù)構(gòu)造、地層、巖漿和變質(zhì)變形等特征,新疆阿爾泰可分為四個(gè)地體,從北到南分別為北阿爾泰、中阿爾泰、瓊庫(kù)爾地體和南阿爾泰(圖1;Yuanetal., 2007)。

圖1 中國(guó)阿爾泰地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Windley et al., 2002; Lü et al., 2021)Ⅰ-北阿爾泰地體;Ⅱ-中阿爾泰地體;Ⅲ-瓊庫(kù)爾地體;Ⅳ-南阿爾泰地體Fig.1 Geological sketch map of the Chinese Altai (modified after Windley et al., 2002; Lü et al., 2021)Ⅰ-North Altai domain; Ⅱ-Central Altai Domain; Ⅲ-Qiongkuer domain; Ⅳ-South Altai domain

北阿爾泰位于紅山嘴-諾爾特?cái)嗔岩员?主要出露淺變質(zhì)的泥盆-石炭紀(jì)的變火山巖(Windleyetal., 2002)和志留-泥盆紀(jì)的花崗斑巖和花崗巖(袁峰等, 2001; 呂正航等, 2015; 秦紀(jì)華等, 2016)。

中阿爾泰是新疆阿爾泰的主體,位于紅山嘴-諾爾特?cái)嗔押桶蛯m-庫(kù)爾提斷裂之間。區(qū)內(nèi)西北和東南主要出露一套奧陶紀(jì)的巨厚的復(fù)理石和火山碎屑巖沉積建造,即哈巴河群(圖1),巖性主要為變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖、片巖和變質(zhì)頁(yè)巖等,變質(zhì)程度較高。中部主要為志留紀(jì)庫(kù)爾木提群,為一套濁積質(zhì)大陸碎屑巖,巖性主要為片巖、混合片麻巖、變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖和千枚巖等(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1993; Windleyetal., 2002)。花崗質(zhì)巖石在中阿爾泰大量出露,包括可可托海和哈龍等十余個(gè)古生代花崗巖基和一個(gè)中生代阿拉爾花崗巖基(圖1)。巖性主要為準(zhǔn)鋁-過(guò)鋁質(zhì)鈣堿性的I和S型片麻狀黑云母花崗巖、黑云母二長(zhǎng)花崗巖、斑狀黑云母花崗巖等(Windleyetal., 2002; Wangetal., 2006, 2009a, 2014, Sunetal., 2008; Caietal., 2011a, b; Zhangetal., 2017; 王濤等, 2010; 馬占龍等, 2015)。此外,有少量的中生代花崗巖株出露(劉文政, 2014; 陳有炘等, 2017)。大量的中生代稀有金屬偉晶巖主要形成于此地體中(Wangetal., 2007; Lüetal., 2012; Zhangetal., 2016; Zhouetal., 2018; 任寶琴等, 2011; 馬占龍等, 2015)。

瓊庫(kù)爾地體位于阿巴宮-庫(kù)爾提斷裂與克孜加爾-特斯巴汗斷裂之間,其間出露泥盆紀(jì)阿勒泰組和康布鐵堡組,為一套弧火山巖地層,經(jīng)歷了泥盆紀(jì)和二疊紀(jì)高溫變質(zhì)作用(Jiangetal., 2010; Lietal., 2014)。花崗質(zhì)巖類(lèi)主要包括沖乎爾、塔爾浪等數(shù)個(gè)早古生代巖基和大量二疊紀(jì)巖株(圖1)。前者主要為英安巖、花崗閃長(zhǎng)巖和黑云母花崗巖等,多呈I型;后者主要為黑云母花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖和石英二長(zhǎng)巖,呈I、A和I-A過(guò)渡型(王濤等, 2010; 童英等, 2006; Wangetal., 2006; Yuanetal., 2007; Tongetal., 2014; Liuetal., 2018),極少數(shù)呈S型(周剛等, 2009)。此外,有較多的二疊紀(jì)基性-超基性巖,呈巖脈、巖墻和巖株等出露(Zhangetal., 2010, 2014; Wanetal., 2013; Caietal., 2016)。瓊庫(kù)爾地體中同樣出露大量花崗偉晶巖,期次復(fù)雜,但成礦作用比較弱(Lüetal., 2018, 2021; Zhouetal., 2018; 任寶琴等, 2011; 秦克章等, 2013)。

南阿爾泰地體位于額爾齊斯斷裂以北的構(gòu)造帶上,其北西段被第四紀(jì)沉積物覆蓋,東南段出露變質(zhì)沉積巖,巖性主要為泥盆紀(jì)石英片巖、混合片麻巖等,以及石炭紀(jì)的砂巖和粉砂巖等,顯示擠壓變形。巖漿巖主要為二疊紀(jì)的二長(zhǎng)花崗巖和黑云母花崗巖(Briggs, 2007; Tongetal., 2014; 童英等, 2006; 趙玉梅等, 2016),以及喀拉通克周邊廣泛出露的蘇長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖等(Hanetal., 2004)。

1.2 偉晶巖地質(zhì)特征

本次研究的偉晶巖位于小喀拉蘇-切別林偉晶巖田中的沖乎爾偉晶巖區(qū)內(nèi)(圖1),直線距離沖乎爾鎮(zhèn)約7km。區(qū)內(nèi)巖漿巖非常發(fā)育,主要為海西期中粒黑云母花崗巖和中細(xì)粒二云母花崗巖,白云母花崗巖呈小巖株局部出露于黑云母花崗巖中。此外還有少量的斜長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和基性巖。北部出露奧陶紀(jì)哈巴河群變質(zhì)沉積巖,主要為黑云母石英片巖,局部可見(jiàn)藍(lán)晶石-十字石片巖。中部主要出露泥盆紀(jì)阿勒泰組,巖性為石英斑巖、砂巖、凝灰?guī)r和千枚巖等(圖2)。哈巴河群片巖與花崗巖的接觸帶上,發(fā)育一條寬約2～3km的混合巖化帶,沿NW向延伸數(shù)十千米。偉晶巖主要分布于海西期黑云母花崗巖和二云母花崗巖,以及哈巴河群片巖中(圖2)。區(qū)內(nèi)偉晶巖主要顯示Be或Be-Nb-Ta礦化,極少數(shù)發(fā)育Li礦化。偉晶巖脈體順層侵入黑云母石英片巖中,走向NNW330°,傾向SE,傾角50°～70°。本文所研究的編號(hào)為SEJK01的偉晶巖(48°6′31″N～48°6′7″N,87°16′11″E～87°16′37″E)是區(qū)內(nèi)規(guī)模較大且具有一定內(nèi)部分帶的偉晶巖脈。該脈體厚2～12m,出露長(zhǎng)度超過(guò)800m(圖3a)。據(jù)礦物組合,其內(nèi)部可分為文象結(jié)構(gòu)帶(25%～30%)、塊體長(zhǎng)石帶(20%～25%)、石英-白云母巢體帶(30%～35%)、石英-葉鈉長(zhǎng)石-鋰輝石帶(3%～5%)和石英核帶(5%～10%)。綠柱石全脈發(fā)育,露頭上皆可見(jiàn),主要發(fā)育于文象結(jié)構(gòu)帶和石英-白云母巢體帶中(圖3b-e),前者多呈筷子粗細(xì)的柱狀單晶,直徑1～2cm,長(zhǎng)大多在10cm以內(nèi),淺綠色。后者多為粗晶或集合體,直徑2～20cm,淺綠色或灰白色(圖3b, c)。鋰輝石偶見(jiàn)與石英、葉鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石共生,淺紅色,長(zhǎng)8～20cm不等,遭受過(guò)后期風(fēng)化作用(圖3g),局部可見(jiàn)伴生的鋰云母(圖3h)。除石英、長(zhǎng)石和白云母造巖礦物以外,偉晶巖中非常富集電氣石和磷灰石副礦物(圖3f, i, j),幾乎在各結(jié)構(gòu)帶內(nèi)均有顯著發(fā)育。礦石礦物主要以綠柱石為主,少量鋰輝石和鋰云母,而鈮鐵礦族和細(xì)晶石等礦物僅見(jiàn)于人工重砂。

圖2 中國(guó)阿爾泰沖乎爾地區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)局, 1966(1)新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)局. 1966. 1:20萬(wàn)沖乎爾幅礦產(chǎn)圖)

圖3 沖乎爾薩爾加克01號(hào)偉晶巖露頭及內(nèi)部礦物組合(a)偉晶巖局部產(chǎn)狀;(b-e)綠柱石粒徑及礦物組合;(f)石英-葉鈉長(zhǎng)石礦物組合;(g)鋰輝石等礦物組合;鋰云母(h)、黑電氣石(i)和磷灰石骸晶(j)產(chǎn)出特征. Ab-鈉長(zhǎng)石,Ap-磷灰石;Brl-綠柱石;Elb-鋰電氣石;Lpd-鋰云母;Mcc-微斜長(zhǎng)石;Ms-白云母;Spd-鋰輝石;Qz-石英;Srl-黑電氣石Fig.3 Outcrop and internal mineral assemblage of the Saerjiake No.1 pegmatite in Chonghur area(a) local geological occurrence of pegmatite; (b-e) size and occurrence of beryl; (f) quartz and cleavelandite; occurrences of spodumene (g) and lepidolite (h); occurrences of coarse schorl (i) and skeletal apatite (j). Ab-albite, Ap-apatite, Brl-beryl, Elb-elbaite, Lpd-lepidolite, Mcc-microcline, Ms-muscovite, Spd-spodumene, Qz-quartz, Srl-schorl

2 樣品采集和測(cè)試方法

本次研究的樣品均采自沖乎爾西邊的SEJK01偉晶巖。定年樣品采自文象結(jié)構(gòu)帶,綠柱石樣品采自石英-白云母巢體帶,全巖樣品隨機(jī)采自發(fā)育綠柱石的文象帶(1件)和石英-白云母帶(6件),每件重量大約20kg。將全巖樣品進(jìn)行顎式破碎,破碎至0.5cm進(jìn)行充分混合,再挑出500g進(jìn)行充分研磨至20目左右,取出50g研磨至120目以下,最后取出適量進(jìn)行化學(xué)消減和ICP-MS測(cè)試。將定年樣品依次進(jìn)行破碎、篩選、淘洗和磁選等,選出用于定年的獨(dú)居石礦物,然后制作成樹(shù)脂靶。用于測(cè)試的綠柱石均采自石英-白云母帶,其中,SEJK-22-B1樣品(圖3e)呈淺灰綠色,局部呈乳白色,自形至半自形,粒徑約5cm;SEJK-22-B2樣品(圖3c右側(cè)綠柱石)呈淺藍(lán)綠色,局部灰白色,較自形,粒徑約5cm;SEJK-70-1A(圖3d)晶體較大,自形,粒徑超過(guò)10cm,淺綠色, 內(nèi)部有煙灰色石英。樣品進(jìn)行光薄片和激光片制備。

獨(dú)居石和綠柱石樣品的背散射成像(BSE)、綠柱石的電子探針成分分析(EPMA)以及獨(dú)居石的U-Pb定年研究均在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。BSE和成分分析使用的是JEOL JXA-8230型電子探針,工作條件為加速電壓25kV,束流20nA,束斑10μm,元素峰值和背景時(shí)間計(jì)數(shù)分別為10s和5s。天然礦物和人工合成氧化物作為標(biāo)樣計(jì)算元素含量,所有結(jié)果均進(jìn)行了ZAF校正。獨(dú)居石U-Pb定年采用LA-ICP-MS該儀器由ArF 193nm準(zhǔn)分子激光器和MicroLas光學(xué)系統(tǒng)組成激光剝蝕系統(tǒng),再配備Agilent 7900型ICP-MS質(zhì)譜儀。儀器的運(yùn)行流程見(jiàn)Huetal. (2015)。儀器的工作條件為激光束斑24μm,頻率5Hz和能量密度3J/cm2。U-Pb同位素定年采用哈佛大學(xué)獨(dú)居石117531標(biāo)樣(Tomascaketal., 1996)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST610玻璃作外標(biāo)分別進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正。每次剝蝕收集包括20s左右的背景信號(hào)和50s樣品信號(hào)。數(shù)據(jù)處理(包括樣品和背景信號(hào)的選擇、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)通過(guò)軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。獨(dú)居石的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計(jì)算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。

3 測(cè)試結(jié)果

全巖微量元素組成結(jié)果顯示,1件樣品(SEJK-22-B1)具有較低的Li(113×10-6)和Be(109×10-6)含量,和相對(duì)較高的Nb(56×10-6)和Ta(42×10-6)含量。而其余6件樣品都顯示了較高的Be(1154×10-6～3597×10-6)、Li(97×10-6～412×10-6)和Cs(80.2×10-6～486×10-6)含量,以及相對(duì)含量較低且變化較大的Rb(14.4×10-6～640×10-6)、Nb(0.61×10-6～35.2×10-6)和Ta(1.08×10-6～21×10-6)(表1)。6件全巖樣品對(duì)應(yīng)的BeO含量為0.321%～0.999%。

表1 沖乎爾薩爾加克1號(hào)偉晶巖不同結(jié)構(gòu)帶的稀有金屬含量(×10-6)

背散射成像結(jié)果顯示,獨(dú)居石顆粒呈自形-半自形,350～500μm,成像均勻,微裂隙發(fā)育和富集磷灰石和石英等礦物包體(圖4)。U-Pb定年結(jié)果顯示(表2),15顆獨(dú)居石具有非常高的Th(51182×10-6～143409×10-6)和較高的U(815×10-6～15389×10-6),以及相對(duì)高的Pb含量(902×10-6～1711×10-6)。其中14個(gè)測(cè)點(diǎn)顯示較為一致的206Pb/238U和207Pb/235U比值,分別介于0.0389～0.0410和0.2701～0.3157,對(duì)應(yīng)的年齡范圍分別為245～259Ma和243～269Ma,兩組年齡諧和度介于90%～99%(表2、圖5a)。另外1個(gè)測(cè)點(diǎn)(S-Mnz-15)顯示較大的206Pb/238U和207Pb/235U年齡(分別為282Ma和421Ma)和較低的年齡諧和度(60%),結(jié)合偉晶巖中獨(dú)居石顆粒含有較多的礦物包體(圖4),推測(cè)在剝蝕過(guò)程中受到內(nèi)部礦物包體影響。據(jù)14個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U年齡得到加權(quán)平均年齡250.5±3.6Ma(2σ,MSWD=0.29)(圖5b),代表偉晶巖的形成年齡。

表2 沖乎爾薩爾加克1號(hào)偉晶巖獨(dú)居石U-Pb年齡測(cè)試結(jié)果

圖4 沖乎爾薩爾加克1號(hào)偉晶巖代表性定年獨(dú)居石的背散射成像特征Fig.4 BSE imaging features of the representative dating monazite from the Saerjiaka No.1 pegmatite in Chonghuer

圖5 沖乎爾薩爾加克1號(hào)偉晶巖獨(dú)居石U-Pb年齡諧和圖(a)和206Pb/238U加權(quán)平均年齡(b)Fig.5 Concordant diagram of U-Pb age (a) and 206Pb/238U weighted mean age (b) of monazite from the Saerjiaka No.1 pegmatite in Chonghuer

結(jié)合綠柱石顏色、BSE成像特征和電子探針?lè)治鼋Y(jié)果來(lái)看,淺綠色和淺藍(lán)綠色綠柱石通常具有均一且較暗的BSE特征,成分上含有相對(duì)高的SiO2(64.51%～65.66%)和BeO(11.98%～12.68%)以及低的Cs2O(0.44%～1.08%)(圖6a-d中暗色區(qū)域測(cè)點(diǎn);表3)。灰白色和乳白色綠柱石區(qū)域則顯示馬賽克式和網(wǎng)脈狀且較亮的BSE特征,成分上具有相對(duì)低的SiO2(62.13%～63.81%)和BeO(10.50%～11.54%)以及高的Cs2O(3.03%～5.33%)(圖6a, b, d中不規(guī)則的發(fā)亮區(qū)域測(cè)點(diǎn);表3)。其他BSE亮度介于上述二者間的綠柱石區(qū)域,具有中等含量的SiO2、BeO和Cs2O。此外,不同期次綠柱石的Na2O(1.06%～1.86%)、Li2O(0.56%～1.39%)和FeO*(全鐵,0.05%～0.64%)相對(duì)含量變化也較大(表3)。BeO、Na2O、Li2O和Cs2O含量變化較大反映了堿金屬對(duì)Be不同程度的置換。背散射成像結(jié)果顯示,部分綠柱石具有馬賽克式(圖6a, d)和不規(guī)則網(wǎng)脈狀(圖6b)的成像特點(diǎn),反映后期遭受多期次的流體改造。相較而言,含有自形鋅尖晶石的綠柱石(圖6c)通常成像較為均勻且Cs2O含量(>1.0%)較低,反映原生的綠柱石成像和成分特點(diǎn)。面掃描結(jié)果顯示,不同亮度的綠柱石區(qū)域中的Cs2O含量變化較大,是引起B(yǎng)SE成像亮度變化的重要原因(圖6d)。如圖6a, b和d中測(cè)點(diǎn)所示,較亮的區(qū)域具有高的Cs2O含量(3.31%～5.14%),反之則Cs2O含量較低(0.44%～0.91%)。局部可見(jiàn)網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)發(fā)育在馬賽克結(jié)構(gòu)之上(圖6d),并且前者具有更高的Cs2O含量(見(jiàn)圖6b和d中測(cè)點(diǎn)),表明網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)的綠柱石形成時(shí)間更晚。

圖6 沖乎爾薩爾加克1號(hào)偉晶巖綠柱石的BSE成像特征和堿金屬元素面掃描(a)馬賽克式的綠柱石BSE特征;(b)發(fā)育于原生綠柱石中的網(wǎng)脈狀綠柱石;(c)原生綠柱石及其中的鋅尖晶石礦物包體;(d)馬賽克式和網(wǎng)脈狀的綠柱石BSE特征;圖中圓圈和數(shù)字為測(cè)點(diǎn)位置、編號(hào)和Cs2O含量.不同期次綠柱石中Cs(e)和Na(f)的含量分布. Ghn-鋅尖晶石Fig.6 BSE imaging features and alkali metal mapping of beryls from the Saerjiake No.1 pegmatite in Chonghur(a) mosaic BSE of beryl; (b) reticular beryl in primary beryl; (c) gahnite inclusion in primary beryl; (d) mosaic and reticular BSE imaging of beryl; images showing the representative location; number and Cs2O content for analytical spot. Content distributions of Cs (e) and Na (f) in different beryl phases. Ghn-gahnite

4 討論

4.1 物源對(duì)Be成礦的制約

現(xiàn)有研究表明,物源和巖漿分異是控制Be富集成礦的兩個(gè)重要因素。物源上,阿爾泰以發(fā)育數(shù)量眾多的綠柱石偉晶巖以及國(guó)內(nèi)唯一已開(kāi)采閉坑的超大型Be礦可可托海3號(hào)脈。與松潘甘孜-西昆侖和江南造山帶中的中大型稀有金屬礦床對(duì)比不難發(fā)現(xiàn),二者的優(yōu)勢(shì)稀有金屬礦產(chǎn)分別為L(zhǎng)i和Ta(Nb),顯著不同于阿爾泰,表明不同造山帶中的稀有金屬稟賦有所差異。筆者曾對(duì)阿爾泰大量的稀有金屬礦床開(kāi)展年代學(xué)和同位素研究,結(jié)果顯示阿爾泰至少存在四期(泥盆紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)和侏羅紀(jì))偉晶巖稀有金屬成礦事件(表4),成巖成礦峰期為三疊紀(jì)(Lüetal., 2012, 2018, 2021; 呂正航等, 2015; 張輝等, 2019)。不同時(shí)代的稀有金屬礦床都顯示虧損的Hf同位素特征(圖7),表明源區(qū)以新生或年輕的地殼物質(zhì)為主,顯著區(qū)別于松潘甘孜-西昆侖和江南造山帶偉晶巖源于古老地殼物質(zhì)。上述差異表明阿爾泰在源區(qū)上具有Be成礦的稟賦,可能與新疆阿爾泰作為陸緣巖漿弧的地體屬性及其中大量發(fā)育的火山巖有關(guān)。此外,阿爾泰不同時(shí)代的礦化偉晶巖也顯示出同位素差異。同造山的泥盆紀(jì)偉晶巖與晚二疊世的部分偉晶巖產(chǎn)出小型的Be-Nb-Ta±Li礦床,顯示中等虧損的Hf同位素組成,εHf(t)和二階段模式年齡分別主要為+4.5～+8和1.09～0.86Ga;二疊紀(jì)的稀土礦化偉晶巖則顯示顯著虧損的Hf同位素組成,εHf(t)值主要介于+6～+10和二階段模式年齡0.86～0.63Ga(Lüetal., 2018,2021);與上述偉晶巖不同,三疊紀(jì)的偉晶巖產(chǎn)出了大多數(shù)中型至超大型稀有金屬礦床,如可可托海3號(hào)脈、柯魯木特112號(hào)脈、阿祖拜和阿斯喀爾特等Be礦化偉晶巖(Lüetal., 2012; Tangetal., 2021; 陳劍鋒和張輝, 2011),且以相對(duì)富集的Hf同位素組成,即εHf(t)普遍小于+2和二階段模式年齡大于1.09Ga。本次研究所涉及的沖乎爾偉晶巖形成時(shí)間為250.5±3.6Ma(圖5),屬于二疊紀(jì)末期至三疊紀(jì)早期。該時(shí)期處于阿爾泰弧與準(zhǔn)噶爾弧碰撞后伸展階段,幔源巖漿底侵為殼源物質(zhì)的熔融提供了條件(Lüetal., 2021)。瓊庫(kù)爾地體中含有大量的古生代火山巖物質(zhì),以阿勒泰組火山沉積地層為代表。眾所周知,火山巖型Be礦是全球最重要的Be礦床類(lèi)型之一,以美國(guó)Spormountain礦床為代表。古生代時(shí)期的瓊庫(kù)爾地體處于弧前盆地演化階段,沉積于其中的火山巖物質(zhì)隨著洋殼俯沖被帶入地殼深部進(jìn)行改造和循環(huán),繼而為該地體中的偉晶巖及其Be成礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。沖乎爾偉晶巖其同位素組成εHf(t)和二階段模式年齡分別為-0.32～+1.52和1.30～1.18Ga(Lüetal., 2021),顯著不同于其他晚二疊世至早三疊世的稀有稀土礦化偉晶巖,而與晚三疊世礦化偉晶巖的同位素組成非常相似(圖7),表明沖乎爾偉晶巖具備Be成大礦的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表4 中國(guó)阿爾泰典型稀有金屬偉晶巖的礦化類(lèi)型、規(guī)模及成礦時(shí)代

圖7 新疆阿爾泰礦化偉晶巖的鋯石Hf同位素組成數(shù)據(jù)引自Lü et al., 2012, 2018, 2021;Zhang et al., 2016;陳劍鋒和張輝,2011;劉文政,2014Fig.7 Zircon Hf isotope compositions of the mineralized pegmatites in Altai, Xinjiang Data from Lü et al., 2012, 2018, 2021; Zhang et al., 2016; Chen and Zhang, 2011; Liu, 2014

4.2 BeO溶解度對(duì)Be成礦的制約

瑞利分餾模擬結(jié)果顯示,含有6×10-6Be的花崗質(zhì)巖漿需經(jīng)75%左右的分離結(jié)晶才能達(dá)到綠柱石飽和的35×10-6Be含量闕值;而要達(dá)到富綠柱石偉晶巖所具備的Be平均含量200×10-6,則需要高達(dá)99.6%的分離結(jié)晶(London, 2015)。因此,綠柱石的出現(xiàn)代表著偉晶巖巖漿經(jīng)歷了較高程度的分異。然而,綠柱石的出現(xiàn)并不意味著B(niǎo)e的礦化程度高。比如發(fā)育在邊緣文象結(jié)構(gòu)帶中的綠柱石,主要受控于降溫引起的綠柱石飽和(Evensen and London, 2002),反映巖漿侵位前經(jīng)歷了一定(約75%)的分離結(jié)晶作用,巖漿中也初步富集了一定的BeO(≥35×10-6),但這樣的偉晶巖其BeO通常難以達(dá)到工業(yè)品位,如加曼哈巴、也留曼和庫(kù)衛(wèi)等地的含綠柱石偉晶巖,其文象帶中的綠柱石晶體普遍較小且數(shù)量較少。而由ASI主導(dǎo)的機(jī)制則不同,該機(jī)制是Be富集和綠柱石晶出的重要途徑(Evensen and London, 2002)。一方面,Be在富綠柱石的偉晶巖巖漿中對(duì)所有的造巖礦物皆不顯示相容性,隨著長(zhǎng)石、石英等礦物的晶出,Be元素得以富集;另一方面,石英-白云母結(jié)構(gòu)帶代表強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)(ASI為1.3～1.4)的環(huán)境,并且以高的Al活度和Si飽和為特征。在溫度不變的情況下,ASI的升高會(huì)顯著降低BeO的溶解度,導(dǎo)致綠柱石晶出。因此,在偉晶巖巖漿演化到由石英和白云母主導(dǎo)的階段(即ASI增加)之前,必然經(jīng)歷了Be在較低ASI條件下(如長(zhǎng)石主導(dǎo)的準(zhǔn)鋁質(zhì)環(huán)境)的富集過(guò)程(通過(guò)邊界層熔體實(shí)現(xiàn),London, 2014),而當(dāng)殘余體系的ASI增加后,綠柱石因BeO溶解度降低而晶出。薩爾加克01號(hào)偉晶巖從礦物組合上顯示LCT(富Li-Cs-Ta)偉晶巖的特征,其初始巖漿應(yīng)為過(guò)鋁質(zhì)熔體(ASI>1.1)。該脈主要由文象結(jié)構(gòu)帶(25%～30%)、塊體長(zhǎng)石帶(20%～25%)和石英-白云母帶(30%～35%)組成,而前兩個(gè)帶主要礦物為微斜長(zhǎng)石和石英,以及較多的磷灰石副礦物,反映準(zhǔn)鋁質(zhì)的熔體組成(ASI介于1.0～1.1)。當(dāng)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)帶結(jié)晶之后,殘余體系必然是強(qiáng)過(guò)鋁質(zhì)的,以晶出大量的白云母礦物(ASI約為1.3)為特征,形成石英-白云母帶。此后,殘余的熔體又轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)鋁質(zhì)熔體,形成了石英-葉鈉長(zhǎng)石-鋰輝石帶(3%～5%)和石英核帶(5%～10%)。在這過(guò)程中,熔體中的Be含量隨著文象結(jié)構(gòu)帶和塊體長(zhǎng)石帶的結(jié)晶得到了進(jìn)一步富集,而在石英和白云母主導(dǎo)的階段晶出綠柱石礦物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度不變情況下,ASI從1.05增加至1.24,BeO溶解度從1118×10-6驟降至289×10-6(Evensenetal., 1999),這意味著大約75%的BeO從熔體中晶出。此外,實(shí)驗(yàn)研究表明,在相似溫壓條件下的低Be豐度的熔體中,Be只對(duì)斜長(zhǎng)石(An31)和白云母是相容的。而在高Be豐度(達(dá)到綠柱石飽和)的熔體中,Be對(duì)所有的造巖礦物皆顯示不相容性(Evensen and London, 2002)。以可可托海3號(hào)脈石英-白云母帶為例,作為Be的主要礦化帶之一,其中的石英、白云母和長(zhǎng)石中Be的平均含量非常低,分別低于60×10-6、50×10-6和10×10-6(周起鳳, 2013; 唐宏和張輝, 2018)。因此,對(duì)于缺乏其他富Be礦物的綠柱石偉晶巖來(lái)說(shuō),其中的Be含量主要受控于綠柱石數(shù)量。

4.3 巖漿分異對(duì)Be成礦的制約

沖乎爾偉晶巖文象結(jié)構(gòu)帶中普遍發(fā)育綠柱石,Be含量為109×10-6,表明巖漿侵位前經(jīng)歷了較高的分離結(jié)晶作用。此外,偉晶巖顯示出較好的內(nèi)部分帶,且發(fā)育鋰輝石、鋰云母和鋰電氣石等礦物(圖3f-h),表明巖漿侵位后又發(fā)生了分異。以綠柱石成分為例,其中的堿金屬氧化物含量與BeO具有非常好的負(fù)相關(guān)性(圖8a),表明前者對(duì)后者的置換。而綠柱石中堿金屬的含量往往與熔體的分異程度呈正相關(guān)。沖乎爾偉晶巖綠柱石中的堿金屬含量非常高(圖8a),尤其是Cs2O含量,基本達(dá)到了可可托海3號(hào)脈綠柱石的Cs含量水平(圖8b),表明了極高的分異程度。礦化帶內(nèi)Be含量高達(dá)1154×10-6～3597×10-6。此外,脈體中的綠柱石晶體普遍較大,筆者目前已發(fā)現(xiàn)的不完整綠柱石晶體直徑超過(guò)20cm(圖3b),意味著B(niǎo)e的高度富集。綠柱石主要形成于石英-白云母帶中,與其共生的造巖礦物石英(50%～60%)、白云母(25%～30%)和長(zhǎng)石(5%～10%)以及副礦物磷灰石(1%左右)中Be的含量非常有限。薩爾加克01號(hào)偉晶巖石英-白云母帶中的BeO含量為0.321%～0.999%,平均0.590%,超過(guò)工業(yè)品位0.096%。按照該結(jié)構(gòu)帶占全脈25%～30%比例計(jì)算,全脈BeO平均含量0.15%～0.18%。按照脈體出露長(zhǎng)度890m(衛(wèi)星圖上測(cè)量)、平均厚度6m、向下延伸長(zhǎng)度290m(長(zhǎng)度的1/3),以及長(zhǎng)英質(zhì)巖石比重2.7g/cm3計(jì)算,該脈體的BeO科研預(yù)估儲(chǔ)量為6272～7526t。如果僅按照石英-白云母帶的比例和BeO品位計(jì)算,該脈體中石英-白云母結(jié)構(gòu)帶內(nèi)BeO科研預(yù)估儲(chǔ)量為4027～14619t,達(dá)到中大型規(guī)模。需要說(shuō)明的是,針對(duì)礦化結(jié)構(gòu)的品位測(cè)量比整條脈體的全巖品位敲定更加科學(xué),對(duì)具有內(nèi)部分帶的偉晶巖尤其重要。本次計(jì)算的BeO科研儲(chǔ)量?jī)H限于石英-白云母帶,低于全脈實(shí)際的儲(chǔ)量。雖然估計(jì)的脈體延深長(zhǎng)度等存在不確定性,但所研究區(qū)域有多條脈體同時(shí)出露,露頭上皆發(fā)現(xiàn)綠柱石礦物,且延伸較長(zhǎng)。如果將這些脈體納入考量范圍,區(qū)域內(nèi)的BeO儲(chǔ)量更加可觀。受制于出露條件,先前的勘查工作(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)局, 1966)在不了解偉晶巖內(nèi)部礦化特征的情況下,BeO的品位被嚴(yán)重低估。

雖然可可托海3號(hào)脈超大型Be稀有金屬礦床已閉坑,但阿爾泰現(xiàn)有的Be資源儲(chǔ)量仍非?？捎^。除了本次研究提出的沖乎爾偉晶巖中潛在的中大型Be礦,在中阿爾泰佳木開(kāi)-群庫(kù)一帶同樣出露多條富綠柱石的偉晶巖脈,而且綠柱石大多發(fā)育在石英-白云母巢體帶中,預(yù)示著較好的成礦潛力。阿爾泰偉晶巖中的Be富集成礦過(guò)程與巖漿的分異演化有關(guān),然而更重要的貢獻(xiàn)可能來(lái)自偉晶巖源區(qū),這是未來(lái)研究阿爾泰偉晶巖稀有金屬礦床應(yīng)當(dāng)注重的一個(gè)方向。

5 結(jié)論

(1)阿爾泰沖乎爾偉晶巖獨(dú)居石U-Pb年齡為250.5±3.6Ma,形成于二疊紀(jì)末期至三疊紀(jì)早期;

(2)偉晶巖中的綠柱石以富Cs、Na和Li等堿金屬為特征,且富集程度與可可托海3號(hào)脈類(lèi)似,表明偉晶巖巖漿侵位后經(jīng)歷了高度的分異演化。此外,該偉晶巖具有與晚三疊世的中大型稀有金屬礦床一致的同位素組成,表明具備成礦物質(zhì)基礎(chǔ);

(3)沖乎爾偉晶巖中Be成礦主要發(fā)生在石英-白云母結(jié)構(gòu)帶中,其中的BeO含量高達(dá)0.321%～0.999%,平均0.590%。初步計(jì)算,該偉晶巖的BeO儲(chǔ)量達(dá)中大型規(guī)模,考慮到區(qū)內(nèi)的其他綠柱石偉晶巖,提出沖乎爾偉晶巖具備形成大型Be礦床的潛力。

致謝感謝礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭文琴、胡靜和楊淑琴老師以及李響、李赟和韓俊杰工程師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供的指導(dǎo)和幫助。感謝申萍老師的辛勤組織本次專輯,以及兩位匿名審稿人提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)!