鄭范博王國(guó)光倪 培

內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210023

0 引言

戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬對(duì)于新能源領(lǐng)域、高性能材料、生物技術(shù)、信息技術(shù)、高端裝備、綠色環(huán)保以及航空航天等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)具有不可替代的用途,屬于高科技發(fā)展的核心資源(Linnen et al.,2012;陳駿,2019;蔣少涌等,2019;毛景文等,2019;翟明國(guó)等,2019;侯增謙等,2020)。戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬包括稀有金屬、稀土金屬、稀散金屬和部分稀貴金屬。稀有金屬包括鋰、鈹、鈮、鉭、銣、銫、鋯、鉿、鎢、錫等;稀土金屬為鑭系元素以及性質(zhì)相近的鈧、釔;稀散元素為鎵、鍺、硒、鎘、銦、蹄、錸和鉈;部分稀貴金屬包括鉑族元素、鉻、鈷等。文中主要關(guān)注與花崗偉晶巖關(guān)系密切的稀有金屬礦產(chǎn)資源。

在地球科學(xué)領(lǐng)域中,流體包括氣體、液體、熔體和地球中受構(gòu)造應(yīng)力作用而移動(dòng)的物體(盧煥章,2019)。流體具有流動(dòng)性、壓縮性和壓力傳遞作用,這些力學(xué)屬性為成礦作用研究提供了基礎(chǔ)(徐興旺等,2019)。成礦流體是金屬富集、遷移和沉淀過(guò)程中的重要介質(zhì)。流體包裹體作為保存在晶體中的記錄原始成礦流體信息最直接的證據(jù),是獲取成礦過(guò)程中溫度、壓力和成分等信息的關(guān)鍵媒介(Roedder, 1984;Bodnar, 2003; 盧煥章等,2004;倪培等,2018;王國(guó)光等,2020)。與稀有金屬礦產(chǎn)有關(guān)的花崗偉晶巖型礦床成礦流體來(lái)源、成分、溫壓條件和演化過(guò)程仍存在爭(zhēng)議(Norton, 1973;Stewart, 1978; 王聯(lián)魁等,1999,2000;李健康,2006;Simmons and Webber, 2008;London,2014,2015,2018;Shaw et al., 2016;Thomas and Davidson, 2016; Lv et al., 2018;Thomas et al., 2019;張輝等,2019)。文章以成礦流體為核心內(nèi)容,回顧花崗巖偉晶巖型稀有金屬礦床流體性質(zhì)和成因機(jī)制的研究進(jìn)展,指出目前研究存在的問(wèn)題,并且進(jìn)一步提出相關(guān)研究展望。

1 花崗偉晶巖型稀有金屬礦床基本特征

1.1 定義及分類

花崗偉晶巖是指具有骨架、文象或其他礦物晶體定向生長(zhǎng)的粗?；◢弾r。偉晶巖內(nèi)的礦物顆粒往往比較粗大,并且常呈現(xiàn)從邊緣向核部顆粒逐漸粗大的趨勢(shì)。偉晶巖中標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)為普遍發(fā)育特征性文象結(jié)構(gòu)(圖1),并且礦物晶體具有定向生長(zhǎng)的習(xí)性,而且偉晶巖內(nèi)常常發(fā)育顯著的礦物組合空間分帶(London,2018)。盡管稀有金屬礦床常與偉晶巖有關(guān),值得指出的是,偉晶巖中僅有極少部分發(fā)育稀有金屬礦化,礦化偉晶巖僅占偉晶巖總量的1%～2% (Cˇerny',1991a;London and Kontak,2012)。偉晶巖有多種分類方案,其中London(2008)將偉晶巖劃分為簡(jiǎn)單偉晶巖和稀有金屬偉晶巖,前者主要與長(zhǎng)石和石英等非金屬礦產(chǎn)有關(guān),后者為稀有金屬的重要母巖。應(yīng)用最為廣泛的為Cˇerny'(1991b) 和Cˇerny' and Ercit(2005)的方案,他們將偉晶巖分為L(zhǎng)CT(鋰銫鉭)族和NYF(鈮釔氟)族。LCT族偉晶巖富集Li、Be、Ta>Nb、Cs、B、F、P、Mn、Ga、Rb、Sn和 Hf(Cˇerny',1991b; Bradley et al.,2017),主要與S型花崗巖有關(guān),少量與Ⅰ型花崗巖 有 關(guān) (Cˇerny' and Ercit, 2005; Simmons and Webber,2008);NYF族偉晶巖富集Nb > Ta、Y、F、Be、 Sn、 B、 Ti、 REE、 Zr、 Th、 U 和 Sc(Cˇerny',1991b;Rakovan,2008),與A型花崗巖有關(guān)(Cˇerny' and Ercit,2005)。LCT族偉晶巖通常是板塊匯聚造山過(guò)程中巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物(Cˇerny',1991b;Tkachev, 2011; McCauley and Bradley,2014;Tkachev et al.,2018)。此外,LCT族偉晶巖年齡分布的主峰與超大陸聚合的時(shí)代一致(McCauley and Bradley,2014;王汝成等,2021)。如2368 Ma、1800 Ma、962 Ma、529～485 Ma和371～274 Ma的LCT族偉晶巖出現(xiàn)的主峰分別與Sclavia and Superia、 Nuna、 Rodinia、 Gondwana、Pangea超大陸聚合時(shí)代一致(McCauley and Bradley,2014)。LCT族偉晶巖提供了全世界約二分之一的Li(Benson et al.,2017),十分之一的Be,大量的Ta和幾乎全部的Cs(Bradley et al.,2017)。

1.2 產(chǎn)狀

花崗偉晶巖脈通常產(chǎn)于母巖花崗巖內(nèi)部或頂部片麻巖、角閃巖、片巖中,大多數(shù)分布在與母巖花崗巖相距數(shù)千米范圍內(nèi)(London,2015,2018),有時(shí)可達(dá)10 km(Baker, 1998)。偉晶巖群的演化和礦化程度往往具有空間分帶特征,靠近母巖的偉晶巖演化程度較低,礦化較弱,僅發(fā)育造巖礦物;遠(yuǎn)端的偉晶巖演化程度更高,礦化更強(qiáng),更傾向于含有鋰輝石、綠柱石等稀有金屬獨(dú)立礦物,形成具有重要經(jīng)濟(jì)意義的稀有金屬礦體(London,2018)。另外,隨著距母巖花崗巖距離的增加,偉晶巖脈數(shù)目一般會(huì)逐漸減少(London,2018)。不僅偉晶巖脈群在整個(gè)區(qū)域上具有帶狀分布特征,而且單個(gè)偉晶巖脈內(nèi)也常見(jiàn)帶狀分布特征(Cameron,1949)。偉晶巖脈通常受?chē)鷰r構(gòu)造、組構(gòu)和層理控制,大小不一,呈脈狀、囊狀、透鏡狀、管狀、不規(guī)則狀產(chǎn)出,一般與圍巖接觸關(guān)系明顯(Simmons and Webber,2008)。

Qtz—石英;Kfs—鉀長(zhǎng)石圖1 典型稀有金屬花崗偉晶巖的文象結(jié)構(gòu)(樣品為新疆大紅柳灘鋰礦手標(biāo)本)Fig.1 Representative photo of rare metal pegmatites showing graphic texture (The sample is a hand specimen from the Dahongliutan lithium deposit, Xinjiang)Qtz-quartz; Kfs-K-feldspar

1.3 單個(gè)花崗偉晶巖脈內(nèi)部分帶

通常單個(gè)花崗偉晶巖脈具有顯著的內(nèi)部分帶特征(圖2)。Cameron(1949)總結(jié)了大量資料,提出了廣為接受的偉晶巖空間分帶模型。從外部到中心,依次發(fā)育邊緣帶、外部帶、中間帶和內(nèi)核。邊緣帶的厚度不大,礦物顆粒細(xì)小,主要為長(zhǎng)石和石英。外側(cè)帶礦物顆粒較粗,主要由長(zhǎng)石和石英組成,具有文象結(jié)構(gòu)或花崗結(jié)構(gòu)。中間帶主要礦物顆粒粗大,一般由微斜長(zhǎng)石組成,有時(shí)由長(zhǎng)石和石英組成,厚度較大。內(nèi)核帶由石英塊體組成。此外,偉晶巖往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,常發(fā)育后期的裂隙充填體和交代體。Norton(1983)修改了上述模型,提出最后形成的內(nèi)核帶為富鈉長(zhǎng)石和鋰云母或鋰輝石。London and Morgan(2017)實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了在純石英結(jié)晶之后確實(shí)可以形成鈉長(zhǎng)石-鋰云母組合。LCT族偉晶巖礦床中加拿大Tanco礦床發(fā)育良好的空間分帶(Cˇerny' and Ercit,2005)。Li礦體主要發(fā)育在上過(guò)渡帶,Cs礦體產(chǎn)出在銫鎦石帶,Ta礦體產(chǎn)出在細(xì)晶鈉長(zhǎng)石帶和中過(guò)渡帶。相似地,超大型Greenbushes偉晶巖礦床中Ta礦化和Li礦化發(fā)生在不同位置(Linnen et al.,2012)。中國(guó)可可托海3號(hào)脈由外向內(nèi)根據(jù)礦物組合特征劃分為9個(gè)結(jié)構(gòu)帶(鄒天人和李慶昌,2006),依次為文象、變文象偉晶巖帶,糖晶狀鈉長(zhǎng)石帶,塊體微斜長(zhǎng)石帶,白云母-石英帶,葉鈉長(zhǎng)石-鋰輝石帶,石英-鋰輝石帶,白云母-薄片鈉長(zhǎng)石帶,鋰云母-薄片鈉長(zhǎng)石帶,塊體微斜長(zhǎng)石核和塊體石英核,構(gòu)成同心環(huán)狀結(jié)構(gòu)分帶。但不是所有的LCT族偉晶巖礦床都有良好的內(nèi)部分帶。Swanson(2012)報(bào)道了美國(guó)北卡羅來(lái)納州和南卡羅來(lái)納州的鋰輝石偉晶巖礦床,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的偉晶巖含有中粗粒鋰輝石、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、白云母,以及少量的副礦物如綠柱石、錫石等,但是沒(méi)有顯著的空間分帶性。Barros et al.(2020)發(fā)現(xiàn)愛(ài)爾蘭東南部的Leinster鈉長(zhǎng)石-鋰輝石偉晶巖為弱分帶至均質(zhì)化。另外,中國(guó)四川甲基卡也歸類為非顯著空間分帶性的偉晶巖型礦床(London,2018)。

UST(unidirectional solidification texture)—單向固結(jié)組構(gòu),位于中間帶圖2 美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈縣帕洛馬山附近一條完整的偉晶巖巖脈部分(29 cm厚;London,2018)Fig.2 A complete section of a pegmatite dike from near Palomar Mountain, San Diego County, California, USA (29 cm-thickness; London, 2018)UST-unidirectional solidification texture, located in the intermediate zone

2 花崗偉晶巖型稀有金屬礦床的成礦流體特征

花崗偉晶巖型礦床的成礦流體成分和物理性質(zhì)是正確理解成礦機(jī)制的關(guān)鍵要素。成礦流體中的揮發(fā)分(B、P、F和H2O)是稀有金屬在溶液中遷移的絡(luò)合劑,控制著元素的遷移和沉淀;成礦元素含量的變化對(duì)于精確理解成礦機(jī)制至關(guān)重要;成礦流體的物理性質(zhì)如黏度是理解偉晶巖型礦床成礦機(jī)制非常重要的參數(shù)。

2.1 成礦流體揮發(fā)分

稀有金屬傾向于與F和Cl等形成絡(luò)合物在巖漿熱液體系遷移 (Salvi et al., 2000; Veksler,2004; Thomas et al., 2009, 2011a; Zaraisky et al.,2010; Veksler et al., 2012; Timofeev et al., 2015;

Harlaux et al., 2017)。然而,花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦流體揮發(fā)分(B、P、F和H2O)含量仍存在爭(zhēng)議。部分學(xué)者通過(guò)全巖分析、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究指出,揮發(fā)分含量相對(duì)較低,只含有3%～6%H2O(London, 1992;Nabelek et al., 2010)。Morgan and London(1987)通過(guò)對(duì)加拿大Tanco稀有金屬花崗偉晶巖研究,估算了成礦流體中含有655×10-6的B,1419×10-6的F。Stilling et al.(2006)基于對(duì)Tanco稀有金屬花崗偉晶巖的整體輪廓進(jìn)行了計(jì)算機(jī)3D重建,計(jì)算了其整體成分,提出Tanco稀有金屬花崗偉晶巖含有0.07%的B2O3、0.12%的F、0.86%的P2O5和0.28%的H2O。London (2014) 使用成分類似偉晶巖的富鋰流紋質(zhì)玻璃進(jìn)行結(jié)晶實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物存在類似于花崗偉晶巖的結(jié)構(gòu),因此,認(rèn)為偉晶巖中揮發(fā)分(B、P和F)含量<2%,H2O含量為4.5%～5.1%。

然而,另外一些學(xué)者通過(guò)包裹體研究發(fā)現(xiàn)花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦流體可能含有極高的揮發(fā)分。如Badanina et al.(2004)對(duì)俄羅斯Khangilay雜巖體中Li-F稀有金屬花崗巖開(kāi)展了熔體包裹體成分分析工作,報(bào)道最高程度演化的熔體中揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可以達(dá)到11% (H2O:8.6%;F: 1.6%;B2O3: 1.5%)。Thomas and Davidson(2012)總結(jié)了一些偉晶巖礦床中的熔體包裹體數(shù)據(jù),表明成礦流體中H2O的含量主要在8.1%～26.2%之間。Borisova et al.(2012)使用LA-ICPQMS對(duì)Ehrenfriedersdorf偉晶巖的石英中的富晶體包裹體進(jìn)行的初步分析研究發(fā)現(xiàn)B含量可達(dá)16500×10-6。熊欣等(2019)運(yùn)用掃描電鏡-能譜儀對(duì)甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦鋰輝石中的包裹體(圖3)固相礦物進(jìn)行鑒定發(fā)現(xiàn)存在磷灰石和螢石,表明成礦流體中富P和F。Li et al.(2019)通過(guò)稀有金屬礦物在熱液金剛石壓腔(HDAC)水溶液中的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究表明,成礦流體可能富含H2O。Nabelek et al. (2010)根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明,溶解的H2O可以提高成核所需的自由能、降低黏度,在偉晶巖形成中起著關(guān)鍵作用。Maneta and Baker(2014)在水飽和、含鋰條件下實(shí)驗(yàn)性地產(chǎn)生了石英-長(zhǎng)石共生的文象結(jié)構(gòu)。

除了揮發(fā)分B、P、F和H2O外,成礦流體中也常見(jiàn)碳酸鹽礦物、CO2等揮發(fā)分。如London(1986)在Tanco偉晶巖中發(fā)現(xiàn)扎布耶石(Li2CO3),Thomas and Davidson(2016)在德國(guó)Ehrenfriedersdorf偉晶巖石英中的熔體包裹體中發(fā)現(xiàn)氣相成分為CO2。Li and Chou(2017)運(yùn)用激光拉曼對(duì)甲基卡鋰輝石中的富晶體包裹體研究發(fā)現(xiàn),包裹體中的固相礦物除了硅酸鹽礦物(方石英、鋰輝石、鋰綠泥石)外還含有扎布耶石(Li2CO3)和方解石,室溫下,流體相中含10%～80%體積百分比的CO2,這些結(jié)果表明,富晶體包裹體代表了一種捕獲富含碳酸鹽和硅酸鹽的流體。因此,成礦流體可能是富碳酸鹽和硅酸鹽的流體。

花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦流體中的揮發(fā)分(B、P、F和H2O)可顯著降低花崗偉晶巖結(jié)晶溫度、成核速率和黏度,并且明顯提高了成礦流體中稀有金屬元素和大離子親石元素的濃度(Manning, 1981;Dingwell et al., 1996;Maneta et al.,2015)。London et al.(1989) 研究表明在200 MPa條件下,揮發(fā)分可以使成礦流體的固相線降低到450℃,比簡(jiǎn)單含水花崗巖固相線低200℃以上。Thomas et al.通過(guò)對(duì)花崗偉晶巖中的包裹體研究表明成礦流體具有超強(qiáng)稀有金屬元素溶解能力和強(qiáng)遷移性 (Thomas and Davidson, 2016;Thomas et al.,2019)。

2.2 成礦流體金屬含量

通過(guò)稀有金屬含量的研究可以準(zhǔn)確了解花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦機(jī)制,但其含量目前仍存在爭(zhēng)議,一些學(xué)者認(rèn)為成礦流體中具有極高的金屬含量。如Webster et al. (1997)針對(duì)德國(guó)Ehrenfriedersdorf Sn-W礦床的偉晶巖中石英斑晶開(kāi)展了熔體包裹體電子探針和二次離子質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)熔體包裹體有高含量的Sn、F、P、Li、Rb、Cs、Nb、Ta、Be,部分熔體包裹體中Sn含量高達(dá)1000×10-6～2000×10-6,比無(wú)礦火成巖高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。Thomas et al.(2011b)在德國(guó)Ehrenfriedersdorf偉晶巖中的熔體包裹體中測(cè)得Be含量為1234×10-6～11025×10-6。Borisova et al.(2012)使用激光燒蝕等離子體四級(jí)桿質(zhì)譜儀對(duì)Ehrenfriedersdorf偉晶巖的石英中的富晶體包裹體進(jìn)行的初步分析研究發(fā)現(xiàn)Li 含量可達(dá)28400×10-6,Ta含量可達(dá)1720×10-6。Thomas et al.基于熔體包裹體的研究表明,成礦流體包含大量的稀有金屬元素,具有超強(qiáng)的元素溶解和遷移能力,Be含量高達(dá)11600×10-6,Sn含量高達(dá)6865×10-6,Ta含量高達(dá)3236×10-6,Li含量高達(dá)28405×10-6(圖4a、4b;Thomas and Davidson, 2016; Thomas et al.,2019)。Li and Chou(2017)運(yùn)用激光拉曼對(duì)甲基卡鋰輝石中的富晶體包裹體研究發(fā)現(xiàn),包裹體中的固相礦物含有扎布耶石(Li2CO3)和鋰綠泥石,表明成礦流體可能含有極高濃度的Li等金屬。

然而,部分學(xué)者認(rèn)為成礦流體中稀有金屬含量相對(duì)較低。如Morgan and London(1987)通過(guò)對(duì)加拿大Tanco稀有金屬花崗偉晶巖研究,估計(jì)成礦流體中含有Li 3523×10-6、Be 169×10-6、Rb 5525×10-6、Cs 3036×10-6、Nb 56×10-6、Ta 300×10-6。London (2014)根據(jù)熔體組成為10×10-6Be的花崗巖熔體和礦物-熔體分配系數(shù)DBe=0.25,對(duì)Be富集進(jìn)行了瑞利分餾測(cè)試計(jì)算,結(jié)果顯示在結(jié)晶度達(dá)到99.9%時(shí)Be豐度僅達(dá)到1778×10-6;同時(shí)發(fā)現(xiàn)在14種最富含綠柱石的偉晶巖中,Be的平均豐度僅為205×10-6。

VCO2—?dú)庀喽趸?LCO2—液相二氧化碳;LH2O—液相水;S—固相;V—?dú)庀郺—甲基卡鋰輝石中的富晶體包裹體;b—甲基卡鋰輝石中富CO2 FIA(Fluid Inclusion Assemblage,流體包裹體組合);c—甲基卡鋰輝石中的富晶體FIA;d—大紅柳灘鋰輝石中的富晶體FIA圖3 花崗偉晶巖型鋰礦鋰輝石中典型的包裹體照片F(xiàn)ig.3 Typical inclusions in the spodumene from the granitic pegmatite-type lithium-bearing ore. (a) Crystal-rich inclusion hosted in the spodumene from Jiajika; (b) CO2-rich Fluid Inclusion Assemblage hosted in the spodumene from Jiajika; (c) Crystal-rich Fluid Inclusion Assemblage hosted in the spodumene from Jiajika; (d) Crystal-rich Fluid Inclusion Assemblage hosted in the spodumene from DahongliutanVCO2-Gas phase carbon dioxide; LCO2-Liquid phase carbon dioxide; LH2O-Liquid phase water; S-Solid phase; V-Gas phase

2.3 成礦流體的黏度

流體的黏度對(duì)成巖成礦流體遷移非常重要,流體的黏度越大越難遷移。London(2009)認(rèn)為成礦流體H2O含量較低,黏度在700℃時(shí)大約為105Pa·s,在過(guò)冷到450℃時(shí)黏度會(huì)更大(108Pa·s),這種黏度相當(dāng)于常溫下的瀝青。然而,Thomas et al.(2011c)在距離母巖花崗巖很遠(yuǎn)的地方觀察到了只有幾厘米寬的偉晶巖(例如挪威Froland偉晶巖),認(rèn)為高度黏稠、H2O不飽和、過(guò)冷、迅速結(jié)晶的成礦流體從花崗巖源區(qū)長(zhǎng)距離(高達(dá)10 km)的遷移幾乎不可能,與距離母巖較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)的細(xì)脈偉晶巖事實(shí)不符。Thomas and Davidson(2012)研究表明,花崗偉晶巖稀有金屬礦床成礦流體黏度較低,在任何給定的溫度條件下,花崗巖熔體大約比形成的相應(yīng)偉晶巖熔體的黏度高1萬(wàn)倍。Li and Chou(2017)對(duì)甲基卡偉晶巖鋰輝石中的富晶體包裹體研究發(fā)現(xiàn),其成分看起來(lái)接近于具有低黏度、高元素?cái)U(kuò)散性和傳質(zhì)能力的含水硅酸鹽液體,使得稀有金屬元素的濃度極高。

影響成礦流體黏度的因素很多,包括流體組成、溫度、壓力等。Audétat and Keppler (2004) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明流體的黏度只隨著硅酸鹽含量的增加而緩慢增加。含20%硅酸鹽的流體在800℃時(shí)的黏度等于純水在室溫下的黏度(10-3Pa·s)。含有50%硅酸鹽的流體在相同條件下的黏度為0.8×10-1Pa·s,與橄欖油在室溫下的黏度相當(dāng)。Nabelek et al.(2010)研究表明H2O可顯著降低流體黏度。Thomas and Davidson(2012)通過(guò)對(duì)含水量不同的熔體黏度計(jì)算發(fā)現(xiàn),含水越多熔體黏度越低。此外,Sowerby and Keppler(2002)認(rèn)為大量的F、B、P和堿(Li、Na) 可顯著降低流體黏度。

a—Ehrenfriedersdorf花崗巖-偉晶巖系統(tǒng)石英中熔體包裹體中Be質(zhì)量濃度-H2O濃度圖;b—Ehrenfriedersdorf花崗巖-偉晶巖系統(tǒng)石英中熔體包裹體中CA濃度-H 2O濃度圖(該圖表明在臨界條件下,某些元素在超臨界流體或熔體中的溶解度非常高);c—假二元硅酸鹽熔體-H 2O系統(tǒng)中A型和B型熔體包裹體溫度-H2 O濃度圖;d—5個(gè)不同偉晶巖石英中熔體包裹體的結(jié)果繪制的假二元溶線CA代表Be、Sn、As、P、Cl、Ta;CA-crit代表在臨界H2O濃度下的CA濃度;H2O-crit代表臨界H2O濃度);T C代表臨界溫度圖4 假二元硅酸鹽熔體-H 2O系統(tǒng)的溫度-H2 O濃度圖(Thomas and Davidson,2016)Fig.4 Temperature versus H2O concentration plot of the pseudo-binary silicate melt-H2 O system (Thomas and Davidson,2016).(a) Be concentration versus H2O concentration plot in melt inclusions in the Ehrenfriedersdorf granite-pegmatite system. (b)CAversus H2O concentration plot in melt inclusions hosted in quartz in the Ehrenfriedersdorf granite-pegmatite system. (c)Relationship of type-A and type-B melt in clusions in a temperature versus H2O concentration plot of the pseudo-binary silicate melt-H2 O system. (d) Results of melt inclusions in quartz of five different pegmatites plot a pseudo-binary solvus(The figure b shows that certain elements have very high solubility in supercritical fluids or melts under critical conditions; CA represents Be, Sn, As, P, Cl,Ta; CA-crit represents the concentration of CA at the critical H2O concentration; H2O-critre represents critical H2O concentration;T C represents critical temperature)

2.4 成礦流體的溫壓條件

成礦流體的溫壓條件是理解成礦流體演化的重要因素。不同學(xué)者運(yùn)用礦物溫度計(jì)法、穩(wěn)定同位素法和流體包裹體溫壓計(jì)法等方法獲得的花崗偉晶巖稀有金屬礦床成礦溫壓范圍較廣,爭(zhēng)議較大(圖5)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為在鋰鋁硅酸鹽相圖中,假設(shè)偉晶巖形成于平衡條件,鋰輝石形成于溫度為600℃壓力超過(guò)350 MPa的高溫高壓條件(Linnen et al., 2012)。吳長(zhǎng)年等(1994) 運(yùn)用包裹體溫度計(jì)法對(duì)阿爾泰偉晶巖鋰輝石中的包裹體研究表明,其均一溫度為480～550℃,據(jù)富CO2流體包裹體等容線估算的形成壓力為200～360 MPa。Kontak et al. (2002)根據(jù)已獲得的加拿大新斯科舍省Peggys Cove偉晶巖形成壓力330～350 MPa,對(duì)石英宿主的流體包裹體均一溫度進(jìn)行壓力校準(zhǔn)獲得偉晶巖流體包裹體捕獲溫度為600～650℃。Ackerman et al. (2007)基于對(duì)捷克斯洛伐克Vlastějovice偉晶巖中包裹體等容線計(jì)算,結(jié)合細(xì)晶花崗巖的水飽和固相線和長(zhǎng)石溫度計(jì)重建了偉晶巖型鋰礦的結(jié)晶溫壓條件:溫度為500～570℃,壓力為310～430 MPa。Simmons et al. (2016)運(yùn)用石榴子石-黑云母溫壓計(jì)法和矽線石、石英、白云母、黑云母和堿性長(zhǎng)石礦物組合推斷了美國(guó)Mt Mica偉晶巖形成的溫壓條件:溫度為630～650℃,壓力為300 MPa。Li and Chou(2017)運(yùn)用熱液金剛石壓腔(在接近鋰輝石形成條件的溫度和壓力下)對(duì)甲基卡鋰輝石中富晶體包裹體均一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),均一溫度為500～720℃;通過(guò)富晶體包裹體均一時(shí)熱液金剛石壓腔水介質(zhì)的壓力估計(jì)包裹體內(nèi)壓為300～500 MPa。Li et al.(2019)也通過(guò)稀有金屬礦物在熱液金剛石壓腔水溶液中的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究表明,鋰輝石結(jié)晶溫度為530～700℃,結(jié)晶壓力為300～500 MPa。黃永勝等(2016)運(yùn)用英國(guó)Linkam公司的THMSG600冷熱臺(tái)對(duì)新疆阿爾泰偉晶巖研究表明,該地區(qū)三疊紀(jì)偉晶巖早期結(jié)構(gòu)帶中的CO2-NaCl-H2O流體包裹體均一溫度為400～581℃,利用含CO2包裹體等容線相交法確定流體捕獲壓力為235～308 MPa。Mulja and Williams-Jones(2018)通過(guò)流體包裹體研究結(jié)合斜長(zhǎng)石-石榴子石-白云母-黑云母地質(zhì)溫壓計(jì)和接觸變質(zhì)組合的多平衡模型對(duì)加拿大魁北克稀有金屬花崗偉晶巖研究表明,鋰輝石形成溫度為450～480℃,壓力為350 MPa。Xiong et al.(2019)通過(guò)Linkam THMS600冷熱臺(tái)對(duì)扎烏龍花崗偉晶巖鋰礦中的富晶體包裹體均一實(shí)驗(yàn)表明,均一溫度為500～580℃,結(jié)合PVT相圖估算壓力為310～480 MPa。

圖5 世界主要偉晶巖礦床形成的溫壓條件Fig.5 Temperature and pressure conditions of main pegmatite deposits in the world

然而,部分學(xué)者認(rèn)為花崗偉晶巖型鋰礦形成溫度較低。如London(1986)對(duì)加拿大Tanco偉晶巖中的富晶體流體包裹體和相平衡研究表明,包裹體均一于375～450℃,根據(jù)CO2包裹體和H2O包裹體等容線交點(diǎn)估算壓力為260～290 MPa。Chakoumakos and Lumpkin (1990)通過(guò)偉晶巖液相線、固相線和礦物組合,包裹體等容線,圍巖變質(zhì)條件,偉晶巖礦物平衡綜合評(píng)估了美國(guó)新墨西哥州Harding偉晶巖的P-T路徑,表明其形成溫度為300～650℃,壓力為300～350 MPa。Morgan VI and London (1999)運(yùn)用長(zhǎng)石溫度計(jì)法對(duì)美國(guó)加利福尼亞州Ramona偉晶巖研究表明,其形成于375～425℃。Sirbescu and Nabelek(2003)對(duì)美國(guó)南達(dá)科他州Tin Mountain偉晶巖中流體包裹體研究表明,其均一溫度為260～420℃,同時(shí)據(jù)包裹體等容線估算壓力在120～420 MPa之間。

3 花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦機(jī)制

3.1 花崗偉晶巖成因

關(guān)于花崗偉晶巖型稀有金屬礦床的成因存在花崗巖漿高程度結(jié)晶分異(圖6)和富集稀有金屬源區(qū)小比例深熔兩種流行的觀點(diǎn)。一些學(xué)者認(rèn)為花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦流體是花崗巖漿高度分異結(jié)晶形成的殘余熔體(Norton, 1973;Raimbault et al., 1995;ernand Ercit, 2005;Hulsbosch et al., 2014; London, 2014;吳福元等,2015; Knoll et al., 2018; Roda-Robles et al.,2018)。花崗偉晶巖熔體從源區(qū)上升侵位結(jié)晶分異過(guò)程中,長(zhǎng)石中K/Rb比值逐漸降低,鉀長(zhǎng)石和白云母中的Li、Rb、Cs增高,綠柱石中Na/Li比值降低,但是Cs含量升高,鈮鐵礦族礦物的Nb/Ta比值升高 (ern, 1989)。 Roda-Robles et al.(2012)通過(guò)對(duì)西班牙Pinilla de Fermoselle花崗偉晶巖系統(tǒng)的研究也發(fā)現(xiàn)在巖漿分異演化過(guò)程中,長(zhǎng)石、云母和電氣石中Li、Be和Sr都有系統(tǒng)性變化,Li和Be隨著演化程度的增加而增加,Sr隨著演化程度增加而降低;同時(shí)發(fā)現(xiàn)云母和鉀長(zhǎng)石中的Rb、Cs和Ba也有系統(tǒng)性變化,Rb和Cs隨著演化程度的增加而增加,Ba隨著演化程度增加而降低。電氣石中的Nb和Ta隨著演化程度的增加而增加,Zn則顯示相反的變化趨勢(shì)。

圖6 花崗巖和花崗偉晶巖關(guān)系示意圖(London,2008)Fig.6 Schematic diagram of the relationship between granite and granitic pegmatite (London, 2008)

但是,有學(xué)者指出在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)偉晶巖礦田和花崗巖侵入體之間缺乏空間、時(shí)間和成分的關(guān)系。如加拿大Tanco偉晶巖、澳大利亞Greenbush偉晶巖和中國(guó)可可托海3號(hào)偉晶巖,其成礦母巖花崗巖至今未發(fā)現(xiàn)和證實(shí)(Lv et al.,2018;張輝等,2019)。另外有學(xué)者提出了源區(qū)富集的觀點(diǎn),該觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)地表風(fēng)化作用導(dǎo)致源區(qū)富集稀有金屬和B、Li等助熔成分(Stewart, 1978;Kontak et al., 2005; Simmons and Webber, 2008;Melleton et al., 2012; Deveaud et al., 2015; Shaw et al., 2016; Müller et al., 2017; Fuchsloch et al.,2018; Konzett et al., 2018; Gourcerol et al., 2019)。例如,在麻粒巖相變質(zhì)過(guò)程中,區(qū)域剪切帶可能引導(dǎo)富含稀有金屬和助熔元素的流體。這種流體可能會(huì)促進(jìn)地殼深部的部分熔融,從而形成富含稀有金屬的熔體(Cuney and Barbey, 2014)。

3.2 稀有金屬富集作用

3.2.1 流體不混溶作用

許多學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)流體不混溶作用對(duì)稀有金屬的富集至關(guān)重要(Jahns and Burnham,1969; Veksler and Thomas, 2002; Thomas and Davidson, 2016; Fan et al.,2020)。 Warren and Pincus (1940)提出成網(wǎng)組分和變網(wǎng)組分之間為了電荷平衡而競(jìng)爭(zhēng)非橋氧可引起不混溶作用。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為偉晶巖是緩慢冷卻的結(jié)果,而且偉晶巖形成過(guò)程中可以出現(xiàn)熔體和流體共存(Jahns and Burnham, 1969)。Roedder (1992)綜述了自然界巖漿環(huán)境的熔融包裹體,提出巖漿演化過(guò)程中存在硅酸鹽熔體到富水硅酸鹽熔體再到晚期水質(zhì)流體的轉(zhuǎn)變過(guò)程,并且進(jìn)一步提出不混溶作用可能在巖漿演化過(guò)程中普遍存在。Veksler and Thomas(2002) 利用冷封快速淬火高壓釜開(kāi)展了0.1～0.2 GPa壓力水飽和條件下的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在高B、P和F(每種質(zhì)量含量為5%)條件下硅酸鹽熔體、低密度溶液和高鹽度熔體共存。Veksler(2004)實(shí)驗(yàn)研究也證實(shí)花崗偉晶巖形成過(guò)程存在液態(tài)不混溶。Badanina et al.(2004)對(duì)俄羅斯Khangilay雜巖體中Li-F稀有金屬花崗巖開(kāi)展了熔體包裹體研究,發(fā)現(xiàn)高演化偉晶巖的成分與低演化熔體成分無(wú)法用分離結(jié)晶作用解釋,而可能是晚階段殘留熔體不混溶的結(jié)果。在不混溶作用中,鋁硅酸鹽熔體相富含K,超高鹽度的流體相富含Na,這也與鈉化花崗巖位于上部的地質(zhì)事實(shí)相吻合。Borisova et al. (2012)認(rèn)為偉晶巖形成過(guò)程中發(fā)生了熔體和流體相的不混溶。Thomas et al.發(fā)現(xiàn)德國(guó)Ehrenfriedersdorf偉晶巖石英中存在成分互補(bǔ)的兩種類型包裹體(Thormes et al.,2011a,2019;Thomas and Davidson,2016):A型熔體包裹體(貧H2O-過(guò)鋁質(zhì)包裹體)和B型熔體包裹體(富H2O-過(guò)堿質(zhì)包裹體),對(duì)其進(jìn)行加壓均一化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)它們沿硅酸鹽熔體-H2O體系的假二元溶解曲線分布(圖4c),因此,認(rèn)為它們是由熔體-熔體不混溶產(chǎn)生的共軛熔體。此外,Thomas and Davidson(2016)對(duì)5個(gè)花崗偉晶巖稀有金屬礦床系 統(tǒng) (Ehrenfriedersdorf、 Zinnwald、 K?nigshain、Malkhan和Tanco)進(jìn)行綜合比較,表明其都具有相似的熔體-熔體不混溶模式(圖4d)。Ballouard et al.(2020)對(duì)南非納馬夸蘭中元古代奧蘭治河偉晶巖帶中的稀有金屬偉晶巖研究表明,在偉晶巖相關(guān)稀有金屬礦床的形成過(guò)程中,熔體-熔體和熔體-流體不混溶和交代作用起著重要作用。Fan et al.(2020)研究了西藏西昆侖白龍山花崗偉晶巖的全巖和礦物(如白云母和鋰輝石)的主量、微量元素和鋰同位素組成,表明貧鋰和富鋰偉晶巖是花崗巖漿演化后期熔體-流體分離的產(chǎn)物。貧鋰偉晶巖形成于貧H2O富硅酸鹽熔體系統(tǒng),而富鋰偉晶巖產(chǎn)生于富H2O貧硅酸鹽熔體(超臨界流體)系統(tǒng)。熔體-流體分離可導(dǎo)致顯著的鋰同位素分餾,7Li富集在強(qiáng)結(jié)合的殘余硅酸鹽熔體中,6Li傾向于流體中較弱的水合鍵;或者,富含6Li的富鋰偉晶巖可能是由6Li在超臨界或近臨界流體中的優(yōu)先富集引起的。超臨界流體出溶在鋰同位素分餾和稀有金屬成礦中起著重要作用。

此外,某些自然礦床在構(gòu)造、地質(zhì)和地球化學(xué)方面也顯示出流體不混溶。陳毓川等(2003)對(duì)新疆阿爾泰成礦帶地質(zhì)特征和成礦規(guī)律進(jìn)行總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn),發(fā)生流體不混溶的巖體的圍巖都具有良好的封閉作用。李建康(2006)對(duì)甲基卡礦區(qū)研究發(fā)現(xiàn),甲基卡二云母花崗巖內(nèi)部的偉晶巖脈與巖體接觸關(guān)系明顯,呈現(xiàn)出貫入式特點(diǎn),二云母花崗巖和偉晶巖微量和稀土元素組成表現(xiàn)出一定的突變性,指示甲基卡礦床為巖漿液態(tài)不混溶成因。廖芝華等(2019)對(duì)可爾因二云母花崗巖體和偉晶巖地球化學(xué)特征研究,結(jié)果顯示二云母花崗巖與偉晶巖間存在Al2O3、Na2O和Si2O、K2O相分離的現(xiàn)象;二云母花崗巖與偉晶巖Li、Be、Nb、Ta等稀有元素含量,F、B等揮發(fā)分含量,ΣREE、ΣCe/ΣY、(La/Yb)N、(Gd/Yb)N、δEu等具有突變現(xiàn)象。這些特征表明偉晶巖為二云母花崗巖液態(tài)不混溶形成。

3.2.2 過(guò)冷卻條件下的組成帶純化模型

London (1992)提出的新成因模型認(rèn)為,偉晶巖形成過(guò)程未必極其富水,強(qiáng)調(diào)過(guò)冷卻作用和非平衡結(jié)晶是偉晶巖重要機(jī)制。由于過(guò)冷卻效應(yīng)的存在,相對(duì)應(yīng)的富揮發(fā)分硅酸鹽熔體可以維持低至500℃,甚至350℃?；◢弬ゾr型稀有金屬礦床成礦過(guò)程中需要稀有金屬礦物達(dá)到飽和。如Stewart (1978)和Maneta et al. (2015)確定,含水花崗巖熔體在Li2O含量大約為1.5%時(shí)會(huì)飽和形成透鋰長(zhǎng)石、鋰輝石和鋰霞石。然而,達(dá)到經(jīng)濟(jì)意義的偉晶巖Li2O平均含量接近0.5% (Stewart,1978),Maneta et al. (2015) 用該值模擬偉晶巖中鋰鋁硅酸鹽的結(jié)晶,發(fā)現(xiàn)當(dāng)與飽和值比較時(shí),很明顯鋰鋁硅酸鹽未達(dá)到飽和,不應(yīng)該在結(jié)晶開(kāi)始就存在,但是在熔體充分過(guò)冷卻時(shí),鋰鋁硅酸鹽會(huì)在熔體結(jié)晶開(kāi)始時(shí)結(jié)晶。London(2018)總結(jié)發(fā)現(xiàn)形成稀有金屬花崗偉晶巖的熔體中稀有金屬的豐度大多低于含水花崗巖系統(tǒng)固相線處的飽和值,因此,形成花崗偉晶巖型礦床的熔體在結(jié)晶開(kāi)始前通過(guò)明顯的液相線過(guò)冷在稀有元素礦物中達(dá)到飽和。

London(2014,2018)提出了組成帶純化富集(constitutional zone refining;圖7)來(lái)解釋花崗巖偉晶巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)演化,其認(rèn)為在熔體過(guò)冷到遠(yuǎn)低于其液相線和固相線溫度時(shí),組成帶純化富集作用開(kāi)始時(shí),在偉晶巖從脈體邊緣向核部結(jié)晶,結(jié)晶前緣會(huì)形成一層邊界層流體,親石元素通過(guò)邊界層流體先結(jié)晶,稀有金屬物質(zhì)在邊界層流體中逐漸聚集,直至偉晶巖脈結(jié)晶最后階段,稀有金屬沉淀形成花崗偉晶巖型稀有金屬礦床。邊界層中諸如H2O、B、P和F等揮發(fā)分的積累增強(qiáng)了元素的橫向擴(kuò)散。富揮發(fā)分邊界層被認(rèn)為有利于偉晶巖內(nèi)部大塊晶體的生成。過(guò)冷卻條件下組成帶純化模型主要表現(xiàn)在偉晶巖組構(gòu)、礦物生長(zhǎng)習(xí)性和礦物組合分帶等偉晶巖顯著特征方面。礦物學(xué)分帶普遍表現(xiàn)為斜長(zhǎng)石主要在外部帶,鉀長(zhǎng)石主要在中間帶,石英集中于最后形成的內(nèi)核,稀有金屬礦物集中于中間帶和內(nèi)核。

圖7 花崗偉晶巖漿組成帶純化示意圖(London,2014,2018)Fig.7 Schematic diagram of the constitutional zone refining of granitic pegmatite magma(London, 2014, 2018). (a) During the constitutional zone refining, the compatible components dissolve from the bulk melt and attach to the surface of the diagenetic mineral through the boundary layer. (b) Because the volatiles decrease the solid temperature and enhance the miscibility of the components,the excluded rare metal components are enriched in the boundary layer liquid. (c) Once the composition of the melt is exhausted, the boundary layer liquid will crystallize, resulting in a mutation in the composition of the growing minerals (mica, tourmaline)

4 甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦

稀有金屬鋰是最重要的關(guān)鍵金屬之一,被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、電池、航空航天、可控核聚變、玻璃陶瓷、醫(yī)藥、潤(rùn)滑脂等領(lǐng)域(Linnen et al.,2012)。隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是新能源汽車(chē)需求量的增加,極大地刺激了全球各國(guó)對(duì)鋰資源的需求。中國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》提及:“到2025年,中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)售總量達(dá)到汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售總量的20%左右,到2035年,純電動(dòng)汽車(chē)成為新銷(xiāo)售車(chē)輛的主流”。作為新能源電動(dòng)汽車(chē)的核心材料,中國(guó)對(duì)鋰的需求量也將隨著新能源汽車(chē)量的增多而加大。

鋰資源主要來(lái)源有花崗偉晶巖型鋰礦、鹽湖鹵水型鋰礦和沉積巖型鋰礦(Kesler et al.,2012;Li et al.,2015;劉麗君等,2017;Benson et al.,2017;Bowell et al.,2020)。各類型鋰礦在全球分布廣泛(圖8),鹽湖鹵水型鋰礦主要分布智利、玻利維亞、阿根廷和中國(guó)等國(guó)家;花崗偉晶巖型鋰礦主要分布在澳大利亞、中國(guó)、南非和加拿大等國(guó)家;沉積型鋰礦全球分布較少,可開(kāi)采的主要礦物為賈達(dá)爾石(羥硼硅鈉鋰石),主要在塞爾維亞。

1—甲基卡;2—可爾因;3—阿爾泰;4—大紅柳灘;5—Zavitskoye;6—Goltsovoer;7—Tastyq;8—Vishnvakovskoe;9—Lakha;10—Ural mining;11—Ullava lantta;12—Minade Barroso;13—Guarda;14—Zinnwald;15—Winneba;16—Manono-Kitolo;17—Kamativi;18—Bikita;19—Cape Cross-Brandberg-Uis;20—Rubicon Mine;21—Greenbushes;22—MountCaitlin;23—Mount Marion;24—Kemerton;25—Tanco;26—Quebec;27—Kings Mtn;28—Aracuai;29—Sao Joaodel Rei;30—扎布耶碳酸鹽型鹽湖;31—西臺(tái)吉乃爾硫酸鹽型鹽湖;32—東臺(tái)吉乃爾硫酸鹽型鹽湖;33—Salton sea;34—Silver Peak;35—Searles;36—Uyuni;37—Atacama;38—Jadar;39—Mcdermitt圖8 世界主要鋰礦床分布圖Fig.8 Distribution of major lithium deposits in the world1-Jiajika; 2-Keryin; 3-Altay; 4-Dahongliutan; 5-Zavitskoye; 6-Goltsovoer; 7-Tastyq; 8-Vishnvakovskoe; 9-Lakha; 10-Ural mining; 11-Ullava lantta; 12-Minade Barroso; 13-Guarda; 14-Zinnwald; 15-Winneba; 16-Manono-Kitolo; 17-Kamativi; 18-Bikita; 19-Cape Cross-Brandberg-Uis; 20-Rubicon Mine; 21-Greenbushes; 22-MountCaitlin; 23-Mount Marion; 24-Kemerton;25-Tanco; 26-Quebec; 27-Kings Mtn; 28-Aracuai; 29-Sao Joaodel Rei; 30-Zabuye carbonate-type salt lake; 31-West Taiji’naier sulfate-type salt lake; 32-East Taiji’naier sulfate-type salt lake; 33-Salton sea; 34-Silver Peak; 35-Searles; 36-Uyuni; 37-Atacama; 38-Jadar; 39-Mcdermitt

鹽湖鹵水型鋰礦雖然儲(chǔ)量巨大,但其品位低。中國(guó)鹽湖鹵水型鋰礦近80%分布在青藏高原的鹽湖中(王秋舒,2016),開(kāi)發(fā)條件差,且大多數(shù)Mg/Li值較高,提鋰技術(shù)尚未完全成熟,開(kāi)發(fā)利用困難。沉積巖型鋰礦儲(chǔ)量較小,品位中等,鋰主要賦存于鋰蒙脫石等黏土礦物中(Bowell et al.,2020)。同時(shí)國(guó)內(nèi)的沉積型鋰礦多數(shù)與鋁土礦、煤伴生,尚沒(méi)有獨(dú)立開(kāi)發(fā)利用(于沨等,2019)?；◢弬ゾr型鋰礦品位高、易開(kāi)采,鋰主要賦存于鋰輝石、透鋰長(zhǎng)石、鋰云母中。中國(guó)花崗偉晶巖型鋰礦主要分布在松潘-甘孜巨型硬巖型鋰礦帶和阿爾泰造山帶,這是鋰資源的最重要來(lái)源。目前新疆阿爾泰鋰資源面臨枯竭問(wèn)題,松潘-甘孜造山帶內(nèi)的花崗偉晶巖型鋰礦將成為國(guó)內(nèi)今后鋰資源開(kāi)發(fā)的重要基地。甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦位于中國(guó)西部大型松潘-甘孜鋰礦帶內(nèi)(許志琴等,2018),是目前亞洲規(guī)模最大的硬巖型鋰礦,具有規(guī)模大、品位高、礦種多、埋藏淺、選礦性能好等特點(diǎn)(王登紅和付小方,2013;付小方等,2014)。該礦是由S型花崗巖高度結(jié)晶分異使得鋰元素富集的產(chǎn)物(梁斌等,2016;代鴻章等,2018;李賢芳等,2020;Zhang et al.,2021)。因此,文中以甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦為例,探討花崗偉晶巖型稀有金屬礦床流體成礦機(jī)制研究目前存在的問(wèn)題。

甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦礦區(qū)整體呈片麻巖穹窿構(gòu)造(許志琴等,2019,2020)。礦區(qū)出露地層為三疊系西康群砂頁(yè)巖經(jīng)多階段區(qū)域變質(zhì)和接觸變質(zhì)作用而形成的黑云母石英片巖、二云母石英片巖和紅柱石十字石石英片巖等中淺變質(zhì)巖系(熊欣等,2019)。礦區(qū)出露的唯一侵入巖體為馬頸子二云母花崗巖巖體,位于礦區(qū)南部,該巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb法年齡為223±1 Ma (郝雪峰等,2015),屬于印支晚期的產(chǎn)物(熊欣等,2019)。礦區(qū)具有一定規(guī)模的偉晶巖共509條,其中礦(化)脈占62%(付小方等,2017)?？臻g上,花崗偉晶巖脈自侵入體接觸帶向外大致出現(xiàn)微斜長(zhǎng)石型偉晶巖帶(Ⅰ)→微斜長(zhǎng)石-鈉長(zhǎng)石型偉晶巖帶(Ⅱ)→鈉長(zhǎng)石型偉晶巖帶(Ⅲ)→鈉長(zhǎng)石-鋰輝石型偉晶巖帶(Ⅳ)→鋰(白)云母型偉晶巖帶(Ⅴ)→石英脈帶等不規(guī)則分帶,稀有金屬在空間上大致具有Be→Li→Nb+Ta→Cs+Rb的分帶性變化(付小方等,2017;Huang et al.,2020;圖9)。

圖9 甲基卡稀有金屬礦田地質(zhì)簡(jiǎn)圖(Huang et al.,2020)Fig.9 Geological sketch of the Jiajika rare metal ore field(Huang et al., 2020)

盡管已對(duì)甲基卡鋰礦開(kāi)展了較多的研究,但是甲基卡鋰礦的流體成礦機(jī)制仍存在如下問(wèn)題,①與經(jīng)典偉晶巖型鋰礦如加拿大Tanco、新疆可可托海3號(hào)脈花崗偉晶巖型鋰礦相比,甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦單個(gè)礦脈內(nèi)部分帶不明顯(付小方等,2017)。因此,甲基卡花崗偉晶巖型了鋰礦被London (2018)歸類為礦脈內(nèi)部無(wú)顯著分帶的偉晶巖礦床。②甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦發(fā)育大量<5 mm的細(xì)粒度的鋰輝石,被稱為細(xì)晶鋰輝石(付小方等,2017;劉善寶等,2019)。甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦大量的細(xì)晶鋰輝石與粗晶、巨晶鋰輝石的成因聯(lián)系不清。③相關(guān)學(xué)者對(duì)甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦做了較多的成礦流體研究,揭示出甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦發(fā)育豐富的熔體和流體包裹體,是開(kāi)展巖漿-熱液過(guò)渡研究的理想對(duì)象。已有報(bào)道中甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦鋰輝石中的富晶體包裹體均一溫度較高(Li and Chou,2017),這與甲基卡花崗偉晶巖鋰礦富含揮發(fā)分,可能形成于過(guò)冷卻條件相矛盾。④甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦成因機(jī)制目前仍不明確。一些學(xué)者認(rèn)為甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦是液態(tài)不混溶作用形成(李建康,2006;付小方等,2017)。但是,由于偉晶巖礦床中大量發(fā)育次生流體包裹體,流體包裹體與熔體包裹體是否為流體不混溶作用產(chǎn)物仍存在巨大爭(zhēng)議。因此,甲基卡這種特殊的花崗偉晶巖型鋰礦的成礦控制因素、成礦過(guò)程、成礦機(jī)制有待深入研究。

5 總結(jié)和展望

稀有金屬是一類重要的關(guān)鍵金屬?；◢弬ゾr是稀有金屬賦存的重要巖石類型之一?；◢弬ゾr型稀有金屬礦床成礦流體富集揮發(fā)分(B、P、F和H2O)和稀有金屬元素,這使得該類礦床成礦流體黏度降低,遷移性增強(qiáng)。此外,揮發(fā)分可與稀有金屬結(jié)合形成絡(luò)合物,增強(qiáng)稀有金屬元素的溶解能力。花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦流體形成的溫壓條件變化較大,可能形成于高溫高壓條件,也可能形成于過(guò)冷卻條件?；◢弬ゾr型稀有金屬礦床成礦流體形成機(jī)制主要有兩種,分別為花崗質(zhì)巖漿高度結(jié)晶分異演化和富成礦元素地殼物質(zhì)小比例深熔。流體不混溶和組成帶純化作用可能促進(jìn)稀有金屬超常富集。

目前對(duì)于花崗偉晶巖型稀有金屬礦床的相關(guān)研究所取得的認(rèn)識(shí)方面還存在不足,需要進(jìn)一步研究來(lái)完善。以下為將來(lái)稀有金屬偉晶巖型礦床成礦流體研究的幾個(gè)重點(diǎn)方向:

(1)天然樣品在形成后會(huì)受到多期熱液改造事件,造成了原生包裹體識(shí)別困難。陰極發(fā)光成像技術(shù)可以清晰地識(shí)別出不同熱液事件的疊加關(guān)系,進(jìn)而可幫助判斷包裹體是否為原生包裹體還是后期疊加的次生包裹體。因此,基于陰極發(fā)光成像技術(shù)的詳細(xì)顯微巖相學(xué)是開(kāi)展偉晶巖流體包裹體研究的重要手段。

(2)花崗偉晶巖型稀有金屬礦床礦物捕獲的包裹體揮發(fā)分含量高,內(nèi)壓較高,常溫下進(jìn)行均一化容易爆裂,因此需要在施加合適外壓的熱液金剛石壓腔中進(jìn)行。

(3)以往對(duì)花崗偉晶巖型稀有金屬礦床成礦中的包裹體研究主要是以顯微激光拉曼探針定性和半定量研究,或者針對(duì)子礦物開(kāi)展電子探針?lè)治?缺乏開(kāi)展系統(tǒng)的單個(gè)包裹體LA-ICP-MS成分分析。通過(guò)對(duì)甲基卡花崗偉晶巖型鋰礦開(kāi)展單個(gè)包裹體LA-ICP-MS成分分析,可快捷、高效、準(zhǔn)確獲得多種元素信息,為成礦過(guò)程示蹤帶來(lái)一系列關(guān)鍵證據(jù)。

(4)目前相關(guān)學(xué)者主要集中于明顯分帶的偉晶巖研究,對(duì)于分帶性不明顯的鋰輝石偉晶巖礦床研究較少,需要深入研究成礦流體與成礦機(jī)制。

致謝:感謝呂古賢教授和張寶林教授約稿撰寫(xiě)本文。感謝四川省地質(zhì)調(diào)查院付小方教授級(jí)高級(jí)工程師在野外采樣中提供的幫助。感謝南京大學(xué)許志琴院士、李廣偉教授、鄭碧海博士和中國(guó)科技大學(xué)李萬(wàn)才博士在研究中提供的幫助。感謝審稿專家和編輯部提供的指導(dǎo)和修改意見(jiàn)。