呂正航 劉堃,2 張輝 唐勇

1. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓實驗室,貴陽 550081 2. 中國科學(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,“四稀”(稀有、稀土、稀散、稀貴)礦產(chǎn)之一的稀有金屬被多國和組織列為戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)(翟明國等,2019),繼而引發(fā)了極大的研究和勘查熱潮。鈹(Be)是原子量僅次于鋰的超輕金屬元素,具有無磁、抗腐、高硬度、高熱吸附性等特點(Tayloretal., 2003),其產(chǎn)品主要用于工業(yè)、航空航天、國防、電子及電信基礎(chǔ)設(shè)施等戰(zhàn)略及新興領(lǐng)域(USGS, 2022)。美國作為全球最大的鈹儲產(chǎn)國,高純鈹金屬向來被該國國防部視為戰(zhàn)略關(guān)鍵資源之一(Foley, 2017),足見其重要性。相較而言,我國的鈹資源在國際儲量和產(chǎn)量上的占比較低,對美的進口依賴程度高達約70%(Gulleyetal., 2018),資源供應(yīng)存在較大風(fēng)險。然而,目前對稀有金屬的富集成礦研究及勘查主要集中在鋰資源之上,而對鈹?shù)绕渌∮薪饘俚年P(guān)注較少。

根據(jù)成礦巖石類型,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)。我國的鈹?shù)V床類型豐富,分布廣泛,但優(yōu)勢類型和產(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)的錯那洞矽卡巖型鈹?shù)V規(guī)模預(yù)計達超大型,預(yù)示巨大的鈹成礦潛力(李光明等, 2017)。新疆是我國當(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,合計探明的BeO儲量超過10萬t(Lietal., 2015; 鄒天人和李慶昌, 2006)。新疆阿爾泰是我國最早的鈹?shù)V產(chǎn)區(qū)之一,可可托海3號偉晶巖中已探明的BeO儲量超過6萬t(鄒天人和李慶昌, 2006),為新中國的國防經(jīng)濟建設(shè)做出了重要貢獻,因此被稱為“功勛礦”。歷經(jīng)半個多世紀(jì)的開采,其中的鈹?shù)认∮薪饘儋Y源已近枯竭。而火山巖型鈾鈹?shù)V開采所面臨的環(huán)境壓力,以及其他類型如矽卡巖型,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。

長期以來,對新疆阿爾泰稀有金屬成礦研究和資源開發(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。近年來,筆者在瓊庫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象,開展全巖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代、物質(zhì)來源和分異演化程度,進而對偉晶巖中鈹?shù)认∮薪饘俪傻V潛力進行評價,以期為阿爾泰未來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地體,從北到南分別為北阿爾泰、中阿爾泰、瓊庫爾地體和南阿爾泰(圖1;Yuanetal., 2007)。

圖1 中國阿爾泰地質(zhì)簡圖(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-諾爾特斷裂以北,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-諾爾特斷裂和阿巴宮-庫爾提斷裂之間。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)頁巖等,變質(zhì)程度較高。中部主要為志留紀(jì)庫爾木提群,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)?；◢徺|(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古生代花崗巖基和一個中生代阿拉爾花崗巖基(圖1)。巖性主要為準(zhǔn)鋁-過鋁質(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)。

瓊庫爾地體位于阿巴宮-庫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)?；◢徺|(zhì)巖類主要包括沖乎爾、塔爾浪等數(shù)個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、二長花崗巖和石英二長巖,呈I、A和I-A過渡型(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巖和閃長巖等(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花崗巖、花崗閃長巖和基性巖。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,局部可見藍晶石-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,出露長度超過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%)、塊體長石帶(20%～25%)、石英-白云母巢體帶(30%～35%)、石英-葉鈉長石-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,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),前者多呈筷子粗細的柱狀單晶,直徑1～2cm,長大多在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)。鋰輝石偶見與石英、葉鈉長石、鉀長石共生,淺紅色,長8～20cm不等,遭受過后期風(fēng)化作用(圖3g),局部可見伴生的鋰云母(圖3h)。除石英、長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,而鈮鐵礦族和細晶石等礦物僅見于人工重砂。

圖2 中國阿爾泰沖乎爾地區(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. 1:20萬沖乎爾幅礦產(chǎn)圖)

圖3 沖乎爾薩爾加克01號偉晶巖露頭及內(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-鈉長石,Ap-磷灰石;Brl-綠柱石;Elb-鋰電氣石;Lpd-鋰云母;Mcc-微斜長石;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。將全巖樣品進行顎式破碎,破碎至0.5cm進行充分混合,再挑出500g進行充分研磨至20目左右,取出50g研磨至120目以下,最后取出適量進行化學(xué)消減和ICP-MS測試。將定年樣品依次進行破碎、篩選、淘洗和磁選等,選出用于定年的獨居石礦物,然后制作成樹脂靶。用于測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10cm,淺綠色, 內(nèi)部有煙灰色石英。樣品進行光薄片和激光片制備。

獨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)以及獨居石的U-Pb定年研究均在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室完成。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,元素峰值和背景時間計數(shù)分別為10s和5s。天然礦物和人工合成氧化物作為標(biāo)樣計算元素含量,所有結(jié)果均進行了ZAF校正。獨居石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。儀器的運行流程見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左右的背景信號和50s樣品信號。數(shù)據(jù)處理(包括樣品和背景信號的選擇、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算)通過軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。獨居石的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。

3 測試結(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件全巖樣品對應(yīng)的BeO含量為0.321%～0.999%。

表1 沖乎爾薩爾加克1號偉晶巖不同結(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),以及相對高的Pb含量(902×10-6～1711×10-6)。其中14個測點顯示較為一致的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個測點(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)合偉晶巖中獨居石顆粒含有較多的礦物包體(圖4),推測在剝蝕過程中受到內(nèi)部礦物包體影響。據(jù)14個測點的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號偉晶巖獨居石U-Pb年齡測試結(jié)果

圖4 沖乎爾薩爾加克1號偉晶巖代表性定年獨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號偉晶巖獨居石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分析結(jié)果來看,淺綠色和淺藍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)域測點;表3)?；野咨腿榘咨G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)域測點;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,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。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中測點所示,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(見圖6b和d中測點),表明網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)的綠柱石形成時間更晚。

圖6 沖乎爾薩爾加克1號偉晶巖綠柱石的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)字為測點位置、編號和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內(nèi)唯一已開采閉坑的超大型Be礦可可托海3號脈。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比不難發(fā)現(xiàn),二者的優(yōu)勢稀有金屬礦產(chǎn)分別為Li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。筆者曾對阿爾泰大量的稀有金屬礦床開展年代學(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號脈、柯魯木特112號脈、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礦床類型之一,以美國Spormountain礦床為代表。古生代時期的瓊庫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 中國阿爾泰典型稀有金屬偉晶巖的礦化類型、規(guī)模及成礦時代

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)晶才能達到綠柱石飽和的35×10-6Be含量闕值;而要達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Be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通常難以達到工業(yè)品位,如加曼哈巴、也留曼和庫衛(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)的機制則不同,該機制是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所有的造巖礦物皆不顯示相容性,隨著長石、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)帶代表強過鋁質(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(如長石主導(dǎo)的準(zhǔn)鋁質(zhì)環(huán)境)的富集過程(通過邊界層熔體實現(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%)、塊體長石帶(20%～25%)和石英-白云母帶(30%～35%)組成,而前兩個帶主要礦物為微斜長石和石英,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)這兩個結(jié)構(gòu)帶結(jié)晶之后,殘余體系必然是強過鋁質(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-葉鈉長石-鋰輝石帶(3%～5%)和石英核帶(5%～10%)。在這過程中,熔體中的Be含量隨著文象結(jié)構(gòu)帶和塊體長石帶的結(jié)晶得到了進一步富集,而在石英和白云母主導(dǎo)的階段晶出綠柱石礦物。

實驗結(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,實驗研究表明,在相似溫壓條件下的低Be豐度的熔體中,Be只對斜長石(An31)和白云母是相容的。而在高Be豐度(達到綠柱石飽和)的熔體中,Be對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,對于缺乏其他富Be礦物的綠柱石偉晶巖來說,其中的Be含量主要受控于綠柱石數(shù)量。

4.3 巖漿分異對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具有非常好的負相關(guān)性(圖8a),表明前者對后者的置換。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,基本達到了可可托海3號脈綠柱石的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20cm(圖3b),意味著Be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%,超過工業(yè)品位0.096%。按照該結(jié)構(gòu)帶占全脈25%～30%比例計算,全脈BeO平均含量0.15%～0.18%。按照脈體出露長度890m(衛(wèi)星圖上測量)、平均厚度6m、向下延伸長度290m(長度的1/3),以及長英質(zhì)巖石比重2.7g/cm3計算,該脈體的BeO科研預(yù)估儲量為6272～7526t。如果僅按照石英-白云母帶的比例和BeO品位計算,該脈體中石英-白云母結(jié)構(gòu)帶內(nèi)BeO科研預(yù)估儲量為4027～14619t,達到中大型規(guī)模。需要說明的是,針對礦化結(jié)構(gòu)的品位測量比整條脈體的全巖品位敲定更加科學(xué),對具有內(nèi)部分帶的偉晶巖尤其重要。本次計算的BeO科研儲量僅限于石英-白云母帶,低于全脈實際的儲量。雖然估計的脈體延深長度等存在不確定性,但所研究區(qū)域有多條脈體同時出露,露頭上皆發(fā)現(xiàn)綠柱石礦物,且延伸較長。如果將這些脈體納入考量范圍,區(qū)域內(nèi)的BeO儲量更加可觀。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-群庫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富集成礦過程與巖漿的分異演化有關(guān),然而更重要的貢獻可能來自偉晶巖源區(qū),這是未來研究阿爾泰偉晶巖稀有金屬礦床應(yīng)當(dāng)注重的一個方向。

5 結(jié)論

(1)阿爾泰沖乎爾偉晶巖獨居石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號脈類似,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0.321%～0.999%,平均0.590%。初步計算,該偉晶巖的BeO儲量達中大型規(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)國家重點實驗室鄭文琴、胡靜和楊淑琴老師以及李響、李赟和韓俊杰工程師在實驗過程中提供的指導(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!