四川甲基卡稀有金属矿床134号脉锡石U-Pb定年与地质意义

周雄, 周玉, 孙宝伟, 谭洪旗, 岳相元, 朱志敏

(1.中国地质科学院矿产综合利用研究所， 四川 成都 610041；2.中国地质调查局稀土资源应用技术创新中心， 四川 成都 610041；3.中国地质调查局金属矿产资源综合利用技术研究中心， 四川 成都 610041；4.四川省地质矿产勘查开发局四〇五地质队， 四川 都江堰 611830)

稀有金属矿床的成矿作用通常为多期多阶段，伟晶岩矿床的成矿时代是矿床学研究的重要内容和难点。精确厘定伟晶岩矿床成岩成矿年龄，对于研究稀有金属成矿作用、与成矿有关的构造演化、靶区优选、成矿模式乃至勘查模型具有至关重要的作用。伟晶岩型矿床传统的定年方法包括锆石、磷灰石、独居石U-(Th)-Pb及白云母Ar-Ar法等。Ar-Ar法测定与成矿有关的热液蚀变矿物(如云母、长石)，可以得出精确的等时线年龄，但由于封闭温度的限制，云母类矿物的K-Ar法和40Ar-39Ar法通常不能给出花岗岩的“结晶年龄”[1]；伟晶岩中锆石通常蚀变为高U锆石，其放射性导致锆石内部U-Pb同位素破坏，亦很难获得精准的同位素年龄；锡石作为伟晶岩中常见的矿物，对U-Pb体系的封闭温度比较高，其U-Pb同位素体系不易因扩散迁移而导致同位素信息丢失，锡石U-Pb同位素定年方法更加可靠[2]，锡石U-Pb与伟晶岩同期结晶生长，能够准确约束伟晶岩的成岩成矿年龄[3-4]。稀有金属花岗伟晶岩中云母类矿物Ar-Ar年龄不宜作为直接的成矿年龄，更适合作为岩浆作用过程中热液活动的年龄[5]，伟晶岩中锡石、铌钽铁矿可作为直接定年的理想矿物，可直接作为伟晶岩型矿床的成矿年龄[6-10]。

四川甲基卡伟晶岩型稀有金属矿床由114条伟晶岩脉组成，其中134号脉规模最大，探明Li2O资源储量51.22万吨[11]。自2015年以来，由于战略新兴产业的兴起和发展，锂资源的需求逐步加大。随着勘探规模的持续加大，甲基卡稀有金属找矿不断取得突破，甲基卡新三号脉的发现[12-13]，使甲基卡矿床Li2O的资源总量已达到188.77万吨[12-15]，为超大型花岗伟晶岩型稀有金属矿床。甲基卡锂矿床自发现起，不同学者针对伟晶岩脉的成矿时代、流体包裹体、成矿作用、勘查模型等方面进行了深入研究[11,13-21]，极大地丰富了该区稀有金属成矿理论。

作为最早发现、勘查程度最高的134号脉，王登红等[11]首先利用白云母获得了该脉精确的Ar-Ar法坪年龄为195.7±0.1Ma，限定其为早侏罗世成矿，并认为伟晶岩形成于燕山早期。随着测试技术的进步，越来越多的证据显示该区含矿伟晶岩脉形成于印支期，如308脉锡石U-Pb年龄为210.9±4.6Ma[20]，新三号脉铌钽矿物U-Pb年龄为216±2Ma和214±2Ma[17]。为进一步精确厘定134脉含矿伟晶岩成岩成矿年龄，本文在前人研究的基础上，选取134号伟晶岩中锡石开展U-Pb年代学，讨论其成岩成矿年代学及其演化，进一步揭示其成矿动力学，限定区域稀有金属成矿背景。

1 矿床地质概况

甲基卡稀有金属矿床位于松潘—甘孜造山带东缘[11]，区域上的主断裂，多属切穿地壳的深大断裂，控制了区内沉积地层的分布和岩浆活动。区内主要发育上三叠统侏倭组和新都桥组陆源碎屑沉积岩系，以复理石砂、泥质碎屑岩为主，后经多期变质作用形成不同类型的变质岩，岩性为含十字石绢云石英片岩、粉砂质片岩、变质粉砂岩、黑云母片岩等。受区域构造影响，区内发育有相对紧闭的小型复式背斜和向斜构造，区内主要发育大量张性裂隙，在锂辉石伟晶岩脉的两侧多呈羽状排列[22]。甲基卡二云母花岗岩体与稀有金属伟晶岩矿床关系密切。二云母花岗岩体出露部分呈镰刀状，南部近东西向延伸，北部近南北向延伸。组成岩体的岩石类型主要为二云母钾长花岗岩和二云母二长花岗岩，岩石中普遍含有白云母和黑云母，可见电气石等矿物。

134号矿脉呈北北东—南南西展布，矿脉形态受控于伟晶岩脉，伟晶岩脉由一组密集的北东向雁行状剪切构造控制，为一分支的大透镜、大脉状矿体，并显示东侧向北、西侧向南分支的特点。矿脉整体规模大，长1003m，控制长度921m，两端被第四系掩盖。矿脉整体呈现为中段膨大，两端变薄分支尖灭，矿脉中部形态相对稳定，厚度变化较小，呈较规整的透镜状，矿脉向两端延伸出现分枝、分叉现象。

134号矿脉中的主要金属矿物有锂辉石、钽铌铁矿、锆石、曲晶石、绿柱石、锡石、腐锂辉石、磷锂锰矿、褐帘石、氟碳铈矿等；脉石矿物主要有微斜长石、正长石、叶钠长石、糖钠长石、板状钠长石、石英、白云母、绿帘石、绿泥石及电气石等[13,23]。

2 实验部分

2.1 实验样品

本次研究之样品主要采自134号脉中部，样品质量约10kg。样品主要呈块状，样品颜色以灰白色为主，局部带浅灰绿色、浅灰紫色调。样品主要用于挑选锡石单矿物，少量用X射线粉晶衍射(XRD)分析矿物组成。样品(编号134-11)经X射线粉晶衍射分析，查明矿石中主要矿物组成为：石英、钠长石、锂辉石、铌钽铁矿、α-石英、硅钛锂钙石、硒铜银矿、尖晶石、独居石、硅铍钙石等。

2.2 分析测试方法

样品破碎及锡石单矿物挑选由河北省廊坊市诚信地质服务公司完成。锡石制靶、抛光、照相、实验分析等均在中国地质调查局天津地质调查中心完成。测年所用分析仪器为ThermoFisher Neptune型多接收器电感耦合等离子体质谱仪及SIUP193FXArF 型激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)。激光剥蚀斑束35μm，激光量密度10-13J/cm2，频率8～10Hz。采用实验室锡石工作标样(AY-4)作为测试外标[24]，实验方法参照涂家润等[25]文献。数据处理软件为ICPMSDataCal[26]，谐和年龄采用Ludwing的Isoplot进行计算[27]。

3 结果与讨论

3.1 锡石矿物学特征

锡石多呈自行-半自形粒状及柱状，粒径小，大小为120～300μm(多为150μm左右)；锡石成分均一，未见明显环带，透射光下多为棕色及棕褐色，且颜色分布不均匀，阴极发光下呈灰黑色，可见少量裂纹及其他矿物细粒包体(图1)。134号伟晶岩脉中锡石大小与甲基卡308脉[20]、党坝矿床[28]具有相似性，该类锡石可用LA-ICP-MS法获得U-Pb同位素年龄[29]。

3.2 锡石测年结果

锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb测年结果见表1。

图1 锡石阴极发光图像Fig.1 Cathode luminescence images of cassiterite

表1 134号伟晶岩脉锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素测试数据

本次共进行了36个点的测试，Th含量变化范围为0.02×10-6～0.38×10-6(平均为0.1×10-6)，U含量变化范围为0.39×10-6～36.59×10-6(平均为9.10×10-6)，207Pb/206Pb变化范围为0.05～1.18(平均为0.16)，表明该样品中普通铅含量相对较低。崔玉荣等[6]研究认为，该类型锡石选用T-W图解法(Tera-Wasserburg)比用等时线年龄获得的年龄更准确。因此，本文通过T-W图解获得的锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄结果为203.7±4.6Ma(MSWD=2.8,图2)，表明甲基卡134号含锂伟晶岩脉形成于印支晚期，成矿作用发生于203.7±4.6Ma。

表2 甲基卡地区稀土金属矿床同位素年龄统计

图2 甲基卡134号伟晶岩脉含锂辉石伟晶岩锡石U-Pb年龄谐和图Fig.2 U-Pb isochron corresponding concordia diagram of cassiterite in spodumene-bearing pegmatite from the No.134 pegmatite vein from Jiajika

3.3 甲基卡及松潘甘孜造山带稀有金属花岗伟晶岩成矿时代及构造背景

3.3.1甲基卡地区花岗伟晶岩成矿时代及构造背景

甲基卡稀有金属矿床由马颈子二云母花岗岩岩浆结晶分异过程中含矿岩浆沿着热穹窿周边的张性空间充填形成[14]。前人已针对该区的花岗岩、花岗伟晶岩的形成时代开展了锆石LA-ICP-MS U-Pb、锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb、铌钽矿LA-ICP-MS U-Pb及40Ar-39Ar法等研究工作(表2)。尽管不同的测试方法有各自的局限性，所代表的地质意义有所不同，但这些高精度的分析结果，可为区域地质演化及成矿规律研究提供精确的数据支撑。从这些年龄来看，成矿年龄范围为216±2Ma～195.67±0.14Ma[11,17,20]，可分为～214Ma、～204Ma和～195Ma三个年龄段；成岩年龄分布范围为225.2±1.0～202.2±1.3Ma[17,30-31]，又可细分为三个年龄段：～223Ma、～214Ma和205Ma，成岩成矿年龄在误差范围内趋于一致，可能代表成岩-成矿作用是一个连续的过程，区域内甲基卡地区含矿花岗伟晶岩的形成可能与马颈子二云母花岗岩岩体具有时空关系和成因关系。

本文获得的134号伟晶岩脉锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄(203.7±4.6Ma)可直接作为该脉的成矿年龄，表明该伟晶岩型锂矿床形成于印支晚期。

3.3.2松潘—甘孜造山带构造背景及成矿规律

松潘—甘孜—甜水海古特提斯碰撞造山带的三叠纪复理石岩系为硬岩型含锂伟晶岩脉的形成提供了大地构造背景，在造山过程中，“岩浆—熔融—变质—变形”四个系统相互调整，使锂富集于花岗岩或者伟晶岩中[34]，但锂等稀有金属元素由于活动性较强，只能在造山后相对稳定且连续演化阶段，才会发生大规模稀有金属聚集，稀有金属矿床代表造山后的产物[11]，而这个造山期后印支运动高峰期(230Ma)之后的漫长期持续了约15Ma[14]，也正是漫长的稳定构造环境，为稀有金属的聚集成矿创造了有利条件，从而形成了巴颜喀拉—松潘成矿省中稀有金属矿床的代表——甲基卡超大型稀有金属矿床。

许志琴等[34]研究认为，以马尔康、甲基卡伟晶岩型锂矿床为代表的锂矿带的形成与印支造山期花岗质岩浆作用、局部熔融的花岗伟晶脉侵位以及“片麻岩穹窿”构造有关，并根据含锂伟晶岩脉的年龄和其他矿化年龄指出马尔康片麻状穹窿形成于212～170Ma之间，甲基卡片麻状穹窿形成至少是在216～214Ma之间[35]。区域上，可尔因稀有金属矿田Li-Be-Nb-Ta-Sn矿床、党坝Li-Be-Nb-Ta-Sn矿床含矿伟晶岩脉锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄分别为203±5Ma(MSWD=4.1)[36]、208.1±1.9Ma(MSWD=2.5)和199.3±1.6Ma(MSWD=0.68)[28]，表明该矿田稀有金属成矿事件发生在印支晚期及燕山早期。正如前文研究，甲基卡成矿事件亦发生在印支晚期及燕山早期(216±2Ma～195.67±0.14Ma)，花岗岩形成时代与穹窿形成近于一致，表明松潘—甘孜造山带稀有金属成矿事件可能受控于一个连续的构造岩浆演化过程，变形、变质、岩浆作用和矿化作用同期发生，具有集中成矿的特点，形成于同一成矿系统。无论是甲基卡还是可尔因成矿母岩——二云母花岗岩，均为S型花岗岩，具有相似的地球化学特征[28]，造山带内的花岗伟晶岩型稀有金属矿床都是巴颜喀拉—松潘造山带在印支运动之后相对稳定的构造背景下，由二云母花岗岩岩浆结晶分异过程中，含矿岩浆沿着热穹隆构造周边的张性空间充填形成了一系列矿床，具有“五层楼+地下室”的模型特点[19]。

3.3.3研究展望

矿石X射线粉晶衍射结果表明，伟晶岩锂矿中除了含有锂辉石、铌钽铁等稀有金属矿物外，还指示含有硒铜银矿、硅钛锂钙石、硅铍钙石等矿物，但目前在该区或松潘—甘孜带上这类矿物的矿物学研究尚非常薄弱，建议在今后的工作过程中加强矿物学特征研究。

4 结论

为进一步精确厘定亚洲最大的含锂伟晶岩脉——134脉含矿伟晶岩成岩成矿年龄，本文通过锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb年代学，对其成岩-成矿年龄进行了限定。结果表明，134号伟晶岩脉的锡石U-Pb年龄为203.7±4.6Ma(n=19，MSWD=2.8)，代表了该伟晶岩型锂矿床的成矿年龄，表明其成矿作用发生在印支晚期。正是印支运动晚期漫长的稳定构造环境，为本区稀有金属的聚集成矿创造了有利条件，从而形成了巴颜喀拉—松潘成矿省中稀有金属矿床的代表——甲基卡超大型稀有金属矿床。

松潘—甘孜造山带典型稀有金属矿床的年代学结果显示，甲基卡、可尔因稀有金属矿集区内稀有金属矿床具有相似的成矿类型、成矿年龄和构造背景，成矿事件发生在印支晚期及燕山早期，都是巴颜喀拉—松潘造山带在印支运动之后相对稳定的构造背景下，在二云母花岗岩岩浆结晶分异过程中，含矿岩浆沿着热穹隆构造周边的张性空间充填所形成，具有“五层楼+地下室”的模型特点。矿石X射线粉晶衍射分析结果亦为今后的研究提供了新的方向。

致谢：锡石制靶、阴极发光、年龄测试、数据处理过程中，均得到中国地质调查局天津地质调查中心涂家润博士的帮助；耿海涛硕士清绘了部分图件；匿名审稿人提出了诸多修改建议，在此一并表示感谢。