青海柴北缘地区茶卡北山锂铍稀有金属伟晶岩型矿床垂向分带特征

2021-06-06刘承先孙丰月钱烨吴东倩惠潮卢寅花

世界地质 2021年4期

刘承先，孙丰月，钱烨，吴东倩，惠潮，卢寅花

吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

随着近年来新能源、新兴材料的发展，锂、铍等关键金属越来越受到重视[1]。近年来发现一批大型--超大型伟晶岩型矿床[2]，特别是在柴北缘地区发现一条新的Li--Be成矿带，茶卡北山锂铍伟晶岩型矿床是该成矿带重要组成部分[3]。前人对于伟晶岩分带特征进行了大量研究，如幕阜山地区仁里稀有金属矿床伟晶岩脉形成以母岩为中心的水平分带模式[4]或可可托海3号脉矿床伟晶岩形成的“边缘相--外侧带--中间带--内核”水平分带模式[5--6]。孙丰月教授带领团队于2020年8月在茶卡北山稀有金属伟晶岩型矿床进行野外调查研究，发现了伟晶岩垂向变化规律，与传统的伟晶岩水平分带明显不同，明确提出了该区伟晶岩的垂直分带规律。本文从伟晶岩垂直分带思想出发，通过伟晶岩矿物组合、结构构造的系统梳理，论证了伟晶岩脉形成垂向分带，同时对伟晶岩脉中发育的白云母进行系统研究，探讨成矿期次，总结伟晶岩演化及稀有金属矿化规律，提供伟晶岩分带新模式，同时为矿床进一步勘查工作提供理论指导。

1 区域地质特征

研究区位于秦--祁--昆造山带结合部，地处宗务隆山构造带东段，宗务隆山南缘断裂北侧(图1)，区域经历了复杂的区域构造演化，显生宙以来先后经历了柴北缘洋构造域和宗务隆洋构造域的叠加改造[7]。研究区自新太古代—古元古代形成了早期陆核[8--10]；约在中志留世，柴北缘洋闭合，欧龙—南祁连陆块发生陆陆碰撞和陆壳深俯冲作用，形成一个整体[9--13]；早泥盆世，宗务隆洋逐渐扩张形成有限的洋盆，至晚三叠世宗务隆洋闭合形成宗务隆山造山带[14--16]。研究区在加里东期至印支期发生多期造山事件，导致该区域岩浆活动频繁，根据前人[17--18]研究，地区岩浆活动时代主要有以下几个阶段: 460～475 Ma、440～450 Ma、395～410 Ma、370～380 Ma 以及260～275 Ma。岩石类型从超基性到酸性岩石均有分布，其中晚印支期伟晶岩与稀有金属矿密切相关[19]。区域经历多期次岩浆活动和造山旋回活动，形成走向以北西向、北北西和近东西向为主的断裂，控制了岩浆岩和矿床的分布。

图1 研究区位置示意图(a)和大地构造位置图(b)[7]Fig.1 Location sketch map (a) and tectonic sketch map (b) of study area

2 矿床地质特征

2.1 矿床地质概况

矿区出露地层主要为古生代及中生代地层(图2)，主要为石炭系—二叠系果可山组(CP2g)大理岩、碳酸盐岩和三叠系隆务河组(T1-2l)粉砂质板岩，二者呈断层接触，基本呈条带状北西--南东向展布；第四系洪冲积物(Qhpal)分布在诸多大小不等形状各异的河谷两侧。矿区构造发育，自北向南近平行发育8条断裂构造F1～F8，主体走向为北西--南东向，与地层走向基本一致[20]。

图2 茶卡北山矿区地质简图[20]Fig.2 Simplified geological map of Chakabeishan deposit

矿区发育岩浆岩主要为中细粒石英闪长岩和脉岩，其中石英闪长岩沿区域性断裂产出，呈北西向长条带状展布，部分受变质作用已经糜棱岩化；脉岩主要为中、酸性岩脉。矿区发育不同程度变质岩，以青白口纪—奥陶纪茶卡北山组(QbO3c)二云岩--二云石英片岩为主，三叠纪地层出现一定程度变质现象。其中石英闪长岩和青白口纪—奥陶纪片岩是含Li--Be矿体的主要赋存地质体。

2.2 花岗伟晶岩脉及矿体特征

2.2.1 伟晶岩脉岩相学特征

伟晶岩脉宽多不足1 m，局部宽达1～5 m，多呈北西向展布，长度一般10 cm～200 m。主要产出在茶卡北山组下段二云岩和灰白色中细粒石英闪长岩中，走向主要为北西--东南方向，产状在20°～50°∠40°～65°之间，与片岩的片理和断层的产状基本一致(图3a)，局部出现反转或扭曲。伟晶岩脉主要呈脉状，局部呈囊状、块状。茶卡北山伟晶岩随着深度变化具有不同的矿物组合和结构构造特征，形成明显的垂向分带，根据岩相学特征进行分类，自深部至浅部依次为：石榴电气二云母花岗伟晶岩、文象结构电气白云母花岗伟晶岩(图3b)、条带状构造石榴电气白云母花岗伟晶岩(图3d)、含绿柱石石榴电气白云母花岗伟晶岩、含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩和含锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩(表1)。脉石矿物主要为石英、斜长石、钾长石、石榴石、电气石和白云母，矿石矿物主要为锂辉石和绿柱石，局部出现了铌钽铁矿、锂云母和锂电气石(图3e-j)。围岩蚀变主要发育在构造破碎带、石英脉、伟晶岩脉、岩体和围岩接触带边缘，蚀变类型主要为钾化、钠长石化、碳酸盐化、绿帘石化、高岭土化和白云母化等。

a.花岗伟晶岩脉与片岩接触带； b.文象结构花岗伟晶岩； c.含锂辉石花岗伟晶岩； d.条带状构造花岗伟晶岩； e.石榴电气二云母花岗伟晶岩； f.钠长石化石榴电气二云母花岗伟晶岩； g.文象结构电气白云伟晶岩； h.条带状构造石榴电气白云花岗伟晶岩； i.含绿柱石石榴电气白云母花岗伟晶岩； j.含锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩。Bt.黑云母;Kfs.钾长石;Ms.白云母;Pl.斜长石;Qtz.石英;Spd.锂辉石;Tur.电气石。图3 茶卡北山伟晶岩脉野外照片、手标本照片及镜下照片Fig.3 Field photographs, specimen photographs and microscopic photographs of Chakabeishan pegmatite dikes

2.2.2 矿体特征

目前，矿区共发现矿体58条，矿化体130条，累计探明储量Li2O：4 636.65 t，BeO：1 010.67 t。根据矿化特征及伟晶岩赋存岩体，自东北向西南划分为3条成矿带，其中Ⅰ号带圈定矿体17条，Ⅱ号带圈定矿体33条，Ⅲ号带圈定锂铍矿体8条。就矿化类型，伟晶岩脉自下而上划分了为无矿化伟晶岩带、铍矿化伟晶岩带、锂铍矿化伟晶岩带和锂矿化伟晶岩带(表1)。

表1 茶卡北山伟晶岩脉垂向分带特征表Table 1 Vertical zonation characteristics of Chakabeishan pegmatite dikes

(1)Ⅰ号伟晶岩带共计圈定17条矿体，以锂铍矿化为主。矿体长度在80～340 m，宽度在0.5～6.3 m，产状主要为20°～50°∠40°～65°，部分产状为318°～355°∠40°～65°，矿体主要为含锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩和含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩。平均品位Li2O为0.9%～2.15%，BeO为0.04%～0.08%，局部有Rb、Nb、Ta矿化，但品位较低。

(2)Ⅱ号伟晶岩带共计圈定33条矿体，以铍矿化为主。矿体长度在50～660 m，宽度在0.9～6.5 m，产状主要为20°～50°∠45°～65°，矿体主要为含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩和含绿柱石石榴电气白云母花岗伟晶岩(图4)。平均品位Li2O为1.15%，BeO为0.0%4～0.11%，局部有Rb、Cs、Nb、Ta矿化，但品位较低。

图4 茶卡北山矿区66勘探线剖面图[20]Fig.4 Geological section of 66th prospecting line in Chakabeishan deposit erea

(3)Ⅲ号伟晶岩带，共计8条矿体，矿体规模均较小，以铍矿化为主。矿体长度在160 m±，宽度在0.8～2.7 m，产状主要为30°～60°∠45°～65°，矿体主要为含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩和含绿柱石石榴电气白云母花岗伟晶岩。平均品位Li2O为1.02%，BeO为0.04%～0.07%，局部有Rb、Cs矿化，但品位较低。

3 分析方法

白云母电子探针成分测试在武汉上谱分析科技有限责任公司完成，仪器型号为日本电子(JEOL)JXA8230，测试条件为：电流：10 nA、电压：15 kV、采样时间：10 s。标样为：透长石(K)、镁铝榴石(Al)、铁铝榴石(Fe)、透辉石(Ca，Mg)、硬玉(Na)、蔷薇辉石(Mn)、橄榄石(Si)和金红石(Ti)。数据校正采用日本电子(JEOL)的ZAF校正方法进行修正。

白云母单矿物微区原位微量元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA--ICP--MS完成，分析用激光剥蚀系统为GeoLas HD，等离子体质谱仪为Agilent 7900。激光能量80 mJ，频率5 Hz，激光束斑直径44 μm。具体分析条件及流程详如Liu el al.[21]所示。微量元素校正标准样品：NIST 610、BHVO--2G、BIR--1G、BCR--2G。对分析数据的处理采用软件ICPMSDataCal完成。

4 矿物地球化学特征

云母是伟晶岩中的主要造岩矿物，不仅是稀有金属的载体矿物，也能作为稀有金属成矿标志性矿物，因此白云母所含元素的变化对于伟晶岩演化及矿化具有指示意义[22]。对各相伟晶岩中的白云母进行主微量元素分析，结果显示各岩相中白云母均具有高Si(SiO2=46.60%～48.25%)、Al(Al2O3=34.11%～38.71%)、K(K2O=10.27%～11.61%)，低Na(Na2O=0.34%～1.83%)、Ca(CaO=0.00%～0.04%)、Fe(TFeO=1.12%～3.96%)、Mg(MgO=0.03%～0.89%)的特征(表2)。各岩相伟晶岩中白云母的主量元素和部分微量元素(Li、Be、B、Zn、Nb、Ta等)发生了振荡变化，Li、Rb、Cs等稀有金属元素逐渐富集。据孙涛等[23]研究茶卡北山各相伟晶岩中白云母特征处于原生云母(Fe/(Fe+Mg)<0.75，Ti≥0.05，Al≥5.20，Na≥0.10，Mg≥0.10)和后生云母(Fe/(Fe+Mg)>0.75，Ti≤0.05，Al≤5.20，Na≤0.10，Mg≤0.10)之间，表明云母在结晶后受到了后期热液交代作用。根据林文蔚等[24]方法计算白云母晶体化学式，根据Tischendorf et al.[25]对于含Li云母分类图解显示(图5)，各相伟晶岩的白云母类型基本属于白云母，仅2个点投到了多硅白云母中，在图解中可以看到云母在向(富锂)多硅白云母方向演化。

表2 白云母主微量元素数据及计算晶体化学式Table 2 Analysis results of major elements, trace elements and calculated crystal formula of muscovite

图5 含Li云母分类图解[25]Fig.5 Classification diagram of Li-bearing micas

5 讨论

5.1 茶卡北山伟晶岩垂向分带特征

典型花岗伟晶岩型稀有金属矿床具有明显的水平分带，如甲基卡稀有金属矿床、幕阜山仁里稀有金属矿床等矿床，以花岗质母岩为中心，伟晶岩脉随着岩体距离越来越远，伟晶岩脉分异程度不断提高，伟晶岩脉的结构构造、矿物组合等形成了明显的水平分带[26](图6a)。这种分带是以母岩为中心，形成的水平区域分带，该分带内的伟晶岩具有相同或相似的岩相学特征及矿化特征。茶卡北山稀有金属矿床分带特征具有明显差异，随着高程的上升，岩浆演化程度的逐渐增高，伟晶岩脉的矿物组合、结构构造和矿化特征均出现明显垂向分带特征，特别是对于垂向延伸较大的伟晶岩脉，发育明显垂向分带(图6b)。伟晶岩脉自下而上形成了6种岩相，依次为石榴电气二云母伟晶岩、文象结构电气白云母伟晶岩、条带状构造石榴电气白云母伟晶岩、含绿柱石石榴电气白云母伟晶岩、含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩和含锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩6个岩相分带；各岩相中长石、云母等矿物颗粒总体随伟晶岩演化逐渐增大，矿物蚀变程度也在逐渐增强，而电气石由粗大粒状集合体向细粒针状、短柱状演化。就矿化类型自下而上划分为“无矿化--铍矿化--锂铍矿化--锂矿化”4个矿化分带；同时在越接近矿体的位置，云母含量逐渐增多，粒径逐渐增大，而电气石正好相反。这种独特的垂向分带发现对于研究伟晶岩演化及成因具有重要意义，为伟晶岩体系演化提供了新模式。

5.2 伟晶岩分带成因与稀有金属成矿机制

London[27]提出3种伟晶岩区域分带成因模式：①多期脉动形成；②花岗岩--伟晶岩复合系统处于一个开放环境下，岩浆几乎同时开始结晶演化并最终形成不同伟晶岩分带；③是初始熔融花岗质岩浆逐步发生分异结晶作用的产物，形成的伟晶岩岩浆继承了花岗质岩浆的特性。茶卡北山伟晶岩脉相互之间没出现穿插现象，表明伟晶岩脉并非多期次形成，而是一期成岩。伟晶岩脉出现明显条带状构造，是典型的岩浆流动分异证据[28--29]，表明岩浆在随断裂及围岩裂隙上升，在相对密闭稳定的环境中发生结晶分异作用。各岩相伟晶岩中白云母元素含量发生振荡变化是由岩浆冷却和分异结晶作用导致伟晶岩岩浆体系发生熔体--流体不混溶作用所形成[30--31]。虽然茶卡北山伟晶岩并未发现花岗质母岩，但其地球化学特征一致，表明伟晶岩体系由一个初始花岗质岩浆体系不断分异演化形成。根据其野外产状、岩相学特征及云母地球化学特征显示，茶卡北山伟晶岩脉出现明显结晶分异特征，同时熔体--流体不混溶作用又促进结晶分异作用的发生，伟晶岩岩浆进入围岩裂隙及断裂中，形成相对稳定密闭的空间，随着伟晶岩岩浆不断演化，最终形成垂向分带(图6b)，与London提出的第三种模式相类似。

图6 幕阜山岩体南部伟晶岩水平分带示意图[25](a)与茶卡北山伟晶岩垂向分带示意图(b)Fig.6 Sketch map of horizontal zonation of pegmatites in south of Mufushan granites(a) and sketch map of vertical zonation of Chakabeishan pegmatites(b)

续表2 白云母主微量元素数据及计算晶体化学式Continued Table 2 Analysis results of major elements, trace elements and calculated crystal formula of muscovite

伟晶岩中云母往往是稀有元素矿化的指示矿物[32]，云母的微量元素变化可以反映伟晶岩结晶分异程度[33--34]，茶卡北山各相伟晶岩脉中白云母地球化学特征同样反映这个过程，不同类型伟晶岩中白云母所含Be、K含量基本没有变化，Li、Cs含量逐渐变高，Rb含量在含绿柱石、锂辉石石榴电气白云母花岗伟晶岩中的云母达到最高，在仅含锂辉石伟晶岩中有所下降，表明流体中Rb先于Cs大量进入白云母中，并在该阶段大部分流体中Rb已经进入到矿体晶体中。随着岩浆不断分异结晶，流体作用逐渐增强，Li、Rb、Cs等不相容稀有活泼金属元素逐渐向流体中富集，同时流体的交代作用又促进稀有活泼金属元素从已经结晶的矿物中进入流体相中，白云母中K/Cs比值可以反映伟晶岩演化的趋势[35]，随着伟晶岩岩浆--流体体系演化，Li、Be元素逐渐富集，形成矿化(图7)。随着演化程度增加，流体作用逐渐增强，这与镜下所观察的现象相一致，矿化伟晶岩中的矿物具有明显被流体交代痕迹，而不含矿伟晶岩中的矿物则相对较弱，表明岩浆先以分异结晶作用为主，随着岩浆演化分异程度不断增高，稀有金属逐步向流体相中富集，富矿流体不断对已经结晶矿物进行交代，使活泼的稀有金属进一步富集，最终在伟晶岩上部结晶形成锂辉石、绿柱石等富含稀有金属的矿物，形成“无矿化--铍矿化--锂铍矿化--锂矿化”分带。

图7 白云母(K/Cs)--Cs图解[35]Fig.7 (K/Cs)--Cs diagram for muscovite

5.3 花岗伟晶岩脉成矿期次

根据野外对伟晶岩脉观测及室内对伟晶岩脉岩相学研究，未发现伟晶岩脉具有穿切关系，产状相对统一，显示伟晶岩脉为一期成岩成矿，可分为2个阶段：以分异结晶作用为主的成岩阶段和以热液交代作用和熔体--流体不混溶作用为主的成矿阶段。

第一阶段：该阶段以岩浆分异结晶作用为主，是伟晶岩成岩阶段。伟晶岩岩浆沿石英闪长岩岩体和片岩的裂隙充填形成伟晶岩，产状与围岩相一致，由于分异结晶作用，初步形成伟晶岩的矿物组合和结构的垂向分带。

第二阶段：该阶段以流体交代作用和熔体--流体不混溶作用为主，是矿化的主要形成阶段。随着岩浆演化，熔体--流体不混溶作用逐渐增强，Li、Be、Rb、Cs等活泼元素在挥发分(F、Cl、H2O等)作用下向流体相中富集。随着流体作用的增强，流体对已经结晶的伟晶岩进行破坏又重新结晶，这一过程使得Li、Be、Rb、Cs等活泼元素进一步富集，并向顶部运移，最终在伟晶岩脉顶部形成了富含锂、铍的矿物。交代作用在伟晶岩脉自下而上逐渐加强，在条带状构造石榴电气白云伟晶岩出现明显转变，其下以分异结晶作用为主，交代作用相对较弱，其上则以交代作用为主，矿物颗粒出现明显由交代作用形成的蚀变。

5.4 成矿规律

由于元素地球化学特性及岩浆体系不断演化的原因，伟晶岩脉的矿化形成Li在上、Be在中间、下部无矿的空间分布规律。目前发现含矿伟晶岩脉标高主要在3 500～4 500 m之间，表明该高程区域应为伟晶岩的高级演化区域，也是主要Li--Be富集矿化带，且高程较高区域为Li矿化带，中间为Li--Be矿化带，下部为Be矿化带，最下部是无矿化伟晶岩脉(图6b)。同时在越接近矿体的位置，白云母含量逐渐增多，粒径逐渐增大，而电气石正好相反。因此在找矿勘探中应结合岩相特征，加强该高程区域勘探。

由于地壳抬升和剥蚀作用的差异，北东方向山体剥蚀程度相对较低，高程较高，顶部以Li矿化为主的伟晶岩得以保存，而南西方向剥蚀程度较大，高程较低，出露以Be矿化伟晶岩--无矿化伟晶岩脉，在地表出露的伟晶岩脉呈现自北东向Li矿化、中部Li--Be矿化和南西方向无矿化的格局，因而对于北东方向高程较高区域，具有较好的找矿潜力。