珠峰地区热曲锂辉石伟晶岩的发现及对喜马拉雅稀有金属成矿作用研究的启示*

2021-11-29刘小驰吴福元王汝成刘志超王佳敏刘晨胡方泱杨雷何少雄

岩石学报 2021年11期

刘小驰吴福元,2 王汝成刘志超王佳敏刘晨胡方泱杨雷何少雄

1.岩石圈演化国家重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049 3.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京 210023 4.中山大学地球科学与工程学院，广州 510275 5.成都理工大学地球科学学院，成都 610059

印度板块同欧亚板块的大陆碰撞是新生代以来地球上发生的最重要地质事件，它形成了世界上最大最高的高原——青藏高原(Yin and Harrison,2000)。青藏高原南部的冈底斯和雅鲁藏布江一带，是整个高原陆/洋转换和地体拼贴最复杂、壳/幔物质-能量交换最活跃、岩浆-流体活动最强烈、断裂网络系统最发育的地区，同时也是大规模成矿作用最强烈和金属矿产资源最集中的地带。最近20年，一批世界级规模的成矿带和超大型矿床在青藏高原相继被发现(如冈底斯超大型斑岩铜矿)，表明该区正成为我国最具潜力的战略性矿产储备基地(Hou and Cook,2009)。

然而相对而言，青藏高原以南东西延伸超过2500km的喜马拉雅造山带却一直没有获得找矿勘探上的重大突破。该地区的地质体主要是广布的高喜马拉雅变质岩系、特提斯喜马拉雅沉积岩系及与其相伴生的喜马拉雅淡色花岗岩(图1)。尽管花岗岩多被认为与金属成矿作用关系密切，但传统观点认为，喜马拉雅淡色花岗岩为原地-近原地侵位的纯地壳来源的低熔花岗岩，这种低温的低熔花岗岩大多不具有大规模金属成矿潜力。但近年来，基于岩石成因学研究，本研究团队提出，喜马拉雅造山带中的淡色花岗岩为高度结晶分异成因，是真正意义上的异地深成侵入体，而并不是原地或半原地的部分熔融体(吴福元等,2015)；而高分异花岗岩同铌、钽、铍、锂、铷、锶、锆、铪等稀有金属成矿作用关系密切(吴福元等,2015,2017)。在上述原创性理论突破引导下，我们通过进一步的野外及室内的调查工作，发现喜马拉雅淡色花岗岩相关的稀有金属成矿范围广，具有良好的稀有金属成矿潜力(王汝成等,2017)。到目前为止，我们已完成西藏噶尔至错那一线33个大型淡色花岗岩岩体的稀有金属成矿潜力普查工作，普查范围超过30000km2，已发现的稀有金属矿物超过10种，喜马拉雅完全具备成为我国一个世界级稀有金属成矿带的潜力。

根据稀有金属矿物种类发育情况，目前可基本明确，以错那洞岩体为代表的铍资源正成为喜马拉雅带稀有金属成矿的重要特色(李光明等,2017)。但相对而言，喜马拉雅带锂资源寻找一直未见重大进展。本文报道本研究团队近期在珠峰北部的热曲地区发现的锂辉石伟晶岩，以期对区内锂资源的进一步寻找提供基础理论支持。

1 珠峰地区区域地质特征

喜马拉雅地区的地层一般可划分为下部的深变质岩系(高喜马拉雅)、中部的低级变质的泥质-钙质岩系和上部的未变质的沉积岩系(特提斯喜马拉雅)。在珠峰地区，Wager (1933)将高喜马拉雅和特提斯喜马拉雅之间的浅变质岩石称为Everest岩系，穆恩之等(1973)正式命名为肉切村群。肉切村群不仅变形强烈，而且根据岩性又可被进一步划分为下部的北坳组和上部的“黄带层”(尹集祥和郭师曾,1978)。北坳组以灰黑色黑云母千枚岩、钙质硅酸岩为主，见少量大理岩；上部“黄带层”以黄色的含石英大理岩为主，夹少量千枚岩。Burgetal.(1984)提出喜马拉雅造山带中浅变质的泥质-钙质岩系与未变质岩系之间为脆性正断层，而该断层之下的喜马拉雅主逆冲断层之上岩系，发生过指向北的韧性正断层改造。在此基础上，Burchfieletal.(1992)通过区域资料总结，正式提出了South Tibetan Detachment System(藏南拆离系)的概念。根据这一概念，Searle (1999)将珠峰地区肉切村群上部的脆性断层命名为珠穆朗玛断层(Qomolangma detachment)，下部的韧性断层命名为洛子断层(Lhotse detachment)。最近研究进展表明，洛子拆离断层不具有明显的变质间断，事实上并不存在，肉切村群浅变质岩逐渐过渡至高喜马拉雅高级变质岩(Wateretal.,2019)。然而，无论以何种划分方式，浅变质的肉切村群即对应着藏南拆离系韧性剪切带位置，具有高应变特征的肉切村群在珠峰山体出露厚度达到1000～1600m(穆恩之等,1973;Carosietal.,1998)，在珠峰北坡前进沟为300m，查亚山为150m(穆恩之等,1973)。

沿喜马拉雅造山带走向，淡色花岗岩可以分为南北两个带，总体上呈东西向平行分布(图1)。南带主要沿高喜马拉雅和特提斯喜马拉雅之间的藏南拆离系分布，称为高喜马拉雅淡色花岗岩带，构成喜马拉雅山的主体。北带淡色花岗岩位于特提斯喜马拉雅单元内，又被称之为特提斯喜马拉雅淡色花岗岩带。高喜马拉雅的淡色花岗岩多以规模不等的岩席形式直接侵入到高喜马拉雅变质岩系之中，并明显受到藏南拆离断层构造控制，该伸展构造沿喜马拉雅造山带延伸超过1000km，并主要以韧性变形为主(Burchfieletal.,1992;Kellettetal.,2019)。特提斯喜马拉雅淡色花岗岩主要以独立侵入体形式侵入于特提斯喜马拉雅岩系之中，或位于特提斯变质穹窿核部。在后者情况下，穹窿的主体是变质的高喜马拉雅结晶岩系，外侧是特提斯喜马拉雅变质沉积岩系(Harrisonetal.,1997;Zeng et al,2011;吴福元等,2015)。

图1 喜马拉雅造山带地质简图及淡色花岗岩分布(据吴福元等,2015修改)Fig.1 Simplified geologic map of the Himalayan orogen and distribution of leucogranites (modified after Wu et al.,2015)

本文研究区一带的花岗岩属高喜马拉雅淡色花岗岩带。在构造层位上，它主要位于珠穆朗玛断层之下、高喜马拉雅结晶岩系之上的部位(Searle,1999)。花岗岩类型变化较大，但以白云母花岗岩、电气石-石榴石花岗岩为主，其中变形较为强烈的白云母花岗岩平行藏南拆离系分布，而变形程度较弱的电气石-石榴石花岗岩及伟晶岩多呈脉状出现在早期岩石之中。但需要指出的是，珠峰地区淡色花岗岩的上部围岩肉切村群中发育有指示热接触变质的矿物，如符山石、方柱石、透辉石等，暗示存在高温熔-流体的交代作用(Wageretal.,1965;Hodgesetal.,1992;邹光富,2008)。

2 珠峰地区淡色花岗岩相关稀有金属成矿作用

在Le Fort (1973)正式引入喜马拉雅淡色花岗岩这一概念之前，国内外学者对珠峰地区的花岗岩开展过卓有成效的工作。20世纪20年代初，英国探险考察队曾报道在其采集的珠峰北坡花岗岩样品中含有绿柱石及锂电气石等稀有金属矿物，但是具体采样地点不详(Heron,1922)。Wager (1965)首次报道了珠峰绒布河谷内的淡色花岗岩全岩成分，其中锂平均含量达到了190×10-6，明显高于大陆地壳锂的平均丰度(16×10-6;Rudnick and Gao,2014)和典型的S型花岗岩锂含量(35.5×10-6～107.5×10-6,Fodenetal.,2015)，说明该区域有锂等稀有金属元素的富集。此后，锂电气石等矿物也在珠峰南坡的尼泊尔境内被陆续发现(Ferraraetal.,1983)。我国境内珠峰地区稀有金属矿物绿柱石由应思淮(1973)首次报道，发现地位于珠峰西北方向的加布拉地区，赋存于电气石伟晶岩脉之中。Visonà and Zantedeschi (1994)在邻近加布拉的普士拉(Pusi La)地区报道有锂辉石、透锂长石、锡石等稀有金属矿物的伟晶岩出现，并后续对淡色花岗岩和伟晶岩进行过全岩地球化学组成分析(Visonà and Lombardo,2002)。然而上述工作仅是稀有金属矿物在珠峰地区的零星报道，前人并未开展详细的研究工作。Liuetal.(2020)对珠峰西侧的普士拉地区卓莫古、错热两地的淡色花岗岩、伟晶岩开展了详细的矿物学、岩石学、地球化学以及同位素年代学工作，从而拉开了系统研究喜马拉雅造山带含锂矿物伟晶岩的序幕。

图2 珠峰-热曲-普士拉地区地质图(据Liu et al.,2020修改)Fig.2 Simplified geologic map of the Mount Qomolangma region (modified after Liu et al.,2020)

3 热曲锂辉石伟晶岩

珠峰北侧、距离普士拉NNE方向约20km处的热曲(Ra Chu)发育完整的喜马拉雅地质剖面(图3)，其GPS坐标为28°21′20″N、86°40′18″E,海拔4825～4860m。剖面顶部为早古生代特提斯喜马拉雅珠峰组的薄层状青灰色结晶灰岩，厚度约15～20m；中部为面理化的千枚状大理岩，厚度约5～8m，属肉切村群上部黄带层；下部为强变形的北坳组钙质硅酸岩，厚度超过20m。因此，该剖面展示了藏南拆离系韧性剪切带上部层位的基本情况。此外，剖面内的北坳组岩石中还发育有含电气石白云母淡色花岗岩，成岩席状产出，厚度约0.5～2m(图3b、图4d)。由于露头有限，我们未能观察到该套地层与高喜马拉雅变质岩的接触关系。但在剖面所处河谷西侧，北坳组千枚岩之下为规模较大的淡色花岗岩体(图4e)，成厚层席状产出，具有糜棱岩化特征(图4f)，这些岩席侵位于高喜马拉雅片麻岩当中。Jessup and Cottle (2010)曾对热曲剖面做过详细的构造解析研究，结果显示厚度约30km的高喜马拉雅结晶岩系在24～16Ma之间沿STDS折返挤出。

图3 热曲剖面特征(a-b)及地层剖面图(c)Fig.3 Field photographs (a-b)and stratigraphic column diagram (c)for the Ra Chu transect

图4 热曲剖面“黄带层”下部大理岩及含锂辉石伟晶岩(a、b)、锂辉石野外露头(c)、北坳组强变形钙质硅酸岩及侵位的淡色花岗岩(d)及热曲剖面西淡色花岗岩岩体及其中强变形淡色花岗岩(e、f)Fig.4 Field occurrence and petrological features of the marbles and spodumene-bearing pegmatites of “Yellow Band”(a,b),field photograph of spodumene-bearing pegmatites (c),strongly deformation calc-silicates and intruded leucogranites of the North Col Formation (d)and field occurrence of leucoganites in the west of Ra Chu transect (e,f)

详细的野外调查发现，在“黄带层”大理岩与北坳组钙质硅酸岩之间的过渡部位，发育有含锂辉石的伟晶岩。在面积不大的区域内，共发现7处伟晶岩出露点，出露规模相差较大，长度0.5～3m、厚度0.2～1.5m不等。伟晶岩本身受到拆离断层的显著控制，总体为NW-SE向延伸，呈脉状、透镜体状、板状产出于“黄带层”下部的大理岩当中，与围岩接触界线清晰，部分已同围岩一起发生了变形(图4d)，具有同构造侵位的特征。围岩大理岩还出现矽卡岩化，矽卡岩厚度约5～10cm。

相对于普士拉卓莫古含锂辉石伟晶岩，热曲剖面见及的伟晶岩厚度较薄，未发现伟晶岩脉矿物自边缘向中心粒度由细变粗呈同心带状对称分布特征，也未发现与这些伟晶岩伴生的淡色花岗岩。伟晶岩矿物颗粒粗大，但粒度变化大，手标本可观察到呈浅灰绿色半自形-自形短柱状锂辉石(图4c)。薄片观察发现，伟晶岩的主要矿物组成为锂辉石、石英、钾长石、钠长石、白云母、磷灰石、透锂长石、绿柱石、锡石、铌钽铁矿，副矿物为锆石和独居石。其中锂辉石含量可达30vol%～40vol%；部分伟晶岩中锂辉石晶体具有定向性(图5c)，可能是岩浆在同构造变形中受变形影响所致。部分样品可以观察到锂辉石周围有透锂长石生长，这指示出锂辉石可能是岩浆期压力较高的环境，减压过程中同石英反应生成透锂长石(London and Burt,1982)。少数样品中锂辉石出现蚀变，成为“腐锂辉石”(图5f)(杨岳清等,1995)。我们选择热曲剖面及西侧山坡的3个电气石淡色花岗岩和3个含锂辉石伟晶岩样品初步进行了全岩地球化学分析，其采样位置及数据结果见表1。全岩、主微量元素含量测试在武汉上谱分析科技公司完成，主量元素利用XRF方法分析，微量元素利用Agilent 7700e ICP-MS分析。

图5 热曲剖面锂辉石伟晶岩镜下显微照片特征Pl-斜长石；Kfs-钾长石；Qtz-石英；Ms-白云母；Spd-锂辉石Fig.5 Micrographs of the Ra Chu spodumene-bearing pegmatitesPl-plagioclase;Kfs-K-feldspar;Qtz-quartz;Ms-muscovite;Spd-spodumene

表1 热曲剖面淡色花岗岩及伟晶岩主量(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果Table 1 热曲剖面淡色花岗岩及伟晶岩主量和微量元素

续表1Continued Table 1

分析结果显示，热曲电气石淡色花岗岩样品具有较高的Li含量，为69.8×10-6～172×10-6，其他稀有金属元素含量如Be为14.8×10-6～24.3×10-6，Ta为0.94×10-6～8.75×10-6，Nb为4.55×10-6～11.9×10-6，Sn为14.4～22.3(图6)，稀土元素总量(∑REE)为25.3×10-6～57.7×10-6(图7)。锂辉石伟晶岩样品中的Li含量明显高于电气石淡色花岗岩，变化范围6023×10-6～9776×10-6，即Li2O含量范围是1.30%～2.15%，已达到工业品位。其他稀有金属元素含量也较高，如Be(58.0×10-6～347×10-6)、Nb(95.8×10-6～130×10-6)、Ta(30.3×10-6～51.8×10-6)和Sn(105×10-6～171×10-6)。稀土元素含量在锂辉石伟晶岩样品中极低，∑REE为3.5×10-6～4.5×10-6。现有分析结果可以看出，热曲锂辉石伟晶岩样品中的Li、Sn含量普遍高于普士拉伟晶岩(图6a)，反映出热曲锂辉石伟晶岩可能具有更高的演化程度。

图6 热曲-普士拉地区淡色花岗岩及伟晶岩微量元素图解(a)稀有金属元素Li-Sn图；(b)Zr/Hf -Nb/Ta图.普士拉样品数据来自Liu et al. (2020)，喜马拉雅淡色花岗岩范围据吴福元等(2015)Fig.6 Trace element diagrams for the Pusi La and Ra Chu leucogranites and pegmatites(a)Li vs.Sn;(b)Zr/Hf vs.Nb/Ta.The data of Pusi La after Liu et al. (2020)and Himalayan leucogranites after Wu et al. (2015)

图7 热曲地区淡色花岗岩及伟晶岩稀土元素配分模式图(标准化值据Sun and McDonough,1989)普士拉样品数据引自Liu et al. (2020);Visonà and Lombardo (2002)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns for leucoganite and pegmatite samples from the Ra Chu transect (normalization values after Sun and McDonough,1989)The data of Pusi La after Liu et al. (2020);Visonà and Lombardo (2002)

4 对珠峰地区稀有金属成矿作用研究的启示

热曲剖面锂辉石伟晶岩的发现，说明珠峰一带富锂矿物出露位置不仅局限于此前报道的加布拉-普士拉地区。位于珠峰北坡前进沟伟晶岩转石中存在锂电气石和铁锂云母-锂云母，表明该区域存在锂的富集(刘晨等,2021)。结合前人已有报道，北至热曲，南至珠峰南坡尼泊尔境内的昆布冰川、努子峰、洛子峰地区(Ferraraetal.,1983)，珠峰地区稀有金属矿化涵盖区域面积超过了700km2，充分说明了喜马拉雅地区稀有金属成矿的巨大潜力。

由于热曲含锂辉石伟晶岩在藏南拆离系韧性剪切带中的位置相对清晰，这为研究喜马拉雅造山过程、淡色花岗岩岩浆活动以及稀有金属富集之间的联系提供了良好条件。高分异花岗岩主要与后造山事件有关，并常与大型伸展构造伴生，岩浆长时间、长距离的运移侵位是高度结晶分异作用得以进行的重要条件，因此，伸展构造形成的拆离断层能够对岩浆的运移、高度分异乃至稀有金属富集起到关键作用(吴福元等,2017;Wuetal.,2020)。

在热曲剖面，藏南拆离系韧性剪切带严格控制了含锂辉石伟晶岩的空间分布。含锂辉石伟晶岩产状近于平行地发育在岩性致密的钙硅酸岩和质地相对较弱的大理岩之间，很可能是肉切村群 “黄带层”和北坳组间的接触部位，富锂熔体-流体在这一位置发生汇集、结晶以及强烈的交代作用。

而普士拉地区的锂辉石伟晶岩也位于肉切村群的内部，出现位置海拔略高于热曲锂辉石伟晶岩。藏南拆离系在珠峰地区倾向为NNE，倾角约10°～20°(Jessup and Cottle,2010)，热曲锂辉石伟晶岩很可能是普士拉地区锂辉石伟晶岩带的向北延伸(图8)。虽然普士拉地区尚未有详细的地质剖面工作，但是从该区域淡色花岗岩及伟晶岩侵位的围岩岩性差别判断，肉切村群在该区域的厚度能达到200～300m。藏南拆离系不仅是高喜马拉雅折返隆升、淡色花岗岩岩浆的迁移的边界和通道(Hodgesetal.,1992;Searleetal.,2003)，同时也是熔体聚集、富锂矿物结晶的重要物理屏障。因此，作为藏南拆离系韧性剪切带位置的肉切村群，特别是其下部的北坳组同上部“黄带层”的边界是寻找伟晶岩型锂矿床的重要部位。作为岩浆演化的反馈作用，含锂辉石伟晶岩的出现代表岩浆及热液中富Li、F、H2O等挥发份，从而降低岩浆粘度，又能进一步促进拆离断层的伸展构造活动(Corthoutsetal.,2016)，使得珠穆朗玛拆离断层滑移距离超过了34km(Burchfieletal.,1992)，Searleetal.(2003)甚至认为藏南拆离系沿倾向(倾角为5°～10o)滑动距离能达至100～200km，因此，淡色花岗岩有更加足够的空间距离进行岩浆结晶分异演化。