蒙古阿尔泰哈勒赞布勒格泰碱性岩有关的Zr-Nb-Ta-REE矿床地质特征、地球化学与成因初探

刘翼飞 江思宏 陈雷 张伟波 曹会 季根源 张博辉 闫鹏程

1. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037 2. 中国地质调查局发展研究中心,北京 100037 3. 内蒙古西金矿业有限公司,巴彦浩特 750300

蒙古国是我国周边国家中国土面积较大、矿产资源丰富且种类较全的国家(聂凤军等,2010; 江思宏等,2019; Gereletal., 2021)。由于矿产勘查程度相对较低,目前大规模开采的金属矿床主要为斑岩型铜多金属矿床、铅-锌-银矿床及金等大宗金属和贵金属矿床,如欧玉陶勒盖、额尔登特和查干苏布尔加斑岩型铜矿床(Khashgereletal., 2006; 侯万荣等, 2010; 江思宏等, 2010; Inametal., 2011; Dolgopolovaetal., 2013; 朱明帅等,2015; Porter, 2016; Tungalagetal., 2019)。同时,蒙古国也是稀有稀土金属矿产非常丰富的国家,典型矿床包括:南蒙古与碱性岩-碳酸盐杂岩有关的胡达格幕使盖(Khudag Mushgai) REE矿床(Nikolenkoetal., 2020)、与碱性花岗岩有关的汗博格多(Khan Bogd) Zr-REE矿床(Kynickyetal., 2011),以及西蒙古与碱性花岗岩有关的哈勒赞布勒格泰(Khaldzan Burgedei) Zr-Nb-Ta-REE矿床(Kovalenkoetal., 1995)。

哈勒赞布勒格泰Zr-Nb-Ta-REE矿床位于蒙古国西部的阿尔泰地区,科布多市的东北方向45km,科布多河的北侧,矿床中心坐标约为91°56′45″E、48°24′18″N。该矿床目前为蒙古国家稀土公司100%持有,Zr、Nb、Ta和REE按照中国资源/储量分类标准均达到了超大型规模,为蒙古国目前规模最大的稀有稀土元素矿床。该矿床主体矿化出露于地表,可进行大规模的露天开采。虽然尚未开发,但该矿床良好的交通位置、巨大的矿床规模以及详细的勘查程度使蒙古国具有重要的稀有稀土元素开发和供应潜力。

前人对该矿床进行了大量的研究,如该矿床早期的发现历程、矿床地质特征(Kovalenkoetal., 1995),碱性岩的岩浆活动及热液交代过程(Kempeetal., 1999),同位素年代学(Kovalenkoetal., 2004),矿物学(Kovalenkoetal., 2004; Kempeetal., 2015, 1999),全岩的地球化学和Sr-Nd同位素特征(Kovalenkoetal., 2009; Kempeetal., 2015)。本文在野外地质填图的基础上,主要开展了矿床的地质特征研究、详细的全岩地球化学和LA-ICP-MS 锆石U-Pb年代学研究,并在此基础上,对稀有稀土元素的富集因素进行了探讨。

1 区域地质特征

中亚造山带位于西伯利亚克拉通、华北板块和塔里木板块等地体之间,由晚元古代至中生代期间的一系列巨型俯冲增生楔、岛弧与微陆块构成(Xiaoetal., 2018;engöretal., 2022;图1a)。研究区构造上属于中亚造山带的中部,蒙古西部阿尔泰地区的科布多俯冲增生楔内(Badarchetal., 2002;图1b)。该增生楔呈北北西方向产出,其西侧与阿尔泰弧后盆地相邻,东侧与湖区岛弧地体相接(图1b),主要包含一套早古生代弧环境下形成的火山-沉积和岩浆岩组合,包括寒武系绿片岩相变质砂岩、千枚岩、大理岩、基性火山岩、凝灰岩,奥陶系砾岩、砂岩、泥岩、页岩、灰岩,志留系枕状玄武岩、玄武安山岩、安山岩、凝灰岩、砂岩和含石墨的页岩等,并被早古生代的辉长岩、闪长岩、辉绿岩脉和花岗岩类侵入。这套岩石被认为是早寒武纪的蛇绿岩组合(570～520Ma)。本区域内的俯冲增生地体在～495Ma以前完成了碰撞作用,随后被大面积的黑云母正长花岗岩侵入(Badarchetal., 2002; Kovalenkoetal., 2004)。在早泥盆世期间,该地区所在的蒙古西北部经历了强烈的伸展构造作用,形成了大量的地堑构造及伸展作用有关的岩浆岩,包括基性侵入岩、碱性的正长岩至花岗岩类(Kempeetal., 2015)。哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体与相关的碱性岩脉群属于这个伸展构造体制的产物,侵入于寒武系岛弧基性火山岩夹大理岩及早奥陶世黑云母正长花岗岩中。在科布多俯冲增生楔东侧的湖区岛弧地块中,也同样产出有与哈勒赞布勒格泰具有类似地质特征的沙日陶勒盖(Shartolgoi,92° 45′E、49° 4′N)等三处碱性正长杂岩体以及相关的碱性正长岩脉群,也发生了显著的Zr-Nb-REE矿化(Kovalenkoetal., 2004),显示这些碱性正长杂岩体是科布多俯冲增生楔与湖区岛弧地块拼贴后强烈伸展构造体制下的产物。

图1 中亚造山带大地构造简图(a)和蒙古国构造简图及蒙古阿尔泰地区主要构造单元(b)(据Badarch et al., 2002修改)Fig.1 Simplified maps showing tectonic setting of Central Asian Orogenic Belt (CAOB) (a) and tectono-magmatic belt of Mongolia (b) (after modified after Badarch et al., 2002)

2 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体地质特征

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体受区域构造的控制呈北西向展布,包括4个出露的岩体(图2a)。其中北侧的Ⅰ号岩体被称为Tsakhir或者Ulann Khuren,Ⅱ号岩体被称为哈勒赞布勒格泰,Ⅲ号岩体被称为Guvan Uneet,Ⅳ号岩体被称为Ulann Uneet(Kempeetal., 1999, 2015)。其中Ⅰ和Ⅱ号规模较大,宽8～10km,构成了整个碱性杂岩体的主体。哈勒赞布勒格泰东北部早奥陶世的黑云母正长花岗岩内(图2b),分布有大量的宽约1m的碱性正长岩脉群,分布范围东西宽大于15km。因此,哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体可能只是出露了其顶部,这些碱性正长岩脉群的深部可能还产出有规模庞大的碱性正长岩体,而上述4个主要岩体在其深部也可能是彼此连通的整体。

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体具有多期次的特征,前人由早到晚识别了8期,包括:(1)碱性英碱正长岩;(2)碱性花岗岩;(3)碱性花岗伟晶岩;(4)碱性流纹岩;(5)稀有稀土矿化碱性花岗岩;(6)碱性玄武岩和辉长岩脉;(7)含晶洞稀有稀土矿化碱性花岗岩;及(8)含白榴石玄武质岩脉和淡色碱性正长岩株(Kovalenkoetal., 1995)。本次研究在野外填图和室内研究的过程中,在该碱性杂岩体中主要识别出以下几个岩相(图2b、图3):(1)钠铁闪石英碱正长岩相,局部石英含量较低岩性为钠铁闪石碱长正长岩;(2)钠铁闪石碱长花岗岩相;(3)稀有稀土矿化的蚀变钠铁闪石碱长花岗岩相; (4)钠铁闪石英碱正长伟晶岩脉和碱长花岗伟晶岩脉带,它们大量分布于岩相(3)与岩相(1)的接触带;(5)碱性橄榄辉长岩、辉绿岩、闪长岩脉/岩株,主要分布于Tsakhir岩体内,侵入于早期就位的钠铁闪石英碱正长岩相内,但由于该地段被第四系大量覆盖,大部分接触关系不清;(6)分布于哈勒赞布勒格泰东部的大量碱性岩脉群,岩性主要为钠铁闪石碱长正长岩、钠铁闪石英碱正长岩、钠铁闪石粗面岩,在该岩体内部也产出有较多的后期碱性岩脉,岩性也与该杂岩体东侧的岩脉群一致,因此岩体内外产出的脉岩可能具有一致的成因。

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体中长英质碱性岩的矿物主要为碱性长石和石英,次要矿物为钠铁闪石和霓石。其中,碱长正长岩和碱长花岗岩中碱性长石大都呈自形晶产出,含量达60%～85%。大部分碱性长石经历了显著的钠长石出溶成为条纹长石。前人研究显示该岩体英碱正长岩的比例较高(Kovalenkoetal., 2004),我们通过对该杂岩体大量样品的显微镜下观察,发现大部分长英质碱性岩的石英含量都>20%,钠铁闪石碱长花岗岩在整个碱性杂岩体的比例可能超过了60%,只有少量的钠铁闪石正长岩和粗面岩的石英小于5%。除了蚀变钠铁闪石碱长花岗岩,其余长英质碱性岩的石英均呈粒间结构产出于碱性长石之间(图4a-d),石英与碱性长石不具有共结结晶的特征,是大量碱性长石结晶后残余熔体不断富集SiO2并结晶的产物。在石英含量最高并发生了稀有稀土元素矿化的蚀变钠铁闪石碱长花岗岩中,可以看到大量的“雪球状”钠长石,主要产出于石英、条纹长石和钠铁闪石之中。主要表现为:在大的石英和钠铁闪石颗粒内,大量细长的纯钠长石晶体彼此交叉产出(图4e);在条纹长石内,大量细长的纯钠长石晶体则顺着条纹长石的生长环带产出,且与条纹长石的钠长石出溶方向不一致(图4f)。碱性长石和石英均没有观察到溶蚀结构。钠铁闪石大都呈自形半自形以粒间结构产出,含量一般可达10%,在钠铁闪石碱长正长伟晶岩中含量可超过20%(图3b-e)。钠铁闪石碱长花岗岩和花岗伟晶岩中可见大量的霓石,含量可达5%以上(图4d)。在钠铁闪石碱长正长岩和英碱正长岩可见自形锆石(图4g),但在钠铁闪石碱长花岗岩及蚀变碱长花岗岩内则少有发现,含锆的矿物主要为硅钙锆石和水硅钙锆石。辉长岩的主要矿物为斜长石、单斜辉石、普通角闪石、碱性长石和橄榄石,次要矿物为霞石,橄榄石通常被单斜辉石和角闪石包围,也可见橄榄石被水化为蛇纹石。碱性辉绿岩的斑晶主要为单斜辉石和角闪石,基质主要为条纹长石(图4h, i)。碱性基性岩的基性矿物如橄榄石、辉石和普通角闪石中可以看到较多的细小硫化物熔体包裹体(<20μm),主要为磁黄铁矿和镍黄铁矿,以及从磁黄铁矿中出溶的黄铜矿等。

稀有稀土矿化主要分布在哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体和Tsakhir岩体内,以前者为主。其中哈勒赞布勒格泰岩体中的稀有稀土元素矿物主要产出于近似圆形的区域内,矿化长约2km(图2b)。1991年估算的资源量为240万t ZrO2@ 1.50%,33.5万t Nb2O5@ 0.20%,1.79万t Ta2O5@ 0.01%,49万t REE2O3@ 0.30%和13.4万t Y2O3@ 0.11%(Kempeetal., 2015)。在2011年至2013年间,蒙古国家稀土公司在哈勒赞布勒格泰开展了详细的勘查,钻探41孔,进尺11200m,并于2014年按照JORC标准提交了勘查报告,含探明及推断的稀土矿石资源量1.18亿t。报道的稀土元素的平均品位分别为:Dy(178×10-6)、Tb(27×10-6)、Nb(517×10-6)、Ta(138×10-6)、Nd(1288×10-6)、Pr(84×10-6)、Nb(1288×10-6)和Ta(84×10-6)(MNREC,2022)。2019年项目组对该岩体的野外地质考察和填图工作显示,蚀变钠铁闪石碱长花岗岩发育了全岩稀有稀土矿化。该岩相与钠铁闪石英碱正长岩和钠铁闪石碱长花岗岩的接触部位,形成了大量的钠铁闪石碱长花岗伟晶岩带,并环绕整个稀有稀土矿化的蚀变钠铁闪石碱长花岗岩产出(图3d, e),宽度可达10～30m。

发育矿化的蚀变碱长花岗岩主要由条纹长石、微斜长石、钠长石、石英、钠铁闪石、霓石和方解石组成。蚀变特征主要表现为手标本上暗色矿物如霓石和钠铁闪石受到热液蚀变后颜色淡化,矿物之间的界限变的模糊,粒间产出有较多紫红色的水硅钙锆石。显微镜下,蚀变碱长花岗岩中石英、条纹长石以及钠铁闪石内含有大量细小的钠长石,构成“雪球”构造(图4e, f),同时也形成大量萤石、白云母和方解石等蚀变矿物,显示哈勒赞布勒格泰长英质碱性岩在演化晚期经历了大规模的流体出溶。在哈勒赞布勒格泰蚀变碱长花岗岩中可以观察到大量细粒的稀有稀土矿物,如烧绿石、氟碳铈矿、独居石、硅钙锆石、富F的水硅钙锆石和萤石等。其中,烧绿石主要呈自形晶产出(图5a, b),为碱性岩浆晚期的热液蚀变阶段最早期结晶形成的稀有金属矿物,矿物晶体具有显著的生长环带,并经历了多期次的热液交代(图5b);硅钙锆石总体上也呈自形晶产出,但其晶型受到早期形成的烧绿石的限制,显示形成于烧绿石之后(图5a),硅钙锆石通常被后期富F的热液多期次交代和溶解,形成富F的水硅钙锆石,并显示出交代残留的特征,但整体还具有硅钙锆石的晶形(图5c)。能谱研究显示,水硅钙锆石含有较高的Nb和F,但这些元素在不同交代阶段形成的水硅钙锆石中具有较大的变化范围。稀土矿物主要为富集轻稀土的氟碳酸盐,如氟碳铈矿(图5d),总体上呈粒间集合体产出于条纹长石和石英之间。这些特征显示,稀有稀土矿化主要形成于碱性岩浆晚期的热液蚀变阶段。

3 样品采集及测试方法

本次研究的样品为项目组于2019年在蒙古开展野外地质考察和填图期间所采集。选取了哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体钠铁闪石碱长正长岩(KB19-69)、钠铁闪石碱长花岗岩(KB19-58)、钠铁闪石碱长花岗伟晶岩(KB19-25)和辉绿岩(KB19-31)及围岩黑云母正长花岗岩(KB19-83)开展了锆石U-Pb测年。

用于锆石U-Pb测年的样品重约2kg,锆石通过常规的粉碎、重液分离和磁选方法进行分离,并制作成锆石环氧树脂靶。在进行锆石U-Pb同位素定年之前,在中国地质科学院矿产资源研究所开展锆石的透反射和阴极发光照片照相,以用于研究锆石的内部结构和成因,并选取没有包体和裂隙的部位开展锆石U-Pb测年。锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所Neptune plus多接收等离子质谱及配套的ESI NWR 193紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)上进行,剥蚀直径采用40μm。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2009)。锆石U-Pb定年分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal(Liuetal., 2010)完成。

本次研究也对该杂岩体进行了主、微量元素分析。全岩主、微量元素分析在核工业北京地质研究院开展。其中主量元素通过AB104L和Axios-mAX 波长色散X射线荧光光谱仪测定,FeO含量由滴定法测定,分析误差<5%。微量元素的含量由PerkinElmer NexION 300D测定,分析误差<5%。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb测年结果

由于钠铁闪石碱长正长岩和蚀变钠铁闪石碱长花岗岩中锆石大都被蚀变为其他含锆矿物,因此只能从中挑选出较为有限的锆石颗粒,这些锆石经历了较为显著的热液蚀变,部分测年数据谐和度相对较低,有效的分析数据见表1。

表1 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体及围岩代表性样品锆石LA-ICP-MS铀-钍-铅同位素测年结果

哈勒赞布勒格泰的围岩黑云母正长花岗岩样品KB19-83中锆石中U和Th含量较为均匀,分别介于136×10-6～526×10-6之间和90×10-6～477×10-6之间,平均值为384×10-6和252×10-6;Th/U比值变化也不大,位于0.5～1.0之间,平均为0.7;所测得的15个年龄数据在一致曲线中接近一致,且集中分布,比较谐和(谐和度>96%,图6a),得出的谐和年龄为462.4±1.4Ma,206Pb/238U年龄加权平均为462.5±2.7Ma,二者在误差范围内一致,代表该黑云母正长花岗岩的结晶年龄,为中奥陶世晚期。

辉绿岩样品KB19-31中锆石的CL图像显示它们没有受到显著的热液蚀变作用,锆石中U和Th含量总体也变化不大,分别介于121×10-6～405×10-6之间和58×10-6～600×10-6之间,平均值为290×10-6和293×10-6;Th/U比值变化较小,变化于0.5～1.3之间,平均为0.9,所测得的11个年龄数据在一致曲线中接近一致,且集中分布,比较谐和(谐和度>95%,图6b),得出的谐和年龄为400.3±3.2Ma,206Pb/238U年龄加权平均为400.2±2.3Ma, 二者在误差范围内一致,代表这些锆石的结晶年龄,显示碱性杂岩体中的辉绿岩侵位于早泥盆世。

钠铁闪石碱长正长岩样品KB19-69可能含有较高的挥发分,CL图像显示其中的锆石经历了一定程度的蚀变(图6f),因此只有5个测点获得了有效的测年数据。这5个测点的U和Th含量分别介于222×10-6～1469×10-6之间和113×10-6～1169×10-6之间,平均值为853×10-6和566×10-6;Th/U比值变化于0.5～0.8之间,平均值为0.6;5个年龄数据的谐和度在89%至99%之间(图6c),给出的锆石下交点年龄为399.6±4.9Ma,206Pb/238U年龄加权平均为399.6±3.3Ma,二者在误差范围内一致,代表这些锆石的结晶年龄,显示碱性杂岩体中的钠铁闪石碱长正长岩相侵位于早泥盆世。

钠铁闪石碱长花岗岩样品KB19-58中锆石的CL图像显示其经历了明显的热液蚀变,该样品中只有11个测点获得了有效的测年数据。这些锆石的U和Th含量分别介于252×10-6～822×10-6之间和9×10-6～477×10-6之间,平均值为468×10-6和158×10-6;Th/U比值变化于0.02～0.6之间,平均值为0.34。由于该岩相中锆石经历了较为明显的蚀变(图6f),所测的11个年龄数据的谐和度在64%至98%之间(图6d),给出的锆石下交点年龄为398.6±4.3Ma,206Pb/238U年龄加权平均为396.6±2.1Ma,二者在误差范围内一致,代表这些锆石的结晶年龄,显示碱性杂岩体中的钠铁闪石碱长花岗岩相侵位于早泥盆世。

钠铁闪石碱长花岗伟晶岩样品KB19-25挑选出了较多的锆石颗粒,锆石的CL图像较黑,具有典型的高U锆石的特征,显示其经历了一定的辐射损伤,其中也包含了一些较小的蚀变锆石(图6f)。该样品中锆石获得了15个谐和度较高的有效测年数据。这些锆石的U和Th含量相对较高,分别介于1283×10-6～2579×10-6之间和749×10-6～3365×10-6之间,平均值为1720×10-6和1365×10-6;Th/U比值变化较小,位于0.6～1.3之间,平均值为0.8。该样品锆石所测的15个年龄数据的谐和度在96%至99%之间(图6e),得出的谐和年龄为402.0±1.2Ma,206Pb/238U年龄加权平均为401.4±2.3Ma,二者在误差范围内一致,代表这些锆石的结晶年龄,显示碱性杂岩体中的钠铁闪石碱长花岗伟晶岩侵位于早泥盆世。

4.2 元素分析结果

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体主要的岩石类型的代表性样品主量元素分析结果见表2。从岩石地球化学数据来看,碱性杂岩体中基性岩硅含量较低,SiO2=42.1%～46.0%,具有较高的铝、钙、铁和镁,Al2O3=13.5%～15.4%,CaO=9.4%～12.0%,FeOT=11.9%～12.5%,MgO=7.8%～9.3%。代表性基性岩样品含有较高的钙和A/NK值(1.9～3.1),它们的CIPW标准矿物中没有石英(Q),但均出现了霞石(Ne),显示为硅不饱和的过碱性基性岩。在碱硅图解上,基性岩样品为碱玄岩和辉长岩(图7a); 在钾钠图解上,为富钠的钙碱性系列(图7d)。

图7 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体代表性样品的碱硅图(a)、A/NK-A/CNK图(b)、钾硅图(c)和钾钠图(d)Fig.7 K2O+Na2O vs. SiO2 (a), A/NK vs. A/CNK (b), K2O vs. SiO2 (c) and K2O vs. Na2O (d) diagrams of representative samples from the Khaldzan Burgedei alkaline complex

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体中长英质碱性岩的主量元素含量具有较大的变化范围(图7a),SiO2=56.9%～77.3%,平均值为69.1%;Al2O3=3.1%～15.9%之间,平均值为11.95%;FeOT=0.8%～15.2%,平均值为5.8%;MgO=0.05%～2.3%,平均值为0.2%;CaO=0.1%～2.7%,平均为0.8%;K2O+Na2O=3.8%～11.8%,平均值为9.5%,Na2O/K2O=0.77～1.55,平均值为1.12。主要元素的含量随着SiO2的增加显著降低,呈现出负的相关性。样品的A/CNK=0.30～1.01,平均值为0.82,A/NK=0.58～1.18,平均值为0.91,大部分样品的CIPW标准矿物出现霓石(Ac),在A/NK-A/CNK图解上(图7b),显示为强过碱性岩石。大部分样品在钾硅图解上为钾玄岩系列和高钾钙碱性系列(图7c),在钾钠图解上则均为橄榄玄粗岩系列(图7d)。

哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体碱性岩微量元素分析结果见表2。辉长岩、辉绿岩具有非常平滑并逐渐向右倾斜的球粒陨石标准化稀土元素配分形态,轻稀土富集,与OIB的分配形态相似,总稀土含量在54×10-6～189×10-6之间,但具有轻微的正Eu异常(Eu/Eu*=1.10～1.22,图8a)。长英质碱性岩具有较高的稀土元素含量,随着硅含量的增加富集趋势不显著,但逐渐出现负Eu异常,其中碱长粗面岩的负Eu异常非常轻微,为0.8,钠铁闪石碱长正长岩和英碱正长岩的负Eu异常平均为0.54,钠铁闪石碱长花岗岩的负Eu异常则为0.48,矿化的蚀变钠铁闪石碱长花岗岩的负Eu异常则非常显著,平均为0.2(图8b-f)。

图8 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体代表性样品球粒陨石标准化稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of representative samples from the Khaldzan Burgedei alkaline complex (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

从原始地幔标准化微量元素蛛网图上可以看出,哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体中基性碱性岩也具有类似OIB的特征,Rb相对亏损,不具有Ba的异常,由左至右,元素的含量相对原始地幔的富集程度逐渐降低,变化总体较为平滑(图9a)。在碱长粗面岩的蛛网图中,则开始出现轻微的Ba异常,显著的Sr、P、Ti异常,Nb、Ce和Zr等成矿元素相对于原始地幔富集了约100倍。随着硅含量的增加,钠铁闪石碱长正长岩和英碱正长岩的Ba、P和Ti异常显著增加,但Sr异常和成矿元素的含量增加不明显。未矿化的碱长花岗岩和碱长正长岩与英碱正长岩相比,Ba、P和Ti异常增强,但Sr异常和成矿元素的含量增加依旧不明显。但在蚀变碱长花岗岩中,Rb、Th、U、Nb、Zr及稀土元素的含量显著增加,部分样品增加到了原始地幔含量的1000倍以上。钠铁闪石碱长花岗伟晶岩与未矿化的碱长花岗岩相似,只有少量富集石英的样品中成矿元素的含量与发育矿化的蚀变碱长花岗岩相似。

图9 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体代表性样品原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化值据McDonough and Sun, 1995)Fig.9 Primitive mantle-normalized trace elements spider diagrams of representative samples from the Khaldzan Burgedei alkaline complex (normalization values after McDonough and Sun, 1995)

5 讨论

5.1 哈勒赞布勒格泰成岩成矿时代

本次锆石U-Pb测年结果显示,蒙古国西部哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体东北侧广泛出露的围岩黑云母正长花岗岩侵位于462.5±2.7Ma(样品KB19-83),与前人开展的单颗粒锆石U-Pb 测年结果～465Ma相似(Kovalenkoetal., 2004),为中奥陶世期间区域碰撞构造作用结束逐渐进入伸展环境下侵位的产物,可能代表了区域内俯冲地体完全拼贴后新生下地壳深熔作用的产物。

由于稀有稀土矿化有关的碱性岩含有较高的U、Th及富F流体,其中的锆石通常经受辐射损伤和热液蚀变成为其他含锆矿物(侯增谦等, 2008; Liuetal., 2019),因此它们中大量锆石的年龄通常谐和度较低,给测年带来了不确定性。前人的矿物学研究也显示该岩体中的锆石具有显著的蚀变特征(Kempeetal., 1999, 2015; Saranguaetal., 2019),因此在该杂岩体不同岩石类型样品中只获得了2～3个有效的单颗粒锆石U-Pb测年数据,也具有较大的变化范围,分布于391～395Ma之间,2件钠铁闪石的Ar-Ar坪年龄分别为～412Ma和405Ma(Kovalenkoetal., 2004)。本次原位LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的结果除了分异程度较高的钠铁闪石碱长花岗岩(样品KB19-58)为～397Ma之外,钠铁闪石碱长正长岩(样品KB19-69)和碱性伟晶岩(样品KB19-25)非常相近,在400～401Ma之间,显示该碱性杂岩体侵位于～400Ma,是区域进入强烈伸展作用后陆下岩石圈地幔部分熔融形成的碱性岩浆就位至地壳浅部的产物。

前人研究认为,哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体的基性岩具有多期次侵入的特点,部分基性岩在长英质碱性岩形成之前侵入,也有部分基性岩浆侵入于先形成的相对低温和半塑性的长英质碱性岩浆房中,因此具有淬火结构(Kovalenkoetal., 2004)。本次锆石U-Pb测年研究显示,哈勒赞布勒格泰碱性岩体中的辉绿岩(样品KB19-31)的侵位年代为400.3±3.2Ma,与其他长英质碱性岩是一致的,是基性岩浆侵入到长英质碱性岩浆房的产物,因此具有快速淬火的灰绿结构。这个过程使基性岩浆受到了长英质碱性岩浆房不同程度的混染,因此结晶度较差的辉绿岩在碱硅图解上投图于碱玄岩-碧玄岩的区域,而结晶度较好的辉长岩则投图于辉长岩区域(图7a)。演化程度较低的长英质碱性岩为钠铁闪石碱长粗面岩和正长岩,其中的主要矿物与其他长英质碱性岩是一致的,主要为碱性长石和石英,次要为钠铁闪石;而碱性基性岩的矿物则主要为橄榄石、富钙普通辉石和普通角闪石,显示碱性基性岩和碱性长英质岩的主要矿物具有显著的差异。同时,碱性基性岩的岩浆为钙碱性系列,碱性长英质岩石的岩浆为橄榄玄粗岩系列。再者,中性的碱性岩在哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体内也非常少见。另外,碱性基性岩中辉石和角闪石内产出的细粒硫化物熔体也显示基性岩浆中的硫是受到长英质岩浆混染和淬火后才突然达到硫饱和并快速出溶的产物(Arndtetal., 2005)。因此,碱性的基性岩与碱性长英质岩并非是相互演化的结果,而是两种不同来源岩浆混染的产物。

5.2 碱性岩浆的演化及稀有稀土矿化的成因

从显微照片可以看出,哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体不同演化程度的长英质碱性岩石均主要由碱性长石(或出溶为条纹长石)和石英组成,并有含量变化较大的钠铁闪石和霓石。其中,石英在大部分岩石中都呈粒间结构产出于碱性长石或条纹长石之间(图4a-d)。从主量元素来看,长英质碱性岩石主要由SiO2、Al2O3、Na2O、K2O和FeOT组成(>98%)。从标准矿物CIPW上来看,长英质碱性岩石英(Q)和碱性长石(Ab+Or)和霓石(Ac)的占比也在～90%。因此,该碱性岩体的演化过程主要受碱性长石、钠铁闪石和霓石分异的控制,这些矿物在不同演化阶段的岩浆中的不同比例形成了他们成分上的主要差异。(Na2O+K2O)-Al2O3协变图解可以看出,二者呈正相关性(图10a),由于碱性长石是由Ab和Or组成,因此岩浆中碱性长石的分异是造成这种主量元素协变关系的主要原因。然而,从Na2O/K2O-Al2O3协变图解可以看出,Na2O/K2O先下降,随后逐渐上升,显示深部来源的碱性岩浆具有相对较高Ab/Or值,因此,在早期演化过程中分异的碱性长石可能具有相对较高的Ab/Or比值(图10d),在岩浆演化至Al2O3=～11%,Na2O/K2O 随着Al2O3含量的降低又逐渐增加(图10b),可能反映了富钠的碱性基性矿物的逐渐富集,如钠铁闪石和霓石(图4d)。钠铁闪石和霓石等矿物同时也是富铁的矿物,从FeOT-Al2O3协变图解也可以看出,FeOT随着Al2O3的降低而逐渐上升(图10c),也显示出全铁含量随着碱性长石的分异而逐渐富集。因此,从主量元素的演化关系可以看出,长英质碱性岩的演化过程主要受到碱性长石分异的控制,使石英含量逐渐增加,在这个过程中富铁和富钠的基性矿物在一定程度上也逐渐富集,进而控制了Na2O/K2O比值和FeOT的演化趋势。

图11 哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体稀有稀土元素演化图解Fig.11 Evolution of REE and rare metals in the Khaldzan Burgedei alkaline complex

Zr、Nb、Ta、REE等成矿元素最终大规模富集于蚀变钠铁闪石碱长花岗岩之中(图11),因此,理解蚀变碱长花岗岩的形成过程是理解哈勒赞布勒格泰稀有稀土矿化能够形成的关键。该岩相最为显著的特征是普遍发育的钠长石“雪球”构造,表现为石英、条纹长石和钠铁闪石中含有大量的细长板状纯钠长石晶体(图4e)。尤其是条纹长石中的钠长石“雪球”构造,是纯钠长石晶体顺着碱性长石晶体的生长环带逐渐生长的结果,且与条纹长石中钠长石的出溶方向具有显著的差别(图4f)。这种条纹长石中的钠长石“雪球”构造,是碱长花岗岩浆在结晶晚期,其中的熔体相达到水饱和共结点并发生了流体(主要为水)的周期性释放,造成了熔体中共结点Ab/Or比值的周期性变化,并由Q-Ab-Or图解的左侧向右侧周期性平移,进而使Ab周期性过饱和而单独结晶。岩相学观察显示,在蚀变碱长花岗岩的石英中普遍发育有熔体包裹体和流体包裹体,并与钠长石“雪球”构造共生,这种熔体包裹体的水含量约为1.4%～2.2%,F含量可达2.5%(Kovalenkoetal., 1995),也进一步证实了钠长石“雪球”构造是岩浆晚期共结花岗质熔体中流体大规模出溶的证据。

哈勒赞布勒格泰蚀变碱长花岗岩的熔体包裹体同样也非常富集稀有稀土元素,其中Nb和Ce含量高达5750×10-6和1450×10-6(Kovalenkoetal., 1995),显示流体的出溶也是大规模稀有稀土矿化得以发生的根本原因,从而使蚀变碱长花岗岩的稀有稀土元素的富集倍数与硅含量相似但未蚀变的钠铁闪石碱长花岗岩相比,提高了约10倍,且不是呈现逐渐演化增加的特征(图7a、图11)。大量的实验岩石学显示,富碱的花岗质岩浆的初始温度较高,侵位能力强,初始水含量非常低,但压力越低花岗质熔体中水的溶解度越小(Johannes and Holtz, 1998; Castro, 2013)。在岩浆上侵的过程中随着矿物的结晶,岩浆在地壳浅部就位以后溶解在粒间熔体的流体容易发生饱和并达到水饱和固相线,使其失去了进一步侵位的能力(Johannes and Holtz, 1998)。因此,在相同侵位水平上产出有两种硅含量相似的钠铁闪石碱长花岗岩和蚀变钠铁闪石碱长花岗岩,却含有差异巨大的稀有稀土元素,其原因正是碱性岩浆在演化至钠铁闪石碱长花岗岩浆的晚期,熔体相中的富F流体也达到了饱和状态,这种岩浆基本上接近固相线,因此难以继续上侵。随后岩浆中富F流体的周期性过饱和并萃取出其中的稀有稀土元素,并聚集于蚀变的碱长花岗岩使其发生显著的蚀变和矿化,而其中富F流体的周期性释放也形成了顺着石英、碱性长石和钠铁闪石等矿物生长环带产出的韵律状钠长石“雪球”构造。

在碱性长英质熔体中,Zr的溶解度与熔体的(Na2O+ Na2O)/Al2O3摩尔比值(NK/A)具有显著的正相关性,在NK/A=2时锆的溶解度可达3.9%(Watson, 1979)。哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体的岩浆演化主要受到碱性长石(A/NK=1和A/CNK=1)分异的控制,而大量的碱性长石的分异,将显著增加残余熔体中NK/A值及残余熔体Zr的溶解度,使Zr能够不断地富集,而不是形成大量的锆石并被逐渐分异和贫化。前人研究显示,哈勒赞布勒格泰碱性岩中熔体包裹体的A/CNK变化于0.34～0.51,A/NK变化于0.34～0.84(Kovalenkoetal., 1995),均显著低于全岩的A/CNK和A/NK值,证明哈勒赞布勒格泰碱性岩浆中熔体的过碱性随着岩浆演化而逐渐加强。于此同时,Zr在熔体包裹体中的含量则高达2.7%(Kovalenkoetal., 1995),这也是演化程度相对较低的碱长正长岩中Zr含量相对较低但是含有自形程度较好的锆石(图4g),而演化程度较高的蚀变碱长花岗岩中Zr含量非常高但锆石却少有发现的原因。

6 结论

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究显示,蒙古国哈勒赞布勒格泰碱性杂岩体中的长英质碱性岩和基性碱性岩具有相似的侵位年龄,均为～400Ma,侵入于～463Ma的黑云母正长花岗岩围岩中。

(2)主量元素地球化学研究显示,哈勒赞布勒格泰碱性岩具有强过碱性的特征。岩浆演化主要受到碱性长石分异的控制,使硅逐渐聚集于晚期粒间熔体之中。随着岩浆的演化和硅的富集,碱性杂岩体逐渐由钠铁闪石碱长正长岩演化为钠铁闪石英碱正长岩以及钠铁闪石碱长花岗岩。在这个过程中,富钠的基性矿物,如钠铁闪石和霓石也逐渐得到富集,使铁含量与铝含量具有粗略的负相关性。

(3)微量元素地球化学显示,哈勒赞布勒格泰碱性岩Ba的负异常随着碱性长石的分异而逐渐增加,Sr的负异常较强,但是没有随着岩浆的演化而增加,显示Sr的负异常是受到源区残留矿物的控制。

(4)岩浆演化过程中同时经历了一定程度的锆石、富集稀土的磷灰石、独居石和磷钇矿,以及富集Nb的异性石的分异,因此在哈勒赞布勒格泰碱性岩浆演化过程中,Zr、Nb、Ta和REE等成矿元素没有得到显著的富集,显示岩浆演化过程并非是稀有稀土元素发生矿化的关键因素。

(5)蚀变碱长花岗岩中的石英、碱性长石和钠铁闪石中普遍发育有顺着晶格生长的钠长石“雪球”构造,并与流体-熔体包裹体共生。这种钠长石的“雪球”构造是水饱和共结花岗质熔体中水的周期性过饱和并释放的产物。

(6)碱性岩浆演化晚期大量水的过饱和和周期性释放萃取成矿元素并汇聚于蚀变碱长花岗岩中,其中Zr、Nb、Ta和REE等元素与硅含量相同但未发生蚀变的钠铁闪石碱长花岗岩相比富集了近10倍,是其发生矿化的根本原因。