新疆阿尔泰潜在的中大型铍矿床:以冲乎尔伟晶岩为例

2023-11-02吕正航刘堃张辉唐勇

岩石学报 2023年11期

吕正航刘堃,2 张辉唐勇

1. 中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压实验室,贵阳 550081 2. 中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049

稀有金属是指地壳丰度低、提取分离难度大但具有特殊物理化学性质的金属。我国只把锂、铍、铌、钽、铷、铯、锆和铪等金属元素称为稀有金属(邹天人和李庆昌, 2006)。近年来,“四稀”(稀有、稀土、稀散、稀贵)矿产之一的稀有金属被多国和组织列为战略性关键矿产(翟明国等,2019),继而引发了极大的研究和勘查热潮。铍(Be)是原子量仅次于锂的超轻金属元素,具有无磁、抗腐、高硬度、高热吸附性等特点(Tayloretal., 2003),其产品主要用于工业、航空航天、国防、电子及电信基础设施等战略及新兴领域(USGS, 2022)。美国作为全球最大的铍储产国,高纯铍金属向来被该国国防部视为战略关键资源之一(Foley, 2017),足见其重要性。相较而言,我国的铍资源在国际储量和产量上的占比较低,对美的进口依赖程度高达约70%(Gulleyetal., 2018),资源供应存在较大风险。然而,目前对稀有金属的富集成矿研究及勘查主要集中在锂资源之上,而对铍等其他稀有金属的关注较少。

根据成矿岩石类型,全球的铍矿床可分为火山岩型、花岗岩型、伟晶岩型、云英岩型、矽卡岩型、碳酸岩型和石英脉型(饶灿等, 2022)。我国的铍矿床类型丰富,分布广泛,但优势类型和产地高度集中,主要以伟晶岩型和火山岩型为主,花岗岩型和矽卡岩型次之,且集中分布在新疆、四川、内蒙古、云南和江西(李建康等, 2017)。最近,在西藏喜马拉雅成矿带中发现的错那洞矽卡岩型铍矿规模预计达超大型,预示巨大的铍成矿潜力(李光明等, 2017)。新疆是我国当前最重要的铍矿产地,产出了可可托海超大伟晶岩型铍矿和白杨河特大火山岩型铀铍矿,二者分别以绿柱石和羟硅铍石为主要矿石矿物,合计探明的BeO储量超过10万t(Lietal., 2015; 邹天人和李庆昌, 2006)。新疆阿尔泰是我国最早的铍矿产区之一,可可托海3号伟晶岩中已探明的BeO储量超过6万t(邹天人和李庆昌, 2006),为新中国的国防经济建设做出了重要贡献,因此被称为“功勋矿”。历经半个多世纪的开采,其中的铍等稀有金属资源已近枯竭。而火山岩型铀铍矿开采所面临的环境压力,以及其他类型如矽卡岩型,其矿石矿物符山石和方柱石的利用存在难度,导致利用受限。

长期以来,对新疆阿尔泰稀有金属成矿研究和资源开发主要局限于中阿尔泰的可可托海至哈龙一带,而南部的琼库尔和南阿尔泰地体目前仅发现一些小型矿床和矿化点。近年来,笔者在琼库尔地体中冲乎尔一带的伟晶岩中发现了大量的绿柱石晶体。这些伟晶岩规模较大,但由于Be的成矿主要集中于脉体内部的石英-白云母结构带内,因此其成矿潜力被严重低估。本次研究以代表性的铍矿化伟晶岩脉为研究对象,开展全岩Be含量、绿柱石矿物学和年代学等研究,目的在于揭示其成矿时代、物质来源和分异演化程度,进而对伟晶岩中铍等稀有金属成矿潜力进行评价,以期为阿尔泰未来的稀有金属矿床勘查提供思路。

1 地质背景

1.1 区域地质

中国新疆阿尔泰位于中亚增生造山带的西段,是古生代阿尔泰岩浆弧的重要组成部分,其北、西、南、东分别与俄罗斯山区阿尔泰、哈萨克斯坦矿区阿尔泰、中国准噶尔盆地和蒙古戈壁阿尔泰相连。根据构造、地层、岩浆和变质变形等特征,新疆阿尔泰可分为四个地体,从北到南分别为北阿尔泰、中阿尔泰、琼库尔地体和南阿尔泰(图1;Yuanetal., 2007)。

图1 中国阿尔泰地质简图(据Windley et al., 2002; Lü et al., 2021)Ⅰ-北阿尔泰地体;Ⅱ-中阿尔泰地体;Ⅲ-琼库尔地体;Ⅳ-南阿尔泰地体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

北阿尔泰位于红山嘴-诺尔特断裂以北,主要出露浅变质的泥盆-石炭纪的变火山岩(Windleyetal., 2002)和志留-泥盆纪的花岗斑岩和花岗岩(袁峰等, 2001; 吕正航等, 2015; 秦纪华等, 2016)。

中阿尔泰是新疆阿尔泰的主体,位于红山嘴-诺尔特断裂和阿巴宫-库尔提断裂之间。区内西北和东南主要出露一套奥陶纪的巨厚的复理石和火山碎屑岩沉积建造,即哈巴河群(图1),岩性主要为变质砂岩、变质粉砂岩、片岩和变质页岩等,变质程度较高。中部主要为志留纪库尔木提群,为一套浊积质大陆碎屑岩,岩性主要为片岩、混合片麻岩、变质砂岩、变质粉砂岩和千枚岩等(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; Windleyetal., 2002)。花岗质岩石在中阿尔泰大量出露,包括可可托海和哈龙等十余个古生代花岗岩基和一个中生代阿拉尔花岗岩基(图1)。岩性主要为准铝-过铝质钙碱性的I和S型片麻状黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩、斑状黑云母花岗岩等(Windleyetal., 2002; Wangetal., 2006, 2009a, 2014, Sunetal., 2008; Caietal., 2011a, b; Zhangetal., 2017; 王涛等, 2010; 马占龙等, 2015)。此外,有少量的中生代花岗岩株出露(刘文政, 2014; 陈有炘等, 2017)。大量的中生代稀有金属伟晶岩主要形成于此地体中(Wangetal., 2007; Lüetal., 2012; Zhangetal., 2016; Zhouetal., 2018; 任宝琴等, 2011; 马占龙等, 2015)。

琼库尔地体位于阿巴宫-库尔提断裂与克孜加尔-特斯巴汗断裂之间,其间出露泥盆纪阿勒泰组和康布铁堡组,为一套弧火山岩地层,经历了泥盆纪和二叠纪高温变质作用(Jiangetal., 2010; Lietal., 2014)。花岗质岩类主要包括冲乎尔、塔尔浪等数个早古生代岩基和大量二叠纪岩株(图1)。前者主要为英安岩、花岗闪长岩和黑云母花岗岩等,多呈I型;后者主要为黑云母花岗岩、二长花岗岩和石英二长岩,呈I、A和I-A过渡型(王涛等, 2010; 童英等, 2006; Wangetal., 2006; Yuanetal., 2007; Tongetal., 2014; Liuetal., 2018),极少数呈S型(周刚等, 2009)。此外,有较多的二叠纪基性-超基性岩,呈岩脉、岩墙和岩株等出露(Zhangetal., 2010, 2014; Wanetal., 2013; Caietal., 2016)。琼库尔地体中同样出露大量花岗伟晶岩,期次复杂,但成矿作用比较弱(Lüetal., 2018, 2021; Zhouetal., 2018; 任宝琴等, 2011; 秦克章等, 2013)。

南阿尔泰地体位于额尔齐斯断裂以北的构造带上,其北西段被第四纪沉积物覆盖,东南段出露变质沉积岩,岩性主要为泥盆纪石英片岩、混合片麻岩等,以及石炭纪的砂岩和粉砂岩等,显示挤压变形。岩浆岩主要为二叠纪的二长花岗岩和黑云母花岗岩(Briggs, 2007; Tongetal., 2014; 童英等, 2006; 赵玉梅等, 2016),以及喀拉通克周边广泛出露的苏长岩和闪长岩等(Hanetal., 2004)。

1.2 伟晶岩地质特征

本次研究的伟晶岩位于小喀拉苏-切别林伟晶岩田中的冲乎尔伟晶岩区内(图1),直线距离冲乎尔镇约7km。区内岩浆岩非常发育,主要为海西期中粒黑云母花岗岩和中细粒二云母花岗岩,白云母花岗岩呈小岩株局部出露于黑云母花岗岩中。此外还有少量的斜长花岗岩、花岗闪长岩和基性岩。北部出露奥陶纪哈巴河群变质沉积岩,主要为黑云母石英片岩,局部可见蓝晶石-十字石片岩。中部主要出露泥盆纪阿勒泰组,岩性为石英斑岩、砂岩、凝灰岩和千枚岩等(图2)。哈巴河群片岩与花岗岩的接触带上,发育一条宽约2～3km的混合岩化带,沿NW向延伸数十千米。伟晶岩主要分布于海西期黑云母花岗岩和二云母花岗岩,以及哈巴河群片岩中(图2)。区内伟晶岩主要显示Be或Be-Nb-Ta矿化,极少数发育Li矿化。伟晶岩脉体顺层侵入黑云母石英片岩中,走向NNW330°,倾向SE,倾角50°～70°。本文所研究的编号为SEJK01的伟晶岩(48°6′31″N～48°6′7″N,87°16′11″E～87°16′37″E)是区内规模较大且具有一定内部分带的伟晶岩脉。该脉体厚2～12m,出露长度超过800m(图3a)。据矿物组合,其内部可分为文象结构带(25%～30%)、块体长石带(20%～25%)、石英-白云母巢体带(30%～35%)、石英-叶钠长石-锂辉石带(3%～5%)和石英核带(5%～10%)。绿柱石全脉发育,露头上皆可见,主要发育于文象结构带和石英-白云母巢体带中(图3b-e),前者多呈筷子粗细的柱状单晶,直径1～2cm,长大多在10cm以内,浅绿色。后者多为粗晶或集合体,直径2～20cm,浅绿色或灰白色(图3b, c)。锂辉石偶见与石英、叶钠长石、钾长石共生,浅红色,长8～20cm不等,遭受过后期风化作用(图3g),局部可见伴生的锂云母(图3h)。除石英、长石和白云母造岩矿物以外,伟晶岩中非常富集电气石和磷灰石副矿物(图3f, i, j),几乎在各结构带内均有显著发育。矿石矿物主要以绿柱石为主,少量锂辉石和锂云母,而铌铁矿族和细晶石等矿物仅见于人工重砂。

图2 中国阿尔泰冲乎尔地区地质图(据新疆维吾尔自治区地质局, 1966(1)新疆维吾尔自治区地质局. 1966. 1:20万冲乎尔幅矿产图)

图3 冲乎尔萨尔加克01号伟晶岩露头及内部矿物组合(a)伟晶岩局部产状;(b-e)绿柱石粒径及矿物组合;(f)石英-叶钠长石矿物组合;(g)锂辉石等矿物组合;锂云母(h)、黑电气石(i)和磷灰石骸晶(j)产出特征. Ab-钠长石,Ap-磷灰石;Brl-绿柱石;Elb-锂电气石;Lpd-锂云母;Mcc-微斜长石;Ms-白云母;Spd-锂辉石;Qz-石英;Srl-黑电气石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 样品采集和测试方法

本次研究的样品均采自冲乎尔西边的SEJK01伟晶岩。定年样品采自文象结构带,绿柱石样品采自石英-白云母巢体带,全岩样品随机采自发育绿柱石的文象带(1件)和石英-白云母带(6件),每件重量大约20kg。将全岩样品进行颚式破碎,破碎至0.5cm进行充分混合,再挑出500g进行充分研磨至20目左右,取出50g研磨至120目以下,最后取出适量进行化学消减和ICP-MS测试。将定年样品依次进行破碎、筛选、淘洗和磁选等,选出用于定年的独居石矿物,然后制作成树脂靶。用于测试的绿柱石均采自石英-白云母带,其中,SEJK-22-B1样品(图3e)呈浅灰绿色,局部呈乳白色,自形至半自形,粒径约5cm;SEJK-22-B2样品(图3c右侧绿柱石)呈浅蓝绿色,局部灰白色,较自形,粒径约5cm;SEJK-70-1A(图3d)晶体较大,自形,粒径超过10cm,浅绿色, 内部有烟灰色石英。样品进行光薄片和激光片制备。

独居石和绿柱石样品的背散射成像(BSE)、绿柱石的电子探针成分分析(EPMA)以及独居石的U-Pb定年研究均在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。BSE和成分分析使用的是JEOL JXA-8230型电子探针,工作条件为加速电压25kV,束流20nA,束斑10μm,元素峰值和背景时间计数分别为10s和5s。天然矿物和人工合成氧化物作为标样计算元素含量,所有结果均进行了ZAF校正。独居石U-Pb定年采用LA-ICP-MS该仪器由ArF 193nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成激光剥蚀系统,再配备Agilent 7900型ICP-MS质谱仪。仪器的运行流程见Huetal. (2015)。仪器的工作条件为激光束斑24μm,频率5Hz和能量密度3J/cm2。U-Pb同位素定年采用哈佛大学独居石117531标样(Tomascaketal., 1996)和标准物质NIST610玻璃作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正。每次剥蚀收集包括20s左右的背景信号和50s样品信号。数据处理(包括样品和背景信号的选择、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)通过软件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。独居石的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。

3 测试结果

全岩微量元素组成结果显示,1件样品(SEJK-22-B1)具有较低的Li(113×10-6)和Be(109×10-6)含量,和相对较高的Nb(56×10-6)和Ta(42×10-6)含量。而其余6件样品都显示了较高的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,以及相对含量较低且变化较大的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件全岩样品对应的BeO含量为0.321%～0.999%。

表1 冲乎尔萨尔加克1号伟晶岩不同结构带的稀有金属含量(×10-6)

背散射成像结果显示,独居石颗粒呈自形-半自形,350～500μm,成像均匀,微裂隙发育和富集磷灰石和石英等矿物包体(图4)。U-Pb定年结果显示(表2),15颗独居石具有非常高的Th(51182×10-6～143409×10-6)和较高的U(815×10-6～15389×10-6),以及相对高的Pb含量(902×10-6～1711×10-6)。其中14个测点显示较为一致的206Pb/238U和207Pb/235U比值,分别介于0.0389～0.0410和0.2701～0.3157,对应的年龄范围分别为245～259Ma和243～269Ma,两组年龄谐和度介于90%～99%(表2、图5a)。另外1个测点(S-Mnz-15)显示较大的206Pb/238U和207Pb/235U年龄(分别为282Ma和421Ma)和较低的年龄谐和度(60%),结合伟晶岩中独居石颗粒含有较多的矿物包体(图4),推测在剥蚀过程中受到内部矿物包体影响。据14个测点的206Pb/238U年龄得到加权平均年龄250.5±3.6Ma(2σ,MSWD=0.29)(图5b),代表伟晶岩的形成年龄。

表2 冲乎尔萨尔加克1号伟晶岩独居石U-Pb年龄测试结果

图4 冲乎尔萨尔加克1号伟晶岩代表性定年独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

图5 冲乎尔萨尔加克1号伟晶岩独居石U-Pb年龄谐和图(a)和206Pb/238U加权平均年龄(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

结合绿柱石颜色、BSE成像特征和电子探针分析结果来看,浅绿色和浅蓝绿色绿柱石通常具有均一且较暗的BSE特征,成分上含有相对高的SiO2(64.51%～65.66%)和BeO(11.98%～12.68%)以及低的Cs2O(0.44%～1.08%)(图6a-d中暗色区域测点;表3)。灰白色和乳白色绿柱石区域则显示马赛克式和网脉状且较亮的BSE特征,成分上具有相对低的SiO2(62.13%～63.81%)和BeO(10.50%～11.54%)以及高的Cs2O(3.03%～5.33%)(图6a, b, d中不规则的发亮区域测点;表3)。其他BSE亮度介于上述二者间的绿柱石区域,具有中等含量的SiO2、BeO和Cs2O。此外,不同期次绿柱石的Na2O(1.06%～1.86%)、Li2O(0.56%～1.39%)和FeO*(全铁,0.05%～0.64%)相对含量变化也较大(表3)。BeO、Na2O、Li2O和Cs2O含量变化较大反映了碱金属对Be不同程度的置换。背散射成像结果显示,部分绿柱石具有马赛克式(图6a, d)和不规则网脉状(图6b)的成像特点,反映后期遭受多期次的流体改造。相较而言,含有自形锌尖晶石的绿柱石(图6c)通常成像较为均匀且Cs2O含量(>1.0%)较低,反映原生的绿柱石成像和成分特点。面扫描结果显示,不同亮度的绿柱石区域中的Cs2O含量变化较大,是引起BSE成像亮度变化的重要原因(图6d)。如图6a, b和d中测点所示,较亮的区域具有高的Cs2O含量(3.31%～5.14%),反之则Cs2O含量较低(0.44%～0.91%)。局部可见网脉状结构发育在马赛克结构之上(图6d),并且前者具有更高的Cs2O含量(见图6b和d中测点),表明网脉状结构的绿柱石形成时间更晚。

图6 冲乎尔萨尔加克1号伟晶岩绿柱石的BSE成像特征和碱金属元素面扫描(a)马赛克式的绿柱石BSE特征;(b)发育于原生绿柱石中的网脉状绿柱石;(c)原生绿柱石及其中的锌尖晶石矿物包体;(d)马赛克式和网脉状的绿柱石BSE特征;图中圆圈和数字为测点位置、编号和Cs2O含量.不同期次绿柱石中Cs(e)和Na(f)的含量分布. Ghn-锌尖晶石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 讨论

4.1 物源对Be成矿的制约

现有研究表明,物源和岩浆分异是控制Be富集成矿的两个重要因素。物源上,阿尔泰以发育数量众多的绿柱石伟晶岩以及国内唯一已开采闭坑的超大型Be矿可可托海3号脉。与松潘甘孜-西昆仑和江南造山带中的中大型稀有金属矿床对比不难发现,二者的优势稀有金属矿产分别为Li和Ta(Nb),显著不同于阿尔泰,表明不同造山带中的稀有金属禀赋有所差异。笔者曾对阿尔泰大量的稀有金属矿床开展年代学和同位素研究,结果显示阿尔泰至少存在四期(泥盆纪、二叠纪、三叠纪和侏罗纪)伟晶岩稀有金属成矿事件(表4),成岩成矿峰期为三叠纪(Lüetal., 2012, 2018, 2021; 吕正航等, 2015; 张辉等, 2019)。不同时代的稀有金属矿床都显示亏损的Hf同位素特征(图7),表明源区以新生或年轻的地壳物质为主,显著区别于松潘甘孜-西昆仑和江南造山带伟晶岩源于古老地壳物质。上述差异表明阿尔泰在源区上具有Be成矿的禀赋,可能与新疆阿尔泰作为陆缘岩浆弧的地体属性及其中大量发育的火山岩有关。此外,阿尔泰不同时代的矿化伟晶岩也显示出同位素差异。同造山的泥盆纪伟晶岩与晚二叠世的部分伟晶岩产出小型的Be-Nb-Ta±Li矿床,显示中等亏损的Hf同位素组成,εHf(t)和二阶段模式年龄分别主要为+4.5～+8和1.09～0.86Ga;二叠纪的稀土矿化伟晶岩则显示显著亏损的Hf同位素组成,εHf(t)值主要介于+6～+10和二阶段模式年龄0.86～0.63Ga(Lüetal., 2018,2021);与上述伟晶岩不同,三叠纪的伟晶岩产出了大多数中型至超大型稀有金属矿床,如可可托海3号脉、柯鲁木特112号脉、阿祖拜和阿斯喀尔特等Be矿化伟晶岩(Lüetal., 2012; Tangetal., 2021; 陈剑锋和张辉, 2011),且以相对富集的Hf同位素组成,即εHf(t)普遍小于+2和二阶段模式年龄大于1.09Ga。本次研究所涉及的冲乎尔伟晶岩形成时间为250.5±3.6Ma(图5),属于二叠纪末期至三叠纪早期。该时期处于阿尔泰弧与准噶尔弧碰撞后伸展阶段,幔源岩浆底侵为壳源物质的熔融提供了条件(Lüetal., 2021)。琼库尔地体中含有大量的古生代火山岩物质,以阿勒泰组火山沉积地层为代表。众所周知,火山岩型Be矿是全球最重要的Be矿床类型之一,以美国Spormountain矿床为代表。古生代时期的琼库尔地体处于弧前盆地演化阶段,沉积于其中的火山岩物质随着洋壳俯冲被带入地壳深部进行改造和循环,继而为该地体中的伟晶岩及其Be成矿提供了物质基础。冲乎尔伟晶岩其同位素组成εHf(t)和二阶段模式年龄分别为-0.32～+1.52和1.30～1.18Ga(Lüetal., 2021),显著不同于其他晚二叠世至早三叠世的稀有稀土矿化伟晶岩,而与晚三叠世矿化伟晶岩的同位素组成非常相似(图7),表明冲乎尔伟晶岩具备Be成大矿的物质基础。

表4 中国阿尔泰典型稀有金属伟晶岩的矿化类型、规模及成矿时代

图7 新疆阿尔泰矿化伟晶岩的锆石Hf同位素组成数据引自Lü et al., 2012, 2018, 2021;Zhang et al., 2016;陈剑锋和张辉,2011;刘文政,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溶解度对Be成矿的制约

瑞利分馏模拟结果显示,含有6×10-6Be的花岗质岩浆需经75%左右的分离结晶才能达到绿柱石饱和的35×10-6Be含量阙值;而要达到富绿柱石伟晶岩所具备的Be平均含量200×10-6,则需要高达99.6%的分离结晶(London, 2015)。因此,绿柱石的出现代表着伟晶岩岩浆经历了较高程度的分异。然而,绿柱石的出现并不意味着Be的矿化程度高。比如发育在边缘文象结构带中的绿柱石,主要受控于降温引起的绿柱石饱和(Evensen and London, 2002),反映岩浆侵位前经历了一定(约75%)的分离结晶作用,岩浆中也初步富集了一定的BeO(≥35×10-6),但这样的伟晶岩其BeO通常难以达到工业品位,如加曼哈巴、也留曼和库卫等地的含绿柱石伟晶岩,其文象带中的绿柱石晶体普遍较小且数量较少。而由ASI主导的机制则不同,该机制是Be富集和绿柱石晶出的重要途径(Evensen and London, 2002)。一方面,Be在富绿柱石的伟晶岩岩浆中对所有的造岩矿物皆不显示相容性,随着长石、石英等矿物的晶出,Be元素得以富集;另一方面,石英-白云母结构带代表强过铝质(ASI为1.3～1.4)的环境,并且以高的Al活度和Si饱和为特征。在温度不变的情况下,ASI的升高会显著降低BeO的溶解度,导致绿柱石晶出。因此,在伟晶岩岩浆演化到由石英和白云母主导的阶段(即ASI增加)之前,必然经历了Be在较低ASI条件下(如长石主导的准铝质环境)的富集过程(通过边界层熔体实现,London, 2014),而当残余体系的ASI增加后,绿柱石因BeO溶解度降低而晶出。萨尔加克01号伟晶岩从矿物组合上显示LCT(富Li-Cs-Ta)伟晶岩的特征,其初始岩浆应为过铝质熔体(ASI>1.1)。该脉主要由文象结构带(25%～30%)、块体长石带(20%～25%)和石英-白云母带(30%～35%)组成,而前两个带主要矿物为微斜长石和石英,以及较多的磷灰石副矿物,反映准铝质的熔体组成(ASI介于1.0～1.1)。当这两个结构带结晶之后,残余体系必然是强过铝质的,以晶出大量的白云母矿物(ASI约为1.3)为特征,形成石英-白云母带。此后,残余的熔体又转变为准铝质熔体,形成了石英-叶钠长石-锂辉石带(3%～5%)和石英核带(5%～10%)。在这过程中,熔体中的Be含量随着文象结构带和块体长石带的结晶得到了进一步富集,而在石英和白云母主导的阶段晶出绿柱石矿物。

实验结果表明,温度不变情况下,ASI从1.05增加至1.24,BeO溶解度从1118×10-6骤降至289×10-6(Evensenetal., 1999),这意味着大约75%的BeO从熔体中晶出。此外,实验研究表明,在相似温压条件下的低Be丰度的熔体中,Be只对斜长石(An31)和白云母是相容的。而在高Be丰度(达到绿柱石饱和)的熔体中,Be对所有的造岩矿物皆显示不相容性(Evensen and London, 2002)。以可可托海3号脉石英-白云母带为例,作为Be的主要矿化带之一,其中的石英、白云母和长石中Be的平均含量非常低,分别低于60×10-6、50×10-6和10×10-6(周起凤, 2013; 唐宏和张辉, 2018)。因此,对于缺乏其他富Be矿物的绿柱石伟晶岩来说,其中的Be含量主要受控于绿柱石数量。

4.3 岩浆分异对Be成矿的制约

冲乎尔伟晶岩文象结构带中普遍发育绿柱石,Be含量为109×10-6,表明岩浆侵位前经历了较高的分离结晶作用。此外,伟晶岩显示出较好的内部分带,且发育锂辉石、锂云母和锂电气石等矿物(图3f-h),表明岩浆侵位后又发生了分异。以绿柱石成分为例,其中的碱金属氧化物含量与BeO具有非常好的负相关性(图8a),表明前者对后者的置换。而绿柱石中碱金属的含量往往与熔体的分异程度呈正相关。冲乎尔伟晶岩绿柱石中的碱金属含量非常高(图8a),尤其是Cs2O含量,基本达到了可可托海3号脉绿柱石的Cs含量水平(图8b),表明了极高的分异程度。矿化带内Be含量高达1154×10-6～3597×10-6。此外,脉体中的绿柱石晶体普遍较大,笔者目前已发现的不完整绿柱石晶体直径超过20cm(图3b),意味着Be的高度富集。绿柱石主要形成于石英-白云母带中,与其共生的造岩矿物石英(50%～60%)、白云母(25%～30%)和长石(5%～10%)以及副矿物磷灰石(1%左右)中Be的含量非常有限。萨尔加克01号伟晶岩石英-白云母带中的BeO含量为0.321%～0.999%,平均0.590%,超过工业品位0.096%。按照该结构带占全脉25%～30%比例计算,全脉BeO平均含量0.15%～0.18%。按照脉体出露长度890m(卫星图上测量)、平均厚度6m、向下延伸长度290m(长度的1/3),以及长英质岩石比重2.7g/cm3计算,该脉体的BeO科研预估储量为6272～7526t。如果仅按照石英-白云母带的比例和BeO品位计算,该脉体中石英-白云母结构带内BeO科研预估储量为4027～14619t,达到中大型规模。需要说明的是,针对矿化结构的品位测量比整条脉体的全岩品位敲定更加科学,对具有内部分带的伟晶岩尤其重要。本次计算的BeO科研储量仅限于石英-白云母带,低于全脉实际的储量。虽然估计的脉体延深长度等存在不确定性,但所研究区域有多条脉体同时出露,露头上皆发现绿柱石矿物,且延伸较长。如果将这些脉体纳入考量范围,区域内的BeO储量更加可观。受制于出露条件,先前的勘查工作(新疆维吾尔自治区地质局, 1966)在不了解伟晶岩内部矿化特征的情况下,BeO的品位被严重低估。

虽然可可托海3号脉超大型Be稀有金属矿床已闭坑,但阿尔泰现有的Be资源储量仍非常可观。除了本次研究提出的冲乎尔伟晶岩中潜在的中大型Be矿,在中阿尔泰佳木开-群库一带同样出露多条富绿柱石的伟晶岩脉,而且绿柱石大多发育在石英-白云母巢体带中,预示着较好的成矿潜力。阿尔泰伟晶岩中的Be富集成矿过程与岩浆的分异演化有关,然而更重要的贡献可能来自伟晶岩源区,这是未来研究阿尔泰伟晶岩稀有金属矿床应当注重的一个方向。