新疆別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦的礦物學特征及其TIMS U-Pb定年

何晗晗， 艾爾肯·吐爾孫， 王登紅， 王瑞江， 陳振宇

(1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院， 北京 100195；2.自然資源部成礦作用與資源評價國家重點實驗室， 中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所， 北京 100037；3.新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局701隊， 新疆 昌吉 831100)

鉭錳礦屬于鈮鉭礦物鈮鐵礦-鉭鐵礦一族，晶體化學式為(Mn,Fe)Ta2O6。鈮鉭礦物多產(chǎn)于世界各地的偉晶巖和花崗巖中，如可可托海3號偉晶巖脈中的鈮鉭鐵(錳)礦、細晶石、重鉭礦等[1-4]，蘇州花崗巖中的鈮鐵礦和鉭鈮鐵礦[5]，法國中央高原Beauvoir花崗巖中的鈮錳礦[6]，瑞士Varutrask 花崗偉晶巖中的鈮鐵礦、錫鉭錳礦、重鉭鐵礦等[7]，西班牙LA Canalita偉晶巖中的鉭鐵礦、鉭錳礦[8]及斯洛伐克Jezuitské Lesy偉晶巖中的鈮鐵礦、重鉭鐵礦等[9]。前人對于鈮鉭礦物作了較多研究，包括礦物的化學成分、物理性質(zhì)等[7,10-13]。近年來，越來越多的研究傾向于通過含鈾副礦物尤其是鈮鉭礦物的U-Pb定年[14-18]，來確定稀有金屬礦床的成礦時代。相較于巖體測年，稀有金屬礦物的年代學測試能夠更加真實地反映成礦年齡[19]，成為確定偉晶巖型稀有金屬成礦時代的最佳方法之一[20]，從而為后續(xù)礦床成因研究、找礦預測等提供有利依據(jù)。

鉭錳礦作為一種重要的鈮鉭礦物，含量上Mn>Fe，Ta>Nb，是鉭元素的主要賦存礦物之一，此外，鉭是我國的緊缺資源[21-22]，對鉭錳礦的年代學與礦物學研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文選取新疆別也薩麻斯礦區(qū)礦化偉晶巖脈中的鉭錳礦為研究對象，應用電子探針測試其化學組成，分析礦物的元素分帶性；通過應用熱電離質(zhì)譜法(TIMS)測定其U-Pb年齡，確定含礦脈體的形成年代，探討礦化與圍巖花崗巖侵入體的成因聯(lián)系，以期為區(qū)內(nèi)后續(xù)稀有金屬找礦工作提供思路。

圖1 (a)新疆北阿爾泰區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[23]); (b)別也薩麻斯礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 (a) Geological sketch map of North Altay in Xinjiang (after Reference [23]); (b) Geological sketch map of Bieyesamasi orefield

1 地質(zhì)背景

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

別也薩麻斯礦區(qū)位于可可托海稀有金屬礦床的北部，其大地構造位置屬于西伯利亞板塊阿爾泰陸緣活動帶的諾爾特晚古生代火山帶[23]。區(qū)內(nèi)出露地層主要有下泥盆統(tǒng)諾爾特組、上泥盆統(tǒng)忙代恰組、上泥盆統(tǒng)庫馬蘇組、下石炭統(tǒng)紅山嘴組[23]以及全新統(tǒng)沖洪積物[24]，巖性以凝灰?guī)r、碎屑巖、絹云綠泥千枚巖、火山沉積巖等為主。構造上，區(qū)內(nèi)發(fā)育多組斷裂，如庫熱克特斷裂(又名紅山嘴或諾爾特)，總體呈NW-SE向展布(圖1a)。區(qū)內(nèi)侵入巖以花崗巖為主，包括二云母花崗巖、黑云母花崗巖、花崗斑巖、石英斑巖等[3,23]。二云母花崗巖體出露面積達上千平方公里，呈巨大的巖基狀向NWW向延伸。二云母花崗巖體可分為外部邊緣黑云母花崗巖(或二長花崗巖)相和內(nèi)部二云母花崗巖(或鉀長花崗巖)相，外部為中細粒結構，向中心逐漸過渡為中粗粒、似斑狀結構。礦物組成主要為斜長石、微斜長石、石英、黑云母、白云母和少量鈉長石。研究區(qū)偉晶巖脈體廣泛發(fā)育(圖1b)，根據(jù)其空間分布關系，將別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)劃分為三個偉晶巖密集區(qū)：阿克布拉克區(qū)、別也薩麻斯區(qū)和馬伊普特區(qū)。

1.2 別也薩麻斯區(qū)偉晶巖脈

別也薩麻斯含礦偉晶巖脈群位于富蘊縣額爾齊斯河上游東側，脈群地處阿爾泰高山區(qū)，海拔2300～3200m，為高山深切割區(qū)[3]，區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)12條偉晶巖脈，樣品編號為L6～L21。

區(qū)內(nèi)出露海西期二云母花崗巖(鉀長花崗巖)，僅局部被第四系殘坡積及沖積物覆蓋[3]。別也薩麻斯偉晶巖脈主要分布在粗粒、似斑狀二云母花崗巖與中粒二云母花崗巖的接觸界帶，以中細粒結構居多，受控于二云母花崗巖中的原生層節(jié)理和區(qū)域北西向構造所伴生或派生的構造裂隙，并受到后期斷裂和褶皺構造的破壞[22]。偉晶巖脈的主要造巖礦物有微斜長石、石英、白云母及少量的鈉長石，常見的副礦物有磷灰石、鋯石、電氣石、石榴子石等，主要的稀有元素礦物有鋰輝石、鈮鉭礦物、綠柱石以及少量的鋰霞石、鋰蒙脫石等[3]。

本文研究的鉭錳礦采集于L18號脈，該偉晶巖脈體產(chǎn)于海西期二云母花崗巖內(nèi)，走向220°，與圍巖界線清楚。脈體可以劃分為石英-白云母與石英核2個結構帶，石英-白云母結構帶占全脈斷面積的30%，石英核占全脈斷面積的70%。稀有金屬礦物主要為鈮鉭鐵礦、綠柱石，其中鈮鉭鐵礦呈黑色，板狀，晶體大小(1～3)cm×(1～2)cm×(0.5～1)cm；綠柱石呈淡綠色，晶形不完整，粒徑約2～5cm。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

鉭錳礦是鈮鐵礦-鉭鐵礦族的一種。鈮鐵礦-鉭鐵礦族屬斜方晶系，晶形多呈短柱狀，沿(100)呈板狀晶體，常見直角柱形，柱體末端呈銳角狀。研究區(qū)L18號偉晶巖脈鉭錳礦呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤。本次采集的鉭錳礦顆粒質(zhì)量18.7g，體積2.5cm3，相當于密度為7.48g/cm3，與鉭鐵礦一致，比鈮鐵礦高(鈮鐵礦的比重為5.2～6.25，鉭鐵礦的比重為6.25～8.25[10])。

2.2 電子探針分析

鉭錳礦成分分析是在中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所電子探針實驗室完成，使用儀器為JXA-8230型電子探針，其工作條件為：加速電壓15kV，探針電流20nA，光束直徑為5μm。電子探針工作條件和礦物標樣參見表1。

2.3 鉭錳礦TIMS U-Pb同位素年代學研究

為了查明鉭錳礦的形成時代及其與圍巖二云母花崗巖體的關系，本次在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心實驗室進行了TIMS U-Pb同位素分析測試。使用儀器為美國ThermoFisher公司生產(chǎn)的 Triton熱電離質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀配置9個法拉第杯和9個離子計數(shù)器接收器以及1個帶有正負離子的電子倍增器，能夠進行快速峰切換，接收器有效接收能力為17%的相對質(zhì)量范圍，儀器具有正負離子檢測功能。在利用Triton熱電離質(zhì)譜儀測定樣品前，使用國際上通用的鉛標準物質(zhì)SRM982、鈾標準物質(zhì)U-500對儀器進行優(yōu)化校準。ID-TIMS數(shù)據(jù)處理使用 PBDAT程序[25]，不一致線和平均權重計算及作圖使用Isoplot程序[26]，利用Stacey-Kramers[27]模式進行普通鉛校正。

表1 電子探針工作條件

鉭錳礦樣品溶樣及同位素稀釋-熱電離質(zhì)譜(ID-TIMS)的U、Pb化學分離實驗詳細流程和條件，與金紅石類似。首先對待測樣品進行清洗，除去表面有機物及雜質(zhì)，采用同位素稀釋法進行U-Pb定年，鉭錳礦的溶解，U、Pb分離和質(zhì)譜分析具體流程參見周紅英等[28]。

圖2 鉭錳礦背散射點位Fig.2 Point locations for electron microprobe analyses of tantalite-(Mn)

3 結果與討論

3.1 鉭錳礦電子探針分析結果

別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)鉭錳礦的電子探針測試結果見表2。測點(BY-1-1～BY-7-4)共計42個，均位于橫跨鉭錳礦橫剖面的一條直線(近于直線)上(圖2a～g)，因此各點的主微量成分可以反映鉭錳礦由邊部到中心的化學成分變化特征。

表2 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦的電子探針分析結果

鉭錳礦在電子探針鏡下呈三種不同顏色：淺灰白色、灰白色及灰色(圖2a～g)，但未表現(xiàn)出分帶性。鉭錳礦中Ta2O5含量也可劃分為三個范圍：51%～58%、59%～64%、69%～75%，電子探針鏡下顏色較淺的鉭錳礦中Ta2O5含量較高。Ta2O5含量介于51.58%～74.80%之間，均值68.49%；Nb2O5含量介于6.15%～27.63%之間，均值13.23%；Ta2O5+Nb2O5含量為78.56%～96.50%，均值81.71%；Ta2O5/Nb2O5=1.91～12.14，變化較大，均值6.94；WO3含量較高，遠高于南平偉晶巖中的錫鉭錳礦(WO3含量為0.25%[11])以及俄羅斯Kolmozero偉晶巖中的鉭錳礦(WO3含量為0.116%[12])。這與W、Sn、Zr地球化學性質(zhì)接近，易于發(fā)生類質(zhì)同象替代有關[11-12]。

將本次測定的鉭錳礦與世界各地偉晶巖中該礦物的化學成分數(shù)據(jù)投于鈮鐵礦-鉭鐵礦四方圖中(圖3a,b)，該圖顯示別也薩麻斯鉭錳礦的Ta/(Ta+Nb)比值略小，但變化較大。鈮鉭族礦物的化學通式為AB2O6，其中A=Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe2+、Pb2+、Sb3+、Bi、U、Th；B=Nb、Ta、Ti、Zr、Fe3+、Sn4+等[1]。以6個氧原子為基礎計算鉭鉭錳礦晶體化學式為: (Mn0.838Fe0.080Ca0.001)0.919(Ta1.468Nb0.449W0.068Si0.033Ti0.005Zr0.002)2.025O6。

3.2 鉭錳礦TIMS U-Pb定年結果

所研究的鉭錳礦采集于別也薩麻斯礦區(qū)L18號偉晶巖脈，呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤。TIMS鉭錳礦U-Pb測年結果如表3和圖4所示。

該鉭錳礦樣品2次測試(測號：H-N-1、H-N-2)中U含量為13.112mg/g、11.845mg/g，Pb含量為3.192mg/g、5.421mg/g，U-Pb諧和年齡為160.13±0.32Ma(MSWD=0.00095，n=2)，206Pb/238U平均年齡為160.1±1.1Ma(MSWD=0.0057,n=2)。這是本文應用TIMS方法獲得鉭錳礦的U-Pb年齡，此次獲得的諧和年齡與平均年齡在誤差范圍內(nèi)一致，表明區(qū)內(nèi)鉭錳礦化主要發(fā)生于晚侏羅世早期。

4 礦化偉晶巖脈與圍巖花崗巖的成因聯(lián)系

根據(jù)巖漿演化規(guī)律，由巖漿熱液形成的稀有金屬礦物，酸性組分趨于晚期富集。同一礦物顆粒，邊部的SiO2、WO3一般高于中心，而CaO、FeO等低于中心，但本次分析結果并不符合這種規(guī)律(圖5a～d)。別也薩麻斯L18號偉晶巖脈的鉭錳礦，中心位置CaO含量較邊部低，SiO2含量除在BY-2點處增高至1.14%外，在其余點處變化不大。因此鉭錳礦并非單純的由結晶分異作用形成，應當受到后期交代作用的影響：一方面發(fā)生SiO2的帶出與CaO的帶入，另一方面也可能對已晶出的稀有金屬礦物重熔和捕集，并在有利條件下進一步富集。

可可托海3號偉晶巖脈據(jù)文獻[4]; 別也薩麻斯為自測; Jezuitské Lesy pegmatite據(jù)文獻[9]; Kenticha rare-metal field據(jù)文獻[29]; Kolmozero pegmatite據(jù)文獻[12]; Petalite pegmatite據(jù)文獻[30]。圖3 (a)不同地區(qū)鈮鉭礦物成分關系；(b)別也薩麻斯偉晶巖脈鉭錳礦礦物成分關系圖Fig.3 (a) Mn/(Mn+Fe) versus Ta/(Ta+Nb) of columbite-tantalites in different mining areas; (b)Mn/(Mn+Fe) versus Ta/(Ta+Nb) of tantalite-(Mn) from Bieyesamasi pegmatite vein

表3 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦TIMS U-Pb分析結果

圖4 別也薩麻斯礦區(qū)鉭錳礦(a)TIMS U-Pb年齡諧和圖與(b)加權平均年齡Fig.4 (a) TIMS U-Pb concordia diagram and (b) the weighted mean ages of tantalite-(Mn) from Bieyesamasi orefield

Fig.5 鉭錳礦橫截面上的各成分含量變化(邊部—中心—邊部)Fig.5 Content variation of major elements along the tantalite-(Mn)’s cross section (edge—center—edge)

L18號偉晶巖脈在空間上分布于中粗粒似斑狀二云母花崗巖內(nèi)，本次通過TIMS方法所獲得的鉭錳礦U-Pb年齡為160.1±1.1Ma。這一數(shù)據(jù)與礦區(qū)內(nèi)石英-鋰輝石偉晶巖脈的鋯石U-Pb年齡(151.0±1.8Ma)[23]、鋰礦區(qū)偉晶巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡(151Ma)[20]相近，表明別也薩麻斯礦區(qū)的含礦偉晶巖形成于晚侏羅世。阿爾泰地區(qū)在二疊紀—侏羅紀期間出現(xiàn)了連續(xù)的成礦作用，形成了特色且復雜的稀有金屬礦床[20]。此次年齡數(shù)據(jù)表明別也薩麻斯鉭錳礦化處于這一密集成礦期的末尾。L18號偉晶巖脈的圍巖為二云母花崗巖，形成于海西期(449Ma[23]；412～396Ma[20,31])，脈體與圍巖侵入體在空間上密不可分，但二者形成時代相差甚遠，因此二云母花崗巖并非礦化偉晶巖的直接成礦母巖。此外，有學者[23]研究表明別也薩麻斯含礦偉晶巖脈與二云母花崗巖的鋯石Hf同位素組成具有一定差異，暗示二者的成巖物質(zhì)來源不同，是不同演化階段的產(chǎn)物，進一步證明了二者不具有成因聯(lián)系。

此類偉晶巖礦化與圍巖花崗巖不具有成因聯(lián)系的情況并非個例。如王登紅等[32-34]研究發(fā)現(xiàn)可可托海3號脈形成于印支晚期—燕山期，也明顯晚于其直接圍巖——輝長巖及附近的海西期花崗巖；楊富全等[20]測得阿爾泰地區(qū)沙依肯布拉克鈹?shù)V區(qū)的偉晶巖(202Ma)和稀有金屬成礦與圍巖花崗巖(406～531Ma)無關。至于出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，存在兩種可能性：①偉晶巖脈附近或深部存在與偉晶巖型稀有金屬(本文指鈮鉭礦)礦化具有成因聯(lián)系的燕山期花崗巖體；②缺失偉晶巖母體花崗巖，即深部巖漿房中的花崗巖熔體在地?；蛳碌貧ち黧w的作用下發(fā)生了長期的分異演化，進一步形成了獨立的偉晶巖巖漿。

5 結論

鉭錳礦是稀有金屬鉭的主要賦存礦物之一，相較于鈮鐵礦、鉭鐵礦等常見鈮鉭礦物而言并不易見，對其研究有限。別也薩麻斯稀有金屬礦區(qū)L18號偉晶巖脈中發(fā)育典型的鉭錳礦，晶形完整粒度較大。本文以礦區(qū)內(nèi)采集的鉭錳礦為研究對象，通過電子探針、TIMS U-Pb測年等方法，獲得了鉭錳礦的化學組成、形成年齡，計算了其晶體化學式，分析了礦化與圍巖花崗巖的成因聯(lián)系。主要結論概括為以下幾點。

(1)采集于別也薩麻斯礦區(qū)L18號偉晶巖脈中的鉭錳礦，呈直角柱狀，黑褐色，半金屬光澤，密度為7.48g/cm3，與鉭鐵礦一致。

(2)鉭錳礦的成分不均，未表現(xiàn)出規(guī)律的分帶性，但礦物顆粒中心部位的CaO含量較邊部低，F(xiàn)eO含量較邊部高。礦物橫剖面上SiO2含量相對穩(wěn)定，TiO2與WO3顯示不規(guī)律的波動。這種特征表明鉭錳礦并非單純的由結晶分異作用形成，也受到了后期交代作用的影響。

(3)通過TIMS法對鉭錳礦U-Pb測年獲得其成礦年齡為160Ma，遠遠晚于圍巖二云母花崗巖，后者并非L18號偉晶巖脈的成礦母巖體。

致謝：TIMS鉭錳礦 U-Pb測年工作得到了中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所侯可軍副研究員的幫助，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院科技信息研究所范光研究員提供了寶貴意見，在此表示衷心的感謝。