青海柴北緣地區(qū)茶卡北山鋰鈹稀有金屬偉晶巖型礦床垂向分帶特征

劉承先，孫豐月，錢燁，吳東倩，惠潮，盧寅花

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

隨著近年來新能源、新興材料的發(fā)展，鋰、鈹?shù)汝P鍵金屬越來越受到重視[1]。近年來發(fā)現(xiàn)一批大型--超大型偉晶巖型礦床[2]，特別是在柴北緣地區(qū)發(fā)現(xiàn)一條新的Li--Be成礦帶，茶卡北山鋰鈹偉晶巖型礦床是該成礦帶重要組成部分[3]。前人對于偉晶巖分帶特征進行了大量研究，如幕阜山地區(qū)仁里稀有金屬礦床偉晶巖脈形成以母巖為中心的水平分帶模式[4]或可可托海3號脈礦床偉晶巖形成的“邊緣相--外側帶--中間帶--內(nèi)核”水平分帶模式[5--6]。孫豐月教授帶領團隊于2020年8月在茶卡北山稀有金屬偉晶巖型礦床進行野外調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)了偉晶巖垂向變化規(guī)律，與傳統(tǒng)的偉晶巖水平分帶明顯不同，明確提出了該區(qū)偉晶巖的垂直分帶規(guī)律。本文從偉晶巖垂直分帶思想出發(fā)，通過偉晶巖礦物組合、結構構造的系統(tǒng)梳理，論證了偉晶巖脈形成垂向分帶，同時對偉晶巖脈中發(fā)育的白云母進行系統(tǒng)研究，探討成礦期次，總結偉晶巖演化及稀有金屬礦化規(guī)律，提供偉晶巖分帶新模式，同時為礦床進一步勘查工作提供理論指導。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)位于秦--祁--昆造山帶結合部，地處宗務隆山構造帶東段，宗務隆山南緣斷裂北側(圖1)，區(qū)域經(jīng)歷了復雜的區(qū)域構造演化，顯生宙以來先后經(jīng)歷了柴北緣洋構造域和宗務隆洋構造域的疊加改造[7]。研究區(qū)自新太古代—古元古代形成了早期陸核[8--10]；約在中志留世，柴北緣洋閉合，歐龍—南祁連陸塊發(fā)生陸陸碰撞和陸殼深俯沖作用，形成一個整體[9--13]；早泥盆世，宗務隆洋逐漸擴張形成有限的洋盆，至晚三疊世宗務隆洋閉合形成宗務隆山造山帶[14--16]。研究區(qū)在加里東期至印支期發(fā)生多期造山事件，導致該區(qū)域巖漿活動頻繁，根據(jù)前人[17--18]研究，地區(qū)巖漿活動時代主要有以下幾個階段: 460～475 Ma、440～450 Ma、395～410 Ma、370～380 Ma 以及260～275 Ma。巖石類型從超基性到酸性巖石均有分布，其中晚印支期偉晶巖與稀有金屬礦密切相關[19]。區(qū)域經(jīng)歷多期次巖漿活動和造山旋回活動，形成走向以北西向、北北西和近東西向為主的斷裂，控制了巖漿巖和礦床的分布。

圖1 研究區(qū)位置示意圖(a)和大地構造位置圖(b)[7]Fig.1 Location sketch map (a) and tectonic sketch map (b) of study area

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦床地質(zhì)概況

礦區(qū)出露地層主要為古生代及中生代地層(圖2)，主要為石炭系—二疊系果可山組(CP2g)大理巖、碳酸鹽巖和三疊系隆務河組(T1-2l)粉砂質(zhì)板巖，二者呈斷層接觸，基本呈條帶狀北西--南東向展布；第四系洪沖積物(Qhpal)分布在諸多大小不等形狀各異的河谷兩側。礦區(qū)構造發(fā)育，自北向南近平行發(fā)育8條斷裂構造F1～F8，主體走向為北西--南東向，與地層走向基本一致[20]。

圖2 茶卡北山礦區(qū)地質(zhì)簡圖[20]Fig.2 Simplified geological map of Chakabeishan deposit

礦區(qū)發(fā)育巖漿巖主要為中細粒石英閃長巖和脈巖，其中石英閃長巖沿區(qū)域性斷裂產(chǎn)出，呈北西向長條帶狀展布，部分受變質(zhì)作用已經(jīng)糜棱巖化；脈巖主要為中、酸性巖脈。礦區(qū)發(fā)育不同程度變質(zhì)巖，以青白口紀—奧陶紀茶卡北山組(QbO3c)二云巖--二云石英片巖為主，三疊紀地層出現(xiàn)一定程度變質(zhì)現(xiàn)象。其中石英閃長巖和青白口紀—奧陶紀片巖是含Li--Be礦體的主要賦存地質(zhì)體。

2.2 花崗偉晶巖脈及礦體特征

2.2.1 偉晶巖脈巖相學特征

偉晶巖脈寬多不足1 m，局部寬達1～5 m，多呈北西向展布，長度一般10 cm～200 m。主要產(chǎn)出在茶卡北山組下段二云巖和灰白色中細粒石英閃長巖中，走向主要為北西--東南方向，產(chǎn)狀在20°～50°∠40°～65°之間，與片巖的片理和斷層的產(chǎn)狀基本一致(圖3a)，局部出現(xiàn)反轉或扭曲。偉晶巖脈主要呈脈狀，局部呈囊狀、塊狀。茶卡北山偉晶巖隨著深度變化具有不同的礦物組合和結構構造特征，形成明顯的垂向分帶，根據(jù)巖相學特征進行分類，自深部至淺部依次為：石榴電氣二云母花崗偉晶巖、文象結構電氣白云母花崗偉晶巖(圖3b)、條帶狀構造石榴電氣白云母花崗偉晶巖(圖3d)、含綠柱石石榴電氣白云母花崗偉晶巖、含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖和含鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖(表1)。脈石礦物主要為石英、斜長石、鉀長石、石榴石、電氣石和白云母，礦石礦物主要為鋰輝石和綠柱石，局部出現(xiàn)了鈮鉭鐵礦、鋰云母和鋰電氣石(圖3e-j)。圍巖蝕變主要發(fā)育在構造破碎帶、石英脈、偉晶巖脈、巖體和圍巖接觸帶邊緣，蝕變類型主要為鉀化、鈉長石化、碳酸鹽化、綠簾石化、高嶺土化和白云母化等。

a.花崗偉晶巖脈與片巖接觸帶； b.文象結構花崗偉晶巖； c.含鋰輝石花崗偉晶巖； d.條帶狀構造花崗偉晶巖； e.石榴電氣二云母花崗偉晶巖； f.鈉長石化石榴電氣二云母花崗偉晶巖； g.文象結構電氣白云偉晶巖； h.條帶狀構造石榴電氣白云花崗偉晶巖； i.含綠柱石石榴電氣白云母花崗偉晶巖； j.含鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖。Bt.黑云母;Kfs.鉀長石;Ms.白云母;Pl.斜長石;Qtz.石英;Spd.鋰輝石;Tur.電氣石。圖3 茶卡北山偉晶巖脈野外照片、手標本照片及鏡下照片F(xiàn)ig.3 Field photographs, specimen photographs and microscopic photographs of Chakabeishan pegmatite dikes

2.2.2 礦體特征

目前，礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)礦體58條，礦化體130條，累計探明儲量Li2O：4 636.65 t，BeO：1 010.67 t。根據(jù)礦化特征及偉晶巖賦存巖體，自東北向西南劃分為3條成礦帶，其中Ⅰ號帶圈定礦體17條，Ⅱ號帶圈定礦體33條，Ⅲ號帶圈定鋰鈹?shù)V體8條。就礦化類型，偉晶巖脈自下而上劃分了為無礦化偉晶巖帶、鈹?shù)V化偉晶巖帶、鋰鈹?shù)V化偉晶巖帶和鋰礦化偉晶巖帶(表1)。

表1 茶卡北山偉晶巖脈垂向分帶特征表Table 1 Vertical zonation characteristics of Chakabeishan pegmatite dikes

(1)Ⅰ號偉晶巖帶共計圈定17條礦體，以鋰鈹?shù)V化為主。礦體長度在80～340 m，寬度在0.5～6.3 m，產(chǎn)狀主要為20°～50°∠40°～65°，部分產(chǎn)狀為318°～355°∠40°～65°，礦體主要為含鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖和含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖。平均品位Li2O為0.9%～2.15%，BeO為0.04%～0.08%，局部有Rb、Nb、Ta礦化，但品位較低。

(2)Ⅱ號偉晶巖帶共計圈定33條礦體，以鈹?shù)V化為主。礦體長度在50～660 m，寬度在0.9～6.5 m，產(chǎn)狀主要為20°～50°∠45°～65°，礦體主要為含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖和含綠柱石石榴電氣白云母花崗偉晶巖(圖4)。平均品位Li2O為1.15%，BeO為0.0%4～0.11%，局部有Rb、Cs、Nb、Ta礦化，但品位較低。

圖4 茶卡北山礦區(qū)66勘探線剖面圖[20]Fig.4 Geological section of 66th prospecting line in Chakabeishan deposit erea

(3)Ⅲ號偉晶巖帶，共計8條礦體，礦體規(guī)模均較小，以鈹?shù)V化為主。礦體長度在160 m±，寬度在0.8～2.7 m，產(chǎn)狀主要為30°～60°∠45°～65°，礦體主要為含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖和含綠柱石石榴電氣白云母花崗偉晶巖。平均品位Li2O為1.02%，BeO為0.04%～0.07%，局部有Rb、Cs礦化，但品位較低。

3 分析方法

白云母電子探針成分測試在武漢上譜分析科技有限責任公司完成，儀器型號為日本電子(JEOL)JXA8230，測試條件為：電流：10 nA、電壓：15 kV、采樣時間：10 s。標樣為：透長石(K)、鎂鋁榴石(Al)、鐵鋁榴石(Fe)、透輝石(Ca，Mg)、硬玉(Na)、薔薇輝石(Mn)、橄欖石(Si)和金紅石(Ti)。數(shù)據(jù)校正采用日本電子(JEOL)的ZAF校正方法進行修正。

白云母單礦物微區(qū)原位微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責任公司利用LA--ICP--MS完成，分析用激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas HD，等離子體質(zhì)譜儀為Agilent 7900。激光能量80 mJ，頻率5 Hz，激光束斑直徑44 μm。具體分析條件及流程詳如Liu el al.[21]所示。微量元素校正標準樣品：NIST 610、BHVO--2G、BIR--1G、BCR--2G。對分析數(shù)據(jù)的處理采用軟件ICPMSDataCal完成。

4 礦物地球化學特征

云母是偉晶巖中的主要造巖礦物，不僅是稀有金屬的載體礦物，也能作為稀有金屬成礦標志性礦物，因此白云母所含元素的變化對于偉晶巖演化及礦化具有指示意義[22]。對各相偉晶巖中的白云母進行主微量元素分析，結果顯示各巖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)。各巖相偉晶巖中白云母的主量元素和部分微量元素(Li、Be、B、Zn、Nb、Ta等)發(fā)生了振蕩變化，Li、Rb、Cs等稀有金屬元素逐漸富集。據(jù)孫濤等[23]研究茶卡北山各相偉晶巖中白云母特征處于原生云母(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)之間，表明云母在結晶后受到了后期熱液交代作用。根據(jù)林文蔚等[24]方法計算白云母晶體化學式，根據(jù)Tischendorf et al.[25]對于含Li云母分類圖解顯示(圖5)，各相偉晶巖的白云母類型基本屬于白云母，僅2個點投到了多硅白云母中，在圖解中可以看到云母在向(富鋰)多硅白云母方向演化。

表2 白云母主微量元素數(shù)據(jù)及計算晶體化學式Table 2 Analysis results of major elements, trace elements and calculated crystal formula of muscovite

圖5 含Li云母分類圖解[25]Fig.5 Classification diagram of Li-bearing micas

5 討論

5.1 茶卡北山偉晶巖垂向分帶特征

典型花崗偉晶巖型稀有金屬礦床具有明顯的水平分帶，如甲基卡稀有金屬礦床、幕阜山仁里稀有金屬礦床等礦床，以花崗質(zhì)母巖為中心，偉晶巖脈隨著巖體距離越來越遠，偉晶巖脈分異程度不斷提高，偉晶巖脈的結構構造、礦物組合等形成了明顯的水平分帶[26](圖6a)。這種分帶是以母巖為中心，形成的水平區(qū)域分帶，該分帶內(nèi)的偉晶巖具有相同或相似的巖相學特征及礦化特征。茶卡北山稀有金屬礦床分帶特征具有明顯差異，隨著高程的上升，巖漿演化程度的逐漸增高，偉晶巖脈的礦物組合、結構構造和礦化特征均出現(xiàn)明顯垂向分帶特征，特別是對于垂向延伸較大的偉晶巖脈，發(fā)育明顯垂向分帶(圖6b)。偉晶巖脈自下而上形成了6種巖相，依次為石榴電氣二云母偉晶巖、文象結構電氣白云母偉晶巖、條帶狀構造石榴電氣白云母偉晶巖、含綠柱石石榴電氣白云母偉晶巖、含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖和含鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖6個巖相分帶；各巖相中長石、云母等礦物顆?？傮w隨偉晶巖演化逐漸增大，礦物蝕變程度也在逐漸增強，而電氣石由粗大粒狀集合體向細粒針狀、短柱狀演化。就礦化類型自下而上劃分為“無礦化--鈹?shù)V化--鋰鈹?shù)V化--鋰礦化”4個礦化分帶；同時在越接近礦體的位置，云母含量逐漸增多，粒徑逐漸增大，而電氣石正好相反。這種獨特的垂向分帶發(fā)現(xiàn)對于研究偉晶巖演化及成因具有重要意義，為偉晶巖體系演化提供了新模式。

5.2 偉晶巖分帶成因與稀有金屬成礦機制

London[27]提出3種偉晶巖區(qū)域分帶成因模式：①多期脈動形成；②花崗巖--偉晶巖復合系統(tǒng)處于一個開放環(huán)境下，巖漿幾乎同時開始結晶演化并最終形成不同偉晶巖分帶；③是初始熔融花崗質(zhì)巖漿逐步發(fā)生分異結晶作用的產(chǎn)物，形成的偉晶巖巖漿繼承了花崗質(zhì)巖漿的特性。茶卡北山偉晶巖脈相互之間沒出現(xiàn)穿插現(xiàn)象，表明偉晶巖脈并非多期次形成，而是一期成巖。偉晶巖脈出現(xiàn)明顯條帶狀構造，是典型的巖漿流動分異證據(jù)[28--29]，表明巖漿在隨斷裂及圍巖裂隙上升，在相對密閉穩(wěn)定的環(huán)境中發(fā)生結晶分異作用。各巖相偉晶巖中白云母元素含量發(fā)生振蕩變化是由巖漿冷卻和分異結晶作用導致偉晶巖巖漿體系發(fā)生熔體--流體不混溶作用所形成[30--31]。雖然茶卡北山偉晶巖并未發(fā)現(xiàn)花崗質(zhì)母巖，但其地球化學特征一致，表明偉晶巖體系由一個初始花崗質(zhì)巖漿體系不斷分異演化形成。根據(jù)其野外產(chǎn)狀、巖相學特征及云母地球化學特征顯示，茶卡北山偉晶巖脈出現(xiàn)明顯結晶分異特征，同時熔體--流體不混溶作用又促進結晶分異作用的發(fā)生，偉晶巖巖漿進入圍巖裂隙及斷裂中，形成相對穩(wěn)定密閉的空間，隨著偉晶巖巖漿不斷演化，最終形成垂向分帶(圖6b)，與London提出的第三種模式相類似。

圖6 幕阜山巖體南部偉晶巖水平分帶示意圖[25](a)與茶卡北山偉晶巖垂向分帶示意圖(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)

續(xù)表2 白云母主微量元素數(shù)據(jù)及計算晶體化學式Continued Table 2 Analysis results of major elements, trace elements and calculated crystal formula of muscovite

偉晶巖中云母往往是稀有元素礦化的指示礦物[32]，云母的微量元素變化可以反映偉晶巖結晶分異程度[33--34]，茶卡北山各相偉晶巖脈中白云母地球化學特征同樣反映這個過程，不同類型偉晶巖中白云母所含Be、K含量基本沒有變化，Li、Cs含量逐漸變高，Rb含量在含綠柱石、鋰輝石石榴電氣白云母花崗偉晶巖中的云母達到最高，在僅含鋰輝石偉晶巖中有所下降，表明流體中Rb先于Cs大量進入白云母中，并在該階段大部分流體中Rb已經(jīng)進入到礦體晶體中。隨著巖漿不斷分異結晶，流體作用逐漸增強，Li、Rb、Cs等不相容稀有活潑金屬元素逐漸向流體中富集，同時流體的交代作用又促進稀有活潑金屬元素從已經(jīng)結晶的礦物中進入流體相中，白云母中K/Cs比值可以反映偉晶巖演化的趨勢[35]，隨著偉晶巖巖漿--流體體系演化，Li、Be元素逐漸富集，形成礦化(圖7)。隨著演化程度增加，流體作用逐漸增強，這與鏡下所觀察的現(xiàn)象相一致，礦化偉晶巖中的礦物具有明顯被流體交代痕跡，而不含礦偉晶巖中的礦物則相對較弱，表明巖漿先以分異結晶作用為主，隨著巖漿演化分異程度不斷增高，稀有金屬逐步向流體相中富集，富礦流體不斷對已經(jīng)結晶礦物進行交代，使活潑的稀有金屬進一步富集，最終在偉晶巖上部結晶形成鋰輝石、綠柱石等富含稀有金屬的礦物，形成“無礦化--鈹?shù)V化--鋰鈹?shù)V化--鋰礦化”分帶。

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

5.3 花崗偉晶巖脈成礦期次

根據(jù)野外對偉晶巖脈觀測及室內(nèi)對偉晶巖脈巖相學研究，未發(fā)現(xiàn)偉晶巖脈具有穿切關系，產(chǎn)狀相對統(tǒng)一，顯示偉晶巖脈為一期成巖成礦，可分為2個階段：以分異結晶作用為主的成巖階段和以熱液交代作用和熔體--流體不混溶作用為主的成礦階段。

第一階段：該階段以巖漿分異結晶作用為主，是偉晶巖成巖階段。偉晶巖巖漿沿石英閃長巖巖體和片巖的裂隙充填形成偉晶巖，產(chǎn)狀與圍巖相一致，由于分異結晶作用，初步形成偉晶巖的礦物組合和結構的垂向分帶。

第二階段：該階段以流體交代作用和熔體--流體不混溶作用為主，是礦化的主要形成階段。隨著巖漿演化，熔體--流體不混溶作用逐漸增強，Li、Be、Rb、Cs等活潑元素在揮發(fā)分(F、Cl、H2O等)作用下向流體相中富集。隨著流體作用的增強，流體對已經(jīng)結晶的偉晶巖進行破壞又重新結晶，這一過程使得Li、Be、Rb、Cs等活潑元素進一步富集，并向頂部運移，最終在偉晶巖脈頂部形成了富含鋰、鈹?shù)牡V物。交代作用在偉晶巖脈自下而上逐漸加強，在條帶狀構造石榴電氣白云偉晶巖出現(xiàn)明顯轉變，其下以分異結晶作用為主，交代作用相對較弱，其上則以交代作用為主，礦物顆粒出現(xiàn)明顯由交代作用形成的蝕變。

5.4 成礦規(guī)律

由于元素地球化學特性及巖漿體系不斷演化的原因，偉晶巖脈的礦化形成Li在上、Be在中間、下部無礦的空間分布規(guī)律。目前發(fā)現(xiàn)含礦偉晶巖脈標高主要在3 500～4 500 m之間，表明該高程區(qū)域應為偉晶巖的高級演化區(qū)域，也是主要Li--Be富集礦化帶，且高程較高區(qū)域為Li礦化帶，中間為Li--Be礦化帶，下部為Be礦化帶，最下部是無礦化偉晶巖脈(圖6b)。同時在越接近礦體的位置，白云母含量逐漸增多，粒徑逐漸增大，而電氣石正好相反。因此在找礦勘探中應結合巖相特征，加強該高程區(qū)域勘探。

由于地殼抬升和剝蝕作用的差異，北東方向山體剝蝕程度相對較低，高程較高，頂部以Li礦化為主的偉晶巖得以保存，而南西方向剝蝕程度較大，高程較低，出露以Be礦化偉晶巖--無礦化偉晶巖脈，在地表出露的偉晶巖脈呈現(xiàn)自北東向Li礦化、中部Li--Be礦化和南西方向無礦化的格局，因而對于北東方向高程較高區(qū)域，具有較好的找礦潛力。

6 結論

(1)茶卡北山偉晶巖脈具有垂向分帶特征，根據(jù)巖相學劃分為6個分帶，根據(jù)礦化特征可分為4個分帶。

(2)偉晶巖脈中白云母地球化學特征反映了偉晶巖巖漿體系演化過程，富礦偉晶巖中的白云母明顯富集Li、Rb、Cs等稀有金屬元素。

(3)茶卡北山偉晶巖為一期成巖成礦，主要由結晶分異作用、熔體--流體不相容作用及流體交代作用共同作用，其垂向分帶是偉晶巖巖漿體系不斷演化的結果。