珠峰地區(qū)鋰成礦作用：喜馬拉雅淡色花崗巖帶首個(gè)鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖*

劉晨 王汝成 吳福元 謝磊 劉小馳

1.南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

稀有金屬元素，主要包括稀有親石元素(如：Li、Be)和高場(chǎng)強(qiáng)元素(如：Nb、Ta)。這些稀有金屬元素在新型產(chǎn)業(yè)(如：新能源、新合金)中作為技術(shù)型戰(zhàn)略元素，在過去十年中有著巨大的需求，因此國(guó)際社會(huì)將它們列為“關(guān)鍵金屬元素”(Chakhmouradianetal.，2015；Bensonetal.，2017；Sovacooletal.，2020)。稀有金屬資源，以代表Be的綠柱石、硅鈹石等，代表Nb-Ta的鈮鐵礦族礦物、細(xì)晶石-燒綠石等，代表Li的鋰輝石、鋰云母等典型礦物的富集為特征，主要賦存在過鋁質(zhì)花崗巖和偉晶巖中(Linnen and Cuney，2005)。

喜馬拉雅淡色花崗巖與典型的稀有金屬花崗巖在巖石學(xué)和地球化學(xué)特征上具有明顯的相似性。王汝成等(2017)的研究表明，喜馬拉雅淡色花崗巖的稀有金屬(Be-Nb-Ta)成礦范圍廣，具有良好的稀有金屬成礦潛力,可成為中國(guó)重要的稀有金屬成礦帶。這一發(fā)現(xiàn)在很大程度上推動(dòng)了喜馬拉雅地區(qū)稀有金屬成礦潛力的研究。Liuetal.(2020)的工作發(fā)現(xiàn)，在普士拉地區(qū)，珠穆朗瑪峰西北44km處，存在數(shù)十條寬約0.5～3m的鋰輝石(-透鋰長(zhǎng)石)型偉晶巖脈體，全巖Li含量高達(dá)8460×10-6，首次將普士拉地區(qū)確定為喜馬拉雅淡色花崗巖帶中重要的Li成礦點(diǎn)。

鋰(Li)作為最輕的“關(guān)鍵金屬元素”，被廣泛應(yīng)用于新興技術(shù)(如：可充電電池)、核聚變技術(shù)甚至醫(yī)學(xué)(Gourceroletal.，2019；Bibienneetal.，2020)。鋰成礦偉晶巖占全球鋰產(chǎn)量的50%～60%(Bowelletal.，2020；USGS，2021)。普士拉地區(qū)的鋰成礦作用主要體現(xiàn)在鋰輝石-透鋰長(zhǎng)石型偉晶巖的產(chǎn)出(Liuetal.，2020)。普士拉東南方不遠(yuǎn)處的珠峰前進(jìn)溝地區(qū)，在最近的淡色花崗巖地質(zhì)考察過程中，我們發(fā)現(xiàn)了偉晶巖中晶形完好的綠柱石以及具有褐紅色-淺紅色多色性特征的鐵鋰云母，表明該地區(qū)具有明顯的鋰成礦潛力。在本次研究中，我們研究并確定了珠峰前進(jìn)溝地區(qū)淡色花崗巖的鋰成礦特征，希望能引起大家對(duì)珠峰地區(qū)鋰成礦作用的關(guān)注。

1 地質(zhì)背景與巖相學(xué)特征

喜馬拉雅淡色花崗巖是青藏高原廣泛分布且獨(dú)具特色的地質(zhì)組成,東西長(zhǎng)1500多千米，南北寬100千米，是世界上最大且最典型的淡色花崗巖帶之一(吳福元等，2015；Wuetal.，2020)。按照其分布特征劃分為南部的高喜馬拉雅淡色花崗巖帶和北部的特提斯喜馬拉雅淡色花崗巖帶。珠峰地區(qū)淡色花崗巖位于高喜馬拉雅淡色花崗巖帶的中部，淡色花崗巖整體沿絨布峽谷廣泛分布(圖1a)。沿著絨布峽谷向南，是眾多珠穆朗瑪峰攀登者的行進(jìn)路線，同時(shí)也是我們研究珠峰淡色花崗巖理想場(chǎng)所。淡色花崗巖和偉晶巖在前進(jìn)溝的南北兩側(cè)出露(圖1b)，我們系統(tǒng)采集了不同的淡色花崗巖和偉晶巖樣品，并在前進(jìn)溝溝口海拔～5400m的巨大滾石(峰頂冰劈作用形成的碎石墜落)上采集到了鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖(圖1c)。

圖1 珠峰地區(qū)地質(zhì)概況(a)珠峰地區(qū)絨布峽谷地質(zhì)圖(據(jù)Cottle et al.，2015修改)；(b)珠峰地區(qū)前進(jìn)溝淡色花崗巖野外照片；(c)珠峰地區(qū)前進(jìn)溝鋰成礦偉晶巖手標(biāo)本,Lpd-鋰云母,Znw-鐵鋰云母Fig.1 Geological setting of Qomolangma area(a)geological map of the Rongbuk valley in Qomolangma (modified after Cottle et al.,2015);(b)field picture of leucogranites in Hermit Gorge in Qomolangma;(c)rock specimen of Li mineralized pegmatite in Hermit Gorge in Qomolangma,Lpd-lepidolite,Znw-zinnwaldite

圖2 珠峰前進(jìn)溝淡色花崗巖與偉晶巖巖相學(xué)特征(a)二云母花崗巖光學(xué)顯微鏡照片；(b)白云母花崗巖光學(xué)顯微鏡照片；(c)鈉長(zhǎng)石花崗巖光學(xué)顯微鏡照片；(d)含綠柱石偉晶巖手標(biāo)本照片.礦物縮寫:Kfs-鉀長(zhǎng)石；Pl-斜長(zhǎng)石；Qtz-石英；Ab-鈉長(zhǎng)石；Grt-石榴子石；Mus-白云母；Bt-黑云母；Brl-綠柱石；Tur-電氣石Fig.2 Petrographic features of leucogranites and pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma(a)optical microscopy image of the two-mica granite;(b)optical microscopy image of the muscovite granite;(c)optical microscopy image of the albite granite;(d)rock specimen of the beryl-bearing pegmatite.Mineral abbreviation:Kfs-K-feldspar;Pl-plagioclase;Qtz-quartz;Ab-albite;Grt-garnet;Mus-muscovite;Bt-biotite;Brl-beryl;Tur-tourmaline

2 分析方法

全巖主量元素分析在核工業(yè)二三〇研究所分析測(cè)試中心完成，采用濕化學(xué)分析方法，F(xiàn)利用離子活度計(jì)測(cè)定，其他元素使X射線熒光光譜儀測(cè)定，具體分析步驟參見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14506—2010和DZG93-05，所有主量元素分析結(jié)果的相對(duì)偏差優(yōu)于5%。全巖微量元素(包括稀土元素)分析在聚譜檢測(cè)科技有限公司(南京)使用ICP-MS完成，儀器型號(hào)為Agilent 7700X，分析方法參見Qietal.(2000)，使用標(biāo)樣USGS的BHVO-2，AGV-2和W-2，以及GeoPT9的OU-6用于校準(zhǔn)，微量元素的分析精度優(yōu)于10%。

本次研究樣品的光學(xué)顯微鏡圖像和背散射(BSE)圖像的拍攝以及礦物主量元素分析在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。拍攝BSE圖像所用儀器為Zeiss Supra 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和JEOL JXA-8230電子探針。礦物主量元素使用電子探針(JEOL JXA-8230)進(jìn)行測(cè)定，工作條件為：加速電壓15kV，束流20nA，束斑直徑1μm(云母束斑直徑為5μm)。分析礦物包括鐵鋰云母-鋰云母和黑電氣石-鋰電氣石，礦物的主要組成元素的峰位時(shí)間為10s，次要組成元素峰位時(shí)間為20s，背景測(cè)定時(shí)間為峰位時(shí)間的一半。分析標(biāo)樣為天然礦物鐵橄欖石、角閃石、磷灰石、黃玉等。數(shù)據(jù)由ZAF程序進(jìn)行統(tǒng)一校正。

3 分析結(jié)果

3.1 全巖成分

表1列出了珠峰前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖的全巖主、微量元素組成分析結(jié)果。其主量元素具有以下特征：富Si和Al，SiO2和Al2O3含量分別大于75.1%和13.6%；富堿低Ca，Na2O+K2O含量為9.2%～9.6 %，CaO含量為0.3%～0.4%；TiO2和MgO含量較低，分別低于為0.02%和0.06%。同時(shí)也顯示過鋁質(zhì)特征(ACNK=1.05)。其微量元素具有以下特征：稀土總量極低，僅為1.0×10-6～2.6×10-6;具有明顯的Eu負(fù)異常，明顯四分組效應(yīng)(圖3)；稀有金屬元素含量較高，如Be (39×10-6)、Nb (35×10-6)、Li (855×10-6)等；Rb/Sr比值高(67～112)，Nb/Ta比值低(2.5～2.9)，Zr/Hf比值低(18.7～19.1)。

表1 珠峰前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖全巖主量(wt%)和微量(×10-6)元素成分Table 1 Major (wt%)and trace (×10-6)element compositions of the elbaite-lepidolite subtype pegmatite in Hermit Gorge in Qomolangma

圖3 前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖全巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough，1989)普士拉偉晶巖數(shù)據(jù)來自Liu et al.，2020；詳細(xì)數(shù)據(jù)見電子版附表1Fig.3 Chondrite-normalization REE patterns of the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge (normalization values after Sun and McDonough,1989)Data of the Pusila spodumene-petalite subtype pegmatites from Liu et al.,2020;see detail data in Appendix Table 1

3.2 礦物成分

3.2.1 云母

鐵鋰云母與鋰云母是前進(jìn)溝鋰成礦偉晶巖最主要的鋰礦物，兩者多共生在一起。云母呈板片狀，晶體較大，在手標(biāo)本上可以清晰看到，云母板片達(dá)2～3cm寬。在光學(xué)顯微鏡下，鐵鋰云母和鋰云母具有明顯的多色性，分別為褐紅-淺褐色，淺紅-無色(圖4a)。根據(jù)背散射圖像(BSE)以及電子探針分析(EMPA)，發(fā)現(xiàn)云母的核部較亮的是鐵鋰云母，邊部較暗的是鋰云母(圖4a，b)，鋰的含量從核部向邊緣逐漸增加。核部鐵鋰云母含有約38.5%～49.4% SiO2、約19.7%～21.7% Al2O3、約1.5%～4.6% Li2O、約8.0%～20.6% FeO和約0.5%～1.5% MgO，邊部鋰云母含有約52.6%～57.9% SiO2、約16.3%～19.5% Al2O3、約5.5%～7.1% Li2O、約0.8%～5.4% FeO和約0.1%～0.4% MgO(表2)。

圖4 云母礦物特征與成分(a)光學(xué)顯微鏡照片；(b)背散射圖像,Clb-鈮鐵礦；(c)云母Al(iv+vi)-R2+-Si成分分類圖解(底圖據(jù)Monier and Robert，1986)；圖中引用數(shù)據(jù)來自Jolliff et et al.，1995；Lagache and Quéméneur，1997；Potter et al.，2009；詳細(xì)數(shù)據(jù)見電子版附表2Fig.4 Occurrence and composition of micas(a)optical microscopy image;(b)BSE image,Clb-columbite;(c)micas in the Al(iv+vi)-R2+-Si classification diagram (base map after Monier and Robert,1986),the data sources from Jolliff et al.,1987; et al.,1995;Lagache and Quéméneur,1997;Potter et al.,2009;see detail data in Appendix Table 2

表2 珠峰前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖鐵鋰云母-鋰云母成分(wt%)Table 2 Chemical compositions of zinnwaldite and lepidolite from the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma (wt%)

3.2.2 電氣石

電氣石相較于云母顆粒較小，顆粒小于3mm，手標(biāo)本上可以看到細(xì)小的柱狀晶形。在光學(xué)顯微鏡下，電氣石具有明顯多色性，黑電氣石呈現(xiàn)褐紅-淺褐黃色多色性，鋰電氣石呈現(xiàn)藍(lán)綠-淺藍(lán)綠的多色性，可見明顯的柱狀結(jié)構(gòu)(圖5a)。鋰電氣石常分布在黑電氣石的邊緣(核部為黑電氣石，邊緣為鋰電氣石；圖5a)。背散射圖像下，同樣觀察到很多極細(xì)小的鋰電氣石顆粒(10～20μm；圖5b)。根據(jù)電子探針分析(EMPA)，黑電氣石含有較低的SiO2含量(34.7%～35.6%)、Al2O3含量(32.5%～35.7%)、Li2O含量(0.3%～1.0%)，相對(duì)較高的FeO含量(9.8%～14.2%)、MgO含量(0.1%～0.5%)；鋰電氣石含有較高的SiO2含量(35.4%～36.6%)、Al2O3含量(35.8%～38.0%)、Li2O含量(1.1%～1.6%)，相對(duì)較低的FeO含量(3.5%～8.6%)、MgO含量(<0.1%)(表3)。

表3 珠峰前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖黑電氣石-鋰電氣石成分(wt%)Table 3 Chemical compositions of schorl and elbaite from the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma (wt%)

4 討論

4.1 高分異的鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖

4.2 成礦礦物的指示作用

鋰礦物的結(jié)晶通常具有序列性，鋰電氣石、鋰云母的結(jié)晶，相較于鋰輝石、透鋰長(zhǎng)石，指示巖體具有更高的演化程度(Yangetal.，2021)。前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖，可能要比普士拉鋰輝石(-透鋰長(zhǎng)石)型偉晶巖，經(jīng)歷了更高程度的分異作用。從電氣石的礦物成分變化上看，前進(jìn)溝鋰成礦偉晶巖中的電氣石Mg含量均很低，F(xiàn)e含量不斷降低，Li含量持續(xù)升高，由黑電氣石演化到鋰電氣石；而普士拉鋰成礦偉晶巖中的電氣石從偉晶巖脈體的邊部往核部，先是Mg含量不斷降低，而后Fe含量降低，Li含量逐漸升高，但并未演化到鋰電氣石(圖5c)。電氣石的成分也表明，前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖比普士拉鋰輝石(-透鋰長(zhǎng)石)型偉晶巖代表著更高的巖漿演化程度。

圖5 電氣石礦物特征與成分(a)光學(xué)顯微鏡照片，Elb-鋰電氣石；Sch-黑電氣石；(b)背散射圖像；(c)電氣石成分分類圖解,表中其他數(shù)據(jù)來自Jolliff et al.，1986；Selway et al.，2000；楊岳清等，2010；Liu et al.，2020；Yang et al.，2021；詳細(xì)數(shù)據(jù)見電子版附表3Fig.5 Occurrences and composition of tourmalines(a)optical microscopy image,Elb-elbaite;Sch-schorl;(b)BSE image;(c)tourmalines in the classification diagram,data sources from Jolliff et al.,1986;Selway et al.,2000;Yang et al.,2010;Liu et al.,2020;Yang et al.,2021;and detail data in Appendix Table 3

5 結(jié)論與展望

珠峰地區(qū)前進(jìn)溝鋰成礦偉晶巖，根據(jù)其特征鋰礦物，確定為鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖。全巖地球化學(xué)以及礦物學(xué)研究皆表明，前進(jìn)溝鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖具有極高的演化程度。隨著巖漿演化的進(jìn)行，云母由鐵鋰云母演變?yōu)殇囋颇福姎馐珊陔姎馐葑優(yōu)殇囯姎馐?，F(xiàn)e、Mg含量逐漸降低，Li含量顯著升高，這一特征很好地指示了巖漿演化的趨勢(shì)。鋰電氣石、鋰云母的出現(xiàn)，相較于鋰輝石、透鋰長(zhǎng)石，代表著更高的演化程度，前進(jìn)溝很可能也存在更為多樣的鋰成礦作用，如透鋰長(zhǎng)石、鋰輝石型偉晶巖。

珠穆朗瑪峰，作為世界的第三極，一直以來都是眾多攀登愛好者的圣地，也是我們地質(zhì)工作者最向往的地方之一。本次研究，是我國(guó)藏南喜馬拉雅首次報(bào)道鋰電氣石-鋰云母型偉晶巖的存在，珠峰前進(jìn)溝很可能是繼普士拉(Visonà and Zantedeschi,1994;Liuetal.，2020)之后，喜馬拉雅淡色花崗巖帶中又一個(gè)不同類型的鋰(Li)成礦點(diǎn)。另外，在前進(jìn)溝西北方向以及普士拉北北東方向的熱曲，也發(fā)現(xiàn)了鋰輝石-透鋰長(zhǎng)石型偉晶巖的存在(劉小馳等，2021)。珠穆朗瑪?shù)貐^(qū)眾多不同亞型的含鋰偉晶巖的發(fā)現(xiàn)，表明該地區(qū)是我國(guó)有重要研究前景的一個(gè)鋰(Li)成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

致謝感謝兩位匿名審稿人的寶貴修改意見和建議，以及期刊編輯的精心修改，使文章得以完善。