新疆阿爾泰柯魯木特112號鈉長石-鋰輝石偉晶巖脈的巖漿-熱液演化與Nb-Ta成礦過程: 來自云母成分變化的啟示

羅耀清 馮浩軒 申萍,3 MENUGE Julian Francis 白應雄 曹沖 武陽

1. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室, 北京 100029 2. 中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049 3. 中國科學院地球科學研究院, 北京 100029 4. 愛爾蘭應用地球科學研究中心(iCRAG), 都柏林 D04 N2E5 5. 都柏林大學地球科學學院, 都柏林 D04 N2E5 6. 華北理工大學礦業(yè)工程學院, 唐山 063210

1 區(qū)域地質(zhì)特征

中國境內(nèi)的新疆阿爾泰造山帶位于中亞造山帶西段,其南部以額爾齊斯斷裂帶與準噶爾板塊相連,東南與蒙古戈壁阿爾泰相接,西北和北部分別為哈薩克斯坦礦區(qū)和俄羅斯山區(qū)阿爾泰(Windleyetal.,2002;Xiaoetal.,2004;圖1)。該造山帶是古生代俯沖-增生造山的產(chǎn)物,主要由變形變質(zhì)程度不一的古生代火山-沉積巖和侵入其中的巨量的古生代花崗巖類構(gòu)成(Caietal.,2011;圖1)。

圖1 中國新疆阿爾泰造山帶地質(zhì)簡圖及主要稀有金屬偉晶巖礦床或礦點分布(據(jù)鄒天人和李慶昌,2006修改)

新疆阿爾泰是全球著名的花崗偉晶巖區(qū),區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)十萬余條偉晶巖脈(鄒天人和李慶昌,2006)。礦化類型上,已識別出工業(yè)白云母(伴隨稀土礦化)偉晶巖(I類)和稀有金屬礦化偉晶巖(II類)(王登紅等,2001;鄒天人和李慶昌,2006;秦克章等,2021)。時間上,它們形成于以下四個時期:奧陶紀-早志留世(476～436Ma)、晚泥盆世(～370Ma)、二疊紀(296～258Ma)、三疊紀-侏羅紀(250～151Ma)。前兩個成礦期主要形成I類礦床,后兩個時期以出現(xiàn)礦化規(guī)模不等的II類礦床為特征(楊富全等,2018)?？臻g上,它們被劃分為9個偉晶巖礦集區(qū)(圖1)?？卖斈咎?吉得克是其中規(guī)模最大的偉晶巖礦集區(qū)之一(圖1中的礦集區(qū)4),其稀有金屬儲量僅次于可可托海偉晶巖礦集區(qū)。該礦集區(qū)內(nèi)的偉晶巖脈形成于晚三疊-早侏羅世(張輝等,2019),被認為是晚三疊世吉得克花崗巖殘余巖漿分異演化的產(chǎn)物(王春龍,2017)。以吉得克花崗巖體為中心,自內(nèi)向外,偉晶巖的礦化類型和規(guī)模呈現(xiàn)出一定的空間分布規(guī)律:巖體內(nèi)部分布有阿拉善小型Be、小吉得克小型Be等礦點;靠近巖體的邊部分布有大吉得克小型Be-Nb、群庫爾中型Be-Nb、阿祖拜中型Be-Nb-Ta等礦床;稍遠離巖體的圍巖中分布有卡魯安大型Li-Be和柯魯木特大型Li-Be-Nb-Ta礦床(鄒天人和李慶昌,2006;王春龍,2017)。其中,柯魯木特礦區(qū)東西長3.5km,南北寬1.7km,總面積約7km2,發(fā)育有112、116和228號等LCT型偉晶巖脈(圖1、圖2a);礦區(qū)Li2O、BeO、Nb2O5、Ta2O5探明儲量分別為46156t,3514t,877.8t和902.2t(鄒天人和李慶昌,2006);112號脈是柯魯木特礦區(qū)內(nèi)礦化最好、規(guī)模最大的脈體(圖2)。

圖2 柯魯木特礦區(qū)地質(zhì)簡圖(a,據(jù)楊富全等,2018修改)和112號脈內(nèi)部分帶圖(b、c和d分別代表西、中和東段;據(jù)Lv et al.,2012;王春龍,2017修改)Fig.2 Geological sketch map of the Kelumute ore district (a, modified after Yang et al., 2018) and the internal zonation of the No. 112 pegmatite (b, c and d represents west, middle and east segments, respectively; modified after Lv et al., 2012; Wang, 2017)

2 柯魯木特112號脈基礎(chǔ)地質(zhì)特征

112號脈侵位于晚奧陶世(片麻狀)花崗巖中,平面呈“S”形展布,礦體呈似層狀、板狀產(chǎn)出,長約1380m,厚3～12m,控制斜深190m。脈體被地表碎石帶切割為西、中、東段;三段走向分別為NW、近EW和NWW(圖2);西段和東段傾向為NE,中段北傾,平均傾角分別為40°、45°、50°。各段在走向或延伸方向上具有分支、分支復合的現(xiàn)象(圖2)。其中,中段脈體最長最厚,礦化程度最好,東段次之,西段最差(圖2b-d)。依據(jù)礦物共生組合,全脈可分出5個主要的結(jié)構(gòu)單元,各單元的野外分布位置和產(chǎn)出規(guī)模的大體特征如下(鄒天人和李慶昌,2006;呂正航,2013;王春龍,2017):

鈉化微斜長石-石英帶(I):該帶呈較連續(xù)的帶狀沿脈體上、下盤分布(圖2b-d);長度一般為10～15m,厚度一般為0.3～2m;占全脈比例約20%。白云母-石英-鈉長石集合體(II):在中段,該集合體多呈巢狀或脈狀零星分布于脈體的下盤邊緣或全部占據(jù)小支脈(圖2c),少量出現(xiàn)在下述的III和IV帶內(nèi)部(鄒天人和李慶昌,2006;呂正航,2013;王春龍,2017);在東段,則呈脈狀分布于脈體的上盤邊緣(圖2d)。該集合體長5～10m,局部達50m,多數(shù)厚僅數(shù)十厘米,局部達5m;屬全脈最小結(jié)構(gòu)單元,僅占2%。鈉化塊體微斜長石帶(III):該帶呈巣狀或不連續(xù)塊狀產(chǎn)于近上盤部位(圖2c,d);長5～10m,厚1～3m;占全脈比例～5%。石英-鈉長石-鋰輝石帶(IV):該帶主要出現(xiàn)在脈體中間和偏下盤的位置,基本呈連續(xù)帶狀展布,是全脈最主要的組成部分和含礦帶(占全脈～60%);長20～50m,厚3～5m,局部占據(jù)全脈厚度。糖晶狀鈉長石集合體(V):該集合體呈大小不等的巢帶狀產(chǎn)出;在中段,多出現(xiàn)在脈體的上、下盤(圖2c);在東段,主要出現(xiàn)在脈體的上盤(圖2d),少量位于脈體的下盤。該集合體長3～8m,局部達20m,厚0.5～2m;占全脈比例～13%。另外,不同文獻對于分帶的描述存在些許出入,如:呂正航(2013)和王春龍(2017)提及存在塊體石英核,它們呈巢狀或小脈體零星分布于脈體中段的中部,規(guī)模很小,占全脈比例不足1%;而鄒天人和李慶昌(2006)并未提及,本次野外也未觀察到;鄒天人和李慶昌(2006)提到在I和III帶中偶見極少量的白云母-鈉長石集合體,而呂正航(2013)和王春龍(2017)并未提及,本次野外也未觀察到。

3 采樣與分析方法

本次研究的偉晶巖樣品均采自112號脈的東段(圖2d)。在各巖相單元出露連續(xù)的地區(qū),自脈體上盤向內(nèi),分別采集了以下巖相單元的樣品:脈體上盤邊緣的鈉化微斜長石-石英帶(I),脈體中間靠上的鈉化塊體微斜長石帶(III),脈體中間靠下的石英-鈉長石-鋰輝石帶(IV),IV帶下部的糖晶狀鈉長石集合體(V)。在另一露頭處,還采集了位于脈體上盤邊緣的白云母-石英-鈉長石集合體(II)。分別在I帶中選擇了與圍巖直接接觸的兩塊樣品(L101和P11),在集合體II中選擇了L68一塊樣品,在III帶中選擇了L15和P22兩塊樣品,在IV帶中選擇了4塊樣品(L17、P31、P321和P322),在集合體V中選擇了P4一塊樣品,進行了手標本、顯微鏡下的觀察和相關(guān)礦物學的研究。另外,對L101樣品中的圍巖部分(圖3a)、靠近偉晶巖脈體約30cm處的圍巖(L24)以及稍遠處離偉晶巖脈體～1m的圍巖(L18)也進行了相關(guān)研究。

利用Leica系列光學顯微鏡對各樣品的礦物組合、共生關(guān)系,特別是云母的產(chǎn)狀進行觀察。采用配有BSE探頭和X射線能譜儀(型號:X-Act SDD)的Zeiss Gemini 450場發(fā)射掃描電鏡(Carl Zeiss,Germany)對薄片開展進一步的巖相觀察、礦物鑒定以及BSE照相。儀器工作條件:加速電壓15kV,電子束電流2.0nA。云母的主量元素含量分析和補充的BSE照相在JEOL JXA-8100和JEOL JXA-iHP200F電子探針儀器上完成。測試條件:加速電壓15kV,電子束電流20nA,束斑直徑10μm。測試使用的標樣為天然樣品和人工合成氧化物,包括硬玉(Si、Al、Na)、金紅石(Ti)、赤鐵礦(Fe)、MnO(Mn)、鎂橄欖石(Mg)、硅灰石(Ca)、鉀長石(K)、RbTiOPO4(Rb)、重晶石(Ba)、天青石(Sr)、銫鎦石(Cs)、磷灰石(P)和黃玉(F)。元素F的特征峰和背景的測定時間分別為20s和10s,其他元素的特征峰和背景的測定時間分別為10s和5s。大部分元素的檢測限為100×10-6～400×10-6,元素Na、Mg、Al、K和Ca的檢測限優(yōu)于100×10-6。數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用ZAF校正。白云母的化學式根據(jù)24個陰離子計算。白云母中Li2O的含量根據(jù)Tischendorfetal. (1997)所提出的公式計算得到(Li2O*=0.3935×F1.362)。CGM的主量元素分析在JEOL JXA-iHP200F電子探針儀器上完成。測試條件:加速電壓15kV,加速電流20nA,束斑直徑1μm或2μm。測試時使用的標樣為天然樣品和人工合成標樣,包括KNbO3(Nb)、LiTaO3(Ta)、MnO(Mn)、赤鐵礦(Fe)、硅灰石(Ca)、金紅石(Ti)、ZnWO4(W)、鋯石(Zr)、金屬Hf(Hf)、鈾釷礦(Th、U)和金屬Sc(Sc)。元素特征峰和背景的測定時間分別為20s和10s。所有元素的檢測限在300×10-6以內(nèi)。CGM的化學式以6個氧原子為基礎(chǔ)計算。光學顯微鏡、場發(fā)射掃描電鏡和JEOL JXA-8100電子探針位于中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,JEOL JXA-iHP200F電子探針位于中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所。

4 柯魯木特112號脈及圍巖的巖相觀察

4.1 112號脈各相帶

前文主要介紹了各相帶的名稱、空間位置和產(chǎn)出規(guī)模,本節(jié)將重點描述各相帶的手標本和顯微鏡下的礦物組成、晶粒相對大小和共生關(guān)系等。另外,由于大多數(shù)相帶中晶體粒度變化很大,本次未做粒徑估計,僅用巨晶、粗晶和細粒來以示區(qū)別。

鈉化微斜長石-石英帶(I):主要礦物由鈉長石～37%、石英～30%、微斜長石～28%和白云母～4%組成(圖3a, b和圖4a, b)。它們主要形成于2個世代:早世代形成巨晶或粗晶的微斜長石和石英,可能伴隨形成有少量的粒度不等的白云母和鈉長石(圖3a, b和圖4a, b),在手標本上可見一些巨晶的鈉長石垂直偉晶巖-圍巖的界線生長(圖3b);晚世代形成相對細粒的鈉長石(Ab*)+石英(Qtz*)的礦物組合體(圖4a, b),組合體中鈉長石多、石英少,該礦物組合體生長在早期巨晶石英和微斜長石的晶隙間或交代微斜長石(圖4b)。副礦物見有石榴子石、CGM和磷灰石;常見CGM與磷灰石共生(詳見后文)。前人將I帶命名為“中細-中粗粒偉晶巖帶”(鄒天人和李慶昌,2006);由于粒度較粗的微斜長石和石英多被晚世代的鈉長石所穿插甚至交代,所以筆者認為使用“鈉化微斜長石-石英帶”更貼切,此名稱亦保證了所有相帶的命名原則一致。

圖4 柯魯木特112號脈典型巖相單元的正交偏光照片(a)與白云母花崗巖直接接觸的鈉化微斜長石-石英(I),圍巖發(fā)生了云英巖化和絹云母化;(b)鈉化微斜長石-石英(I);(c)白云母-石英-鈉長石(II);(d)鈉化塊體微斜長石(III);(e)石英-鈉長石-鋰輝石(IV);(f)糖晶狀鈉長石(V)Fig.4 Cross-polarized photomicrographs of the representative zones of the Kelumute No. 112 pegmatite(a) albitized microcline-quartz (I) is in contact with muscovite granite, greisenization and sericitization took place in the country rock; (b) albitized microcline-quartz (I); (c) muscovite-quartz-albite (II); (d) albitized blocky microcline (III); (e) quartz-albite-spodumene (IV); (f) saccharoidal albite (V)

白云母-石英-鈉長石集合體(II):主要礦物組成如下:鈉長石占～51%,石英占～35%,白云母占～7%,石榴子石占～2%,微斜長石占～2%(圖3c、圖4c)。該集合體中石英和鈉長石的粒度相對均一,多數(shù)為粗晶,少數(shù)呈巨晶或細粒(圖4c),云母多呈細粒(圖4c),常與鈉長石共生,少數(shù)石榴子石呈粗晶出現(xiàn)(圖3c),可見極少量細粒微斜長石殘片。與I帶類似,見有細粒的鈉長石(Ab*)和石英(Qtz*)穿插在巨晶的石英或鈉長石的晶隙間(圖4c)。其他副礦物見有磷灰石和鋯石。

鈉化塊體微斜長石帶(III):主要礦物有微斜長石～52%、石英～25%、鈉長石～13%、鋰輝石～6%和白云母～2%(圖3d、圖4d)。該帶以出現(xiàn)大量的塊狀微斜長石為特征,微斜長石周邊偶見生長有巨晶鋰輝石和粗晶云母(圖3d)。巨晶的微斜長石和鋰輝石顯示共同生長、相互穿插的特點(圖4d),鈉長石呈粗-細晶,多以交代的形式出現(xiàn)在巨晶的微斜長石或鋰輝石內(nèi)(圖3d)。副礦物見有石榴子石、CGM、磷灰石和綠柱石等。前人將其命名為“塊體偉晶巖帶”(鄒天人和李慶昌,2006)或“鈉化小塊體帶”(呂正航,2013)。塊體指呈偉晶的微斜長石,由于微斜長石多被鈉長石所交代;所以,綜合考慮,筆者認為“鈉化塊體微斜長石帶”這個名稱更為具體,推薦使用。

石英-鈉長石-鋰輝石帶(IV):該帶以出現(xiàn)大量的厚板狀鋰輝石特征,另外,綠柱石也在該帶最為富集,是112號脈最重要的富Li和Be的相帶(鄒天人和李慶昌,2006)。主要礦物有:石英～27%、鈉長石～32%、鋰輝石～34%、微斜長石～4%、白云母～2%和綠柱石～1%(圖3e、圖4e)。手標本和鏡下往往能夠觀察到晚世代的相對細粒的鈉長石(Ab*)穿插于早先形成的巨-粗晶的石英、鋰輝石或白云母的晶隙間,部分鋰輝石直接被切穿、分割而呈殘片狀(圖4e)。另有少量CGM、磷灰石和鋯石等。

糖晶狀鈉長石集合體(V):主要礦物有鈉長石(～86%)、石英(～10%)和白云母(～2%)(圖3f、圖4f)。該集合體中鈉長石、石英和云母的粒度均勻且較細,多在0.5～2.0mm之間。副礦物有CGM、鋯石和磷灰石(圖3f),常見CGM和磷灰石共生(圖4f)。相較于其他巖相單元,CGM和鋯石在該集合體中最為富集(圖3f);因此,其被認為是演化晚期富集高場強元素(High strength field element,HSFE)Nb、Ta、Zr、Hf的殘余熔體結(jié)晶產(chǎn)物(鄒天人和李慶昌,2006;呂正航,2013;王春龍,2017)。

4.2 圍巖與蝕變

在野外,可見鈉化微斜長石-石英外側(cè)帶(I)侵入圍巖中,二者之間的界線比較清晰,界線兩側(cè)發(fā)育石榴子石(圖5)。另外,筆者對直接接觸偉晶巖、靠近偉晶巖～30cm、離偉晶巖～1m的圍巖樣品進行了手標本和薄片觀察,其主要特征如下:

圖5 柯魯木特112號脈的鈉化微斜長石-石英帶(I)與圍巖的野外接觸界線兩側(cè)發(fā)育石榴子石相較于(a)圖,(b)圖中圍巖發(fā)生了更強烈的云英巖化Fig.5 The garnet crystals occur on both sides of the contact between the albitized microcline-quartz zone (I) of the No. 112 pegmatite and country rock in field The country rock in Fig.5b suffered from more intense greisenization than that in Fig.5a

與偉晶巖外側(cè)I帶直接接觸的圍巖樣品呈淺灰綠色,中細粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖3a)。主要礦物為石英(～42%)、斜長石(～24%)、白云母(～23%)、微斜長石(～6%)和石榴子石(～3%)(圖4a、圖6a)。副礦物見有磷灰石和鋯石?？啥麨榘自颇富◢弾r。白云母保留了原先的片麻狀組構(gòu),通常呈弱定向排列,部分斜長石和石英晶體內(nèi)見充填有細小白云母(圖4a)。

圖6 柯魯木特112號脈的圍巖的單偏光顯微照片(a)與偉晶巖直接接觸的白云母花崗巖,白線右側(cè)為鈉化微斜長石-石英帶(I);(b)離偉晶巖～30cm的含電氣石花崗巖;(c)含電氣石花崗巖中黑云母被電氣石交代;(d)離偉晶巖～1m的二云母花崗巖Fig.6 Plane-polarized photomicrographs of the country rocks of the Kelumute No. 112 pegmatite(a) muscovite granite is in contact with the pegmatite directly and the right part of the white line is albitized microcline-quartz zone (I); (b) tourmaline bearing granite (～30cm away from the pegmatite-country rock contact); (c) the replacement of biotite by tourmaline in tourmaline bearing granite; (d) two-mica granite (～1m away from the contact)

靠近偉晶巖(～30cm)的圍巖樣品呈淺灰白色,中細粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖3g)。主要礦物為石英(～38%)、斜長石(～24%)、白云母(～19%)、微斜長石(～6%)、黑云母(～6%)和電氣石(～5%);副礦物見磷灰石和鋯石。可定名為含電氣石花崗巖。白云母通常與呈殘片狀的黑云母共生構(gòu)成定向條帶(圖6b),電氣石呈浸染狀分布, 常與呈殘片狀的黑云母共生(圖6c)。大部分斜長石包裹有細小白云母顆粒(圖6b)。

稍遠離偉晶巖(～1m)的圍巖樣品呈灰白色,中細粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,手標本可見黑云母呈定向排列(圖3h)。主要礦物為石英(～40%)、斜長石(～25%)、黑云母(～14%)、白云母(～12%)、微斜長石(～5%)和電氣石(～1%);副礦物有磷灰石和鋯石?？啥麨槎颇富◢弾r。黑云母通常與白云母共生,呈條帶狀;相對大的斜長石顆粒往往包裹有細小白云母(圖6d);副礦物電氣石常與黑云母共生。

不難發(fā)現(xiàn),隨著與偉晶巖脈距離增加,圍巖中白云母含量減少,黑云母含量增加(圖6a-d);石榴子石多出現(xiàn)在界線兩側(cè)(圖5、圖6a);電氣石多出現(xiàn)在靠近界線(～30cm)的圍巖中(圖6b,c);各圍巖樣品中均可見斜長石內(nèi)包裹有細小云母(圖4a、圖6a-d)。依據(jù)目前的巖相證據(jù)判斷,圍巖(原巖為片麻狀二云母花崗巖)主要發(fā)生了云英巖化,并伴隨有電氣石化和絹云母化。隨著與偉晶巖脈的距離增加,云英巖化的強度逐漸變?nèi)?。與偉晶巖直接接觸的圍巖中絕大多數(shù)的黑云母和部分斜長石被交代,形成了白云母、石英和石榴子石(圖3a、圖5、圖6a);靠近偉晶巖脈的圍巖(～30cm)中部分黑云母和斜長石被交代,形成了白云母、石英和電氣石(圖3g、圖6b),薄片中常見電氣石與黑云母殘片共生(圖6c);而稍遠離偉晶巖脈的圍巖(～1m)中僅少量黑云母和斜長石被交代,形成了白云母、石英和微量電氣石(圖3h、圖6d)。

5 柯魯木特112號脈中云母的產(chǎn)狀與成分

5.1 云母的分類與礦物學特征

在I、II、III、IV和V相帶中,基于光學顯微鏡和掃描電鏡下的觀察,以云母的自身結(jié)構(gòu)和共生礦物的特征為判別標準,以云母成因及BSE圖像特點為命名原則,識別出原生成分均一的Type A、原生被改造的成分變化的Type B和次生成分均一的Type C共3類云母。Type A云母具有如下總體特點:(1)云母顆粒相對大(長多為100～1000μm),生長在石英、微斜長石或鈉長石的晶粒間(圖7a-d),其形成可能早于、同時于或稍晚于周邊的礦物,但云母及其共生礦物均由偉晶巖巖漿早期演化結(jié)晶形成;(2)云母的BSE圖像上未顯示出明顯的成分變化(圖7a-d)。Type B與Type A云母的特點(1)相同,但其BSE圖像存在明暗變化,有的發(fā)育核部亮、邊部暗的核-邊結(jié)構(gòu)(圖7e-g, i),有的在解理兩側(cè)顯示局部的暗帶(圖7h),有的顯示條帶狀的明暗分帶,總體表現(xiàn)出云母顆粒中間亮、邊部暗的特點(圖7j);另外,與Type B云母共生的鉀長石發(fā)育微孔隙,孔隙內(nèi)往往充填有磷灰石或含Bi礦物(圖7e, g, i, j)。我們認為Type B云母的成分變化是晚期出溶流體改造的結(jié)果,后文6.1節(jié)將給出詳細的解釋。Type C云母特點如下:顆粒相對小(小于60μm),以交代的形式出現(xiàn)在巨晶鉀長石內(nèi),巨晶鉀長石往往發(fā)育微孔洞,微孔洞中充填有磷灰石或鈉長石(圖7k, l)。Type C云母是在巖漿演化晚期出溶流體交代原生礦物的過程中形成。由于采樣和觀察的局限性,上述Type A-C云母并未在每個相帶中都被識別出來。為了描述方便,用字母l(light)代表Type B云母的亮部,用字母d(dark)代表其暗部。例如,I-Bl代表鈉化微斜長石-石英外側(cè)帶中的原生受改造云母的亮部,I-Bd代表相應的暗部。柯魯木特112號脈各相帶中出現(xiàn)的云母類型有:I-A、I-Bl/Bd、II-Bl/Bd、III-A、III-Bl/Bd、III-C、IV-A及V-A,其具體種類、自形程度、晶粒大小、BSE下結(jié)構(gòu)變化和共生礦物等特征詳見表1。

5.2 云母的主量元素成分變化特征

所有云母總體表現(xiàn)出富SiO2(45.30%～49.25%)、貧MgO(bdl～1.17%)、TiO2(bdl～0.49%)、MnO(bdl～0.27%),而FeOT(bdl～5.73%)和Al2O3(29.18%～39.22%)含量變化大的特征(表2)。在(Fe+Mn+Ti-AlVI)-(Mg-Li)圖解中,云母投在了多硅白云母或白云母的區(qū)間(圖8a)。其中,I帶中的部分Type A云母和所有Type B云母的亮部因含有最高的FeOT含量(5.20%～5.73%)而投入多硅白云母區(qū)域;而其他云母FeOT含量較低(bdl～2.83%),屬于白云母(圖8a)。在(Fe+Mn+Mg+Ti)-AlVI圖解中,這些元素與云母八面體層中的AlVI呈明顯負相關(guān)關(guān)系,說明它們以替代八面體中的AlVI的方式進入晶格(圖8b)。

從Type B云母內(nèi)部變化的視角來看,包括I-B、II-B和III-B云母,從各自的亮部到暗部,FeOT的含量明顯降低(I-B、II-B和III-B各自亮部和暗部FeOT的含量分別為:5.20%～5.73% vs. 0.94%～1.62%、2.31% vs. 1.42%～1.93%、2.36%～2.41% vs. 1.20%～1.38%;圖9a)。盡管Type B云母中MgO、F、TiO2和MnO的含量并不高(絕大部分<1.0%);但是,它們也具有類似于FeOT的變化規(guī)律:從各自的亮部到暗部,這些元素的含量下降(圖9b, c、表2)。與之相反的是,從各自的亮部到暗部,Al2O3的含量升高(圖9d)。

圖9 柯魯木特112號脈典型分帶云母主量元素成分變化圖解Fig.9 The plot of the major element compositions in micas from the typical zones of the Kelumute No. 112 pegmatite

從原生云母(包括Type A云母和Type B云母的亮部)到次生Type C云母的變化視角來看,各相帶中原生云母要較III帶中次生Type C云母的FeOT、MgO、F和TiO2的含量均偏高(圖9a-c、表2),而Al2O3的含量大體偏低(圖9d)。

從原生云母(即Type A云母和Type B云母的亮部)在不同分帶中變化的視角來看,即從外側(cè)貧Li帶中I-A+I-Bl+II-Bl→中間貧Li帶中III-A+III-Bl→中間富Li帶中IV-A→富HSFE帶中V-A云母,云母中FeOT、MgO、F和TiO2的含量整體降低,以FeOT的變化最為明顯(圖9a-c、表2),Al2O3含量整體上升(圖9d)。

總體看來,無論是從Type B云母的亮部到暗部,還是從原生到次生云母,抑或從外側(cè)貧礦帶的原生云母到中間富礦帶的原生云母,都呈現(xiàn)出相似的變化趨勢:云母中FeOT、MgO、F和TiO2的含量降低,Al2O3含量整體升高。FeOT、MgO和TiO2與Al2O3負相關(guān)的演化關(guān)系進一步印證了這些元素主要替代了云母中八面體AlVI的位置(圖8b)。

6 討論

6.1 云母結(jié)構(gòu)與成分的變化:對偉晶巖巖漿-熱液演化的啟示

偉晶巖從巖漿到熱液的演化是一個復雜的多階段過程(Kontak,2006;Kaeteretal.,2018,2021;Ballouardetal.,2020;Barrosetal.,2020;Hulsbosch and Muchez,2020;Errandonea-Martinetal.,2022;Shawetal.,2022)。熔/流體包裹體的研究表明,偉晶巖巖漿的結(jié)晶演化起始于水-硅酸鹽熔體完全混溶的超臨界狀態(tài)(Thomas and Davidson,2016)。在巖漿就位后,當演化體系的溫度下降至臨界溫度～720℃以下時,原先的超臨界相將演變成兩種不混溶的液相,即貧水富硅酸鹽熔體相和富水貧硅酸鹽熔體相(Thomas and Davidson,2016)。隨著體系溫度的下降和分離結(jié)晶演化,會出現(xiàn)流體的出溶,從而導致其轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆系倪^鋁質(zhì)硅酸鹽熔體-解聚的富水熔體-流體(polymerized silicate melt-depolymerized hydrosaline melt-aqueous fluid)三種不混溶的液相,這被認為是控制偉晶巖成巖成礦的重要機制(Thomasetal.,2012;Ballouardetal.,2020;Hulsbosch and Muchez,2020;Kaeteretal.,2021;Errandonea-Martinetal.,2022)。然而,在此理論基礎(chǔ)之上,關(guān)于偉晶巖巖漿體系流體出溶及其與圍巖相互作用的時間先后還存在爭議。

許多學者應用不混溶機制將LCT型偉晶巖中鈉長石-鋰輝石亞類的形成過程總結(jié)為以下3個階段:第一階段是原生的微斜長石、鈉長石、鋰輝石、綠柱石、云母、石英和CGM等礦物的結(jié)晶階段,即超臨界熔體的結(jié)晶階段(Kaeteretal.,2018,2021);第二階段,殘余的超臨界熔體演變成不混溶的貧水富硅酸鹽熔體和富水貧硅酸鹽熔體,兩種液相周期性結(jié)晶,發(fā)生晶體-熔體相互作用,主要表現(xiàn)為已結(jié)晶的礦物被石英-云母組合體(Kaeteretal.,2018)或被鈉長石(鈉長石化;Ballouardetal.,2020;Shawetal.,2022)所交代;第三階段出現(xiàn)了流體的出溶,這一階段早期為熔體-熔體-流體的不混溶,發(fā)生晶體-流體-熔體相互作用;晚期以流體作用為主,表現(xiàn)為流體對已結(jié)晶礦物的進一步自交代以及引起圍巖的云英巖化、電氣石化等(Kaeteretal.,2018,2021;Ballouardetal.,2020;Barrosetal.,2020)。這些研究認為流體的出溶以及與之相關(guān)的圍巖蝕變發(fā)生在偉晶巖巖漿演化的晚期階段(即體系絕大部分礦物已結(jié)晶,僅殘存少量熔體)。然而,也有一些研究表明,偉晶巖巖漿在侵位之初就發(fā)生了流體出溶(Sirbescu and Nabelek,2003;Mulja and Williams-Jones,2018;Errandonea-Martinetal.,2022)。侵位初始壓力的驟降是引起流體出溶的關(guān)鍵因素(Mulja and Williams-Jones,2018)。早期出溶流體富B、F和Li,它們在熱驅(qū)動和擴散作用下會向圍巖遷移,引起流體-圍巖相互作用,造成圍巖的相關(guān)蝕變(如黑云母蝕變成電氣石,角閃石蝕變成鋰藍閃石;London,2016;Mulja and Williams-Jones,2018;Errandonea-Martinetal.,2022)。與此同時,圍巖中某些礦物被分解會釋放出Mg和Ca等活動性強的元素,它們會擴散至偉晶巖熔體中(目前尚不清楚這些元素以何種介質(zhì)進入偉晶巖熔體),造成偉晶巖熔體的混染(Novák,2007;Nováketal.,2013,2017)。因此,偉晶巖外側(cè)相帶中電氣石往往最為富集Mg和Ca,并且外側(cè)帶常發(fā)育大量磷灰石。隨著熔體從邊緣向脈內(nèi)的分離結(jié)晶,殘余熔體會二次富水,發(fā)生三相不混溶,并最終導致自交代的發(fā)生(Errandonea-Martinetal.,2022)。已固結(jié)的偉晶巖外側(cè)帶可能會阻止二次出溶流體與圍巖之間的相互作用(Nováketal.,2017;Errandonea-Martinetal.,2022)。

結(jié)合現(xiàn)有的觀察與測試,我們更傾向認為柯魯木特112號脈歷經(jīng)了早期流體出溶與圍巖混染、內(nèi)部分離結(jié)晶與鈉長石化、二次流體出溶3個重要階段,其演化過程類似于上述第二種模式。該過程的細節(jié)及其相關(guān)證據(jù)如下:

(1)早期流體出溶與圍巖混染:在此階段發(fā)生了圍巖與偉晶巖巖漿的物質(zhì)交換,圍巖中黑云母的分解為外側(cè)I帶中富Fe白云母的形成提供了Fe源。早期富B、P、F和Li的出溶流體在熱驅(qū)動和擴散作用下會向圍巖遷移,大部分黑云母和少部分斜長石被交代,發(fā)生以云英巖化為主、電氣石化和絹云母化為輔的蝕變;與偉晶巖脈距離最近的圍巖云英巖化最強烈,并且隨著距離的增加而減弱(圖4a、圖6a-d)。在圍巖中黑云母被交代的過程中,會有一部分Fe(或Mg和Mn)被釋放出來,它們或殘留在圍巖中或進入偉晶巖熔體,為后續(xù)礦物的晶出提供了重要的元素來源。比如,圍巖中的電氣石(圖6c)、圍巖與偉晶巖的界線兩側(cè)的石榴子石(圖5)以及外側(cè)I帶中富Fe的Type A和Type B白云母(圖7a, e-h、圖9a)。筆者對圍巖中一個黑云母進行了成分測試,發(fā)現(xiàn)其中FeOT的含量為20.03%(圖8a、表2),其被交代分解后可為電氣石、石榴子石和白云母等的形成提供足夠的Fe源。另一種可能是:偉晶巖熔體初始本是富Fe的,但由于分離結(jié)晶作用,從外側(cè)向內(nèi)部結(jié)晶,云母中Fe的含量遞減,不需要圍巖的混染即能在外側(cè)帶晶出富Fe白云母(圖9a)。但是,偉晶巖與圍巖界線兩側(cè)石榴子石的出現(xiàn)(圖5),表明偉晶巖巖漿與圍巖確實發(fā)生過物質(zhì)交換;另外,圍巖中浸染狀分布的電氣石與殘存黑云母共生的現(xiàn)象,亦表明了黑云母的被交代分解為電氣石的形成提供了Fe或Mg(圖6c)。因此,筆者認為圍巖中黑云母的分解為外側(cè)帶中異常富Fe白云母的晶出提供Fe源是非常合理的。但是,需要指出的是,這種圍巖混染可能是局部的,因為對于另一與圍巖直接接觸的樣品(P11)中Type A云母,其FeOT和MgO的含量并未達到異常的高值(圖9a)。

(2)偉晶巖巖漿內(nèi)部分離結(jié)晶與鈉長石化:從外側(cè)貧礦的I帶和II集合體,至中間貧Li的III帶,到中間富Li的IV帶,再到富HSFE的V集合體,云母中FeOT、MgO和F的含量整體降低。這個階段的演化類似于Kaeteretal.(2018,2021)和Ballouardetal.(2020)提出的第一和第二階段的演化。偉晶巖巖漿在歷經(jīng)早期流體出溶遷移至圍巖后,熔體應是貧水的,從外側(cè)帶向內(nèi)結(jié)晶,早期以巨晶的原生礦物結(jié)晶為主,稍晚可能出現(xiàn)了貧水的過鋁質(zhì)熔體與富水的過堿性熔體的不混溶,造成了早期巨晶微斜長石、鋰輝石和石英被細粒的鈉長石(多)+石英(少)的組合(Ab*+Qtz*)所切穿、交代(圖4),導致了外側(cè)的微斜長石-石英(I)、中間上部的塊體微斜長石(III)、中間下部的石英-鋰輝石(IV)不同程度的鈉長石化(Albitite,Ab*),以及糖晶狀鈉長石巣狀集合體(V)的形成(圖4;Mülleretal.,2018;Ballouardetal.,2020)。比較確定的是,最富集HSFE的V集合體中原生云母(V-A)是在較晚的鈉長石化過程中形成。但是,有一個問題值得思考:本次研究中大多數(shù)的白云母(包括I-A,I-B,II-B,部分III-A和IV-A)粒度較小、常與晚世代的細粒鈉長石或石英(Ab*+Qtz*)共生(表1、圖4、圖7),難道它們均是在各相帶中所有原生巨晶礦物分離結(jié)晶完成后稍晚的統(tǒng)一的鈉長石化過程中形成的嗎(Kontak,2006;Kaeteretal.,2018,2021)?如果是這樣,我們將很難理解從外側(cè)貧礦帶向中間富礦帶原生云母(I-A+I-Bl+II-Bl→III-A+III-Bl→IV-A→V-A)中FeOT、MgO和F的含量在時空上整體下降的演化趨勢(圖9a-c)。所以,在統(tǒng)一的鈉長石化之前,這些云母很可能與各相帶中原生巨晶礦物一道,遵循分離結(jié)晶規(guī)律,從外至內(nèi)有序晶出。另外,我們更愿意提出一種猜想:原生巨晶礦物的結(jié)晶和稍晚的鈉長石化可能是按照整體的結(jié)構(gòu)分帶從外向內(nèi)幕式發(fā)生的,巖漿的演化方向應是:(i)“富K熔體晶出→富Na熔體交代,鈉化微斜長石-石英外側(cè)帶(I)和白云母-石英-鈉長石外側(cè)集合體(II)形成”;(ii)“富K熔體晶出→富Na熔體交代,鈉化塊體微斜長石中間上帶(III)形成”;(iii)“富Li熔體晶出→富Na熔體交代,石英-鈉長石-鋰輝石中間下帶(IV)和最晚期富HFSE的糖晶狀鈉長石集合體(V)形成”。在幕式演化過程中,不混溶的富K熔體和富Na熔體各自獨立演化、交替結(jié)晶;富K熔體最終演化為富Li熔體;富Na熔體會逐漸富集HSFE。在此背景下,原生云母中Fe含量的變化同樣遵循分離結(jié)晶規(guī)律:從外向內(nèi),含F(xiàn)e礦物(白云母、石榴子石和CGM)的分離結(jié)晶導致白云母中Fe含量的遞減。

(3)二次流體出溶:晶體-流體相互作用導致Type B云母的成分分帶以及以交代形式出現(xiàn)的Type C云母的形成。在偉晶巖巖漿演化末期,體系中的水會再次富集,體系演變成晶體-殘存熔體-出溶流體共存的狀態(tài)(Araujoetal.,2023b)。從柯魯木特的例子看來,體系中的殘存熔體可能就是演化晚期的富Na富HSFE的熔體?，F(xiàn)有的證據(jù)更多指向的是晶體和出溶流體發(fā)生過相互反應:Type B云母通常具有FeOT、MgO和F含量低的暗邊,暗部與亮部之間的界線多呈港灣狀(圖7e-g, i),有些暗部會出現(xiàn)在云母解理兩側(cè)(圖7h);此外,這些Type B云母周邊往往共生有發(fā)育孔洞的鉀長石,孔洞中充填有細小磷灰石、含Bi礦物和錳氧化物等(表1、圖7e-g, i, j),或是見有Type B云母的暗邊與微粒磷灰石共生(圖7f,h)。另外,見有Type C低Fe白云母以交代的形式充填在巨晶微斜長石中(圖7k,l)。這些巖相證據(jù)表明:二次出溶流體沿云母邊界或解理萃取了云母中部分Fe、Mg和F,導致了Type B云母中暗部的形成;此后,含F(xiàn)e、Mg和F的流體會與周邊的微斜長石再次發(fā)生晶體-流體作用(甚至是晶體-熔體-流體相互作用),導致其內(nèi)發(fā)育孔洞,并充填有Fe、Mg和F含量低的Type C白云母(圖9a-c)。

6.2 對偉晶巖Nb-Ta成礦過程的啟示

以上述柯魯木特112號脈的3個重要演化階段為背景,結(jié)合目前觀察到的與CGM有關(guān)的巖相特征,綜合學者們已發(fā)表成果和文獻資料,將柯魯木特112號脈Nb-Ta成礦過程的初步認識總結(jié)如下:

(1)早期流體出溶:流體-圍巖相互作用,圍巖中黑云母被分解后釋放的Fe會擴散至偉晶巖熔體中,從而為外側(cè)I帶中CGM的晶出提供Fe源。筆者選擇各帶中典型的CGM進行了主量成分測試,發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:相較于其他相帶,含有富Fe的Type A和Type B白云母的外側(cè)I帶(L101樣品;表2)中的CGM具有普遍高的Fe含量(5.45%～9.10% vs. 3.51%～6.00%;圖7a、圖10c-d;表3)。因此,筆者認為,在圍巖混染過程中,圍巖中Fe元素加入含Nb和Ta的偉晶巖熔體后將會促進CGM的晶出。另一種可能是:二次流體出溶過程中,在流體萃取I帶中Type B云母中的Fe后,含F(xiàn)e流體與含Nb和Ta熔體的結(jié)合也可能形成I帶中相對富Fe的CGM。但是,巖相觀察并不支持這一點:在I帶中,與富Fe的CGM共生的是無成分分帶的富Fe的Type A云母(圖7a),而不是發(fā)育成分分帶的Type B云母。

圖10 柯魯木特112號脈鈉化微斜長石-石英帶(I)中氟磷灰石與CGM共生的BSE圖像(a、b)及各典型分帶中的CGM成分投圖(c、d)Fig.10 The BSE images showing that CGM coexists with fluorapatite in the albitized microcline-quartz zone (I) (a, b) and the plot for major compositions of CGM (c, d) in typical zones of the Kelumute No. 112 pegmatite

(2)中期偉晶巖的鈉長石化過程中,即富Na、F、P和HSFE的熔體結(jié)晶過程中,磷灰石稍早的晶出會消耗體系中的F,進而引發(fā)CGM的結(jié)晶。筆者發(fā)現(xiàn),在112號脈的部分相帶中,一些CGM出現(xiàn)在相對細粒的鈉長石(Ab*)晶粒間,它們常與氟磷灰石緊密共生(圖4f和圖10a-b),或在其周邊的細晶鈉長石的粒間發(fā)育有氟磷灰石;類似的巖相特征在可可托海偉晶巖脈中也有發(fā)現(xiàn)(白應雄等,2021)。Akinfievetal.(2020)對前人有關(guān)于Nb2O5和Ta2O5在含水溶液中的溶解實驗(Timofeevetal.,2015,2017)進行了很好的總結(jié)和推演:在300～600℃、50～100MPa的NaF-HF含水溶液中,CGM[(Mn0.756Fe0.244)(Nb0.847Ta0.153)2O6]主要以Nb和Ta的氫氧絡(luò)合物[Nb(OH)5和Ta(OH)5]和氫氟絡(luò)合物(HNbO3F-和HTaO3F-)的形式在溶液中遷移;因此,體系演化過程中,酸性的富F溶液被中和或是F被消耗均會引發(fā)Nb和Ta的沉淀(Akinfievetal.,2020)。本次巖相觀察到的氟磷灰石與CGM的共存印證了體系中F的被消耗會引發(fā)CGM的沉淀(圖10a, b)。從現(xiàn)有的巖相證據(jù)看來,此階段形成的CGM更像是直接從富Na的熔體中晶出,而沒有明顯的流體參與(Van Lichterveldeetal.,2007,2018)。

(3)在二次流體出溶過程中,晶體-流體-熔體相互作用促使CGM的結(jié)晶。在柯魯木特112號偉晶巖脈中,晚期出溶流體會與Type B云母相互作用,萃取Type B云母中的Fe,致使其暗部形成。對于可可托海2b號脈,最近研究發(fā)現(xiàn)磷灰石存在溶解-再沉淀結(jié)構(gòu):干凈的高Mn磷灰石(MnO=10.27%)受流體交代后會形成多孔隙的低Mn磷灰石(MnO=4.41%)及被包裹在低Mn磷灰石中的極度富Mn的細小磷灰石顆粒(MnO=55.64%)(白應雄等,2021)。云母的暗邊和磷灰石的溶解-再沉淀結(jié)構(gòu)表明:在偉晶巖巖漿演化晚期,出溶流體剛開始處于貧Fe或Mn的狀態(tài),隨后的流體-晶體相互作用會導致云母或磷灰石中的一些流體活動性元素(如Mn和Fe)釋放進入流體相。根據(jù)已有文獻資料,萃取了Mn和Fe的流體可以與殘存的富Nb或Ta的熔體相互反應,形成CGM。這一CGM的結(jié)晶過程強調(diào)了在偉晶巖演化晚期殘存熔體中不相容組分(Nb、Ta)與流體中活動性組分(Fe和Mn)的結(jié)合。Linnenetal.(2012,2019)首先提出了關(guān)于這一過程的思考,McNeiletal.(2020)后續(xù)完成了實驗的驗證。最近,在對Rwanda的Buranga富磷酸鹽的稀有金屬偉晶巖的巖漿-熱液演化過程的研究中,Araujoetal.(2023a,b)提供了非常好的巖相證據(jù)證實了這一Nb-Ta成礦過程(機制)的存在。我們將透過柯魯木特112號脈中磷灰石的結(jié)構(gòu)和成分的變化特征,在另文中對這一過程精細刻畫。

7 結(jié)論

(1)柯魯木特112號偉晶巖脈歷經(jīng)了早期流體出溶、熔體內(nèi)部分離結(jié)晶與鈉長石化和二次流體出溶3個重要階段。

(2)早期流體出溶引起圍巖中黑云母被交代,進而為外側(cè)貧礦帶中富Fe白云母的形成提供了Fe源;隨后熔體的分離結(jié)晶致使原生白云母中Fe、Mg和F的含量從外側(cè)貧礦帶至中間富礦帶整體降低;晚期二次出溶流體會與已結(jié)晶礦物發(fā)生流體-晶體相互作用,導致富Fe白云母的成分分帶以及次生貧Fe白云母的形成。

(3)早期流體出溶導致的圍巖混染Fe的加入、中期鈉長石化過程中磷灰石的晶出對體系中F的消耗、晚期二次流體出溶過程中晶體-流體-熔體相互作用均是控制Nb-Ta成礦的過程。

致謝中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所賈麗輝和原江燕老師以及中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所陳振宇和劉春花老師在測試分析過程中提供了指導和幫助;新疆阿勒泰地區(qū)自然資源局在野外工作中給予了便利;文章撰寫過程受益于與都柏林大學的Victor博士、Elena博士和Teimoor博士后的討論;匿名審稿人對本文認真審閱并提出了寶貴的修改意見;在此一并深表感謝!