新疆阿爾泰將軍山天河石花崗巖的巖石成因及其對銣成礦的制約*

佘貴民 劉堃 周晉捷 呂正航 張輝

新疆阿爾泰以盛產花崗巖和偉晶巖而聞名,但目前已探明或開采的稀有金屬礦主要產自于偉晶巖中。阿爾泰的花崗巖出露面積占全域40%以上(吳柏青和鄒天人, 1989),但目前已識別出的高分異花崗巖(又稱稀有金屬花崗巖)幾乎沒有。高分異花崗巖的缺失給偉晶巖成因研究帶來了諸多困惑。此外,阿爾泰的偉晶巖主要產出Be和Li等稀有金屬資源,且主要集中在富Li、Cs、Ta的LCT偉晶巖中,如可可托海3號偉晶巖和1號偉晶巖,以及柯魯木特112號偉晶巖等(Wangetal., 2007; Lvetal., 2012; Yinetal., 2013; Zhouetal., 2015)。相較而言,目前對阿爾泰花崗巖和偉晶巖型Rb礦的成因及成礦遠景等研究極其有限。

將軍山地區出露有新疆阿爾泰唯一的天河石花崗巖,其以富Rb特征明顯區別于與瓊庫爾地體中的其他花崗巖(如康布鐵堡、阿葦灘和大喀拉蘇等巖體)。周邊同時出露有天河石偉晶巖,顯示出一定的Rb成礦潛力,但天河石花崗巖成因及其與偉晶巖的成因關系尚不清楚。前人研究認為該天河石花崗巖形成于燕山期(任剛, 2018; 吳家林, 2018),不同于最近研究得出的二疊紀年齡(Baietal., 2023)。此外,除已知的Rb礦石礦物天河石外,巖石中的云母類型及其Rb的富集程度也尚不清楚,不同學者將其歸類為白云母(任剛, 2018)或鐵鋰云母(Baietal., 2023)。綜上,本次研究以將軍山天河石花崗巖和偉晶巖為研究對象,開展全巖地球化學、年代學、同位素和礦物學研究,以期揭示該花崗巖的巖石成因及其Rb的富集機理,為阿爾泰未來的Rb礦勘查提供思路。

1 地質背景

1.1 區域地質

中國新疆阿爾泰地區位于中亞造山帶西部中段,西鄰哈薩克斯坦,北接俄羅斯,東鄰蒙古國。前人根據其地層、變質作用、變形方式和巖漿活動,將阿爾泰分為北阿爾泰、中阿爾泰、瓊庫爾和南阿爾泰地體四個地體(圖1;Yuanetal., 2007)。北阿爾泰地體(單元Ⅰ)位于紅山嘴-諾爾特斷裂以北,泥盆系-下石炭統變火山巖和變沉積巖在本區廣泛出露(Windleyetal., 2002)?；鸪蓭r主要由泥盆紀花崗斑巖和I型花崗巖組成(呂正航等, 2015; 秦紀華等, 2016)。中阿爾泰地體(單元Ⅱ)位于紅山嘴-諾爾特斷裂以南和阿巴宮-庫爾提斷裂之間,作為中國阿爾泰的主體,由厚層的哈巴河群濁積巖和火山碎屑巖序列、上奧陶統東錫勒克組和白哈巴組火山磨拉石和陸源碎屑巖序列以及中-上志留統庫魯木提組變質砂巖組成(Windleyetal., 2002)?；◢弾r類廣泛出露,主要由早-中古生代的(500～360Ma)I型和S型花崗巖(Wangetal., 2006, 2009; Sunetal., 2008; Caietal., 2011a, b; Zhangetal., 2017; 王濤等, 2010; 馬占龍等, 2015)和少量的中生代花崗巖(230～202Ma)組成(Wangetal., 2014; 劉文政, 2014; 陳有炘等, 2017),泥盆紀的鎂鐵質巖在可可托海地區局部出露(Caietal., 2012)。瓊庫爾地體(單元Ⅲ)位于阿巴宮-庫爾提斷裂和富蘊-錫泊渡斷裂之間,主要由早泥盆世康布鐵堡組和中泥盆世阿爾泰組碎屑巖和火山巖組成(Windleyetal., 2002)。區內出露的火成巖主要為中-晚古生代I型花崗巖(Wangetal., 2006, 2009;Yuanetal., 2007)、晚古生代A型花崗巖(Tongetal., 2014; Liu, 2017)、二疊紀鎂鐵質巖脈(Pirajnoetal., 2008; Wanetal., 2013; Caietal., 2016)。南阿爾泰地體(單元Ⅳ)位于富蘊-錫泊渡斷裂與南額爾齊斯斷裂之間。該域西北部大部分被第四紀沉積物覆蓋。東南部主要為泥盆紀康布鐵堡組,上覆晚石炭世地層(Windleyetal., 2002)。區域出露少量石炭-二疊紀花崗巖(Tongetal., 2012, 2014)。

圖1 中國阿爾泰地質簡圖(據Windley et al., 2002; Lv et al., 2021)Ⅰ-北阿爾泰地體;Ⅱ-中阿爾泰地體;Ⅲ-瓊庫爾地體;Ⅳ-南阿爾泰地體Fig.1 Geological sketch map of the Chinese Altai (modified after Windley et al., 2002; Lv et al., 2021)Ⅰ-North Altai domain; Ⅱ-Central Altai domain; Ⅲ-Qiongkuer domain; Ⅳ-South Altay domain

最近的研究表明,中國阿爾泰是在中寒武世至早二疊世活動大陸邊緣發育的多次俯沖-增生過程形成的巖漿弧。中寒武世時期,中國阿爾泰構造背景由被動大陸邊緣轉變為主動大陸邊緣。隨后,中國阿爾泰在泥盆紀期間經歷了以洋脊俯沖、大規?；◢徺|巖漿活動和高溫變質作用為標志的從奧陶紀到石炭紀漫長的俯沖過程。隨著古亞洲洋板塊的持續俯沖,中國阿爾泰在二疊紀期間與東、西準噶爾古島弧連續匯聚。西伯利亞和塔里木克拉通拼合后,中國阿爾泰在三疊紀進入后造山階段(Xiaoetal., 2009, 2015, 2018)。

1.2 將軍山巖體地質特征

將軍山巖體位于阿爾泰造山帶中部瓊庫爾地體中,處于哈龍-青河復背斜帶,烏恰-阿巴宮大斷裂與富蘊-也留曼大斷裂之間,區內主要構造走向為NW-SE(劉云龍, 2017)。圍巖為泥盆系阿爾泰組黑云母-石英片巖和大理巖(張前鋒等, 1994)。將軍山巖體共識別出3種主要巖相:二云母堿長花崗巖、天河石花崗巖和天河石偉晶巖(任剛,2018及本次研究)。該巖體附近分布有5個輝長巖巖體,且輝長巖體均被天河石花崗巖脈和天河石偉晶巖脈切割。其中4個侵位于泥盆系黑云母-石英片巖中,另1個侵位于將軍山巖體中部(圖2)。

1.2.1 二云母堿長花崗巖

二云母堿長花崗巖是將軍山巖體的主要部分,呈近圓形巖株狀侵位于阿勒泰組黑云母-石英片巖中(圖2),出露直徑約3.5km。巖體組成礦物主要為石英、鉀長石、鈉長石、斜長石、黑云母、白云母及少量螢石、磷灰石等,中粒,等粒結構。巖體無變形變質,但NW向斷裂較為發育,多為偉晶巖脈、石英脈和電氣石脈所侵位(圖3a-d)。前人地球化學研究認為該巖體為A型花崗巖(Liuetal., 2018)。

1.2.2 天河石花崗巖

天河石花崗巖呈不規則巖舌和巖脈狀出露于二云母堿長花崗巖巖體的西側、中部和西南側(圖2),中-細粒,主要由鈉長石、石英、鉀長石(天河石)和云母組成(圖3j, k),局部具Nb、Ta、REE礦化,礦石礦物為鈮鐵礦和獨居石,副礦物包括電氣石、鋯石、釷石和螢石等。

圖2 新疆阿爾泰地區將軍山巖體地質簡圖(據新疆地質礦產勘查開發局第六地質大隊, 2015)Fig.2 Simplified geologic map of the Jiangjunshan pluton in the Altai, Xinjiang (modified after SGB, XGMEDB, 2015)

1.2.3 天河石偉晶巖

1.2.4 各巖相間關系

二云母堿長花崗巖與輝長巖呈侵入接觸關系(圖3d),兩種巖性接觸面未見明顯的交代蝕變,推測輝長巖略早于二云母花崗巖侵位。天河石花崗巖多沿輝長巖與二云母花崗巖、和片巖與二云母花崗巖的巖性界面侵位,以云母化和電氣石化為特征。圍巖為大理巖時,可見碳酸鹽化和矽卡巖化,蝕變范圍有限。天河石偉晶巖常與天河石花崗巖伴生出現,二者呈漸變接觸關系(圖3g),或呈較小的脈狀侵入二云母花崗巖中(圖3a, b, c),或呈較大的不規則脈狀、豆莢狀侵入片巖中(圖3e)。

2 樣品采集及分析方法

本次研究所用的6件天河石花崗巖和1件偉晶巖樣品的采樣位置如圖2所示。其中,編號為JJS-22-G1和JJS-22-G2的2件樣品采自位于巖體西南邊的天河石花崗巖。出露的巖體呈灰白色,等粒結構,可見0.5cm左右的天河石均勻分布。編號為JJS-22-G15和JJS-22-G16的2件樣品采自研究區南面的天河石花崗巖脈,脈體侵入阿勒泰組片巖中,長200～500m不等,寬2～4m,整體顯示等?；◢徑Y構,含電氣石,局部可見粗晶(2～3cm)天河石。編號為JJS-22-G17和JJS-22-G18的2件樣品采自研究區西南角的天河石花崗樣品露頭,樣品JJS-21-19采自附近的天河石偉晶巖。6件花崗巖樣品均進行全巖主微量研究,此外,樣品JJS-22-G1(47°47′28.77″N、88°9′34.92″E)用于年代學研究,同時與樣品JJS-21-19進行礦物學對比研究。

圖3 阿爾泰將軍山天河石花崗巖和偉晶巖野外露頭、手標本及鏡下照片(a-c)天河石偉晶巖與二云母堿長花崗巖侵入接觸關系;(d)二云母堿長花崗巖與輝長巖侵入接觸關系;(e)天河石偉晶巖與黑云母-石英片巖的侵入接觸關系;(f)花崗巖中的暗色包體;(g)天河石花崗巖與偉晶巖的漸變接觸關系;(h)天河石偉晶巖露頭;(i)含綠柱石的偉晶巖手標本;(j、k)天河石花崗巖顯微鏡正交偏光下的特征. Ab-鈉長石;Brl-綠柱石;Mcc-微斜長石;Pl-斜長石;Qz-石英;Phg-多硅白云母Fig.3 Field outcrops, hand specimens and microscopic photos of amazonite granite and pegmatite from the Jiangjunshan pluton in the Altai(a-c) intrusive contact between amazonite pegmatite and two-mica alkali feldspar granite; (d) intrusive contact between two-mica alkali feldspar granite and gabbro; (e) intrusive contact between amazonite pegmatite and biotite-quartz schist; (f) dark enclaves in granite; (g) gradational contact between amazonite pegmatite and granite; (h) amazonite pegmatite outcrop; (i) pegmatite hand specimens containing beryl; (j, k) microscopic characteristics of amazonite granite under CPL. Ab-albite; Brl-beryl; Mcc-microcline; Pl-plagioclase; Qz-quartz; Phg-phengite

圖4 將軍山天河石花崗巖主量元素特征圖(a)A/NK-A/CNK圖解(Maniar and Piccoli, 1989);(b)(Na2O+K2O-CaO)-SiO2圖解(Frost et al., 2001)Fig.4 Characteristics of major elements of amazonite granite in Jiangjunshan(a) A/NK vs. A/CNK diagram (Maniar and Piccoli, 1989); (b) Na2O+K2O-CaO vs. SiO2 diagram (Frost et al., 2001)

所有的分析測試均在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室完成。全巖樣品用瑪瑙研缽研磨至200目以下,主量元素組成測試采用X-RARL Perform’ X 4200型X熒光光譜儀分析,全巖微量元素組成經化學消減后采用PlasmaQuant MS Elite型等離子體質譜儀進行分析。天河石和云母礦物的主要成分采用JEOL JXA-8230型電子探針進行分析,工作條件包括加速電壓25kV,束流20nA,束斑10μm,元素峰值和背景時間計數分別為10s和5s。采用天然礦物和人工合成氧化物作為標樣計算元素含量,所有結果均進行了ZAF校正。獨居石U-Th-Pb定年采用激光剝蝕等離子質譜(LA-ICP-MS)進行測試。激光剝蝕系統由ArF 193nm準分子激光器和MicroLas光學系統組成,再配備Agilent 7900型ICP-MS質譜儀。本次分析的工作條件為激光束斑24μm和頻率5Hz。U-Th-Pb同位素定年采用哈佛大學獨居石117531標樣(Tomascaketal., 1996)和標準物質NIST610玻璃作外標分別進行同位素和微量元素分餾校正。每個數據的信號收集時間包括約20s空白信號和50s樣品信號。樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算等數據處理采用軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。獨居石的U-Th-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權平均計算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。

3 分析結果

3.1 全巖地球化學特征

將軍山巖體天河石花崗巖全巖地球化學組成結果顯示(表1),花崗巖具有較高且一致的SiO2含量(74.93%～77.98%),全堿含量K2O+Na2O(8.71%～9.73%)也較高,K2O/Na2O值為1.01～1.56,表明巖石具有高硅、富堿、相對富K的特征。Al2O3的含量較高(11.50%～14.09%),鋁飽和指數A/CNK[=Al2O3/(CaO+K2O+Na2O)mol]介于0.99～1.14之間,在A/NK-A/CNK判別圖解(圖4a)中,樣品投點集中在過鋁質巖石區域。天河石花崗巖具有較低的MgO(0.01%～0.02%)、CaO(0.02%～0.04%)、FeOT(0.65%～0.91%)和P2O5(0～0.014%)含量。里特曼指數(σ)均值為2.54,小于3.30。在(Na2O+K2O-CaO)-SiO2圖解(圖4b)中,主要落入堿鈣性花崗巖范圍。天河石花崗巖的分異指數DI非常高,變化于96.87～98.12。

天河石花崗巖樣品的稀土元素總量較高,∑REE為103.1×10-6～213.3×10-6,表現為輕稀土虧損(LREE=39.60×10-6～96.99×10-6),重稀土富集(HREE=37.80×10-6～116.5×10-6),(La/Yb)N值介于0.10～0.76間(表1)。在球粒隕石標準化REE配分圖中(圖5a),稀土配分樣式相近,呈現出“海鷗型”(M型)的“四分組效應”,TE1, 3值為1.11～1.42。δEu值非常低,普遍≤0.01,在球粒隕石標準化曲線中表現為強烈的Eu負異常,δCe為0.92～1.59,總體呈現弱的Ce正異常。

天河石花崗巖原始地幔標準化微量元素蛛網圖(圖5b)顯示,全巖富集Rb(768×10-6～823×10-6)、Nb(13.5×10-6～25.8×10-6)、Th、U和Hf,強烈虧損大離子親石元素(LILE)Ba、Sr和高場強元素(HSFE)P、Ti。全巖K/Rb值介于47.3～59.7,Nb/Ta值介于2.24～3.28,Zr/Hf值介于7.20～7.55,均遠低于球粒隕石比值17.5和36。

3.2 獨居石U-Pb定年和Nd同位素特征

樣品JJS-22-G1中獨居石粒徑大于100μm,因碎樣過細而破碎呈他形。在BSE圖上顯示出較為均勻的成像特征,少數顆粒發育微裂隙和含有石英礦物包體(圖6a)。20個定年的獨居石顆粒具有非常高的Th(60085-6～95097×10-6)、較低的U(1482×10-6～3192×10-6)和相對高的Pb(723×10-6～1194×10-6)含量。207Pb/235U、206Pb/238U與208Pb/232Th三組比值分別為0.49327～0.86667、0.04447～0.04615和0.01321～0.01413,對應的年齡值分別為413～634Ma、282～291Ma和265～284Ma(表2);206Pb/238U和207Pb/235U兩組年齡諧和度僅為25%～63%,而206Pb/238U與208Pb/232Th二者的諧和度達到91%～99%,由此認為206Pb/238U與208Pb/232Th兩組年齡最為可靠(詳見下文),20個測試點集中在280Ma附近(圖6b)。將208Pb/232Th年齡加權平均得到276.9±2.7Ma的年齡(MSWD=0.51,圖6c)。

續表1

圖5 將軍山天河石花崗巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(標準化值據Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of Jiangjunshan amazonite granite (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

圖6 將軍山天河石花崗巖獨居石BSE成像特征(a)、LA-ICP-MS U-Th-Pb定年諧和圖(b)和208Pb/232Th加權平均年齡圖(c)圖a中的數字代表點號和208Pb/232Th年齡值Fig.6 BSE imaging feature (a), LA-ICP-MS U-Pb concordant diagram (b) and 208Pb/232Th weighted average age diagram (c) for monazite from amazonite granite in JiangjunshanThe numbers represent the point number and 208Pb/232Th age value in Fig.6a

表2 將軍山天河石花崗巖中獨居石U-Th-Pb同位素結果

表3 將軍山天河石花崗巖中獨居石Sm-Nd同位素組成

10個定年獨居石的Nd同位素組成顯示(表3),獨居石具有相對均一的147Sm/144Nd(0.166431～0.181111)和143Nd/144Nd(0.512796～0.512898)比值,根據對應的獨居石U-Th-Pb年齡計算出εNd(t)值介于+4.15～+6.04,二階段模式年齡(tDM2)介于548～708Ma。在εNd(t)值與年齡相關圖上,樣品分布于虧損地幔與大陸下地殼演化線之間且相對靠近前者(圖7a)。根據換算公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95(Vervoortetal., 1999),計算得到對應的εHf(t)值為+8.59～+11.17,εHf(t)值與年齡的關系與Nd同位素類似,但更加靠近虧損地幔演化線一側(圖7b)。

3.3 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖鉀長石、云母的主要成分

將軍山天河石花崗巖和偉晶巖中鉀長石(天河石)的主量元素組成見表4。其中,花崗巖鉀長石SiO2(64.01%～65.57%)、Al2O3(18.06%～18.81%)和K2O(15.40%～16.10%)含量變化不大,Na2O (0.159%～0.653%)和Rb2O(0.027%～0.172%)的含量較低且變化較大;其K/Rb比值大部分小于150(80～148);偉晶巖中天河石的SiO2、Al2O3、K2O和Na2O含量與花崗巖相近,Rb2O的含量明顯增加,為0.268%～0.335%,其K/Rb也大大減小,為41～52。從花崗巖到偉晶巖,鉀長石的Rb的含量升高,K/Rb比值顯著降低(如圖8)。

圖7 阿爾泰將軍山天河石花崗巖獨居石的Nd(a)和Hf(b)同位素特征圖εHf(t)值根據公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95(Vervoort et al., 1999)計算得到. DM為虧損地幔,CHUR為球粒隕石均一儲庫,LCC為下地殼. b圖中的二云母堿長花崗巖數據引自Liu et al. (2018)Fig.7 Nd (a) and Hf (b) isotopic compositions of monazite in amazonite granite in Jiangjunshan, AltaiThe εHf(t) value is calculated according to the formula εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95 (Vervoort et al., 1999). DM-depleted mantle, CHUR-chondrite uniform reservoir, LCC-lower continental crust. The two-mica alkali feldspar granite data in Fig.7b from Liu et al. (2018)

表4 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖中鉀長石的主量元素成分(wt%)

續表4

圖8 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖鉀長石K/Rb-Rb2O圖解可可托海3號脈Ⅰ-Ⅲ帶脈數據引自周起鳳(2013),巴西Serra Branca天河石偉晶巖數據引自Lira Santos et al. (2020)Fig.8 K/Rb vs. Rb2O diagram of K-feldspar from Jiangjunshan amazonite granite and pegmatiteThe data of No.3 Keketuohai vein Ⅰ-Ⅲ from Zhou (2013), and the data of Serra Branca amazonite pegmatite in Brazil from Lira Santos et al. (2020)

將軍山天河石花崗巖和偉晶巖云母的主量元素組成見表5?；◢弾r中云母的SiO2(47.13%～48.38%)、Al2O3(27.00%～29.83%)、K2O(11.63%～12.15%)、FeOT(4.75%～6.79%)和Li2O(0.47%～0.77%)的含量變化不大,隨巖漿的結晶分異,Al2O3、FeOT、Rb2O(0.152%～0.431%)和Li2O的含量與SiO2未見明顯的相關性(圖9),F(1.76%～2.58%)、MnO(0.583%～0.801%)、Na2O(0.145%～0.346%)、TiO2(<0.1)和MgO(普遍低于檢測限)的含量普遍較低。相較而言,偉晶巖中云母具有變化較大且較低的SiO2(45.55%～48.64%)、Al2O3(25.28%～30.53%)(圖9a)和Na2O(0.096%～0.223%),相對高的FeOT(4.13%～10.90%)、Li2O(0.41%～0.89%)、Rb2O(0.294%～0.856%)(圖9b-d)和MnO(0.722%～1.344%),K2O和F(1.56%～3.11%)的含量與花崗巖近似。隨著云母中SiO2含量的增加,Al含量有上升趨勢,Fe、Rb和Li的含量表現出下降趨勢(圖9)。

天河石花崗巖和偉晶巖中云母都顯示較高的Si、Fe和較低的Al含量,在分類圖解中主要落入多硅白云母范疇,少量為含鋰多硅白云母(圖10)。從花崗巖到偉晶巖,云母的K/Rb比值降低,兩種巖石云母中的F和Rb含量均顯示正相關關系(圖11)。

前人研究表明云母、鉀長石的Li、Rb、Cs、F等元素含量及K/Rb值的變化可以反映花崗偉晶巖分異演化程度及趨勢,隨著分異程度的增加以及Li、Rb、Cs等稀有金屬元素的富集,云母和鉀長石中的Rb、Cs等通過置換K而富集,導致礦物的K/Rb值逐漸減低(London, 2008; 周起鳳, 2013)。與世界其他高分異演化的富Rb偉晶巖礦床及天河石偉晶巖脈對比(如圖8),如中國可可托海3號脈Ⅰ-Ⅲ帶、巴西帕拉伊巴省Serra Branca天河石偉晶巖,3號脈是由外向內結晶的高分異演化程度的偉晶巖脈(周起鳳, 2013),將軍山天河石偉晶巖K/Rb-Rb關系的投圖區間與3號脈Ⅰ-Ⅲ帶相當,說明其分異演化程度較高。巴西Serra Branca天河石偉晶巖是一條典型的NYF型偉晶巖脈體且具有較強的Rb礦化(Lira Santosetal., 2020),從圖8可以看出其分異演化程度遠遠高于將軍山天河石花崗巖和偉晶巖。綜上,將軍山天河石花崗巖和偉晶巖經歷了一定程度的分異演化,但相比其他高分異巖(脈)體,如可可托海3號偉晶巖和巴西Serra Branca天河石偉晶巖,仍具有一定的差距。

圖9 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖中云母主量元素氧化物與SiO2的二元圖Fig.9 Bivariate plots of major element oxides versus SiO2 of the amazonite granite and pegmatite in Jiangjunshan

表5 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖中云母的主量元素成分(wt%)

續表5

續表5

圖10 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖云母礦物分類判別圖(底圖據Tischendorf et al., 1997)Fig.10 Classification and discrimination diagram of micas in amazonite granite and pegmatite in Jiangjunshan (base map after Tischendorf et al., 1997)

4 討論

4.1 將軍山天河石花崗巖的成巖年齡

獨居石普遍存在于花崗巖中,其化學和同位素組成在巖漿演化過程中通常較為穩定,不易遭受后期流體改造。獨居石通常含有百分含量水平的232Th,因此能夠積累相對較高的208Pb,因此,有理由將208Pb/232Th年齡作為獨居石結晶年齡的最佳參考(Cottleetal., 2015)。本次研究得到的20個獨居石的三組年齡數據整體顯示207Pb/235U>206Pb/238U≈208Pb/232Th的特征,推測207Pb/235U年齡受到了巖漿中初始普通Pb的影響。產出天河石的源區可能富含硫化物(如方鉛礦PbS),Pb通過替換K而進入天河石晶格,是導致天河石呈(藍)綠的主要原因(Hofmeister and Rossman, 1985)。因此源區中較高的普通Pb對含量較低的子體207Pb影響較大,造成207Pb/235U年齡顯著偏大。慶幸的是,206Pb/238U和208Pb/232Th兩組年齡的諧和度較高,為91%～99%(表2),說明兩組年齡數據比較可靠。此外,本次研究用于U-Pb定年的獨居石在BSE圖像上顯示較為均一的組分,除少數顆粒發育微裂隙和石英礦物包體外,并未顯示出遭受后期改造的特征。這些獨居石具有很高的Th含量(60085-6～95097×10-6,表2),明顯區別于熱液獨居石中較低的Th含量(<10000×10-6, Schandl and Gorton, 2004)。另外,本次定年的獨居石與天河石、石英和鈮鐵礦共生,鈮鐵礦U-Pb年齡為275.1Ma(未發表數據),與獨居石U-Pb年齡一致。先前研究對將軍山二云母堿長花崗巖和天河石花崗巖中巖漿和熱液疊加的巖漿鋯石進行U-Pb定年,結果顯示年齡分別為272.7±1.4Ma和272.5±1.7Ma(Baietal., 2023),該年齡與本次獨居石定年結果在誤差范圍內一致。因此,筆者認為獨居石的208Pb/232Th加權平均年齡276.9±2.7Ma代表了天河石花崗巖的形成年齡,將軍山巖體形成于早二疊世,并非前人認為的燕山期(任剛, 2018)。

圖11 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖云母Rb2O-K/Rb(a)圖解和Rb2O-F圖解(b)圖b中灰色的2個數據點未參與線性相關系數R2的計算Fig.11 Rb2O vs. K/Rb (a) and Rb2O vs. F (b) diagrams of mica in granite amazonite granite and pegmatite in JiangjunshanTwo gray data in Fig.11b were excluded from calculation of linearly dependent coefficient R2

圖12 將軍山天河石花崗巖的巖石類型判別圖解(a)Nb-10000Ga/Al圖解;(b)(K2O+Na2O)-10000Ga/Al圖解;(c)Zn-10000Ga/Al圖解;(d)FeOT/MgO-(Zr+Nb+Ce+Y)圖解(Whalen et al., 1987). I、S和A代表I-、S-和A-型花崗巖;FG為分離長英質花崗巖;OGT為造山后I/S型花崗巖Fig.12 Diagrams of rock type discrimination for the amazonite granite in Jiangjunshan(a) diagram of Nb vs. 10000Ga/Al; (b) diagram of (K2O+Na2O) vs. 10000Ga/Al; (c) diagram of Zn vs. 10000Ga/Al; (d) diagram of FeOT/MgO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) (Whalen et al., 1987). I, S and A, represent I-, S- and A-type granites; FG is separated felsic granite; OGT is a post-orogenic I/S-type granite

4.2 將軍山地區天河石花崗巖的巖石成因

阿爾泰二疊紀花崗巖整體呈線性集中分布于瓊庫爾和南阿爾泰地體中。巖體規模普遍較小,呈巖株、巖墻和巖脈,以I型、I-A過渡型和A型為主,少量S型,形成時代集中于早二疊世(267～283Ma; 周剛等, 2007; Tongetal., 2014; Liuetal., 2018)。將軍山天河石花崗巖形成年齡為276.9±2.7Ma,與上述花崗巖的形成時代一致。從巖石地球化學特征上來看,將軍山天河石花崗巖是目前阿爾泰發現的分異演化程度最高的二疊紀巖體。表現在該巖體具過鋁質(圖4a)和堿鈣性巖石特征(圖4b)。此外,天河石花崗巖的REE配分模式顯示出強烈的Eu負異常和四分組效應(圖5a)。在蛛網圖中,所有樣品均顯示Ba、Sr、P和Ti的負異常(圖5b)。在花崗巖判別圖解(圖12)中,所有的天河石花崗巖樣品均落在A型區域中,呈現高堿、高Fe和富Nb的特征。由此表明將軍山天河石花崗巖為典型的A型花崗巖,并且經過了高度的分異演化。

將軍山天河石花崗巖附近發育同時代的二云母堿長花崗巖(268.3±1.9Ma,Liuetal., 2018)和輝長巖體(280Ma,Zhangetal., 2014)(圖2),但同位素組成顯示,堿長花崗巖具有相對富集的Hf同位素組成,εHf(t)值介于-6.0～+5.3(Liuetal., 2018)。將軍山天河石花崗巖中獨居石εNd(t)為+4.15～+6.05,二階段模式年齡tDM2為548～708Ma(表3),顯示虧損的同位素特征。其對應的εHf(t)值為+8.59～+11.17(表3),顯著不同與二云母堿長花崗巖(圖7b),表明二者之間不存在演化成因關系。而輝長巖的全巖Nd同位素和鋯石Hf同位素研究顯示,該巖體具有虧損的同位素特征,其εNd(t)和εHf(t)值分別為+4.15～+5.52和+3.6～+7.9(Zhangetal., 2014),與天河石花崗巖的同位素組成較為接近,指示二者有相似的物質來源。天河石花崗巖與輝長巖顯示出時空耦合性,是典型的酸性-基性雙峰式火成巖組合。這種巖石組合通常指示拉張背景。已有研究表明,新疆阿爾泰在二疊紀初期與準噶爾弧發生碰撞拼貼,此后又經歷了俯沖板片斷離和后撤形成的拉張背景,以及一系列的基性巖漿底侵、麻粒巖相高溫變質以及額爾齊斯走滑拉張等構造-巖漿-變質作用(Xiaoetal., 2009, 2018; Wanetal., 2013; Lietal., 2014; Caietal., 2016; Jiangetal., 2019)。將軍山天河石花崗巖是在拉張背景下,基性巖漿底侵導致下地殼物質部分熔融,并發生了物質混染。此后在向上侵位到上地殼過程中,經歷了高度的分異演化而形成。

4.3 將軍山天河石花崗巖和偉晶巖的Rb富集機制和成礦潛力

花崗巖和偉晶巖中的Rb主要在天河石和多硅白云母中富集,而非前人認為的白云母(任剛, 2018)和鐵鋰云母(Baietal., 2023)。從花崗巖到偉晶巖,天河石和多硅白云母均顯示出Rb逐步富集的特征(圖8、圖11a),表明Rb在偉晶巖中進一步得到富集。偉晶巖多硅白云母中Rb與F含量顯示正相關關系(圖11b),指示巖漿演化晚期更加有利于Rb的富集。這也是Rb在銫沸石和鋰云母礦物中高度富集的原因。

與可可托海3號偉晶巖(Ⅰ-Ⅲ帶最富鉀長石)中的鉀長石(周起鳳, 2013),以及Serra Branca地區NYF偉晶巖中的巨晶天河石(Lira Santosetal., 2020)進行對比,不難看出,將軍山花崗巖天河石中的Rb富集程度明顯低于前兩者,只有偉晶巖階段的天河石Rb富集程度較高,達到了與3號脈早期結構帶(Ⅰ-Ⅲ帶)一致的水平,但仍遠低于Serra Branca偉晶巖天河石(圖8)。此外,將軍山天河石花崗巖的Rb2O品位(0.084%～0.090%)雖然達到我國銣礦的邊界品位(0.06%),但低于工業品位(0.2%),從而制約了開采價值。據統計,全球近1/2的天河石花崗巖分布于中亞造山帶中(Ostrooumov, 2016),然而這些巖體整體顯示儲量大但品位低的特點(吳昌志等, 2021)。眾所周知,中亞造山帶是全球最大的顯生宙增生型造山帶。Nd-Hf同位素填圖研究顯示,該造山帶以顯著的地殼垂向生長為特征,新生地殼的占比高達58%(Wangetal., 2023),這意味著大量的幔源物質參與了地殼生長。將軍山天河石花崗巖的同位素顯示了幔源物質的貢獻,其雖然經歷了高度的分異演化,但源區的局限性限制了其中Rb的高度富集。眾所周知,Rb在地殼和地幔中的豐度分別為49×10-6和0.458×10-6(Anderson, 1983; Rudnick and Gao, 2003),前者遠高于后者。此外,Rb在表生沉積物中尤為富集,如頁巖和深海沉積物中含量分別高達140×10-6和100×10-6(Turekian and Wedepohl, 1961),如果花崗質巖漿源于這些沉積物,其中的Rb在源區上已經得到富集(高于Rb的地殼豐度)。經過較高程度的分異結晶之后,其中的Rb很大概率會富集成礦。如果巖漿源于地幔源或遭受幔源巖漿混染,如玄武巖巖漿(Rb含量38×10-6),相較前者,Rb在源區以及相同結晶分異程度條件下巖漿中的富集程度都會顯著降低。

新疆阿爾泰作為我國最大的偉晶巖省,分布有十萬余條偉晶巖脈并形成了數十個中至超大型的稀有金屬礦床(鄒天人和李慶昌, 2006)。然而,目前作為Rb礦開采的偉晶巖幾乎沒有。一方面,前人重點關注鋰鈹等稀有金屬資源而忽略了Rb等伴生資源,另一方面,對阿爾泰數量巨大的偉晶巖,目前研究程度仍然不高。未來對該地區Rb資源的勘查不必局限于天河石花崗巖,而應對高分異的LCT偉晶巖(類似可可托海3號脈和庫卡拉蓋650號脈)中的鉀長石、白云母和鋰云母等礦物給予關注。

5 結論

(1)新疆阿爾泰將軍山天河石花崗巖是高分異的A型花崗巖,其成巖年齡為276.9±2.7Ma,形成于早二疊世。其Nd同位素組成(εNd(t)為+4.15～+6.05,tDM2為548～708Ma)顯示虧損的源區特征,指示花崗巖源區為新生地殼或有幔源物質的加入。

(2)天河石花崗巖與周邊的天河石偉晶巖具有空間、時間和成分上的聯系,表明二者具有分異演化上的成因關系。將軍山天河石偉晶巖屬于NYF型。

(3)天河石花崗巖及周邊偉晶巖以富集Rb為特征,礦石礦物主要為天河石和多硅白云母。從花崗巖到偉晶巖,天河石和云母中的Rb含量逐步富集。高度的分異演化是天河石花崗巖Rb富集的主要機制。

致謝感謝礦床地球化學國家重點實驗室的唐燕文、鄭文琴、楊淑琴、胡靜和李響老師在實驗過程中給予的指導和幫助!兩位匿名審稿人提出了細致且極具建設性的修改意見,筆者在此表示衷心感謝!