何晗晗， 艾尔肯·吐尔孙， 王登红， 王瑞江， 陈振宇

(1.北京市地质调查研究院， 北京 100195；2.自然资源部成矿作用与资源评价国家重点实验室， 中国地质科学院矿产资源研究所， 北京 100037；3.新疆维吾尔自治区有色地质勘查局701队， 新疆 昌吉 831100)

钽锰矿属于铌钽矿物铌铁矿-钽铁矿一族，晶体化学式为(Mn,Fe)Ta2O6。铌钽矿物多产于世界各地的伟晶岩和花岗岩中，如可可托海3号伟晶岩脉中的铌钽铁(锰)矿、细晶石、重钽矿等[1-4]，苏州花岗岩中的铌铁矿和钽铌铁矿[5]，法国中央高原Beauvoir花岗岩中的铌锰矿[6]，瑞士Varutrask 花岗伟晶岩中的铌铁矿、锡钽锰矿、重钽铁矿等[7]，西班牙LA Canalita伟晶岩中的钽铁矿、钽锰矿[8]及斯洛伐克Jezuitské Lesy伟晶岩中的铌铁矿、重钽铁矿等[9]。前人对于铌钽矿物作了较多研究，包括矿物的化学成分、物理性质等[7,10-13]。近年来，越来越多的研究倾向于通过含铀副矿物尤其是铌钽矿物的U-Pb定年[14-18]，来确定稀有金属矿床的成矿时代。相较于岩体测年，稀有金属矿物的年代学测试能够更加真实地反映成矿年龄[19]，成为确定伟晶岩型稀有金属成矿时代的最佳方法之一[20]，从而为后续矿床成因研究、找矿预测等提供有利依据。

钽锰矿作为一种重要的铌钽矿物，含量上Mn>Fe，Ta>Nb，是钽元素的主要赋存矿物之一，此外，钽是我国的紧缺资源[21-22]，对钽锰矿的年代学与矿物学研究具有重要的现实意义。本文选取新疆别也萨麻斯矿区矿化伟晶岩脉中的钽锰矿为研究对象，应用电子探针测试其化学组成，分析矿物的元素分带性；通过应用热电离质谱法(TIMS)测定其U-Pb年龄，确定含矿脉体的形成年代，探讨矿化与围岩花岗岩侵入体的成因联系，以期为区内后续稀有金属找矿工作提供思路。

图1 (a)新疆北阿尔泰区域地质简图(据文献[23]); (b)别也萨麻斯矿区地质简图Fig.1 (a) Geological sketch map of North Altay in Xinjiang (after Reference [23]); (b) Geological sketch map of Bieyesamasi orefield

1 地质背景

1.1 矿区地质概况

别也萨麻斯矿区位于可可托海稀有金属矿床的北部，其大地构造位置属于西伯利亚板块阿尔泰陆缘活动带的诺尔特晚古生代火山带[23]。区内出露地层主要有下泥盆统诺尔特组、上泥盆统忙代恰组、上泥盆统库马苏组、下石炭统红山嘴组[23]以及全新统冲洪积物[24]，岩性以凝灰岩、碎屑岩、绢云绿泥千枚岩、火山沉积岩等为主。构造上，区内发育多组断裂，如库热克特断裂(又名红山嘴或诺尔特)，总体呈NW-SE向展布(图1a)。区内侵入岩以花岗岩为主，包括二云母花岗岩、黑云母花岗岩、花岗斑岩、石英斑岩等[3,23]。二云母花岗岩体出露面积达上千平方公里，呈巨大的岩基状向NWW向延伸。二云母花岗岩体可分为外部边缘黑云母花岗岩(或二长花岗岩)相和内部二云母花岗岩(或钾长花岗岩)相，外部为中细粒结构，向中心逐渐过渡为中粗粒、似斑状结构。矿物组成主要为斜长石、微斜长石、石英、黑云母、白云母和少量钠长石。研究区伟晶岩脉体广泛发育(图1b)，根据其空间分布关系，将别也萨麻斯稀有金属矿区划分为三个伟晶岩密集区：阿克布拉克区、别也萨麻斯区和马伊普特区。

1.2 别也萨麻斯区伟晶岩脉

别也萨麻斯含矿伟晶岩脉群位于富蕴县额尔齐斯河上游东侧，脉群地处阿尔泰高山区，海拔2300～3200m，为高山深切割区[3]，区内共发现12条伟晶岩脉，样品编号为L6～L21。

区内出露海西期二云母花岗岩(钾长花岗岩)，仅局部被第四系残坡积及冲积物覆盖[3]。别也萨麻斯伟晶岩脉主要分布在粗粒、似斑状二云母花岗岩与中粒二云母花岗岩的接触界带，以中细粒结构居多，受控于二云母花岗岩中的原生层节理和区域北西向构造所伴生或派生的构造裂隙，并受到后期断裂和褶皱构造的破坏[22]。伟晶岩脉的主要造岩矿物有微斜长石、石英、白云母及少量的钠长石，常见的副矿物有磷灰石、锆石、电气石、石榴子石等，主要的稀有元素矿物有锂辉石、铌钽矿物、绿柱石以及少量的锂霞石、锂蒙脱石等[3]。

本文研究的钽锰矿采集于L18号脉，该伟晶岩脉体产于海西期二云母花岗岩内，走向220°，与围岩界线清楚。脉体可以划分为石英-白云母与石英核2个结构带，石英-白云母结构带占全脉断面积的30%，石英核占全脉断面积的70%。稀有金属矿物主要为铌钽铁矿、绿柱石，其中铌钽铁矿呈黑色，板状，晶体大小(1～3)cm×(1～2)cm×(0.5～1)cm；绿柱石呈淡绿色，晶形不完整，粒径约2～5cm。

2 实验部分

2.1 实验样品

钽锰矿是铌铁矿-钽铁矿族的一种。铌铁矿-钽铁矿族属斜方晶系，晶形多呈短柱状，沿(100)呈板状晶体，常见直角柱形，柱体末端呈锐角状。研究区L18号伟晶岩脉钽锰矿呈直角柱状，黑褐色，半金属光泽。本次采集的钽锰矿颗粒质量18.7g，体积2.5cm3，相当于密度为7.48g/cm3，与钽铁矿一致，比铌铁矿高(铌铁矿的比重为5.2～6.25，钽铁矿的比重为6.25～8.25[10])。

2.2 电子探针分析

钽锰矿成分分析是在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成，使用仪器为JXA-8230型电子探针，其工作条件为：加速电压15kV，探针电流20nA，光束直径为5μm。电子探针工作条件和矿物标样参见表1。

2.3 钽锰矿TIMS U-Pb同位素年代学研究

为了查明钽锰矿的形成时代及其与围岩二云母花岗岩体的关系，本次在中国地质调查局天津地质调查中心实验室进行了TIMS U-Pb同位素分析测试。使用仪器为美国ThermoFisher公司生产的 Triton热电离质谱仪，该质谱仪配置9个法拉第杯和9个离子计数器接收器以及1个带有正负离子的电子倍增器，能够进行快速峰切换，接收器有效接收能力为17%的相对质量范围，仪器具有正负离子检测功能。在利用Triton热电离质谱仪测定样品前，使用国际上通用的铅标准物质SRM982、铀标准物质U-500对仪器进行优化校准。ID-TIMS数据处理使用 PBDAT程序[25]，不一致线和平均权重计算及作图使用Isoplot程序[26]，利用Stacey-Kramers[27]模式进行普通铅校正。

表1 电子探针工作条件

钽锰矿样品溶样及同位素稀释-热电离质谱(ID-TIMS)的U、Pb化学分离实验详细流程和条件，与金红石类似。首先对待测样品进行清洗，除去表面有机物及杂质，采用同位素稀释法进行U-Pb定年，钽锰矿的溶解，U、Pb分离和质谱分析具体流程参见周红英等[28]。

图2 钽锰矿背散射点位Fig.2 Point locations for electron microprobe analyses of tantalite-(Mn)

3 结果与讨论

3.1 钽锰矿电子探针分析结果

别也萨麻斯稀有金属矿区钽锰矿的电子探针测试结果见表2。测点(BY-1-1～BY-7-4)共计42个，均位于横跨钽锰矿横剖面的一条直线(近于直线)上(图2a～g)，因此各点的主微量成分可以反映钽锰矿由边部到中心的化学成分变化特征。

表2 别也萨麻斯矿区钽锰矿的电子探针分析结果

钽锰矿在电子探针镜下呈三种不同颜色：浅灰白色、灰白色及灰色(图2a～g)，但未表现出分带性。钽锰矿中Ta2O5含量也可划分为三个范围：51%～58%、59%～64%、69%～75%，电子探针镜下颜色较浅的钽锰矿中Ta2O5含量较高。Ta2O5含量介于51.58%～74.80%之间，均值68.49%；Nb2O5含量介于6.15%～27.63%之间，均值13.23%；Ta2O5+Nb2O5含量为78.56%～96.50%，均值81.71%；Ta2O5/Nb2O5=1.91～12.14，变化较大，均值6.94；WO3含量较高，远高于南平伟晶岩中的锡钽锰矿(WO3含量为0.25%[11])以及俄罗斯Kolmozero伟晶岩中的钽锰矿(WO3含量为0.116%[12])。这与W、Sn、Zr地球化学性质接近，易于发生类质同象替代有关[11-12]。

将本次测定的钽锰矿与世界各地伟晶岩中该矿物的化学成分数据投于铌铁矿-钽铁矿四方图中(图3a,b)，该图显示别也萨麻斯钽锰矿的Ta/(Ta+Nb)比值略小，但变化较大。铌钽族矿物的化学通式为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个氧原子为基础计算钽钽锰矿晶体化学式为: (Mn0.838Fe0.080Ca0.001)0.919(Ta1.468Nb0.449W0.068Si0.033Ti0.005Zr0.002)2.025O6。

3.2 钽锰矿TIMS U-Pb定年结果

所研究的钽锰矿采集于别也萨麻斯矿区L18号伟晶岩脉，呈直角柱状，黑褐色，半金属光泽。TIMS钽锰矿U-Pb测年结果如表3和图4所示。

该钽锰矿样品2次测试(测号：H-N-1、H-N-2)中U含量为13.112mg/g、11.845mg/g，Pb含量为3.192mg/g、5.421mg/g，U-Pb谐和年龄为160.13±0.32Ma(MSWD=0.00095，n=2)，206Pb/238U平均年龄为160.1±1.1Ma(MSWD=0.0057,n=2)。这是本文应用TIMS方法获得钽锰矿的U-Pb年龄，此次获得的谐和年龄与平均年龄在误差范围内一致，表明区内钽锰矿化主要发生于晚侏罗世早期。

4 矿化伟晶岩脉与围岩花岗岩的成因联系

根据岩浆演化规律，由岩浆热液形成的稀有金属矿物，酸性组分趋于晚期富集。同一矿物颗粒，边部的SiO2、WO3一般高于中心，而CaO、FeO等低于中心，但本次分析结果并不符合这种规律(图5a～d)。别也萨麻斯L18号伟晶岩脉的钽锰矿，中心位置CaO含量较边部低，SiO2含量除在BY-2点处增高至1.14%外，在其余点处变化不大。因此钽锰矿并非单纯的由结晶分异作用形成，应当受到后期交代作用的影响：一方面发生SiO2的带出与CaO的带入，另一方面也可能对已晶出的稀有金属矿物重熔和捕集，并在有利条件下进一步富集。

可可托海3号伟晶岩脉据文献[4]; 别也萨麻斯为自测; Jezuitské Lesy pegmatite据文献[9]; Kenticha rare-metal field据文献[29]; Kolmozero pegmatite据文献[12]; Petalite pegmatite据文献[30]。图3 (a)不同地区铌钽矿物成分关系；(b)别也萨麻斯伟晶岩脉钽锰矿矿物成分关系图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 别也萨麻斯矿区钽锰矿TIMS U-Pb分析结果

图4 别也萨麻斯矿区钽锰矿(a)TIMS U-Pb年龄谐和图与(b)加权平均年龄Fig.4 (a) TIMS U-Pb concordia diagram and (b) the weighted mean ages of tantalite-(Mn) from Bieyesamasi orefield

Fig.5 钽锰矿横截面上的各成分含量变化(边部—中心—边部)Fig.5 Content variation of major elements along the tantalite-(Mn)’s cross section (edge—center—edge)

L18号伟晶岩脉在空间上分布于中粗粒似斑状二云母花岗岩内，本次通过TIMS方法所获得的钽锰矿U-Pb年龄为160.1±1.1Ma。这一数据与矿区内石英-锂辉石伟晶岩脉的锆石U-Pb年龄(151.0±1.8Ma)[23]、锂矿区伟晶岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄(151Ma)[20]相近，表明别也萨麻斯矿区的含矿伟晶岩形成于晚侏罗世。阿尔泰地区在二叠纪—侏罗纪期间出现了连续的成矿作用，形成了特色且复杂的稀有金属矿床[20]。此次年龄数据表明别也萨麻斯钽锰矿化处于这一密集成矿期的末尾。L18号伟晶岩脉的围岩为二云母花岗岩，形成于海西期(449Ma[23]；412～396Ma[20,31])，脉体与围岩侵入体在空间上密不可分，但二者形成时代相差甚远，因此二云母花岗岩并非矿化伟晶岩的直接成矿母岩。此外，有学者[23]研究表明别也萨麻斯含矿伟晶岩脉与二云母花岗岩的锆石Hf同位素组成具有一定差异，暗示二者的成岩物质来源不同，是不同演化阶段的产物，进一步证明了二者不具有成因联系。

此类伟晶岩矿化与围岩花岗岩不具有成因联系的情况并非个例。如王登红等[32-34]研究发现可可托海3号脉形成于印支晚期—燕山期，也明显晚于其直接围岩——辉长岩及附近的海西期花岗岩；杨富全等[20]测得阿尔泰地区沙依肯布拉克铍矿区的伟晶岩(202Ma)和稀有金属成矿与围岩花岗岩(406～531Ma)无关。至于出现这一现象的原因，存在两种可能性：①伟晶岩脉附近或深部存在与伟晶岩型稀有金属(本文指铌钽矿)矿化具有成因联系的燕山期花岗岩体；②缺失伟晶岩母体花岗岩，即深部岩浆房中的花岗岩熔体在地幔或下地壳流体的作用下发生了长期的分异演化，进一步形成了独立的伟晶岩岩浆。

5 结论

钽锰矿是稀有金属钽的主要赋存矿物之一，相较于铌铁矿、钽铁矿等常见铌钽矿物而言并不易见，对其研究有限。别也萨麻斯稀有金属矿区L18号伟晶岩脉中发育典型的钽锰矿，晶形完整粒度较大。本文以矿区内采集的钽锰矿为研究对象，通过电子探针、TIMS U-Pb测年等方法，获得了钽锰矿的化学组成、形成年龄，计算了其晶体化学式，分析了矿化与围岩花岗岩的成因联系。主要结论概括为以下几点。

(1)采集于别也萨麻斯矿区L18号伟晶岩脉中的钽锰矿，呈直角柱状，黑褐色，半金属光泽，密度为7.48g/cm3，与钽铁矿一致。

(2)钽锰矿的成分不均，未表现出规律的分带性，但矿物颗粒中心部位的CaO含量较边部低，FeO含量较边部高。矿物横剖面上SiO2含量相对稳定，TiO2与WO3显示不规律的波动。这种特征表明钽锰矿并非单纯的由结晶分异作用形成，也受到了后期交代作用的影响。

(3)通过TIMS法对钽锰矿U-Pb测年获得其成矿年龄为160Ma，远远晚于围岩二云母花岗岩，后者并非L18号伟晶岩脉的成矿母岩体。

致谢：TIMS钽锰矿 U-Pb测年工作得到了中国地质科学院矿产资源研究所侯可军副研究员的帮助，核工业北京地质研究院科技信息研究所范光研究员提供了宝贵意见，在此表示衷心的感谢。