新疆西昆仑雪凤岭锂矿床铌钽铁矿、锡石年龄及其地质意义*

2022-08-04白洪阳王核闫庆贺王赛蒙王振宏张晓宇高昊秦艳

岩石学报 2022年7期

白洪阳王核** 闫庆贺王赛蒙王振宏张晓宇高昊秦艳

1. 中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室，广州 510640

2. 中国科学院大学，北京 100049

3. 广东省有色地质勘查院，广州 510089

图1 西昆仑造山带区域构造图(a, 据Xiao et al., 2005; Yan et al., 2022修改)及西昆仑-松潘-甘孜造山带主要伟晶岩型锂矿床分布简图(b, 据Yan et al., 2022修编)Fig.1 Regional tectonic map showing the location of the West Kunlun orogenic belt (a, modified after Xiao et al., 2005; Yan et al., 2022) and simplified map of the major pegmatite-type Li deposits in the West Kunlun-Songpan-Garzê (b, modified after Yan et al., 2022)

锂是重要的战略资源，广泛应用于新能源、国防、航天、航空等工业领域(翟明国等, 2019;许志琴等, 2021)。随着我国“碳中和”目标的提出，中国未来对于锂的需求也会跨越式增长，但是我国锂资源主要依赖进口，对外依存度高达80%。因此锂矿资源的研究依然十分重要，不仅具有很高的经济价值，还有重要的战略意义(刘丽君等, 2019; 翟明国等, 2019; 许志琴等, 2021)。

我国的伟晶岩型锂矿床主要集中在川西、西昆仑、阿尔泰、东秦岭、阿尔金北缘、茶卡北山、喜马拉雅、华南等地区(Lietal., 2015; Liuetal., 2022; Wangetal., 2020; 李杭等, 2020;秦克章等, 2019, 2021; 王核等, 2021; 周楷麟, 2021; 周起凤等,2021)，成矿时代主要为加里东期、印支期、燕山期和喜山期。西昆仑-喀喇昆仑伟晶岩型锂矿床主要集中在西段的木吉-布伦口地区和东段的大红柳滩地区(图1)。木吉一带的肖尔布龙锂矿床(～204.6Ma)和霍什塔什锂矿床(～205.7Ma)和大红柳滩一带的大红柳滩锂矿床(～211Ma)、白龙山锂矿床(～208.1Ma)都形成于晚三叠世，与西昆仑造山带广泛出露的三叠纪花岗岩密切相关(Yanetal., 2018; Wangetal., 2020)。

图2 喀喇昆仑雪凤岭锂矿床地质简图(据王核等,2020修编)1-第四系; 2-变砂岩; 3-片岩; 4-石英闪长岩; 5-块体长石伟晶岩; 6-石英钠长石白云母伟晶岩; 7-石英脉; 8-硅化; 9-岩相界线; 10-锂矿体; 11-采样位置Fig.2 Geological map of the Xuefengling lithium deposit in Karakorama(after Wang et al., 2020)1-Quaternary; 2-metasandstone; 3-schist; 4-granodiorite; 5-block feldspar pegmatite; 6-quartz albite Muscovite pegmatite; 7-quartz vein; 8-silicification; 9-lithofacies boundary; 10-lithium ore body; 11-sampling location

雪凤岭锂矿床是在西昆仑地区继白龙山矿床后新发现的又一个大型锂矿床，前人对雪凤岭锂矿床的地质特征等进行了初步研究(王核等, 2020)，但是对该矿床的成矿年龄和成矿模式尚未进行研究。本文利用铌钽铁矿和锡石U-Pb定年厘定雪凤岭矿床的成矿年龄，以期为深入了解西昆仑造山带乃至整个古特提斯稀有金属成矿带的成矿规律提供新证据，进而探讨该地区稀有金属矿产勘查方向。

1 矿区地质背景

雪凤岭锂多金属矿床是项目组近年来发现的大型锂矿床(王核等, 2020)，矿床位于和田县城西南方向约200km(地理坐标：35°47′45″～35°48′10″N、79°18′20″～79°19′40″E)，大地构造位于西昆仑-喀喇昆仑造山带的甜水海地体东段。西昆仑-喀喇昆仑造山带南接青藏高原，北接塔里木盆地，是特提斯造山带的重要组成部分，从北到南分为四个构造单元，即：北昆仑地体、南昆仑地体、甜水海地体和喀喇昆仑地体(Yanetal., 2018; 张传林等, 2019; Wangetal., 2020; 吴福元等, 2020)(图1)。甜水海地体呈NW-SE向，北起麻扎-康西瓦缝合带，南至红山湖-乔尔天山缝合带(图1b; Huetal., 2016; Yanetal., 2018)。前人认为甜水海地体是一个巨大的增生楔，是原特提斯洋长期向麻扎尔-甜水海地体之下俯冲的结果，记录了南昆仑地体与喀喇昆仑地体之间古生代-中生代俯冲相关的造山过程(Xiaoetal., 2005)。甜水海地块大红柳滩地区是目前我国锂矿勘查开发的热点地区，主要矿床有大红柳滩锂矿、白龙山锂矿、509道班西锂矿、俘虏沟1号脉等(王核等, 2017; 李侃等, 2019; 王威等，2022)。

雪凤岭锂矿区主要出露地层为中生界三叠系巴颜喀拉山群，主要岩性为灰绿色变砂岩和灰-深灰色二云母石英片岩，变质程度较低，属绿片岩相，片理和节理比较发育。矿区主要岩浆岩为石英闪长岩和花岗伟晶岩脉，花岗伟晶岩脉有大小不同的80余条。

矿区主要出露一条长约1750m、宽约300m的含锂辉石伟晶岩脉群(图2)，整体可划分出3个含矿伟晶岩脉群带，含有锂多金属矿体47条(图2、图3a), 矿体长32～360m, 厚0.9～8m。含矿伟晶岩Li2O含量0.6%～3.74%，伴生BeO品位0.04%～0.15%，Rb2O品位0.10%～0.23%，Nb2O5品位0.007%～0.047%，Ta2O5品位0.003%～0.046%(王核等,2020)。

图3 雪凤岭锂矿床的野外和手标本照片及显微照片(a)雪凤岭远景; (b) 18XFL-B02手标本样品特征; (c)铌钽铁矿与石英、钠长石共生(正交偏光); (d)铌钽铁矿与石英、白云母共生(正交偏光). Qtz-石英; Mus-白云母; Spd-锂辉石; Col-铌钽铁矿; Ab-钠长石Fig.3 Photographs and photomicrographs of the Xuefengling lithium deposit(a) overview of the Xuefengling prospect; (b) 18XFL-B02hand specimen sample characteristics; (c) columbite-(Fe) coexists with quartz and albite (orthogonal polarization); (d) columbite-(Fe)coexists with quartz and muscovite (orthogonal polarization). Qtz-quartz; Mus-muscovite; Spd-spodumene; Col-columbite-(Fe); Ab-albite

伟晶岩脉群走向主要呈NW-SE向，由北而南可分为石英脉、含矿伟晶岩脉群、石英-钠长石-白云母伟晶岩脉群(pm)、块体长石伟晶岩脉群(pf)和含黑色电气石伟晶岩脉群(pt)。其中含矿花岗伟晶岩脉又可分为锂辉石-石英伟晶岩型、石英-锂辉石-钠长石型和石英-钠长石-锂辉石伟晶岩脉(王核等, 2020)。

2 样品特征及测试方法

2.1 样品特征

实验样品(18XFL-B02)取自Ⅲ-5号矿体(图2)，为石英-锂辉石-钠长石伟晶岩脉，含石英(30%～34%)、钠长石(19%～25%)、锂辉石(30%～34%)、白云母(1%～2%)、铌钽铁矿(～0.01%)和锡石(～0.2%)。手标本中锂辉石粒径长约1～10cm，锆石、锡石、铌钽铁矿和白云母是主要的副矿物，与白云母、钠长石和石英共生(图3c, d)。

2.2 铌钽铁矿和锡石U-Pb定年

铌钽铁矿、锡石单矿物分选及制靶在广州拓岩公司完成：首先机械破碎含铌钽铁矿和锡石的新鲜岩样品，经过磁选、重选后在显微镜下挑选出晶形较好的铌钽铁矿，粘在环氧树脂上，将固化的树脂刨磨至大部分铌钽铁矿颗粒露出。铌钽铁矿和锡石阴极发光(CL)、背散射(BSE)图像的拍摄也在广州拓岩公司完成。

铌钽铁矿和锡石U-Pb年代学测定在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室电感耦合等离子体质谱Thermo Fisher Scientific iCAP-Q 型 ICP-MS 与RESOlution S155型 193nm 的ArF准分子激光器联用完成。Squid 平滑设备用于减少由激光烧蚀脉冲引起的统计误差并提高数据质量(涂湘林等, 2011; Lietal., 2012)。用于烧蚀样品气溶胶的氦气载气与作为额外双原子气体的氩气载气和氮气混合以提高灵敏度，最后流入 ICP。

铌钽铁矿U-Pb定年的详细分析步骤参见文献(Cheetal., 2015)。铌钽铁矿定年采用Coltan139 作为外部标准进行校正。激光束斑直径为43μm，频率 4Hz，每个分析点的气体背景采集为 20s，信号采集时间 50s，204Pb、206Pb和208Pb驻留时间为 15ms，207Pb为 30ms，232Th和238U 为10ms，其他元素均为6ms。每测定8个样品点，分析2次外部标样(Coltan 139)和 2次NIST SRM 610。

使用 4J/cm2的能量密度、43μm的光斑尺寸和 6Hz 的重复频率对锡石样品进行分析。NIST SRM 614 和锡石标准XHL (Yuanetal.,2011)用作外部标准。NIST SRM 614 每十次分析两次，而 CLGH每五次分析两次。每个点分析都包含大约 20s的背景采集，然后是 40s的样本数据采集(Lietal., 2016)。在时间分辨模式下测量同位素。对于 U/Pb测年，204Pb、206Pb和208Pb、238U 和235U 的每次质量扫描的驻留时间为 15ms，207Pb的驻留时间为25ms (Lietal., 2016)。ICPMSDataCal进行了背景和分析信号的离线选择和整合，以及微量元素分析和 U-Pb测年的时间漂移校正和定量校准(Liuetal., 2008, 2010)。Isoplot4.15 (Ludwig, 2003)用于计算 U-Pb年龄。

图4 雪凤岭锂矿床18XFL-B02样品中铌钽铁矿U-Pb年龄谐和图(a)、加权平均年龄图(b)和背散射(BSE)图像(c)蓝色圈表示电子探针分析点位置，红色圈表示 LA-ICP-MS U-Pb年龄分析点位置Fig.4 Columbite-(Fe) U-Pb concordia diagrams (a), weighted average age diagram (b) and back scattering (BSE) images (c) of the18XFL-B02 sample from the Xuefengling lithium depositThe blue circles indicate the location of EMPA analysis, the red circles indicate the location of LA-ICP-MS U-Pb analysis

2.3 电子探针测试

电子探针测试在中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验完成。铌钽铁矿和锡石主元素含量采用 JEOL JXA-8230型电子探针(EPMA)进行分析。分析条件采用加速电压 15kV，电流 20nA，电流束斑直径为 1μm。每个元素数据采集时间20～40s。测试使用的标准样品为天然样品和人工合成氧化物，包括金红石(Ti)、石榴石(Fe)、蔷薇辉石(Mn)、铌金属(Nb)、钽金属(Ta)、钪金属(Sc)、锡石(Sn)、ZnWO4(W)等。原始数据采用 ZAF 程序校正，主元素的分析误差小于 2%。

3 测试结果

3.1 铌钽铁矿U-Pb年龄

18XFL-B02样品中铌钽铁矿呈白色、半透明、自形-半自形晶体，背散射图像显示其内部结构较简单，环带不发育，少见矿物包裹体(图4c)。铌钽铁矿测点共22个，206Pb/238U 值变化范围为 0.03263～0.03293，207Pb/235U 值变化范围为0.22047～0.25412，207Pb/206Pb值变化范围为 0.04883～0.05617(表1)；铌钽铁矿颗粒的 U 含量在266.5×10-6～3638×10-6之间， Th含量在0.70×10-6～8.68×10-6，跨度都很大，总体来说高U低Th，Th/U 在0.00172～0.00285之间,这两个元素还呈现正相关性。铌钽铁矿共 22 个测点产生的207Pb/235U-206Pb/238U 谐和年龄为 208.2±2.1Ma(图 4a, b)。

3.2 锡石U-Pb年龄

18XFL-B02样品中锡石为深褐色-黑色、半透明、自形-半自形晶体，阴极发光(CL)、背散射(BSE)图像显示其内部结构较简单，环带不发育，少见矿物包裹体(图5b, c)。锡石测点共27个，238U/206Pb值变化范围为1.73～27.74，207Pb/206Pb值变化范围为0.09～1.04(表2)，锡石238U/206Pb-207Pb/206Pb谐和年龄为208±15Ma(图5a)。

3.3 铌钽铁矿和锡石电子探针分析结果

铌钽铁矿矿物长约100～120μm，宽约40～100μm(图4c，d)，大多数矿物没有成分分带。22个没有成分分带的铌钽铁矿(1～22)的EMPA分析显示出轻微的成分变化，其中FeO含量为10.15%～12.78%，MnO含量为7.14%%～9.70%，Nb2O5含量为36.01%～69.55%，Ta2O5含量为8.13%～44.84%(表3)，另外还有大量的WO3(0.53%～2.05%)和少量TiO2(0.18%～0.63%)，SnO2(<0.26%)，ZrO2(0.03%～0.42%)和Sc2O3(<0.19%)。对12号铌钽铁矿进行的三次EMPA分析表明，从核部到边部，Ta/(Ta+Nb)为0.12～0.29，但Mn/(Mn+Fe)的范围非常狭窄。这一结果表明，Ta、Nb可以描述花岗伟晶岩的分异趋势。有成分分带铌钽铁矿样品含有11.42%～12.22% FeO、 7.14%～7.49% MnO、47.53%～64.00% Nb2O5、14.95%～32.24% Ta2O5和0.85%～1.28% WO3，以及少量SnO2(<0.23%)、ZrO2(<0.17%)、TiO2(<0.35%)和Sc2O3(<0.11%)。在铌钽铁矿-钽铁矿四边形图中，所有数据点均位于铌钽铁矿区域内(图6a)，表明Ⅲ-5 号伟晶岩的分异相对较低(Ercit,1994)。

表1 雪凤岭锂矿床铌钽铁矿LA-MC-ICP-MS U-Pb定年结果Table 1 LA-MC-ICP-MS U-Pb isotope data of the columbite-(Fe) from the Xuefengling lithium deposit

4 讨论

4.1 雪凤岭锂矿床成矿时代

锡石是稀有金属伟晶岩中常见的副矿物，常与铌钽矿物伴生。锡石通常含有大量的 U 并保留放射成因的Pb，并且具有保持U和Pb的能力，使得锡石 U-Pb测年成为确定锡矿化过程的重要方法(刘玉平等, 2007; Yuanetal., 2011)，适合开展 U-Pb定年工作，可以用来厘定稀有金属伟晶岩矿床的形成时代(崔玉荣等,2017)。雪凤岭锡石数据在(Nb+Ta)-(Fe+Mn)图中显示2:1的线性排列，属于稀有元素伟晶岩区，且大多数锡石Ta/(Ta+Nb)=0.5～0.9(表4)，所有这些都表明岩浆成因(Tindleand Breaks, 1998)。因此，雪凤岭伟晶岩中锡石年龄可被视为含矿伟晶岩的成岩成矿年龄。

表2 雪风岭锂矿床锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年结果Table 2 Cassiterite LA-MC-ICP-MS U-Pb isotope data of the Xuefengling lithium deposit

图5 雪凤岭锂矿床18XFL-B02 样品中锡石U-Pb年龄谐和图(a)和阴极发光(CL)图像(b)、背散射(BSE)图像(c)蓝色圈表示电子探针分析点位置，红色圈表示 LA-ICP-MS U-Pb年龄分析点位置Fig.5 Cassiterite U-Pb concordia diagrams (a), and CL images (b) and BSE images (c) of the 18XFL-B02 sample from Xuefengling lithium depositThe blue circles indicate the location of EMPA analysis, the red circles indicate the location of LA-ICP-MS U-Pb analysis

为此本文采用上述方法测定雪凤岭锂矿床伟晶岩中铌钽铁矿和锡石的年龄，分别为208.2±2.1Ma和208±15Ma，二者在误差范围内相一致，表明该矿床的成矿年龄为～208.1Ma。

4.2 区域成矿意义

Daietal. (2019)、郝雪峰等(2015)、李建康(2006)和王登红等(2005)测定甲基卡锂矿床的锆石U-Pb定年结果为214±2Ma、217±1.1Ma，铌钽铁矿U-Pb定年结果为214±2Ma，锡石U-Pb定年结果为210.9±4.6Ma。Feietal. (2018, 2020)和邓运等(2018)测定可尔因地区锆石U-Pb定年结果为198±3.4Ma、200.1±4.6Ma、202.8±4.9Ma，铌钽铁矿U-Pb和锡石U-Pb定年结果为211±1.0Ma、211.4±3.3Ma。Zhangetal. (2014a)和李建康(2006)测定雪宝顶锂矿床锡石U-Pb定年结果为199.6±6Ma。Lietal. (2019a)测定扎乌龙锂矿床铌钽铁矿U-Pb定年结果204.5±1.8Ma。

表3 雪凤岭锂矿床中铌钽铁矿主要化学组成的EMPA分析结果(wt%)Table 3 Chemical compositions of the Xuefengling lithium deposit columbite-(Fe) analyzed by EMPA (wt%)

表4 雪凤岭锂矿床中锡石主要化学组成的EMPA分析结果(wt%)Table 4 Chemical composition of the Xuefengling cassiterite analyzed by EMPA (wt%)

图6 铌钽铁矿Mn/(Mn+Fe)-Ta/(Nb+Ta)相关性图解(a, 据 and Ercit, 1989修改)及U-Th相关性图解(b)Fig.6 Composition of columbite-group minerals expressed in terms of the Mn/(Mn+Fe) vs. Ta/(Nb+Ta) quadrilateral (a, modified after and Ercit, 1989) and positive U vs. Th correlation (b)

图7 雪凤岭锂矿床锡石单位化学结构式中Nb+Ta与Fe+Mn原子数的相关性图解(据Tindle and Breaks, 1998)Fig.7 Covariation of Nb+Ta vs. Fe+Mn in cassiterite from the Xuefengling deposit (modified after Tindle and Breaks, 1998)

Wangetal. (2020)和Yanetal. (2022)测定白龙山锂矿床铌钽铁矿U-Pb定年结果208.1±1.5Ma，独居石定年结果为207.4±0.6Ma。Liuetal. (2020)、Yanetal. (2018)和Lietal. (2019a)测定大红柳滩锂矿床锆石U-Pb定年结果196.1±1.0Ma、195.2±1.5Ma，铌钽铁矿U-Pb定年结果和锡石U-Pb定年结果分别为211.9±2.4Ma、218±12Ma。Yanetal. (2022)测定肖尔布龙锂矿床铌钽铁矿U-Pb定年结果为204.6±2.1Ma，霍什塔什锂矿床铌钽铁矿U-Pb定年结果和独居石定年结果分别为205.7±2.7Ma、204.2±0.8Ma。Liuetal. (2022)测定茶卡北山稀有金属伟晶岩铌钽铁矿U-Pb定年结果为214.9±1.7Ma、217.0±2.3Ma和215.0±1.5Ma，云母Ar-Ar定年结果为213.00±0.97Ma、211.67±0.35Ma和211.78±0.29Ma。结果表明，西昆仑成矿带的大红柳滩锂矿床(～211Ma)、白龙山锂矿床(～208.1Ma)、肖尔布龙锂矿床(～204.6Ma)和霍什塔什矿床(～205.7Ma)都形成于晚三叠世(Yanetal., 2018, 2022; Wangetal., 2020)，松潘-甘孜成矿带的甲基卡(～214Ma)、可尔因(～211.1Ma)和扎乌龙(～204.5Ma)矿床也形成于晚三叠世(郝雪峰等, 2015; Lietal., 2019a; Feietal., 2020; Yanetal., 2020)，其形成均与三叠纪花岗岩密切相关，进一步论证了西昆仑成矿带与松潘-甘孜成矿带之间的联系。Liuetal. (2022)测定茶卡北山稀有金属伟晶岩年龄约为217.0～211.7Ma，与西昆仑成矿带、松潘-甘孜成矿带锂矿床年龄相近，向北扩大了我国潜在锂矿床分布面积。

综上所述，雪凤岭矿床与西昆仑的大红柳滩锂矿床和白龙山锂矿床以及松潘-甘孜成矿带甲基卡、可尔因和扎乌龙矿床均形成于晚三叠世，都与晚三叠世S型花岗岩和复理石沉积岩具有空间和成因关系(Lietal., 2015, 2019a; Wangetal., 2020; Yanetal., 2018, 2020, 2022; Liuetal., 2022)，这些矿床构成了一条延伸2800km的古特提斯锂成矿带(图8)。

图8 西昆仑-松潘-甘孜造山带主要伟晶岩型锂矿床分布及成矿预测简图(据Yan et al., 2022; Liu et al., 2022修编)Fig.8 Simplified map of metallogenic predictiontheand major pegmatite-type Li deposits in the West Kunlun-Songpan-Garzê and North Qaidam terranes (modified after Yan et al., 2022; Liu et al., 2022)

在古特提斯成矿带的东段松潘-甘孜地区和西段大红柳滩地区均发育有大型-超大型的锂矿床，而在其中段的东昆仑-可可西里一带是否具有寻找大中型锂矿床的条件？前人在东昆仑黑石北湖、云雾岭和木孜塔格地区发现大量晚三叠世花岗岩出露(Zhangetal., 2014b; Lietal., 2019b)，1:50万东昆仑地区地球化学异常(周军, 2017(1)周军. 2017. 新疆东昆仑-阿尔金成矿带1:50万锂地球化学图)中黑石北湖、云雾岭和木孜塔格地区具有较好的锂异常，且这三个地区的锂异常均围绕着晚三叠世花岗岩昆仑山岩体、云雾岭岩体和木孜塔格岩体分布，具有形成大中型锂矿的有利条件。因此，本文认为黑石北湖、云雾岭和木孜塔格地区(图8)是古特提斯成矿带下一步锂矿找矿突破的远景区。