地质通报  2020, Vol. 39 Issue (12): 2013-2028  
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胡军亮, 谭洪旗, 周雄, 倪志耀, 周玉. 川西九龙打枪沟锂铍矿床赋矿伟晶岩矿物学和矿物化学特征[J]. 地质通报, 2020, 39(12): 2013-2028.
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Hu J L, Tan H Q, Zhou X, Ni Z Y, Zhou Y. A study of mineralogy and mineral chemistry of ore-bearing pegmatites in the Daqianggou lithium-beryllium deposit, western Sichuan[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(12): 2013-2028.
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基金项目

中国地质调查局项目《四川九龙—可尔因地区大型锂资源基地综合调查评价》(编号:DD20190185)

作者简介

胡军亮(1995-), 男, 地质工程专业, 从事岩石学、矿床学研究。E-mail:852526019@qq.com

通讯作者

周雄(1979-), 男, 副研究员, 从事矿床学研究。E-mail:zhouxiong27@163.com

文章历史

收稿日期: 2020-06-01
修订日期: 2020-10-26
川西九龙打枪沟锂铍矿床赋矿伟晶岩矿物学和矿物化学特征
胡军亮1,2, 谭洪旗1,3,4, 周雄1,3,4, 倪志耀2, 周玉1,3,4    
1. 中国地质科学院矿产综合利用研究所, 四川 成都 610041;
2. 成都理工大学, 四川 成都 610059;
3. 中国地质调查局稀土资源应用技术创新中心, 四川 成都 610041;
4. 中国地质调查局金属矿产资源综合利用技术研究中心, 四川 成都 610041
摘要: 打枪沟伟晶岩型锂铍矿床是九龙地区典型的中型锂铍矿床,是松潘-甘孜锂成矿带的重要组成部分。该矿床含矿伟晶岩主要为钠长石伟晶岩和钠长石-锂辉石伟晶岩,主要矿石矿物为锂辉石和绿柱石。在翔实的野外地质调查的基础上,选取打枪沟锂铍矿床典型矿脉(ⅠLi,Be和ⅡBe矿脉)开展岩相学、矿物学和矿物化学研究,以揭示其矿物生成顺序和成矿阶段。电子探针分析结果显示,含锂矿物主要为锂辉石,矿物中Li2O含量为7.94%~8.29%,平均为8.12%;云母类矿物为白云母和锂-多硅白云母,白云母中Li2O含量为0.08%~0.35%,平均为0.21%,Rb2O含量为0.13%~0.35%,平均为0.24%,锂-多硅白云母中Li2O含量为1.11%~1.43%,平均为1.28%,Rb2O含量为0.79%~0.94%,平均为0.87%;电气石为铁电气石-锂电气石系列,Li2O含量为0.48%~0.85%,平均为0.64%。在详细的矿物显微特征研究并结合电子探针分析的基础上,分析认为伟晶岩中稀有金属矿物由绿柱石→绿柱石+锂辉石→锂辉石→锂辉石+锂-多硅白云母转变,云母由白云母向锂-多硅白云母转变,电气石由铁电气石向锂电气石过渡,长石矿物由微斜长石+钠长石→钠长石→交代钠长石转变,石英由原生石英→后期热液石英变化。综合分析认为,打枪沟锂铍矿床经历了多阶段的演化过程,主要划分为结晶分异阶段、交代阶段、热液阶段,其中锂铍等稀有金属矿物的形成主要发生在结晶分异阶段和交代阶段。
关键词: 矿物化学    锂铍矿床    伟晶岩    打枪沟    九龙    四川    
A study of mineralogy and mineral chemistry of ore-bearing pegmatites in the Daqianggou lithium-beryllium deposit, western Sichuan
HU Junliang1,2, TAN Hongqi1,3,4, ZHOU Xiong1,3,4, NI Zhiyao2, ZHOU Yu1,3,4    
1. Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources, CAGS, Chengdu 610041, Sichuan, China;
2. Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China;
3. Technical Innovation Center of Rare Earth Resources, China Geological Survey, Chengdu 610041, Sichuan, China;
4. Research Center of Multipurpose Utilization of Metal Mineral Resources of China Geological Survey, Chengdu 610041, Sichuan, China
Abstract: The Daqianggou pegmatite type lithium-beryllium deposit is a typical medium-sized lithium-beryllium deposit in Jiulong area.Its geotectonic location is located in the Yajiang residual basin on the southern margin of the Songpan-Garze fold belt, and the deposit is an important part of the Songpan-Garze lithium metallogenic belt.The main types of ore-bearing pegmatites in the Daqianggou deposit can be divided into albite type and albite-spodumene type, and the main ore minerals are spodumene and beryl.In this paper, based on the field geological survey work, the authors chose typical veins (ⅠLi, Be and ⅡBe) in the Daqianggou lithium beryllium deposit to conduct studies of facieology, mineralogy and mineral chemistry in order to reveal the sequence order of mineral formation and ore-forming stages.The results of electron microprobe analysis show that the lithium-containing mineral is mainly spodumene.The content of Li2O in spodumene is 7.94%~8.29%, averaging 8.12%.Mica minerals are muscovite and lithium-rich phengite.The content of Li2O in muscovite is 0.08%~0.35%, averaging 0.21%, and the content of Rb2O is 0.13%~0.35%, averaging 0.24%.The Li2O content in lithium-rich phengite is 1.11%~1.43%, averaging 1.28%, and the Rb2O content is 0.79%~0.94%, averaging 0.87%.Tourmaline belongs to an iron tourmaline-lithium tourmaline series, with Li2O content of 0.48%~0.85%, averaging 0.64%.Based on the detailed study of the microscopic characteristics of minerals combined with electron microprobe analysis, the authors hold that the rare metal mineral changes in pegmatite are in order of beryl → beryl + spodumene → spodumene → spodumene + lithium-rich phengite, mica changes from muscovite to lithium-rich phengite, tourmaline transition from iron tourmaline to lithium tourmaline, feldspar mineral is composed of micro-plagioclase + albite → albite → metasodium albite, and quartz changes from primary quartz to late hydrothermal quartz.Finally, a comprehensive analysis suggests that the metallogenic stages of the Daqianggou lithium-beryllium deposit underwent a multi-stage evolution process, which could be mainly divided into crystallization stage, metasomatic stage and hydrothermal stage.The formation of rare metal minerals such as lithium and beryllium minerals mainly occurred in the crystallization stage and metasomatic stage.
Key words: mineral chemistry    lithium-beryllium deposit    pegmatite    Daqianggou    Jiulong    Sichuan Province    

锂是相对原子质量最小的金属元素,具有独特的物理、化学性质,被广泛应用于农业、医药、电池、合金、航空航天、国防等重要领域,被誉为“21世纪的能源金属”、“战略金属”、“推动世界前进的金属”[1-5]。铍是应用于航空航天及国防领域的重要材料,享有“核子堆保护神”的美誉,也被广泛应用于电子、机械、新能源汽车等领域[6-7]

中国花岗伟晶岩型锂矿主要集中分布在松潘-甘孜锂矿带、阿尔泰锂矿带[3]。松潘-甘孜锂矿带作为中国重要的锂工业基地,已经发现较多的锂矿床,并开展了大量的研究,其中包括甲基卡[8-12]、容须卡[13-18]、可尔因[1, 19-22]、九龙[23-26]等大、中型锂矿床,同时伴生铍、铌、钽、铷等稀有金属,具有极高的经济价值。

九龙地区伟晶岩型稀有金属矿产目前已发现打枪沟中型锂铍矿,洛莫、久鲁祝、埃金等小型铍矿,以及烂泥巴沟锂矿点、白台铌矿点、合德铌钽矿点等,总体以锂、铍为主,同时伴生铌、钽、铷等稀有金属[23-24]。近年来,九龙地区稀有金属伟晶岩逐渐受到矿产界的重视,诸多学者对区内伟晶岩型矿床开展了矿床地质、矿床地球化学、赋存围岩年代学等研究[23-26],但缺少详细的伟晶岩矿物学研究。因此,本文选取打枪沟锂铍矿床典型矿脉,通过开展岩相学、矿物学和电子探针研究,揭示其矿物生成顺序和成矿期次,以期为九龙地区伟晶岩型稀有金属找矿工作提供依据。

1 地质背景

川西九龙打枪沟锂铍矿床位于九龙县东南乃渠乡境内,大地构造位置属松潘甘孜造山带东南缘,雅江残余盆地(图 1)。松潘-甘孜造山带位于青藏高原东北缘,以金沙江蛇绿混杂岩带为界,东南缘以龙门山断裂带为界与扬子地块西缘相接,北部以秦岭造山带与华北地块相隔,总体呈倒三角形,西北角延伸至青藏高原北部[28]。在松潘甘孜造山带东南缘九龙地区主要出露巴颜喀拉-马尔康地层分区之甘孜-雅江小区三叠系,岩性主要为砂岩、变质砂岩、板岩、片岩等。区域内岩浆活动频繁,广泛出露印支晚期—燕山早期中酸性侵入岩体,为九龙地区铜、金、锌、铅、锂、铍、铌等矿产提供了良好的成矿条件[29-33]。在部分侵入岩体外围发育较多的伟晶岩脉、石英脉、细晶岩脉等脉岩,脉岩的产出主要与侵入岩密切相关,受岩体和构造的控制明显,常沿侵入岩体的外接触带及周围地层的节理裂隙产出,部分伟晶岩脉发生稀有金属元素矿化,以锂、铍矿化为主

图 1 成矿地质背景图(据参考文献[27]修改) Fig.1 Metallogenic geological background map NCC—华北克拉通;TP—青藏高原;YZB—扬子陆块;SGOB—松潘甘孜造山带;YPA—义敦岛弧;QCB—羌塘-昌都陆块;LYFTZ—龙门山-盐源前陆逆冲带;JSZ—金沙江蛇绿混杂岩带;GLSZ—甘孜-理塘蛇绿混杂岩带;XSF—鲜水河走滑断层
2 矿床地质特征

打枪沟锂铍矿床位于九龙复向斜核部,构造形式较简单。区内出露地层主要为三叠系新都桥组,以灰色-深灰色及灰黑色粉砂质板岩、含炭质绢云板岩为主,间夹灰色薄层-厚层状含钙变质杂砂岩、石英细砂-粉砂岩。矿区内岩浆活动强烈,在矿区西北部(矿区外围)发育较大规模的印支晚期羊房沟石英正长岩体,该岩体的南缘见石英闪长岩呈岩株产出,打枪沟锂铍矿床部分伟晶岩脉体产出在石英闪长岩节理缝内[23]

打枪沟锂铍矿床产于石英闪长岩体内北东向和近东西向节理及三叠系新都桥组黑云石英片岩节理中,严格受花岗伟晶岩脉体控制,以脉状为主,少数为透镜状,产状与伟晶岩脉体一致。打枪沟锂铍矿床共圈定锂铍共生矿体1条,锂矿体5条,铍矿体8条(图 2)。其中,锂矿体主要分布于上三叠统新都桥组黑云母石英片岩内的钠长石-锂辉石伟晶岩脉中,铍矿体主要成群分布于燕山期石英闪长岩的钠长石伟晶岩脉中。

图 2 打枪沟矿床地质简图(据参考文献[23]修改) Fig.2 Sketch geological map of the Daqianggou deposit (含锂铍伟晶岩代表赋存锂铍共生矿体的伟晶岩脉体;含锂伟晶岩代表赋存锂矿体的伟晶岩脉体;含铍伟晶岩代表赋存铍矿体的伟晶岩脉体)

打枪沟地区伟晶岩的主要类型有微斜长石伟晶岩(Ⅰ)、钠长石-微斜长石伟晶岩(Ⅱ)、钠长石伟晶岩(Ⅲ)、钠长石-锂辉石伟晶岩(Ⅳ)。微斜长石型伟晶岩主要位于矿床外围西部,主要由石英(40%~50%)、微斜长石(30%~40%)、电气石(10%~15%)及少量钠长石组成,矿化较弱,一般不具工业价值;钠长石-微斜长石型伟晶岩主要分布在矿物外围西部,主要由石英(30%~35%)、微斜长石(35%~45%)、钠长石(15%~25%)及少量锂辉石、白云母、电气石等组成,具有少量的铍、铌、钽矿化;钠长石伟晶岩在矿床内分布较多,主要由石英(40%~50%)、钠长石(30%~35%)、微斜长石(5%~10%)、白云母(5%~10%)、锂辉石(5%~10%)及少量电气石组成,以锂、铍、铌、钽矿化为主,是矿区主要的铍矿体赋存类型;钠长石-锂辉石伟晶岩在矿区内数量最多,分布较广,主要由钠长石(30%~40%)、石英(20%~35%)、锂辉石(10%~20%)、微斜长石(10%~20%)及少量富锂云母、白云母组成,以锂、铍矿化为主。

打枪沟矿床内造岩矿物以钠长石、石英、微斜长石、云母、电气石为主,因其产出位置不同,各矿物含量变化较大。稀有金属矿物主要有锂辉石、绿柱石、铌钽铁矿。副矿物有锡石、独居石、金红石、磁铁矿、钛铁矿、石榴子石、磷灰石、褐帘石等。矿石矿物以锂辉石为主,含量一般为10%~20%,最高可达50%,绿柱石矿物含量较少,单独的铌钽铁矿物少见。主要矿物特征如下。

锂辉石:呈无色、白色,自形、半自形板柱状晶体,镜面纵纹发育(图版Ⅰ-ab),矿物颗粒大小为0.2×1 cm~2×5 cm,最大可达5×25 cm,风化后呈浅黄色,土状光泽,硬度变小,但仍具有纵向晶纹,锂辉石在部分分带较富集,呈条带状展布。在显微镜下锂辉石呈白色,长柱状,具简单双晶,一组解理发育,常见出溶结构,沿解理缝产出,可与石英构成文像结构(图版Ⅱ-a)。通过野外地质调查和岩矿鉴定,按矿物生成顺序可将锂辉石矿物分为:①原生期锂辉石,由伟晶岩熔流体结晶析出,多呈灰白色,晶体较大,多为中、粗粒,垂直脉壁生长,与石英、微斜长石共生,常被后期交代作用破坏,呈竹节状产出,该阶段锂辉石是打枪沟锂铍矿床重要的赋矿矿石矿物;②交代期锂辉石,又划分为早、中、晚阶段。早阶段的锂辉石多呈柱状、板状、长条状,斜交脉壁产出,并穿插原生期垂直脉壁的锂辉石(图版Ⅰ-a图版Ⅱ-b),主要分布于石英钠长石锂辉石交代带中,该阶段锂辉石分布较广,具有较高的工业价值。中阶段的锂辉石平行脉壁产出,穿插前2期生成的锂辉石。晚阶段为腐锂辉石,受交代作用的影响,早期生成的锂辉石有的蚀变为腐锂辉石。其中以垂直脉壁原生期产出者居多,少数与脉壁平行及斜交,该阶段锂辉石结构较松散,易破碎,一般不具工业价值。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.钠长石-锂辉石伟晶岩,两期锂辉石穿插关系;b.钠长石-锂辉石伟晶岩,条带状结构;c.含电气石钠长石伟晶岩;d.钠长石伟晶岩,绿柱石;e.钠长石伟晶岩,云母集合体;f.钠长石伟晶岩,粗粒钠长石
图版Ⅱ   PlateⅡ   a.钠长石-锂辉石伟晶岩中文像结构(正交偏光);b.钠长石-锂辉石伟晶岩,中阶段锂辉石穿插早阶段锂辉石(正交偏光);c.钠长石伟晶岩,绿柱石与叶钠长石共生(正交偏光);d.钠长石伟晶岩,铌铁矿物环带发育(正交偏光);e.钠长石伟晶岩,云母集合体(正交偏光);f.含电气石钠长石-锂辉石伟晶岩,电气石与锂辉石、钠长石共生(正交偏光);g.电气石环带及探针点位置;h.白云母及锂-多硅白云母背散射图像。Ms—白云母;Ab—钠长石;Q—石英;Spd—锂辉石;Tur—电气石;Brl—绿柱石;Clb-Fe—铌铁矿;Li-Phg—锂-多硅白云母

绿柱石:呈浅绿色、乳白色,见于钠长石化发育地段,多产出于钠长石伟晶岩中。主要分为2类,粗晶绿柱石,呈短柱状或不完整六方柱状、块状、直径1~3 cm,长3~4 cm(图版Ⅰ-d)。细晶绿柱石,肉眼难于鉴别,只能在镜下见及,主要与钠长石共生(图版Ⅱ-c)。

铌钽铁矿:呈黑色半自形板状或他形粒状晶体(图版Ⅱ-d),粒径最大为1.5×2 cm,一般为0.1×0.3~0.5 cm,分布较均匀,部分具有振荡环带。在打枪沟锂铍矿床分布较少,主要产出在钠长石-锂辉石伟晶岩中。

云母:打枪沟锂铍矿床钠长石伟晶岩和钠长石-锂辉石伟晶岩中云母主要类型为白云母,含量占5%~20%,呈白色-无色片状(图版Ⅰ-e),片径大小变化较大,与锂辉石、钠长石、石英等共生(图版Ⅱ-e)。单偏光下呈无色片状,一组极完全解理发育,闪突起较明显。少数云母晶形较小,具微弱多色性,单偏光下呈弱淡粉色,疑似为锂云母(暂时称为富锂云母),多沿白云母节理处呈不规则状分布,为后期交代产生,镜下特征较难与白云母区分,仅在BES图像下能够较清楚地显示其特征(图版Ⅱ-h)。

碱性长石:矿床内碱性长石主要类型有钠长石、微斜长石、微斜条纹长石、条纹长石,钠长石呈灰白色块状、柱状,部分柱状钠长石晶形较大且完整,晶面较亮,十分光滑,为原生钠长石(图版Ⅰ-f)。在显微镜下可观察到部分钠长石呈叶片状,为叶钠长石。在钠长石伟晶岩中局部钠长石较富集,呈细小粒状,晶形较好。在钠长石-锂辉石伟晶岩中,钠长石主要分为2期,一期为原生的钠长石,晶体较大,但晶形多被后期破坏;另一期为后期钠长石化产生,多呈细小半自形长条状,部分可见钠长石交代原生锂辉石,使锂辉石矿体遭受破坏。

微斜长石多呈巨型粒状,在伟晶岩各分带中均有产出。由于微斜长石晶体较大,显微镜视域较小,不能很好地观察其晶形特征。在钠长石-微斜长石伟晶岩中微斜长石巨晶包裹较多自形-半自形短柱状钠长石,说明在该类型伟晶岩形成初期较先形成的是细粒的钠长石,后结晶条件较好时开始发生伟晶作用,产生较大的微斜长石晶体,由于钠长石被包裹在微斜长石内部,故此钠长石未遭受外界破坏,一直保存原来的形态。在钠长石-锂辉石伟晶岩中,同样可以出现微斜长石,且微斜长石晶体同样较大,可与锂辉石、钠长石、石英等共生,在与锂辉石接触的部位与锂辉石发生文象结构。另外,打枪沟锂铍矿床还可见微斜条纹长石及条纹长石,产出较少,对成矿影响不大,不再详细描述。

电气石:呈黑色,粒状、柱状,部分柱体较长(图版Ⅰ-c),柱面具纵纹,横截面呈弧面三角形,常与钠长石、锂辉石、石英等共生(图版Ⅱ-f)。在电气石钠长石伟晶岩中电气石呈条带状分布,具有定向生长的特征。在显微镜下呈淡绿色,正中突起,干涉色达二级蓝及二级红,常见电气石包裹较多细小钠长石,钠长石晶形较好,说明在电气石形成早期已经发育强烈的钠长石化。部分可见横截面呈弧面三角形且发育环带,环带具有明显的颜色变化(图版Ⅱ-g)。在钠长石-锂辉石伟晶岩中,电气石多与锂辉石共生,常产出在锂辉石边部,晶形较差。

石英:是打枪沟锂铍矿床不同伟晶岩分带中主要的造岩矿物,呈白色、烟灰色,半自形-他形块状、粒状。团块状石英多产出在伟晶岩脉体核部带,说明伟晶岩最后的结晶阶段以石英为主,构成石英核。显微镜下,石英具波状消光,可见团块状石英充填了其他矿物之间,多见较大石英颗粒受应力影响发生构造变形(图版Ⅱ-d)。在钠长石-锂辉石伟晶岩中,少量锂辉石遭受云英岩化,云英岩化形成的石英多沿锂辉石边部呈细小颗粒分布。

3 样品采集及测试方法

本文对打枪沟锂铍矿床主要赋矿伟晶岩体钠长石伟晶岩及钠长石-锂辉石伟晶岩进行岩相学研究,并对其中的云母、碱性长石、锂辉石和电气石进行矿物主量元素电子探针分析。测试样品采自打枪沟锂铍矿床具有代表性的ⅠLi,Be矿体和ⅡBe矿体中,共采集伟晶岩样品5件,其中钠长石-锂辉石伟晶岩3件(编号为DQG106、DQG107、DZK380903),钠长石伟晶岩2件(编号为DZK104、DZK109),采样位置见图 2

电子探针分析在西南石油大学电子探针实验室进行,采用的测试分析仪器型号是JXA-8100电子探针分析仪,工作电压20 kV,电子流1×10-8 A,束斑直径1×10-6 m,在测试之前对样品进行镀碳,采用波谱分析法完成,最终测试结果采用ZAF法校正处理,数据处理使用Geokit软件完成[34]

4 测试结果 4.1 锂辉石

本次对打枪沟锂铍矿床ⅠLi,Be矿体中锂辉石矿物进行电子探针分析,分析结果见表 1。其中Li2O含量由理想化学配比法,基于电价平衡计算得出,通常锂辉石中Li会被K、Na等元素发生类质同相替代,Al会被Fe、Mn替代。通过电子探针分析及计算可以看出,锂辉石SiO2含量为64.73%~66.88%,平均65.88%,Al2O3含量为27.25%~28.41%,平均27.82%,Li2O含量为7.94%~8.29%,平均8.12%,以及少量MnO(0.08%~0.26%)、Na2O(0.05%~0.19%),另有极少量的MgO、CaO、P2O5、BaO、V2O3等,部分低于检测值。极少量的K、Na替代Li,以及极少量的Fe、Mn替代Al,指示了该矿体矿化过程中处于封闭体系。

表 1 打枪沟矿床ⅠLi,Be矿体锂辉石主量成分 Table 1 Major elements of spodumene fromⅠLi, Be orebody in the Daqianggou deposit 
4.2 云母

通过电子探针分析获得钠长石-锂辉石伟晶岩及钠长石伟晶岩脉体云母的主量成分(表 2)。由于电子探针不能分析Li元素,Li2O含量按照Tischendorf等提出的估算方法进行估算[35]。云母中SiO2含量为45.56%~46.45%,Al2O3含量为34.16%~37.31%,K2O含量为10.37%~10.6%,MnO含量为0.22%~0.63%,Na2O含量为0.27%~0.58%,Rb2O含量为0.13%~0.35%,Li2O含量为0.08%~0.35%。富锂云母与白云母相比,表现出较高的SiO2(46.69%~50.00%),MnO(1.86%~3.02%),TFeO(1.26%~5.01%),Rb2O(0.79%~0.94%),Li2O(1.11%~1.43%)含量,以及较低的Al2O3(24.30%~25.78%),Na2O(0.21%~0.22%)含量。根据锂云母中Li2O含量是否大于3.3%区分锂云母及锂白云母[36],样品中富锂云母应属于锂白云母。花岗岩和伟晶岩在岩浆演化过程中的分异结晶作用会导致云母中锂的含量增高[37]。在Mg-Li/Fe+Mn+Ti-Al图解中,打枪沟矿床伟晶岩中2种云母分别落入锂-多硅白云母及白云母区域(图 3),具有白云母向锂-多硅白云母演化趋势。结合样品岩相学特征认为,在白云母形成过程中,伟晶岩的分异结晶作用,导致伟晶岩熔流体中Li元素开始逐渐富集,Li含量逐渐增高,熔流体开始对早结晶的白云母进行交代,形成锂-多硅白云母。

表 2 打枪沟矿床伟晶岩脉代表性云母主量成分 Table 2 Major elements of representative mica from pegmatite in the Daqianggou deposit 
图 3 云母(Mg-Li)-(Fe+Mn+Ti-Al)图解[35] Fig.3 (Mg-Li)-(Fe+Mn+Ti-Al) diagram of mica
4.3 电气石

选取打枪沟锂铍矿床电气石化较丰富的钠长石伟晶岩为测试对象,对其电气石矿物进行电子探针分析,分析结果见表 3。其中Li2O*、B2O3*、H2O*为计算值,计算方法见参考文献[38],假定n(B)=3 apfu,n(OH+F+Cl)=4 apfu,n(Li)=3-Y(Y位阳离子总和)。通过分析计算可以得出,电气石主要含SiO2(33.75%~36.085)、Al2O3(32.7%~35.80%)、TFeO(9.84%~11.45%)、B2O3(9.91%~10.40%)、Na2O(1.86%~2.33%)、Li2O(0.48%~0.85%),总体变化幅度较小。

表 3 打枪沟矿床伟晶岩脉代表性电气石主量成分 Table 3 Major elements of representative tourmaline from pegmatite in the Daqianggou deposit 

由于电气石成分复杂,类质同相较发育,其通式可以为:XY3Z6[T6O18][BO3]3(O,OH,F)4Y位中一般可分发生类质同相现象,Mg、Fe、Al、Mn、Li之间相互替代,据此电气石可主要划分为镁电气石-铁电气石系列和铁电气石-锂电气石系列[36]。通过基于31个阴离子数(O,OH,F)对电气石的晶体化学式进行计算,X位主要含有较高的Na和空位,Y位主要有Fe(1.38~1.67 apfu)、Al(0.67~1.03 apfu)、Li(0.32~0.60 apfu)、Mn(0.10~0.13 apfu),可以看出应为铁-锂电气石系列。在Al/(Al+Fe)-Na/(Na+X)图解(图 4)中,样品主要投在铁电气石区域,少数投在锂电气石区域,亦具有铁-锂电气石系列特征,说明该矿床电气石主要为铁-锂电气石系列。

图 4 电气石Al/(Al+Fe)-Na/(Na+X)演化图解[39] Fig.4 Al/(Al+Fe)-Na/(Na+X) diagram of tourmaline
4.4 碱性长石

对打枪沟矿床不同类型伟晶岩脉体中碱性长石进行电子探针分析,分析结果见表 4。可以看出,各类型脉体中碱性长石为接近端元的钾长石和钠长石。钾长石端元主要为微斜长石,主要含SiO2(64.89%~65.27%)、Al2O3(18.24%~18.42%)、K2O(16.17%~16.64%),Na2O、CaO含量较低,Or分子数为97.53%~97.75%,Ab分子数为2.25%~2.38%。钠长石主要含SiO2(67.8%~69.23%)、Al2O3(19.0%~20.12%)、Na2O(10.75%~12.24%),K2O、CaO含量较低,几乎不含FeO、MgO、MnO,Ab分子数为98.73%~99.31%,Or分子数为0.09%~1.10%,An分子数为0.09%~0.69%,各分带中钠长石主量成分变化不大。

表 4 打枪沟矿床伟晶岩脉代表性碱性长石主量成分 Table 4 Major elements of representative alkali feldspar from pegmatite in the Daqianggou deposit 
5 讨论 5.1 云母对伟晶岩演化的制约

2种类型的伟晶岩中均出现白云母和锂-多硅白云母,根据镜下观察,锂-多硅白云母多沿白云母和锂辉石解理处产出,为白云母经历热液交代的产物。电子探针分析结果显示,同类型伟晶岩中产出的锂-多硅白云母TFeO、Rb2O、Li2O均高于白云母,Al2O3、Na2O相对低于白云母,表明白云母热液交代作用过程中,云母化学结构中元素发生置换反应,其中Y位八面体层位中阳离子Al3+被Fe3+和Li+置换,X位结构层中大阳离子Na+被Rb+置换。诸多研究表明,云母中的Li、Rb等元素含量及K/Rb值可以指示伟晶岩的演化趋势和分异演化程度,伟晶岩演化程度越高,云母中Li、Rb等元素含量越高,K/Rb值越低[37, 40-48]。打枪沟矿床2种类型伟晶岩中,锂-多硅白云母Li、Rb含量高于白云母,K/Rb值明显低于白云母,说明伟晶岩演化程度和分异程度升高。

根据矿物学特征和电子探针分析,打枪沟矿床伟晶岩中云母类矿物白云母受自交代作用影响,有向锂-多硅白云母转变的演化趋势,说明在2种伟晶岩分带中均开始出现未结晶的富锂伟晶岩熔流体对已结晶的白云母发生交代作用,生成锂-多硅白云母,这种自交代作用为锂的富集和储存提供了良好的条件,指示了打枪沟矿床的结晶分异和自交代作用的成矿机制,这一成矿机制与川西道孚地区容须卡锂辉石矿床具有相似的特征。容须卡锂辉石矿床富锂伟晶岩溶液对早成矿物产生自交代作用,且范围较广,发育较强烈,在交代作用过程中,大量稀有金属矿物晶出,形成了稀有金属矿床[13]

5.2 电气石对伟晶岩演化的制约

电气石中化学组分变化可以指示矿物结晶环境,特别是在花岗质类岩石中可以指示岩浆-热液的演化过程[49-51]。在伟晶岩中,电气石成分变化常用来指示伟晶岩的演化过程[52-55]。Hinsberg等指出,电气石中Li含量随岩浆演化程度的增高而增多[49]。与花岗伟晶岩有关的电气石主要属于黑(铁)电气石-锂电气石系列,不同成分的电气石常分布于不同类型伟晶岩及同一伟晶岩分异演化的不同阶段[56-57]。从花岗岩岩浆分异演化到结晶为伟晶岩,不同演化阶段的伟晶岩熔流体,结晶产生的电气石成分也随之变化。一般在结晶分异阶段形成黑(铁)电气石,随着Li元素的不断富集,逐渐向锂电气石转变。

打枪沟锂铍矿床钠长石伟晶岩中电气石化较发育,电气石为铁-锂电气石系列,具有高Al、Fe、Li,低Mn、Mg,有从铁电气石向锂电气石逐渐过渡的特征,指示电气石的形成环境是具有流体性质的岩浆-热液体系,这一特征与阿尔泰可可托海3号伟晶岩脉及幕阜山伟晶岩一致[54-55]。在电气石类型与伟晶岩类型的演化关系图解(图 5)中,打枪沟矿床电气石数据基本落在产于白云母-钠长石-锂辉石型及白云母-钠长石型伟晶岩的锂铁电气石区(Ⅲ区),其形成温度介于500~550℃之间,说明打枪沟矿床伟晶岩处于较高的演化阶段。

图 5 电气石类型与伟晶岩类型演化关系[58] Fig.5 Relationship between tourmaline type and pegmatite type Ⅰ—产于二云母-微斜长石型及白云母-微斜长石型伟晶岩的钙镁电气石-铁电气石系列;Ⅱ—产于白云母-微斜长石-钠长石型伟晶岩的钙镁电气石-铁电气石系列;Ⅲ—产于白云母-钠长石-锂辉石型及白云母-钠长石型伟晶岩的锂铁电气石;Ⅳ—产于锂云母钠长石型伟晶岩的锂电气石

打枪沟矿床伟晶岩形成过程中,随着岩浆的演化,Li元素逐渐富集,挥发分组分逐渐增多,电气石结晶过程中Y位Fe逐渐被Li替代,由铁电气石向锂电气石过渡,指示了岩浆高分异演化结晶的过程,同时暗示了伟晶岩的成岩成矿环境较封闭。

5.3 矿物生成顺序

打枪沟地区伟晶岩具有水平分带现象,由外至内依次为微斜长石伟晶岩、钠长石-微斜长石伟晶岩、钠长石伟晶岩、钠长石-锂辉石伟晶岩[23],其中钠长石伟晶岩和钠长石-锂辉石伟晶岩为矿区主要含矿类型,各类型伟晶岩中矿物组合多样,在微斜长石伟晶岩和钠长石-微斜长石伟晶岩中主要出现的矿物组合为微斜长石、钠长石、石英、云母,以及少量的绿柱石,绿柱石常被钠长石包裹产出,晶形完好,说明绿柱石生成早于钠长石。在钠长石伟晶岩中绿柱石、钠长石、石英及少量锂辉石共生。在钠长石-锂辉石伟晶岩中,主要为钠长石、石英、锂辉石、白云母共生,钠长石化较强烈,可见少数锂辉石受钠长石化影响,被强烈蚕食呈交代残余结构。

通过野外观察,钠长石-锂辉石伟晶岩中锂辉石分为垂直脉壁生长的原生锂辉石和穿切原生锂辉石的交代型锂辉石,原生锂辉石形成晶形较大,形态完整,交代阶段锂辉石可见斜交和平行脉壁产出,斜交脉壁锂辉石穿插垂直脉壁锂辉石,平行脉壁锂辉石穿插斜交脉壁锂辉石,此后,3种产出类型锂辉石均不同程度遭受交代作用破坏,部分蚀变成为腐锂辉石,因此认为,伟晶岩遭受3个阶段的交代作用。在交代作用产生的同时,白云母遭受自身的交代作用产生锂-多硅白云母,主要沿白云母的解理缝附近产出。

上述研究认为,打枪沟锂铍矿床及外围伟晶岩中的矿物类型,随伟晶岩演化程度不断增高,具有规律性的变化,稀有金属矿物变化由绿柱石→绿柱石+锂辉石→锂辉石→锂辉石+锂-多硅白云母转变;云母由白云母向锂-多硅白云母转变,电气石由铁电气石向锂电气石过渡转变,长石矿物由微斜长石+钠长石→钠长石→交代钠长石转变,石英由原生石英→后期热液石英变化。

对打枪沟矿床样品在野外特征的基础上开展大量的显微鉴定工作,观察矿物组合、交代特征、矿脉穿插关系,并结合矿物化学分析,认为伟晶岩矿物结晶成矿过程经历多个演化阶段,可划分为结晶分异阶段、交代阶段、热液阶段(表 5)。结晶分异阶段主要为早期的伟晶岩熔流体结晶形成较粗粒的钠长石、微斜长石及锂辉石;交代阶段主要为结晶分异阶段结晶残余熔流体对早期结晶钠长石、锂辉石进行交代,自身交代结晶,交代早期的锂辉石穿插原生期锂辉石,交代中期锂辉石穿插前两期锂辉石,交代晚期锂辉石部分蚀变为腐锂辉石;热液阶段主要为残余热液开始结晶并对前期结晶矿物进行叠加改造作用,发生云英岩化、硅化等,对矿床影响较小。最后矿体经过隆升剥蚀形成打枪沟锂铍矿床,部分矿体出露地表,矿体表明锂辉石遭受蚀变形成腐锂辉石。

表 5 打枪沟锂铍矿床矿物生成顺序 Table 5 Sequence order of mineral formation in the Daqianggou lithium-beryllium deposit
5.4 形成机理

伟晶岩型锂矿床的形成机理已逐渐成熟,通过本文矿物学及矿物化学研究,结合松潘-甘孜锂矿带伟晶岩锂铍等稀有金属矿床形成机理[1, 13, 59],认为打枪沟锂铍矿床的形成机理如下。

① 初期熔流体中较富钾,形成以微斜长石为主的微斜长石伟晶岩;②随着熔流体钾质不断分异结晶,熔流体开始过渡到富含钾-钠阶段,形成以钠长石、微斜长石为主的钠长石-微斜长石伟晶岩;③在钾质完全晶出后,熔流体则分异进入相对富钠的阶段,开始结晶大量钠长石,形成钠长石伟晶岩。此时熔流体中Be元素相对富集形成绿柱石,Li元素随着钾、钠的不断晶出开始逐渐富集,熔流体成分开始向钠-锂质转变,形成少量的锂辉石;④在锂富集程度较高时,开始结晶大量的锂辉石,形成钠长石-锂辉石伟晶岩,并在Li元素过于富集时开始结晶富锂的多硅白云母;⑤此时尚未完全结晶的熔流体,由于挥发分含量及稀有金属含量的增高,促使熔流体对早期矿物进行交代,进入以交代作用为主的阶段,主要发生的交代作用为钠长石化,交代成因的锂辉石穿插原生锂辉石,同时发生稀有金属Nb、Ta等元素的结晶形成铌钽铁矿等,最终形成打枪沟以锂铍为主,伴生铌钽等稀有金属元素的伟晶岩型矿床。在矿床形成之后受热液叠加影响,部分锂辉石矿物被交代蚀变,部分矿石遭受破环。因此,打枪沟锂铍矿床属于岩浆结晶分异和自交代成因。

对于打枪沟矿床的成矿母岩、稀有金属元素来源和成矿年代,需要通过同位素地球化学和年代学研究进一步确定。

6 结论

(1) 川西九龙打枪沟矿床稀有金属矿物变化由绿柱石→绿柱石+锂辉石→锂辉石→锂辉石+锂多硅云母转变;云母由白云母向锂-多硅白云母转变,电气石由铁电气石向锂电气石过渡转变,长石矿物由微斜长石+钠长石→钠长石→交代钠长石转变,石英由原生石英→后期热液石英变化。

(2) 川西九龙打枪沟锂铍矿床经历了结晶分异阶段、交代阶段、热液阶段的演化阶段,其中结晶分异阶段和交代阶段为锂铍等稀有金属矿物的主要成矿阶段。

(3) 川西九龙打枪沟锂铍矿床的形成处于封闭的环境,属于岩浆结晶分异和自交代成因。

致谢: 电子探针实验测试得到西南石油大学王浩铮副研究员的帮助,野外地质工作得到四川省地矿局一○八地质队罗林洪工程师、成都理工大学耿海涛硕士和谢海峰硕士的帮助,论文撰写过程中中国地质科学院矿产综合利用研究所朱志敏研究员、徐莺工程师对论文提供了宝贵的意见和建议,审稿专家对文章的修改提出了建设性意见,在此一并感谢。

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