川西甲基卡烧碳沟地区伟晶岩脉地球化学特征

武文辉， 赵春， 詹涵钰， 秦宇龙， 李名则， 徐云峰

(四川省地质调查院 稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室，成都 610081)

0 引言

川西甲基卡矿集区位于松潘—甘孜造山带西侧，该矿床是我国乃至世界上最大的伟晶岩型稀有金属矿床之一[1-2]。近年来随着在甲基卡矿田外围开展地质调查，尤其是新三号矿脉的找矿突破，大大增加了矿集区内锂的资源量[3]。甲基卡矿集区是康定—道孚—雅江稀有金属整装勘查区最有成矿远景的地区。自20世纪50年代末的首次发现至2017年，通过不同程度调查、勘查与研究，截止目前，已发现和评价了麦基坦锂矿(超大型)、烧碳沟锂矿(超大型)、甲基卡锂矿(大型)、措拉锂矿(大型)、德扯弄巴锂矿(大型)和甲基卡南锂矿(小型)共6个锂矿床，形成了一个超大型锂矿资源矿集区。

前人对矿集区内二云母花岗岩及主要伟晶岩脉的岩石学特征、地球化学特征进行了大量研究，认为甲基卡二云母花岗岩与伟晶岩脉有密切的成因联系。矿集区内104号和134号脉稀有金属成矿作用发生于早侏罗世[3]，二云母花岗岩和308号伟晶岩脉形成于偏还原环境，并在印支晚期发生稀有金属矿化[4]； 新三号矿脉的形成时代及地球化学特征也有大量报道[5]，但对烧碳沟大型锂矿床伟晶岩脉地球化学特征的研究稍显薄弱。因此，本文通过对烧碳沟151号、154号及155号伟晶岩脉进行取样分析，研究了伟晶岩脉的岩石学特征和地球化学特征，并探讨了岩浆物质来源和成岩构造背景，进一步揭示其成矿动力学背景，为查明矿床成因和指导找矿工作提供一定的理论依据。

1 研究区地质概况

甲基卡矿集区位于四川省西部康定、雅江、道孚三县交界处，地处松潘—甘孜造山带中部的雅江被动陆缘中央褶皱-推覆带中段的雅江构造-岩浆穹状变质体群内，属北巴颜喀拉—马尔康成矿带，区内稀有金属矿产资源丰富[6]。矿床处于雅江弧形构造带，外围扭动构造发育，区域上出露地层为三叠系西康群新都桥组和侏倭组，岩性以粉砂岩、粉砂质板岩及细砂岩为主，受接触变质作用影响形成了黑云母片岩、二云母石英片岩和红柱石十字石二云母片岩及堇青石片岩等中浅变质岩系。区域上岩浆岩构成较完整的岩浆旋回，表现为中基性岩-闪长岩(石英闪长岩)-黑云母花岗岩(花岗闪长岩)-二云母花岗岩的发育特征(图1)。

1.滑脱带; 2.逆冲推覆带; 3.平移断层; 4.前震旦纪变质杂岩; 5.变质核杂岩; 6.岩浆核杂岩; 7.构造穹隆; 8.中新生代花岗岩; 9.钠长石锂云母型伟晶岩; 10.微斜长石型伟晶岩; 11.钠长石锂辉石型伟晶岩; 12.微斜长石钠长石型伟晶岩; 13.钠长石型伟晶岩; 14.伟晶岩脉编号; 15.伟晶岩脉类型分带线; 16.伟晶岩脉类型分带编号; 17.研究区; Ⅰ.微斜长石伟晶岩带; Ⅱ.微斜长石-钠长石伟晶岩带; Ⅲ.钠长石伟晶岩带; Ⅳ.锂辉石伟晶岩带； Ⅴ.锂(白)云母伟晶岩带

2 矿床地质特征

矿区内出露面积较大的上三叠统新都桥组为矿化伟晶岩的主要赋矿围岩，虽受动热变质作用已变为高绿片岩-角闪岩相片岩，但原岩基本岩性仍可推断恢复。伟晶岩脉在该地层中大量分布，是该区伟晶岩型稀有金属矿脉的主要赋矿围岩。其原岩岩性组合特征主要为原岩以深灰色薄层状泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层为主并夹少量灰白色薄层粉砂岩，以及以深灰色薄层状泥质粉砂岩与粉砂质泥岩为主。

根据伟晶岩脉中不同矿物的划分，甲基卡伟晶岩脉具有分带性规律，由内到外，表现为由微斜长石伟晶岩带→微斜长石钠长石伟晶岩带→钠长石伟晶岩带→锂辉石伟晶岩带→锂(白云母)伟晶岩带[7-8]。烧碳沟矿区脉体位于锂辉石伟晶岩带内，岩石呈浅灰白色，岩性为钠长石锂辉石伟晶岩脉(图2)，内部主要矿物成分为石英(35%～40%)、微斜长石(10%～15%)、钠长石(30%～35%)和锂辉石(10%±)，其次为电气石(3%～5%)、白云母(< 5%)，此外还含有少量绿柱石、铌钽矿等。脉体的产出形态受成穹前和成穹期的剪张性裂隙发育控制，伟晶岩脉主要受SN走向张裂隙及NE向剪裂隙控制。其中155号脉体在两组裂隙交叉处形成膨大体，呈“Y”字型产出，矿脉总体为呈NE向分布的不规则脉状。脉体北段向南东东陡倾，倾角可达80°左右； 脉体南段向北西倾伏，倾角变缓为50°左右，不同部位脉体产状变化较大。矿区内变质岩主要由十字石-红柱石二云母片岩组成，在靠近矿脉产出部位偶见有堇青石片岩产出，堇青石呈疙瘩状以及近四边形状，该区堇青石带可作为找矿的重要标志。

Qtz.石英; St.十字石; Ab.钠长石; Spd.锂辉石; Bt.黑云母; Ms.白云母

3 样品采集与测试方法

本次工作共采集了6件样品，伟晶岩样品主要为钠长石锂辉石型伟晶岩脉，样品主量、微量元素分析在中国地质调查局成都矿产综合利用研究所进行。主量元素采用传统仪器分析方法进行定量分析，参照硅酸盐岩石化学分析方法，其中Fe2O3采用邻二氮杂菲光度法测定，FeO试料用氢氟酸、硫酸分解，溶液中剩余的氟加入硼酸络合，以二苯胺磺酸钠为指示剂，用基准重铬酸钾溶液滴定，计算氧化亚铁量，同时采用熔片X射线荧光光谱法和等离子体光电直读光谱分析法测试。微量及稀土元素大都采用等离子质谱法测定，Cr、Zr、Ga同时也采用压片法X射线荧光光谱法测试，其中Ag、Sn、B采用发射光谱法测定，As、Sb、Bi采用原子荧光光谱法测定。

4 分析结果

4.1 主量元素

川西甲基卡烧碳沟地区伟晶岩脉主量元素分析结果见表1。伟晶岩脉主量元素SiO2含量为73.46%～75.96%，平均为73.82 %； Al2O3含量为14.69%～18.30%，平均为17.39%； CaO含量为0.22%～0.44%，平均为0.33%； K2O含量为1.32%～2.59%，平均为1.97%； Na2O为含量2.84%～5.88%，平均为4.12%； 全碱含量为4.71%～7.36%，平均为6.08% ; K2O/Na2O为0.25～0.68，平均为0.51； 里特曼指数(σ)为0.70～1.84，均小于3.3，反映了伟晶岩的钙碱性特征。

表1 烧碳沟一带伟晶岩脉主量、微量及稀土元素分析结果

在岩浆岩TAS分类图解(图3)中，所有样品都集中位于花岗岩区域。在K2O-SiO2图解(图4)中，伟晶岩脉主要投点于钙碱性系列区域，属于钙碱性岩，个别样品位于低钾系列区域，这些数据表现了岩浆的高度分异特征，岩石的低钾特性或与钠长石的大量结晶有关。铝饱和指数A/CNK为1.54～2.49，全部大于1.1，在A/NK-A/CNK图解(图5)中全部投点于过铝质范围内。

图4 烧碳沟伟晶岩脉K2O-SiO2图解[9]

图5 烧碳沟伟晶岩脉A/NK-A/CNK图解[10]

4.2 微量元素和稀土元素

川西甲基卡烧碳沟地区伟晶岩脉的微量元素、稀土元素分析结果见表1。伟晶岩脉的Rb、U、Hf、Y等元素含量呈现正异常特征， Ba、Zr、Ti等元素呈现负异常特征。大离子亲石元素K、Rb、Cs等富集，Ba、Sr元素相对亏损； 高场强元素除Zr、Hf等元素富集外，其他元素均相对亏损。由微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6)可以看出，伟晶岩内微量元素分布趋势基本一致，Rb、U、Hf等元素为正异常，Ba、Sr、Ti等元素为负异常。与李名则等[11]对甲基卡花岗岩体研究数据的对比得出，伟晶岩脉中的Ba、Th、La、Ce、Sr、P、Sm、Ti、Y、Yb、Lu等元素均表现出不同程度的亏损，Rb、Nb、Zr等元素相对富集，K、U元素变化不大。

图6 烧碳沟伟晶岩脉微量元素蛛网图[11-12]

伟晶岩的稀土总量较低，含量3.55×10-6～7.29×10-6，LREE/HREE为1.35～2.81，(La/Yb)N为9.49～17.65,表现出显著的轻稀土富集、重稀土亏损的特征。稀土元素球粒陨石标准化配分图解(图7)显示，大部分样品具有较为明显的铕负异常，其模式与前人研究得出的甲基卡二云母花岗岩稀土元素配分模式[11]具有高度的相似性，总体呈现出轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型配分模式。

图7 烧碳沟伟晶岩稀土元素配分图[11-12]

5 讨论

5.1 伟晶岩成因背景

前人对甲基卡二云母花岗岩已做了大量研究，认为甲基卡二云母花岗岩属于高钾钙碱性强过铝质S型花岗岩，其形成于印支运动末造山运动相对稳定阶段，相对二云母花岗岩体的形成时代，含矿伟晶岩脉形成时间更晚，两者形成的时间相差7～9 Ma[3-5]。通过对烧碳沟一带伟晶岩脉的主量元素及微量元素特征分析，结合甲基卡二云母花岗岩和伟晶岩脉微量元素、稀土元素配分图，认为两者具有相似的配分形式，极有可能来自共同源区。Chappell和White[13]对造山带内的强过铝质花岗岩做了大量研究，认为花岗岩中CaO和Na2O含量主要是由沉积物源决定，含量的不同代表了源岩中黏土物质的差异，研究认为CaO与Na2O含量比值能够较好地反映沉积物源中黏土物质的多少，CaO/Na2O<0.3代表了强过铝质花岗岩的沉积物源以黏土质为主，反之则表示物源以砂屑岩为主。研究区花岗伟晶岩脉的CaO/Na2O比值范围为0.04～0.12，反映了其物源以黏土质为主，这与前人对甲基卡二云母花岗岩的研究结果相一致，进一步表明两者具有相同的源区。利用Nb/Ta比值可以区分岩浆源区，甲基卡二云母花岗岩体的Nb/Ta比值为1.97～5.00，烧碳沟伟晶岩脉的Nb/Ta比值为1.14～2.95，相似的比值范围可进一步表明其同源性特征。此外，壳源岩浆Nb/Ta比值(11～12)低于幔源岩浆Nb/Ta比值(高达15.5)的特征[14]，也可进一步表明伟晶岩源区物质来自壳源。造成这种结果的原因在于岩浆分异晚期流体一般具有较高的F含量，而Ta结合F的能力高于Nb，导致元素发生分馏，最终造成Nb/Ta比值较低的结果[14]，从而也说明伟晶岩脉的形成经历了岩浆分异作用。

伟晶岩主量元素在岩浆岩TAS图解(图3)中投图结果可知，烧碳沟一带伟晶岩均属于花岗岩范围，铝饱和指数A/CNK为1.54～2.49，全部大于1.1，里特曼指数为0.70～1.84，在K2O-SiO2图解(图4)中，伟晶岩脉主要投点于钙碱性系列区域，属于钙碱性岩。Rb-Ba-Sr三角图解(图8)显示，所有伟晶岩都位于高分异花岗岩区域。此外，高山等[16]提出的相容性相似的元素含量比值在壳幔系统中变化较小，而研究区Nb/Ta、Rb/Cs、Zr/Hf、Ba/Th比值均出现了明显的偏离，说明在岩浆演化过程中，熔体相和富含挥发分流体相互之间发生了强烈分馏作用。以上结果均表明烧碳沟一带伟晶岩脉与甲基卡二云母花岗岩来自同一源区，且属于分异程度较高的钙碱性花岗伟晶岩脉。

图8 烧碳沟伟晶岩Rb-Ba-Sr三角图解[15]

5.2 伟晶岩构造背景

吴元福等[17]认为大规模花岗岩浆活动同俯冲带的挤压背景或碰撞造山带的后造山伸展背景密切相关，而强过铝质花岗岩主要形成于后碰撞的构造环境。伟晶岩矿床的形成需要一定的物理化学条件及构造条件，与一定的侵入体有密切的成因联系[18]。前人也针对与花岗岩有紧密联系的伟晶岩脉做了大量研究，一些学者通过对国内外大型及超大型伟晶岩型稀有金属矿床的分析，认为该类矿床均在造山带范围内，伟晶岩型稀有金属矿床与造山过程密切相关[3]，造山后期热伸展阶段岩浆上涌，早期形成的穹状构造虚脱部位可能为岩浆及伟晶岩脉提供侵位空间[19]。在Rb-(Y+Nb)图解(图9)中可以看出，伟晶岩脉所有样品点均落于同碰撞区域的右下角，而稀有金属具有较强的活动性，很难在动荡的构造活动期间聚集成矿[5]，因此推断在经历了剧烈造山运动之后，印支运动末期地壳处于相对稳定阶段，甲基卡一带的穹状构造为稀有金属伟晶岩矿床提供了良好的成矿环境[21-23]。

syn-COLG.同碰撞花岗岩； WPG.板内花岗岩；

6 结论

(1)烧碳沟一带伟晶岩脉的主量元素富硅、富铝，K2O/Na2O为0.25～0.68，平均0.51，里特曼指数为0.70～1.84，均小于3.3，反映了伟晶岩的钙碱性特征及过铝质S型花岗岩的特点。

(2)伟晶岩的主量、微量和稀土元素特征表明，其源岩是以黏土沉积物为主。与甲基卡二云母花岗岩相比，两者具有高度相似的微量、稀土元素配分模式以及近似的Nb/Ta比值，说明两者具有同源性，且属于分异程度较高的钙碱性花岗伟晶岩脉。

(3)烧碳沟一带伟晶岩属于同碰撞花岗岩，在印支运动末期地壳处于相对稳定阶段，甲基卡一带的穹状构造为稀有金属伟晶岩矿床提供了良好的成矿环境。