新疆卡鲁安硬岩型锂矿床成矿流体性质：来自He—Ar同位素证据

刘涛，田世洪2,，王登红，侯可军，张玉洁，李贤芳，杰肯·卡里木汗，张忠利，王永强，赵悦，秦燕

1)核资源与环境国家重点实验室，东华理工大学，南昌，330013；2)自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，中国地质科学院矿产资源研究所，北京，100037；3)中国地质大学地球科学与资源学院，北京，100083；4)新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七○六队，新疆阿勒泰，836500

内容提要:卡鲁安锂矿床位于新疆北部的阿尔泰造山带，是以锂辉石为主要矿石矿物的硬岩型锂矿床。前人对该矿床的岩石成因、成矿机制及构造背景已经有了初步的认识，但对该矿区内成矿流体的研究仍是空白，这将在一定程度上影响对矿床成因的认识。本文通过分析卡鲁安伟晶岩中锂辉石和石英流体包裹体He、Ar同位素组成，对成矿流体进行示踪研究。研究表明，含矿伟晶岩的n(3He)/n(4He)为0.25～3.19 Ra(平均0.97 Ra)，无矿伟晶岩与外围伟晶岩n(3He)/n(4He)为0.13～5.32 Ra(平均1.13 Ra)，均介于壳源与幔源He之间。根据成矿流体的壳幔二元混合模式进行计算：含矿伟晶岩中的地幔流体比例为3.55% ～ 48.92%，平均值为14.67%；无矿伟晶岩与外围伟晶岩地幔流体占比为1.70% ～ 81.79%，平均值为17.13%。含矿伟晶岩成矿流体的n(40Ar)/n(36Ar)为552.50～13353.00，n(40Ar*)相对含量为46.52% ～ 97.79%，平均值为87.25%，大气的Ar贡献平均为12.75%。分析结果显示，成矿流体主要以壳源流体为主，部分幔源流体和改造型饱和大气水的混合流体，随着成矿作用的进行，地幔He与大气饱和水改造Ar皆有所减少。值得注意的是卡鲁安锂矿床成矿流体中幔源物质并非真的来自于地幔物质上侵，更有可能是来源于元古代的不成熟陆壳熔融。新疆卡鲁安锂矿床形成于陆—陆碰撞造山作用晚期的后碰撞造山阶段，造山后期的伸展导致含幔源物质的古老地壳与年轻地壳减压熔融，熔融所形成的岩浆流体随后经大气降水改造为成矿流体。

稀有金属以其独特的物理和化学性质，已经被广泛地应用于信息技术、航空航天、国防军工等现代化产业，是不可多得且不能再生的重要矿产资源，对国家经济建设和可持续发展具有重要的意义(Shaw et al.,2016；翟明国等，2019；刘涛等，2020)。阿尔泰造山带位于新疆北缘，中亚造山带中部，区域内广泛分布着花岗伟晶岩脉，是我国稀有金属、宝石及白云母的重要产地之一(邹天人等，1988；Windley et al.,2002；张辉等，2019)。带内发育稀有金属伟晶岩矿田有可可托海、大喀拉苏、柯鲁木特、卡鲁安—阿祖拜伟等。研究区位于哈龙岩体西部的卡鲁安—阿祖拜伟晶岩田(图1)，卡鲁安矿床内伟晶岩矿脉主要有650、806和807号脉等，是阿尔泰地区一个潜在的超大型硬岩型锂辉石矿床。前人对卡鲁安矿床开展研究工作较少，而且争议较大，直到近些年才对该矿床进行了系统的全岩地球化学、同位素地球化学、矿物学等方面的研究(马占龙等，2015；张辉等，2019；刘涛等，2020)。前人的研究工作认为花岗伟晶岩形成于陆—陆碰撞体制下陆壳的减压熔融，并发现有地幔物质的加入(李会军等，2006；童英等，2006；Wang Tao et al.,2007；马占龙，2015)。但地幔物质是否真正参与硬岩型锂矿床的成矿作用尚未见报道，主要原因在于缺少对矿物的流体包裹体详细研究，这将在一定程度上影响到对伟晶岩型锂矿床成因的认识及对成矿过程的探讨。

流体包裹体的He—Ar同位素已经研究了几十年，稀有气体He、Ar以其独特的地球化学惰性和不同层位同位素组成差异等特点，被广泛应用于成矿古流体的示踪及水—岩反应过程的研究(Ballentine and Burnard，2002；Kendrick et al.,2011；Wu Liyan et al.,2011；赵晓燕等，2021)。已有研究表明，不同圈层流体的He、Ar同位素组成具有明显区别，幔源流体n(3He)/n(4He)值比壳源流体大1000倍(壳源流体n(3He)/n(4He)=0.01～0.05Ra；幔源流体n(3He)/n(4He)=6.00～7.00Ra；Stuart et al.,1995；Dunai and Baur，1995)。He同位素在地壳与地幔中的差异，使得地壳流体中即使有少量幔源He的加入也可以识别(Sun Xiaoming et al.,2009；Hu Ruizhong et al.,2009，2012)。此外，地壳Ar与地幔Ar也具有明显区别，幔源流体n(40Ar)/n(36Ar)>40000.0，壳源流体n(40Ar)/n(36Ar)>295.5，空气饱和水n(40Ar)/n(36Ar)=295.5。因此，He、Ar同位素在识别流体来源方面具有独特的优势(Wu Liyan et al.,2011；Burnard,2012；Xu Leiluo et al.,2014；Zhai Degao et al.,2015)。

本文选择阿尔泰地区具有代表性的卡鲁安硬岩型锂矿床，对伟晶岩矿体内的锂辉石、石英开展了包裹体He—Ar同位素的测定，对成矿流体的来源及演化进行探讨，弥补矿区He—Ar同位素的研究空白，亦为阿尔泰地区乃至中亚造山带内伟晶岩成矿流体、成矿物质来源研究提供借鉴。

1 区域地质背景

阿尔泰造山带位于中亚造山带(Central Asian Orogenic Belt)中部，西伯利亚板块西南缘与哈萨克斯坦板块结合部位，是一个呈北西向展布的古生代岩浆弧(Xiao Wenjiao et al.,2004；Long Xiaoping et al.,2008，2010；Sun Min et al.,2008；孙敏等，2009)。弧内发育大量花岗伟晶岩(出露面积高达40%)及少量分布的闪长岩—辉长岩，花岗伟晶岩分布主要受成矿前的构造裂隙(北西向)控制(Cai Keda et al.,2011；刘涛等，2020)。带内出露的沉积地层主要为中奥陶统—早石炭统浅海—半浅海相类建造，与印支期花岗伟晶岩呈侵入关系。花岗伟晶岩型Li、Be、Nb、Ta矿床主要分布在哈龙—青河伟晶岩成矿亚带上，矿集区自南东向北西依次有青河矿集区、卡拉额尔齐斯矿集区、柯鲁木特—吉得克矿集区等。阿尔泰造山带成矿作用主要集中于印支期，形成的矿床包括群库尔稀有金属伟晶岩(Be—Nb—Ta矿床；203.80±1.60 Ma)，佳木开稀有金属伟晶岩(Li—Be—Nb—Ta—Cs矿床；212.20±1.70 Ma)，阿巴宫—塔拉特稀有金属伟晶岩(Nb—Ta矿床；246.80±1.20 Ma)等(任宝琴等，2011)。

2 矿床地质特征

卡鲁安花岗伟晶岩型锂矿床位于阿尔泰中段，哈龙—青河早古生代深成岩浆弧北部，围绕哈龙花岗岩体分布(图1)，属于群库尔—阿祖拜伟晶岩带的北端延伸部分(刘涛等，2020)。研究区内具有多期构造活动特征，褶皱、断裂构造较为发育，主构造线呈近北西向。构造裂隙多沿着结晶片岩与花岗岩的内外接触带密集分布，接触面为成矿母岩侵入时构造应力中心，接触面产状控制了花岗伟晶岩脉的空间分布，在纵向上有一定的延伸深度。因此，在深切的河谷及山坡上发现的花岗伟晶岩脉露头较多且密集。

矿区出露地层为中上志留系库鲁木提群(S2-3Kla)的深变质片岩，呈浅海—半浅海相建造，岩性主要为灰绿—灰紫色细砂岩、粉砂岩与泥岩的不均匀互层，后面经过多期的构造运动与海西中、晚期大规模的岩浆活动，使该地层发生了强烈的变质，形成了一套以片岩、片麻岩、板岩及混合岩为主要岩性的地层(马占龙等，2015；张辉等，2019)。矿区侵入岩主要包括花岗伟晶岩脉及少量石英脉和长英岩脉，花岗伟晶岩为矿床主要的成矿母岩及赋矿围岩，成岩时代为205.00±12.00 Ma(刘涛等，2020)。伟晶岩脉的成岩成矿过程中伴随着广泛的自交代作用，主要有钠长石化，局部出现白云母化。钠长石化遍及全脉，在各岩体内均有发育，只是交代强弱和表现形式上的区别，其中以石英钠长石锂辉石伟晶岩中最为发育；白云母化多见于石英钠长石伟晶岩中，是交代早期形成矿物的产物。研究区内花岗伟晶岩脉的围岩蚀变范围狭窄，主要为白云母化。

矿区地质特征较为简单，花岗伟晶岩脉侵入于中上志留统库鲁木提群(S2-3kla)变质的片岩系中，南西部的807号脉和北部的806号脉为主体的21条花岗伟晶岩脉形成以锂为主的锂矿床。用于分析的样品是从矿区不同的矿物带收集的，均为新鲜致密状的脉型矿石。分别挑选了含矿伟晶岩中的锂辉石与石英、无矿伟晶岩与外围伟晶岩的石英进行He—Ar同位素分析工作，采样位置详见图1。

图1 新疆卡鲁安锂矿床地质简图(修改自 Feng Yonggang et al.,2019；刘涛等，2020)Fig.1 Simplified geological map of the lithium deposit in Kalu’an,Xinjiang (modified after Feng Yonggang et al.,2019；Liu Tao et al.,2020&)

3 样品及分析方法

本次研究测定了含矿伟晶岩的7件锂辉石和8件石英、无矿伟晶岩的7件石英以及外围伟晶岩的3件石英中流体包裹体的He和Ar同位素组成。本文测试用的石英样品取自卡鲁安锂矿床新鲜致密块状的含矿伟晶岩、无矿伟晶岩和外围伟晶岩中(表1)，锂辉石与石英为同一手标本上的共生矿物(如：KLA2017-11-4、KLA2017-15-4、KLA2017-16-1、KLA2017-16-2、KLA2017-29-4、KLA2017-29-5；所有样品的岩石地球化学特征见刘涛等，2020文章中表3)。石英和锂辉石呈半自形到自形状晶体，未见多期次特征及后期热液蚀变改造(刘涛等，2020文章中图3d和e)。综上所述，锂辉石与石英均为早阶段伟晶岩熔体形成的产物。

石英和锂辉石流体包裹体He、Ar同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。使用Helix SFT稀有气体质谱仪测试，系统由压碎、纯化和质谱系统组成。在高真空条件下，压碎和纯化系统真空为n×10-7Pa，质谱系统真空为n×10-8Pa。质谱离子源采用Nier，灵敏度对He在800 μA阱电流时好于2×10-4amps/Torr (amps/Torr=A/1.33 bar=A/0.133 MPa)，对Ar在200 μA阱电流时好于1×10-3amps/Torr 。40Ar静态上升率小于1×10-12cm3STP/min，36Ar本底小于5×10-14cm3STP(STP指标准温压状态)。法拉第杯分辨率>400，离子计数器分辨率>700，可将3He与4He、HD+H3与3He峰完全分开。实验流程：将高纯度40～60目固体样品先用蒸馏水洗净，然后置于丙酮中，超声波清洗20分钟后烘干，取0.5～1.0 g装入不锈钢坩埚再移到压碎装置中，密封、加热到130～140℃并持续40 h左右去气，以去除次生包裹体和样品表面吸附的He和Ar，从而所测试的He—Ar同位素组成可代表原始流体的同位素组成。用100～150 kg/cm2的压力压碎样品，释放出的包裹体气经过分子筛、海绵钛以及锆铝泵等多级纯化，分离出纯He和Ar。① He测试：He模式下，4He信号用法拉第杯接收，3He用离子倍增器接收。离子源电压4.5 kV，电流1218 μA，trap电压15.56 V，电流450 μA。② Ar测试：Ar模式下，40Ar和36Ar用法拉第杯接收，38Ar用倍增器接收。离子源电压4.5 kV，电流454 μA，trap电压15.02 V，电流200 μA。同位素比值结果校正，利用当天空气标准的测试结果和空气标准值校正样品测试结果。空气的n(3He)/n(4He)标准值采用1.4×10-6，n(40Ar)/n(36Ar)和n(36Ar)/n(38Ar)标准值分别采用295.5和5.35。利用0.1 mL标准气4He(52.3×10-8cm3STP)和40Ar(4.472×10-8cm3STP)含量、标准气和样品的同位素信号强度以及被压碎的样品质量(样品总质量减去压碎后再经过100目筛后剩下的样品质量)标定样品中4He(cm3STP/g)和40Ar(cm3STP/g)含量。

4 分析结果

卡鲁安锂矿床中锂辉石和石英流体包裹体的He和Ar同位素组成及相关参数如表1。

表1中列出了卡鲁安锂矿床样品中流体包裹体中气体的40Ar浓度和同位素数据。含矿伟晶岩中锂辉石的40Ar浓度为(118.24～1577.74)×10cm3STP/g，n(40Ar)/n(36Ar)值为3747.3～13353.0，石英40Ar浓度为(30.52～417.44)×10cm3STP/g，n(40Ar)/n(36Ar)值为372.7～7590.7。无矿伟晶岩40Ar浓度为(67.96～209.69)×10-8cm3STP/g，n(40Ar)/n(36Ar)值为381.9～2855.5。外围伟晶岩40Ar浓度为(125.37～164.90)×10cm3STP/g，n(40Ar)/n(36Ar)值为1013.1～1957.2。

5 讨论

5.1 He、Ar同位素组成影响因素

前人研究表明He—Ar同位素可以用来追踪金属矿床中成矿流体的来源(Stuart et al.,1995；周振华等，2017；翟伟等，2018；赵晓燕等，2021)，锂辉石与石英是卡鲁安锂矿床重要的矿石矿物与主要的组成成分，所以锂辉石与石英中的流体包裹体是能够反映出成矿过程中流体的最原始信息。但是矿物流体包裹体的He、Ar同位素测试值，能否代表流体包裹体的初始值，还要取决于流体包裹体被圈闭后一些后生过程的影响，主要包括：① 流体包裹体内初始He、Ar扩散丢失；②样品分析过程中同位素分馏及大气污染；③流体包裹体内放射成因新He、Ar；④成矿后流体的活动等(申萍等，2004；杨猛等，2012)。

陈阳等(2016)对卡鲁安矿区807号脉进行了元素扩散模型的建立，发现影响含矿伟晶岩脉中元素扩散主要原因主要在于围岩中组分的变化，扩散系数影响不是主要原因，所以后期稀有气体扩散丢失所带来的影响非常有限。本文所采用的是真空压碎法来对流体包裹体内的稀有气体进行采集，包裹体中稀有气体提取过程中同位素不会产生明显的分馏，且不会让寄主矿物晶格中的He和Ar释放(Turner and Stuart，1992)。大气中He的含量很低，对热液中He的丰度以及同位素组成不会产生明显的影响，在本研究中n(3He)/n(36Ar)测量的值范围(除个别外)为(0.01～68.82)×10-3(表1)，明显高于空气饱和水(ASW)和大气的n(3He)/n(36Ar)值5×10-8和2×10-7(Marty et al.,1989；Stuart et al.,1995；Villa，2001；Hu Ruizhong et al.,2009)，故样品分析过程中同位素分馏及大气污染也十分有限。前人研究已经确定了新疆北部海西期古成矿流体形成后的各种作用对包裹体中的He、Ar初始同位素组成影响较小(申萍等，2004)，尽管流体包裹体中放射性元素(U、Th、K)衰变可产生少量的4He和40Ar，但卡鲁安锂矿床成矿年龄较新，衰变成因的4He和40Ar量极少，对石英与锂辉石中流体包裹体的初始He、Ar同位素比值影响甚微。所以，本次实验所测定石英和锂辉石样品中流体包裹体中的He、Ar同位素测定值是能够代表成矿流体被捕获时的初始值。

5.2 成矿流体来源示踪

从表1中可见卡鲁安锂矿床矿物流体包裹体中He—Ar浓度变化范围较大，一方面，这可能存在一些高锂矿物通过6Li (n，α)→3He进行放射性的He积累，通过与可可托海、大喀拉苏、库威四矿等地伟晶岩He同位素数据进行对比(王登红等，2001)，本文将这些不正常的3He数据引起n(3He)/n(4He)值异高(>8Ra)排除在本次讨论之外。另外，为了解高浓度的He是否会对n(3He)/n(4He)值产生影响，本文对含矿伟晶岩的n(3He)/n(4He)与3He与4He进行投图，从图2中可以看出不管是3He还是4He都与n(3He)/n(4He)不具有线性相关特点，这说明所讨论含矿伟晶岩流体包裹体内的n(3He)/n(4He)值并不受捕获后放射性成因3He或4He的影响。另一方面，浓度变化范围大可能指示着成矿流体来源不均一性，不同来源的成矿流体以不同比例混合控制着不同成矿阶段。

图2 新疆卡鲁安锂矿床含矿伟晶岩流体包裹体3He—R/Ra、4He—R/Ra图解Fig.2 3He—R/Ra、4He—R/Ra plot of inclusion trapped fluids in spodumene-bearing pegmatites from the lithium deposit in Kalu’an,Xinjiang

卡鲁安锂矿含矿伟晶岩流体包裹体n(3He)/n(4He)值分别为0.25～3.19Ra(平均0.97Ra)，无矿伟晶岩与外围伟晶岩流体包裹体n(3He)/n(4He)值为0.13～5.32Ra(平均1.67Ra)和0.14～0.69Ra(平均0.42Ra)；伟晶岩的n(3He)/n(4He)值均远高于地壳值(0.01～0.05Ra)，但低于地幔值(6.00～7.00Ra，Stuart et al.,1995；Burnard et al.,1999；Kendrick et al.,2001)。前文已经说明大气He的含量低且在低温含水流体中的溶解度小。同时，含矿伟晶岩F4He值{F4He =[n(4He)/n(36Ar)]样品/[n(4He)/n(36Ar)]大气}为(23～5.2×105，87068)，说明含矿伟晶岩中的He平均为大气值得87068倍，所以空气饱和水(ASW)和大气对大多数壳幔源流体的He同位素组成几乎没有影响(Marty et al.,1989；Stuart et al.,1995；Burnard et al.,1999)。因此，所测得的n(3He)/n(4He)值可以推断为地壳和地幔He源混合的结果。同样，从表1数据中也可以看出含矿伟晶岩的流体包裹体内同时具有高的n(40Ar)/n(36Ar)和3He值，高n(40Ar)/n(36Ar)值可能存在于地壳放射成因He和地幔He中；但是，同时具有高n(40Ar)/n(36Ar)值和高含量的3He则是地幔所特有的(Xu Sheng et al.,1995；Hu Ruizhong et al.,2009；陈娴等，2016)，这表明成矿流体不仅存在地壳流体，还具有地幔流体组分。从He同位素组成演化图中(图3a)也可以看出相同结论，本区锂辉石、石英流体包裹体的n(3He)/n(4He)值主要位于10-5～10-7之间，即地壳与地幔He同位素组成混合带。

图3 卡鲁安锂矿床含矿伟晶岩、无矿伟晶岩、外围伟晶岩流体包裹体中3He—4He及R/Ra —40Ar*/4He关系图(据胡瑞忠等，1999修改)Fig.3 3He—4He(a)and R/Ra —40Ar*/4He(b)plot of inclusion trapped fluids for the outer pegmatites,spodumene-bearing pegmatites,and spodumene—barren pegmatites from the lithium deposit in Kalu’an(modified after Hu Ruizhong et al.,1999#)

通过与阿尔泰地区的可可托海锂辉石伟晶、绿柱石伟晶岩和富蕴南的含铜石英脉对比，我们发现该区域内的花岗伟晶岩都具有较高n(40Ar)/n(36Ar)与高含量的n(3He)/n(4He)特征，将区域内伟晶岩He、Ar同位素数据进行n(40Ar)/n(36Ar)—n(3He)/n(4He)投图时也可以看出，投影点均落在地壳和地幔区域之间(图4)，显示幔源流体与壳源流体两端元混合的特征，这表明阿尔泰地区稀有金属伟晶岩在成矿过程中均有地幔流体参与。

由上文可知，卡鲁安含矿伟晶岩的成矿流体是地幔流体与地壳流体的混合流体，那么可以根据壳幔二元体系的He含量公式计算出地幔流体和地壳流体的比例，幔源4He的贡献可以计算为：4He地幔(%)=100 × [(n(3He)/n(4He))样品-(n(3He)/n(4He))地壳]/[(n(3He)/n(4He))地幔-(n(3He)/n(4He))地壳] (Anderson,2000 ；Ballentine et al.,2002)，其中(n(3He)/n(4He))地幔值取大陆地幔6.50Ra，地壳中 (n(3He)/n(4He))地壳值为0.02Ra(Stuart et al.,1995)。

卡鲁安锂矿床含矿伟晶岩成矿流体的n(40Ar)/n(36Ar)值变化较大，为552.5～13353.0(表1)，均高于大气氩同位素组成(n(40Ar)/n(36Ar)=295.5，Stuart et al.,1995)，介于壳源与幔源放射性成因氩之间，较为趋近地壳端元，与He同位素数据一致(图3，图4)，表明成矿流体中可能以地壳流体、大气降水为主，同时存在少量地幔流体的混入。同样对样品中放射性成因40Ar相对含量可由下式计算(Kendrick et al.,2001；Ballentine and Burnard，2002)：

计算结果显示含矿伟晶岩的n(40Ar*)相对含量为46.52% ～ 97.79%，平均值为87.25%，大气的Ar贡献平均为12.75%。外围伟晶岩与无矿伟晶岩的40Ar*相对含量为22.62% ～ 89.65%，平均值为71.96%；大气的Ar贡献为10.35% ～ 77.38%，平均值为28.04%。Ar同位素数据显示，成矿流体中具有部分的大气降水的参与，但并不占据主导地位，随着成矿作用进行大气降水含量也有所下降。

由上述可见，新疆卡鲁安锂矿床成矿作用与壳源流体密切相关，He、Ar同位素组成显示成矿流体中的He主要来源于壳源的放射性成因He，Ar的主要来源也是地壳放射性成因的Ar，部分来源于与大气平衡的饱和空气水。由此可知，卡鲁安锂矿床成矿流体是一种以壳源岩浆热液为主、部分幔源流体和改造型饱和大气水三者的混合流体。

5.3 构造环境意义

新疆卡鲁安锂矿床含矿伟晶岩形成于古亚洲洋闭合之后，阿尔泰—蒙古微板块与相邻板块之间的陆—陆碰撞造山作用晚期的后碰撞造山阶段，造山后期的伸展导致含幔源物质的古老地壳与年轻地壳减压熔融，熔融所形成含幔源物质的岩浆沿断裂上涌至浅表，而后岩浆经结晶冷凝所析出岩浆热液与地壳岩石中循环的改造型饱和大气水共同作用，形成了卡鲁安地区伟晶岩型锂矿床。其中在成矿过程中壳源流体始终占据主导地位，控制着成矿作用的进行，为成矿提供所需的物质。

6 结论

(1)卡鲁安锂矿床成矿流体的He同位素比值显示，成矿流体中具有幔源流体的加入，幔源He的平均含量为14.67%，并随着成矿作用的进行比例逐渐减小。

(2)He和Ar同位素特征显示，成矿流体中除幔源流体外还有改造型饱和大气水的加入，成矿流体是一种以壳源岩浆热液为主、部分幔源流体和改造型饱和大气水三者的混合流体。

(3)新疆卡鲁安锂矿床形成与造山作用晚期的后碰撞造山阶段，造山后期的伸展导致含幔源物质的古老地壳与年轻地壳减压熔融，含幔源物质的岩浆热液大规模的上侵，并与改造型饱和大气水相互作用控制成矿作用的进行。

致谢：感谢各位审稿专家和编辑提出的宝贵意见，感谢项目组人员及相关实验测试人员在野外工作和室内测试方面的帮助，在此表示衷心的感谢！