西昆仑北段木吉地区三叠纪岩体与稀有金属伟晶岩的关系探讨*

朱明田 董志国 张连昌

1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

2. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

西昆仑造山带位于青藏高原西北缘和新疆塔里木盆地西南缘，总体呈北西-南东走向的巨型反“S”状展布，记录着特提斯洋的演化历程，其中古特提斯造山带的演化为该地区派生出大量的岩浆活动和成矿作用，尤以近几年厘定的西昆仑-松潘-甘孜稀有金属伟晶岩成矿带最为显著和宏大(图1a; Lietal., 2015; Wangetal., 2020; Xuetal., 2020)。该成矿带自东向西延绵大于3000km，发育有一大批超大型-大中型锂铍伟晶岩矿床，包括川西松潘-甘孜造山带的甲基卡、马尔康和可尔因等矿床和西昆仑造山带的大红柳滩、白龙山和509道班西等矿床。在西昆仑地区，该稀有金属伟晶岩成矿带基本依附于三叠纪岩体，呈北西向狭长带状展布，自大红柳滩向西北延伸至木吉地区，直至出国境(图1b)。

西昆仑造山带北段木吉地区出露岩体主要形成于三叠纪，包括石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和白云母花岗岩等，同时有近万条花岗伟晶岩脉围绕着三叠纪岩体内外展布(Zhuetal., 2022)，成矿锂铍伟晶岩脉主要分布于布伦阔勒群片岩中，另有少量分布于志留纪浅变质砂板岩中。本文主要对上述四个岩体开展了详细的野外调研和室内年代学、地球化学及Sr-Nd-Hf同位素分析工作，以探讨它们的地球化学属性、构造背景及其与稀有金属伟晶岩成矿之间的成因联系。

1 区域地质背景及岩体特征

西昆仑造山带主要由北昆仑地体、南昆仑地体以及塔什库尔干-甜水海地块组成(Yin and Harrison, 2000; 潘裕生, 2000; 吴福元等, 2020)，稀有金属伟晶岩带集中产出于塔什库尔干-甜水海地块中。塔什库尔干地块基底岩石为角闪岩相-麻粒岩相布伦阔勒群变质岩，张连昌等 (2016)对该地区的系统总结认为布伦阔勒群可能存在两期火山-沉积事件，分别为古元古代(计文化等, 2011)和早寒武世(张传林等, 2007; 燕长海等, 2012; 郑梦天等, 2016)。布伦口以南的布伦阔勒群是沉积变质型铁矿的主要赋矿围岩，而布伦口以北的布伦阔勒群则主要发育伟晶岩型稀有金属矿化，主要为黑云母石英片岩，另有少量斜长角闪片麻岩。Robinsonetal. (2004, 2012)认为木吉地区布伦阔勒群为三叠纪杂岩，但国内大多数学者更倾向于认为三叠纪的年代学记录为一期变质事件(Quetal., 2007; Yangetal., 2010)。从整个西昆仑-松潘-甘孜稀有金属成矿带推测，松潘-甘孜地区和西昆仑大红柳滩地区稀有金属伟晶岩脉的赋矿围岩为一套三叠纪复理石建造，当延伸至木吉地区时，受喜马拉雅西构造结影响，该地区发生了强烈的垂向改造，致使三叠纪地层被隆升剥蚀，并使深部地层和伟晶岩脉暴露至地表。

图1 西昆仑三叠纪岩体及稀有金属伟晶岩矿床展布图(据Zhu et al., 2022及引文修改)Fig.1 Schematic geological map of the West Kunlun orogenic belt showing the position of the Triassic granitoid plutons and Li-bearing rare metal deposits (modified after Zhu et al., 2022 and references therein)

图2 西昆仑木吉地区中酸性岩体分布图图中年龄数据标注①据魏小鹏, 2018；②据Zhu et al., 2022Fig.2 Distribution maps of the Muji plutons in Western KunlunAge data of ① from Wei, 2018; ② from Zhu et al., 2022

图3 西昆仑木吉地区岩体和伟晶岩野外照片Fig.3 Field photos of plutons and pegmatites of the Muji in Western Kunlun

西昆仑三叠纪岩体在空间上主要分布于康西瓦断裂带南侧，在时间上可大致划分为240～220Ma和220～210Ma两个区间(图1c)，前者主要由闪长岩、英云闪长岩等中酸性岩体组成，后者主要由二长花岗岩、白云母花岗岩和石榴石花岗岩等淡色花岗岩组成。西昆仑三叠纪岩体无疑是古特提斯洋演化的产物，但对其具体侵位环境尚存在不同认识。Yuanetal. (2002)认为西昆仑214Ma的花岗闪长岩-二长花岗岩体形成于古特提斯洋闭合之后的后碰撞背景；Xiaoetal. (2002)认为西昆仑三叠纪花岗岩形成于古特提斯洋的俯冲陆缘弧环境(Xiaoetal., 2005; Liuetal., 2015; Zhangetal., 2018)；Jiangetal. (2013)认为234～227Ma花岗岩形成于古特提斯洋板片回撤的后碰撞背景。但若结合稀有金属伟晶岩的形成背景，或许可对整个西昆仑三叠纪岩体的形成背景提供进一步约束，因为传统认为稀有金属伟晶岩形成于强烈伸展环境。

木吉地区出露的三叠纪岩体包括闪长岩类和花岗岩类(图2)。闪长岩通常位于岩体中心，常见基性岩包体，花岗闪长岩分布于石英闪长岩周围，构成杂岩体，界线较为模糊。二长花岗岩规模宏大，常出现于花岗闪长岩周围，常见花岗细晶岩脉；而白云母花岗岩规模通常较小，在花岗闪长岩、二长花岗岩周边或地层中均有产出，白云母花岗岩中常见花岗伟晶岩脉(图3a)及地层捕虏体(图3b)。本文所报道样品采集于布伦阔勒群西侧相伴产出的石英闪长岩(G5)和二长花岗岩(G6)及北西侧相伴产出的花岗闪长岩(G7)和白云母花岗岩(G8)，白云母花岗岩(G8)与花岗闪长岩(G7)具有明显的界线和相互穿插关系(图3c)，指示白云母花岗岩可能要晚于花岗闪长岩。木吉地区发育有近万条花岗伟晶岩脉，大部分顺片理面产出于布伦阔勒群中(图2、图3d)，少量分布于三叠纪岩体和志留纪砂板岩中，稀有金属伟晶岩脉通常发育于布伦阔勒群中。

2 分析方法

全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素在北京锆年领航实验室完成，分析结果见表1。主量元素测试误差小于5%，微量元素相对误差优于10%。详细实验流程参阅Yangetal. (2010)。

锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室矿床地球化学微区分析实验室完成。激光剥蚀系统为美国Coherent公司的GeoLasPro 193准分子固体进样系统，ICP-MS为美国Thermo Fisher公司的X Series 2型四极杆等离子体质谱。测试过程中，激光束斑直径为32μm，频率为6Hz，采用氦气作为载气，氩气作为补偿气。采用美国国家标准参考物质NIST SRM610对仪器进行最佳化，并将其作为微量元素含量测定的外标。采用标准锆石91500作为定年外标，采用标准锆石Plešovice为监控样品。在样品测试过程中每测定5个样品点测定两次标准锆石91500，每个样品的前20s为背景信号采集时间，样品信号采集时间为50s。测试完成后，采用软件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008)对样品的测试数据进行后期处理，年龄计算和谐和图的绘制采用Isoplot 3.0完成，分析结果见表2。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

石英闪长岩(G5)中锆石晶型完好，以长柱状为主，长度一般为50～100μm，长宽比一般为2:1。CL图像均显示出清晰的韵律环带，Th/U比介于0.2～0.7，为典型岩浆锆石。10个点的LA-ICP-MS U-Pb加权平均年龄为220±3Ma (MSWD=0.7)(图4a)，代表石英闪长岩的锆石结晶年龄。

二长花岗岩(G6)中锆石晶型完好，以长柱状为主，长度一般为50～200μm，长宽比介于为2:1～3:1。CL图像和定年结果显示出复杂的锆石成因，一类为捕获锆石，大多数具有均匀的CL图像，个别发育有韵律环带，给出了非常分散的年龄范围(图4b)；另一类为典型岩浆锆石，发育有清晰的韵律环带，Th/U比介于0.3～0.6，10个点的LA-ICP-MS U-Pb加权平均年龄为217±2Ma (MSWD=1.0)(图4b)，代表二长花岗岩的锆石结晶年龄。

花岗闪长岩 (G7) 以锆石晶型完好的长柱状为主，长度一般为50～200μm，长宽比介于为2:1～3:1，CL图像均显示出清晰的韵律环带，Th/U比介于0.2～0.7，为典型岩浆锆石。18个点的LA-ICP-MS U-Pb加权平均年龄为216±3Ma (MSWD=2.2)(图4c)，代表花岗闪长岩的锆石结晶年龄。

表2 西昆仑木吉地区岩体锆石U-Pb定年结果Table 2 Zircon U-Pb dating results of the Triassic plutons in Muji, Western Kunlun

续表2

图4 西昆仑木吉地区岩体锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U-Pb ages of the Muji plutons in the Muji plutons in Western Kunlun

图5 西昆仑木吉地区岩体A/NK-A/CNK图解(a, 底图据Maniar and Piccoli, 1989)和P2O5-SiO2图解(b)图b中的灰色菱形和黑色三角形数据引自 Zhu et al., 2022及其引文，图7同Fig.5 A/NK vs. A/CNK (a, after Maniar and Piccoli, 1989) and P2O5 vs. SiO2 (b) diagrams of the Muji plutons in Western KunlunGray diamond and black triangle data in Fig.5b after Zhu et al., 2022 and references therein, also in Fig.7

图6 西昆仑木吉地区岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素分布模式图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Primitive mantle-normalized trace elements spider-grams (a) and chondrite-normalized REE distribution patterns (b) of the Muji plutons in Western Kunlun (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

图7 西昆仑木吉地区岩体Sr-Nd同位素图解Fig.7 Sr vs. Nd plot of the Muji plutons in Western Kunlun

白云母花岗岩(G8)锆石晶型较差，多为短柱状或不规则椭圆状，长度一般为50～100μm，长宽比介于为1:1～2:1。CL图像和定年结果显示出复杂的锆石成因，一类为捕获锆石，大多数具有均匀的CL图像，给出了非常分散的年龄范围(图4d)；另一类为典型岩浆锆石，发育清晰的韵律环带，Th/U比介于0.2～0.8，9个点的LA-ICP-MS U-Pb加权平均年龄为214±3Ma (MSWD=0.3)(图4d)，代表白云母花岗岩的锆石结晶年龄。

3.2 岩石地球化学特征

木吉地区四个岩体主量元素具有明显差异(表1)，石英闪长岩(G5)明显贫硅(SiO2为60.04%～63.16%)，富钙、钛、铁、镁(CaO为5.17%～5.63%；TiO2为0.57%～0.77%；FeO为4.93%～6.93%，MgO为2.54%～3.66%，镁指数大于0.5)；铝饱和指数(A/CNK)均小于1，属于准铝质岩石(图5a)；岩石全碱含量(K2O+Na2O)较低，介于5.59%～5.94%，属于高钾钙碱性系列。

二长花岗岩(G6)相对富硅(SiO2为70.44%～71.25%)，中等含量钙、钛、铁、镁(CaO为2.08%～4.02%；TiO2为0.16%～0.36%；FeO为2.67%～3.02%，MgO为1.27%～1.50%，镁指数介于0.44～0.52)；铝饱和指数(A/CNK)介于0.99～1.19，为过铝质花岗岩(图5a)；岩石全碱含量(K2O+Na2O)中等，介于6.07%～6.53%，属于高钾钙碱性系列。

花岗闪长岩(G7)有中等含量硅(SiO2为64.85%～65.49%)，富钙、钛、铁、镁(CaO为4.26%～4.76%；TiO2为0.50%～0.61%；FeO为4.28%～5.05%，MgO为1.46%～1.70%，镁指数0.40附近)；铝饱和指数(A/CNK)大于1(介于1.09～1.12)，为过铝质花岗岩(图5a)；岩石全碱含量(K2O+Na2O)较低，介于5.31%～5.85%，属于钙碱性系列。

白云母花岗岩(G8)明显富硅(SiO2为73.18%～73.89%)，贫钙、钛、铁、镁(CaO为1.01%～1.59%；TiO2为0.12%～0.29%；FeO为0.94%～2.07%，MgO为0.24%～0.44%，镁指数介于0.30～0.37)；铝饱和指数(A/CNK)大于1(介于1.02～1.18)，为过铝质花岗岩(图5a)；岩石全碱含量(K2O+Na2O)非常高，介于8.16%～8.63%，接近钾玄岩系列。

木吉地区白云母花岗岩(G8)具有显著不同于石英闪长岩(G5)、二长花岗岩(G6)和花岗闪长岩(G7)的主微量元素组成，具有明显的P异常，这种P异常在西昆仑与稀有金属伟晶岩成矿的高分异花岗岩中普遍存在(图5b)。另外白云母花岗岩富集Rb、K、U、Th、P、Nb、Ta，亏损Sr、Ba、Zr、Hf、Ti(图6a)及重稀土(图6b)，并且具有明显的轻重稀土分馏((La/Yb)N介于28.66～43.86)和更加强烈的Eu负异常(图5b；δEu介于0.41～0.54)，显示出高分异花岗岩的特征，与典型的富锂花岗岩特征近似。

3.3 Sr-Nd-Hf同位素特征

木吉地区四个岩体全岩Sr-Nd-Hf同位素分析结果差异性明显(表1、图7)。石英闪长岩(G5)、二长花岗岩(G6)和花岗闪长岩(G7)均具有较低且相近的87Sr/86Sr初始值，ISr(t)分别介于0.70792～0.70831、0.70910～0.70940和0.70894～0.70935；三者εNd(t)均为负值且较为分散，分别为-4.38～-3.41、-4.86～-4.74和-6.51～-6.23；石英闪长岩(G5)、二长花岗岩(G6)的εHf(t)值为正值，分别介于3.99～5.82和2.71～4.14，而花岗闪长岩(G7)的εHf(t)值为负值，介于-1.04～-0.08。上述Sr-Nd特征与西昆仑240～220Ma花岗岩相类似。相反，白云母花岗岩(G8)ISr(t)值较高，介于0.71734～0.72044，εNd(t)均为大的负值，介于-8.30～-7.78，εHf(t)值介于-4.96～-0.85，上述特征与西昆仑大红柳滩、白龙山超大型锂矿之白云母花岗岩相类似。

图8 西昆仑木吉地区岩体成因图解(a,底图据Whalen et al., 1987)Fig.8 Genetic plots of the Muji plutons in Western Kunlun (a, after Whalen et al., 1987)

4 讨论

4.1 白云母花岗岩成因

据木吉地区岩体的地质和地球化学特征，可将其归结为弱分异花岗岩(G5、G6和G7)和高分异花岗岩(G8)。两者具有近似的侵位时代，后者通常规模较小，呈岩枝状发育于前者边部或周边围岩中，具有明显高的K2O+Na2O/CaO比值(图8a)和低的Nb/Ta、Zr/Hf比值(图8b)，反映出其经历过明显的结晶分异及热液出溶作用。

木吉地区白云母花岗岩的地球化学展示出明显的S型花岗岩特征，如富Al、低Sr，这与前人对大红柳滩锂矿、白龙山超大型锂矿附近与成矿有关的高分异花岗岩的研究成果相类似(乔耿彪等, 2015; 魏小鹏等, 2017; Wangetal., 2020)，反映出其来源可能是壳源物质的部分熔融，即强过铝花岗岩是原地含云母变质长英质岩石经云母脱水部分熔融生成，源区钾长石及富稀土副矿物(如独居石、磷灰石等)残留相控制了其微量元素组成(郭素淑和李曙光, 2007)。但吴福元等(2015)提出了不同的认识，认为这类高分异花岗岩并非纯地壳来源的低熔花岗岩，而是由异地深侵位花岗岩演化而来，具有高温富挥发分的特征，经历过高度结晶分异作用和大规模地壳物质混染，因此导致该类花岗岩难以反演其源区的物质组成特征(吴福元等, 2017; Clarke, 2019; Wuetal., 2020)。

图9 西昆仑木吉地区岩体Li(a)和Be(b)与SiO2相关图(灰色圆圈数据引自Chen et al., 2020)Fig.9 Li (a) and Be (b) against SiO2 plots of the Muji plutons in Western Kunlun (gray circle data after Chen et al., 2020)

4.2 挥发分聚集与稀有金属成矿

普遍认为白云母花岗岩要更加富集Li、Be等元素(Turekian and Wedepohl, 1961)。当与全球弧岩浆岩对比时(数据库据Chenetal., 2020)，更可以发现木吉地区白云母花岗岩富集Li、Be等碱金属元素(图9)，尤其在SiO2为66%和74%左右时，Li和Be含量有一明显升高。在弧岩浆数据库中SiO2为74%的岩体主要为弧火山岩，很可能表明气相的出溶和逃逸促进了碱金属的富集作用，同时Thomasetal. (2011)对熔融包裹体的研究亦指示富挥发分流体可以使Be富集1000多倍。白云母花岗岩熔体中不断出溶的挥发分能够提高水的溶解度，促进伟晶岩流体出溶，形成硅酸盐溶体和含水热液的完全混溶体系(London, 2005; Thomas and Davidson, 2012)，提高了碱金属元素的萃取能力，从而导致伟晶岩流体中更加富集Li、Be等稀有金属元素。同时挥发分的聚集降低了熔体的粘度，促进了流体的扩散性，使其更容易沿着断裂裂隙不断的远距离迁移到周边地层中，同时可对围岩中碱金属进行萃取，并在合适的位置卸载成矿。因此，强过铝质、富挥发分花岗岩可以明显促进碱金属的超常富集，也许P的明显异常可以用于评判西昆仑高分异花岗岩的成矿潜力。

5 结论

本文对西昆仑木吉地区四个岩体开展了详细的野外调研和室内分析测试。这些岩体包括石英闪长岩(G5)、二长花岗岩(G6)、花岗闪长岩(G7)和白云母花岗岩(G8)，它们在空间上相邻，侵位时间上相近，但却具有不同的地球化学属性。其中白云母花岗岩与稀有金属伟晶岩成矿密切相关。

(1)锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究发现四个岩体侵位时间在误差范围内相差不大，石英闪长岩(G5)形成于220±3Ma，二长花岗岩(G6)形成于217±2Ma，花岗闪长岩(G7)形成于216±3Ma，白云母花岗岩(G8)形成于214±3Ma。

(2)地球化学特征显示白云母花岗岩为过铝质强分异花岗岩，富集Rb、K、U、Th、P、Nb、Ta，亏损Sr、Ba、Zr、Hf、Ti及重稀土，具有明显的轻重稀土分馏和Eu负异常，其它岩体分异程度相对较弱。

(3)Sr-Nd-Hf同位素示踪揭示四个岩体的源区存在差异，白云母花岗岩可能发生过大规模的围岩混染及强烈的热液出溶和迁出作用。

(4)白云母花岗岩发育有明显的P异常，可能代表着其发生过强烈的挥发分出溶和聚集，进而促进了Li、Be等碱金属的萃取，形成含矿伟晶岩流体并沿断裂系统长距离迁移至围岩中卸载成矿。

致谢野外工作得到新疆第二地质大队石玉君队长、冯昌荣总工、郝延海副总工、何立东及谢月桥高工等相关人员的支持与帮助；张邦禄、黄柯和石方平参与了部分野外工作；室内测试分析得到中国地质大学(北京)相鹏工程师、中国科学院地质与地球物理研究所张迪和贾丽辉工程师的指导；李晓峰研究员、两名匿名审稿人和俞良军副主编提出了诸多建议性意见。在此一并致以诚挚的谢意。