青藏高原锂资源成岩-成矿作用研究进展：前言*

赵俊兴 刘小驰

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

2. 中国科学院地质与地球物理研究所,岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029

近年来,我国青藏高原及邻区锂矿找矿与勘查取得系列重要突破和发现。除传统的盐湖锂资源外,川西、喀喇昆仑、阿尔金、柴北缘、喜马拉雅等地花岗岩-伟晶岩型锂资源成为了新的研究与勘查热点。这些新区带内硬岩型锂矿床的发现和增储,能够更好地满足当前国家低碳能源金属资源安全保障的战略需求,并成为突破我国优质能源金属资源的有效途径。在此基础上,中国科学院地质与地球物理研究所在第二次青藏高原综合科学考察研究任务八“资源能源现状与远景评估”、中国科学院重点部署项目和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目的支持下,联合国内相关科研院所和高校于2023年3月24日举办了“青藏高原锂资源发展战略研讨会”。会议针对青藏高原及周边地区花岗岩-伟晶岩型锂资源产出的构造环境、岩浆过程、富集机理、评价准则、勘查技术、战略选区等问题开展了深入的研讨,取得了非常好的交流效果。

为了进一步体现近年来青藏高原及其邻区硬岩型锂矿岩浆过程与成矿机制等科研新进展,推动我国低碳能源金属基础理论、勘查技术和新一轮找矿战略突破行动的发展融合,持续深化二次科考“资源能源现状与远景评估”任务在青藏高原锂资源成岩-成矿的认识成果,本专辑以“青藏高原锂资源成岩-成矿作用研究进展”为主题,系统收录了14篇论文。专辑论文不但论述和研究了青藏高原喜马拉雅稀有金属成矿带、松潘-甘孜锂矿带、青藏高原北缘-东北缘稀有金属成矿带和“三江”滇西稀有金属成矿带内新发现的与花岗伟晶岩相关的锂资源成岩-成矿作用,并且探索性开展了含锂矿物高温-高压实验岩石学研究,综述了锂元素的内-外生圈层循环过程与富集机制,系统阐明了中国花岗岩型锂矿成岩-成矿特征及其形成规律。具体成果介绍如下：

1 锂元素圈层循环、含锂矿物实验岩石学和花岗岩型锂矿床

关键金属在地球圈层中的循环-富集-成矿机制,是理解关键金属超常富集与成矿的重要科学问题(翟明国等, 2019)。主体围绕元素地球化学性质与行为、重大地质事件中层圈物质循环过程与关键金属成矿的关系、以及元素超常富集成矿条件等方面开展研究(蒋少涌等, 2019)。围绕锂铍元素,徐兴旺等(2023)系统梳理了大陆地壳结构与物质循环特征和不同类型锂铍金属矿床间的成因联系,提出大陆地壳锂铍循环-成矿系统的概念与模型,并将大陆地壳锂铍的迁移与循环划分为四个过程：变质过程、深熔过程、花岗质岩浆过程、花岗质岩浆岩风化、淋滤与蚀变的浅-表生过程。本专辑中,陈晨等(2024)重点围绕“锂的圈层循环与资源富集过程”的科学问题,梳理了锂在俯冲带各圈层的循环过程,探讨富锂地壳的形成机制及其风化对高原盐湖与造山带伟晶岩锂资源发育的影响,指出俯冲板片对弧岩浆锂的物质贡献有限,而加厚地壳环境下的弧岩浆具有更高的锂含量,造山带富锂弧岩石的循环是盐湖型与伟晶岩型锂成矿的重要控制因素。他们提出在碰撞造山带,地壳加厚促使了富锂弧岩石的形成及其风化剥蚀作用的加强,这一过程可形成大量富锂的沉积物,其熔融具有形成富锂伟晶岩的巨大潜力;并指出对伟晶岩成矿母岩中继承锆石的研究可对这一假说有效验证。

通过实验岩石学限定挥发份组成(H2O、Li、CO2等)和稀有金属矿物在硅酸盐熔体中的溶解度及其共生条件,将对理解稀有金属成矿机制和形成条件提供重要约束。特别对锂元素,熔体中的高Li含量可降低熔体粘度,增加元素在熔体中的扩散率,抑制结晶核的形成,促进巨晶的形成(Sirbescu and Nabelek, 2003),使得含有高Li含量的高分异熔体具有极低粘度(Bartelsetal., 2015)。熔体中其他挥发分含量(如H2O、F、B、P等)对Li、Be、Nb、Ta等元素具有亲和性,进而改变熔体组成并起到聚合或者解聚的作用(张辉, 2001; Toplis and Dingwell, 1996; Cheetal., 2013),影响稀有金属矿物的溶解度(唐勇等, 2022),最终与稀有金属元素形成络合物进行迁移和富集,如熔体中Li含量会使铌锰矿-钽锰矿的溶解度增加2～3倍(Linnen, 1998)。而CO2是花岗伟晶岩型稀有金属矿床流体的重要组分(Thomas and Davidson, 2016),特别是富碳酸氢根过碱性流体与富锂伟晶岩的形成演化有着密切联系(Li and Chou, 2017; Liuetal., 2022a, b; Liu and Li, 2022)。

本专辑中,徐雨生等(2024)通过快速淬火高温高压实验装置,开展了锂辉石在100MPa、650～850℃条件下简单花岗质熔体中溶解度及其影响因素的高温高压实验,其实验结果表明温度是影响锂辉石在简单花岗质熔体中溶解度主要因素,其次为铝饱和指数(ASI),并结合前人研究系统建立锂辉石溶解度与温度、铝饱和指数的关系,为下一步评价伟晶岩型矿床的锂成矿潜力提供理论依据。围绕“含锂矿物共生组合的温度-压力条件”这一科学问题,高杰等(2024)应用热液金刚石压腔开展了锂辉石-锂云母-H2O体系的原位观测结晶实验,并结合前人实验得到的锂云母结晶条件(500～650℃、100～450MPa),认为锂辉石和锂云母的结晶主要受到压力影响,温度和体系F含量次之;透锂长石和锂云母形成于相似的温压条件,但体系F含量的高低分别促进锂云母和透锂长石的产出。并指出在富Li体系中,随着压力的降低可以促使白云母到锂云母的转化,熔体或热液结晶过程可出现白云母颗粒的锂云母边,挑战了“该结构为热液蚀变结果”的传统观点解释。

花岗岩型锂矿和伟晶岩型锂矿极有可能产出在同一造山带内,如中亚成矿域上阿尔泰成矿域和东外贝加尔成矿带(Lvetal., 2012; Zhouetal., 2015; 王春龙, 2017; 申萍等, 2023),以及我国华南地区(李晓峰等, 2021)。理解花岗岩型锂矿的产出特征并形成规律性认识,将对拓宽青藏高原以伟晶岩型锂矿为主的资源格局、评价花岗岩型锂资源潜力具有重要理论指导意义。本专辑中,郭春丽等(2024)通过总结全国40个重要花岗岩型锂矿床的时空分布、岩石序列、矿物演变、地球化学和锂独立矿物等特征,系统总结我国花岗岩型锂矿的规律,提出：(1)伟晶岩壳是较早进入岩浆房内的岩浆与围岩接触而冷却固结的产物,其构成岩浆房与外界的隔绝屏障,使Li、F、P、H2O等易挥发组分无法逃逸;(2)较晚进入岩浆房的岩浆经历了长时间晶粥体与残留熔体的分凝过程,锂等多种稀有金属元素越来越富集于残余岩浆中,最终形成富锂花岗岩和云英岩;(3)各类岩脉是岩浆房底部有持续热补给从而使残留含矿熔体能够逐步抽离上升的证据：基性岩脉来源于高温幔源岩浆,不含矿中酸性斑岩脉是岩浆房底部堆晶体重熔的产物,含矿酸性斑岩脉和细晶岩脉由岩浆房顶部富矿熔体和流体快速上升至地壳浅部而成。正是由于上覆壳形成的封闭体系和下伏热的不断供给,才使得岩浆房在热驱动机制下长期保持原地分异状态,最终形成花岗岩型锂矿床。这样的规律性总结认识将对未来喜马拉雅及青藏高原周缘淡色花岗岩中找寻花岗岩型锂资源提供重要的理论参考。

2 青藏高原及其周缘硬岩型锂矿成岩-成矿作用

2.1 喜马拉雅锂资源成矿带

喜马拉雅稀有金属成矿带,是我国地质学者和地矿工作者新近提出的一条重要的稀有金属成矿带(吴福元等, 2015; 王汝成等, 2017; Wuetal., 2020),其成岩-成矿作用与新生代喜马拉雅构造-多期次高分异花岗质岩浆活动密切相关(Le Fort, 1987; Harrisonetal., 1998; Zhangetal., 2012; 吴福元等, 2015; Liuetal., 2016; Caoetal., 2022)。经过野外不断探索,目前查验出30余处具有稀有金属矿化的淡色花岗岩和伟晶岩岩体(Wuetal., 2020)。以往特提斯喜马拉雅带内金属组合以Be-Nb-Ta(W-Sn)为主,其中以错那洞大型钨-锡-铍矿床和次麦锡铁多金属矿为代表,主要为矽卡岩型和伟晶岩型铍矿、石英脉型锡-铍矿和矽卡岩型锡铁矿(李光明等, 2017; 何畅通等, 2020; Caoetal., 2020; Xieetal., 2020; Daietal., 2022; Heetal., 2022, 2023)。而在特提斯喜马拉雅南缘和高喜马拉雅地区,针对铍多锂少的困惑,通过与阿尔泰、秦岭等地伟晶岩带的对比,提出向强分异母体花岗岩的更远端、更高处找锂的科学判断(秦克章等, 2021a)。经过科学选区和检查,近年来在花岗伟晶岩型锂资源方面取得重大突破,包括琼嘉岗锂矿(秦克章等, 2021b; 赵俊兴等, 2021)和嘎波锂矿(李光明等, 2022; 付建刚等, 2023; Wangetal., 2023)的相继发现,以及普士拉(Liuetal., 2020)、热曲(刘小驰等, 2021)、库曲(周起凤等, 2021)等锂辉石伟晶岩露头和前进沟(刘晨等, 2021)、吉隆(周威等, 2022; 胡方泱等, 2023)等铁锂云母、锂云母花岗岩和锂辉石伟晶岩的发现。

近年来对喜马拉雅带花岗岩和花岗伟晶岩型锂资源的成矿特征开展研究,主要取得如下重要认识：(1)喜马拉雅带与锂有关的矿化的花岗岩主要为电气石白云母花岗岩和钠长花岗岩,而含锂伟晶岩主要为锂辉石伟晶岩,少数为锂辉石-锂云母-锂电气石伟晶岩,属钠长石-锂辉石型(秦克章等, 2021b);在成岩-成矿时代方面,中段普士拉地区锂辉石伟晶岩脉和琼嘉岗锂矿形成于25～24Ma (Liuetal., 2020; 赵俊兴等, 2021);东段嘎波锂矿形成于23～21Ma,其锂辉石伟晶岩中还常见有锂云母和锂电气石(李光明等, 2022),形成时代与藏南拆离系活动时间基本一致(杨雷等, 2022; Wangetal., 2023);(2)岩石学与矿物学揭示高喜马拉雅锂辉石伟晶岩结晶于高度演化的花岗伟晶岩熔体(Liuetal., 2020; 刘晨等, 2021; 刘小驰等, 2021; 赵俊兴等, 2021),花岗岩-伟晶岩贯通性矿物(长石)结构-组成研究揭示出岩浆迁移过程中的高分异作用对于稀有金属富集起到重要作用(Liuetal., 2022),花岗岩和稀有金属伟晶岩的源区特征可能与高喜马拉雅结晶岩系一致(赵俊兴等, 2021),且具有较高的稀有金属含量,如普士拉多期岩体均发育有绿柱石,表明铍元素含量早期达到饱和(Liuetal., 2023),并存在形成于不同阶段的锂辉石(Liuetal., 2020),结晶分异中锂、铍多期次富集对喜马拉雅稀有金属成矿有重要贡献(Wuetal., 2020),并出现与锂成矿相共生的铯沸石矿化(吉隆,胡方泱等, 2023);(3)与锂矿化相关的矿物学研究揭示出存在岩浆晚期富Li-F、低金属含量流体(周威等, 2022)或热液阶段富Li流体(锂绿泥石,周起凤等, 2021; Li-Be脆云母,Wangetal., 2023),预示其对于锂铍等稀有金属元素富集成矿有一定贡献,流体对稀有金属矿化作用应予以重视; (4)喜马拉雅锂辉石伟晶岩的形成是构造-岩浆-成矿作用的耦合作用的结果(吴福元等,2021; 刘小驰等, 2021; Wangetal., 2023),其形成与藏南拆离系形成密切相关,并经历明显降压过程(Wangetal., 2023)。在上述研究基础上,本专辑在喜马拉雅西段吉隆地区(田恩农等, 2024)、中段琼嘉岗地区(施睿哲等, 2024; 朱丽群等, 2024)和东段库曲地区(谢磊等, 2024; 周起凤等, 2024),围绕喜马拉雅高分异花岗岩-伟晶岩型锂成矿作用进行进一步新的研究和探索。

在东段库曲地区,谢磊等(2024)围绕库曲岩体中不同类型花岗质伟晶岩中稀有金属矿物开展详细的岩相学、矿物学和年代学的研究。独居石和铌铁矿族矿物U-Th-Pb同位素年代学结果显示库曲伟晶岩主要形成于～25Ma,还存在稍晚一期的岩浆活动,细晶岩形成于～14Ma;伟晶岩全岩地球化学及矿物组成-结构指标(白云母、电气石、石榴子石、铌铁矿族矿物、锡石和绿柱石)共同揭示库曲伟晶岩是花岗质岩浆分异演化的最终产物,其稀有金属成矿作用显示出Be、Be-Nb-Ta(-Sn)、Li-Be-Nb-Ta-Sn的矿化特征;而库曲伟晶岩原生锂辉石和少量次生锂辉石、铁锂云母和锂云母,可能与库曲伟晶岩侵入到花岗岩体中的结晶条件和富锂流体作用相关。周起凤等(2024)通过研究库曲富锂伟晶岩中锡石的阴极发光(CL)显微结构与化学组成,揭示其对岩浆分异演化的指示意义,鉴定出：(1)富锂伟晶岩中锡石具有多种阴极发光结构,且其发光特征与化学组成密切相关;(2)锡石CL结构的演化序列;(3)共存矿物的结晶分异可能产生富Nb和富Ta两组锡石,最后指出锡石CL结构与化学组成可以用来揭示锂辉石伟晶岩的化学特征与形成过程。

在中段普士拉-琼嘉岗地区,朱丽群等(2024)在对高喜马拉雅中部的错热地区锂辉石伟晶岩的成岩成矿时限研究中,利用电子探针和傅里叶变换红外光谱对该地区各类型花岗岩及锂辉石伟晶岩中的石榴子石主量元素和“水”含量(名义上无水矿物中的水含量)开展分析,确定了从花岗岩到锂辉石伟晶岩演化过程中石榴子石逐渐富锰、富水,其“水”含量与MnO/(MnO+FeO)呈正相关关系,提出高水含量(大于0.04%)的锰铝榴石可能是珠峰地区伟晶岩Li-Be矿化标志,并利用石榴子石氢扩散模拟和热模拟综合限定伟晶岩形成时限(1至23天左右)。施睿哲等(2024)通过对琼嘉岗锂矿花岗岩和伟晶岩中三种主要副矿物独居石、磷灰石和锆石中的矿物包裹体进行扫描电镜分析,确定矿物包裹体种类、频率以及产状(与裂隙关系),结合磷灰石中长石包裹体电子探针分析,综合指示琼嘉岗锂矿熔流体性质及演化过程。研究结果显示表明琼嘉岗伟晶岩型锂矿的初始熔体富集稀有金属元素,且锂辉石伟晶岩磷灰石中发育的斜长石矿物包裹体An牌号较高且范围大,表明磷灰石在结晶时对早期熔体的捕获以及熔体的分异过程。

在西段吉隆地区,田恩农等(2024)对吉隆岩体北部扎龙沟的伟晶岩进行了岩相学和矿物学研究,厘定了锂辉石伟晶岩和锂云母-锂电气石伟晶岩(含细晶岩)两种类型的富锂伟晶岩样品。研究结果显示,在锂辉石伟晶岩中主要的富锂矿物除了已知的锂辉石和锂云母,还发现了透锂长石,同时锂云母的边部出现的铯锂云母中Cs2O含量达16.9 %,该矿物首次在喜马拉雅发现,推测是由锂云母与后期富Cs流体作用后形成。在锂云母-锂电气石细晶岩中主要的富锂矿物包括锂云母和锂电气石,结合吉隆扎龙沟含锂伟晶岩中大量产出铯沸石和细晶石及其岩石学-矿物学特征(胡方泱等, 2023),矿物组成和成分显示它们具有极高的分异演化程度。

2.2 松潘-甘孜锂资源成矿带

松潘-甘孜-甜水海造山带是中国大陆具有战略意义、最有远景的巨型硬岩型锂矿带(许志琴等, 2023; Lietal., 2023)。其西段为白龙山-大红柳滩锂矿带(邹天人和李庆昌, 2006; 王核等, 2017; Wangetal., 2020; Yanetal., 2022),目前勘查确定含矿伟晶岩脉群带长度最大可达25km,且稀有金属伟晶岩围绕二云母花岗岩南北对称分带(王核等, 2023)。东段为甲基卡(李建康, 2006; 付小方等, 2015; Feietal., 2021; 魏海珍等, 2023)、中段为草陇-扎乌龙(Yanetal., 2020; 熊欣等, 2023)等矿床,其稀有金属伟晶岩产出在三叠纪“片麻岩穹隆”内。由南京大学许志琴院士主导的“川西甲基卡锂矿科学钻探”近期揭示出甲基卡锂辉石伟晶岩和花岗岩均以岩席状产出,并提出“多层次穹状花岗岩席”控矿的新理论模式(许志琴等, 2023),进一步提升了对川西地区含锂伟晶岩成矿模型的科学认知。

本专辑中,韩志辉等(2024)通过对甲基卡伟晶岩型锂矿中各分带伟晶岩的白云母结构-成分进行研究,用以揭示甲基卡区域伟晶岩脉空间演化和稀有金属富集规律。云母的结构-组分表征出甲基卡区域伟晶岩存在演化程度逐渐增大的“两阶段”特征：早阶段的均一结构原生白云母(I-IV带)和晚阶段的具成分分带白云母(V带),二者成分上Li、Rb、Cs含量和K/Rb、K/Cs比值呈现明显差异,指示伟晶岩体系由以熔体为主的阶段进入以熔流体为主相对不稳定的阶段,早阶段受中等程度结晶分异作用控制,晚阶段受熔体不混溶过程作用控制。并提出白云母中K/Rb比值小于等于20或Cs含量大于等于400×10-6可以作为评价LCT伟晶岩发生锂辉石矿化的矿物化学指标。

洪涛等(2024)则重点解析西昆仑大红柳滩花岗伟晶岩型锂矿带中锂辉石伟晶岩的叠加改造成矿过程。通过野外调查、岩芯CT三维扫描和同位素定年技术,揭示出强变形锂辉石伟晶岩中锂辉石整体体积含量较大的现象,并且发现韧性变形的锂辉石伟晶岩主体由“书斜”结构的锂辉石、“云母鱼”结构的锂云母和重结晶的石英流动带组成,定年结果揭示出区域上广泛存在212～206Ma (铌钽铁矿U-Pb定年)的成矿事件,还存在193～187Ma(锂云母原位Rb-Sr定年)叠加改造成矿作用,该叠加改造作用与晚期岩浆穹窿形成的拆离断层密切相关。该认识对区域上找矿勘查部署(即剪切作用形成的“流动变形带”为锂元素活化-迁移-沉淀的通道)提供新的思路。

2.3 青藏高原北缘、东北缘和东南缘锂资源成矿带

青藏高原北缘阿尔金(徐兴旺等, 2019)、东北缘东昆仑-茶卡北山地区(王秉璋等, 2019; 潘彤等, 2020; Liuetal., 2022; Sunetal., 2024)和滇西地区(李文, 2007; 余勇等, 2022)是青藏高原周缘重要的稀有金属成矿带。

阿尔金中段吐格曼地区早古生代花岗岩-伟晶岩特征与锂-铍成矿有关,其多阶段花岗岩-伟晶岩成岩-成矿作用可能是多次微陆块碰撞的结果(Lietal., 2023; Maetal., 2023)。本专辑中,王涛等(2024)通过对昆仑河过铝质花岗岩岩相学、地球化学、同位素年代学及Hf、Sr同位素开展研究,其主要形成于早泥盆世(418～416Ma),岩性为黑云母花岗闪长岩、二云母花岗闪长岩和二云母花岗岩,其岩浆源于古老元古代地壳的部分熔融,源区有地幔物质或源于地幔的新生地壳物质的参与,结合以往研究成果发现昆仑河地区存在晚志留世(425～422Ma)和早泥盆世(418～416Ma)两期过铝质花岗岩,两者与东昆仑加里东期碰撞造山带俯冲岩石圈板片断离、幔源岩浆底侵引发的地壳熔融相关,而结合区域具有Li、Be、Sn等元素高背景区和异常区,可为东昆仑造山带古生代碰撞造山过程的研究和相关稀有金属矿产成矿预测提供重要的依据。

位于“三江”特提斯成矿带的滇西地区是花岗伟晶岩最为发育的地区。余勇等(2023)通过对该区伟晶岩型稀有金属成矿带的梳理,发现这些喜山期的稀有金属伟晶岩主要为LCT型,且在高黎贡山成矿带内含锂伟晶岩有锂辉石和锂云母、腾冲-梁河成矿带内含锂伟晶岩以锂辉石为主,而西盟成矿带则以锂云母为主。本专辑中,闫庆贺等(2024)报道了其团队在滇西高黎贡山北段培里地区发现的锂辉石伟晶岩型锂矿的年代学、地球化学和构造特征意义,其形成于18Ma(铌钽矿和锡石U-Pb定年),为新生代成岩成矿作用产物,这一成矿年代与高黎贡山地区变质年代、淡色花岗岩成岩年代和喜马拉雅稀有金属成矿时代一致,表明滇西地区可能是喜马拉雅稀有金属成矿带的南延部分。何小虎等(2024)围绕滇西地区含稀有金属矿化的花岗伟晶岩(包括黄连沟、黄草坝、那俄、杞木寨、麻栗脑、禾波、黑妈等),通过铌钽铁矿、独居石、锆石LA-ICP-MS U-Pb定年手段,开展花岗伟晶岩型稀有金属矿床(矿点)的成矿-成岩年代学研究。结合前人测年结果,显示滇西花岗伟晶岩型稀有金属矿床主要形成于晚白垩世-始新世(ca. 70～40Ma),表明滇西地区存在多阶段花岗伟晶岩型稀有金属成矿事件,可能与区域新特提斯构造-岩浆活动关系密切。

3 结语

近年来,青藏高原及其周边地区的锂资源勘查和研究取得了显著的进步,这使得该地区成为我国战略性矿产的重要储备基地,并推动了关键金属成因机制的前沿基础理论的发展。然而,我国在关键矿产资源的基础研究、资源潜力评估以及战略规划等方面仍存在一些问题。因此,加强对关键金属元素的多圈层循环、成矿机理、成矿规律以及关键金属元素的赋存状态等问题的基础研究,将为我们摸清我国关键矿产资源的潜在资源量、提高关键矿产资源的战略规划能力提供重要的科学依据。

致谢本专辑的出版得到期刊主编和编辑部的大力支持。感谢评审专家：吴福元、秦克章、王核、申萍、王瑞、李建康、曹明坚、阳杰华、王晓霞、周起凤、刘志超、黄芳芳、胡方泱、吕正航、章荣清、车旭东、秦江锋、刘彬、黄河、李鹏、毛亚晶、邹屹、邹艳涛、成里宁、熊伊曲、刘永超、何畅通等老师对专辑论文的认真评审和提出的宝贵修改建议。感谢南京大学王汝成教授、中国科学院青藏高原研究所李金祥研究员、中国科学院地质与地球物理研究所李晓峰和徐兴旺研究员、中国地质科学院矿产资源研究所李建康、陈振宇和陈雷研究员对于本专辑的大力支持。感谢期刊俞良军副主编对于专辑论文的悉心编辑。