闫庆贺 陈晨 明添学 何小虎 谈树成 刘梦帆 章荣清 刘兵兵
1. 云南大学地球科学学院,昆明 650500
2. 云南省关键矿产成矿过程和机制国际联合实验室,昆明 650500
3. 中国科学院海洋研究所深海研究中心,青岛 266071
4. 云南省地质调查院,昆明 650216
5. 南京大学地球科学与工程学院,南京 210023
6. 岭南师范学院地理科学学院,湛江 524048
锂、铍、铌、钽等关键稀有金属是我国重要的战略性资源,其成矿机理与找矿勘查已成为矿床学研究的重点之一(王登红等, 2017; 李建康等, 2014; 刘丽君等, 2017; 翟明国等, 2019; 毛景文等, 2019; 蒋少涌等, 2019)。其中锂(Li)资源的开发利用贯穿了新能源汽车、节能环保、新一代信息技术等产业,被誉为21世纪的“绿色能源金属”和“白色石油”(Tarascon, 2010),是国家发展新能源资源战略的重心。然而,我国锂矿产资源严重短缺,据中国锂矿行业统计,2017年我国锂资源的对外依存度高达87%;随着我国锂电产业的不断发展,锂资源对外的高度依存将严重制约我国新能源战略计划的实施。因此,加大对锂资源的勘查、开发及储备是我国当前紧迫的能源资源战略需求。
花岗伟晶岩作为稀有金属富集成矿的主要岩石类型之一,是我国主要的锂资源供应矿种类型,其成矿备受关注。近年来我国在花岗伟晶岩型稀有金属找矿方面取得了系列重大突破,西昆仑白龙山、雪凤岭,川西可尔因、草隆,青藏南缘琼嘉岗等大型/超大型稀有金属矿床被相继发现(付小方等, 2015; 王秉璋等, 2020; 秦克章等, 2021; 赵俊兴等, 2021; Yanetal., 2018, 2022; 王核等, 2017, 2020, 2023),为我国锂资源增储和资源安全保障做出了巨大贡献,掀起了找矿和矿床研究的热潮。
滇西地区位于青藏高原东南缘,前人发现该地区发育大量的稀有金属伟晶岩矿床/点,表明该区稀有金属矿产成矿条件较为优越,资源潜力巨大(余勇等, 2022; 图1a, b)。然而,目前滇西地区只报道有贡山县东南黑妈伟晶岩型铁锂云母锂矿床/点(李建康等, 2017)和腾冲宝华山伟晶岩型Be-Nb-Ta-Li矿(锂辉石型;施玉北等, 2023)。笔者与合作者们通过大量的野外工作和室内资料分析,在滇西地区福贡县培里村发现了多条锂辉石型伟晶岩脉,这为在滇西地区锂辉石型伟晶岩锂矿的找矿工作方面取得了突破。本文首次报道了滇西地区培里锂辉石型伟晶岩锂矿地质特征,并对该地区伟晶岩进行了LA-ICP-MS铌钽矿和锡石U-Pb定年及全岩主微量元素分析,以此初步限定其成岩年龄和成因机制,为研究区下一步找矿勘查提供借鉴和初步的理论支撑。
图1 滇西地区区域构造图(a,据Zhu et al., 2015修改)、滇西地区稀有金属伟晶岩分布图(b,据高子英等, 1993修改)及滇西高黎贡山地区区域地质图(c, 据Song et al., 2010修改)JSS-金沙江缝合带;BNS-班公-怒江缝合带;YTS-雅鲁藏布江缝合带;IBS-印缅造山带;MBT-主边界逆冲断裂Fig.1 Tectonic framework of western Yunnan (a, modified after Zhu et al., 2015), distribution of rare-metal pegmatite in western Yunnan (b, modified after Gao et al., 1993) and geological schematic map of Gaoligong area of western Yunnan Province (c, modified after Song et al., 2010)JSS-Jinshajiang Suture; BNS-Bangong-Nujiang Suture; YTS-Yarlung-Tsangpo Suture; IBS-Indo-Burman Range; MBT-Main Boundary Trust
滇西高黎贡山地区是东特提斯构造域东南段的重要组成部分(Kouetal., 2012; 图1a)。以昌宁-孟连缝合带和泸水-瑞丽断裂为界,从东向西该地区可划分为印支-思茅地块、保山地块以及腾冲三个地块(图1a; Chenetal., 2007; Congetal., 2011)。
培里锂矿所在的腾冲地块东以泸水-瑞丽断裂为界和保山地块相邻,西以葡萄县-密支那缝合带为界和缅甸地块相邻(图1a; 李兴振等, 2004)。基于二叠-石炭系的冰川期-海相沉积及上覆冰后黑色泥岩沉积和似冈瓦纳的化石组合,前人研究认为该地块古生代和中生代属于冈瓦纳超大陆,随着新特提斯洋打开,其从紧邻印度地体的喜马拉雅地体的北缘裂解而来(Jin, 1996; Lietal., 2014; Pengetal., 2023)。该地区地层包括中元古代变质泥质基底(高黎贡山群)、晚古生代碎屑沉积岩和碳酸盐岩。高黎贡山群由石英岩、二云母片麻岩、长石片麻岩、混合岩、角闪岩和大理岩组成(Zhong, 2000)。古生代沉积地层主要由石炭系碎屑岩、上三叠统-侏罗系浊积岩、白垩系红层以及新生代砂页岩构成(Zhong, 2000)。
滇西地区伟晶岩型稀有金属矿产成矿条件优越,潜力巨大。根据其分布规律,滇西地区伟晶岩主要可以分为5个带,分别为:高黎贡山伟晶岩带(又可分为高黎贡山北、中、南三个亚带)、西盟伟晶岩带、凤庆-临沧伟晶岩带、石鼓伟晶岩带以及哀牢山南段伟晶岩带(图1b; 高子英等, 1993; 张传昱等, 2021)。其中,稀有金属矿床主要分布于高黎贡山变质岩浆带和临沧变质岩浆带,位于滇缅锡成矿带北段,夹持于怒江断裂带与龙瑞断裂之间。前人研究表明(高子英等,1993;余勇等,2022),从贡山、腾冲、梁河到瑞丽的伟晶岩和淡色花岗岩,以及临沧-勐海岩浆带中均发现存有不同程度的稀有金属矿化。这些伟晶岩和淡色花岗岩具有高分异特征,与成矿有关的元素主要有Be、Li、Nb、Ta、Sn、W、U等。
图2 培里伟晶岩锂矿地质剖面图Fig.2 Cross section map of the Peili rare-metal pegmatites
图3 培里伟晶岩锂矿野外及手标本图片Fig.3 Photos of hand specimens and outcrops of the Peili rare-metal pegmatites
本次新发现的培里矿床位于高黎贡山伟晶岩带(图1b, c)。近年来在该带发现了众多伟晶岩型稀有金属矿床/点,例如:龙陵县黄连沟Nb-Ta矿、腾冲宝华山Nb-Ta-Be矿、龙陵县那俄Be矿、贡山黑妈Li矿、贡山普拉底Be矿等(图1b;详见余勇等,2022及其参考文献),构成了一重要的稀有金属成矿远景区,具有良好的稀有金属成矿潜力(陶琰等, 2015; 李建康等, 2014, 2017; 黄亮等, 2020)。前人研究表明,高黎贡山伟晶岩带中的稀有金属矿伟晶岩常成群成带分布,伟晶岩呈脉状产出于中深变质的高黎贡山群以及变质的石炭系地层中,伟晶岩脉的走向以近南北向为主,产出受片理和裂隙的控制,一般与围岩产状或区域构造线理方向大体一致。带内稀有金属伟晶岩以Be 矿化为主,还伴有Nb、Ta、Li、Rb、Cs等矿化(余勇等, 2022)。带内缺乏同期的大型花岗岩岩浆活动,仅有同期零星小规模淡色花岗岩侵入(陶琰等, 2015; 李建康等, 2014, 2017; 黄亮等, 2020; Songetal., 2010)。典型矿床(点)有黑妈锂云母矿(李建康等, 2017)、宝华山铍铌钽锂矿、贡山丹珠锡铍铌钽矿。其中,黑妈锂云母矿床位于贡山县东南8km处怒江峡谷东侧的碧罗雪山(李建康等, 2017)。矿区内共发现伟晶岩脉 30余条,多数伟晶岩脉赋存在石英角闪石片岩中。主要稀有金属矿物为铁锂云母、绿柱石、铌钽铁矿。贡山丹珠伟晶岩稀有金属矿点位于贡山县城南约10km处,发育多条伟晶岩脉,岩脉产出在古生代变质岩中,岩性主要为大理岩、片岩、片麻岩,局部地区出现混合岩。伟晶岩脉厚0.5~10m,延长数十米至五百米。主要造岩矿物有斜长石、钾长石、石英、白云母;稀有金属矿物有绿柱石、电气石、独居石、铌铁矿和锡石等(陶琰等, 2015; 唐建云, 2009)。宝华山铍铌钽锂矿位于腾冲市,矿区内共发现近200条伟晶岩脉,长10~180m,厚0.3~5m不等,分布于下元古界高黎贡岩群中,岩性主要为石英角闪岩片岩、黑云母石英片岩和大理岩(施玉北等, 2023)。前人分析表明该矿床富Be矿物为绿柱石,BeO品位为0.023%~0.078%;富铌钽矿物为铌钽矿,Ta2O5品位为0.004%~0.099%,Nb品位为0.009%~0.018%;富Li矿物为锂辉石,Li2O品位为0.04%~0.537%(边界品位为Li2O=0.4%~0.6%)(施玉北等, 2023)。
培里锂矿床位于贡山县北约3km处的培里村(图1c;27°45′8.21″N、98°39′40.63″E),距离早期发现的黑妈锂矿床约15km。在最初滇西伟晶岩稀有金属矿产的勘查研究工作中,鉴于贡山县境内发育有大量伟晶岩以及合作单位云南省地质调查院在该地区已有一定勘查基础,我们将找矿目标优先选定于贡山县境内。与此同时,我们注意到区内伟晶岩多数顺层分布于倾角较大的地层,研究区内道路多数顺地层走向分布且植被覆盖严重,故重点选择了横切地层走向的剖面进行调查,结合区内Li元素地球化学背景异常,在培里地区发现含锂辉石伟晶岩脉9条,其中8条位于河岸北侧同一剖面(图2)上,1条位于河岸南侧(图3a),且沿走向与河岸北侧脉体不相连。矿区地层主要呈单斜构造,出露地层主要为石炭纪变质碎屑沉积岩和碳酸盐岩,各类岩石中片理和节理较为发育。地层产状倾向260°左右,倾角一般在45°~50°之间。矿区范围内未见花岗岩体,矿区西约1km处出露高黎贡山东坡早白垩世花岗岩,主体为粗粒片麻状黑云二长花岗岩。
矿区内出露的伟晶岩脉均含有锂辉石矿化,脉体宽0.3~8m不等,由于区内植被覆盖严重,脉体未完全暴露于地表(主要出露脉体横切面),脉体长度尚不明确。含矿伟晶岩脉多顺层侵入地层中,与围岩之间界线清楚。含矿伟晶岩脉主要由石英、锂辉石、白云母和长石组成,其次发育有电气石、锡石、铌钽矿等矿物(图3、图4)。脉体具有较好的分带,总体可以分为边缘的细粒石英(30%)-钠长石(40%~50%)-白云母(10%)带,内侧带的粗粒长石(40%~50%)-云母(20%)-石英(25%)带和中间的块体长石(40%)-锂辉石(25%~45%)带(图3、图4)。
本次用于铌钽矿和锡石U-Pb定年的样品采集于最大的一条富锂辉石矿伟晶岩脉(图3a)。
用于铌钽矿U-Pb年代学测试的样品经过人工破碎成约60目,将粉末用清水淘洗,在双目镜下挑选出无裂隙、晶形完整的铌钽矿,粘于环氧树脂表面,固化后打磨抛光至露出一个光洁平面然后进行反射和背散射图像(BSE)照相,结合这些图像选择适宜的点位进行测试。
铌钽矿U-Pb测年是在内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。测试仪器为配备了GeoLas PLUS 193nm激光剥蚀系统Agilent 7500a四级杆等离子质谱仪。激光剥蚀条件为:束斑43μm,激光能量和频率分为12J/cm2和4Hz。标样使用来自马达加斯加的Coltan 139,其U-Pb年龄为505.4±1.0Ma(ID-TIMS)和506.2±5.0Ma(LA-ICP-MS)(Melcheretal., 2015)。测试过程中,204Pb、206Pb和208Pb的分析为15ms,207Pb为30ms,232Th和238U为10ms,其他元素为6ms。每6个样品穿插2个标样(Coltan 139)和2次NIST SRM 610。分析过程中,背景采集时间为20s、样品采集时间为50s、气体采集时间为20s。数据处理采用ICPMSDataCal 10.1(Liuetal., 2010)。铌钽矿的谐和年龄图绘制和加权平均年龄计算使用软件Isoplot 3.0(Ludwig, 2003)。
用于锡石U-Pb定年的样品经过人工破碎成约60目,在双目镜下挑选出晶形完整、无裂隙、透明度好、包裹体少的锡石,粘于环氧树脂表面,固化后打磨抛光至露出一个光洁平面然后进行透反射和阴极发光(CL)照相,结合这些图像选择适宜的点位进行测试。锡石的U-Pb定年在中国科学院矿物与成矿重点实验室完成。实验采用标准锡石AY-4(154.3±0.7Ma; Yangetal., 2022)作为测年外标,所测元素激光斑束直径为74μm,频率为6Hz,能量密度4J/cm2。具体实验分析方法详见文献(Lietal., 2016a)。数据处理采用 Iolite 4。锡石的谐和年龄图绘制和年龄计算采用软件Isoplot 3.0(Ludwig, 2003)。
为了分析矿石品位,我们采集了6块伟晶岩样品进行微量元素(Li-Be-Nb-Ta-Rb-Cs)分析。本研究所有样品的微量元素测试均是在武汉上谱实验室完成。微量元素含量采用酸溶法。称取35~45mg全岩粉末样品以及标样于干净的Bomb中,加入1:1纯化HNO3、HF和1:3 HClO4,超声振荡0.5h后,置于超净台中加热板100℃加热48h。开盖蒸干,加1:1纯化HNO3置于超净台中加热板100℃保温过夜,加入HF和1:3 HClO4,放入高压釜中,置于190℃的恒温电热箱内加热48h。然后取出,在超净台内电热板蒸干,加入4mL浓度为4N的HNO3,放入高压釜中,置于170℃恒温箱内加热4h。取出,趁热以3% HNO3将样品溶液稀释至干净的塑料瓶中,将溶液稀释2000倍。准确称取上述稀释液2.50g于干净的离心管中,与样品1:1比例准确加入Rh-Re内标溶液来校正信号漂移,摇匀,准备上机测试。分析测试在Perjub-Ekmer-Sciex Elan 6000型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上进行。使用USGS岩石标准样品W-2、G-2、BCR-2、BHVO-2和AGV-2以及国内标准GSR-1、GSR-2、GSR-3和GSD-9测绘仪器工作曲线来校正所测试样品的元素含量,分析精度一般优于5%,具体的流程参照李献华等(2002)。
本文对培里伟晶岩(23PL-1)中的铌钽矿和锡石进行了U-Pb定年分析, 其结果见表1。铌钽矿整体呈自形或半自形短柱状、薄片状,粒径不一,多为100~500μm。在背散射电子图像上,铌钽矿少部分显示韵律环带,其余的铌钽矿则几乎不显示环带,整体发光特征比较均一。另外,有一定数量的铌钽矿含有少量长石或石英包裹体矿物。
本次研究共选择了14个点进行测试,所有点在一致曲线中呈群分布,具有一致的年龄,变化于17.3±0.58Ma~18.9±0.52Ma,206Pb/238U加权平均值年龄为18.4±0.3Ma (MSWD=0.64)(表1、图5a)。
锡石颗粒在透射光下为浅褐色、半透明、自形-半自形。在CL图像下,大多数锡石晶粒显示规则的振荡分带,只有少数晶面局部均匀且呈黑色。少量锡石颗粒中含有矿物包裹体和裂纹,我们通过透反射光结合CL图像,选取未见矿物包裹体和裂纹的区域进行了U-Pb同位素分析。32个数据在Tera-Wasserburg年龄图解上获得下交点年龄为17.5±1.2Ma(MSWD=1.8)(表1、图5b),两年龄在误差范围内一致,表明测得年龄可信。
本次测试6个样品的全岩微量元素,结果显示培里地区伟晶岩Li含量变化于6114×10-6~13304×10-6,Be含量变化于143×10-6~349×10-6,Nb含量变化于102×10-6~146×10-6,Ta含量变化于134×10-6~521×10-6,Rb含量变化于1733×10-6~2916×10-6,Cs含量变化于210×10-6~566×10-6之间。Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta均达到了边界品位以上,为Li-Be-Rb-Cs-Nb-Ta矿床(表2)。
表2 培里伟晶岩锂矿微量元素分析结果(×10-6)
图5 培里伟晶岩铌钽矿U-Pb谐和图(a)和锡石U-Pb Tera-Wasserburg图解(b)Fig.5 Coltan U-Pb concordia diagram (a)and cassiterite U-Pb Tera-Wasserburg diagram (b) for the Peili pegmatite
铌钽矿和锡石具有矿物稳定性良好、封闭温度较高的特点,在稀有金属矿床中广泛发育,往往直接指示了矿床的真实成矿年代,因而近年来被广泛应用于伟晶岩等稀有金属矿床的年代学研究中(Yuanetal., 2008; Lietal., 2016a; Zhangetal., 2017; Yanetal., 2018, 2022)。最近Lietal. (2016a)通过大量实验研究发现Tera-Wasserburg U-Pb下交点年龄受到普通Pb的影响较小,其定年效果比较好,并且通过与其他定年方法对比发现206Pb/207Pb-238U/207Pb等时线年龄比真实年龄更为年轻,Tera-Wasserburg U-Pb下交点年龄更为接近真实的成矿年龄。本文通过Lietal. (2016a)的方法得到的Tera-Wasserburg U-Pb下交点年龄为17.5±1.2Ma(MSWD=1.8);用于测试的锡石在CL图像上显示有良好的环带结构,未有受到后期热液改造的迹象,因此,本文以此次实验获得的锡石U-Pb年龄代表伟晶岩成岩成矿年代。此外,这一年龄和本次研究获得的铌钽矿U-Pb年代(18.4±0.3Ma;MSWD=0.64)在误差范围内基本一致。同样,不同于与热液交代相关的具有“斑杂”状的铌钽矿(Linnen and Cuney, 2005),本次用于定年的铌钽矿物或具有均匀的内部结构,或具有较好的环带状结构,表明该年龄也代表了伟晶岩的成岩成矿年代(Cheetal., 2015; Yanetal., 2018)。因此,我们将滇西地区培里稀有金属伟晶岩矿床形成年代限定于约18Ma。
表3 滇西及藏南(喜马拉雅)地区稀有金属成岩成矿年龄
图6 滇西及藏南(喜马拉雅)稀有金属矿床成矿年代分布图Fig.6 Compilation of geochronological data for the rare metal deposits from the western Yunnan and South Tibet (Himalaya) metal metallogenic belts
图7 滇西地区Li、Be地球化学异常图(据陈元坤等, 2015; 施玉北等, 2023)Fig.7 Geochemical anomalies of Li and Be in western Yunnan (after Chen et al., 2015; Shi et al., 2023)
近年来我国在伟晶岩型稀有金属矿找矿方面取得了诸多重大突破(付小方等, 2015; 王秉璋等, 2020; 秦克章等, 2021; 王核等, 2017, 2020, 2023)。其中,松潘-甘孜-西昆仑锂矿带位于古特提斯构造域,成矿峰期为220~195Ma;青藏南缘喜马拉雅锂矿带位于新特提斯构造域,成矿峰期为25~14Ma,二者一同构成了全球瞩目的特提斯巨型锂成矿带(Yanetal., 2022; 赵俊兴等, 2021; 周起凤等, 2021; 郭伟康等, 2023)。前人对培里伟晶岩邻近的黑妈铁锂云母矿床的研究认为,黑妈矿床可能是古特提斯洋封闭后陆内褶皱造山的产物,是松潘-甘孜稀有金属成矿带的南延(李建康等, 2017)。然而,本研究揭示高黎贡山地区的稀有金属伟晶岩的形成时代为18Ma左右,年代上与喜马拉雅淡色花岗岩和稀有金属伟晶岩成矿带相近(表3、图6; 张林奎等, 2018; 王连峰等, 2022)。在这一时段,高黎贡山山脉经历了中新世快速抬升剥蚀,这与喜马拉雅造山带退变质折返时间一致(董昕和田作林, 2019; 曾令森等, 2019; 黄亮等, 2020),二者可能都是对喜马拉雅造山晚期阶段的快速隆升过程的岩浆响应。此外,前人研究表明,培里锂矿所在的腾冲地块在中生代以前与喜马拉雅地体具有强构造亲缘性(Lietal., 2014; Pengetal., 2023),在新生代以来经由新特提斯洋闭合造山作用被挤压逃逸而出,尽管其具体构造运动过程尚不可知,但其相似的成矿年代和构造属性暗示其属于同一期构造-岩浆事件的产物。我们据此推测,喜马拉雅新生代稀有金属成矿带可能向南延伸至滇西地区(Lietal., 2016b)(图6),共同构成了宏大的新特提斯相关的喜马拉雅-滇西稀有金属伟晶岩成矿带。
喜马拉雅成矿带已发现有琼嘉岗(Li2O远景资源量约101万t;秦克章等, 2021)、嘎波(Li2O远景资源量约10万t;李光明等, 2022)和错那洞(BeO远景资源量约14万t;李光明等, 2017)大型伟晶岩型锂矿,鉴于喜马拉雅成矿带巨大的成矿潜力,其潜在南延的滇西地区可能也具有良好的稀有金属找矿前景。然而,目前区域发现的Li矿整体较少,我们认为可能原因有:(1)区内植被覆盖严重,导致野外伟晶岩露头不明显,阻碍了勘查工作的开展;(2)区域伟晶岩脉多沿地层层理分布,然而区内层理产状陡,且道路大多顺层走向方向分布,沿交通路线勘探难度较大。事实上,前人的化探资料表明滇西地区具有显著的Li、Be地球化学异常(图7)。尤为值得注意的是,滇西多区域Li、Be异常要高于培里地区,因此,我们推测滇西地区具有巨大的稀有金属找矿前景。
(1)滇西培里地区新发现了一处具良好资源潜力的伟晶岩Li-Be-Nb-Ta-Cs-Rb矿床。
(2)培里稀有金属伟晶岩形成于18Ma,与喜马拉雅稀有金属成矿带成矿时间一致,可能是喜马拉雅成矿带的南延,滇西地区具有良好的锂成矿潜力。
(3)培里稀有金属伟晶岩和区域变质深熔形成的淡色花岗岩成岩时代接近,其与淡色花岗岩的成因关联还需要进一步工作限定。
致谢铌钽矿及锡石U-Pb同位素测试分别得到南京大学胡欢老师和中国科学院广州地球化学研究所屈潘老师的帮助!本文在撰写过程中得到了吴福元院士、王核研究员、赵俊兴副研究员、俞良军博士等人的指导,中国科学院地质与地球物理研究所秦克章研究员和中国地质大学王瑞教授对本文提供了大量建设性的修改意见,在此诚挚感谢。