四川甲基卡稀有金屬礦床134號脈錫石U-Pb定年與地質意義

周雄, 周玉, 孫寶偉, 譚洪旗, 岳相元, 朱志敏

(1.中國地質科學院礦產綜合利用研究所， 四川 成都 610041；2.中國地質調查局稀土資源應用技術創新中心， 四川 成都 610041；3.中國地質調查局金屬礦產資源綜合利用技術研究中心， 四川 成都 610041；4.四川省地質礦產勘查開發局四〇五地質隊， 四川 都江堰 611830)

稀有金屬礦床的成礦作用通常為多期多階段，偉晶巖礦床的成礦時代是礦床學研究的重要內容和難點。精確厘定偉晶巖礦床成巖成礦年齡，對于研究稀有金屬成礦作用、與成礦有關的構造演化、靶區優選、成礦模式乃至勘查模型具有至關重要的作用。偉晶巖型礦床傳統的定年方法包括鋯石、磷灰石、獨居石U-(Th)-Pb及白云母Ar-Ar法等。Ar-Ar法測定與成礦有關的熱液蝕變礦物(如云母、長石)，可以得出精確的等時線年齡，但由于封閉溫度的限制，云母類礦物的K-Ar法和40Ar-39Ar法通常不能給出花崗巖的“結晶年齡”[1]；偉晶巖中鋯石通常蝕變為高U鋯石，其放射性導致鋯石內部U-Pb同位素破壞，亦很難獲得精準的同位素年齡；錫石作為偉晶巖中常見的礦物，對U-Pb體系的封閉溫度比較高，其U-Pb同位素體系不易因擴散遷移而導致同位素信息丟失，錫石U-Pb同位素定年方法更加可靠[2]，錫石U-Pb與偉晶巖同期結晶生長，能夠準確約束偉晶巖的成巖成礦年齡[3-4]。稀有金屬花崗偉晶巖中云母類礦物Ar-Ar年齡不宜作為直接的成礦年齡，更適合作為巖漿作用過程中熱液活動的年齡[5]，偉晶巖中錫石、鈮鉭鐵礦可作為直接定年的理想礦物，可直接作為偉晶巖型礦床的成礦年齡[6-10]。

四川甲基卡偉晶巖型稀有金屬礦床由114條偉晶巖脈組成，其中134號脈規模最大，探明Li2O資源儲量51.22萬噸[11]。自2015年以來，由于戰略新興產業的興起和發展，鋰資源的需求逐步加大。隨著勘探規模的持續加大，甲基卡稀有金屬找礦不斷取得突破，甲基卡新三號脈的發現[12-13]，使甲基卡礦床Li2O的資源總量已達到188.77萬噸[12-15]，為超大型花崗偉晶巖型稀有金屬礦床。甲基卡鋰礦床自發現起，不同學者針對偉晶巖脈的成礦時代、流體包裹體、成礦作用、勘查模型等方面進行了深入研究[11,13-21]，極大地豐富了該區稀有金屬成礦理論。

作為最早發現、勘查程度最高的134號脈，王登紅等[11]首先利用白云母獲得了該脈精確的Ar-Ar法坪年齡為195.7±0.1Ma，限定其為早侏羅世成礦，并認為偉晶巖形成于燕山早期。隨著測試技術的進步，越來越多的證據顯示該區含礦偉晶巖脈形成于印支期，如308脈錫石U-Pb年齡為210.9±4.6Ma[20]，新三號脈鈮鉭礦物U-Pb年齡為216±2Ma和214±2Ma[17]。為進一步精確厘定134脈含礦偉晶巖成巖成礦年齡，本文在前人研究的基礎上，選取134號偉晶巖中錫石開展U-Pb年代學，討論其成巖成礦年代學及其演化，進一步揭示其成礦動力學，限定區域稀有金屬成礦背景。

1 礦床地質概況

甲基卡稀有金屬礦床位于松潘—甘孜造山帶東緣[11]，區域上的主斷裂，多屬切穿地殼的深大斷裂，控制了區內沉積地層的分布和巖漿活動。區內主要發育上三疊統侏倭組和新都橋組陸源碎屑沉積巖系，以復理石砂、泥質碎屑巖為主，后經多期變質作用形成不同類型的變質巖，巖性為含十字石絹云石英片巖、粉砂質片巖、變質粉砂巖、黑云母片巖等。受區域構造影響，區內發育有相對緊閉的小型復式背斜和向斜構造，區內主要發育大量張性裂隙，在鋰輝石偉晶巖脈的兩側多呈羽狀排列[22]。甲基卡二云母花崗巖體與稀有金屬偉晶巖礦床關系密切。二云母花崗巖體出露部分呈鐮刀狀，南部近東西向延伸，北部近南北向延伸。組成巖體的巖石類型主要為二云母鉀長花崗巖和二云母二長花崗巖，巖石中普遍含有白云母和黑云母，可見電氣石等礦物。

134號礦脈呈北北東—南南西展布，礦脈形態受控于偉晶巖脈，偉晶巖脈由一組密集的北東向雁行狀剪切構造控制，為一分支的大透鏡、大脈狀礦體，并顯示東側向北、西側向南分支的特點。礦脈整體規模大，長1003m，控制長度921m，兩端被第四系掩蓋。礦脈整體呈現為中段膨大，兩端變薄分支尖滅，礦脈中部形態相對穩定，厚度變化較小，呈較規整的透鏡狀，礦脈向兩端延伸出現分枝、分叉現象。

134號礦脈中的主要金屬礦物有鋰輝石、鉭鈮鐵礦、鋯石、曲晶石、綠柱石、錫石、腐鋰輝石、磷鋰錳礦、褐簾石、氟碳鈰礦等；脈石礦物主要有微斜長石、正長石、葉鈉長石、糖鈉長石、板狀鈉長石、石英、白云母、綠簾石、綠泥石及電氣石等[13,23]。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

本次研究之樣品主要采自134號脈中部，樣品質量約10kg。樣品主要呈塊狀，樣品顏色以灰白色為主，局部帶淺灰綠色、淺灰紫色調。樣品主要用于挑選錫石單礦物，少量用X射線粉晶衍射(XRD)分析礦物組成。樣品(編號134-11)經X射線粉晶衍射分析，查明礦石中主要礦物組成為：石英、鈉長石、鋰輝石、鈮鉭鐵礦、α-石英、硅鈦鋰鈣石、硒銅銀礦、尖晶石、獨居石、硅鈹鈣石等。

2.2 分析測試方法

樣品破碎及錫石單礦物挑選由河北省廊坊市誠信地質服務公司完成。錫石制靶、拋光、照相、實驗分析等均在中國地質調查局天津地質調查中心完成。測年所用分析儀器為ThermoFisher Neptune型多接收器電感耦合等離子體質譜儀及SIUP193FXArF 型激光剝蝕系統(LA-MC-ICP-MS)。激光剝蝕斑束35μm，激光量密度10-13J/cm2，頻率8～10Hz。采用實驗室錫石工作標樣(AY-4)作為測試外標[24]，實驗方法參照涂家潤等[25]文獻。數據處理軟件為ICPMSDataCal[26]，諧和年齡采用Ludwing的Isoplot進行計算[27]。

3 結果與討論

3.1 錫石礦物學特征

錫石多呈自行-半自形粒狀及柱狀，粒徑小，大小為120～300μm(多為150μm左右)；錫石成分均一，未見明顯環帶，透射光下多為棕色及棕褐色，且顏色分布不均勻，陰極發光下呈灰黑色，可見少量裂紋及其他礦物細粒包體(圖1)。134號偉晶巖脈中錫石大小與甲基卡308脈[20]、黨壩礦床[28]具有相似性，該類錫石可用LA-ICP-MS法獲得U-Pb同位素年齡[29]。

3.2 錫石測年結果

錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb測年結果見表1。

圖1 錫石陰極發光圖像Fig.1 Cathode luminescence images of cassiterite

表1 134號偉晶巖脈錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素測試數據

本次共進行了36個點的測試，Th含量變化范圍為0.02×10-6～0.38×10-6(平均為0.1×10-6)，U含量變化范圍為0.39×10-6～36.59×10-6(平均為9.10×10-6)，207Pb/206Pb變化范圍為0.05～1.18(平均為0.16)，表明該樣品中普通鉛含量相對較低。崔玉榮等[6]研究認為，該類型錫石選用T-W圖解法(Tera-Wasserburg)比用等時線年齡獲得的年齡更準確。因此，本文通過T-W圖解獲得的錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡結果為203.7±4.6Ma(MSWD=2.8,圖2)，表明甲基卡134號含鋰偉晶巖脈形成于印支晚期，成礦作用發生于203.7±4.6Ma。

表2 甲基卡地區稀土金屬礦床同位素年齡統計

圖2 甲基卡134號偉晶巖脈含鋰輝石偉晶巖錫石U-Pb年齡諧和圖Fig.2 U-Pb isochron corresponding concordia diagram of cassiterite in spodumene-bearing pegmatite from the No.134 pegmatite vein from Jiajika

3.3 甲基卡及松潘甘孜造山帶稀有金屬花崗偉晶巖成礦時代及構造背景

3.3.1甲基卡地區花崗偉晶巖成礦時代及構造背景

甲基卡稀有金屬礦床由馬頸子二云母花崗巖巖漿結晶分異過程中含礦巖漿沿著熱穹窿周邊的張性空間充填形成[14]。前人已針對該區的花崗巖、花崗偉晶巖的形成時代開展了鋯石LA-ICP-MS U-Pb、錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb、鈮鉭礦LA-ICP-MS U-Pb及40Ar-39Ar法等研究工作(表2)。盡管不同的測試方法有各自的局限性，所代表的地質意義有所不同，但這些高精度的分析結果，可為區域地質演化及成礦規律研究提供精確的數據支撐。從這些年齡來看，成礦年齡范圍為216±2Ma～195.67±0.14Ma[11,17,20]，可分為～214Ma、～204Ma和～195Ma三個年齡段；成巖年齡分布范圍為225.2±1.0～202.2±1.3Ma[17,30-31]，又可細分為三個年齡段：～223Ma、～214Ma和205Ma，成巖成礦年齡在誤差范圍內趨于一致，可能代表成巖-成礦作用是一個連續的過程，區域內甲基卡地區含礦花崗偉晶巖的形成可能與馬頸子二云母花崗巖巖體具有時空關系和成因關系。

本文獲得的134號偉晶巖脈錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡(203.7±4.6Ma)可直接作為該脈的成礦年齡，表明該偉晶巖型鋰礦床形成于印支晚期。

3.3.2松潘—甘孜造山帶構造背景及成礦規律

松潘—甘孜—甜水海古特提斯碰撞造山帶的三疊紀復理石巖系為硬巖型含鋰偉晶巖脈的形成提供了大地構造背景，在造山過程中，“巖漿—熔融—變質—變形”四個系統相互調整，使鋰富集于花崗巖或者偉晶巖中[34]，但鋰等稀有金屬元素由于活動性較強，只能在造山后相對穩定且連續演化階段，才會發生大規模稀有金屬聚集，稀有金屬礦床代表造山后的產物[11]，而這個造山期后印支運動高峰期(230Ma)之后的漫長期持續了約15Ma[14]，也正是漫長的穩定構造環境，為稀有金屬的聚集成礦創造了有利條件，從而形成了巴顏喀拉—松潘成礦省中稀有金屬礦床的代表——甲基卡超大型稀有金屬礦床。

許志琴等[34]研究認為，以馬爾康、甲基卡偉晶巖型鋰礦床為代表的鋰礦帶的形成與印支造山期花崗質巖漿作用、局部熔融的花崗偉晶脈侵位以及“片麻巖穹窿”構造有關，并根據含鋰偉晶巖脈的年齡和其他礦化年齡指出馬爾康片麻狀穹窿形成于212～170Ma之間，甲基卡片麻狀穹窿形成至少是在216～214Ma之間[35]。區域上，可爾因稀有金屬礦田Li-Be-Nb-Ta-Sn礦床、黨壩Li-Be-Nb-Ta-Sn礦床含礦偉晶巖脈錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡分別為203±5Ma(MSWD=4.1)[36]、208.1±1.9Ma(MSWD=2.5)和199.3±1.6Ma(MSWD=0.68)[28]，表明該礦田稀有金屬成礦事件發生在印支晚期及燕山早期。正如前文研究，甲基卡成礦事件亦發生在印支晚期及燕山早期(216±2Ma～195.67±0.14Ma)，花崗巖形成時代與穹窿形成近于一致，表明松潘—甘孜造山帶稀有金屬成礦事件可能受控于一個連續的構造巖漿演化過程，變形、變質、巖漿作用和礦化作用同期發生，具有集中成礦的特點，形成于同一成礦系統。無論是甲基卡還是可爾因成礦母巖——二云母花崗巖，均為S型花崗巖，具有相似的地球化學特征[28]，造山帶內的花崗偉晶巖型稀有金屬礦床都是巴顏喀拉—松潘造山帶在印支運動之后相對穩定的構造背景下，由二云母花崗巖巖漿結晶分異過程中，含礦巖漿沿著熱穹隆構造周邊的張性空間充填形成了一系列礦床，具有“五層樓+地下室”的模型特點[19]。

3.3.3研究展望

礦石X射線粉晶衍射結果表明，偉晶巖鋰礦中除了含有鋰輝石、鈮鉭鐵等稀有金屬礦物外，還指示含有硒銅銀礦、硅鈦鋰鈣石、硅鈹鈣石等礦物，但目前在該區或松潘—甘孜帶上這類礦物的礦物學研究尚非常薄弱，建議在今后的工作過程中加強礦物學特征研究。

4 結論

為進一步精確厘定亞洲最大的含鋰偉晶巖脈——134脈含礦偉晶巖成巖成礦年齡，本文通過錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb年代學，對其成巖-成礦年齡進行了限定。結果表明，134號偉晶巖脈的錫石U-Pb年齡為203.7±4.6Ma(n=19，MSWD=2.8)，代表了該偉晶巖型鋰礦床的成礦年齡，表明其成礦作用發生在印支晚期。正是印支運動晚期漫長的穩定構造環境，為本區稀有金屬的聚集成礦創造了有利條件，從而形成了巴顏喀拉—松潘成礦省中稀有金屬礦床的代表——甲基卡超大型稀有金屬礦床。

松潘—甘孜造山帶典型稀有金屬礦床的年代學結果顯示，甲基卡、可爾因稀有金屬礦集區內稀有金屬礦床具有相似的成礦類型、成礦年齡和構造背景，成礦事件發生在印支晚期及燕山早期，都是巴顏喀拉—松潘造山帶在印支運動之后相對穩定的構造背景下，在二云母花崗巖巖漿結晶分異過程中，含礦巖漿沿著熱穹隆構造周邊的張性空間充填所形成，具有“五層樓+地下室”的模型特點。礦石X射線粉晶衍射分析結果亦為今后的研究提供了新的方向。

致謝：錫石制靶、陰極發光、年齡測試、數據處理過程中，均得到中國地質調查局天津地質調查中心涂家潤博士的幫助；耿海濤碩士清繪了部分圖件；匿名審稿人提出了諸多修改建議，在此一并表示感謝。