新疆阿尔泰将军山天河石花岗岩的岩石成因及其对铷成矿的制约*

佘贵民 刘堃 周晋捷 吕正航 张辉

新疆阿尔泰以盛产花岗岩和伟晶岩而闻名,但目前已探明或开采的稀有金属矿主要产自于伟晶岩中。阿尔泰的花岗岩出露面积占全域40%以上(吴柏青和邹天人, 1989),但目前已识别出的高分异花岗岩(又称稀有金属花岗岩)几乎没有。高分异花岗岩的缺失给伟晶岩成因研究带来了诸多困惑。此外,阿尔泰的伟晶岩主要产出Be和Li等稀有金属资源,且主要集中在富Li、Cs、Ta的LCT伟晶岩中,如可可托海3号伟晶岩和1号伟晶岩,以及柯鲁木特112号伟晶岩等(Wangetal., 2007; Lvetal., 2012; Yinetal., 2013; Zhouetal., 2015)。相较而言,目前对阿尔泰花岗岩和伟晶岩型Rb矿的成因及成矿远景等研究极其有限。

将军山地区出露有新疆阿尔泰唯一的天河石花岗岩,其以富Rb特征明显区别于与琼库尔地体中的其他花岗岩(如康布铁堡、阿苇滩和大喀拉苏等岩体)。周边同时出露有天河石伟晶岩,显示出一定的Rb成矿潜力,但天河石花岗岩成因及其与伟晶岩的成因关系尚不清楚。前人研究认为该天河石花岗岩形成于燕山期(任刚, 2018; 吴家林, 2018),不同于最近研究得出的二叠纪年龄(Baietal., 2023)。此外,除已知的Rb矿石矿物天河石外,岩石中的云母类型及其Rb的富集程度也尚不清楚,不同学者将其归类为白云母(任刚, 2018)或铁锂云母(Baietal., 2023)。综上,本次研究以将军山天河石花岗岩和伟晶岩为研究对象,开展全岩地球化学、年代学、同位素和矿物学研究,以期揭示该花岗岩的岩石成因及其Rb的富集机理,为阿尔泰未来的Rb矿勘查提供思路。

1 地质背景

1.1 区域地质

中国新疆阿尔泰地区位于中亚造山带西部中段,西邻哈萨克斯坦,北接俄罗斯,东邻蒙古国。前人根据其地层、变质作用、变形方式和岩浆活动,将阿尔泰分为北阿尔泰、中阿尔泰、琼库尔和南阿尔泰地体四个地体(图1;Yuanetal., 2007)。北阿尔泰地体(单元Ⅰ)位于红山嘴-诺尔特断裂以北,泥盆系-下石炭统变火山岩和变沉积岩在本区广泛出露(Windleyetal., 2002)。火成岩主要由泥盆纪花岗斑岩和I型花岗岩组成(吕正航等, 2015; 秦纪华等, 2016)。中阿尔泰地体(单元Ⅱ)位于红山嘴-诺尔特断裂以南和阿巴宫-库尔提断裂之间,作为中国阿尔泰的主体,由厚层的哈巴河群浊积岩和火山碎屑岩序列、上奥陶统东锡勒克组和白哈巴组火山磨拉石和陆源碎屑岩序列以及中-上志留统库鲁木提组变质砂岩组成(Windleyetal., 2002)。花岗岩类广泛出露,主要由早-中古生代的(500～360Ma)I型和S型花岗岩(Wangetal., 2006, 2009; Sunetal., 2008; Caietal., 2011a, b; Zhangetal., 2017; 王涛等, 2010; 马占龙等, 2015)和少量的中生代花岗岩(230～202Ma)组成(Wangetal., 2014; 刘文政, 2014; 陈有炘等, 2017),泥盆纪的镁铁质岩在可可托海地区局部出露(Caietal., 2012)。琼库尔地体(单元Ⅲ)位于阿巴宫-库尔提断裂和富蕴-锡泊渡断裂之间,主要由早泥盆世康布铁堡组和中泥盆世阿尔泰组碎屑岩和火山岩组成(Windleyetal., 2002)。区内出露的火成岩主要为中-晚古生代I型花岗岩(Wangetal., 2006, 2009;Yuanetal., 2007)、晚古生代A型花岗岩(Tongetal., 2014; Liu, 2017)、二叠纪镁铁质岩脉(Pirajnoetal., 2008; Wanetal., 2013; Caietal., 2016)。南阿尔泰地体(单元Ⅳ)位于富蕴-锡泊渡断裂与南额尔齐斯断裂之间。该域西北部大部分被第四纪沉积物覆盖。东南部主要为泥盆纪康布铁堡组,上覆晚石炭世地层(Windleyetal., 2002)。区域出露少量石炭-二叠纪花岗岩(Tongetal., 2012, 2014)。

图1 中国阿尔泰地质简图(据Windley et al., 2002; Lv et al., 2021)Ⅰ-北阿尔泰地体;Ⅱ-中阿尔泰地体;Ⅲ-琼库尔地体;Ⅳ-南阿尔泰地体Fig.1 Geological sketch map of the Chinese Altai (modified after Windley et al., 2002; Lv et al., 2021)Ⅰ-North Altai domain; Ⅱ-Central Altai domain; Ⅲ-Qiongkuer domain; Ⅳ-South Altay domain

最近的研究表明,中国阿尔泰是在中寒武世至早二叠世活动大陆边缘发育的多次俯冲-增生过程形成的岩浆弧。中寒武世时期,中国阿尔泰构造背景由被动大陆边缘转变为主动大陆边缘。随后,中国阿尔泰在泥盆纪期间经历了以洋脊俯冲、大规模花岗质岩浆活动和高温变质作用为标志的从奥陶纪到石炭纪漫长的俯冲过程。随着古亚洲洋板块的持续俯冲,中国阿尔泰在二叠纪期间与东、西准噶尔古岛弧连续汇聚。西伯利亚和塔里木克拉通拼合后,中国阿尔泰在三叠纪进入后造山阶段(Xiaoetal., 2009, 2015, 2018)。

1.2 将军山岩体地质特征

将军山岩体位于阿尔泰造山带中部琼库尔地体中,处于哈龙-青河复背斜带,乌恰-阿巴宫大断裂与富蕴-也留曼大断裂之间,区内主要构造走向为NW-SE(刘云龙, 2017)。围岩为泥盆系阿尔泰组黑云母-石英片岩和大理岩(张前锋等, 1994)。将军山岩体共识别出3种主要岩相:二云母碱长花岗岩、天河石花岗岩和天河石伟晶岩(任刚,2018及本次研究)。该岩体附近分布有5个辉长岩岩体,且辉长岩体均被天河石花岗岩脉和天河石伟晶岩脉切割。其中4个侵位于泥盆系黑云母-石英片岩中,另1个侵位于将军山岩体中部(图2)。

1.2.1 二云母碱长花岗岩

二云母碱长花岗岩是将军山岩体的主要部分,呈近圆形岩株状侵位于阿勒泰组黑云母-石英片岩中(图2),出露直径约3.5km。岩体组成矿物主要为石英、钾长石、钠长石、斜长石、黑云母、白云母及少量萤石、磷灰石等,中粒,等粒结构。岩体无变形变质,但NW向断裂较为发育,多为伟晶岩脉、石英脉和电气石脉所侵位(图3a-d)。前人地球化学研究认为该岩体为A型花岗岩(Liuetal., 2018)。

1.2.2 天河石花岗岩

天河石花岗岩呈不规则岩舌和岩脉状出露于二云母碱长花岗岩岩体的西侧、中部和西南侧(图2),中-细粒,主要由钠长石、石英、钾长石(天河石)和云母组成(图3j, k),局部具Nb、Ta、REE矿化,矿石矿物为铌铁矿和独居石,副矿物包括电气石、锆石、钍石和萤石等。

图2 新疆阿尔泰地区将军山岩体地质简图(据新疆地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2015)Fig.2 Simplified geologic map of the Jiangjunshan pluton in the Altai, Xinjiang (modified after SGB, XGMEDB, 2015)

1.2.3 天河石伟晶岩

1.2.4 各岩相间关系

二云母碱长花岗岩与辉长岩呈侵入接触关系(图3d),两种岩性接触面未见明显的交代蚀变,推测辉长岩略早于二云母花岗岩侵位。天河石花岗岩多沿辉长岩与二云母花岗岩、和片岩与二云母花岗岩的岩性界面侵位,以云母化和电气石化为特征。围岩为大理岩时,可见碳酸盐化和矽卡岩化,蚀变范围有限。天河石伟晶岩常与天河石花岗岩伴生出现,二者呈渐变接触关系(图3g),或呈较小的脉状侵入二云母花岗岩中(图3a, b, c),或呈较大的不规则脉状、豆荚状侵入片岩中(图3e)。

2 样品采集及分析方法

本次研究所用的6件天河石花岗岩和1件伟晶岩样品的采样位置如图2所示。其中,编号为JJS-22-G1和JJS-22-G2的2件样品采自位于岩体西南边的天河石花岗岩。出露的岩体呈灰白色,等粒结构,可见0.5cm左右的天河石均匀分布。编号为JJS-22-G15和JJS-22-G16的2件样品采自研究区南面的天河石花岗岩脉,脉体侵入阿勒泰组片岩中,长200～500m不等,宽2～4m,整体显示等粒花岗结构,含电气石,局部可见粗晶(2～3cm)天河石。编号为JJS-22-G17和JJS-22-G18的2件样品采自研究区西南角的天河石花岗样品露头,样品JJS-21-19采自附近的天河石伟晶岩。6件花岗岩样品均进行全岩主微量研究,此外,样品JJS-22-G1(47°47′28.77″N、88°9′34.92″E)用于年代学研究,同时与样品JJS-21-19进行矿物学对比研究。

图3 阿尔泰将军山天河石花岗岩和伟晶岩野外露头、手标本及镜下照片(a-c)天河石伟晶岩与二云母碱长花岗岩侵入接触关系;(d)二云母碱长花岗岩与辉长岩侵入接触关系;(e)天河石伟晶岩与黑云母-石英片岩的侵入接触关系;(f)花岗岩中的暗色包体;(g)天河石花岗岩与伟晶岩的渐变接触关系;(h)天河石伟晶岩露头;(i)含绿柱石的伟晶岩手标本;(j、k)天河石花岗岩显微镜正交偏光下的特征. Ab-钠长石;Brl-绿柱石;Mcc-微斜长石;Pl-斜长石;Qz-石英;Phg-多硅白云母Fig.3 Field outcrops, hand specimens and microscopic photos of amazonite granite and pegmatite from the Jiangjunshan pluton in the Altai(a-c) intrusive contact between amazonite pegmatite and two-mica alkali feldspar granite; (d) intrusive contact between two-mica alkali feldspar granite and gabbro; (e) intrusive contact between amazonite pegmatite and biotite-quartz schist; (f) dark enclaves in granite; (g) gradational contact between amazonite pegmatite and granite; (h) amazonite pegmatite outcrop; (i) pegmatite hand specimens containing beryl; (j, k) microscopic characteristics of amazonite granite under CPL. Ab-albite; Brl-beryl; Mcc-microcline; Pl-plagioclase; Qz-quartz; Phg-phengite

图4 将军山天河石花岗岩主量元素特征图(a)A/NK-A/CNK图解(Maniar and Piccoli, 1989);(b)(Na2O+K2O-CaO)-SiO2图解(Frost et al., 2001)Fig.4 Characteristics of major elements of amazonite granite in Jiangjunshan(a) A/NK vs. A/CNK diagram (Maniar and Piccoli, 1989); (b) Na2O+K2O-CaO vs. SiO2 diagram (Frost et al., 2001)

所有的分析测试均在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。全岩样品用玛瑙研钵研磨至200目以下,主量元素组成测试采用X-RARL Perform’ X 4200型X荧光光谱仪分析,全岩微量元素组成经化学消减后采用PlasmaQuant MS Elite型等离子体质谱仪进行分析。天河石和云母矿物的主要成分采用JEOL JXA-8230型电子探针进行分析,工作条件包括加速电压25kV,束流20nA,束斑10μm,元素峰值和背景时间计数分别为10s和5s。采用天然矿物和人工合成氧化物作为标样计算元素含量,所有结果均进行了ZAF校正。独居石U-Th-Pb定年采用激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)进行测试。激光剥蚀系统由ArF 193nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成,再配备Agilent 7900型ICP-MS质谱仪。本次分析的工作条件为激光束斑24μm和频率5Hz。U-Th-Pb同位素定年采用哈佛大学独居石117531标样(Tomascaketal., 1996)和标准物质NIST610玻璃作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正。每个数据的信号收集时间包括约20s空白信号和50s样品信号。样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算等数据处理采用软件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。独居石的U-Th-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。

3 分析结果

3.1 全岩地球化学特征

将军山岩体天河石花岗岩全岩地球化学组成结果显示(表1),花岗岩具有较高且一致的SiO2含量(74.93%～77.98%),全碱含量K2O+Na2O(8.71%～9.73%)也较高,K2O/Na2O值为1.01～1.56,表明岩石具有高硅、富碱、相对富K的特征。Al2O3的含量较高(11.50%～14.09%),铝饱和指数A/CNK[=Al2O3/(CaO+K2O+Na2O)mol]介于0.99～1.14之间,在A/NK-A/CNK判别图解(图4a)中,样品投点集中在过铝质岩石区域。天河石花岗岩具有较低的MgO(0.01%～0.02%)、CaO(0.02%～0.04%)、FeOT(0.65%～0.91%)和P2O5(0～0.014%)含量。里特曼指数(σ)均值为2.54,小于3.30。在(Na2O+K2O-CaO)-SiO2图解(图4b)中,主要落入碱钙性花岗岩范围。天河石花岗岩的分异指数DI非常高,变化于96.87～98.12。

天河石花岗岩样品的稀土元素总量较高,∑REE为103.1×10-6～213.3×10-6,表现为轻稀土亏损(LREE=39.60×10-6～96.99×10-6),重稀土富集(HREE=37.80×10-6～116.5×10-6),(La/Yb)N值介于0.10～0.76间(表1)。在球粒陨石标准化REE配分图中(图5a),稀土配分样式相近,呈现出“海鸥型”(M型)的“四分组效应”,TE1, 3值为1.11～1.42。δEu值非常低,普遍≤0.01,在球粒陨石标准化曲线中表现为强烈的Eu负异常,δCe为0.92～1.59,总体呈现弱的Ce正异常。

天河石花岗岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(图5b)显示,全岩富集Rb(768×10-6～823×10-6)、Nb(13.5×10-6～25.8×10-6)、Th、U和Hf,强烈亏损大离子亲石元素(LILE)Ba、Sr和高场强元素(HSFE)P、Ti。全岩K/Rb值介于47.3～59.7,Nb/Ta值介于2.24～3.28,Zr/Hf值介于7.20～7.55,均远低于球粒陨石比值17.5和36。

3.2 独居石U-Pb定年和Nd同位素特征

样品JJS-22-G1中独居石粒径大于100μm,因碎样过细而破碎呈他形。在BSE图上显示出较为均匀的成像特征,少数颗粒发育微裂隙和含有石英矿物包体(图6a)。20个定年的独居石颗粒具有非常高的Th(60085-6～95097×10-6)、较低的U(1482×10-6～3192×10-6)和相对高的Pb(723×10-6～1194×10-6)含量。207Pb/235U、206Pb/238U与208Pb/232Th三组比值分别为0.49327～0.86667、0.04447～0.04615和0.01321～0.01413,对应的年龄值分别为413～634Ma、282～291Ma和265～284Ma(表2);206Pb/238U和207Pb/235U两组年龄谐和度仅为25%～63%,而206Pb/238U与208Pb/232Th二者的谐和度达到91%～99%,由此认为206Pb/238U与208Pb/232Th两组年龄最为可靠(详见下文),20个测试点集中在280Ma附近(图6b)。将208Pb/232Th年龄加权平均得到276.9±2.7Ma的年龄(MSWD=0.51,图6c)。

续表1

图5 将军山天河石花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of Jiangjunshan amazonite granite (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

图6 将军山天河石花岗岩独居石BSE成像特征(a)、LA-ICP-MS U-Th-Pb定年谐和图(b)和208Pb/232Th加权平均年龄图(c)图a中的数字代表点号和208Pb/232Th年龄值Fig.6 BSE imaging feature (a), LA-ICP-MS U-Pb concordant diagram (b) and 208Pb/232Th weighted average age diagram (c) for monazite from amazonite granite in JiangjunshanThe numbers represent the point number and 208Pb/232Th age value in Fig.6a

表2 将军山天河石花岗岩中独居石U-Th-Pb同位素结果

表3 将军山天河石花岗岩中独居石Sm-Nd同位素组成

10个定年独居石的Nd同位素组成显示(表3),独居石具有相对均一的147Sm/144Nd(0.166431～0.181111)和143Nd/144Nd(0.512796～0.512898)比值,根据对应的独居石U-Th-Pb年龄计算出εNd(t)值介于+4.15～+6.04,二阶段模式年龄(tDM2)介于548～708Ma。在εNd(t)值与年龄相关图上,样品分布于亏损地幔与大陆下地壳演化线之间且相对靠近前者(图7a)。根据换算公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95(Vervoortetal., 1999),计算得到对应的εHf(t)值为+8.59～+11.17,εHf(t)值与年龄的关系与Nd同位素类似,但更加靠近亏损地幔演化线一侧(图7b)。

3.3 将军山天河石花岗岩和伟晶岩钾长石、云母的主要成分

将军山天河石花岗岩和伟晶岩中钾长石(天河石)的主量元素组成见表4。其中,花岗岩钾长石SiO2(64.01%～65.57%)、Al2O3(18.06%～18.81%)和K2O(15.40%～16.10%)含量变化不大,Na2O (0.159%～0.653%)和Rb2O(0.027%～0.172%)的含量较低且变化较大;其K/Rb比值大部分小于150(80～148);伟晶岩中天河石的SiO2、Al2O3、K2O和Na2O含量与花岗岩相近,Rb2O的含量明显增加,为0.268%～0.335%,其K/Rb也大大减小,为41～52。从花岗岩到伟晶岩,钾长石的Rb的含量升高,K/Rb比值显著降低(如图8)。

图7 阿尔泰将军山天河石花岗岩独居石的Nd(a)和Hf(b)同位素特征图εHf(t)值根据公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95(Vervoort et al., 1999)计算得到. DM为亏损地幔,CHUR为球粒陨石均一储库,LCC为下地壳. b图中的二云母碱长花岗岩数据引自Liu et al. (2018)Fig.7 Nd (a) and Hf (b) isotopic compositions of monazite in amazonite granite in Jiangjunshan, AltaiThe εHf(t) value is calculated according to the formula εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95 (Vervoort et al., 1999). DM-depleted mantle, CHUR-chondrite uniform reservoir, LCC-lower continental crust. The two-mica alkali feldspar granite data in Fig.7b from Liu et al. (2018)

表4 将军山天河石花岗岩和伟晶岩中钾长石的主量元素成分(wt%)

续表4

图8 将军山天河石花岗岩和伟晶岩钾长石K/Rb-Rb2O图解可可托海3号脉Ⅰ-Ⅲ带脉数据引自周起凤(2013),巴西Serra Branca天河石伟晶岩数据引自Lira Santos et al. (2020)Fig.8 K/Rb vs. Rb2O diagram of K-feldspar from Jiangjunshan amazonite granite and pegmatiteThe data of No.3 Keketuohai vein Ⅰ-Ⅲ from Zhou (2013), and the data of Serra Branca amazonite pegmatite in Brazil from Lira Santos et al. (2020)

将军山天河石花岗岩和伟晶岩云母的主量元素组成见表5。花岗岩中云母的SiO2(47.13%～48.38%)、Al2O3(27.00%～29.83%)、K2O(11.63%～12.15%)、FeOT(4.75%～6.79%)和Li2O(0.47%～0.77%)的含量变化不大,随岩浆的结晶分异,Al2O3、FeOT、Rb2O(0.152%～0.431%)和Li2O的含量与SiO2未见明显的相关性(图9),F(1.76%～2.58%)、MnO(0.583%～0.801%)、Na2O(0.145%～0.346%)、TiO2(<0.1)和MgO(普遍低于检测限)的含量普遍较低。相较而言,伟晶岩中云母具有变化较大且较低的SiO2(45.55%～48.64%)、Al2O3(25.28%～30.53%)(图9a)和Na2O(0.096%～0.223%),相对高的FeOT(4.13%～10.90%)、Li2O(0.41%～0.89%)、Rb2O(0.294%～0.856%)(图9b-d)和MnO(0.722%～1.344%),K2O和F(1.56%～3.11%)的含量与花岗岩近似。随着云母中SiO2含量的增加,Al含量有上升趋势,Fe、Rb和Li的含量表现出下降趋势(图9)。

天河石花岗岩和伟晶岩中云母都显示较高的Si、Fe和较低的Al含量,在分类图解中主要落入多硅白云母范畴,少量为含锂多硅白云母(图10)。从花岗岩到伟晶岩,云母的K/Rb比值降低,两种岩石云母中的F和Rb含量均显示正相关关系(图11)。

前人研究表明云母、钾长石的Li、Rb、Cs、F等元素含量及K/Rb值的变化可以反映花岗伟晶岩分异演化程度及趋势,随着分异程度的增加以及Li、Rb、Cs等稀有金属元素的富集,云母和钾长石中的Rb、Cs等通过置换K而富集,导致矿物的K/Rb值逐渐减低(London, 2008; 周起凤, 2013)。与世界其他高分异演化的富Rb伟晶岩矿床及天河石伟晶岩脉对比(如图8),如中国可可托海3号脉Ⅰ-Ⅲ带、巴西帕拉伊巴省Serra Branca天河石伟晶岩,3号脉是由外向内结晶的高分异演化程度的伟晶岩脉(周起凤, 2013),将军山天河石伟晶岩K/Rb-Rb关系的投图区间与3号脉Ⅰ-Ⅲ带相当,说明其分异演化程度较高。巴西Serra Branca天河石伟晶岩是一条典型的NYF型伟晶岩脉体且具有较强的Rb矿化(Lira Santosetal., 2020),从图8可以看出其分异演化程度远远高于将军山天河石花岗岩和伟晶岩。综上,将军山天河石花岗岩和伟晶岩经历了一定程度的分异演化,但相比其他高分异岩(脉)体,如可可托海3号伟晶岩和巴西Serra Branca天河石伟晶岩,仍具有一定的差距。

图9 将军山天河石花岗岩和伟晶岩中云母主量元素氧化物与SiO2的二元图Fig.9 Bivariate plots of major element oxides versus SiO2 of the amazonite granite and pegmatite in Jiangjunshan

表5 将军山天河石花岗岩和伟晶岩中云母的主量元素成分(wt%)

续表5

续表5

图10 将军山天河石花岗岩和伟晶岩云母矿物分类判别图(底图据Tischendorf et al., 1997)Fig.10 Classification and discrimination diagram of micas in amazonite granite and pegmatite in Jiangjunshan (base map after Tischendorf et al., 1997)

4 讨论

4.1 将军山天河石花岗岩的成岩年龄

独居石普遍存在于花岗岩中,其化学和同位素组成在岩浆演化过程中通常较为稳定,不易遭受后期流体改造。独居石通常含有百分含量水平的232Th,因此能够积累相对较高的208Pb,因此,有理由将208Pb/232Th年龄作为独居石结晶年龄的最佳参考(Cottleetal., 2015)。本次研究得到的20个独居石的三组年龄数据整体显示207Pb/235U>206Pb/238U≈208Pb/232Th的特征,推测207Pb/235U年龄受到了岩浆中初始普通Pb的影响。产出天河石的源区可能富含硫化物(如方铅矿PbS),Pb通过替换K而进入天河石晶格,是导致天河石呈(蓝)绿的主要原因(Hofmeister and Rossman, 1985)。因此源区中较高的普通Pb对含量较低的子体207Pb影响较大,造成207Pb/235U年龄显著偏大。庆幸的是,206Pb/238U和208Pb/232Th两组年龄的谐和度较高,为91%～99%(表2),说明两组年龄数据比较可靠。此外,本次研究用于U-Pb定年的独居石在BSE图像上显示较为均一的组分,除少数颗粒发育微裂隙和石英矿物包体外,并未显示出遭受后期改造的特征。这些独居石具有很高的Th含量(60085-6～95097×10-6,表2),明显区别于热液独居石中较低的Th含量(<10000×10-6, Schandl and Gorton, 2004)。另外,本次定年的独居石与天河石、石英和铌铁矿共生,铌铁矿U-Pb年龄为275.1Ma(未发表数据),与独居石U-Pb年龄一致。先前研究对将军山二云母碱长花岗岩和天河石花岗岩中岩浆和热液叠加的岩浆锆石进行U-Pb定年,结果显示年龄分别为272.7±1.4Ma和272.5±1.7Ma(Baietal., 2023),该年龄与本次独居石定年结果在误差范围内一致。因此,笔者认为独居石的208Pb/232Th加权平均年龄276.9±2.7Ma代表了天河石花岗岩的形成年龄,将军山岩体形成于早二叠世,并非前人认为的燕山期(任刚, 2018)。

图11 将军山天河石花岗岩和伟晶岩云母Rb2O-K/Rb(a)图解和Rb2O-F图解(b)图b中灰色的2个数据点未参与线性相关系数R2的计算Fig.11 Rb2O vs. K/Rb (a) and Rb2O vs. F (b) diagrams of mica in granite amazonite granite and pegmatite in JiangjunshanTwo gray data in Fig.11b were excluded from calculation of linearly dependent coefficient R2

图12 将军山天河石花岗岩的岩石类型判别图解(a)Nb-10000Ga/Al图解;(b)(K2O+Na2O)-10000Ga/Al图解;(c)Zn-10000Ga/Al图解;(d)FeOT/MgO-(Zr+Nb+Ce+Y)图解(Whalen et al., 1987). I、S和A代表I-、S-和A-型花岗岩;FG为分离长英质花岗岩;OGT为造山后I/S型花岗岩Fig.12 Diagrams of rock type discrimination for the amazonite granite in Jiangjunshan(a) diagram of Nb vs. 10000Ga/Al; (b) diagram of (K2O+Na2O) vs. 10000Ga/Al; (c) diagram of Zn vs. 10000Ga/Al; (d) diagram of FeOT/MgO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) (Whalen et al., 1987). I, S and A, represent I-, S- and A-type granites; FG is separated felsic granite; OGT is a post-orogenic I/S-type granite

4.2 将军山地区天河石花岗岩的岩石成因

阿尔泰二叠纪花岗岩整体呈线性集中分布于琼库尔和南阿尔泰地体中。岩体规模普遍较小,呈岩株、岩墙和岩脉,以I型、I-A过渡型和A型为主,少量S型,形成时代集中于早二叠世(267～283Ma; 周刚等, 2007; Tongetal., 2014; Liuetal., 2018)。将军山天河石花岗岩形成年龄为276.9±2.7Ma,与上述花岗岩的形成时代一致。从岩石地球化学特征上来看,将军山天河石花岗岩是目前阿尔泰发现的分异演化程度最高的二叠纪岩体。表现在该岩体具过铝质(图4a)和碱钙性岩石特征(图4b)。此外,天河石花岗岩的REE配分模式显示出强烈的Eu负异常和四分组效应(图5a)。在蛛网图中,所有样品均显示Ba、Sr、P和Ti的负异常(图5b)。在花岗岩判别图解(图12)中,所有的天河石花岗岩样品均落在A型区域中,呈现高碱、高Fe和富Nb的特征。由此表明将军山天河石花岗岩为典型的A型花岗岩,并且经过了高度的分异演化。

将军山天河石花岗岩附近发育同时代的二云母碱长花岗岩(268.3±1.9Ma,Liuetal., 2018)和辉长岩体(280Ma,Zhangetal., 2014)(图2),但同位素组成显示,碱长花岗岩具有相对富集的Hf同位素组成,εHf(t)值介于-6.0～+5.3(Liuetal., 2018)。将军山天河石花岗岩中独居石εNd(t)为+4.15～+6.05,二阶段模式年龄tDM2为548～708Ma(表3),显示亏损的同位素特征。其对应的εHf(t)值为+8.59～+11.17(表3),显著不同与二云母碱长花岗岩(图7b),表明二者之间不存在演化成因关系。而辉长岩的全岩Nd同位素和锆石Hf同位素研究显示,该岩体具有亏损的同位素特征,其εNd(t)和εHf(t)值分别为+4.15～+5.52和+3.6～+7.9(Zhangetal., 2014),与天河石花岗岩的同位素组成较为接近,指示二者有相似的物质来源。天河石花岗岩与辉长岩显示出时空耦合性,是典型的酸性-基性双峰式火成岩组合。这种岩石组合通常指示拉张背景。已有研究表明,新疆阿尔泰在二叠纪初期与准噶尔弧发生碰撞拼贴,此后又经历了俯冲板片断离和后撤形成的拉张背景,以及一系列的基性岩浆底侵、麻粒岩相高温变质以及额尔齐斯走滑拉张等构造-岩浆-变质作用(Xiaoetal., 2009, 2018; Wanetal., 2013; Lietal., 2014; Caietal., 2016; Jiangetal., 2019)。将军山天河石花岗岩是在拉张背景下,基性岩浆底侵导致下地壳物质部分熔融,并发生了物质混染。此后在向上侵位到上地壳过程中,经历了高度的分异演化而形成。

4.3 将军山天河石花岗岩和伟晶岩的Rb富集机制和成矿潜力

花岗岩和伟晶岩中的Rb主要在天河石和多硅白云母中富集,而非前人认为的白云母(任刚, 2018)和铁锂云母(Baietal., 2023)。从花岗岩到伟晶岩,天河石和多硅白云母均显示出Rb逐步富集的特征(图8、图11a),表明Rb在伟晶岩中进一步得到富集。伟晶岩多硅白云母中Rb与F含量显示正相关关系(图11b),指示岩浆演化晚期更加有利于Rb的富集。这也是Rb在铯沸石和锂云母矿物中高度富集的原因。

与可可托海3号伟晶岩(Ⅰ-Ⅲ带最富钾长石)中的钾长石(周起凤, 2013),以及Serra Branca地区NYF伟晶岩中的巨晶天河石(Lira Santosetal., 2020)进行对比,不难看出,将军山花岗岩天河石中的Rb富集程度明显低于前两者,只有伟晶岩阶段的天河石Rb富集程度较高,达到了与3号脉早期结构带(Ⅰ-Ⅲ带)一致的水平,但仍远低于Serra Branca伟晶岩天河石(图8)。此外,将军山天河石花岗岩的Rb2O品位(0.084%～0.090%)虽然达到我国铷矿的边界品位(0.06%),但低于工业品位(0.2%),从而制约了开采价值。据统计,全球近1/2的天河石花岗岩分布于中亚造山带中(Ostrooumov, 2016),然而这些岩体整体显示储量大但品位低的特点(吴昌志等, 2021)。众所周知,中亚造山带是全球最大的显生宙增生型造山带。Nd-Hf同位素填图研究显示,该造山带以显著的地壳垂向生长为特征,新生地壳的占比高达58%(Wangetal., 2023),这意味着大量的幔源物质参与了地壳生长。将军山天河石花岗岩的同位素显示了幔源物质的贡献,其虽然经历了高度的分异演化,但源区的局限性限制了其中Rb的高度富集。众所周知,Rb在地壳和地幔中的丰度分别为49×10-6和0.458×10-6(Anderson, 1983; Rudnick and Gao, 2003),前者远高于后者。此外,Rb在表生沉积物中尤为富集,如页岩和深海沉积物中含量分别高达140×10-6和100×10-6(Turekian and Wedepohl, 1961),如果花岗质岩浆源于这些沉积物,其中的Rb在源区上已经得到富集(高于Rb的地壳丰度)。经过较高程度的分异结晶之后,其中的Rb很大概率会富集成矿。如果岩浆源于地幔源或遭受幔源岩浆混染,如玄武岩岩浆(Rb含量38×10-6),相较前者,Rb在源区以及相同结晶分异程度条件下岩浆中的富集程度都会显著降低。

新疆阿尔泰作为我国最大的伟晶岩省,分布有十万余条伟晶岩脉并形成了数十个中至超大型的稀有金属矿床(邹天人和李庆昌, 2006)。然而,目前作为Rb矿开采的伟晶岩几乎没有。一方面,前人重点关注锂铍等稀有金属资源而忽略了Rb等伴生资源,另一方面,对阿尔泰数量巨大的伟晶岩,目前研究程度仍然不高。未来对该地区Rb资源的勘查不必局限于天河石花岗岩,而应对高分异的LCT伟晶岩(类似可可托海3号脉和库卡拉盖650号脉)中的钾长石、白云母和锂云母等矿物给予关注。

5 结论

(1)新疆阿尔泰将军山天河石花岗岩是高分异的A型花岗岩,其成岩年龄为276.9±2.7Ma,形成于早二叠世。其Nd同位素组成(εNd(t)为+4.15～+6.05,tDM2为548～708Ma)显示亏损的源区特征,指示花岗岩源区为新生地壳或有幔源物质的加入。

(2)天河石花岗岩与周边的天河石伟晶岩具有空间、时间和成分上的联系,表明二者具有分异演化上的成因关系。将军山天河石伟晶岩属于NYF型。

(3)天河石花岗岩及周边伟晶岩以富集Rb为特征,矿石矿物主要为天河石和多硅白云母。从花岗岩到伟晶岩,天河石和云母中的Rb含量逐步富集。高度的分异演化是天河石花岗岩Rb富集的主要机制。

致谢感谢矿床地球化学国家重点实验室的唐燕文、郑文琴、杨淑琴、胡静和李响老师在实验过程中给予的指导和帮助!两位匿名审稿人提出了细致且极具建设性的修改意见,笔者在此表示衷心感谢!