塔里木大火成岩省碱性岩浆活动与稀有金属成矿作用.pdf
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1、地幔柱活动导致大火成岩省的形成,并伴随大规模岩浆作用和成矿事件。碱性岩型稀有金属矿床是地幔柱成矿作用中非常重要的一类,但目前对该类矿床形成过程中稀有金属元素超常富集机制仍缺少系统性研究。本文搜集了塔里木大火成岩省两大构造域(塔里木克拉通及边缘地区和中亚造山带)碱性岩浆岩的年代学和岩石地球化学数据,分析其岩浆活动和成矿作用的基本特点,探讨地幔柱与不同类型大陆岩石圈相互作用导致稀有金属元素富集的差异性。塔里木克拉通及边缘地区碱性岩浆岩主要为碱性正长岩花岗岩和碳酸岩,形成于 291268 Ma,峰期年龄为278 Ma,主要属于塔里木大火成岩省最晚阶段的岩浆活动;其中碱性正长岩花岗岩富碱、Th、REE
2、、Nb、Zr,高 Ga/Al、Nb/Ta 值,多数显示典型 A1 型花岗岩的地球化学特征。中亚造山带碱性岩浆岩为碱性正长岩花岗岩,形成于 325255 Ma,大部分与塔里木大火成岩省岩浆活动时代一致,其碱、Th、REE、Nb、Zr 含量和 Ga/Al、Nb/Ta 值明显低于塔里木克拉通及边缘地区的碱性正长岩花岗岩,并且多数显示典型 A2 型花岗岩的地球化学特征。塔里木克拉通及边缘地区的碱性正长岩花岗岩和碳酸岩赋存 Nb-Zr-REE 矿床,而中亚造山带的碱性正长岩花岗岩则赋存 Li-Be-Ta-Nb-W-Sn-Mo 矿床。地幔柱和再循环洋壳物质加入地幔源区导致塔里木克拉通及边缘地区的碱性岩浆岩
3、富集 Nb、Zr、REE;中亚造山带碱性岩浆岩的源区因近期俯冲交代影响的岩石圈地幔和新生地壳物质的参与而显著富集 Li、Be、W、Sn、Mo 等流体活动元素。塔里木克拉通及边缘地区碱性正长岩花岗岩贫硅、钠质、过碱性的特征有利于熔体中 Nb、Zr、REE 的富集;而中亚造山带碱性正长岩花岗岩富硅、钾质、过铝质的特征有利于 Ta、Li、W、Sn 的富集。塔里木克拉通和中亚造山带具有不同的地幔柱岩石圈相互作用,其碱性岩浆岩的岩浆源区不同,并经历了不同的岩浆演化过程,导致塔里木大火成岩省两大构造域具有不同的稀有金属成矿作用。关键词:碱性岩浆岩;稀有金属成矿;地幔柱岩石圈相互作用;塔里木大火成岩省;中亚
4、造山带 中图分类号:P588.1;P617 文献标志码:A 文章编号:1001-1552(2023)03-0631-030 632 第 47 卷 0 引 言 稀有金属元素在地壳中的丰度很低(通常低于100 g/g),包括稀有轻金属元素(如 Li、Be、Rb)、难熔稀有金属元素(V、Ti、Nb、Zr、Ta 等)、放射性稀有金属元素(如 Th、U 等)、稀土金属元素(如 La、Ce、Nd)、稀有分散金属元素(如 Ga、Ge)和稀有贵金属元素(如 Pt、Ir、Os 等)6 大类。稀有金属广泛应用于新材料、新能源、新一代信息技术、高端装备制造等全球战略性新兴产业(Gulley et al.,2018;
5、翟明国等,2019;王登红等,2019),是十分重要的全球战略性新兴矿产资源。中国是目前全球稀土、钨、锂、铌、锆、钴等稀有金属第一消费国。虽然我国稀土、钨和锂等矿产资源储量排在世界前列,但铌、锆和钴等现有储量在全球的占比很低,属短缺矿产资源(U.S.Geological Survey,2021)。根据我国铌、锆资源禀赋,亟需加大地质勘查研究的力度(王汝成等,2020)。地幔柱活动将大规模的物质从地球深部带到地表,形成大火成岩省,常伴随大量成矿金属元素超常富集。Nb-Zr-REE 矿床发育就与地幔柱中的碳酸岩和碱性长英质岩浆岩相关(徐义刚等,2013),如巴西两个超大型碳酸岩型铌矿床(Arax
6、和 Catalo)位于 Alto Paranaiba 大火成岩省内(Hutchison et al.,2019);加拿大大奴湖附近的 Nechalacho霞石正长岩中赋存了世界级的 Nb-Zr-REE 矿床(Mller et al.,2016),该岩体是 SW Slave 大火成岩省一部分(Bleeker and Hall,2007;Buchan et al.,2010;Mller et al.,2016);俄罗斯科拉半岛与地幔柱活动相关的Lovozero 和 Khibina 碱性杂岩中出现了超大型稀有金属矿床(Kogarko et al.,2010);攀西地区也存在大量与峨眉山大火成岩省碱性
7、正长岩花岗岩相关的Nb-Zr-REE 矿床(贺金良,2004)。然而,目前对这些大火成岩省碱性岩石中稀有金属元素富集机制并不清楚,稀有金属矿床的形成主要受控于特殊的岩浆演化过程,还是与岩浆源区相关仍有待进一步研究(徐义刚等,2013;Wang et al.,2015;Hutchison et al.,2019;Vasyukova and Williams-Jones,2020)。塔里木盆地及其边缘分布大量晚石炭世早二叠世板内岩浆岩,其中塔里木盆地早二叠世玄武岩分布面积约 25104 km2(图 1),体积约 15104 km3,规模与峨眉山大火成岩省玄武岩相当(Yang et al.,2013
8、;Xu et al.,2014)。因此,塔里木早二叠世板内岩浆岩亦构成了一个大火成岩省,即塔里木大火成岩省(Tarim large igneous province;TLIP),其形成与地幔柱有关(Tian et al.,2010;Yang et al.,2013;Xu et al.,2014)。塔里木克拉通北缘二叠纪碱性岩浆岩内赋存大量的稀有金属矿床,例如与碳酸岩相关的REE-Nb 矿床(Cheng et al.,2017;Xie et al.,2022)和与碱性正长质花岗质岩石相关的 Nb-Zr-REE 矿床等(邹天人等,2002;Liu et al.,2013a;刘春花等,2014;Xi
9、e et al.,2022),因此这些岩石是探讨大火成岩省碱性岩浆岩中稀有金属元素富集成矿机制的极佳研究对象。另外,越来越多研究显示,塔里木地幔柱影响范围还波及至新疆北部中亚造山带的天山、准噶尔和阿尔泰等地区,在这些地区均发现了广泛分布的晚石炭世末期早二叠世岩浆活动记录(图 1),它们显示出地幔柱活动特征的岩石学和矿床学特征(Zhang et al.,2010a,2014a;Qin et al.,2011;Liu et al.,2013b;Zhang and Zou,2013;Su et al.,2015;He et al.,2016),如北疆地区多种稀有金属(Li、Be、Nb、Ta、W、Mo
10、、REE、U 和 Sb 等)和关键金属(Cu、Au、Sn等)矿床资源可能与区内晚石炭世二叠纪 A 型花岗岩直接或者间接相关(Konopelko et al.,2007,2009;李月臣等,2007;唐功建等,2008;唐红峰等,2007;杨高学等,2010;Solomovich et al.,2012;李野,2012;李卫东,2013;陈博等,2017;陈言飞等,2018;杨富全等,2018,2019;冯汉清等,2019;李强等,2019;朱艺婷等,2019;包长甲等,2021)。由于造山带与克拉通及边缘地区岩石圈组成、结构及其热状态明显不同,地幔柱活动时将产生不同的岩浆作用和资源效应。因此,
11、对塔里木大火成岩省不同构造域的稀有金属矿床及相关岩浆活动进行对比研究,将为丰富地幔柱成矿理论提供重要信息。本文系统收集了近年来有关塔里木大火成岩省(包括塔里木克拉通及边缘地区,以及天山、准噶尔和阿尔泰等中亚造山带地区)晚石炭世二叠纪碱性岩浆岩(碱性正长岩A 型花岗岩与少量碳酸岩)年代学及岩石地球化学资料,结合这些地区同期的矿床及矿化分布资料,综合分析碱性岩浆岩的岩浆活动及其相关稀有金属矿床的基本特征,并从源区、岩浆演化及热液作用等方面探讨塔里木大火成岩省碱性岩浆岩的稀有金属元素富集过程,从而较为系统地认识地幔柱大陆岩石圈相互作用的稀有金属资源效应。第 3 期 朱圣柱等:塔里木大火成岩省碱性岩浆
12、活动与稀有金属成矿作用 633 塔里木克拉通和中亚造山带晚石炭世二叠纪碱性岩浆岩年龄数据见表 1。底图据 Zhang et al.(2010a)。主要深大断裂:.额尔齐斯断裂;.乌伦古断裂;.达尔布特断裂;.卡拉麦里断裂;.北天山缝合带;.北那拉提缝合带;.中南天山缝合带;.塔里木北缘断裂带(乌恰乌什库尔勒断裂)。图 1 塔里木克拉通和中亚造山带晚石炭世二叠纪碱性岩浆岩分布图 Fig.1 Distribution of the Late Carboniferous-Permian alkaline igneous rocks in the Tarim Craton and the Centra
13、l Asian Orogenic Belt 1 塔里木大火成岩省碱性岩浆活动的时空分布特征 塔里木克拉通及边缘与塔里木地幔柱相关的岩浆活动可分为三期:第一期为300 Ma,以塔里木盆地西南部巴楚瓦吉里塔格地区的金伯利岩筒为代表;第二期为290 Ma,以广泛分布于塔里木盆地的溢流玄武岩为代表;第三期为280 Ma,以分布于塔里木盆地西南部的巴楚皮羌地区的辉绿岩墙、碱性岩、镁铁质超镁铁质杂岩体等为代表(Xu et al.,2014)。结合新疆北部中亚造山带的岩浆岩分布情况,表明塔里木大火成岩省的岩浆活动时间应从晚石炭世末期持续到了早二叠世末期(主要年龄范围为300268 Ma)。塔里木克拉通北缘早
14、二叠世碱性岩主要包括碳酸岩、霞石岩、碱性辉长辉石岩、双峰式岩墙群、碱性正长岩花岗岩(A1型)和碱性流纹岩(凝灰岩)等(Zhang et al.,2008,2010a,2010b;Zhou et al.,2009;Huang et al.,2012,2014,2018;Liu et al.,2013a,2013b;Xu et al.,2014;Cheng et al.,2015,2017;Zou et al.,2015;Su et al.,2019;Wei et al.,2019;Yu,2020;Zhu et al.,2021),主要分布在塔里木大火成岩省西部(图 1),集中于巴楚、皮羌和拜城等
15、地区(Xu et al.,2014),明显受深大断裂及其次级断裂的控制。其中碱性正长岩花岗岩通常以侵入杂岩体、岩脉等形式产出,巴楚地区碱性长英质岩石主要为正长岩类(位荀和徐义刚,2011;Zou et al.,2015;Yu,2020),而皮羌和拜城北则以花岗岩为主(刘春花等,2012;Huang 634 第 47 卷 et al.,2012,2014,2018;Su et al.,2019;肖昱等,2021)。塔里木克拉通北缘碱性正长岩花岗岩主要年龄范围为 291268 Ma,峰期年龄为278 Ma(图 2),与塔里木大火成岩省晚期岩浆活动时间基本一致(Xu et al.,2014);其 S
16、iO2含量变化很大,总体上显示富碱、Th、U、REE、Nb、Zr 和贫 CaO、MgO、TiO2的地球化学特征(图 3、4),具有较高的锆饱和温度及高Ga/Al与 FeOT/(FeOT+MgO)值,属于 A型花岗岩,且绝大多数为 A1 型花岗岩,仅巴雷公、黑英山、额尔宾山和托木尔峰等少数几个岩体为 A2 型花岗岩(图 1、5)。塔里木克拉通北缘碱性正长岩花岗岩Nd 同位素组成与同期的镁铁超镁铁质岩基本一致,明显不同于塔里木克拉通北缘的基底组成(图 6),表明其与同期幔源岩浆具有密切的成因联系。北疆的天山、准噶尔和阿尔泰地区晚石炭世二叠纪碱性正长岩A 型花岗质岩石的年龄范围较宽(325255 M
17、a)。其中,天山和阿尔泰地区绝大部分A 型花岗质岩石形成年龄落入塔里木大火成岩省主要年龄范围内;而准噶尔地区 A 型花岗质岩石的峰期年龄为晚石炭世末期(301 Ma),大部分形成年龄早于塔里木大火成岩省的主要年龄(图 2)。另外,阿尔泰地区还广泛发育碱性伟晶岩,其大部分形成年龄1%;80300 m)。Nb 在钛铁矿和榍石中的相容性明显低于 Ta(钛铁矿:DNb=1.9;DTa=2.7;榍石:DNb=2.97;DTa=25.1;Green and Pearson,1987;Prowatke and Klemme,2005;Klemme et al.,2006;Stepanov and Herma
18、nn,2013;Stepanov et al.,2014)。上述贫硅矿物和大量贫 Nb、Ta 硅酸盐矿物在过碱性岩浆中分离结晶将造成熔体富集 Nb,并导致残余熔体具有高 Nb/Ta 值(Stepanov et al.,2014)。因此,钛铁矿和榍石的分离结晶也可能是导致塔里木克拉通及其边缘早二叠世碱性岩 Nb 相对 Ta 富集和高 Nb/Ta 值(6170,平均值 20)的重要原因之一。同时,在过碱性岩浆中,轻稀土元素在单斜辉石中具有强不相容性(DLa0.03;Adam and Green,2006;Baudouin et al.,2020)。单斜辉石的分离结晶将导致演化的残余熔体富集轻稀土元
19、素,有利于轻稀土矿床的形成(Baudouin et al.,2020)。塔里木克拉通及边缘地区的碱性正长岩花岗岩具有极低CaO/Al2O3值(0.0040.32;余星,2009;位荀和徐义刚,2011;Zhang and Zou,2013;Huang et al.,2014,2018;Zou et al.,2015;Ma et al.,2016;杨林春等,2016;邹思远,2016),表明岩浆演化过程中经历了大量单斜辉石的分离结晶,从而导致其轻稀土元素明显富集(La=44625 g/g;余星,2009;位荀和徐义刚,2011;Zhang and Zou,2013;Huang et al.,20
20、14,2018;Zou et al.,2015;Ma et al.,2016;杨林春等,2016;邹思远,2016)。因此,塔里木克拉通及边缘地区早二叠世过碱性钠质岩浆演化过程导致了 Nb、Zr、REE的强烈富集,对 Nb-Zr-REE 矿床的形成具有重要控制作用。第 3 期 朱圣柱等:塔里木大火成岩省碱性岩浆活动与稀有金属成矿作用 649 中亚造山带晚石炭世早二叠世正长岩花岗岩主要为准铝质过铝质,具有高硅、富钾的特征(图 3),并常伴生 Li、Be、Ta、Nb、W、Sn、Mo 等矿床,如阿尔泰二叠纪伟晶岩型 Li-Be-Ta-Nb 矿床、巴斯铁列克钨多金属矿床和贝勒库都克锡矿床等。中亚造山带
21、碱性花岗岩(伟晶岩)普遍富 SiO2(图 3),并含有锂辉石和(叶)钠长石等矿物(黄永胜等,2016;杨富全等,2018;张辉等,2019),表明岩浆经历了很高程度的演化。Li、Be、Ta、Nb、W、Sn 等稀有金属元素在熔体高程度演化过程中表现出强不相容性,并会发生强烈富集。中亚造山带碱性花岗岩(伟晶岩)普遍富铝,具有低 Nb/Ta 值(243,平均值 12;图 4)。世界范围内,主要的大型超大型 Ta-W-Sn 矿床也赋存在富铝的碱性花岗(伟晶)岩体中(陈骏等,2014;李建康等,2019;蒋少涌等,2020;王汝成等,2020)。实际上,过铝质熔体有利于 W、Ta 等元素的富集。首先,W
22、 在硅酸质熔体中以四次配位 W6+的形式存在,其离子半径与 Al3+十分相近,W6+可替换 Al3+进入熔体,从而使得过铝质熔体富集 W。因此,赋存钨多金属矿床的岩体多为经过高程度结晶分异演化的过铝质花岗岩(Raimbault et al.,1995;Lenharo et al.,2003)。其次,Ta 在过铝质碱性岩中主要赋存在钽锰矿与钽铁矿等矿物中。在过铝质熔体演化过程中,钽铁矿的溶解度高于铌铁矿(Linnen and Keppler,1997),使 Ta 在过铝质熔体中强烈富集(Chevychelov et al.,2010)。此外,Nb 在云母等富 Al 矿物中分配系数明显高于 Ta
23、的分配系数(DNb=3.5;DTa=0.4;Nash and Crecraft,1985;Stepanov and Hermann,2013;Stepanov et al.,2014),因此,在过铝质熔体的演化过程中,因云母等富铝矿物的分离结晶,残余熔体具有较低的 Nb/Ta 值。中亚造山带晚石炭世早二叠世 A2型花岗岩或者 I型花岗岩中普遍含有较多黑云母和白云母,云母类矿物的分离结晶可能造成该类花岗岩 Ta 相对 Nb 强烈富集。因此,塔里木克拉通及边缘地区和中亚造山带晚石炭世早二叠世碱性岩成分上的差别导致了其不同的岩浆演化过程,并造成了两构造域不同的稀有金属元素富集过程。此外,岩浆演化过程
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