2021, Vol. 37
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;
3. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
2. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
稀有金属元素，主要包括稀有亲石元素(如：Li、Be)和高场强元素(如：Nb、Ta)。这些稀有金属元素在新型产业(如：新能源、新合金)中作为技术型战略元素，在过去十年中有着巨大的需求，因此国际社会将它们列为“关键金属元素”(Chakhmouradian et al.，2015；Benson et al.，2017；Sovacool et al.，2020)。稀有金属资源，以代表Be的绿柱石、硅铍石等，代表Nb-Ta的铌铁矿族矿物、细晶石-烧绿石等，代表Li的锂辉石、锂云母等典型矿物的富集为特征，主要赋存在过铝质花岗岩和伟晶岩中(Linnen and Cuney, 2005)。
喜马拉雅淡色花岗岩与典型的稀有金属花岗岩在岩石学和地球化学特征上具有明显的相似性。王汝成等(2017)的研究表明，喜马拉雅淡色花岗岩的稀有金属(Be-Nb-Ta)成矿范围广，具有良好的稀有金属成矿潜力, 可成为中国重要的稀有金属成矿带。这一发现在很大程度上推动了喜马拉雅地区稀有金属成矿潜力的研究。Liu et al. (2020)的工作发现，在普士拉地区，珠穆朗玛峰西北44km处，存在数十条宽约0.5~3m的锂辉石(-透锂长石)型伟晶岩脉体，全岩Li含量高达8460×10-6，首次将普士拉地区确定为喜马拉雅淡色花岗岩带中重要的Li成矿点。
锂(Li)作为最轻的“关键金属元素”，被广泛应用于新兴技术(如：可充电电池)、核聚变技术甚至医学(Gourcerol et al.，2019；Bibienne et al.，2020)。锂成矿伟晶岩占全球锂产量的50%~60%(Bowell et al.，2020；USGS，2021)。普士拉地区的锂成矿作用主要体现在锂辉石-透锂长石型伟晶岩的产出(Liu et al.，2020)。普士拉东南方不远处的珠峰前进沟地区，在最近的淡色花岗岩地质考察过程中，我们发现了伟晶岩中晶形完好的绿柱石以及具有褐红色-浅红色多色性特征的铁锂云母，表明该地区具有明显的锂成矿潜力。在本次研究中，我们研究并确定了珠峰前进沟地区淡色花岗岩的锂成矿特征，希望能引起大家对珠峰地区锂成矿作用的关注。
1 地质背景与岩相学特征喜马拉雅淡色花岗岩是青藏高原广泛分布且独具特色的地质组成, 东西长1500多千米，南北宽100千米，是世界上最大且最典型的淡色花岗岩带之一(吴福元等，2015；Wu et al.，2020)。按照其分布特征划分为南部的高喜马拉雅淡色花岗岩带和北部的特提斯喜马拉雅淡色花岗岩带。珠峰地区淡色花岗岩位于高喜马拉雅淡色花岗岩带的中部，淡色花岗岩整体沿绒布峡谷广泛分布(图 1a)。沿着绒布峡谷向南，是众多珠穆朗玛峰攀登者的行进路线，同时也是我们研究珠峰淡色花岗岩理想场所。淡色花岗岩和伟晶岩在前进沟的南北两侧出露(图 1b)，我们系统采集了不同的淡色花岗岩和伟晶岩样品，并在前进沟沟口海拔~5400m的巨大滚石(峰顶冰劈作用形成的碎石坠落)上采集到了锂电气石-锂云母型伟晶岩(图 1c)。
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图 1 珠峰地区地质概况 (a)珠峰地区绒布峡谷地质图(据Cottle et al.，2015修改)；(b)珠峰地区前进沟淡色花岗岩野外照片；(c)珠峰地区前进沟锂成矿伟晶岩手标本, Lpd-锂云母, Znw-铁锂云母 Fig. 1 Geological setting of Qomolangma area (a) geological map of the Rongbuk valley in Qomolangma (modified after Cottle et al., 2015); (b) field picture of leucogranites in Hermit Gorge in Qomolangma; (c) rock specimen of Li mineralized pegmatite in Hermit Gorge in Qomolangma, Lpd-lepidolite, Znw-zinnwaldite |
珠峰地区广泛分布的淡色花岗岩，主要由二云母花岗岩、白云母花岗岩、钠长石花岗岩和花岗伟晶岩组成。二云母花岗岩主要由细粒的石英(~30%)、钾长石(~28%)、斜长石(~25%；奥长石和钠长石)、白云母(~8%)、黑云母(~7%)、石榴子石(0%~1%)组成；白云母花岗岩主要由细粒的石英(~33%)、钾长石(~22%)、斜长石(~30%，主要为钠长石)、白云母(~7%)、石榴子石(~6%)、电气石(~1%)组成；钠长石花岗岩主要由细粒的石英(~36%)、钾长石(~10%)、钠长石(~37%)、白云母(~7%)、石榴子石(~6%)、电气石(~3%)组成(图 2a-c)。这些淡色花岗岩普遍以席状或脉体的形式侵入到围岩高喜马拉雅变质岩系中，花岗伟晶岩同样以脉体形式出露在海拔更高的围岩中，部分伟晶岩脉切穿了早期的淡色花岗岩。花岗伟晶岩的核部主要是由粗粒的钾长石、钠长石、石英、云母等组成，边部是由细粒的钠长石、石英等组成，在手标本上可以看到晶形完好的石榴子石、电气石、绿柱石等矿物(图 2d)，表明在伟晶岩中存在显著的Be成矿作用。本次主要的研究对象为珠峰前进沟锂成矿伟晶岩，主要是由钾长石(~35%)、钠长石(~25%)、石英(~20%)、云母(铁锂云母-锂云母，~12%)、电气石(黑电气石-锂电气石，~6%)等组成，副矿物主要有绿柱石、铌铁矿族矿物、含铌金红石、锆石、独居石等。根据其特征的原生锂矿物，是典型的锂电气石-锂云母型伟晶岩(Černý and Ercit，2005)，具有显著的Be-Nb-Ta-Li成矿特征。
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图 2 珠峰前进沟淡色花岗岩与伟晶岩岩相学特征 (a)二云母花岗岩光学显微镜照片；(b)白云母花岗岩光学显微镜照片；(c)钠长石花岗岩光学显微镜照片；(d)含绿柱石伟晶岩手标本照片. 矿物缩写: Kfs-钾长石；Pl-斜长石；Qtz-石英；Ab-钠长石；Grt-石榴子石；Mus-白云母；Bt-黑云母；Brl-绿柱石；Tur-电气石 Fig. 2 Petrographic features of leucogranites and pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma (a) optical microscopy image of the two-mica granite; (b) optical microscopy image of the muscovite granite; (c) optical microscopy image of the albite granite; (d) rock specimen of the beryl-bearing pegmatite. Mineral abbreviation: Kfs-K-feldspar; Pl-plagioclase; Qtz-quartz; Ab-albite; Grt-garnet; Mus-muscovite; Bt-biotite; Brl-beryl; Tur-tourmaline |
全岩主量元素分析在核工业二三〇研究所分析测试中心完成，采用湿化学分析方法，F利用离子活度计测定，其他元素使X射线荧光光谱仪测定，具体分析步骤参见国家标准GB/T 14506—2010和DZG93-05，所有主量元素分析结果的相对偏差优于5%。全岩微量元素(包括稀土元素)分析在聚谱检测科技有限公司(南京)使用ICP-MS完成，仪器型号为Agilent 7700X，分析方法参见Qi et al.(2000)，使用标样USGS的BHVO-2，AGV-2和W-2，以及GeoPT9的OU-6用于校准，微量元素的分析精度优于10%。
本次研究样品的光学显微镜图像和背散射(BSE)图像的拍摄以及矿物主量元素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。拍摄BSE图像所用仪器为Zeiss Supra 55场发射扫描电镜和JEOL JXA-8230电子探针。矿物主量元素使用电子探针(JEOL JXA-8230)进行测定，工作条件为：加速电压15kV，束流20nA，束斑直径1μm(云母束斑直径为5μm)。分析矿物包括铁锂云母-锂云母和黑电气石-锂电气石，矿物的主要组成元素的峰位时间为10s，次要组成元素峰位时间为20s，背景测定时间为峰位时间的一半。分析标样为天然矿物铁橄榄石、角闪石、磷灰石、黄玉等。数据由ZAF程序进行统一校正。
3 分析结果 3.1 全岩成分表 1列出了珠峰前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩的全岩主、微量元素组成分析结果。其主量元素具有以下特征：富Si和Al，SiO2和Al2O3含量分别大于75.1%和13.6%；富碱低Ca，Na2O+K2O含量为9.2%~9.6 %，CaO含量为0.3%~0.4%；TiO2和MgO含量较低，分别低于为0.02%和0.06%。同时也显示过铝质特征(ACNK=1.05)。其微量元素具有以下特征：稀土总量极低，仅为1.0×10-6~2.6×10-6; 具有明显的Eu负异常，明显四分组效应(图 3)；稀有金属元素含量较高，如Be (39×10-6)、Nb (35×10-6)、Li (855×10-6)等；Rb/Sr比值高(67~112)，Nb/Ta比值低(2.5~2.9)，Zr/Hf比值低(18.7~19.1)。
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表 1 珠峰前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩全岩主量(wt%)和微量(×10-6)元素成分 Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) element compositions of the elbaite-lepidolite subtype pegmatite in Hermit Gorge in Qomolangma |
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图 3 前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩全岩球粒陨石标准化稀土元素配分图解(标准化值据Sun and McDonough, 1989) 普士拉伟晶岩数据来自Liu et al.，2020；详细数据见电子版附表 1 Fig. 3 Chondrite-normalization REE patterns of the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge (normalization values after Sun and McDonough, 1989) Data of the Pusila spodumene-petalite subtype pegmatites from Liu et al., 2020; see detail data in Appendix Table 1 |
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附表 1 普士拉锂辉石(-透锂长石)型伟晶岩全岩主量(wt%)和微量(×10-6)元素成分 Appendix Table 1 Major (wt%) and trace (×10-6) element compositions of the Pusila spodumene(-petalite) subtype pegmatites |
铁锂云母与锂云母是前进沟锂成矿伟晶岩最主要的锂矿物，两者多共生在一起。云母呈板片状，晶体较大，在手标本上可以清晰看到，云母板片达2~3cm宽。在光学显微镜下，铁锂云母和锂云母具有明显的多色性，分别为褐红-浅褐色，浅红-无色(图 4a)。根据背散射图像(BSE)以及电子探针分析(EMPA)，发现云母的核部较亮的是铁锂云母，边部较暗的是锂云母(图 4a，b)，锂的含量从核部向边缘逐渐增加。核部铁锂云母含有约38.5%~49.4% SiO2、约19.7%~21.7% Al2O3、约1.5%~4.6% Li2O、约8.0%~20.6% FeO和约0.5%~1.5% MgO，边部锂云母含有约52.6%~57.9% SiO2、约16.3%~19.5% Al2O3、约5.5%~7.1% Li2O、约0.8%~5.4% FeO和约0.1%~0.4% MgO(表 2)。
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图 4 云母矿物特征与成分 (a)光学显微镜照片；(b)背散射图像, Clb-铌铁矿；(c)云母Al(iv+vi)-R2+-Si成分分类图解(底图据Monier and Robert, 1986)；图中引用数据来自Jolliff et al.，1987；Černý et al.，1995；Lagache and Quéméneur，1997；Potter et al.，2009；详细数据见电子版附表 2 Fig. 4 Occurrence and composition of micas (a) optical microscopy image; (b) BSE image, Clb-columbite; (c) micas in the Al(iv+vi)-R2+-Si classification diagram (base map after Monier and Robert, 1986), the data sources from Jolliff et al., 1987; Černý et al., 1995; Lagache and Quéméneur, 1997; Potter et al., 2009; see detail data in Appendix Table 2 |
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附表 2 典型锂成矿伟晶岩中云母成分统计(wt%) Appendix Table 2 Statistics of compositions of micas in typical Li-mineralized pegmatites (wt%) |
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表 2 珠峰前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩铁锂云母-锂云母成分(wt%) Table 2 Chemical compositions of zinnwaldite and lepidolite from the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma (wt%) |
电气石相较于云母颗粒较小，颗粒小于3mm，手标本上可以看到细小的柱状晶形。在光学显微镜下，电气石具有明显多色性，黑电气石呈现褐红-浅褐黄色多色性，锂电气石呈现蓝绿-浅蓝绿的多色性，可见明显的柱状结构(图 5a)。锂电气石常分布在黑电气石的边缘(核部为黑电气石，边缘为锂电气石；图 5a)。背散射图像下，同样观察到很多极细小的锂电气石颗粒(10~20μm；图 5b)。根据电子探针分析(EMPA)，黑电气石含有较低的SiO2含量(34.7%~35.6%)、Al2O3含量(32.5%~35.7%)、Li2O含量(0.3%~1.0%)，相对较高的FeO含量(9.8%~14.2%)、MgO含量(0.1%~0.5%)；锂电气石含有较高的SiO2含量(35.4%~36.6%)、Al2O3含量(35.8%~38.0%)、Li2O含量(1.1%~1.6%)，相对较低的FeO含量(3.5%~8.6%)、MgO含量(< 0.1%)(表 3)。
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图 5 电气石矿物特征与成分 (a)光学显微镜照片，Elb-锂电气石；Sch-黑电气石；(b)背散射图像；(c)电气石成分分类图解, 表中其他数据来自Jolliff et al.，1986；Selway et al.，2000；杨岳清等，2010；Liu et al.，2020；Yang et al.，2021；详细数据见电子版附表 3 Fig. 5 Occurrences and composition of tourmalines (a) optical microscopy image, Elb-elbaite; Sch-schorl; (b) BSE image; (c) tourmalines in the classification diagram, data sources from Jolliff et al., 1986; Selway et al., 2000; Yang et al., 2010; Liu et al., 2020; Yang et al., 2021; and detail data in Appendix Table 3 |
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附表 3 典型锂成矿伟晶岩中电气石成分统计(wt%) Appendix Table 3 Statistics of compositions of tourmaline in typical Li-mineralized pegmatites (wt%) |
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表 3 珠峰前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩黑电气石-锂电气石成分(wt%) Table 3 Chemical compositions of schorl and elbaite from the elbaite-lepidolite subtype pegmatites in Hermit Gorge in Qomolangma (wt%) |
传统观念认为，喜马拉雅淡色花岗岩主要来自于高喜马拉雅结晶岩系的原地部分熔融(Le Fort et al.，1987)，不同程度的结晶分异作用导致岩浆形成了不同的岩石(Scaillet et al.，1990；Liu et al.，2014，2016a，b, 2018；Zeng et al.，2014；吴福元等，2015)，并且产出绿柱石、富Hf锆石、铌铁矿族矿物等矿物组合(王汝成等，2017；Xie et al.，2020)。珠峰前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩，全岩具有较高的Rb/Sr比值，低的Zr/Hf、Nb/Ta比值，同时含有极低的TiO2和稀土元素(REE)含量，稀土含量与普士拉锂辉石(-透锂长石)型伟晶岩相类似(图 2)，这些都表明它具有极高的结晶分异程度。另外，锂(Li)是一种碱金属元素，在大部分长英质造岩矿物中具有不相容性(London，2005)，通常在极晚期的花岗质岩浆中富集。地壳岩石中Li的平均浓度仅为20×10-6(Mason and Moore, 1982)，典型花岗岩中Li的平均浓度为65×10-6(London，2017)，一般伟晶岩(无Li成矿作用)中Li平均浓度为约52×10-6(6×10-6~288×10-6；Černý and Meintzer，1988；Selway et al.，2005)、细晶岩中Li平均浓度为约82×10-6(7×10-6~324 ×10-6；Breaks and Tindle, 2002；Selway et al.，2005)。前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩全岩Li含量有855×10-6，远远高于地壳、花岗岩、伟晶岩和细晶岩中的Li平均含量，与典型的Li成矿伟晶岩，如Tanco伟晶岩(Li >743×10-6; Stilling et al.，2006)、Big Whopper伟晶岩(Li >968×10-6; Breaks and Tindle, 2002)等相类似。假如以25%的比例作为熔体可抽取的临界值, 一个花岗质岩浆体系至少要经过4次结晶分离作用才有可能造成锂矿物的结晶(Wu et al.，2020)。因此，锂(Li)成矿作用的出现必须要求花岗岩岩浆经历极高程度的结晶分异，锂矿物(锂电气石、锂云母等)的出现，直接指示着它的高分异特征。
4.2 成矿矿物的指示作用电气石和云母作为主要的锂赋存矿物，它们的结晶是锂成矿作用的直接体现，指示极高的演化程度。同时，这些成矿矿物的成分也在随着岩浆的演化而发生改变。云母，由核部的铁锂云母逐渐演变成边部的锂云母(图 4c)，成分中Li2O含量显著升高，FeO、MgO含量不断降低(表 2)。通过统计典型的锂成矿伟晶岩(含锂云母)中云母成分(Jolliff et al.，1987；Černý et al.，1995；Lagache and Quéméneur，1997；Potter et al.，2009)，我们发现云母成分主要有两种演化趋势，一种是由白云母逐渐向(多硅)锂云母演化，另一种则是像前进沟锂成矿伟晶岩中的云母一样，由铁锂云母逐渐向(多硅)锂云母演化(图 4c)。电气石，由核部的黑电气石逐渐演变成边部的锂电气石，其中Li2O含量显著升高，FeO、MgO含量降低(表 3)。前进沟锂成矿伟晶岩中的电气石与世界上典型的锂成矿伟晶岩中的电气石相类似(例如南阳山，Yang et al.，2021；Tanco，Selway et al.，2000；Black Hills，Jolliff et al.，1986；等等)，成分上由Fe端元(黑电气石)逐渐向Li端元(锂电气石)演化(图 5c)。随着岩浆演化的进行，云母和电气石，这两个特征的锂成矿矿物，成分变化上具有一致性，其中Fe、Mg含量均不断降低，与之对应是Li的含量不断升高。这一特征直接指示着演化过程中岩浆成分的变化。
锂矿物的结晶通常具有序列性，锂电气石、锂云母的结晶，相较于锂辉石、透锂长石，指示岩体具有更高的演化程度(Yang et al.，2021)。前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩，可能要比普士拉锂辉石(-透锂长石)型伟晶岩，经历了更高程度的分异作用。从电气石的矿物成分变化上看，前进沟锂成矿伟晶岩中的电气石Mg含量均很低，Fe含量不断降低，Li含量持续升高，由黑电气石演化到锂电气石；而普士拉锂成矿伟晶岩中的电气石从伟晶岩脉体的边部往核部，先是Mg含量不断降低，而后Fe含量降低，Li含量逐渐升高，但并未演化到锂电气石(图 5c)。电气石的成分也表明，前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩比普士拉锂辉石(-透锂长石)型伟晶岩代表着更高的岩浆演化程度。
5 结论与展望珠峰地区前进沟锂成矿伟晶岩，根据其特征锂矿物，确定为锂电气石-锂云母型伟晶岩。全岩地球化学以及矿物学研究皆表明，前进沟锂电气石-锂云母型伟晶岩具有极高的演化程度。随着岩浆演化的进行，云母由铁锂云母演变为锂云母，电气石由黑电气石演变为锂电气石，Fe、Mg含量逐渐降低，Li含量显著升高，这一特征很好地指示了岩浆演化的趋势。锂电气石、锂云母的出现，相较于锂辉石、透锂长石，代表着更高的演化程度，前进沟很可能也存在更为多样的锂成矿作用，如透锂长石、锂辉石型伟晶岩。
珠穆朗玛峰，作为世界的第三极，一直以来都是众多攀登爱好者的圣地，也是我们地质工作者最向往的地方之一。本次研究，是我国藏南喜马拉雅首次报道锂电气石-锂云母型伟晶岩的存在，珠峰前进沟很可能是继普士拉(Visonà and Zantedeschi, 1994; Liu et al.，2020)之后，喜马拉雅淡色花岗岩带中又一个不同类型的锂(Li)成矿点。另外，在前进沟西北方向以及普士拉北北东方向的热曲，也发现了锂辉石-透锂长石型伟晶岩的存在(刘小驰等，2021)。珠穆朗玛地区众多不同亚型的含锂伟晶岩的发现，表明该地区是我国有重要研究前景的一个锂(Li)成矿远景区。
致谢 感谢两位匿名审稿人的宝贵修改意见和建议，以及期刊编辑的精心修改，使文章得以完善。
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