稀有金屬偉晶巖過(guò)度冷卻與侵位之關(guān)系
——基于野外地質(zhì)觀(guān)察及年代學(xué)的思考

鳳永剛，梁 婷，雷如雄，鞠明輝，張忠利，高景剛，周 義，吳昌志

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 成礦作用及其動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘探局七〇六隊(duì)，新疆 阿勒泰 836500)

0 引 言

稀有金屬偉晶巖是鋰、鈹、鈮、鉭、稀土等戰(zhàn)略金屬的主要來(lái)源，其成礦作用一直是偉晶巖研究的熱點(diǎn)[1-3]。大量地質(zhì)資料顯示，多數(shù)稀有金屬偉晶巖產(chǎn)于造山帶內(nèi)[4-5]，其圍巖可以是不同變質(zhì)程度的地層或花崗質(zhì)侵入巖體[6-10]。稀有金屬偉晶巖按礦物組合和地球化學(xué)特征，可劃分為鋰-銫-鉭(LCT)型和鈮-釔-氟(NYF)型兩大類(lèi)[11]。前者的源區(qū)地球化學(xué)特征與過(guò)鋁質(zhì)S型花崗巖的源區(qū)相似；而后者則與A型花崗巖的源區(qū)相當(dāng)；極少數(shù)鋰-銫-鉭型和鈮-釔-氟型偉晶巖的源區(qū)與I型花崗巖的源區(qū)具有相似的地球化學(xué)特征[12]。鋰-銫-鉭型與鈮-釔-氟型偉晶巖的過(guò)渡類(lèi)型(Hybridization Type)也有過(guò)相關(guān)報(bào)道[6,13-14]。稀有金屬偉晶巖的礦物組合、礦化類(lèi)型和礦化形式復(fù)雜多樣，要深入理解其礦化過(guò)程，需要了解偉晶巖的結(jié)晶過(guò)程。

20世紀(jì)90年代，London提出過(guò)度冷卻(Undercooling)模型，以解釋偉晶巖結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)[15]。該模型認(rèn)為，偉晶巖中的礦物粒度突然變化、礦物組合分帶、礦物獨(dú)特生長(zhǎng)特點(diǎn)(如晶體骨骼狀、樹(shù)枝狀的生長(zhǎng)形態(tài)及文象結(jié)構(gòu))都?xì)w因于偉晶巖熔體在過(guò)冷條件下(通常低于花崗質(zhì)熔體的液相線(xiàn)200 ℃～250 ℃)快速冷卻結(jié)晶[3,16-18]。Chakoumakos等首先計(jì)算了美國(guó)新墨西哥州內(nèi)Harding偉晶巖的冷卻時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在偉晶巖侵位溫度和壓力、圍巖溫度以及偉晶巖厚度得到約束的前提下，Harding偉晶巖由650 ℃開(kāi)始結(jié)晶，冷卻至固相線(xiàn)以下0 ℃～200 ℃所需時(shí)間少于1 000年[19]。其后，不少學(xué)者對(duì)其他地區(qū)的偉晶巖冷卻時(shí)間進(jìn)行了限定，這些研究亦認(rèn)為偉晶巖存在快速冷卻結(jié)晶的現(xiàn)象[16,20-22]。然而，近年來(lái)偉晶巖年代學(xué)研究顯示偉晶巖的冷卻結(jié)晶時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)幾百萬(wàn)年。例如，Snee等注意到美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈地區(qū)的Little Three偉晶巖中，白云母核部和邊部的年齡差值可達(dá)1.3 Ma[23]；Müller等認(rèn)為挪威南部Evje-Iveland鈮-釔-氟型偉晶巖(厚度為15～19 m)經(jīng)歷了至少5 Ma的結(jié)晶過(guò)程[5]。此外需要注意的是，過(guò)度冷卻模型采用的假設(shè)條件是：圍巖為鎂鐵質(zhì)變質(zhì)巖(如斜長(zhǎng)角閃巖)且偉晶巖熔體侵位時(shí)的圍巖溫度為450 ℃[3,17]。但對(duì)于稀有金屬偉晶巖侵位于花崗巖的情形(如花崗巖的導(dǎo)熱性、自身的冷卻歷史等因素的影響)，該模型并未涉及。事實(shí)上，中國(guó)新疆阿爾泰和東天山造山帶內(nèi)諸如大喀拉蘇、鏡兒泉等地區(qū)的稀有金屬偉晶巖均侵位于花崗巖中且形成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦床[6,24]。因此，過(guò)度冷卻模型是否可用于解釋此類(lèi)稀有金屬偉晶巖形成過(guò)程仍有待檢驗(yàn)。

高分異花崗巖及偉晶巖中的鋯石往往出現(xiàn)蛻晶質(zhì)化和熱液蝕變現(xiàn)象[25-26]，嚴(yán)重影響其U-Pb同位素體系，導(dǎo)致其結(jié)晶年齡難以被準(zhǔn)確測(cè)定[27]；而同類(lèi)型巖石中的鈮鉭鐵礦U-Pb同位素體系受蛻晶質(zhì)化影響較小[27-28]。因此，具有極低普通鉛的鈮鉭鐵礦成為高分異花崗巖及花崗偉晶巖中極為理想的定年礦物[27,29-30]。目前，鈮鉭鐵礦U-Pb年代學(xué)已成功應(yīng)用于多個(gè)地區(qū)花崗巖及偉晶巖形成時(shí)代的研究[27-28,30-38]。隨著原位定年技術(shù)的日新月異，精確的年齡數(shù)據(jù)可以揭示偉晶巖結(jié)晶時(shí)間是否超過(guò)百萬(wàn)年。因此，有必要從年代學(xué)角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)偉晶巖的結(jié)晶歷史。

本文以新疆大喀拉蘇和鏡兒泉地區(qū)稀有金屬偉晶巖為例，在詳細(xì)野外地質(zhì)觀(guān)察基礎(chǔ)上，結(jié)合鈮鉭鐵礦U-Pb年代學(xué)研究結(jié)果，探討侵位于花崗巖內(nèi)稀有金屬偉晶巖是否存在快速冷卻現(xiàn)象。選擇這兩個(gè)地區(qū)的稀有金屬偉晶巖作為研究對(duì)象原因如下：①大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖(含綠柱石)及鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖代表不同礦化類(lèi)型且分帶性良好；②兩處偉晶巖與圍巖的露頭狀況良好，偉晶巖與花崗巖之間接觸關(guān)系清晰可見(jiàn)；③前人積累的年齡數(shù)據(jù)(表1)以及本文利用LA-ICP-MS鈮鉭鐵礦U-Pb定年獲得鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖鋰輝石-長(zhǎng)石-石英帶的可靠年齡，為揭示該偉晶巖結(jié)晶歷史提供了重要依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及研究現(xiàn)狀

1.1 大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖

中奧陶統(tǒng)變質(zhì)地層的形成時(shí)代為465 Ma;圖件引自文獻(xiàn)[6]圖1 新疆阿爾泰地區(qū)大喀拉蘇偉晶巖密集區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic Geological Map of Dakalasu Pegmatite Field in Altay Area of Xinjiang

中國(guó)新疆阿爾泰造山帶整體呈NW—SE向，是中亞造山帶的重要組成部分，也是中國(guó)最重要的稀有金屬成礦帶之一[53-60]。Windley等根據(jù)造山帶內(nèi)的主要斷裂將中國(guó)新疆阿爾泰造山帶劃分為五大地體，即阿爾泰山地體、西北阿爾泰山地體、中阿爾泰山地體、瓊庫(kù)爾—阿巴宮地體以及額爾齊斯地體[53]。大喀拉蘇偉晶巖密集區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰市東南方向約36 km處，構(gòu)造位置上處于瓊庫(kù)爾—阿巴宮地體[6,38]。區(qū)內(nèi)出露地層為中泥盆統(tǒng)板巖、片巖、片麻巖，海西晚期似斑狀黑云母花崗巖和二云母花崗巖為主要侵入巖體(圖1)，區(qū)內(nèi)偉晶巖脈體超過(guò)1 000條[6]。鄒天人等對(duì)似斑狀黑云母花崗巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年，所獲年齡分別為256.1 Ma[6]和(248.0±4.0)Ma[41]。而李強(qiáng)等的鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示該巖體形成時(shí)代較早，為(264.1±2.1)Ma[42]。

大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖是該偉晶巖區(qū)規(guī)模最大的偉晶巖脈，侵位于似斑狀黑云母花崗巖中(圖2)，具顯著鈹鈮鉭礦化[6,39]。脈體厚度為1.5～20.0 m，地表出露長(zhǎng)度達(dá)200 m。鉆孔資料顯示，該偉晶巖脈體由一組平行的近席狀脈體構(gòu)成，席狀脈體較寬處結(jié)構(gòu)分帶性較好(圖3)。根據(jù)前人研究[6,38-40]，該偉晶巖脈體由邊緣至核部，可依次劃分為中—粗粒邊緣帶(具文象結(jié)構(gòu))和塊狀中間帶。前者由中—粗粒微斜長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、石英、綠柱石、電氣石及細(xì)粒石榴石組成；后者主要由塊狀微斜長(zhǎng)石和石英、巨晶狀白云母及柱狀綠柱石(長(zhǎng)達(dá)50 cm)組成。除鈮鉭鐵礦外，鈮鉭礦物還包括富鉭金紅石、重鉭鐵礦和細(xì)晶石[6]。王登紅等分別利用40Ar/39Ar同位素及LA-ICP-MS鈮鉭鐵礦U-Pb定年，獲得邊緣帶白云母40Ar/39Ar坪年齡為(248.4±2.1)Ma[39]，鈮鉭鐵礦U-Pb年齡為(239.6±3.8)Ma[38]。Zhou等認(rèn)為(239.6±3.8)Ma代表偉晶巖的侵位年齡[38]。Feng等對(duì)采集自該偉晶巖中間帶的兩顆鈮鉭鐵礦進(jìn)行定年，其年齡分別為(228.1±0.6)Ma和(229.0±1.0)Ma[28]。此外，秦克章等報(bào)道該偉晶巖具有(231.8±7.4)Ma的鋯石U-Pb年齡[40]，但采樣位置不詳。

1.2 鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖

鏡兒泉偉晶巖密集區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市東南方向約170 km處，大地構(gòu)造位置上處于吐哈地塊與雅滿(mǎn)蘇火山弧之間康古爾弧后盆地閉合帶的東段[61]?？倒艩柣『笈璧亻]合帶南、北分別以雅滿(mǎn)蘇斷裂和康古爾斷裂為界，于石炭紀(jì)末因弧-陸碰撞而閉合[62]。該閉合帶于二疊紀(jì)發(fā)生顯著的地質(zhì)-成礦-熱事件，形成延伸距離超過(guò)600 km的剪切帶[63]。該剪切帶東段以大規(guī)模鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖和花崗巖類(lèi)侵位以及銅、鎳、鉬、稀有金屬成礦作用為特征[62]。鏡兒泉偉晶巖密集區(qū)內(nèi)出露地層主要為上石炭統(tǒng)干墩組，其巖性主要為變質(zhì)級(jí)別較低的片巖[64]。區(qū)內(nèi)出露面積最大的為鏡兒泉花崗巖體，侵入石炭系變質(zhì)地層中，其主體巖性為白云母花崗巖，局部變化至二云母花崗巖(圖4)，早期黑云母花崗巖以白云母花崗巖的捕虜體產(chǎn)出[24]。少量產(chǎn)出的輝長(zhǎng)巖(及二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖)與白云母花崗巖之間呈侵入接觸關(guān)系[44]。Muhtar等利用LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年獲得鏡兒泉二云母花崗巖的年齡為(250.0±4.0)Ma[43]，Liu等采用LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年及SIMS獨(dú)居石U-Th-Pb定年分別獲得輝長(zhǎng)巖((250.7±2.5)～(248.7±1.4)Ma)和白云母花崗巖((252.9±1.9)～(246.0±2.0)Ma)的年齡[44]。上述年齡數(shù)據(jù)表明，鏡兒泉花崗巖與輝長(zhǎng)巖形成時(shí)代一致。

區(qū)內(nèi)產(chǎn)出的偉晶巖包括無(wú)礦化、含綠柱石(2號(hào))及鈉長(zhǎng)石-鋰輝石(1號(hào))偉晶巖，多沿NEE向斷層侵位于白云母花崗巖內(nèi)。1號(hào)鋰輝石偉晶巖總體上呈透鏡狀，稀有金屬礦物包括鋰輝石、鋰云母、鈮鉭鐵礦及少量綠柱石；2號(hào)含綠柱石偉晶巖礦化程度較低，主要稀有金屬礦物為綠柱石、鈮鉭鐵礦。目前，僅陳鄭輝等測(cè)得2號(hào)含綠柱石偉晶巖的白云母40Ar/39Ar年齡為(243.0±2.0)Ma[24]。1號(hào)鋰輝石偉晶巖作為鏡兒泉偉晶巖密集區(qū)內(nèi)最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的稀有金屬礦床，尚未在前人研究中獲得較可靠年齡。

2 偉晶巖地質(zhì)特征

2.1 大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖

大喀拉蘇似斑狀黑云母花崗巖節(jié)理發(fā)育，其露頭上可觀(guān)察到兩類(lèi)節(jié)理。一類(lèi)為平行于花崗巖穹窿面的席理；另一類(lèi)為與原穹窿面呈一定角度切割的節(jié)理[圖5(a)、(b)]。野外地質(zhì)觀(guān)察表明，大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖的侵位空間主要為似斑狀黑云母花崗巖的席理面。鉆孔同樣揭示該偉晶巖形態(tài)呈一組平行席狀排列(圖2、3)，可與野外露頭觀(guān)察相印證。此外，第二類(lèi)節(jié)理中也產(chǎn)出較細(xì)的偉晶巖脈體[圖5(b)]。偉晶巖與花崗巖之間呈非常截然的接觸關(guān)系，在二者的接觸面上結(jié)晶出大量粒度達(dá)厘米級(jí)的自形黑色電氣石[圖5(c)]。由接觸面向偉晶巖中心，偉晶巖中礦物粒度總體呈增大趨勢(shì)，逐漸出現(xiàn)塊狀長(zhǎng)石-石英帶，片狀礦物(如白云母)顯示半定向生長(zhǎng)[圖5(c)]，大量自形綠柱石巨晶產(chǎn)于此分帶中[圖5(d)]。Feng等所報(bào)道的粒徑達(dá)厘米級(jí)的鈮鉭鐵礦亦產(chǎn)于此分帶[28]。1號(hào)偉晶巖的邊緣帶則由中—細(xì)粒石英、微斜長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、白云母、石榴子石及綠柱石組成，并發(fā)育由微斜長(zhǎng)石和石英構(gòu)成的文象結(jié)構(gòu)[圖5(e)]。這一分帶特征與London總結(jié)的典型鋰-銫-鉭型偉晶巖結(jié)構(gòu)分帶[17]一致。接觸面發(fā)育大量的電氣石表明偉晶巖熔體侵位時(shí)邊緣富集較多揮發(fā)分[3,18]。

圖件引自文獻(xiàn)[64]，有所修改圖4 新疆東天山地區(qū)鏡兒泉偉晶巖密集區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic Geological Map of Jing’erquan Pegmatite Field in East Tianshan Area of Xinjiang

2.2 鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖

在鏡兒泉偉晶巖密集區(qū)內(nèi)，多數(shù)偉晶巖沿著白云母花崗巖中的斷層侵位，偉晶巖產(chǎn)狀受到斷層的顯著控制(圖4)。這些斷層被認(rèn)為是發(fā)育于康古爾斷裂之上；兩條主要的斷層中，F(xiàn)1為逆斷層，而其南邊的F2為傾角50°～60°的正斷層[44]。具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的稀有金屬偉晶巖與F1斷層關(guān)系密切。根據(jù)野外地質(zhì)觀(guān)察，1號(hào)鋰輝石偉晶巖脈體總體走向NEE，傾向NW，與白云母花崗巖之間無(wú)截然界線(xiàn)，二者呈現(xiàn)漸變接觸關(guān)系[圖5(f)]。緊靠接觸帶的偉晶巖分帶為文象結(jié)構(gòu)帶[圖5(g)]，主要組成礦物為中—細(xì)粒石英、鈉長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石及白云母。從偉晶巖邊緣向中心部位，依次出現(xiàn)鋰輝石-鈉長(zhǎng)石-石英帶及塊狀長(zhǎng)石-石英帶，局部不規(guī)則分布的塊狀石英可能代表偉晶巖的石英核。鋰輝石-鈉長(zhǎng)石-石英帶為含有大量鋰輝石的分帶，鋰輝石呈淡粉色，因表面風(fēng)化可呈肉紅色。野外露頭及手標(biāo)本均可見(jiàn)部分鋰輝石被紫色鋰云母或灰綠色鐵鋰云母取代。該偉晶巖分帶中發(fā)育大量磷酸鹽礦物，包括呈黑色集合體產(chǎn)出的磷鐵礦、磷鐵鋰礦以及磷灰石。粗粒鈮鉭鐵礦在鋰輝石-鈉長(zhǎng)石-石英帶中零星分布，手標(biāo)本中偶爾可見(jiàn)[圖6(c)]。石榴子石作為主要副礦物，在偉晶巖各分帶均有分布，偉晶巖局部產(chǎn)出富含石榴子石的鈉長(zhǎng)石-白云母組合。綠柱石在前人資料多有提及，但可能由于早期開(kāi)采而未能在野外露頭觀(guān)察到。

3 鈮鉭鐵礦U-Pb年代學(xué)特征

3.1 分析方法及結(jié)果分析

用于U-Pb定年的鈮鉭鐵礦樣品均為粒徑達(dá)厘米級(jí)的單個(gè)晶體。樣品DHLS107和DHLS108采自大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體中間帶，樣品JR采自鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖鋰輝石-長(zhǎng)石-石英帶。將鈮鉭鐵礦晶體置于環(huán)氧樹(shù)脂之上，磨平拋光。樣品鍍碳后，在長(zhǎng)安大學(xué)成礦作用及其動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用FEI Quanta 650環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行背散射和二次電子成像，并觀(guān)察單個(gè)晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。樣品DHLS107、DHLS108和樣品JR的電子探針成分分析分別在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及長(zhǎng)安大學(xué)成礦作用及其動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。使用的電子探針儀器型號(hào)分別為JEOL JXA-8100M及JEOL JXA-8100。兩次測(cè)試的加速電壓和電子束電流分別為15 kV和20 nA。所分析元素的X熒光光譜線(xiàn)及相應(yīng)標(biāo)樣如下：Mn Kα(合成MnTiO3)、Fe Kα(角閃石)、Ca Kα(角閃石)、Ti Kα(角閃石)、Al Kα(角閃石)、F Kα(磷灰石)、Nb Lα(單質(zhì)鈮)、W Lα(白鎢礦)、Sn Lα(合成SnO2)、Sc Kα(合成Sc)及Ta Lα(單質(zhì)鉭)。樣品DHLS107和DHLS108完整測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[28]。3顆鈮鉭鐵礦晶體成分均勻，從核部至邊緣未見(jiàn)顯著的Nb、Ta、Fe、Mn、Ti等元素含量變化。以O(shè)原子數(shù)為6計(jì)算出鈮鉭鐵礦中各元素的陽(yáng)離子數(shù)(apfu值)(表2)。樣品DHLS107的Mn/(Mn+Fe)值和Ta/(Ta+Nb)值分別為0.79和0.45，而DHLS108的Mn/(Mn+Fe)值和Ta/(Ta+Nb)值分別為0.72和0.19。這表明分析樣品均為鈮錳礦，其Mn/(Mn+Fe)值較一致，而Ta/(Ta+Nb)值差異顯著，表明大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體中間帶具有顯著的Nb-Ta分離，而Fe-Mn分離不明顯。鈮鉭礦物的這種成分變化趨勢(shì)在不少鋰-銫-鉭型偉晶巖中都被觀(guān)察到(如加拿大安大略省Separation Rapids偉晶巖群[65])。樣品JR的Mn/(Mn+Fe)值和Ta/(Ta+Nb)值分別為0.84和0.08，其成分上接近鈮錳礦端員。

LA-ICP-MS鈮鉭鐵礦U-Pb定年在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，為離子數(shù),基于氧原子數(shù)為6的apfu值計(jì)算；樣品DHLS-107和DHLS108的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[28]。

表2 偉晶巖鈮鉭鐵礦主量元素分析結(jié)果

使用儀器為聯(lián)接RESOlution S155型193 nm氣態(tài)準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)的Thermo Fisher Scientific iCAP-Q型ICP-MS儀。激光束斑直徑為43 μm，激光輸出能量和脈沖頻率分別為105 mJ和4 Hz。Coltan139鈮鉭鐵礦標(biāo)樣(參考年齡為(506.2±5.0)Ma[27])作為校正年齡的首要標(biāo)樣，鋯石標(biāo)樣91500和PL作為次要標(biāo)樣監(jiān)測(cè)U、Th、Pb同位素信號(hào)。詳細(xì)的測(cè)試流程和參數(shù)設(shè)置可參考文獻(xiàn)[27]。數(shù)據(jù)處理軟件Iolite v3.7[66]和Isoplot 3.00[67]分別用于單個(gè)分析點(diǎn)表觀(guān)年齡計(jì)算和年齡數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理。兩處偉晶巖中的鈮錳礦普通鉛含量極低(表3)，因此，無(wú)需進(jìn)行普通鉛校正。大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體中間帶原始定年數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[28]，本研究對(duì)該文中采自于同一偉晶巖分帶的兩件鈮錳礦樣品(DHLS107和DHLS108)表觀(guān)年齡重新進(jìn)行了加權(quán)平均，所獲年齡能更準(zhǔn)確地代表大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體中間帶的結(jié)晶年齡。鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖鈮鉭鐵礦U-Pb同位素分析結(jié)果見(jiàn)表3。

LA-ICP-MS定年分析時(shí)，分析點(diǎn)布置于兩顆晶體的核部、幔部及邊部，且分析點(diǎn)在避開(kāi)裂隙和包裹體的同時(shí)，盡可能均勻散布(圖6)。采集自大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖的兩件鈮錳礦40個(gè)分析點(diǎn)中，除2個(gè)分析點(diǎn)諧和度較差，其余38個(gè)分析點(diǎn)均落在U-Pb年齡諧和曲線(xiàn)上[圖7(a)]，所得U-Pb年齡為(228.4±0.3)Ma(平均標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重偏差(MSWD)為1.3)。206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(228.6±0.4)Ma(MSWD值為1.5)[圖7(b)]，與U-Pb年齡完全一致。同時(shí)，單個(gè)晶體的核部至邊緣未見(jiàn)顯著的年齡變化。采集自鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖脈體中間帶的1件鈮錳礦分析點(diǎn)共有22個(gè)，所有分析點(diǎn)均落在U-Pb年齡諧和曲線(xiàn)上[圖7(c)]，所得U-Pb年齡為(250.8±1.0)Ma(MSWD值為0.56)。206Pb/238U加權(quán)平均年齡與U-Pb年齡完全一致，為(250.7±1.0)Ma(MSWD值為0.76)[圖7(d)]。與大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖中鈮錳礦相似，鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖中單個(gè)晶體的核部至邊緣未顯示年齡變化。

3.2 鈮鉭鐵礦U-Pb年齡的解釋

震蕩環(huán)帶是鈮鉭鐵礦具巖漿成因的重要標(biāo)志[68-70]，而所分析的3件鈮鉭鐵礦樣品未見(jiàn)類(lèi)似的成分環(huán)帶。考慮到以下因素，可以認(rèn)為這些鈮鉭鐵礦仍為偉晶巖的原生礦物。首先，所分析的鈮鉭鐵礦晶體成分均勻，雖無(wú)震蕩環(huán)帶，但也未見(jiàn)受交代改造的鈮鉭鐵礦所具有的不規(guī)則成分分帶，或含有被更為富鉭的次生鈮鉭鐵礦充填的裂隙[68,70-71]；其次，鈮鉭鐵礦均取自偉晶巖脈體中間帶，為粒徑達(dá)厘米級(jí)的單個(gè)晶體，與之共生的礦物為巨晶狀微斜長(zhǎng)石、石英和綠柱石或鋰輝石，作為熱液蝕變礦物的可能性??；再次，鈮鉭鐵礦的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式表現(xiàn)為中稀土元素(MREE)相對(duì)輕稀土元素(LREE)和重稀土元素(HREE)顯著富集，w(HREE)N/w(MREE)N<0.2(w(·)N為元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的值)，具有明顯的Eu負(fù)異常[28]；該稀土元素配分模式與Graupner等展示的原生鈮鉭鐵礦的稀土元素配分模式[72]一致。綜上所述，本次研究所獲得的鈮鉭鐵礦U-Pb年齡可以限定大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖及鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖脈體中間帶的形成時(shí)代。

表3 鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖鈮鉭鐵礦U-Pb同位素分析結(jié)果Tab.3 Analysis Results of Columbite U-Pb Isotope for Jing’erquan No.1 Spodumene Pegmatite

圖(a)、(b)引自文獻(xiàn)[28],有所修改;圖(a)～(c)中的方框?yàn)長(zhǎng)A-ICP-MS定年區(qū)域,對(duì)應(yīng)編號(hào)為分析點(diǎn)編號(hào)圖6 鈮鉭鐵礦手標(biāo)本照片及二次電子圖像Fig.6 Photos of Hand Specimen and SE Images of Columbites

圖7 鈮鉭鐵礦U-Pb年齡諧和曲線(xiàn)及年齡分布Fig.7 Concordia Diagrams and Distributions of Columbite U-Pb Ages

4 討 論

4.1 偉晶巖的侵位模式

通過(guò)對(duì)大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖及鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖的野外地質(zhì)觀(guān)察可知，二者在侵入花崗巖圍巖的部位以及同圍巖之間的接觸關(guān)系均具有較顯著差異。前者侵位于花崗巖發(fā)育的席理面及斜向節(jié)理中，與花崗巖呈截然接觸關(guān)系[圖5(a)～(c)]；而后者則侵位于花崗巖內(nèi)部斷層中，與花崗巖呈漸變接觸關(guān)系[圖5(f)]。這些差異表明，形成大喀拉蘇偉晶巖及鏡兒泉偉晶巖的花崗質(zhì)熔體侵入花崗巖時(shí)，作為圍巖的花崗巖具有不同的熱狀態(tài)。

首先，盡管目前花崗巖席理的成因仍無(wú)定論，花崗巖穹窿的幾何形態(tài)、區(qū)域應(yīng)力、頂部覆蓋層的剝蝕導(dǎo)致卸荷以及水壓都是影響席理形成的重要因素，但各假說(shuō)都認(rèn)可花崗巖出現(xiàn)席理時(shí)應(yīng)處于地殼較淺部位[73]。從力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，席理的出現(xiàn)要求巖石發(fā)生彈性響應(yīng)[74]，這意味著大喀拉蘇似斑狀黑云母花崗巖頂部在產(chǎn)生席理時(shí)為剛性狀態(tài)。因此，形成大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖的花崗質(zhì)熔體侵位于席理時(shí)，似斑狀黑云母花崗巖可能已處于冷卻狀態(tài)。

其次，前人對(duì)花崗巖穹窿冷卻歷史的研究表明，花崗巖從侵位溫度(700 ℃～750 ℃)冷卻至黑云母K-Ar同位素體系封閉溫度(約300 ℃)約需要10 Ma[75-76]。前人獲得的大喀拉蘇似斑狀黑云母花崗巖年齡數(shù)據(jù)存在較大差異。童英利用TIMS鋯石U-Pb定年實(shí)際獲得了3組年齡((255±3)、(248±4)和(241±1)Ma)[41]，但選取(248±4)Ma作為巖體形成年齡的原因并未做深入解釋。因此，該巖體的真實(shí)年齡仍然存疑。李強(qiáng)等利用LA-ICP-MS重新測(cè)定鋯石U-Pb年齡為(261.4±2.1)Ma[42]，對(duì)其原始數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，筆者認(rèn)為該年齡更為可靠。而該年齡明顯老于大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體邊緣帶白云母40Ar/39Ar年齡((248.4±2.1)Ma[39])以及鈮鉭鐵礦U-Pb年齡((239.6±3.8)Ma[38])。因此，花崗巖與偉晶巖的年齡差值也支持偉晶巖侵位時(shí)花崗巖圍巖溫度已較低的假設(shè)。由于偉晶巖熔體通常具有相對(duì)低的溫度(≤750 ℃)[18]和較小的熔體規(guī)模，難以同化圍巖，與較冷花崗巖圍巖接觸后結(jié)晶可形成清晰截然的接觸關(guān)系。此外，似斑狀黑云母花崗巖斜向節(jié)理中亦可見(jiàn)偉晶巖脈體與席理侵位的偉晶巖聯(lián)通[圖5(b)]。因?yàn)橄矶嗥叫杏诨◢弾r穹窿曲面，這些斜向節(jié)理可能為偉晶巖熔體進(jìn)入花崗巖席理的重要通道[圖8(a)]。

最后，與大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖侵位模式不同，鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖侵位于白云母花崗巖內(nèi)部斷層時(shí)，白云母花崗巖仍可能是未完全冷卻的塑性狀態(tài)[圖8(b)]，這可以解釋偉晶巖與白云母花崗巖之間的漸變接觸關(guān)系[圖5(f)]。鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖的鈮鉭鐵礦U-Pb年齡((250.8±1.0)Ma)與緊鄰的白云母花崗巖獨(dú)居石U-Th-Pb年齡((252.9±1.9)Ma[44])在分析誤差范圍內(nèi)一致，并且兩種礦物的U-Pb體系封閉溫度接近(表1)。這也說(shuō)明偉晶巖熔體侵位時(shí)，白云母花崗巖仍具有較高溫度。

綜上所述，大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖和鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖代表兩種不同類(lèi)型的侵位模式(圖8)。由于花崗巖圍巖在偉晶巖熔體侵位時(shí)的溫度不同，根據(jù)熱傳導(dǎo)冷卻模型[17]，偉晶巖的冷卻過(guò)程及時(shí)長(zhǎng)都會(huì)受此因素影響。

4.2 偉晶巖的結(jié)晶歷史

London基于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究，提出偉晶巖熔體的過(guò)度冷卻模型[15]。根據(jù)這一模型，當(dāng)偉晶巖熔體與圍巖之間的溫差越大，過(guò)度冷卻越容易發(fā)生，且冷卻速率越大[17]。規(guī)模較小的偉晶巖(厚度為1～25 m)可于5天內(nèi)至75年的時(shí)間冷卻至固相線(xiàn)以下100 ℃～250 ℃；而規(guī)模較大的偉晶巖(如加拿大Tanco偉晶巖)，(厚度約為100 m)由700 ℃的侵位溫度冷卻至450 ℃所需時(shí)間約為1 000年[16,21]。但是，通過(guò)對(duì)大喀拉蘇和鏡兒泉地區(qū)侵位于花崗巖的稀有金屬偉晶巖研究，筆者認(rèn)為這兩處稀有金屬偉晶巖的冷卻結(jié)晶可能并非迅速完成。

巖體與偉晶巖規(guī)模未按比例顯示圖8 偉晶巖侵位模式示意圖Fig.8 Schematic Views of Emplacement Models for Pegmatites

邊緣帶樣品WZ鈮鉭鐵礦數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[38];圖件引自文獻(xiàn)[28]圖9 大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖鈮鉭鐵礦206Pb/238U年齡-207Pb/235U年齡圖解Fig.9 Diagram of Columbite 206Pb/238U Ages-207Pb/235U Ages from Dakalasu No.1 Pegmatites

當(dāng)形成大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖的熔體侵位時(shí)，作為圍巖的似斑狀黑云母花崗巖在經(jīng)歷超過(guò)10 Ma的冷卻時(shí)間后，其溫度應(yīng)遠(yuǎn)低于偉晶巖熔體溫度。根據(jù)London的冷卻模型[17]，此時(shí)巨大的溫差導(dǎo)致偉晶巖熔體發(fā)生快速冷卻，而偉晶巖脈體邊緣帶應(yīng)當(dāng)最先開(kāi)始冷卻。年代學(xué)資料顯示(表1)，大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體邊緣帶的白云母40Ar/39Ar年齡為(248.4±2.1)Ma[39]，老于同處于邊緣帶的鈮鉭鐵礦U-Pb年齡((239.6±3.8)Ma[38])。白云母K-Ar同位素體系通常具有較低的封閉溫度，而且也易于受后期擾動(dòng)發(fā)生重置，其年齡往往比同一偉晶巖分帶中鈮鉭鐵礦及錫石U-Pb同位素年齡要年輕[77]。從區(qū)域地質(zhì)資料來(lái)看，大喀拉蘇巖體除被三疊紀(jì)偉晶巖侵入以外，未遭受變形變質(zhì)[42]。因此，該白云母K-Ar同位素體系應(yīng)未受到重置，(248.4±2.1)Ma可以作為一個(gè)重要的參考年齡。值得注意的是，Zhou等獲得的年代學(xué)數(shù)據(jù)[38]顯示，邊緣帶的鈮鉭鐵礦具有兩個(gè)明顯的年齡段(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[38]中圖7所示樣品12DKLS-10的U-Pb年齡諧和曲線(xiàn))，所有分析點(diǎn)的加權(quán)平均年齡為(239.6±3.8)Ma。將其年齡數(shù)據(jù)重新處理后(剔除不諧和的分析點(diǎn))，得到兩個(gè)年齡分別為(247.0±3.4)Ma和(233.8±2.9)Ma(圖9)，前者與王登紅等獲得的年齡[39]在誤差范圍內(nèi)一致，后者則接近1號(hào)偉晶巖脈體中間帶的鈮鉭鐵礦U-Pb年齡((228.4±0.3)Ma)。Zhou等的定年結(jié)果[38]可能意味著邊緣帶中具有兩期鈮鉭鐵礦。由于Zhou等并未給出鈮鉭鐵礦U-Pb定年分析點(diǎn)在礦物的具體位置(如核部或邊部)[38]，這一解釋僅為基于其年齡數(shù)據(jù)的推測(cè)。盡管如此，現(xiàn)有年齡數(shù)據(jù)仍清晰地表明大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體邊緣帶與中間帶結(jié)晶時(shí)代存在顯著的差距(20～11 Ma)，該偉晶巖結(jié)晶過(guò)程較為漫長(zhǎng)。

綜上所述，大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體邊緣帶由鈮鉭鐵礦U-Pb同位素體系的封閉溫度冷卻至白云母K-Ar同位素體系封閉溫度((350±50)℃)經(jīng)歷時(shí)間極短，但中間帶的結(jié)晶卻明顯晚于邊緣帶[圖10(a)]，說(shuō)明過(guò)度冷卻現(xiàn)象可能僅發(fā)生于邊緣帶。大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖脈體邊緣帶與中間帶之間顯著的年齡差異可能表明：①前人所用的冷卻模型中，偉晶巖(尤其對(duì)于侵位于花崗巖中的偉晶巖)的熱擴(kuò)散率數(shù)值范圍(如0.020～0.005 cm2·s-1[19]和0.001 66 cm2·s-1[78])需要重新考慮；②鈮鉭鐵礦中U-Pb同位素體系的封閉溫度需要準(zhǔn)確測(cè)定。通常認(rèn)為鈮鉭鐵礦U-Pb同位素體系的封閉溫度較高[29,79]，如Li等給出的封閉溫度范圍為500 ℃～700 ℃[45]，但目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)測(cè)定鈮鉭鐵礦U-Pb同位素體系的封閉溫度及U、Pb在鈮鉭鐵礦中的擴(kuò)散速率。因此，鈮鉭鐵礦U-Pb同位素體系所代表偉晶巖的結(jié)晶具體階段仍需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究加以確認(rèn)。

圖中所引用年齡數(shù)據(jù)及各類(lèi)同位素體系的封閉溫度見(jiàn)表1圖10 偉晶巖自侵位冷卻至白云母K-Ar同位素體系封閉溫度的時(shí)間記錄Fig.10 Time Records from Emplacement Cooling to Closed Temperature of Muscovite K-Ar Isotope System for Pegmatites

根據(jù)Muhtar等提供的鏡兒泉二云母花崗巖及白云母花崗巖全巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)[43-44]，利用鋯石飽和溫度計(jì)[80]估算出二云母花崗巖和白云母花崗巖可能的結(jié)晶溫度分別為674 ℃和637 ℃。鏡兒泉白云母花崗巖的獨(dú)居石U-Th-Pb年齡與1號(hào)鋰輝石偉晶巖的鈮鉭鐵礦U-Pb年齡相近[圖10(b)]?？紤]鈮錳礦的結(jié)晶溫度(約645 ℃[3])以及可能的U-Pb同位素體系封閉溫度，形成1號(hào)鋰輝石偉晶巖的花崗質(zhì)熔體在侵位時(shí)，花崗巖圍巖仍具有較高的溫度。這同偉晶巖與花崗巖之間的漸變接觸關(guān)系相符。從已有年齡資料分析，鏡兒泉偉晶巖在(252.9±1.9)～(246.0±2.0)Ma時(shí)間段內(nèi)，地殼都維持在較高的地?zé)崽荻?，產(chǎn)出輝長(zhǎng)巖及各類(lèi)花崗巖侵入體[圖10(b)]。顧連興等認(rèn)為這一時(shí)間段是黃山—鏡兒泉地區(qū)一次重要的區(qū)域熱-成礦事件，地殼熱異常源于幔源巖漿的內(nèi)侵[62]。當(dāng)偉晶巖和花崗巖侵位時(shí)代接近時(shí)，巖體自身的冷卻及當(dāng)時(shí)的區(qū)域地?zé)崽荻葻o(wú)疑會(huì)制約偉晶巖的冷卻時(shí)間，影響熱擴(kuò)散率的修正。而熱擴(kuò)散率的數(shù)值設(shè)定，對(duì)計(jì)算偉晶巖冷卻時(shí)間具有重要影響[19,78]。Müller等也認(rèn)為，挪威南部Evje-Iveland偉晶巖長(zhǎng)達(dá)至少5 Ma的結(jié)晶歷史可能是偉晶巖結(jié)晶溫度(約600 ℃)和圍巖溫度(至少550 ℃～600 ℃)非常接近所致[5]。已有年齡資料顯示，鏡兒泉2號(hào)含綠柱石偉晶巖記錄的白云母40Ar/39Ar年齡為(243.0±2.0)Ma[24]，表明該地區(qū)溫度降至白云母K-Ar同位素體系封閉溫度可能經(jīng)歷了至少3 Ma[圖10(b)]。因此，鏡兒泉稀有金屬偉晶巖的結(jié)晶過(guò)程并非過(guò)度冷卻下發(fā)生的快速結(jié)晶。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于稀有金屬偉晶巖野外地質(zhì)觀(guān)察，偉晶巖與花崗巖圍巖的接觸關(guān)系體現(xiàn)了偉晶巖熔體侵位時(shí)花崗巖圍巖所處的熱狀態(tài)。大喀拉蘇稀有金屬偉晶巖在花崗巖圍巖處于較低溫度下侵位于其席理等節(jié)理中，偉晶巖與圍巖之間呈現(xiàn)截然接觸關(guān)系且邊緣富集揮發(fā)分跡象顯著(如大量半定向排列自形電氣石)；而鏡兒泉稀有金屬偉晶巖侵位時(shí)，花崗巖圍巖仍處于較高溫度并可能保持塑性狀態(tài)，二者呈現(xiàn)漸變接觸關(guān)系。因此，這兩處偉晶巖代表兩類(lèi)不同的稀有金屬偉晶巖侵位模式。

(2)年代學(xué)研究顯示：大喀拉蘇1號(hào)偉晶巖侵位時(shí)代明顯晚于花崗巖形成時(shí)代，二者差距大于10 Ma，花崗巖圍巖經(jīng)歷較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，與較冷花崗巖接觸時(shí)，偉晶巖脈體邊緣帶中易出現(xiàn)過(guò)冷快速結(jié)晶現(xiàn)象；而鏡兒泉1號(hào)鋰輝石偉晶巖侵位與花崗巖形成時(shí)代相近，其冷卻受花崗巖圍巖及區(qū)域地?zé)崽荻戎萍s。因此，偉晶巖快速冷卻結(jié)晶的模型能否適用于不同類(lèi)型偉晶巖(尤其是侵位于花崗巖內(nèi)部的偉晶巖)，需要慎重考慮。此外，文象結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是過(guò)度冷卻的重要標(biāo)志之一[3,18]，但上述實(shí)例表明偉晶巖在過(guò)度冷卻及緩慢冷卻時(shí)均有可能形成文象結(jié)構(gòu)。

謹(jǐn)以拙作獻(xiàn)禮長(zhǎng)安大學(xué)七十周年華誕。二十載光陰轉(zhuǎn)瞬即逝，但大學(xué)初入母校時(shí)的場(chǎng)景仍歷歷在目！在母校求學(xué)的四年光陰是我人生路上一段重要而美麗的風(fēng)景！大學(xué)生活時(shí)而熱鬧，時(shí)而靜謐。熱鬧的是宿舍里的把酒言歡、操場(chǎng)上的揮汗如雨；靜謐的是圖書(shū)館中的博覽群書(shū)、自習(xí)室里的伏案苦讀。在這熱鬧而靜謐的大學(xué)校園里，我逐步走入地學(xué)殿堂，在地質(zhì)力學(xué)、波浪鑲嵌構(gòu)造等學(xué)說(shuō)中領(lǐng)略地學(xué)大師們的家國(guó)情懷。本科畢業(yè)后，我從雁塔邁進(jìn)燕園求學(xué)，再輾轉(zhuǎn)于加拿大南部邊陲小城和沐浴北極光的黃刀市開(kāi)展地質(zhì)研究。我一直深深感受到在母校所學(xué)的知識(shí)、技能讓我受益終生，母校“弘毅明德，篤學(xué)創(chuàng)新”之精神深種我心！此外，新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘探局張自忠等在野外工作中給予了很大幫助，在此表示感謝！