新疆西昆仑509道班西锂矿伟晶岩石英变形特征、温度及其对伟晶岩就位的约束
霍海龙1,2，陈正乐1,2,3,4，张青1,2，王永1,2，马华东4,5，王威3,4，张文高1,2,3，李永6，韩凤彬1,2，杜晓飞4,5，闵壮1，孟祥鹏1
1 中国地质科学院地质力学研究所
2 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室
3 自然资源部深地科学与探测技术实验室
4 新疆自然资源与生态环境研究中心
5 新疆维吾尔自治区人民政府国家305项目办公室
6 新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地质矿产勘查研究院
第一作者：霍海龙，博士，助理研究员，主要从事矿田构造研究工作。
通讯作者：陈正乐，博士，研究员，主要从事矿田构造研究工作。
509道班西大型锂矿床，位于西昆仑造山带大红柳滩锂矿集区内，是一处新发现的典型伟晶岩型锂矿床，研究其成矿机制和伟晶岩演化过程对认识整个西昆仑成矿带的成矿作用具有重要意义。
作为花岗伟晶岩中的重要矿物，石英是追踪伟晶岩成矿作用过程的理想对象。本文通过对509道班西锂矿床糜棱岩化伟晶岩脉进行变形组构分析、石英包裹体测温和石英Ti温度计计算，揭示了与伟晶岩就位相关的大陆地壳变形过程中流体的热力学演化过程，并探讨了韧性变形对区域找矿的启示意义。
研究发现，糜棱岩化伟晶岩中锂辉石、斜长石等矿物主要以脆性破裂为主，具有刚体变形的特征；石英主要发育膨凸重结晶现象，细小的新晶体在较大的石英条带边部形成，可见石英残斑，并具有亚颗粒旋转现象，部分发育核幔构造；白云母普遍变形成云母鱼。
研究表明，糜棱岩化伟晶岩的变形温度为300～400℃，石英Ti温度计得出的变形温度为371～398℃和351～377℃。伟晶岩中石英包裹体的均一温度平均为260～283℃，可能记录了石英变形晚阶段的温度。伟晶岩在侵位过程中经历了一期强烈的低温、高应变速率的韧性变形，伟晶岩就位是快速冷却过程的产物，在高应力和较低温度条件下，动态重结晶（GBM）导致的晶粒粒径减小严重改变了岩石的流变学性质；从～400℃到～260℃的超冷却过程（ΔT=±140℃）中，造成伟晶岩中矿物结晶新核迅速减少，更有利于形成粗大的石英等矿物颗粒，形成伟晶岩脉所有显著特征和独特的岩石结构和矿物组合的空间分带，超冷却在伟晶岩就位过程中具有重要的作用。
本文研究成果提高了伟晶岩型锂矿成矿机制和伟晶岩演化过程的认识，对指导锂矿勘查具有积极作用。
基金项目：国家自然科学基金项目(42172258，42072227)；国家重点研发计划项目(2021YFC2901904，2021YFC2901805)；新疆维吾尔自治区重大专项项目(2023A03002)；中国铀业有限公司-东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目(NRE2021-01)；中国地质调查局地质调查项目(DD20221660-3，DZLXJK202206)
0 引言
1 区域地质背景
2 矿床地质特征
2.1 矿区地质
2.2 花岗伟晶岩特征
3 花岗伟晶岩中石英的变形特征
4 流体包裹体研究
4.1 岩相学
4.2 拉曼光谱特征
4.3 显微测温分析
5 花岗伟晶岩石英Ti温度计测试
6 讨论
6.1 花岗伟晶岩变形温度的约束
6.2 花岗伟晶岩变形与成矿作用
7 结论
锂（Li）作为重要的稀有金属元素之一，对国家经济和国防安全至关重要，目前对于锂元素的超常富集机制认识较浅，严重制约着其资源的预测评价。随着大红柳滩锂矿、白龙山锂矿、509道班西锂矿和雪凤岭锂矿等一系列锂（铍）矿床的发现，形成了西昆仑大红柳滩−白龙山巨型伟晶岩型锂多金属成矿带。作为大红柳滩地区典型的锂多金属矿床，相关学者对509道班西锂矿进行了精细的年代学、地质特征和成矿物质以及成矿流体研究。研究表明，509道班西锂矿主要赋存于花岗伟晶岩中，与成矿关系密切的白龙山花岗岩形成于215～208Ma，伟晶岩中铌钽铁矿、独居石和锡石的U-Pb年龄为210～200Ma。这些认识为进一步理解花岗伟晶岩型锂元素成矿过程提供了重要的参考。
石英是花岗伟晶岩中的主要矿物，其广泛的存在性、较强的抗蚀性和丰富的微量元素等特征，使其成为追踪伟晶岩成矿作用过程的理想对象，并可以指示不同的矿化潜力。但与锂辉石、锂云母等矿物相比，目前对伟晶岩中石英的研究较少。近年来，随着激光质谱仪的广泛使用，对石英原位化学成分的研究日益增多。花岗伟晶岩中石英的变形特征记录了伟晶岩的流变学过程，石英中广泛发育的微量元素（Ge、Rb、B和Be等）与熔体的分离程度关系密切，Ti元素浓度对温度较为敏感，Al元素含量可能与伟晶岩母岩的性质有关（S型或者A型）。
文章通过系统分析509道班西地区花岗伟晶岩中石英的微量元素和流体包裹体特征，获得了花岗伟晶岩成岩与成矿过程中的温压条件、流体化学组成以及流体来源与演化等信息，结合石英Ti温度计结果，查明了花岗伟晶岩成矿过程中的石英变形行为。
大红柳滩地区区域上以库地蛇绿岩带、麻扎−康西瓦断裂带为界，分为北昆仑地体、南昆仑地体和甜水海地块（图1a）。前寒武纪地层主要包括甜水海岩群、赛图拉岩群和康西瓦岩群，均属于强变形的变质岩组合。晚古生代—中生代沉积地层主要包括黄羊岭群和巴颜喀拉山群。其中，509道班西矿区主要发育巴颜喀拉山群，总体呈北西向不规则带状展布，为一套浅变质碎屑岩夹少量碳酸盐岩建造；北部与康西瓦岩群呈断层接触关系，南部与甜水海岩群呈断层接触关系（图1b）。区内断裂发育，以北西向断裂最为发育，特别是区域性的麻扎−康西瓦断裂是区内主要的控矿断裂，控制了区内地层和岩浆岩的分布，区内发育的三叠纪赛图拉岩体、大红柳滩岩体和泉水沟岩体等空间展布均受其影响。其中，大红柳滩花岗岩岩体作为509道班西矿区最主要的侵入岩体，呈北西—南东向展布，具有明显的岩相分带，主要包括石英闪长岩、二长花岗岩和二云母花岗岩3类。锆石U-Pb年代学研究表明，大红柳滩闪长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为209.9Ma、二长花岗岩的锆石U-Pb年龄为199~220Ma、二云母花岗岩的锆石U-Pb年龄为209Ma，大红柳滩花岗岩形成于晚三叠世古特提斯洋闭合后的后碰撞−后造山阶段。
a—西昆仑及邻区大地构造图；b—大红柳滩地区地质图
区域上，含稀有金属的伟晶岩脉主要集中于康西瓦−大红柳滩一带，被麻扎−康西瓦断裂和大红柳滩断裂所夹持。稀有矿化的伟晶岩脉主要出露于大红柳滩岩体与三叠系巴颜喀拉山群的外接触带中，主要包括大红柳滩锂矿、白龙山锂矿、509道班西锂矿和雪凤岭锂矿等锂（铍）矿床。其中，509道班西锂（铍）矿床位于大红柳滩岩体的东南部，伟晶岩脉体围绕三叠纪岩体成群成带出现，呈透镜状、串珠状产出，多数顺层侵入，脉长大于25m的伟晶岩脉达1000多条，其中含锂辉石、锂云母伟晶岩脉一般长5～1000m、宽1～30m，由微斜长石及斜长石、石英、云母和少量电气石、石榴石组成（图1b，图2）。
图2 西昆仑509道班西地质和典型勘探线剖面图
a—509道班西地质简图；b—典型勘探线剖面图
509道班西锂矿区及其周边岩浆活动频繁，断裂发育，岩石变形强烈，热接触交代变质作用和区域变质作用明显。矿区出露地层为二叠系下—中统黄羊岭群、三叠系巴颜喀拉山群（TB）、新近系泉水沟组（N2q）及第四系（Q），其中巴颜喀拉山群为矿区主体地层，也是区内主要的赋矿层位（图2）。509道班西矿区内地层整体呈一单斜构造，北西—南东向展布，走向为NW290°～315°，倾向以北东向为主，倾角为50°~80°；局部地层倾向为195°～220°，倾角为40°～60°。在区域东南部可见层间对称型、宽缓型褶皱构造（图3）。
图3 509道班西锂矿构造剖面与岩脉野外特征（剖面位置见图2）
a—剖面特征；b—花岗伟晶岩与石英闪长岩呈互层状产出；c、d—巴颜喀拉山群浅变质岩与花岗伟晶岩接触关系
509道班西矿区岩浆活动强烈，酸性侵入岩发育，主要分布在矿区的南部一带，属于大红柳滩岩体的一部分，岩性主要为二云母花岗岩、黑云母花岗闪长斑岩和中—细粒石英闪长岩。矿区内脉岩包括花岗伟晶岩脉和石英脉极为发育，以花岗伟晶岩脉为主，主要分布在大红柳滩岩体内和外接触带处（图3）。
509道班西矿区内花岗伟晶岩脉主要分布在晚三叠世二云母花岗岩和石英闪长岩等的外接触带，脉体侵位于三叠纪巴颜喀拉山群，出露形态复杂多变，呈脉状、似层状、透镜状、囊状和分叉树枝状，在走向上可见尖灭再现、分支复合等特征（图3b—3d）。脉体走向以北西—南东向为主，主体倾向北东，部分呈南西缓倾。
靠近大红柳滩岩体的花岗伟晶岩脉通常不含锂辉石矿物，含矿花岗伟晶岩脉主要集中在岩体与地层接触带的0～500m范围内，总体倾向呈南西向，少量为北东倾向。花岗伟晶岩脉主要呈浅灰色，花岗伟晶结构，碎裂、块状构造；岩石中主要矿物为钠长石（32%）、石英（35%）、斜长石（26%）、电气石（5%～10%）和少量白云母等（图4），矿物粒度大小不等，伟晶大小一般为3～5cm，个别达10cm以上，伟晶岩脉因遭受挤压明显具有碎裂结构。靠近岩体外接触带500～1500m范围内的花岗伟晶岩脉常含锂辉石矿物，表现出近岩体脉体分布密集、远离岩体则脉体分布稀疏的特征。含锂辉石脉体主要为花岗伟晶结构，块状构造；其主要矿物锂辉石（10%～25%）的单个晶体大小在几厘米至几十厘米不等，一般呈长板状；此外，石英含量为25%~30%、斜长石含量为20%~25%、钾长石约为10%，另含有少量白云母、电气石、磷灰石和石榴子石等；受区域构造应力影响强烈，锂辉石晶体局部变形、碎裂、重结晶。（不）含矿花岗伟晶岩脉在地表一般表现为节理、裂隙发育，或局部弯曲，深部钻孔显示压熔、重结晶。
图4 509道班西锂矿花岗伟晶岩中的典型矿物特征
a—脉状伟晶岩；b—锂辉石巨晶；c—边部发育细晶花岗岩和电气石；d—过渡带发育长石、石英；e—核部发育石英颗粒；f—电气石布丁化
509道班西花岗伟晶岩内部具有较好的分带性，从围岩到核部依次可以分为：围岩、边部、过渡带和核部（图5）。其中，围岩与伟晶岩接触的边部常发育细粒花岗岩薄层（厚度为1~3cm；图4c，图5a），主要矿物为细粒长石−石英−白云母（图5a、5b）；过渡带常以发育梳状结构为特征，钾长石、电气石和云母等矿物晶体颗粒较边部有所增大；进一步向内常发育有更大的钾长石和石英晶体，局部可见较大的绿柱石和石榴子石等晶体，晶体大小均匀；核部常发育个数更少和颗粒更大的矿物晶体，尤其以石英颗粒较常出现（图4e）。
图5 509道班西锂矿伟晶岩典型矿物分带特征和模式图
Pl—斜长石;Tur—电气石;Qz—石英;Brl—绿柱石;Grt—石榴子石;Ms—白云母a—矿物分带野外特征；b—矿物分带模式图
509道班西锂矿床中铌钽铁矿、独居石等成矿年代学研究表明，花岗伟晶岩与区域上的二云母花岗岩、石英闪长岩形成时代一致，属于同源花岗岩分异演化的产物。在靠近大红柳滩岩体位置，石英闪长岩与花岗伟晶岩成层状、似层状、互层状产出，表明二者存在耦合关系，属于同构造演化的产物（图3a、3c、3d）。在巴颜喀拉山群中，花岗伟晶岩主要呈似层状、脉状产出（图6a、6b)，与围岩界限清晰，围岩主要以褶皱变形为主（图6c），仅在与花岗岩体接触部位可见红柱石等热接触变质矿物（图6d）。野外及显微特征均表明，花岗伟晶岩中的韧性变形仅局限于花岗伟晶岩内部，代表了伟晶岩在就位过程中受温度、压力改变而发生特定冷却过程的变形特征，可以限定花岗伟晶岩就位过程的物理性质。
图6 509道班西巴颜喀拉山群地层及变形特征
a—巴颜喀拉山群中发育树杈状花岗伟晶岩；b—巴颜喀拉山群中发育似层状伟晶岩；c—巴颜喀拉山群褶皱变形；d—接触带发育红柱石等矿物
509道班西（不）含矿花岗伟晶岩均发生韧性变形，其中，花岗伟晶岩中锂辉石、斜长石主要以脆性变形为主，破裂发育，具有刚体变形特征（图7a—7g）。石英主要发育膨凸重结晶（Bulging，BLG）现象（图7a—7g），石英残斑被细粒的重结晶石英颗粒包围，并具有亚颗粒旋转现象，构成石英的核幔构造（图7h、7i）；而白云母普遍变形成云母鱼（图7h、7i）。
图7 509道班西锂矿伟晶岩矿物变形特征
Spd—锂辉石；Pl—斜长石；Qz—石英；Ms—白云母a、b—变形伟晶岩中锂辉石发育脆性破裂，石英发育膨凸重结晶；c—g—斜长石等发育破裂，石英发育膨凸重结晶；h、i—石英颗粒发育亚颗粒旋转现象，并发育“核幔构造”，发育云母鱼
509道班西花岗伟晶岩中石英的流体包裹体普遍较发育，但流体包裹体较小，其与主矿物的界限明显，透明度较好。综合室温下相态分类准则和包裹体冷冻升温过程中的相态变化，结合激光拉曼光谱分析，石英中的流体包裹体可分为4种类型。
（1）纯CO2气体包裏体（Ⅰ）。石英中常见纯CO2的流体包裏体，室温状态下呈单一的气相，多为孤立状产出，呈椭圆形，直径一般为1~5μm，边界明显。
（2）气液两相包裏体（Ⅱ）。石英样品中广泛发育气液两相包裏体，室温状态下该类包裏体由气相和液相组成，多呈椭圆形、不规则形，少量为长条形与负晶形。包裏体体积变化较小，直径一般为2~15μm；气液比变化较大，介于5%～50％。包裏体多沿带状分布（图8）。
图8 509道班西花岗伟晶岩中石英流体包裹体显微照片
𝑉CO2—气相CO2；𝐿CO2—液相CO2；𝐿H2O—液相H2O；𝑉H2O—气相H2O；NaCl—NaCl子矿物a、b—气液两相包裹体；c—富气相包裹体群；d—气液包裹体与富气相包裹体共存；e—富液相包裹体群；f—气液两相包裹体和含子矿物的三相包裹体；g、h—含子矿物的三相包裹体；i—发育在裂隙中的含子矿物的三相包裹体；j—l—含CO2包裹体
（3）H2O-CO2型包裏体（Ⅲ）。该类包裹体在室温状态下呈现气相和液相两相，根据其在降温−冷冻过程中的变化，可以进一步分为不显液相的H2O-CO2型包裏体（ⅢA型）与含液相的H2O-CO2型包裏体（ⅢB型）。这类包裏体数量较少，直径大小为2～8μm，多为椭圆形、不规则形，呈孤立状产出，一般为原生包裏体。
（4）含子矿物的多相包裹体（Ⅳ）。这类包裏体含量极少，呈椭圆形、不规则、矩形产出；比其他类型包裹体大，直径为5～10μm。
典型流体包裹体的激光拉曼分析表明（图9），石英样品中整体以水盐系统的两相流体包裹体为主，包裏体中液相成分主要为H2O；其次为H2O-CO2型，气相成分多为CO2，个别包裹体中发现少量的挥发性气体CH4。
图9 509道班西锂矿花岗伟晶岩中石英包裹体拉曼图谱特征
a、b—CO2气相包裹体；c、d—CO2气相包裹体，且含少量CH4
采用均一法、冷冻法对石英中的流体包裹体进一步开展显微测温分析表明，石英样品的均一温度可分为232~310℃、210~303℃和244~310℃，对应的平均温度为273℃、260℃和283℃（表1）。
为揭示石英条带Ti含量的成分分带，首先对变形花岗伟晶岩样品中的石英进行了阴极发光成像（CL）分析，该实验在锆年领航科技有限公司完成。石英中Ti含量的测定在岩石圈演化国家重点实验室（中国科学院地质与地球物理研究所）完成，实验仪器采用安捷伦电感耦合等离子体−质谱仪（Agilent7900ICP-MS）和GoherentGeolas193nm准分子激光。石英样品表面经过抛光，厚度约为100μm。激光频率为10Hz，能量密度为10J/cm2，光斑尺寸为44μm。质量校准采用NISTSRM610、GSE、BCR-2G外标，每12个分析点分析2次。石英Ti含量结果见表2，Ti含量的不确定度小于10%。
石英的CL图像通常可以反映其Ti浓度的变化。509道班西花岗伟晶岩样品中石英条带的CL图像没有明显的分带性，表明Ti含量在石英变形中达到相对平衡状态（图10）。在Zk2707-9和Zk1107-2样品的石英条带上共分析了64个测试点（表2），并使用Thomas et al.(2010）版本的TitaniQ温度计计算了每个点的变形温度。计算时考虑到显微镜观察不能确定石英是否属于Ti饱和体系，因此将石英样品的TiO2活性（aTiO2）分别设定为1.0、0.8和0.6。同时依据Zhang et al.（2022）估算的压力值，将韧性变形的压力条件设定为3.7kbar。2个样品的石英Ti含量相对均匀（图10），分别为1.03×10−6~7.67×10−6和1.04×10−6~6.75×10−6（表2）；相应地，由TitaniQ温度计计算出的变形温度也相对一致（图10），ZK2707-9样品的平均温度分别为371℃（aTiO2=1）、382℃（aTiO2=0.8）、398℃（aTiO2=0.6）；ZK1107-2样品平均温度为351℃（aTiO2=1）、362℃（aTiO2=0.8）、377℃（aTiO2=0.6）。考虑到与伟晶岩典型矿物发生变形的对应温度范围（图11），结合石英Ti温度计计算结果，此次将石英韧性变形的温度集中在377~398℃（aTiO2=0.6），同时以398℃作为石英韧性变形的温度标准进行探讨。
图10 509道班西锂矿花岗伟晶岩中石英变形温度图解
a—b—石英CL图像及典型测试点；c—d—石英Ti温度计计算结果
图11 不同构造层次典型矿物的变形特征和流体超冷却与晶体成核程度图
a—不同构造层次典型矿物的变形特征（FossenandCavalcante，2017）；b—流体超冷却与晶体成核程度图（LondonandMorgan，2012）
温度是影响岩石流变学性质、进而影响变形组构的关键因素之一。锂辉石、斜长石和石英变形特征的微观证据表明，糜棱岩化伟晶岩发生变形的温度为300～400℃（图11a）。此次石英Ti温度计计算出的变形温度为371~398℃和351~377℃，与微观组构所指示的变形温度范围一致。伟晶岩中石英包裹体的均一温度平均为260~283℃，可能记录了石英变形晚阶段的温度。已有研究表明，花岗伟晶岩就位过程中短时间内温度就可以从398℃降低到260℃（ΔT≈150℃）。文中石英变形温度所显示出的快速冷却过程（ΔT≈150℃）表明，509道班西花岗伟晶岩在就位过程中具有超冷却的特征（图11b）。在高应力和较低温度条件下，动态重结晶（GBM）导致的晶粒粒径减小深刻地改变了岩石流变学性质，也参与了随后的构造演化。重结晶颗粒的大小则主要受成核过程的影响，可能受旧晶粒中亚晶粒或位错细胞大小的控制。
研究表明花岗伟晶岩的就位深度一般在6~9km，509道班西锂矿伟晶岩岩脉的数量在距离三叠纪岩体约1km外迅速减少，侵入于沉积（变质）地层中的伟晶岩脉通常呈透镜状或“X”形，具有较为复杂的空间形态（图2）。
509道班西地区的全岩地球化学和锂同位素研究表明，富锂矿伟晶岩是花岗质岩浆演化晚期阶段流体分离结晶的产物。花岗伟晶岩与围岩接触的边部发育的细粒花岗岩主要由岩浆热液经历二次气液相分离形成的残余熔体过冷却结晶形成。伴随花岗岩岩浆的高度分离结晶作用，富锂伟晶岩在相对封闭的岩浆-热液体系中经历了广泛的矿物−流体相互作用，导致锂辉石等物质的析出和再沉淀过程，而熔体不混熔可能是锂矿超常富集的启动机制。伟晶岩石英条带中的港湾状、锯齿状边界暗示（图4e、4f），伟晶岩的就位是快速冷却过程的产物，而超临界流体快速扩散过程导致锂元素进一步富集。509道班西地区的石榴石地球化学表明，从白云母花岗岩—（无）贫矿伟晶岩—含矿伟晶岩，成矿流体的分异程度逐渐增加，含矿伟晶岩的分异演化程度最高。锂同位素扩散模拟过程表明，高冷却速率有利于富锂伟晶岩的形成；而温度从~400℃降到~260℃的超冷却过程（ΔT=±140℃），会造成伟晶岩中结晶矿物新核的数量较少，更有利于形成粗大的石英等矿物颗粒（图11b，图12），形成的伟晶岩岩脉具有显著的特征和独特的岩石结构和矿物组合的空间分带，超冷却在伟晶岩就位过程中具有重要的作用；因此，超冷却作用对伟晶岩中锂元素的富集和就位同样具有重要意义。
图12 西昆仑地区509道班西花岗伟晶岩就位示意图
Spd—锂辉石；Qz—石英；深度与温度曲线是结合此次研究和王威等（2022）的年代学研究限定的
（1）509道班西锂矿的花岗伟晶岩中锂辉石主要以脆性破裂为主，石英主要发育膨凸重结晶现象，部分发育核幔构造，糜棱岩化伟晶岩的变形温度为300~400℃。伟晶岩中石英Ti温度计计算的变形温度为371~398℃和351~377℃，与微观组构所指示的变形温度范围一致。
（2）花岗伟晶岩石英中的流体包裹体以气液两相为主，液相成分主要为H2O；其次为H2O-CO2型，气相主要为CO2，少量为挥发性气体H2S与CH4。石英包裹体的均一温度平均为260~283℃，可能记录了石英变形晚阶段的温度。而伟晶岩从398℃到260℃的温度差则表明其具有超冷却的特征。
（3）509道班西锂矿伟晶岩的就位是快速冷却过程的产物，超冷却花岗伟晶岩就位过程具有重要的作用，可形成伟晶岩脉所有显著特征和独特的岩石结构和矿物组合的空间分带。
-------END------
原文来源：霍海龙，陈正乐，张青，等，2024.新疆西昆仑509道班西锂矿伟晶岩石英变形特征、温度及其对伟晶岩就位的约束[J].地质力学学报，30（1）：72−87doi：10.12090/j.issn.1006-6616.2023078
文章部分内容来源于青春地矿三院，文中涉及信息仅供参考，如有侵权请告知删除！
