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邓庚辛,July 5, 2024
Li-Cs-Ta（LCT）型花岗伟晶岩作为一类普遍具有较高品位且分布广泛的Li矿床（图1a），供应了全球约一半的Li产量（Benson et al., 2017），是未来Li矿勘探的主要目标。探究LCT型花岗伟晶岩的岩石成因对于理解Li和其他稀有金属的富集机制至关重要。
目前关于LCT型花岗伟晶岩初始熔体的性质，特别是H2O和助熔组分（B、F、P等）的作用，还存在很大争议。以组分带纯化模型为代表的一类观点认为初始伟晶岩熔体具有与母体花岗岩相似的成分特征，H2O和助熔组分仅仅在晶体结晶前锋的边界熔体层中起到局部降低粘度和提高元素扩散能力的作用。除少数含晶洞的伟晶岩外，单独的含水流体相被认为不必要甚至不可能出现（London, 2018）。相反，另一类观点则认为初始伟晶岩熔体是由岩浆流体与硅酸盐熔体混溶形成的单相超临界流体，因而具有非常高的初始H2O和稀有金属含量（Thomas and Davidson, 2016）。
针对上述科学问题，中国科学技术大学黄方教授课题组和南京大学许志琴院士团队联合开展研究，测量来自川西甲基卡伟晶岩田的3000米科学钻孔样品的Ba同位素组成。Ba在花岗质岩浆演化过程中表现相容性和流体活动性，已有的研究表明Ba同位素具有区分结晶分异和岩浆流体效应的巨大潜力。甲基卡伟晶岩田内的500余条花岗伟晶岩脉在空间上围绕核部的二云母花岗岩成群分带产出，各带之间具有明显的岩性和稀有金属矿化特征变化。Li矿化主要发育于外围的Ⅳ和Ⅴ带及一些Ⅲ带伟晶岩脉体内，构成了我国最大的硬岩型Li矿床（图1b）。本研究所使用的钻孔样品接近母体花岗岩深部的主体部分，为我们探究伟晶岩系统的初始成分特征提供了良好的研究对象。
图1. (a)全球代表性Li矿床的位置及品位。(b)甲基卡伟晶岩田地质图。
测量结果显示，大多数甲基卡伟晶岩具有比围岩和上陆壳平均值显著更低的δ138/134Ba，这无法用围岩混染解释，也不支持富Li变沉积岩源区低程度部分熔融的成因模式。从母体花岗岩向伟晶岩熔体演化过程中富Ba矿物的分离结晶虽然可以解释部分伟晶岩比花岗岩更高的δ138/134Ba，但是无法解释大多数伟晶岩的低δ138/134Ba。基于前人实验获得的热液流体与硅酸盐熔体之间的Ba同位素分馏系数，这些极低的δ138/134Ba最可能是岩浆流体大量加入伟晶岩系统的结果。进一步结合瑞利分馏和质量平衡计算发现，大多数甲基卡伟晶岩的Ba元素和同位素组成特征需要其中含有10-40%的岩浆流体（图2）。这远高于典型花岗质岩浆中的流体组分含量，但是与超临界流体模型主张的初始伟晶岩熔体水含量范围相似。已有的甲基卡伟晶岩熔体/流体包裹体研究得到的成分特征和捕获条件也符合前人通过实验确定的长英质熔体与流体完全混溶的临界条件。因此，深部伟晶岩的Ba同位素特征明确表明，岩浆流体控制了LCT型花岗伟晶岩初始熔体的整体成分特征和性质，Ba同位素可以用来研究与伟晶岩系统相关的超临界流体活动。
图2. δ138/134Ba vs. (a) Ba、(b) Ba/Rb和(c) Nb/Ta，及(d)模拟计算结果。
尽管花岗伟晶岩型Li矿床对于保障未来Li资源供应至关重要，其背后的Li富集机制仍然不清楚。Ba同位素研究揭示，在LCT型花岗伟晶岩成岩过程中，岩浆流体是提取、富集和运输Li的关键介质（图3）。大型超大型伟晶岩Li矿床主要产于超大陆聚合相关的碰撞造山带内，其中加厚的地壳意味着更加广泛的壳内岩浆作用。在穿地壳岩浆系统背景下，储存于浅部岩浆储库中的热液流体代表了较大垂向范围内发生的岩浆分异和流体出溶作用整合的产物。在这种情况下，向上运移汇聚的岩浆流体可以从整个岩浆系统范围内提取助熔组分和流体活动性稀有金属元素，为浅部伟晶岩成岩成矿提供额外的物质来源。同时，随着初始单相超临界流体侵位后发生相分离，Li可以进一步随富H2O熔体/流体相运移到远离母体花岗岩的位置成矿，与伟晶岩型Li矿区普遍的空间分带特征一致。因此，碰撞造山带内具有高Li含量的高分异花岗岩的更高和/或更远处围岩中可能发育富Li伟晶岩，这可能是伟晶岩型Li矿床的有效勘探策略。
图3. 岩浆流体在壳内物质运移和花岗伟晶岩成岩成矿过程中的作用示意图。
该工作于近日以“Barium isotope evidence for a magmatic fluid-dominated petrogenesis of LCT-type pegmatites”为题，发表在地球科学领域国际著名学术期刊Geochemical Perspectives Letters上。中国科学技术大学博士后邓庚辛为论文第一作者，黄方教授为通讯作者，共同作者包括姜鼎盛特任副研究员、南京大学许志琴院士和李广伟教授。本研究得到了中国博士后科学基金（2023M733364）和国家自然科学基金（42303006）的支持。