安秀慧，程志國，張招崇，劉秉翔，孔維亮

(中國地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

稀土元素(REE)廣泛應(yīng)用于航空航天、合金材料、機(jī)械制造和信息工程等領(lǐng)域，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“維生素”。隨著人類社會(huì)和高新科技的快速發(fā)展，全球?qū)EE的需求在過去幾十年內(nèi)急劇上升，現(xiàn)已探明的稀土總量已經(jīng)遠(yuǎn)不能夠滿足未來市場(chǎng)的需求(Wengetal., 2016)，這促使世界各國在全球范圍內(nèi)開展大規(guī)模的稀土資源評(píng)估和勘察工作。盡管目前碳酸巖型稀土礦床主導(dǎo)了稀土資源的供應(yīng)，但除白云鄂博外其他礦床的規(guī)模普遍較小，因此地質(zhì)學(xué)家們期望能夠?qū)ふ页龈嗟摹胺莻鹘y(tǒng)”稀土礦床。近幾年來，高分異的高硅流紋巖(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)>70%)的稀土礦化逐漸引起學(xué)者們的注意，這些高硅流紋巖可產(chǎn)出在多種構(gòu)造環(huán)境中，但主要還是與大火成巖省或與造山后伸展環(huán)境相關(guān)的巖漿活動(dòng)有關(guān)，并具有典型的A型花崗巖特征(Pankhurstetal., 2011)。雖然它們的稀土礦石品位相對(duì)碳酸巖型稀土礦床較低，但其通常規(guī)模較大且易提取，因此被認(rèn)為是一種潛在的稀土礦床(Wengetal., 2015； Jowittetal., 2017； Menéndezetal., 2019)。然而，目前有關(guān)高硅流紋巖稀土礦床的成礦機(jī)制還存在著廣泛的爭(zhēng)議，主要觀點(diǎn)包括： ① 硅酸鹽巖漿體系通過巖漿不混溶作用形成富P-REE熔體(Sternetal., 2018； Rusiecka and Baker， 2019)； ② 硅酸鹽巖漿通過強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用導(dǎo)致稀土元素在殘余巖漿中的極度富集繼而結(jié)晶出稀土礦物(Jowittetal., 2017)； ③ 熱液作用(Qiuetal., 2019； Yangetal., 2020)等。

塔里木大火成巖省是我國繼峨眉山大火成巖省后識(shí)別的又一大火成巖省。不同于典型的鎂鐵質(zhì)大火成巖省，塔里木大火成巖省具有長英質(zhì)巖石出露面積大(4.8×105km2， Liuetal., 2014； Xuetal., 2014)、相對(duì)鎂鐵質(zhì)大火成巖省(mafic large igneous province)所占比例高等特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是介于鎂鐵質(zhì)大火成巖省和硅質(zhì)大火成巖省之間的過渡型大火成巖省(Chengetal., 2020)。一些學(xué)者認(rèn)為，富水下地殼的重熔以及玄武質(zhì)巖漿強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用可能是塔里木大火成巖省長英質(zhì)巖石形成的主要機(jī)制(Tianetal., 2010； Liuetal., 2014， 2019； Chengetal., 2020)，但如此大規(guī)模的長英質(zhì)巖石是否存在可能的稀土礦化尚沒有引起關(guān)注。近期，筆者從塔北隆起S42鉆井中的熔結(jié)凝灰?guī)r樣品中識(shí)別出多種富Fe-P-REE的礦物集合體。該種熔結(jié)凝灰?guī)r的SiO2含量變化范圍為69.41%～72.84%，在成分上可以達(dá)到高硅流紋質(zhì)。本文針對(duì)這些富Fe-P-REE的礦物集合體開展了詳細(xì)的礦物學(xué)、巖石學(xué)和原位SIMS氧同位素研究，以探討這些富Fe-P-REE礦物集合體的來源，進(jìn)而為塔里木大火成巖省中的長英質(zhì)巖石的稀土成礦潛力提供新的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景

塔里木克拉通位于中國西北部新疆境內(nèi)，北接天山，南靠昆侖-阿爾金山，是構(gòu)成我國主要構(gòu)造格架的三大克拉通之一(圖1)。塔里木克拉通發(fā)育由前寒武紀(jì)基底和巨厚的顯生宙蓋層構(gòu)成的“雙層”構(gòu)造(Zhangetal., 2013)。由于新生代南亞次大陸和歐亞大陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)，塔里木克拉通經(jīng)歷了一系列構(gòu)造變形并發(fā)育多個(gè)東西走向的坳陷和隆升，從北到南依次是庫車坳陷、塔北隆起、塔北坳陷、塔中隆起和塔西南坳陷等(圖 1， Tianetal.， 2010)。塔里木主要經(jīng)歷了4期巖漿活動(dòng)：新元古代至寒武紀(jì)(774～673 Ma)、奧陶紀(jì)(484～460 Ma)、二疊紀(jì)(300～270 Ma)和中生代(～100 Ma， 姜常義等, 2004； Zhouetal., 2009； Tianetal., 2010；Yuetal., 2011； Geetal., 2012)。其中，早二疊世的巖漿作用形成了26.5×105km2的鎂鐵質(zhì)巖石，包括溢流玄武巖、鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入體、基性巖墻等以及4.8×105km2的長英質(zhì)巖石，從而構(gòu)成大火成巖省事件，即塔里木大火成巖省。

圖 1 中國陸塊分布圖(a)、塔里木大火成巖省地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b, Xu et al., 2014)和鉆井S42的地層柱狀圖(c)Fig. 1 Map showing the distribution of landmasses in China(a), simplified geological map of Tarim large igneous province (b, after Xu et al., 2014) and stratigraphic columnar section of well S42(c)低Nb-Ta流紋巖區(qū)和高Nb-Ta長英質(zhì)巖石分布區(qū)基于Tian et al. (2010)和Liu et al. (2014)發(fā)表的數(shù)據(jù)圈定； 熔結(jié)凝灰?guī)r樣品取自S42鉆孔the fields of low Nb-Ta rhyolite and the high Nb-Ta rhyolite after data published by Tian et al. (2010) and Liu et al. (2014)； samples of ignimbrite (corresponding to high Nb-Ta rhyolite) from well S42

不同于鎂鐵質(zhì)大火成巖省中的長英質(zhì)巖石占比通常小于10%(Bryanetal., 2002； Byran， 2007； Bryan and Ernst， 2008)，塔里木大火成巖省長英質(zhì)巖石占比較高，約20%。根據(jù)石油鉆探和測(cè)井資料，長英質(zhì)巖石主要分布在塔北隆起和塔西南凹陷，以玄武巖夾層產(chǎn)出或上覆于玄武巖層之上，厚度變化范圍在100～300 m之間(Tianetal., 2010； Liuetal., 2014； Chengetal., 2020)。這些長英質(zhì)巖石在巖性上以流紋巖為主，并含有粗面英安巖、安山巖、英安巖和熔結(jié)凝灰?guī)r等巖石(Tianetal., 2010； Liuetal., 2014； Chengetal., 2020)。根據(jù)前人已報(bào)道的鋯石U-Pb年齡，長英質(zhì)巖漿的活動(dòng)時(shí)間從291 Ma至272 Ma，并可被進(jìn)一步劃分為291～283和277～272 Ma兩期(Tianetal., 2010； Liuetal., 2014； Shangguanetal., 2016； Chengetal., 2020)。地球化學(xué)研究表明，塔里木大火成巖省的長英質(zhì)巖石可分為兩類： Group-1型長英質(zhì)巖石具有親地殼的地球化學(xué)特征，如Nb-Ta負(fù)異常，親地殼的微量元素比值(如La/Nb、Ce/Pb和Nb/U值)和富集的Sr-Nd-Hf同位素比值；Group-2型長英質(zhì)巖石具有親地幔的地球化學(xué)組成，如Nb-Ta正異常，親球粒隕石的La/Nb值、Nb/U值和虧損的Sr-Nd-Hf同位素比值(Tianetal., 2010； Liuetal., 2014， 2019； Chengetal., 2020)。這兩種類型的長英質(zhì)巖石被認(rèn)為分別形成于古老地殼的重熔和幔源巖漿強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用，并可能伴隨著一定程度的地殼混染(即AFC過程； Tianetal., 2010； Liuetal., 2014)。Liu 等(2019)和Cheng等(2020)進(jìn)一步指出由于Group-1型的εNd(t)值明顯高于塔里木古老基底，說明其在形成過程中有幔源巖漿的混入，因此提出MASH模型來解釋Group-1型長英質(zhì)巖石的形成機(jī)制。本次研究的熔結(jié)凝灰?guī)r樣品來自于塔北隆起的S42鉆孔，取樣深度5 187～5 191 m(圖1c)，上覆地層為白堊系棕褐色細(xì)砂巖和棕色泥巖，下伏地層不明(未鉆透)，鉆孔中未見流紋巖與玄武巖的接觸關(guān)系。

2 巖相學(xué)特征

熔結(jié)凝灰?guī)r手標(biāo)本呈紅褐色，具有典型的熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，含有巖屑、晶屑和玻屑等，發(fā)育似流紋構(gòu)造(圖2a)。火山碎屑物體積分?jǐn)?shù)為60%～70%，其中，巖屑最為常見，粒徑從0.15 mm×0.15 mm ～15 mm×4 mm不等，具塑性被壓扁拉長呈管狀、渾圓狀或橢圓狀，除少量砂巖巖屑以外，多數(shù)巖屑常發(fā)育包裹結(jié)構(gòu)，具有由石英組成的邊部和磁鐵礦、獨(dú)居石和堿性長石等礦物組成的核部(圖2b、2c)，其中的磁鐵礦可呈針狀產(chǎn)出，顯示出淬火結(jié)構(gòu)，獨(dú)居石呈他形分布于堿性長石和磁鐵礦等礦物粒間。晶屑主要由石英、堿性長石、磁鐵礦等組成。其中，石英晶屑最為常見，部分發(fā)育溶蝕結(jié)構(gòu)呈港灣狀、渾圓狀，粒徑變化范圍為0.1～2 mm，可見石英包裹獨(dú)居石和黃鐵礦(圖2d)。堿性長石呈板狀，發(fā)育卡式雙晶，粒徑變化范圍為0.2 mm×0.3 mm～0.6 mm×1.2 mm。一些堿性長石發(fā)育球顆構(gòu)造，球顆的直徑為100～400 μm，主要由長石、磁鐵礦等礦物組成，可明顯地看到層狀的長石包裹弧狀的磁鐵礦(圖2e)。磁鐵礦呈粒狀產(chǎn)出，粒徑變化范圍0.2～1 mm。膠結(jié)物由細(xì)小的火山灰組成，可見金紅石、磷灰石、獨(dú)居石等礦物密切共生，一起構(gòu)成富Fe-P-REE的礦物集合體(圖2f)。

圖 2 熔結(jié)凝灰?guī)r的鏡下照片F(xiàn)ig. 2 Photomicrographs of ignimbrite a—假流動(dòng)構(gòu)造，單偏光； b—巖屑發(fā)育石英邊和由磁鐵礦+堿性長石+獨(dú)居石組成的核部，單偏光； c—巖屑發(fā)育石英邊和由磁鐵礦+堿性長石+獨(dú)居石組成的核部， BSE圖像； d—晶屑石英包裹著針狀黃鐵礦、堿性長石和獨(dú)居石，BSE圖像； e—呈球顆狀的堿性長石， 包裹弧形磁鐵礦，BSE圖像； f—磷灰石、獨(dú)居石、金紅石、磁鐵礦和石英共生，在熔結(jié)凝灰?guī)r基質(zhì)中構(gòu)成富Fe-P-REE礦物集合體， BSE圖像； Afs—堿性長石； Qtz—石英； Mag—磁鐵礦； Rt—金紅石； Ap—磷灰石； Mnz—獨(dú)居石a—pseudoflow structure, plainlight； b—lithoclast consisting of quartz rim and magnetite+monazite+alkali feldspar core, plainlight； c—lithoclast consisting of quartz rim and magnetite+monazite+alkali feldspar core, BSE image； d—monazite+pyrite in the quartz phenocryst, BSE image； e—spherulitic alkali feldspar surrounded by arc-like magnetite, BSE image； f—magnetite+monazite+rutile+apatite in the groundmass, BSE image； Afs—alkali feldspar； Qtz—quartz； Mag—magnetite； Rt—rutile； Ap—apatite； Mnz—monazite

3 分析方法

3.1 礦物化學(xué)分析

礦物的主微量元素分別使用電子探針(EMPA)和激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)進(jìn)行分析。電子探針分析在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所進(jìn)行，使用的儀器為具備多譜衍射功能(WDS)的JXA-8230電子顯微鏡，運(yùn)行條件設(shè)定為電壓15 kV，電流20 nA，束斑1～5 μm。測(cè)試結(jié)果經(jīng)ZAF法校準(zhǔn)，精度優(yōu)于1%。石英和磁鐵礦的微量元素分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦床成因與勘查技術(shù)研究中心(OEDC)礦物微區(qū)分析實(shí)驗(yàn)室完成，儀器型號(hào)為Agilent 7900， 并具備PhotonMachines Analyte HE的激光剝蝕系統(tǒng)(其中激光器為193 nm ArF準(zhǔn)分子激光器)。分析束斑采用30 μm，激光波的頻率為10 Hz， 每個(gè)脈沖能量為2 mJ，剝蝕時(shí)間為43 ms， 采集時(shí)間70 s。另外，每7個(gè)測(cè)試點(diǎn)運(yùn)行標(biāo)樣NIST 612一次，測(cè)試結(jié)果使用ICPMSdataCal程序進(jìn)行校準(zhǔn)(Liuetal., 2010)。

3.2 全巖主微量元素和Nd-O同位素

在對(duì)樣品剔除明顯巖屑后，制備全巖200目粉末。主量和微量元素的測(cè)定在國家地質(zhì)測(cè)試中心進(jìn)行。主量元素實(shí)驗(yàn)流程參考Norrish & Chappell(1997)，微量元素分析方法參照Qi等(2000)。主量元素分析采用PW4400型XRF光譜儀。全巖燒失量(LOI)根據(jù)巖石粉末在980℃的火焰持續(xù)加熱30 min的質(zhì)量差所得。微量元素分析采用PE300D電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)。采用兩種標(biāo)樣GSR-1(花崗巖)和GSR-3(玄武巖)進(jìn)行分析質(zhì)量控制。主量元素的誤差小于1%，微量元素的誤差則小于10%。

Sm-Nd同位素實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用Neptune Plus MC-ICP-MS完成。約50 mg的樣品在HF-HNO3-HCl中完全溶解后，在HCl的環(huán)境下通過AG50W-X12樹脂和LN樹脂純化。使用146Nd/144Nd=0.721 9校準(zhǔn)了Nd同位素的質(zhì)量分餾，實(shí)驗(yàn)室的長期參考數(shù)據(jù)Alfa Nd為143Nd/144Nd=0.512 434±20(2σ)。

全巖氧同位素由北京科薈檢測(cè)技術(shù)公司通過BrF5法進(jìn)行分析。樣品在500～680℃下與BrF5反應(yīng)約14 h并生成O2、SiF4和BrF3。采用冷凍法去除SiF4和BrF3后，在700℃的石墨反應(yīng)器中用Pt催化劑將O2轉(zhuǎn)化為CO2。利用MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀對(duì)CO2進(jìn)行采集和分析。標(biāo)樣采用中國國家標(biāo)樣GBW04409和GBW04410，分析精度優(yōu)于±0.2‰。

3.3 石英SIMS氧同位素

石英SIMS原位氧同位素組成由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的Cameca IMS 1280測(cè)定。詳細(xì)的分析方法可參考Li等(2010)。在測(cè)量之前首先通過陰極發(fā)光(CL)圖像來檢查這兩種類型的石英的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)晶屑石英發(fā)育明顯的生長環(huán)帶(圖3a)，而巖屑的石英邊不發(fā)光呈全黑色，無生長環(huán)帶(圖3b)。儀器質(zhì)量分餾系數(shù)(IMF)由石英標(biāo)樣NBS-28和Qinghu校準(zhǔn)，18O/16O的內(nèi)部精度優(yōu)于0.2‰。

圖 3 兩種不同成因的石英CL圖像 Fig. 3 CL image of two kinds of quartza—晶屑石英， 呈淺色， 振蕩生長分帶； b—巖屑石英，呈暗色， 無生長分帶a—quartz phenocryst, with light color and oscillatory growth zoning； b—lithic quartz, with dark color, and without growth zoning

4 分析結(jié)果

4.1 礦物化學(xué)結(jié)果

熔結(jié)凝灰?guī)r中的堿性長石由透長石和正長石組成，其成分變化范圍為Ab2.07～5.83An0～0.65Or94.17～97.28(表1)。磷灰石與獨(dú)居石、金紅石和鐵鈦氧化物密切共生，形成富Fe-P-REE的礦物集合體，EMPA數(shù)據(jù)顯示磷灰石的P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.01%～42.97%，CaO為50.32%～50.82%，F(xiàn)為4.41%～5.24%(表2)。獨(dú)居石的P2O5的含量為17.16%～21.21%，La2O3為5.01%～7.20%，Sm2O3為1.73%～2.01%，Gd2O3為4.54%～5.81%，Ce2O3為27.34%～41.58%， Pr2O3為5.60%～9.91%， Nd2O3為9.03%～13.41%， FeO為8.89%～9.35%， 另外， 還有少量的Al2O3(0.83%～1.16%)和CaO(2.80%～2.91%)(表3)。 巖屑中被石英邊包裹的鐵鈦氧化物主要是含鈦磁鐵礦，其FeO含量為72.78%～88.68%，TiO2含量為0.31%～4.65%，而晶屑鐵鈦氧化物的FeO含量為78.14%～85.09%，TiO2含量變化范圍為0.76%～5.27% (表4)。

表 1 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中的堿性長石主量元素(wB/%)及陽離子含量Table 1 Major element content (wB/%) and cations of the alkali-feldspar in the ignimbrite in T-LIP

表 2 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中磷灰石的EMPA主量元素含量 wB/%Table 2 Major element content of the apatite by EMPA in the ignimbrite in T-LIP

表 3 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中獨(dú)居石的EMPA主量元素含量 wB/%Table 3 Major elements content of the mozanite in the ignimbrite in T-LIP

表 4 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中磁鐵礦的EMPA主量元素含量 wB/%Table 4 Major element content of the magnetite in the ignimbrite in T-LIP

表 5 熔結(jié)凝灰?guī)r中被石英包裹的磁鐵礦微量元素含量wB/10-6Table 5 Trace element content of the magnetite enclosed by quartz in the ignimbrite in T-LIP

4.2 全巖的主量元素和微量元素組成

熔結(jié)凝灰?guī)rSiO2的含量為69.41%～72.84%，Al2O3含量為9.16%～12.32%，TFeO含量為4.99%～9.05%，CaO含量為0.19%～0.51%，TiO2含量為0.37%～0.48%， Na2O含量為1.81%～4.59%，K2O含量為3.85%～5.05% (表7)。熔結(jié)凝灰?guī)r具有典型的高TFeO、低Al2O3和CaO含量的特征。熔結(jié)凝灰?guī)r的稀土總量為562.9×10-6～1 827.0×10-6。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線中，熔結(jié)凝灰?guī)r的稀土元素配分模式呈現(xiàn)出明顯的輕稀土元素富集，(La/Yb)N值為13～46，并可見顯著的Eu負(fù)異常(Eu/Eu*=0.13～0.47； 圖5a)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中，樣品呈現(xiàn)出大離子親石元素(如Rb、Th、U)富集以及高場(chǎng)強(qiáng)元素弱的正異常(如Nb、Ti)(圖5b)。使用Miller等(2003)提出的鋯飽和溫度計(jì)估算的溫度為952～979℃，具有典型的高溫流紋巖特征。

4.3 同位素地球化學(xué)

熔結(jié)凝灰?guī)r的全巖的Nd-O同位素組成在表8中列出，εNd(t)值變化范圍為-0.63～-0.08，δ18OV-SMOW值的變化范圍為5.0‰～7.2‰，與正常地幔值相似(5.5±0.2‰； Matteyetal., 1994； Eiler， 2001)。晶屑石英和巖屑發(fā)育的石英邊SIMS原位氧同位素分析結(jié)果在表9中列出，其中，晶屑石英的δ18OV-SMOW值的范圍為7.23‰～7.84‰，與全巖氧同位素組成基本一致，而巖屑石英的氧同位素明顯偏重，變化范圍為8.63‰～12.27‰(表9)。

表 6 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中石英的微量元素含量wB/10-6Table 6 Trace element content of the quartz in the ignimbrite in T-LIP

表 7 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r全巖主量(wB/%)、微量(wB/10-6)元素含量Table 7 Bulk-rock major (wB/%) and trace (wB/10-6) element compositions of the ignimbrite in T-LIP

表 8 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r全巖Nd-O同位素組成Table 8 Bulk-rock Nd-O isotopic compositions of the ignimbrite in T-LIP

表 9 塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)r中晶屑石英SIMS氧同位素 ‰Table 9 SIMS O isotopic compositions of the ignimbrite in T-LIP

5 討論

塔里木大火成巖省熔結(jié)凝灰?guī)rSiO2的含量可達(dá)72.84%，呈現(xiàn)出高硅流紋巖的特征(Rudnick and Gao， 2003)。本次研究在熔結(jié)凝灰?guī)r中共識(shí)別出3種富Fe-P-REE的礦物集合體： ① 熔結(jié)凝灰?guī)r的巖屑發(fā)育包裹結(jié)構(gòu)，具有由石英組成的邊部和磁鐵礦、獨(dú)居石和堿性長石等礦物組成的核部(圖2b、2c)； ② 晶屑石英包裹獨(dú)居石和黃鐵礦等(圖2d)； ③ 熔結(jié)凝灰?guī)r膠結(jié)物中的磁鐵礦+磷灰石+金紅石+獨(dú)居石礦物組合(圖2f)。綜合前人研究成果，這種富Fe-P-REE的礦物集合體可能的形成機(jī)制包括液態(tài)不混溶作用、分離結(jié)晶作用和熱液作用等(Jowittetal., 2017； Sternetal., 2018； Rusiecka and Baker， 2019； Qiuetal., 2019； Yangetal., 2020)。

圖 4 根據(jù)成分鑒別磁鐵礦成因投點(diǎn)圖(a據(jù)Céline and Georges, 2011； b據(jù)Patrick et al., 2014)Fig. 4 Projection diagram for identifying magnetite from different formations (a after Céline and Georges, 2011； b after Patrick et al., 2014)

圖 5 全巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)Fig. 5 Bulk rock chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace element diagram (b) 球粒隕石數(shù)據(jù)據(jù)McDonough and Sun (1995)，原始地幔數(shù)據(jù)據(jù)Sun and McDonough (1989)chondrite values and primitive mantle after McDonough and Sun (1995) and Sun and McDonough (1989), respectively

液態(tài)不混溶作用(或熔離作用)是巖漿演化的重要形式之一，能夠?qū)е聝煞N或兩種以上化學(xué)組成迥異且成分共軛的巖漿形成，如硅酸鹽和碳酸鹽熔體的分離(Guzmicsetal., 2011, 2019)、硅酸鹽-硅酸鹽系統(tǒng)的相分離(Jakobsenetal., 2005； Veksleretal., 2006； Charlier and Grove， 2012； Charlieretal., 2013)、硫化物熔體和硅酸鹽熔體的相分離(Naldrett， 1999)等，因此在巖石學(xué)和礦床學(xué)的研究中被廣泛用來解釋某些巖石(如霞石巖、碳酸巖)和礦石(如銅鎳硫化物礦石和磁鐵礦-磷灰石礦石)的成因(Thompsonetal., 2007； Charlieretal., 2013； 侯通， 2017； Houetal., 2018)。值得指出的是，前人對(duì)自然樣品和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)流紋質(zhì)巖漿可以通過液態(tài)不混溶作用產(chǎn)生硅酸鹽熔體和富P-REE熔體，這種富P-REE熔體的進(jìn)一步演化可結(jié)晶出稀土礦物，如獨(dú)居石(Bogaerts and Schmidt， 2006； Sternetal., 2018； Rusiecka and Baker， 2019)。從結(jié)構(gòu)上看，第1種(即巖屑)富Fe-P-REE礦物集合體常呈渾圓狀和橢圓狀產(chǎn)出，與一些不混溶結(jié)構(gòu)(如球顆)相似。然而，進(jìn)一步研究表明這種富Fe-P-REE的礦物集合體可能并不能代表不混溶的產(chǎn)物，主要基于以下證據(jù)： ① 根據(jù)石英鈦飽和溫度計(jì)的估算結(jié)果，與富Fe-P-REE的礦物集合體共生的石英邊的形成溫度為566～645℃，明顯低于晶屑石英的結(jié)晶溫度(756～815℃)和熔結(jié)凝灰?guī)r的溫度(tZr=952～979℃)，說明富Fe-P-REE的礦物集合體是在相對(duì)低溫的環(huán)境下形成的。 ② 根據(jù)石英SIMS原位氧同位素的結(jié)果顯示，巖屑石英和晶屑石英呈現(xiàn)出不同的氧同位素組成，即巖屑石英的δ18OV-SMOW值為8.63‰～12.27‰，晶屑石英的δ18OV-SMOW值是7.23‰～7.84‰。雖然不混溶過程會(huì)導(dǎo)致氧同位素分餾，但是通常會(huì)在0.4‰～1.0‰之間(Kyseretal., 1998； Lesteretal., 2013)，因此這種迥異的氧同位素組成很可能指示著它們具有不同的物質(zhì)來源。③ 巖屑石英包裹的磁鐵礦的成分與熱液成因的磁鐵礦較為一致，而與釩鈦磁鐵礦中的磁鐵礦明顯不同，即表明其不是巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物(圖4)。因此，液態(tài)不混溶作用并不能作為形成熔結(jié)凝灰?guī)r富Fe-P-REE礦物集合體的主要機(jī)制，相關(guān)證據(jù)表明熱液應(yīng)起到了更為重要的作用。事實(shí)上，這種富Fe-P-REE礦物集合體在一些熱液礦床中普遍出現(xiàn)，如鐵氧化物-銅-金礦床(IOCG)、玢巖型鐵礦(基魯鈉型鐵礦或IOA)和矽卡巖型鐵-(銅-金)礦床等。在這些礦床中，稀土礦物(如獨(dú)居石和氟碳鈰礦)可和磷灰石、磁鐵礦等密切共生，并交代造巖礦物，表明其為熱液成因(Wengetal., 2015； Qiuetal., 2019； Yangetal., 2020)。

另一方面，本次研究的熔結(jié)凝灰?guī)r的地球化學(xué)組成具有親地幔的εNd(t)值(-0.63～-0.08)和δ18OV-SMOW值(全巖為5.00‰～7.21‰，晶屑石英為7.23‰～7.84‰)以及微量元素蛛網(wǎng)圖呈現(xiàn)出Nb、Ta的正異常，表明其與幔源巖漿存在著緊密的關(guān)聯(lián)，應(yīng)屬于塔里木大火成巖省Group-2型長英質(zhì)巖石，為玄武質(zhì)巖漿發(fā)生強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用(并可能伴隨著一定程度的地殼混染)形成的(AFC過程； Tianetal., 2010； Liuetal., 2014， 2019； Chengetal., 2020)。由于在硅酸鹽巖漿系統(tǒng)中REE為不相容元素，強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用會(huì)導(dǎo)致殘余巖漿逐漸富集REE并最終發(fā)生稀土礦物(如獨(dú)居石)的分離結(jié)晶作用(Jowittetal., 2017)，這也與熔結(jié)凝灰?guī)r膠結(jié)物基質(zhì)中和晶屑石英包裹體中發(fā)現(xiàn)富Fe-P-REE礦物集合體的現(xiàn)象一致(圖2d、2e)，表明流紋質(zhì)巖漿在巖漿演化的晚期REE已經(jīng)足夠富集并結(jié)晶出稀土礦物。

最后，本次研究中樣品全巖的稀土元素總量平均值為966.45×10-6，LREE/HREE為6.28。通過已知的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，其他已確認(rèn)含有稀土元素礦床和被認(rèn)為是具有稀土元素成礦潛力的流紋巖中稀土元素的含量大多數(shù)分布于300×10-6～800×10-6之間，少量礦床的稀土元素氧化物含量可達(dá)到全巖的5%～10%，LREE/HREE值則根據(jù)巖體的不同情況在0.18～6.25之間分布(Jowittetal., 2017)。另一方面，不具有稀土礦化的流紋巖的稀土元素總量約為110.6×10-6，LREE/HREE值為3.3(Maharetal., 2019)。對(duì)比可知，本次研究的熔結(jié)凝灰?guī)r中稀土元素總量遠(yuǎn)高于不含礦流紋巖中的稀土總量，位于不含礦和含礦流紋巖的稀土含量之間，并且更加富集輕稀土元素。值得指出的是，多數(shù)含礦流紋巖中的F元素含量也比不含礦流紋巖高，指示F含量可能與稀土元素的富集作用有關(guān)(Jowittetal., 2017)。本次研究中樣品中的磷灰石均是氟磷灰石，暗示巖漿中F含量偏高，有利于稀土成礦(表2)。

綜上所述，熔結(jié)凝灰?guī)r在化學(xué)組成上屬于高分異的高硅流紋巖，其中的富Fe-P-REE礦物集合體主要與巖漿的分離結(jié)晶作用和熱液活動(dòng)有關(guān)。在全球范圍內(nèi)，這種高硅流紋巖的稀土礦化已引起礦床學(xué)家的注意，如美國西部的Topaz流紋巖(Christiansenetal., 1984， 2007)和澳大利亞西北部的Brockman流紋巖(Jairethetal., 2014)等，雖然它們的品位相對(duì)低，但是規(guī)模大易開采的特征(與斑巖銅礦類似)使得它們具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本次研究富Fe-P-REE礦物組合的識(shí)別暗示塔里木大火成巖省長英質(zhì)巖石可能具有稀土元素成礦潛力，應(yīng)該引起注意。

6 結(jié)論

塔里木大火成巖省塔北隆起熔結(jié)凝灰?guī)r具有親地幔的εNd(t)值(-0.63～-0.08)和全巖δ18OV-SMOW值(5.00‰～7.21‰)的地球化學(xué)組成，表明其由幔源巖漿經(jīng)AFC過程形成。本次研究在熔結(jié)凝灰?guī)r中識(shí)別出多種富Fe-P-REE礦物集合體，研究表明它們的成因主要與巖漿的分離結(jié)晶和熱液活動(dòng)有關(guān)。由于塔里木大火成巖省發(fā)育著巨量的長英質(zhì)巖石(4.8×105km2)，本次研究發(fā)現(xiàn)的富Fe-P-REE礦物集合體對(duì)認(rèn)識(shí)塔里木大火成巖省長英質(zhì)巖石的稀土礦化和成礦潛力具有重要指示意義。