TIMA 分析在四川西部党坝锂辉石矿床岩矿鉴定中的应用

谭华，蔡云华，陈金香，朱汇派

（1.四川省地质矿产勘查开发局化探队，四川 德阳 618000；2.成都理工大学地球科学学院，自然资源部构造成矿成藏重点实验室，成都 610059）

锂、锡、钽、铌和铍等稀有金属广泛应用于航天航空、新材料、新能源、信息技术以及国防等领域，被誉为新兴关键战略金属，而花岗伟晶岩是稀有金属的重要来源（李建康等，2014，2019；王登红，2019)。四川西部松潘-甘孜造山带是我国著名的稀有金属成矿带（郝雪峰等，2015；邓运等，2018；许志琴等，2018；费光春等，2020），发现和评价了多个大型和超大型稀有金属锂多金属矿床（付小方等，2015，2021；Fei et al.，2020，2021）。松潘-甘孜造山带的花岗伟晶岩型锂多金属矿石（以下简称矿石）除了富锂以外，还伴生有铌、钽、锡、铍、铯等元素。前人对矿石的工艺矿物学和赋存状态的研究主要集中于锂，少量涉及铌、钽、铍等元素（赵开乐等，2014；潘蒙等，2017；周雄等，2018；徐莺等，2019；唐屹等，2021），而工艺矿物学、赋存状态和综合利用研究的基础是稀有金属矿物的鉴定与识别。尤其是近年来研究发现，甲基卡X03 号脉的接触变质带围岩中的Li 和Cs 含量达到了伴生金属元素综合利用的边界品位或者工业品位（梁斌等，2022）。以松潘-甘孜造山带中部可尔因矿田的党坝超大型花岗伟晶岩型锂矿石矿床为研究对象，在传统显微镜观察的基础上，运用矿物自动定量分析系统（TIMA）开展矿石和围岩样品的岩矿鉴定，为后续选矿工艺方法的选择和稀有金属的开发利用提供理论依据。

1 矿床地质概况

可尔因矿田位于青藏高原东缘松潘-甘孜造山带的腹心地带，夹在羌塘－昌都板块、华北板块和扬子板块之间（许志琴等，2018）。区域内中酸性岩浆活动强烈，成岩时期以印支晚期-燕山早期为主，沿穹隆核部分布有太阳河石英闪长岩体和可尔因复式岩体。以可尔因复式岩体为代表，呈不规则三叉状岩基状产出，面积约188 km2（古成会等，2014）。围绕穹隆体分布有近千条花岗伟晶岩脉，是寻找伟晶岩型稀有金属矿床有利地区。区域矿产以锂铍等稀有金属为主，在穹隆幔部周缘已发现锂铍稀有金属矿产地20 余处，是我国著名的伟晶岩型稀有金属矿集区。矿床规模达大型—超大型的主要有金川县李家沟锂矿床、金川县业隆沟锂矿床和马尔康市党坝锂矿床等。区域锂矿床受穹隆体控制明显，在距可尔因岩体1 500～5 000 m 范围内含矿花岗伟晶岩脉群密集程度相对较高。

党坝锂辉石矿床位于可尔因矿田的东南部，矿区内出露的地层包括三叠系上统杂谷脑组（T3z）、上统侏倭组（T3zw）以及第四系（Q）（图1）。杂谷脑组岩性主要为灰—深灰色薄层与中层条带状变质长石石英细砂岩，含少量厚层与巨厚层条带状变质长石石英细砂岩、深灰色粉砂质、钙质绢云板岩、钙质含岩屑长石石英砂岩与粉砂岩呈互层，由下至上，板岩逐渐增多。侏倭组是含矿伟晶岩主要的赋矿层位，原岩岩性为灰色厚中层—薄层状变质长石石英砂岩、长石岩屑砂岩与粉砂质板岩、板岩韵律式互层，局部可见厚层砂岩夹板岩与板岩段，而砂板岩韵律式互层是本组独有的特征。侏倭组地层在区域浅变质和热接触变质作用下，岩性发生了变化，主要为灰色中—厚层状阳起长英角岩、黑云长英角岩、角岩化的绢云板岩、透辉长英角岩、角闪石英角岩夹灰色角岩化绢云板岩、黑云长英角岩夹炭质绢云板岩等，板岩类热接触变质矿物红柱石、堇青石等较为普遍。

图1 党坝矿区地质图

矿区位于根扎背斜北东翼，主体为单斜构造。地层总体向北东缓倾，至地拉秋沟南坡转向南东缓倾。发育于地层不同岩性层之间次级变形构造强烈，反映出浅层次顺层滑脱、穹隆构造等伸展体制下的变形特征。矿区内仅见一条断层（图1，编号F1），位于矿区北部，呈北东—南西向展布，长约1 200 m，断层面向南东陡倾，倾向145°～148°，倾角85°～89°，呈现脆性变形的特征。在地层中发育的张节理、剪张节理是区内以花岗伟晶岩为主的脉岩充填就位场所，也是锂矿体的赋存空间。成矿前节理有NW、NE 以及EW 向，成矿后节理有NEE 和NWW 向。

党坝矿区共圈定了22 条含矿伟晶岩（矿体）出露地表15 条，隐伏7 条，含矿伟晶岩规模大，以脉状或者大脉状为主。无矿伟晶岩62 条，规模较小，一般呈单脉产出。伟晶岩主要受产出部位主节理裂隙控制，规模较大的脉体往往受控于两组以上的节理裂隙。根据伟晶岩类型及分布的空间位置，从北向南依次分为北带、中带和南带（图1）。其中北带的含矿伟晶岩规模最大，以VIII 号矿体为代表，主要沿着北西—南东方向展布。矿床中带含矿伟晶岩包括VI、XIV 和XV 号矿体，主要以脉状为主，呈北西—南东方向展布。南带位于地拉秋中带以南至地拉秋沟口，包括I和V 号矿体，其中Ⅰ号矿体呈北西-南东向展布，而Ⅴ号矿体呈北东—南西向展布，矿体规模普遍较小。锂辉石是党坝矿床的主要的矿石矿物，同时含有少量锂云母、铌钽铁矿和锡石；脉石矿物包括石英、微斜长石、钠长石及少量白云母。

表1 样品PD3900 的矿物质量组成

2 样品采集及分析测试方法

样品采集自党坝锂矿床的北带围岩，中带VI 号矿体地表露头。显微镜下观察鉴定拍照在成都理工大学地球科学学院综合岩矿鉴定实验室完成，探针片矿物综合矿物分析（TIMA）在河北廊坊市诚谱检测地质服务公司完成，仪器为捷克泰思肯电镜公司（TESCAN）生产。TIMA 实验加速电压HV 为25 KV，工作距离为15 mm，电流大小为5 nA。

矿石颜色为灰白色，部分为浅灰黄绿色，偶见灰黑色或者棕黑色物质嵌布。矿石主要以块状构造产出，少部分具有斑杂状构造，中粗粒伟晶结构。肉眼及显微镜下观察，矿石由锂辉石、石英、钠长石、白云母等主要矿物组成（图2）。围岩样品为黑云石英角岩，深灰黑色，块状构造，镜下观察主要的矿物为黑云母、石英、辉石、电气石等（图2）。

图2 党坝矿区矿石、围岩手标本和镜下照片

3 TIMA 扫描鉴定结果

采集的围岩样品来自矿区北带的PD3900 以及11 号勘探线的围岩ZK110b1，两块样品Li2O 含量分别为0.11%和0.5%，达到了综合利用（伴生Li2O 的边界品位：Li2O=0.05%；块段平均品位Li2O=0.08%）的标准。而矿石样品采集来自矿区中带的VI 号矿体。

3.1 围岩PD3900 样品鉴定

经镜下初步观察，PD3900 探针片的左下角和右上角与黑云母和石英镶嵌共生的矿物难以辨认（长石以及其它疑似辉石的矿物），且含量较高，是黑云母蚀变的产物还是其它矿物尚不清楚。首先对这两个区域开展了背散射拍照，颜色具有明显的差异，说明矿物成分不同；然后开展矿物成分扫描，识别出石英、单斜辉石、斜长石、钙长石、方解石、榍石、黑云母、磷灰石、锆石、磁铁矿、阳起石、磁黄铁矿、铁白云石、萤石等矿物（图3）。为进一步确定该辉石的种属，对该矿物的Ca、Mg、ΣFe 等离子含量进行标准化后，投点于Wo-En-Fs 三角图解上时，数据点将位于Ca2Si2O6端员的50%含量线之上，富Ca（图4）。因此，该样品中的辉石属于单斜辉石（Clinopyroxene）的富钙辉石。

图3 样品PD3900 的TIMA 矿物相图

图4 辉石Ca2SiO6(Wo)-Mg2Si2O6(En)-Fe2Si2O6(Fs)分类图解

与黑云母镶嵌共生的矿物为单斜辉石和长石类矿物，其中单斜辉石是前人尚未识别出的矿物。矿物组成的质量百分比显示（表1），石英最高（43.74%），其次为单斜辉石（21.77%）和斜长石（13.23%），黑云母最低（1.40%）。元素组成方面，O、Si、Ca、Al、Fe、Mg、Na 含量较高（表2）。

表2 样品PD3900 的元素组成

3.2 围岩ZK110b1 样品鉴定

ZK110b1 样品中也发育与黑云母和石英镶嵌共生的矿物，难以辨认。TIMA 扫描矿物相图见图5。结果显示，与黑云母和石英镶嵌共生的主要是长石类矿物以及部分磷灰石，整体上主要矿物及含量与PD3900样品基本相似，但黑云母（12.60%）和磷灰石（3.43%）含量相对较高（表3）；因辉石类矿物含量较少，Ca 元素相对较低，元素组成特征与PD3900 相似（表4）。

表4 样品ZK110b1 的元素组成

图5 样品ZK110b1 的TIMA 矿物相图

3.3 矿石中的铌钽矿物鉴定

对采集自党坝矿区中带的矿石中挑选的铌钽矿物开展TIMA 扫描。铌钽矿物整体呈现自形—半自形，少量不规则状，长约100～250 μm，宽约60～180 μm。背散射图像显示其内部结构较简单，环带不发育，呈现灰黑色和灰白色两种颜色，少量矿物颜色亮暗相间（图6，编号09）。TIMA 扫描则显示矿石中的铌钽矿物包括铌锰矿、铌铁矿和钽铁矿三种类型（图6），以铌锰矿为主，次为铌铁矿。

图6 党坝矿床矿石中铌钽矿物的BSE 图像和TIMA 扫描结果

4 讨论

前人对川西地区伟晶岩的围岩地层含矿性的初步研究表明，侏倭组地层中锂的含量与黑云母有关（袁彦伟等，2022；梁斌等，2022）。锂在黑云母与熔体之间的分配系数较高，黑云母是锂的重要储库，沉积岩中黑云母Li2O 含量最高可达2.17%（Icenhower J and London D.1995；王汝成等，2019；徐兴旺等，2020）。而川西甲基卡X03 号脉接触变质岩中富含较多黑云母，锂、铷和铯等稀有元素含量较高（梁斌等，2022）。根据切片镜下观察以及化学分析，围岩样品中黑云母含量高，样品中Li2O 含量高，二者之间呈正相关关系。TIMA 分析结果表明，围岩样品中黑云母含量很高，体积占比介于28%～40%。同时，根据黑云母单矿物的LA-ICP-MS 分析，黑云母中的Li 的含量高，介于4 334×10-6～12 256×10-6。由此得出，党坝矿床围岩中稀有金属含量的高低与黑云母含量呈正相关。对样品PD3900 和样品ZK110b1 进行镜下观察及TIMA 扫描，结果显示，样品PD3900 黑云母含量较低，全岩Li2O 含量为0.11%；而样品ZK110b1 黑云母含量较高，全岩Li2O 含量为0.5%。因此，围岩样品，尤其是靠近含矿伟晶岩的围岩，其黑云母含量的高低，可以作为围岩样品中稀有金属含量能否综合利用的标志。

根据原矿综合样的AMICS 分析结果，铌钽矿物在原矿中的含量极其低（0.01%）。根据镜下观察以及挑选的单矿物分析，铌钽矿物呈不规则粒状、板柱状，不透明，粒径小，主要介于0.06～0.18 mm，铌钽矿物粒度与原矿中主要矿物锂辉石（粗粒长径一般10～50 mm，横断面0.5～5 mm，个别达到6～12 mm；细粒一般粒度0.1～2 mm）、长石（长径0.1～6 mm，短径0.02～1 mm）、石英（0.1～7mm）、云母（0.15～10 mm）等矿物粒度差异较大，但具有磁性，可利用这一物理性质差异，进行富集综合利用。铌钽矿物主要以粒间分布以及包裹体分布两种嵌布形式分布于矿石中，铌和钽元素以独立矿物的形式富集在铌钽矿物中。TIMA 对铌钽矿物的扫描显示，铌锰矿主要以独立矿物（粒间分布）存在，少量铌铁矿以包裹体的形成存在于铌锰矿中（图5，编号07），也有少量铌锰矿和铌铁矿镶嵌共边。编号09 矿物BSE 图像虽然明亮相间，但是其成分相对均一。同时，TIMA 分析为铌钽矿物的嵌布特征、铌钽元素的赋存状态研究和选择点位进行铌钽矿U-Pb 定年提供了重要参考。

5 结论

（1）对矿物自动定量分析系统（TIMA）扫描分析显示，党坝锂矿床的围岩样品中主要含有石英、长石、黑云母、单斜辉石、方解石、磷灰石、榍石等矿物。黑云母含量的高低，可以作为围岩样品中稀有金属含量能否综合利用的标志。

（2）在镜下观察的基础上，TIMA 分析可以有效的确定与已知矿物嵌布的未知矿物，除可以获得扫描矿物的质量百分数外，还可以得出元素比，为矿物的综合鉴定以及综合利用提供了便利。

（3）党坝矿床的矿石中的铌钽矿物主要有三种类型，以铌锰矿为主。TIMA 分析可以确定单矿物嵌布特征，为元素的赋存状态研究和铌钽矿U-Pb 定年提供了重要参考。