锂作为全球各国高度关切的战略性关键金属其重要性不言而喻。环顾青藏高原，那里目前已经集中了川西、阿尔金、西昆仑等诸多新发现的大型-超大型锂矿床。1921年，英国探险队在攀登珠峰的路途中发现锂电气石，时隔百年，2021年，中国科学家在珠峰西北方向的普士拉山口发现琼嘉岗超大型锂矿，其氧化锂远景资源量达到了百万吨级。几乎与此同时，洛扎（嘎波）、热曲、吉隆（包括扎龙和岗布）、库曲等地也陆续发现了多处锂辉石伟晶岩矿化点。喜马拉雅作为我国新的锂战略性储备基地也已初见端倪（图1）。
随之而来需要解答的问题，那就是为什么在喜马拉雅能够有如此大规模的富锂伟晶岩？
对于上述问题，我们用一句话极简回答：构造过程驱动了喜马拉雅富锂伟晶岩的形成。
图1 我国在青藏高原花岗伟晶岩型锂矿床（点）分布图。部分矿床点位参考邹天人等, 2003，底图据星球研究所, 2020
1. 喜马拉雅造山带有哪些地质特点
在详细探求喜马拉雅山中的伟晶岩极度富锂机制之前，我们先了解一下喜马拉雅造山带的地质概况。这一造山带包括三个主要的岩石地层单元，由北至南依次为特提斯喜马拉雅沉积岩系、高喜马拉雅高级变质岩系和低喜马拉雅中低级变质岩系，它们分别被藏南拆离系和主中央逆冲断层两个断层系统所分隔，其中在高喜马拉雅单元中出露着巨量的淡色花岗岩（图2）。实际上，喜马拉雅的成山历史就是作为造山带核部高喜马拉雅折返的过程，而折返的两个边界即为下部边界主中央逆冲断层和上部边界藏南拆离系。
藏南拆离系是全球最大的拆离断层系统，它是印度板块与欧亚板块碰撞后南北向伸展的结果，该伸展构造以韧性变形为特征，几乎所有高喜马拉雅内部的淡色花岗岩都位于这一拆离系统之内，简单来讲，藏南拆离系是淡色花岗岩岩浆运移的通道，同时也是喜马拉雅山伸展垮塌的界面。由于强烈的韧性剪切，藏南拆离系的温度-压力结构显示出两个基本特征：第一，冷的特提斯喜马拉雅沉积岩上盘与热的高喜马拉雅高级变质岩下盘并置；第二，藏南拆离系韧性剪切带的地温梯度（约360-420 ℃/km）远高于喜马拉雅平均地温梯度（30 ℃/km）。
图2 （a）喜马拉雅造山带地质剖面示意图；（b）珠峰峰体岩石地层单元分布；（c）珠峰地区地层单元示意图
珠峰-卓奥友峰地区是目前喜马拉雅造山带富锂伟晶岩发现最多的区域，涵盖范围从北部的吉勒经琼嘉岗锂矿直至珠峰南坡的昆布冰川，总面积超过700 km2 （图3a）。以热曲剖面为例，那里的锂辉石伟晶岩呈透镜体状，集中出露于藏南拆离系顶部，并且同围岩一起经历了强烈的变形（图3c-f，图4b-c）。
图3 （a）珠峰地区地质简图及锂辉石伟晶岩出露位置；（b-h）琼嘉岗锂矿-热曲剖面野外露头及锂辉石薄片镜下照片
2. 我们做了哪些探索
在卓奥友峰西侧，我们对淡色花岗岩和伟晶岩进行了样品采集和分析，结果显示，从藏南拆离系较低层位至较高层位锂含量有着明显差别，靠近藏南拆离系顶端的伟晶岩具有极高的锂含量，超过3000 ppm，相比之下，淡色花岗岩仅为富锂特征，平均值大约只有150 ppm，而且这二者之间存在显著的成分间断（图4）。
图4 绒辖-热曲剖面淡色花岗岩及伟晶岩锂含量分布图
锂元素在大陆上地壳的丰度仅为24 ppm。花岗质伟晶岩是锂的主要来源之一，如果要形成花岗伟晶岩型锂矿床，其中的锂含量需要达到百分比级别（氧化锂工业品位为0.8%）。虽然分离结晶在锂富集中起到了作用，但是在常见的花岗岩矿物和熔体之间典型的全岩分配系数（kd）约为0.5，这意味着在分离结晶后熔体中锂的富集效率并不高。而且一个重要的问题是，无论是多阶段的分离结晶或是深熔作用形成的富锂熔体，其成分组成都是连续变化的，并不会表现出成分间断。
矿床学家david london借鉴冶金工业中金属的精炼提纯技术，提出过伟晶岩的“组分带状精炼”模型，根据这一模型，结晶矿物的边界层中分馏可能让稀有金属元素出现极度富集，然而之前仅为概念模型，并没有开展过定量的研究（图5）。
图5 组分带状精炼概念模型示意图，稀有金属元素富集于长石、石英结晶形成的边界层熔体之中 （修改自london, 2008）
精炼提纯模式认为距固液界面前缘的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，符合tiller et al. (1953)提出的如下表达式：
简单来讲，这一表达式说明边界层不同位置（此处为x）元素含量的影响因素包括：元素在熔体中的初始含量（ci, init），元素在矿物-熔体间的分配系数（kd），元素在矿物中的扩散系数（di），以及矿物的结晶速率（v）。
根据tiller et al. (1953)提出的计算方法，我们首先定量模拟矿物结晶过程中边界层熔体中锂元素变化情况，以研究如何形成极端锂富集和组分间断。
组成喜马拉雅淡色花岗岩的主要造岩矿物比较简单，包括石英，长石、云母以及电气石和石榴石等。这些矿物可以大致分为两类，一类是无水矿物，如石英，长石；一类是含水矿物，如云母。在矿物的结晶过程中，微量元素在矿物中的分配取决于矿物与熔体的分配系数，我们仅以长石和云母为例，对于锂元素来说，长石与熔体的分配系数远小于1（kd≤0.05），也就是说锂元素在长石-熔体体系中优先富集于熔体当中，而云母与熔体的分配系数大于1（kd=1.5），锂优先进入云母当中。因此，当淡色花岗岩中的矿物结晶时，长石周围的边界层会出现富锂的熔体，而云母周围的边界层会出现贫锂的熔体（图6a）。
图6 不同生长速率下云母和长石形成的边界层熔体锂含量、水含量及粘度变化
矿物边界层能够出现富锂熔体仅仅是第一步，熔体能否提取迁移取决于其粘度的大小。而熔体粘度强烈依赖于熔体温度和水含量，我们同样模拟矿物结晶过程中边界层熔体中水含量变化和对应的粘度变化，在结晶的无水矿物—长石附近，由于对水的排斥（h2o在长石和熔体间的分配系数kd=0.2）会形成相对富含水（图6b）和低粘度的边界层熔体（图6c）。也就是说，无水矿物形成的边界层熔体既富含水（低粘度，可提取），又高度富含锂，而含水矿物云母形成的边界层熔体则是水贫乏（高粘度，难以提取）和锂贫乏。
那么什么原因造成了富锂熔体迁移呢？通过进一步的模拟计算可知，静岩压力提供的压力梯度难以提取长石和云母结晶产生的边界层熔体（图7a）。在局部出现差异应力情况下，机械性能不均一的矿物-熔体通过剪切产生的差异应力可以使熔体迁移。前人的显微构造分析已经显示，藏南拆离系剪切带中的差异应力范围从10 mpa到35 mpa，这足以优先提取邻近长石的边界层富锂熔体，但是难以提取邻近云母的边界层贫锂熔体（图7b）。高差异应力不需要长时间施加在边界层上，只需要等到它们迁移足够远（厘米级）以形成更大的熔体聚集。之后，静岩压力梯度和岩浆压力梯度就足以使熔体沿着断裂通道向上流动，形成较高层位的伟晶岩。
图7 不同生长速率下云母和长石计算出的压力梯度和差异应力界限
总的来说，在我们的模型中富锂伟晶岩形成需要包括两个重要过程：第一，形成富锂富水的边界层熔体，第二，富锂边界层熔体优先提取。这两个过程需要三个关键条件：首先，热损失必须迅速，以便矿物能够快速结晶。熔体在相对冷的围岩中有利于热损失和快速结晶，从而形成边界层。其次，结晶温度必须相对较高。低的温度下熔体粘度过高，不利于熔体提取。最后，形变过程中的瞬态差异应力需要达到10 mpa以上，以提取富锂富水低粘度的边界层熔体。
图8 藏南拆离系韧性剪切带顶部富锂伟晶岩形成过程示意图
所有这三个条件在藏南拆离系中得到了满足：首先，淡色花岗岩侵位于冷的围岩当中，“冷的”特提斯喜马拉雅沉积岩作为“盖毯”覆盖于“热的”高喜马拉雅高级变质岩之上；其次，喜马拉雅淡色花岗岩岩浆温度约为700 ℃，岩浆温度相对较高；最后，熔体侵位至剪切带之中，韧性剪切变形作用强烈（图8）。
3. 我们获得了哪些新的认识
本研究我们提出了一种新的产生高度富锂熔体的机制，这一机制取决于矿物的结晶生长速率、锂元素与水扩散的动力学平衡，以及变形作用的耦合。
考虑到各种矿物之间的分配系数的差异，形成富锂伟晶岩的最有效的熔体应高度富含长石和石英，这对应的便是喜马拉雅造山带出露的巨量淡色花岗岩。并且这些淡色花岗岩在藏南拆离系剪切带中高度集中，韧性剪切变形使得熔体从淡色花岗岩结晶矿物的边界层中提取出来，最终形成富锂伟晶岩。由于延伸超两千公里的藏南拆离系均具有这一特征，喜马拉雅富锂伟晶岩资源应是广泛分布的。通过藏南拆离系，我们能够将喜马拉雅造山过程、岩浆作用和稀有金属成矿密切地联系到一起。淡色花岗岩与韧性剪切带的空间位置关系也意味着喜马拉雅锂矿未来的勘查应重点关注藏南拆离系较高层位。
区别于我国南岭地区通过热驱动分异形成稀有金属矿床，喜马拉雅应当是构造驱动岩浆分异与稀有金属成矿的典型代表。我们将视野扩大到全球，全球许多造山带中出现的锂矿床就位于韧性剪切带当中，例如，北美阿巴拉契亚山脉的tin-spodumene belt就位于kings mountain韧性剪切带当中；川西甲基卡是目前我国最大的花岗伟晶岩型锂矿床，那里的伟晶岩及相关淡色花岗岩均就位于片麻岩穹隆的滑脱剪切带当中。因此，构造变形驱动富锂熔体从花岗岩岩浆中提取的规律可能具有普遍性。
更广泛的来讲，矿物边界层熔体组成差异可能对应着一种新的化学分异的机制。无水矿物和含水矿物的边界层熔体中的元素和水含量出现了差异性，这意味着演化的熔体可能并不能反映整体的分离结晶情况，而可能只反映无水矿物的分离结晶。这一过程除了解释锂伟晶岩的形成外，还可以解释岩浆体系出现的成分间断。
结语
喜马拉雅山脉的藏南拆离系形成和演化影响深远，它不仅是地球之巅伸展垮塌的边界，巨量淡色花岗岩岩浆的运移通道，隔绝特提斯喜马拉雅和高喜马拉雅的冷热屏障，同时它还主导了矿物的快速结晶和富锂熔体的抽提，汇集了超乎寻常规模的稀有金属伟晶岩，这为寻锂喜马拉雅指引了方向。
研究成果发表于国际地学期刊earth and planetary science letters（刘小驰、matthew j. kohn、王佳敏、何少雄、王汝成、吴福元. formation of lithium-rich pegmatites via rapid crystallization and shearing – case study from the south tibetan detachment, himalaya [j]. earth and planetary science letters, 2024, 629: 118598. doi: .）。研究得到了中国科学院战略先导专项（xda0430101），第二次青藏高原综合科学考察（2019qzkk0802），国家自然科学基金（41888101），美国自然科学基金（oia1545903、ear2118114）和中国科学院国际杰出学者项目（2020dc0024）联合资助。
