湘南騎田嶺巖體的稀有金屬地球化學特征及其含礦性研究

何晗晗, 王登紅, 蘇曉云, 張怡軍, 王國瑞,李建康, 趙 斌, 李建國

(1.中國地質科學院 礦產資源研究所, 北京 100037; 2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 3.湖南省湘南地質勘察院, 湖南 郴州 423000; 4.山西省地球物理化學勘查院, 山西 運城 044004)

湘南騎田嶺巖體的稀有金屬地球化學特征及其含礦性研究

何晗晗1, 王登紅1, 蘇曉云2, 張怡軍3, 王國瑞1,李建康1, 趙 斌4, 李建國4

(1.中國地質科學院 礦產資源研究所, 北京 100037; 2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 3.湖南省湘南地質勘察院, 湖南 郴州 423000; 4.山西省地球物理化學勘查院, 山西 運城 044004)

騎田嶺巖體位于湖南省郴州市, 為一中生代復式巖體。本文運用電感耦合等離子質譜技術(ICP-MS)對穿越騎田嶺巖體的大剖面上的花崗巖樣品, 進行了稀有金屬 Li、Rb、Sr、Cs、Nb、Ta、Be、Zr、Hf 含量分析測試。結果表明: (1) 巖體明顯富集 Li、Rb、Cs、Be、Zr, 高于華南燕山期花崗巖平均值, Sr、Nb、Ta 則相對虧損; (2) Li、Rb、Cs 等稀有金屬自西向東逐漸升高, Sr 則逐漸降低, Nb、Ta、Hf 等除了個別地方出現(xiàn)“特高值”之外, 基本保持穩(wěn)定; (3) 相比于同時期的鄰區(qū)香花嶺巖體, 騎田嶺巖體雖然富集了一定量的稀有金屬, 但要形成或找到香花嶺這樣的稀有金屬礦床還要注意剝蝕、保存條件。結合地球物理特征和巖體地質特征, 認為騎田嶺巖體自南東向北西斜向侵位的可能性很大, 這可能也是造成騎田嶺巖體稀有金屬元素分帶的原因。

騎田嶺巖體; 稀有金屬; 元素地球化學; 含礦性; 侵位機制

近東西向橫亙于華南中部的越城嶺、都龐嶺、萌渚嶺、騎田嶺和大庚嶺是我國長江與珠江水系的分水嶺, 在地理上統(tǒng)稱為南嶺。其中位于湖南南部的騎田嶺巖體面積不是最大, 但周邊分布的礦產資源卻極其豐富, 其西北有黃沙坪-寶山大型超大型鉛鋅礦床(構成坪寶礦田), 其東北有柿竹園、東坡、金船塘等鎢錫鉬鉍鉛鋅多金屬礦床(構成東坡礦田),其東有瑤崗仙鎢錫鉛鋅多金屬礦床(構成瑤崗仙礦田), 其西南有香花嶺錫鈹鈮鉭多金屬礦床(構成香花嶺礦田)。近年來自從在騎田嶺巖體的南部內部(不是外接觸帶)發(fā)現(xiàn)了芙蓉錫礦之后, 又一次掀起了地質找礦的小高潮。國家深部探測專項等項目在此部署了橫穿騎田嶺巖體的綜合性地質、地球物理、地球 化 學 深 部 探 測 大 剖 面 , 以 期 獲 得 深 部 成 礦 信 息 ,揭示礦集區(qū)深部構造特征, 為深入研究區(qū)域成礦背景、指導深部找礦提供依據(jù)。本文利用人工地震炮眼中采集的新鮮巖石樣品, 通過系統(tǒng)的分析測試 ,獲得了一批新數(shù)據(jù), 進而探討其地球化學特征、成巖機制和含礦性。

1 地質概況

湖南郴州騎田嶺巖體位于南嶺構造帶中段北緣,地處邵陽-郴州 NW 向斷裂帶和茶陵-郴州 NNE 向斷裂帶交會部位, 巖體中分布有 NE 向壓扭性斷裂(范蔚茗, 1987; 鄧希光等, 2005; 柏道遠等, 2005),表明成巖之后構造活動仍然強烈。在騎田嶺巖體周圍出露的地層主要是上古生界-下三疊統(tǒng), 屬于濱海沼澤相粉砂巖建造、濱海相砂頁巖建造、海相碳酸鹽巖、閉塞臺地相硅質巖建造。另外還有下白堊統(tǒng)山麓湖泊相碎屑、泥質建造及第四系洪積、殘坡積建造等(圖 1)。

圖 1 騎田嶺區(qū)域地質圖(據(jù)湖南省湘南地質隊, 1991①湖南省湘南地質隊. 1991. 1∶5 萬區(qū)域地質調查報告(永春幅和宜章幅).資料編制)Fig.1 Geological sketch map of the Qitianling region

騎田嶺巖體位于湖南省郴州市西南約 40 km,面積約 517 km2。前人研究(朱金初等, 2003; 付建明等, 2004; 趙葵東等, 2006; 朱金初等, 2009)認為,該巖體是燕山早期形成的多階段復式巖基, 主要可分成 3 個侵入階段: 第一階段于 160～163 Ma 侵位,主要為角閃石黑云母二長花崗巖, 有時為黑云母二長 花崗 巖, 出露 面 積 約 占 45%, 分 布 在巖 體 東部 、北部和西部的靠邊緣部位; 第二階段于 153～157 Ma 侵位, 主要為黑云母花崗巖, 有時含角閃石, 出露面積約占 40%, 分布在巖體的中部和南部; 第三階段于 146～150 Ma 侵位, 主要為細粒(有時含斑)黑云母花崗巖, 出露面積約占 12%, 分布在巖體的中南部位。其中前兩個階段構成巖基的主要侵入相, 第三階段為補充侵入相。此外, 還有 217、161、156、148、112、75 Ma 和 265、161、74 Ma 等的鋯石 U-Pb 年齡數(shù)據(jù)以及 219、199、166、156 Ma 等黑云母 K-Ar年齡數(shù)據(jù), 說明騎田嶺巖體有可能是包括印支期、燕山早期、燕山晚期的復式巖體(地礦部南嶺花崗巖專題組, 1989)。

2 樣品采集、分析方法與測試結果

騎田嶺巖體周邊礦產資源豐富, 但巖體內部的礦產資源調查工作是在 21世紀初發(fā)現(xiàn)芙蓉錫礦之后才得以展開的。盡管騎田嶺巖體大面積出露, 但由于一方面植被覆蓋嚴重, 另一方面在芙蓉錫礦等有露頭的局部地段, 巖體本身已經遭受了強烈的蝕變(王登紅等, 2003), 要獲得代表巖體原始巖漿性質的樣品并非易事。在 2010～2012 年間, 由國家深部探測技術與實驗研究專項“南嶺成礦帶地殼巖漿系統(tǒng)結構探測實驗”課題部署了橫穿騎田嶺巖體的綜合性地質-地球物理-地球化學大剖面(也稱為白石渡-飛仙鎮(zhèn)剖面, 或者簡稱為騎田嶺大剖面。李建康等, 2013), 其中人工地震探測必須鉆探打炮眼, 本次研究正好利用鉆探所獲得的新鮮巖石樣品開展系統(tǒng)的地球化學研究。樣品類型包括沉積地層中各類巖石的巖屑、騎田嶺花崗巖巖屑以及風化殼樣品等,共計 1967 件。為了便于深入討論, 本文涉及到的實測樣品均位于白石渡-飛仙鎮(zhèn)剖面上(圖 1), 淺鉆深度為 20 m, 包括花崗巖巖屑(33 件)及花崗巖風化殼(14 件), 共計 47 件樣品。稀有金屬元素含量測試由國家地質實驗測試中心采用 X-Series 型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS, 美國 Thermo 公司)完成, 具體測試方法參見劉穎等(1996), 測試結果見表 1。根據(jù)采樣位置(樣號自東向西依次等間距增大)制成各元素含量的折線圖(圖 2)。

3 稀有金屬元素地球化學特征

本文涉及到的稀有金屬元素包括 Li、Be、Nb、Ta、Zr、Hf、Rb、Sr 和 Cs。騎田嶺巖體巖漿巖類樣品中各元素的含量特征如下(圖 2):

花崗巖中 Li的含量變化于 37.8～136 μg/g 之間,均值為 81.14 μg/g, 約相當于花崗巖中 Li平均值的 4倍(黎彤, 1976; 劉英俊等, 1984; 遲清華和鄢明才, 2007)。Be 的含量變化范圍為 5.42～29.30 μg/g, 平均值 10.67 μg/g, 遠高于花崗巖的平均值(10.67 μg/g),相當于華南燕山期花崗巖平均值(5.4 μg/g)的 2 倍。Nb 的含量變化范圍為 16.10～44.10 μg/g, 均值 28.21 μg/g, 介于克拉克值與華南燕山期花崗巖之間(表 1、圖 2), 并在騎田嶺巖體東西兩側近似對稱分布。Ta的含量范圍為 1.87～7.67 μg/g, 也高于花崗巖克拉克值而低于華南燕山期花崗巖。Rb 的含量介于184～746 μg/g 之間, 均值 441.55 μg/g, 明顯富集(圖2)。Sr 的含量變化范圍為 7.37～185 μg/g, 均值 96.67 μg/g, 含 量變 化較 大, 除樣 品 1835 含 量 小于 10 μg/g(為 7.37 μg/g)之外, 其余多集中在 30～70 μg/g 或100～170 μg/g 范圍之間, 明顯低于克拉克值, 巖體東側的樣品含 Sr更低。Zr含量變化于 147～1317 μg/g之間, 均值 418.48 μg/g, 遠高于華南燕山期花崗巖的平均值和克拉克值。Hf 的含量范圍為 5.48～42.7 μg/g, 平均值 15.18 μg/g, 明顯富集。Cs 的變化范圍為 14.8～68.1 μg/g, 平均值 30.98 μg/g, 相當于黎彤(1976)中花崗巖克拉克值的 22 倍, 是富集程度最高的一個稀有金屬元素。

另外, 從表 1 也可見, 花崗巖風化之后 Li、Be、Nb、Ta、Rb、Cs 的含量均不同程度地降低, 而 Sr、Zr、Hf 則不同程度地升高, 這與其在風化過程中的地球化學行為是一致的。其中, 風化殼中 Zr含量隨鋯石原地殘積而增大, Rb、Li 含量隨著長石、云母等含 Rb 礦物的分解而降低。因此, 地表土壤化探異常有可能得到的是 Rb、Li的“負異?！薄＿@在利用化探異常數(shù)據(jù)評價巖體的含礦性時需要特別注意。

總體上看, 騎田嶺巖體的稀有金屬元素中, 除Sr 之外, 其他元素無論是相對于中國的花崗巖還是世界的酸性巖均呈現(xiàn)明顯富集的特點, 說明騎田嶺巖體富集稀有金屬。另外, 從圖 2 明顯可見不同元素在騎田嶺巖體上的分布是不一致的: 其中, 自西向東呈逐漸升高趨勢的元素有 Li、Rb 和 Cs, 自西向東趨于降低的元素有 Sr, 東西兩側變化不大的元素有 Nb、Ta、Hf。但不論是哪個元素均呈現(xiàn)出跳躍式變化的特點, Ta、Be、Cs、Zr 等元素還出現(xiàn)“特高”含量, 主要出現(xiàn)在巖體的中心部位, 其原因有待于進一步研究。

4 討論——侵位機制與含礦性分析

4.1 稀有金屬元素的分帶性

上述測試結果表明, 騎田嶺巖體不但富含稀有金屬, 而且具有一定的元素分帶性, 其中 Li、Rb、Cs 自西向東逐漸升高, Nb、Ta、Hf 則變化不大。這可能暗示著巖漿經歷了較強的分異作用, 但也還存在比較復雜的多種可能性。

一般來說, 強不相容元素 Li、Rb 具有比較相似的地球化學特征, 在巖漿作用過程中總的規(guī)律是由超基性巖到中性巖及酸性巖增加, 隨著巖漿分異作用, 揮發(fā)分的增加, Li、Rb 往往在晚期富集(劉英俊等, 1984)。騎田嶺巖體中 Li、Rb 的高含量, 說明該巖體的巖漿分異作用進行得很充分, 符合一般的規(guī)律性。另外, Li、Rb、Cs 在華南花崗巖類中隨時代從老到新有著含量不斷增加的分布規(guī)律。孫承轅等(1983)認為, Li、Rb、Cs 繼承了前震旦紀沉積地層中

的含量, 此后隨著改造程度的不斷加深和交代作用的反復進行, 使 Li、Rb、Cs 在晚期較酸性的花崗巖(如騎田嶺巖體)中得到最大程度的富集。但是, 騎田嶺巖體自西向東, Li、Rb、Cs 三種元素的含量均逐漸增高,近似線性變化, 三者變化斜率略有不同, 但都于巖體東部邊緣達到最高值(圖 2、圖 3)。這種現(xiàn)象與時代無關, 因為騎田嶺巖體在同位素年齡上并非自西向東由老變新而是中間新、兩側老(朱金初等, 2009)。因此, 稀有金屬元素的區(qū)域性變化可能與巖體的侵位方向有關, 即騎田嶺巖體自南東向西北侵入。

表 1 騎田嶺巖體各樣品稀有金屬元素測試結果(μg/g)Table 1 Rare metal contents (μg/g) of granitic rocks from the Qitianling batholith

圖 2 白石渡-飛仙鎮(zhèn)地質剖面與稀有金屬元素含量折線圖Fig.2 Line graph showing the variations of rare metals contents for granitic rocks along the Baishidu-Feixianzhen profile

另外, 騎田嶺花崗巖中 Sr 顯著虧損。Sr 與 Ca的性質十分接近, 隨 Ca 一起結晶、富集和分異, 導致這類元素在早期巖石中富集、晚期巖漿中貧化。騎田嶺巖體的東西兩側均有碳酸鹽巖, 但巖體并沒有出現(xiàn)接近圍巖地層 Sr 含量升高的現(xiàn)象(圖 2), 說明地層的混染可能是很微弱的。因此, Sr 含量自西向東逐漸降低的變化規(guī)律(圖 3)也是巖漿結晶分異的結果。

4.2 巖體的侵位機制

從平面上看, 騎田嶺花崗巖體呈等軸狀出露,它直接穿過基底巖層而進入到泥盆系-石炭系中。巖體中流動構造方向表明巖漿由南東向北西侵入(圖4)。重力資料還表明, 巖體重力低的位置相對于巖體實 際中 心位 置向 南東 偏離 了 15 km(莊 錦 良 等 , 1994)。航磁異常反映巖體北西外接觸帶的局部異常不僅數(shù)量多而且形態(tài)復雜多樣, 而南東外接觸帶僅有規(guī)則的低緩異常。這些資料均說明騎田嶺巖體北西部埋深較淺而南東部埋深較大, 巖體由深部向淺部侵位時, 由南東逐漸向北西超覆, 并導致上古生界就勢沖斷滑脫, 形成包括坪寶地區(qū)在內的一系列西倒東傾的沖斷推覆構造(莊錦良等, 1994)。由此推測, 巖體西部的剝蝕程度相對較高(西側 SiO2的含量相對低), 以致于出現(xiàn)稀有元素含量自巖體西側向東側逐漸升高的現(xiàn)象。這點騎田嶺巖體東西兩側地層中稀土元素含量的變化情況也可以佐證(何晗晗等, 2014)。這為利用元素地球化學特點探討巖體的剝蝕程度提供了一種可能的方法, 即結晶分異的巖體,隨著剝蝕程度的加大, 偏基性的元素趨于富集, 而易集中到結晶分異流體相或在頂部相中趨于富集的元素趨于貧化。因此, 騎田嶺巖體西側相對基性, Li、Rb、Cs 含量偏低而 Sr 較高; 東側相對酸性, Li、Rb、Cs含量高而 Sr較低。

4.3 稀有金屬含礦性研究

南嶺地區(qū)中生代巖漿作用十分強烈, 形成了與之相關的大批有色及稀有金屬礦床(陳國達, 1978;吳延之和葉遠榮, 1988; 陳毓川等, 1989; 陳毓川和王登紅, 2012; 王增潤, 1992; 彭渤和陳廣浩, 2000;王登紅等, 2010, 2012)。騎田嶺花崗巖體是南嶺花崗巖的代表性巖體之一(朱金初等, 2003), 處于華夏陸塊與揚子陸塊的邊界, 位于重力異常帶和地球化學急變帶, 邵陽-郴州 NW 向斷裂帶也相交于此, 這為巖體侵位、熱液活動和成礦物質的重新聚集提供了條件(鄧希光等, 2005)。騎田嶺巖體富集 Rb、Li、Be、Cs、Zr, 且高于華南燕山期花崗巖的平均含量(華南燕山期花崗巖稀有金屬的含量又高于一般花崗巖),為成礦提供了最基礎的物質條件。但是, 目前稀有金屬的成型礦床主要出現(xiàn)在騎田嶺巖體西南外圍的香花嶺一帶(圖 1), 在騎田嶺巖體的周邊及內部主要是鎢錫鉬鉍銅鉛鋅等有色金屬成礦。那么, 騎田嶺巖體本身有沒有形成稀有金屬礦床的可能性呢？騎田嶺巖體本身的含礦性如何呢？

圖 3 騎田嶺巖體 Li、Rb、Sr 含量自西向東的變化及相關性圖解Fig.3 Variations of Li, Rb, Sr contents across the Qitianling batholith along the Baishidu-Feixianzhen profile

圖 4 騎田嶺花崗巖體地質構造略圖(據(jù)莊錦良等, 1994)Fig.4 Geological sketch map of the Qitianling batholith

從稀有金屬元素含量看, 騎田嶺巖體相對于克拉克值 只 有 Sr 虧損, Li、Rb、Be、Cs、Zr 明 顯 富集。而且, 在騎田嶺巖體的西南部的確也存在香花嶺接觸交代型鈹?shù)V床(圖 1), 成礦作用主要與燕山早期的兩次侵入密切相關(徐啟東, 1991), 即燕山早期的巖漿活動控制著香花嶺鈹-錫礦床的形成。雖然騎田嶺巖體的稀有金屬含量相對于克拉克值和華南花崗巖的平均值是明顯富集的, 但相對于香花嶺礦田的癩子嶺巖體和尖峰嶺巖體而言, 騎田嶺巖體的 Li、Be、Nb、Ta、Cs 等稀有金屬的含量卻還是比較低的, 癩子嶺花崗巖的 Li、Be、Nb、Ta 含量分別為 502 μg/g、73 μg/g、74.4 μg/g、40.8 μg/g(黃蘊慧等, 1988), 而騎田嶺巖體只有 81.14 μg/g、10.67 μg/g、28.21 μg/g、3.76 μg/g(表 1)。因此, 在已經高度剝蝕的騎田嶺巖體本區(qū)要找到稀有金屬礦床并非易事, 在其周邊有小巖體出露的地方, 應該注意綜合評價稀有金屬, 尤其是在騎田嶺巖體東側以往不被注意的地方(如長城嶺一帶)。另外, 從圖 5可見, 騎田嶺巖體東側的花崗巖樣品集中在與 W、Sn、Mo 礦化有關的巖體區(qū)及其附近, 而西側則相反,也表明在騎田嶺巖體東側尋找稀有金屬礦床的可能性要大得多。

圖 5 騎田嶺巖體花崗巖的 Rb-Ba-Sr 圖解(底圖據(jù) El Blouseily and El Sokkary, 1975)Fig.5 Rb-Sr-Ba diagram of the Qitianling granites

5 結 語

騎田嶺巖體明顯富集 Li、Rb、Cs、Be、Zr, 虧損 Sr、Nb、Ta, 其中 Li、Rb、Sr 在橫穿騎田嶺剖面上還呈現(xiàn)出自西向東逐漸升高或降低的有規(guī)律的分帶性變化, 暗示著巖體的侵位可能是歪斜的,即自南東向北西斜向侵位, 與地球物理資料可對應。利用元素的分帶性為研究巖體的剝蝕程度提供了一種新的可能的辦法。騎田嶺巖體在 Li、Rb、Cs、Be 含量較高的基礎上, 具有形成稀有金屬礦床的潛力, 但目前尚未發(fā)現(xiàn) Li、Rb、Cs、Be 等較好的金屬礦化體, 主要是因為剝蝕程度較高所致,今后可以在騎田嶺巖體東側外接觸帶包括外圍長城嶺一帶注意綜合評價稀有金屬和有色金屬礦產資源。

致謝:野外工作和論文編寫過程中得到陳毓川院士、盛繼福研究員、白鴿研究員等老專家的指點, 審稿人和編輯老師提出了很多建議和意見, 在此深表感謝！

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ZHAO Bin4and LI Jianguo4
(1. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Southern Hunan Institute of Geology and Survey, Chenzhou 423000, Hunan, China; 4. Shanxi Institute of Geophysical and Geochemical Survey, Yuncheng 044004, Shanxi, China)

The Qitianling granites in Chenzhou city, Hunan province, is a Mesozoic batholith. In this study, granitic rock samples across the Qitianling Geological-Geochemical-Geophysical profile were analyzed by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) to measure the concentrations of rare metal elements, including Li, Rb, Sr, Cs, Nb, Ta, Be, Zr, Hf. The results showed that: (1) samples are significantly enriched in Li, Rb, Cs, Be and Zr, which are higher than the average concentrations of granite in South China, while elements like Sr, Nb and Ta are relatively depleted; (2) the concentrations of elements like Li, Rb, Cs increase gradually from west to east of the batholith, while the concentrations of Sr is gradually decrease. Elements like Nb, Ta and Hf remain stable except occasional “peak value”; (3) compared with the neighborhood Xianghualing pluton that is genetically related to the Xianghualing rare metal deposit, the Qitianling batholith is of the same geological stage, but the rare metal contents in Qitianling are not so high as to be a potential or as a target for exploration. That is to say, it is difficult to find new rare metal deposits as those formed around the Xianghualing pluton, considering the rare metal contents and stronge erosion of the Qitianling batholith. Based on the geophysical and geological characteristics of the rocks, it is considered that the Qitianling batholith was intruded from southeast to northwest, which might be the cause of rare element zonation across the Qitianling batholith.

the Qitianling batholith; rare metal; element geochemistry; ore-potential; emplacement mechanism

P595; P612

A

1001-1552(2014)02-0366-009

2013-12-22; 改回日期: 2014-01-17

項目資助: 國家深部探測技術與實驗研究專項“南嶺成礦帶地殼巖漿系統(tǒng)結構探測實驗”課題(編號: SinoProbe 0301)、中國地質大調查項目“南嶺巖漿巖成礦專屬性”(編號: 1212011120989)和“我國重要礦產和區(qū)域成礦規(guī)律研究”(編號: 1212010633903)資助。

何晗晗(1991-), 女, 碩士研究生, 構造地質學專業(yè)。Email: he.hanhan@163.com