遼寧鳳城賽馬鈮礦床成礦巖體地球化學特征及其地質(zhì)意義

鞠楠，張森，畢中偉，任云生，石蕾，張迪，顧玉超，孫求實

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽110034；2.吉林大學地球科學學院，長春130061

0 引言

中國稀有稀土金屬儲量占世界總量的87%，而鈮金屬儲量僅占世界總量的18.19%，在中國相對短缺[1,2]。近年來的研究表明，中國鈮鉭礦床多數(shù)分布在華南地區(qū)，如江西、廣東、湖南以及陜西等地，北方的內(nèi)蒙古地區(qū)、攀西地區(qū)以及新疆北部也有零星分布，尤以江西鈮鉭資源最為豐富[3--7]，而東北地區(qū)鈮鉭礦床發(fā)現(xiàn)較少，找礦勘查及理論研究相對滯后。近年來，東北地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了以巴爾哲特為代表的一批堿性巖型稀有稀土礦床[8]，由此，堿性侵入巖中的鈮(Nb)鉭(Ta)等稀有金屬礦床引起學者們的廣泛關(guān)注。

賽馬鈮礦床位于遼寧省鳳城市賽馬鎮(zhèn)南2 km處，南西距鳳城市102 km，是一個具有中型成礦潛力的獨立鈮礦床。由于該區(qū)鈮礦發(fā)現(xiàn)晚，目前仍處于勘查階段，成礦理論研究十分薄弱。筆者在該區(qū)成礦地質(zhì)背景、礦床地質(zhì)特征分析基礎上，從成礦巖體地球化學特征研究入手，揭示賽馬鈮礦床成巖成礦作用的物質(zhì)源區(qū)，探討該礦床的成礦構(gòu)造背景及成礦機理，為東北地區(qū)稀有金屬礦產(chǎn)成礦規(guī)律綜合研究及進一步找礦工作奠定理論基礎。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

賽馬礦床處于華北克拉通東北部的遼東地塊內(nèi)，具體為太子河—渾江斷陷與營口—寬甸隆起帶的交匯部位。前寒武系、奧陶系、侏羅系地層均有出露，第四系普遍發(fā)育。自晚太古代到中生代的不同時代花崗巖體均有出露，海西期至燕山期的巖漿活動尤為強烈，具有多期次多旋回的特點。區(qū)內(nèi)與稀有稀土礦床關(guān)系密切的堿性巖體呈帶狀隨斷裂分布，位于EW向與NNE向斷裂的交匯部位，巖體EW長40 km，SN寬15 km，出露面積約200 km2，呈巖枝、巖脈和巖株狀侵入于前奧陶系地層中，其與上覆的侏羅系地層的接觸關(guān)系為角度不整合。該堿性巖組合體由4個侵入體與部分火山巖、次火山巖構(gòu)成，自東向西堿性不斷增強，巖性也從正長巖--云霞正長巖漸變?yōu)槟尴颊L巖。區(qū)域構(gòu)造方面，以EW向為主，其次為NW、NE與NNE向，賽馬稀有稀土礦床就位于EW向與NE向斷裂的交匯處(圖1a)，斷裂構(gòu)造為成礦元素的遷移、聚集提供了良好的條件，也為賽馬鈮鉭礦床的形成奠定了基礎。

2 礦床地質(zhì)特征

賽馬礦區(qū)內(nèi)出露的地層以下元古界蓋縣組、大石橋組為主，偶見上元古界細河群，而古生界的寒武系—奧陶系以及中生界侏羅系地層零星分布。礦區(qū)內(nèi)巖漿活動較強烈，按期次可分為遼河期構(gòu)造巖漿旋回和中生代構(gòu)造巖漿旋回，礦區(qū)的東部出露有遼河期巖漿巖，礦區(qū)西部則出露中生代巖漿巖，成份以鳳城堿性巖體和南大--北大花崗巖體為主，它們均受EW向斷裂控制。與成礦有關(guān)的正長巖體位于中生代巖漿巖帶的核部,該巖體成巖年齡為227±3.6 Ma(作者未公開發(fā)布數(shù)據(jù))，即在印支運動作用下，沿東西向構(gòu)造帶侵入、噴溢形成的，巖體多以巖脈、巖墻形態(tài)出露，其結(jié)構(gòu)有中細粒和偉晶結(jié)構(gòu)兩種；巖石類型以霓霞正長巖為主，巖石組合包括黑色霓石霓霞正長巖、黑云母霓霞正長巖、云霞正長巖、黑榴云霞正長巖以及含草綠色霓石的霓霞正長巖，總體上，屬于富鉀低鈉的堿性巖系。其中，富含草綠色--灰褐色霓石的霓霞正長巖體內(nèi)有明顯的礦化現(xiàn)象，且發(fā)育有晚期的偉晶巖相。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動頻繁,發(fā)育有EW向、近SN向、NNE向構(gòu)造及NE向斷裂構(gòu)造，其中，NE向斷裂為主要的控礦構(gòu)造[10,11](圖1b)。礦區(qū)范圍內(nèi)巖石蝕變現(xiàn)象普遍，蝕變種類繁多，且蝕變程度相對較高，蝕變分布范圍較廣，而蝕變類型主要以霞石化、微斜長石化、鈣霞石化、碳酸鹽化和鈉沸石化為主，蝕變將各種原生的正長巖體改造為變生的正長巖體,構(gòu)成了賽馬堿性巖的主體。整體上，蝕變分帶并不明顯，且鈮鉭礦化多與鈣霞石化和霞石化關(guān)系密切。

目前工程揭露8條礦體，主要賦存于灰褐色--草綠色霓霞正長巖中。其中，Ⅰ號礦體長500 m，寬6 m，Ⅱ號礦體長160 m，寬18 m。礦體多呈透鏡狀、層狀--似層狀產(chǎn)出，最大厚度可達40 m，礦體傾向45°～115°，傾角25°～75°，礦體間互相平行，在剖面上呈魚群狀排列(圖2)。礦石礦物以褐釔鈮礦和褐鈰鈮礦為主，主要的脈石礦物為霞石、金紅石、霓石和黃鐵礦等，鈮含量多集中在0.03%～0.06%，鈰含量約為0.1%，Nb元素含量較高，Ta元素的含量較低。礦體與圍巖呈漸變過渡關(guān)系，無明顯界線。礦石多呈碎裂狀、片狀和半自形偉晶結(jié)構(gòu)，浸染狀、脈狀構(gòu)造。

3 成礦巖體特征

3.1 取樣及研究方法

本文測試的5件巖體樣品主要取自賽馬礦床Ⅱ號礦體地表探槽，編號為SMH1，均為成礦巖體。室內(nèi)將這些樣品分成兩部分，一部分磨成薄片，進行巖相學研究，另一部分送實驗室進行主量、微量及稀土元素分析。巖相學研究在吉林大學地球科學學院巖礦鑒定實驗室完成，儀器為OLYMPUS顯微鏡。全巖主量元素分析在中國地質(zhì)大學(北京)科學研究院實驗中心“元素地球化學實驗室"完成，元素含量測定使用儀器為美國利曼公司(LEEMAN LABS.INC)Prodigy型等離子發(fā)射光譜儀(ICP--OES)；部分低含量元素，采用酸性溶液，利用Agilent 7500a 型ICP--MS進行K、P、Ti、Mn等元素含量驗證性測定；檢測標樣為AGV--2、GSR--3、GSR--1、GSR--5；燒失量測定：稱取100 mg樣品，在馬弗爐內(nèi)980℃條件下恒溫60 min后，干燥皿保存降溫到室溫后稱量計算獲得。稀土、微量元素分析在中國地質(zhì)大學(北京)科學研究院元素地球化學實驗室(等離子體質(zhì)譜(ICP--MS)實驗室)完成，分析儀器為美國安捷倫公司生產(chǎn)Agilent 7500 a型等離子質(zhì)譜儀；分析過程中采用美國標準局Equipment實驗室制備的標準溶液Std--1、Std--2、Std--4為檢測外部標樣，定值加入的Rh為檢測內(nèi)部標準。分析結(jié)果列于表1、表2。

圖2 鳳城賽馬鈮礦床TCG10--3槽探素描圖Fig.2 TCG10--3 geosynclinal sketch map of Saima niobium deposit in Fengcheng

表1 賽馬鈮礦床成礦巖體主量元素分析結(jié)果Table 1 Analysis results of major elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit /%

3.2 成礦巖體巖相學特征

成礦巖體的巖相學特征表明，賽馬礦床5件樣品均為中粗粒霓霞正長巖，主要由堿性長石(Afs)中的正長石(Or)為主，約占50%，霞石(Ne)30%，黑云母(Bt)10%，鈉鐵閃石(Arf)3%，霓石7%，4件樣品無明顯的蝕變，1件樣品存在微弱蝕變現(xiàn)象(圖3)。

3.3 成礦巖體地球化學特征

賽馬鈮礦床成礦巖體主量元素特征表明，5件霓霞正長巖樣品的SiO2含量為55.86%～80.94%，主要集中在55.86%～63.80%之間；具有較低的TiO2含量(0.36%～0.64%)和P2O5含量(0.04%～0.11%)；4件樣品中的A12O3含量>15%，偏鋁質(zhì)明顯；巖石中全堿含量較高(K2O+ Na2O=9.72%～15.51%)，且富鉀(K2O/Na2O =2.42～3.64)，里特曼指數(shù)(σ=[w(K2O+Na2O)]2/[w(SiO2-43)])主要集中在6.84～17.10，符合堿性巖區(qū)特征。在TAS圖解和R1-R2圖解上(圖4a、4b)，4件樣品落在霞石正長巖或正長巖巖區(qū)，排除硅化蝕變影響，所有樣品均屬于霞石正長巖或正長巖范圍；在FMA巖石系列分類圖解上(圖4c)，樣品均落入鈣堿性系列；在B-A和A/CNK巖石系列分類圖解上(圖4d、4e)，樣品都落在偏鋁質(zhì)巖區(qū)。巖體主量元素特征表明，賽馬鈮礦床的成礦巖體屬于富鉀、偏鋁、過堿系列的正長巖系。

表2賽馬鈮礦床成礦巖體微量元素和稀土元素分析結(jié)果

Table2AnalysisresultsoftraceandrareearthelementsofmetallogeneticrockbodiesinSaimaniobiumdeposit/ 10-6

a.中粗粒霞石正長巖(-)；b.中粗粒霞石正長巖(+)；c.中粗粒霓霞石正長巖(-)；d.中粗粒霓霞石正長巖(+)圖3 賽馬鈮礦床成礦巖體顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

圖4 賽馬鈮礦床成礦巖體主量元素地球化學圖(F=FeO+0.9Fe2O3;A=Na2O+K2O;M=MgO)Fig.4 Geochemical map of major elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

圖5 賽馬礦床成礦巖體微量、稀土元素地球化學圖Fig.5 Geochemical map of rare and REE elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

從表2可以看出，賽馬正長巖體富集Rb、Cs、Ba等大離子親石元素(LILE)，虧損Zr、Nb、Ti等高場強元素(HFSE)，推斷其巖漿來源可能與富集地幔有關(guān)。所測樣品均表現(xiàn)出明顯貧P和Ti的特征，其中，Nb元素含量高達34.79×10-6～106.59×10-6，該巖體Nb元素豐度值高，富集比較大，有利于礦化，為成礦提供了豐富的物質(zhì)來源。在微量元素對原始地幔的標準化圖解上(圖5a)，賽馬成礦巖體的5件樣品均呈現(xiàn)明顯的大離子親石元素富集趨勢，且過渡族元素呈典型的W型模式分布，其與大陸裂谷型侵入巖、幔源型花崗巖的過渡族元素的分布模式基本一致，反映該巖體的來源較深[12]；而高場強元素中的Pb、Th元素相對富集，Ti元素明顯負異常。以上特點表明，賽馬成礦巖體的元素地球化學特征與板內(nèi)裂谷型巖系相類似。

稀土元素的分析結(jié)果表明(表2)，賽馬鈮礦床的成礦巖體稀土元素總量較高，含量差異明顯，為0.34×10-6～946.00×10-6；輕重稀土元素分餾作用明顯，LREE/HREE為7.20～18.48，即輕稀土元素(LREE)相對富集，重稀土元素(HREE)相對虧損，暗示其巖漿源區(qū)較深；(La/Yb)N值較高(7.56～39.58)，具有較低的(Rb/La)N值(0.31～1.14)，較高的Nb/Ta值(24.56～40.04)。成礦巖體沒有明顯的Sr和Eu異常(δEu=2EuN/(SmN+GdN)為0.94～1.00)，一些學者的研究表明[13,14]，Sr元素和Eu元素的虧損或富集多是因為斜長石引起的，這說明賽馬鈮礦床的正長巖體巖漿源區(qū)不含或者缺少斜長石。從賽馬礦床成礦巖體的球粒隕石標準化稀土元素圖解(圖5b)可以看出，5件巖石樣品均呈現(xiàn)重稀土元素虧損、輕稀土元素富集的右傾斜模式，該現(xiàn)象說明巖漿源區(qū)可有石榴子石的殘留，巖漿形成的溫壓條件應類似于石榴子石穩(wěn)定的條件[15,16]，暗示其具有殼幔深部熱液流體參與結(jié)晶的特征。

4 巖漿巖演化及其成礦意義

近年來，學者們普遍認為，稀有稀土礦床多分布在板塊的邊緣或者不同時代的斷裂構(gòu)造接合部位，礦床的形成受到區(qū)域性的深大斷裂控制，控礦構(gòu)造以派生的二、三級構(gòu)造為主。該類型礦床均與巖漿作用關(guān)系密切，全球鈮鉭成礦帶的分布與巖漿活動帶的分布基本一致，并體現(xiàn)出明顯的巖石類型成礦專屬性[9，17，18]。隨著堿性巖地區(qū)典型巖體地質(zhì)特征研究的不斷深入，取得了一部分較為準確的地球化學數(shù)據(jù)，作為富堿侵入巖，其來源較深，是深部地球動力學過程在淺部地殼的直接表現(xiàn)和歷史記錄，反映了巖體形成時的地球深部組成和地球動力學狀態(tài)、地殼上層結(jié)構(gòu)和物理化學環(huán)境、熔體稀有金屬濃度及成礦特征等。而堿性雜巖體被認為是穩(wěn)定大陸裂谷或深大斷裂活動的產(chǎn)物，這種深源淺成的特征揭示了地球深部的物質(zhì)組成、物理化學條件和構(gòu)造演化等重要地質(zhì)信息[19]。

大量研究表明，Nb、Ta元素在巖漿及相關(guān)成巖成礦過程中的異常地球化學行為，即明顯富集或虧損，從而導致Nb/Ta值強烈偏離原始地幔、虧損地幔及地殼比值的異常特點，可以反映巖漿來源及成因，CI型球粒隕石的Nb/Ta值為17.3～17.6，它代表了地球的平均值，原始地幔(PM)的Nb/Ta值為17.5，虧損地幔(DM)為15.5，大陸地殼Nb/Ta值為10～14，沿深大斷裂或裂谷帶分布的巖體具有強烈富集Nb和Ta的特點，且Nb/Ta值較高，顯著高于原始地幔[20--24]，而賽馬礦床巖體的Nb/Ta值為24.56～40.04，明顯高于原始地幔平均值，進一步證明賽馬巖體來源于拉張環(huán)境下的深部地幔；同時，在La/Yb-Eu源區(qū)判別圖解上，巖體樣品均落入殼?；旌显磪^(qū)域(圖4f)，而賽馬正長巖體相對富集Sr、Nd元素，且相對虧損Hf元素，顯示了成礦巖體源區(qū)與軟流圈地幔密切相關(guān)，軟流圈地幔交代巖石圈是控制這些強烈富集Nb和Ta及高Nb/Ta值的堿性巖巖漿形成的重要原因。在A-B型花崗巖判別圖解中，賽馬巖體樣品全部落入A型花崗巖巖區(qū)，在F-A-M-CNK構(gòu)造判別圖解中，巖體樣品落入板內(nèi)--后碰撞--裂谷型花崗巖源區(qū)(圖5c、5d)，上述特征與國內(nèi)同類型礦床成礦巖體地球化學特征基本一致，即賽馬鈮礦床成礦巖體為霓霞正長巖，形成于后碰撞時期的大陸裂谷環(huán)境。

賽馬鈮礦床與成礦有關(guān)的霓霞正長巖形成機制主要為殼?；旌?，成礦過程可以推斷為：在區(qū)域上由俯沖擠壓向陸內(nèi)伸展--拉張轉(zhuǎn)換的構(gòu)造環(huán)境下，上地?；蚣雍竦南碌貧ぱ財嗔褞У谋∪醪课幌蛏锨秩耄畈控S富的成礦物質(zhì)被帶入淺部，地幔區(qū)巖漿低度部分熔融，導致了不相容元素的(REE，LILE)相對富集，同時豐富的揮發(fā)分成為礦化劑，對賽馬礦床的形成具有重要的控制作用。霓霞正長巖體富集Zr、Hf等高場強元素，特別是Nb、Ta元素和輕稀土總量明顯高于地殼背景值[25--30]，這為賽馬鈮礦床的形成提供了良好的成礦條件。此外，巖漿中富含的揮發(fā)分對巖漿結(jié)晶過程中稀有稀土元素的富集成礦起到了非常關(guān)鍵的作用。

5 結(jié)論

(1)賽馬鈮礦床與成礦有關(guān)的堿性巖體為霓霞正長巖，該巖體以富含草綠色--灰褐色霓石為標志，NE向斷裂為控礦構(gòu)造，鈮鉭礦化與霞石化、鈣霞石化密切相關(guān)。礦體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，在剖面上呈魚群狀排列，礦石多呈碎裂狀、片狀和半自形偉晶結(jié)構(gòu)，浸染狀、脈狀構(gòu)造，主要礦石礦物為褐釔鈮礦和褐鈰鈮礦，礦體與圍巖無明顯界線，呈漸變過渡關(guān)系。

(2)成礦巖體為中粗粒霓霞正長巖，屬富鉀、偏鋁、過堿系列的正長巖系，與板內(nèi)裂谷型巖系具有類似的元素地球化學特征，其結(jié)晶過程有深部熱液流體參與。

(3)該礦床形成于俯沖擠壓向陸內(nèi)伸展、拉張轉(zhuǎn)換的構(gòu)造環(huán)境下，成礦過程與殼?；旌蟻碓吹哪尴颊L巖體密切相關(guān)。