坦桑尼亞Mpanda 地區(qū)Sangu 碳酸巖地質(zhì)及地球化學(xué)特征

曾瑞垠黃建業(yè)田犁平譚康雨張毅劉昭詹勇

（1.北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京 100012；3.云南省有色地質(zhì)局306 隊，云南 昆明 650001）

0 引言

Mpanda 地區(qū)Sangu 碳酸巖位于坦桑尼亞西部，坦噶尼喀湖的東邊，行政區(qū)劃屬魯夸省，地理位置為30°25′～35′E 和06°40′～50′S。碳酸巖是指含碳酸鹽礦物含量大于50%（體積百分?jǐn)?shù)）、二氧化硅含量小于10%（重量百分?jǐn)?shù)）的火成巖石（woolley，1989；楊學(xué)明等，1998；茍瑞濤等，2019）。碳酸巖是稀土、釷、鈮的主要來源，也是鐵、重晶石、碳酸鈣、螢石和霞石的來源（Ohde and Mataragio，1999）。東部非洲地區(qū)的碳酸巖，普遍認(rèn)為與東非裂谷系的活動有關(guān)（Bell and Tilton，2001；吳興源等，2019）。Coetzee（1963）開展了Sangu 碳酸巖的地質(zhì)特征調(diào)查，并對Sr、Nb 的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，2014 年中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司對Mpanda 地區(qū)進(jìn)行了銅礦潛力評價，并對Sangu 碳酸巖進(jìn)行了現(xiàn)場考察。筆者在參加了Mpanda 地區(qū)礦產(chǎn)評價項目基礎(chǔ)上，對Sangu 碳酸巖進(jìn)行了少量樣品采集，結(jié)合近年來碳酸巖的研究成果，探討其形成、演化過程以及成礦意義，以期對該區(qū)碳酸巖研究及相關(guān)礦床找礦提供一定指示。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

Mpanda 地區(qū)位于坦桑尼亞克拉通的西南緣，構(gòu)造格局為東非大裂谷西分支坦葛尼喀湖裂谷系統(tǒng)疊加在北西向Ubendian 造山帶上（圖1）。一般認(rèn)為Ubendian 造山帶是坦桑尼亞克拉通和贊比亞克拉通碰撞的產(chǎn)物，形成于元古宙（于彩虹等，2015）。元古宇主要由烏賓迪（Ubendian）超群、布科巴（Bukoban）超群深度變質(zhì)巖與角閃巖的混合巖構(gòu)成，主構(gòu)造線為北西走向，與坦葛尼喀湖裂谷和魯夸湖次級裂谷平行。Ubendian 造山帶內(nèi)成礦條件優(yōu)越，找礦潛力較大，發(fā)育有豐富的銅、金礦和沉積—變質(zhì)型鐵錳礦床（點）。在世界已知的碳酸巖體近一半產(chǎn)于非洲，其中大多數(shù)的年齡小于200 Ma，與東非大裂谷有關(guān)（楊學(xué)明等，1998）。Ubendian 造山帶上由北西至南東，發(fā)育有Sangu、Ikola、Ngualla、Sengeri、Panda 碳酸雜巖體（圖1）。

圖1 坦桑尼亞大地構(gòu)造圖（修改自郭鴻軍等，2009；吳興源等，2019）

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

Mpanda 地區(qū)地層與維多利亞綠巖帶不同，地層主要為古元古界Ubende 群、Ufipa 群和中元古界If?ume 群（圖2）。

Ubende 群為研究區(qū)的基底，主要巖性為花崗片麻巖、斜長角閃巖、角閃石片巖（Uub）和石英巖（Uubq）等。巖石呈墨綠色，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，片麻狀構(gòu)造，局部條帶狀構(gòu)造，主要礦物成分為角閃石、黑云母、石英、斜長石等。巖石蝕變強(qiáng)烈，以綠簾石化和綠泥石化為主，巖層產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造基本一致，傾向南西，傾角50°～85°。與上伏Ifume 群砂礫巖（Ic）呈斷層接觸關(guān)系，與Sangu 群混合碳酸巖（Sc）呈侵入接觸關(guān)系。

Ufipa 群混合片麻巖分布于東南部的Karema 地塊，由眼球狀和條帶狀構(gòu)造的黑云母片麻巖和角閃黑云片麻巖及石英巖組成。

Ifume 群（Ic）以長石礫巖為主，其分選性差。礫巖厚度較大，礫石呈橢圓狀或次圓狀，具有一定的磨圓度，分選性差，礫徑較小0.3～10 cm，最大15 cm。礫石成分復(fù)雜，主要有片麻巖、花崗巖、角閃巖、石英團(tuán)塊等，局部地段礫石成分為碳酸巖，膠結(jié)物為泥質(zhì)、硅質(zhì)、細(xì)屑質(zhì)，局部鐵質(zhì)，可見赤鐵礦化。地層產(chǎn)狀傾向南西，傾角30°～70°。Ifume 群上部主要為紅色砂巖、粉砂巖和紅色頁巖，Sangu 碳酸巖主要侵入該群中。

2.2 構(gòu)造

Muanda 地區(qū)位于烏賓迪活動帶卡拉戈維－安科瑞安斷裂內(nèi)，構(gòu)造形跡發(fā)育，存在同斜倒轉(zhuǎn)褶皺和韌、脆性斷裂，總體構(gòu)造線為NW 向。

區(qū)域斷裂極為發(fā)育，南部為Karema 斷裂，北部為Ikola 斷裂（圖2），均屬于左旋走滑性質(zhì)。斷裂構(gòu)造走向大體平行分布，總體走向北西，局部北東走向，性質(zhì)以左行脆－韌性擠壓剪切帶為主，帶內(nèi)大多數(shù)巖石擠壓片理密集，主要巖石有糜棱巖、碎裂巖、絹云母片巖，石英脈巖，局部地段見有構(gòu)造角礫巖。擠壓帶內(nèi)普遍具有硅化、鉀化，局部見有褐鐵礦脈，偶見星點狀黃鐵礦化。

2.3 巖漿巖

研究區(qū)巖漿巖活動較頻繁、強(qiáng)烈。主要有鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖，Sangu 群碳酸雜巖體和黑云母花崗巖體（圖2）。

鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)侵入巖（mub），主要為變輝石巖、榴輝巖和變橄欖巖。鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)侵入巖與鐵礦化有關(guān)，橄欖巖體中賦存有細(xì)粒浸染狀鉻鐵礦，地表見貫入式致密塊狀鉻鐵礦體。在輝石巖和榴輝巖體中，局部見輝石偉晶巖。

黑云母花崗巖（gr），巖石呈肉紅色，細(xì)—中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，在擠壓帶附近為片麻狀構(gòu)造。巖體中常見后期石英脈分布，大多呈長條狀與透鏡狀，巖體圍巖為角閃片巖，接觸處見硅化、鉀化、混合巖化，韌性剪切帶通過處，具片麻狀構(gòu)造、眼球狀構(gòu)造。中粒黑云母花崗巖侵入于混合片麻巖體中。

圖2 坦桑尼亞Mpanda 地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

此外Mpanda地區(qū)廣泛分布有石英脈、偉晶巖脈巖、輝綠巖巖脈，展布方向與主構(gòu)造線一致，圍繞Sangu 碳酸巖，石英脈和偉晶巖脈較發(fā)育，局部發(fā)育有正長巖脈。

2.4 礦產(chǎn)

研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育銅、金、鐵、錳礦床（點），主要位于Karema 和Ikola 斷裂構(gòu)造帶之間（圖2），圍繞Sangu 碳酸巖分布。銅、金礦體賦礦巖性以Ubende 群斜長角閃巖、角閃石片巖（Uub）為主，鐵、錳礦礦體賦存于鐵錳質(zhì)石英巖中，Sangu 碳酸巖中具有一定的鈮異常。Sangu 碳酸巖北西端為一小型銅礦床，產(chǎn)出于碳酸巖脈（Sc1）與Ubende 群斜長角閃巖接觸帶，氧化礦為孔雀石，原生礦主要為輝銅礦，其次為黃銅礦和斑銅礦，Cu 品位最高可達(dá)40%，屬于熱液成因。

3 Sangu 碳酸巖基本特征

3.1 分布

Sangu 碳酸巖體地表出露長約20 km，寬0.5～2 km，呈北西走向，出露面積為20 km2（圖2）。呈層狀、似層狀或巖墻狀產(chǎn)出，自東南至北西呈似喇叭狀，展布方向與區(qū)域構(gòu)造線一致。Sangu 碳酸巖主要侵入于Ubende 群斜長角閃巖和Ifume 群砂礫巖之間，傾向北東，傾角50°～70°，推測碳酸巖為本區(qū)最年輕的地質(zhì)體（仇厚文，2015）。

北部砂礫巖中見1 條長約6 km、寬10～50 m 的碳酸巖脈（Sc1）侵入（圖3），主要沿斷層侵入于砂礫巖中，地表出露寬度由西向東逐漸變窄，巖性為白云石碳酸巖和鐵碳酸巖，推測為后期侵入。根據(jù)鉆孔驗證，該脈體由地表至深部呈膨大趨勢（圖4），捕獲有角閃石片巖角礫。

3.2 巖性

Sangu 碳酸巖以白云方解石碳酸巖和白云石碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖。

白云方解石碳酸巖（圖5a），巖石呈灰白、白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分以方解石為主，其次為白云石和磷灰石，含有少量石英、角閃石、磁鐵礦、金云母、綠泥石和白云母等礦物，巖石風(fēng)化表面常見有鈣質(zhì)結(jié)膜現(xiàn)象，局部地段硅化較強(qiáng)。方解石碳酸巖與白云石碳酸巖接觸關(guān)系尚不清楚。

圖3 Sangu 碳酸巖北西部地質(zhì)簡圖

圖4 A—A’地質(zhì)剖面圖

白云石碳酸巖，巖石呈灰白、白色、米黃色、深紅色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為白云石、方解石，少量黑云母。白云質(zhì)含量較高地段，地表風(fēng)化可見刀砍紋（圖5b）。

鐵碳酸巖主要分布北部的巖脈中，以含鐵氧化物礦物為顯著特征（圖5c）。鐵氧化物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦，巖石呈灰白色、灰色，中粒至粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部呈角礫狀構(gòu)造，裂隙面中充填有黑云母等暗色礦物。

Sangu 碳酸巖和圍巖的蝕變較強(qiáng)烈，可見綠泥石化、碳酸鹽化、鉀化、硅化、炭化等，局部可見星點狀、浸染狀、角礫狀硫化物礦化（圖5d），偶見脈狀、團(tuán)塊狀黃鐵礦化，含少量黃銅礦化。

4 地球化學(xué)特征

4.1 稀土元素

碳酸巖與堿性火成巖一般被認(rèn)為是稀土元素（REEs）及Nb－Ta－P 等高場強(qiáng)元素的良好載體（吳興源等，2019）。筆者針對Sangu 碳酸巖采集樣品3件，由中國冶金地質(zhì)總局一局測試中心實驗室完成稀土元素測試，測定方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法，結(jié)果詳見表1，同時將它們與Panda 的碳酸巖進(jìn)行了對比。

Sangu 碳酸巖的稀土元素進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分，球粒隕石豐度值采用Boynton（1984）提出的標(biāo)準(zhǔn)值。從標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖（圖6a）可看出，輕稀土元素配分曲線向右陡傾，表現(xiàn)為輕稀土（LREE）富集，重稀土相對虧損的特征，這與世界各地碳酸巖都表現(xiàn)為富集LREE 特征也是吻合的，是包括碳酸巖在內(nèi)的基性到中性火成巖的典型特征（Ohde and Mataragio，1999）。Sangu 碳酸巖的稀土元素總量變化范圍較小，所有樣品均未表現(xiàn)出明顯Eu 異常，稀土總量為529.23×10－6～572.35×10－6，輕稀土元素（LREE）含量為456.47×10－6～495.42×10－6，重稀土元素（HREE）含量72.76×10－6～86.34×10－6。

稀土分餾系數(shù)（La/Yb）N＝21.2～28.2，輕、重稀土元素分異明顯，輕稀土分餾系數(shù)（La/Sm）N值一般為2.90～3.67，重稀土分餾系數(shù)（Gd/Yb）N值一般為4.80～4.97，反映重稀土分餾程度較輕稀土的略高，說明兩者基本處于同一個環(huán)境條件下分異的（李鳳鳴和顏芳林，2015）。

圖5 Sangu 碳酸巖巖石及蝕變特征

從輕、重稀土元素含量以及輕、重稀土元素的分異程度來看，與同一造山帶的Panda 碳酸巖（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吳興源等，2019）具有類似的特征（圖6a），和新疆瓦吉里塔格碳酸巖稀土礦床也較相似（李鳳鳴和顏芳林，2015）。

4.2 土壤地球化學(xué)

圖6 Sangu 碳酸巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖（a）及次生暈元素對比圖（b）（圖a 修改自楊學(xué)明等，1998；吳興源等，2019）

表1 稀土元素分析 ωB/10－6

表2 土壤地球化學(xué)分析 ωB/10－6

本次研究采集土壤地球化學(xué)樣品429 件，其中針對Sangu 碳酸巖采集71 件，采樣介質(zhì)為B 層細(xì)粒級物質(zhì)，深度一般在地表以下10～50 cm。分析采用便攜式XRF 分析儀（X Ray Fluorescence）檢測，根據(jù)3%的檢查樣驗證，測試數(shù)據(jù)合格率為100%。碳酸巖中的微量元素可作為研究大陸上地幔性質(zhì)的化學(xué)示蹤劑（Ohde and Mataragio，1999），通常含有高的Sr、Ba、LREE、Nb、Th 和低的Rb、K、HREE 含量，明顯不同于任何沉積成因的石灰?guī)r和白云巖（Wool?ley，1989；楊學(xué)明等，1998），可以指示其形成時的大地構(gòu)造背景和地幔交代作用。

根據(jù)土壤地球化學(xué)測量分析結(jié)果（表2），Sangu碳酸巖的Cu、Zn、Ag、As、Pt、Sr、Th 元素均高于全區(qū)巖石，Sr、Th 元素平均值分別為543×10－6、108×10－6，全區(qū)的平均值為276×10－6、41×10－6，Sangu 碳酸巖明顯高于全區(qū)（圖6b）。Sangu 碳酸巖的Pb、Rb元素平均值分別為7.22×10－6、48×10－6，全區(qū)平均值為17.05×10－6、78×10－6，具有偏低的特征。土壤地球化學(xué)測量成果不能代表碳酸巖元素含量，但通過碳酸巖的元素富集特征，可以得出Sangu 碳酸巖與其他典型碳酸巖具有相同元素分布特征。

5 討論

5.1 Sangu 碳酸巖形成及演化

碳酸巖作為揭示地幔地球化學(xué)動力學(xué)的“探針巖石”通常形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境，但大洋背景或造山帶地區(qū)也可以產(chǎn)出碳酸巖（Tilton et al.，1998；Hou et al.，2006），還可能出露在洋島之中（Le Bas，1989；楊學(xué)明等，1998）。Sangu 碳酸巖所處的Ubendian 造山帶，位于東非大裂谷中，與世界其他地區(qū)碳酸巖的產(chǎn)出環(huán)境相似。

碳酸巖的地球化學(xué)特征明顯不同于沉積成因的石灰?guī)r和白云巖，可以指示其形成時的大地構(gòu)造背景和地幔交代作用。Coetzee（1963）的研究成果顯示Sangu 碳酸巖的Sr 含量0.04%～0.39%，高于圍巖的Sr 含量（0.01%～0.06%），同時高于北美的沉積型碳酸鹽巖（Sr 0.01%～0.14%），并指出Sangu 碳酸巖主要為火成巖或巖漿成因。碳酸巖最大的特征標(biāo)志是在其巖漿通過的上部地殼圍巖中發(fā)生以富含堿質(zhì)（鈉或者鉀）的霓長巖化作用（楊學(xué)明等，1998）。在Sangu 碳酸巖周邊發(fā)育有較多的鈉長巖，鈉長巖中發(fā)育有含銅石英脈，其南緣與角閃巖接觸帶中，發(fā)育有霓石—鈉長巖脈。Ubende 群斜長角閃巖、角閃石片巖蝕變較強(qiáng)烈，主要包括綠泥石化、碳酸鹽化、鉀長石化、黃鐵礦化等，可見少量正長石脈。這些蝕變是碳酸巖漿脫堿而引起圍巖發(fā)生堿質(zhì)交代作用所形成的（楊學(xué)明等，1998）。

稀土元素特征表明，Sangu 碳酸巖可能是由純?nèi)垠w體系演化而來，富含Sr、Ba 和LREE，虧損Rb、K和HREE 是碳酸橄欖巖部分熔融的主要巖漿特征（Ohde and Mataragio，1999）。Bell and Tilton（2001）通過Pb 同位素特征分析，顯示東非碳酸巖主要來源于下地幔中的低速帶區(qū)域，由地幔橄欖巖部分熔融而來（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吳興源等，2019），經(jīng)熔融程度不同的和不連續(xù)的部分熔融作用而形成堿質(zhì)巖漿，后又經(jīng)液態(tài)不混溶作用形成碳酸質(zhì)熔體，碳酸質(zhì)熔體由于其粘性而具有快速分離的能力。

碳酸巖按主要元素化學(xué)成分，可以分為鈣質(zhì)、鎂質(zhì)、鐵質(zhì)和堿質(zhì)碳酸巖4 種化學(xué)類型（茍瑞濤等，2019）。單個碳酸巖雜巖體完整的演化序列通常是：粗粒鈣質(zhì)碳酸巖—細(xì)粒鈣質(zhì)碳酸巖＋鎂質(zhì)碳酸巖—鐵質(zhì)碳酸巖—細(xì)脈/網(wǎng)脈狀鈣質(zhì)碳酸巖，在碳酸巖漿分異演化的晚階段常常出現(xiàn)稀土的成礦作用（Woolley，1989）。Sangu 碳酸巖以鎂質(zhì)和鈣質(zhì)碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖，外圍發(fā)育有脈狀碳酸巖，說明碳酸巖漿在Sangu 地區(qū)發(fā)生了較完整的演化，在晚階段具備稀土礦成礦條件。

5.2 Sangu 碳酸巖成礦指示意義

根據(jù)地球化學(xué)特征和蝕變礦化特征，Ubendian造山帶Sangu、Ngualla、Panda 碳酸巖的形成可能是由地幔橄欖巖部分熔融而來，地幔柱活動引發(fā)一些古斷裂活化，碳酸質(zhì)熔體沿著這些重新活化的斷裂帶快速上升、就位形成（吳興源等，2019）。碳酸巖－堿性巖熔漿在上升過程中帶來了成礦物質(zhì)（朱志敏等，2008），富集成一系列金屬和非金屬礦床，包括稀土、稀有、銅、金、鐵和鎳等礦產(chǎn)（茍瑞濤等，2019），如Sangu 碳酸巖南東方向400 km 的Ngualla碳酸巖型鐠釹稀土礦床（Witt et al.，2019）和600 km的Panda 碳酸巖型鈮礦床（吳興源等，2019）。Mpanda 地區(qū)圍繞Sangu 碳酸巖周圍，銅、金、鐵、錳等礦床較發(fā)育，說明在碳酸巖就位過程中，為金屬礦床的成礦作用提供流體來源。如Sangu 碳酸巖南東側(cè)發(fā)育有與其平行的鐵錳石英巖，礦石礦物主要為磁鐵礦，長度約5 km，推測為碳酸巖早期分異析出富集。

圖7 Sangu 碳酸巖的Nb 含量直方圖（修改自Coetzee，1963）

區(qū)域資料顯示，Sangu 碳酸巖中具有一定的鈮異常，鈮的含量集中在1×10－6～40×10－6（圖7，Coe?tzee，1963），與Panda 碳酸巖型鈮礦床特征相似，鈮礦床主要與不同類型的深成堿性巖體中發(fā)現(xiàn)的碳酸巖有關(guān)（Mitchell，2015），鈮元素的富集一般發(fā)生在碳酸巖形成的晚期（茍瑞濤等，2019），碳酸巖風(fēng)化后可能形成大量富含鈮、稀土的紅土型礦床（李以科等，2019）。Witt et al.（2019）在Sangu 南部的Ngualla 碳酸巖型鐠釹稀土礦床的研究中發(fā)現(xiàn)碳酸巖礦體是晚期熱液作用的產(chǎn)物，富稀土元素的熱液在遷移過程中，流體冷卻和大氣降水混合致使稀土絡(luò)合物的分解可能是主要的礦化機(jī)制（鄭旭等，2019）。

6 結(jié)論

（1）Sangu 碳酸巖稀土元素呈現(xiàn)為輕稀土富集的右傾分布型式，輕、重稀土分異明顯且無Ce、Eu 異常。Sr、Th 含量高于全區(qū)巖石，而Rb 含量相對較低。

（2）Sangu 碳酸巖以鈣質(zhì)碳酸巖和白云石碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖，外圍發(fā)育有脈狀碳酸巖，具有完整的演化過程。

（3）根據(jù)Sangu 碳酸巖的地球化學(xué)特征，推測其由地幔橄欖巖部分熔融而來，地幔柱活動引發(fā)Ubendian 造山帶內(nèi)部古斷裂活化，碳酸質(zhì)熔體沿著這些重新活化的斷裂帶快速上升，上升過程中富集成一系列稀土和金屬礦床。

致謝本文在野外調(diào)查和采樣過程中得到了中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司董少波教授級高級工程師的指導(dǎo)和幫助，編寫過程中得到了北京中資環(huán)鉆探有限公司陳德穩(wěn)教授級高級工程師的指導(dǎo)，成文期間審稿專家提出了寶貴的修改意見，在此致以誠摯的感謝。