河南方城縣大莊鈮稀土礦床地質(zhì)特征及成因分析

張哨波，崔霄峰，宋 瑋，黃丹峰，李山坡

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院/河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001 )

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速深入發(fā)展，國家對稀有金屬礦產(chǎn)資源的需求增加。鈮鉭礦作為新興戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，具有工業(yè)維生素之稱[1]，被河南省列為重點(diǎn)勘查礦種。近年來，河南省加大了稀有金屬的勘查力度，發(fā)現(xiàn)了方城縣楊集鄉(xiāng)大莊鈮稀土礦床。筆者通過礦床地質(zhì)背景、礦床特征的分析研究，主要從礦床地球化學(xué)特征入手，探討了礦床成因機(jī)制及成礦模式，希望對區(qū)域上尋找類似礦床能夠有所借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

該礦床大地構(gòu)造位置處于華北陸塊南緣，位于欒川—明港斷裂帶北側(cè)(圖1)。區(qū)域上發(fā)育NW—SE向帶狀巖漿巖，按其形成的時(shí)間先后及其形成環(huán)境的相關(guān)性，劃分為中元古代熊耳群火山巖及王家營“A”型花崗巖帶、新元古代大紅口組堿性火山巖及雙山堿性巖帶、早古生代毛谷堆基性輝長巖帶和早白堊世交口—牛心山花崗巖帶共4條巖漿巖帶。其中雙山堿性巖帶呈不規(guī)則帶狀展布于磨溝—雙山—塔山一帶，呈規(guī)模不等的巖株、巖墻狀侵入于青白口系欒川群煤窯溝組中。雙山堿性巖帶的形成具有拉張環(huán)境下巖漿活動特征，為堿性巖漿的侵入提供了動力來源。在該帶發(fā)現(xiàn)有螢石礦、鐵礦和鈮鉭礦床，成礦地質(zhì)條件較好[2]。

圖1 河南大莊一帶區(qū)域地質(zhì)略圖

2 礦床地質(zhì)特征

礦床位于南陽盆地西北部邊緣的盆、山結(jié)合地帶，地層除第四系下更新統(tǒng)魯山組(Qp1l)和全新統(tǒng)沖積層(Qhal)外，無基巖出露(圖2)。

圖2 大莊礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch map of Dazhuang mining area

礦區(qū)構(gòu)造位于當(dāng)陽寺—南崗不對稱復(fù)式背斜構(gòu)造南翼，斷裂構(gòu)造發(fā)育NW向、近EW向和近SN向三組。但這些斷層構(gòu)造均為成礦后構(gòu)造，其對礦體的破壞作用十分有限[3]。

礦區(qū)侵入巖主要為堿性正長巖，屬雙山堿性巖體的一部分，主要巖石類型為黑云母正長巖、角閃霞石正長巖和黑云角閃正長巖，有少量正長巖脈和霞石巖脈分布。黑云母正長巖和霞石角閃正長巖是鈮稀土礦富集的主要部位。

黑云母正長巖(Pt3βξ)大面積分布于基巖裸露區(qū)，俯沖于北側(cè)地層之上，傾向SW，與北側(cè)接觸面產(chǎn)狀基本一致。巖石呈淺灰—灰白色，具中細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)及變余斑狀—斑狀變晶結(jié)構(gòu)，弱片麻狀—片麻狀構(gòu)造。主要礦物由黑云母、微斜長石組成，磁鐵礦、綠簾石少量。微斜長石，半自形-他形粒狀，粒徑為0.3～4.25 mm，含量為60%～70%；黑云母，半自形片狀、鱗片狀，片徑為0.20～0.80 mm，含量為7%～18%；綠簾石，半自形粒狀，常交代黑云母，分布零星，含量為1%～4%；磁鐵礦，半自形粒狀，零散零星，含量為1%～2%。除上述礦物之外，還見有交代成因的鈉長石以及螢石、方解石和黃鐵礦等。在形成先后順序上，此類巖石的巖漿侵位時(shí)間略早，巖石Nb2O5含量普遍偏高。根據(jù)黑云母正長巖化學(xué)基本分析結(jié)果(1229件)統(tǒng)計(jì)，樣品的鈮稀土平均品位(0.04%)接近邊界品位(0.05%)。

角閃霞石正長巖(Pt3ψε)主要分布于礦區(qū)中部，在平面上呈不規(guī)則橢圓狀，零星嵌布于黑云母正長巖中，總體上呈NW向帶狀展布。巖石呈灰色，具有他形粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。主要礦物由正長石、斜長石、黑云母、鈉鐵閃石、霞石組成，次要礦物由方柱石、方鈉石、螢石等組成，微量礦物為榍石、石榴石、磷灰石、磁鐵礦、綠簾石、燒綠石、褐釔鈮礦等。正長石呈灰白色半自形—自形粒狀、板柱狀或呈碎斑狀，粒徑為1～5 mm，含量為50%～68%；鈉長石呈白色半自形-他形粒狀，粒徑為0.6～1.2 mm，含量為10%～15%；黑云母呈黑褐色鱗片狀，粒徑為0.2～1.2 mm，有綠簾石不均勻交代，含量為3%～6%；鈉鐵閃石呈半自形粒柱狀，黃綠色-深藍(lán)色，粒徑為0.3～2.0 mm，有綠簾石不均勻交代，含量為4%～24%；霞石呈淺灰色他形粒狀，粒徑為0.1～0.6 mm，含量為6%～18%；方柱石，半自形粒狀，粒徑為0.4～1.2 mm，含量為0.5%～5%；方鈉石，他形粒狀，粒徑為0.1～0.5 mm，含量為0.3%～4%；螢石，多呈紫紅色半自形—他形粒狀，粒徑為0.02～0.4 mm，含量為0.5%～2%；燒綠石為等軸粒狀，淡鵝黃色，粒徑為0.02～0.35 mm，零星分布。在形成先后順序上，此類巖石的巖漿侵位時(shí)間略晚。根據(jù)角閃霞石正長巖化學(xué)基本分析結(jié)果(666個(gè)樣品)統(tǒng)計(jì)，樣品的鈮稀土平均品位(0.04%)接近邊界品位(0.05%)。

2.1 礦體形態(tài)、產(chǎn)狀及規(guī)模

大莊鈮礦礦床富含褐釔鈮礦和稀土，主要賦存于雙山堿性巖體分異程度較高的角閃霞石正長巖和黑云母正長巖內(nèi)部(或內(nèi)接觸帶)，在分布形態(tài)上與NW向斷層構(gòu)造基本一致。由17個(gè)礦體組成，在平面上主要呈囊狀、不規(guī)則狀和透鏡體狀，出露礦體長度為80～466 m，寬度為17～300 m，礦體傾向SW，傾角15°～80°，產(chǎn)狀與NW向斷層基本一致。主要礦體K1、K2分布于礦區(qū)南東部，主要賦存于片麻狀黑云母正長巖中，K3、K4、K5礦體集中分布于礦區(qū)中東部，賦存于中細(xì)粒角閃霞石正長巖中。多個(gè)礦體的平均厚度為6.69～54.96 m，Nb2O5的品位為0.05%～0.10%，TRE2O3的品位為0.076%～0.151%。礦體與圍巖巖性呈漸變過渡關(guān)系，沒有明顯的界線。

2.2 礦石特征

該礦床中礦石礦物共有20多種(表1)，其中有用礦石礦物主要為褐釔鈮礦，少量的燒綠石、氟碳鑭鈰礦；脈石礦物主要為鉀長石、鈉長石、霞石、角閃石、螢石、磁鐵礦、黃鐵礦、黑云母、綠簾石等。褐釔鈮礦呈黃褐、黑褐色，他形粒狀，油脂光澤，中等解理，貝殼狀斷口，粒徑為0.01～0.1 mm，以獨(dú)立礦物存在。燒綠石呈肉粉色，他形粒狀，透明—半透明，油脂光澤，粒徑為0.03～0.30 mm，與磁鐵礦呈連體分布，次被石英包裹(圖3b)。氟碳鑭鈰礦呈黃色，他形粒狀，玻璃光澤，透明—半透明，解理不完全，硬度為5～6，粒徑為0.01～0.1 mm。礦石礦物組合主要表現(xiàn)為巖石類型的差異。角閃霞石正長巖對應(yīng)的礦物組合為褐釔鈮礦+螢石，黑云母正長巖對應(yīng)的礦物組合為褐釔鈮礦+螢石+磁鐵礦+鈦鐵礦，二云母正長巖對應(yīng)的礦物組合為褐釔鈮礦+氟碳鑭鈰礦+螢石，白云母正長巖對應(yīng)的礦物組合為燒綠石+氟碳鑭鈰礦+磁鐵礦+赤鐵礦。這些巖石中可以見到強(qiáng)烈的鈉長石化交代現(xiàn)象以及明顯的侵染狀螢石礦化，易于識別。而且粒度越大，鈮、稀土成礦的幾率就越大。

表1 主要礦體礦物成分Table 1 Main mineral composition of the orebody

礦石結(jié)構(gòu)主要有斑狀變晶結(jié)構(gòu)、變余碎斑結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、他形粒狀結(jié)構(gòu)和變余半自形粒狀結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、弱定向構(gòu)造和片麻狀構(gòu)造(圖3)。

2.3 圍巖蝕變特征

礦體的圍巖蝕變主要有螢石化、鈉長石化和黑云母化。鈉長石化、螢石化是含礦巖體重要蝕變類型，鈉長石是霞石正長巖自交代作用的產(chǎn)物，一般呈小葉片狀集合體；螢石以紫色為主，呈浸染狀分布于造巖礦物的粒間。一般鈉長石化和螢石化較明顯的巖石中，鈮含量相對較高。黑云母化以聚斑狀或自形顆粒分布，反映出黑云母與鈮礦的內(nèi)在聯(lián)系。從地表向深部延伸，蝕變礦物具有一定的分帶性，具體可劃分為霞石偉晶巖+鈉長石帶、鈉長石+粗粒螢石+聚斑狀黑云母帶、鈉長石+細(xì)粒螢石+鱗片狀黑云母帶，自形鱗片狀黑云母+白云母帶，反映出富含揮發(fā)分的堿性巖漿分異程度的差異。

2.4 稀有稀土元素賦存狀態(tài)

通過電子探針分析發(fā)現(xiàn)，礦石中的褐釔鈮礦、氟碳鑭鈰礦以獨(dú)立礦物存在，易于分離。燒綠石則以類質(zhì)同象的形式與磁鐵礦連體共生，單體解離較難[4]。礦物的稀土配分，褐釔鈮礦是以釔族稀土為主，氟碳鑭鈰礦是以鑭族和鈰族稀土為主，釔族稀土礦物的生成晚于鈰族稀土礦物[5]。

2.5 找礦標(biāo)志

角閃霞石正長巖等堿性程度較高的正長巖體與成礦關(guān)系密切，是尋找鈮稀土礦床重要標(biāo)志。鈉長石化、螢石化是最明顯的礦化蝕變標(biāo)志。伽瑪異常的核心部位是尋找鈮稀土礦床的間接地球物理標(biāo)志。鈮鉭稀土礦的地球化學(xué)異常內(nèi)帶是最直接的找礦標(biāo)志。

3 礦床地球化學(xué)特征

3.1 主量元素地球化學(xué)特征

從主量元素分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(表2)來看，各巖礦石的w(SiO2)平均為55.02%～57.58%，變化范圍很窄，說明之間不存在明顯的結(jié)晶分異演化關(guān)系。A/CNK比值平均為1.04～1.31，且主量元素A/NK - A/CNK圖解(圖4)中各巖石均落在過鋁質(zhì)花崗巖區(qū)域內(nèi)，但靠近與過堿質(zhì)的分界線，表現(xiàn)為富硅、鋁過飽和特性，具備了堿性正長巖的特征。Fe2O3、MnO在含礦堿性正長巖中含量明顯較高，可能與鈮稀土礦化有關(guān)。

圖4 主量元素A/NK - A/CNK圖解Fig.4 A/NK - A/CNK diagram of major elements

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

微量元素分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果表(表3)顯示，不同類型巖礦石具有相似的微量元素特征，具有同源性。與地殼中正長巖平均含量對比，礦區(qū)巖礦石中Li、Be、Rb、Zr、Cs、Hf、Pb、Th、U、Cr、Nb、Ta等元素明顯富集，其中Be、Zr、Cs、Hf、Cr、Nb、Ta等元素富集程度較高，達(dá)到地殼正長巖平均含量3.96～14.92倍。而Sc、Co、Ni、Ba、Sr、V則相對虧損嚴(yán)重。黑云母正長巖Sr/Ba比值大于1，角閃霞石正長巖和黑云角閃正長巖Sr/Ba比值小于1，說明部分物質(zhì)主要來源于海相火山沉積[6]，在幔源巖漿熔融過程中有少量地殼物質(zhì)混染。巖礦石中Th/U比值為3.07～5.52，表明其源巖為火山沉積巖[7]。所有證據(jù)表明，主成礦元素在堿性正長巖巖漿形成階段已經(jīng)初步富集，富含揮發(fā)分含礦堿性巖漿沿欒川—維摩寺斷裂帶侵位時(shí)，發(fā)生氣-液分異，同時(shí)伴隨巖漿結(jié)晶作用。

表3 巖石微量元素特征值Table 3 List of eigenvalue for trace elements of rocks

3.3 稀土元素地球化學(xué)特征

稀土元素分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(表4)顯示：輕稀土w(LREE)為610×10-6～1669×10-6，重稀土w(HREE)為94×10-6～217×10-6，為輕稀土(LREE)富集型。稀土總量w(ΣREE)為732×10-6～1887×10-6，表現(xiàn)出礦化不均勻特征。從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖5)看，δEu=0.30～0.44，δCe=0.92～0.98，具有明顯的銪負(fù)異常、弱鈰正異常，總體顯示為幔源型稀土元素配分曲線模式。含礦角閃霞石正長巖與含礦黑云母正長巖的配分曲線明顯高于角閃霞石正長巖與黑云母正長巖的配分曲線，進(jìn)一步說明了含礦巖石的演化程度較高。

表4 巖礦石稀土元素特征Table 4 List of REE contents in rocks and ores

圖5 大莊礦區(qū)巖礦石稀土元素配分模式圖Fig.5 REE distribution pattern diagram of rocks and ores in Dazhuang mining area

4 礦床成因探討

4.1 成礦過程分析

包志偉等[8]在雙山堿性巖體內(nèi)采取角閃霞石正長巖進(jìn)行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定，年齡值為(844.3±1.6)Ma(MSWD=0.86)，把年代定位于新元古代早期。

根據(jù)礦床主量元素、微量元素、稀土元素特征等，說明鈮稀土礦化與堿性巖漿密切相關(guān)，其大部分物質(zhì)來源于海相火山沉積，在幔源巖漿熔融過程中有少量地殼物質(zhì)混染。在雙山堿性巖體內(nèi)有霞石偉晶巖脈和晶洞(圖6a、6b)，因?yàn)閭ゾr是二級殘余富氣流體相結(jié)晶形成的產(chǎn)物，說明含礦巖體在巖漿演化過程中經(jīng)歷了兩次氣-液分異并形成了二級殘余富氣流體相[9-12]。而含礦正長巖中與礦化關(guān)系密切的鈉長石則是二級殘余富氣流體相自交代花崗巖形成的。同樣，堿性正長巖中富含的浸染狀螢石(同時(shí)也是最直接的找礦標(biāo)志)，也是氣-液分異作用的產(chǎn)物。主量元素表明巖漿巖之間不存在明顯的結(jié)晶分異演化關(guān)系，元素之間的變化符合自交代作用引起的變化。因此，該礦床的成礦過程，是由堿性含礦巖漿侵位期間發(fā)生氣-液分異形成的富含揮發(fā)組分的含礦流體聚集在巖體頂部在成巖過程中交代先一步結(jié)晶的花崗巖(即所謂的自交代作用)的結(jié)果。

圖6 巖石手標(biāo)本特征Fig.6 Field feature of rock hand specimen (a)角閃霞石正長巖中晶洞 (b)霞石偉晶巖

4.2 礦床成因探討

綜上所述，初步認(rèn)為大莊鈮稀土礦床形成于新元古代時(shí)期華北陸塊板內(nèi)構(gòu)造拉張伸展構(gòu)造環(huán)境。含有稀有金屬的堿性正長巖在造山作用中熔融形成的原始巖漿在沿欒川—維摩寺斷裂帶上侵過程中發(fā)生氣-液分異并形成富含稀有金屬及堿金屬的二級殘余富氣流體相，并在巖體頂部聚集，隨后自交代先一步結(jié)晶的花崗巖，由于稀有金屬不容易進(jìn)入普通硅酸鹽礦物[13]，因此在交代過程中主成礦元素稀有金屬得以在殘余富氣流體相中不斷富集，隨著溫度、壓力降低等條件的改變，螢石礦、褐釔鈮礦、燒綠石等礦物先后結(jié)晶析出，而與巖漿的結(jié)晶分異無關(guān)。所以，本研究不贊同陳海東等人關(guān)于同類型礦床屬于巖漿結(jié)晶分異型礦床的成因觀點(diǎn)[14]，認(rèn)為大莊鈮稀土礦床成因類型應(yīng)該是巖漿氣液型礦床。

5 結(jié)論

1)河南大莊鈮稀土礦床主要有用礦物為褐釔鈮礦，以獨(dú)立礦物存在。少量的燒綠石則以類質(zhì)同象的形式與磁鐵礦連體共生。

2)河南大莊鈮稀土礦床的形成與巖漿活動有關(guān)，堿性正長巖漿提供了物質(zhì)來源，含礦巖漿通過氣-液分異形成富含稀有金屬及堿金屬的二級殘余富氣流體相，通過自交代先一步結(jié)晶的花崗巖，稀有金屬鈮等得以在殘余富氣流體相中富集，成因類型為巖漿氣液型礦床。

3)堿性正長巖原始巖漿中富含揮發(fā)組分，F(xiàn)元素處于過飽和狀態(tài)，是導(dǎo)致堿性正長巖富含螢石礦的直接原因。

4)鈉長石化、螢石化等礦化蝕變，堿性程度較高的正長巖、伽瑪異常的核心部位以及鈮鉭稀土礦的地球化學(xué)異常內(nèi)帶是最重要的找礦標(biāo)志。