黔西北峨眉山玄武巖頂部Fe-Al巖系特征及其三稀元素富集特點(diǎn)

薛洪富， 曾道國， 向明坤， 忙是才， 張安

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴州 貴陽 550005)

0 引言

隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，戰(zhàn)略性礦產(chǎn)作為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源保障作用愈發(fā)突出。近幾年，相關(guān)地勘單位與學(xué)者對我國三稀礦產(chǎn)做了大量的研究工作，分析了成礦規(guī)律和資源潛力，探討了找礦方向和找礦方法，總結(jié)了國內(nèi)外三稀礦產(chǎn)找礦成果及研究進(jìn)展，論述了其分布特征、富集規(guī)律及賦存狀態(tài)[1-10]。

近年來，相關(guān)學(xué)者注意到在黔西北峨眉山玄武巖頂部風(fēng)化殼內(nèi)賦存了Sc、Nb、REE等三稀資源，并取得一定認(rèn)識[11-15]： Sc、Nb、REE賦存于一套鐵、鋁質(zhì)黏土巖中，Sc的賦存狀態(tài)主要以離子吸附型為主，類質(zhì)同象為輔，REE主要以離子吸附、類質(zhì)同象等形式賦存(不排除稀土獨(dú)立礦物的存在)，峨眉山玄武巖和凝灰?guī)r可能為三稀礦產(chǎn)資源提供了成礦物源。但目前缺少關(guān)于峨眉山玄武巖頂部與宣威組或龍?zhí)督M不整合接觸面的巖性組合特征與不同巖性Sc、Nb、REE含量的分析。為此，對峨眉山玄武巖頂部與上覆宣威組/龍?zhí)督M接觸不整合界面進(jìn)行了系統(tǒng)測量及取樣測試，首次對該不整合接觸面風(fēng)化殼巖性組合特征與Sc、Nb、REE富集特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期對開展貴州峨眉山玄武巖區(qū)Sc、Nb、REE等三稀礦產(chǎn)資源勘查具有一定的借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于上揚(yáng)子陸塊和江南復(fù)合造山帶交匯處(圖1(a))，經(jīng)歷了擠壓、陸內(nèi)裂陷和擠壓造山演化[16-21]。區(qū)內(nèi)陸內(nèi)裂陷以中二疊世晚期峨眉山玄武巖強(qiáng)烈噴溢為顯著特征，標(biāo)志著進(jìn)入裂陷鼎盛時(shí)期。貴州境內(nèi)，峨眉山玄武巖呈西厚東薄的分布規(guī)律，西部厚度一般為600～800 m，最厚1 249 m，東部厚度一般小于100 m，甚至逐漸尖滅； 總面積約為30 000 km2，大致在畢節(jié)—織金—安順—興仁連線以西地區(qū)成片分布，在甕安、福泉、息烽、黔西及貴陽一帶零星分布(圖1(b))。中二疊世末期隨著地殼不斷抬升，峨眉山玄武巖暴露地表，長期遭受風(fēng)化[13-14]，形成豐富的峨眉山玄武巖風(fēng)化物。在頻繁海侵、海退過程中，風(fēng)化物不斷沉積、改造，在峨眉山玄武巖頂部形成富含鐵、鋁的風(fēng)化殼沉積，為Sc、Nb、REE等三稀元素提供了富集場所和成礦物源。

(a).貴州省構(gòu)造分區(qū)圖; (b).貴州省峨眉山玄武巖分布圖; 1.等厚線，m; 2.點(diǎn)位厚度，m; 3.省界; 4.三級構(gòu)造單元界線; 5.研究區(qū)范圍

中二疊世晚期，貴州古地勢呈南低北高，形成自南向北呈海相—海陸交互—陸相的特殊古地理環(huán)境[21]。研究區(qū)在陸相、海陸交互相沉積古地理環(huán)境下，因沉積環(huán)境、水動力條件等不同發(fā)生沉積分異，這是引起研究區(qū)宣威組與龍?zhí)督M巖性組合差異的重要原因，宣威組底部普遍具豆鮞狀結(jié)構(gòu)，是高能近岸水動力動蕩變化環(huán)境下的沉積反映。

2 Fe-Al巖系特征

Fe-Al巖系廣泛出露于峨眉山玄武巖與上覆宣威組/龍?zhí)督M接觸不整合界面上(圖2)。宣威組Fe-Al巖系分布于研究區(qū)北西部及南西端，龍?zhí)督M分布于北東部、東部及南部。

1.峨眉山玄武巖; 2.斷裂; 3.峨眉山玄武巖底界; 4.Fe-Al巖系露頭; 5.研究區(qū)范圍; 6.宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系分界線

2.1 宣威組Fe-Al巖系基本特征

Fe-Al巖系厚度一般為3～15 m，最厚22 m，巖系延伸穩(wěn)定、易于辨別(圖3(a)，(b))。Fe-Al巖系巖性組合簡單，下部主要為鐵質(zhì)、凝灰質(zhì)黏土巖(部分區(qū)域?yàn)殍F礦層)，上部主要為鋁質(zhì)黏土巖。巖性由上至下為。

(1)灰綠色礫巖(圖3(c))或含礫粉砂質(zhì)泥巖，礫石長軸具定向排列，礫石粒徑1～20 mm不等，最大者長軸約50 mm，厚0～3 m，與上覆宣威組粉砂質(zhì)泥巖接觸。

(2)淺灰綠色、灰綠色、灰白色(含)鋁質(zhì)泥巖、豆鮞狀鋁質(zhì)泥巖(圖3(d)，(e))，厚1～3 m(最厚接近5 m)。

(3)雜色(灰綠色、紫褐色、灰褐色、灰白色)鐵質(zhì)黏土巖、含鋁質(zhì)鐵質(zhì)黏土巖(圖3(f))，厚2～5 m。

(4)灰綠色、灰紫色、紫褐色、黃褐色凝灰?guī)r、含鐵質(zhì)凝灰質(zhì)黏土巖、鐵質(zhì)黏土巖、豆鮞狀鐵質(zhì)黏土巖(圖3(g)，(h))，厚1～5 m(厚者接近10 m)，與下伏峨眉山玄武巖組致密狀或杏仁狀玄武巖接觸。

2.2 龍?zhí)督MFe-Al巖系基本特征

Fe-Al巖系厚一般0.5～20 m，最厚97 m，不同區(qū)域厚度變化大，但易于區(qū)別(圖4(a),(b))。龍?zhí)督MFe-Al巖系巖性組合變化大，同一巖性段在不同區(qū)域存在一定缺失。整體上，下部主要為黏土化凝灰?guī)r與鐵質(zhì)、凝灰質(zhì)黏土巖，上部為含鋁質(zhì)泥巖夾碳質(zhì)泥巖，巖性由上至下為。

(1)含鋁質(zhì)泥巖夾鐵質(zhì)黏土巖(研究區(qū)東部部分區(qū)域?yàn)橹参锼樾拣ね翈r)(圖4(c),(e))，厚0～3 m，頂部與上覆龍?zhí)督M碳質(zhì)泥巖接觸。

(2)灰白色、紅褐色(含鐵質(zhì))鋁質(zhì)泥巖(圖4(d))，局部區(qū)域夾豆鮞狀鋁質(zhì)泥巖； 當(dāng)缺失鋁質(zhì)段時(shí)，為鐵質(zhì)黏土巖、鐵質(zhì)巖屑砂巖、鐵質(zhì)碳質(zhì)黏土巖、粉砂質(zhì)泥巖夾碳質(zhì)泥巖組合(圖4(g),(k))，該層厚1～5 m(最厚約10 m)。

(3)灰褐色、黃褐色、黃綠色、灰色豆鮞狀(含凝灰質(zhì))鐵質(zhì)黏土巖(圖4(h))，此巖性段研究區(qū)北東部發(fā)育，其他龍?zhí)督MFe-Al巖系分布區(qū)偶見，厚0～3 m(最厚約10 m)。

(4)暗灰色、灰色、黃褐色、灰白色鐵質(zhì)黏土巖、含凝灰質(zhì)鐵質(zhì)黏土巖(圖4(f))，局部地區(qū)夾碳質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)巖屑砂巖，厚2～5 m(最厚約10 m)。

(5)灰褐色、黃褐色、灰綠色、灰色(含鐵質(zhì))凝灰質(zhì)黏土巖、凝灰質(zhì)鐵質(zhì)黏土巖(圖4(i))，厚0～10 m(最厚約60 m)。

(6)灰色、深灰色、黃褐色黏土化凝灰?guī)r、鐵質(zhì)凝灰?guī)r(圖4(j))，厚0～5 m(最厚接近20 m)，與下伏峨眉山玄武巖穩(wěn)定凝灰?guī)r、致密狀玄武巖或杏仁狀玄武巖接觸。

2.3 兩種Fe-Al巖系差異性分析

120個(gè)工程(剖面、剝土)對比分析顯示，峨眉山玄武巖與宣威組/龍?zhí)督M不整合面Fe-Al巖系整體上均呈下部Fe質(zhì)段、上部Al質(zhì)段，但兩種Fe-Al巖系的區(qū)域分布特征、巖系完整性和穩(wěn)定性、巖性組合特征及頂?shù)椎貙咏佑|巖性等又表現(xiàn)出明顯的差異性，如相對于宣威組Fe-Al巖系，龍?zhí)督MFe-Al巖系普遍缺失豆鮞狀鐵質(zhì)黏土巖層與豆鮞狀鋁質(zhì)黏土巖層(表1)。

表1 宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系差異性對比

3 Fe-Al巖系Sc、Nb2O5、REO含量

本研究對120個(gè)工程(剖面、剝土)Fe-Al巖系進(jìn)行系統(tǒng)采樣及測試。采樣過程中通過揭露出新鮮Fe-Al巖系，且根據(jù)不同巖性特征及不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型分別取樣，成分分析測試在中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院礦產(chǎn)地質(zhì)測試中心完成(測試儀器Thermo iCAP Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)，測試結(jié)果經(jīng)內(nèi)部、外部檢查符合相關(guān)質(zhì)量規(guī)范要求。

3.1 宣威組Fe-Al巖系Sc、Nb2O5、REO含量特征

355件樣品測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析顯示，宣威組Fe-Al巖系內(nèi)Sc含量為(5～64.2)×10-6， Nb2O5含量為(44.4～760)×10-6，REO總量為(0.013～1.378)×10-2。

Sc含量略具正態(tài)分布(圖5(a))： 以(20～40)×10-6為主，占樣品總數(shù)71%，其他含量段占樣品數(shù)29%，其中Sc含量≥40×10-6的占樣品數(shù)22%。Nb含量變化范圍大、較分散(圖5(b))： 以(80～100)×10-6為主，占樣品數(shù)28%，其他含量段占樣品總數(shù)的72%，其中Nb2O5含量≥160×10-6的占樣品總數(shù)的23%。REE含量變化范圍大、較分散(圖5(c))： 以(0.03～0.05)×10-2為主，約占樣品總數(shù)的50%，其他含量段共180件，約占樣品總數(shù)的50%，其中REO含量≥0.08×10-2的部分占樣品總數(shù)的22%。

(a) Sc含量特征

3.2 龍?zhí)督MFe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb2O5、REO含量特征

1 393件樣品測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析顯示，龍?zhí)督MFe-Al巖系內(nèi)Sc含量為(1.81～86.60)×10-6，Nb2O5含量為(5.96～669)×10-6，REO總量為(0.001～0.604)×10-2。

Sc含量呈正態(tài)分布(圖6(a))，以(20～40)×10-6為主，占樣品總數(shù)58%，其他含量段占樣品數(shù)42%，其中Sc含量≥40×10-6的占總樣品數(shù)的15%。Nb含量變化較大、較分散(圖6(b))，以(60～80)×10-6為主，占樣品數(shù)的18%，其他含量段共占樣品數(shù)82%，其中Nb2O5含量≥160×10-6的部分占樣品總數(shù)的23%。REE含量略具正態(tài)分布(圖6(c))，以(0.03～0.05)×10-2為主，占樣品數(shù)的36%，其他含量段共占樣品數(shù)的64%，其中REO含量≥0.080×10-2的部分占樣品總數(shù)的21%。

(a) Sc含量特征

3.3 宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb2O5、REO富集特征對比

從表2可以看出： Sc含量≥20×10-6的樣品在宣威組Fe-Al巖系內(nèi)占比更高(占比92%)，表明Sc在宣威組(P3x)Fe-Al巖系內(nèi)富集更明顯； Nb2O5含量≥300×10-6的樣品在宣威組Fe-Al巖系內(nèi)占比更高(占比13%)，表明Nb在宣威組(P3x)Fe-Al巖系內(nèi)富集更明顯； REO含量≥0.11×10-2的樣品在宣威組Fe-Al巖系內(nèi)占比更高(占比14%)，表明REE在宣威組(P3x)Fe-Al巖系內(nèi)富集更明顯。

表2 宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系Sc、Nb、REE含量對比

4 討論

4.1 宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系組合差異

二疊紀(jì)晚期陽新世末、樂平世初，貴州由裂陷萎縮、消亡逐漸向擠壓、隆起背景轉(zhuǎn)化[21]，該時(shí)期貴州古地勢呈南低北高，海水不斷由南向北侵入，形成自南向北呈海相—海陸交互—陸相的特殊古地理環(huán)境(圖7)。長期海侵過程中，頻繁的海進(jìn)、海退造成峨眉山玄武巖及其風(fēng)化產(chǎn)物風(fēng)化剝蝕、改造程度不斷加深，研究區(qū)在陸相、海陸交互相沉積古地理環(huán)境下，峨眉山玄武巖風(fēng)化產(chǎn)物因沉積環(huán)境、水動力條件等不同發(fā)生沉積分異，這可能是引起研究區(qū)宣威組與龍?zhí)督MFe-Al巖系巖性組合差異性的重要原因，宣威組Fe-Al巖系內(nèi)普遍具豆鮞狀結(jié)構(gòu)，可能是因離岸較近處于高能近岸水動力動蕩變化環(huán)境下的沉積反映。

1.泛濫平原相; 2.潮坪-潟湖相; 3.臺地相; 4.臺地邊緣礁灘相; 5.臺緣斜坡相; 6.深水盆地相; 7.海、陸界線; 8.巖相界線; 9.海侵方向; 10.研究區(qū)范圍

4.2 Fe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb、REE富集

宣威組(P3x)與龍?zhí)督M(P3l)Fe-Al巖系內(nèi)，Sc、Nb、REE富集可能與風(fēng)化作用、后期改造等因素有關(guān)。

首先，峨眉山玄武巖及風(fēng)化物為Sc、Nb、REE富集奠定了先決條件。貴州晚二疊世時(shí)處于南半球低緯度地區(qū)[22-25]，氣候炎熱,雨量充足，有利于暴露于地表的峨眉山玄武巖發(fā)生發(fā)生物理、化學(xué)風(fēng)化作用，峨眉山玄武巖內(nèi)高場強(qiáng)元素Sc、Nb、、REE等隨風(fēng)化殘積物初始富集，形成初始富集層。這可以從同一類型的峨眉山玄武巖，其風(fēng)化物中Sc、Nb、REE含量一般是未風(fēng)化玄武巖的1.06～2.00倍得以說明(未發(fā)表數(shù)據(jù))。

其次，初始富集層的次生改造形成Sc、Nb、REE“超常富集”。峨眉山玄武巖風(fēng)化形成的Sc、Nb、REE初始富集層，在貴州晚二疊世以海侵為主背景下[26-27]遭受頻繁的海侵、海退交替過程，不斷地對風(fēng)化物進(jìn)行再次改造(剝蝕、搬運(yùn)、改造)，發(fā)生元素的遷入、遷出。海侵過程中，富含Na+、K+、Cl-等離子的海水有利于部分離子態(tài)存在的Sc、Nb、REE侵出，而Al3+易形成穩(wěn)定絡(luò)合物，攜帶部分Nb、REE等； 海退過程中，隨著沉積環(huán)境變化，Sc、Nb、REE等分別在適宜的物理、化學(xué)環(huán)境下沉積，發(fā)生沉積分異，進(jìn)而再次富集[15]。

總之，峨眉山玄武巖經(jīng)風(fēng)化形成的產(chǎn)物引起Sc、REE、Nb初步富集，隨后頻繁的海進(jìn)、海退不斷地對風(fēng)化物進(jìn)行再次改造(剝蝕、搬運(yùn)、改造)，伴隨沉積環(huán)境的變化，不同形式的Sc、Nb 、REE等發(fā)生沉積分異，再次富集，即Fe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb、REE富集是風(fēng)化作用初始富集、后期改造、再次富集等作用的共同結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)Fe-Al巖系廣泛出露于峨眉山玄武巖與上覆宣威組/龍?zhí)督M接觸不整合界面上， Fe-Al巖系巖性整體上均呈下部為Fe質(zhì)段、上部為鋁質(zhì)段組合。宣威組Fe-Al巖系巖性組合簡單，區(qū)域上巖系穩(wěn)定、巖性組合完整，普遍具有典型的豆鮞狀鐵質(zhì)、鋁質(zhì)黏土巖。龍?zhí)督MFe-Al巖系巖性組合變化大，區(qū)域上巖系不穩(wěn)定、巖性組合變化大，同一巖性段在不同區(qū)域存在一定的缺失，以普遍缺失豆鮞狀鐵質(zhì)、鋁質(zhì)黏土巖而與宣威組Fe-Al巖系顯著區(qū)別。

(2)宣威組Fe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb、REE含量較龍?zhí)督MFe-Al巖系高，尤其Nb、REE在宣威組Fe-Al巖系內(nèi)明顯富集，Sc、Nb、REE富集段穩(wěn)定、厚度大，具有形成新類型礦床的前景。

(3)Fe-Al巖系內(nèi)Sc、Nb、REE富集是風(fēng)化作用初始富集、后期改造、再次富集作用的結(jié)果。

致謝：野外工作中多次得到貴州省土地礦產(chǎn)資源儲備局龔和強(qiáng)總工程師、黃藝高級工程師、沈其俊高級工程師的指導(dǎo)，分析測試工作得到中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院礦產(chǎn)地質(zhì)測試中心楊仲平主任及相關(guān)工作人員的大力支持，掃描電鏡-能譜實(shí)驗(yàn)得到中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所相關(guān)老師的精心指導(dǎo)，匿名評審專家和編輯部工作人員對論文提出了寶貴的修改意見，在此一并致以誠摯的謝意！