貴州威寧地區(qū)魚壩剖面稀土含礦巖系特征

楊忠琴，王常微，胡從亮，鄧 毅，盤應(yīng)娟

(貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550018)

1 引言

黔西北晚二疊世宣威組底部的稀土礦是在貴州地質(zhì)局108地質(zhì)隊(duì)在開展威寧幅區(qū)域礦產(chǎn)普查時(shí)發(fā)現(xiàn)的。稀土含礦巖系下礦層產(chǎn)于峨眉山玄武巖第三段上部、上礦層產(chǎn)于宣威組下段，整個(gè)稀土含礦巖系形成時(shí)間約為2 Ma(王常微等，2020)。多數(shù)學(xué)者通過研究認(rèn)為本區(qū)為風(fēng)化淋積型稀土礦(王偉等，2006，2011；楊瑞東等，2006；Yang Ruidong et al.，2008；王強(qiáng)等，2008；Ji Hongbing et al.，2004；張震等，2010)，一些學(xué)者認(rèn)為是沉積型高嶺石質(zhì)粘土巖稀土礦床(黃訓(xùn)華，1997，1998；Zhang Zhengwei et al.，2010；Zhou Lingjie et al.，2013)，有人提出為沉積-再造型稀土礦床(張海，2014)。他們都認(rèn)為：成礦母巖主要為下伏峨眉山玄武巖；稀土礦與玄武巖風(fēng)化作用密切相關(guān)。但是原地風(fēng)化殘積，還是風(fēng)化后搬運(yùn)再沉積，需做進(jìn)一步的研究。

通過剖面詳測和系統(tǒng)樣品采集，結(jié)合宏觀沉積學(xué)和微觀巖石礦物組成及稀土元素地球化學(xué)分析，研究成礦母巖特征與稀土礦的關(guān)系、玄武巖風(fēng)化殼的形成、稀土成礦作用過程、稀土元素賦存機(jī)理、后期海侵作用對(duì)稀土富集的影響。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

黔西北地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊西南緣，屬威寧隆起區(qū)(威寧穹盆構(gòu)造變形區(qū))、六盤水裂陷槽(六盤水北西向褶斷帶)、畢節(jié)弧形褶皺帶。出露地層為震旦系、寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系及白堊系、新近系、第四系。

黔西北地區(qū)晚二疊世稀土含礦巖系在空間分布與含礦巖系巖性、底板(玄武巖巖性巖相特征)、風(fēng)化殼厚度、風(fēng)化程度、沉積相都有一定的關(guān)系，從東往北西：高嶺石粘土巖、鋁質(zhì)粘土巖從薄→厚→消失，鐵礦從無→時(shí)有時(shí)無→增厚；宣威組從海陸交互相→湖沼相→河流相；風(fēng)化程度有向西由弱→強(qiáng)→弱的趨勢，風(fēng)化殼厚度從薄→厚→薄；基底巖性從玄武質(zhì)凝灰?guī)r→玄武質(zhì)火山角礫巖→塊狀玄武巖。

在威寧地區(qū)稀土礦分布于峨眉山玄武巖第三段頂部及宣威組下部，峨眉山玄武巖與下伏茅口組灰?guī)r及上伏宣威組粘土巖均呈假整合接觸。稀土礦分為上、下兩層，下含礦層為淺灰白色高嶺石粘土巖，上含礦層為淺灰色高嶺石粘土巖與鋁質(zhì)高嶺石粘土巖，含礦巖系厚度在區(qū)域上變化較大。故本次選取稀土含量達(dá)工業(yè)品位的貴州省威寧縣黑石頭鎮(zhèn)魚壩村剖面作為研究對(duì)象(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

3 實(shí)驗(yàn)測試

在貴州省威寧縣黑石頭鎮(zhèn)魚壩村測制稀土含礦巖系剖面(圖2)，剖面總厚16 m，共采集巖礦樣35件、地球化學(xué)分析樣34件、X-射線粉晶衍射定量分析樣17件。巖礦鑒定采用德國生產(chǎn)LeicaDM4500P偏光顯微鏡，在貴州省地質(zhì)調(diào)查院測試鑒定中心完成。地球化學(xué)分析由澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司測試，分別進(jìn)行了全巖主量元素分析(采用MS-XRF26方法，檢出限0.01%)、微量元素分析(采用ME-MS61方法)和稀土元素分析(采用稀土元素ME-MS81方法)。X-射線粉晶衍射定量分析，由中科院地球化學(xué)研究所資源環(huán)境分析測試中心完成。

4 含礦巖系礦物巖石學(xué)特征

魚壩剖面35件樣品巖礦鑒定結(jié)果表明：魚壩剖面從下往上呈現(xiàn)沉火山角礫巖-凝灰質(zhì)粘土巖-高嶺石粘土巖-玄武巖-高嶺石粘土巖-凝灰?guī)r-高嶺石粘土巖-沉凝灰?guī)r-高嶺石粘土巖-粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖-熔結(jié)凝灰?guī)r-含泥質(zhì)含砂質(zhì)粉砂巖4個(gè)旋回特征(圖2)。其中火山碎屑巖巖性主要為凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，其次是沉火山角礫巖。

圖2 威寧縣魚壩剖面稀土含礦巖系柱狀圖

本剖面以水解作用(如高嶺石化等，圖3a)最為主見，其次是生物化學(xué)風(fēng)化作用(植物碎屑腐爛分解導(dǎo)致的酸化作用，整個(gè)剖面基本上都分布有植物碎屑，現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)和微量石英替代，圖3b)，碳酸鹽化作用(菱鐵礦化等)和氧化作用(皮殼狀褐鐵礦化等)只是局部可見。這表明當(dāng)時(shí)的氣候?qū)儆跍責(zé)岢睗駳夂颍揖哂袧摿鲙?如具碎屑狀結(jié)構(gòu)，圖3c)和滲流帶(如具皮殼狀構(gòu)造等，圖3d)特征。

其中稀土總量>4 000×10-6的3件樣品(YB-2B2、YB-2B3、YB-13aB1)巖性分別為高嶺石粘土巖、碎屑狀粘土巖、碎屑狀粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖(圖4)。YB-2B2中粘土礦物結(jié)晶粒度<0.01 mm，分布較為均勻，含量約95%，內(nèi)部零散分布有少量強(qiáng)粘土化玄武質(zhì)火山碎屑；YB-2B3中粘土礦物結(jié)晶粒度<0.01 mm，含量約98%，具碎屑狀結(jié)構(gòu)；YB-13aB1中粘土礦物63%，勃姆石35%，結(jié)晶粒度均<0.03 mm，具碎屑狀結(jié)構(gòu)。

圖4 威寧縣魚壩剖面稀土礦標(biāo)志層野外和鏡下顯微特征

其余樣品的稀土總量<1 000×10-6，多為凝灰?guī)r或沉凝灰?guī)r，其中稀土總量<400×10-6的YB-6bB1為含植物碎屑凝灰質(zhì)、YB-7bB1為弱褐鐵礦化角礫狀粘土巖。

因此，稀土的富集與巖性特征密切相關(guān)。剖面中，高嶺石粘土巖、碎屑狀粘土巖、碎屑狀粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖是稀土礦的標(biāo)志性巖層(圖4)，呈灰白-淺灰色、質(zhì)地較硬，∑REE>4 000×10-6。

5 含礦巖系地球化學(xué)特征

5.1 主量元素特征

5.2 微量元素特征

威寧縣魚壩剖面宣威組34件樣品的Ga、Cu、Nb、Zr的平均含量分別為63.21×10-6、170.09×10-6、206.48×10-6、1506.06×10-6，與威寧縣出水洞剖面的13個(gè)峨眉山玄武巖組的數(shù)據(jù)(Ga平均值為24.09×10-6；Cu平均值為182.69；Nb平均值為34.67×10-6；Zr平均值為307.46×10-6)(Zhou et al.，2013)相比，Ga、Nb、Zr等元素出現(xiàn)了不同程度的富集，而Cu有輕微虧損。Nb、Zr等元素因自身在水巖蝕變過程中具有較高的穩(wěn)定性而產(chǎn)生富集；而Ga的富集可能與其在表生風(fēng)化作用遷移中被氧化并轉(zhuǎn)移到Al、Fe的氧化物中以類質(zhì)同像置換Al的形式存在。

高場強(qiáng)元素Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE、Ce、U、Pb、Ti相對(duì)富集，而且與稀土總量豐度相似；而大離子親石元素K、Rb、Cs、Ba相對(duì)虧損，與稀土總量豐度也有相似性。

特別的是YB-10b，其重稀土大于輕稀土，其所含Nb>500×10-6，遠(yuǎn)高于含礦巖系平均值168.4×10-6，Ta為45.4×10-6(平均值12.93×10-6)、Zr為5 830×10-6(平均值1 598.47×10-6)、Hf為126.5×10-6(平均值33×10-6)、Th為104.5×10-6(平均值28.57×10-6)，而Ti為0.845%，遠(yuǎn)低于含礦巖系平均值2.4%。

5.3 稀土元素特征

ΣREE球粒隕石配分圖總體表現(xiàn)為右傾型輕稀土富集型，并伴隨Eu的負(fù)異常。這與貴州西部玄武巖的稀土元素特征一致(朱和書等，2019；冉文瑞等，2021)，均屬于右傾型輕稀土富集型。但不同巖性的球粒隕石配分還是有差別的：YB-1沉火山角礫巖、YB-3a拉斑玄武巖、YB-13b熔結(jié)凝灰?guī)r呈現(xiàn)輕陡Eu虧重平坦型；凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粘土巖、沉凝灰?guī)r呈現(xiàn)中等右傾型，Eu虧不明顯；碎屑狀粘土巖呈現(xiàn)與玄武巖相似的輕陡Eu虧重平坦右傾型；鋁質(zhì)粘土巖呈現(xiàn)輕陡Eu虧重緩右傾型；含鐵質(zhì)粘土巖的平坦Eu虧型(圖5)。

圖5 威寧魚壩剖面含礦巖系稀土元素球粒隕石配分圖

ΣREE的NASC配分圖在剖面縱向上分為平坦型、輕稀土富集型、中稀土富集型、中-重稀土富集型，與Zhou et al.(2013)的NASC稀土配分類型有相似之處。稀土配分類型與巖性特征密切相關(guān)，中稀土富集型主要見于凝灰?guī)r，ΣREE多低于1 000 ppm；平坦型主要集中在凝灰質(zhì)粘土巖、粉沙質(zhì)巖，ΣREE有高有低；輕稀土富集型主要為碎屑狀高嶺石粘土巖 / 鋁質(zhì)粘土巖，ΣREE大于1 000 ppm；中-重稀土富集型則有粘土質(zhì)角礫巖、碎屑狀粘土巖、炭質(zhì)粘土巖，ΣREE有高有低。

6 含礦巖系XRD定量分析

在巖礦樣品中挑出17件粘土巖樣品進(jìn)行X-射線粉晶衍射定量分析，由中科院地球化學(xué)研究所資源環(huán)境分析測試中心完成。

表1 威寧縣魚壩剖面含礦巖系粉晶衍射定量分析結(jié)果(%)

續(xù)表

高嶺石粘土巖或碎屑狀高嶺石粘土巖中稀土總量與高嶺石含量正相關(guān)，而碎屑狀粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖中稀土總量與勃姆石含量正相關(guān)，但與高嶺石含量負(fù)相關(guān)。非晶質(zhì)與銳鈦礦含量曲線一致，而與高嶺石含量曲線相反(圖6、圖7)。高嶺石粘土粉晶衍射結(jié)果反映出含礦巖系由高鈦玄武巖的風(fēng)化而來。

圖6 粉晶定量分析主要粘土礦物含量與稀土總量關(guān)系

7 討論

從威寧縣魚壩剖面巖礦鑒定特征、粉晶衍射定量分析，含礦巖系具有化學(xué)風(fēng)化作用(水解作用-高嶺石化等、氧化作用-皮殼狀褐鐵礦化等、碳酸化作用-鐵白云石化等)和生物化學(xué)風(fēng)化作用(植物碎屑腐爛分解導(dǎo)致的酸化作用)的特征，本剖面以水解作用最為主見，其次是生物化學(xué)風(fēng)化作用，碳酸鹽化作用和氧化作用只是局部可見，反映出溫?zé)岢睗竦臍夂驐l件、低緩山丘及山坡之處，尤其是巖層傾角平緩的向陽坡地段，更易于風(fēng)化作用的進(jìn)行；整個(gè)剖面大部分巖石具有潛流帶特征——如粘土巖(高嶺石粘土巖)、碎屑狀粘土巖、鋁質(zhì)粘土巖等，局部巖石具有滲流帶特征——如皮殼狀褐鐵礦化巖石(YB-7bB2)；火山碎屑巖巖性主要為凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，其次是沉火山角礫巖；整個(gè)剖面基本上都分布有植物碎屑(現(xiàn)已被有機(jī)質(zhì)和微量石英替代)；剖面具4個(gè)旋回特征：沉火山角礫巖-凝灰質(zhì)粘土巖-粘土巖-玄武巖-粘土巖-凝灰?guī)r-粘土巖-沉凝灰?guī)r-鋁質(zhì)粘土巖-熔結(jié)凝灰?guī)r-含泥質(zhì)含砂質(zhì)粉砂巖；巖石具碎屑狀結(jié)構(gòu)，指示巖石在未固結(jié)時(shí)短暫暴露出水面，與剖面上的多次出現(xiàn)的平行不整合面或古風(fēng)化面是吻合的；碎屑狀粘土巖和粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖的含礦性好。

含礦巖系下層稀土礦中以粘土礦物以高嶺石為主，上層稀土礦雖然含勃姆石但高嶺石仍是主要成份，而高嶺石往往在鹽度較低的沉淀于陸上或河口處(Edzwald J K et al.，1975)。高嶺石的形成與大氣淡水淋濾作用有關(guān)，主要形成于河流相、沼澤相、濱淺海相的前濱和后濱(張哨楠等，2012)。前人(羅忠等，2008；杜遠(yuǎn)生等，2015)根據(jù)粘土礦物組成來反演環(huán)境背景，推導(dǎo)出滇東黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)含煤巖系形成于陸相到海陸過渡相環(huán)境。

8 結(jié)論

根據(jù)上述測試結(jié)果分析研究，初步認(rèn)為本區(qū)稀土礦形成于溫暖、潮濕的沼澤環(huán)境，海水頻繁升降，原地或近源玄武巖 / 凝灰?guī)r被風(fēng)化，形成高嶺石粘土巖、鋁土質(zhì)高嶺石粘土巖。故高嶺石粘土巖、碎屑狀粘土巖、碎屑狀粘土質(zhì)鋁質(zhì)巖是稀土礦的標(biāo)志性巖層。

致謝：野外工作中得到中國地質(zhì)大學(xué)張克信教授、何衛(wèi)紅教授的精心指導(dǎo)，以及楊廷祿、張揚(yáng)、于志松同學(xué)的幫助，在撰寫過程中受到了馮增昭、于炳松和黃文輝等專家的指導(dǎo)，在此一并致謝！