河南盧氏南陽山花崗偉晶巖型稀有金屬礦床地質(zhì)—地球化學(xué)特征及找礦標(biāo)志

陶世旭, 張彥鋒, 趙留升, 段興民,孫佳楠,潘 杰, 裴滿意, 張 璜

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001;2.江西省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊,江西 九江 332000)

0 引言

河南省盧氏縣官坡一帶分布上千條花崗偉晶巖脈,是河南省最大的偉晶巖密集帶,屬東秦嶺花崗偉晶巖帶,南陽山鋰礦區(qū)即賦存于該密集區(qū)內(nèi)。

前人在此開展了大量的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)勘查工作,積累了豐富的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。陳西京等認為花崗偉晶巖密集區(qū)分布在同源花崗巖一側(cè),受褶皺構(gòu)造控制,且受褶皺過程中派生的裂隙所控制,水平分帶規(guī)律明顯[1-2]。盧欣祥等[3]認為東秦嶺的偉晶巖與花崗巖具有相似性,礦化普遍且明顯,具白云母化、鈉長石化、鋰云母化,且偉晶巖類型對稀有元素礦化有控制作用。Nb、Ta礦化主要與鈉長石化、鋰云母化、紅電氣石化密切相關(guān),而Li、Rb、Cs礦化則與鋰云母化、紅電氣石化密切相關(guān)。王令全等[4]認為東秦嶺稀有金屬礦床成礦母巖為堿性花崗巖,成巖成礦時代以加里東早期為主,以巖漿分異交代作用形成礦床,原生礦全部產(chǎn)于元古界變質(zhì)巖中。陳金鐸等[5-6]認為,偉晶巖脈具水平分帶的特征,屬高鉀鈣堿性系列亞堿性花崗巖,Nb與Ta 礦化在自然界中緊密相伴,但在Li交代階段與Na 交代階段礦化豐度不同,鋰礦化主要以鋰輝石形成出現(xiàn),其次為磷鋰鋁石、鋰電氣石、鋰白云母和鋰云母,Rb、Cs 礦化主要以鋰白云母和鋰云母的形式出現(xiàn)。

本文以前人工作為基礎(chǔ),在該區(qū)開展了系統(tǒng)的勘查和研究工作,系統(tǒng)總結(jié)了花崗偉晶巖型稀有金屬礦床的地質(zhì)特征、典型礦床的成礦特征及相關(guān)的找礦標(biāo)志。對前人的研究成果進行了驗證和細化,詳細控制了花崗偉晶巖脈的空間形態(tài)及展布,并進行了系統(tǒng)的巖石學(xué)和地球化學(xué)分析,在礦體走向、傾向及垂向上總結(jié)了稀有元素的分布規(guī)律,對該區(qū)稀有金屬礦床的勘查具有一定的指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)所處大地構(gòu)造位置屬秦嶺褶皺系,北秦嶺褶皺帶,寨根—彭家寨地背斜褶皺束。

區(qū)劃地層屬北秦嶺分區(qū)商南小區(qū),出露地層為古元古界秦嶺巖群郭莊組、雁嶺溝組,中新元古界峽河巖群和新元古代至早古生代丹鳳巖群,新生界第四系(圖1)。秦嶺巖群為一套由片麻巖、大理巖、角閃巖和混合巖組成的深變質(zhì)巖系[3];峽河巖群為變碎屑巖一斜長角閃巖變質(zhì)建造及鈣質(zhì)片巖—大理巖變質(zhì)建造;丹鳳巖群主要為基性火山巖構(gòu)成的蛇綠巖[3]。

圖1 東秦嶺地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[1-3])

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,表現(xiàn)為迭瓦狀斷裂系統(tǒng),主要形跡為NWW—SEE向,次為NE向和NW向,除瓦穴子、雙槐樹兩條區(qū)域性超巖石圈斷裂外,還發(fā)育與之平行的白花場獅子坪斷裂。受斷裂構(gòu)造影響,區(qū)內(nèi)自北向南發(fā)育北灣—唐耳溝倒轉(zhuǎn)向斜、廟臺—馬斗地向斜、瓦房向斜、桃坪—瓦窯溝復(fù)式背斜(圖2)。

圖2 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

區(qū)內(nèi)巖漿活動發(fā)育,多受構(gòu)造控制,呈近EW向展布,與區(qū)域構(gòu)造線相一致。按活動期次分為加里東晚期—華力西期、燕山期,其中加里東晚期—華力西期侵入巖主要巖體為桃坪巖體(450 Ma)及灰池子巖體(356～388 Ma)[1],燕山期侵入巖主要為蟒嶺二長花崗巖體(178 Ma)及沿瓦穴子斷裂出露的爆發(fā)角礫巖和花崗斑巖小巖體。研究區(qū)內(nèi)鉀-氬法同位素地質(zhì)年齡測定偉晶巖為396～410 Ma[7],由此可見,其母巖為距離較遠的桃坪巖體,而非距離較近的灰池子巖體、蟒嶺二長花崗巖體。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于桃坪—瓦窯溝復(fù)式大背斜北翼的母豬坑背斜北翼,出露地層有古元古界秦嶺巖群雁嶺溝組、下古生界二郎坪巖群大廟組、中生界三疊系五里川組及第四系。

研究區(qū)褶皺構(gòu)造不甚發(fā)育,地層表現(xiàn)為北傾的單斜構(gòu)造。緊鄰雙槐樹斷裂帶,斷裂帶由含泥質(zhì)大理巖,含泥質(zhì)鈣質(zhì)片巖,黑云陽起方解石片巖組成,其南北兩側(cè)巖石片理化強烈。次級斷裂較為發(fā)育,規(guī)模大小不等,走向長一般數(shù)米至數(shù)百米,一般寬1 m至數(shù)米,在空間分布上,以走向NE、NW向的居多,SN向者較少,對礦體破壞不大。

研究區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為加里東—華力西期的偉晶巖脈,亦即本區(qū)的含稀有金屬礦脈,巖性大致分為鋰輝石鈉長石花崗偉晶巖、鋰云母鈉長石花崗偉晶巖、含鈮鉭鐵礦石英鈉長偉晶巖等,是主要的成礦母巖。區(qū)內(nèi)偉晶巖脈呈脈群密集分布,多數(shù)形態(tài)簡單,以脈狀為主,其次為墻狀、板狀、不規(guī)則狀。巖脈展布多受構(gòu)造裂隙的制約,或順一組“X”形剪切裂隙注入,形態(tài)不規(guī)則,礦物成分復(fù)雜,屬復(fù)雜偉晶巖,即除了普通造巖礦物外,均含有多種稀有金屬礦物,構(gòu)成含礦脈體或具工業(yè)價值的稀有金屬礦床。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦脈特征

研究區(qū)內(nèi)偉晶巖脈分布較為廣泛,一般多呈平行脈組產(chǎn)出,與圍巖界線清楚。單一脈體一般發(fā)育結(jié)構(gòu)分帶的一部分,表現(xiàn)為整個脈體具特定稀有元素礦化特征。偉晶巖脈總體沿區(qū)域構(gòu)造格架產(chǎn)出,局部脈體與區(qū)域地層構(gòu)造線斜交或直交。礦脈形態(tài)有脈狀、透鏡狀、餅狀及不規(guī)則狀,具膨脹、收縮、分枝復(fù)合、尖滅側(cè)現(xiàn)等特征[8-9]。規(guī)模大小不一,長度一般為10～1000 m,厚0.55～235 m。

研究區(qū)查明含礦巖脈17條,按空間構(gòu)造規(guī)律和密集狀況,可分3組平行脈體,以大南溝為界分東區(qū)、西區(qū)、南區(qū)(圖3)。各巖(礦)脈平行密集排列,產(chǎn)狀各異(具體特征見表1)。在巖(礦)脈內(nèi)圈出規(guī)模不等的稀有金屬礦體主要為M5、M6、M16、M24、M38、M32,礦體呈脈狀、板狀,局部呈囊狀,具有多重分支復(fù)合之特點,走向不一,長243～520 m,最大斜深108～523 m,礦體厚度為0.49～15.67 m,平均厚度為3.25 m,產(chǎn)狀分別為280°～286°∠5°～37°、20°～35°∠14°～87°、335°～350°∠28°～57°,礦體賦存高程1100～1375 m,礦體埋深0～228 m。

表1 研究區(qū)巖(礦)脈地質(zhì)特征

3.2 礦石的礦物特征

礦石礦物成分主要為鋰輝石,次為白云母、鋰磷鋁石、鋰綠泥石、鋰電氣石、鈮鉭鐵礦(鈮錳礦、鉭錳礦)、鈮鉭鈾礦等(表2),另含少量錫石、錳鋰礦、鋰閃石、錳鈮礦、曲晶石、綠柱石等,脈石礦物主要為石英、微斜長石、鈉長石、鉀長石,次為高嶺石、黑電氣石、方解石、白云石、磷灰石、金云母、赤鐵礦、磁鐵礦、綠簾石、褐鐵礦、磷鐵錳礦、黃鐵礦、毒砂、石榴子石、榍石、透輝石、透閃石、綠柱石、鋯石等。

通過取樣分析,礦石中稀有元素化學(xué)成分Li2O品位為1.05%,Ta2O5品位為0.0138%,Nb2O5品位為0.0123%,Rb2O品位為0.252%,Cs2O品位為0.089%,根據(jù)相關(guān)工業(yè)指標(biāo)要求各元素均可進行綜合利用。

3.3 礦石類型及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石的自然類型主要為鋰輝石-鈉長石型(圖4a)、次為鋰云母-鈉長石型(圖4b)、含鈮鉭鐵礦石英-鈉長石型(圖4c)。

圖4 研究區(qū)礦石礦物特征

礦石結(jié)構(gòu)以自形—半自形中粗粒狀偉晶結(jié)構(gòu)(圖4d)、碎裂結(jié)構(gòu)(圖4e)、交代殘余結(jié)構(gòu)(圖4f)為主,次為葉片結(jié)構(gòu)(圖4g)、文象結(jié)構(gòu)(圖4h)。

礦石構(gòu)造常呈塊狀構(gòu)造、礦物定向構(gòu)造(圖4g)、團塊狀構(gòu)造及條帶狀構(gòu)造。

4 采樣及測試方法

為研究南陽山一帶花崗偉晶巖的地球化學(xué)特征,采集代表性樣品10件;為研究稀有元素在橫向上(走向上)、縱向上(傾向上)及垂向上的賦存規(guī)律,沿礦脈走向不同探槽中、沿勘探線不同鉆孔中分別采取化學(xué)分析樣,所取樣品均為新鮮巖(礦)石。

所有樣品的測試分析均在河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院實驗室完成。巖石經(jīng)破碎縮分后 (d<0.074 mm) 送實驗室檢測,主量成分分析采用X射線熒光光譜儀 (PW4400),稀有元素采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 (ICP-AES) 測定,檢測儀器為ICP(等離子體光電直讀光譜儀)。

5 花崗偉晶巖地球化學(xué)特征

5.1 主量成分

構(gòu)成礦體的花崗偉晶巖為富含鉀、鈉堿性元素的硅酸鹽(表3)。其總體表現(xiàn)出高硅,w(SiO2)為70.62%～74.13%,平均72.42%;高鋁,w(Al2O3)為13.09%～16.87%,平均15.25%;相對富堿,w(Na2O+K2O)為5.25%～7.97%,平均6.36%;較低的鎂,w(MgO)為0.35%～0.74%,平均0.53%;鈦w(TiO2)為0.015%～0.055%,平均0.027%;鐵w(Fe2O3+FeO)為0.32%～1.16%,平均0.43%。將數(shù)據(jù)投入TAS圖中(圖5),巖石樣品主要落入花崗巖區(qū)域;A/NK [Al2O3/(Na2O+K2O)]為1.31～2.51,鋁飽和指數(shù)A/CNK [Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)]為1.03～1.93,為過鋁質(zhì)巖石;SiO2-K2O巖石系列判別圖(圖6)顯示,主要為鈣堿性系列和高鉀鈣堿性系列,主量成分顯示具有S型花崗巖的地球化學(xué)特征[10-14]。

表3 研究區(qū)花崗偉晶巖主量成分分析結(jié)果

圖5 南陽山地區(qū)花崗巖TAS分類圖

圖6 南陽山地區(qū)花崗偉晶巖A/NK - A/CNK圖解與K2O - SiO2圖解

5.2 微量元素及稀土元素

本次研究區(qū)僅對工程中特定的Li、Nb、Ta、Be、Rb、Cs幾種微量元素進行分析(表4至表9),故借鑒了河南官坡花崗偉晶巖地質(zhì)與地球化學(xué)特征的微量元素及稀土元素數(shù)據(jù)[15]。采用Mc Donough(1989)原始地幔[16]、Boynton(1984)的球粒隕石值[17]為標(biāo)準(zhǔn)值,對樣品分析數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化計算。由原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖7)可以看出,偉晶巖具有右傾的變化趨勢,其中Rb、Ta、Hf富集明顯,Ba、Ce、Nd虧損嚴重,Ba的虧損可能與該區(qū)巖漿結(jié)晶時形成斜長石有關(guān),Ce的虧損可能與巖漿結(jié)晶時形成的獨居石有關(guān)。

表4 研究區(qū)M5脈橫向(走向)單工程稀有金屬元素含量

表5 研究區(qū)10線單工程稀有金屬元素含量

表6 研究區(qū)M16脈橫向(走向)單工程稀有金屬元素含量

表7 研究區(qū)17線單工程稀有金屬元素含量

表8 研究區(qū)M38脈橫向(走向)單工程稀有金屬元素含量

表9 研究區(qū)76線單工程稀有金屬元素含量

圖7 研究區(qū)代表性樣品微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值據(jù)文獻[16])

稀土元素組成上,總稀土含量(ΣREE)較低,(1.658～2.368)為×10-6,其中LREE為(1.145～1.732)×10-6;

HREE為(0.508～0.823)×10-6;LREE/HREE比值為1.88～2.82,平均比值為2.32,輕重稀土分餾作用不明顯。(La/Sm)N比值為2.36～3.73,(Gd/Lu)N比值為1.29～1.70,可見輕稀土比重稀土分餾程度高。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖(圖8)亦顯示輕稀土相對富集,重稀土相對虧損,Eu負異常不明顯。

圖8 研究區(qū)代表性樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值據(jù)文獻[17])

6 礦體地球化學(xué)特征

6.1 稀有元素間含量變化特征

稀有元素在礦脈中的含量變化與化學(xué)成分密切相關(guān)。陜西省地質(zhì)局第三地質(zhì)隊(1967)[18]及陳金鐸等[5]通過對南陽山一帶微量元素進行分析,得出稀有元素礦化強度與化學(xué)元素相關(guān)關(guān)系表,且兩者基本一致,由表9可知Ta、Nb與Na具有明顯的正比例關(guān)系,Li、Rb、Cs與Na具反比例相關(guān)關(guān)系,相反Ta、Nb與K具有反比例相關(guān)關(guān)系,Li、Rb、Cs與K具正比例相關(guān)關(guān)系,可見偏酸性的Ta、Nb與Na和強堿性元素Li、Rb、Cs與K具有明顯的地球化學(xué)同步性;另外,揮發(fā)組分在成礦作用過程中也很重要,特別是F、B等礦化劑,與稀有元素均具正比例相關(guān)關(guān)系,對稀有元素的遷移、富集,起著重要作用[19-22]。

6.2 礦體橫向地球化學(xué)特征

西礦段SN向礦脈(以M5為例)稀有元素礦化強度自北向南有逐漸降低的趨勢,其中Li2O、Rb2O、Cs2O較明顯,Ta2O5、BeO次之,Nb2O5不明顯(圖9a)。

圖9 M5/M16/M38脈橫向(沿走向)品位變化曲線圖

南礦段EW向礦脈(以M16為例)稀有元素礦化強度自西向東有逐漸增加的趨勢,其中Cs2O、BeO較為明顯,Rb2O、Nb2O5、Ta2O5次之,Li2O不明顯(圖9b)。

東礦段NW向礦脈(以M38為例)稀有元素Li2O、Rb2O自北西向南東有逐漸增加的趨勢,Cs2O略有增加,Nb2O5、Ta2O5不明顯,BeO變化無明顯規(guī)律,成“W”型起伏變化(圖9c)。

工信部信息通信發(fā)展司有關(guān)負責(zé)人介紹，電信普遍服務(wù)試點工作開展順利，成效顯著。光纖試點工作進入最后沖刺階段。截至2018年9月底，前三批試點13萬個行政村光纖建設(shè)任務(wù)完工率已達98%。

6.3 礦體縱向地球化學(xué)特征

西礦段SN向礦脈(以M5為例)沿延伸方向Nb、Ta、Be、Rb、Cs有逐漸降低的趨勢,局部有起伏,Li具先降低后升高之勢,中間達到最低點(圖10a)。

南礦段EW向礦脈(以M16為例)沿延伸方向Be、Rb、Cs有逐漸升高的趨勢,Li、Ta有逐漸降低之趨勢,Nb變化特征不明顯(圖10b)。

東礦段NW向礦脈(以M38為例)沿延伸方向Li、Rb、Cs有逐漸升高之勢,Nb、Be有逐漸降低之勢,Ta變化特征不明顯(圖10c)。

6.4 礦體垂向地球化學(xué)特征

西礦段SN向礦脈(以M5為例)沿垂向方向Li在礦體中部含量達到高值,上盤及下盤含量較低;Nb、Ta、Be向下盤有逐漸增高之趨勢,但Nb、Ta在礦體中部有輕微變化,含量稍低;Rb、Cs向下盤有降低之趨勢(圖10a′)。

南礦段EW向礦脈(以M16為例)沿垂向方向Be、Rb、Cs在礦體中部含量較高,上下兩盤含量較低;Ta在礦體中部含量稍低,上下兩盤反而稍高;Li向下盤有逐漸增高的趨勢;Nb向下盤有逐漸降低的趨勢(圖10b′)。

東礦段NW向礦脈(以M38為例)沿垂向方向Li、Nb、Ta在礦體中部含量稍低,上下兩盤較高,其中Nb、Ta變化不大;Rb、Cs在礦體中部含量稍高,上下兩盤含量較低;Be向下盤有逐漸增高之趨勢(圖10c′)。

由此可見,稀有元素在橫向(走向)、縱向(傾向)及垂向上的變化不僅與化學(xué)成分相關(guān),也與礦體空間位置密切相關(guān)。各組礦脈元素變化特征不同,是由區(qū)域構(gòu)造格架及偉晶巖脈沿裂隙侵入方向決定的,SN向礦脈近垂直于區(qū)域地層,近EW向礦脈斜切地層,NW向礦脈近順層產(chǎn)出;西、南礦段礦石類型以含鈮鉭鐵礦石英鈉長偉晶巖為主,東礦段礦石類型以鋰輝石-鈉長石花崗偉晶巖為主,顯示不同空間位置交代作用的差異。

7 巖漿演化與成礦作用討論

偉晶巖的分帶趨勢反映了偉晶巖漿演化的總趨勢是由鉀質(zhì)向鈉質(zhì)轉(zhuǎn)變。由早至晚,鉀長石被鈉長石代替,黑云母被白云母和鋰云母代替,所對應(yīng)的偉晶巖交代蝕變增強,有用礦物增多。反映了在偉晶巖漿的演化后期揮發(fā)組分和稀有元素不斷升高,可見,偉晶巖的演化與稀有元素的富集有密切關(guān)系[3,5,23-27]。

8 找礦標(biāo)志

在綜合分析南陽山一帶地質(zhì)及地球化學(xué)成礦特征的基礎(chǔ)上,建立了尋找同類型稀有金屬礦床的幾種找礦標(biāo)志[28]。

巖脈標(biāo)志:遠離花崗巖母巖體的薄脈狀花崗巖脈群,是找同類型礦床的重要標(biāo)志。

巖性標(biāo)志:偉晶巖多呈脈狀產(chǎn)出,礦物結(jié)晶顆粒粗大,因含鉀、鈉長石和石英,其巖性顏色外觀易區(qū)別于其他巖類,白云母微斜長石鈉長石偉晶巖-鋰云母鈉長石偉晶巖,是尋找稀有金屬礦床的重要標(biāo)志。

礦化標(biāo)志:鈉、鋰交代作用與成礦關(guān)系密切,因此,偉晶巖脈中強烈的Na、Li交代而形成的鈉長石化、鋰輝石化、鋰云母化、鋰閃石化是找礦的直接標(biāo)志。石英鋰輝石帶是尋找鋰輝石的直接標(biāo)志;小葉片狀鈉長石帶是尋找鈮鉭鐵礦的標(biāo)志;鋰云母鈉長石帶、紅電氣石鈉長石帶是尋找鉭銻礦、鋰輝石礦的標(biāo)志。

礦物標(biāo)志:在偉晶巖中,含有鋰輝石、鋰云母、綠柱石、鋰電氣石等礦物是尋找本類型礦床的直接標(biāo)志。黑電氣石指示礦化不好。

地球化學(xué)標(biāo)志:礦脈的空間分布位置可間接判斷稀有元素的礦化類型,Na、K等元素的含量多少可間接判斷稀有元素的富集變化特征。

圍巖中見紫色螢石化、鋰閃石化、藍電氣石化,是尋找富鉭礦石的重要標(biāo)志。

9 結(jié)語

(1)南陽山一帶稀有金屬礦床類型屬花崗偉晶巖型,呈平行脈組產(chǎn)出,礦物成分主要為鋰輝石,其次為白云母、鋰磷鋁石、鋰綠泥石、鋰電氣石、磷鐵錳礦、鈮鉭鐵礦(鈮錳礦、鉭錳礦)、鈮鉭鈾礦等,礦石類型主要為鋰輝石-鈉長石型、鋰云母-鈉長石型及含鈮鉭鐵礦石英-鈉長石型。

(2)南陽山一帶花崗偉晶巖脈主量成分分析表明:具高硅[w(SiO2)=70.62%～74.13%]、富鋁[w(Al2O3)=13.09%～16.87%]、相對富堿[w(Na2O+K2O)=5.25%～7.97%]、鋁質(zhì)過飽和[A/NK=1.31～2.51,A/CNK=1.03～1.93] 的特征;具S型花崗巖的地球化學(xué)特征。

(3)微量元素Rb、Ta、Hf富集,Ba、Ce、Nd虧損,總稀土含量較低 (ΣREE=1.658×10-6～2.368×10-6),輕稀土相對富集,重稀土相對虧損,Eu負異常不明顯。

(4)稀有元素Ta、Nb與Na具有明顯的正比例關(guān)系,Li、Rb、Cs與Na具反比例相關(guān)關(guān)系,它們與K關(guān)系則相反;F、B等礦化劑對稀有元素的遷移、富集有重要作用。研究區(qū)各組礦脈稀有元素在走向、傾向及垂向上變化趨勢與礦體空間位置密切相關(guān),并反映出各自相應(yīng)的礦化類型。

(5)研究區(qū)以鋰、鈮、鉭為主的稀有金屬礦床具綜合利用價值,通過探討其礦床地質(zhì)、地球化學(xué)特征及找礦標(biāo)志,提高了對該區(qū)域稀有金屬礦床的認識,對進一步尋找該類型礦床有較好的指導(dǎo)意義。