坦桑尼亚Mpanda 地区Sangu 碳酸岩地质及地球化学特征

曾瑞垠黄建业田犁平谭康雨张毅刘昭詹勇

（1.北京中资环钻探有限公司，北京 100012；2.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012；3.云南省有色地质局306 队，云南 昆明 650001）

0 引言

Mpanda 地区Sangu 碳酸岩位于坦桑尼亚西部，坦噶尼喀湖的东边，行政区划属鲁夸省，地理位置为30°25′～35′E 和06°40′～50′S。碳酸岩是指含碳酸盐矿物含量大于50%（体积百分数）、二氧化硅含量小于10%（重量百分数）的火成岩石（woolley，1989；杨学明等，1998；苟瑞涛等，2019）。碳酸岩是稀土、钍、铌的主要来源，也是铁、重晶石、碳酸钙、萤石和霞石的来源（Ohde and Mataragio，1999）。东部非洲地区的碳酸岩，普遍认为与东非裂谷系的活动有关（Bell and Tilton，2001；吴兴源等，2019）。Coetzee（1963）开展了Sangu 碳酸岩的地质特征调查，并对Sr、Nb 的分布规律进行了研究，2014 年中色地科矿产勘查股份有限公司对Mpanda 地区进行了铜矿潜力评价，并对Sangu 碳酸岩进行了现场考察。笔者在参加了Mpanda 地区矿产评价项目基础上，对Sangu 碳酸岩进行了少量样品采集，结合近年来碳酸岩的研究成果，探讨其形成、演化过程以及成矿意义，以期对该区碳酸岩研究及相关矿床找矿提供一定指示。

1 区域地质背景

Mpanda 地区位于坦桑尼亚克拉通的西南缘，构造格局为东非大裂谷西分支坦葛尼喀湖裂谷系统叠加在北西向Ubendian 造山带上（图1）。一般认为Ubendian 造山带是坦桑尼亚克拉通和赞比亚克拉通碰撞的产物，形成于元古宙（于彩虹等，2015）。元古宇主要由乌宾迪（Ubendian）超群、布科巴（Bukoban）超群深度变质岩与角闪岩的混合岩构成，主构造线为北西走向，与坦葛尼喀湖裂谷和鲁夸湖次级裂谷平行。Ubendian 造山带内成矿条件优越，找矿潜力较大，发育有丰富的铜、金矿和沉积—变质型铁锰矿床（点）。在世界已知的碳酸岩体近一半产于非洲，其中大多数的年龄小于200 Ma，与东非大裂谷有关（杨学明等，1998）。Ubendian 造山带上由北西至南东，发育有Sangu、Ikola、Ngualla、Sengeri、Panda 碳酸杂岩体（图1）。

图1 坦桑尼亚大地构造图（修改自郭鸿军等，2009；吴兴源等，2019）

2 研究区地质特征

2.1 地层

Mpanda 地区地层与维多利亚绿岩带不同，地层主要为古元古界Ubende 群、Ufipa 群和中元古界If⁃ume 群（图2）。

Ubende 群为研究区的基底，主要岩性为花岗片麻岩、斜长角闪岩、角闪石片岩（Uub）和石英岩（Uubq）等。岩石呈墨绿色，细粒变晶结构，片状构造，片麻状构造，局部条带状构造，主要矿物成分为角闪石、黑云母、石英、斜长石等。岩石蚀变强烈，以绿帘石化和绿泥石化为主，岩层产状与区域构造基本一致，倾向南西，倾角50°～85°。与上伏Ifume 群砂砾岩（Ic）呈断层接触关系，与Sangu 群混合碳酸岩（Sc）呈侵入接触关系。

Ufipa 群混合片麻岩分布于东南部的Karema 地块，由眼球状和条带状构造的黑云母片麻岩和角闪黑云片麻岩及石英岩组成。

Ifume 群（Ic）以长石砾岩为主，其分选性差。砾岩厚度较大，砾石呈椭圆状或次圆状，具有一定的磨圆度，分选性差，砾径较小0.3～10 cm，最大15 cm。砾石成分复杂，主要有片麻岩、花岗岩、角闪岩、石英团块等，局部地段砾石成分为碳酸岩，胶结物为泥质、硅质、细屑质，局部铁质，可见赤铁矿化。地层产状倾向南西，倾角30°～70°。Ifume 群上部主要为红色砂岩、粉砂岩和红色页岩，Sangu 碳酸岩主要侵入该群中。

2.2 构造

Muanda 地区位于乌宾迪活动带卡拉戈维－安科瑞安断裂内，构造形迹发育，存在同斜倒转褶皱和韧、脆性断裂，总体构造线为NW 向。

区域断裂极为发育，南部为Karema 断裂，北部为Ikola 断裂（图2），均属于左旋走滑性质。断裂构造走向大体平行分布，总体走向北西，局部北东走向，性质以左行脆－韧性挤压剪切带为主，带内大多数岩石挤压片理密集，主要岩石有糜棱岩、碎裂岩、绢云母片岩，石英脉岩，局部地段见有构造角砾岩。挤压带内普遍具有硅化、钾化，局部见有褐铁矿脉，偶见星点状黄铁矿化。

2.3 岩浆岩

研究区岩浆岩活动较频繁、强烈。主要有镁铁—超镁铁质岩，Sangu 群碳酸杂岩体和黑云母花岗岩体（图2）。

镁铁质—超镁铁质侵入岩（mub），主要为变辉石岩、榴辉岩和变橄榄岩。镁铁质—超镁铁质侵入岩与铁矿化有关，橄榄岩体中赋存有细粒浸染状铬铁矿，地表见贯入式致密块状铬铁矿体。在辉石岩和榴辉岩体中，局部见辉石伟晶岩。

黑云母花岗岩（gr），岩石呈肉红色，细—中细粒结构，局部粗粒结构，块状构造，在挤压带附近为片麻状构造。岩体中常见后期石英脉分布，大多呈长条状与透镜状，岩体围岩为角闪片岩，接触处见硅化、钾化、混合岩化，韧性剪切带通过处，具片麻状构造、眼球状构造。中粒黑云母花岗岩侵入于混合片麻岩体中。

图2 坦桑尼亚Mpanda 地区区域地质图

此外Mpanda地区广泛分布有石英脉、伟晶岩脉岩、辉绿岩岩脉，展布方向与主构造线一致，围绕Sangu 碳酸岩，石英脉和伟晶岩脉较发育，局部发育有正长岩脉。

2.4 矿产

研究区内广泛发育铜、金、铁、锰矿床（点），主要位于Karema 和Ikola 断裂构造带之间（图2），围绕Sangu 碳酸岩分布。铜、金矿体赋矿岩性以Ubende 群斜长角闪岩、角闪石片岩（Uub）为主，铁、锰矿矿体赋存于铁锰质石英岩中，Sangu 碳酸岩中具有一定的铌异常。Sangu 碳酸岩北西端为一小型铜矿床，产出于碳酸岩脉（Sc1）与Ubende 群斜长角闪岩接触带，氧化矿为孔雀石，原生矿主要为辉铜矿，其次为黄铜矿和斑铜矿，Cu 品位最高可达40%，属于热液成因。

3 Sangu 碳酸岩基本特征

3.1 分布

Sangu 碳酸岩体地表出露长约20 km，宽0.5～2 km，呈北西走向，出露面积为20 km2（图2）。呈层状、似层状或岩墙状产出，自东南至北西呈似喇叭状，展布方向与区域构造线一致。Sangu 碳酸岩主要侵入于Ubende 群斜长角闪岩和Ifume 群砂砾岩之间，倾向北东，倾角50°～70°，推测碳酸岩为本区最年轻的地质体（仇厚文，2015）。

北部砂砾岩中见1 条长约6 km、宽10～50 m 的碳酸岩脉（Sc1）侵入（图3），主要沿断层侵入于砂砾岩中，地表出露宽度由西向东逐渐变窄，岩性为白云石碳酸岩和铁碳酸岩，推测为后期侵入。根据钻孔验证，该脉体由地表至深部呈膨大趋势（图4），捕获有角闪石片岩角砾。

3.2 岩性

Sangu 碳酸岩以白云方解石碳酸岩和白云石碳酸岩为主，其次为铁碳酸岩。

白云方解石碳酸岩（图5a），岩石呈灰白、白色，中细粒结构，块状构造。主要矿物成分以方解石为主，其次为白云石和磷灰石，含有少量石英、角闪石、磁铁矿、金云母、绿泥石和白云母等矿物，岩石风化表面常见有钙质结膜现象，局部地段硅化较强。方解石碳酸岩与白云石碳酸岩接触关系尚不清楚。

图3 Sangu 碳酸岩北西部地质简图

图4 A—A’地质剖面图

白云石碳酸岩，岩石呈灰白、白色、米黄色、深红色，中细粒结构，块状构造。主要矿物成分为白云石、方解石，少量黑云母。白云质含量较高地段，地表风化可见刀砍纹（图5b）。

铁碳酸岩主要分布北部的岩脉中，以含铁氧化物矿物为显著特征（图5c）。铁氧化物主要为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿，岩石呈灰白色、灰色，中粒至粗粒结构，块状构造，局部呈角砾状构造，裂隙面中充填有黑云母等暗色矿物。

Sangu 碳酸岩和围岩的蚀变较强烈，可见绿泥石化、碳酸盐化、钾化、硅化、炭化等，局部可见星点状、浸染状、角砾状硫化物矿化（图5d），偶见脉状、团块状黄铁矿化，含少量黄铜矿化。

4 地球化学特征

4.1 稀土元素

碳酸岩与碱性火成岩一般被认为是稀土元素（REEs）及Nb－Ta－P 等高场强元素的良好载体（吴兴源等，2019）。笔者针对Sangu 碳酸岩采集样品3件，由中国冶金地质总局一局测试中心实验室完成稀土元素测试，测定方法为电感耦合等离子体质谱法，结果详见表1，同时将它们与Panda 的碳酸岩进行了对比。

Sangu 碳酸岩的稀土元素进行球粒陨石标准化配分，球粒陨石丰度值采用Boynton（1984）提出的标准值。从标准化配分模式图（图6a）可看出，轻稀土元素配分曲线向右陡倾，表现为轻稀土（LREE）富集，重稀土相对亏损的特征，这与世界各地碳酸岩都表现为富集LREE 特征也是吻合的，是包括碳酸岩在内的基性到中性火成岩的典型特征（Ohde and Mataragio，1999）。Sangu 碳酸岩的稀土元素总量变化范围较小，所有样品均未表现出明显Eu 异常，稀土总量为529.23×10－6～572.35×10－6，轻稀土元素（LREE）含量为456.47×10－6～495.42×10－6，重稀土元素（HREE）含量72.76×10－6～86.34×10－6。

稀土分馏系数（La/Yb）N＝21.2～28.2，轻、重稀土元素分异明显，轻稀土分馏系数（La/Sm）N值一般为2.90～3.67，重稀土分馏系数（Gd/Yb）N值一般为4.80～4.97，反映重稀土分馏程度较轻稀土的略高，说明两者基本处于同一个环境条件下分异的（李凤鸣和颜芳林，2015）。

图5 Sangu 碳酸岩岩石及蚀变特征

从轻、重稀土元素含量以及轻、重稀土元素的分异程度来看，与同一造山带的Panda 碳酸岩（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吴兴源等，2019）具有类似的特征（图6a），和新疆瓦吉里塔格碳酸岩稀土矿床也较相似（李凤鸣和颜芳林，2015）。

4.2 土壤地球化学

图6 Sangu 碳酸岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图（a）及次生晕元素对比图（b）（图a 修改自杨学明等，1998；吴兴源等，2019）

表1 稀土元素分析 ωB/10－6

表2 土壤地球化学分析 ωB/10－6

本次研究采集土壤地球化学样品429 件，其中针对Sangu 碳酸岩采集71 件，采样介质为B 层细粒级物质，深度一般在地表以下10～50 cm。分析采用便携式XRF 分析仪（X Ray Fluorescence）检测，根据3%的检查样验证，测试数据合格率为100%。碳酸岩中的微量元素可作为研究大陆上地幔性质的化学示踪剂（Ohde and Mataragio，1999），通常含有高的Sr、Ba、LREE、Nb、Th 和低的Rb、K、HREE 含量，明显不同于任何沉积成因的石灰岩和白云岩（Wool⁃ley，1989；杨学明等，1998），可以指示其形成时的大地构造背景和地幔交代作用。

根据土壤地球化学测量分析结果（表2），Sangu碳酸岩的Cu、Zn、Ag、As、Pt、Sr、Th 元素均高于全区岩石，Sr、Th 元素平均值分别为543×10－6、108×10－6，全区的平均值为276×10－6、41×10－6，Sangu 碳酸岩明显高于全区（图6b）。Sangu 碳酸岩的Pb、Rb元素平均值分别为7.22×10－6、48×10－6，全区平均值为17.05×10－6、78×10－6，具有偏低的特征。土壤地球化学测量成果不能代表碳酸岩元素含量，但通过碳酸岩的元素富集特征，可以得出Sangu 碳酸岩与其他典型碳酸岩具有相同元素分布特征。

5 讨论

5.1 Sangu 碳酸岩形成及演化

碳酸岩作为揭示地幔地球化学动力学的“探针岩石”通常形成于陆内裂谷环境，但大洋背景或造山带地区也可以产出碳酸岩（Tilton et al.，1998；Hou et al.，2006），还可能出露在洋岛之中（Le Bas，1989；杨学明等，1998）。Sangu 碳酸岩所处的Ubendian 造山带，位于东非大裂谷中，与世界其他地区碳酸岩的产出环境相似。

碳酸岩的地球化学特征明显不同于沉积成因的石灰岩和白云岩，可以指示其形成时的大地构造背景和地幔交代作用。Coetzee（1963）的研究成果显示Sangu 碳酸岩的Sr 含量0.04%～0.39%，高于围岩的Sr 含量（0.01%～0.06%），同时高于北美的沉积型碳酸盐岩（Sr 0.01%～0.14%），并指出Sangu 碳酸岩主要为火成岩或岩浆成因。碳酸岩最大的特征标志是在其岩浆通过的上部地壳围岩中发生以富含碱质（钠或者钾）的霓长岩化作用（杨学明等，1998）。在Sangu 碳酸岩周边发育有较多的钠长岩，钠长岩中发育有含铜石英脉，其南缘与角闪岩接触带中，发育有霓石—钠长岩脉。Ubende 群斜长角闪岩、角闪石片岩蚀变较强烈，主要包括绿泥石化、碳酸盐化、钾长石化、黄铁矿化等，可见少量正长石脉。这些蚀变是碳酸岩浆脱碱而引起围岩发生碱质交代作用所形成的（杨学明等，1998）。

稀土元素特征表明，Sangu 碳酸岩可能是由纯熔体体系演化而来，富含Sr、Ba 和LREE，亏损Rb、K和HREE 是碳酸橄榄岩部分熔融的主要岩浆特征（Ohde and Mataragio，1999）。Bell and Tilton（2001）通过Pb 同位素特征分析，显示东非碳酸岩主要来源于下地幔中的低速带区域，由地幔橄榄岩部分熔融而来（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吴兴源等，2019），经熔融程度不同的和不连续的部分熔融作用而形成碱质岩浆，后又经液态不混溶作用形成碳酸质熔体，碳酸质熔体由于其粘性而具有快速分离的能力。

碳酸岩按主要元素化学成分，可以分为钙质、镁质、铁质和碱质碳酸岩4 种化学类型（苟瑞涛等，2019）。单个碳酸岩杂岩体完整的演化序列通常是：粗粒钙质碳酸岩—细粒钙质碳酸岩＋镁质碳酸岩—铁质碳酸岩—细脉/网脉状钙质碳酸岩，在碳酸岩浆分异演化的晚阶段常常出现稀土的成矿作用（Woolley，1989）。Sangu 碳酸岩以镁质和钙质碳酸岩为主，其次为铁碳酸岩，外围发育有脉状碳酸岩，说明碳酸岩浆在Sangu 地区发生了较完整的演化，在晚阶段具备稀土矿成矿条件。

5.2 Sangu 碳酸岩成矿指示意义

根据地球化学特征和蚀变矿化特征，Ubendian造山带Sangu、Ngualla、Panda 碳酸岩的形成可能是由地幔橄榄岩部分熔融而来，地幔柱活动引发一些古断裂活化，碳酸质熔体沿着这些重新活化的断裂带快速上升、就位形成（吴兴源等，2019）。碳酸岩－碱性岩熔浆在上升过程中带来了成矿物质（朱志敏等，2008），富集成一系列金属和非金属矿床，包括稀土、稀有、铜、金、铁和镍等矿产（苟瑞涛等，2019），如Sangu 碳酸岩南东方向400 km 的Ngualla碳酸岩型镨钕稀土矿床（Witt et al.，2019）和600 km的Panda 碳酸岩型铌矿床（吴兴源等，2019）。Mpanda 地区围绕Sangu 碳酸岩周围，铜、金、铁、锰等矿床较发育，说明在碳酸岩就位过程中，为金属矿床的成矿作用提供流体来源。如Sangu 碳酸岩南东侧发育有与其平行的铁锰石英岩，矿石矿物主要为磁铁矿，长度约5 km，推测为碳酸岩早期分异析出富集。

图7 Sangu 碳酸岩的Nb 含量直方图（修改自Coetzee，1963）

区域资料显示，Sangu 碳酸岩中具有一定的铌异常，铌的含量集中在1×10－6～40×10－6（图7，Coe⁃tzee，1963），与Panda 碳酸岩型铌矿床特征相似，铌矿床主要与不同类型的深成碱性岩体中发现的碳酸岩有关（Mitchell，2015），铌元素的富集一般发生在碳酸岩形成的晚期（苟瑞涛等，2019），碳酸岩风化后可能形成大量富含铌、稀土的红土型矿床（李以科等，2019）。Witt et al.（2019）在Sangu 南部的Ngualla 碳酸岩型镨钕稀土矿床的研究中发现碳酸岩矿体是晚期热液作用的产物，富稀土元素的热液在迁移过程中，流体冷却和大气降水混合致使稀土络合物的分解可能是主要的矿化机制（郑旭等，2019）。

6 结论

（1）Sangu 碳酸岩稀土元素呈现为轻稀土富集的右倾分布型式，轻、重稀土分异明显且无Ce、Eu 异常。Sr、Th 含量高于全区岩石，而Rb 含量相对较低。

（2）Sangu 碳酸岩以钙质碳酸岩和白云石碳酸岩为主，其次为铁碳酸岩，外围发育有脉状碳酸岩，具有完整的演化过程。

（3）根据Sangu 碳酸岩的地球化学特征，推测其由地幔橄榄岩部分熔融而来，地幔柱活动引发Ubendian 造山带内部古断裂活化，碳酸质熔体沿着这些重新活化的断裂带快速上升，上升过程中富集成一系列稀土和金属矿床。

致谢本文在野外调查和采样过程中得到了中色地科矿产勘查股份有限公司董少波教授级高级工程师的指导和帮助，编写过程中得到了北京中资环钻探有限公司陈德稳教授级高级工程师的指导，成文期间审稿专家提出了宝贵的修改意见，在此致以诚挚的感谢。