豫西破山洞矿区碱性岩地球化学及稀土元素矿化特征

尤文卉，李山坡，吕宪河 ，鲁培庆，胡红雷 ，杜保峰 ，潘小娜，宁勇，崔振

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心， 河南 郑州 450046； 2.河南省地质调查院/河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室， 河南 郑州 450001； 3.河南省自然资源科学研究院， 河南 郑州 450016)

0 引言

1 区域地质背景

图1 河南省构造分区简图(a)和龙王岩体地质简图(b据赖素星和李钢，2019)I—华北克拉通，II—秦岭造山带，F—栾川—确山—固始深大断裂带；Pz1T—下古生界陶湾群，Pt3L—新元古界栾川群，Pt2G—中元古界官道口群，Pt2X—中元古界熊耳群，Ar3T—太古界太华群，γ53-1—燕山期酸性侵入岩，ηγ2—中元古代正长花岗岩，ν23—新元古代变辉长岩，ηπ2—新元古代正长斑岩，1—地层界线；2—断层及编号，F1—栾川—确山—固始深大断裂带、F2—赤土店断裂带、F3—马超营断裂带；3—破山洞矿区

2 岩体特征与矿床地质

2.1 岩体地质特征

图2 破山洞矿区地质简图1 —新生界第四系全新统冲积物；2—新生界第四系上更新统洪冲积物；3—太古界太华岩群；4—中元古代龙王岩体第四次侵入:细粒正长岩；5—中元古代龙王岩体第四次侵入:正长斑岩；6—中元古代龙王岩体第三次侵入:大斑状粗粒钠铁闪石正长花岗岩；7—中元古代龙王岩体第二次侵入：粗粒钠铁闪石正长花岗岩；8—石英脉；9—正长岩脉；10—流纹斑岩脉；11—正长斑岩脉；12—石英正长岩脉；13—闪长岩脉；14—钾化带；15—绿泥石化带；16—硅化带；17—褐铁矿化带；18—碎裂带；19—片理化带；20—实测地质界线；21—侵入界线；22—脉动接触界线；23—逆断层及产状；24—节理；25—稀土矿化脉；26—铜矿化点；27—萤石矿化点；28—本次采样位置

粗粒钠铁闪石正长花岗岩：岩石呈浅灰红色，中粗粒不等粒结构，块状构造。主要矿物为钾长石(52%～72%)、斜长石(4%～12%)、石英(22%～26%)、钠铁闪石(5%～15%)，少量的磁铁矿、绿帘石、独居石。钾长石由正长石和条纹长石组成；斜长石多为钾长石交代仅有少量残留；钠铁闪石多呈半自形-不规则板柱状，常聚集成5～12 mm团块不均匀分布(图3)。

图3 钠铁闪石正长花岗岩样品野外照片a—钠铁闪石正长岩;b—钠铁闪石正长岩中萤石;c—正长伟晶岩;d—晶洞

2.2 矿化特征

矿区内出露的碱性岩体稀土元素含量背景值较高，但是达到矿化品位以上的矿体主要赋存于中粗粒钠铁闪石正长花岗岩中，矿体与围岩没有明显界限，矿区内岩石均有不同程度的黑云母化、绢云母化、绿帘石化、萤石化及片麻理化等。

河南省地质调查院在该区实施矿产地质调查项目时，在破山洞矿区初步圈出6个稀土矿化体(图2)，总体呈北西-南东向带状展布，矿体主要呈囊状、透镜体状，与岩体产状一致。矿体出露长度100～200 m，平均厚度6.69～54.96 m，TRE2O3平均品位0.16%～0.21%，并伴生有Zr，品位0.059%～0.067%。矿体与围岩没有明显的界线，呈渐变过渡关系。矿化的钠铁闪石正长岩发育有萤石矿化。

2.3 矿石矿物

含矿岩石的结构构造主要为自形粒状结构、块状构造。含矿岩石中主要稀土矿物为独居石、氟碳铈矿。独居石呈黄绿色，半自形粒状，粒径0.01～0.05 mm，零散分布。氟碳铈矿呈黄色，他形粒状，粒径0.01～0.1 mm，玻璃光泽或油脂光泽，透明—半透明，正高突起，高级白干涉色。

2.4 热液蚀变

破山洞一带钠铁闪石正长花岗岩岩石新鲜，变形较强烈，整体经历了中低温热液蚀变作用。热液蚀变类型主要为钾长石化、黑云母化、绢云母化、绿帘石化和绿泥石化。斜长石被钾长石交代，呈不规则状残留(图4a、b)；钾长石(微纹长石)交代石英，使石英呈不规则港湾状残留(图4d)；钠铁闪石被螺纹鳞片状黑云母交代呈其假象，具交代假象结构(图4c)。萤石镶嵌于角闪石和正长石矿物间隙中，与稀土矿较为密切，一般萤石矿化较明显的岩石中，稀土元素含量相对较高。

3 采样及分析测试方法

为研究破山洞矿化钠铁闪石正长花岗岩地球化学特征，本次野外在地表及探槽工程中采集了PH-H2、PH-H3、PH-H4、PH-H5、PH-H6、PH-H7、PH-H8等7件样品，样品相对新鲜，无明显的矿化蚀变(表1，图4)。送自然资源部武汉矿产资源监督检测中心进行主量、微量及稀土元素测试。主量元素分析采用仪器为RIX2100型X射线荧光光谱仪，样品分析精度优于 5%；稀土元素和微量元素分析采用仪器为Agilent7500a ICP-MS，分析精度优于10%。

表1 破山洞钠铁闪石正长花岗岩主量元素(%)与微量元素(10-6)含量

续表1

续表1

图4 钠铁闪石正长花岗岩镜下照片a、b—斜长石被钾长石交代，呈不规则状残留；c—钠铁闪石被螺纹鳞片状黑云母交代呈其假象; d—钾长石(微纹长石)交代石英，使石英呈不规则港湾状残留；e —独居石颗粒(单偏光);f—独居石颗粒(正交偏光)

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素化学特征

破山洞一带钠铁闪石正长花岗岩SiO2含量较高，平均72.10%；Al2O3含量13.06%～14.07%, 平均13.53%；MnO含量0.26%～0.51%，平均0.06%；Fe2O3含量2.47%～3.26%，平均2.62%；碱值为8.61～9.22，K2O/Na2O为1.84～2.54，A/CNK为1.13～1.27。在TAS图解(图5a)中，样品均落入亚碱性岩系列的花岗岩区域；在A/NK～A/CNK图解(图5b)中均落入过铝质范围内；在ω(K2O)-ω(SiO2)图解(图5c)中，样品均落入钾玄岩系列岩石区域。

图5 岩体TAS图解(a)、A/NK-A/CNK图解(b)、w(K2O)-w(SiO2)图解(c)和w(SiO2)-AR图解(d)(a底图据Wilson, 1989 ;b底图据Maniar and Piccoli, 1989;c底图实线据Peccerillo and Taylor, 1976; 虚线据Middlemost, 1985;d底图据Wright, 1969)

4.2 微量元素地球化学特征

破山洞矿区钠铁闪石正长花岗岩明显富集稀土元素，稀土含量为1177×10-6～1709×10-6(表1)，但波动范围较大，显示稀土元素矿化不均匀的特征，与野外地质现象一致。稀土元素显示轻稀土富集的特征(LaN/YbN=18.66～31.41)，Eu负异常(δEu=0.16～0.24)，REE分布模式呈海鸥型，显示为高演化岩浆的产物(图6a)。原始地幔标准化蛛网图显示，岩石富集大离子亲石元素Rb、高场强元素Nb、Y和Th元素明显富集，而U、Sr、P、Ti元素明显亏损；分散性元素Ga在矿化岩石中明显富集，其(Ga/Al)×104值介于2.64～4.54(图7)，大于一般的I和S型花岗岩，显示了A型花岗岩的特征(Whalen et al., 1987; 付建明等, 2005)。

图6 破山洞钠铁闪石正长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化蜘蛛图(a)和微量元素原始地幔标准化蜘蛛图(b)(底图据Sun and McDonough, 1989)

图7 破山洞钠铁闪石正长岩花岗岩(Ga/Al)vs(Na2O+K2O)/CaO、(Ga/Al) vs FeO/MgO、(Ga/Al)vs K2O/MgO图解 (底图据Whalen et al., 1987)

5 地质意义

5.1 岩浆演化

总体上看，破山洞矿区钠铁闪石正长花岗岩具有碱性—过碱性特征。Dy与Er、Cr与Ni之间存在明显的正相关关系，暗示在岩浆演化过程中有一定程度的角闪石分离结晶过程(图8)。明显的P、Ti负异常(图6b)暗示了榍石、钛铁矿的分离结晶过程。中等Eu负异常(图6a)显示了斜长石的分离结晶作用。另外，岩石的分异指数(DI)较高(平均为82.23)，表明岩浆经历了较为强烈的结晶分异过程。在La-La/Sm图解(图9)中，大多数样品随着La值增加La/Sm整体比值变化较小，表明岩石形成过程中的以结晶分异为主。因此，破山洞岩体在形成过程中发生了持续的结晶分异作用，导致稀土元素在晚期熔体中不断富集，进而形成了本区的稀土矿化。

图8 破山洞钠铁闪石正长花岗岩的Dy-Er图解(底图据Bottinga et al., 1978)▲为本文数据，■为前人数据

图9 破山洞钠铁闪石正长花岗岩的La-La/Sm图解(底图据Bottinga et al., 1978)▲为本文数据，■为前人数据

5.2 岩浆源区

碱性岩的成因有3种认识：(1)长英质地壳物质或基性下地壳经过部分熔融形成原生岩浆后分异形成碱性岩浆(Huang and Wyllie, 1981; Tchameni et al., 2001; Downes et al., 2005; Chen et al., 2010) ；(2)富集地幔部分熔融形成初始的碱性玄武质岩浆，经分离结晶而形成(Roden and Murthy, 1985; Brown and Becker, 1986; Edgar, 1987; Yang et al., 2005)；(3)壳幔混合作用，即幔源镁铁质岩浆或硅不饱和碱性岩浆与长英质壳源岩浆混合并分异形成碱性岩的原生岩浆(Barker et al., 1975; Zhao et al., 1995; Litvinovsky et al., 2002; Riishuus et al., 2005; 杨进辉等，2007)。

由于基性下地壳具有较低的Na2O(2.4%)、K2O(0.38%)和稀土总量(约65×10-6)(Rudnick and Gao, 2003;黄方和何永胜, 2010)，基性下地壳部分熔融不可能形成破山洞矿区高Na2O(平均3.06%)、K2O(平均5.65%)和稀土总量(平均为1145×10-6)的碱性花岗岩。

研究表明，原始地幔的Cr、Ni含量分别为500～600×10-6、250～300 ×10-6(Foley et al.,1987)，而富集地幔的Cr、Ni含量远低于原始地幔，破山洞钠铁闪石正长花岗岩样品的Cr、Ni含量均非常低，分别为3.87～28.59 ppm和1.48～3.46 ppm，暗示其源区可能为富集地幔。破山洞钠铁闪石正长花岗岩具有较为均一的初始Nd同位素组成，143Nd/144Nd比值变化范围在0.511278～0.511616， εNd(t)=-4.5-7.2，Nd模式年龄为2.3～2.5 Ga。与区内栾川群的辉长岩(～830Ma)具有较为相似的εNd(t)值(-1.5～-3.0，Wang et al., 2011)。岩体中锆石的Hf 同位素组成为176Hf/177Hf=0.281649～0.281753，εHf(t)=-1.11～-5.26，平均-3.92，模式年龄tHf1=2.1～2.3 Ga, tHf2=2.4～2.6 Ga(包志伟等，2009)。锆石Hf模式年龄与Nd模式年龄非常一致，表明破山洞矿区钠铁闪石正长花岗岩可能主要源于由古元古代地壳物质再循环进入地幔所形成的富集地幔源区，在岩浆上升及侵位过程中可能存在下地壳物质或区域基底太华群的混染作用。

5.3 构造环境

通常认为正长花岗岩产于碰撞后、裂谷或板内伸展构造背景下(Turner et al., 1996；Bonin et al.,1998)。在花岗岩类构造环境图解SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)和SiO2-Al2O3(图10)中，破山洞矿区钠铁闪石正长花岗岩样品大部分投在RRG+CEUG类内，即与裂谷有关的花岗岩类和陆内造陆运动隆起花岗岩类内。

图10 破山洞钠铁闪石正长花岗岩SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)(a)和SiO2-Al2O3(b)图解(底图据Maniar and Piccoli,1989)

图11 破山洞钠铁闪石正长花岗岩(Yb+Ta)-Rb(a)和(Y+Nb)-Rb(b)判别图解(底图据Pearce et al.,1984)

5.4 岩石地球化学对成矿的指示

破山洞矿区含矿钠铁闪石正长花岗岩与围岩并无明显界线，暗示稀土元素的富集可能与成岩过程基本一致。岩石仅发育中低温热液蚀变现象且具有较低的烧失量(LOI平均2.62%)(表1)，表明后期蚀变作用并未明显影响多数样品的原始地球化学组成。

岩石地球化学特征显示，破山洞钠铁闪石正长花岗岩形成过程中发生了强烈的结晶分异作用，岩浆演化程度较高。同时，在破山洞可见少量的晶洞及伟晶岩(图3c、d)。研究(Bakker and Elburg, 2006) 认为，伟晶岩和晶洞是岩浆高度演化并进入到岩浆—热液阶段的岩石学标志。内蒙古巴尔哲Nb-REE矿床内矿化碱性花岗岩内分布数量众多的晶洞，并在岩体顶部出现伟晶岩壳，其中发育大量富含稀土碳酸盐矿物和挥发分的熔体—流体包裹体，因此，研究者认为巴尔哲矿床的形成受岩浆高度演化的控制，在碱性岩浆演化到晚阶段，形成富含挥发分的残余熔体，稀土元素即在这些残余熔体中发生高度富集而成矿(杨武斌等，2009)。破山洞钠铁闪石正长花岗岩内发生的稀土矿化可能与巴尔哲矿床稀土矿化机制具有相似性，岩体中普遍存在萤石、黑云母、角闪石等含氟矿物(图3)，说明热液流体中存在大量的 F，暗示碱性正长岩的原始岩浆可能富含挥发分；晶洞和伟晶岩脉的出现表明这一富挥发分岩浆已经演化到岩浆—热液过渡阶段，稀土元素已高度富集并成矿。

5.5 找矿潜力

6 结论

(2)破山洞钠铁闪石正长花岗岩岩体的岩浆物质来源于地幔，在其上升或侵位过程中遭受了大量的地壳物质的混染，形成于板内拉张环境。

(3)矿物学、岩石学及地球化学特征显示，破山洞矿区含矿钠铁闪石正长花岗岩是A型岩浆不同演化阶段熔体固结的产物，稀土元素的富集与岩浆演化过程有密切关系。

致谢防灾科技学院李真真博士，河南省地质调查院裴玉华高级工程师、李肖龙博士在成文过程中给予了建设性意见和建议；审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见，在此一并致以诚挚的谢意！