河南卢氏南阳山花岗伟晶岩型稀有金属矿床地质—地球化学特征及找矿标志

陶世旭, 张彦锋, 赵留升, 段兴民,孙佳楠,潘 杰, 裴满意, 张 璜

(1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院,河南 郑州 450001;2.江西省地质局第三地质大队,江西 九江 332000)

0 引言

河南省卢氏县官坡一带分布上千条花岗伟晶岩脉,是河南省最大的伟晶岩密集带,属东秦岭花岗伟晶岩带,南阳山锂矿区即赋存于该密集区内。

前人在此开展了大量的区域地质调查及矿产勘查工作,积累了丰富的基础地质资料。陈西京等认为花岗伟晶岩密集区分布在同源花岗岩一侧,受褶皱构造控制,且受褶皱过程中派生的裂隙所控制,水平分带规律明显[1-2]。卢欣祥等[3]认为东秦岭的伟晶岩与花岗岩具有相似性,矿化普遍且明显,具白云母化、钠长石化、锂云母化,且伟晶岩类型对稀有元素矿化有控制作用。Nb、Ta矿化主要与钠长石化、锂云母化、红电气石化密切相关,而Li、Rb、Cs矿化则与锂云母化、红电气石化密切相关。王令全等[4]认为东秦岭稀有金属矿床成矿母岩为碱性花岗岩,成岩成矿时代以加里东早期为主,以岩浆分异交代作用形成矿床,原生矿全部产于元古界变质岩中。陈金铎等[5-6]认为,伟晶岩脉具水平分带的特征,属高钾钙碱性系列亚碱性花岗岩,Nb与Ta 矿化在自然界中紧密相伴,但在Li交代阶段与Na 交代阶段矿化丰度不同,锂矿化主要以锂辉石形成出现,其次为磷锂铝石、锂电气石、锂白云母和锂云母,Rb、Cs 矿化主要以锂白云母和锂云母的形式出现。

本文以前人工作为基础,在该区开展了系统的勘查和研究工作,系统总结了花岗伟晶岩型稀有金属矿床的地质特征、典型矿床的成矿特征及相关的找矿标志。对前人的研究成果进行了验证和细化,详细控制了花岗伟晶岩脉的空间形态及展布,并进行了系统的岩石学和地球化学分析,在矿体走向、倾向及垂向上总结了稀有元素的分布规律,对该区稀有金属矿床的勘查具有一定的指导作用。

1 区域地质背景

研究区所处大地构造位置属秦岭褶皱系,北秦岭褶皱带,寨根—彭家寨地背斜褶皱束。

区划地层属北秦岭分区商南小区,出露地层为古元古界秦岭岩群郭庄组、雁岭沟组,中新元古界峡河岩群和新元古代至早古生代丹凤岩群,新生界第四系(图1)。秦岭岩群为一套由片麻岩、大理岩、角闪岩和混合岩组成的深变质岩系[3];峡河岩群为变碎屑岩一斜长角闪岩变质建造及钙质片岩—大理岩变质建造;丹凤岩群主要为基性火山岩构成的蛇绿岩[3]。

图1 东秦岭地区区域地质简图(据文献[1-3])

区内断裂构造发育,表现为迭瓦状断裂系统,主要形迹为NWW—SEE向,次为NE向和NW向,除瓦穴子、双槐树两条区域性超岩石圈断裂外,还发育与之平行的白花场狮子坪断裂。受断裂构造影响,区内自北向南发育北湾—唐耳沟倒转向斜、庙台—马斗地向斜、瓦房向斜、桃坪—瓦窑沟复式背斜(图2)。

图2 区域构造纲要图

区内岩浆活动发育,多受构造控制,呈近EW向展布,与区域构造线相一致。按活动期次分为加里东晚期—华力西期、燕山期,其中加里东晚期—华力西期侵入岩主要岩体为桃坪岩体(450 Ma)及灰池子岩体(356～388 Ma)[1],燕山期侵入岩主要为蟒岭二长花岗岩体(178 Ma)及沿瓦穴子断裂出露的爆发角砾岩和花岗斑岩小岩体。研究区内钾-氩法同位素地质年龄测定伟晶岩为396～410 Ma[7],由此可见,其母岩为距离较远的桃坪岩体,而非距离较近的灰池子岩体、蟒岭二长花岗岩体。

2 矿区地质特征

研究区位于桃坪—瓦窑沟复式大背斜北翼的母猪坑背斜北翼,出露地层有古元古界秦岭岩群雁岭沟组、下古生界二郎坪岩群大庙组、中生界三叠系五里川组及第四系。

研究区褶皱构造不甚发育,地层表现为北倾的单斜构造。紧邻双槐树断裂带,断裂带由含泥质大理岩,含泥质钙质片岩,黑云阳起方解石片岩组成,其南北两侧岩石片理化强烈。次级断裂较为发育,规模大小不等,走向长一般数米至数百米,一般宽1 m至数米,在空间分布上,以走向NE、NW向的居多,SN向者较少,对矿体破坏不大。

研究区内岩浆岩主要为加里东—华力西期的伟晶岩脉,亦即本区的含稀有金属矿脉,岩性大致分为锂辉石钠长石花岗伟晶岩、锂云母钠长石花岗伟晶岩、含铌钽铁矿石英钠长伟晶岩等,是主要的成矿母岩。区内伟晶岩脉呈脉群密集分布,多数形态简单,以脉状为主,其次为墙状、板状、不规则状。岩脉展布多受构造裂隙的制约,或顺一组“X”形剪切裂隙注入,形态不规则,矿物成分复杂,属复杂伟晶岩,即除了普通造岩矿物外,均含有多种稀有金属矿物,构成含矿脉体或具工业价值的稀有金属矿床。

3 矿床地质特征

3.1 矿脉特征

研究区内伟晶岩脉分布较为广泛,一般多呈平行脉组产出,与围岩界线清楚。单一脉体一般发育结构分带的一部分,表现为整个脉体具特定稀有元素矿化特征。伟晶岩脉总体沿区域构造格架产出,局部脉体与区域地层构造线斜交或直交。矿脉形态有脉状、透镜状、饼状及不规则状,具膨胀、收缩、分枝复合、尖灭侧现等特征[8-9]。规模大小不一,长度一般为10～1000 m,厚0.55～235 m。

研究区查明含矿岩脉17条,按空间构造规律和密集状况,可分3组平行脉体,以大南沟为界分东区、西区、南区(图3)。各岩(矿)脉平行密集排列,产状各异(具体特征见表1)。在岩(矿)脉内圈出规模不等的稀有金属矿体主要为M5、M6、M16、M24、M38、M32,矿体呈脉状、板状,局部呈囊状,具有多重分支复合之特点,走向不一,长243～520 m,最大斜深108～523 m,矿体厚度为0.49～15.67 m,平均厚度为3.25 m,产状分别为280°～286°∠5°～37°、20°～35°∠14°～87°、335°～350°∠28°～57°,矿体赋存高程1100～1375 m,矿体埋深0～228 m。

表1 研究区岩(矿)脉地质特征

3.2 矿石的矿物特征

矿石矿物成分主要为锂辉石,次为白云母、锂磷铝石、锂绿泥石、锂电气石、铌钽铁矿(铌锰矿、钽锰矿)、铌钽铀矿等(表2),另含少量锡石、锰锂矿、锂闪石、锰铌矿、曲晶石、绿柱石等,脉石矿物主要为石英、微斜长石、钠长石、钾长石,次为高岭石、黑电气石、方解石、白云石、磷灰石、金云母、赤铁矿、磁铁矿、绿帘石、褐铁矿、磷铁锰矿、黄铁矿、毒砂、石榴子石、榍石、透辉石、透闪石、绿柱石、锆石等。

通过取样分析,矿石中稀有元素化学成分Li2O品位为1.05%,Ta2O5品位为0.0138%,Nb2O5品位为0.0123%,Rb2O品位为0.252%,Cs2O品位为0.089%,根据相关工业指标要求各元素均可进行综合利用。

3.3 矿石类型及结构构造

矿石的自然类型主要为锂辉石-钠长石型(图4a)、次为锂云母-钠长石型(图4b)、含铌钽铁矿石英-钠长石型(图4c)。

图4 研究区矿石矿物特征

矿石结构以自形—半自形中粗粒状伟晶结构(图4d)、碎裂结构(图4e)、交代残余结构(图4f)为主,次为叶片结构(图4g)、文象结构(图4h)。

矿石构造常呈块状构造、矿物定向构造(图4g)、团块状构造及条带状构造。

4 采样及测试方法

为研究南阳山一带花岗伟晶岩的地球化学特征,采集代表性样品10件;为研究稀有元素在横向上(走向上)、纵向上(倾向上)及垂向上的赋存规律,沿矿脉走向不同探槽中、沿勘探线不同钻孔中分别采取化学分析样,所取样品均为新鲜岩(矿)石。

所有样品的测试分析均在河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院实验室完成。岩石经破碎缩分后 (d<0.074 mm) 送实验室检测,主量成分分析采用X射线荧光光谱仪 (PW4400),稀有元素采用电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-AES) 测定,检测仪器为ICP(等离子体光电直读光谱仪)。

5 花岗伟晶岩地球化学特征

5.1 主量成分

构成矿体的花岗伟晶岩为富含钾、钠碱性元素的硅酸盐(表3)。其总体表现出高硅,w(SiO2)为70.62%～74.13%,平均72.42%;高铝,w(Al2O3)为13.09%～16.87%,平均15.25%;相对富碱,w(Na2O+K2O)为5.25%～7.97%,平均6.36%;较低的镁,w(MgO)为0.35%～0.74%,平均0.53%;钛w(TiO2)为0.015%～0.055%,平均0.027%;铁w(Fe2O3+FeO)为0.32%～1.16%,平均0.43%。将数据投入TAS图中(图5),岩石样品主要落入花岗岩区域;A/NK [Al2O3/(Na2O+K2O)]为1.31～2.51,铝饱和指数A/CNK [Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)]为1.03～1.93,为过铝质岩石;SiO2-K2O岩石系列判别图(图6)显示,主要为钙碱性系列和高钾钙碱性系列,主量成分显示具有S型花岗岩的地球化学特征[10-14]。

表3 研究区花岗伟晶岩主量成分分析结果

图5 南阳山地区花岗岩TAS分类图

图6 南阳山地区花岗伟晶岩A/NK - A/CNK图解与K2O - SiO2图解

5.2 微量元素及稀土元素

本次研究区仅对工程中特定的Li、Nb、Ta、Be、Rb、Cs几种微量元素进行分析(表4至表9),故借鉴了河南官坡花岗伟晶岩地质与地球化学特征的微量元素及稀土元素数据[15]。采用Mc Donough(1989)原始地幔[16]、Boynton(1984)的球粒陨石值[17]为标准值,对样品分析数据进行标准化计算。由原始地幔标准化蛛网图(图7)可以看出,伟晶岩具有右倾的变化趋势,其中Rb、Ta、Hf富集明显,Ba、Ce、Nd亏损严重,Ba的亏损可能与该区岩浆结晶时形成斜长石有关,Ce的亏损可能与岩浆结晶时形成的独居石有关。

表4 研究区M5脉横向(走向)单工程稀有金属元素含量

表5 研究区10线单工程稀有金属元素含量

表6 研究区M16脉横向(走向)单工程稀有金属元素含量

表7 研究区17线单工程稀有金属元素含量

表8 研究区M38脉横向(走向)单工程稀有金属元素含量

表9 研究区76线单工程稀有金属元素含量

图7 研究区代表性样品微量元素标准化蛛网图(标准化数值据文献[16])

稀土元素组成上,总稀土含量(ΣREE)较低,(1.658～2.368)为×10-6,其中LREE为(1.145～1.732)×10-6;

HREE为(0.508～0.823)×10-6;LREE/HREE比值为1.88～2.82,平均比值为2.32,轻重稀土分馏作用不明显。(La/Sm)N比值为2.36～3.73,(Gd/Lu)N比值为1.29～1.70,可见轻稀土比重稀土分馏程度高。球粒陨石标准化配分曲线图(图8)亦显示轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,Eu负异常不明显。

图8 研究区代表性样品稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(标准化数值据文献[17])

6 矿体地球化学特征

6.1 稀有元素间含量变化特征

稀有元素在矿脉中的含量变化与化学成分密切相关。陕西省地质局第三地质队(1967)[18]及陈金铎等[5]通过对南阳山一带微量元素进行分析,得出稀有元素矿化强度与化学元素相关关系表,且两者基本一致,由表9可知Ta、Nb与Na具有明显的正比例关系,Li、Rb、Cs与Na具反比例相关关系,相反Ta、Nb与K具有反比例相关关系,Li、Rb、Cs与K具正比例相关关系,可见偏酸性的Ta、Nb与Na和强碱性元素Li、Rb、Cs与K具有明显的地球化学同步性;另外,挥发组分在成矿作用过程中也很重要,特别是F、B等矿化剂,与稀有元素均具正比例相关关系,对稀有元素的迁移、富集,起着重要作用[19-22]。

6.2 矿体横向地球化学特征

西矿段SN向矿脉(以M5为例)稀有元素矿化强度自北向南有逐渐降低的趋势,其中Li2O、Rb2O、Cs2O较明显,Ta2O5、BeO次之,Nb2O5不明显(图9a)。

图9 M5/M16/M38脉横向(沿走向)品位变化曲线图

南矿段EW向矿脉(以M16为例)稀有元素矿化强度自西向东有逐渐增加的趋势,其中Cs2O、BeO较为明显,Rb2O、Nb2O5、Ta2O5次之,Li2O不明显(图9b)。

东矿段NW向矿脉(以M38为例)稀有元素Li2O、Rb2O自北西向南东有逐渐增加的趋势,Cs2O略有增加,Nb2O5、Ta2O5不明显,BeO变化无明显规律,成“W”型起伏变化(图9c)。

工信部信息通信发展司有关负责人介绍，电信普遍服务试点工作开展顺利，成效显著。光纤试点工作进入最后冲刺阶段。截至2018年9月底，前三批试点13万个行政村光纤建设任务完工率已达98%。

6.3 矿体纵向地球化学特征

西矿段SN向矿脉(以M5为例)沿延伸方向Nb、Ta、Be、Rb、Cs有逐渐降低的趋势,局部有起伏,Li具先降低后升高之势,中间达到最低点(图10a)。

南矿段EW向矿脉(以M16为例)沿延伸方向Be、Rb、Cs有逐渐升高的趋势,Li、Ta有逐渐降低之趋势,Nb变化特征不明显(图10b)。

东矿段NW向矿脉(以M38为例)沿延伸方向Li、Rb、Cs有逐渐升高之势,Nb、Be有逐渐降低之势,Ta变化特征不明显(图10c)。

6.4 矿体垂向地球化学特征

西矿段SN向矿脉(以M5为例)沿垂向方向Li在矿体中部含量达到高值,上盘及下盘含量较低;Nb、Ta、Be向下盘有逐渐增高之趋势,但Nb、Ta在矿体中部有轻微变化,含量稍低;Rb、Cs向下盘有降低之趋势(图10a′)。

南矿段EW向矿脉(以M16为例)沿垂向方向Be、Rb、Cs在矿体中部含量较高,上下两盘含量较低;Ta在矿体中部含量稍低,上下两盘反而稍高;Li向下盘有逐渐增高的趋势;Nb向下盘有逐渐降低的趋势(图10b′)。

东矿段NW向矿脉(以M38为例)沿垂向方向Li、Nb、Ta在矿体中部含量稍低,上下两盘较高,其中Nb、Ta变化不大;Rb、Cs在矿体中部含量稍高,上下两盘含量较低;Be向下盘有逐渐增高之趋势(图10c′)。

由此可见,稀有元素在横向(走向)、纵向(倾向)及垂向上的变化不仅与化学成分相关,也与矿体空间位置密切相关。各组矿脉元素变化特征不同,是由区域构造格架及伟晶岩脉沿裂隙侵入方向决定的,SN向矿脉近垂直于区域地层,近EW向矿脉斜切地层,NW向矿脉近顺层产出;西、南矿段矿石类型以含铌钽铁矿石英钠长伟晶岩为主,东矿段矿石类型以锂辉石-钠长石花岗伟晶岩为主,显示不同空间位置交代作用的差异。

7 岩浆演化与成矿作用讨论

伟晶岩的分带趋势反映了伟晶岩浆演化的总趋势是由钾质向钠质转变。由早至晚,钾长石被钠长石代替,黑云母被白云母和锂云母代替,所对应的伟晶岩交代蚀变增强,有用矿物增多。反映了在伟晶岩浆的演化后期挥发组分和稀有元素不断升高,可见,伟晶岩的演化与稀有元素的富集有密切关系[3,5,23-27]。

8 找矿标志

在综合分析南阳山一带地质及地球化学成矿特征的基础上,建立了寻找同类型稀有金属矿床的几种找矿标志[28]。

岩脉标志:远离花岗岩母岩体的薄脉状花岗岩脉群,是找同类型矿床的重要标志。

岩性标志:伟晶岩多呈脉状产出,矿物结晶颗粒粗大,因含钾、钠长石和石英,其岩性颜色外观易区别于其他岩类,白云母微斜长石钠长石伟晶岩-锂云母钠长石伟晶岩,是寻找稀有金属矿床的重要标志。

矿化标志:钠、锂交代作用与成矿关系密切,因此,伟晶岩脉中强烈的Na、Li交代而形成的钠长石化、锂辉石化、锂云母化、锂闪石化是找矿的直接标志。石英锂辉石带是寻找锂辉石的直接标志;小叶片状钠长石带是寻找铌钽铁矿的标志;锂云母钠长石带、红电气石钠长石带是寻找钽锑矿、锂辉石矿的标志。

矿物标志:在伟晶岩中,含有锂辉石、锂云母、绿柱石、锂电气石等矿物是寻找本类型矿床的直接标志。黑电气石指示矿化不好。

地球化学标志:矿脉的空间分布位置可间接判断稀有元素的矿化类型,Na、K等元素的含量多少可间接判断稀有元素的富集变化特征。

围岩中见紫色萤石化、锂闪石化、蓝电气石化,是寻找富钽矿石的重要标志。

9 结语

(1)南阳山一带稀有金属矿床类型属花岗伟晶岩型,呈平行脉组产出,矿物成分主要为锂辉石,其次为白云母、锂磷铝石、锂绿泥石、锂电气石、磷铁锰矿、铌钽铁矿(铌锰矿、钽锰矿)、铌钽铀矿等,矿石类型主要为锂辉石-钠长石型、锂云母-钠长石型及含铌钽铁矿石英-钠长石型。

(2)南阳山一带花岗伟晶岩脉主量成分分析表明:具高硅[w(SiO2)=70.62%～74.13%]、富铝[w(Al2O3)=13.09%～16.87%]、相对富碱[w(Na2O+K2O)=5.25%～7.97%]、铝质过饱和[A/NK=1.31～2.51,A/CNK=1.03～1.93] 的特征;具S型花岗岩的地球化学特征。

(3)微量元素Rb、Ta、Hf富集,Ba、Ce、Nd亏损,总稀土含量较低 (ΣREE=1.658×10-6～2.368×10-6),轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,Eu负异常不明显。

(4)稀有元素Ta、Nb与Na具有明显的正比例关系,Li、Rb、Cs与Na具反比例相关关系,它们与K关系则相反;F、B等矿化剂对稀有元素的迁移、富集有重要作用。研究区各组矿脉稀有元素在走向、倾向及垂向上变化趋势与矿体空间位置密切相关,并反映出各自相应的矿化类型。

(5)研究区以锂、铌、钽为主的稀有金属矿床具综合利用价值,通过探讨其矿床地质、地球化学特征及找矿标志,提高了对该区域稀有金属矿床的认识,对进一步寻找该类型矿床有较好的指导意义。