廣西龍江礦區離子吸附型稀土礦成礦規律對比

陸一敢,方 科,盧見昆,周文達

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

廣西龍江礦區離子吸附型稀土礦成礦規律對比

陸一敢,方 科,盧見昆,周文達

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

廣西龍江礦區為離子吸附型稀土礦床,其母巖豐度、礦源巖稀土元素賦存狀態、氣候、pH值、地下水的滲透、構造等有利的成礦條件使得稀土礦得以形成和保留。由于局部地質條件的不同,同一地區的礦床特征又各有差異。經對比研究認為,龍江地區相對小平山地區礦源巖礦物顆粒粗、pH值(龍江地區為5.37～6.34,小平山地區為6.12～7.34)低,造成兩區礦層的賦礦層位不同;龍江地區有效吸附稀土離子多,礦體埋藏相對較深,因此物質來源較多,相對小平山地區其礦體厚度大、品位高;由于地表稀土元素的分餾作用,使得龍江地區配分曲線右斜斜率較小平山地區低,龍江地區δEu為0.25～0.43,平均為0.34,相對其礦源巖(0.55)具有一定的虧損;小平山地區δEu為0.45～0.80,平均為0.70,相對其礦源巖0.48的值表現為相對富集。

離子吸附型稀土礦床;成礦規律；花崗巖風化殼；龍江礦區;廣西

離子吸附型稀土礦床是我國南方首先發現的一種新型外生礦床,稀土元素呈水合或羥基水合離子賦存于風化殼粘土礦物上,具有規模大、儲量豐富、放射性低、開采容易、稀土提取工藝簡單等特點。該類型礦床在國內主要集中在南方的江西、福建、廣西等七省區。廣西龍江礦區是近年新發現的典型離子吸附型稀土礦床,本文通過對該礦床的稀土礦成礦規律對比研究,總結了不同地質條件情況下的礦床特征差異,以指導該類型礦床今后的勘查與研究工作。

1 地質背景

龍江礦區研究范圍包括龍江、 旺沖、 新塘、 仙塘、 小平山、 有教塘等地區, 位于南華準地臺的欽州海西印支殘余地槽內。岑溪-博白深斷裂和靈山-藤縣深斷裂控制了本區的沉積建造、 構造變動和巖漿活動。 區內僅北東部和西南部及北流一帶出露寒武紀、 奧陶紀、 志留紀、 泥盆紀、 石炭紀、 下二疊世及古近紀地層。 根據廣西區域地質調查院資料, 大容山-十萬大山花崗巖巖基劃分出石南、 葵山、 六萬山和旺沖4個超單元, 前3個超單元可并為大容山-十萬大山巖群[1](圖1)。 該區稀土礦產廣泛分布, 其中龍江和小平山地區具典型礦床特征, 其礦源巖分屬旺沖超單元中的天井沖單元(P1T)和六萬山超單元中的江口單元(P2J)。

2 礦床特征

2.1 礦源巖特征

與整個華南地區花崗巖風化殼稀土元素地球化學特征相比[2-6],龍江礦區具有典型特征,在不同地區,又表現出各自差異。礦源巖為形成風化殼離子吸附型稀土礦床的直接礦質來源,礦源巖的性質、成分、組成直接影響其風化殼的發育程度和礦層的產出位置。

2.1.1 礦源巖巖石學特征 龍江地區礦源巖主要為天井沖單元(P1T)呈肉紅色中粗粒斑狀含褐簾角閃黑云母鉀長花崗巖; 小平山地區礦源巖為江口單元(P2J)灰-淺灰色中粒斑狀黑云堇青二長花崗巖。

圖1 廣西大容山-十萬大山花崗巖巖基超單元分布略圖(據文獻[7]修改)

龍江地區花崗巖造巖礦物以中粗粒為主,且鉀長石含量相對較多;小平山地區花崗巖造巖礦物則以中粒為主(表1),副礦物見鋯石、磷灰石、獨居石、鈦鐵礦。 兩處礦源巖在巖石化學成分、CIPW標準礦物含量及參數特征近似(表2、 表3)。SiO2含量為66.55%～68.98%,Al2O3> K2O+Na2O+CaO,說明巖石為鋁過飽和巖石;巖石里特曼指數σ值為1.58～1.78,平均1.68;堿度指數AR值2.38～2.45,平均2.42,在AR-SiO2與堿度關系圖(Wright,1969)上落在鈣堿性區域。分異指數DI值74.69～75.90,平均75.30;固結指數SI值10.87～11.92,平均11.40,說明巖石的結晶分異程度較高。兩處礦源巖均具有S型花崗巖特征。

2.1.2 礦源巖稀土豐度 礦源巖稀土元素含量及其參數特征(表4), ΣREE為203.53～231.06; LREE/HREE為7.86～8.45, 比上部陸殼的平均值(10.01)稍低, 表明稀土元素分異程度不高;δEu為0.48～0.55，具有一定的虧損;δCe為0.98～1.03,無明顯異常。

表1 礦源巖造巖礦物及含量

表2 礦源巖的巖石化學成分

表3 礦源巖CIPW標準礦物含量及特征參數

表4 礦源巖稀土含量及特征參數

測試單位:中國有色桂林礦產地質研究院測試中心,2013年8月;*據S.R.Taylor & S.M.McLennan,1981。

2.1.3 礦源巖中稀土的賦存狀態 研究表明,風化殼中稀土元素賦存狀態有3類[6]：一是離子吸附相；二是單礦物相；三是類質同象或微包體分散相。研究區內花崗巖中稀土元素在易風化造巖礦物長石、白云母中以類質同象產出(圖2a), 少部分則呈獨立礦物產出如磷灰石、獨居石(圖2b～圖2f、圖3、圖4)。易風化造巖礦物長石、白云母中的稀土元素為離子吸附型稀土礦提供物質來源。

2.1.4 礦源巖時代 據超單元內各單元侵入體相互侵入關系, 可以確定旺沖超單元的天井沖單元先形成, 江口單元稍后[7]。天井沖單元(P1T)40Ar/39Ar年齡259 Ma, 黑云母 K-Ar年齡為258 Ma, 鋯石U-Pb年齡254±3 Ma; 江口單元(P2J)40Ar/39Ar年齡256 Ma,形成于早二疊世的華力西階段[7]。

2.2 含礦風化殼特征

2.2.1 含礦風化殼的發育特征 礦體以離子吸附形式賦存于風化殼中。工程揭露的綜合統計表明，風化殼從上至下依次可分為紅土層—全風化層—半風化層—基巖,各層之間沒有明顯界限,呈漸變關系[8]。紅土層一般為棕紅色,主要組成為石英和棕紅色紅土,少許植物根系及腐殖質。全風化層一般為土黃色、灰色或灰白色,呈花斑狀,主要組成為石英、高嶺石，少許伊利石及長石碎屑。半風化層黃褐色或帶肉紅色,長石未完全風化,主要組成為石英、長石、高嶺石,少許絹云母及巖石碎塊。龍江地區相對于小平山地區風化殼發育程度更高,且同一地區整體表現為山頂—山腰—山腳風化殼厚度依次變薄。

圖3 花崗巖中獨居石背散射電子像

圖4 花崗巖中獨居石掃描電鏡能譜圖

2.2.2 含礦風化殼垂相常量元素變化 兩地區礦源巖中及風化殼中各不同層位常量元素的含量(表2、表5)顯示,半風化層中由于長石部分風化、斜長石風化較完全，而鉀長石還含有部分殘余,造成Na2O、CaO、MgO流失,含量降低, SiO2、K2O含量相對升高。 全風化層中由于斜長石、 鉀長石的完全風化, K2O、 Na2O、 CaO、 MgO流失, 其含量降低,風化所形成的粘土礦物的相對富集造成Al2O3含量的相對升高。 全風化層—半風化層—基巖Fe3+/Fe2+值逐漸降低，表明從地表往下氧化還原條件的變化。

圖2 花崗巖中稀土元素的賦存狀態

表5 龍江礦區風化殼不同層位常量元素分析結果Table 5 Analysis results for major elements in different layers of weathering crust at Longjiang depositwB/%

樣號層位SiO2Al2O3Fe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOTiO2MnOP2O5燒失量XPSZK6-10(2)全風化層65.8717.294.520.434.250.200.050.370.740.080.115.46XPSZKSW-11全風化層64.2317.436.100.203.480.100.050.630.970.120.096.02YJTZK10-2全風化層68.3517.153.030.334.100.130.050.650.450.060.065.10XinTZK5-24全風化層69.3214.965.010.542.030.080.050.680.750.120.095.78LJZK17-2半風化層71.0815.252.660.364.320.270.050.090.240.050.024.83D17-21半風化層73.5612.601.301.355.172.850.380.280.230.090.041.38

2.3 礦床特征

2.3.1 礦體特征 龍江地區礦體離子相稀土氧化物(SRE2O3)平均含量0.109 7,平均浸取率80.84%。∑HREE配分率平均38.44%,Y2O3配分率24.04%,Eu2O3配分率平均0.66%,稀土配分類型屬于中釔中銪輕稀土礦。小平山地區礦體離子相稀土氧化物(SRE2O3)平均含量0.097 6,平均浸取率75.91%。∑HREE配分率平均42.78%,Y2O3配分率27.43%,Eu2O3配分率平均1.26%,稀土配分類型屬于中釔高銪輕稀土礦。2.3.2 礦體礦物組合 礦體礦物組合與風化殼中其富集成礦所在層位的礦物組合相同。龍江地區礦層主要位于半風化層,礦體礦物組合主要為石英+長石+高嶺石;小平山地區礦層主要位于全風化層,礦體礦物組合主要為石英+高嶺石+伊利石(表6)。

表6 龍江地區和小平山地區礦體X粉晶衍射分析測試分析結果

2.3.3 礦體與風化殼關系 風化殼厚度與離子吸附型稀土礦體厚度呈正比關系,離子吸附型稀土礦體形態與礦源巖風化殼的分布一致。龍江地區礦石類型為全風化-半風化淋積型稀土礦石,礦層主要賦礦層位為半風化層的上部。小平山地區礦石類型為全風化淋積型礦石,礦層主要賦礦層位于全風化層的中上部,龍江地區風化殼平均厚度與礦體平均厚度比小平山地區小(圖5)。

2.3.4 礦層稀土元素地球化學特征 在礦層稀土含量數據對比研究中, 龍江地區礦層稀土ΣREE為192.31～1 003.61, 平均591.56, 富集成礦; 位于半風化層內礦層LREE/HREE為3.16～7.10, 平均4.74; (La/Yb)N為8.12～22.11, 平均4.46, 配分曲線右斜; δEu為0.25～0.43, 平均為0.34, 相對其礦源巖(0.55)具有一定的虧損; δCe為0～0.42, 平均0.15, 虧損程度較高(圖6a)。 小平山地區礦層稀土ΣREE為177.02～1 462.41, 平均664.92; LREE/HREE為1.41～12.27, 平均為5.72; (La/Yb)N為3.80～30.66, 平均17.33, 配分曲線右斜斜率較龍江地區大; δEu為0.45～0.80, 平均為0.70, 相對其礦源巖(0.48)具有一定的富集;δCe為0～0.40,平均為0.12,同樣虧損程度較高。同一礦層中,從上至下大致表現為LREE/HREE和(La/Yb)N降低的趨勢(圖6b)。

2.3.5 礦層pH特征 由于石英、長石等礦物顆粒大小、 巖體裂隙發育程度的不同造成其在全風化層、半風化層中pH值的不同(表7)。從地表—全風化層—半風化層—基巖pH值逐漸升高,由酸性逐漸轉變為中性至弱堿性;龍江礦區含礦層相對于小平山地區更偏酸性。

圖5 龍江地區與小平山地區風化殼及礦體關系對比圖

圖6 龍江與小平山礦區稀土元素球粒隕石標準化分布型式

表7 龍江地區和小平山地區礦層pH值

Table 7 pH of ore beds in Longjiang and Xiaopingshan deposits

礦區樣號位置pHXPSZKSW-11①礦層(全風化層)上6.14XPSZKSW-11②礦層(全風化層)中6.43XPSZKSW-11③礦層(全風化層)下6.53小平山XPSZKⅤ-5-5①礦層(全風化層)上6.19XPSZKⅤ-5-5②礦層(全風化層)中6.61XPSZKⅤ-5-5③礦層(全風化層)下6.69XPSZK6-10(2)礦層(全風化層)6.12D17-21礦層(半風化層)7.34LJZK2-4①礦層(全風化層)上5.75LJZK2-4②礦層(半風化層)中5.92LJZK2-4③礦層(半風化層)下6.06龍江LJZK17-1①礦層(半風化層)上5.89LJZK17-1②礦層(半風化層)中5.37LJZK17-1③礦層(半風化層)下6.34LJZK17-2礦層(半風化層)5.75

3 礦床成因討論

潘華在總結礦床成因時認為[9],風化殼離子吸附型稀土礦床形成所具備的條件:① 母巖稀土豐度條件;② 礦源巖中的稀土元素的賦存狀態條件;③ 風化、氣候、地表水滲透的pH值;④ 地區均為風化殼離子吸附型稀土,兩區成礦作用機制大致類似,但兩區礦床特征發現有所不同。陳炳輝等也認為影響風化殼中稀土元素的活動性和分異作用的因素有原巖的稀土分布及風化殼的礦物組合、pH 值、氧化還原條件、雨水和地下水以及有機質和微生物等[10]。龍江地區礦源巖天井沖單元(P1T)中粗粒斑狀含褐簾角閃黑云母鉀長花崗巖, 小平山地區礦源巖江口單元(P2J)中粒斑狀黑云堇青二長花崗巖均具有較高的母巖豐度; 礦源巖中稀土元素大多以類質同象賦存在易風化礦物(長石、 云母)中,少許以獨立礦物(獨居石)形式存在,對成礦有利; 含礦風化殼中的酸性條件可有效促進礦源巖的風化。整體上看,區內成礦條件和礦床成礦演化水平基本處于持平狀態,但局部的條件因素,使得不同礦床或礦段的礦化特征有所差異。因此,重點對比討論了不同礦床存在的差異,同時揭露了風化殼離子吸附性稀土礦床的成因。

地貌對礦區花崗巖巖體風化殼的形成和保持所起的作用較明顯,如宿塘局部地區由于相對抬升較快使山頂部分礦體受剝蝕而無法得以保留;以低山、丘陵地貌為主,起伏不大,落差較小等。綜合這些因素才使該區風化殼離子吸附型稀土礦得以形成。地表弱酸性條件下,稀土元素轉化為溶液狀態,隨地表徑流和地面水流動和運移(滲透)。在垂直剖面上,稀土元素往下運移,酸度沖淡,pH 值升高,使粘土礦物在弱酸性介質中吸附能力提高,出現稀土元素的富集。龍江地區花崗巖顆粒較小平山地區粗,其風化殼中礦物顆粒之間裂隙發育程度較高,風化淋濾過程中滲透性較好,下滲較深;龍江地區 pH值較低,意味著在酸度降低到稀土離子富集之前,其垂向搬運距離較遠,因此造成賦礦層位較深,位于半風化層。龍江地區風化殼平均厚度與礦體平均厚度比小平山地區小,說明單位體積的龍江地區礦源巖風化過程中提供的有效吸附稀土離子較小平山地區多。且龍江地區的風化殼厚,礦體埋藏深度較深,則為其提供物質來源也就相對較多,因此龍江地區礦體厚度大、品位高。各稀土元素的地球化學特征存在差異,在風化殼的酸堿度條件下,地球化學行為以及富集規律各有差異。輕稀土元素在風化殼中遷移性比重稀土大,主要聚集于風化殼中上部。其中的CeO2主要富集于表土層中,隨深度的增大而逐漸變貧。La、Pr、Nd、Sm 諸元素集中于全風化層中部,重稀土元素普遍富集在風化殼的下部。在淋濾遷移過程中輕稀土和重稀土產生分餾[11]，稀土元素淋濾遷移距離不同,則輕重稀土分餾演化程度不同。龍江地區礦層位于半風化層,垂向上稀土元素淋濾遷移距離較遠,則造成重稀土相對富集,配分曲線右斜，斜率較小,δEu相對虧損。

4 結 論

母巖豐度、礦源巖稀土元素賦存狀態、氣候、pH值、地下水的滲透、構造等有利的成礦條件使得龍江礦區離子吸附型稀土礦得以形成和保留。龍江地區相對小平山地區礦源巖礦物顆粒粗、pH值低,造成兩區礦層的賦礦層位不同。龍江地區位于半風化層,小平山地區位于全風化層。龍江地區有效吸附稀土離子多、礦體埋藏相對較深,因此物質來源較多,相對小平山地區其礦體厚度大、品位高。由于地表稀土元素的分餾作用,使得龍江地區配分曲線右斜斜率較小平山地區低,相對其礦源巖,龍江地區δEu表現為相對虧損,小平山地區δEu表現為相對富集。龍江地區礦層位于半風化層,一般的沖擊鉆無法打穿礦層,建議類似礦床工程鉆探改用機械巖心鉆。

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Metallogenic regularity comparison of rare earth elements deposits of ion-adsorption type in Longjiang of Guangxi

LU Yi-gan,FANG Ke,LU Jian-kun,ZHOU Wen-da

(China Nonferrous Metals(Guilin)Geology and Mining Co.Ltd,Guilin 541004,China)

The rare earth elements deposit of ion-adsorption type is located at Longjiang mining area.The mineralization conditions, aparent rock abundance, rare earth elements occurrence state in ore source rocks, climate, pH value, groundwater infiltration and structural condition are suitable for the formation and retention of rare earth elements. Due to different local geological conditions, the deposit characteristics are also different even in the same area. According to the comparative study, mineral particles of ore source rocks are coarser and pH value(Longjiang area of 5.37-6.34, Xiaopingshan area of 6.12-7.34) is lower in Longjiang area than those in Xiaopingshan area, resulting in different ore bearing strata. In Longjiang area with effective adsorption of rare earth ions, relatively deep buried orebody, and with more matter sources, the orebody of high grade is relatively thicker than that in Xiaopingshan area. Because of the surface fractionation,rare earth elements curve of the ore source rock at the right inclined slope of Longjiang area is smaller than that in Xiaopingshan area. Relative to ore source rock, δEu of ore is 0.25-0.43 with an average of 0.34, and relative to its ore source rock 0.55, is relatively depleted in Longjiang area.However,δEu of ore is 0.45-0.80 with an average of 0.70, and relative to its ore source rock 0.48, is relatively enriched in Xiaopingshan area.

ion-adsorption type rare earth deposit;metallogenic regularity；granitoid weathering crust；Longjiang deposit;Guangxi

1674-9057(2015)04-0660-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.002

2015-05-04

廣西大規模地質找礦工程項目(桂財建函[2010]304)

陸一敢(1983—),男,碩士,高級工程師,礦產地質勘查與地球化學專業,516956475@qq.com。

陸一敢, 方科, 盧見昆, 等. 廣西龍江礦區離子吸附型稀土礦成礦規律對比[J]. 桂林理工大學學報， 2015, 35(4): 660-666.

P618.7

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