豫西破山洞礦區(qū)堿性巖地球化學(xué)及稀土元素礦化特征

尤文卉，李山坡，呂憲河 ，魯培慶，胡紅雷 ，杜保峰 ，潘小娜，寧勇，崔振

(1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心， 河南 鄭州 450046； 2.河南省地質(zhì)調(diào)查院/河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 3.河南省自然資源科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 河南省構(gòu)造分區(qū)簡圖(a)和龍王巖體地質(zhì)簡圖(b據(jù)賴素星和李鋼，2019)I—華北克拉通，II—秦嶺造山帶，F(xiàn)—欒川—確山—固始深大斷裂帶；Pz1T—下古生界陶灣群，Pt3L—新元古界欒川群，Pt2G—中元古界官道口群，Pt2X—中元古界熊耳群，Ar3T—太古界太華群，γ53-1—燕山期酸性侵入巖，ηγ2—中元古代正長花崗巖，ν23—新元古代變輝長巖，ηπ2—新元古代正長斑巖，1—地層界線；2—斷層及編號，F(xiàn)1—欒川—確山—固始深大斷裂帶、F2—赤土店斷裂帶、F3—馬超營斷裂帶；3—破山洞礦區(qū)

2 巖體特征與礦床地質(zhì)

2.1 巖體地質(zhì)特征

圖2 破山洞礦區(qū)地質(zhì)簡圖1 —新生界第四系全新統(tǒng)沖積物；2—新生界第四系上更新統(tǒng)洪沖積物；3—太古界太華巖群；4—中元古代龍王巖體第四次侵入:細(xì)粒正長巖；5—中元古代龍王巖體第四次侵入:正長斑巖；6—中元古代龍王巖體第三次侵入:大斑狀粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖；7—中元古代龍王巖體第二次侵入：粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖；8—石英脈；9—正長巖脈；10—流紋斑巖脈；11—正長斑巖脈；12—石英正長巖脈；13—閃長巖脈；14—鉀化帶；15—綠泥石化帶；16—硅化帶；17—褐鐵礦化帶；18—碎裂帶；19—片理化帶；20—實(shí)測地質(zhì)界線；21—侵入界線；22—脈動接觸界線；23—逆斷層及產(chǎn)狀；24—節(jié)理；25—稀土礦化脈；26—銅礦化點(diǎn)；27—螢石礦化點(diǎn)；28—本次采樣位置

粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖：巖石呈淺灰紅色，中粗粒不等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物為鉀長石(52%～72%)、斜長石(4%～12%)、石英(22%～26%)、鈉鐵閃石(5%～15%)，少量的磁鐵礦、綠簾石、獨(dú)居石。鉀長石由正長石和條紋長石組成；斜長石多為鉀長石交代僅有少量殘留；鈉鐵閃石多呈半自形-不規(guī)則板柱狀，常聚集成5～12 mm團(tuán)塊不均勻分布(圖3)。

圖3 鈉鐵閃石正長花崗巖樣品野外照片a—鈉鐵閃石正長巖;b—鈉鐵閃石正長巖中螢石;c—正長偉晶巖;d—晶洞

2.2 礦化特征

礦區(qū)內(nèi)出露的堿性巖體稀土元素含量背景值較高，但是達(dá)到礦化品位以上的礦體主要賦存于中粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖中，礦體與圍巖沒有明顯界限，礦區(qū)內(nèi)巖石均有不同程度的黑云母化、絹云母化、綠簾石化、螢石化及片麻理化等。

河南省地質(zhì)調(diào)查院在該區(qū)實(shí)施礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目時(shí)，在破山洞礦區(qū)初步圈出6個(gè)稀土礦化體(圖2)，總體呈北西-南東向帶狀展布，礦體主要呈囊狀、透鏡體狀，與巖體產(chǎn)狀一致。礦體出露長度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%。礦體與圍巖沒有明顯的界線，呈漸變過渡關(guān)系。礦化的鈉鐵閃石正長巖發(fā)育有螢石礦化。

2.3 礦石礦物

含礦巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要為自形粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。含礦巖石中主要稀土礦物為獨(dú)居石、氟碳鈰礦。獨(dú)居石呈黃綠色，半自形粒狀，粒徑0.01～0.05 mm，零散分布。氟碳鈰礦呈黃色，他形粒狀，粒徑0.01～0.1 mm，玻璃光澤或油脂光澤，透明—半透明，正高突起，高級白干涉色。

2.4 熱液蝕變

破山洞一帶鈉鐵閃石正長花崗巖巖石新鮮，變形較強(qiáng)烈，整體經(jīng)歷了中低溫?zé)嵋何g變作用。熱液蝕變類型主要為鉀長石化、黑云母化、絹云母化、綠簾石化和綠泥石化。斜長石被鉀長石交代，呈不規(guī)則狀殘留(圖4a、b)；鉀長石(微紋長石)交代石英，使石英呈不規(guī)則港灣狀殘留(圖4d)；鈉鐵閃石被螺紋鱗片狀黑云母交代呈其假象，具交代假象結(jié)構(gòu)(圖4c)。螢石鑲嵌于角閃石和正長石礦物間隙中，與稀土礦較為密切，一般螢石礦化較明顯的巖石中，稀土元素含量相對較高。

3 采樣及分析測試方法

為研究破山洞礦化鈉鐵閃石正長花崗巖地球化學(xué)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件樣品，樣品相對新鮮，無明顯的礦化蝕變(表1，圖4)。送自然資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行主量、微量及稀土元素測試。主量元素分析采用儀器為RIX2100型X射線熒光光譜儀，樣品分析精度優(yōu)于 5%；稀土元素和微量元素分析采用儀器為Agilent7500a ICP-MS，分析精度優(yōu)于10%。

表1 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖主量元素(%)與微量元素(10-6)含量

續(xù)表1

續(xù)表1

圖4 鈉鐵閃石正長花崗巖鏡下照片a、b—斜長石被鉀長石交代，呈不規(guī)則狀殘留；c—鈉鐵閃石被螺紋鱗片狀黑云母交代呈其假象; d—鉀長石(微紋長石)交代石英，使石英呈不規(guī)則港灣狀殘留；e —獨(dú)居石顆粒(單偏光);f—獨(dú)居石顆粒(正交偏光)

4 巖石地球化學(xué)特征

4.1 主量元素化學(xué)特征

破山洞一帶鈉鐵閃石正長花崗巖SiO2含量較高，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%；堿值為8.61～9.22，K2O/Na2O為1.84～2.54，A/CNK為1.13～1.27。在TAS圖解(圖5a)中，樣品均落入亞堿性巖系列的花崗巖區(qū)域；在A/NK～A/CNK圖解(圖5b)中均落入過鋁質(zhì)范圍內(nèi)；在ω(K2O)-ω(SiO2)圖解(圖5c)中，樣品均落入鉀玄巖系列巖石區(qū)域。

圖5 巖體TAS圖解(a)、A/NK-A/CNK圖解(b)、w(K2O)-w(SiO2)圖解(c)和w(SiO2)-AR圖解(d)(a底圖據(jù)Wilson, 1989 ;b底圖據(jù)Maniar and Piccoli, 1989;c底圖實(shí)線據(jù)Peccerillo and Taylor, 1976; 虛線據(jù)Middlemost, 1985;d底圖據(jù)Wright, 1969)

4.2 微量元素地球化學(xué)特征

破山洞礦區(qū)鈉鐵閃石正長花崗巖明顯富集稀土元素，稀土含量為1177×10-6～1709×10-6(表1)，但波動范圍較大，顯示稀土元素礦化不均勻的特征，與野外地質(zhì)現(xiàn)象一致。稀土元素顯示輕稀土富集的特征(LaN/YbN=18.66～31.41)，Eu負(fù)異常(δEu=0.16～0.24)，REE分布模式呈海鷗型，顯示為高演化巖漿的產(chǎn)物(圖6a)。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖顯示，巖石富集大離子親石元素Rb、高場強(qiáng)元素Nb、Y和Th元素明顯富集，而U、Sr、P、Ti元素明顯虧損；分散性元素Ga在礦化巖石中明顯富集，其(Ga/Al)×104值介于2.64～4.54(圖7)，大于一般的I和S型花崗巖，顯示了A型花崗巖的特征(Whalen et al., 1987; 付建明等, 2005)。

圖6 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化蜘蛛圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蜘蛛圖(b)(底圖據(jù)Sun and McDonough, 1989)

圖7 破山洞鈉鐵閃石正長巖花崗巖(Ga/Al)vs(Na2O+K2O)/CaO、(Ga/Al) vs FeO/MgO、(Ga/Al)vs K2O/MgO圖解 (底圖據(jù)Whalen et al., 1987)

5 地質(zhì)意義

5.1 巖漿演化

總體上看，破山洞礦區(qū)鈉鐵閃石正長花崗巖具有堿性—過堿性特征。Dy與Er、Cr與Ni之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，暗示在巖漿演化過程中有一定程度的角閃石分離結(jié)晶過程(圖8)。明顯的P、Ti負(fù)異常(圖6b)暗示了榍石、鈦鐵礦的分離結(jié)晶過程。中等Eu負(fù)異常(圖6a)顯示了斜長石的分離結(jié)晶作用。另外，巖石的分異指數(shù)(DI)較高(平均為82.23)，表明巖漿經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的結(jié)晶分異過程。在La-La/Sm圖解(圖9)中，大多數(shù)樣品隨著La值增加La/Sm整體比值變化較小，表明巖石形成過程中的以結(jié)晶分異為主。因此，破山洞巖體在形成過程中發(fā)生了持續(xù)的結(jié)晶分異作用，導(dǎo)致稀土元素在晚期熔體中不斷富集，進(jìn)而形成了本區(qū)的稀土礦化。

圖8 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖的Dy-Er圖解(底圖據(jù)Bottinga et al., 1978)▲為本文數(shù)據(jù)，■為前人數(shù)據(jù)

圖9 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖的La-La/Sm圖解(底圖據(jù)Bottinga et al., 1978)▲為本文數(shù)據(jù)，■為前人數(shù)據(jù)

5.2 巖漿源區(qū)

堿性巖的成因有3種認(rèn)識：(1)長英質(zhì)地殼物質(zhì)或基性下地殼經(jīng)過部分熔融形成原生巖漿后分異形成堿性巖漿(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堿性玄武質(zhì)巖漿，經(jīng)分離結(jié)晶而形成(Roden and Murthy, 1985; Brown and Becker, 1986; Edgar, 1987; Yang et al., 2005)；(3)殼幔混合作用，即幔源鎂鐵質(zhì)巖漿或硅不飽和堿性巖漿與長英質(zhì)殼源巖漿混合并分異形成堿性巖的原生巖漿(Barker et al., 1975; Zhao et al., 1995; Litvinovsky et al., 2002; Riishuus et al., 2005; 楊進(jìn)輝等，2007)。

由于基性下地殼具有較低的Na2O(2.4%)、K2O(0.38%)和稀土總量(約65×10-6)(Rudnick and Gao, 2003;黃方和何永勝, 2010)，基性下地殼部分熔融不可能形成破山洞礦區(qū)高Na2O(平均3.06%)、K2O(平均5.65%)和稀土總量(平均為1145×10-6)的堿性花崗巖。

研究表明，原始地幔的Cr、Ni含量分別為500～600×10-6、250～300 ×10-6(Foley et al.,1987)，而富集地幔的Cr、Ni含量遠(yuǎn)低于原始地幔，破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖樣品的Cr、Ni含量均非常低，分別為3.87～28.59 ppm和1.48～3.46 ppm，暗示其源區(qū)可能為富集地幔。破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖具有較為均一的初始Nd同位素組成，143Nd/144Nd比值變化范圍在0.511278～0.511616， εNd(t)=-4.5-7.2，Nd模式年齡為2.3～2.5 Ga。與區(qū)內(nèi)欒川群的輝長巖(～830Ma)具有較為相似的εNd(t)值(-1.5～-3.0，Wang et al., 2011)。巖體中鋯石的Hf 同位素組成為176Hf/177Hf=0.281649～0.281753，εHf(t)=-1.11～-5.26，平均-3.92，模式年齡tHf1=2.1～2.3 Ga, tHf2=2.4～2.6 Ga(包志偉等，2009)。鋯石Hf模式年齡與Nd模式年齡非常一致，表明破山洞礦區(qū)鈉鐵閃石正長花崗巖可能主要源于由古元古代地殼物質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入地幔所形成的富集地幔源區(qū)，在巖漿上升及侵位過程中可能存在下地殼物質(zhì)或區(qū)域基底太華群的混染作用。

5.3 構(gòu)造環(huán)境

通常認(rèn)為正長花崗巖產(chǎn)于碰撞后、裂谷或板內(nèi)伸展構(gòu)造背景下(Turner et al., 1996；Bonin et al.,1998)。在花崗巖類構(gòu)造環(huán)境圖解SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)和SiO2-Al2O3(圖10)中，破山洞礦區(qū)鈉鐵閃石正長花崗巖樣品大部分投在RRG+CEUG類內(nèi)，即與裂谷有關(guān)的花崗巖類和陸內(nèi)造陸運(yùn)動隆起花崗巖類內(nèi)。

圖10 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)(a)和SiO2-Al2O3(b)圖解(底圖據(jù)Maniar and Piccoli,1989)

圖11 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖(Yb+Ta)-Rb(a)和(Y+Nb)-Rb(b)判別圖解(底圖據(jù)Pearce et al.,1984)

5.4 巖石地球化學(xué)對成礦的指示

破山洞礦區(qū)含礦鈉鐵閃石正長花崗巖與圍巖并無明顯界線，暗示稀土元素的富集可能與成巖過程基本一致。巖石僅發(fā)育中低溫?zé)嵋何g變現(xiàn)象且具有較低的燒失量(LOI平均2.62%)(表1)，表明后期蝕變作用并未明顯影響多數(shù)樣品的原始地球化學(xué)組成。

巖石地球化學(xué)特征顯示，破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖形成過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的結(jié)晶分異作用，巖漿演化程度較高。同時(shí)，在破山洞可見少量的晶洞及偉晶巖(圖3c、d)。研究(Bakker and Elburg, 2006) 認(rèn)為，偉晶巖和晶洞是巖漿高度演化并進(jìn)入到巖漿—熱液階段的巖石學(xué)標(biāo)志。內(nèi)蒙古巴爾哲Nb-REE礦床內(nèi)礦化堿性花崗巖內(nèi)分布數(shù)量眾多的晶洞，并在巖體頂部出現(xiàn)偉晶巖殼，其中發(fā)育大量富含稀土碳酸鹽礦物和揮發(fā)分的熔體—流體包裹體，因此，研究者認(rèn)為巴爾哲礦床的形成受巖漿高度演化的控制，在堿性巖漿演化到晚階段，形成富含揮發(fā)分的殘余熔體，稀土元素即在這些殘余熔體中發(fā)生高度富集而成礦(楊武斌等，2009)。破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖內(nèi)發(fā)生的稀土礦化可能與巴爾哲礦床稀土礦化機(jī)制具有相似性，巖體中普遍存在螢石、黑云母、角閃石等含氟礦物(圖3)，說明熱液流體中存在大量的 F，暗示堿性正長巖的原始巖漿可能富含揮發(fā)分；晶洞和偉晶巖脈的出現(xiàn)表明這一富揮發(fā)分巖漿已經(jīng)演化到巖漿—熱液過渡階段，稀土元素已高度富集并成礦。

5.5 找礦潛力

6 結(jié)論

(2)破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖巖體的巖漿物質(zhì)來源于地幔，在其上升或侵位過程中遭受了大量的地殼物質(zhì)的混染，形成于板內(nèi)拉張環(huán)境。

(3)礦物學(xué)、巖石學(xué)及地球化學(xué)特征顯示，破山洞礦區(qū)含礦鈉鐵閃石正長花崗巖是A型巖漿不同演化階段熔體固結(jié)的產(chǎn)物，稀土元素的富集與巖漿演化過程有密切關(guān)系。

致謝防災(zāi)科技學(xué)院李真真博士，河南省地質(zhì)調(diào)查院裴玉華高級工程師、李肖龍博士在成文過程中給予了建設(shè)性意見和建議；審稿專家對論文提出了寶貴的修改意見，在此一并致以誠摯的謝意！