湖北鐘祥蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征及熱水沉積

劉力生 張明明 許紅光 郗國慶 朱彥農(nóng)

中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北 涿州 072750

湖北鐘祥蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征及熱水沉積

劉力生*張明明 許紅光 郗國慶 朱彥農(nóng)

中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北 涿州 072750

通過對蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征分析，確定了含磷巖系物質(zhì)來源與基底片麻巖無關，而與熱水相關，為正常沉積疊加海相熱水、熱液，正常沉積物質(zhì)來源于剝蝕新元古代地層，地層中的P、Mg等溶于海水，通過機械、化學沉積形成含磷巖系，熱水物質(zhì)來源為深部巖漿活動的物質(zhì)和熱水、熱液活動運移過程中萃取新元古代花崗巖體的P、Mg、Si等。

含磷巖系 稀土元素 熱水沉積 湖北鐘祥

蓮花山礦段含磷巖系有兩個，分別賦存于震旦系燈影組和陡山沱組，陡山沱組含磷巖系含磷性好，在鄂西地區(qū)形成了胡集、興神保等系列大型磷礦山。依據(jù)其巖石組合及周期性變化和沉積間斷面、沖刷面等構造特征認定礦床成因為海相沉積，但在本礦段其第二沉積旋回底部的硅云質(zhì)磷塊巖、凝膠團粒磷塊巖在本區(qū)大多已經(jīng)相變?yōu)楣栀|(zhì)巖，硅質(zhì)巖穩(wěn)定、連續(xù)。近年來諸多的研究認識到該類硅質(zhì)巖屬于典型的熱水沉積（稀土元素含量總體偏低而且 Ce負異常），那么其所屬的陡山沱組含磷巖系的形成也可能和熱水沉積相關。本文主要從分析稀土元素化學特征角度來討論含磷巖系與熱水沉積的關系。

1 含磷巖系

1.1 地質(zhì)背景

1.2 含磷巖系

礦段含磷巖系有兩個，分別賦存于震旦系燈影組和陡山沱組，其中燈影組含磷巖系在本區(qū)含磷性較差，未形成工業(yè)磷礦層，本文不對其進行評述。

陡山沱組含磷巖系（表1）由海相沉積白云巖、磷塊巖、硅質(zhì)巖、頁巖和底礫巖組成，組成含磷巖系的巖礦類型以白云巖為主，白云巖和硅質(zhì)巖、頁巖、礫巖占81%，磷塊巖或磷酸鹽巖占19%。根據(jù)其周期性變化和沉積間斷面、沖刷面等構造特征，由下至上劃分為三個沉積旋回、四個磷礦層，第一磷礦層對應第一沉積旋回，第二、三磷礦層對應第二沉積旋回，第四磷礦層對應第三沉積旋回。

表1 蓮花山礦段陡山沱組含磷巖系地層簡表Table1 Phosphorus bearing rocks of Tushantuo formation in Lianhuashan ore section

1.3 磷礦層特征

第一磷礦層（ph1）：磷礦層的直接頂板為不等粒白云巖，直接底板為頁巖或含錳白云巖，上距陡山沱組上段底界的標志層硅磷質(zhì)白云巖（硅磷層）15m左右。磷礦層在本礦段相對穩(wěn)定、連續(xù)，總體上北部磷礦層好于南部。Ph1磷礦層一般厚度 0.63～12.85m，P2O5含量 18.13%～29.01%，局部磷礦層缺失或磷貧化。礦石自然類型主要為含硅白云質(zhì)條帶磷塊巖或含硅泥質(zhì)條帶磷塊巖，磷塊巖條帶具典型的泥晶膠狀結(jié)構。

第三磷礦層（ph3）：磷礦層的直接頂、底板均為含磷白云巖，上距第四含磷巖系底部黑色的硅磷質(zhì)角礫、團塊含磷白云巖35m左右。磷礦層在本礦段相對穩(wěn)定、連續(xù)，總體上南部磷礦層好于北部。Ph3磷礦層一般厚度0.93～10.02 m，P2O5含量18.05%～20.80%。礦石類型以含硅白云質(zhì)條帶狀磷塊巖為主，磷塊巖條帶以粒屑結(jié)構為特征。

第二含磷層（ph2）：僅三個鉆孔見到該磷礦層，為硅質(zhì)磷塊巖，之外均已經(jīng)相變?yōu)楣栀|(zhì)巖，其頂、底板均為含磷白云巖。

第四磷礦層（ph4）：硅磷質(zhì)團粒含磷白云巖組成，只有層位意義，起到了層位劃分、標示的作用。

2 樣品的選取和數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品的選取

本文樣品共9個（表2），其中放馬山礦段8個，湘東北花崗巖 1個。放馬山礦段樣品主要來源于“湖北省荊門市放馬山磷礦接替資源勘查（湖北省鐘祥市胡集礦區(qū)蓮花山礦段普查）報告”，其中含磷巖系7個樣、基底1個樣，含磷巖系分別為角礫狀硅質(zhì)巖（Z1d2-5、第四磷礦層層位）、粒屑磷塊巖（Z1d2-3、第三磷礦層）、含磷白云巖（Z1d2-2）、白云質(zhì)磷塊巖（Z1d2-1、第二磷礦層層位）、膠狀泥晶磷塊巖（Z1d1-3、第一磷礦層）、含錳白云巖（Z1d1-2）、底礫巖（Z1d1-1），基底樣為片麻巖（Pt1K）。湘東北花崗巖樣品來源于“湘東北新元古代過鋁質(zhì)花崗巖的巖石地球化學特征及其成因討論《大地構造與成礦學》”一文【2】。

表2 蓮花山礦段含磷巖系、基底及湘東北花崗巖稀土元素含量一覽表（10-6）Table2 REE content of phosphorus rock series, basement and northeast Hunan granite in Lianhuashan ore section（10-6）

2.2 樣品選取依據(jù)

含磷巖系是本文的主要研究對象，了解其是否具有熱水沉積特征。依據(jù)其3個沉積旋回、4個磷礦層位的特點，保證每個沉積旋回、每個磷礦層位均有代表樣品，共計7個。

除已治理的6 000 m河道外，對剩余河道，根據(jù)河道現(xiàn)狀，河堤線走向基本維持現(xiàn)狀，根據(jù)行洪需要對堤岸進行防護，并對河道進行疏浚，使河道斷面滿足20年一遇的防洪標準。

基底片麻巖，用于了解含磷巖系的物質(zhì)來源是否與其相關。

湘東北片麻狀花崗巖，用以解決熱水沉積中熱水的來源問題。本礦段含磷巖系如果和熱水沉積相關，那么熱水源自哪里？熱水一般伴隨巖漿活動，其下要有巖漿房，也就是說應有新元古代早期（800Ma左右，Z1）的巖體，本區(qū)區(qū)域上僅有燕山期巖漿巖活動，無新元古代巖漿活動，因此選擇同屬揚子地臺東南緣（外緣）的新元古代早期湘東北片麻狀花崗巖（820Ma），該期巖漿活動有提供熱水的可能。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用Evensen（1978）C1球粒隕石標準樣、L.A.Haskin40個北美頁巖平均兩種稀土元素豐度值分析稀土元素特征來判斷含磷巖系與熱水沉積的關系【3-4】（表3），判定其物質(zhì)來源、沉積環(huán)境，其中判定物質(zhì)來源的指標：輕、重稀土總量及比值、分異程度[（La/Nd）N、（La/Sm）N、（Gd/Lu）N]，δCe異常、δEu異常、北美頁巖標準化分配模式（圖 1）、C1球粒隕石標準化分配模式（圖 2）、（La/Yb）N-REE圖解；判定沉積環(huán)境的指標：C1球粒隕石標準化分配模式、Ceanom值[Elderfield（1982）Ceanom= lg{3CeN/（2LaN+NdN）]。

圖1 蓮花山礦段含磷巖系、基底及湘東北花崗巖稀土元素北美頁巖標準化分配模式圖（L.A.Haskin 40個北美頁巖平均樣）Fig.1 Normalized distribution model of Ree of North American shale in the phosphate rock, basement and northeast Hunan granite in Lianhuashan ore section

圖2 蓮花山礦段含磷巖系、基底及湘東北花崗巖稀土元素C1球粒隕石標準化分配模式圖（Evensen（1978）C1球粒隕石標準樣）Fig.2 Normalized distribution model of Ree Cl chondrite in the phosphate rock, basement and northeast Hunan granite in Lianhuashan ore section

表3 蓮花山礦段含磷巖系、基底及湘東北花崗巖稀土元素相關指標一覽表Table3 REE index of phosphorus rock series, basement and northeast Hunan granite in Lianhuashan ore section

3 稀土元素特征及熱水沉積探討

蓮花山礦段磷塊巖屬于海相沉積【5】，其含磷巖系物質(zhì)來源于海水，即海源說已被中外地質(zhì)學者所公認，但關于海水中磷質(zhì)的來源卻是眾說紛紜，主要有陸源聚集說、生物成磷說、火山來源說、海相熱水說等，其物質(zhì)來源應該是非常豐富的，本文傾向陸源聚集為主、海相熱水參與的觀點，從巖石礦物學角度講，本礦段含磷巖系中第一、三磷礦層夾有少量泥質(zhì)條帶、含泥硅質(zhì)條帶，下部的頁巖，底礫巖（礫石成分以華崗片麻巖為主、基質(zhì)為粉晶白云石、砂泥質(zhì)），為典型陸源碎屑沉積；第二磷礦層位的硅質(zhì)巖屬于典型的熱水沉積；上述兩類巖石組合反映出陡山沱組含磷巖系的物源應該是陸源為主、熱水沉積參與的特點，本文以下內(nèi)容從分析含磷巖系稀土元素化學特征來進一步論證該觀點。

3.1 稀土元素特征與物質(zhì)來源

3.1.1 稀土總量、輕重稀土比值顯示含磷巖系物質(zhì)來源與基底片麻巖無關 蓮花山礦段的基底片麻巖稀土總量為 813.93×10-6，輕稀土（LREE）含量 768.17×10-6遠大于重稀土（HREE）46.76×10-6，LREE/ HREE值為16.43，重稀土（HREE）虧損；C1球粒隕石標準化數(shù)據(jù)顯示：（La/Yb）N為17.6869，輕、重稀土分異程度高，（La/Sm）N為5.6995，輕稀土分異程度也較高，（Gd/Lu）N為1.9137，重稀土分異程度一般。

蓮花山礦段含磷巖系稀土總量為 13.48～176.49×10-6，輕稀土（LREE）含量為 11.38～156.61×10-6，重稀土（HREE）輕微虧損，LREE/HREE值為2.81～7.88；C1球粒隕石標準化數(shù)據(jù)顯示：（La/Yb）N一般為2.3372～7.0549，僅有底礫巖 11.0248，輕、重稀土分異相對較高，（La/Sm）N一般為 1.2714～2.5070，僅底礫巖為5.3036，輕稀土分異程度也一般，（Gd/Lu）N為0.7294～2.0527，重稀土分異程度一般。

蓮花山礦段的基底片麻巖和含磷巖系從稀土總量、輕重稀土比值及虧損程度、分異程度來看，兩者差別較大；在稀土元素北美頁巖標準化分配模式圖（圖 1）、稀土元素 C1球粒隕石標準化分配模式圖上也可以看到片麻巖曲線和含磷巖系位置不一致，片麻巖位置較高，含磷巖系位置總體偏低；而且曲線形態(tài)也不一致（圖 2），片麻巖相對含磷巖系斜率高、線形更陡，尤其輕稀土斜率差別更大；稀土元素數(shù)據(jù)和分配模式圖均顯示含磷巖系與基底片麻巖無繼承關系，其物質(zhì)來源與片麻巖無關。

3.1.2 稀土元素總量 REE、δCe、δEu反映含磷巖系物質(zhì)來源與熱水相關，蓮花山礦段含磷巖系底礫巖、含錳白云巖、泥晶磷塊巖、硅質(zhì)巖、含磷白云巖、粒屑磷塊巖、角礫狀硅質(zhì)巖的稀土元素特征總體較為一致，稀土元素北美頁巖標準化分配模式圖、C1球粒隕石標準化分配模式圖中含磷巖系曲線形態(tài)、位置也較為一致，反映其物質(zhì)來源具有相關性、一致性，為正常沉積疊加熱水、熱液。

稀土元素 C1球粒隕石標準化分配模式反映含磷巖系物質(zhì)來源為正常沉積疊加海相熱液的特征：稀土元素總量偏低，（La/Yb）N為 2.3372～11.0248，平均為 5.1009，同時分配模式曲線也顯示向右傾斜（圖2）；δEu一般為0.3511～0.8121，平均0.7397，數(shù)值低于0.95，顯示Eu負異常，分配模式曲線也顯示Eu負異常（圖2）；稀土元素總量偏低、Eu負異常，表現(xiàn)為正常沉積巖的特征；同時，δCe為0.5142～0.9001，平均0.7125，也低于0.95，數(shù)值顯示Ce負異常，分配模式曲線也顯示Ce負異常（圖2）；Eu和Ce具有變價的特征，其富集和虧損反映了不同的地質(zhì)背景，蓮花山礦段稀土元素總量偏低、Eu負異常、Ce負異常反映正常沉積疊加海相熱液的特征。

稀土元素北美頁巖標準化分配模式反映含磷巖系具備熱水沉積特征：稀土元素總量 REE偏低，（La/Yb）N為 0.3356～1.5838，平均為 0.7326，同時分配模式曲線顯示略向左傾斜、接近水平（圖1）；δEu一般為0.5042～1.1658，平均1.0622，數(shù)值高于1.05，顯示Eu輕微正異常，分配模式曲線也顯示輕微Eu正異常（圖2）；δCe為0.4514～0.8150，平均0.6448，低于0.95，數(shù)值顯示Ce負異常，分配模式曲線也顯示Ce負異常（圖2）；稀土元素總量REE偏低，稀土分配模式略向左傾斜，明顯的Ce負異常，反映含磷巖系具備熱水沉積特征。

3.1.3 含磷巖系（La/Yb）N比值與稀土總量ΣREE關系反映其物源與熱水相關 在（La/Yb）N—REE圖解中【6-7】(圖3)，含磷巖系中泥晶磷塊巖、粒屑磷塊巖、含磷白云巖樣品均落在玄武巖區(qū)域，說明是P、Mg等可能來源于海相的玄武巖的風化淋濾或與玄武巖有關的海底熱水、熱液；含磷巖系中的底礫巖樣落在沉積巖、花崗巖和玄武巖的重疊區(qū)域，與其角礫主要為片麻巖、基質(zhì)主要為粉砂巖、泥巖的結(jié)構相吻合，具有正常沉積巖和花崗巖的特征；硅質(zhì)巖、角礫狀硅質(zhì)巖、含錳白云巖樣落在區(qū)外，反映其物質(zhì)來源具備復雜性，比如硅質(zhì)巖的熱水沉積，其熱水來源可能為深部巖漿巖、也可能為萃取圍巖中的正常沉積巖和火山巖等；蓮花山礦段基底片麻巖為片麻狀花崗巖，該樣落在花崗巖區(qū)域，與其花崗巖巖性吻合；總的來說，含磷巖系的物質(zhì)來源具有多元性，多與熱水相關，為海相熱水沉積，熱水物質(zhì)來源于深部巖漿巖及萃取圍巖中的正常沉積巖和火山巖。

圖3 蓮花山礦段含磷巖系（La/Yb）N與稀土總量ΣREE關系圖Fig.3 Relation between (La/Yb)N and totalΣREE of phosphate rock in Lianhuashan ore section

3.1.4 含磷巖系和湘東北花崗巖稀土元素特征較為一致，顯示其物源熱水與新元古代花崗巖有關湘東北花崗巖稀土元素稀土總量193.21×10-6，輕稀土(LREE)含量166.97×10-6，重稀土（HREE）虧損，LREE/HREE值為6.36；C1球粒隕石標準化數(shù)據(jù)顯示：（La/Yb）N為6.5762，輕、重稀土分

異相對較高，（La/Sm）N一般為3.0377，輕稀土分異程度也一般，（Gd/Lu）N為1.5168，重稀土分異程度較低；δEu為0.4792，虧損，δCe為0.9294，輕微虧損；稀土元素北美頁巖標準化數(shù)據(jù)顯示：（La/Yb）N為0.9444，（La/Sm）N為0.8594，（Gd/Lu）N為 1.1216，輕、重稀土分異，重稀土分異程度不高；以上數(shù)據(jù)顯示湘東北花崗巖和蓮花山礦段含磷巖系稀土元素特征較為一致，另外從圖1、圖2中也可以看出其稀土分配模式曲線和含磷巖系也較為一致，反映兩者的物質(zhì)來源一致，也就是說含磷巖系的熱水沉積的物質(zhì)來源為新元古代早期（800Ma左右，Z1）的巖體。

3.2 稀土元素特征與沉積環(huán)境

3.2.1 C1球粒隕石標準化分配模式與陸緣海沉積環(huán)境 Ilyin (1998a；1998b) 的研究表明：磷酸鹽巖可形成于陸緣海和陸表海兩種沉積盆地中，前者多呈明顯的δCe 負異常，且δCe異常程度與海水深度呈正比，而后者多呈δCe正異?；驘o異常【8】；蓮花山含磷巖系稀土元素δCe為0.5142～0.9001，平均0.7125，也低于0.95，顯示為δCe負異常，由此判斷蓮花山礦段含磷巖系形成于陸緣海的沉積盆地，且第三磷礦層的粒屑磷塊巖δCe為0.4989虧損程度最高，判斷其沉積水深應最深。

3.2.2 Ceanom值與磷塊巖沉積環(huán)境 Elderfield（1982）將 Ceanom的還原邊界定為 -0.01【9】，Ceanom＜-0.1時反映氧化條件，Ceanom＞-0.1時反映厭氧條件。蓮花山礦段含磷巖系中粒屑磷塊巖、含磷白云巖、底礫巖Ceanom分別為 -0.2931、-0.2763、-0.2570，＜ -0.1反映其為氧化沉積環(huán)境；泥晶磷塊巖、角礫狀硅質(zhì)巖 Ceanom分別為-0.0574、-0.0330，＞ -0.1反映其為還原沉積環(huán)境；含錳白云巖、硅質(zhì)巖Ceanom值分別為-0.1185，-0.0914，接近-0.1反映其為氧化還原平衡沉積環(huán)境【10】。以上為C1球粒隕石標準化分配模式數(shù)據(jù)及環(huán)境判斷，北美頁巖標準化分配模式數(shù)據(jù)和其相似，不再詳述。

4 U-Th關系佐證磷的來源與熱水沉積相關

蓮花山含磷巖系微量元素 U、Th含量在logU-logTh的直角坐標圖中顯示（圖4），除角礫狀硅質(zhì)巖、片麻巖兩種圍巖U/Th比值小于1（表4、圖4），其余巖礦石U/Th比值均大于1，表明沉積環(huán)境受熱水、熱液活動影響明顯【11-12】，且投點區(qū)基本落在古熱水噴溢沉積區(qū)或其附近。這一特征亦表明，蓮花山含磷巖系受古熱水噴溢沉積影響明顯。

表4 蓮花山礦段含磷巖系微量元素U、Th分析結(jié)果表Table4 Analysis results of trace elements U and Th of the phosphate rock series in Lianhuashan ore section

圖4 蓮花山礦段含磷巖系U-Th相關關系圖Fig.4 U-Th correlation diagram of phosphate rock series in Lianhuashan ore section

5 結(jié)論

蓮花山礦段含磷巖系主要從稀土元素特征角度分析了含磷巖系的物源應該是陸源為主、熱水沉積參與的特點：

稀土總量、輕重稀土比值顯示含磷巖系物質(zhì)來源與基底片麻巖無關；稀土元素總量 REE、LaN/YbN比值、δCe、δEu反映含磷巖系物質(zhì)來源與熱水相關—正常沉積疊加海相熱水、熱液的特征；含磷巖系和湘東北花崗巖稀土元素特征較為一致，顯示其物源熱水與新元古代花崗巖有關。同時，應用Ceanom值對含磷巖系的氧化還原陸緣海沉積環(huán)境進行了討論，并采用微量元素 U-Th關系進一步佐證了含磷巖系的物質(zhì)來源與熱水沉積。

綜上所述，含磷巖系形成于熱水、熱液參與的陸緣海海相沉積環(huán)境，具有正常沉積疊加海相熱水、熱液的特征，正常沉積物質(zhì)來源于剝蝕新元古代地層，地層中的P、Mg等溶于海水，通過機械、化學沉積形成含磷巖系，熱水物質(zhì)來源為深部巖漿活動物質(zhì)和熱水、熱液活動運移過程中萃取新元古代花崗巖體的P、Mg、Si等。

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REE characteristics and hydrothermal sedimentation of phosphate rock series in Lianhuashan, Zhongxiang, Hubei

Liu Lisheng ZhangMingming XuHongguang XiGuoqing ZhuYannong
Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau，Zhuozhou 072750，Hebei，China

Based on the analysis of the rare earth elements in the phosphate rock series of Lianhuashan section, it is determined that the material source of Phosphate rock series is independent of the basement gneiss and is related to the hot water,which is the normal deposition and superimposed marine hot water, hydrothermal.The normal deposition material is derived from denuded Neoproterozoic strata, and P, Mg in the formation is dissolved in seawater, eventually, the phosphate rock system is formed by mechanical and chemical deposition.The source of hot water is deep magmatic active material, and P, Mg, Si etcectrectrd from Neoproterozoic granite when hot water and hydrothermal are migration .

phosphate rock series, REE，hot-water, deposition, Hubei Zhongxiang

P618.213；P618.7

A

1006–5296（2017）03–0151–03

* 第一作者簡介：劉力生（1968～），男，礦產(chǎn)勘查專業(yè)，高級工程師

2017-07-23；改回日期：2017-08-21