云南中基性火山巖風(fēng)化殼離子吸附稀土成礦作用分析
——以騰沖龍井山安山巖風(fēng)化殼型稀土礦床為例

曾招金, 祝向平, 張 彬, 高儒東

1)中國冶金地質(zhì)總局昆明地質(zhì)勘查院, 云南昆明 650203; 2)成都理工大學(xué), 四川成都 610059;3)中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川成都 610081

稀土元素素有“工業(yè)味精”之稱, 具有大幅度提高其它產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的奇效, 主要被應(yīng)用于永磁材料、催化材料、發(fā)光材料等。隨著近年來礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查的不斷深入, 在云南發(fā)現(xiàn)了大量分布于花崗巖、中酸性火山巖及變質(zhì)巖風(fēng)化殼中的離子吸附型稀土礦, 在云南宣威、元謀—峨山、建水、臨滄—勐海、騰沖—隴川等地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)(劉殿蕊,2020; 陸蕾等, 2020), 主要以花崗巖風(fēng)化殼中的輕稀土為主。

在開展“滇西地區(qū)三稀等重要礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查”項目中, 調(diào)查區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了土官寨、尖山腳、蕨葉壩、小龍河、百花腦、勐往、富東、回龍卡、戶撒等一大批離子吸附型稀土礦產(chǎn)地(李建忠等, 2017; 張彬等, 2018; 曾凱等, 2019; 張保濤等, 2020), 以三疊紀(jì)、白堊紀(jì)花崗巖風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦為主。然而, 在騰沖火山巖南部龍井山一帶發(fā)現(xiàn)了一處新近紀(jì)中基性火山巖離子吸附型稀土礦, 礦床具有品位高、厚度大等特點, 本文以滇西騰沖火山巖區(qū)龍井山稀土礦區(qū)七個典型鉆孔為依托, 研究風(fēng)化殼中元素地球化學(xué)特征, 對成礦作用進(jìn)行具體分析, 進(jìn)而探討稀土元素在風(fēng)化殼中的賦存規(guī)律, 為尋找該類型稀土礦床成礦機(jī)理提供參考。

1 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于云南省騰沖市南部, 地處歐亞板塊與印度板塊碰撞帶上, 位于青藏高原東南緣, 大地構(gòu)造位置位于西南三江特提斯造山帶西南端, 東以瀘水—龍陵—瑞麗斷裂帶為界與保山地塊相鄰,西以密支那縫合帶與西緬地塊相接(戚學(xué)祥等,2011)(圖 1a)。因地處兩個不同構(gòu)造單元的交接處,騰沖地域內(nèi)以發(fā)育的斷裂構(gòu)造、年輕的火山活動和強(qiáng)烈的地?zé)釣橹饕卣?圖1b)。區(qū)域構(gòu)造形跡以韌-脆性斷裂為主, 主要構(gòu)造方向為NE向。

圖1 滇西騰沖地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景(a, 戚學(xué)祥等, 2011)和新近紀(jì)以來火山巖分布圖(b, 林木森等, 2017)Fig.1 Regional geology (a, after QI et al., 2011) and distribution map (b, after LIN et al., 2017) of volcanic rocks since Neogene in Tengchong area, Western Yunnan

研究區(qū)廣泛分布巖漿巖, 以三疊紀(jì)、白堊紀(jì)酸性侵入巖和新近紀(jì)中基性火山噴出巖為主(圖 2a)。三疊紀(jì)花崗巖巖石類型主要為淺灰色中粒二云母花崗巖、中粗粒正長花崗巖, 鋯石 U-Pb年齡為218.0～(232.1±5.6) Ma(周淑敏等, 2018; 鄒光富等,2011); 早白堊紀(jì)花崗巖巖石類型主要為灰白色片麻狀、眼球狀中細(xì)?；◢弾r, 鋯石 U-Pb年齡為(115.8±1.0)～(127.9±2.0) Ma(叢峰等, 2010; 謝韜等, 2010; 萬鑫等, 2018); 晚白堊紀(jì)花崗巖巖石類型主要為淺肉紅色似斑狀中細(xì)粒二長花崗巖, 鋯石U-Pb年齡為68.0～76 Ma(楊啟軍等, 2009; 林木森等, 2014); 新近紀(jì)火山巖巖石類型主要為灰紫色氣孔狀輝石安山巖、輝石?；采綆r,40Ar/39Ar年齡為(2.0±0.1)～(2.1±0.1) Ma(林木森等, 2017)。

2 稀土礦床的地質(zhì)特征

2.1 含礦地層

在研究區(qū)騰沖火山巖南部龍井山一帶的新近紀(jì)芒棒組的中基性火山巖風(fēng)化殼中發(fā)現(xiàn)了離子吸附型稀土礦, 稀土礦成礦母巖為輝石安山巖(圖2), 礦化總體受中基性火山巖層位直接控制, 為稀土礦成礦地質(zhì)體。風(fēng)化殼全風(fēng)化層(A)安山巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造被完全破壞, 風(fēng)化成以黏土礦物為主的土層, 頂部主要為灰褐色腐殖土, 中、下部主要為淺黃色、土紅色黏土, 出露面積0.55 km2, 鉆孔控制厚度1～7 m不等, 在地勢平坦處厚度較大; 風(fēng)化殼強(qiáng)風(fēng)化層(B)保留有原巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造, 但絕大部分長石已風(fēng)化成高嶺土, 出露面積 0.79 km2, 鉆孔控制厚度 3～13 m不等, 在山頭及寬緩的山脊處厚度較大; 風(fēng)化殼中風(fēng)化層(C)原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰易辯, 部分長石風(fēng)化成高嶺土, 出露于溝谷處或陡坡處, 分布面積0.33 km2, 鉆孔揭露厚度＞2 m。

圖2 滇西龍井山稀土礦區(qū)地質(zhì)圖(a)及鉆孔剖面圖(b)Fig.2 Geological map (a) and drillhole profile (b) of Longjingshan deposit in western Yunnan

龍井山中基性火山巖巖體總體呈NE向展布, 與區(qū)域構(gòu)造方向一致, 受NNE向板場斷裂和NEE向的八洞水?dāng)嗔阉绊憽Ｆ渲休x石安山巖深灰色, 斑狀結(jié)構(gòu), 致密塊狀或氣孔狀構(gòu)造, 斑晶由中長石(4%～10%)、普通輝石(2%～10%)組成, 中長石斑晶呈自形板狀顆粒組成, 聚片雙晶欠發(fā)育, 環(huán)帶構(gòu)造較發(fā)育, 輝石呈自形短柱狀顆粒, 基質(zhì)具交織結(jié)構(gòu), 主要由微晶斜長石(50%～67%)、微粒普通輝石(19%～34%)組成, 含少量玻璃質(zhì)、綠泥石及金屬礦物等。

輝石?；采綆r深灰色, 斑狀結(jié)構(gòu), 致密塊狀或氣孔狀構(gòu)造, 斑晶由中長石(2%～12%)、普通輝石(4%～10%)組成, 中長石斑晶呈自形板狀顆粒組成,聚片雙晶欠發(fā)育, 環(huán)帶構(gòu)造較發(fā)育, 輝石呈自形短柱狀顆粒, 基質(zhì)具玻晶交織結(jié)構(gòu), 主要由微晶斜長石(49%～61%)、微粒普通輝石(5%～12%)和中性玻璃質(zhì)(23%～35%)組成, 含少量綠泥石及金屬礦物等。

礦體主要產(chǎn)于輝石安山巖強(qiáng)風(fēng)化層中, 少量產(chǎn)于靠近輝石安山巖強(qiáng)風(fēng)化層的全風(fēng)化層或中風(fēng)化層中, 由 7個淺鉆工程控制, 礦體出露標(biāo)高1824～1937 m, 控制礦體南北長約 1500 m, 東西寬約 1300 m, 礦體呈似層狀分布, 礦體厚度4.81～16.52 m, 平均厚度9.15 m, 礦體品位(TREEO)0.08%～0.25%, 平均品位 0.11%(圖5)。

2.2 含礦巖系的巖石地球化學(xué)特征

采樣地點位于云南省騰沖市龍井山安山巖離子吸附型稀土礦研究區(qū), 在研究區(qū)安山巖巖體內(nèi)采集9件巖石樣品, 在本次施工的9個淺鉆工程中采集6件風(fēng)化殼樣品, 單個樣品重量約2 kg。采樣位置見圖2、圖5。

所有樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干, 送西南冶金地質(zhì)測試中心完成樣品主量、微量及稀土元素的分析, 主量元素采用 X 熒光法, 實驗儀器為PANalytical-Axios型熒光儀, 相對誤差(RE)＜5%,相對偏差(RD)＜5%; 微量與稀土元素分析方法為電感耦合等離子質(zhì)譜儀, 實驗儀器為美國PERKINGLMER公司NexION 300x ICP-MS, 相對誤差(RE)＜10%, 相對偏差(RD)＜10%。測試結(jié)果見表1、表2。

表1 騰沖龍井山安山巖的主量元素、微量元素和稀土元素分析結(jié)果Table 1 Whole rock analyses of major elements, trace elements and rare earth elements of andesite from Longjingshan in the Tengchong area

表2 騰沖龍井山鉆孔風(fēng)化殼稀土元素分析結(jié)果/10–6Table 2 Analytical results /10–6 of rare earth elements in weathered crust from Longjingshan boreholes, Tengchong

2.2.1 主量元素

表 1中列出了研究區(qū)基巖分析數(shù)據(jù), SiO2=63.92%～65.37%, K2O = 4.16%～4.44%, Na2O =3.01%～3.37%, 全堿含量較高; CaO = 2.44% ～3.76%, CaO含量也較高; MgO = 1.07%～1.80%,MgO含量較低。在 TAS圖(圖 3a)上火山巖樣品的巖石類型為粗面巖、粗面英安巖, 騰沖龍井山新生代火山巖樣品SiO2含量變化不大, 主要顯示為中基性巖的分布; (K2O+Na2O)含量較高, 為亞堿性系列;該區(qū)火山巖是一套粗面巖-粗面英安巖巖石組合(圖3a); K2O含量較高, 大部分樣品屬鉀玄巖系列, 少量樣品落入高鉀鈣堿性系列(圖3b)。

圖3 龍井山安山巖硅堿(TAS)圖(a)和SiO2-K2O圖(b)Fig.3 TAS (a) and SiO2-K2O (b) diagrams of andesite in Longjingshan

2.2.2 稀土元素

從表 2可以看出, 研究區(qū)風(fēng)化殼中稀土元素含量(∑REE=731×10–6～1205×10–6)是原巖中稀土元素含量(∑REE=493×10–6～632×10–6)的 1.48～1.91倍, 說明風(fēng)化殼中稀土元素含量不僅與母巖中稀土含量多少有關(guān), 與后期風(fēng)化過程中遭受的淋濾作用也有一定的關(guān)系, 反應(yīng)了稀土元素在表生環(huán)境下較強(qiáng)的遷移能力。

研究區(qū)風(fēng)化殼和基巖的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖(圖 4)表明, 龍井山安山巖樣品具有比較相似的稀土元素配分模式, 曲線整體向右傾斜,均發(fā)生了明顯的輕重稀土分異, 在 LREE區(qū)間斜率較陡, 而在HREE區(qū)間趨于平緩。同時可以看出風(fēng)化殼中稀土元素含量明顯高于基巖中稀土元素含量,趨勢基本一致, 顯示風(fēng)化殼內(nèi)稀土元素是在繼承基巖稀土元素特征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步富集。

圖4 研究區(qū)稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns

2.2.3 微量元素

研究區(qū)樣品均表現(xiàn)出明顯的大離子親石元素富集和高場強(qiáng)元素相對虧損。富集 Rb、Th、La、Ce、Nd等, 相對虧損Nb、Ta、Y等。LREE與HREE 表現(xiàn)出明顯的分異, 具有高的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化(La/Yb)N比值、高的La/Nb比值、低的Nb/La比值(小于1), Nb/U比值較高; 相對較富Zr, Zr/Y比值較高(表1)。

3 氧化型稀土礦床的深度變化特征

根據(jù)鉆孔剖面(圖 2, 圖 5), 滇西龍井山稀土礦床隨深度變化的特征如下:

圖5 龍井山稀土礦區(qū)鉆孔中的稀土總量變化趨勢Fig.5 Variation of total REE at drillholes in Longjingshan REE deposit district

龍井山氧化型稀土礦礦床為裸露地面的風(fēng)化中基性火山巖風(fēng)化殼, 稀土礦體主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化輝石安山巖中, 其次在靠近輝石安山巖強(qiáng)風(fēng)化層的全風(fēng)化層或中風(fēng)化層中也有少量賦存。CZ01鉆孔風(fēng)化殼厚度6.8 m, 礦床厚度為5.2 m, 稀土品位為含 REO在 0.76%～0.96%; CZ02鉆孔風(fēng)化殼厚度17.0 m, 礦床厚度為16.5 m, 稀土品位為含REO在0.70%～2.49%; CZ04鉆孔風(fēng)化殼厚度12.0 m, 礦床厚度為6.6 m, 稀土品位為含REO在0.49%～1.22%;CZ07鉆孔風(fēng)化殼厚度7.8 m, 礦床厚度為7.8 m, 稀土品位為含REO在0.88%～1.21%。從鉆孔施工情況來看, 礦床的縱向品位總體具有上貧、中富、下貧的規(guī)律, 風(fēng)化殼強(qiáng)風(fēng)化層的稀土品位高于全風(fēng)化層、中風(fēng)化層的稀土品位, CZ01、CZ04、CZ07鉆孔品位變化不大, 具“直線式”分布特征, 而CZ02鉆孔品位變化較大, 則表現(xiàn)出明顯的“波浪式”特征。礦床的橫向上風(fēng)化殼厚度表征了風(fēng)化程度的深淺, 風(fēng)化殼厚度越大風(fēng)化程度則越高, 相應(yīng)的礦體品位及厚度均富而厚, 特別是強(qiáng)風(fēng)化層的厚度越大,礦體的厚度也更大, 品位也相對較高, 龍井山礦區(qū)礦體厚度、品位與風(fēng)化殼厚度呈正相關(guān)關(guān)系。

4 成礦作用分析

龍井山安山巖離子吸附型稀土礦床, 其形成具有“內(nèi)生外成”的特征, 主要表現(xiàn)為受母巖、地貌、氣候、地質(zhì)構(gòu)造等因素的控制。內(nèi)生作用決定了母巖中的豐度, 從而在外生條件下稀土元素的進(jìn)一步富集成礦奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

表3 滇西龍井山稀土礦區(qū)淺鉆取樣的稀土總量Table 3 Total REE from drill holes in the Longjingshan REE ore deposit in western Yunnan

4.1 成礦物質(zhì)來源

騰沖火山巖中的新近紀(jì)火山巖含礦建造, 主要由灰紫色氣孔狀輝石安山巖、輝石玻基安山巖等中基性熔巖組成。一般認(rèn)為, 形成離子吸附型稀土礦床的母巖需要具有較高的稀土豐度, 本區(qū)輝石安山巖的∑REE均值為 532×10–6, 遠(yuǎn)大于騰沖地區(qū)花崗巖的∑REE均值為 262×10–6, 具備形成離子吸附型稀土礦的先決條件, 為稀土礦化提供了必須的物質(zhì)來源, 在以化學(xué)作用為主導(dǎo)的表生作用下, 原巖巖石、礦物遭受不同程度的分解(王陽平和趙鵬坤,2016), 化學(xué)成分發(fā)生了顯著的變化, SiO2、MgO等不斷淋失減少, REE呈離子態(tài)不斷的遷移富集, 黏土礦物逐漸增加形成松散狀的風(fēng)化殼, 稀土元素隨著表生作用的進(jìn)行和巖石礦物的進(jìn)一步分解, 呈離子狀態(tài)發(fā)生遷移, 而黏土礦物具有較強(qiáng)的吸附性,使得稀土元素在風(fēng)化殼中發(fā)生次生富集而形成稀土礦工業(yè)礦體。

4.2 地形地貌

地形地貌決定著風(fēng)化殼的發(fā)育厚度, 風(fēng)化殼的發(fā)育是形成離子吸附型稀土礦床的重要先決條件之一, 它形成了保留REE富集成礦的基本場所。贛南、粵中南、桂東南等東部地區(qū)的離子吸附型稀土礦床主要產(chǎn)于海拔高度小于550 m、相對高差60～250 m的丘陵地帶, 一般陡坡地形、“V”型山谷、尖棱形山頂(脊)不利于離子吸附型稀土礦的形成, 但研究區(qū)龍井山稀土礦床 CZ02鉆孔海拔高度達(dá) 1935 m,與我國東部地區(qū)不同。研究區(qū)海拔標(biāo)高1780～1935 m不等, 相對切割深度30～100 m, 成礦母巖風(fēng)化產(chǎn)物在地形坡度小于30°的緩坡地帶, 寬闊山頂、緩傾山脊等有利地段堆積保存, 形成面型風(fēng)化殼, 有利于稀土元素的富集, 而形成稀土礦體;溝谷地帶或陡坡地段風(fēng)化殼厚度較小, 不具備稀土元素的富集保存條件, 稀土礦體較薄或不發(fā)育。風(fēng)化殼厚度決定了風(fēng)化程度的深淺, 風(fēng)化殼厚度越大,風(fēng)化程度就越高, 相應(yīng)礦化品位及礦體厚度均富而厚, 從龍井山研究區(qū)風(fēng)化殼稀土氧化物總量REE垂向變化圖(圖 5)上可以看出: 礦體厚度與風(fēng)化殼厚度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系, 風(fēng)化殼厚度越厚, 礦體也就越厚, 相應(yīng)而言礦體品位也有類似的正相關(guān)關(guān)系。從鉆孔施工情況來看, 研究區(qū)風(fēng)化殼厚度與地形坡度密切相關(guān)(圖2), 寬闊山頂處的CZ02鉆孔揭露風(fēng)化殼厚度17.0 m, 稀土礦體厚度16.5 m; 緩傾山脊處的CZ04鉆孔揭露風(fēng)化殼厚度12.0 m, 稀土礦體厚度6.6 m; 陡坡上的CZ01鉆孔揭露風(fēng)化殼厚度6.8 m, 稀土礦體厚度5.2 m; CZ04鉆孔與CZ07鉆孔之間的溝谷處, 見中風(fēng)化巖石出露, 不發(fā)育稀土礦體。

4.3 氣候

研究區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候, 溫暖潮濕, 雨量充沛,有利于化學(xué)風(fēng)化作用的不斷進(jìn)行, 加速了含礦母巖的解體, 在適當(dāng)?shù)?pH 值及水介質(zhì)環(huán)境下, 原巖中含稀土礦物風(fēng)化、解離, 且大部分轉(zhuǎn)為稀土離子溶于水中, 隨地表水向下運動, 同時長石類礦物的高嶺土化, 具有高原子量、高原子價的稀土離子被高嶺土等黏土礦物吸附、固定, 從而使稀土元素次生富集以至形成礦床。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)中基性火山巖離子吸附型稀土礦床為富釹輕稀土礦床, 礦體主要賦存于新近紀(jì)輝石安山巖風(fēng)化殼的強(qiáng)風(fēng)化層中, 少量產(chǎn)于靠近輝石安山巖強(qiáng)風(fēng)化層的全風(fēng)化層或中風(fēng)化層中, 礦體受地形坡度控制明顯, 平緩山頭、寬緩的山脊處礦體厚度大品位高, 溝谷或陡坡處厚度薄品位低。

(2)研究區(qū)形成離子吸附型稀土礦床首先母巖需要具有較高的稀土豐度, 然后在溫濕多雨的環(huán)境下加速了巖石的風(fēng)化解離, 稀土元素不斷遷移, 最終在地勢較為寬緩平坦處形成風(fēng)化殼而保留下來,次生富集形成稀土礦床。

(3)研究區(qū)中基性火山巖離子吸附型稀土礦為云南輕稀土礦床的新類型, 該礦床的發(fā)現(xiàn)具有區(qū)域找礦指導(dǎo)意義, 在云南地區(qū)的火山巖風(fēng)化殼中可能發(fā)現(xiàn)新的風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦。

致謝: 感謝審稿專家提出的寶貴意見, 感謝中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心提供的項目支持, 感謝中國冶金地質(zhì)總局昆明地質(zhì)勘查院同事們在野外地質(zhì)調(diào)研中的幫助！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20179604).