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湖南道县正冲稀有金属矿床云英岩地球化学特征及对成矿的约束

2016-09-07文春华罗小亚李胜苗湖南省地质调查院长沙410116

桂林理工大学学报 2016年1期
关键词:黄玉岩浆花岗岩

文春华,罗小亚,李胜苗(湖南省地质调查院,长沙 410116)

湖南道县正冲稀有金属矿床云英岩地球化学特征及对成矿的约束

文春华,罗小亚,李胜苗
(湖南省地质调查院,长沙410116)

正冲矿床复式花岗岩体顶部云英岩富集Li、Rb、Cs、W、Sn等元素,是一处富F、稀有多金属云英岩型矿床。不同演化阶段花岗岩和云英岩地球化学分析结果显示:对比花岗岩,云英岩中K2O、Na2O、MnO、TiO2和Fe2OT3呈突然分离变化;Rb、Th呈突然升高而Ba、Sr呈突然降低变化;K/Rb、Zr/Hf、La/Sm和 (La/Yb)N值呈突然降低变化。地球化学特征暗示云英岩是岩浆不混溶作用形成的,并且F与不混溶作用共同制约云英岩的成因及成矿作用:当F含量<3%时,以石英-钾长石-铁锂云母-黄玉云英岩为主,Li、Rb、Cs、Nb、Ta在此阶段开始富集成矿;F含量>3%时,以黄玉-铁锂云母-石英云英岩为主,Li、Rb、Cs进一步富集,而Nb、Ta元素含量降低。

富F云英岩;地球化学特征;稀有金属;正冲矿床;金鸡岭岩体;湖南

正冲矿床位于湖南省道县东南45 km处,九嶷山岩体西侧,是一处富F、稀有多金属云英岩型矿床。前人在该地区开展了岩体年代学、地球化学、矿床地质特征及成矿规律等方面的研究[1-6],但与成矿密切相关的云英岩地球化学方面的研究几乎空白。本文选择正冲矿床内出露的云英岩为研究对象,详细剖析云英岩地球化学特征,并研究富F云英岩成因及与稀有金属成矿的关系,为探讨正冲云英岩型稀有金属矿床的成因提供科学依据。

1 区域地质

区内出露地层主要为震旦系和寒武系。震旦系分布在北部 (图1),岩性以中厚层状浅变质细粒石英砂岩为主,间夹粉砂岩、板岩、砂质板岩等;寒武系主要分布在西北部,岩性为浅海相浅变质砂岩、泥质砂岩、板岩及碳酸盐沉积物。

区内断裂构造发育,主要有北东向和南北向两组断裂体系。北东向断裂走向30°~60°,倾向南东,该组断裂体系切割了区内岩体,同时也为钨、锡矿脉形成提供了通道;南北向断裂规模较大,为区域性断裂,走向近南北,倾向东,断裂为正断层,切割区内岩体。南北向断裂从正冲矿床东西两侧外通过,对矿床影响不大。

区内岩浆岩极为发育,具有多期次叠加复式岩体特征,岩体从早到晚演化顺序为:①加里东期雪花顶岩体(ηγ3,456 Ma)[5],呈中深成相岩基产出,岩性从边缘相带、过渡相带到中心相带依次为细粒黑云母二长花岗岩、中粒角闪石黑云母二长花岗岩和中-粗粒角闪石黑云母二长花岗岩;②燕山期金鸡岭岩体锆石SHRIMP年龄为156±2 Ma[4]),呈不规则椭圆状岩基产出,岩性从边缘相、过渡相到中心相依次为中细粒斑状黑云母花岗岩、中-粗粒斑状黑云母花岗岩和粗粒黑云母花岗岩;③螃蟹木岩体等时线年龄为150.7±2.8 Ma[4]),出露于金鸡岭岩体中,岩性从边缘相带到过渡相带依次为细粒黑云母花岗岩和细中粒黑云母花岗岩;④细粒黑云母花岗岩、细粒黑云母花岗斑岩(138~145 Ma)[5],呈小岩株状产出(图1)。

正冲矿床地表出露的云英岩位于金鸡岭岩体顶部,规模较大,出露长300 m、宽20~40 m,倾斜延深达600 m,形态呈扁豆状、似层状。云英岩类型可细分为石英-钾长石-铁锂云母-黄玉云英岩(云英岩Ⅰ)和黄玉-铁锂云母-石英云英岩(云英岩Ⅱ)两种类型。石英-钾长石-铁锂云母-黄玉云英岩:灰色,主要由石英(50% ~ 65%)、铁锂云母(15% ~30%)、黄玉(1% ~5%)、钾长石(4%~8%)及副矿物组成,钾长石为粗粒,结晶较好,为自形-半自形粒状,板状晶体,其边缘被熔蚀成港湾状。黄玉-铁锂云母-石英云英岩:深灰色-褐色,主要为石英(55% ~70%)、铁锂云母(20%~35%)、黄玉(4%~8%)、少量钾长石及副矿物;矿物粒度较细,其中铁锂云母呈深灰色-褐色,玻璃-珍珠光泽,片状及鳞片状集合体,直径一般为0.2~0.5 mm。云英岩本身就是矿体,其中Ⅰ1矿体平均厚度126 m,规模最大,富集稀有金属和钨、锡矿。Li、Rb、Cs在铁锂云母中富集,Rb2O平均品位为0.224%[5]。

图1 正冲矿床地质简图 (据文献[5]修改)Fig.1 Simplified geological map of Zhengchong ore deposit

2 样品采集及分析方法

本次研究在正冲矿床共采集6件具代表性的新鲜云英岩(GS)样品,包括云英岩Ⅰ样品2件和云英岩Ⅱ样品4件,样品采集位置见图1b。所有样品的测试分析均在国家地质实验测试中心实验室完成。岩石样品经磨碎溶样处理后,采用X射线荧光光谱法分析主量元素,仪器型号为荷兰帕纳科公司PANalytical AXIOS型光谱仪,主要工作条件为:端窗铑靶X射线管,SuperQ软件,4.0 kW满功率,X光管最大电压66 kV,最大电流125 mA,分析精度优于5%。岩石样品磨碎至200目(0.074 mm),用酸溶法配制样品溶液,采用电感耦合等离子体质谱法分析微量元素和稀有元素,仪器型号为TJA X-Series电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermo Fisher公司),分析精度优于10%。F元素采用离子选择性电极法(ISE)分析,相对误差在3%以内。分析结果分别见表1、表2和表3。

表1 正冲矿床不同阶段样品主量元素数据Table 1 Major elements data of different stage samples from Zhengchong ore deposit wB/%

表2 正冲矿床不同阶段样品微量、稀土元素数据Table 2 Trace and rare earth elements data of different stage samples from Zhengchong ore deposit wB/10-6

表3 正冲矿床代表性样品稀有金属及挥发分数据Table 3 Rare elements and gas data of different stage samples from Zhengchong ore deposit

3 云英岩地球化学特征

3.1主量元素

由表1可以看出,云英岩具较高的FeO(1.1% ~3.93%),Fe2O3/FeO值为0.04~0.34,为强还原性;较高铝饱和指数(A/CNK=1.74~3.02),为过铝质岩石;Na2O<K2O,其中Na2O(0.07% ~0.14%)含量极低;云英岩ⅠK2O(5.42%~6.43%)含量高,而云英岩ⅡK2O(2.59%~3.18%)含量低。

在Q-Ab-Or图解(图2)中,云英岩Ⅰ样品数据落在香花岭岩区域,云英岩Ⅱ样品数据主要落在黄英岩区域(图2),反映出云英岩Ⅰ和云英岩Ⅱ向不同岩性单元演化的特征。主量元素-SiO2双变量协变图(图3)中,相对于花岗岩和花岗斑岩(未发表数据),云英岩中Na2O、TiO2、MgO呈突然降低变化,MnO、Fe2OT3呈突然升高变化的特征。这种突然变化分离特征与王联魁等[7]研究的富F-Li花岗岩主量元素类似,是岩浆不混溶作用的反映。

图2 正冲矿床不同阶段样品Q-Ab-Or图解(图中虚线区域引自文献[7])Fig.2 Q-Ab-Or diagram of different stage samplesfrom Zhengchong ore deposit

3.2微量及稀土元素

图4 正冲矿床不同阶段样品微量元素蛛网图(原始地幔值据Sun等[11])Fig.4 Primitivemantle(PM)normalized spidergrams ofdifferent stage samples from Zhengchong ore deposit

图5 正冲矿床不同阶段样品稀土配分曲线(球粒陨石值据Sun等[11];螃蟹木花岗岩和云英岩包体数据引自王京彬[6])Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of differentstage samples from Zhengchong ore deposit

原始地幔标准化微量元素蛛网图 (图4)中,云英岩配分模式表现为轻微右倾型,与金鸡岭花岗岩和花岗斑岩微量元素变化特征类似,表明云英岩具岩浆演化特征。对比金鸡岭花岗岩和花岗斑岩 (未发表数据),云英岩中Sr、Ba和Ti亏损更强烈而Rb、U更富集。图6a显示随Rb含量增加,K/Rb值从花岗岩到云英岩突然降低,呈线性负相关分布关系;图6b显示随F增加,Zr/Hf值从花岗岩到云英岩出现突然降低变化特征,这种特征类似于南岭地区富F花岗岩[8]。

图3 正冲矿床不同阶段样品主量元素与SiO2双变量协变图Fig.3 Major elements vs SiO2diagrams of different stage samples from Zhengchong ore deposit

稀土元素组成上,云英岩稀土总量((129.1~190.7)×10-6)较低(表2),轻重稀土比值(LREE/ HREE)为1.47~1.9,出现显著的铕负异常(δEu= 0.02~0.03)。云英岩稀土演变模式呈“V字型”(图5),相对于花岗岩(未发表数据),云英岩表现为重稀土相对富集。云英岩这种稀土演变模式与王联魁等[9]研究的华南花岗岩稀土“反向演变”模式类似。云英岩稀土元素组成的另一个重要特征是存在“M型”四分组效应,与赣南淘锡坑云英岩稀土配分模式特征相类似[10]。图6c显示随∑REE含量降低,(La/Yb)N值急剧降低,呈分离状态;图6d显示沿La降低演化方向,La/Sm值突然降低,这些特征也与南岭地区富F花岗岩相类似[9]。

图6 正冲矿床不同阶段样品Rb-K/Rb、F-Zr/Hf、(La/Yb)N-∑REE、La/Sm-La关系图Fig.6 Rb-K/Rb,F-Zr/Hf,(La/Yb)N-∑REE and La/Sm-La diagrams of different stage samples from Zhengchong ore deposit

3.3稀有元素及挥发分

从表3可以看出,云英岩ⅠNb(61.9~80.2)×10-6,平均71.1×10-6,云英岩ⅡNb(28.8~43.9)×10-6,平均36.2×10-6;云英岩ⅠTa(11.2 ~15.6)×10-6,平均13.4×10-6,云英岩Ⅱ Ta (0.95~5.64)×10-6,平均3.21×10-6;云英岩ⅠLi(1 645~3 641)×10-6,平均2 643×10-6,云英岩ⅡLi(4 080~4 698)×10-6,平均4 300×10-6;云英岩ⅠRb(2 016~2 731)×10-6,平均2 373× 10-6,云英岩Ⅱ Rb(2 333~2 985)×10-6,平均2 556×10-6;云英岩ⅠF(0.5% ~2.91%),平均1.7%,云英岩ⅡF(3.34%~4.37%),平均3.9%。相对于花岗岩和花岗斑岩中稀有元素及挥发分含量(未发表数据),云英岩Ⅰ中Nb、Ta元素含量相对较高,云英岩Ⅰ和云英岩ⅡLi、Rb元素含量则高出几倍到几十倍;云英岩Ⅰ和云英岩Ⅱ中挥发分F元素含量表现为陡然增加的特征 (图7)。从金鸡岭花岗岩到云英岩Ⅱ,随F含量增加,Li、Rb元素呈陡然升高变化,Nb、Ta元素表现为在云英岩Ⅰ中呈升高变化,到云英岩Ⅱ出现降低变化的特征。

4 讨论

4.1云英岩成因地球化学证据

有关云英岩成因目前主要存在两种观点。即:① 热液交代成因[1,5,12],主要表现为云英岩化交代(蚀变)作用,特别是黄玉和萤石被认为是一种典型热液成因矿物,交代中产生稀有元素的转移和富集,形成矿化云英岩;② 岩浆成因[6,8-9,13-15],大量的矿物、岩石、地球化学、同位素及实验证据支持岩浆成因观点,特别是黄玉中熔融包裹体的发现。本次研究发现,花岗岩与云英岩之间主量、微量、稀有元素及挥发分F具有突然变化特征,表明云英岩是岩浆不混溶作用成因,其地球化学标志能够更加有效地识别花岗岩浆的液态不混溶作用。

图7 正冲矿床不同阶段样品F-Li、F-Rb、F-Nb、F-Ta关系图Fig.7 F-Li,F-Rb,F-Nb and F-Ta diagrams of different stage samples from Zhengchong ore deposit

(1)挥发分的分异:正冲地区花岗岩浆在演化后期出现了明显的挥发分分异作用,在表1中,云英岩H2O+含量(0.8%~2.26%)高于花岗岩中H2O+(0.5%~1.45%)(未发表数据),表明云英岩中明显富集H2O+等挥发分;表3中云英岩F含量(0.5% ~4.37%)远高于花岗岩中 F含量(0.19%~1.17%)(未发表数据)。这种挥发分显著性差异是岩浆不混溶作用所造成的,并且在流体包裹体研究中得到了很好的证实。如香花岭云英岩化花岗岩[16]和癞子岭黄玉云英岩[13]中出现气液相包裹体和流体-熔体包裹体共存现象,且气液成分为H2O-F-CO2-Cl型,是岩浆不混溶作用存在的直接证据。

(2)主量元素的分异:王联魁等[7]对国内外35个富F-Li花岗岩进行了研究,发现在垂向上主量元素具突然变化的特征,是岩浆相与岩浆-热液过渡相之间不混溶的结果。在图3中明显看出,花岗岩与云英岩之间K2O、Na2O、MnO和存在明显的突然变化关系,并且在云英岩Ⅰ与云英岩Ⅱ之间也存在CaO、K2O突然变化分离关系,是岩浆不混溶作用的标志。在不混溶作用中,富挥发分熔体均强烈富集Na和Li元素,亏损K元素[17-18],在地质上表现为云英岩Ⅰ富K,云英岩Ⅱ贫K。共轭两相分离导致了Na、Li与K的分离[8],并趋向不同的3个端元分离演化,即富K的云英岩Ⅰ向香花岭岩区域演化,贫K的云英岩Ⅱ向黄英岩区域演化(图2)。三端元组分分离代表了岩浆不混溶作用的结果[7]。

(3)元素对的分异:相对于金鸡岭花岗岩和花岗斑岩(本次研究数据),云英岩Ⅰ和云英岩Ⅱ的K/Rb、Zr/Hf、La/Sm和(La/Yb)N值均表现为突然降低的变化特征(图6),这是判断岩浆不混溶作用的标志[8-9]。不混溶作用导致元素对的分异,即高场强元素(HFSE)在不混溶作用发生后,两相的配比不同[19]。如Zr/Hf值突然降低反映了岩浆上升过程中F对Hf和Zr自下而上迁移能力的差异,F与Hf络合物呈气相在岩浆中向上迁移距离远[8],Zr因锆石结晶作用减少[20]而迁移较近,因而导致岩体上部相对富Hf,下部相对富Zr;La/Sm和(La/Yb)N值呈突然降低的分离状态,即不混溶作用形成两种熔体,导致∑REE(或(La/Yb)N)和La(或La/Sm)呈一高一低互补格局[9]。

(4)微量、稀土元素地球化学标志:图4显示,相对于金鸡岭花岗岩和花岗斑岩,云英岩中微量元素出现Rb和U突然升高,Ba、Sr和Ti突然降低的变化特征;图5中云英岩稀土元素Eu突然降低,稀土配分型式从花岗岩到云英岩具“反向演变”模式,与王京彬[6]研究结果类似,是岩浆不混溶作用造成的[9]。

上述地球化学特征表明,正冲矿床富F云英岩形成于岩浆不混溶作用。

4.2富F云英岩成矿作用

前述地球化学特征表明,花岗岩浆演化到晚期阶段发生了强烈的岩浆不混溶作用,促使富挥发分熔体在岩体顶部大量富集。F、H2O、P、CO2等挥发分具强解聚特性[18],并且能够与稀有金属组成各类络合物或化合物,携带成矿元素一起迁移和富集。如 F与稀有金属组成SnF4、LiF等络合物而一起迁移[21];H2O和CO2以超临界形式存在[16],随解聚程度增高,氧在熔体相对富含O-和O2-,使亲氧稀有元素等富集[8]。这些挥发分对金属元素有明显的富集作用,制约着熔体/流体体系的地球化学行为及其成矿效应[22]。由于富挥发分熔体具有低密度、低粘度、低固结点的特点[23],能够携带成矿元素快速向上迁移,在花岗岩浆侵位后,缓慢冷却结晶作用使残余熔体中F、Li含量越来越高,固相线温度不断下降,富F、Li、Rb低熔残余熔体聚集于岩体顶部,同时结晶出钠质斜长石和黄玉。当熔体中F含量增加、t≤600℃时,云母趋于稳定状态,Li、Rb稳定存在于云母中[24]。

正冲矿床云英岩中富铁锂云母和白云母,Li、Rb、Cs元素95%赋存于云母中[5],图7a和7b中可以看出F与Li和Rb呈正相关关系,在富F、Li、Rb花岗岩的白云母中,F与Li呈正相关,Li进入白云母可增大热稳定性,伴随F、Li含量增加及固相线温度不断下降,锂-白云母热稳定性增加并在高侵位的岩体顶部结晶沉淀[14],形成Li、Rb等矿化。而在图7c和7d中Nb、Ta元素含量随F含量增加出现先升高而后降低变化趋势,在图3中的云英岩Ⅰ和云英岩Ⅱ样品中出现K2O 和CaO含量突然变化分离现象,反映出云英岩在结晶过程又发生了不混溶分异作用而产生了岩相的分离,表明F和不混溶作用对Nb和Ta含量的变化具有制约作用。实验结果也表明,随体系F含量增加,石英和黄玉温度稳定域上限升高,碱性长石温度稳定域上限降低,体系F含量达到6%时,长石稳定域消失[24]。从表3中可以看出,当F含量<3%时,有利于形成石英-钾长石-铁锂云母-黄玉云英岩(云英岩Ⅰ),同时,促进了Li、Rb、Cs、Nb、Ta元素富集形成矿化 (如江西宜春雅山富F钠长石花岗岩和香花岭富F钠长石花岗岩中均富集Nb、Ta等稀有元素);但随F含量继续增加至>3%时,碱性长石稳定性下降,云英岩相以黄玉-铁锂云母-石英云英岩(云英岩Ⅱ)为主,Li、Rb、Cs元素进一步富集,而Nb、Ta元素含量明显下降。

5 结论

(1)正冲矿床云英岩具高SiO2、Al2O3、FeO,极低Na2O的特征。Fe2O3/FeO值为0.04~0.34,为强还原性环境,铝饱和指数(A/CNK=1.74~3.02)极高,为过铝质岩;微量元素富集Rb、Th、U,亏损Ba、Sr、Ti;稀土配分形式具M型四分组效应,且δEu具极强负异常的特征。

(2)地球化学特征显示花岗岩与云英岩主量元素TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2OT3呈突然分离变化特征,微量、稀土元素K/Rb、Zr/Hf和La/Sm、(La/Yb)N值呈突然降低变化,表明云英岩形成于岩浆不混溶作用。

(3)云英岩的形成及成矿作用受F和不混溶作用制约,随F含量的增加,云英岩相由石英-钾长石-铁锂云母-黄玉云英岩过渡为黄玉-铁锂云母-石英云英岩,成矿元素Li、Rb、Cs含量升高而Nb、Ta含量降低。

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Geochemical characteristics and mineralization of greisen in Zhengchong rare metal deposit of Daoxian,Hunan

WEN Chun-hua,LUO Xiao-ya,LI Sheng-miao
(Hunan Institute of Geological Survey,Changsha 410116,China)

The Zhengchong ore deposit,a greisen-type deposit enriched with Li,Rb,Cs,W,Sn and F greisen,is located at the top of composite granite mass.XRF and ICP-MS are used to obtain the geochemical characteristics of the granite and greisen in various stages.Compared with granite,greisen geochemical characteristics are as following:K2O,Na2O,MnO,TiO2and Fe2OT3exhibitsed a separating state.Rare elements and rare earth elements of greisen are characterized by Rb and Th increase suddenly,whereas Ba,Sr,K/Rb,Zr/Hf,La/Sm ratios and(La/Yb)Nratios decrease suddenly.All of these geochemical characteristics indicate that the origin of greisen belongs to liquid immiscibility.Moreover,F and liquid immiscibility play important roles in the rare metal mineralization process.When F<3%,the enrichment of Li,Rb,Cs,Nb and Ta will be due to the quartz-potash feldspar-topaz-zinnwaldite lithofacies greisen formation.When F>3%,greisen lithofacies is composed mainly of topaz-quartz-zinnwaldite.In this stage,Li,Rb and Cs are enriching further whereas Nb and Ta decreasing.

F-rich greisen;geochemical characteristics;rare metal deposit;Zhengchong ore deposit;Jinjiling rock;Hunan

P588.321;P618.7

A

1674-9057(2016)01-0090-09

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.01.012

2015-05-22

中国地质调查局地质调查项目 (1212011220817)

文春华 (1982—),男,博士,工程师,研究方向:矿床地球化学与成矿流体,herowch2004@163.com。

引文格式:文春华,罗小亚,李胜苗.湖南道县正冲稀有金属矿床云英岩地球化学特征及对成矿的约束[J].桂林理工大学学报,2016,36(1):90-98.

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