坦桑尼亞Mpanda 地區Sangu 碳酸巖地質及地球化學特征

曾瑞垠黃建業田犁平譚康雨張毅劉昭詹勇

（1.北京中資環鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012；3.云南省有色地質局306 隊，云南 昆明 650001）

0 引言

Mpanda 地區Sangu 碳酸巖位于坦桑尼亞西部，坦噶尼喀湖的東邊，行政區劃屬魯夸省，地理位置為30°25′～35′E 和06°40′～50′S。碳酸巖是指含碳酸鹽礦物含量大于50%（體積百分數）、二氧化硅含量小于10%（重量百分數）的火成巖石（woolley，1989；楊學明等，1998；茍瑞濤等，2019）。碳酸巖是稀土、釷、鈮的主要來源，也是鐵、重晶石、碳酸鈣、螢石和霞石的來源（Ohde and Mataragio，1999）。東部非洲地區的碳酸巖，普遍認為與東非裂谷系的活動有關（Bell and Tilton，2001；吳興源等，2019）。Coetzee（1963）開展了Sangu 碳酸巖的地質特征調查，并對Sr、Nb 的分布規律進行了研究，2014 年中色地科礦產勘查股份有限公司對Mpanda 地區進行了銅礦潛力評價，并對Sangu 碳酸巖進行了現場考察。筆者在參加了Mpanda 地區礦產評價項目基礎上，對Sangu 碳酸巖進行了少量樣品采集，結合近年來碳酸巖的研究成果，探討其形成、演化過程以及成礦意義，以期對該區碳酸巖研究及相關礦床找礦提供一定指示。

1 區域地質背景

Mpanda 地區位于坦桑尼亞克拉通的西南緣，構造格局為東非大裂谷西分支坦葛尼喀湖裂谷系統疊加在北西向Ubendian 造山帶上（圖1）。一般認為Ubendian 造山帶是坦桑尼亞克拉通和贊比亞克拉通碰撞的產物，形成于元古宙（于彩虹等，2015）。元古宇主要由烏賓迪（Ubendian）超群、布科巴（Bukoban）超群深度變質巖與角閃巖的混合巖構成，主構造線為北西走向，與坦葛尼喀湖裂谷和魯夸湖次級裂谷平行。Ubendian 造山帶內成礦條件優越，找礦潛力較大，發育有豐富的銅、金礦和沉積—變質型鐵錳礦床（點）。在世界已知的碳酸巖體近一半產于非洲，其中大多數的年齡小于200 Ma，與東非大裂谷有關（楊學明等，1998）。Ubendian 造山帶上由北西至南東，發育有Sangu、Ikola、Ngualla、Sengeri、Panda 碳酸雜巖體（圖1）。

圖1 坦桑尼亞大地構造圖（修改自郭鴻軍等，2009；吳興源等，2019）

2 研究區地質特征

2.1 地層

Mpanda 地區地層與維多利亞綠巖帶不同，地層主要為古元古界Ubende 群、Ufipa 群和中元古界If?ume 群（圖2）。

Ubende 群為研究區的基底，主要巖性為花崗片麻巖、斜長角閃巖、角閃石片巖（Uub）和石英巖（Uubq）等。巖石呈墨綠色，細粒變晶結構，片狀構造，片麻狀構造，局部條帶狀構造，主要礦物成分為角閃石、黑云母、石英、斜長石等。巖石蝕變強烈，以綠簾石化和綠泥石化為主，巖層產狀與區域構造基本一致，傾向南西，傾角50°～85°。與上伏Ifume 群砂礫巖（Ic）呈斷層接觸關系，與Sangu 群混合碳酸巖（Sc）呈侵入接觸關系。

Ufipa 群混合片麻巖分布于東南部的Karema 地塊，由眼球狀和條帶狀構造的黑云母片麻巖和角閃黑云片麻巖及石英巖組成。

Ifume 群（Ic）以長石礫巖為主，其分選性差。礫巖厚度較大，礫石呈橢圓狀或次圓狀，具有一定的磨圓度，分選性差，礫徑較小0.3～10 cm，最大15 cm。礫石成分復雜，主要有片麻巖、花崗巖、角閃巖、石英團塊等，局部地段礫石成分為碳酸巖，膠結物為泥質、硅質、細屑質，局部鐵質，可見赤鐵礦化。地層產狀傾向南西，傾角30°～70°。Ifume 群上部主要為紅色砂巖、粉砂巖和紅色頁巖，Sangu 碳酸巖主要侵入該群中。

2.2 構造

Muanda 地區位于烏賓迪活動帶卡拉戈維－安科瑞安斷裂內，構造形跡發育，存在同斜倒轉褶皺和韌、脆性斷裂，總體構造線為NW 向。

區域斷裂極為發育，南部為Karema 斷裂，北部為Ikola 斷裂（圖2），均屬于左旋走滑性質。斷裂構造走向大體平行分布，總體走向北西，局部北東走向，性質以左行脆－韌性擠壓剪切帶為主，帶內大多數巖石擠壓片理密集，主要巖石有糜棱巖、碎裂巖、絹云母片巖，石英脈巖，局部地段見有構造角礫巖。擠壓帶內普遍具有硅化、鉀化，局部見有褐鐵礦脈，偶見星點狀黃鐵礦化。

2.3 巖漿巖

研究區巖漿巖活動較頻繁、強烈。主要有鎂鐵—超鎂鐵質巖，Sangu 群碳酸雜巖體和黑云母花崗巖體（圖2）。

鎂鐵質—超鎂鐵質侵入巖（mub），主要為變輝石巖、榴輝巖和變橄欖巖。鎂鐵質—超鎂鐵質侵入巖與鐵礦化有關，橄欖巖體中賦存有細粒浸染狀鉻鐵礦，地表見貫入式致密塊狀鉻鐵礦體。在輝石巖和榴輝巖體中，局部見輝石偉晶巖。

黑云母花崗巖（gr），巖石呈肉紅色，細—中細粒結構，局部粗粒結構，塊狀構造，在擠壓帶附近為片麻狀構造。巖體中常見后期石英脈分布，大多呈長條狀與透鏡狀，巖體圍巖為角閃片巖，接觸處見硅化、鉀化、混合巖化，韌性剪切帶通過處，具片麻狀構造、眼球狀構造。中粒黑云母花崗巖侵入于混合片麻巖體中。

圖2 坦桑尼亞Mpanda 地區區域地質圖

此外Mpanda地區廣泛分布有石英脈、偉晶巖脈巖、輝綠巖巖脈，展布方向與主構造線一致，圍繞Sangu 碳酸巖，石英脈和偉晶巖脈較發育，局部發育有正長巖脈。

2.4 礦產

研究區內廣泛發育銅、金、鐵、錳礦床（點），主要位于Karema 和Ikola 斷裂構造帶之間（圖2），圍繞Sangu 碳酸巖分布。銅、金礦體賦礦巖性以Ubende 群斜長角閃巖、角閃石片巖（Uub）為主，鐵、錳礦礦體賦存于鐵錳質石英巖中，Sangu 碳酸巖中具有一定的鈮異常。Sangu 碳酸巖北西端為一小型銅礦床，產出于碳酸巖脈（Sc1）與Ubende 群斜長角閃巖接觸帶，氧化礦為孔雀石，原生礦主要為輝銅礦，其次為黃銅礦和斑銅礦，Cu 品位最高可達40%，屬于熱液成因。

3 Sangu 碳酸巖基本特征

3.1 分布

Sangu 碳酸巖體地表出露長約20 km，寬0.5～2 km，呈北西走向，出露面積為20 km2（圖2）。呈層狀、似層狀或巖墻狀產出，自東南至北西呈似喇叭狀，展布方向與區域構造線一致。Sangu 碳酸巖主要侵入于Ubende 群斜長角閃巖和Ifume 群砂礫巖之間，傾向北東，傾角50°～70°，推測碳酸巖為本區最年輕的地質體（仇厚文，2015）。

北部砂礫巖中見1 條長約6 km、寬10～50 m 的碳酸巖脈（Sc1）侵入（圖3），主要沿斷層侵入于砂礫巖中，地表出露寬度由西向東逐漸變窄，巖性為白云石碳酸巖和鐵碳酸巖，推測為后期侵入。根據鉆孔驗證，該脈體由地表至深部呈膨大趨勢（圖4），捕獲有角閃石片巖角礫。

3.2 巖性

Sangu 碳酸巖以白云方解石碳酸巖和白云石碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖。

白云方解石碳酸巖（圖5a），巖石呈灰白、白色，中細粒結構，塊狀構造。主要礦物成分以方解石為主，其次為白云石和磷灰石，含有少量石英、角閃石、磁鐵礦、金云母、綠泥石和白云母等礦物，巖石風化表面常見有鈣質結膜現象，局部地段硅化較強。方解石碳酸巖與白云石碳酸巖接觸關系尚不清楚。

圖3 Sangu 碳酸巖北西部地質簡圖

圖4 A—A’地質剖面圖

白云石碳酸巖，巖石呈灰白、白色、米黃色、深紅色，中細粒結構，塊狀構造。主要礦物成分為白云石、方解石，少量黑云母。白云質含量較高地段，地表風化可見刀砍紋（圖5b）。

鐵碳酸巖主要分布北部的巖脈中，以含鐵氧化物礦物為顯著特征（圖5c）。鐵氧化物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦，巖石呈灰白色、灰色，中粒至粗粒結構，塊狀構造，局部呈角礫狀構造，裂隙面中充填有黑云母等暗色礦物。

Sangu 碳酸巖和圍巖的蝕變較強烈，可見綠泥石化、碳酸鹽化、鉀化、硅化、炭化等，局部可見星點狀、浸染狀、角礫狀硫化物礦化（圖5d），偶見脈狀、團塊狀黃鐵礦化，含少量黃銅礦化。

4 地球化學特征

4.1 稀土元素

碳酸巖與堿性火成巖一般被認為是稀土元素（REEs）及Nb－Ta－P 等高場強元素的良好載體（吳興源等，2019）。筆者針對Sangu 碳酸巖采集樣品3件，由中國冶金地質總局一局測試中心實驗室完成稀土元素測試，測定方法為電感耦合等離子體質譜法，結果詳見表1，同時將它們與Panda 的碳酸巖進行了對比。

Sangu 碳酸巖的稀土元素進行球粒隕石標準化配分，球粒隕石豐度值采用Boynton（1984）提出的標準值。從標準化配分模式圖（圖6a）可看出，輕稀土元素配分曲線向右陡傾，表現為輕稀土（LREE）富集，重稀土相對虧損的特征，這與世界各地碳酸巖都表現為富集LREE 特征也是吻合的，是包括碳酸巖在內的基性到中性火成巖的典型特征（Ohde and Mataragio，1999）。Sangu 碳酸巖的稀土元素總量變化范圍較小，所有樣品均未表現出明顯Eu 異常，稀土總量為529.23×10－6～572.35×10－6，輕稀土元素（LREE）含量為456.47×10－6～495.42×10－6，重稀土元素（HREE）含量72.76×10－6～86.34×10－6。

稀土分餾系數（La/Yb）N＝21.2～28.2，輕、重稀土元素分異明顯，輕稀土分餾系數（La/Sm）N值一般為2.90～3.67，重稀土分餾系數（Gd/Yb）N值一般為4.80～4.97，反映重稀土分餾程度較輕稀土的略高，說明兩者基本處于同一個環境條件下分異的（李鳳鳴和顏芳林，2015）。

圖5 Sangu 碳酸巖巖石及蝕變特征

從輕、重稀土元素含量以及輕、重稀土元素的分異程度來看，與同一造山帶的Panda 碳酸巖（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吳興源等，2019）具有類似的特征（圖6a），和新疆瓦吉里塔格碳酸巖稀土礦床也較相似（李鳳鳴和顏芳林，2015）。

4.2 土壤地球化學

圖6 Sangu 碳酸巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖（a）及次生暈元素對比圖（b）（圖a 修改自楊學明等，1998；吳興源等，2019）

表1 稀土元素分析 ωB/10－6

表2 土壤地球化學分析 ωB/10－6

本次研究采集土壤地球化學樣品429 件，其中針對Sangu 碳酸巖采集71 件，采樣介質為B 層細粒級物質，深度一般在地表以下10～50 cm。分析采用便攜式XRF 分析儀（X Ray Fluorescence）檢測，根據3%的檢查樣驗證，測試數據合格率為100%。碳酸巖中的微量元素可作為研究大陸上地幔性質的化學示蹤劑（Ohde and Mataragio，1999），通常含有高的Sr、Ba、LREE、Nb、Th 和低的Rb、K、HREE 含量，明顯不同于任何沉積成因的石灰巖和白云巖（Wool?ley，1989；楊學明等，1998），可以指示其形成時的大地構造背景和地幔交代作用。

根據土壤地球化學測量分析結果（表2），Sangu碳酸巖的Cu、Zn、Ag、As、Pt、Sr、Th 元素均高于全區巖石，Sr、Th 元素平均值分別為543×10－6、108×10－6，全區的平均值為276×10－6、41×10－6，Sangu 碳酸巖明顯高于全區（圖6b）。Sangu 碳酸巖的Pb、Rb元素平均值分別為7.22×10－6、48×10－6，全區平均值為17.05×10－6、78×10－6，具有偏低的特征。土壤地球化學測量成果不能代表碳酸巖元素含量，但通過碳酸巖的元素富集特征，可以得出Sangu 碳酸巖與其他典型碳酸巖具有相同元素分布特征。

5 討論

5.1 Sangu 碳酸巖形成及演化

碳酸巖作為揭示地幔地球化學動力學的“探針巖石”通常形成于陸內裂谷環境，但大洋背景或造山帶地區也可以產出碳酸巖（Tilton et al.，1998；Hou et al.，2006），還可能出露在洋島之中（Le Bas，1989；楊學明等，1998）。Sangu 碳酸巖所處的Ubendian 造山帶，位于東非大裂谷中，與世界其他地區碳酸巖的產出環境相似。

碳酸巖的地球化學特征明顯不同于沉積成因的石灰巖和白云巖，可以指示其形成時的大地構造背景和地幔交代作用。Coetzee（1963）的研究成果顯示Sangu 碳酸巖的Sr 含量0.04%～0.39%，高于圍巖的Sr 含量（0.01%～0.06%），同時高于北美的沉積型碳酸鹽巖（Sr 0.01%～0.14%），并指出Sangu 碳酸巖主要為火成巖或巖漿成因。碳酸巖最大的特征標志是在其巖漿通過的上部地殼圍巖中發生以富含堿質（鈉或者鉀）的霓長巖化作用（楊學明等，1998）。在Sangu 碳酸巖周邊發育有較多的鈉長巖，鈉長巖中發育有含銅石英脈，其南緣與角閃巖接觸帶中，發育有霓石—鈉長巖脈。Ubende 群斜長角閃巖、角閃石片巖蝕變較強烈，主要包括綠泥石化、碳酸鹽化、鉀長石化、黃鐵礦化等，可見少量正長石脈。這些蝕變是碳酸巖漿脫堿而引起圍巖發生堿質交代作用所形成的（楊學明等，1998）。

稀土元素特征表明，Sangu 碳酸巖可能是由純熔體體系演化而來，富含Sr、Ba 和LREE，虧損Rb、K和HREE 是碳酸橄欖巖部分熔融的主要巖漿特征（Ohde and Mataragio，1999）。Bell and Tilton（2001）通過Pb 同位素特征分析，顯示東非碳酸巖主要來源于下地幔中的低速帶區域，由地幔橄欖巖部分熔融而來（Ohde and Mataragio，1999；Bizimis et al.，2003；吳興源等，2019），經熔融程度不同的和不連續的部分熔融作用而形成堿質巖漿，后又經液態不混溶作用形成碳酸質熔體，碳酸質熔體由于其粘性而具有快速分離的能力。

碳酸巖按主要元素化學成分，可以分為鈣質、鎂質、鐵質和堿質碳酸巖4 種化學類型（茍瑞濤等，2019）。單個碳酸巖雜巖體完整的演化序列通常是：粗粒鈣質碳酸巖—細粒鈣質碳酸巖＋鎂質碳酸巖—鐵質碳酸巖—細脈/網脈狀鈣質碳酸巖，在碳酸巖漿分異演化的晚階段常常出現稀土的成礦作用（Woolley，1989）。Sangu 碳酸巖以鎂質和鈣質碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖，外圍發育有脈狀碳酸巖，說明碳酸巖漿在Sangu 地區發生了較完整的演化，在晚階段具備稀土礦成礦條件。

5.2 Sangu 碳酸巖成礦指示意義

根據地球化學特征和蝕變礦化特征，Ubendian造山帶Sangu、Ngualla、Panda 碳酸巖的形成可能是由地幔橄欖巖部分熔融而來，地幔柱活動引發一些古斷裂活化，碳酸質熔體沿著這些重新活化的斷裂帶快速上升、就位形成（吳興源等，2019）。碳酸巖－堿性巖熔漿在上升過程中帶來了成礦物質（朱志敏等，2008），富集成一系列金屬和非金屬礦床，包括稀土、稀有、銅、金、鐵和鎳等礦產（茍瑞濤等，2019），如Sangu 碳酸巖南東方向400 km 的Ngualla碳酸巖型鐠釹稀土礦床（Witt et al.，2019）和600 km的Panda 碳酸巖型鈮礦床（吳興源等，2019）。Mpanda 地區圍繞Sangu 碳酸巖周圍，銅、金、鐵、錳等礦床較發育，說明在碳酸巖就位過程中，為金屬礦床的成礦作用提供流體來源。如Sangu 碳酸巖南東側發育有與其平行的鐵錳石英巖，礦石礦物主要為磁鐵礦，長度約5 km，推測為碳酸巖早期分異析出富集。

圖7 Sangu 碳酸巖的Nb 含量直方圖（修改自Coetzee，1963）

區域資料顯示，Sangu 碳酸巖中具有一定的鈮異常，鈮的含量集中在1×10－6～40×10－6（圖7，Coe?tzee，1963），與Panda 碳酸巖型鈮礦床特征相似，鈮礦床主要與不同類型的深成堿性巖體中發現的碳酸巖有關（Mitchell，2015），鈮元素的富集一般發生在碳酸巖形成的晚期（茍瑞濤等，2019），碳酸巖風化后可能形成大量富含鈮、稀土的紅土型礦床（李以科等，2019）。Witt et al.（2019）在Sangu 南部的Ngualla 碳酸巖型鐠釹稀土礦床的研究中發現碳酸巖礦體是晚期熱液作用的產物，富稀土元素的熱液在遷移過程中，流體冷卻和大氣降水混合致使稀土絡合物的分解可能是主要的礦化機制（鄭旭等，2019）。

6 結論

（1）Sangu 碳酸巖稀土元素呈現為輕稀土富集的右傾分布型式，輕、重稀土分異明顯且無Ce、Eu 異常。Sr、Th 含量高于全區巖石，而Rb 含量相對較低。

（2）Sangu 碳酸巖以鈣質碳酸巖和白云石碳酸巖為主，其次為鐵碳酸巖，外圍發育有脈狀碳酸巖，具有完整的演化過程。

（3）根據Sangu 碳酸巖的地球化學特征，推測其由地幔橄欖巖部分熔融而來，地幔柱活動引發Ubendian 造山帶內部古斷裂活化，碳酸質熔體沿著這些重新活化的斷裂帶快速上升，上升過程中富集成一系列稀土和金屬礦床。

致謝本文在野外調查和采樣過程中得到了中色地科礦產勘查股份有限公司董少波教授級高級工程師的指導和幫助，編寫過程中得到了北京中資環鉆探有限公司陳德穩教授級高級工程師的指導，成文期間審稿專家提出了寶貴的修改意見，在此致以誠摯的感謝。