鄂西北地區堿性巖—碳酸巖及相關鈮鉭—稀土礦研究與勘查進展

魯顯松， 周 豹， 孫 騰， 朱 金， 冷雙梁， 熊意林

(湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034)

鈮和鉭是重要的稀有金屬元素，由于其高熔點、高沸點，具有耐腐蝕性、超導性、單級導電性和在高溫下強度高等特性，是原子能、宇航、鋼鐵合金、化工等工業的重要原料,并且其在國防、能源、高新技術和醫療領域具有不可替代的特點；稀土元素廣泛應用于現代高新產業，被譽為高新產業的維生素，中國、美國及歐盟等國家或地區均將鈮鉭、稀土列為重要的戰略性礦產資源。隨著全球多領域新技術融合創新步伐的加快以及國家對新興產業發展支持力度的加大，支撐其發展的戰略性礦產資源將在世界各國新一輪的經濟、科技角逐中扮演至關重要的角色。進一步加強相關礦產資源的找礦勘查及理論研究工作十分必要。

鄂西北地區廣泛出露一套堿性巖—碳酸巖，該套堿性巖—碳酸巖與鈮鉭—稀土礦成礦關系密切。湖北省地質局自上世紀80年代以來，在鄂西北兩竹地區陸續發現了廟埡特大型鈮稀土礦床和眾多諸如殺熊洞等鈮稀土礦點；近年來，湖北省地質調查院等單位相繼在兩竹地區勘查發現了天寶、巖屋溝—青巖溝、土地嶺等十多處鈮(鉭)礦床點。廟埡鈮稀土礦床經詳查—初勘工作探明儲量：鈮(Nb2O5)92.9萬t、輕稀土氧化物121.5萬t[1]，巖屋溝—青巖溝鈮礦床經普查工作初步估算潛在礦產資源：鈮(Nb2O5)94.43萬t(1)湖北省地質調查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區鈮多金屬礦普查報告，2021。，土地嶺鈮鉭礦床經預查工作初步估算潛在礦產資源:鉭(Ta2O5)2 681 t、鈮(Nb2O5)10.48萬t(2)湖北省地質調查院，湖北省竹山縣土地嶺礦區鉭礦預查報告，2020。，顯示出區內巨大的鈮鉭、稀土礦資源潛力。通過幾代地質人的不懈努力，湖北省地質局在鄂西北地區的鈮鉭—稀土找礦工作取得了豐碩的成果，同時鄂西北地區也逐漸成為了中國重要的稀有稀土礦產資源后備基地。前人對鄂西北地區堿性巖—碳酸巖及其相關的鈮鉭—稀土礦床開展了大量的研究工作，積累了大量的元素地球化學、同位素地球化學及年代學資料，同時也形成了許多重要的認識。本文對鄂西北地區鈮鉭—稀土礦的理論研究及礦產勘查工作取得的認識和成果進行系統性的總結，以供后續的研究和勘查工作借鑒。

1 地質背景

秦嶺造山帶是華北和揚子兩大板塊拼合帶，經歷了多期次、多階段的碰撞—擴張—聚合的演化過程[2-4]，發育2條重要的縫合帶，即北部的商丹縫合帶[5-8]和南部的勉略縫合帶[3,9-11]。新元古代晚期—早中生代初期板塊俯沖—碰撞的構造體制造就了秦嶺造山帶的基本構造格局[12-13]。研究區位于南秦嶺造山帶中段北大巴山弧形構造帶內，武當隆起西緣，青峰—襄廣斷裂北側(圖1)。區域上主要出露南華系武當巖群—志留系梅子埡組中—淺變質地層。巖漿活動較為強烈，主要發育有晚元古代輝綠(長)巖、早古生代基性巖和堿性雜巖群。主體構造呈北西向，發育的區域大斷裂有安康—竹山斷裂和紅椿壩—曾家壩斷裂以及一系列疊瓦狀逆沖推覆構造體，與近東西向、北東向脆性斷裂相互交切形成條塊網格結構。

圖1 研究區大地構造位置示意圖(a圖據參考文獻[12]修改)和堿性巖漿巖分布示意圖(b圖據參考文獻[14]修改)Fig.1 The map of tectonic position and distribution of alkaline magmatic rocks in the study area1.新元古代地層；2.古生代地層；3.基性巖；4.正長巖—碳酸巖雜巖體；5.粗面質火山巖；F1.魯山斷裂；F2.商丹斷裂；F3.青峰—襄廣斷裂；F4.紅椿壩—曾家壩斷裂；F5.安康—竹山斷裂；F6.十堰斷裂。

2 堿性巖—碳酸巖及鈮鉭—稀土礦時空分布特征

鄂西北地區堿性巖—碳酸巖及其相關鈮鉭—稀土礦床主要受北西向構造控制，呈北西向帶狀展布，可分為東、西兩個密集帶(圖2)。東帶分布于竹山縣的廟埡—殺熊洞一帶，沿安康—竹山斷裂展布，該帶內已發現廟埡鈮稀土礦、殺熊洞鈮稀土礦、土地嶺鈮鉭礦等礦床及多處鈮(鉭)礦點。西帶分布于竹溪縣蔣家堰—天寶一帶，沿紅椿壩—曾家壩斷裂展布，該帶內已發現天寶鈮礦、巖屋溝—青巖溝鈮礦及蔣家堰鈮礦等礦床，并在長達幾—十幾千米長的堿性火山巖系中發現近十處鈮礦點。

圖2 鄂西北地區鈮鉭—稀土礦床分布圖Fig.2 Distribution map of Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province1.正長巖—碳酸巖雜巖體；2.粗面質火山巖；3.基性巖；4.斷層；5.鈮鉭—稀土礦床;F1.青峰—襄廣斷裂；F2.紅椿壩—曾家壩斷裂；F3.安康—竹山斷裂。

關于研究區內堿性巖—碳酸巖的形成時間，前人的研究獲得過不同的認識，但近年來，對廟埡雜巖體(正長巖、碳酸巖)、殺熊洞雜巖體(正長巖、碳酸巖)、天寶粗面巖及土地嶺粗面巖類的大量年代學研究表明(表1)，鄂西北地區堿性巖—碳酸巖形成于早志留世[14-21]，其巖漿活動時間峰值為420～440 Ma。部分學者在碳酸巖—正長巖雜巖體(廟埡、殺熊洞)的獨居石、鈮鐵礦中獲得一組三疊紀年齡(230～440 Ma)[16-19]，該組年齡為三疊紀熱液活動所致[17-19]。

表1 鄂西北地區堿性巖—碳酸巖巖漿活動年代表Table 1 Chronology of alkaline-carbonatite magmatism innorthwestern Hubei Province

3 堿性巖—碳酸巖及相關典型礦床特征

鄂西北地區鈮鉭—稀土礦床的產出與堿性巖—碳酸巖巖漿活動密切相關，隨著巖漿的上侵—噴發沉積在不同的巖相形成不同的巖石類型和礦種組合，也構成不同的礦床成因類型(表2)。在侵入相中形成與正長巖—碳酸巖有關的巖漿巖型鈮稀土礦床(廟埡、殺熊洞)；在爆發—溢流相中形成與粗面質熔巖、粗面質火山角礫巖有關的火山巖型鈮礦(天寶)；在噴發—沉積相中形成與粗面質凝灰巖、粗面質火山碎屑巖有關的火山沉積型鈮鉭礦(土地嶺)[14]。

表2 鄂西北地區典型鈮鉭—稀土礦床特征表Table 2 Characteristics of typical Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province

3.1 廟埡鈮稀土礦床

廟埡含礦雜巖體呈近東西走向，向北傾斜，形似紡錘形。含礦雜巖體沿構造脆弱帶侵入，雜巖體與地表圍巖產狀相同，與區域構造線方向一致，具北緩南陡的特點。

巖體在侵入冷凝過程中形成不同結構的正長巖，并受碳酸巖化交代作用的影響，形成一套獨有的蝕變正長巖類和碳酸巖類的巖石。根據巖石的結構、構造及礦物成分、含礦性等特點將區內巖漿巖劃分成兩個大類——正長巖和碳酸巖,其中正長巖類主要包括正長巖、碳酸巖化正長巖、正長斑巖,碳酸巖類主要包括粗粒方解石碳酸巖、黑云母方解石碳酸巖、方解石碳酸巖和鐵白云石碳酸巖[1,18,22]。正長巖分布最廣泛，主要礦物為微斜長石和正長石，主要副礦物為鋯石，正長巖普遍受到后期碳酸巖巖漿交代；正長斑巖主要礦物為微斜長石和正長石，斑晶主要為正長石，搭成正三角形，細粒長石填充其中。碳酸巖呈大小不等的透鏡體或樹枝分叉復合體位于正長巖中，方解石碳酸巖的形成早于鐵白云石碳酸巖[18]。方解石碳酸巖主要礦物為方解石，少量磷灰石；鐵白云石碳酸巖主要礦物為鐵白云石、螢石、方解石，并有少量磷灰石[18]，碳酸巖類副礦物種類十分復雜。

廟埡鈮稀土礦床在成因上屬于與正長巖—碳酸巖侵入體有關的巖漿型礦床，廟埡雜巖體即是礦化體。全區共圈定礦體45個，其中鈮稀土礦體24個、鈮礦體14個、稀土礦體9個，礦體規模差異大。礦化富集與一定的巖相帶、蝕變帶有關，正長斑巖、(黑云母)方解石碳酸巖鈮稀土礦化發育；正長巖、碳酸巖化正長巖以鈮礦化為主，并有一定量的稀土礦化；(黑云母)方解石碳酸巖、方解石碳酸巖多構成規模大品位富的鈮礦體；鐵白云石碳酸巖多是高品位的稀土礦體。含鈮礦物有鈮鐵礦、鈮金紅石、燒綠石等礦物，稀土礦物有獨居石、氟碳鈰礦、氟碳鈣鈰礦、磷灰石等礦物。

3.2 天寶鈮礦床

天寶鈮礦床是湖北省地質調查院近年來新發現的大型鈮礦床，該礦床規模大、品位穩定。礦化體主要賦存于早志留世粗面質火山巖類中，受區域構造控制呈北西向展布[23]，在竹溪縣巖屋溝—青巖溝—天寶一帶初步圈定4條鈮礦化帶，礦化帶延伸達數千米。含礦巖系有粗面質晶屑熔結凝灰巖、粗面巖、粗面質熔結火山角礫巖等，粗面質火山巖類具有比較明顯的流動構造，主體為一套火山溢流相物質。粗面質熔巖中發育鉀長石和黑云母晶屑，膠結物礦物成分為微晶鉀長石、絹云母、黑云母等。

天寶鈮礦床在成因上屬于與粗面質火山巖有關的火山巖型礦床，楊成等[24]認為該礦床兼具有巖漿熱液型礦床的特征，主要含鈮礦物有易解石、燒綠石、鈦鐵礦、榍石等；稀土礦物以褐簾石為主，少量興安石和氟碳鈰礦，微量獨居石和氟碳鈣鈰礦(3)湖北省地質調查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區鈮多金屬礦普查報告，2021。。該礦床巖屋溝—青巖溝礦段普查工作估算潛在礦產資源：Nb2O594.43萬t，達特大型礦床規模(4)湖北省地質調查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區鈮多金屬礦普查報告，2021。。

3.3 土地嶺鈮鉭礦床

土地嶺鈮鉭礦床也是湖北省地質調查院近年來新發現的大型鈮鉭礦床。礦體主要賦存于志留系梅子埡組底部的一套粗面質火山巖、粗面質火山碎屑沉積巖中，呈近東西—北西西向展布，呈似層狀、脈狀、透鏡狀產出，產狀較穩定，含礦巖石主要為粗面巖、粗面質熔結凝灰巖、粗面質(晶屑)凝灰巖、(含晶屑)凝灰質絹云千枚巖[14，25-26]。區內共圈定6條礦體，其中鈮礦體2條、鈮鉭礦體2條、鈮(鉭)礦體2條，鈮礦體主要賦存于溢流相的粗面巖中，礦化程度與天寶鈮礦相當；鈮鉭礦體主要賦存于噴發—沉積相中的粗面質火山碎屑沉積巖中，其礦化程度約為鈮礦體的2～3倍。粗面質熔巖主要礦物為堿性長石、斜長石，少量絹云母等礦物；粗面質火山碎屑沉積巖中主要礦物為絹云母、堿性長石，少量石英等礦物。

土地嶺鈮鉭礦床在成因上屬于與粗面質火山巖、粗面質火山碎屑巖有關的火山—沉積型礦床。對鈮鉭礦石的礦物學研究表明，主要的含鈮鉭礦物有鈮鐵礦、鈮金紅石、含鈮鈦鐵礦、含鈮榍石、硅鋯鈮鈣鈉石，并且80%以上的鈮鉭主要是賦存于獨立礦物鈮鐵礦中(5)湖北省地質調查院，鄂西北地區火山巖型鉭鈮礦成礦機理與成礦預測研究報告，2020。。該礦床經工程驗證估算的潛在礦產資源：Ta2O52 681 t，Nb2O510.48萬t(6)湖北省地質調查院，湖北省竹山縣土地嶺礦區鉭礦預查報告，2020。，達大型鈮鉭礦床規模。并且該礦床進一步的勘查工作顯示，礦體向深部延伸穩定，有望擴大礦床規模。

4 巖石成因和源區

前人研究表明[14，20-21,24]，鄂西北地區堿性火山巖地球化學特征相似，全堿含量高，強烈富集Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素，虧損Sr、Ti、P等元素，與OIB具有相似的地球化學特征。萬俊等[21]研究認為天寶粗面巖可能形成于幔源堿性巖漿的結晶分異作用；魯顯松等[14]認為土地嶺粗面質火山巖是幔源玄武質巖漿演化的產物；王剛等[27]認為鄰區紫陽—嵐皋地區粗面巖及堿性玄武巖形成于幔源巖漿強烈的結晶分異作用;Zhu Jiang等[15]、Xu C等[28]認為廟埡、殺熊洞雜巖體中正長巖類與碳酸巖類密切共生，應為同源不同階段演化的產物，廟埡碳酸巖可能由富CO2的堿性硅酸鹽熔漿經多階段結晶分異而形成，是正長巖巖漿期后熔體/流體結晶分異的產物；Su等[18]研究認為液態不混溶可能是廟埡碳酸巖的主要成因，富CO2的硅酸鹽巖漿結晶分異形成正長巖，不混溶形成了碳酸巖母巖漿，碳酸巖巖漿結晶分異形成了碳酸巖；Xu C等[20]認為殺熊洞雜巖體地球化學特征及Sr-Nd同位素特征表明，堿性巖類與碳酸巖類均起源富CO2的堿性硅酸鹽熔漿，并經過強烈的結晶分異作用形成。以上研究表明，正長巖—碳酸巖雜巖體是富CO2堿性硅酸鹽巖漿演化的產物，但其成因是液態不混溶作用，抑或是巖漿結晶分異作用，目前還存在一定爭論。

從已報道的同位素數據來看，殺熊洞正長巖及碳酸巖具有相似的87Sr/86Sr比值(分別為0.702 9～0.703 3和0.703 0～0.703 2)和εNd(t)值(分別為2.8～4，2.5～6)[20]；廟埡正長巖及碳酸巖亦具有相似的87Sr/86Sr比值(分別為0.701 1～0.705 2和0.703 6～0.704 1)和εNd(t)值(分別為2.6～5.5，1.0～3.2)[16,18]，同時也具有相似的鋯石Hf同位素組成(εHf(t)值范圍為0～8)[16]；天寶地區粗面巖的εNd(t)值為3.3～4.0，TDM為0.84～0.90 Ga[29]。根據以上同位素特征，結合前述近同時的成巖年齡來看，堿性巖與碳酸巖很可能為同一幔源巖漿演化的產物。

綜上所述，鄂西北地區堿性巖、碳酸巖在形成時間上是近同時的(420～440 Ma)，形成于早志留紀；在空間上均受北西向區域深大斷裂控制，其時空關系上存在緊密聯系。結合其相似的地球化學及同位素特征認為，鄂西北地區堿性巖、碳酸巖為同一構造—巖漿事件的產物，起源于幔源玄武質巖漿的演化，具有HIMU、EM1和EM2的混合源區特征[15-16]，可能與殼源物質再循環進入軟流圈地幔有關[30-32]。

5 動力學背景

南秦嶺地區廣泛出露的早古生代堿性巖、碳酸巖的產出背景主要有兩種模式：①大陸裂谷的強烈伸展環境[21,24,31]；②弧后盆地拉張環境[27,33-35]。這兩種模式所指示的拉張環境以及廣泛發育的堿性巖—碳酸巖，表明南秦嶺竹山—竹溪地區在早古生代處于巖石圈強烈伸展背景下，并存在幔源巖漿底侵上涌。自元古代中期到早古生代末，南秦嶺地區揚子板塊北緣持續發生伸展裂解活動[13]，在晚泥盆世—早志留世，商丹洋和二郎坪洋洋殼分別向北秦嶺陸塊相向俯沖[3]。萬俊等[21]、魯顯松等[14]對天寶粗面巖、土地嶺粗面質火山巖地球化學構造環境判別均顯示為板內環境。以上表明，很可能是商丹洋洋殼的持續向北的俯沖作用，由于拉張作用在揚子板塊北緣形成了被動大陸邊緣裂谷，導致了南秦嶺地塊從揚子板塊分離，形成這些早古生代巖漿巖。

6 鈮鉭—稀土富集機制

對火山巖型鈮礦床Nb-Ta富集機制還存有“巖漿結晶分異說”[36]以及“熱液蝕變說”[24,26]之爭。朱江等[36]認為堿性火山巖鈮(鉭)礦床成巖與成礦過程基本一致，巖漿結晶分異的過程即為鈮鉭元素富集的過程；而鐘石玉等[24,26]認為巖漿晚期富F、CO2等揮發分的熱液流體使鈮鉭元素進一步活化富集。土地嶺、天寶地區粗面質火山巖經歷了強烈的結晶分異過程[14,21]，Nb、Ta為強不相容元素，其在巖漿演化過程中傾向富集于殘留熔體中，土地嶺鈮鉭礦、天寶鈮礦的熱液活動跡象并不明顯，礦石品位高低與蝕變作用并無明顯關系。這些證據都表明，火山巖型鈮(鉭)礦床中鈮鉭元素的富集與巖漿結晶分異作用關系密切，而與熱液蝕變作用關系不大。

7 結語

(1) 鄂西北地區富鈮鉭—稀土礦的堿性巖—碳酸巖形成于早志留世，其巖漿活動時間峰值范圍為420～440 Ma。

(2) 鄂西北地區的堿性巖與碳酸巖為幔源玄武質巖漿演化的產物，具有HIMU、EM1和EM2的混合源區特征，可能與殼源物質再循環進入軟流圈地幔有關；其形成背景可能為早古生代商丹洋洋殼的持續向北的俯沖，由于拉張作用在揚子板塊北緣形成被動大陸邊緣裂谷環境。