豫西破山洞礦區堿性巖地球化學及稀土元素礦化特征

尤文卉，李山坡，呂憲河 ，魯培慶，胡紅雷 ，杜保峰 ，潘小娜，寧勇，崔振

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心， 河南 鄭州 450046； 2.河南省地質調查院/河南省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 3.河南省自然資源科學研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

1 區域地質背景

圖1 河南省構造分區簡圖(a)和龍王巖體地質簡圖(b據賴素星和李鋼，2019)I—華北克拉通，II—秦嶺造山帶，F—欒川—確山—固始深大斷裂帶；Pz1T—下古生界陶灣群，Pt3L—新元古界欒川群，Pt2G—中元古界官道口群，Pt2X—中元古界熊耳群，Ar3T—太古界太華群，γ53-1—燕山期酸性侵入巖，ηγ2—中元古代正長花崗巖，ν23—新元古代變輝長巖，ηπ2—新元古代正長斑巖，1—地層界線；2—斷層及編號，F1—欒川—確山—固始深大斷裂帶、F2—赤土店斷裂帶、F3—馬超營斷裂帶；3—破山洞礦區

2 巖體特征與礦床地質

2.1 巖體地質特征

圖2 破山洞礦區地質簡圖1 —新生界第四系全新統沖積物；2—新生界第四系上更新統洪沖積物；3—太古界太華巖群；4—中元古代龍王巖體第四次侵入:細粒正長巖；5—中元古代龍王巖體第四次侵入:正長斑巖；6—中元古代龍王巖體第三次侵入:大斑狀粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖；7—中元古代龍王巖體第二次侵入：粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖；8—石英脈；9—正長巖脈；10—流紋斑巖脈；11—正長斑巖脈；12—石英正長巖脈；13—閃長巖脈；14—鉀化帶；15—綠泥石化帶；16—硅化帶；17—褐鐵礦化帶；18—碎裂帶；19—片理化帶；20—實測地質界線；21—侵入界線；22—脈動接觸界線；23—逆斷層及產狀；24—節理；25—稀土礦化脈；26—銅礦化點；27—螢石礦化點；28—本次采樣位置

粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖：巖石呈淺灰紅色，中粗粒不等粒結構，塊狀構造。主要礦物為鉀長石(52%～72%)、斜長石(4%～12%)、石英(22%～26%)、鈉鐵閃石(5%～15%)，少量的磁鐵礦、綠簾石、獨居石。鉀長石由正長石和條紋長石組成；斜長石多為鉀長石交代僅有少量殘留；鈉鐵閃石多呈半自形-不規則板柱狀，常聚集成5～12 mm團塊不均勻分布(圖3)。

圖3 鈉鐵閃石正長花崗巖樣品野外照片a—鈉鐵閃石正長巖;b—鈉鐵閃石正長巖中螢石;c—正長偉晶巖;d—晶洞

2.2 礦化特征

礦區內出露的堿性巖體稀土元素含量背景值較高，但是達到礦化品位以上的礦體主要賦存于中粗粒鈉鐵閃石正長花崗巖中，礦體與圍巖沒有明顯界限，礦區內巖石均有不同程度的黑云母化、絹云母化、綠簾石化、螢石化及片麻理化等。

河南省地質調查院在該區實施礦產地質調查項目時，在破山洞礦區初步圈出6個稀土礦化體(圖2)，總體呈北西-南東向帶狀展布，礦體主要呈囊狀、透鏡體狀，與巖體產狀一致。礦體出露長度100～200 m，平均厚度6.69～54.96 m，TRE2O3平均品位0.16%～0.21%，并伴生有Zr，品位0.059%～0.067%。礦體與圍巖沒有明顯的界線，呈漸變過渡關系。礦化的鈉鐵閃石正長巖發育有螢石礦化。

2.3 礦石礦物

含礦巖石的結構構造主要為自形粒狀結構、塊狀構造。含礦巖石中主要稀土礦物為獨居石、氟碳鈰礦。獨居石呈黃綠色，半自形粒狀，粒徑0.01～0.05 mm，零散分布。氟碳鈰礦呈黃色，他形粒狀，粒徑0.01～0.1 mm，玻璃光澤或油脂光澤，透明—半透明，正高突起，高級白干涉色。

2.4 熱液蝕變

破山洞一帶鈉鐵閃石正長花崗巖巖石新鮮，變形較強烈，整體經歷了中低溫熱液蝕變作用。熱液蝕變類型主要為鉀長石化、黑云母化、絹云母化、綠簾石化和綠泥石化。斜長石被鉀長石交代，呈不規則狀殘留(圖4a、b)；鉀長石(微紋長石)交代石英，使石英呈不規則港灣狀殘留(圖4d)；鈉鐵閃石被螺紋鱗片狀黑云母交代呈其假象，具交代假象結構(圖4c)。螢石鑲嵌于角閃石和正長石礦物間隙中，與稀土礦較為密切，一般螢石礦化較明顯的巖石中，稀土元素含量相對較高。

3 采樣及分析測試方法

為研究破山洞礦化鈉鐵閃石正長花崗巖地球化學特征，本次野外在地表及探槽工程中采集了PH-H2、PH-H3、PH-H4、PH-H5、PH-H6、PH-H7、PH-H8等7件樣品，樣品相對新鮮，無明顯的礦化蝕變(表1，圖4)。送自然資源部武漢礦產資源監督檢測中心進行主量、微量及稀土元素測試。主量元素分析采用儀器為RIX2100型X射線熒光光譜儀，樣品分析精度優于 5%；稀土元素和微量元素分析采用儀器為Agilent7500a ICP-MS，分析精度優于10%。

表1 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖主量元素(%)與微量元素(10-6)含量

續表1

續表1

圖4 鈉鐵閃石正長花崗巖鏡下照片a、b—斜長石被鉀長石交代，呈不規則狀殘留；c—鈉鐵閃石被螺紋鱗片狀黑云母交代呈其假象; d—鉀長石(微紋長石)交代石英，使石英呈不規則港灣狀殘留；e —獨居石顆粒(單偏光);f—獨居石顆粒(正交偏光)

4 巖石地球化學特征

4.1 主量元素化學特征

破山洞一帶鈉鐵閃石正長花崗巖SiO2含量較高，平均72.10%；Al2O3含量13.06%～14.07%, 平均13.53%；MnO含量0.26%～0.51%，平均0.06%；Fe2O3含量2.47%～3.26%，平均2.62%；堿值為8.61～9.22，K2O/Na2O為1.84～2.54，A/CNK為1.13～1.27。在TAS圖解(圖5a)中，樣品均落入亞堿性巖系列的花崗巖區域；在A/NK～A/CNK圖解(圖5b)中均落入過鋁質范圍內；在ω(K2O)-ω(SiO2)圖解(圖5c)中，樣品均落入鉀玄巖系列巖石區域。

圖5 巖體TAS圖解(a)、A/NK-A/CNK圖解(b)、w(K2O)-w(SiO2)圖解(c)和w(SiO2)-AR圖解(d)(a底圖據Wilson, 1989 ;b底圖據Maniar and Piccoli, 1989;c底圖實線據Peccerillo and Taylor, 1976; 虛線據Middlemost, 1985;d底圖據Wright, 1969)

4.2 微量元素地球化學特征

破山洞礦區鈉鐵閃石正長花崗巖明顯富集稀土元素，稀土含量為1177×10-6～1709×10-6(表1)，但波動范圍較大，顯示稀土元素礦化不均勻的特征，與野外地質現象一致。稀土元素顯示輕稀土富集的特征(LaN/YbN=18.66～31.41)，Eu負異常(δEu=0.16～0.24)，REE分布模式呈海鷗型，顯示為高演化巖漿的產物(圖6a)。原始地幔標準化蛛網圖顯示，巖石富集大離子親石元素Rb、高場強元素Nb、Y和Th元素明顯富集，而U、Sr、P、Ti元素明顯虧損；分散性元素Ga在礦化巖石中明顯富集，其(Ga/Al)×104值介于2.64～4.54(圖7)，大于一般的I和S型花崗巖，顯示了A型花崗巖的特征(Whalen et al., 1987; 付建明等, 2005)。

圖6 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化蜘蛛圖(a)和微量元素原始地幔標準化蜘蛛圖(b)(底圖據Sun and McDonough, 1989)

圖7 破山洞鈉鐵閃石正長巖花崗巖(Ga/Al)vs(Na2O+K2O)/CaO、(Ga/Al) vs FeO/MgO、(Ga/Al)vs K2O/MgO圖解 (底圖據Whalen et al., 1987)

5 地質意義

5.1 巖漿演化

總體上看，破山洞礦區鈉鐵閃石正長花崗巖具有堿性—過堿性特征。Dy與Er、Cr與Ni之間存在明顯的正相關關系，暗示在巖漿演化過程中有一定程度的角閃石分離結晶過程(圖8)。明顯的P、Ti負異常(圖6b)暗示了榍石、鈦鐵礦的分離結晶過程。中等Eu負異常(圖6a)顯示了斜長石的分離結晶作用。另外，巖石的分異指數(DI)較高(平均為82.23)，表明巖漿經歷了較為強烈的結晶分異過程。在La-La/Sm圖解(圖9)中，大多數樣品隨著La值增加La/Sm整體比值變化較小，表明巖石形成過程中的以結晶分異為主。因此，破山洞巖體在形成過程中發生了持續的結晶分異作用，導致稀土元素在晚期熔體中不斷富集，進而形成了本區的稀土礦化。

圖8 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖的Dy-Er圖解(底圖據Bottinga et al., 1978)▲為本文數據，■為前人數據

圖9 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖的La-La/Sm圖解(底圖據Bottinga et al., 1978)▲為本文數據，■為前人數據

5.2 巖漿源區

堿性巖的成因有3種認識：(1)長英質地殼物質或基性下地殼經過部分熔融形成原生巖漿后分異形成堿性巖漿(Huang and Wyllie, 1981; Tchameni et al., 2001; Downes et al., 2005; Chen et al., 2010) ；(2)富集地幔部分熔融形成初始的堿性玄武質巖漿，經分離結晶而形成(Roden and Murthy, 1985; Brown and Becker, 1986; Edgar, 1987; Yang et al., 2005)；(3)殼?；旌献饔?，即幔源鎂鐵質巖漿或硅不飽和堿性巖漿與長英質殼源巖漿混合并分異形成堿性巖的原生巖漿(Barker et al., 1975; Zhao et al., 1995; Litvinovsky et al., 2002; Riishuus et al., 2005; 楊進輝等，2007)。

由于基性下地殼具有較低的Na2O(2.4%)、K2O(0.38%)和稀土總量(約65×10-6)(Rudnick and Gao, 2003;黃方和何永勝, 2010)，基性下地殼部分熔融不可能形成破山洞礦區高Na2O(平均3.06%)、K2O(平均5.65%)和稀土總量(平均為1145×10-6)的堿性花崗巖。

研究表明，原始地幔的Cr、Ni含量分別為500～600×10-6、250～300 ×10-6(Foley et al.,1987)，而富集地幔的Cr、Ni含量遠低于原始地幔，破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖樣品的Cr、Ni含量均非常低，分別為3.87～28.59 ppm和1.48～3.46 ppm，暗示其源區可能為富集地幔。破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖具有較為均一的初始Nd同位素組成，143Nd/144Nd比值變化范圍在0.511278～0.511616， εNd(t)=-4.5-7.2，Nd模式年齡為2.3～2.5 Ga。與區內欒川群的輝長巖(～830Ma)具有較為相似的εNd(t)值(-1.5～-3.0，Wang et al., 2011)。巖體中鋯石的Hf 同位素組成為176Hf/177Hf=0.281649～0.281753，εHf(t)=-1.11～-5.26，平均-3.92，模式年齡tHf1=2.1～2.3 Ga, tHf2=2.4～2.6 Ga(包志偉等，2009)。鋯石Hf模式年齡與Nd模式年齡非常一致，表明破山洞礦區鈉鐵閃石正長花崗巖可能主要源于由古元古代地殼物質再循環進入地幔所形成的富集地幔源區，在巖漿上升及侵位過程中可能存在下地殼物質或區域基底太華群的混染作用。

5.3 構造環境

通常認為正長花崗巖產于碰撞后、裂谷或板內伸展構造背景下(Turner et al., 1996；Bonin et al.,1998)。在花崗巖類構造環境圖解SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)和SiO2-Al2O3(圖10)中，破山洞礦區鈉鐵閃石正長花崗巖樣品大部分投在RRG+CEUG類內，即與裂谷有關的花崗巖類和陸內造陸運動隆起花崗巖類內。

圖10 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖SiO2-FeO*/(FeO*+MgO)(a)和SiO2-Al2O3(b)圖解(底圖據Maniar and Piccoli,1989)

圖11 破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖(Yb+Ta)-Rb(a)和(Y+Nb)-Rb(b)判別圖解(底圖據Pearce et al.,1984)

5.4 巖石地球化學對成礦的指示

破山洞礦區含礦鈉鐵閃石正長花崗巖與圍巖并無明顯界線，暗示稀土元素的富集可能與成巖過程基本一致。巖石僅發育中低溫熱液蝕變現象且具有較低的燒失量(LOI平均2.62%)(表1)，表明后期蝕變作用并未明顯影響多數樣品的原始地球化學組成。

巖石地球化學特征顯示，破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖形成過程中發生了強烈的結晶分異作用，巖漿演化程度較高。同時，在破山洞可見少量的晶洞及偉晶巖(圖3c、d)。研究(Bakker and Elburg, 2006) 認為，偉晶巖和晶洞是巖漿高度演化并進入到巖漿—熱液階段的巖石學標志。內蒙古巴爾哲Nb-REE礦床內礦化堿性花崗巖內分布數量眾多的晶洞，并在巖體頂部出現偉晶巖殼，其中發育大量富含稀土碳酸鹽礦物和揮發分的熔體—流體包裹體，因此，研究者認為巴爾哲礦床的形成受巖漿高度演化的控制，在堿性巖漿演化到晚階段，形成富含揮發分的殘余熔體，稀土元素即在這些殘余熔體中發生高度富集而成礦(楊武斌等，2009)。破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖內發生的稀土礦化可能與巴爾哲礦床稀土礦化機制具有相似性，巖體中普遍存在螢石、黑云母、角閃石等含氟礦物(圖3)，說明熱液流體中存在大量的 F，暗示堿性正長巖的原始巖漿可能富含揮發分；晶洞和偉晶巖脈的出現表明這一富揮發分巖漿已經演化到巖漿—熱液過渡階段，稀土元素已高度富集并成礦。

5.5 找礦潛力

6 結論

(2)破山洞鈉鐵閃石正長花崗巖巖體的巖漿物質來源于地幔，在其上升或侵位過程中遭受了大量的地殼物質的混染，形成于板內拉張環境。

(3)礦物學、巖石學及地球化學特征顯示，破山洞礦區含礦鈉鐵閃石正長花崗巖是A型巖漿不同演化階段熔體固結的產物，稀土元素的富集與巖漿演化過程有密切關系。

致謝防災科技學院李真真博士，河南省地質調查院裴玉華高級工程師、李肖龍博士在成文過程中給予了建設性意見和建議；審稿專家對論文提出了寶貴的修改意見，在此一并致以誠摯的謝意！