湘南骑田岭矿集区深部探测剖面的稀土元素地球化学特征

何晗晗，李建康，李 超，苏晓云，赵 芝，张怡军，王国瑞

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037；2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083；3.国家地质实验测试中心，北京 100037； 4.湖南省湘南地质勘察院，湖南 郴州 423000)

湘南骑田岭矿集区位于南岭成矿带[1]，区内矿产资源丰富，矿种繁多，现已查明的金属矿产铅、锌、铜、钨、钼、铋、(锡)，非金属硫、萤石，伴生贵金属银等[2]，已有瑶岗仙钨矿、柿竹园钨锡钼铋矿、芙蓉锡矿、宝山铅锌矿、香花岭锡多金属矿、黄沙坪铅锌矿等众多矿床。前人对这些矿床的成因、成矿条件及找矿前景的研究由来已久[3-9]。例如对柿竹园超大型钨多金属矿床的研究中，杨超群[4]、毛景文[6]等认为其形成基于三期高度分异花岗质岩浆的先后叠加，是发生了脉动成矿作用的结果[4]；对于黄沙坪铅锌矿[3]，矿体受断裂控制，与隐伏花岗斑岩密切相关，近年来在黄沙坪矿区深部又新发现了受断裂控制的矽卡岩型钨钼多金属矿体，具有良好的找矿前景。为了进一步探索这种深部找矿问题，自2008年以来国家深部探测专项设立专题，在骑田岭矿集区布置了白石渡—飞仙镇地质-地球化学-地球物理综合地质剖面研究，旨在为区域深部找矿提供地质依据。

本文在对该剖面地质特征作一总结的基础上，通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术对剖面上各地质单元的稀土元素含量进行分析，旨在发现不同地质单元(如骑田岭花岗岩与花岗岩风化壳)甚至相同地质单元(如骑田岭岩体两侧灰岩)中稀土元素含量的变化规律或差异；再者，对于骑田岭岩体，作为剖面上最主要的地质单元，它有着独特的稀土元素分配特征，本文从稀土元素的角度对骑田岭花岗岩的成岩物质来源进行推测，进而初步探讨骑田岭岩体是否具有形成风化壳型稀土资源的成矿条件。

1 白石渡—飞仙镇剖面的地质特征

白石渡—飞仙镇剖面位于湖南省郴州市，西端位于桂阳县飞仙镇，东端位于宜章县白石渡，走向300°方位，全长83 km(见图1和图2)。

图1 骑田岭区域地质图[根据湖南省湘南地质队(1991)资料编制]

图2 湖南省郴州骑田岭矿集区地质剖面图

剖面东侧横穿骑田岭岩体，以岩体为界，岩体西侧出露地层以晚古生界为主，包括泥盆纪佘田桥组、锡矿山组、孟公坳组的泥质灰岩、泥晶灰岩、石英砂岩及紫红色页岩；下石炭统马栏边组、天鹅坪组、石磴子组、测水组、梓门桥组的灰岩、白云质灰岩、白云岩、钙质页岩、粉砂岩、石英砂岩；二叠纪龙潭组、当冲组、栖霞组的粉砂岩、页岩、硅质岩、白云质灰岩等。岩体东侧以中生界为主，为白垩系紫红色砂岩和含砾砂岩。剖面自西向东共穿过35条断裂，断裂产状各异。轴线为北东-北北东向的中小型褶皱在剖面中也较为常见。

骑田岭岩体，出露面积约530 km2，侵位于石炭系-三叠系碳酸盐岩和碎屑岩中，黄革非[10]按同源岩浆演化序列理论，将骑田岭岩体归并为菜岭、芙蓉两个超单元，10个单元。菜岭超单元以二长花岗岩为主，有少量正长花岗岩，暗色矿物含量较高，芙蓉超单元中二长花岗岩和正长花岗岩大致相等，大都含有黑云母和角闪石。岩石大部分呈似斑状结构，少量为斑状结构，具似斑状结构的岩石中，基质以中粒为主，细粒次之，斑晶含量在30%左右，由钾长石和斜长石组成。钾长石呈自形-半自形斑状，表面因风化而呈混浊的灰色，具泥化和绢云母化，卡氏双晶偶见。斜长石呈自形-半自形斑状，可见细密且平直的聚片双晶。基质含量65%～95%，主要由石英、钾长石、斜长石、黑云母、角闪石组成。岩体南侧为芙蓉锡矿田，矿床规模巨大，并具有很好的找矿潜力。芙蓉锡矿田以花岗岩的强烈绿泥石化为特点[7]。矿化主要发育在岩体接触带，骑田岭岩体接触带可见矽卡岩化、角岩化等，接触带附近的二叠纪龙潭组含煤岩系多变质为石墨，可形成石墨矿。

表1 各地质体稀土元素的平均含量

2 样品特征及ICP-MS分析

样品采自白石渡—飞仙镇剖面深20 m的浅钻，类型包括沉积地层、骑田岭岩体岩屑和风化壳样品，共计1967件。对于岩屑样品，本文选择钻孔最底部的作为测试对象，经过晒干破碎再加工至74 μm(200目)。稀土元素测试由国家地质实验测试中心完成，采用X-Series型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国Thermo公司)测定其中的134件样品，具体测试方法参见文献[11](罗彦等，2001)。

3 稀土元素地球化学特征

白石渡—飞仙镇剖面以骑田岭岩体为界，东西两侧剖面地层中稀土元素含量存在较大差异，即使同侧地层，不同岩性的稀土含量差异依旧较大，为此将剖面整体划分为5种类型(灰岩岩屑、砂岩岩屑、第四纪残破积黏土、花岗岩风化壳、花岗岩岩屑)，对它们各自的稀土含量特征进行对比分析。样品的稀土元素测试结果见表1。

(1)灰岩岩屑。骑田岭岩体西侧二叠纪马栏边组、石磴子组及泥盆纪佘田桥组灰岩岩屑的稀土元素总量变化范围较大，ΣREEs介于8.2×10-6～405.7×10-6之间，均值154.3×10-6。在球粒陨石标准化的配分图解中(图3)，曲线呈右倾式，轻重稀土分馏较明显(ΣLREEs/ΣHREEs=4.5～11.8)，显示弱的铕负异常(δEu=0.3～0.7)。骑田岭岩体东侧石炭纪石磴子组灰岩岩屑的稀土元素总量(36.5×10-6)偏低，稀土配分曲线为右倾式，轻重稀土分馏较明显(ΣLREE/ΣHREE=7.6～9.7)，显示弱的铕负异常(δEu=0.56～0.66，见图4)。

(2)砂岩岩屑。骑田岭岩体西侧地层晚古生代砂岩岩屑的稀土元素总量变化范围亦较大，ΣREEs介于22.6×10-6～272.4×10-6之间，均值220.6×10-6，略低于砂岩丰度值(250×10-6，K·图尔基安等，1961)。在球粒陨石标准化的配分图解中(图5)，曲线呈右倾式，ΣLREEs/ΣHREEs比值变化大，介于5.0～13.1之间，负铕异常较弱(δEu=0.5～0.7)。骑田岭岩体东侧两个白垩纪砂岩岩屑样品的稀土元素总量分别为15.7×10-6、511.8×10-6，负铕异常较明显(δEu分别为0.2、0.6，见图4)。

图3 骑田岭岩体西侧地层灰岩的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

图4 骑田岭岩体东侧地层的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

图5 骑田岭岩体西侧地层砂岩的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

(3)第四纪残坡积黏土。骑田岭岩体西侧地层第四纪残坡积黏土的稀土元素总量相对灰岩较高，ΣREEs均值为235.4×10-6。在球粒陨石标准化的配分图解中(图6)，曲线表现为轻稀土段向右缓倾，重稀土段近于平坦，ΣLREEs/ΣHREEs比值介于6.4～11.2之间，显示弱的铕负异常(δEu=0.6～0.7)。骑田岭岩体东侧第四纪残坡积黏土的稀土元素总量变化不大，相对较集中，均值为186.2×10-6，δEu=0.6，局部出现铈的正异常。

(4)骑田岭花岗岩风化壳。花岗岩风化壳的稀土元素含量较高，ΣREEs介于391×10-6～907×10-6之间，均值605×10-6。在球粒陨石标准化的配分图解中(图7)，呈“海鸥型”，轻稀土部分右缓倾，重稀土部分接近水平，略左缓倾，ΣLREEs/ΣHREEs比值为6.1～13.4，具有明显的负铕异常(δEu=0.05～0.42)，局部显示铈的正异常。

图6 骑田岭岩体西侧地层黏土的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

图7 骑田岭岩体花岗岩风化壳的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

(5)骑田岭岩体花岗岩岩屑。花岗岩岩屑的稀土元素总量变化为180×10-6～1169×10-6，均值582×10-6，除3件样品低于400×10-6之外，其余均在405.80×10-6～1169.02×10-6之间，相比李晓敏等[12]、徐惠长等[13]、郑基俭等[14]所测的数据偏高，亦远高于维诺格拉多夫(1962)世界酸性岩的稀土丰度(292×10-6)。LREEs/HREEs比值介于4.4～16.7，均值10.0，δEu介于0.12～0.45之间，均值0.29，与花岗岩风化壳具有相似的球粒陨石标准化配分曲线(图8)。

图8 骑田岭岩体花岗岩岩屑的稀土元素球粒陨石标准化分布型式图

4 白石渡—飞仙镇剖面的稀土元素特征分析

通过白石渡—飞仙镇剖面各地质单元的稀土元素含量对比分析，不难发现明显存在的“差异性”特征，这种差异性不仅表现在不同地质体之间，在相同岩性之间亦有较明显的显示。至于造成这种差异的原因，骑田岭岩体的所在应当是主要原因，而对于骑田岭岩体本身，其轻重稀土分异明显，再者稀土元素的ΣREEs-Y/ΣREEs图解及ΣREEs-δEu图解从另一个方面表明了骑田岭岩体花岗岩的幔源物质作用。

4.1 白石渡—飞仙镇剖面稀土元素的差异性及原因

白石渡—飞仙镇剖面中，各地质体间的稀土配分曲线均为轻稀土富集型，但稀土总量存在显著的差异，骑田岭花岗岩风化壳的稀土含量最高(ΣREEs均值为605×10-6)，灰岩的稀土含量最低(骑田岭岩体东西两侧地层的ΣREEs均值分别为36.5×10-6、154.3×10-6)。相同岩石类型的岩性，稀土总量也存在着较大差异，如灰岩的稀土总量最高可达405.7×10-6，最低仅为8.2×10-6。

综上，稀土元素的差异性表现在两个方面：①不同地质体之间的差异。如骑田岭岩体花岗岩与岩体两侧灰岩的稀土含量存在明显的差异；②相同岩性的差异。如灰岩的稀土含量变化较大。对于第一种情况，骑田岭岩体富稀土副矿物，如榍石[15-16]、褐帘石、锆石、独居石[10]等含量较高，稀土元素分散在这些副矿物或造岩矿物中，或呈独立矿物的形式存在。对于第二种情况，考虑到两个方面的因素：①时代不同。所采灰岩样品为二叠纪马栏边组、石磴子组及泥盆纪佘田桥组灰岩。一般来说，REEs含量不受成岩作用的影响[17]，所以时代因素对于稀土含量的影响应当不大；②所处位置不同，往往越靠近岩体的部位稀土元素含量越高。灰岩的稀土含量最高的样品为ZK2581，采自骑田岭岩体西侧边缘，稀土含量最低的样品为ZK3139，采自离岩体较远的方元水库方丘附近(具体位置见图1中的钻孔编号，每隔100 m打一个钻孔)。稀土含量分配数据见表2，在31件灰岩样品中，有11件样品的稀土总量超过100×10-6，最高达到463×10-6，而在这11件样品中7个是靠近骑田岭岩体西侧边缘，可见灰岩中异常高的稀土含量与骑田岭岩体是密切相关的。其次，骑田岭岩体西侧灰岩的稀土含量(均值154.3×10-6)高于桂北地区灰岩的稀土平均含量(36.8×10-6 [18])的4倍有余，而岩体东侧灰岩的稀土含量接近于桂北地区灰岩的稀土平均含量，这可能是骑田岭岩体自南东向西北侵入造成的，即西侧地层灰岩中富集的稀土可能是岩浆岩侵位的前缘流体扩散、渗入到围岩中的结果。

4.2 骑田岭花岗岩的稀土元素特征及岩石成因

对于稀土元素来说，轻稀土的碱性较强，重稀土的碱性较弱，随着岩浆作用从早期到晚期的演化，ΣCe/ΣY比值逐渐增大[17]。由图9b可见，ΣCe/ΣY与ΣREEs有着一定的正相关关系，表明随着岩浆的演化，ΣREEs含量逐渐增加，δEu亦有逐渐增大的趋势(图9c)；相反，重稀土的含量则逐渐减少(图9d)。这反映了成岩过程中LREEs曾发生了较强烈的分馏，其富集可能与花岗岩中的一些副矿物有关，如岩体内常见的褐帘石、独居石、锆石等[10]；或者是在成岩过程中有富HREEs的相存在于部分熔融的残留相或分离结晶作用中的结晶相中，如骑田岭花岗岩中普遍存在的副矿物石榴石[14]。

图9 骑田岭花岗岩岩屑的稀土元素图解

在ΣREEs-Y/ΣREEs图解及ΣREEs-δEu图解中(图10)，骑田岭岩体花岗岩样品大部分落于幔源成因花岗岩范围之内，花岗岩中发育的暗色微粒包体和由暗色矿物组成的团块或条带[19]，显示出壳幔岩浆的混合作用。李超等[20]对黄沙坪—廖家湾综合探测剖面上的花岗岩Os同位素示踪结果同样表明，花岗岩具有幔源特征(Os同位素初始比值为0.3543～1.728)。地球物理探测表明，骑田岭岩体深部存在着地幔物质上涌的通道[21]。由此推测，骑田岭花岗岩中混入了较多的幔源物质。骑田岭岩体南部为芙蓉锡矿田。蔡锦辉等[8]对芙蓉锡矿田的矿床进行铅同位素研究，发现南岭燕山期锡多金属矿床的铅同位素比值组成投影点的分布相对比较集中，接近造山带或下地壳，由此推测矿床可能是地壳深部(或下地壳)幔质岩石(火山岩或深成岩)和大陆地壳(沉积碎屑)岩浆经深部混熔结晶分异作用的产物。

图10 骑田岭花岗岩岩屑ΣREEs-Y/ΣREEs和ΣREEs-δEu图解

4.3 骑田岭花岗岩风化壳中稀土元素特征及对稀土成矿意义

以往研究认为骑田岭岩体与钨、锡成矿有关，没有考虑稀土的成矿作用，而且由于风化壳型稀土矿床与热液型钨锡矿床的形成环境、条件、时间空间等差异显著，导致二者往往并不共生[22]，更没有人关注骑田岭岩体是否存在风化壳型的稀土矿床。华仁民等[22]将南岭地区风化壳型稀土矿床成矿母岩的花岗岩类岩石主要归纳为三种：印支期准铝质花岗岩、燕山中-晚期花岗岩以及燕山期A型花岗岩。骑田岭岩体被认为是A型花岗岩[24-27]，加之原岩较高的稀土元素含量(表2)，所以骑田岭岩体应当可以成为风化壳型稀土有利的成矿母岩。

本次对岩体花岗岩风化壳中稀土元素含量测试结果表明(见表1)，稀土配分类型为轻稀土型，继承了基岩的配分类型。稀土普遍偏高(含量介于390.7×10-6～907.0×10-6之间)，与基岩相比，发生了显著富集，其平均含量(RE2O3848.6×10-6)超过了离子吸附型矿床的边界品位(重稀土RE2O30.05%，轻稀土0.07%[28])，这也是一个新的发现。但稀土是否以离子吸附态存在，能否形成离子吸附型稀土矿床还要进一步的实验验证。

5 结语

白石渡—飞仙镇剖面是我国深部探测专项工作实施的重点剖面之一，骑田岭岩体是该剖面上最重要的构造单元。本文运用ICP-MS分析技术获得了骑田岭岩体花岗岩类岩石稀土元素的含量，研究结果发现：①剖面上各地质单元的稀土元素含量存在一定的差异，包括不同地质体之间的差异以及相同岩性之间的差异两种情况，造成该差异性的最主要原因应当是骑田岭岩体本身，一般情况下，距离岩体越近，这种差异性会越明显。②ΣREE-Y/ΣREE及ΣREE-δEu图解显示，骑田岭花岗岩与幔源花岗岩具有一定的相似性。该认识与黄沙坪—廖家湾综合探测剖面上的花岗岩Os同位素示踪研究得到的认识是一致的，即花岗岩中混有幔源物质。地球物理探测也表明骑田岭岩体深部存在着地幔物质上涌的通道。由此推测，骑田岭花岗岩中混入了较多的幔源物质。

骑田岭岩体作为稀土元素含量较高的A型花岗岩体，应当可以成为风化壳型稀土有利的成矿母岩。再者，直接测试结果表明骑田岭岩体风化壳样品的稀土元素平均含量已经超过了离子吸附型稀土矿床的边界品位，值得高度重视，但稀土是否以离子吸附状态存在，以及能否构成离子吸附型稀土工业矿床还需要进一步评价。

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