南秦岭竹溪地区加里东期粗面质火山岩地球化学特征及找矿前景

祝明明，杨 勇，杨世平，刘国遂，刘 华，文永华

（1.湖北省核工业地质调查院，湖北 孝感 432000；2.湖北省地质局，湖北 武汉 430000）

南秦岭竹溪地区出露大量加里东期粗面质火山岩，整体呈北西-南东向展布，与区域构造线方向一致。出露宽度一般为数百米～数千米，延伸长度数千米～数十千米，北西延伸至陕西平利～安康一线，南东延伸至湖北省竹山县。随着近几年地质矿产工作的不断深入，竹溪地区发现了天宝、野虎寨、黑山等多个的铌～稀土矿（床）点。本文在前人研究的基础上，从粗面质火山岩岩石学、地球化学入手，研究了岩石的地球化学特征，初步探讨了岩石的成因及形成的大地构造背景，结合区域水系沉积物特征，分析了本区铌-稀土矿找矿前景，为本区铌-稀土矿产勘查提供一些地质资料。

1 地质背景

南秦岭竹溪地区大地构造位置隶属于秦岭～大别造山带南秦岭造山带竹山～竹溪、随南裂谷带。区内出露地层主要为寒武系～志留系浅变质地层。早古生代岩浆活动频繁，广泛出露基性火山岩及粗面质火山岩，夹于曾家坝断裂与竹山断裂带之间。区内构造为以北东～南西向为主，发育一系列由北东向南西的逆冲推覆构造，基本构造格架形成于印支期陆～陆碰撞造山阶段（图1）。成矿区划属于东秦岭Au-Ag-Mo-Cu-Pb-Zn-Sb-非金属成矿带（Ⅲ级），湖北郧西～两竹金银锑钒铌稀土多金属成矿带（Ⅳ级），是重要的稀有稀土元素成矿带。区内粗面质火山岩呈北西～南东走向沿龙坝～泉溪～天宝一线展布，位于志留系大贵坪组及梅子垭组中。铌-稀土矿（化）体主要赋存于粗面质火山岩中，含矿岩石为粗面质熔结岩屑晶屑凝灰岩、粗面质凝灰熔岩、粗面质角砾熔岩、钠质粗面岩等。

图1 竹溪地区地质简图

2 岩石学特征

粗面质火山角砾岩：灰色-深灰色，火山角砾结构，块状构造。角砾含量约85%，成分以粗面质角砾为主，呈次棱角状～次棱角状，大小不等，主要为1mm～11mm。胶结物含量约15%，主要由钾长石、黑云母等组成。钾长石呈半自形板状，见卡式双晶，大小0.03mm～0.5mm；黑云母和绢云母呈显微鳞片状，大小0.01mm～0.15mm。另外可见它形粒状磁黄铁矿和黄铜矿杂乱分布在岩石中。

熔结岩屑晶屑凝灰岩：深灰色，熔结凝灰结构，薄层状构造。岩石主要由大量的塑性岩屑和玻屑、钾长石晶屑及少量半塑性、刚性的火山碎屑等组成，构成熔结凝灰结构，显假流动构造。塑性岩屑和玻屑含量约67%，压扁拉长的条带状、透镜状，集合体定向排列，粒径主要在0.1mm～2mm，少量为粒径＞2mm～5mm的塑性岩屑，由定向排列的微晶长英质、雏晶状绢云母、黑云母组成。半塑性、刚性的火山碎屑含量约20%，显拉长的不规则团粒状、椭球状，方解石化强烈，粒径多在1mm～4mm。钾长石晶屑含量约8%，呈碎板状、棱角状，具卡式双晶。不透明矿物含量约5%，为它形粒状矿物，主要为钛铁矿及黄铁矿，分布不均匀。

图2 粗面质火山岩野外照片及镜下照片

粗面岩：深灰色、灰黑色，粗面结构，块状构造，偶见气孔一杏仁状构造，粒径3mm～10mm。岩石主要由钾长石斑晶、微晶长英质基质、雏晶片状黑云母和绢云母及少量方解石、榍石等组成，构成斑状结构，基质为微晶结构，显流动构造，块状构造。钾长石含量约10%，半自形板柱状，粒径0.3mm～4mm，具卡斯巴双晶，微条纹结构；微晶长英质基质含量约65%，可见细小针柱状长石呈交织状排列，略显粗面结构，可见隐晶、微晶状长英质条带相间分布，构成流动纹理；黑云母、绢云母含量约14%，雏晶片状，显微鳞片状，定向排列；方解石含量约8%，它形晶粒状，高级白干涉色，为晚期蚀变产物，分布岩石微裂隙或气孔；榍石含量约1%，它形粒状，楔形状，高级白干涉色，分散分布。钛铁矿及磁铁矿含量约2%，半自形、它形粒状，分布不均匀。

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

主量元素分析数据见表1。竹溪地区的粗面质火山岩SiO2含量介于54.16%～65.31%，平均值为59.41%，部分样品标准矿物中出现石英，表明硅饱和；TiO2含量介于0.86%～1.74%，含量普遍较低，显示低钛特征；A12O3含量较高，介于15.16%～19.95%，标准矿物中出现刚玉；TFeO含量介于0.37%～5.03%；CaO含量介于0.15%～2.52%，平均值为1.46%；碱质含量较高，Na2O含量介于4.47%～8.58%，平均值为6.3%，K2O含量介于1.8%～8.35%，平均值为4.77%；Na2O+K2O含量介于11.11%-13.26%，平均值为11.06%；Mg0含量介于0.22%～3.08%之间；分异指数较高，介于74.28～95.53之间，说明岩浆经历了强烈的分离结晶作用。

在TAS图解（图3-a）中，竹溪地区样品均落入碱性区域，表明岩石呈碱性。竹溪地区样品大多落入粗面岩区域，表明岩石属粗面岩大类。受低级变质作用的影响，部分样品发生了蚀变，为了减少岩石轻微蚀变对岩石类型划分产生影响，采用受蚀变影响较小的高场强元素Nb、Y、Zr、Ti来确定样品的岩石类型。在Zr/TiO2×10-4-Nb/Y分类图解（图3-b）中，竹溪地区大部分样品落入粗面岩所在区域，少数落入粗面岩与粗面安山岩及响岩的界线附近，竹溪地区样品落入响岩区域可能是岩石Nb元素含量较高。因此竹溪地区的粗面质火山岩均为粗面岩大类，属富钠高钾碱性岩。

图3 岩浆岩分类命名与系列判别图解

3.2 稀土元素特征

稀土元素特征见表1及图4。数据显示竹溪地区的粗面质火山岩稀土总量高（∑REE=435.72～1384.81μg/g，平均1003.58μg/g）；轻稀土富集（∑LREE=407.65～1303.61μg/g，平均944.22μg/g），重稀土含量低（∑HREE=28.07～95.81μg/g，平 均59.36μg/g），∑LREE/∑HREE=12.77～20.69，显示出轻稀土强烈富集而重稀土亏损的特征。（La/Yb）N变化于8.29～54.29之间，曲线总体向右倾斜，轻重稀土分馏明显，其中轻稀土富集强烈，斜率大，而重稀土则相对平坦。δEu=0.4～1，具有弱的负铕异常，达到矿化级别的粗面质火山岩样品不仅轻稀土斜率更陡倾，而且负铕异常更强（0.39～0.57），可能与斜长石的结晶分异有关。δCe=0.95～1.59，多数样品δCe值接近1，不具饰异常。

表1 竹溪地区粗面质火山岩地球化学数据表

3.3 微量元素特征

样品微量元素数据见表1及图5。竹溪地区的粗面质火山岩Nb、Ta、La、Ce、Zr、Hf等元素含量高，富集系数大，具有成矿的高背景条件，Ni、Cr、Co等元素则含量较低。高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf等强烈富集，而P和Ti表现出强烈亏损，可能表明岩石样品中磷灰石和钛铁矿发生过分离结晶。

大离子亲石元素Sr表现出强烈亏损，可能表明岩石受到分离结晶作用或后期热液活动影响。Ba显示出较复杂的特征，其中亏损样品可能受到埋藏和变质作用影响（Riley et al.，2001），富集样品可能与地壳混染或区域成矿流体作用亦或与海水蚀变有关（夏林圻等，2009）。

图4 粗面质火山岩稀土元素标准化配分曲线

图5 粗面质火山岩微量元素蛛网图

4 岩石成因

4.1 分离结晶作用

区内粗面质火山岩样品结晶分异指数DI较大，介于79.38～95.53之间，DI值较大说明岩浆经历了强烈的分离结晶作用。此外，样品MgO含量0.22%～2.73%，Mg#值较低，相容元素Ni、Cr、Co含量均较低，暗示岩浆经历了程度较高的结晶分异作用（Liu et al.，2010）。在Harker图解中，SiO2除与P2O5的线性关系不明显外，与其他氧化物具有明显的线性关系，表明形成粗面质火山岩的母岩浆经历了分离结晶作用（杨成等，2017）。因此，竹溪地区粗面质岩浆经历了强烈的分离结晶作用。

4.2 地壳混染作用

高的微量元素比值（Th/Nb）PM（＞＞1）(Saunders et al.，1991)和低的微量元素比值（Nb/La）PM（＜1）（Kieffer et al.，2004）可作为地壳混染作用的可靠指标。Peng et al.，(1994)提出了混入下地壳物质后微量元素比值(Th/Ta)PM接近于1，而(La/Nb)PM则大于1；如果混入上地壳物质，则上述2个微量元素比值一般均大于2，尤其是(Th/Ta)PM要高的多。竹溪地区粗面质火山岩相应微量元素原始地慢标准化（Sun and McDonough，1989）比值分别为：（Th/Nb）PM=0.49-0.82，（Nb/La）PM=1.18-5.26，（Th/Ta）PM=0.44-0.86（仅YQ4为1.28），（La/Nb）PM=0.19-0.85，显然样品没有受到地壳混染。

4.3 岩石成因

目前关于粗面质火山岩的成因模式主要四种，即：①粗面质火山岩与铁镁质岩为相同幔源岩浆演化后不同阶段的 产 物（Olsen et al，1983；Grazina et al，2003）；②粗面质岩浆独立起源于地幔，与镁铁质岩石没有演化关系（Kumar et al，2007）；③粗面质岩浆由幔源玄武质岩浆与壳源花岗质岩浆混合形成（Mingram et al，2000）；④加厚地壳底部局部部分熔融形成粗面质岩浆（Deng et al，1998；Su et al.，2007）。本区粗面质火山岩与区域上的玄武质火山岩都显示了碱性岩的特征，其微量元素具有相似的强不相容元素富集的右倾模式，稀土元素呈现轻稀土富集重稀土亏损的轻重稀分馏强烈的右倾模式，两组岩石共同组成了碱性双峰式火山岩的两个端员，暗示了两者应为同源岩浆演化的不同产物，并不是独立起源于地幔。竹溪地区样品没有受到地壳混染作用的影响，排除了粗面质火山岩是幔源玄武质岩浆与壳源花岗质岩浆混合的产物。加厚地壳底部局部部分熔融形成的是高压型粗面质火山岩，而高压型粗面质火山岩不具负铕异常（Deng et al，1998），本区粗面质火山岩却具有弱的负铕异常，并且南秦岭地区在早古生代并不存在加厚地壳（杨成等，2017）。因此，本区粗面质火山岩是由幔源玄武质岩浆演化而来。

5 成岩与成矿的关系

区内粗面质火山岩夹于曾家坝深大断裂及竹山断裂带之间，呈北东～南西向展布。天宝、野虎寨、黑山铌～稀土矿（床）点位于粗面质火山岩中，为全岩矿化的矿（床）点，矿体走向为北西～南东向，主要含矿岩石类型为粗面质熔结岩屑晶屑凝灰岩、粗面质凝灰熔岩、粗面质角砾熔岩、钠质粗面岩等。

矿化样品的高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf及稀土元素La、Ce含量普遍高于非矿化样品，发生了强烈的富集作用。同时，矿化样品的挥发分F的含量也高于非矿化样品，说明挥发分与铌～稀土的矿化密切相关，这与王盘喜等（2015）认为高场强元素的富集与挥发分（F、CO2）密切相关的结论吻合。在野外工作中，发现矿化层位可见萤石细脉，这也间接证明了粗面质火山岩中富含挥发分。

黄月华等（1992）研究指出陕西蒿坪地区的粗面质火山岩与晚奥陶世-早志留世地层共生，结合辉绿岩成岩年龄，认为该套粗面质火山岩形成于晚奥陶世-早志留世之间；万俊（2016）利用LA-ICP-MS U-Pb定年方法从竹山地区粗面质火山岩中获得锆石年龄为430.6Ma±2.7Ma；江拓等（2019）采用LA-ICP-MS U-Pb定年方法测得天宝粗面岩形成年龄为429Ma±3Ma。同时，粗面质火山岩位于志留系大贵坪组及梅子垭组中。因此，研究认为竹溪地区的粗面质岩石形成于早志留世。

本次研究采集天宝铌矿床三个矿体的样品KX-1、KX-2、KX-3进行电子探针分析，发现易解石、铌锰矿、褐帘石呈半自形～他形分布于钾长石、钛铁矿等早期矿物边缘及裂隙中，说明铌～稀土元素成矿要晚于岩石结晶年龄，这与刘万亮（2015）的研究结论一致。

6 找矿前景

根据湖北竹溪地区矿产地质调查报告，R型聚类分析图中，铌、镧、铈的相关系数较大，它们的相关系数均为0.9左右。铌、镧、铈异常强度高，面积大，套合较好，异常范围与粗面质火山岩的空间分布一致，呈北西～南东向展布。天宝、野虎寨、黑山等铌矿（床）点的表生地球化学元素组合为Nb-La-Ce，在组合、含量特征上表现出与原生异常的对应性，说明了成矿元素在区内的地球化学条件下具有较强的表生富集成晕的能力。因此，可选取主要元素铌、镧、铈作为重点，以铌元素异常下限值135.3×10-6、镧元素异常下限值143.3×10-6、铈元素异常下限值284.9×10-6圈定的异常区域及与铌、镧、铈相关的综合异常区域作为寻找铌-稀土找矿前景较好的区域。

根据岩石地球化学研究结果，挥发分F与铌-稀土矿化关系密切。依据鄂西北地区20万水系沉积物调查结果，F异常空间上也呈现北西-南东向展布的特征，与野虎寨、小花园等矿（床）点呈现一致性。因此挥发分F异常区域也可作为铌-稀土找矿前景较好的区域。

天宝、野虎寨、黑山等矿（床）点附近铌、镧、铈异常强度高，面积大，套合较好，具有多个与铌、镧、铈相关的综合异常，并且部分矿（床）点具有F异常，找矿前景较好。在大岩沟-中锋一带，远景区具有Nb、La、Ce多元素组合特征，各元素异常强度高且套合较好，异常分布与粗面质火山岩分布趋于一致。Nb、La、Ce区内最高值分别为507.9×10-6、440.1×10-6、727.4×10-6。5万化探异常图与Nb、La、Ce相关的综合异常较多，20万化探异常图具有F异常，找矿前景较好。

综上，竹溪地区不仅在天宝、野虎寨、黑山等矿（床）点附近找矿前景较好，同时在大岩沟-中锋一带也具有较好的找矿前景。

7 结论

（1）粗面质火山岩碱质含量高，岩石分异指数较高，稀土总量高；轻稀土富集，重稀土含量低，显示出轻稀土强烈富集而重稀土亏损的特征。稀土配分曲线总体向右倾斜，轻重稀土分馏明显，其中轻稀土富集强烈，斜率大，而重稀土则相对平坦，具有弱的负铕异常。

（2）粗面质火山岩岩浆起源于幔源玄武质岩浆的演化，经历了强烈的分离结晶作用，在上升的过程中基本没有受到地壳混染。

（3）依据5万及20万水系沉积物特征，认为天宝、野虎寨、黑山等矿（床）点附近及大岩沟-中锋一带找矿前景较好。