五台地区铁瓦殿岩体中铌钽矿物的成因矿物学研究

李丽婵，黄思莹，李金勇，王琳萱，梁 贤，张聚全

河北地质大学，河北 石家庄 050031

0 引言

稀有金属是在地壳中含量较少，分布稀散或难以从原料中提取的金属。钽、铌、锂、铍等稀有金属作为重要的战略资源，在冶金、机械、化工、陶瓷、玻璃建材等行业都有极其广泛的应用，特别是在导弹火箭、核武器、电子技术、航空航天、原子能等诸多领域[1]。随着高新技术产业的快速发展“三稀元素(稀有、稀土和稀散元素)”元素在全球的需求量激增，目前世界各国根据其实际情况进行了相关的矿产资源勘查、开发、利用研究[2]。山西省是矿产资源大省，但是对近几年的热点矿产稀有金属矿的工作程度却较低，尤其是赋存在铁瓦殿岩体中的稀有金属矿物，到目前为止研究较少。论文主要以详细的岩相学研究为基础，通过电子探针和X光能谱分析的方法，查明五台地区稀有金属矿物类型、成因及赋存状态。补充和完善稀有金属成因与成矿的研究，并为五台地区的稀有金属矿床找矿勘探提供理论依据。

1 区域地质背景

铁瓦殿岩体分布和出露于五台地区与太行山北段，五台山区主要的出露地层为太古界阜平系与元古界五台系、滹沱系[3]。区域构造以呈“之”字型展布的多期次叠加的褶皱为主，有两组NE、NW 向断裂带，同时发育更低级别的断层。五台山区内广泛发育褶皱，并具备多期次运动叠加的特点，与成矿关系极为密切[4]。区内岩浆岩发育较广泛，岩浆活动以燕山期与前震旦纪为主[5]。火山岩种类较多，形态不一，基性、超基性、中酸性火山岩均有产出，且均呈岩株状产出，小型岩体局部呈岩带展布，但一般出露规模均较小。大多数岩石已遭受中—深度变质，糜棱岩化较为严重。

五台山区岩石岩性主要为玄武岩、变辉绿岩、变闪长岩、花岗岩、石英斑岩、花岗斑岩、花岗伟晶岩等[6]。其中黑云母花岗岩集中分布于五台山东部，该类岩体种类繁多共计15个，铁瓦殿岩体在较大的4个岩体(黑崖、盘铁、铁瓦殿和古花岩)中最具有代表性。铁瓦殿岩体总体出露面积约6 km2，位于五台县庙儿沟、下庄、铁瓦殿一带(图1)。铁瓦殿花岗岩超单元属于壳源型中深成花岗岩系列[2]，主要由花岗闪长岩、二长花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、粗粒黑云母花岗岩和斑状黑云母花岗岩等组成的岩石组合而形成[7]。大多为单阶段深成侵入形成的独立岩体，一般规模较大但岩性单一。

1-滹沱超群；2-五台超群；3-细粒斑状花岗岩；4-粗粒黑云花岗岩；5-中粒黑云花岗岩；6-岩相分界线；取样位置为星号标记处

2 岩相学特征

五台山铁瓦殿花岗岩岩体呈岩株状分布[8]，因为受到来自北西到南东方向产生的断裂的影响，只有东半段露出地表，西半段被段落隐伏于地表以下。形成的围岩主要是五台片麻花岗岩和五台超群黑云变粒岩[9]。铁瓦殿花岗岩体按结构可大致分中心相粗粒花岗岩、过渡相中粒花岗岩和边缘相细粒花岗岩三个岩带。相带间界线不明显，呈现出不规则状分布，表明该岩体并不是典型的中心式侵入的岩体[10]。

从显微镜下观测可知矿物成分主要是：板柱状斜长石，半自形、它形厚板状正长石，具不规则裂纹的片状石英，一些片状黑云母等(图2)。显微镜下薄片观察，柱状斜长石出溶于钾长石中，含量多于正长石，形状为不规则—半自形板状。石英呈它形粒状而且边缘粗糙，有时包含在钠长石中。黑云母呈片状，定向平行分布。里边的副矿物主要为锆石、萤石榍石类，和独居石等，它们彼此不规则地分散在岩石之中，岩石中也普遍含有稀钍、铌钽矿物。并夹杂少量磁铁矿、不规则的褐铁矿、钛铁矿等。

(a-b)背散射下的铌钽矿物；(c)反射光下的稀土金属矿物；(d)中粒花岗岩，正交偏光；(e)中细粒花岗岩，单偏光；(f)中粗粒花岗岩，正交偏光

3 测试方法

铁瓦殿岩体各种岩石中主要矿物成分分析在河北地质大学完成，机器型号JEOLJXA-8230，测试时的加速电压为15 KV，样品电流为20 nA，束斑直径5 um。实验数据结果见下表。

4 讨论

本次共研究了两个标本的20个点。根据数据分析，铌钽矿物中铌的含量较高在65%～70%之间，铁的含量在15%～17%之间，钽的含量较少在2%～10%之间。样本中含有少量的黑钨矿，钨的含量约为30%。该岩石富集铌，钛，铀，钇和稀土元素，并且少有高含量的钽，相对富含铁和硅，而贫铝和磷，并含有不同含量的P，B等组分(图3)。产于五台山铁瓦殿花岗岩体的铌钽铁矿，根据数据(表1)计算得矿物的化学式[(Nb1.7065Ti0.007Cr0.004W0.087Mg0.0005Ta0.108Si0.01Al0.002)(Fe0.739Mn0.261)2O6.000]。Nb主要以含铌的单矿物形式出现，其他如 Ta、W、Sn、V多以类质同相的方式进入铌钽矿物中，部分稀有金属矿物中其WO3，Sn的质量分数很高，并伴有Bi。

表1 五台山铁瓦殿岩体岩石电子探针数据表

图3 铁瓦殿岩体稀有元素氧化物含量曲线图

铁瓦殿花岗岩样品条纹碱性长石很常见，不透明矿物主要是磁铁矿，少部分含钛，副矿物萤石特别常见。这是A型花岗岩所具有的十分显著的特征[11]，由此得出此次研究的花岗岩是属于A型花岗岩。铌钽主要分散在由钛、锆、铁等组成的矿物中(图4)，所以花岗岩尤其是A型花岗岩中普遍会有较高的铌、钽含量。铌钽的富集主要是白云母化和钠长石化的结果。从上世纪50年代开始，人们对花岗岩中稀有金属成矿的成因做出了很多研究，大多数人认为存在于花岗岩中的稀土金属是形成于含矿热液的交代花岗岩中，但有些人认为其中某些物质是从岩浆中结晶出来的，属于岩浆矿床[12]。而铁瓦殿花岗岩体铌钽等稀土元素含量异常偏高，富集高场强元素，这说明类似于铁瓦殿的这一类花岗岩是铌、钽、稀土等金属的主要矿床类型，该矿床应属于碱性岩浆铌钽矿床。

图4 钍石能谱图

自然界云母和花岗岩中铌钽含量都高也可以是铌钽只在云母中含量高，但在花岗岩中含量低[13]。这可能是由于花岗岩形成条件的不同造成的，也可能是受花岗岩和云母中铌钽含量关系的影响或者是铌钽的赋存形式在性质和数量上的不同，使它们之间的关系产生了不同[14]。一般情况下云母与花岗岩在铌和钽含量上存在着复杂的关系。云母中铌的含量不仅取决于花岗岩中铌的含量，还取决于花岗岩中钽的含量[15]。

5 结论

铁瓦殿岩体中的稀有金属矿物为铌钽铁矿，且铌钽铁矿主要赋存在磁铁矿和锆石中，铌钽矿物中铌的含量较高在65%～70%之间，铁的含量在15%～17%之间，钽的含量较少在2%～10%之间。Nb主要以含铌的单矿物形式出现，其他如Ta、W、Sn、V多以类质同相的方式进入铌钽矿物中。计算得铌钽铁矿的化学式为[(Nb1.7065Ti0.007Cr0.004W0.087Mg0.0005Ta0.108Si0.01Al0.002)(Fe0.739Mn0.261)2O6.000]。

【致谢：感谢河北地质大学电子探针实验室魏浩老师在测试过程中提供的帮助以及审稿专家的宝贵意见。】