河南省卢氏县蔡家花岗伟晶岩型锂矿地质特征及矿床成因分析

2021-06-18张彦锋田晓敏刘恩法郑广明韩金生冯建涛王玉锋卫江旗张宏涛贾志超

地质与勘探 2021年3期

张杰，张彦锋，田晓敏，刘恩法，郑广明，韩金生，冯建涛，王玉锋，卫江旗，张宏涛，贾志超，李敏

(1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001；2.河南省地质调查院，河南郑州 450001；3.中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室，广东广州 510640；4.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南郑州 450001)

0 引言

锂矿是重要的战略性矿产资源，全球已有20多个国家发现了锂矿床。我国锂矿资源丰富，主要有硬岩型和卤水型两大类型(张玲和林德松,2004;许志琴等,2018)，以硬岩型为主，其中又以花岗伟晶岩型锂矿分布最为广泛，主要锂矿成矿带为新疆阿尔泰成矿带和川西松潘-甘孜成矿带，两者典型矿床分别为新疆可可托海锂铍铌钽铷矿床和川西甲基卡锂铍铌钽铷矿床(李建康等,2014；刘丽君等,2017)。

东秦岭地区是我国一个重要的与花岗伟晶岩有关的稀有金属矿产地，形成了商南、峦庄、官坡、龙泉坪4个大的花岗伟晶岩脉密集区(图1)。其中在官坡花岗伟晶岩脉密集区，稀有金属元素明显富集，主要有Li、Nb、Ta、Be、Rb、Cs等(戎嘉树,1997;卢欣祥等,2010)。

图1 东秦岭地区区域地质简图(据陈西京等，1993，略改)

自20世纪60年代以来，陕西省第三地质队、成都地质学院第七教研室秦东科研队、河南省豫07地质队等单位科研人员对东秦岭花岗伟晶岩区进行过勘查和综合研究工作。其中，1970年7月陕西省第三地质队对蔡家花岗伟晶岩型锂矿床做了详细的野外和研究工作，达到了地质普查程度，提交了《河南卢氏202(蔡)矿区花岗伟晶岩型稀有金属矿床工业报告》；2011年开始，河南省地矿局地勘一院对狮子坪-瓦窑沟一带进行了稀有金属普查工作，发现火炎沟锂铌钽矿区。卢欣祥等(2010)和陈西京(1993)认为东秦岭花岗伟晶岩具有明显分异作用，稀有金属矿化普遍且明显，且具有钠长石化、锂云母化等交代作用，稀有金属富集程度与钠长石化密切相关；同时认为该区伟晶岩与花岗岩同源，花岗伟晶岩形成及其矿化均为加里东期。陈金铎等(2014)进一步认为，卢氏地区分布的伟晶岩时空分布上具有连续岩石类型演化序列，岩石类型包括黑云母型花岗伟晶岩、二云母型花岗伟晶岩、白云母型花岗伟晶岩和含稀有金属矿物型花岗伟晶岩，形态多呈脉状，具有明显的分枝、膨大收缩等现象。王盘喜等(2017)对官坡花岗伟晶岩脉研究认为，其具有高硅、富碱、过铝质及低铁、镁、钙和钛的特点，在成因上可能与灰池子花岗岩具有亲缘性，推测是该花岗岩高度演化后的产物。白峰等(2011)和刘姣(2011)针对蔡家锂矿进行了锂辉石的矿物学特征研究，发现锂辉石稀土元素出现一定程度的铕负异常，说明伟晶岩形成过程中锂辉石在斜长石之后结晶；周起凤等(2019)研究表明东秦岭稀有金属伟晶岩主要为过铝质LCT 型伟晶岩，蔡家沟矿区锂矿化伟晶岩岩浆就位时是高度分异演化的稀有金属伟晶岩岩浆，而且就位后未经历明显分异演化过程；秦克章等(2019)认为东秦岭稀有金属伟晶岩形成于晚造山和造山后阶段，具有多期叠加特征，其成矿机制是结晶分异和液相不混溶。综上，东秦岭花岗伟晶岩密集区不仅进行了较广泛的野外调查和勘查工作，对成矿规律、分异演化程度和成因分析方面也有广泛的研究(郭旭吉和马占龙,2015；周振华等,2016)。但是针对官坡花岗伟晶密集区锂矿的系统性地质特征及矿床成因的研究尚需深入。

近年来，笔者在官坡一带进行勘查工作，进行了大量的野外工作、施工了大量的钻孔，控制了伟晶岩脉的形态和空间展布，并进行了系统的岩石学和地球化学分析，在深部发现了较好的花岗伟晶岩型锂矿体。本文在上述大量的勘查资料及前人研究成果的基础上，分析蔡家花岗伟晶岩型锂矿床的地质特征和矿床成因，以期为进一步勘查工作提供指导意义，也对寻找同类矿床具有重要指示意义。

1 区域地质背景

研究区位于北秦岭造山带朱阳关-夏馆断裂与商州-丹凤断裂之间(卢欣祥等,2010)，区域构造线为北西走向，表现为复式背向斜和韧性剪切带。

区域地层主要为古元古界秦岭岩群、中新元古界峡河岩群和新元古代至早古生代丹凤岩群。秦岭岩群为一套中深变质的碎屑岩-基性火山岩-碳酸盐岩组合，包括郭庄岩组和雁岭沟岩组，郭庄岩组为麻粒岩-片麻岩变质建造，雁岭沟岩组为钙质片岩-大理岩变质建造。峡河岩群分布于秦岭岩群以北，两者以韧性剪切带接触，包括寨根岩组和界牌岩组，寨根岩组为变碎屑岩-斜长角闪岩变质建造，界牌岩组为钙质片岩-大理岩变质建造。丹凤岩群分布于秦岭岩群以南，主要为基性火山岩构成的蛇绿岩，分布在商丹断裂北侧(卢欣祥等,2010;陈金铎等,2014;张健等,2019)。

岩浆岩主要为加里东期的酸性岩，包括灰池子、漂池、桃坪、骡子坪、黄柏岔等岩体。其中，灰池子、桃坪花岗岩与花岗伟晶岩关系密切，研究表明这两个岩体是东秦岭花岗伟晶岩的母岩，其中桃坪花岗岩年龄为450 Ma，灰池子和商南花岗岩年龄为370～380 Ma(成都地质学院第九教研室,1973)。

区内伟晶岩脉延伸方向多平行于区域构造线，与围岩呈明显的侵入接触关系，围岩遭受到一定程度的热液蚀变作用，主要沿区域背斜轴部、区域断裂和次级断裂侵位。伟晶岩的侵位与构造演化阶段密切相关，随构造演化伟晶岩呈多期次、脉动式发展，区域上具有明显的水平分带特征(陈西京,1993；张国伟,2001；王涛等,2009;王令全等,2011;王登红等,2013;王盘喜等,2017;张盼盼等,2017)。受韧性剪切带的影响，伟晶岩内矿物发育定向变形，可见长石、锂辉石呈定向排列(陈金铎等,2014；李建康等,2014)。

2 矿床地质特征

2.1 矿脉特征

蔡家锂矿位于卢氏县官坡镇蔡家沟村大西沟-三道沟一带，其北部为双槐树断裂，南部紧邻狮子坪断裂带，处于桃坪-瓦窑沟复式大背斜北翼的龙潭沟背斜北翼(图1)。其矿脉的规模、形态、产状等受花岗伟晶岩脉的控制，矿体规模不一，形态有脉状、透镜状、饼状及不规则状，具膨胀收缩、分枝复合、尖灭侧现等特征(图2)。

图2 蔡家锂矿矿脉分布简图

矿区共计查明20余条矿脉，自西而东依次分为大小西沟、程家院、三道沟3个矿段(图2)。各矿段的矿脉平行密集排列，产状基本一致。成矿后的横向小断层普遍发育，断距较小，仅数厘米至数米，对矿体破坏甚微(图3a)。空间上，每一矿段从南东向北西方向，锂交代作用由弱到强；各段矿脉均自北东而南西侧伏。

图3 矿区矿石矿物特征

矿区主要矿体为V4-1、V3-1、V2-1、V1-1、V6-1、V12-1、V30-1、V2S-1。矿体呈分支脉状、板状，走向长178～638 m，最大斜深268～358 m，产状290°～353°∠51°～77°。矿体厚度0.72～9.40 m，平均厚度4.87 m，厚度稳定。矿体内部结构简单，矿体中矿石类型以锂辉石-钠长石型和锂云母-钠长石型为主，少量为含锂云母的锂辉石-钠长石型。矿体顶底板围岩为斜长角闪片岩及斜长角闪片岩夹大理岩，侵入接触界线清晰(图4)。

图4 矿区大小西沟矿段09勘查线剖面

矿区估算稀有金属矿石量274.09万吨，其中Li2O 19766.9吨，Nb2O5262.3吨，Ta2O5392.3吨，BeO 1251.6吨，Rb2O 6558.1吨，Cs2O 1563.2吨；矿床平均品位Li2O：0.72%，Nb2O5：0.010%，Ta2O5：0.014%，BeO：0.046%，Rb2O：0.239%，Cs2O：0.057%，为一处大型稀有金属矿床。

2.2 矿物学特征

根据矿石的矿物成分和组构，将研究区锂矿石划分为三类：(1)微斜长石-钠长石型，主要矿物为钠长石、微斜长石；(2)锂辉石-钠长石型，矿石矿物主要为锂辉石，为该型的标型矿物，肉眼主要呈白色，绿色和紫色者较少，晶体呈自形-半自形板状(图3c、e)，大小一般为1～1.5 cm，常呈定向排列(图3e)，还可见少量铌钽铁矿、磷锂铝石、绿柱石等；(3)锂云母-钠长石型，矿石矿物主要为锂云母，为该型的标型矿物，主要呈紫色—银白色(图3d)，显微镜下呈细小鳞片状(图3g)，有时可见磷锂铝石(图3h)。

脉石矿物主要以钠长石，石英，微斜长石为主，少量白云母、磷灰石、铁电气石、萤石。

3 地球化学特征

3.1 主量元素

本次研究采集含锂的花岗伟晶岩样品9个，均为坑道和钻孔中的新鲜岩矿样品(表1)。通过地球化学数据分析，花岗伟晶岩SiO2含量为63.02%～73.52%，平均含量为69.73%；Al2O3的含量为15.4%～21.65%，平均含量为16.6%；TFe2O3含量为0.26%～1.35%，平均含量为0.56%；MgO含量为0.02%～0.68%,平均含量为0.22%；CaO含量为0.38%～2.75%,平均含量为1.29%；TiO2含量为0～0.10%，平均含量为0.03%(表1)。

表1 矿脉主量元素分析结果

研究区花岗伟晶岩Al2O3的含量较高，A/NK(Al2O3/(Na2O+K2O))为1.37～2.06；铝饱和指数A/CNK(Al2O3/(CaO+Na2O+K2O))为1.04～1.85，为过铝质岩石；全碱(K2O+Na2O)质量分数为6.05%～8.54%，平均为7.02%；K2O/Na2O为0.46～1.35，平均为0.75，SiO2-K2O岩石系列判别图解显示(黄定堂,2003；张亚辉和张世涛,2011;张正平等,2016;王盘喜等,2017;刘汉粮等,2018)(图5)，为钙碱性岩石，显示了S型花岗岩的地球化学特征，推断花岗伟晶岩的岩浆来源于壳源S型花岗质熔浆(Maniar and Piccoli,1989)。

图5 矿脉A/CNK-A/NK(a)和SiO2-K2O(b)图解

3.2 微量元素

本次研究区的微量元素地球化学特征分析借鉴同属于官坡伟晶岩密集区的南阳山锂矿区。王盘喜等(2017)通过对南阳山锂矿区进行微量元素分析，认为锂辉石-锂云母型花岗伟晶岩矿脉总体上轻稀土富集，Eu负异常不明显。其中Sr含量为64×10-6～136×10-6，平均107×10-6<300×10-6，Yb含量为0.029×10-6～0.044×10-6，平均0.038×10-6<1×10-6，分布在Sr-Yb图低Sr低Yb区，表现出较明显S型花岗岩特征。Yb含量较低，反映出花岗伟晶岩形成就位的深度较大(张旗等，2006)，也印证了花岗伟晶岩是地壳深部过程的记录和区域侵蚀深度较大的标志。另外矿脉微量元素结果显示，其富集大离子亲石元素，且Pb正异常显著，表明岩浆原岩可能是以壳源物质为主(张旗等，2006)。

根据稀土元素分析结果，可知锂辉石-锂云母型花岗伟晶岩的∑REE 为1.66×10-6～2.37×10-6，平均2.01×10-6，稀土元素总含量低；ω(LREE)/ω(HREE)的比值范围为1.89～2.79,平均为2.32，可见轻重稀土分馏作用不明显。(La/Sm)N为2.43～3.78，平均为2.96；(La/Yb)N为5.82～9.29，平均为7.58；(Gd/Yb)N为0.83～1.19，平均为1.07，表明轻稀土比重稀土分馏程度高(王盘喜等，2017)。

4 矿床成因分析

4.1 母岩来源

多数研究者认为，加里东期的灰池子、桃坪花岗岩与花岗伟晶岩关系密切,是东秦岭花岗伟晶岩的母岩(卢欣祥等,2010),而且两者是同源的，受同一板块俯冲碰撞构造体系的影响，花岗伟晶岩系花岗岩母岩浆分异、演化的结果(邹天人和徐建国,1975;袁忠信等,1987)。

根据测年数据，东秦岭花岗伟晶岩大致可分为东西两区，西区地质年龄为400～440 Ma；东区地质年龄为370～380 Ma。桃坪花岗岩呈叠合岩鞍状产于峦庄-桃坪短轴背斜的核部(图1)，位于西区，地质年龄为450 Ma，桃坪花岗岩铝饱和指数A/CNK=1.11>1.1，K2O/Na2O=1.57≈1.5，加之其花岗岩中多见石榴石、矽线石等他生矿物，属于壳源S型花岗岩。研究区也位于西区，根据前述地球化学分析，花岗伟晶岩岩浆属于壳源S型花岗质熔浆，所以，推测研究区花岗伟晶岩脉母岩为桃坪花岗岩(陈西京,1976；王崇礼和张泽军,1983)。

4.2 花岗伟晶岩密集区的形成机理

研究区位于北秦岭造山带复背斜的次级构造内，构造形成的裂隙控制着伟晶岩的产出部位。在区域上，加里东早期花岗岩浆沿桃坪-瓦窑沟复式大背斜轴部向上侵入之后，地壳继续活动，背斜轴部发育成脆韧性剪切带，成为伟晶岩浆上升的主要通道，伴随着递进变形，在主剪切带的北侧剪切裂隙张开，富含挥发分和稀有元素的伟晶岩浆充填其中，且从花岗伟晶岩密集区的内带向外带(亦即从南部向北部)，花岗伟晶岩类型发生规律性的变化，形成具有明显特征的水平分带，一般表现为从黑云母-微斜长石伟晶岩到锂云母-钠长石伟晶岩的连续演化系列。

研究区所属的官坡花岗伟晶岩密集区正是位于水平分带的外带，发育形成了蔡家花岗伟晶岩型锂矿，其矿脉类型为锂辉石-钠长石型、锂云母-钠长石型，属于高级分异的产物(陈西京,1993；李建康,2012)。蔡家锂矿区锂矿化花岗伟晶岩岩浆在就位时即是富集稀有金属的矿化伟晶岩岩浆，具有较高的分异演化程度，并且就位后未经历明显分异演化过程(周起凤等,2019)。