鄂西北地区碱性岩—碳酸岩及相关铌钽—稀土矿研究与勘查进展

2021-07-15鲁显松冷双梁熊意林

资源环境与工程 2021年3期

鲁显松，周豹，孙腾，朱金，冷双梁，熊意林

(湖北省地质调查院，湖北武汉 430034)

铌和钽是重要的稀有金属元素，由于其高熔点、高沸点，具有耐腐蚀性、超导性、单级导电性和在高温下强度高等特性，是原子能、宇航、钢铁合金、化工等工业的重要原料,并且其在国防、能源、高新技术和医疗领域具有不可替代的特点；稀土元素广泛应用于现代高新产业，被誉为高新产业的维生素，中国、美国及欧盟等国家或地区均将铌钽、稀土列为重要的战略性矿产资源。随着全球多领域新技术融合创新步伐的加快以及国家对新兴产业发展支持力度的加大，支撑其发展的战略性矿产资源将在世界各国新一轮的经济、科技角逐中扮演至关重要的角色。进一步加强相关矿产资源的找矿勘查及理论研究工作十分必要。

鄂西北地区广泛出露一套碱性岩—碳酸岩，该套碱性岩—碳酸岩与铌钽—稀土矿成矿关系密切。湖北省地质局自上世纪80年代以来，在鄂西北两竹地区陆续发现了庙垭特大型铌稀土矿床和众多诸如杀熊洞等铌稀土矿点；近年来，湖北省地质调查院等单位相继在两竹地区勘查发现了天宝、岩屋沟—青岩沟、土地岭等十多处铌(钽)矿床点。庙垭铌稀土矿床经详查—初勘工作探明储量：铌(Nb2O5)92.9万t、轻稀土氧化物121.5万t[1]，岩屋沟—青岩沟铌矿床经普查工作初步估算潜在矿产资源：铌(Nb2O5)94.43万t(1)湖北省地质调查院，湖北省竹溪县岩屋沟—青岩沟地区铌多金属矿普查报告，2021。，土地岭铌钽矿床经预查工作初步估算潜在矿产资源:钽(Ta2O5)2 681 t、铌(Nb2O5)10.48万t(2)湖北省地质调查院，湖北省竹山县土地岭矿区钽矿预查报告，2020。，显示出区内巨大的铌钽、稀土矿资源潜力。通过几代地质人的不懈努力，湖北省地质局在鄂西北地区的铌钽—稀土找矿工作取得了丰硕的成果，同时鄂西北地区也逐渐成为了中国重要的稀有稀土矿产资源后备基地。前人对鄂西北地区碱性岩—碳酸岩及其相关的铌钽—稀土矿床开展了大量的研究工作，积累了大量的元素地球化学、同位素地球化学及年代学资料，同时也形成了许多重要的认识。本文对鄂西北地区铌钽—稀土矿的理论研究及矿产勘查工作取得的认识和成果进行系统性的总结，以供后续的研究和勘查工作借鉴。

1 地质背景

秦岭造山带是华北和扬子两大板块拼合带，经历了多期次、多阶段的碰撞—扩张—聚合的演化过程[2-4]，发育2条重要的缝合带，即北部的商丹缝合带[5-8]和南部的勉略缝合带[3,9-11]。新元古代晚期—早中生代初期板块俯冲—碰撞的构造体制造就了秦岭造山带的基本构造格局[12-13]。研究区位于南秦岭造山带中段北大巴山弧形构造带内，武当隆起西缘，青峰—襄广断裂北侧(图1)。区域上主要出露南华系武当岩群—志留系梅子垭组中—浅变质地层。岩浆活动较为强烈，主要发育有晚元古代辉绿(长)岩、早古生代基性岩和碱性杂岩群。主体构造呈北西向，发育的区域大断裂有安康—竹山断裂和红椿坝—曾家坝断裂以及一系列叠瓦状逆冲推覆构造体，与近东西向、北东向脆性断裂相互交切形成条块网格结构。

图1 研究区大地构造位置示意图(a图据参考文献[12]修改)和碱性岩浆岩分布示意图(b图据参考文献[14]修改)Fig.1 The map of tectonic position and distribution of alkaline magmatic rocks in the study area1.新元古代地层；2.古生代地层；3.基性岩；4.正长岩—碳酸岩杂岩体；5.粗面质火山岩；F1.鲁山断裂；F2.商丹断裂；F3.青峰—襄广断裂；F4.红椿坝—曾家坝断裂；F5.安康—竹山断裂；F6.十堰断裂。

2 碱性岩—碳酸岩及铌钽—稀土矿时空分布特征

鄂西北地区碱性岩—碳酸岩及其相关铌钽—稀土矿床主要受北西向构造控制，呈北西向带状展布，可分为东、西两个密集带(图2)。东带分布于竹山县的庙垭—杀熊洞一带，沿安康—竹山断裂展布，该带内已发现庙垭铌稀土矿、杀熊洞铌稀土矿、土地岭铌钽矿等矿床及多处铌(钽)矿点。西带分布于竹溪县蒋家堰—天宝一带，沿红椿坝—曾家坝断裂展布，该带内已发现天宝铌矿、岩屋沟—青岩沟铌矿及蒋家堰铌矿等矿床，并在长达几—十几千米长的碱性火山岩系中发现近十处铌矿点。

图2 鄂西北地区铌钽—稀土矿床分布图Fig.2 Distribution map of Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province1.正长岩—碳酸岩杂岩体；2.粗面质火山岩；3.基性岩；4.断层；5.铌钽—稀土矿床;F1.青峰—襄广断裂；F2.红椿坝—曾家坝断裂；F3.安康—竹山断裂。

关于研究区内碱性岩—碳酸岩的形成时间，前人的研究获得过不同的认识，但近年来，对庙垭杂岩体(正长岩、碳酸岩)、杀熊洞杂岩体(正长岩、碳酸岩)、天宝粗面岩及土地岭粗面岩类的大量年代学研究表明(表1)，鄂西北地区碱性岩—碳酸岩形成于早志留世[14-21]，其岩浆活动时间峰值为420～440 Ma。部分学者在碳酸岩—正长岩杂岩体(庙垭、杀熊洞)的独居石、铌铁矿中获得一组三叠纪年龄(230～440 Ma)[16-19]，该组年龄为三叠纪热液活动所致[17-19]。

表1 鄂西北地区碱性岩—碳酸岩岩浆活动年代表Table 1 Chronology of alkaline-carbonatite magmatism innorthwestern Hubei Province

3 碱性岩—碳酸岩及相关典型矿床特征

鄂西北地区铌钽—稀土矿床的产出与碱性岩—碳酸岩岩浆活动密切相关，随着岩浆的上侵—喷发沉积在不同的岩相形成不同的岩石类型和矿种组合，也构成不同的矿床成因类型(表2)。在侵入相中形成与正长岩—碳酸岩有关的岩浆岩型铌稀土矿床(庙垭、杀熊洞)；在爆发—溢流相中形成与粗面质熔岩、粗面质火山角砾岩有关的火山岩型铌矿(天宝)；在喷发—沉积相中形成与粗面质凝灰岩、粗面质火山碎屑岩有关的火山沉积型铌钽矿(土地岭)[14]。

表2 鄂西北地区典型铌钽—稀土矿床特征表Table 2 Characteristics of typical Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province

3.1 庙垭铌稀土矿床

庙垭含矿杂岩体呈近东西走向，向北倾斜，形似纺锤形。含矿杂岩体沿构造脆弱带侵入，杂岩体与地表围岩产状相同，与区域构造线方向一致，具北缓南陡的特点。

岩体在侵入冷凝过程中形成不同结构的正长岩，并受碳酸岩化交代作用的影响，形成一套独有的蚀变正长岩类和碳酸岩类的岩石。根据岩石的结构、构造及矿物成分、含矿性等特点将区内岩浆岩划分成两个大类——正长岩和碳酸岩,其中正长岩类主要包括正长岩、碳酸岩化正长岩、正长斑岩,碳酸岩类主要包括粗粒方解石碳酸岩、黑云母方解石碳酸岩、方解石碳酸岩和铁白云石碳酸岩[1,18,22]。正长岩分布最广泛，主要矿物为微斜长石和正长石，主要副矿物为锆石，正长岩普遍受到后期碳酸岩岩浆交代；正长斑岩主要矿物为微斜长石和正长石，斑晶主要为正长石，搭成正三角形，细粒长石填充其中。碳酸岩呈大小不等的透镜体或树枝分叉复合体位于正长岩中，方解石碳酸岩的形成早于铁白云石碳酸岩[18]。方解石碳酸岩主要矿物为方解石，少量磷灰石；铁白云石碳酸岩主要矿物为铁白云石、萤石、方解石，并有少量磷灰石[18]，碳酸岩类副矿物种类十分复杂。

庙垭铌稀土矿床在成因上属于与正长岩—碳酸岩侵入体有关的岩浆型矿床，庙垭杂岩体即是矿化体。全区共圈定矿体45个，其中铌稀土矿体24个、铌矿体14个、稀土矿体9个，矿体规模差异大。矿化富集与一定的岩相带、蚀变带有关，正长斑岩、(黑云母)方解石碳酸岩铌稀土矿化发育；正长岩、碳酸岩化正长岩以铌矿化为主，并有一定量的稀土矿化；(黑云母)方解石碳酸岩、方解石碳酸岩多构成规模大品位富的铌矿体；铁白云石碳酸岩多是高品位的稀土矿体。含铌矿物有铌铁矿、铌金红石、烧绿石等矿物，稀土矿物有独居石、氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、磷灰石等矿物。

3.2 天宝铌矿床

天宝铌矿床是湖北省地质调查院近年来新发现的大型铌矿床，该矿床规模大、品位稳定。矿化体主要赋存于早志留世粗面质火山岩类中，受区域构造控制呈北西向展布[23]，在竹溪县岩屋沟—青岩沟—天宝一带初步圈定4条铌矿化带，矿化带延伸达数千米。含矿岩系有粗面质晶屑熔结凝灰岩、粗面岩、粗面质熔结火山角砾岩等，粗面质火山岩类具有比较明显的流动构造，主体为一套火山溢流相物质。粗面质熔岩中发育钾长石和黑云母晶屑，胶结物矿物成分为微晶钾长石、绢云母、黑云母等。

天宝铌矿床在成因上属于与粗面质火山岩有关的火山岩型矿床，杨成等[24]认为该矿床兼具有岩浆热液型矿床的特征，主要含铌矿物有易解石、烧绿石、钛铁矿、榍石等；稀土矿物以褐帘石为主，少量兴安石和氟碳铈矿，微量独居石和氟碳钙铈矿(3)湖北省地质调查院，湖北省竹溪县岩屋沟—青岩沟地区铌多金属矿普查报告，2021。。该矿床岩屋沟—青岩沟矿段普查工作估算潜在矿产资源：Nb2O594.43万t，达特大型矿床规模(4)湖北省地质调查院，湖北省竹溪县岩屋沟—青岩沟地区铌多金属矿普查报告，2021。。

3.3 土地岭铌钽矿床

土地岭铌钽矿床也是湖北省地质调查院近年来新发现的大型铌钽矿床。矿体主要赋存于志留系梅子垭组底部的一套粗面质火山岩、粗面质火山碎屑沉积岩中，呈近东西—北西西向展布，呈似层状、脉状、透镜状产出，产状较稳定，含矿岩石主要为粗面岩、粗面质熔结凝灰岩、粗面质(晶屑)凝灰岩、(含晶屑)凝灰质绢云千枚岩[14，25-26]。区内共圈定6条矿体，其中铌矿体2条、铌钽矿体2条、铌(钽)矿体2条，铌矿体主要赋存于溢流相的粗面岩中，矿化程度与天宝铌矿相当；铌钽矿体主要赋存于喷发—沉积相中的粗面质火山碎屑沉积岩中，其矿化程度约为铌矿体的2～3倍。粗面质熔岩主要矿物为碱性长石、斜长石，少量绢云母等矿物；粗面质火山碎屑沉积岩中主要矿物为绢云母、碱性长石，少量石英等矿物。

土地岭铌钽矿床在成因上属于与粗面质火山岩、粗面质火山碎屑岩有关的火山—沉积型矿床。对铌钽矿石的矿物学研究表明，主要的含铌钽矿物有铌铁矿、铌金红石、含铌钛铁矿、含铌榍石、硅锆铌钙钠石，并且80%以上的铌钽主要是赋存于独立矿物铌铁矿中(5)湖北省地质调查院，鄂西北地区火山岩型钽铌矿成矿机理与成矿预测研究报告，2020。。该矿床经工程验证估算的潜在矿产资源：Ta2O52 681 t，Nb2O510.48万t(6)湖北省地质调查院，湖北省竹山县土地岭矿区钽矿预查报告，2020。，达大型铌钽矿床规模。并且该矿床进一步的勘查工作显示，矿体向深部延伸稳定，有望扩大矿床规模。

4 岩石成因和源区

前人研究表明[14，20-21,24]，鄂西北地区碱性火山岩地球化学特征相似，全碱含量高，强烈富集Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素，亏损Sr、Ti、P等元素，与OIB具有相似的地球化学特征。万俊等[21]研究认为天宝粗面岩可能形成于幔源碱性岩浆的结晶分异作用；鲁显松等[14]认为土地岭粗面质火山岩是幔源玄武质岩浆演化的产物；王刚等[27]认为邻区紫阳—岚皋地区粗面岩及碱性玄武岩形成于幔源岩浆强烈的结晶分异作用;Zhu Jiang等[15]、Xu C等[28]认为庙垭、杀熊洞杂岩体中正长岩类与碳酸岩类密切共生，应为同源不同阶段演化的产物，庙垭碳酸岩可能由富CO2的碱性硅酸盐熔浆经多阶段结晶分异而形成，是正长岩岩浆期后熔体/流体结晶分异的产物；Su等[18]研究认为液态不混溶可能是庙垭碳酸岩的主要成因，富CO2的硅酸盐岩浆结晶分异形成正长岩，不混溶形成了碳酸岩母岩浆，碳酸岩岩浆结晶分异形成了碳酸岩；Xu C等[20]认为杀熊洞杂岩体地球化学特征及Sr-Nd同位素特征表明，碱性岩类与碳酸岩类均起源富CO2的碱性硅酸盐熔浆，并经过强烈的结晶分异作用形成。以上研究表明，正长岩—碳酸岩杂岩体是富CO2碱性硅酸盐岩浆演化的产物，但其成因是液态不混溶作用，抑或是岩浆结晶分异作用，目前还存在一定争论。

从已报道的同位素数据来看，杀熊洞正长岩及碳酸岩具有相似的87Sr/86Sr比值(分别为0.702 9～0.703 3和0.703 0～0.703 2)和εNd(t)值(分别为2.8～4，2.5～6)[20]；庙垭正长岩及碳酸岩亦具有相似的87Sr/86Sr比值(分别为0.701 1～0.705 2和0.703 6～0.704 1)和εNd(t)值(分别为2.6～5.5，1.0～3.2)[16,18]，同时也具有相似的锆石Hf同位素组成(εHf(t)值范围为0～8)[16]；天宝地区粗面岩的εNd(t)值为3.3～4.0，TDM为0.84～0.90 Ga[29]。根据以上同位素特征，结合前述近同时的成岩年龄来看，碱性岩与碳酸岩很可能为同一幔源岩浆演化的产物。

综上所述，鄂西北地区碱性岩、碳酸岩在形成时间上是近同时的(420～440 Ma)，形成于早志留纪；在空间上均受北西向区域深大断裂控制，其时空关系上存在紧密联系。结合其相似的地球化学及同位素特征认为，鄂西北地区碱性岩、碳酸岩为同一构造—岩浆事件的产物，起源于幔源玄武质岩浆的演化，具有HIMU、EM1和EM2的混合源区特征[15-16]，可能与壳源物质再循环进入软流圈地幔有关[30-32]。

5 动力学背景

南秦岭地区广泛出露的早古生代碱性岩、碳酸岩的产出背景主要有两种模式：①大陆裂谷的强烈伸展环境[21,24,31]；②弧后盆地拉张环境[27,33-35]。这两种模式所指示的拉张环境以及广泛发育的碱性岩—碳酸岩，表明南秦岭竹山—竹溪地区在早古生代处于岩石圈强烈伸展背景下，并存在幔源岩浆底侵上涌。自元古代中期到早古生代末，南秦岭地区扬子板块北缘持续发生伸展裂解活动[13]，在晚泥盆世—早志留世，商丹洋和二郎坪洋洋壳分别向北秦岭陆块相向俯冲[3]。万俊等[21]、鲁显松等[14]对天宝粗面岩、土地岭粗面质火山岩地球化学构造环境判别均显示为板内环境。以上表明，很可能是商丹洋洋壳的持续向北的俯冲作用，由于拉张作用在扬子板块北缘形成了被动大陆边缘裂谷，导致了南秦岭地块从扬子板块分离，形成这些早古生代岩浆岩。

6 铌钽—稀土富集机制

对火山岩型铌矿床Nb-Ta富集机制还存有“岩浆结晶分异说”[36]以及“热液蚀变说”[24,26]之争。朱江等[36]认为碱性火山岩铌(钽)矿床成岩与成矿过程基本一致，岩浆结晶分异的过程即为铌钽元素富集的过程；而钟石玉等[24,26]认为岩浆晚期富F、CO2等挥发分的热液流体使铌钽元素进一步活化富集。土地岭、天宝地区粗面质火山岩经历了强烈的结晶分异过程[14,21]，Nb、Ta为强不相容元素，其在岩浆演化过程中倾向富集于残留熔体中，土地岭铌钽矿、天宝铌矿的热液活动迹象并不明显，矿石品位高低与蚀变作用并无明显关系。这些证据都表明，火山岩型铌(钽)矿床中铌钽元素的富集与岩浆结晶分异作用关系密切，而与热液蚀变作用关系不大。