云南个旧碱性杂岩体的岩石成因及稀土元素富集机制

2021-07-29王长兵倪光清覃勇凯廖志凯李炜森

岩石矿物学杂志 2021年4期

王长兵，倪光清，覃勇凯，廖志凯，李炜森，李誓，张黎，官斌

(云南省核工业二〇九地质大队，云南昆明 650106；云南省三稀矿产资源勘查评价工程研究中心, 云南昆明 650106)

碱性岩类具有幔源和产于拉张型构造环境特征，被认为是探索地球深部物质组成特征及演化过程、地球动力学、构造和物理化学环境的“探针”(赵振华， 1994；任康绪， 2003；王亚莹等， 2014)。全球与碱性岩类相关的稀土、稀有、稀散和放射性矿产资源储量十分丰富(徐夕生等， 2010)，因此，碱性岩岩浆演化及相关稀土、稀有、稀散和放射性矿产的矿床学研究一直受到岩石学和矿床学研究者广泛和长期关注。个旧碱性杂岩体属于个旧杂岩体的一部分(刘红英等， 2004)，大地构造位置位于兰坪-思茅地块、华夏陆块和扬子陆块的交界部位，隶属华夏地块西部的右江盆地(图1a)(杜远生等， 2009；陈超等， 2016)。个旧碱性杂岩体是超大型离子吸附型稀土(iREE)矿床的成矿母岩，在岩体风化壳内共/伴生铌(Nb)、镓(Ga)、锆(Zr)等稀有稀散元素，已达到中型-大型矿床的规模。前人对个旧碱性杂岩体进行了岩相学特征、岩石成因和构造背景的有益探讨(刘红英， 2004；程彦博等， 2008， 2009；黄文龙等， 2016， 2018；李新仁等， 2018)。李新仁等(2018)对长岭岗碱性岩体进行了详细的岩相学和地球化学研究，将碱性岩划分为5种类型，认为其形成于板块内部环境。其他学者(刘红英， 2004；程彦博等， 2008， 2009；黄文龙等， 2016， 2018)的研究表明，个旧碱性杂岩体形成时代为82.89～76.6±3.6 Ma，很可能是源于同一富集地幔源区并经历了不同程度演化的产物，形成于富集的岩石圈地幔，具有板内伸展构造背景。

笔者在研究个旧碱性杂岩体风化形成超大型iREE-Nb-Ga-Zr稀土稀有稀散矿床的成矿规律时，发现碱长正长岩和霞石正长岩形成的风化壳中稀土矿体全相稀土总量(TRE2O3)、离子相稀土总量(SRE2O3)、厚度等均有显著差异，如碱长正长岩和霞石正长岩全风化层(矿体)中TRE2O3平均含量分别为0.15×10-6和0.22×10-6，SRE2O3平均含量分别为0.062×10-6和0.096×10-6，厚度分别为7.06 m和14.16 m。显然，碱性杂岩体的时空分布、岩浆演化过程、源区性质是揭示个旧碱性杂岩体大型-超大型iREE-Nb-Ga-Zr稀土稀有稀散矿床成因的关键因素之一。本文在详实调查个旧碱性杂岩体分布、产状、岩石组合特征等的基础上，在钻探工程中采集新鲜样品，对其进行详细的岩相学和全岩地球化学等的研究，结合前人研究成果，探讨了碱性杂岩体成因联系及演化关系，揭示了碱性杂岩体与稀土稀有稀散元素成矿作用的内生机制，这将有助于进一步揭示稀土稀有稀散元素超常富集规律，为发现新的、优质的稀土稀有稀散矿产提供理论依据，具有重要的现实和战略意义。

1 地质产状与岩相学特征

1.1 地质产状

个旧杂岩体由辉长岩、闪长岩、黑云二长花岗岩、钾长花岗岩、碱长花岗岩、碱长正长岩及霞石正长岩组成(图1b)。本文研究的个旧碱性杂岩体由北部的长岭岗岩体和南部的白云山岩体组成，呈南北向延展，中间被细粒碱长花岗岩分隔。其中，长岭岗岩体出露面积约20 km2，白云山岩体出露面积约16 km2。碱性杂岩体呈岩珠状侵入于三叠系法郎组(T2f)、个旧组(T2g)中，接触带发育大理岩化、角岩化。岩体边缘相为碱长正长岩，具中细粒结构；中心相为霞石正长岩，具中粗粒结构；二者为渐变过渡关系，呈环状分布(西南有色地质勘查局地质研究所， 1997)(1)西南有色地质勘查局地质研究所. 1997. 云南省个旧市白云山霞石正长岩矿床地质勘探报告(内部资料).1～189.(图1b)。

图 1 云南个旧地区大地构造位置图[a，据陈超等(2016)修编]和地质示意图[b，据程彦博等(2008)、黄文龙等(2016)修编]Fig. 1 Map showing the geotectonic location (a， modified after Chen Chao et al., 2016) and sketch geological map (b， modified after Cheng Yanbo et al., 2008; Huang Wenlong et al., 2016) of the Gejiu, Yunnan Province

1.2 岩相学特征

依据碱性杂岩体的野外产状、结构构造及室内镜下所显示的矿物组合差异，可将个旧碱性杂岩体划分为以下两组： ① 碱长正长岩：新鲜面呈肉红色、浅灰色(图2a)，风化后为褐黄色，具中细粒半自形粒状结构、似斑状结构，块状构造。斑晶主要为碱性长石(5%～20%，粒度0.5～6 mm)、钠长石(3%～5%，粒度0.5～3 mm)；基质以细粒为主(0.05～0.5 mm)，主要矿物有碱性长石(55%～65%)、钠长石(2%～15%)、黑云母(2%～15%)、角闪石(2%～20%)、霓辉石(2%～10%)(图2b)，副矿物以榍石(1%～3%)为主。边缘相的碱长正长岩中有辉石、角闪石、黑云母、石英的富集，推测与花岗岩的围岩捕掳体的同化混染作用有关。② 霞石正长岩：新鲜面为浅灰-灰色(图2c)，中粗粒半自形粒状嵌晶结构，部分为伟晶结构，块状构造。主要矿物有碱性长石(50%～65%，以正长石为主)、霞石(25%～40%)、方钠石(5%～15%)，含有1%～2%的黑云母、普通角闪石、霓辉石、霓石、萤石、方沸石、黑榴石(图2d)。依据特征矿物，霞石正长岩可进一步划分为霓辉霞石正长岩、黑榴霞石正长岩、黑云霞石正长岩、霞石正长岩(李新仁等， 2018)，中心相中有副长石类矿物霞石、方钠石、方沸石等铝、碱硅酸盐类矿物析出。

图 2 个旧碱性杂岩体野外岩石学特征(a、c)和显微岩相学特征(b、d)Fig. 2 Field petrological characteristics (a, c) and micro-lithologic characteristics (b, d) of Gejiu alkaline complexa—碱性正长岩手标本照片； b—碱性正长岩正交偏光显微照片； c—霞石正长岩手标本照片； d—霞石正长岩正交偏光显微照片； Agt—霓辉石； Di—透辉石； Am—角闪石； Afs—碱性长石； Ab—钠长石； Or—正长石； Ne—霞石a—field photo of alkaline syenite; b—photomicrograph of alkaline syenite (crossed nicols); c—field photo of nepheline syenite; d—microphotograph of nepheline syenite (crossed nicols); Agt—aegirine-augite； Di—diopside； Am—amphibole； Afs—alkali feldspar； Ab—albite； Or—orthoclase； Ne—nepheline

从边缘相的碱长正长岩到中心相的霞石正长岩，矿物成分和结构特征表现出以下变化： ① 粒度由细粒或中细粒向中粗粒过渡，主要造岩矿物的自形程度提高； ② 碱性长石含量从大量到中等变化； ③ 暗色矿物角闪石、辉石、黑云母从大量到少量，霞石、方钠石等副长石类矿物从无到有； ④ CIPW标准矿物计算表明(表1)，边缘相碱长正长岩中出现紫苏辉石、锥辉石、橄榄石，中心相霞石正长岩中出现了橄榄石。这些现象表明碱性杂岩体形成过程中发生了结晶分异作用，且具有上地幔岩浆分异而成的特点。

表 1 个旧碱性杂岩体CIPW标准矿物计算表wB/%Table 1 CIPW standard minerals of the Gejiu alkaline complex

2 采样及测试方法

研究样品采自笔者参与主持的“云南省建水县普雄矿风化壳型铌稀土矿勘探”项目深部9个钻孔(图1b)，样品新鲜(图2a、2c)，共9件(表2、表3)，其中，长岭岗霞石正长岩样品7件；白云山碱长正长岩1件，霞石正长岩样品1件。主量元素、稀土元素、微量元素测试在国土资源部昆明矿产资源监督检测中心完成。主量元素分析采用电感耦合等离子体发射光谱法(等离子体发射光谱仪ICAP7000)，其中SiO2采用动物胶凝聚重量法(电子天平AUW120D)，FeO采用重铬酸钾容量法(滴定管)，分析精度优于3%。岩石样品经破碎后用玛瑙研磨至200目，称取0.1 g样品，利用氢氟酸、硝酸、硫酸等复合酸溶样，然后将溶液样品置于电感耦合等离子体发射光谱仪上测定主量元素组成。稀土元素和微量元素采用等离子体质谱法(等离子体质谱仪PE300X)，分析精度优于5%；岩石样品经破碎后用玛瑙研磨至200目，称取0.1 g样品，采用氢氟酸、硝酸、硫酸等复合酸溶，在电感耦合等离子体质谱仪上测定。薄片鉴定由昆明冶金研究院完成。此外，文中还引用了前人对个旧碱性杂岩体的主量元素和微量元素含量的测试数据及其结果(西南有色地质勘查局地质研究所， 1997(2)西南有色地质勘查局地质研究所. 1997. 云南省个旧市白云山霞石正长岩矿床地质勘探报告(内部资料).1～189.；黄文龙等， 2016， 2018)。

表 2 个旧碱性杂岩体主量元素含量wB/%Table 2 The major elements content of the the Gejiu alkaline complex

表 3 个旧碱性杂岩体微量元素和稀土元素分析结果wB/10-6Table 3 Trace and rare earth elements content of the Gejiu alkaline complex

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

数据显示(表2)，边缘相碱长正长岩主量元素组成具有以下特征： ① SiO2含量为58.84%，Al2O3含量为17.90%，CaO含量为1.83%，分异指数高(DI=83.33)，固结指数低(SI=3.12)，长英指数高(FL=87.07)，镁铁指数高(MF=91.61)，揭示岩体经历了高程度的分异演化作用。 ② 全碱(K2O+Na2O)为12.32%，K2O/Na2O=2.12，属于钾质类型岩石；里特曼指数σ为9.40，属于碱性岩系列；碱度率较高(AR=2.34)； A/NK值为1.15，具有碱质岩石特征。中心相霞石正长岩主量元素组成具有以下特征： ① SiO2含量变化于52.20%～56.01%之间， Al2O3含量变化于19.33%～21.48%之间，CaO含量变化于0.87%～3.31%之间；分异指数高(DI=78.65～89.78)，固结指数低(SI=0.41～1.51)，长英指数高(FL=82.86～94.46)，镁铁指数高(MF=94.32～97.82)，揭示岩体经历了高程度的分异演化作用。② 全碱(K2O+Na2O)变化于14.59%～16.72%之间， K2O/Na2O变化于0.73～2.59之间，属于钾质类型岩石；里特曼指数σ变化于15.91～27.79之间，属于过碱性岩系列；碱度率较高(AR=4.14～6.30)， A/NK值变化于0.90～1.06之间，具有过碱质岩石特征。全碱-SiO2图上，碱长正长岩样品主体落入正长岩范围内，霞石正长岩样品主体落入副长正长岩范围内(图3a)。在AR-SiO2图解上，碱长正长岩样品绝大部分落入碱性岩区，少数落入钙碱性区域；霞石正长岩样品全部落入过碱性岩区(图3b)。A/CNK-A/NK图解上，碱长正长岩指示过铝质-准铝质特征；霞石正长岩指示过碱质特征，少数指示准铝质特征(图3c)。K2O-SiO2图解上，碱长正长岩和霞石正长岩样品全部落入钾玄岩区(图3d)。主量元素地球化学特征揭示碱长正长岩具有高碱、富钾、富铁、低镁、过铝质-准铝质的碱性岩石特征；霞石正长岩具有SiO2不饱和、富碱、富钾、富铁、低镁、过碱性岩石特征。

图 3 个旧碱性杂岩体TAS图解(a，据Middlemost， 1994)、SiO2-AR判别图解(b，据Wright， 1969)、A/NK-A/CNK图解(c，据 Ewart， 1982)、K2O-SiO2图解(d，据 Ewart， 1982)Fig. 3 TAS diagram(a， after Middlemost, 1994), SiO2 versus AR discrimination diagram (b, after Wright, 1969)， A/NK versus A/CNK diagram (c, after Ewart, 1982), K2O versus SiO2 diagram (d, after Ewart, 1982) for the Gejiu alkaline complex

主量元素哈克图解(图4)表明： ① 碱长正长岩和霞石正长岩具有两个阶段的岩浆分异演化过程，暗示两类岩石具有成因上的联系。 ② 从边缘相碱长正长岩向中心相霞石正长岩岩浆演化作用过程中，SiO2、TiO2、P2O5、MgO含量逐渐减低， K2O、Na2O含量逐渐增加，即由碱质岩石向过碱质岩石过渡。 ③ TFe2O3、Al2O3、CaO含量基本保持不变。 ④ 碱长正长岩随着SiO2含量增加，MgO、K2O逐渐增加， Na2O、TiO2、P2O5、Al2O3、TFe2O3逐渐降低，CaO含量变化不大。 ⑤ 霞石正长岩随着SiO2含量增加，MgO、P2O5、K2O、Al2O3含量基本不变， Na2O、TiO2、CaO、TFe2O3含量逐渐降低，说明存在钾长石、钛铁矿等矿物的分离结晶作用。

图 4 个旧碱性杂岩体哈克图解(图例同图3)Fig.4 Harker diagrams for the Gejiu alkaline complex (legends as for Fig.3)

3.2 稀土元素特征

数据显示(表3)，碱长正长岩和霞石正长岩具有如下特征： ① 边缘相碱长正长岩稀土元素总量(ΣREE)为628×10-6。 ② 中心相霞石正长岩ΣREE为244×10-6～1 310×10-6，平均670×10-6，从边缘相到中心相显著增高。 ③ 具明显的Eu负异常(δEu=0.29～0.64，平均0.51)，揭示岩石经历了强烈的斜长石分离结晶作用。④ δCe=0.90～0.96(平均0.92)，无明显的Ce异常。⑤ (La/Yb)N=27～183(平均75)，LREE/HREE为20～59(平均34)，揭示轻、重稀土元素发生了明显的分馏；(La/Sm)N=8～50(平均24)、(Sm/Yb)N=1.2～5.0(平均3.1)，揭示碱性杂岩体轻稀土元素较重稀土元素分馏程度高。⑥ 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线呈现明显的右倾型(图5a)，配分型式总体相似，揭示了同源岩浆分异演化特征，霞石正长岩中稀土元素进一步富集。

3.3 微量元素特征

数据显示(表3)，碱长正长岩和霞石正长岩具有如下特征： ① 微量元素原始地幔标准化图上，二者分布型式相似，均亏损高场强元素Ti、Nb、P和大离子亲石元素K、Sr等，明显富集高场强元素Zr、Hf、Th，稀土元素La、Ce、Nd及大离子亲石元素U、Rb(图5b)，说明它们具有相同的源区。② 边缘相碱长正长岩和中心相霞石正长岩Rb/Sr值(分别为0.53和0.23～60.00，平均9.60)接近或明显高于原始地幔的相应值(0.88； Taylor and McLennan， 1995)，说明岩体经历了较高程度的分异。 ③ Nb/Ta值(分别为24和36～76，平均51)明显高于地幔的Nb/Ta值(17.5±2； Weyeretal.， 2002；徐平等， 2004)； Zr/Hf值(分别为39和57～106、平均74)接近或远高于原始地幔和球粒陨石值(34～36； Sun and McDonough， 1989)，揭示碱性岩浆源于遭受交代作用的富集地幔部分熔融。④ 霞石正长岩中Nb含量89.9×10-6～199.0×10-6(平均135×10-6)、Ga含量22.7×10-6～49.5×10-6(平均33.9×10-6)和Zr含量1 410×10-6～4 290×10-6(平均3 119×10-6)均显著高于碱长正长岩中Nb(69.4×10-6)、Ga(22.8×10-6)和Zr含量(1 080×10-6)。

图 5 个旧碱性杂岩体稀土元素配分图解(a)和微量元素蛛网图解(b)(标准化数值据 Sun and McDonough， 1989)(图例同图3)Fig.5 Chondrite-normalized REE diagram (a) and primitive mantle-normalized trace element spider (b) for the Gejiu alkaline complex (normalization values after Sun and McDonough, 1989) (legends as for Fig.3)

4 成因讨论

4.1 岩浆演化

碱性杂岩体具有相似的主量元素含量，经历了高程度的分异演化作用，具有富碱、富钾、富铁、低镁碱性-过碱性岩石特征；与碱长正长岩相比，霞石正长岩碱金属含量明显增加，分异程度更高。二者具有相似的稀土元素配分型式(图5a)，具有Eu负异常、Ce弱负异常；霞石正长岩ΣREE、LREE/HREE、(La/Yb)N、(La/Sm)N特征值均明显高于碱长正长岩，稀土元素地球化学特征显示，高分异的岩浆演化使霞石正长岩中稀土元素超常富集，轻、重稀土元素分馏程度更高。二者具有相似的微量元素分布型式(图5b)，Rb/Sr、Ba/Sr、δEu特征值等揭示碱性杂岩体均发生了高程度的结晶分异作用，且霞石正长岩结晶分异程度更高，更加富集Nb、Ga、Zr元素。边缘相岩浆冷却较快，成岩温度较低，多为细粒结构或似斑状结构；中心相岩浆缓慢冷却，成岩温度较高，岩石结构以中粗粒结构为主，少部分为伟晶结构；从边缘相至中心相，显示SiO2、CaO含量和SI值逐渐降低，Al2O3、 K2O+Na2O含量、DI、MF、δ、AR逐渐升高，具有硅质降低、从碱质岩石向过碱质岩石过渡特征以及矿物组合和含量变化特征(图2a)，这些都是岩浆结晶分异作用特征。在野外调查中发现中心相霞石正长岩中含有边缘相碱长正长岩捕虏体，Hark图解(图4)显示二者存在两个阶段的岩浆分异演化过程，证实碱长正长岩的形成略早于霞石正长岩。边缘相碱长正长岩和中心相霞石正长岩具有相似的地球化学特征和岩相学特征，是同源岩浆分异演化产物，晚期霞石正长岩的分异程度明显高于早期碱长正长岩，高程度的分异作用使稀土元素、Nb、Ga和Zr元素超常富集。

4.2 岩浆源区性质

碱性杂岩体SiO2含量52%～59%(平均55%)区别于长英质地壳物质部分形成的产物(黄文龙等， 2018)； Nb/Ta值为24～76(平均值48)，明显高于地幔的Nb/Ta值(17.5±2； Weyeretal.， 2002；徐平等， 2004)； Zr/Hf值(39～106，平均值70)、Th/Nb值(0.30～1.12，平均值0.73)远高于原始地幔和球粒陨石值(36和0.12； Sun and McDonough， 1989)；碱性杂岩体的CIPW标准矿物计算结果中出现紫苏辉石、锥辉石、橄榄石等幔源特征指示矿物；上述特征均表明碱性杂岩体微量元素具有幔源特征。Cheng等(2013)和黄文龙等(2018)对个旧碱性杂岩体进行的Sr-Nd同位素研究表明，87Sr/86Sr值变化于0.709 4～0.710 4之间，εNd变化于-7.12～-6.4之间；且杂岩体的(Th/Nb)N值为2.5～9.4，平均6.1， Nb/La值为0.53～1.40，平均0.64，符合(Th/Nb)N>1和Nb/La<1两个判别地壳混染作用的微量元素指标(Saundersetal.， 1992；夏林圻等， 2007)，因此认为碱性杂岩中混入了有限的地壳物质。综上所述，个旧碱性杂岩体岩浆来源地幔的母岩浆应通过分异作用形成，受到有限的地壳混染作用影响。

4.3 构造环境

碱性杂岩体的成因类型与A型花岗岩大致相当(图6a、6b)。为了进一步研究个旧碱性杂岩体各组分岩石成因，尝试运用A型岩套的划分方案(Whalenetal.， 1987； Eby， 1992)，即A1型与上地幔热柱或裂谷有关， A2型则与大陆边缘地壳伸展作用有关，以此来区分和对比研究。在Y-Ce-Nb和Y-Ga-Nb判别图解中，全部样品投影到A1花岗岩中(图6c、6d)，由此推测其形成构造环境与加厚地壳-岩石圈拆沉作用所引起的地幔上涌有关。

图 6 个旧碱性杂岩体(Na2O+K2O)/CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)(a，底图据Whalen et al.， 1987)、(FeOT/MgO)-(Zr+Nb+Ce+Y)(b，底图据Whalen et al.， 1987)、Y-Ce-Nb(c，底图据Eby，1992)和Y-Ga-Nb(d，底图据Eby， 1992)判别图解(图例同图3)Fig. 6 (Na2O+K2O)/CaO versus (Zr+Nb+Ce+Y) discrimination diagram (a, after Whalen et al., 1987), (FeOT/MgO) versus (Zr+Nb+Ce+Y) discrimination diagram (b, after Whalen et al.,1987)， Y versus Ce versus Nb discrimination diagram (c, after Eby, 1992) and Y versus Ga versus Nb discrimination diagram (d, after Eby, 1992) for the Gejiu alkaline complex (legends as for Fig.3)

在lg[CaO/(Na2O+K2O)]-SiO2判别图解(图7a)中，个旧碱性杂岩体样品全部落入于引张型碱钙性-碱性岩区。在Rb-(Nb+Y)判别图解(图7b)中，大部分样品位于后碰撞花岗岩-板内花岗岩的交界部位。在Rb-(Yb+Ta)判别图(图7c)中，全部样品位于后碰撞花岗岩区。在Ta-Yb判别图解(图7d)中，绝大部分样品位于板内花岗岩区，少数落入同碰撞花岗岩区。

图 7 个旧碱性杂岩体lg[CaO/(Na2O+K2O)]-SiO2(a，底图据Brown， 1982)、Rb-(Y+Nb)(b，底图据Pearce， 1996)、Rb-(Yb+Ta)(c，底图据Pearce， 1996)和Ta-Yb(d，底图据Pearce， 1996)判别图解(图例同图3)Fig. 7 lg[CaO/(Na2O+K2O)] versus SiO2 diagram (a， after Brown， 1982), Rb versus (Y+Nb) discrimination diagram (b, after Pearce, 1996), Rb versus (Yb+Ta) discrimination diagram (c, after Pearce， 1996) and Ta versus Yb discrimination diagram (d, after Pearce, 1996) of the Gejiu alkaline complex (legends as for Fig.3)

前人研究表明，位于华南西部的滇东南-桂西地区分布的世界级的超大型锡多金属矿床(个旧、大厂、都龙及白牛厂)的成岩成矿时限范围为119～73.9 Ma，在100～80 Ma集中出现，且均形成于岩石圈伸展的动力学背景，更多地受到太平洋构造域的影响(陈懋弘等， 2008；毛景文等， 2008a， 2008b；杨宗喜等， 2008；程彦博等， 2008， 2009； Chengetal.， 2013)。个旧碱性杂岩体的侵位年龄(82.9～76.6±3.6 Ma)说明该区岩石圈伸展构造背景与华南西部的滇东南-桂西地区岩石圈伸展的动力学背景具有可比性，形成于后碰撞的伸展环境。