安徽金寨响洪甸碱性杂岩体中碳酸盐脉成因初探

阮林森，刘忠，周皓宇，陈海峰

(安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010)

0 引言

碳酸盐类岩石是自然界常见岩石，有沉积、热液、岩浆流体三种成因，其中的岩浆流体成因又被称为碳酸岩（造山带），具有指示地幔流体的性质、地幔交代作用、壳幔相互作用以及碳酸岩在成岩、成矿等方面的特殊性与重要性[1]。碳酸岩一般与碱性岩（如正长岩、霞石正长岩和霞石岩等）共同构成碳酸岩–碱性（环状）杂岩体，中国秦岭造山带就有多处碳酸岩出露，如小秦岭的黄龙埔[2]和华阳川，南秦岭的杀熊洞和庙垭[3]，东秦岭的河南黄水庵[4]等。

2021 年313 地质队在野外踏勘中发现安徽金寨响洪甸碱性杂岩体中有呈数10 条脉状产出的富含石英的碳酸盐脉。其是否为火成碳酸岩？本文从其地质特征、稀土微量元素地球化学方面对其成因进行初步探讨。

1 地质背景

响洪甸碱性杂岩体出露面积约为48 km2，呈北北西向展布于大别造山带的东北缘及郯庐断裂带西侧。杂岩体包括碱性火山岩与碱性侵入岩，侵位于上元古界青白口系佛子岭群的片岩中[5]。岩体形态明显受金寨断裂控制，呈北西向带状分布。侵入岩和火山岩的成分及成因类型类似，具有明显的同源演化特征[6]。周边已发现的矿床点有：汞洞冲铅锌矿（中型）、同兴寺钼矿、响洪甸铀矿、东冲铀矿、竹园庄铅锌矿点等。

响洪甸碱性侵入岩体位于响洪甸碱性杂岩体的中部（图1），出露面积约为9.1 km2。侵入体一般呈岩株、岩枝状产出，最大约为3 km2，最小仅为0.1 km2。岩体主要呈北西向带状分布，与佛子岭群变质岩及响洪甸组火山岩呈侵入接触。岩体主要呈北西向分布，明显受北西向断裂控制[7]。碱性侵入岩体主要由霓辉正长岩、霞石正长岩和（假）白榴石正长岩三个不同岩相组成[8]。

图1 响洪甸碱性杂岩体地质图Figure 1. Geological map of the Xianghongdian alkaline complex

2 碳酸盐脉的产出状况

碳酸盐呈脉状产出在霞石正长岩中，南东为霓辉正长岩，在50 m 露头范围内有11 条脉体。主脉体走向为北北西向，倾角较陡，厚为1～3.5 m，被后期同向断层切割；其他脉体总体走向为北北西向，脉厚为10～25 cm，倾角为70°～85°，局部脉体倾角为40°～50°，脉体有分支复合现象。脉体与围岩接触界线清晰，未见明显蚀变现象。北部缓倾斜脉体中软-硬锰矿较多。主脉体矿物以粗粒碎裂结构为主，无定向构造，其他脉体矿物呈细粒结晶结构。主要矿物为碳酸盐，次为石英，少量钾长石，偶见磷灰石。金属矿物主要为软-硬锰矿、磁铁矿。主脉体碳酸盐颗粒较粗，颗粒多见波状消光（图2），局部破碎充填于裂隙分布；石英颗粒大小不等，见交代碳酸盐现象，有的呈长粒状分布于碳酸盐脉中，有的粒径较细小，多呈碎粉充填于裂隙中；钾长石呈他形粒状，仅见分布于石英、碳酸盐混合脉中，呈交代残余；磁铁矿呈自形粒状，已被赤铁矿交代呈假象；赤铁矿呈显微粒状交代磁铁矿呈其假象；软-硬锰矿呈毛发、束状分布。

图2 响洪甸碳酸盐脉镜下矿物特征Figure 2. Micrographic features of minerals of the Xianghongdian carbonate veins

3 岩石化学成分特征

共采集4 件碳酸盐脉样品，1 件霓辉正长岩样品。主量元素分析由安徽省地质矿产勘查局313地质队实验室完成（化学分析），薄片制备和岩相学研究、稀土元素分析由安徽地质实验研究所（国土资源部合肥矿产资源监督检测中心）完成（ICP-MS），微量元素分析由澳实分析检测（广州）有限公司完成（ME-MS81）。

3.1 主量元素

2 件样品主量元素分析结果如下：SiO2含量为5.95%～29.44%，CaO 含量为33.98%～50.51%，MnO含量为2.8%～3.10%，TiO2含量为0.03%～0.1%，K2O和Na2O 含量分别为0.24%～0.65%和0.25%～0.37%。CaO/ (CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO)的值为91%～94%, 按照Samoilov[9]统计的碳酸岩主要元素范围，其与方解石碳酸岩类一致。与世界钙质碳酸岩平均值相比，响洪甸碳酸盐脉富SiO2、Na2O 和MnO，贫MgO和P2O5，其他成分大致相当(表1）。

3.2 稀土元素

稀土总量（不含Y）变化较大，碳酸盐脉稀土总量介于围岩霞石正长岩和霓辉正长岩之间，含量为33.5×10-6～192.51×10-6（表2）。其中，轻稀土LRRE含量为 22.18×10-6～171.91×10-6，重稀土 HRRE 含量为8.21×10-6～20.6×10-6，LRRE/HRRE 为1.96～8.35，(La/Yb)N为2.37～10.98，与围岩、全球碳酸岩及国内其他地区碱性杂岩体共生的碳酸岩（如陕西黄龙铺、湖北庙垭、川西木洛[10]等）配分模式类似，均为LREE 富集型（图3），轻重稀土分馏程度较围岩和其他地区碳酸岩要弱；(La/Sm)N为2.67～7.01，轻稀土分馏与围岩和其他地区碳酸岩类似；(Gd/Yb)N为0.98～1.35，重稀土分馏程度与围岩及东秦岭黄龙铺碳酸岩更为接近；δEu 值为0.73～0.85，与其他地区碳酸岩类似具有负异常；δCe值为0.76～0.93，为Ce中等-弱负异常，与其他地区碳酸岩Ce 正异常或无异常有差别，可能是因为出露地表受风化作用影响。

图3 稀土元素球粒陨石标准化蛛网图（标准化据Boynton，1984）Figure 3. Chondrite-normalized spider diagram of REEs(after Boynton,1984）

表2 响洪甸及其他地区碳酸岩、碱性岩稀土元素含量(10-6)Table 2. Contents of rare earth elements in carbonatites and alkaline rocks in Xianghongdian and other areas (10-6)

响洪甸碳酸盐脉与华北板块北缘中部河北（丰宁）无碱性杂岩体共生的永利碳酸岩[11]相比，无论是稀土总量配分还是轻重稀土分馏程度均有明显区别。与沉积碳酸盐相比，响洪甸碳酸盐脉具有稀土含量高、轻稀土更为富集的特征，且无沉积碳酸盐明显Eu亏损。Eu/Sm 值为0.24～0.36，与全球碳酸岩平均值0.3相当，比沉积碳酸盐0.15要高[12]。

3.3 微量元素

碳酸盐脉中微量元素与围岩相比，Ba、Rb、Th、K、Zr、Hf 含量均较低。从微量元素蛛网图（图4）可以看出，围岩正长岩相对强烈富集Th、Zr、Hf，响洪甸碳酸盐脉则相对亏损。与其他地区碳酸岩相比，响洪甸碳酸盐脉微量元素与川西木洛碳酸岩、陕西黄龙铺碳酸岩类似，相对富集大离子亲石元素Sr、K、LREE，强烈亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Zr、P。而与湖北庙垭、世界碳酸岩微量元素相对强烈富集Th、Nb有所不同；与河北永利碳酸岩微量元素特征差异明显。

图4 微量元素原始地幔标准化蛛网图（标准化据McDonough等，1992）Figure 4. Primitive mantle-normalized spider diagram of trace elements (after McDonough et al.，1992）

4 响洪甸碳酸盐脉成因

（1）响洪甸碳酸盐脉呈脉状，与碱性正长岩空间上密切共生，稀土元素含量明显高于中国东部（22.58×10-6）[13]和世界沉积碳酸盐，Eu 异常也远低于沉积碳酸盐，Eu/Sm 值为0.24~0.36 也高于沉积碳酸盐。响洪甸一带并无富钙质的碳酸盐地层，因此不大可能是沉积成因或热液接触交代成因。

（2）响洪甸碳酸盐脉与围岩霞石正长岩和霓辉正长岩有类似的稀土元素含量、稀土分配模式，均为轻稀土富集型，(La/Sm)N、(Gd/Yb)N具有类似的特征，均具有Eu 和Ce 负异常，尤其与霓辉正长岩几乎有一致的稀土特征，因此响洪甸碳酸盐脉物质来源与围岩碱性岩体具有同源性。Bau 等在对德国Tannenboden 矿床和Beihilfe矿床中萤石和碳酸盐的REE地球化学过程进行研究后指出，同源脉石矿物的Y/Ho-La/Ho 大体呈水平分布[14]。对响洪甸碳酸盐脉和碱性岩体进行Y/Ho-La/Ho投图判别（图5），可以看出Y/Ho-La/Ho大体呈水平分布，因此进一步确定响洪甸碳酸盐脉与围岩碱性侵入岩具有同源性。前人研究认为响洪甸碱性岩体形成于早白垩世后碰撞的伸展环境[7]，岩浆来源于地幔物质部分熔融，同时受到地壳物质的混染。因此，响洪甸碳酸盐脉很可能具有幔源来源。

图5 碳酸岩和碱性岩Y/Ho-La/Ho图解（据Bau M，1995）Figure 5. Y/Ho-La/Ho diagram of carbonatite and alkaline rock (after Bau M，1995）

（3）响洪甸碳酸盐脉具有与其他地区岩浆碳酸岩类似的稀土特征，重稀土分馏程度与东秦岭黄龙铺碳酸岩更为接近，与湖北庙垭碳酸岩和川西木洛碳酸岩类似。Moller等[15]根据不同成因碳酸盐的稀土元素研究发现，碳酸岩、热液碳酸盐（方解石）和灰岩中Yb/Ca和Yb/La 比值有明显区别，因此用Yb/Ca-Yb/La 图来判断碳酸岩和碳酸盐成因的形成和演化（图6）。从图6可以看出，响洪甸碳酸盐主脉体落入岩浆成因，次要脉体落入岩浆成因和热液成因之间，均远离沉积区。因此，初步判断响洪甸碳酸盐脉以岩浆成因为主，后期可能有热液改造。

图6 碳酸盐或方解石成因Yb/Ca-Yb/La图解（据Moller等，1980）Figure 6. Yb/Ca-Yb/La diagram for the genesis of carbonate or calcite (after Moller et al., 1980）

（4）世界碳酸岩公认的来源有三种：①直接来源于富CO2岩石圈或软流圈地幔橄榄岩的低程度部分熔融；②富CO2的碱性硅酸盐岩浆的不混溶作用；③富CO2的硅酸盐岩浆强烈的结晶分异作用[16]。碳酸岩的形成可能经历了从岩浆结晶至熔体流体相的分离至富碱金属流体相的交代作用（围岩蚀变）等各个阶段[17]。响洪甸碱性侵入岩是富集地幔部分熔融的产物，碳酸岩与其具有同源性。考虑到响洪甸碳酸盐脉具有方解石交代钾长石、石英交代方解石的特征，笔者认为响洪甸碳酸盐脉可能来源于地幔源的部分熔融作用，后期有残余熔体分异出的以CO2为主要成分的挥发分加入到岩浆热液中叠加交代围岩形成。

5 结论与讨论

（1）响洪甸碱性侵入岩中的碳酸盐脉与霞石正长岩和霓辉正长岩密切共生，富SiO2、Na2O，稀土含量明显高于壳源的沉积成因碳酸盐；与围岩霞石正长岩和霓辉正长岩有类似的稀土元素含量、稀土分配模式，二者具有同源性；稀土元素和微量元素具有岩浆碳酸岩特征。初步判断响洪甸碳酸盐脉可能以岩浆成因为主，来源于交代地幔源的直接部分熔融作用，后期可有残余岩浆热液叠加改造。

（2）碳酸岩的成因目前是全球研究的热点，它被认为是揭示地幔地球化学的“探针岩石”。东秦岭和南秦岭一带均发现了与碱性杂岩体内碳酸岩有关的钼（铅）、稀有和内生稀土矿床。安徽大别山区目前还未有与碱性杂岩体有关的碳酸岩相关报道，响洪甸的碳酸盐脉具有岩浆碳酸岩特征，进一步的成因研究还需要年代学和流体包裹体、同位素学等测试分析佐证。

（3）霓长岩化的正长岩一般分布在碳酸岩体和碱性岩体与围岩的接触带，形成一套含有霓石、钾长石、钠长石、钠辉石、钠闪石、金云母等矿物为主的霓长岩化带或霓长岩，与碳酸岩浆活动密切相联，可以作为指示碳酸岩浆作用的可靠标志，是原地碱质交代作用所形成的碱质交代蚀变岩[18]。响洪甸碳酸盐脉与霓辉正长岩共存，干河冲单元呈岩株或岩枝状产出的霓辉正长岩是否为高级霓长岩化作用结果？是否与碳酸岩有关？有必要进一步深入研究二者之间的成因联系，以进一步鉴别确定响洪甸碳酸盐脉的成因、性质和物源。