贵州威宁地区鱼坝剖面稀土含矿岩系特征

2022-04-27杨忠琴王常微胡从亮盘应娟

贵州地质 2022年1期

杨忠琴，王常微，胡从亮，邓毅，盘应娟

(贵州省地质调查院，贵州贵阳 550018)

1 引言

黔西北晚二叠世宣威组底部的稀土矿是在贵州地质局108地质队在开展威宁幅区域矿产普查时发现的。稀土含矿岩系下矿层产于峨眉山玄武岩第三段上部、上矿层产于宣威组下段，整个稀土含矿岩系形成时间约为2 Ma(王常微等，2020)。多数学者通过研究认为本区为风化淋积型稀土矿(王伟等，2006，2011；杨瑞东等，2006；Yang Ruidong et al.，2008；王强等，2008；Ji Hongbing et al.，2004；张震等，2010)，一些学者认为是沉积型高岭石质粘土岩稀土矿床(黄训华，1997，1998；Zhang Zhengwei et al.，2010；Zhou Lingjie et al.，2013)，有人提出为沉积-再造型稀土矿床(张海，2014)。他们都认为：成矿母岩主要为下伏峨眉山玄武岩；稀土矿与玄武岩风化作用密切相关。但是原地风化残积，还是风化后搬运再沉积，需做进一步的研究。

通过剖面详测和系统样品采集，结合宏观沉积学和微观岩石矿物组成及稀土元素地球化学分析，研究成矿母岩特征与稀土矿的关系、玄武岩风化壳的形成、稀土成矿作用过程、稀土元素赋存机理、后期海侵作用对稀土富集的影响。

2 区域地质背景

黔西北地区位于扬子陆块西南缘，属威宁隆起区(威宁穹盆构造变形区)、六盘水裂陷槽(六盘水北西向褶断带)、毕节弧形褶皱带。出露地层为震旦系、寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及白垩系、新近系、第四系。

黔西北地区晚二叠世稀土含矿岩系在空间分布与含矿岩系岩性、底板(玄武岩岩性岩相特征)、风化壳厚度、风化程度、沉积相都有一定的关系，从东往北西：高岭石粘土岩、铝质粘土岩从薄→厚→消失，铁矿从无→时有时无→增厚；宣威组从海陆交互相→湖沼相→河流相；风化程度有向西由弱→强→弱的趋势，风化壳厚度从薄→厚→薄；基底岩性从玄武质凝灰岩→玄武质火山角砾岩→块状玄武岩。

在威宁地区稀土矿分布于峨眉山玄武岩第三段顶部及宣威组下部，峨眉山玄武岩与下伏茅口组灰岩及上伏宣威组粘土岩均呈假整合接触。稀土矿分为上、下两层，下含矿层为浅灰白色高岭石粘土岩，上含矿层为浅灰色高岭石粘土岩与铝质高岭石粘土岩，含矿岩系厚度在区域上变化较大。故本次选取稀土含量达工业品位的贵州省威宁县黑石头镇鱼坝村剖面作为研究对象(图1)。

图1 研究区地质简图

3 实验测试

在贵州省威宁县黑石头镇鱼坝村测制稀土含矿岩系剖面(图2)，剖面总厚16 m，共采集岩矿样35件、地球化学分析样34件、X-射线粉晶衍射定量分析样17件。岩矿鉴定采用德国生产LeicaDM4500P偏光显微镜，在贵州省地质调查院测试鉴定中心完成。地球化学分析由澳实分析检测(广州)有限公司测试，分别进行了全岩主量元素分析(采用MS-XRF26方法，检出限0.01%)、微量元素分析(采用ME-MS61方法)和稀土元素分析(采用稀土元素ME-MS81方法)。X-射线粉晶衍射定量分析，由中科院地球化学研究所资源环境分析测试中心完成。

4 含矿岩系矿物岩石学特征

鱼坝剖面35件样品岩矿鉴定结果表明：鱼坝剖面从下往上呈现沉火山角砾岩-凝灰质粘土岩-高岭石粘土岩-玄武岩-高岭石粘土岩-凝灰岩-高岭石粘土岩-沉凝灰岩-高岭石粘土岩-粘土质铝质岩-熔结凝灰岩-含泥质含砂质粉砂岩4个旋回特征(图2)。其中火山碎屑岩岩性主要为凝灰岩、沉凝灰岩，其次是沉火山角砾岩。

图2 威宁县鱼坝剖面稀土含矿岩系柱状图

本剖面以水解作用(如高岭石化等，图3a)最为主见，其次是生物化学风化作用(植物碎屑腐烂分解导致的酸化作用，整个剖面基本上都分布有植物碎屑，现为有机质和微量石英替代，图3b)，碳酸盐化作用(菱铁矿化等)和氧化作用(皮壳状褐铁矿化等)只是局部可见。这表明当时的气候属于温热潮湿气候，且具有潜流带(如具碎屑状结构，图3c)和渗流带(如具皮壳状构造等，图3d)特征。

其中稀土总量>4 000×10-6的3件样品(YB-2B2、YB-2B3、YB-13aB1)岩性分别为高岭石粘土岩、碎屑状粘土岩、碎屑状粘土质铝质岩(图4)。YB-2B2中粘土矿物结晶粒度<0.01 mm，分布较为均匀，含量约95%，内部零散分布有少量强粘土化玄武质火山碎屑；YB-2B3中粘土矿物结晶粒度<0.01 mm，含量约98%，具碎屑状结构；YB-13aB1中粘土矿物63%，勃姆石35%，结晶粒度均<0.03 mm，具碎屑状结构。

图4 威宁县鱼坝剖面稀土矿标志层野外和镜下显微特征

其余样品的稀土总量<1 000×10-6，多为凝灰岩或沉凝灰岩，其中稀土总量<400×10-6的YB-6bB1为含植物碎屑凝灰质、YB-7bB1为弱褐铁矿化角砾状粘土岩。

因此，稀土的富集与岩性特征密切相关。剖面中，高岭石粘土岩、碎屑状粘土岩、碎屑状粘土质铝质岩是稀土矿的标志性岩层(图4)，呈灰白-浅灰色、质地较硬，∑REE>4 000×10-6。

5 含矿岩系地球化学特征

5.1 主量元素特征

5.2 微量元素特征

威宁县鱼坝剖面宣威组34件样品的Ga、Cu、Nb、Zr的平均含量分别为63.21×10-6、170.09×10-6、206.48×10-6、1506.06×10-6，与威宁县出水洞剖面的13个峨眉山玄武岩组的数据(Ga平均值为24.09×10-6；Cu平均值为182.69；Nb平均值为34.67×10-6；Zr平均值为307.46×10-6)(Zhou et al.，2013)相比，Ga、Nb、Zr等元素出现了不同程度的富集，而Cu有轻微亏损。Nb、Zr等元素因自身在水岩蚀变过程中具有较高的稳定性而产生富集；而Ga的富集可能与其在表生风化作用迁移中被氧化并转移到Al、Fe的氧化物中以类质同像置换Al的形式存在。

高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE、Ce、U、Pb、Ti相对富集，而且与稀土总量丰度相似；而大离子亲石元素K、Rb、Cs、Ba相对亏损，与稀土总量丰度也有相似性。

特别的是YB-10b，其重稀土大于轻稀土，其所含Nb>500×10-6，远高于含矿岩系平均值168.4×10-6，Ta为45.4×10-6(平均值12.93×10-6)、Zr为5 830×10-6(平均值1 598.47×10-6)、Hf为126.5×10-6(平均值33×10-6)、Th为104.5×10-6(平均值28.57×10-6)，而Ti为0.845%，远低于含矿岩系平均值2.4%。

5.3 稀土元素特征

ΣREE球粒陨石配分图总体表现为右倾型轻稀土富集型，并伴随Eu的负异常。这与贵州西部玄武岩的稀土元素特征一致(朱和书等，2019；冉文瑞等，2021)，均属于右倾型轻稀土富集型。但不同岩性的球粒陨石配分还是有差别的：YB-1沉火山角砾岩、YB-3a拉斑玄武岩、YB-13b熔结凝灰岩呈现轻陡Eu亏重平坦型；凝灰岩、凝灰质粘土岩、沉凝灰岩呈现中等右倾型，Eu亏不明显；碎屑状粘土岩呈现与玄武岩相似的轻陡Eu亏重平坦右倾型；铝质粘土岩呈现轻陡Eu亏重缓右倾型；含铁质粘土岩的平坦Eu亏型(图5)。

图5 威宁鱼坝剖面含矿岩系稀土元素球粒陨石配分图

ΣREE的NASC配分图在剖面纵向上分为平坦型、轻稀土富集型、中稀土富集型、中-重稀土富集型，与Zhou et al.(2013)的NASC稀土配分类型有相似之处。稀土配分类型与岩性特征密切相关，中稀土富集型主要见于凝灰岩，ΣREE多低于1 000 ppm；平坦型主要集中在凝灰质粘土岩、粉沙质岩，ΣREE有高有低；轻稀土富集型主要为碎屑状高岭石粘土岩 / 铝质粘土岩，ΣREE大于1 000 ppm；中-重稀土富集型则有粘土质角砾岩、碎屑状粘土岩、炭质粘土岩，ΣREE有高有低。

6 含矿岩系XRD定量分析

在岩矿样品中挑出17件粘土岩样品进行X-射线粉晶衍射定量分析，由中科院地球化学研究所资源环境分析测试中心完成。

表1 威宁县鱼坝剖面含矿岩系粉晶衍射定量分析结果(%)

续表

高岭石粘土岩或碎屑状高岭石粘土岩中稀土总量与高岭石含量正相关，而碎屑状粘土质铝质岩中稀土总量与勃姆石含量正相关，但与高岭石含量负相关。非晶质与锐钛矿含量曲线一致，而与高岭石含量曲线相反(图6、图7)。高岭石粘土粉晶衍射结果反映出含矿岩系由高钛玄武岩的风化而来。

图6 粉晶定量分析主要粘土矿物含量与稀土总量关系

7 讨论

从威宁县鱼坝剖面岩矿鉴定特征、粉晶衍射定量分析，含矿岩系具有化学风化作用(水解作用-高岭石化等、氧化作用-皮壳状褐铁矿化等、碳酸化作用-铁白云石化等)和生物化学风化作用(植物碎屑腐烂分解导致的酸化作用)的特征，本剖面以水解作用最为主见，其次是生物化学风化作用，碳酸盐化作用和氧化作用只是局部可见，反映出温热潮湿的气候条件、低缓山丘及山坡之处，尤其是岩层倾角平缓的向阳坡地段，更易于风化作用的进行；整个剖面大部分岩石具有潜流带特征——如粘土岩(高岭石粘土岩)、碎屑状粘土岩、铝质粘土岩等，局部岩石具有渗流带特征——如皮壳状褐铁矿化岩石(YB-7bB2)；火山碎屑岩岩性主要为凝灰岩、沉凝灰岩，其次是沉火山角砾岩；整个剖面基本上都分布有植物碎屑(现已被有机质和微量石英替代)；剖面具4个旋回特征：沉火山角砾岩-凝灰质粘土岩-粘土岩-玄武岩-粘土岩-凝灰岩-粘土岩-沉凝灰岩-铝质粘土岩-熔结凝灰岩-含泥质含砂质粉砂岩；岩石具碎屑状结构，指示岩石在未固结时短暂暴露出水面，与剖面上的多次出现的平行不整合面或古风化面是吻合的；碎屑状粘土岩和粘土质铝质岩的含矿性好。

含矿岩系下层稀土矿中以粘土矿物以高岭石为主，上层稀土矿虽然含勃姆石但高岭石仍是主要成份，而高岭石往往在盐度较低的沉淀于陆上或河口处(Edzwald J K et al.，1975)。高岭石的形成与大气淡水淋滤作用有关，主要形成于河流相、沼泽相、滨浅海相的前滨和后滨(张哨楠等，2012)。前人(罗忠等，2008；杜远生等，2015)根据粘土矿物组成来反演环境背景，推导出滇东黔西地区上二叠统含煤岩系形成于陆相到海陆过渡相环境。