豫西卢氏稀有金属伟晶岩脉地球化学特征研究

包民伟,康晓涛,李 蓓,王 昭,张苏苏

(河南省第一地质勘查院,河南 郑州 450001)

豫西卢氏一带分布有上千条的伟晶岩脉,成矿地质条件优越,已探明的矿种就有锡钽铍矿、锂矿、铀矿等。随着科学技术的发展,稀有金属、铀等矿产的重要性不言而喻。伟晶岩型矿床作为一种独特的矿床类型,对伟晶岩进行地球化学研究,以此了解其与花岗岩体成因上的联系。

灰池子复式岩体作为秦岭造山带核部规模最大的花岗岩体,李伍平等[1-2]对其做了大量地球化学方面的研究,发现灰池子岩体具有高SiO2、Al2O3、Na2O,低TiO2、MgO、K2O的特征。其微量元素特征与底侵玄武质下地壳熔融形成的埃达克质岩相似[3],属钙碱性系列,岩石富硅钠贫钾,成因类型为Ⅰ型。严阵等[4]采集的8件淇河序列花岗岩Rb-Sr全岩样品,获得Rb-Sr等时线年龄t=382 Ma,r=0.995 3,李伍平等[2]在河南省卢氏县蔡家沟灰池子复式岩体北部蔡家沟序列谷谷庵单元采集了花岗岩样品,给出单颗粒锆石结晶年龄为(437±58) Ma。以往研究认为灰池子岩体是地壳深部熔融岩浆经过多次上侵活动形成的,其源岩来源于更深的地壳下部。

研究区内伟晶岩脉众多,围绕着灰池子岩体成群成带展布。根据伟晶岩中云母种类的不同,将伟晶岩划分为黑云母型、二云母型、白云母型、锂云母型花岗岩。本次研究系统采集了不同类型伟晶岩的主量元素、微量元素、稀土元素地球化学样品,开展了地球化学研究,分析其与灰池子岩体成因上的关系。

1 地质背景

研究区位于秦岭—大别造山系北秦岭造山带东段,扬子板块与华北板块拼合带部位(图1)[5]。秦岭造山带是华北克拉通与扬子克拉通长期汇聚形成的复合造山带[6],经历多次造山运动和构造运动。地层区划属华北地层区北秦岭地层分区西峡—南召地层小区(表1),为一套元古界中深变质的碎屑岩—碳酸盐岩组合,以角闪岩相变质岩系和变形变质为主[7]。

表1 研究区地层岩性Tab.1 Stratigraphic lithology of the study area

图1 研究区区域地质简图Fig.1 Regional geological sketch of the study area

图2 花岗伟晶岩显微照片Fig.2 Micrograph of granitic pegmatite

岩浆岩归属秦祁昆岩浆岩省北秦岭构造岩浆岩带[8],区域岩浆及热液活动频繁,是本区多类矿产特别是伟晶岩型矿产形成的必要基础。大地构造位置处于秦岭褶皱系北秦岭褶皱带,地质构造复杂,断裂构造极为发育,总体构造线呈北西西向展布,与区域地层走向线大体一致。断裂构造带显示多次变形叠加的特征。

本区断裂构造发育,主构造线走向为北西西向,主要有朱夏断裂和商丹断裂。朱夏断裂分布于北部官坡—五里川一带,为多期次具韧—脆性多变特征的复合型断裂带。主断裂呈北西西向延伸,倾向北北东,倾角60°～80°。沿走向及倾向均呈舒缓波状,力学性质属压性、压扭性,沿断裂带岩石挤压破碎强烈,具糜棱岩化、片理化、千枚岩化及硅化等。断裂带旁侧的次级断裂发育,影响宽度达千米。狮子坪断裂为朱夏断裂的次级近平行断裂,出露于狮子坪附近,走向为北西西向,倾向北北东或南西,倾角55°～85°,发育有碎裂岩、碎粉岩和断层泥等,表现为脆性挤压特征。

研究区伟晶岩脉众多,广泛侵位于中新元古界峡河岩群、古元古界秦岭岩群地层中,空间上受北秦岭构造岩浆岩带控制。其形态多呈脉状、也可见分枝状、透镜状、囊状、膨大收缩状等。岩脉长度20～1 000 m,多集中于200～500 m,厚度为0.4～2.0 m。

区内灰池子岩体的主要岩石类型为英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩,具中细粒结构、和似斑状结构,片麻状构造。李伍平等[2]通过采集灰池子岩体代表性的岩石样品进行了主量元素和微量元素、Nd和Sr同位素分析。分析认为,灰池子岩体花岗岩具有高SiO2、Al2O3、Na2O,低TiO2、MgO、K2O,其中Na2O>K2O;A/NK比值为1.33～1.70;里特曼指数δ为1.46～2.25,灰池子花岗岩属于钙碱性花岗岩。轻稀土元素富集(La/Yb),Eu为负—弱正异常,微量元素Sr/Y为47.87～114.36,大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、Sr等)相对富集,高场强元素(Nb、Ta、Ti、Zr)相对亏损。同位素组成比较均匀,0.51 231

2 伟晶岩的岩石学特征

研究区内的花岗伟晶岩脉具备水平和垂向分带特征。水平上主要表现为以灰池子岩体为中心向外依次为黑云母型、二云母型、白云母型和锂云母型花岗伟晶岩。在垂向上,从下向上可分为4种不同类型的花岗伟晶岩带:①黑云母型花岗伟晶岩;②二云母型花岗伟晶岩;③白云母型花岗伟晶岩;④锂云母型花岗伟晶岩。各类型伟晶岩岩石学特征见表2。

表2 伟晶岩岩石学特征Tab.2 Petrological characteristics of pegmatite

3 伟晶岩地球化学特征

对研究区不同类型花岗伟晶岩样品的主量元素、微量元素和稀土元素含量进行了检测。

3.1 主量元素地球化学特征

主量元素分析结果见表3。由表3可知,研究区的伟晶岩样品明显具有高硅、富铝、富碱、低铁镁钙的特征:SiO2含量61.36%～79.13%;Al2O3含量10.74%～17.80%;K2O含量0.62%～5.83%;Na2O+ K2O含量5.34%～9.01%;Fe2O3含量0.07%～2.07%;MgO含量0.03%～0.48%,小于1%;CaO含量0.04%～2.44%。K、Na、Si含量远远高于Fe、Mg、Ca,反映伟晶岩母岩浆可能与花岗质岩浆有成因关系。

表3 主量元素分析结果Tab.3 Analysis results of principal elements

伟晶岩的选择性地球化学图解如图3所示。在TAS图解上(图3(a),样品多数落入花岗岩区。在A/NK—A/CNK判别图上(图3(b)),样品投点均落入过铝质岩浆岩区,反映了伟晶岩铝过饱和的特点。其中,锂云母花岗伟晶岩的铝饱和程度最高。

图3 伟晶岩的选择性地球化学图解Fig.3 Selective geochemistry diagram of pegmatite

3.2 微量元素地球化学特征

伟晶岩微量元素原始地幔标准化蛛网图[9]如图4所示。由图4可知,伟晶岩亏损元素主要为:La、Th、Ce、Eu、Nd;富集元素主要为:Rb、Ta、U、Nb、Pb。

图4 伟晶岩微量元素原始地幔标准化图解Fig.4 Primitive mantle standardization diagram of trace elements in pegmatite

亏损元素主要为稀土元素La、Ce、Eu、Nd和Th,这几种不相容元素在岩浆热液的矿物结晶过程中趋向于在液相中富集。伟晶岩富集Rb是因为Rb与Na、K都属于第一主族碱金属元素,Rb的原子结构半径和地球化学性质与Na、K相近,它们共同富集。而Ta、Nb富集,则可能暗示岩浆受到了地壳的混染。

3.3 稀土元素地球化学特征

伟晶岩稀土参数见表4。由表4可知,伟晶岩普遍轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,但不同类型的伟晶岩分馏系数又有很大差别,锂云母型花岗伟晶岩分馏系数明显大于白云母型花岗伟晶岩分馏系数。锂云母型花岗伟晶岩分馏系数LREE/HREE比值平均6.69,最高9.53,而白云母型花岗伟晶岩分馏系数LREE/HREE比值平均只有1.86,最高只有2.53,分馏较弱,反映伟晶岩浆在后期发生了更加强烈的分异作用。也正是岩浆的强烈分异作用,才能使稀有金属富集成矿。

表4 伟晶岩稀土参数Tab.4 Rare earth parameters of pegmatite

伟晶岩稀土模式如图5所示。伟晶岩稀土模式为右倾型,反映稀土元素已经发生了分馏作用。不同类型的伟晶岩Eu异常特征不同。普通白云母花岗伟晶岩显示明显的负异常,含锡石白云母花岗伟晶岩、锂云母花岗伟晶岩显示微弱的负异常。黑云母型花岗伟晶岩Eu显示微弱的正异常,这一点与其他类型花岗伟晶岩明显不一致。Eu负异常指示本区伟晶岩形成环境是还原环境,在还原环境下,一般呈+3价的Eu3+变成了Eu2+,进入了早期结晶的含Ca斜长石中。岩浆演化至白云母伟晶岩阶段,高Na、高K、贫Ca,所以,贫Eu,致Eu负异常。

图5 伟晶岩稀土元素球粒陨石标准化图解[12]Fig.5 Standardization diagram of pegmatite REE chondrite[12]

在稀土模式图上,Ce负异常表现较为明显,其原理与Eu负异常相似。Ce负异常也可能是岩浆源区岩石熔融时,有大量Ce相对富集的斜长石残留所致,暗示岩浆可能来源于地壳或上地幔岩石圈的熔融作用。从灰池子岩体到花岗伟晶岩的∑REE含量大幅度下降可能与富稀土矿物(榍石、磷灰石等)大量残留在岩体内有关。

4 讨论

研究区内各类型伟晶岩均产出于灰池子岩体周围,且具有相近的岩石地球化学特征。从主量元素上来看,各类花岗伟晶岩均为富硅、铝的过铝质钙碱性岩石,稀土元素分配模式图均为LREE强烈分馏的右倾式,原始地幔标准化蛛网图均以富集Rb、Ta、Hf、Ti,亏损Ba、La、Sm、Y为特征。同一个岩浆房可以产出不同批次的伟晶岩流体,分异程度较高的伟晶岩流体往往距岩体较远,研究认为这几种花岗伟晶岩应属同一源区。

除分异程度较低的黑云母型花岗伟晶岩外,白云母型与锂云母型花岗伟晶岩均富集Li、Rb、Cs、Ta、Be等微量元素,稀土元素分配模式图均呈现强烈的稀土元素四分组效应,各类花岗伟晶岩∑REE相对含量低,在Cerny地球化学分类法[13]中属于LCT型伟晶岩,LCT型伟晶岩多与S型或I型花岗岩有关。目前大多数学者均认为花岗伟晶岩源自岩浆残余熔体。区内花岗伟晶岩中熔融包裹体的存在证明该区花岗伟晶岩属岩浆成因。

区内各类花岗伟晶岩和灰池子岩体同属于过铝质钙碱性岩。灰池子岩体与分异程度较低的黑云母型花岗伟晶岩具有相近的稀土元素球粒陨石标准化图解,在微量元素原始地幔蛛网图中,除Ba、Ta、Sr外,也具有相近的分布型式。元素比值与分异指数DI变化图解如图6所示。

图6 元素比值与分异指数DI变化图解Fig.6 Change diagram of element ratio and differentiation index DI

灰池子岩体微量元素的另一个重要特征为其高的Sr/Y(55～158)比值[14],三类花岗伟晶岩同样具有高的Sr/Y(25～1 200)比值。微量元素常为岩浆分异演化程度提供重要信息,随着岩浆分异演化程度的增强,K/Rb、Nb/Ta、Ba/Rb比值明显降低,Ga/Sc比值明显升高[15]。通过灰池子岩体与花岗伟晶岩K/Rb、Nb/Ta、Ba/Rb、Ga/Sc与DI变化图解(图6)可以看出,从灰池子岩体到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与锂云母型花岗伟晶岩,岩浆分异演化程度不断增强。通过花岗伟晶岩与灰池子岩体紧密的时空关系及相似的岩石地球化学特征推测以上各类伟晶岩来源于灰池子岩体的残余岩浆,且从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到锂云母型花岗伟晶岩岩浆分异演化程度依次升高。

5 结论

(1)研究区伟晶岩具有如下地球化学特征:主量元素表现为高硅、富铝、富碱、低铁镁钙;微量元素表现为Rb、Ta、U、Nb、Pb富集,La、Th、Ce、Eu、Nd稀土元素稀土含量极低,最低值为0.20×10-6,平均只有9.44×10-6,轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,其中,锂云母型花岗伟晶岩稀土含量最低,黑云母型伟晶岩稀土含量相对最高,白云母型花岗伟晶岩介于二者之间。

(2)从黑云母型伟晶岩、白云母型伟晶岩到锂云母型伟晶岩,主量元素Fe、Mg、Ca含量逐渐降低,而其他元素含量并没有显示明显降低或升高趋势。Fe、Mg、Ca含量逐渐降低主要是由于暗色矿物黑云母逐渐减少所致。伟晶岩稀土总量普遍低,反映随着岩浆分异作用的进行,稀土元素不断从液相进入固相,最后残余的伟晶岩浆中稀土元素含量不断减少。稀有金属Li、Be、Cs、Nb、Ta、Sn含量都具有逐渐富集的趋势,主要是因为这些元素主要为不相容元素,在伟晶岩浆不断结晶过程中,它们更倾向存在于熔体相中。

(3)各类型伟晶岩主量元素、稀土元素、微量元素地球化学特征基本一致,反映该区伟晶岩在成因上具有一致性。伟晶岩可能是花岗质岩浆演化的产物,花岗质岩浆可能是深部地壳和上地幔岩石圈熔融作用的产物,在其上升过程中受到地壳的混染。