川滇黔相邻区古陆相沉积型稀土的发现及意义*

龚大兴，田恩源，肖 斌，惠 博，赖 杨，徐 璐，王晓慧，徐 莺，秦建华，黄 庆，何良伦，覃 英，张嘉玮

（1 中国地质科学院矿产综合利用研究所，四川成都 610041；2 中国地质调查局稀土资源应用技术创新中心，四川成都 610041；3 成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；4 贵州省地质矿产勘查开发局一一三地质大队，贵州六盘水 553000；5 贵州省地质调查院，贵州贵阳 550081）

稀土作为新一代信息技术、高端装备、新材料、新能源、智能制造等新兴产业和军事国防工业必不可少的物质原料，一直是全球炙手可热的战略性关键矿产。稀土矿床主要包含高温地质过程形成碳酸岩型（Liu et al., 2017）、碱性岩型（Xu et al.,2008），以及低温作用形成的离子吸附型（Bao et al.,2008），独居石、磷钇矿冲积砂矿和海滨砂矿型等（Xie et al., 2016）。近年来，深海富稀土软泥（Kato et al., 2011）与铝土矿尾矿（Boni et al., 2013）、煤系地层（Dai et al., 2016）、沉积型磷矿（Emsboa et al.,2015）共伴生的稀土等新类型稀土资源的成矿理论研究更是成为了国际热点。

本文报道了一种在川滇黔相邻区新发现的，在古陆相沉积环境中形成的稀土矿床，该沉积型稀土发育在峨眉山玄武岩（P2-3em）之上，上二叠统宣威组（P3x）底部（图1a、b），含矿建造为一套以高岭石及伊利石为主的黏土岩建造（图2a），分布广泛，连续性好，稀土氧化物TREO 平均品位0.39%（图2b），最高可达1.60%，其高价值关键稀土元素镨、钕、铽、镝累计占比达23.34%，具有极大的开发利用前景（Zhao et al.,2017;Gong et al.,2020）。

图1 川滇黔相邻区区域位置图（a）和扬子地块西缘区域地质及古陆相沉积型稀土分布简图（b）Fig.1 Geotectonic location of the adjacent areas of Sichuan,Yunnan and Guizhou(a)and geological map of the western margin of the Yangtze block in the Late Permian(b)

图2 川滇黔相邻区古陆相沉积型稀土典型剖面柱状图（a）及稀土氧化物含量垂向分布曲线图（b）Fig.2 Diagram of typical profiles of paleocontinental sedimentary REE in the adjacent areas of Sichuan,Yunnan and Guizhou(a)and vertical distribution curve diagram of the REE oxide content(b)

1 古陆相沉积型稀土的发现

有关川滇黔相邻区宣威组稀土富集最早的报道出现在《贵州1∶20万威宁幅区域地质调查报告》（贵州省地质矿产局，1972）中，其提到威宁鹿房的宣威组底部见稀土矿化层，且伴生有Ga、U、Th、Nb。随后陆续有研究者对此稀土的成矿模式进行解读，主要的观点有：离子吸附型稀土（曾励训，1989）；风化壳型铁稀土矿床（王伟等，2006）；玄武岩风化壳稀土矿床（Yang et al., 2008）；峨眉山玄武岩风化-沉积型稀土矿床（Zhang et al.,2016）；源自峨眉山玄武岩同期碱性岩浆活动（Zhao et al.,2016）产生的火山碎屑及火山灰，并受后期低温热液及大气降水改造形成（Dai et al.,2017）。前人研究多认为宣威组稀土异常富集与二叠系峨眉山大规模的火山活动关系密切，玄武岩、同期的碱性岩及火山灰为稀土富集提供了物质来源，争议的重点在于是属于原地风化-淋滤成因，还是源自西侧剥蚀区，经搬运-沉积-改造后富集的沉积成因。

从区域地质背景分析，川滇黔相邻区位于上扬子陆块西侧（图1a、b），自晚震旦世以来，长期处于相对稳定的台地沉积环境，区内无岩浆活动（Li et al.,2008），无花岗岩，不具备热液型稀土及南方离子吸附型稀土的成矿条件；从岩相古地理角度分析，宣威组下部稀土含矿段属于古辫状河道两侧的洪泛平原亚相（Luo et al.,2014），含矿建造主要为灰白色、灰色、土黄色黏土岩建造（图3a~c），其中发现了水平层理等沉积构造（图3d），保留完好的晚二叠世联囊蕨属植物化石（图3e）、基缩蕉羊齿、楔叶、硅化木等植物化石；从矿物学角度分析，宣威组稀土异常出现在高岭石及伊利石质黏土岩中，以高岭石质黏土岩为主（图3f、g），高岭石含量介于60%~80%（徐莺等，2018），但又不同于离子吸附型稀土，稀土元素并不以离子交换和配位络合吸附于高岭石、埃洛石表面（Yang et al.,2019），因为用传统的铵盐体系及硫酸体系浸出工艺，此稀土在常温条件下的直接浸出率极低（0.02%~24%）。

图3 川滇黔相邻区古陆相沉积型稀土含矿建造特征及微观特征Fig.3 Field and microscopic characteristics of REE-riched clayer rock in the adjacent areas of Sichuan,Yunnan and Guizhou

川滇黔相邻区二叠系宣威组底部已发现该类型稀土矿化点8 处（图1b），但成因上不符合目前全球已报道的任何一种稀土矿床类型，是一种罕见的新类型稀土资源。此外，该稀土异常出现在层状产出的黏土岩中，具有鲜明的沉积成因特征，明显与古陆相沉积作用有关，具有特殊性、典型性。

2 地质意义

2.1 古陆相沉积型稀土矿的资源潜力

该稀土成因类型属于沉积型，含矿建造连续性高，层状产出，横向变化不大，矿体倾角小，一般在2°~17°，矿体厚度1.2~10.6 m 不等，平均约2 m，集中分布在川滇黔相邻区，成矿潜力巨大，利于整体规模化开发利用。平面上，古陆相沉积型稀土矿主要分布在四川省南部金阳-沐川一带以南，云南省东部昭通—宣威—曲靖一线以东，至贵州西部赫章—六盘水一线以西的地区（图1b），东侧同期海陆交互相的龙潭组（P3l）并无稀土元素异常（Gong et al., 2020）；垂向上，由底部峨眉山玄武岩向上依次为紫红色含铁质黏土岩（玄武岩古风化壳）→（部分剖面底部及层间见一套典型的河道相砾岩及砂岩→浅灰色黏土岩→灰白色铝土质黏土岩→灰绿色粉砂质黏土岩→浅灰色、土黄色粉砂岩，间夹有少量薄层碳质黏土岩，中部浅灰色黏土岩及灰白色铝土质黏土岩中的稀土含量最高（图2a、b）。

古陆相沉积型稀土矿与世界上其他主要稀土矿床不同，其特征与铁稀土矿床相似（图4a）。高价值关键稀土元素的Pr 占4.98%，Nd 占15.01%，Tb 占0.52%，Dy 占2.83%，累计达23.34%；中重稀土累计占比达27.69%，仅次于深海富稀土软泥（Kato et al.,2011），高于碳酸岩碱性岩型稀土（Xu et al., 2008）。含矿建造中伴生有w(Nb2O5)，平均322.01×10-6，最大2846.84×10-6；w(Zr2O)平均907.71×10-6，最高达8199.82×10-6）；w(Ga)平均47.38×10-6，最高162×10-6）（Gong et al.,2020）；伊利石型矿石中w(K2O)为7.37%）。

图4 不同类型稀土矿床La/Gd与Eu/Eu*图（a，1-21数据及底图据Castor et al.,2006）和不同类型稀土矿稀土元素配分曲线图（b，球粒陨石标准化值据McDonough et al.,1995）Fig.4 La/Gd and Eu/Eu* diagrams of different types of REE deposits (a, 1-21 and base map after Castor et al., 2006) and distribution patterns of rare earth elements in different types of REE deposits (b，chondrite normalized values after McDonough et al., 1995)

2.2 古陆相沉积型稀土矿的地质意义

成因研究方面，二叠系宣威组稀土元素的异常富集出现在峨眉山大火成岩省（ELIP）这一重大地质事件之后（（260.55±0.07）Ma，Huang et al.,2022）。已有的大量研究证实宣威组的物质来源为西侧的剥蚀区（图1b），沉积记录表征了完整且耦合的源-汇系统（Wang et al., 2020）。富稀土黏土岩稀土元素配分曲线图（图4b）整体为“右倾型”，且表现出明显的负Eu 异常，剖面中非富稀土层的稀土元素配分曲线图亦表现出相同的特征，揭示富稀土黏土岩与宣威组或有相同的物源区，即西侧的剥蚀区。该稀土的发现表明在地表古陆相沉积物中稀土元素能够富集成矿，能够为研究稀土在陆相沉积环境中的迁移方式，分布规律，超常富集机理提供宝贵的素材，丰富和拓展稀土成矿理论。

赋存状态研究方面，古陆相沉积型稀土的含矿建造为含高岭石及伊利石为主的黏土岩，黏土矿物含量一般介于60%~94%，黏土矿物在显微镜下呈细小鳞片状，粒径≤0.02 mm；或不规则集合体状产出，集合体粒径0.05~0.75 mm，杂乱分布（图3f）。进一步对样品进行扫描电镜观察，发现大量高岭石呈“书页状”（图3g），这被认为是自生高岭石的特征（Meng et al., 2020）。前人通过显微镜鉴定、X 射线衍射、红外吸收光谱分析、扫描电镜微区能谱分析、电子探针分析等手段对宣威组沉积型稀土的赋存状态进行研究，主要有以下几种认识：①稀土元素主要由离子吸附相和富含稀土元素的残余独立矿物相组成，与高岭石等黏土矿物含量密切相关（Zhou et al., 2013; Zhang et al., 2016; Zhao et al.,2017; He et al., 2018）；②稀土以类质同象为主，含离子吸附相（约20%）2 种形式赋存于高岭石质黏土岩中（徐莺等，2018；文俊等，2022）；③高岭石硬质黏土岩中包含离子吸附态、胶体吸附态等的混合态稀土（黄训华，1997）。

笔者对富稀土黏土岩进行X 射线衍射、电子探针及高分辨率透射电镜分析后发现，高岭石及伊利石中存在大量粒径在100~300 nm 的富稀土矿物。EDS 能谱显示稀土元素赋存在这些纳米矿物颗粒之中，主要有2 类：①富含Y 的纳米级锆石颗粒；②富含La、Ce、Nd、Pr 的纳米级磷铝铈矿颗粒（图3h）；此外，还发现部分不含稀土元素的纳米级锐钛矿含Nb 元素。这一认识也得到了冶金试验的佐证。通过500~600℃高温焙烧后，在高岭石等黏土矿物脱除结构水的温度条件下（Arslan et al.,2006），稀土元素得到了释放，这表明古陆相沉积型稀土具有特殊的赋存状态，富稀土的纳米矿物颗粒被高岭石及伊利石等层状硅酸盐矿物“束缚”在黏土矿物层状结构中。

综合利用方面，古陆相沉积型稀土的选冶技术已经取得了质的飞跃。基于“一种选择性浸出沉积型稀土矿的方法”专利技术（徐璐等，2020），中国地质科学院矿产综合利用研究所建立了古陆相沉积型稀土“纳米晶型转变-稀土靶向分离”选冶一体化综合利用技术原型。该技术无放射性、环境影响可控、流程短，全元素稀土浸出率从2018 年以前的不足25%（张海，2014；He et al.,2018；陈蕤等，2019）跃升至90%左右（平均90.5%，最高达92.1%），综合回收率大于80%，铝、硅、铁等主要杂质浸出率＜5%，同时具备经济可行性，经技术经济评价，建议古陆相沉积型稀土普查阶段一般工业指标如下：最低工业品位为：露采TREO 0.26%，硐采TREO 0.36%；边界品位为：露采TREO 0.12%，硐采TREO 0.18%。

川滇黔相邻区二叠系宣威组底部已发现该类型稀土矿化点8 处，通过普查探明的资源量已经相当于1 个大型原生稀土矿的规模。与碳酸岩型、碱性岩型稀土相比，古陆相沉积型稀土在开采条件、高价值稀土元素占比方面具有一定优势；与离子吸附型稀土及深海富稀土软泥相比，在品位、规模、集中程度、环境影响等方面也占优（龚大兴等，2021）。古陆相沉积型稀土是全球为数不多同时富含高价值关键稀土元素、具有规模化开发利用价值的稀土资源，开发利用前景广阔，进一步加强勘查开发及研究工作，能够提高中国关键稀土资源的保障程度。