铜陵凤凰山铜多金属矿磁铁矿单矿物稀土元素特征研究

雷源保，赖健清，陈 随，安江华

（中南大学地球科学与信息物理学院，有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083）

0 引言

凤凰山铜多金属矿床位于安徽省铜陵市东南部，是铜陵地区最著名的七大夕卡岩矿床之一。该矿床位于新屋里复式岩体的西部接触带，是凤凰山矿田中规模最大的铜金多金属矿床。前人在此曾做过大量的地质研究工作，开展了成矿预测，对矿床地质特征、成矿条件和成矿作用有了较深入的认识，但在矿床地球化学领域的研究还相对薄弱。本文结合国家“十一五”科技支撑课题，在矿体中磁铁矿单矿物的稀土元素地球化学的研究方面进行探索，讨论矿床成矿物质的来源、成矿的物理化学环境以及岩浆岩的演化特征，为矿床成因和形成环境方面的研究提供新的思路。

1 矿区地质背景

凤凰山铜多金属矿位于长江中下游铜铁成矿带的铜陵矿集区［1］。大地构造位置属扬子板块与华北板块结合部位，受区域性的扬子深大断裂控制。矿区内出露的地层主要为下三叠统龙山组灰岩、南陵湖组灰岩、以及中三叠统月山组白云质灰岩、白云岩。矿区内构造发育，有轴线为NE方向的新屋里复式向斜，断裂构造复杂，主要为与褶皱轴向平行的NE向断层，其次为一些晚期的NW向、NNW向断层。岩浆活动以燕山晚期的花岗闪长岩、石英二长闪长斑岩侵入为主，主要有新屋里岩体及一些小型脉岩。新屋里岩体沿NE向延伸的复式向斜核部侵入，呈近等轴状，出露面积约10 km2。围绕岩体分布有凤凰山、江家冲、清水塘、仙人冲、铁山头和宝山陶等铜矿床，共同构成凤凰山矿田（图1）［2］。

凤凰山矿床产于花岗闪长岩与中下三叠统不纯碳酸盐岩的接触带，岩体超覆于地层之上，使碳酸盐岩广泛变质形成大理岩及钙质夕卡岩。矿床的主要类型为夕卡岩型，晚期叠加与石英二长闪长斑岩有关的斑岩型矿化，主要矿石为磁铁矿、菱铁矿、黄铜矿、斑铜矿等。发育的围岩蚀变有夕卡岩化、钾化、石英绢云母化、泥化等。

图1 凤凰山矿田地质略图［2］Fig.1 Geological sketch of Fenghuangshan ore field

2 研究方法

在岩石学研究中，稀土元素是一种化学性质比较稳定的元素［3］，在地质作用中不易发生变化，其特征能反映岩石形成的环境和物质来源。本文尝试利用磁铁矿单矿物的稀土元素研究矿床成矿物质的来源、成矿的物理化学环境以及岩体的形成过程。本次工作在Ⅱ号矿体的顶底板、矿体与围岩接触带上及矿体中具有代表性的部位采集了含有磁铁矿的16个样，在室内进行磁铁矿单矿物的挑选，其纯度可达99％以上。将挑选出来的单矿物送到澳实分析检测集团广州矿物实验室进行稀土稀有金属熔化法质谱仪定量分析（MEMS 81），获得磁铁矿单矿物稀土元素的质量分数。各元素的检出限分别为：La，Ce，Y元素为0.5×10－6；Pr，Sm，Eu，Er，Yb元素为0.03×10－6；Nd元素为0.1×10－6；Gd，Dy元素为0.05×10－6；Tb，Ho，Tm，Lu元素为0.01×10－6。利用Wakita等人（1971）提出的球粒陨石标准化数据进行标准化［4］，并绘制了磁铁矿稀土元素配分模式图，并与岩体和围岩的稀土元素配分模式图进行对比分析，探讨成矿物质来源和成矿环境。通过La/Sm－La关系图和Ce/Yb－Eu/Yb变异图研究岩体的形成过程。

3 磁铁矿单矿物稀土元素特征

矿床中的磁铁矿单矿物稀土元素组成、轻重稀土元素比值、铕异常值等存在较大的变化（表1）。磁铁矿单矿物稀土总量∑REE为5.11×10－6～110.14×10－6，变化很大；轻重稀土的变化也较大，轻稀土（LREE）变化范围为4.16×10－6～99.25× 10－6，重稀土（HREE）变化范围为0.71×10－6～10.17×10－6，轻重稀土比值（LREE/HREE，或L/H）＝1.86～17.03，平均8.75，为轻稀土富集型。按照矿体的不同位置，采用Wakita等（1971）球粒陨石标准化绘制了磁铁矿单矿物配分模式图（图2）。从矿体底板经中部到矿体顶板的∑REE平均值逐渐升高，矿体底板（6个样）的w（∑REE）＝11.30× 10－6，中部（8个样）的w（∑REE）＝29.34×10－6，顶板（2个样）的w（∑REE）＝86.15×10－6。LREE/HREE的平均值，矿体底板为7.79，矿体中部为9.69，矿体顶板为9.40。δ（Eu）＝0.25～2.61，呈有规律性的变化，从矿体底板经中部到矿体顶板，δ（Eu）平均值逐渐变小，矿体底板为2.04，矿体中部为1.23，矿体顶板为0.62，即铕从明显的正异常渐变为负异常。δ（Ce）总体上存在较弱的负异常，平均值为0.88，有几个样品存在较弱的正异常，但没有出现一定的规律。部分样品铥元素出现负异常，还有部分样品镧元素的质量分数偏低。

图2 磁铁矿稀土元素配分模式图Fig.2 The REE patterns of magnetite

表1 磁铁矿单矿物、岩体和灰岩稀土元素组成及相关参数Table 1 The related parameters and results of rare earth elements for magnetite monominerals，magmatic rocks and limestone

4 讨论

4.1 稀土元素总量变化反映成矿物质的多来源

从矿体的底板、中部至顶板，磁铁矿单矿物中稀土元素的总量依次增加，平均值从11.30×10－6增至86.15×10－6。由于岩体超覆地层之上，从矿体底板到顶板反映了从接触带的外带到内带的空间关系。与成矿有密切关系且超覆于矿体之上的侵入岩体花岗闪长（斑）岩的稀土元素总量平均为174.26 ×10－6，LREE/HREE平均值为11.65，配分曲线如图3［5］；与矿体围岩同层位的区域地层中下三叠统灰岩中稀土元素总量平均为10.84×10－6，LREE/HREE平均值为11.67［6］，其稀土元素配分曲线如图4。对比成矿岩体花岗闪长岩和地层碳酸盐岩的稀土配分曲线和稀土元素总量可见，从矿体下伏地层→矿体底板→矿体中部→矿体顶板→超覆岩体，稀土元素配分曲线总体上比较相似，均为向右倾的轻稀土富集型，而其总量则依次递增。换句话说，矿体中稀土元素特征继承了岩体和围岩的特征，反映了岩体和围岩的多重来源，从矿体底板到顶板，围岩的组分减少，岩浆岩的组分增加，完全符合地球化学规律。可见，矿区的成矿物质具有多来源的特点，既有岩浆提供的成矿物质，又包含有围岩提供的成矿物质，从矿体的底板到顶板构成了稀土元素的地球化学分带，反映了地层与岩体物质不同比例的混合。

4.2 铕异常的变化受氧化还原性质的影响

从矿体的底板到矿体的中部，再到矿体的顶板，铕异常从显著的正异常逐渐变为显著的负异常，而在岩体和围岩中，均无明显的异常，铕异常均为0.88（图2—图4）。矿物和岩石的铕异常一般出现在2种情况下，即矿物沉淀的水溶液具有铕的异常富集，或者水溶液中有呈Eu2＋的形式存在。矿物发生化学沉淀时一般都是2价的铕比3价的铕优先进入矿物的晶格，因此富Eu的水体或水溶液中2价铕的出现与否是产生铕异常的主要控制因素［7］。氧逸度的增大有利于Eu2＋转变为Eu3＋，致使进入矿物晶格中的Eu2＋的含量降低，从而使Eu从正异常渐变到无异常，甚至负异常［8］。围岩和岩体均无铕异常，说明成矿流体对铕具有富集作用，从而在矿体中形成铕异常。由于围岩（灰岩）中可能存在较多的有机质，使得其环境变得较为还原，氧逸度较低，相对于岩体呈现较低的氧化还原电位。因此，从矿体底板（靠近地层）至顶板（靠近岩体），铕由正异常变化为负异常可能是由于地层中有机质降低了热液中的氧化还原电位引起的，也反映了矿体不同部位成矿物质来源的差异。靠近岩体一侧的磁铁矿中具有负的铕异常，与岩体出现明显的差异，可能反映经历早期正铕异常的磁铁矿结晶之后，残余溶液中呈现了负铕异常，说明矿体中从远离岩体到靠近岩体的不同部位，矿物的结晶存在有先后的顺序。

图3 岩体稀土元素配分图［5］Fig.3 The REE patterns of magmatic rocks 142/106为花岗闪长岩；76/116为花岗闪长斑岩

图4 灰岩稀土元素配分模式图［6］Fig.4 The REE patterns of limestone

图5 La/Sm—La关系图Fig.5 The diagram of La/Sm－La

图6 Ce/Yb—Eu/Yb变异图Fig.6 The variogram of Ce/Yb－Eu/Yb

注：图中的第1组、第2组、第3组分别代表矿体底部、矿体中部、矿体顶部；图件采用路远发（2004）的Geokit软件制作［11］。

4.3 岩浆经历部分熔融和局部分离结晶

因为磁铁矿与岩浆处于一种平衡状态，所以磁铁矿中微量元素的质量分数在量比角度上可以反映岩浆的成因，利用稀土元素比值的方法可进行岩浆成因的探讨。

在La/Sm－La关系图（图5）中，样品点绝大部分落在一条斜线上，只有矿体顶板的2个样品和中部的1个样品不在这一斜线上，大致呈一条水平线。根据部分熔融过程表现为一条斜线，分离结晶表现为一条水平线［9］，可以说明此区与成矿密切相关的岩浆岩，其演化过程主要为部分熔融。而矿体顶板的样品却大致成一条水平线，表明在岩浆演化的后期可能出现了分离结晶。在Ce/Yb－Eu/Yb变异图［10］上，如果样品点有明显的线性关系，表明岩体的形成过程以混合作用为主，如果不呈线性关系，则以分离结晶或部分熔融为主。本区样品没有明显的线性关系（图6），表明本区岩浆具有部分熔融或分离结晶的特点。综上所述，La/Sm－La关系图和Ce/Yb－Eu/Yb变异图说明本区的岩浆岩以部分熔融为主，成矿作用晚期出现了局部的分离结晶特征。

5 结论

通过对磁铁矿单矿物和花岗闪长（斑）岩以及围岩（灰岩）稀土元素的对比分析，得出以下结论：

（1）凤凰山铜（金）矿床的磁铁矿单矿物的稀土元素为轻稀土富集型，与成矿岩体花岗闪长岩和地层围岩的配分曲线非常相似，反映了成矿物质的继承性。

（2）从围岩（灰岩）到矿体的底板、中部、顶板，再到岩体，稀土元素总量依次增加，说明成矿物质是多来源的，在矿体的不同部位存在不同的比例。

（3）从矿体的底板、中部到顶板，Eu异常从明显的正异常渐变为明显的负异常，表明磁铁矿在成矿过程中从岩体一侧到围岩一侧，氧逸度逐渐降低。

（4）通过对La/Sm－La关系图和Ce/Yb－Eu/Yb变异图的分析，本区的岩浆岩以部分熔融为主，成矿晚期出现局部分离结晶。

［1］常印佛，刘湘培，吴言昌.长江中下游铜铁成矿带［M］.北京：地质出版社，1991：379-379.

［2］赖健清，Guoxiang Chi，彭省临，等.安徽铜陵凤凰山铜（金）矿床夕卡岩型与斑岩型复合成矿作用流体研究［J］.矿床地质，2006，25（增刊）：271-274.

［3］刘英俊.元素地球化学［M］.北京：科学出版社，1994：192-194.

［4］Henderson P.稀土元素地球化学［M］.田丰施烺，译.北京：地质出版社，1989：7-8.

［5］彭省临，刘亮明，赖健清，等.大型矿山接替资源勘查技术与示范［M］.北京：地质出版社，2003：226-226.

［6］周泰禧，李彬贤，张巽，等.扬子地块北缘贵池地层区沉积地层的稀土元素组成及其地质意义［J］.中国稀土学报，1996，14（3）：254-260.

［7］ MacRae N D，Nesbitt H W，Kronberg B I.Development of a positive Eu anomaly during diagenesis［J］.Earth and Planetary Science Letters，1992，109：585-591.

［8］ 陈德潜，陈刚.实用稀土元素地球化学［M］.北京：冶金工业出版社，1990：198-208.

［9］ Allegre C J，Minster J F.Quantitative models of trace element behavior in magmatic processes［J］.Earth and Planetary Science Letters，1978，38（1）：1-25.

［10］ Hart SR，Allegre C J.Trace element constraints on magma genesis［M］∥Hargraves RB.Physics of magmatic processes.Princeton University，Press，1980.

［11］ 路远发.GeoKit：一个用VBA构建的地球化学工具软件包［J］.地球化学，2004，33（5）：459-464.