湘南骑田岭岩体的稀有金属地球化学特征及其含矿性研究

何晗晗, 王登红, 苏晓云, 张怡军, 王国瑞,李建康, 赵 斌, 李建国

(1.中国地质科学院 矿产资源研究所, 北京 100037; 2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083; 3.湖南省湘南地质勘察院, 湖南 郴州 423000; 4.山西省地球物理化学勘查院, 山西 运城 044004)

湘南骑田岭岩体的稀有金属地球化学特征及其含矿性研究

何晗晗1, 王登红1, 苏晓云2, 张怡军3, 王国瑞1,李建康1, 赵 斌4, 李建国4

(1.中国地质科学院 矿产资源研究所, 北京 100037; 2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083; 3.湖南省湘南地质勘察院, 湖南 郴州 423000; 4.山西省地球物理化学勘查院, 山西 运城 044004)

骑田岭岩体位于湖南省郴州市, 为一中生代复式岩体。本文运用电感耦合等离子质谱技术(ICP-MS)对穿越骑田岭岩体的大剖面上的花岗岩样品, 进行了稀有金属 Li、Rb、Sr、Cs、Nb、Ta、Be、Zr、Hf 含量分析测试。结果表明: (1) 岩体明显富集 Li、Rb、Cs、Be、Zr, 高于华南燕山期花岗岩平均值, Sr、Nb、Ta 则相对亏损; (2) Li、Rb、Cs 等稀有金属自西向东逐渐升高, Sr 则逐渐降低, Nb、Ta、Hf 等除了个别地方出现“特高值”之外, 基本保持稳定; (3) 相比于同时期的邻区香花岭岩体, 骑田岭岩体虽然富集了一定量的稀有金属, 但要形成或找到香花岭这样的稀有金属矿床还要注意剥蚀、保存条件。结合地球物理特征和岩体地质特征, 认为骑田岭岩体自南东向北西斜向侵位的可能性很大, 这可能也是造成骑田岭岩体稀有金属元素分带的原因。

骑田岭岩体; 稀有金属; 元素地球化学; 含矿性; 侵位机制

近东西向横亘于华南中部的越城岭、都庞岭、萌渚岭、骑田岭和大庚岭是我国长江与珠江水系的分水岭, 在地理上统称为南岭。其中位于湖南南部的骑田岭岩体面积不是最大, 但周边分布的矿产资源却极其丰富, 其西北有黄沙坪-宝山大型超大型铅锌矿床(构成坪宝矿田), 其东北有柿竹园、东坡、金船塘等钨锡钼铋铅锌多金属矿床(构成东坡矿田),其东有瑶岗仙钨锡铅锌多金属矿床(构成瑶岗仙矿田), 其西南有香花岭锡铍铌钽多金属矿床(构成香花岭矿田)。近年来自从在骑田岭岩体的南部内部(不是外接触带)发现了芙蓉锡矿之后, 又一次掀起了地质找矿的小高潮。国家深部探测专项等项目在此部署了横穿骑田岭岩体的综合性地质、地球物理、地球 化 学 深 部 探 测 大 剖 面 , 以 期 获 得 深 部 成 矿 信 息 ,揭示矿集区深部构造特征, 为深入研究区域成矿背景、指导深部找矿提供依据。本文利用人工地震炮眼中采集的新鲜岩石样品, 通过系统的分析测试 ,获得了一批新数据, 进而探讨其地球化学特征、成岩机制和含矿性。

1 地质概况

湖南郴州骑田岭岩体位于南岭构造带中段北缘,地处邵阳-郴州 NW 向断裂带和茶陵-郴州 NNE 向断裂带交会部位, 岩体中分布有 NE 向压扭性断裂(范蔚茗, 1987; 邓希光等, 2005; 柏道远等, 2005),表明成岩之后构造活动仍然强烈。在骑田岭岩体周围出露的地层主要是上古生界-下三叠统, 属于滨海沼泽相粉砂岩建造、滨海相砂页岩建造、海相碳酸盐岩、闭塞台地相硅质岩建造。另外还有下白垩统山麓湖泊相碎屑、泥质建造及第四系洪积、残坡积建造等(图 1)。

图 1 骑田岭区域地质图(据湖南省湘南地质队, 1991①湖南省湘南地质队. 1991. 1∶5 万区域地质调查报告(永春幅和宜章幅).资料编制)Fig.1 Geological sketch map of the Qitianling region

骑田岭岩体位于湖南省郴州市西南约 40 km,面积约 517 km2。前人研究(朱金初等, 2003; 付建明等, 2004; 赵葵东等, 2006; 朱金初等, 2009)认为,该岩体是燕山早期形成的多阶段复式岩基, 主要可分成 3 个侵入阶段: 第一阶段于 160～163 Ma 侵位,主要为角闪石黑云母二长花岗岩, 有时为黑云母二长 花岗 岩, 出露 面 积 约 占 45%, 分 布 在岩 体 东部 、北部和西部的靠边缘部位; 第二阶段于 153～157 Ma 侵位, 主要为黑云母花岗岩, 有时含角闪石, 出露面积约占 40%, 分布在岩体的中部和南部; 第三阶段于 146～150 Ma 侵位, 主要为细粒(有时含斑)黑云母花岗岩, 出露面积约占 12%, 分布在岩体的中南部位。其中前两个阶段构成岩基的主要侵入相, 第三阶段为补充侵入相。此外, 还有 217、161、156、148、112、75 Ma 和 265、161、74 Ma 等的锆石 U-Pb 年龄数据以及 219、199、166、156 Ma 等黑云母 K-Ar年龄数据, 说明骑田岭岩体有可能是包括印支期、燕山早期、燕山晚期的复式岩体(地矿部南岭花岗岩专题组, 1989)。

2 样品采集、分析方法与测试结果

骑田岭岩体周边矿产资源丰富, 但岩体内部的矿产资源调查工作是在 21世纪初发现芙蓉锡矿之后才得以展开的。尽管骑田岭岩体大面积出露, 但由于一方面植被覆盖严重, 另一方面在芙蓉锡矿等有露头的局部地段, 岩体本身已经遭受了强烈的蚀变(王登红等, 2003), 要获得代表岩体原始岩浆性质的样品并非易事。在 2010～2012 年间, 由国家深部探测技术与实验研究专项“南岭成矿带地壳岩浆系统结构探测实验”课题部署了横穿骑田岭岩体的综合性地质-地球物理-地球化学大剖面(也称为白石渡-飞仙镇剖面, 或者简称为骑田岭大剖面。李建康等, 2013), 其中人工地震探测必须钻探打炮眼, 本次研究正好利用钻探所获得的新鲜岩石样品开展系统的地球化学研究。样品类型包括沉积地层中各类岩石的岩屑、骑田岭花岗岩岩屑以及风化壳样品等,共计 1967 件。为了便于深入讨论, 本文涉及到的实测样品均位于白石渡-飞仙镇剖面上(图 1), 浅钻深度为 20 m, 包括花岗岩岩屑(33 件)及花岗岩风化壳(14 件), 共计 47 件样品。稀有金属元素含量测试由国家地质实验测试中心采用 X-Series 型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS, 美国 Thermo 公司)完成, 具体测试方法参见刘颖等(1996), 测试结果见表 1。根据采样位置(样号自东向西依次等间距增大)制成各元素含量的折线图(图 2)。

3 稀有金属元素地球化学特征

本文涉及到的稀有金属元素包括 Li、Be、Nb、Ta、Zr、Hf、Rb、Sr 和 Cs。骑田岭岩体岩浆岩类样品中各元素的含量特征如下(图 2):

花岗岩中 Li的含量变化于 37.8～136 μg/g 之间,均值为 81.14 μg/g, 约相当于花岗岩中 Li平均值的 4倍(黎彤, 1976; 刘英俊等, 1984; 迟清华和鄢明才, 2007)。Be 的含量变化范围为 5.42～29.30 μg/g, 平均值 10.67 μg/g, 远高于花岗岩的平均值(10.67 μg/g),相当于华南燕山期花岗岩平均值(5.4 μg/g)的 2 倍。Nb 的含量变化范围为 16.10～44.10 μg/g, 均值 28.21 μg/g, 介于克拉克值与华南燕山期花岗岩之间(表 1、图 2), 并在骑田岭岩体东西两侧近似对称分布。Ta的含量范围为 1.87～7.67 μg/g, 也高于花岗岩克拉克值而低于华南燕山期花岗岩。Rb 的含量介于184～746 μg/g 之间, 均值 441.55 μg/g, 明显富集(图2)。Sr 的含量变化范围为 7.37～185 μg/g, 均值 96.67 μg/g, 含 量变 化较 大, 除样 品 1835 含 量 小于 10 μg/g(为 7.37 μg/g)之外, 其余多集中在 30～70 μg/g 或100～170 μg/g 范围之间, 明显低于克拉克值, 岩体东侧的样品含 Sr更低。Zr含量变化于 147～1317 μg/g之间, 均值 418.48 μg/g, 远高于华南燕山期花岗岩的平均值和克拉克值。Hf 的含量范围为 5.48～42.7 μg/g, 平均值 15.18 μg/g, 明显富集。Cs 的变化范围为 14.8～68.1 μg/g, 平均值 30.98 μg/g, 相当于黎彤(1976)中花岗岩克拉克值的 22 倍, 是富集程度最高的一个稀有金属元素。

另外, 从表 1 也可见, 花岗岩风化之后 Li、Be、Nb、Ta、Rb、Cs 的含量均不同程度地降低, 而 Sr、Zr、Hf 则不同程度地升高, 这与其在风化过程中的地球化学行为是一致的。其中, 风化壳中 Zr含量随锆石原地残积而增大, Rb、Li 含量随着长石、云母等含 Rb 矿物的分解而降低。因此, 地表土壤化探异常有可能得到的是 Rb、Li的“负异常”。这在利用化探异常数据评价岩体的含矿性时需要特别注意。

总体上看, 骑田岭岩体的稀有金属元素中, 除Sr 之外, 其他元素无论是相对于中国的花岗岩还是世界的酸性岩均呈现明显富集的特点, 说明骑田岭岩体富集稀有金属。另外, 从图 2 明显可见不同元素在骑田岭岩体上的分布是不一致的: 其中, 自西向东呈逐渐升高趋势的元素有 Li、Rb 和 Cs, 自西向东趋于降低的元素有 Sr, 东西两侧变化不大的元素有 Nb、Ta、Hf。但不论是哪个元素均呈现出跳跃式变化的特点, Ta、Be、Cs、Zr 等元素还出现“特高”含量, 主要出现在岩体的中心部位, 其原因有待于进一步研究。

4 讨论——侵位机制与含矿性分析

4.1 稀有金属元素的分带性

上述测试结果表明, 骑田岭岩体不但富含稀有金属, 而且具有一定的元素分带性, 其中 Li、Rb、Cs 自西向东逐渐升高, Nb、Ta、Hf 则变化不大。这可能暗示着岩浆经历了较强的分异作用, 但也还存在比较复杂的多种可能性。

一般来说, 强不相容元素 Li、Rb 具有比较相似的地球化学特征, 在岩浆作用过程中总的规律是由超基性岩到中性岩及酸性岩增加, 随着岩浆分异作用, 挥发分的增加, Li、Rb 往往在晚期富集(刘英俊等, 1984)。骑田岭岩体中 Li、Rb 的高含量, 说明该岩体的岩浆分异作用进行得很充分, 符合一般的规律性。另外, Li、Rb、Cs 在华南花岗岩类中随时代从老到新有着含量不断增加的分布规律。孙承辕等(1983)认为, Li、Rb、Cs 继承了前震旦纪沉积地层中

的含量, 此后随着改造程度的不断加深和交代作用的反复进行, 使 Li、Rb、Cs 在晚期较酸性的花岗岩(如骑田岭岩体)中得到最大程度的富集。但是, 骑田岭岩体自西向东, Li、Rb、Cs 三种元素的含量均逐渐增高,近似线性变化, 三者变化斜率略有不同, 但都于岩体东部边缘达到最高值(图 2、图 3)。这种现象与时代无关, 因为骑田岭岩体在同位素年龄上并非自西向东由老变新而是中间新、两侧老(朱金初等, 2009)。因此, 稀有金属元素的区域性变化可能与岩体的侵位方向有关, 即骑田岭岩体自南东向西北侵入。

表 1 骑田岭岩体各样品稀有金属元素测试结果(μg/g)Table 1 Rare metal contents (µg/g) of granitic rocks from the Qitianling batholith

图 2 白石渡-飞仙镇地质剖面与稀有金属元素含量折线图Fig.2 Line graph showing the variations of rare metals contents for granitic rocks along the Baishidu-Feixianzhen profile

另外, 骑田岭花岗岩中 Sr 显著亏损。Sr 与 Ca的性质十分接近, 随 Ca 一起结晶、富集和分异, 导致这类元素在早期岩石中富集、晚期岩浆中贫化。骑田岭岩体的东西两侧均有碳酸盐岩, 但岩体并没有出现接近围岩地层 Sr 含量升高的现象(图 2), 说明地层的混染可能是很微弱的。因此, Sr 含量自西向东逐渐降低的变化规律(图 3)也是岩浆结晶分异的结果。

4.2 岩体的侵位机制

从平面上看, 骑田岭花岗岩体呈等轴状出露,它直接穿过基底岩层而进入到泥盆系-石炭系中。岩体中流动构造方向表明岩浆由南东向北西侵入(图4)。重力资料还表明, 岩体重力低的位置相对于岩体实 际中 心位 置向 南东 偏离 了 15 km(庄 锦 良 等 , 1994)。航磁异常反映岩体北西外接触带的局部异常不仅数量多而且形态复杂多样, 而南东外接触带仅有规则的低缓异常。这些资料均说明骑田岭岩体北西部埋深较浅而南东部埋深较大, 岩体由深部向浅部侵位时, 由南东逐渐向北西超覆, 并导致上古生界就势冲断滑脱, 形成包括坪宝地区在内的一系列西倒东倾的冲断推覆构造(庄锦良等, 1994)。由此推测, 岩体西部的剥蚀程度相对较高(西侧 SiO2的含量相对低), 以致于出现稀有元素含量自岩体西侧向东侧逐渐升高的现象。这点骑田岭岩体东西两侧地层中稀土元素含量的变化情况也可以佐证(何晗晗等, 2014)。这为利用元素地球化学特点探讨岩体的剥蚀程度提供了一种可能的方法, 即结晶分异的岩体,随着剥蚀程度的加大, 偏基性的元素趋于富集, 而易集中到结晶分异流体相或在顶部相中趋于富集的元素趋于贫化。因此, 骑田岭岩体西侧相对基性, Li、Rb、Cs 含量偏低而 Sr 较高; 东侧相对酸性, Li、Rb、Cs含量高而 Sr较低。

4.3 稀有金属含矿性研究

南岭地区中生代岩浆作用十分强烈, 形成了与之相关的大批有色及稀有金属矿床(陈国达, 1978;吴延之和叶远荣, 1988; 陈毓川等, 1989; 陈毓川和王登红, 2012; 王增润, 1992; 彭渤和陈广浩, 2000;王登红等, 2010, 2012)。骑田岭花岗岩体是南岭花岗岩的代表性岩体之一(朱金初等, 2003), 处于华夏陆块与扬子陆块的边界, 位于重力异常带和地球化学急变带, 邵阳-郴州 NW 向断裂带也相交于此, 这为岩体侵位、热液活动和成矿物质的重新聚集提供了条件(邓希光等, 2005)。骑田岭岩体富集 Rb、Li、Be、Cs、Zr, 且高于华南燕山期花岗岩的平均含量(华南燕山期花岗岩稀有金属的含量又高于一般花岗岩),为成矿提供了最基础的物质条件。但是, 目前稀有金属的成型矿床主要出现在骑田岭岩体西南外围的香花岭一带(图 1), 在骑田岭岩体的周边及内部主要是钨锡钼铋铜铅锌等有色金属成矿。那么, 骑田岭岩体本身有没有形成稀有金属矿床的可能性呢？骑田岭岩体本身的含矿性如何呢？

图 3 骑田岭岩体 Li、Rb、Sr 含量自西向东的变化及相关性图解Fig.3 Variations of Li, Rb, Sr contents across the Qitianling batholith along the Baishidu-Feixianzhen profile

图 4 骑田岭花岗岩体地质构造略图(据庄锦良等, 1994)Fig.4 Geological sketch map of the Qitianling batholith

从稀有金属元素含量看, 骑田岭岩体相对于克拉克值 只 有 Sr 亏损, Li、Rb、Be、Cs、Zr 明 显 富集。而且, 在骑田岭岩体的西南部的确也存在香花岭接触交代型铍矿床(图 1), 成矿作用主要与燕山早期的两次侵入密切相关(徐启东, 1991), 即燕山早期的岩浆活动控制着香花岭铍-锡矿床的形成。虽然骑田岭岩体的稀有金属含量相对于克拉克值和华南花岗岩的平均值是明显富集的, 但相对于香花岭矿田的癞子岭岩体和尖峰岭岩体而言, 骑田岭岩体的 Li、Be、Nb、Ta、Cs 等稀有金属的含量却还是比较低的, 癞子岭花岗岩的 Li、Be、Nb、Ta 含量分别为 502 μg/g、73 μg/g、74.4 μg/g、40.8 μg/g(黄蕴慧等, 1988), 而骑田岭岩体只有 81.14 μg/g、10.67 μg/g、28.21 μg/g、3.76 μg/g(表 1)。因此, 在已经高度剥蚀的骑田岭岩体本区要找到稀有金属矿床并非易事, 在其周边有小岩体出露的地方, 应该注意综合评价稀有金属, 尤其是在骑田岭岩体东侧以往不被注意的地方(如长城岭一带)。另外, 从图 5可见, 骑田岭岩体东侧的花岗岩样品集中在与 W、Sn、Mo 矿化有关的岩体区及其附近, 而西侧则相反,也表明在骑田岭岩体东侧寻找稀有金属矿床的可能性要大得多。

图 5 骑田岭岩体花岗岩的 Rb-Ba-Sr 图解(底图据 El Blouseily and El Sokkary, 1975)Fig.5 Rb-Sr-Ba diagram of the Qitianling granites

5 结 语

骑田岭岩体明显富集 Li、Rb、Cs、Be、Zr, 亏损 Sr、Nb、Ta, 其中 Li、Rb、Sr 在横穿骑田岭剖面上还呈现出自西向东逐渐升高或降低的有规律的分带性变化, 暗示着岩体的侵位可能是歪斜的,即自南东向北西斜向侵位, 与地球物理资料可对应。利用元素的分带性为研究岩体的剥蚀程度提供了一种新的可能的办法。骑田岭岩体在 Li、Rb、Cs、Be 含量较高的基础上, 具有形成稀有金属矿床的潜力, 但目前尚未发现 Li、Rb、Cs、Be 等较好的金属矿化体, 主要是因为剥蚀程度较高所致,今后可以在骑田岭岩体东侧外接触带包括外围长城岭一带注意综合评价稀有金属和有色金属矿产资源。

致谢:野外工作和论文编写过程中得到陈毓川院士、盛继福研究员、白鸽研究员等老专家的指点, 审稿人和编辑老师提出了很多建议和意见, 在此深表感谢！

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Geochemical Characteristics and Ore Potential of Rare Metal Elements of the Qitianlin Batholith in South Hunan, China

HE Hanhan1, WANG Denghong1, SU Xiaoyun2, ZHANG Yijun3, WANG Guorui1, LI Jiankang1,
ZHAO Bin4and LI Jianguo4
(1. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Southern Hunan Institute of Geology and Survey, Chenzhou 423000, Hunan, China; 4. Shanxi Institute of Geophysical and Geochemical Survey, Yuncheng 044004, Shanxi, China)

The Qitianling granites in Chenzhou city, Hunan province, is a Mesozoic batholith. In this study, granitic rock samples across the Qitianling Geological-Geochemical-Geophysical profile were analyzed by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) to measure the concentrations of rare metal elements, including Li, Rb, Sr, Cs, Nb, Ta, Be, Zr, Hf. The results showed that: (1) samples are significantly enriched in Li, Rb, Cs, Be and Zr, which are higher than the average concentrations of granite in South China, while elements like Sr, Nb and Ta are relatively depleted; (2) the concentrations of elements like Li, Rb, Cs increase gradually from west to east of the batholith, while the concentrations of Sr is gradually decrease. Elements like Nb, Ta and Hf remain stable except occasional “peak value”; (3) compared with the neighborhood Xianghualing pluton that is genetically related to the Xianghualing rare metal deposit, the Qitianling batholith is of the same geological stage, but the rare metal contents in Qitianling are not so high as to be a potential or as a target for exploration. That is to say, it is difficult to find new rare metal deposits as those formed around the Xianghualing pluton, considering the rare metal contents and stronge erosion of the Qitianling batholith. Based on the geophysical and geological characteristics of the rocks, it is considered that the Qitianling batholith was intruded from southeast to northwest, which might be the cause of rare element zonation across the Qitianling batholith.

the Qitianling batholith; rare metal; element geochemistry; ore-potential; emplacement mechanism

P595; P612

A

1001-1552(2014)02-0366-009

2013-12-22; 改回日期: 2014-01-17

项目资助: 国家深部探测技术与实验研究专项“南岭成矿带地壳岩浆系统结构探测实验”课题(编号: SinoProbe 0301)、中国地质大调查项目“南岭岩浆岩成矿专属性”(编号: 1212011120989)和“我国重要矿产和区域成矿规律研究”(编号: 1212010633903)资助。

何晗晗(1991-), 女, 硕士研究生, 构造地质学专业。Email: he.hanhan@163.com