辽宁凤城赛马铌矿床成矿岩体地球化学特征及其地质意义

鞠楠，张森，毕中伟，任云生，石蕾，张迪，顾玉超，孙求实

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳110034；2.吉林大学地球科学学院，长春130061

0 引言

中国稀有稀土金属储量占世界总量的87%，而铌金属储量仅占世界总量的18.19%，在中国相对短缺[1,2]。近年来的研究表明，中国铌钽矿床多数分布在华南地区，如江西、广东、湖南以及陕西等地，北方的内蒙古地区、攀西地区以及新疆北部也有零星分布，尤以江西铌钽资源最为丰富[3--7]，而东北地区铌钽矿床发现较少，找矿勘查及理论研究相对滞后。近年来，东北地区陆续发现了以巴尔哲特为代表的一批碱性岩型稀有稀土矿床[8]，由此，碱性侵入岩中的铌(Nb)钽(Ta)等稀有金属矿床引起学者们的广泛关注。

赛马铌矿床位于辽宁省凤城市赛马镇南2 km处，南西距凤城市102 km，是一个具有中型成矿潜力的独立铌矿床。由于该区铌矿发现晚，目前仍处于勘查阶段，成矿理论研究十分薄弱。笔者在该区成矿地质背景、矿床地质特征分析基础上，从成矿岩体地球化学特征研究入手，揭示赛马铌矿床成岩成矿作用的物质源区，探讨该矿床的成矿构造背景及成矿机理，为东北地区稀有金属矿产成矿规律综合研究及进一步找矿工作奠定理论基础。

1 区域地质背景

赛马矿床处于华北克拉通东北部的辽东地块内，具体为太子河—浑江断陷与营口—宽甸隆起带的交汇部位。前寒武系、奥陶系、侏罗系地层均有出露，第四系普遍发育。自晚太古代到中生代的不同时代花岗岩体均有出露，海西期至燕山期的岩浆活动尤为强烈，具有多期次多旋回的特点。区内与稀有稀土矿床关系密切的碱性岩体呈带状随断裂分布，位于EW向与NNE向断裂的交汇部位，岩体EW长40 km，SN宽15 km，出露面积约200 km2，呈岩枝、岩脉和岩株状侵入于前奥陶系地层中，其与上覆的侏罗系地层的接触关系为角度不整合。该碱性岩组合体由4个侵入体与部分火山岩、次火山岩构成，自东向西碱性不断增强，岩性也从正长岩--云霞正长岩渐变为霓霞正长岩。区域构造方面，以EW向为主，其次为NW、NE与NNE向，赛马稀有稀土矿床就位于EW向与NE向断裂的交汇处(图1a)，断裂构造为成矿元素的迁移、聚集提供了良好的条件，也为赛马铌钽矿床的形成奠定了基础。

2 矿床地质特征

赛马矿区内出露的地层以下元古界盖县组、大石桥组为主，偶见上元古界细河群，而古生界的寒武系—奥陶系以及中生界侏罗系地层零星分布。矿区内岩浆活动较强烈，按期次可分为辽河期构造岩浆旋回和中生代构造岩浆旋回，矿区的东部出露有辽河期岩浆岩，矿区西部则出露中生代岩浆岩，成份以凤城碱性岩体和南大--北大花岗岩体为主，它们均受EW向断裂控制。与成矿有关的正长岩体位于中生代岩浆岩带的核部,该岩体成岩年龄为227±3.6 Ma(作者未公开发布数据)，即在印支运动作用下，沿东西向构造带侵入、喷溢形成的，岩体多以岩脉、岩墙形态出露，其结构有中细粒和伟晶结构两种；岩石类型以霓霞正长岩为主，岩石组合包括黑色霓石霓霞正长岩、黑云母霓霞正长岩、云霞正长岩、黑榴云霞正长岩以及含草绿色霓石的霓霞正长岩，总体上，属于富钾低钠的碱性岩系。其中，富含草绿色--灰褐色霓石的霓霞正长岩体内有明显的矿化现象，且发育有晚期的伟晶岩相。矿区内构造活动频繁,发育有EW向、近SN向、NNE向构造及NE向断裂构造，其中，NE向断裂为主要的控矿构造[10,11](图1b)。矿区范围内岩石蚀变现象普遍，蚀变种类繁多，且蚀变程度相对较高，蚀变分布范围较广，而蚀变类型主要以霞石化、微斜长石化、钙霞石化、碳酸盐化和钠沸石化为主，蚀变将各种原生的正长岩体改造为变生的正长岩体,构成了赛马碱性岩的主体。整体上，蚀变分带并不明显，且铌钽矿化多与钙霞石化和霞石化关系密切。

目前工程揭露8条矿体，主要赋存于灰褐色--草绿色霓霞正长岩中。其中，Ⅰ号矿体长500 m，宽6 m，Ⅱ号矿体长160 m，宽18 m。矿体多呈透镜状、层状--似层状产出，最大厚度可达40 m，矿体倾向45°～115°，倾角25°～75°，矿体间互相平行，在剖面上呈鱼群状排列(图2)。矿石矿物以褐钇铌矿和褐铈铌矿为主，主要的脉石矿物为霞石、金红石、霓石和黄铁矿等，铌含量多集中在0.03%～0.06%，铈含量约为0.1%，Nb元素含量较高，Ta元素的含量较低。矿体与围岩呈渐变过渡关系，无明显界线。矿石多呈碎裂状、片状和半自形伟晶结构，浸染状、脉状构造。

3 成矿岩体特征

3.1 取样及研究方法

本文测试的5件岩体样品主要取自赛马矿床Ⅱ号矿体地表探槽，编号为SMH1，均为成矿岩体。室内将这些样品分成两部分，一部分磨成薄片，进行岩相学研究，另一部分送实验室进行主量、微量及稀土元素分析。岩相学研究在吉林大学地球科学学院岩矿鉴定实验室完成，仪器为OLYMPUS显微镜。全岩主量元素分析在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心“元素地球化学实验室"完成，元素含量测定使用仪器为美国利曼公司(LEEMAN LABS.INC)Prodigy型等离子发射光谱仪(ICP--OES)；部分低含量元素，采用酸性溶液，利用Agilent 7500a 型ICP--MS进行K、P、Ti、Mn等元素含量验证性测定；检测标样为AGV--2、GSR--3、GSR--1、GSR--5；烧失量测定：称取100 mg样品，在马弗炉内980℃条件下恒温60 min后，干燥皿保存降温到室温后称量计算获得。稀土、微量元素分析在中国地质大学(北京)科学研究院元素地球化学实验室(等离子体质谱(ICP--MS)实验室)完成，分析仪器为美国安捷伦公司生产Agilent 7500 a型等离子质谱仪；分析过程中采用美国标准局Equipment实验室制备的标准溶液Std--1、Std--2、Std--4为检测外部标样，定值加入的Rh为检测内部标准。分析结果列于表1、表2。

图2 凤城赛马铌矿床TCG10--3槽探素描图Fig.2 TCG10--3 geosynclinal sketch map of Saima niobium deposit in Fengcheng

表1 赛马铌矿床成矿岩体主量元素分析结果Table 1 Analysis results of major elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit /%

3.2 成矿岩体岩相学特征

成矿岩体的岩相学特征表明，赛马矿床5件样品均为中粗粒霓霞正长岩，主要由碱性长石(Afs)中的正长石(Or)为主，约占50%，霞石(Ne)30%，黑云母(Bt)10%，钠铁闪石(Arf)3%，霓石7%，4件样品无明显的蚀变，1件样品存在微弱蚀变现象(图3)。

3.3 成矿岩体地球化学特征

赛马铌矿床成矿岩体主量元素特征表明，5件霓霞正长岩样品的SiO2含量为55.86%～80.94%，主要集中在55.86%～63.80%之间；具有较低的TiO2含量(0.36%～0.64%)和P2O5含量(0.04%～0.11%)；4件样品中的A12O3含量>15%，偏铝质明显；岩石中全碱含量较高(K2O+ Na2O=9.72%～15.51%)，且富钾(K2O/Na2O =2.42～3.64)，里特曼指数(σ=[w(K2O+Na2O)]2/[w(SiO2-43)])主要集中在6.84～17.10，符合碱性岩区特征。在TAS图解和R1-R2图解上(图4a、4b)，4件样品落在霞石正长岩或正长岩岩区，排除硅化蚀变影响，所有样品均属于霞石正长岩或正长岩范围；在FMA岩石系列分类图解上(图4c)，样品均落入钙碱性系列；在B-A和A/CNK岩石系列分类图解上(图4d、4e)，样品都落在偏铝质岩区。岩体主量元素特征表明，赛马铌矿床的成矿岩体属于富钾、偏铝、过碱系列的正长岩系。

表2赛马铌矿床成矿岩体微量元素和稀土元素分析结果

Table2AnalysisresultsoftraceandrareearthelementsofmetallogeneticrockbodiesinSaimaniobiumdeposit/ 10-6

a.中粗粒霞石正长岩(-)；b.中粗粒霞石正长岩(+)；c.中粗粒霓霞石正长岩(-)；d.中粗粒霓霞石正长岩(+)图3 赛马铌矿床成矿岩体显微照片Fig.3 Micrograph of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

图4 赛马铌矿床成矿岩体主量元素地球化学图(F=FeO+0.9Fe2O3;A=Na2O+K2O;M=MgO)Fig.4 Geochemical map of major elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

图5 赛马矿床成矿岩体微量、稀土元素地球化学图Fig.5 Geochemical map of rare and REE elements of metallogenetic rock bodies in Saima niobium deposit

从表2可以看出，赛马正长岩体富集Rb、Cs、Ba等大离子亲石元素(LILE)，亏损Zr、Nb、Ti等高场强元素(HFSE)，推断其岩浆来源可能与富集地幔有关。所测样品均表现出明显贫P和Ti的特征，其中，Nb元素含量高达34.79×10-6～106.59×10-6，该岩体Nb元素丰度值高，富集比较大，有利于矿化，为成矿提供了丰富的物质来源。在微量元素对原始地幔的标准化图解上(图5a)，赛马成矿岩体的5件样品均呈现明显的大离子亲石元素富集趋势，且过渡族元素呈典型的W型模式分布，其与大陆裂谷型侵入岩、幔源型花岗岩的过渡族元素的分布模式基本一致，反映该岩体的来源较深[12]；而高场强元素中的Pb、Th元素相对富集，Ti元素明显负异常。以上特点表明，赛马成矿岩体的元素地球化学特征与板内裂谷型岩系相类似。

稀土元素的分析结果表明(表2)，赛马铌矿床的成矿岩体稀土元素总量较高，含量差异明显，为0.34×10-6～946.00×10-6；轻重稀土元素分馏作用明显，LREE/HREE为7.20～18.48，即轻稀土元素(LREE)相对富集，重稀土元素(HREE)相对亏损，暗示其岩浆源区较深；(La/Yb)N值较高(7.56～39.58)，具有较低的(Rb/La)N值(0.31～1.14)，较高的Nb/Ta值(24.56～40.04)。成矿岩体没有明显的Sr和Eu异常(δEu=2EuN/(SmN+GdN)为0.94～1.00)，一些学者的研究表明[13,14]，Sr元素和Eu元素的亏损或富集多是因为斜长石引起的，这说明赛马铌矿床的正长岩体岩浆源区不含或者缺少斜长石。从赛马矿床成矿岩体的球粒陨石标准化稀土元素图解(图5b)可以看出，5件岩石样品均呈现重稀土元素亏损、轻稀土元素富集的右倾斜模式，该现象说明岩浆源区可有石榴子石的残留，岩浆形成的温压条件应类似于石榴子石稳定的条件[15,16]，暗示其具有壳幔深部热液流体参与结晶的特征。

4 岩浆岩演化及其成矿意义

近年来，学者们普遍认为，稀有稀土矿床多分布在板块的边缘或者不同时代的断裂构造接合部位，矿床的形成受到区域性的深大断裂控制，控矿构造以派生的二、三级构造为主。该类型矿床均与岩浆作用关系密切，全球铌钽成矿带的分布与岩浆活动带的分布基本一致，并体现出明显的岩石类型成矿专属性[9，17，18]。随着碱性岩地区典型岩体地质特征研究的不断深入，取得了一部分较为准确的地球化学数据，作为富碱侵入岩，其来源较深，是深部地球动力学过程在浅部地壳的直接表现和历史记录，反映了岩体形成时的地球深部组成和地球动力学状态、地壳上层结构和物理化学环境、熔体稀有金属浓度及成矿特征等。而碱性杂岩体被认为是稳定大陆裂谷或深大断裂活动的产物，这种深源浅成的特征揭示了地球深部的物质组成、物理化学条件和构造演化等重要地质信息[19]。

大量研究表明，Nb、Ta元素在岩浆及相关成岩成矿过程中的异常地球化学行为，即明显富集或亏损，从而导致Nb/Ta值强烈偏离原始地幔、亏损地幔及地壳比值的异常特点，可以反映岩浆来源及成因，CI型球粒陨石的Nb/Ta值为17.3～17.6，它代表了地球的平均值，原始地幔(PM)的Nb/Ta值为17.5，亏损地幔(DM)为15.5，大陆地壳Nb/Ta值为10～14，沿深大断裂或裂谷带分布的岩体具有强烈富集Nb和Ta的特点，且Nb/Ta值较高，显著高于原始地幔[20--24]，而赛马矿床岩体的Nb/Ta值为24.56～40.04，明显高于原始地幔平均值，进一步证明赛马岩体来源于拉张环境下的深部地幔；同时，在La/Yb-Eu源区判别图解上，岩体样品均落入壳幔混合源区域(图4f)，而赛马正长岩体相对富集Sr、Nd元素，且相对亏损Hf元素，显示了成矿岩体源区与软流圈地幔密切相关，软流圈地幔交代岩石圈是控制这些强烈富集Nb和Ta及高Nb/Ta值的碱性岩岩浆形成的重要原因。在A-B型花岗岩判别图解中，赛马岩体样品全部落入A型花岗岩岩区，在F-A-M-CNK构造判别图解中，岩体样品落入板内--后碰撞--裂谷型花岗岩源区(图5c、5d)，上述特征与国内同类型矿床成矿岩体地球化学特征基本一致，即赛马铌矿床成矿岩体为霓霞正长岩，形成于后碰撞时期的大陆裂谷环境。

赛马铌矿床与成矿有关的霓霞正长岩形成机制主要为壳幔混合，成矿过程可以推断为：在区域上由俯冲挤压向陆内伸展--拉张转换的构造环境下，上地幔或加厚的下地壳沿断裂带的薄弱部位向上侵入，深部丰富的成矿物质被带入浅部，地幔区岩浆低度部分熔融，导致了不相容元素的(REE，LILE)相对富集，同时丰富的挥发分成为矿化剂，对赛马矿床的形成具有重要的控制作用。霓霞正长岩体富集Zr、Hf等高场强元素，特别是Nb、Ta元素和轻稀土总量明显高于地壳背景值[25--30]，这为赛马铌矿床的形成提供了良好的成矿条件。此外，岩浆中富含的挥发分对岩浆结晶过程中稀有稀土元素的富集成矿起到了非常关键的作用。

5 结论

(1)赛马铌矿床与成矿有关的碱性岩体为霓霞正长岩，该岩体以富含草绿色--灰褐色霓石为标志，NE向断裂为控矿构造，铌钽矿化与霞石化、钙霞石化密切相关。矿体呈似层状、透镜状产出，在剖面上呈鱼群状排列，矿石多呈碎裂状、片状和半自形伟晶结构，浸染状、脉状构造，主要矿石矿物为褐钇铌矿和褐铈铌矿，矿体与围岩无明显界线，呈渐变过渡关系。

(2)成矿岩体为中粗粒霓霞正长岩，属富钾、偏铝、过碱系列的正长岩系，与板内裂谷型岩系具有类似的元素地球化学特征，其结晶过程有深部热液流体参与。

(3)该矿床形成于俯冲挤压向陆内伸展、拉张转换的构造环境下，成矿过程与壳幔混合来源的霓霞正长岩体密切相关。