南部非洲花岗岩型与伟晶岩型钽矿床地质特征

孙宏伟王杰任军平唐文龙古阿雷左立波贺福清

1)中国地质调查局天津地质调查中心,天津,300170;

2)华北地质科技创新中心,天津,300170

内容提要:钽作为一种重要的稀有金属矿产,广泛应用于各种工业领域。 世界上的钽矿床成因主要为内生成矿,尤以花岗岩型和伟晶型最为重要,碰撞造山过程导致的多期次岩浆活动是有利的钽矿成矿环境。 南部非洲钽矿资源丰富且品位高,主要为花岗岩型和伟晶岩型钽矿床,空间上主要分布在卡普瓦尔克拉通、刚果克拉通、津巴布韦克拉通以及基巴拉、泛非、达马拉等碰撞环境下形成的同造山—后造山构造带内,时间上主要集中在太古宙(2.85～2.58 Ga)、古元古代(2.48～2.0 Ga)、晚中元古代—早新元古代(1026～880 Ma)以及泛非活动期(500～440 Ma),且不同钽矿带内含钽矿物稀有及稀土元素分布特征差异较大。 南部非洲发育大量与钽矿形成密切相关的花岗岩及伟晶岩岩体,资源潜力巨大,未来有望成为世界上主要的钽资源接续基地。

钽具有耐热性好、耐蚀性强和热导率高等特性,是重要的热防护材料和结构材料,在航空、高新技术以及医疗领域具有不可替代性(王汾连等,2012;周艳晶等,2015)。 因此,钽被视为战略性关键金属。目前已知的钽矿资源主要分布在澳大利亚和巴西,两国合计占到全世界总储量的95%左右(USGS, 2019)。 中国钽储量在数量上较大,但钽资源品位较低,一般未超过0. 02%(王瑞江等,2015)。 作为世界上主要的钽矿资源消费国之一,中国钽矿在2017 年对外依存度上升到84%(邓攀等,2019)。

近年来,南部非洲莫桑比克、布隆迪、刚果(金)、尼日利亚、卢旺达、赞比亚和乌干达等国家发现了大量钽资源,主要以花岗岩型与伟晶岩型钽矿床为主,且找矿潜力巨大(高常亮等,2015;邓攀等,2019;古阿雷等,2020;孙宏伟等,2020)。 由于世界上最大的钽矿资源国澳大利亚国内生产受限,南部非洲的钽矿资源已在国际市场占有重要地位,预计刚果(金)和卢旺达在未来几年将进一步增加产量,成为世界上主要的钽矿生产国之一(邓攀等,2019)。 因此,系统分析南部非洲花岗岩型及伟晶岩型钽矿资源的时空分布特征及成矿规律,对指导我国地勘单位在该地区钽矿资源的找矿工作具有重要意义,也有助于保障我国钽矿资源战略安全,服务于我国资源“走出去”及“一带一路”倡议。

1 全球钽矿资源分布特征

1.1 全球钽矿资源概况

全球钽金属资源总量超过110 kt,主要分布在澳大利亚和巴西,此外在俄罗斯、刚果(金)、卢旺达、中国、加拿大、美国、布隆迪、埃塞俄比亚、莫桑比克、尼日利亚和卢旺达等都有钽矿资源分布(USGS, 2019)。 巴西的钽资源主要与碳酸岩杂岩体和Volta—Grande 伟晶岩区的大型烧绿石矿床有关,澳大利亚的钽矿石则主要由花岗伟晶岩提供(王瑞江等,2015)。

中国是世界上钽矿资源较为丰富的国家之一,主要集中在江西、湖南、福建、广西、广东、四川、新疆及内蒙古等省区(邓攀等,2019)。 其中,江西和广东多属于花岗岩型,内蒙古则主要为碳酸岩型和花岗伟晶岩型。 中国钽资源储量和基础储量在数量上较大,但钽资源品位一般未超过0. 02%,嵌布粒度细而分散,且多金属伴生,造成难采、难分、难选,回收率低,资源禀赋差,大规模露采的矿山较少(王瑞江等,2015;邓攀等,2019)。

表1 2014～2018 年全球钽资源储量Table 1 Global tantalum reserves from 2014～2018

1.2 全球钽矿时空分布特征

花岗岩和伟晶岩型钽矿产量占全球钽产量的80%(Melcher et al., 2017),其分布特征与花岗岩及伟晶岩的分布密切相关,空间上它们分布在几乎所有大陆上(图1),时间上主要形成于太古宙(约3 Ga)到新近纪(Tkachev, 2011; Dill, 2015),即新太古代、古元古代、中/新元古代、新元古代/古生代、中生代/新生代(McCauley et al., 2014; Melcher et al., 2015, 2017)。 前人对全球花岗岩及伟晶岩的分布做了较为系统的阐述(Cerny, 1989a; Dill, 2015; Melcher et al., 2015),认为其形成通常与褶皱构造、剪切和断层系统有关,多分布在碰撞环境下形成的同造山—后造山构造带内,也反映了主要的造山事件。

图1 全球钽矿时空分布特征(据Melcher et al., 2017;李健康等,2019 修改)Fig. 1 Spatial and temporal distribution characteristics of Ta mines in the world (modified after Melcher et al., 2017; Li Jiankang et al., 2019＆)

2 矿床主要类型及特征

钽矿床可分为内生和外生两大类(李建康等,2019),其中内生矿床包括:花岗岩型和花岗伟晶岩型,是世界最主要的钽矿床类型;碳酸岩型和碱性岩型矿床,主要富含铌矿资源,钽多为伴生元素(钽、铌氧化物比值小于1 ∶20)。 外生钽矿床多为原生矿床经过次生物理化学作用后造成钽资源的再次富集,多以风化壳型或砂矿型存在。 南部非洲地区产出的钽矿床主要以花岗岩型和伟晶岩型为主,因此本文着重介绍此类型。

2.1 伟晶岩型钽矿

伟晶岩型钽矿床是最重要的钽资源类型之一,主要分布在加拿大、俄罗斯、巴西、澳大利亚、中非和南非(邓攀等,2019)。 富钽伟晶岩主要为LCT(富集Li—Cs—Ta)型花岗伟晶岩,与同碰撞—后碰撞造山背景下典型岩浆作用形成的过铝质S 型花岗岩密切相关,多发育在深大断裂带附近或岩基接触带内的花岗岩体周围(Cerny et al., 1989a; Cerny, 1991a),成矿母岩体主要为黑云母花岗岩及二云母花岗岩,偶见花岗闪长岩。

含钽矿的LCT 型花岗伟晶岩通常具有明显的空间分带特征,常表现为淡色花岗质细粒边缘带、钾长石+石英(钠长石)为主的文象伟晶岩外部带、锂辉石(或透锂长石)+石英+钠长石为主的中间带以及块状石英+钾长石为主的核部带(朱金初等,2000),但不是每个伟晶岩都发育完好的带状结构。大部分伟晶岩型钽矿中,钽主要集中在富钠长石带,常与富锂的矿物(锂辉石、锂云母等)紧密共生(Cerny et al., 1989b; Cerny,1991b; Mulja et al., 1996; Linnen, 1998),特别是含锂云母和铯榴石的伟晶岩中,含钽矿物主要为钽铁矿族矿物、重钽铁矿和富钽的锡石、细晶石等。

2.2 花岗岩型钽矿

花岗岩型钽矿中钽储量比较大,但品位相对较低,矿物粒度较细,常呈浸染状分布于成矿母岩中,但有时也呈集合体状或充填于石英、钠长石和锂云母等矿物裂缝中(Zhu Jinchu et al., 2001)。 该类矿床的含钽矿物主要为钽铁矿和细晶石,并常伴有萤石、黄玉、独居石、褐帘石、锡石、电气石、磷灰石等副矿物。

含钽矿花岗岩在化学成分上通常富钠、钾及二氧化硅,矿化多产于复式或多岩相花岗岩体内(李健康等,2019),出露面积较小。 矿体形态主要受侵入体与围岩的接触构造控制,多为不规则透镜状。含矿花岗岩体通常(部分矿床分带发育不全)具有明显的垂直分带(图2),自下而上一般为:二云母(黑云母)花岗岩带(I)、白云母花岗岩或淡色花岗岩带(II)、黄玉—锂云母(或铁锂云母)—钠长石花岗岩带(III)、云英岩带(IV)、钾长石伟晶岩壳和石英壳(V)(朱金初等,2002),其中黄玉—锂云母—钠长石花岗岩带是最主要的含矿带。

图2 稀有金属花岗岩垂直分带图(据朱金初等,2002)Fig. 2 Vertical zoning map of rare metal granite (modified after Zhu Jinchu et al., 2002＆)

2.3 成矿地质背景

花岗(伟晶)岩型钽矿床主要分布在褶皱造山带,成矿作用形成于某个造山过程的一定阶段,但往往经历了多期次造山活动(Thompson, 1999;李健康等,2019),这主要是由于多期次造山过程能够促进岩浆多次分异,导致钽元素逐渐富集乃至成矿。 其成矿环境特点为:①赋矿地层沉积环境多为分布于大陆之间的海槽环境,常见特征性的(类)复理石建造,为钽矿成矿提供物质基础(Cerny, 1991c; Shaw et al., 2016);②多期次造山过程导致中酸性岩浆活动广泛发育,且构造变形强烈,为成矿作用的发生提供能量;③区域变质作用明显,板岩、片岩等发育。

但对其成矿作用是发生在岩浆阶段还是岩浆晚期的热液自交代阶段仍存在一定争议(袁忠信等,1987;朱金初等,2002;李胜虎等,2015;Zhu Zeying et al., 2015; Li Shenghu et al., 2017),近年来矿物学和熔体包裹体研究表明该类型矿床成矿作用既发生在岩浆结晶分异阶段,也存在于晚期热液阶段(Zhu Zeying et al., 2015; Xie Lei et al., 2016, 2018; Li Shenghu et al., 2017; 刘鹏等,2020)。

3 南部非洲钽矿时空分布特征

非洲大陆拥有丰富的花岗岩型和伟晶岩型钽矿资源(Landes, 1935; Von Knorring, 1985; Von Knorring et al., 1987),已发现超过1500 个各种规模的钽矿床(Melcher et al., 2015),其中尤以南部非洲地区最为集中(表2),刚果(金)、卢旺达、布隆迪、莫桑比克和乌干达等国拥有近100 年的钽矿开采历史。该地区钽矿床的时空分布特征与区内广泛发育的多期次造山作用密切相关(图3)。

图3 南部非洲钽矿时空分布略图(底图据Haestet al., 2011 修改)Fig. 3 Spatial and temporal distribution map of tantalum deposits in southern Africa (modified after Haest et al., 2011)

表2 南部非洲花岗岩及伟晶岩型钽矿时空分布特征(据Graupner et al., 2010; Melcher et al., 2015 修改)Table 2 Spatial and temporal distribution characteristics of granite and pegmatite Ta deposits in southern Africa (modified after Graupner et al., 2010; Melcher et al., 2015)

3.1 太古宙

卡普瓦尔克拉通的钽矿化伟晶岩主要分布在Giyani 绿岩带和Murchison 绿岩带(Poujol et al., 1999), 已生产超过13.5 t 钽精矿(Lehmann, 2012),品位不详。 卡普瓦尔克拉通Barberton 绿岩带内3.1 Ga 的含锡伟晶岩是非洲已知最古老的伟晶岩(Trumbull, 1993, 1995; Maphalala et al., 1998),而Murchison 绿岩带钽矿的最大年龄为2.85 Ga,也是世界上最古老的钽矿化年龄(Poujol et al., 1999;孙宏伟等,2018)。

津巴布韦克拉通内钽矿的开采始于Masvingo绿岩带的Bikita 伟晶岩,自1916 至今已生产超过200 t 钽精矿(Melcher et al., 2015),品位不详。 钽矿化与晚造山期至后造山期花岗岩侵入体有关。Melcher 等(2015)分别从Bikita 钽矿和Benson 钽矿内的伟晶岩获得的钽铁矿U-Pb 年龄为(2617±1 Ma)和(2587±4 Ma),与Herzog 等(1960)获得的Bikita 花岗伟晶岩Rb-Sr 全岩年龄 (2650±50 Ma)基本一致,均显示为新太古代。 此外,Jelsma 等(1996)在Masvingo 带(Murehwa 花岗岩)获得的含钽花岗岩锆石U-Pb 年龄为2601±14 Ma。

Melcher 等(2015) 从刚果克拉通东北部的Mambasa 地区获得的钽铁矿U-Pb 年龄为2487±8 Ma,与基巴拉构造带新太古代至古元古代伟晶岩矿化基本一致(Milesi et al., 2006)。 目前尚不清楚太古宙刚果克拉通砂矿床中含钽矿物与不同时代花岗岩的关系。

因此,本文认为南部非洲太古宙钽矿化主要集中在2.85～2.58 Ga。

3.2 古元古代

刚果克拉通东北部古元古代Ruwenzori 构造带变沉积岩和岩浆岩内发育大量钽矿化伟晶岩,采矿活动自20 世纪50 年代开始一直持续至今,Melcher 等(2009)从Mambasa 地区获得的钽铁矿U-Pb 年龄为2487～2000 Ma。 刚果(金)Uvira 地区钽矿化花岗伟晶岩Rb-Sr 全岩年龄为2030 Ma(Villeneuve, 1980)。 津巴布韦Magondi 带内钽矿化花岗伟晶岩锆石U-Pb 年龄集中在2150 ～2000 Ma(Goncalves et al., 2009)。

因此,本文认为南部非洲古元古代钽矿化主要集中在2.48～2.0 Ga。

3.3 晚中元古—早新元古代

晚中元古代—早新元古代是非洲钽矿化的重要时期,主要分布在基巴拉构造带、Kamativi 构造带和Orange river 构造带。 基巴拉构造带内发育多期次的岩浆活动,晚期(986 Ma)形成的花岗岩与钽矿化密切相关(Romer et al., 1995; Melcher et al., 2009; Dewaele et al., 2011; 孙宏伟等,2019),是世界上最大的含钽等多种稀有金属成矿省之一。 刚果(金)Manono—Kitotolo 钽矿床是区内最大的单一花岗伟晶岩型矿床,年产钽精矿超过500 t ( Melcher et al., 2015), 品 位 不 详。 Romer 等(1995) 和Melcher 等(2015)在布隆迪获得的伟晶岩型钽铁矿U-Pb 年龄多在990～960 Ma。

Kamativi 构造带是古元古代Magondi 构造带的一部分,内部发育大量新元古代早期(990±15 Ma)含钽伟晶岩,年产钽精矿60 t( Melcher et al., 2015),Gabler 等(2011)获得的伟晶岩型钽铁矿UPb 年龄为1026～925 Ma。

Orange River 构造带是非洲最大的伟晶岩省之一,已知伟晶岩超过12000 个。 位于纳米比亚南部Tantalite valley 地区的伟晶岩型钽矿资源量可达74 Mt,Melcher 等(2015)在其花岗伟晶岩体中获得的锆石U-Pb 年龄约为985 Ma。 Burger 等(1965)在Namaqua 地区获得的花岗岩云母K-Ar 年龄为1090～956 Ma。

综上所述,本文认为南部非洲地区中—新元古代钽矿化主要集中在1026～880 Ma。

3.4 泛非活动期

受泛非造山运动影响,莫桑比克构造带内发育大量花岗岩及伟晶岩(Fritz et al., 2013)。 Alto Ligonha 地区是该时期形成的最重要的花岗伟晶岩型钽矿省,已知花岗伟晶岩体超过100 个( Melcher et al., 2015),并已产出大量钽精矿(Lehmann, 2012)。 Melcher 等(2015)获得的花岗伟晶岩型钽铁矿U-Pb 年龄为480～440 Ma,与Alto Ligonha 泛非期(490 Ma)花岗岩事件密切相关。

达马拉构造带中部Uis 含锡花岗伟晶岩是纳米比亚最重要的钽矿产地。 Jung 等(2000)和Tkachev(2011)认为达马拉构造带花岗伟晶岩形成时代为508～492 Ma,Melcher 等(2015)获得的钽铁矿U-Pb年龄则主要集中在500～450 Ma。

综上所述,本文认为南部非洲泛非活动期钽矿化主要集中在500～440 Ma。

4 南部非洲钽矿地球化学特征

前人(McCauley et al., 2014; Melcher et al., 2015, 2017)对南部非洲的钽矿床进行了大量的化学分析,本文选取不同钽矿带内大量钽铁矿样品的中值数据作为参考值,通过投图分析(图4)获得了不同构造带内含钽矿物的稀有及稀土元素特征。

4.1 稀有元素特征

不同构造带内钽铁矿样品稀有元素(中值)特征如图4a 所示,津巴布韦克拉通:高Sn、W、U、Th、Pb、Li、Sb、Sc 和Y,低Mg;刚果克拉通:高Mg、Sc、Zr、Hf、W 和U,低Li 和Sn;基巴拉构造带:稀有元素整体含量低且变化较大,相对富集Ti、Sn、W 和Zr;Kamativi 构造带:稀有元素分布特征与基巴拉构造带相似,但Li 元素相对较高;Orange river 构造带:高Zr、Hf、U、Li、Sb 和Y,低Sn、Sc 和Mg;莫桑比克构造带:高Hf 和Sb,低Sc、Li 、U、Sn 和Mg;达马拉构造带:大多数微量元素的浓度较低,Sb 含量尤其低。

4.2 稀土元素特征

不同构造带内钽矿稀土元素(中值)特征如图4b 所示,津巴布韦克拉通:稀土元素模式为弱分馏型,具有负Eu 异常;刚果克拉通:稀土元素整体含量较高,具有高的HREE/MREE 值和负Eu 异常;基巴拉构造带:稀土元素模式为弱分馏型,由于Eu 浓度较低,在许多情况下无法确定Eu 异常的存在;Kamativi 构造带:稀土元素模式为弱分馏型,整体含量较低,负Ce 异常;Orange river 构造带:稀土元素模式为高分馏型,重稀土含量低,负Eu 异常明显;莫桑比克构造带:稀土元素模式为高分馏型,整体含量较高,负Eu 异常明显;达马拉构造带:稀土元素浓度较低,中度负Eu 异常。

图4 南部非洲含钽矿物稀有元素特征分布图(a)和稀土元素特征分布图(b)(数据源自Melcher et al., 2015)Fig. 4 Distribution map of rare elements for tantalum-bearing in southern Africa(a) and distribution map of REE elements for tantalum-bearing in southern Africa(b) (the data comes from Melcher et al., 2015)

5 典型矿床简介

5.1 刚果(金)Manono—Kitotolo 矿床

Manono—Kitotolo 伟晶岩是世界上最大的含稀有金属伟晶岩之一,位于基巴拉构造带内的刚果(金)东南部地区,具有丰富的钽资源,同时伴生大量铌、锂和锡资源(图5),主要由东北部的Manono和西南部的Kitotolo 两个主带组成,长约15 km,宽约800 m(Dewaele et al., 2016)。 矿化伟晶岩多沿叶理侵入到中元古代变质沉积岩和白云岩中,蚀变特征表现为云英岩化、白云母化、电气石化和硅化等。 根据朱金初等(2002)对含矿花岗岩体的分带划分方案,Manono—Kitotolo 矿区内钽矿化主要分布在黄玉—锂云母(或铁锂云母)—钠长石花岗岩带、云英岩带以及钾长石伟晶岩壳和石英壳内,且黄玉—锂云母(或铁锂云母)—钠长石花岗岩带内钽矿化最为富集(图6)。

图6 Manono—Kitotolo 矿区钽矿化分布特征(据Dewaele et al., 2016 修改)Fig. 6 Distribution characteristics of tantalum mineralization from Manono—Kitotolo (modified after Dewaele et al., 2016)

图 5 Manono—Kitotolo 地区地质图(据Ngulube, 1994 修改)Fig. 5 Geological map of the larger Manono—Kitotolo area (modified after Ngulube, 1994)

5.1.1 矿床地质特征

矿区内主要发育两期构造变形事件,其中S1 方向为NE 40° ～70°,S2 方 向 为NW ,与S1 相 交(Ngulube, 1994)。 区内共识别出至少三种不同类型的花岗岩体,第一种是灰色片麻状花岗岩,斑状结构,主要包括Manono 花岗岩体和Pongo 花岗岩体等。 斑晶主要由条纹长石、微斜长石、斜长石、黑云母、石英以及少量白云母组成。 在Manono 花岗岩体和Pongo 花岗岩体中,矿化伟晶岩沿S2 方向展布;第二种为Kazungu 和Mukishi 混合花岗岩套,呈深至浅灰色,似斑状或斑状结构,片麻理发育,多被石英脉和锡矿化伟晶岩脉切穿。 斑晶主要为微斜长石、斜长石、石英、黑云母和少量白云母。 第三种以Pete 花岗岩体为代表,多呈淡红色,等粒状半自形结构,片麻理不发育,主要由石英、微斜长石、斜长石、长石和黑云母组成,并含有丰富的电气石、石榴子石和少量的绿泥石或绢云母。

5.1.2 成矿时代

矿区内钽铁矿U-Pb TIMS 年龄为940. 2±5. 1 Ma 和947±2.8 Ma(Dewaele et al., 2016)。 较年轻的U-Pb 年龄与未蚀变的微斜长石—钠长石—白云母—石英伟晶岩(938.8±5.1 Ma)和锂辉石—白云母—钠长石—石英伟晶岩(934.0±5.9 Ma)的白云母40Ar-39Ar 年龄基本一致(Dewaele et al., 2016)。由于Manono—Kitotolo 地区在1000 Ma 以后没有发生重大的变形事件,因此,945 ～930 Ma 被认为是该地区钽矿化作用的成矿时代。 通常伟晶岩体在花岗岩—伟晶岩系统中的结晶时间间隔很短,因此,这一时期也可能是Manono—Kitotolo 伟晶岩母花岗岩的年龄。

5.1.3 矿床成因

利用550℃作为地层温度的估算值,可以有效计算出Manono—Kitotolo 矿区内石英和锡石形成的流体环境(Zheng Yongfei, 1991; Zhang Ligang et al., 1994),并由此推测钽矿化的形成环境。 在δ18O—δD 同位素图中(图7),钽矿化云英岩中形成石英的流体为岩浆水与变质水的混合水,形成锡石的流体则主要为岩浆水。 未见钽矿化的伟晶岩中形成的石英内流体主要为岩浆水,与该地区稀有金属矿化密切相关的的“G4 花岗岩”内流体包裹体显示亦为岩浆水。 由此可见,矿区内钽矿化的形成与晚期热液蚀变密切相关,而锡矿化则主要形成于早期成岩阶段。

图7 Manono—Kitotolo 矿区花岗伟晶岩δ18O—δD 特征图(据Dewaele et al., 2016 修改)Fig. 7δ18O—δD plot of the fluid composition of the pegmatite from Manono—Kitotolo (modified after Dewaele et al., 2016)

5.2 卢旺达Gatumba 矿床

中元古代基巴拉构造带内赋存大量的钽等稀有金属矿床,卢旺达境内的Gatumba 钽矿床便是其中之一。 在1929 至1985 年间,Gatumba 地区生产了17600 t 铌钽精矿和锡石混合物(Lehmann, 2011)。主要产自冲积矿床和伟晶岩型矿床,以手工生产为主,但未对其钽金属资源量进行过系统评估,推测储量可达950 t 以上(Dewaele et al., 2011)。

5.2.1 矿床地质特征

Gatumba 地区位于卢旺达西部Ndiza 向斜西侧的两个花岗岩体之间:西部是Gitarama 花岗岩,东部是Kabaya 花岗岩(图8)。 区内褶皱构造十分发育,主要由中元古代浅变沉积岩和石英岩交替组成(Baudet et al., 1988; Hulsbosch et al., 2013),区域变质作用以低绿片岩相为主(Baudet et al., 1988),局部可见少量黑云母、红柱石和夕线石等中高级变质矿物(Gerards, 1965)。 区内岩浆活动十分发育,主要包括大量伟晶岩体(>130 个)及辉绿岩等,伟晶岩体厚度在10 cm 至30 m 之间,长度50～2400 m不等(Dewaele et al., 2011)。

图8 Gatumba 地区地质图(a)和Gatumba 采矿区附近岩性柱状图(b)(据Dewaele et al., 2011 修改)Fig. 8Geological map of the Gatumba area(a) and stratigraphic column for the area around the mining camp of Gatumba mining area(b) (modified after Dewaele et al., 2011)

Gatumba 地区钽矿化与伟晶岩密切相关,既存在于未发生热液蚀变的伟晶岩中,也出现在蚀变强烈的伟晶岩中,矿化分布十分均匀。 矿石矿物以钽铁矿和锰钽铁矿为主,副矿物主要为绿柱石、锂辉石以及磷灰石等。 围岩蚀变主要包括云英岩化、绢云母化和白云母化(Dewaele et al., 2011)。

5.2.2 成矿时代及矿床成因

在基巴拉构造带中,早期(1380±10 Ma)侵入的花岗岩体没有形成钽矿富集,其钽矿化和其他稀有金属矿化主要与986±10 Ma 形成的“G4 花岗岩”以及随后(969±8 Ma)出现的伟晶岩有关,尤以后者最为重要(Kokonyangi et al., 2006;何胜飞等,2014;吴兴源等,2020)。 布隆迪境内铌钽铁矿成矿年龄为(962±2)Ma 和(968+33/-29)Ma(Romer et al., 1995),进一步证实了伟晶岩与钽矿化的密切关系。

岩相学分析显示,Gatumba 地区部分钽铁矿被钠长石脉切穿,或是镶嵌在钠长石晶体中,说明钽铁矿的结晶发生在钠长石化之前,与伟晶岩同时形成。而对Gatumba 地区钽铁矿U-Pb 分析显示其成矿时代在975～930 Ma 之间(Dewaele et al., 2011)。 较老的时代与花岗岩和伟晶岩侵位时间接近,而较年轻的年龄可能代表了侵位后热液活动导致的原生钽矿物重结晶的时代。 因此,本文认为Gatumba 地区伟晶岩型钽矿的形成环境主要包括两种:一是早期岩浆活动导致含钽矿物与伟晶岩同时形成,二是晚期热液活动导致含钽矿物重结晶。

5.3 莫桑比克Alto Ligonha 钽矿集区

Alto Ligonha 伟晶岩型钽矿集区位于莫桑比克构造带南部,发育有多个伟晶岩型钽矿床,区内钽矿的开采可以追溯到20 世纪20 年代,累计开采钽精矿超过2000 t,钽资源储量(Ta2O5)超过9000 t,其中Morrua、Marropino、Muiane 3 个大型矿床占了总资源储量的90%以上(Macey et al., 2007;商俊伟,2008;王西荣等,2016)。 目前,该地区的钽矿开采主要为小规模手工生产,其深部矿体未做详细研究,资源潜力巨大。

5.3.1Morrua钽矿床

Morrua 钽矿床位于莫桑比克东北部(S16°16′13″,E37°51′56″),在莫桑比克内战爆发(20 世纪50年代末)以前,是全球钽精矿主要供应地之一。Morrua 钽矿床主要由Morrua 矿山和Melela river 砂矿两部分组成,Morrua 矿山矿石量为3.57 Mt,Ta2O5含量为0.0804%,Melela river 砂矿矿石量为1.196 Mt,Ta2O5含量为0. 0668%。 矿区远景矿石资源量达7.50 Mt,Ta2O5平均含量为0.07%(Macey et al., 2007; USGS, 2015)。 Morrua 矿山由13 条纺锤状伟晶岩矿体组成,矿体延NW 走向近似水平展布。 主要含钽矿物为钽铁矿、锰—钽铁矿和细晶石。 其含矿伟晶岩年龄为480±2 Ma(Melcher et al., 2009)。

5.3.2 Marropino 钽矿床

Marropino 钽矿床位于Morrua 钽矿床以南40 km。 主矿体长约550 m,宽大于250 m,厚约5 m,SE倾向,倾角20°。 主矿体铌含量较高,高岭土化蚀变十分发育。 主要矿石矿物为钽(铌)铁矿、细晶石和锰钽矿,同时还伴生有辉铋矿。 风化型砂矿矿石量为7.36 Mt,Ta2O5含量为0.024%,原生伟晶岩型矿石量为14.42 Mt,Ta2O5含量为0.0273%(Macey et al., 2007; USGS, 2015)。 其含矿伟晶岩年龄为446～481 Ma(Melcher et al., 2009, 2015)。

5.3.3Muiane钽矿床

Muiane 钽矿床位于Alto Ligonha 市南约45 km。主矿体长约1000 m,SE 倾向,倾角小于45°,主要矿石矿物为铌铁矿、细晶石和锂辉石等。 风化伟晶岩矿石量为6.657 Mt,Ta2O5含量0.021%,原生伟晶岩型矿石量为7. 041 Mt,Ta2O5含量为0. 018%(Macey et al., 2007; USGS, 2015)。 其含矿伟晶岩年龄为(440. 5±0. 5 Ma) ～(451. 9±7. 4 Ma)(Melcher et al., 2009, 2015)。

6 结论

(1) 稳定地块之间的碰撞造山带及其多期次岩浆活动导致的花岗质侵入体,构成了南部非洲地区最为重要的花岗岩型和伟晶岩型钽矿成矿背景,钽矿化既存在于早期岩浆成岩阶段,也发生在晚期热液活动中,且不同构造带内含钽矿物的稀有及稀土元素分布特征差异较大。

(2) 南部非洲花岗岩型和伟晶岩型钽矿的时空分布特征与碰撞造山事件相耦合,空间上主要分布在卡普瓦尔克拉通、刚果克拉通、津巴布韦克拉通以及莫桑比克、基巴拉、达马拉、泛非等碰撞造山带内,时间上主要集中在太古宙(2.85～2.58 Ga)、古元古代(2.48～2.0 Ga)、晚中元古—早新元古代(1026 ～880 Ma)以及泛非活动期(500～440 Ma)。

(3) 南部非洲地区钽矿资源禀赋好,成矿地质条件优越,但目前仍未实现大规模机械化开采,且总体找矿勘查程度较低,资源潜力巨大。

致谢:在成文过程中,审稿专家和编辑们提供了宝贵的意见,中国地质调查局天津地质调查中心吴兴源工程师、卢宜冠博士提供了支持,在此一并表示衷心的感谢！