河南方城县大庄铌稀土矿床地质特征及成因分析

张哨波，崔霄峰，宋 玮，黄丹峰，李山坡

(1.河南省地质调查院/河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南 郑州 450001；2.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001 )

0 引言

随着我国社会经济快速深入发展，国家对稀有金属矿产资源的需求增加。铌钽矿作为新兴战略性矿产资源，具有工业维生素之称[1]，被河南省列为重点勘查矿种。近年来，河南省加大了稀有金属的勘查力度，发现了方城县杨集乡大庄铌稀土矿床。笔者通过矿床地质背景、矿床特征的分析研究，主要从矿床地球化学特征入手，探讨了矿床成因机制及成矿模式，希望对区域上寻找类似矿床能够有所借鉴。

1 区域地质背景

该矿床大地构造位置处于华北陆块南缘，位于栾川—明港断裂带北侧(图1)。区域上发育NW—SE向带状岩浆岩，按其形成的时间先后及其形成环境的相关性，划分为中元古代熊耳群火山岩及王家营“A”型花岗岩带、新元古代大红口组碱性火山岩及双山碱性岩带、早古生代毛谷堆基性辉长岩带和早白垩世交口—牛心山花岗岩带共4条岩浆岩带。其中双山碱性岩带呈不规则带状展布于磨沟—双山—塔山一带，呈规模不等的岩株、岩墙状侵入于青白口系栾川群煤窑沟组中。双山碱性岩带的形成具有拉张环境下岩浆活动特征，为碱性岩浆的侵入提供了动力来源。在该带发现有萤石矿、铁矿和铌钽矿床，成矿地质条件较好[2]。

图1 河南大庄一带区域地质略图

2 矿床地质特征

矿床位于南阳盆地西北部边缘的盆、山结合地带，地层除第四系下更新统鲁山组(Qp1l)和全新统冲积层(Qhal)外，无基岩出露(图2)。

图2 大庄矿区地质简图Fig.2 Geological sketch map of Dazhuang mining area

矿区构造位于当阳寺—南岗不对称复式背斜构造南翼，断裂构造发育NW向、近EW向和近SN向三组。但这些断层构造均为成矿后构造，其对矿体的破坏作用十分有限[3]。

矿区侵入岩主要为碱性正长岩，属双山碱性岩体的一部分，主要岩石类型为黑云母正长岩、角闪霞石正长岩和黑云角闪正长岩，有少量正长岩脉和霞石岩脉分布。黑云母正长岩和霞石角闪正长岩是铌稀土矿富集的主要部位。

黑云母正长岩(Pt3βξ)大面积分布于基岩裸露区，俯冲于北侧地层之上，倾向SW，与北侧接触面产状基本一致。岩石呈浅灰—灰白色，具中细粒半自形粒状结构及变余斑状—斑状变晶结构，弱片麻状—片麻状构造。主要矿物由黑云母、微斜长石组成，磁铁矿、绿帘石少量。微斜长石，半自形-他形粒状，粒径为0.3～4.25 mm，含量为60%～70%；黑云母，半自形片状、鳞片状，片径为0.20～0.80 mm，含量为7%～18%；绿帘石，半自形粒状，常交代黑云母，分布零星，含量为1%～4%；磁铁矿，半自形粒状，零散零星，含量为1%～2%。除上述矿物之外，还见有交代成因的钠长石以及萤石、方解石和黄铁矿等。在形成先后顺序上，此类岩石的岩浆侵位时间略早，岩石Nb2O5含量普遍偏高。根据黑云母正长岩化学基本分析结果(1229件)统计，样品的铌稀土平均品位(0.04%)接近边界品位(0.05%)。

角闪霞石正长岩(Pt3ψε)主要分布于矿区中部，在平面上呈不规则椭圆状，零星嵌布于黑云母正长岩中，总体上呈NW向带状展布。岩石呈灰色，具有他形粒状结构、块状构造。主要矿物由正长石、斜长石、黑云母、钠铁闪石、霞石组成，次要矿物由方柱石、方钠石、萤石等组成，微量矿物为榍石、石榴石、磷灰石、磁铁矿、绿帘石、烧绿石、褐钇铌矿等。正长石呈灰白色半自形—自形粒状、板柱状或呈碎斑状，粒径为1～5 mm，含量为50%～68%；钠长石呈白色半自形-他形粒状，粒径为0.6～1.2 mm，含量为10%～15%；黑云母呈黑褐色鳞片状，粒径为0.2～1.2 mm，有绿帘石不均匀交代，含量为3%～6%；钠铁闪石呈半自形粒柱状，黄绿色-深蓝色，粒径为0.3～2.0 mm，有绿帘石不均匀交代，含量为4%～24%；霞石呈浅灰色他形粒状，粒径为0.1～0.6 mm，含量为6%～18%；方柱石，半自形粒状，粒径为0.4～1.2 mm，含量为0.5%～5%；方钠石，他形粒状，粒径为0.1～0.5 mm，含量为0.3%～4%；萤石，多呈紫红色半自形—他形粒状，粒径为0.02～0.4 mm，含量为0.5%～2%；烧绿石为等轴粒状，淡鹅黄色，粒径为0.02～0.35 mm，零星分布。在形成先后顺序上，此类岩石的岩浆侵位时间略晚。根据角闪霞石正长岩化学基本分析结果(666个样品)统计，样品的铌稀土平均品位(0.04%)接近边界品位(0.05%)。

2.1 矿体形态、产状及规模

大庄铌矿矿床富含褐钇铌矿和稀土，主要赋存于双山碱性岩体分异程度较高的角闪霞石正长岩和黑云母正长岩内部(或内接触带)，在分布形态上与NW向断层构造基本一致。由17个矿体组成，在平面上主要呈囊状、不规则状和透镜体状，出露矿体长度为80～466 m，宽度为17～300 m，矿体倾向SW，倾角15°～80°，产状与NW向断层基本一致。主要矿体K1、K2分布于矿区南东部，主要赋存于片麻状黑云母正长岩中，K3、K4、K5矿体集中分布于矿区中东部，赋存于中细粒角闪霞石正长岩中。多个矿体的平均厚度为6.69～54.96 m，Nb2O5的品位为0.05%～0.10%，TRE2O3的品位为0.076%～0.151%。矿体与围岩岩性呈渐变过渡关系，没有明显的界线。

2.2 矿石特征

该矿床中矿石矿物共有20多种(表1)，其中有用矿石矿物主要为褐钇铌矿，少量的烧绿石、氟碳镧铈矿；脉石矿物主要为钾长石、钠长石、霞石、角闪石、萤石、磁铁矿、黄铁矿、黑云母、绿帘石等。褐钇铌矿呈黄褐、黑褐色，他形粒状，油脂光泽，中等解理，贝壳状断口，粒径为0.01～0.1 mm，以独立矿物存在。烧绿石呈肉粉色，他形粒状，透明—半透明，油脂光泽，粒径为0.03～0.30 mm，与磁铁矿呈连体分布，次被石英包裹(图3b)。氟碳镧铈矿呈黄色，他形粒状，玻璃光泽，透明—半透明，解理不完全，硬度为5～6，粒径为0.01～0.1 mm。矿石矿物组合主要表现为岩石类型的差异。角闪霞石正长岩对应的矿物组合为褐钇铌矿+萤石，黑云母正长岩对应的矿物组合为褐钇铌矿+萤石+磁铁矿+钛铁矿，二云母正长岩对应的矿物组合为褐钇铌矿+氟碳镧铈矿+萤石，白云母正长岩对应的矿物组合为烧绿石+氟碳镧铈矿+磁铁矿+赤铁矿。这些岩石中可以见到强烈的钠长石化交代现象以及明显的侵染状萤石矿化，易于识别。而且粒度越大，铌、稀土成矿的几率就越大。

表1 主要矿体矿物成分Table 1 Main mineral composition of the orebody

矿石结构主要有斑状变晶结构、变余碎斑结构、斑状结构、鳞片粒状变晶结构、他形粒状结构和变余半自形粒状结构。矿石构造主要有块状构造、弱定向构造和片麻状构造(图3)。

2.3 围岩蚀变特征

矿体的围岩蚀变主要有萤石化、钠长石化和黑云母化。钠长石化、萤石化是含矿岩体重要蚀变类型，钠长石是霞石正长岩自交代作用的产物，一般呈小叶片状集合体；萤石以紫色为主，呈浸染状分布于造岩矿物的粒间。一般钠长石化和萤石化较明显的岩石中，铌含量相对较高。黑云母化以聚斑状或自形颗粒分布，反映出黑云母与铌矿的内在联系。从地表向深部延伸，蚀变矿物具有一定的分带性，具体可划分为霞石伟晶岩+钠长石带、钠长石+粗粒萤石+聚斑状黑云母带、钠长石+细粒萤石+鳞片状黑云母带，自形鳞片状黑云母+白云母带，反映出富含挥发分的碱性岩浆分异程度的差异。

2.4 稀有稀土元素赋存状态

通过电子探针分析发现，矿石中的褐钇铌矿、氟碳镧铈矿以独立矿物存在，易于分离。烧绿石则以类质同象的形式与磁铁矿连体共生，单体解离较难[4]。矿物的稀土配分，褐钇铌矿是以钇族稀土为主，氟碳镧铈矿是以镧族和铈族稀土为主，钇族稀土矿物的生成晚于铈族稀土矿物[5]。

2.5 找矿标志

角闪霞石正长岩等碱性程度较高的正长岩体与成矿关系密切，是寻找铌稀土矿床重要标志。钠长石化、萤石化是最明显的矿化蚀变标志。伽玛异常的核心部位是寻找铌稀土矿床的间接地球物理标志。铌钽稀土矿的地球化学异常内带是最直接的找矿标志。

3 矿床地球化学特征

3.1 主量元素地球化学特征

从主量元素分析结果统计表(表2)来看，各岩矿石的w(SiO2)平均为55.02%～57.58%，变化范围很窄，说明之间不存在明显的结晶分异演化关系。A/CNK比值平均为1.04～1.31，且主量元素A/NK - A/CNK图解(图4)中各岩石均落在过铝质花岗岩区域内，但靠近与过碱质的分界线，表现为富硅、铝过饱和特性，具备了碱性正长岩的特征。Fe2O3、MnO在含矿碱性正长岩中含量明显较高，可能与铌稀土矿化有关。

图4 主量元素A/NK - A/CNK图解Fig.4 A/NK - A/CNK diagram of major elements

3.2 微量元素地球化学特征

微量元素分析统计结果表(表3)显示，不同类型岩矿石具有相似的微量元素特征，具有同源性。与地壳中正长岩平均含量对比，矿区岩矿石中Li、Be、Rb、Zr、Cs、Hf、Pb、Th、U、Cr、Nb、Ta等元素明显富集，其中Be、Zr、Cs、Hf、Cr、Nb、Ta等元素富集程度较高，达到地壳正长岩平均含量3.96～14.92倍。而Sc、Co、Ni、Ba、Sr、V则相对亏损严重。黑云母正长岩Sr/Ba比值大于1，角闪霞石正长岩和黑云角闪正长岩Sr/Ba比值小于1，说明部分物质主要来源于海相火山沉积[6]，在幔源岩浆熔融过程中有少量地壳物质混染。岩矿石中Th/U比值为3.07～5.52，表明其源岩为火山沉积岩[7]。所有证据表明，主成矿元素在碱性正长岩岩浆形成阶段已经初步富集，富含挥发分含矿碱性岩浆沿栾川—维摩寺断裂带侵位时，发生气-液分异，同时伴随岩浆结晶作用。

表3 岩石微量元素特征值Table 3 List of eigenvalue for trace elements of rocks

3.3 稀土元素地球化学特征

稀土元素分析结果统计表(表4)显示：轻稀土w(LREE)为610×10-6～1669×10-6，重稀土w(HREE)为94×10-6～217×10-6，为轻稀土(LREE)富集型。稀土总量w(ΣREE)为732×10-6～1887×10-6，表现出矿化不均匀特征。从球粒陨石标准化配分模式图(图5)看，δEu=0.30～0.44，δCe=0.92～0.98，具有明显的铕负异常、弱铈正异常，总体显示为幔源型稀土元素配分曲线模式。含矿角闪霞石正长岩与含矿黑云母正长岩的配分曲线明显高于角闪霞石正长岩与黑云母正长岩的配分曲线，进一步说明了含矿岩石的演化程度较高。

表4 岩矿石稀土元素特征Table 4 List of REE contents in rocks and ores

图5 大庄矿区岩矿石稀土元素配分模式图Fig.5 REE distribution pattern diagram of rocks and ores in Dazhuang mining area

4 矿床成因探讨

4.1 成矿过程分析

包志伟等[8]在双山碱性岩体内采取角闪霞石正长岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定，年龄值为(844.3±1.6)Ma(MSWD=0.86)，把年代定位于新元古代早期。

根据矿床主量元素、微量元素、稀土元素特征等，说明铌稀土矿化与碱性岩浆密切相关，其大部分物质来源于海相火山沉积，在幔源岩浆熔融过程中有少量地壳物质混染。在双山碱性岩体内有霞石伟晶岩脉和晶洞(图6a、6b)，因为伟晶岩是二级残余富气流体相结晶形成的产物，说明含矿岩体在岩浆演化过程中经历了两次气-液分异并形成了二级残余富气流体相[9-12]。而含矿正长岩中与矿化关系密切的钠长石则是二级残余富气流体相自交代花岗岩形成的。同样，碱性正长岩中富含的浸染状萤石(同时也是最直接的找矿标志)，也是气-液分异作用的产物。主量元素表明岩浆岩之间不存在明显的结晶分异演化关系，元素之间的变化符合自交代作用引起的变化。因此，该矿床的成矿过程，是由碱性含矿岩浆侵位期间发生气-液分异形成的富含挥发组分的含矿流体聚集在岩体顶部在成岩过程中交代先一步结晶的花岗岩(即所谓的自交代作用)的结果。

图6 岩石手标本特征Fig.6 Field feature of rock hand specimen (a)角闪霞石正长岩中晶洞 (b)霞石伟晶岩

4.2 矿床成因探讨

综上所述，初步认为大庄铌稀土矿床形成于新元古代时期华北陆块板内构造拉张伸展构造环境。含有稀有金属的碱性正长岩在造山作用中熔融形成的原始岩浆在沿栾川—维摩寺断裂带上侵过程中发生气-液分异并形成富含稀有金属及碱金属的二级残余富气流体相，并在岩体顶部聚集，随后自交代先一步结晶的花岗岩，由于稀有金属不容易进入普通硅酸盐矿物[13]，因此在交代过程中主成矿元素稀有金属得以在残余富气流体相中不断富集，随着温度、压力降低等条件的改变，萤石矿、褐钇铌矿、烧绿石等矿物先后结晶析出，而与岩浆的结晶分异无关。所以，本研究不赞同陈海东等人关于同类型矿床属于岩浆结晶分异型矿床的成因观点[14]，认为大庄铌稀土矿床成因类型应该是岩浆气液型矿床。

5 结论

1)河南大庄铌稀土矿床主要有用矿物为褐钇铌矿，以独立矿物存在。少量的烧绿石则以类质同象的形式与磁铁矿连体共生。

2)河南大庄铌稀土矿床的形成与岩浆活动有关，碱性正长岩浆提供了物质来源，含矿岩浆通过气-液分异形成富含稀有金属及碱金属的二级残余富气流体相，通过自交代先一步结晶的花岗岩，稀有金属铌等得以在残余富气流体相中富集，成因类型为岩浆气液型矿床。

3)碱性正长岩原始岩浆中富含挥发组分，F元素处于过饱和状态，是导致碱性正长岩富含萤石矿的直接原因。

4)钠长石化、萤石化等矿化蚀变，碱性程度较高的正长岩、伽玛异常的核心部位以及铌钽稀土矿的地球化学异常内带是最重要的找矿标志。