云南中基性火山岩风化壳离子吸附稀土成矿作用分析——以腾冲龙井山安山岩风化壳型稀土矿床为例

曾招金, 祝向平, 张 彬, 高儒东

1)中国冶金地质总局昆明地质勘查院, 云南昆明 650203; 2)成都理工大学, 四川成都 610059;3)中国地质调查局成都地质调查中心, 四川成都 610081

稀土元素素有“工业味精”之称, 具有大幅度提高其它产品的质量和性能的奇效, 主要被应用于永磁材料、催化材料、发光材料等。随着近年来矿产地质调查的不断深入, 在云南发现了大量分布于花岗岩、中酸性火山岩及变质岩风化壳中的离子吸附型稀土矿, 在云南宣威、元谋—峨山、建水、临沧—勐海、腾冲—陇川等地区均有发现(刘殿蕊,2020; 陆蕾等, 2020), 主要以花岗岩风化壳中的轻稀土为主。

在开展“滇西地区三稀等重要矿产地质调查”项目中, 调查区内发现了土官寨、尖山脚、蕨叶坝、小龙河、百花脑、勐往、富东、回龙卡、户撒等一大批离子吸附型稀土矿产地(李建忠等, 2017; 张彬等, 2018; 曾凯等, 2019; 张保涛等, 2020), 以三叠纪、白垩纪花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿为主。然而, 在腾冲火山岩南部龙井山一带发现了一处新近纪中基性火山岩离子吸附型稀土矿, 矿床具有品位高、厚度大等特点, 本文以滇西腾冲火山岩区龙井山稀土矿区七个典型钻孔为依托, 研究风化壳中元素地球化学特征, 对成矿作用进行具体分析, 进而探讨稀土元素在风化壳中的赋存规律, 为寻找该类型稀土矿床成矿机理提供参考。

1 成矿地质背景

研究区位于云南省腾冲市南部, 地处欧亚板块与印度板块碰撞带上, 位于青藏高原东南缘, 大地构造位置位于西南三江特提斯造山带西南端, 东以泸水—龙陵—瑞丽断裂带为界与保山地块相邻,西以密支那缝合带与西缅地块相接(戚学祥等,2011)(图 1a)。因地处两个不同构造单元的交接处,腾冲地域内以发育的断裂构造、年轻的火山活动和强烈的地热为主要特征(图1b)。区域构造形迹以韧-脆性断裂为主, 主要构造方向为NE向。

图1 滇西腾冲地区区域地质背景(a, 戚学祥等, 2011)和新近纪以来火山岩分布图(b, 林木森等, 2017)Fig.1 Regional geology (a, after QI et al., 2011) and distribution map (b, after LIN et al., 2017) of volcanic rocks since Neogene in Tengchong area, Western Yunnan

研究区广泛分布岩浆岩, 以三叠纪、白垩纪酸性侵入岩和新近纪中基性火山喷出岩为主(图 2a)。三叠纪花岗岩岩石类型主要为浅灰色中粒二云母花岗岩、中粗粒正长花岗岩, 锆石 U-Pb年龄为218.0～(232.1±5.6) Ma(周淑敏等, 2018; 邹光富等,2011); 早白垩纪花岗岩岩石类型主要为灰白色片麻状、眼球状中细粒花岗岩, 锆石 U-Pb年龄为(115.8±1.0)～(127.9±2.0) Ma(丛峰等, 2010; 谢韬等, 2010; 万鑫等, 2018); 晚白垩纪花岗岩岩石类型主要为浅肉红色似斑状中细粒二长花岗岩, 锆石U-Pb年龄为68.0～76 Ma(杨启军等, 2009; 林木森等, 2014); 新近纪火山岩岩石类型主要为灰紫色气孔状辉石安山岩、辉石玻基安山岩,40Ar/39Ar年龄为(2.0±0.1)～(2.1±0.1) Ma(林木森等, 2017)。

2 稀土矿床的地质特征

2.1 含矿地层

在研究区腾冲火山岩南部龙井山一带的新近纪芒棒组的中基性火山岩风化壳中发现了离子吸附型稀土矿, 稀土矿成矿母岩为辉石安山岩(图2), 矿化总体受中基性火山岩层位直接控制, 为稀土矿成矿地质体。风化壳全风化层(A)安山岩结构构造被完全破坏, 风化成以黏土矿物为主的土层, 顶部主要为灰褐色腐殖土, 中、下部主要为浅黄色、土红色黏土, 出露面积0.55 km2, 钻孔控制厚度1～7 m不等, 在地势平坦处厚度较大; 风化壳强风化层(B)保留有原岩的结构构造, 但绝大部分长石已风化成高岭土, 出露面积 0.79 km2, 钻孔控制厚度 3～13 m不等, 在山头及宽缓的山脊处厚度较大; 风化壳中风化层(C)原岩结构构造清晰易辩, 部分长石风化成高岭土, 出露于沟谷处或陡坡处, 分布面积0.33 km2, 钻孔揭露厚度＞2 m。

图2 滇西龙井山稀土矿区地质图(a)及钻孔剖面图(b)Fig.2 Geological map (a) and drillhole profile (b) of Longjingshan deposit in western Yunnan

龙井山中基性火山岩岩体总体呈NE向展布, 与区域构造方向一致, 受NNE向板场断裂和NEE向的八洞水断裂所影响。其中辉石安山岩深灰色, 斑状结构, 致密块状或气孔状构造, 斑晶由中长石(4%～10%)、普通辉石(2%～10%)组成, 中长石斑晶呈自形板状颗粒组成, 聚片双晶欠发育, 环带构造较发育, 辉石呈自形短柱状颗粒, 基质具交织结构, 主要由微晶斜长石(50%～67%)、微粒普通辉石(19%～34%)组成, 含少量玻璃质、绿泥石及金属矿物等。

辉石玻基安山岩深灰色, 斑状结构, 致密块状或气孔状构造, 斑晶由中长石(2%～12%)、普通辉石(4%～10%)组成, 中长石斑晶呈自形板状颗粒组成,聚片双晶欠发育, 环带构造较发育, 辉石呈自形短柱状颗粒, 基质具玻晶交织结构, 主要由微晶斜长石(49%～61%)、微粒普通辉石(5%～12%)和中性玻璃质(23%～35%)组成, 含少量绿泥石及金属矿物等。

矿体主要产于辉石安山岩强风化层中, 少量产于靠近辉石安山岩强风化层的全风化层或中风化层中, 由 7个浅钻工程控制, 矿体出露标高1824～1937 m, 控制矿体南北长约 1500 m, 东西宽约 1300 m, 矿体呈似层状分布, 矿体厚度4.81～16.52 m, 平均厚度9.15 m, 矿体品位(TREEO)0.08%～0.25%, 平均品位 0.11%(图5)。

2.2 含矿岩系的岩石地球化学特征

采样地点位于云南省腾冲市龙井山安山岩离子吸附型稀土矿研究区, 在研究区安山岩岩体内采集9件岩石样品, 在本次施工的9个浅钻工程中采集6件风化壳样品, 单个样品重量约2 kg。采样位置见图2、图5。

所有样品经室内自然风干, 送西南冶金地质测试中心完成样品主量、微量及稀土元素的分析, 主量元素采用 X 荧光法, 实验仪器为PANalytical-Axios型荧光仪, 相对误差(RE)＜5%,相对偏差(RD)＜5%; 微量与稀土元素分析方法为电感耦合等离子质谱仪, 实验仪器为美国PERKINGLMER公司NexION 300x ICP-MS, 相对误差(RE)＜10%, 相对偏差(RD)＜10%。测试结果见表1、表2。

表1 腾冲龙井山安山岩的主量元素、微量元素和稀土元素分析结果Table 1 Whole rock analyses of major elements, trace elements and rare earth elements of andesite from Longjingshan in the Tengchong area

表2 腾冲龙井山钻孔风化壳稀土元素分析结果/10–6Table 2 Analytical results /10–6 of rare earth elements in weathered crust from Longjingshan boreholes, Tengchong

2.2.1 主量元素

表 1中列出了研究区基岩分析数据, SiO2=63.92%～65.37%, K2O = 4.16%～4.44%, Na2O =3.01%～3.37%, 全碱含量较高; CaO = 2.44% ～3.76%, CaO含量也较高; MgO = 1.07%～1.80%,MgO含量较低。在 TAS图(图 3a)上火山岩样品的岩石类型为粗面岩、粗面英安岩, 腾冲龙井山新生代火山岩样品SiO2含量变化不大, 主要显示为中基性岩的分布; (K2O+Na2O)含量较高, 为亚碱性系列;该区火山岩是一套粗面岩-粗面英安岩岩石组合(图3a); K2O含量较高, 大部分样品属钾玄岩系列, 少量样品落入高钾钙碱性系列(图3b)。

图3 龙井山安山岩硅碱(TAS)图(a)和SiO2-K2O图(b)Fig.3 TAS (a) and SiO2-K2O (b) diagrams of andesite in Longjingshan

2.2.2 稀土元素

从表 2可以看出, 研究区风化壳中稀土元素含量(∑REE=731×10–6～1205×10–6)是原岩中稀土元素含量(∑REE=493×10–6～632×10–6)的 1.48～1.91倍, 说明风化壳中稀土元素含量不仅与母岩中稀土含量多少有关, 与后期风化过程中遭受的淋滤作用也有一定的关系, 反应了稀土元素在表生环境下较强的迁移能力。

研究区风化壳和基岩的稀土元素球粒陨石标准化模式图(图 4)表明, 龙井山安山岩样品具有比较相似的稀土元素配分模式, 曲线整体向右倾斜,均发生了明显的轻重稀土分异, 在 LREE区间斜率较陡, 而在HREE区间趋于平缓。同时可以看出风化壳中稀土元素含量明显高于基岩中稀土元素含量,趋势基本一致, 显示风化壳内稀土元素是在继承基岩稀土元素特征的基础上进一步富集。

图4 研究区稀土元素球粒陨石标准化模式图Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns

2.2.3 微量元素

研究区样品均表现出明显的大离子亲石元素富集和高场强元素相对亏损。富集 Rb、Th、La、Ce、Nd等, 相对亏损Nb、Ta、Y等。LREE与HREE 表现出明显的分异, 具有高的原始地幔标准化(La/Yb)N比值、高的La/Nb比值、低的Nb/La比值(小于1), Nb/U比值较高; 相对较富Zr, Zr/Y比值较高(表1)。

3 氧化型稀土矿床的深度变化特征

根据钻孔剖面(图 2, 图 5), 滇西龙井山稀土矿床随深度变化的特征如下:

图5 龙井山稀土矿区钻孔中的稀土总量变化趋势Fig.5 Variation of total REE at drillholes in Longjingshan REE deposit district

龙井山氧化型稀土矿矿床为裸露地面的风化中基性火山岩风化壳, 稀土矿体主要赋存于强风化辉石安山岩中, 其次在靠近辉石安山岩强风化层的全风化层或中风化层中也有少量赋存。CZ01钻孔风化壳厚度6.8 m, 矿床厚度为5.2 m, 稀土品位为含 REO在 0.76%～0.96%; CZ02钻孔风化壳厚度17.0 m, 矿床厚度为16.5 m, 稀土品位为含REO在0.70%～2.49%; CZ04钻孔风化壳厚度12.0 m, 矿床厚度为6.6 m, 稀土品位为含REO在0.49%～1.22%;CZ07钻孔风化壳厚度7.8 m, 矿床厚度为7.8 m, 稀土品位为含REO在0.88%～1.21%。从钻孔施工情况来看, 矿床的纵向品位总体具有上贫、中富、下贫的规律, 风化壳强风化层的稀土品位高于全风化层、中风化层的稀土品位, CZ01、CZ04、CZ07钻孔品位变化不大, 具“直线式”分布特征, 而CZ02钻孔品位变化较大, 则表现出明显的“波浪式”特征。矿床的横向上风化壳厚度表征了风化程度的深浅, 风化壳厚度越大风化程度则越高, 相应的矿体品位及厚度均富而厚, 特别是强风化层的厚度越大,矿体的厚度也更大, 品位也相对较高, 龙井山矿区矿体厚度、品位与风化壳厚度呈正相关关系。

4 成矿作用分析

龙井山安山岩离子吸附型稀土矿床, 其形成具有“内生外成”的特征, 主要表现为受母岩、地貌、气候、地质构造等因素的控制。内生作用决定了母岩中的丰度, 从而在外生条件下稀土元素的进一步富集成矿奠定了物质基础。

表3 滇西龙井山稀土矿区浅钻取样的稀土总量Table 3 Total REE from drill holes in the Longjingshan REE ore deposit in western Yunnan

4.1 成矿物质来源

腾冲火山岩中的新近纪火山岩含矿建造, 主要由灰紫色气孔状辉石安山岩、辉石玻基安山岩等中基性熔岩组成。一般认为, 形成离子吸附型稀土矿床的母岩需要具有较高的稀土丰度, 本区辉石安山岩的∑REE均值为 532×10–6, 远大于腾冲地区花岗岩的∑REE均值为 262×10–6, 具备形成离子吸附型稀土矿的先决条件, 为稀土矿化提供了必须的物质来源, 在以化学作用为主导的表生作用下, 原岩岩石、矿物遭受不同程度的分解(王阳平和赵鹏坤,2016), 化学成分发生了显著的变化, SiO2、MgO等不断淋失减少, REE呈离子态不断的迁移富集, 黏土矿物逐渐增加形成松散状的风化壳, 稀土元素随着表生作用的进行和岩石矿物的进一步分解, 呈离子状态发生迁移, 而黏土矿物具有较强的吸附性,使得稀土元素在风化壳中发生次生富集而形成稀土矿工业矿体。

4.2 地形地貌

地形地貌决定着风化壳的发育厚度, 风化壳的发育是形成离子吸附型稀土矿床的重要先决条件之一, 它形成了保留REE富集成矿的基本场所。赣南、粤中南、桂东南等东部地区的离子吸附型稀土矿床主要产于海拔高度小于550 m、相对高差60～250 m的丘陵地带, 一般陡坡地形、“V”型山谷、尖棱形山顶(脊)不利于离子吸附型稀土矿的形成, 但研究区龙井山稀土矿床 CZ02钻孔海拔高度达 1935 m,与我国东部地区不同。研究区海拔标高1780～1935 m不等, 相对切割深度30～100 m, 成矿母岩风化产物在地形坡度小于30°的缓坡地带, 宽阔山顶、缓倾山脊等有利地段堆积保存, 形成面型风化壳, 有利于稀土元素的富集, 而形成稀土矿体;沟谷地带或陡坡地段风化壳厚度较小, 不具备稀土元素的富集保存条件, 稀土矿体较薄或不发育。风化壳厚度决定了风化程度的深浅, 风化壳厚度越大,风化程度就越高, 相应矿化品位及矿体厚度均富而厚, 从龙井山研究区风化壳稀土氧化物总量REE垂向变化图(图 5)上可以看出: 矿体厚度与风化壳厚度呈明显的正相关关系, 风化壳厚度越厚, 矿体也就越厚, 相应而言矿体品位也有类似的正相关关系。从钻孔施工情况来看, 研究区风化壳厚度与地形坡度密切相关(图2), 宽阔山顶处的CZ02钻孔揭露风化壳厚度17.0 m, 稀土矿体厚度16.5 m; 缓倾山脊处的CZ04钻孔揭露风化壳厚度12.0 m, 稀土矿体厚度6.6 m; 陡坡上的CZ01钻孔揭露风化壳厚度6.8 m, 稀土矿体厚度5.2 m; CZ04钻孔与CZ07钻孔之间的沟谷处, 见中风化岩石出露, 不发育稀土矿体。

4.3 气候

研究区属热带季风气候, 温暖潮湿, 雨量充沛,有利于化学风化作用的不断进行, 加速了含矿母岩的解体, 在适当的 pH 值及水介质环境下, 原岩中含稀土矿物风化、解离, 且大部分转为稀土离子溶于水中, 随地表水向下运动, 同时长石类矿物的高岭土化, 具有高原子量、高原子价的稀土离子被高岭土等黏土矿物吸附、固定, 从而使稀土元素次生富集以至形成矿床。

5 结论

(1)研究区中基性火山岩离子吸附型稀土矿床为富钕轻稀土矿床, 矿体主要赋存于新近纪辉石安山岩风化壳的强风化层中, 少量产于靠近辉石安山岩强风化层的全风化层或中风化层中, 矿体受地形坡度控制明显, 平缓山头、宽缓的山脊处矿体厚度大品位高, 沟谷或陡坡处厚度薄品位低。

(2)研究区形成离子吸附型稀土矿床首先母岩需要具有较高的稀土丰度, 然后在温湿多雨的环境下加速了岩石的风化解离, 稀土元素不断迁移, 最终在地势较为宽缓平坦处形成风化壳而保留下来,次生富集形成稀土矿床。

(3)研究区中基性火山岩离子吸附型稀土矿为云南轻稀土矿床的新类型, 该矿床的发现具有区域找矿指导意义, 在云南地区的火山岩风化壳中可能发现新的风化壳离子吸附型稀土矿。

致谢: 感谢审稿专家提出的宝贵意见, 感谢中国地质调查局成都地质调查中心提供的项目支持, 感谢中国冶金地质总局昆明地质勘查院同事们在野外地质调研中的帮助！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20179604).