青海省都兰县哈图稀土矿床地质特征及成矿模式

张先福,吴树宽,赵立志,许 皓

(1.青海省第五地质矿产勘查院; 2.青海国投矿业投资有限责任公司)

哈图稀土矿床位于东昆仑造山带东段,是近年来地质勘查工作中新发现的矿床,其稀土元素富集与花岗质岩浆关系密切,是东昆仑地区花岗岩与稀土元素成矿关系研究的理想窗口。近年来,东昆仑地区相继发现了一批三稀金属元素矿床(点),主要包括于沟子铌(铷)矿床、乌拉斯太稀土矿床、大格勒稀土矿床、哈图稀土矿床、铅矿沟重稀土矿点等[1-9],上述矿化作用多出现在岩体内部或岩体边部的伟晶岩脉中,显示与花岗岩有密切成因联系。但是,目前对于这些三稀金属元素矿化现象还处于初级研究阶段,前人仅对于沟子铌(铷)矿床[4-5]、大格勒稀土矿床[6]等进行了较深入的研究,对哈图稀土矿床的地质特征、矿床成因及成矿机理方面缺乏系统研究。本文通过系统归纳总结哈图稀土矿床地质特征、控矿因素、找矿标志、矿床成因等,建立了成矿模式,为东昆仑造山带三稀金属元素的富集机理、成矿规律和地质找矿工作提供了技术支撑。

1 区域地质特征

哈图稀土矿床处于昆中断裂以北(见图1)。其大地构造位置所属的东昆仑造山带昆北复合岩浆弧带呈近东西向展布,东西两侧界于阿达滩—乌兰乌珠尔南缘断裂与昆中断裂之间,南北夹于昆北断裂与昆中断裂之间。区域基底主要由广泛发育的古元古界金水口岩群结晶岩系组成,变质程度以角闪岩相为主,局部为麻粒岩相。区域内构造-岩浆岩极为发育。昆北复合岩浆弧带是一个多旋回的复合岩浆弧带,加里东期是该岩浆弧带的主要岩浆活动期,成因类型复杂,岩石包括中—晚奥陶世俯冲期岩浆杂岩、早志留世同碰撞岩浆杂岩及早泥盆世后碰撞岩浆杂岩。

图1 哈图稀土矿床大地构造位置图

1.1 地 层

哈图稀土矿床位于东昆仑造山带东段,区域内发育古元古界、古生界、中生界、新生界地层。

古元古界地层出露较少,仅见金水口岩群,以及长城系小庙岩组、蓟县系狼牙山组,其余未见出露。其中,金水口岩群分布于南部,岩性为灰色黑云斜长片麻岩、黑云石英片岩夹灰绿色斜长角闪岩、灰白色大理岩。小庙岩组主要分布于研究区北部。岩性为灰白色二云石英岩、云母石英片岩、条带状大理岩,局部夹黑云斜长片麻岩。狼牙山组在西北部地区小范围出露,岩性主要为灰色、灰白色含粒屑粉晶白云岩硅质白云岩、细—中晶白云岩夹硅质岩。万宝沟群分布于西北部,岩性为白云岩、大理岩、石英砂岩、千枚岩、板岩、安山岩、玄武岩及流纹斑岩等。

古生界奥陶系祁漫塔格群分布于西北部,出露面积较小。岩性为复成分砾岩夹白云质大理岩、泥质板岩、绢云母钙质千枚岩等。石炭系哈拉郭勒组在东南角少量出露,岩性为石英砂岩、长石砂岩、板岩、灰绿色安山岩、岩屑晶屑凝灰岩等。

中生界地层主要为三叠系鄂拉山组、八宝山组、闹仓坚组、洪水川组,以及侏罗系羊曲组。

新生界地层主要分布在平缓地区、山区谷地之间。

1.2 构 造

哈图稀土矿床处于昆中断裂与昆北断裂哈图山字形圆弧带之间,构造极为发育。昆中断裂沿东昆仑山主脊呈近东西向延伸,西始于博卡雷克塔格北坡,向东经过大干沟、清水泉、青根河至鄂拉山,被哇洪山—温泉断裂切割后呈陷伏状态延入甘肃省内。该断裂为超岩石圈深大断裂,具有切割深度大、活动期长的特征,连续性好。断裂走向北西西,总体向北倾,倾角一般40°～60°,局部地段达70°或近于直立,主断裂分布并不连续,多处被北西向、北东向断裂切割。沿断裂走向岩石破碎强烈,形成宽20～300 m的挤压断裂破碎带,局部断裂破碎带宽达1～2 km,带内常见碎裂岩、压碎岩、角砾岩、断层泥、糜棱岩及糜棱岩化岩石。劈理、片理、节理均有不同程度的发育。区域经历了加里东期、华力西期、印支期等多期次构造活动,构造极为发育且较复杂。

1.3 岩浆岩

区域处于昆北复合岩浆弧带,岩浆侵入、喷发活动极为频繁,喷发活动主要集中于加里东期、华力西期和印支期,侵入活动以形成中—酸性岩体为主,侵入时代以华力西期为主。其中,加里东期岩浆岩与哈图稀土矿床的形成具有密切成因联系。

2 矿区地质特征

2.1 地 层

矿区出露地层相对单一,主要为古元古界金水口岩群变质岩系和广泛分布于河谷、阶地及山间宽谷平滩上的第四系(见图2)。其中,金水口岩群主要在矿区南侧大面积分布,与周围岩体多呈侵入接触,局部呈断裂接触,岩性主要为灰白色花岗质片麻岩,局部有少量眼球状花岗质片麻岩出露,新鲜面呈灰白色,花岗变晶结构、变余花岗结构,片麻状构造、眼球状构造。原岩为石英二长岩、碱长花岗岩和英云闪长岩。第四系主要分布在河谷及河谷两岸,为上更新世洪冲积物和全新世洪冲积物,主要成分为灰、灰黄色砂砾石层、亚砂土。

1—第四系 2—金水口岩群 3—中志留世碱性正长岩 4—早志留世二长花岗岩 5—早志留世花岗闪长岩 6—早志留世石英闪长岩 7—断裂 8—矿体 9—矿化体 10—采样位置图2 哈图稀土矿区地质图

2.2 构 造

矿区构造极为发育,可分为北北东向断裂、北东向断裂、近东西向断裂和北西向断裂。北北东向断裂是矿区内的主要断裂,长1.00～5.50 km,宽0.90～30.00 m,在矿区内的岩体及金水口岩群地层内均有发育。该组断裂走向20°～40°,倾向多数北西,倾角54°～79°。北东向断裂在矿区内发育较少,且规模不大,走向61°～79°,长0.80～5.50 km,倾向北,形成的断裂破碎带较发育,宽1～2 m,带内岩石为碎裂岩、碎裂岩化花岗岩,矿化蚀变强烈,主要有黄铁矿化、褐铁矿化、硅化等。近东西向断裂在矿区内分布较少,受北北东向断裂截切控制,长0.42～3.50 km。北西向断裂规模较小,长100～750 m,性质不明,断裂破碎带发育,带内岩石为碎裂岩化二长花岗岩和碎裂碱性正长岩,褐铁矿化、硅化发育。

2.3 岩浆岩

矿区内岩浆岩极为发育,主要为志留世中—酸性侵入岩。其中,早志留世侵入岩是矿区基岩出露面积最大的侵入岩,哈图以西以二长花岗岩、正长花岗岩为主,东部及南北两侧以花岗闪长岩、石英闪长岩为主,岩体中见花岗质片麻岩捕掳体。中志留世侵入岩为新发现的3处含稀土矿碱性正长岩,规模较小,出露面积约0.276 km2。该期岩体与矿区发现的稀土矿关系极为密切,是稀土矿最主要的含矿岩体,分别编号为Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号。

Ⅰ号岩体地表不连续,由3处岩体组成,编号Ⅰ-1号、Ⅰ-2号、Ⅰ-3号。Ⅰ-1号岩体呈U形北东向分布,长200 m,宽11.95 m,面积0.008 km2。Ⅰ-2号岩体呈不规则椭圆状,长轴走向40°,长380 m,宽230 m,面积0.068 km2。Ⅰ-3号岩体呈不规则串珠状,走向160°,长轴断续长480 m,宽45～75 m,面积0.029 km2。这3处岩体岩性一致,均为碱性正长岩(见图3),岩石呈肉红色,中粒花岗结构,块状构造,主要矿物有钾长石(70 %)、斜长石(5 %～10 %)、石英(1 %～5 %)、暗色矿物(20 %)。

a—Ⅰ号岩体碱性正长岩手标本照片 b—Ⅰ号岩体碱性正长岩镜下正交偏光照片 c、d—Ⅰ号岩体碱性正长岩镜下光片鉴定照片 图3 Ⅰ号岩体碱性正长岩野外及镜下显微照片

Ⅱ号岩体由3处岩体组成,编号Ⅱ-1号、Ⅱ-2号、Ⅱ-3号。Ⅱ-1号岩体呈近椭圆状,长轴走向约70°,长约440 m,宽180～280 m,面积约0.063 km2。Ⅱ-2号岩体分布于Ⅱ-1号岩体西南部,呈不规则状,西部由阶地覆盖;长轴走向约70°,东西宽约260 m,南北长约380 m,出露面积约0.026 km2。Ⅱ-3号岩体分布于Ⅱ-1号岩体东北部,呈不规则条带状,长轴走向约110°,长约260 m,南北宽60～90 m,出露面积约0.016 km2。这3处岩体岩性主要为碱性正长岩,岩石颜色呈浅灰黑色,中细粒花岗结构,块状构造,主要矿物有钾长石(65 %)、斜长石(15 %)、石英(5 %)、角闪石(15 %),还有少量副矿物和次生矿物。

Ⅲ号岩体呈豆芽状,南北宽约460 m,东西长约520 m,面积0.11 km2,岩性为中细粒—中粗粒角闪碱性正长岩。岩石呈浅灰黑色,中细粒花岗结构,块状构造,主要矿物有钾长石(65 %)、斜长石(15 %)、石英(5 %)、角闪石(15 %),还有少量副矿物和次生矿物。

3 矿床地质特征

通过野外地质调查工作,矿区内已发现3处含稀土矿碱性岩体。目前,已在这些岩体内圈定稀土矿体3条、矿化体4条。

3.1 矿(化)体特征

在矿区内发现3处含稀土矿碱性岩体。其中,在Ⅰ-1号、Ⅰ-2号、Ⅱ-1号、Ⅱ-3号含稀土矿碱性岩体中圈出3条矿体(M1-1、M1-2、M2-1)、4条矿化体(M1-3、M1-4、M2-2、M2-3)。矿(化)体特征见表1。

表1 矿(化)体特征

1)M1-1矿体。M1-1矿体赋存于Ⅰ-1号碱性正长岩内,长200 m,厚度11.95 m,走向45°,含矿岩性为碱性正长岩。地表由1条槽探控制,无深部验证,发育褐铁矿化、弱黄铁矿化、绿泥石化等。

2)M1-2矿体。M1-2矿体赋存于Ⅰ-2号碱性正长岩内,长150 m,厚度18.85 m,走向45°地表由单工程控制,利用钻探工程对其进行深部验证,钻孔中岩性与地表出露岩性对应较好,含矿岩性以碱性正长岩为主,两侧顶底板岩性以花岗闪长岩为主。钻孔中圈出M1-2矿体,平均品位0.55 %,最高达0.70 %。经钻孔深部验证,岩体在深部延伸稳定,矿体深部稀土元素含量较地表稍有升高。岩体中黄铁矿化发育较普遍,多呈星点状分布,局部呈细脉浸染状、粒状集合体形式分布;另外,绿泥石化、绿帘石化发育较普遍,主要分布于碱性正长岩裂隙中。

3)M2-1矿体。M2-1矿体赋存于Ⅱ-1号碱性正长岩内,长185 m,厚度20.00～70.10 m,平均值45.00 m,走向250°。地表由2条槽探控制,控制间距97 m,深部由钻孔ⅡZK001验证,钻孔中碱性正长岩厚度为346.49 m。岩体裂隙较为发育,裂隙中见有黄铁矿化,多为星点状分布,局部呈细脉浸染状、粒状集合体形式分布,绿泥石化、绿帘石化沿裂隙发育较普遍。

3.2 矿石特征

经中国地质大学(武汉)实验室显微镜下光片鉴定,矿石中的金属矿物主要为黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿及少量的褐铁矿和钛铁矿。矿石构造主要为浸染状构造,矿石结构主要为半自形粒状结构和不规则粒状结构。

采集矿区含稀土矿岩体矿石样品在扫描电镜下进行分析,结果见图4。由图4可知:含矿岩体中成矿元素主要以稀有、稀土矿物形式存在,主要有钕易解石、单斜褐铈铌矿、含稀土金红石、含稀土磷灰石、含稀土榍石、铌铁矿、含铊硅酸盐矿物等。成矿元素主要有La、Ce、Y、Nd等稀土元素,伴生Nb、Ta、Zr、Ti等稀有元素。成矿元素主要赋存形式为富含铌钽和稀有、稀土微细粒矿物颗粒包裹于其他矿物之中,呈粒状均匀分布。

图4 哈图稀土矿床矿石样品扫描电镜照片

镜下观察,不透明金属矿物有2种,一种呈浅灰白色不规则状,一种为深灰色粒状。Fe、La、Nd、Ti元素局部富集,且与浅灰白色金属矿物套合程度较好,为钕易解石类矿物。P、Ca、Zr、Nb元素局部富集,与深灰色金属矿物套合程度高,可能为含铌磷灰石,Si、Ta元素在透明矿物中富集且套合较好,可能存在某种含Ta的硅酸盐矿物。其余稀土元素均匀分布,与金属矿物无关,可能主要以类质同象形式存在于透明矿物中。

3.3 围岩蚀变特征

矿区矿(化)体赋矿岩石为碱性正长岩,与岩体接触的花岗闪长岩、二长花岗岩中也有一定矿化显示,地表及槽探揭露岩体中可见绿泥石化、绿帘石化等蚀变现象,Ⅱ号岩体南部围岩局部裂隙见有紫色萤石矿化。蚀变主要分布在含矿岩体内部,尤其是不同岩性过渡带附近,可见较为清晰的细脉状绿泥石化和绿帘石化现象,甚至是团块状蚀变。

3.4 控矿因素及找矿标志

3.4.1 控矿因素

1)矿体主要位于碱性正长岩内,与之接触的花岗闪长岩及二长花岗岩等岩体中也有一定的矿化显示,表现出与偏碱性花岗岩体联系较为紧密,同时,岩体表现出明显的全岩含矿的矿化特征,槽探及钻探工程验证结果,初步确定评价区内稀土元素与碱性正长岩关系密切。

2)区域稀有、稀土元素的地球化学背景值较高,含有稀有、稀土元素的碱性正长岩浆为成矿提供了充足的物质来源。另外,从矿石结构可以看出,在岩浆冷却结晶阶段,稀有、稀土元素金属矿物已先结晶,故被造岩矿物包裹于其中。因此,可以认为成矿或早于岩浆结晶或与岩浆结晶同时进行。

3.4.2 找矿标志

1)矿区内发现矿(化)体,空间分布位置与1∶2.5万水系异常极为吻合,因此,化探异常是评价区寻找稀土矿最直接的找矿标志。

2)通过伽马能谱剖面测量发现,Th元素异常与发现的碱性岩体在空间位置上较为吻合,后期对伽马能谱异常进行检查,发现了2处碱性岩体(MⅠ-4、MⅡ-3),说明Th元素异常对寻找含稀土碱性岩体有较好的指示作用,也是研究区内的典型稀土矿找矿标志。

3)岩体露头上有蛋黄色、黄绿色、褐色粉末,薄膜或斑点呈黄褐色等,常是稀有、稀土元素和放射性物质存在的直接标志。

4)矿区内发现的矿(化)体均在碱性正长岩中,碱性正长岩石英含量少,与正长花岗岩及二长花岗岩目视可以区别。因此,碱性岩体(脉体)是寻找稀土矿床的直接找矿标志。硅化、钠长石化、钠闪石化、绿帘石化、绿泥石化特征发育的区域稀土含量较高,说明这些蚀变与矿化关系较密切,故蚀变是该区找矿的又一间接标志。

4 矿床成因及成矿模式

4.1 矿床成因

与碱性花岗岩相关的稀土矿床典型代表为内蒙古巴尔哲超大型稀有稀土矿床。这类矿床的成矿岩体均以富硅、富碱、贫镁和钙为特征,为较典型的非造山A型花岗岩[10-11]。碱性花岗岩中除了矿化的稀土元素及Nb、Zr强烈富集外,U、Th及Y也明显富集,而Ba、Sr、P、Eu和Ti表现为强烈的亏损,是高度演化A型花岗质熔体固结的产物,高度演化A型花岗质熔体已经进入了岩浆-热液过渡阶段。岩浆在水和挥发分的作用下强烈分异,并在岩浆晚期产生强烈自交代作用[12],发育硅化、绿泥石化、钠长石化等蚀变现象。

矿区内成矿碱性正长岩具有富硅、富碱,富集轻稀土元素及大离子亲石元素,亏损Sr、P和Ti等元素,以及强烈Eu负异常等特征,经历了高度的岩浆分异,岩石地球化学特征也指示其为碱性花岗岩[7]。此外,成矿岩体富集La、Ce、Sm、Nd等稀土元素,并伴生Zr、Hf、Nb等元素,岩体中可见绿泥石化、绿帘石化等自交代蚀变现象。矿床成因类型应为与碱性正长岩有关的稀土矿床,由软流圈地幔部分熔融形成的幔源岩浆与其诱发的古老地壳物质混合,并经历高度演化和岩浆自交代作用形成。矿(化)体主要赋存于碱性正长岩中,岩体也表现出明显的全岩含矿的矿化特征。扫描电镜分析初步确定的矿物组合与碱性正长岩有关,结合碱性岩体地球化学特征,该矿床属于后碰撞构造环境下具有壳幔混合特征的造山期后A型碱性花岗岩轻稀土矿床。

4.2 成矿模式

中志留世,昆南地体与昆北地体间的俯冲碰撞作用已进入晚期伸展阶段。由于早期俯冲及碰撞作用,在东昆仑地区形成了昆南断裂及与其平行的众多次级北西西向断裂,而这些断裂为区域同时代岩浆岩的侵位、就位提供了通道及空间。在碰撞后伸展这一构造背景作用下,俯冲板片受温度和压力作用影响发生断离,富集岩石圈地幔在板片流体或熔体的交代作用下发生部分熔融形成基性岩浆,这一过程中甚至有亏损地幔物质的底侵加入。同时,基性岩浆的形成及上升诱发了太古代—中元古代下地壳基底物质发生脱水,部分熔融,进而形成酸性岩浆。这2种基性和酸性岩浆经过混合作用并沿早期俯冲及碰撞作用形成的北西西向断裂上升并侵位冷却形成不同类型的侵入岩。由于基性和酸性岩浆混合的比例不同及混合后的演化程度不同,形成了东昆仑地区同时代不同岩性的侵入体[13-20]。

矿区内圈定的Ⅰ号、Ⅱ号含矿岩体均形成于这一构造岩浆作用机制,由岩浆混合作用形成。Ⅰ号成矿岩体从边缘相闪长岩、中间相花岗闪长岩至中央相正长花岗岩,Hf同位素含量逐渐升高,εHf(t)值由-2.1～5.7、-0.8～6.9变化为0.8～7.3,对应的二阶段Hf模式年龄TDM2也由982～1397 Ma、904～1 332 Ma变化为884～1 241 Ma。Ⅱ号含矿岩体碱性正长岩(εHf(t)=-0.7～4.1,TDM2 =1 055～1 330 Ma)与Ⅰ号含矿岩体碱性正长岩基本一致。Hf同位素特征表明,从早阶段至晚阶段,幔源岩浆物质逐渐增多。同时,岩石矿物组成中石英含量逐渐增多,显示后阶段的正长岩岩浆演化程度明显增大。稀土元素及Nb、Ta、Zr、Hf等属于不相容元素,在岩浆演化过程中偏向于在熔融中富集。因此,Ⅰ号岩体稀土元素偏向于在最晚阶段的碱性正长岩中富集。同时,由于岩浆高度演化作用,岩浆在水和挥发分的作用下强烈分异,并在岩浆晚期产生强烈的自交代作用而发育绿泥石化、绿帘石化等自交代蚀变现象。哈图稀土矿床成矿模式见图5。

图5 哈图稀土矿床成矿模式

5 结 论

1)哈图稀土矿床为近年新发现的矿床,成矿前景较好,成矿潜力巨大。哈图稀土矿床处于东昆仑造山带昆中断裂以北,昆北复合岩浆弧带上,区域内构造-岩浆岩极为发育。矿区内出露的主要岩石地层为古元古界金水口岩群变质岩系、第四系及志留世中—酸性侵入岩等。

2)中志留世侵入岩与矿区内新发现的稀土矿关系极为密切,是稀土矿最主要的含矿岩体,岩性为碱性正长岩,编号分为Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号岩体。其中,Ⅰ号岩体内圈定出M1-1、M1-2 2条矿体,M1-3、M1-4 2条矿化体;Ⅱ号岩体内圈定出M2-1矿体,M2-2、M2-3 2条矿化体。碱性正长岩体裂隙较为发育,裂隙中见有黄铁矿化、褐铁矿化、绿泥石化、绿帘石化等蚀变。

3)岩体也表现出明显的全岩含矿的矿化特征,通过扫描电镜初步确定的矿物组合与碱性正长岩有关。结合碱性正长岩地球化学特征显示,该矿床属于后碰撞构造环境下具有壳幔混合特征的造山期后A型碱性花岗岩轻稀土矿床。