中祁连西段余石山铌钽矿含矿地层重新厘定及意义

吴义布, 余君鹏,2*, 司豪佳, 褚广博, 司东泽, 王怀涛, 曹晓锋

(1．甘肃省地质调查院, 兰州 730000; 2.兰州大学地质科学与矿产资源学院, 兰州 730000;3.中国地质大学(武汉)资源学院, 武汉 430074)

铌钽矿是具有战略意义的稀有金属矿产资源[1-5],也是中国稀缺的新兴产业发展的重要资源[6]。余石山铌钽矿是甘肃省地质调查院近年来在祁连西段地区首次发现的大型变粒岩型铌钽矿床[7-8],矿床类型与已报到的岩浆岩型和沉积型铌钽矿不同,矿体产于前寒武纪变质岩地层中,含矿岩石是长英质变粒岩,层控特征明显[8-9],矿床类型、地质特征及成因与中外已报道的铌钽矿床差异明显,是一种新类型铌钽矿[10],由于变粒岩型铌钽矿含矿地层延伸稳定,主要矿体规模大、品位较稳定,因此余石山铌钽矿的发现对中国寻找铌钽矿和铌钽等战略性金属矿产保障有重要的指示意义。目前针对该矿床地质特征、地球化学、成岩成矿年代、矿床成因等有一些探索性研究[9,11-15],但关于余石山铌钽矿含矿地层归属和原岩层序等基本认识仍比较混乱,锆石U-Pb测年结果显示这套地层形成时代为790～843 Ma[11,13],即新元古代,而目前发表的研究成果均将这套地层归属于中元古代长城纪熬油沟组(Cha)[9-14],熬油沟组是一套火山岩与碳酸盐岩石组合(无变粒岩),因此不管是地层形成时代还是物质组分存在明显矛盾,这已严重制约该矿床系统深入研究、含矿地层区域对比和中祁连变粒岩型铌钽矿进一步找矿。

为解决这一基础地质问题,在梳理前人研究成果的基础上,通过对余石山变粒岩原岩类型及形成时代、铌钽矿含矿地层研究和区域对比,建议在甘肃省阿克塞县阿克旗乡余石山一带新建新元古代余石山岩组,进一步分析了余石山岩组原始层序、形成和演化过程,为区域地层对比、变粒岩型铌钽矿成矿研究和找矿提供基础依据。

1 区域地质概况

余石山铌钽矿床位于阿尔金造山带、祁连造山带和柴北缘微地块全吉地块交汇叠加部位(图1),北为阿尔金北缘地块,南为全吉地块,西为红柳沟拉配泉蛇绿混杂岩带,东为中南祁连弧盆系,主体位于中祁连地块西段。区内经历了复杂的地质演化[15-19],岩浆活动和构造变形极为发育,形成了丰富的矿产资源[6],其中以石棉矿、铌钽、锰、铜等矿产资源最为丰富。区域出露地层为古元古代达肯达坂岩群(Pt1D.),长城纪熬油沟组(Cha)、蓟县-青白口纪冰沟南组(JxQbb)、新元古代余石山岩组(Pt3ys.,原为熬油沟组Cha)、寒武-奥陶纪拉配泉岩群(∈OLp.)、石炭-二叠纪(CPy),如图1所示,其中余石山铌钽矿产于新元古代余石山岩组中,这套地层原来被认为是长城纪熬油沟组地层[9-14]。

1为第四系;2为石炭-二叠纪因格布拉克组/寒武-奥陶纪拉配泉群;3为新元古代余石山岩组/蓟县-青白口纪冰沟南组;4为长城纪熬油沟组/古元古代达肯达坂岩群;5为二长花岗岩/英云闪长岩;6为逆断层/平移断层;7为铌钽矿床/性质不明断层;8为地质剖面图1 余石山一带大地构造位置和地质矿产简图(改自文献[7])Fig.1 Geotectonic location of the Yushishan area and Geological ore deposit sketch Map(modified from the ref. [7])

岩浆岩分布在余石山矿区北、北西和南侧(图1、图2),出露面积大小不等,一般不到10 km2,呈岩株状、透镜状产出,侵入时代主要为二叠纪。主要为二长花岗岩,次为英云闪长岩,其中二长花岗岩在主要分布于余石山北、北西和南侧,侵入于达肯达坂岩群、长城纪熬油沟组(Cha)和蓟县-青白口纪冰沟南组(JxQbb)中。英云闪长岩产于在余石山北西侧,侵入于蓟县-青白口纪冰沟南组(JxQbb)中,产于二长花岗岩边部。

图2 余石山铌钽矿地质简图Fig.2 Geological map of Yushishan Nb-Ta ore deposit

研究区断裂构造十分发育,主要表现为一系列不同尺度的近东西向、北东东向和北西西断裂,尤以层间断裂最为常见,断裂性质以逆平移断层为主(图2)。

2 新元古代余石山岩组地质特征

2.1 产出特征

区域上,余石山岩组主要分布在中祁连地块西段余石山一带,下伏地层为长城纪熬油沟组(图2),二者接触关系为断层接触,地层总体呈近东西向展布、北倾,北临阿尔金断裂(图1)。内部岩石组合为大理岩、长英质变粒岩、铌钽矿带(岩性为长英质变粒岩)和斜长角闪岩,受到后期构造影响,发生了层间滑动,大理岩、长英质变粒岩与斜长角闪岩之间多表现为断层接触(图2),地表和深部钻孔验证结果表明:铌钽矿化带顶底板均为大理岩。

2.2 分层地质特征

余石山岩组以阿克塞县阿克旗乡余石山铌钽矿区主沟一带剖面最为典型,该剖面露头较连续,总体呈北倾,依据1∶2 000实测地质-化探剖面(图3)。

实测剖面显示,余石山岩组岩性组合总体特征表现为大理岩-变粒岩交互产出,特别是铌钽主矿带(剖面第5层)呈层状产出,顶底板一般为大理岩[图4(a)～图4(c)],主矿带变粒岩中Nb、Ta、La、Ce、Y等元素含量较高,Nb含量为177.90～1 182.10×10-6,Ta含量为16.20～85.17×10-6, La含量为209.48 ～755.88×10-6,Ce含量为342.80～1 464.12×10-6,Y含量为139.23～450.13×10-6,变粒岩铌钽矿石中矿石矿物肉眼一般难以观察到[图4(d)、图4(e)],顶底板大理岩中这些金属元素含量很低(Nb<10×10-6,Ta<1×10-6,La、Ce、Y均低于20×10-6)。

图4 余石山铌钽主矿带与矿石特征Fig.4 Yushishan Nb-Ta ore belt output and ore characteristics

3 余石山岩组原岩类型、成岩时代与区域对比

3.1 原岩类型

目前对研究区变粒岩原岩类型仍存在争议。贾志磊[11]通过矿物组合、岩石地球化学等特征研究, 认为变粒岩的原岩为正长岩。陈威等[13]通过不活动元素指标和图解研究也认为变粒岩原岩为中酸性火成岩, 结合变粒岩中存在变余火山碎屑结构, 判断原岩为中酸性火山岩, 可能为粗面岩或碱流岩, 并对其形成构造背景进行研究判定, 认为形成于陆内裂谷环境。

变粒岩主要由石英和长石组成, 仅通过地球化学手段恢复原岩存在多解性,需结合岩石和矿带野外产状才能准确确定。根据近10年来1∶50 000区域地质调查、1∶50 000稀有金属矿产地质调查和铌钽矿勘查工作和研究, 发现余石山变粒岩野外总体呈层状产出(图2、图3),多与大理岩地层交互出现,铌钽矿带普遍呈层状顺层产于变粒岩中[图4(a)～图4(c)], 延伸稳定、长度在10 km以上, 层控特征明显, 此外变粒岩中存在变余火山结构[13]。 因此,在前人通过原岩恢复均判别出余石山变粒岩原岩位中酸性岩浆岩的一致认识的基础上, 结合野外调查和研究, 认为研究区变粒岩为中酸性火山岩, 可能为粗面岩或碱流岩, 与陈威等[13]的研究结果一致。

3.2 成岩时代

已报道研究成果均认为余石山矿区变粒岩原岩成岩时代为新元古代[9-11,13]。贾志磊[11]通过含矿变粒岩中岩浆锆石U-Pb测年, 认为成矿母岩形成于829.4 Ma。Yu等[14]对含矿变粒岩中岩浆锆石U-Pb测年结果为791～833 Ma, 认为原岩形成年龄为 812～814 Ma, 认为在新元古代发生了一次重要铌钽矿化作用, 与Rodinia超大陆的裂解有关。Liu等[20]通过锆石U-Pb和榍石测年研究认为余石山地区主要有两期热事件, 第一期发生在790～834 Ma(锆石U-Pb年龄), 第二期发生在470～490 Ma(榍石和锆石)。综上, 结合同期区域构造演化[21-24], 认为变粒岩中岩浆锆石形成年龄代表了原岩形成年龄, 为790～834 Ma, 区域上与Rodinia超大陆的裂解对应。

因此,余石山变粒岩原岩形成时代为新元古代,与已发表余石山铌钽矿含矿地层为中元古代长城纪熬油沟组的认识[10-14]存在明显矛盾,较大程度上影响了含矿地层区域对比,进而制约了中祁连地区变粒岩型铌钽矿进一步找矿突破,需要将这套地层从熬油沟组中解体出来,依托本次余石山铌钽矿的研究成果,以点到面,推动区域上熬油沟组地层解体和变粒岩型铌钽矿地层的发现,同时为后续研究提供一个基础地质依据。

3.3 区域对比

中祁连西段新元古界地层为多若诺尔群,《中国区域地质志 甘肃志》对多若诺尔群定义:为发育于中祁连西部的不整合或平行不整合于下伏待建系-青白口系窑洞沟组之上的一套低级变质的浅海相碎屑岩、基-酸性火山熔岩、火山碎屑岩、沉火山碎屑岩和碳酸盐岩组合序列,其岩性和厚度变化较大[25]。余石山岩组的主要岩石组合为长英质变粒岩、大理岩和斜长角闪岩,与多若诺尔群岩性组合、变质程度差异明显、无法对比。因此,根据区域对比,需要对余石山岩组归属问题需要重新厘定,且需要建立新的岩石地层单元,即新元古代余石山岩组。

4 余石山岩组原岩层序及形成过程

余石山岩组岩石组合总体为大理岩与变粒岩及斜长角闪岩交互产出的特征(图3),研究表明,变粒岩原岩为中酸性火山岩建造,可能主要为粗面岩或碱流岩[13]。陈威等[13]研究了余石山铌钽矿变粒岩原岩构造背景,认为其形成于陆内裂谷环境,与区域上同期较为广泛的火山活动[26-27]可以进行对比,并可能与Rodinia超大陆裂解有关。

综上,结合余石山岩组地质剖面特征(图3),余石山岩组形成、演化过程简要总结如下。

(1)成岩期。790～834 Ma, Rodinia超大陆的裂解,在中祁连西段陆内裂解作用,形成了富含Nb、Ta、La、Ce、Y等稀有稀土元素火山岩建造;在火山爆发间歇期,火山岩上部沉积了碳酸盐建造,在余石山地区形成了与铌钽矿化火山岩与碳酸盐岩交互产出的原始层序特征(图5)

图5 余石山岩组形成、演化过程示意图Fig.5 Schematic diagram of the formation process of the Yushishan Formation

(2)变质变形期。450～510 Ma,区域上柴北缘全吉地块、阿尔金北缘地块、中祁连地块西段,处于板块汇聚俯冲构造环境[23-24,28-31],受区域构造作用和区域变质作用控制,形成了如今变粒岩与大理岩交互产出特征(图3、图5),在余石山岩组内部形成了一系列次级层间断裂,导致大理岩与其他岩性之间断层接触关系十分普遍(图2、图3),岩层厚度多发生了减薄,并导致变粒岩中矿物具定向性[图4(d)、图4(e)]。这套岩石组合层状分布,延伸稳定,与野外观测到矿区存在规模巨型层状分布的变粒岩型铌钽矿化带特征相吻合(图4)。

5 结论

(1)结合大量野外调查结果,确定余石山一带变粒岩原岩为中酸性火山岩,呈层状产出,形成时代为新元古代, 区域上与Rodinia超大陆的裂解对应。

(2)通过物质组分和形成时代等方面研究和区域对比,都需将余石山铌钽矿含矿地层从中元古代长城纪熬油沟组中解体出来,作为一个新的岩石地层单元(新元古代余石山岩组),为区域地质工作和中祁连变粒岩型铌钽矿成矿找矿研究提供了基础。

(3)余石山岩组(Pt3ys.)定义如下:产于中祁连地块西段余石山铌钽矿及外围一带,形成于新元古代的一套火山岩和碳酸盐岩组合,主要岩性为灰白色大理岩、灰色变粒岩(多富含Nb-Ta-Zr-La-Ce-Y)、深灰色斜长角闪岩组合,不同岩性之间为层间断裂接触关系。

(4)余石山岩组形成过程主要分为两期:成岩期,790～834 Ma, 形成了富含Nb、Ta、La、Ce、Y等稀有稀土元素火山岩与碳酸盐岩交互产出原岩组合;变质变形期,450～510 Ma,受区域构造作用和区域变质作用控制,形成了如今变粒岩与大理岩交互产出的格局,大理岩与其他岩性层间断层接触十分普遍,岩层厚度多发生了减薄,变粒岩中矿物多具定向性。

(5)后续地质调查和找矿过程中应注意熬油沟组地层中余石山岩组的解体工作,为中祁连地区变粒岩型铌钽矿找矿提供基础地质依据。