庙垭铌钽稀土矿田成矿模式分析范文

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摘要：本文在阐述庙垭矿田区域地质背景和成矿特征的基础上，分析了碱性杂岩成因和源区、动力学背景、铌-钽-稀土成矿规律，建立了庙垭矿田铌-钽-稀土成矿模式。认为庙垭矿田铌、钽、稀土成矿是受区域地质背景控制的特定时空域内的客观产物。较高结晶分异程度的碱性岩石是成矿的物质基础，花园-槐花园断裂及次级断裂提供了深部幔源岩浆及岩浆期后热液上升通道，并控制了岩体空间展布。杂岩体的成岩过程即为Nb、REE元素富集成矿过程，矿物的分离结晶是REE富集成矿的主要机制。而Nb-Ta富集成矿主要与后期的岩浆热液活动，即富F、CO2、H2O等含矿流体的储藏和运移有关。伴随着碱性岩浆的上侵－喷发沉积，受后期构造-热液交代改造，在矿田内不同的岩相形成不同的矿种组合，也构成不同的矿床成因类型。

关键词：结晶分异；岩浆热液活动；成矿过程；成矿模式；庙垭矿田

随着近两年来在庙垭铌稀土矿床周缘相继发现有多处粗面质火山岩型铌钽矿床（点），本文新提出了庙垭铌钽稀土矿田概念。为了指导该区域成矿规律研究和找矿预测工作，本文根据庙垭矿田区域地质背景和成矿特征,结合碱性杂岩成因、动力学背景、成矿元素成矿规律综合分析,对庙垭铌-钽-稀土矿田成矿模式进行了探讨。

1.矿田地质概况

庙垭铌钽稀土矿田位于湖北省竹山县境内，大地构造位置属于东秦岭武当山隆起的西南缘，石泉-安康-竹山断裂带北侧竹山碱性岩带中[1]（图1）。矿田主要出露新元古代武当岩群至志留纪中-浅变质地层。局限分布的基底由新元古代武当岩群构成，变质程度为低绿片岩相一绿帘角闪岩相，大面积分布的盖层从南华系到志留系连续沉积，为一套浅变质岩系。矿田内岩浆活动频繁，侵入岩有形成于新元古代的基性岩类、早古生代碳酸岩-碱性杂岩体；火山岩则主要为新元古代基性-酸性熔岩、凝灰岩以及早古生代粗面质火山杂岩。矿田内广泛分布有早古生代碱性杂岩（包括正长岩类、碳酸岩类、粗面质火山杂岩），反映区域上该时期发育有强烈的碱性岩浆活动[2]。矿田内发育近东西-北西西向、北东向断层及顺层滑脱断层。顺层滑脱断层分布于不同地层单元界面及地层单元内部能干性差异较大的岩层接触部位，具有韧性、韧-脆性剪切带特征，是矿田内早期构造变形形迹。近东西-北西西向断层形成于加里东阶段，控制了区内岩体及含矿地质体的展布。而矿田构造格局形成于印支期陆-陆碰撞造山期，发育一系列由北东向南西的叠瓦状逆冲推覆构造，经历了印支期前陆构造变形阶段和燕山期陆内变形阶段两次强烈构造变形叠加。

2.矿田铌-钽-稀土成矿特征

矿田内已发现矿床2个，矿点2个,分别为庙垭铌稀土矿床、土地岭铌钽矿床，文家湾铌（钽）矿点、贺家山铌（钽）矿点。

2.1铌钽稀土矿化空间分布

矿田内铌钽稀土矿床的成矿主要受构造和岩浆岩条件控制，花园-槐花园断裂控制了碱性杂岩空间展布，所出露的碱性岩体就是铌-钽-稀土矿化体[2]。矿田中部庙垭铌、稀土矿体赋存于碳酸岩-碱性杂岩体中，西部和东部铌、钽矿体赋存于粗面质火山杂岩中。庙垭铌稀土矿床含矿杂岩体呈一近东西走向，向北倾斜，向北凸出的似纺锤形岩株，长2950m，宽580-820m，侵入于南华系耀岭河组与下志留统梅子垭组接触带上，其平面形态呈一长条形透镜体，与区域构造线方向基本一致[3]（图3）。该杂岩体以正长岩类为主，占岩体出露面积的90%，碳酸岩呈小岩枝、岩瘤、岩脉依附正长岩分布，占杂岩体的7.5%，另有2.5%为围岩残留体[4]。杂岩体中，碳酸岩与正长岩密切伴生，可看到碳酸岩交代正长岩的现象，碳酸岩中正长岩的残留体亦十分常见。而正长岩几乎都由钾长石或钠长石构成，没有暗色矿物，表明岩浆结晶分异作用完全，正长质岩浆已经发展到残余岩浆的晚期阶段。而碳酸岩形成略晚于正长岩，其应与正长质岩浆有着密切关系[4]。含矿杂岩体沿构造脆弱带侵入，同时与围岩发生机械混染作用，形成正长岩质的混染岩。岩体侵入后又广泛遭受岩浆期后气液交代作用，再加上岩体本身的结晶分异作用，构成杂岩体特有的相带。整个杂岩体由南向北，可分为三个相带（图3）:①南部中心相带，呈一向南凸出的透镜体，与围岩产状一致，东西两端出露宽仅40-50m，中部变宽达400-500m。基本都由正长岩组成，后遭岩浆期后热液交代作用影响，形成各种不同规模的黑云母碳酸岩、方解石碳酸岩，南与大断裂相接，界线清楚，北与过渡相相连，呈过渡关系而界线不清，矿区主要的铌矿体分布其中。②过渡相，分布于边缘相与内部相带之间，呈一出露宽度200-300m左右的带状。此带主要由混染正长岩、钠质正长岩组成，同样遭受岩浆期后交代作用影响，在中部及西部分布有含碳方解石碳酸岩及方解石碳酸岩的透镜体，此带北测为边缘相带，两者呈过渡关系界线不清。矿区的主要铌矿体、稀土矿体分布其中。③边缘相带，分布于杂岩体北部边缘，被围岩分割成多个透镜体，主要由正长斑岩、混染正长斑岩组成。规模较大的主要铌-稀土矿体全部分布于其中。总体上，岩相具单向发育与不对称性特征，且各相带之间无明确界线，呈过渡关系[4]。庙垭碳酸岩-碱性杂岩体就是一个巨大的矿化体，矿化普遍而不均，矿化富集与一定的岩相带、蚀变带有关。矿体为似层状、透镜状，也屡见呈不规则状，膨缩、分支复杂、尖灭再现等现象[4]。矿体产状与围岩基本一致，约20°∠60°，矿体规模大小悬殊，小者厚仅数米，长数十米，大者厚数十米至一二百米，长千米以上。铌-稀土矿多数中小型，大型者全是铌矿体。在庙垭铌稀土矿床周缘分布的土地岭、文家湾等处铌钽矿（化）体受北西西向构造控制明显，呈近东西-北西西向展布，似层状、脉状、透镜状产出,局部矿体两端尖灭处见断层破碎带。矿（化）体产状依围岩而变化，倾向北北东或南南西，不同矿（化）体走向上较为稳定，但倾角变化较大，有的缓倾，有的近于直立。含矿地质体主要为粗面质火山杂岩，可大致分为两个火山岩相，即超浅成-溢流相、喷发-沉积相[5]。矿（化）体顶底板主要岩性为含碳粉砂质绢云板岩、炭（硅）质板岩、含铁质粘土质微晶灰岩等。超浅成-溢流相含矿地质体（粗面岩、粗面质凝灰熔岩）受区内北西西向断层控制明显，与顶底板呈构造（侵入）接触关系，喷发-沉积相含矿地质体（粗面质晶屑凝灰岩、含晶屑凝灰质绢云千枚岩）与围岩产状一致，与顶底板呈渐变整合接触关系[5]。

2.2含矿岩性

庙垭铌稀土矿床含矿岩性主要为碳酸岩-碱性杂岩体，含矿岩石可分为正长岩、碳酸岩两大类，其中正长岩类主要有粗粒正长岩、混染正长岩、正长斑岩、钠质正长岩，碳酸岩类包括黑云母碳酸岩、方解石碳酸岩、细粒含炭方解石碳酸岩和铁白云石碳酸岩[4]。在矿化与岩相带的分布关系上，三个岩相带中均有矿化。正长斑岩、含碳方解石碳酸岩其铌、稀土矿化发育，常构成铌-稀土矿体；正长岩、混染正长岩以铌矿化为主，并有一定量的稀土矿化；黑云母碳酸岩、方解石碳酸岩多构成规模大品位富的铌矿体；铁白云石碳酸岩是高品位的稀土矿石，但因个体甚小，构不成独立的工业矿体[4]。土地岭铌钽矿床等含矿岩石主要为粗面质火山杂岩，根据岩石结构、构造及矿物成分等特点可分为粗面岩、粗面质凝灰熔岩、粗面质晶屑岩屑凝灰岩、含钾长晶屑凝灰质绢云千枚岩等。所有含矿岩石一般无稀土矿化，铌、钽富集与否与含矿岩石类型无明显相关性，但不同矿体同一类型含矿岩石铌、钽等矿化富集程度不一致，仅铌达到工业品位的较多，少数富含钽，根据样品化学分析结果，钽矿石中钽与铌含量往往呈正相关关系[5]。

2.3矿石类型

矿田内岩体即是即是矿化体，岩体岩石类型即是矿石自然类型。庙垭铌稀土矿床以铌、稀土元素富集情况不同，分为铌-稀土复合矿石和单一铌矿石、单一稀土矿石三种工业类型。而土地岭、文家湾铌钽矿床按铌、钽元素富集情况可分为铌矿石、铌钽矿石两类。庙垭铌稀土矿床含铌矿物以铌铁矿、铌金红石、贝塔石、烧绿石、铌钙矿、铌易解石、锰钽铁矿、铌钽铁矿、黑稀金矿灯为主，主要的稀土矿物包括独居石、氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、褐帘石、磷灰石、羟氟碳铈矿和钇榍石等。值得注意的是，碳酸岩中铌铁矿分为两种，一种与磷灰石伴生，另一种则分散在碳酸岩中；碳酸岩和正长岩中独居石颗粒细小但是普遍存在，碳酸岩中除部分独居石常与磷灰石伴生外，还有部分直接被包裹在磷灰石中；正长岩中独居石以卵圆状集合体形式呈脉状穿插其中,具有典型后期热液贯入特征[6]。土地岭铌钽矿床含钽矿物主要为铌钽铁矿，含铌矿物主要为含铌榍石、含铌钛铁矿以及少量铌铁矿、硅锆铌钙钠石，主要稀土矿物主要为褐帘石、磷灰石、独居石等。BSE图像下，铌矿石的磷灰石中包裹有大量独居石，是磷灰石稀土活化重结晶的产物，亦具有典型后期热液贯入特征（照片5）。铌、钽、稀土元素均主要以独立矿物存在，部分以类质同像形式存在于钛铁矿、金红石等矿物中。

2.4围岩蚀变

发生于含矿岩体内部晚期岩浆交代作用和岩浆期后的蚀变作用比较常见，其中最主要的有碳酸岩化、绢云母化、萤石化。碳酸岩-碱性杂岩体中方解石碳酸岩还见有黑云母化，因黑云母是铌的携带矿物，该矿化有利于铌的富集[4]。此外，杂岩体发育到晚期还有方解石-石英脉，长石-石英脉，方解石-长石-石英脉，方铅矿-萤石-石英脉等充填穿插。

2.5成岩成矿年龄

成岩时间上，LA-ICP-MS锆石Th-Pb测年获得了庙垭碳酸岩-碱性杂岩体正长岩和碳酸岩的年龄，分别为442.6±3.7Ma和426.5±8.0Ma[12]，碳酸岩的形成略晚于正长岩。在碳酸岩中与磷灰石伴生的铌铁矿获得有限的U-Pb年龄为380-440Ma，与碳酸岩-碱性杂岩体的形成年龄基本一致，表明在碳酸岩侵位的时候Nb已经开始成矿[6,12]。在土地岭矿床内，最新测得的粗面岩U-Pb年龄为441.6±4.0Ma；粗面质凝灰熔岩的U-Pb年龄为441.7±3.7Ma；含钾长晶屑凝灰质绢云千枚岩的U-Pb年龄为443.2±4.5Ma，表明其为同一火山事件产物[7]。综合认为，粗面质火山杂岩与碳酸岩-碱性杂岩体源于同一岩浆事件。成矿时代上，庙垭正长岩中独居石的SHRIMPU-Th-Pb年龄为243.1±2.5Ma，碳酸岩中热液独居石的SHRIMPU-Th-Pb年龄为233-238Ma；分散在碳酸岩中的铌铁矿U-Pb年龄为230.2±3.7Ma，与热液独居石年龄一致[12]。以上表明，矿田碱性岩浆侵位于早志留世，而在三叠纪受区域构造运动导致的岩浆—热液活动是主要的Nb-Ta-REE矿化时期。结合区域地质背景与独居石、铌铁矿的分布特征，认为三叠纪时期勉略洋壳向北俯冲闭合导致一系列的构造—热液活动，不仅导致了碳酸岩、粗面质熔岩中磷灰石发生溶解再沉淀作用而结晶出独居石，同时也交代正长岩形成了大量独居石，亦叠加改造了早期的铌铁矿。

3.成矿条件分析

3.1区域背景条件

南秦岭竹山地区志留纪正长岩类与碳酸岩类在空间上密切共生，具有明显的交代关系，碳酸岩呈岩株状或小岩脉侵入到正长岩中，且根据前人研究资料，庙垭碳酸岩与正长岩在铌-稀土矿物种类及地球化学方面具有很大的相似性，均具有碱性岩所特有的地球化学特征[2,3]。正长岩为玄武质岩浆分异而来的碱性或过碱性系列，而碳酸岩是在正长岩的基础上形成的，二者是继承发展的结果，是正长岩岩浆期后熔体/流体结晶分异的产物[2,3,13,14]。南秦岭竹山地区志留纪碱性岩浆活动（包括正长岩、碳酸岩、粗面岩）成因相似，主要是幔源碱性岩浆结晶分异作用的产物[2,13,14]。前人认为南秦岭两竹地区志留纪广泛的碱性岩浆事件应该形成于板块边缘（弧后）伸展背景，主要证据包括：⑴竹山-竹溪及邻区均发育一套碱性玄武岩-火山碎屑岩-枕状玄武岩-碳酸岩沉积组合，其火山沉积-沉积序列和碳酸岩沉积具有典型洋岛或海山一致的结构特征，可能形成于弧后拉张早期裂谷至扩张后期海山环境；⑵庙垭和杀熊洞碱性杂岩体均呈纺锤状，碳酸岩以岩脉或岩株形式侵入正长岩类，其空间形态特征明显不同于裂谷环境形成的同心环状杂岩体，而更类似于板块边缘（造山带）中形成的透镜状、条带状碳酸岩侵入体[2]。两竹地区与铌-钽-稀土矿化有关的杂岩体形成的动力学背景可能为：早古生代大洋地壳俯冲消减，促使武当地块南缘发生弧后伸展，并交代岩石圈地幔，导致其源区具有HIMU，EMⅠ和EMⅡ富集端元混合的特征，并以HIMU端员为主，进一步诱发了幔源碱性玄武质岩浆底侵上涌[2]。大洋俯冲消减析出流体可能引发地幔源区的交代作用，促使早古生代幔源碱性岩浆相对富集Nb、Ta和LREE[2,12]。

3.2构造条件

矿田内碳酸岩-碱性杂岩体和粗面质火山杂岩受花园-槐花园断裂及其次级断裂控制，这些断裂为深部幔源岩浆及岩浆期后热液提供了上升通道和定位空间，并控制了岩体空间展布。

3.3岩浆岩条件

碱性岩石是成矿的必要条件，含矿岩体多具有富碱、低硅的特征。已有研究表明，碳酸岩-碱性杂岩体与粗面质火山杂岩的碱度越高，矿化相对较高，如稀土元素的富集与岩浆结晶分异程度有关[2]。说明较高的结晶分异程度是成矿的有利条件。

4.铌-钽-稀土成矿规律

4.1REE富集机制

矿床地质特征表明，南秦岭竹山地区与碱性杂岩有关的铌钽稀土矿床很少发现萤石、重晶石、石英等脉石矿物，不同于热液型矿床，即REE等元素没有大量进入挥发相中，快速向上迁移与围岩作用形成矿脉[8]。庙垭碳酸岩-碱性杂岩体的成岩过程即为铌、稀土元素富集成矿过程。庙垭碳酸岩-碱性杂岩体中无论是正长岩还是各种碳酸岩均有明显的矿化现象，矿体没有明显的界限。庙垭碳酸岩-碱性杂岩体的矿物结晶顺序从早到晚依次为：①碱性长石；②黑云母；③独居石和磷灰石；④方解石；⑤褐帘石、金红石、氟碳铈矿等REE矿物；⑥铁白云石。铌和稀土元素分别在黑云母碳酸岩中更为集中，暗示岩浆结晶分异促使Nb、REE在晚期熔浆中更为富集。碳酸岩岩浆富含REE（尤其是LREE）和Nb等不相容元素，富CO2、H2O、F等挥发分。碳酸岩岩浆优先形成磷灰石和独居石，导致后期结晶的方解石具有极低的LREE组成[8]。方解石的堆晶作用使晚期的碳酸岩质流体重新富集稀土，形成大量的氟碳铈矿，从晚期碳酸岩内分异的流体也具有高的REE，从而交代正长岩形成含稀土矿物的多矿物细脉[8]。矿物的分离结晶，特别是方解石的堆晶作用，是REE富集成矿的主要机制[8,9]。

4.2Nb-Ta富集机制

已有资料显示，H2O和F的存在可以有效增大Nb在碳酸岩熔体中的溶解度和运移能力，降低液相线温度[10]。庙垭矿田碳酸岩中存在氟磷灰石和少量萤石，表明碳酸岩岩浆中有大量P和一定量F的存在，而Nb可能以磷酸盐和氟络合物的形式迁移，在磷灰石结晶时铌铁矿也随之结晶析出[15]。早期伴随磷灰石结晶的铌铁矿由于磷灰石的结晶相对亏损稀土尤其是轻稀土。后期的岩浆—热液过程中有REE和S活化，导致大量独居石和黄铁矿的形成，而热液交代的铌铁矿则更加富集REE。而在正长岩中，少量富LREE矿物优先结晶导致铌铁矿明显亏损LREE，其中-重稀土配分模式与碳酸岩中铌铁矿具有相似的趋势[12]。土地岭、文家湾等矿床中铌（钽）矿石的含铌（钽）矿物主要分布于钾长石、钛铁矿等早期结晶矿物的周缘或裂隙之中，说明成矿元素的进一步富集要晚于岩石结晶[5]。而铌矿石中磷灰石（4%）在CL下具有明显的环带结构，原生磷灰石为橙红色，交代后成绿色，代表磷灰石被晚期流体交代后稀土元素被淋滤出去[5]。晚期的岩浆热液—流体阶段，流体强烈富含F、CO2、Na或K以及Nb和Ta等元素，因沿裂隙交代早期钛铁矿等矿物发生钾长石或钠长石化，并引起先存成矿元素再活化，导致流体成分改变，铌（钽）络合物分解，铌（钽）矿物在钾钠长石化之处结晶沉淀，进一步富集达到工业品位，而LREE因选择性的迁移而贫化[5,10,11]。粗面质火山杂岩中亦存在少量萤石，代表粗面质岩浆中一定量F的存在。大部分粗面岩、粗面质凝灰熔岩、粗面质晶屑岩屑凝灰岩、含钾长晶屑凝灰质绢云千枚岩等含矿岩石仅Nb达到工业品位，少量富含Ta，Ta与Nb的含量往往呈正相关关系，表明含矿岩石成矿元素富集程度不一致。因Ta和Nb在高F流体中的溶解度有差异，一般而言Ta的溶解度相对高于Nb，并且Ta的络合物在低温下更趋向于稳定，铌和钽富集程度不一致可能与成矿过程是否充分紧密相关[10]。粗面质火山岩的早期胶结作用限制了流体的逸出，较大程度的压实和熔结有助于流体保存在火山岩相中，发生较强烈的交代蚀变，而压实和熔结程度较低的部分火山岩会损失掉部分流体。同样，作为矿（化）体顶板碳硅质板岩、含碳粉砂质绢云板岩等裂隙越不发育，富F流体则逃逸量越小。含矿岩性压实和熔结程度越高，上覆围岩裂隙发育程度越低，越多的富F流体在一定部位进行运移和贮积，使得成矿过程更为充分，形成富钽矿体[5]。Nb-Ta富集成矿主要与后期三叠纪岩浆—热液活动有关。

5.矿田成矿模式

矿田内铌-钽-稀土矿来源于同一幔源玄武质岩浆，碱性岩浆是岩浆演化后期的产物。富含铌钽稀土的岩浆产出与大陆裂谷环境关系密切，其侵位构造条件与深大断裂及分支拉张断裂息息相关。随着碱性岩浆的上侵－喷发沉积，经受后期构造-热液交代改造，在不同的岩相形成不同的矿种组合，也构成不同的矿床成因类型。①在侵入相中形成与正长岩-碳酸岩有关的岩浆岩型铌稀土矿（庙垭）；②在次火山－溢流相中形成与粗面岩、粗面质凝灰熔岩有关的粗面质熔岩型铌（钽）矿（土地岭、文家湾、贺家山）；③在喷发-沉积相中形成与粗面质凝灰岩、含钾长晶屑凝灰质绢云千枚岩有关的火山碎屑岩型铌（钽）矿（土地岭、文家湾、贺家山）。

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作者：钟石玉；熊意林；李志刚；黄景孟；杜翌超；吴恩政；鲁显松；周晓宁；李忠林；朱正勇 单位：湖北省地质调查院