南秦嶺竹溪地區(qū)加里東期粗面質(zhì)火山巖地球化學(xué)特征及找礦前景

祝明明，楊 勇，楊世平，劉國遂，劉 華，文永華

（1.湖北省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖北 孝感 432000；2.湖北省地質(zhì)局，湖北 武漢 430000）

南秦嶺竹溪地區(qū)出露大量加里東期粗面質(zhì)火山巖，整體呈北西-南東向展布，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致。出露寬度一般為數(shù)百米～數(shù)千米，延伸長度數(shù)千米～數(shù)十千米，北西延伸至陜西平利～安康一線，南東延伸至湖北省竹山縣。隨著近幾年地質(zhì)礦產(chǎn)工作的不斷深入，竹溪地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天寶、野虎寨、黑山等多個的鈮～稀土礦（床）點(diǎn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從粗面質(zhì)火山巖巖石學(xué)、地球化學(xué)入手，研究了巖石的地球化學(xué)特征，初步探討了巖石的成因及形成的大地構(gòu)造背景，結(jié)合區(qū)域水系沉積物特征，分析了本區(qū)鈮-稀土礦找礦前景，為本區(qū)鈮-稀土礦產(chǎn)勘查提供一些地質(zhì)資料。

1 地質(zhì)背景

南秦嶺竹溪地區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬于秦嶺～大別造山帶南秦嶺造山帶竹山～竹溪、隨南裂谷帶。區(qū)內(nèi)出露地層主要為寒武系～志留系淺變質(zhì)地層。早古生代巖漿活動頻繁，廣泛出露基性火山巖及粗面質(zhì)火山巖，夾于曾家壩斷裂與竹山斷裂帶之間。區(qū)內(nèi)構(gòu)造為以北東～南西向?yàn)橹鳎l(fā)育一系列由北東向南西的逆沖推覆構(gòu)造，基本構(gòu)造格架形成于印支期陸～陸碰撞造山階段（圖1）。成礦區(qū)劃屬于東秦嶺Au-Ag-Mo-Cu-Pb-Zn-Sb-非金屬成礦帶（Ⅲ級），湖北鄖西～兩竹金銀銻釩鈮稀土多金屬成礦帶（Ⅳ級），是重要的稀有稀土元素成礦帶。區(qū)內(nèi)粗面質(zhì)火山巖呈北西～南東走向沿龍壩～泉溪～天寶一線展布，位于志留系大貴坪組及梅子埡組中。鈮-稀土礦（化）體主要賦存于粗面質(zhì)火山巖中，含礦巖石為粗面質(zhì)熔結(jié)巖屑晶屑凝灰?guī)r、粗面質(zhì)凝灰熔巖、粗面質(zhì)角礫熔巖、鈉質(zhì)粗面巖等。

圖1 竹溪地區(qū)地質(zhì)簡圖

2 巖石學(xué)特征

粗面質(zhì)火山角礫巖：灰色-深灰色，火山角礫結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。角礫含量約85%，成分以粗面質(zhì)角礫為主，呈次棱角狀～次棱角狀，大小不等，主要為1mm～11mm。膠結(jié)物含量約15%，主要由鉀長石、黑云母等組成。鉀長石呈半自形板狀，見卡式雙晶，大小0.03mm～0.5mm；黑云母和絹云母呈顯微鱗片狀，大小0.01mm～0.15mm。另外可見它形粒狀磁黃鐵礦和黃銅礦雜亂分布在巖石中。

熔結(jié)巖屑晶屑凝灰?guī)r：深灰色，熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。巖石主要由大量的塑性巖屑和玻屑、鉀長石晶屑及少量半塑性、剛性的火山碎屑等組成，構(gòu)成熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，顯假流動構(gòu)造。塑性巖屑和玻屑含量約67%，壓扁拉長的條帶狀、透鏡狀，集合體定向排列，粒徑主要在0.1mm～2mm，少量為粒徑＞2mm～5mm的塑性巖屑，由定向排列的微晶長英質(zhì)、雛晶狀絹云母、黑云母組成。半塑性、剛性的火山碎屑含量約20%，顯拉長的不規(guī)則團(tuán)粒狀、橢球狀，方解石化強(qiáng)烈，粒徑多在1mm～4mm。鉀長石晶屑含量約8%，呈碎板狀、棱角狀，具卡式雙晶。不透明礦物含量約5%，為它形粒狀礦物，主要為鈦鐵礦及黃鐵礦，分布不均勻。

圖2 粗面質(zhì)火山巖野外照片及鏡下照片

粗面巖：深灰色、灰黑色，粗面結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，偶見氣孔一杏仁狀構(gòu)造，粒徑3mm～10mm。巖石主要由鉀長石斑晶、微晶長英質(zhì)基質(zhì)、雛晶片狀黑云母和絹云母及少量方解石、榍石等組成，構(gòu)成斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為微晶結(jié)構(gòu)，顯流動構(gòu)造，塊狀構(gòu)造。鉀長石含量約10%，半自形板柱狀，粒徑0.3mm～4mm，具卡斯巴雙晶，微條紋結(jié)構(gòu)；微晶長英質(zhì)基質(zhì)含量約65%，可見細(xì)小針柱狀長石呈交織狀排列，略顯粗面結(jié)構(gòu)，可見隱晶、微晶狀長英質(zhì)條帶相間分布，構(gòu)成流動紋理；黑云母、絹云母含量約14%，雛晶片狀，顯微鱗片狀，定向排列；方解石含量約8%，它形晶粒狀，高級白干涉色，為晚期蝕變產(chǎn)物，分布巖石微裂隙或氣孔；榍石含量約1%，它形粒狀，楔形狀，高級白干涉色，分散分布。鈦鐵礦及磁鐵礦含量約2%，半自形、它形粒狀，分布不均勻。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

主量元素分析數(shù)據(jù)見表1。竹溪地區(qū)的粗面質(zhì)火山巖SiO2含量介于54.16%～65.31%，平均值為59.41%，部分樣品標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)石英，表明硅飽和；TiO2含量介于0.86%～1.74%，含量普遍較低，顯示低鈦特征；A12O3含量較高，介于15.16%～19.95%，標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)剛玉；TFeO含量介于0.37%～5.03%；CaO含量介于0.15%～2.52%，平均值為1.46%；堿質(zhì)含量較高，Na2O含量介于4.47%～8.58%，平均值為6.3%，K2O含量介于1.8%～8.35%，平均值為4.77%；Na2O+K2O含量介于11.11%-13.26%，平均值為11.06%；Mg0含量介于0.22%～3.08%之間；分異指數(shù)較高，介于74.28～95.53之間，說明巖漿經(jīng)歷了強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用。

在TAS圖解（圖3-a）中，竹溪地區(qū)樣品均落入堿性區(qū)域，表明巖石呈堿性。竹溪地區(qū)樣品大多落入粗面巖區(qū)域，表明巖石屬粗面巖大類。受低級變質(zhì)作用的影響，部分樣品發(fā)生了蝕變，為了減少巖石輕微蝕變對巖石類型劃分產(chǎn)生影響，采用受蝕變影響較小的高場強(qiáng)元素Nb、Y、Zr、Ti來確定樣品的巖石類型。在Zr/TiO2×10-4-Nb/Y分類圖解（圖3-b）中，竹溪地區(qū)大部分樣品落入粗面巖所在區(qū)域，少數(shù)落入粗面巖與粗面安山巖及響巖的界線附近，竹溪地區(qū)樣品落入響巖區(qū)域可能是巖石Nb元素含量較高。因此竹溪地區(qū)的粗面質(zhì)火山巖均為粗面巖大類，屬富鈉高鉀堿性巖。

圖3 巖漿巖分類命名與系列判別圖解

3.2 稀土元素特征

稀土元素特征見表1及圖4。數(shù)據(jù)顯示竹溪地區(qū)的粗面質(zhì)火山巖稀土總量高（∑REE=435.72～1384.81μg/g，平均1003.58μg/g）；輕稀土富集（∑LREE=407.65～1303.61μg/g，平均944.22μg/g），重稀土含量低（∑HREE=28.07～95.81μg/g，平 均59.36μg/g），∑LREE/∑HREE=12.77～20.69，顯示出輕稀土強(qiáng)烈富集而重稀土虧損的特征。（La/Yb）N變化于8.29～54.29之間，曲線總體向右傾斜，輕重稀土分餾明顯，其中輕稀土富集強(qiáng)烈，斜率大，而重稀土則相對平坦。δEu=0.4～1，具有弱的負(fù)銪異常，達(dá)到礦化級別的粗面質(zhì)火山巖樣品不僅輕稀土斜率更陡傾，而且負(fù)銪異常更強(qiáng)（0.39～0.57），可能與斜長石的結(jié)晶分異有關(guān)。δCe=0.95～1.59，多數(shù)樣品δCe值接近1，不具飾異常。

表1 竹溪地區(qū)粗面質(zhì)火山巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)表

3.3 微量元素特征

樣品微量元素數(shù)據(jù)見表1及圖5。竹溪地區(qū)的粗面質(zhì)火山巖Nb、Ta、La、Ce、Zr、Hf等元素含量高，富集系數(shù)大，具有成礦的高背景條件，Ni、Cr、Co等元素則含量較低。高場強(qiáng)元素Nb、Ta、Zr、Hf等強(qiáng)烈富集，而P和Ti表現(xiàn)出強(qiáng)烈虧損，可能表明巖石樣品中磷灰石和鈦鐵礦發(fā)生過分離結(jié)晶。

大離子親石元素Sr表現(xiàn)出強(qiáng)烈虧損，可能表明巖石受到分離結(jié)晶作用或后期熱液活動影響。Ba顯示出較復(fù)雜的特征，其中虧損樣品可能受到埋藏和變質(zhì)作用影響（Riley et al.，2001），富集樣品可能與地殼混染或區(qū)域成礦流體作用亦或與海水蝕變有關(guān)（夏林圻等，2009）。

圖4 粗面質(zhì)火山巖稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線

圖5 粗面質(zhì)火山巖微量元素蛛網(wǎng)圖

4 巖石成因

4.1 分離結(jié)晶作用

區(qū)內(nèi)粗面質(zhì)火山巖樣品結(jié)晶分異指數(shù)DI較大，介于79.38～95.53之間，DI值較大說明巖漿經(jīng)歷了強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用。此外，樣品MgO含量0.22%～2.73%，Mg#值較低，相容元素Ni、Cr、Co含量均較低，暗示巖漿經(jīng)歷了程度較高的結(jié)晶分異作用（Liu et al.，2010）。在Harker圖解中，SiO2除與P2O5的線性關(guān)系不明顯外，與其他氧化物具有明顯的線性關(guān)系，表明形成粗面質(zhì)火山巖的母巖漿經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用（楊成等，2017）。因此，竹溪地區(qū)粗面質(zhì)巖漿經(jīng)歷了強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用。

4.2 地殼混染作用

高的微量元素比值（Th/Nb）PM（＞＞1）(Saunders et al.，1991)和低的微量元素比值（Nb/La）PM（＜1）（Kieffer et al.，2004）可作為地殼混染作用的可靠指標(biāo)。Peng et al.，(1994)提出了混入下地殼物質(zhì)后微量元素比值(Th/Ta)PM接近于1，而(La/Nb)PM則大于1；如果混入上地殼物質(zhì)，則上述2個微量元素比值一般均大于2，尤其是(Th/Ta)PM要高的多。竹溪地區(qū)粗面質(zhì)火山巖相應(yīng)微量元素原始地慢標(biāo)準(zhǔn)化（Sun and McDonough，1989）比值分別為：（Th/Nb）PM=0.49-0.82，（Nb/La）PM=1.18-5.26，（Th/Ta）PM=0.44-0.86（僅YQ4為1.28），（La/Nb）PM=0.19-0.85，顯然樣品沒有受到地殼混染。

4.3 巖石成因

目前關(guān)于粗面質(zhì)火山巖的成因模式主要四種，即：①粗面質(zhì)火山巖與鐵鎂質(zhì)巖為相同幔源巖漿演化后不同階段的 產(chǎn) 物（Olsen et al，1983；Grazina et al，2003）；②粗面質(zhì)巖漿獨(dú)立起源于地幔，與鎂鐵質(zhì)巖石沒有演化關(guān)系（Kumar et al，2007）；③粗面質(zhì)巖漿由幔源玄武質(zhì)巖漿與殼源花崗質(zhì)巖漿混合形成（Mingram et al，2000）；④加厚地殼底部局部部分熔融形成粗面質(zhì)巖漿（Deng et al，1998；Su et al.，2007）。本區(qū)粗面質(zhì)火山巖與區(qū)域上的玄武質(zhì)火山巖都顯示了堿性巖的特征，其微量元素具有相似的強(qiáng)不相容元素富集的右傾模式，稀土元素呈現(xiàn)輕稀土富集重稀土虧損的輕重稀分餾強(qiáng)烈的右傾模式，兩組巖石共同組成了堿性雙峰式火山巖的兩個端員，暗示了兩者應(yīng)為同源巖漿演化的不同產(chǎn)物，并不是獨(dú)立起源于地幔。竹溪地區(qū)樣品沒有受到地殼混染作用的影響，排除了粗面質(zhì)火山巖是幔源玄武質(zhì)巖漿與殼源花崗質(zhì)巖漿混合的產(chǎn)物。加厚地殼底部局部部分熔融形成的是高壓型粗面質(zhì)火山巖，而高壓型粗面質(zhì)火山巖不具負(fù)銪異常（Deng et al，1998），本區(qū)粗面質(zhì)火山巖卻具有弱的負(fù)銪異常，并且南秦嶺地區(qū)在早古生代并不存在加厚地殼（楊成等，2017）。因此，本區(qū)粗面質(zhì)火山巖是由幔源玄武質(zhì)巖漿演化而來。

5 成巖與成礦的關(guān)系

區(qū)內(nèi)粗面質(zhì)火山巖夾于曾家壩深大斷裂及竹山斷裂帶之間，呈北東～南西向展布。天寶、野虎寨、黑山鈮～稀土礦（床）點(diǎn)位于粗面質(zhì)火山巖中，為全巖礦化的礦（床）點(diǎn)，礦體走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，主要含礦巖石類型為粗面質(zhì)熔結(jié)巖屑晶屑凝灰?guī)r、粗面質(zhì)凝灰熔巖、粗面質(zhì)角礫熔巖、鈉質(zhì)粗面巖等。

礦化樣品的高場強(qiáng)元素Nb、Ta、Zr、Hf及稀土元素La、Ce含量普遍高于非礦化樣品，發(fā)生了強(qiáng)烈的富集作用。同時，礦化樣品的揮發(fā)分F的含量也高于非礦化樣品，說明揮發(fā)分與鈮～稀土的礦化密切相關(guān)，這與王盤喜等（2015）認(rèn)為高場強(qiáng)元素的富集與揮發(fā)分（F、CO2）密切相關(guān)的結(jié)論吻合。在野外工作中，發(fā)現(xiàn)礦化層位可見螢石細(xì)脈，這也間接證明了粗面質(zhì)火山巖中富含揮發(fā)分。

黃月華等（1992）研究指出陜西蒿坪地區(qū)的粗面質(zhì)火山巖與晚奧陶世-早志留世地層共生，結(jié)合輝綠巖成巖年齡，認(rèn)為該套粗面質(zhì)火山巖形成于晚奧陶世-早志留世之間；萬俊（2016）利用LA-ICP-MS U-Pb定年方法從竹山地區(qū)粗面質(zhì)火山巖中獲得鋯石年齡為430.6Ma±2.7Ma；江拓等（2019）采用LA-ICP-MS U-Pb定年方法測得天寶粗面巖形成年齡為429Ma±3Ma。同時，粗面質(zhì)火山巖位于志留系大貴坪組及梅子埡組中。因此，研究認(rèn)為竹溪地區(qū)的粗面質(zhì)巖石形成于早志留世。

本次研究采集天寶鈮礦床三個礦體的樣品KX-1、KX-2、KX-3進(jìn)行電子探針分析，發(fā)現(xiàn)易解石、鈮錳礦、褐簾石呈半自形～他形分布于鉀長石、鈦鐵礦等早期礦物邊緣及裂隙中，說明鈮～稀土元素成礦要晚于巖石結(jié)晶年齡，這與劉萬亮（2015）的研究結(jié)論一致。

6 找礦前景

根據(jù)湖北竹溪地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報告，R型聚類分析圖中，鈮、鑭、鈰的相關(guān)系數(shù)較大，它們的相關(guān)系數(shù)均為0.9左右。鈮、鑭、鈰異常強(qiáng)度高，面積大，套合較好，異常范圍與粗面質(zhì)火山巖的空間分布一致，呈北西～南東向展布。天寶、野虎寨、黑山等鈮礦（床）點(diǎn)的表生地球化學(xué)元素組合為Nb-La-Ce，在組合、含量特征上表現(xiàn)出與原生異常的對應(yīng)性，說明了成礦元素在區(qū)內(nèi)的地球化學(xué)條件下具有較強(qiáng)的表生富集成暈的能力。因此，可選取主要元素鈮、鑭、鈰作為重點(diǎn)，以鈮元素異常下限值135.3×10-6、鑭元素異常下限值143.3×10-6、鈰元素異常下限值284.9×10-6圈定的異常區(qū)域及與鈮、鑭、鈰相關(guān)的綜合異常區(qū)域作為尋找鈮-稀土找礦前景較好的區(qū)域。

根據(jù)巖石地球化學(xué)研究結(jié)果，揮發(fā)分F與鈮-稀土礦化關(guān)系密切。依據(jù)鄂西北地區(qū)20萬水系沉積物調(diào)查結(jié)果，F(xiàn)異常空間上也呈現(xiàn)北西-南東向展布的特征，與野虎寨、小花園等礦（床）點(diǎn)呈現(xiàn)一致性。因此揮發(fā)分F異常區(qū)域也可作為鈮-稀土找礦前景較好的區(qū)域。

天寶、野虎寨、黑山等礦（床）點(diǎn)附近鈮、鑭、鈰異常強(qiáng)度高，面積大，套合較好，具有多個與鈮、鑭、鈰相關(guān)的綜合異常，并且部分礦（床）點(diǎn)具有F異常，找礦前景較好。在大巖溝-中鋒一帶，遠(yuǎn)景區(qū)具有Nb、La、Ce多元素組合特征，各元素異常強(qiáng)度高且套合較好，異常分布與粗面質(zhì)火山巖分布趨于一致。Nb、La、Ce區(qū)內(nèi)最高值分別為507.9×10-6、440.1×10-6、727.4×10-6。5萬化探異常圖與Nb、La、Ce相關(guān)的綜合異常較多，20萬化探異常圖具有F異常，找礦前景較好。

綜上，竹溪地區(qū)不僅在天寶、野虎寨、黑山等礦（床）點(diǎn)附近找礦前景較好，同時在大巖溝-中鋒一帶也具有較好的找礦前景。

7 結(jié)論

（1）粗面質(zhì)火山巖堿質(zhì)含量高，巖石分異指數(shù)較高，稀土總量高；輕稀土富集，重稀土含量低，顯示出輕稀土強(qiáng)烈富集而重稀土虧損的特征。稀土配分曲線總體向右傾斜，輕重稀土分餾明顯，其中輕稀土富集強(qiáng)烈，斜率大，而重稀土則相對平坦，具有弱的負(fù)銪異常。

（2）粗面質(zhì)火山巖巖漿起源于幔源玄武質(zhì)巖漿的演化，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用，在上升的過程中基本沒有受到地殼混染。

（3）依據(jù)5萬及20萬水系沉積物特征，認(rèn)為天寶、野虎寨、黑山等礦（床）點(diǎn)附近及大巖溝-中鋒一帶找礦前景較好。