广西龙江矿区离子吸附型稀土矿成矿规律对比

陆一敢,方 科,卢见昆,周文达

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

广西龙江矿区离子吸附型稀土矿成矿规律对比

陆一敢,方 科,卢见昆,周文达

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

广西龙江矿区为离子吸附型稀土矿床,其母岩丰度、矿源岩稀土元素赋存状态、气候、pH值、地下水的渗透、构造等有利的成矿条件使得稀土矿得以形成和保留。由于局部地质条件的不同,同一地区的矿床特征又各有差异。经对比研究认为,龙江地区相对小平山地区矿源岩矿物颗粒粗、pH值(龙江地区为5.37～6.34,小平山地区为6.12～7.34)低,造成两区矿层的赋矿层位不同;龙江地区有效吸附稀土离子多,矿体埋藏相对较深,因此物质来源较多,相对小平山地区其矿体厚度大、品位高;由于地表稀土元素的分馏作用,使得龙江地区配分曲线右斜斜率较小平山地区低,龙江地区δEu为0.25～0.43,平均为0.34,相对其矿源岩(0.55)具有一定的亏损;小平山地区δEu为0.45～0.80,平均为0.70,相对其矿源岩0.48的值表现为相对富集。

离子吸附型稀土矿床;成矿规律；花岗岩风化壳；龙江矿区;广西

离子吸附型稀土矿床是我国南方首先发现的一种新型外生矿床,稀土元素呈水合或羟基水合离子赋存于风化壳粘土矿物上,具有规模大、储量丰富、放射性低、开采容易、稀土提取工艺简单等特点。该类型矿床在国内主要集中在南方的江西、福建、广西等七省区。广西龙江矿区是近年新发现的典型离子吸附型稀土矿床,本文通过对该矿床的稀土矿成矿规律对比研究,总结了不同地质条件情况下的矿床特征差异,以指导该类型矿床今后的勘查与研究工作。

1 地质背景

龙江矿区研究范围包括龙江、 旺冲、 新塘、 仙塘、 小平山、 有教塘等地区, 位于南华准地台的钦州海西印支残余地槽内。岑溪-博白深断裂和灵山-藤县深断裂控制了本区的沉积建造、 构造变动和岩浆活动。 区内仅北东部和西南部及北流一带出露寒武纪、 奥陶纪、 志留纪、 泥盆纪、 石炭纪、 下二叠世及古近纪地层。 根据广西区域地质调查院资料, 大容山-十万大山花岗岩岩基划分出石南、 葵山、 六万山和旺冲4个超单元, 前3个超单元可并为大容山-十万大山岩群[1](图1)。 该区稀土矿产广泛分布, 其中龙江和小平山地区具典型矿床特征, 其矿源岩分属旺冲超单元中的天井冲单元(P1T)和六万山超单元中的江口单元(P2J)。

2 矿床特征

2.1 矿源岩特征

与整个华南地区花岗岩风化壳稀土元素地球化学特征相比[2-6],龙江矿区具有典型特征,在不同地区,又表现出各自差异。矿源岩为形成风化壳离子吸附型稀土矿床的直接矿质来源,矿源岩的性质、成分、组成直接影响其风化壳的发育程度和矿层的产出位置。

2.1.1 矿源岩岩石学特征 龙江地区矿源岩主要为天井冲单元(P1T)呈肉红色中粗粒斑状含褐帘角闪黑云母钾长花岗岩; 小平山地区矿源岩为江口单元(P2J)灰-浅灰色中粒斑状黑云堇青二长花岗岩。

图1 广西大容山-十万大山花岗岩岩基超单元分布略图(据文献[7]修改)

龙江地区花岗岩造岩矿物以中粗粒为主,且钾长石含量相对较多;小平山地区花岗岩造岩矿物则以中粒为主(表1),副矿物见锆石、磷灰石、独居石、钛铁矿。 两处矿源岩在岩石化学成分、CIPW标准矿物含量及参数特征近似(表2、 表3)。SiO2含量为66.55%～68.98%,Al2O3> K2O+Na2O+CaO,说明岩石为铝过饱和岩石;岩石里特曼指数σ值为1.58～1.78,平均1.68;碱度指数AR值2.38～2.45,平均2.42,在AR-SiO2与碱度关系图(Wright,1969)上落在钙碱性区域。分异指数DI值74.69～75.90,平均75.30;固结指数SI值10.87～11.92,平均11.40,说明岩石的结晶分异程度较高。两处矿源岩均具有S型花岗岩特征。

2.1.2 矿源岩稀土丰度 矿源岩稀土元素含量及其参数特征(表4), ΣREE为203.53～231.06; LREE/HREE为7.86～8.45, 比上部陆壳的平均值(10.01)稍低, 表明稀土元素分异程度不高;δEu为0.48～0.55，具有一定的亏损;δCe为0.98～1.03,无明显异常。

表1 矿源岩造岩矿物及含量

表2 矿源岩的岩石化学成分

表3 矿源岩CIPW标准矿物含量及特征参数

表4 矿源岩稀土含量及特征参数

测试单位:中国有色桂林矿产地质研究院测试中心,2013年8月;*据S.R.Taylor & S.M.McLennan,1981。

2.1.3 矿源岩中稀土的赋存状态 研究表明,风化壳中稀土元素赋存状态有3类[6]：一是离子吸附相；二是单矿物相；三是类质同象或微包体分散相。研究区内花岗岩中稀土元素在易风化造岩矿物长石、白云母中以类质同象产出(图2a), 少部分则呈独立矿物产出如磷灰石、独居石(图2b～图2f、图3、图4)。易风化造岩矿物长石、白云母中的稀土元素为离子吸附型稀土矿提供物质来源。

2.1.4 矿源岩时代 据超单元内各单元侵入体相互侵入关系, 可以确定旺冲超单元的天井冲单元先形成, 江口单元稍后[7]。天井冲单元(P1T)40Ar/39Ar年龄259 Ma, 黑云母 K-Ar年龄为258 Ma, 锆石U-Pb年龄254±3 Ma; 江口单元(P2J)40Ar/39Ar年龄256 Ma,形成于早二叠世的华力西阶段[7]。

2.2 含矿风化壳特征

2.2.1 含矿风化壳的发育特征 矿体以离子吸附形式赋存于风化壳中。工程揭露的综合统计表明，风化壳从上至下依次可分为红土层—全风化层—半风化层—基岩,各层之间没有明显界限,呈渐变关系[8]。红土层一般为棕红色,主要组成为石英和棕红色红土,少许植物根系及腐殖质。全风化层一般为土黄色、灰色或灰白色,呈花斑状,主要组成为石英、高岭石，少许伊利石及长石碎屑。半风化层黄褐色或带肉红色,长石未完全风化,主要组成为石英、长石、高岭石,少许绢云母及岩石碎块。龙江地区相对于小平山地区风化壳发育程度更高,且同一地区整体表现为山顶—山腰—山脚风化壳厚度依次变薄。

图3 花岗岩中独居石背散射电子像

图4 花岗岩中独居石扫描电镜能谱图

2.2.2 含矿风化壳垂相常量元素变化 两地区矿源岩中及风化壳中各不同层位常量元素的含量(表2、表5)显示,半风化层中由于长石部分风化、斜长石风化较完全，而钾长石还含有部分残余,造成Na2O、CaO、MgO流失,含量降低, SiO2、K2O含量相对升高。 全风化层中由于斜长石、 钾长石的完全风化, K2O、 Na2O、 CaO、 MgO流失, 其含量降低,风化所形成的粘土矿物的相对富集造成Al2O3含量的相对升高。 全风化层—半风化层—基岩Fe3+/Fe2+值逐渐降低，表明从地表往下氧化还原条件的变化。

图2 花岗岩中稀土元素的赋存状态

表5 龙江矿区风化壳不同层位常量元素分析结果Table 5 Analysis results for major elements in different layers of weathering crust at Longjiang depositwB/%

样号层位SiO2Al2O3Fe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOTiO2MnOP2O5烧失量XPSZK6-10(2)全风化层65.8717.294.520.434.250.200.050.370.740.080.115.46XPSZKSW-11全风化层64.2317.436.100.203.480.100.050.630.970.120.096.02YJTZK10-2全风化层68.3517.153.030.334.100.130.050.650.450.060.065.10XinTZK5-24全风化层69.3214.965.010.542.030.080.050.680.750.120.095.78LJZK17-2半风化层71.0815.252.660.364.320.270.050.090.240.050.024.83D17-21半风化层73.5612.601.301.355.172.850.380.280.230.090.041.38

2.3 矿床特征

2.3.1 矿体特征 龙江地区矿体离子相稀土氧化物(SRE2O3)平均含量0.109 7,平均浸取率80.84%。∑HREE配分率平均38.44%,Y2O3配分率24.04%,Eu2O3配分率平均0.66%,稀土配分类型属于中钇中铕轻稀土矿。小平山地区矿体离子相稀土氧化物(SRE2O3)平均含量0.097 6,平均浸取率75.91%。∑HREE配分率平均42.78%,Y2O3配分率27.43%,Eu2O3配分率平均1.26%,稀土配分类型属于中钇高铕轻稀土矿。2.3.2 矿体矿物组合 矿体矿物组合与风化壳中其富集成矿所在层位的矿物组合相同。龙江地区矿层主要位于半风化层,矿体矿物组合主要为石英+长石+高岭石;小平山地区矿层主要位于全风化层,矿体矿物组合主要为石英+高岭石+伊利石(表6)。

表6 龙江地区和小平山地区矿体X粉晶衍射分析测试分析结果

2.3.3 矿体与风化壳关系 风化壳厚度与离子吸附型稀土矿体厚度呈正比关系,离子吸附型稀土矿体形态与矿源岩风化壳的分布一致。龙江地区矿石类型为全风化-半风化淋积型稀土矿石,矿层主要赋矿层位为半风化层的上部。小平山地区矿石类型为全风化淋积型矿石,矿层主要赋矿层位于全风化层的中上部,龙江地区风化壳平均厚度与矿体平均厚度比小平山地区小(图5)。

2.3.4 矿层稀土元素地球化学特征 在矿层稀土含量数据对比研究中, 龙江地区矿层稀土ΣREE为192.31～1 003.61, 平均591.56, 富集成矿; 位于半风化层内矿层LREE/HREE为3.16～7.10, 平均4.74; (La/Yb)N为8.12～22.11, 平均4.46, 配分曲线右斜; δEu为0.25～0.43, 平均为0.34, 相对其矿源岩(0.55)具有一定的亏损; δCe为0～0.42, 平均0.15, 亏损程度较高(图6a)。 小平山地区矿层稀土ΣREE为177.02～1 462.41, 平均664.92; LREE/HREE为1.41～12.27, 平均为5.72; (La/Yb)N为3.80～30.66, 平均17.33, 配分曲线右斜斜率较龙江地区大; δEu为0.45～0.80, 平均为0.70, 相对其矿源岩(0.48)具有一定的富集;δCe为0～0.40,平均为0.12,同样亏损程度较高。同一矿层中,从上至下大致表现为LREE/HREE和(La/Yb)N降低的趋势(图6b)。

2.3.5 矿层pH特征 由于石英、长石等矿物颗粒大小、 岩体裂隙发育程度的不同造成其在全风化层、半风化层中pH值的不同(表7)。从地表—全风化层—半风化层—基岩pH值逐渐升高,由酸性逐渐转变为中性至弱碱性;龙江矿区含矿层相对于小平山地区更偏酸性。

图5 龙江地区与小平山地区风化壳及矿体关系对比图

图6 龙江与小平山矿区稀土元素球粒陨石标准化分布型式

表7 龙江地区和小平山地区矿层pH值

Table 7 pH of ore beds in Longjiang and Xiaopingshan deposits

矿区样号位置pHXPSZKSW-11①矿层(全风化层)上6.14XPSZKSW-11②矿层(全风化层)中6.43XPSZKSW-11③矿层(全风化层)下6.53小平山XPSZKⅤ-5-5①矿层(全风化层)上6.19XPSZKⅤ-5-5②矿层(全风化层)中6.61XPSZKⅤ-5-5③矿层(全风化层)下6.69XPSZK6-10(2)矿层(全风化层)6.12D17-21矿层(半风化层)7.34LJZK2-4①矿层(全风化层)上5.75LJZK2-4②矿层(半风化层)中5.92LJZK2-4③矿层(半风化层)下6.06龙江LJZK17-1①矿层(半风化层)上5.89LJZK17-1②矿层(半风化层)中5.37LJZK17-1③矿层(半风化层)下6.34LJZK17-2矿层(半风化层)5.75

3 矿床成因讨论

潘华在总结矿床成因时认为[9],风化壳离子吸附型稀土矿床形成所具备的条件:① 母岩稀土丰度条件;② 矿源岩中的稀土元素的赋存状态条件;③ 风化、气候、地表水渗透的pH值;④ 地区均为风化壳离子吸附型稀土,两区成矿作用机制大致类似,但两区矿床特征发现有所不同。陈炳辉等也认为影响风化壳中稀土元素的活动性和分异作用的因素有原岩的稀土分布及风化壳的矿物组合、pH 值、氧化还原条件、雨水和地下水以及有机质和微生物等[10]。龙江地区矿源岩天井冲单元(P1T)中粗粒斑状含褐帘角闪黑云母钾长花岗岩, 小平山地区矿源岩江口单元(P2J)中粒斑状黑云堇青二长花岗岩均具有较高的母岩丰度; 矿源岩中稀土元素大多以类质同象赋存在易风化矿物(长石、 云母)中,少许以独立矿物(独居石)形式存在,对成矿有利; 含矿风化壳中的酸性条件可有效促进矿源岩的风化。整体上看,区内成矿条件和矿床成矿演化水平基本处于持平状态,但局部的条件因素,使得不同矿床或矿段的矿化特征有所差异。因此,重点对比讨论了不同矿床存在的差异,同时揭露了风化壳离子吸附性稀土矿床的成因。

地貌对矿区花岗岩岩体风化壳的形成和保持所起的作用较明显,如宿塘局部地区由于相对抬升较快使山顶部分矿体受剥蚀而无法得以保留;以低山、丘陵地貌为主,起伏不大,落差较小等。综合这些因素才使该区风化壳离子吸附型稀土矿得以形成。地表弱酸性条件下,稀土元素转化为溶液状态,随地表径流和地面水流动和运移(渗透)。在垂直剖面上,稀土元素往下运移,酸度冲淡,pH 值升高,使粘土矿物在弱酸性介质中吸附能力提高,出现稀土元素的富集。龙江地区花岗岩颗粒较小平山地区粗,其风化壳中矿物颗粒之间裂隙发育程度较高,风化淋滤过程中渗透性较好,下渗较深;龙江地区 pH值较低,意味着在酸度降低到稀土离子富集之前,其垂向搬运距离较远,因此造成赋矿层位较深,位于半风化层。龙江地区风化壳平均厚度与矿体平均厚度比小平山地区小,说明单位体积的龙江地区矿源岩风化过程中提供的有效吸附稀土离子较小平山地区多。且龙江地区的风化壳厚,矿体埋藏深度较深,则为其提供物质来源也就相对较多,因此龙江地区矿体厚度大、品位高。各稀土元素的地球化学特征存在差异,在风化壳的酸碱度条件下,地球化学行为以及富集规律各有差异。轻稀土元素在风化壳中迁移性比重稀土大,主要聚集于风化壳中上部。其中的CeO2主要富集于表土层中,随深度的增大而逐渐变贫。La、Pr、Nd、Sm 诸元素集中于全风化层中部,重稀土元素普遍富集在风化壳的下部。在淋滤迁移过程中轻稀土和重稀土产生分馏[11]，稀土元素淋滤迁移距离不同,则轻重稀土分馏演化程度不同。龙江地区矿层位于半风化层,垂向上稀土元素淋滤迁移距离较远,则造成重稀土相对富集,配分曲线右斜，斜率较小,δEu相对亏损。

4 结 论

母岩丰度、矿源岩稀土元素赋存状态、气候、pH值、地下水的渗透、构造等有利的成矿条件使得龙江矿区离子吸附型稀土矿得以形成和保留。龙江地区相对小平山地区矿源岩矿物颗粒粗、pH值低,造成两区矿层的赋矿层位不同。龙江地区位于半风化层,小平山地区位于全风化层。龙江地区有效吸附稀土离子多、矿体埋藏相对较深,因此物质来源较多,相对小平山地区其矿体厚度大、品位高。由于地表稀土元素的分馏作用,使得龙江地区配分曲线右斜斜率较小平山地区低,相对其矿源岩,龙江地区δEu表现为相对亏损,小平山地区δEu表现为相对富集。龙江地区矿层位于半风化层,一般的冲击钻无法打穿矿层,建议类似矿床工程钻探改用机械岩心钻。

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Metallogenic regularity comparison of rare earth elements deposits of ion-adsorption type in Longjiang of Guangxi

LU Yi-gan,FANG Ke,LU Jian-kun,ZHOU Wen-da

(China Nonferrous Metals(Guilin)Geology and Mining Co.Ltd,Guilin 541004,China)

The rare earth elements deposit of ion-adsorption type is located at Longjiang mining area.The mineralization conditions, aparent rock abundance, rare earth elements occurrence state in ore source rocks, climate, pH value, groundwater infiltration and structural condition are suitable for the formation and retention of rare earth elements. Due to different local geological conditions, the deposit characteristics are also different even in the same area. According to the comparative study, mineral particles of ore source rocks are coarser and pH value(Longjiang area of 5.37-6.34, Xiaopingshan area of 6.12-7.34) is lower in Longjiang area than those in Xiaopingshan area, resulting in different ore bearing strata. In Longjiang area with effective adsorption of rare earth ions, relatively deep buried orebody, and with more matter sources, the orebody of high grade is relatively thicker than that in Xiaopingshan area. Because of the surface fractionation,rare earth elements curve of the ore source rock at the right inclined slope of Longjiang area is smaller than that in Xiaopingshan area. Relative to ore source rock, δEu of ore is 0.25-0.43 with an average of 0.34, and relative to its ore source rock 0.55, is relatively depleted in Longjiang area.However,δEu of ore is 0.45-0.80 with an average of 0.70, and relative to its ore source rock 0.48, is relatively enriched in Xiaopingshan area.

ion-adsorption type rare earth deposit;metallogenic regularity；granitoid weathering crust；Longjiang deposit;Guangxi

1674-9057(2015)04-0660-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.002

2015-05-04

广西大规模地质找矿工程项目(桂财建函[2010]304)

陆一敢(1983—),男,硕士,高级工程师,矿产地质勘查与地球化学专业,516956475@qq.com。

陆一敢, 方科, 卢见昆, 等. 广西龙江矿区离子吸附型稀土矿成矿规律对比[J]. 桂林理工大学学报， 2015, 35(4): 660-666.

P618.7

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