广东惠东地区离子吸附型稀土矿床地球化学特征

2017-01-19 03:29苑鸿庆李社宏缪秉魁粟阳扬
现代地质 2016年6期
关键词:风化壳风化层风化

苑鸿庆,李社宏,缪秉魁,严 松,粟阳扬

(1.中国科学院 地质与地球物理研究所,中国科学院 矿产资源研究重点实验室,北京 100029;2.中国科学院大学,北京 100049;3.地质流体与地质过程广西高校重点实验室,广西 桂林 541004)

广东惠东地区离子吸附型稀土矿床地球化学特征

苑鸿庆1,2,3,李社宏3,缪秉魁3,严 松3,粟阳扬3

(1.中国科学院 地质与地球物理研究所,中国科学院 矿产资源研究重点实验室,北京 100029;2.中国科学院大学,北京 100049;3.地质流体与地质过程广西高校重点实验室,广西 桂林 541004)

运用岩石地球化学方法,对广东惠东地区离子吸附型稀土矿床的地球化学特征进行研究。结果显示,风化壳中元素含量及配分特点总体上取决于母岩,但稀土元素在继承母岩稀土元素的基础上含量进一步富集,且各风化层中元素含量变化与风化作用之间具有一定相关性。WIG指数相较于CIA指数能更有效地描述风化壳风化强度,风化壳中稀土元素迁出富集与WIG指数及元素迁移系数具有一定规律性,轻稀土元素多在全风化层上部富集,而重稀土元素在全风化层下部及半风化层明显迁入富集,Ce、Eu均具明显负异常。

离子吸附型稀土矿床;地球化学特征;化学风化程度;元素质量迁移系数 ;广东惠东地区

0 引 言

离子吸附型稀土矿床作为我国一种极其重要且全球罕见的稀土矿床类型[1-2],种类齐全,元素含量高,开采成本低,资源潜力巨大[3-5],具有巨大的经济价值和研究意义。自20世纪60年代末从我国江西首次发现了花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿床后,前人对该类型矿床赋矿风化壳剖面地球化学特征及风化特征展开了一系列研究[5-11]。研究认为风化强度能有效地反映剖面风化特征,一般常用Chemical Index of Alteration(CIA)、Weathering Index of Parker(WIP)和Weathering Index of Colman(WIC)评估风化程度[12-14]。而龚庆杰等[15]在研究山东玲珑黑云母花岗岩风化壳剖面时提出一种新的化学蚀变指数Weathering Index of Granite(WIG)用于评估花岗岩风化程度,相对于其他3种化学蚀变指数,WIG指数对风化强度识别更加灵敏。

图1 广东惠东地区地质简图(据广东省公路勘察规划设计院资料,2004,修编)Fig.1 Simplified regional geological map of Huidong,Guangdong1.第三系;2.侏罗系;3.花岗岩;4.花岗斑岩;5.黑云母花岗岩;6.二长花岗岩;7.断层;8.地名;9.研究区

本文以广东惠东地区一典型风化壳剖面为依托,研究风化壳中元素地球化学特征及风化程度,进而探讨稀土元素富集与CIA及WIG值之间的关系,同时通过分析稀土元素质量迁移系数,讨论轻重稀土元素迁出程度与深度之间的相关性,旨在阐明风化壳剖面中稀土元素迁出迁入规律和分布规律,为进一步研究该类型矿床稀土富集特征提供一定依据。

1 地质背景

研究区位于广东省惠东县东北部,大地构造上处于河源深断裂带以东地区,粤东永梅—惠阳坳陷中段,北东向为莲花山断裂带,区内出露地层主要为侏罗系、第三系,褶皱、断裂构造较发育,北东向深断裂带是该区的主导构造[16](图1)。

研究区花岗岩类型主要是燕山期中粒斑状黑云母花岗岩、二长花岗岩及花岗岩,年龄为165~110 Ma[17],局部见花岗斑岩等,均呈小岩株产出。岩体出露较为完整,受后期构造破坏较少,岩体与围岩接触面较平直,接触界线较清楚,岩相分带不明显,仅在较大岩体中可分出2~3个相带[16]。岩石呈肉红色,矿物组分较单一,主要矿物组合为钾长石(35%~40%)+斜长石(25%~30%)+石英(25%~30%)+黑云母(5%),斜长石主要为钠长石,含少量更长石,环带不甚发育。主要副矿物为磷灰石、褐帘石、榍石、独居石、磁铁矿,含有少量的萤石、磷钇矿、褐钇铌矿等,一般不含角闪石[7,17]。

2 样品采集与测试结果

按风化程度不同,在研究区选取典型风化壳剖面自上而下共采集了10个(HD-01—HD-10)新鲜样品,每个样品相隔1 m(图2)。其中残坡积层1件,样号HD-01;全风化层4件,样号HD-02—HD-05;半风化层3件,样号HD-06—HD-08;基岩2件,样号HD-09—HD-10。

所有样品经室内自然风干,去除杂质后送澳实分析检测(广州)有限公司完成样品主量、微量及稀土元素的分析,主量元素采用PANalytical Axios型X荧光光谱仪测定,相对误差<5%;微量与稀土元素用电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent 7700x)测定,相对误差<10%。测试结果见表1及表2。

图2 研究区风化壳剖面示意图Fig.2 Sketch map of the weathered crust profile in the study area

分析项 表层HD⁃01全风化层HD⁃02HD⁃03HD⁃04HD⁃05半风化层HD⁃06HD⁃07HD⁃08基岩HD⁃09HD⁃10SiO27160754072907440744074407520767075807600Al2O31445138014351345145514651335122012251190Fe2O3485238318330158125194207199170MgO013014016013015013006011003007CaO001001001001001001001008070104Na2O014018017015018019027166259283K2O401506492445531558577517527505MnO001002002002001001001001011003P2O5002001001002001001001001001001TiO2020020020021021024012011005006烧失量410285332325292286248128083084CIA7765724473787447725771716881638458875716WIG2128319928712712335935753919471550315037总量99521000599249939993399339922994099639953

注:CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)]×100;WIG=100×(Na2O+ K2O+CaO-10/3×P2O5)/(Al2O3+Fe2O3+ TiO2),(CaO-10/3×P2O5)为负值时,该值为0,即(CaO-10/3×P2O5)取值范围大于等于0。

表2 惠东地区风化壳剖面微量元素和稀土元素分析结果(wB/10-6)

3 地球化学特征

3.1 主量元素

表1为研究区风化壳剖面代表性样品的化学成分分析数据。在风化壳剖面中,SiO2含量变化范围是71.6%~76.7%,平均74.68%;Al2O3含量变化范围是11.9%~14.65%,平均值13.50%;Fe2O3含量变化范围是1.25%~4.85%,平均2.42%;TiO2含量变化范围是0.05%~0.24%,平均0.16%;烧失量变化范围为0.83%~4.1%,平均值2.47%。SiO2、Al2O3和Fe2O3是风化壳剖面的主要成分,而MgO、CaO、Na2O和K2O等易溶组分含量较低,表明岩石在风化过程中易发生Mg、Ca、Na和K等元素的流失[18];全风化层中Al2O3、Fe2O3的含量高于基岩中的量,这是由于Al、Fe元素在强淋滤作用下迁移并在全风化层中富集[19-20]。

根据样品中主量元素的相对活动性,可将其分为3类:第1类,活动组分,例如CaO、Na2O、K2O,随着风化作用的增强,自下而上含量明显降低;第2类,较稳定组分,例如SiO2、MgO、MnO、P2O5,多在风化壳剖面中变化不大,自下而上,MgO含量略有增加,SiO2和MnO含量略有降低,而P2O5含量则无显著变化;第3类,稳定组分,例如Al2O3、Fe2O3、TiO2,在风化壳剖面中自下而上含量明显增加,尤其是Al2O3在表层中大量富集。

3.2 微量元素

研究区风化壳剖面样品的微量元素分析结果见表2。与主量元素一样,多数微量元素含量从新鲜基岩到残坡积层略有增加,少数元素含量甚至有所降低。

图3 研究区微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.3 PM-normalized trace element patterns in the study area

从样品微量元素原始地幔标准化蛛网图(图3)可以看出:曲线呈轻微的右倾趋势,各微量元素特征保持高度一致,且在风化壳剖面中具有不同程度的富集。大离子亲石元素Rb介于351×10-6~443×10-6,含量变化较稳定,可能受黏土矿物吸附较强;Ba元素可能受后期风化淋滤作用的影响,相对于残坡积层,在全风化层和半风化层上部富集明显;Sr元素在半风化层含量明显增加,这是由于Sr元素常赋存于易风化的富Ca矿物中,风化过程中,Sr和Ca属强迁移元素,易被淋滤而富集于半风化层中[18,21-22]。高场强元素Hf、Ta、U、Zr、Nb化学行为几乎一致,在半风化层含量与基岩相近,分异不明显,随风化作用的进行,在风化壳剖面中具有不同程度的富集,主要富集于全风化层及半风化层上部,其中U元素在残坡积层相对富集,与强氧化环境下U4+易氧化成U6+随雨水淋滤至风化壳下部而在半风化层最富集相反[23],研究认为该区氧化程度较小,U4+不易氧化成U6+,从而在残坡积层富集。亲铜元素Ga在残坡积层中富集与迁移一致,风化过程中,Ga元素易被氧化转移到Fe或Al的氧化物中,常以类质同象的方式存在于Al元素中[24]。

3.3 稀土元素

由表2可知,研究区风化壳中稀土元素含量(ΣREE=281.51×10-6~888.31×10-6)比原岩中稀土元素含量(ΣREE=161.45×10-6~172.57×10-6)高,说明风化壳中稀土元素含量不仅与母岩中稀土元素含量多少有关,与后期风化过程中遭受的淋滤作用也有一定相关性。原岩中(La/Yb)N在3.11~3.73之间,说明原岩样品中轻重稀土元素的分馏程度较高;而风化壳中表现出轻重稀土元素分馏明显((La/Yb)N=4.63~11.21),轻稀土元素分馏较明显,重稀土元素分馏不明显,其中Ce负异常(δCe=0.19~0.86)明显,反映了在风化过程中稀土元素发生分馏,导致Ce元素进入流体而被带出;δEu为0.12~0.27,均小于0.3,负Eu异常明显。

风化壳和原岩的稀土元素球粒陨石标准化模式图(图4)表明,曲线整体微向右倾斜,在轻稀土元素区间斜率较陡,而在重稀土元素区间趋于平缓。同时看出风化壳中稀土元素含量明显高于基岩中稀土元素含量,但趋势基本一致,显示风化壳内稀土元素在继承基岩稀土元素特征的基础上进一步富集,尤其在全风化层中下部富集更为明显。

图4 研究区稀土元素球粒陨石标准化模式图Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns in the study area

4 讨 论

4.1 风化程度与稀土元素富集关系

风化强度是研究风化壳剖面风化特征的重要依据[18,25],CIA值、WIG值均能衡量花岗岩风化壳剖面的风化强度。前人研究认为风化壳中稀土元素富集与风化程度有一定关系[25]。根据对惠东地区风化壳剖面典型稀土元素的研究,讨论稀土富集与风化程度的关系,对比研究CIA值与WIG值在研究稀土富集时的差异性。

从图5看出,ΣREE、ΣLREE和ΣHREE含量随风化程度减弱整体表现出减少趋势。但在残坡积层,属较强化学风化,而 ΣREE=674.71×10-6,小于全风化层中稀土含量(ΣREE=743.45×10-6~888.31×10-6),认为稀土矿化的基岩受风化作用解体后,在残坡积层形成Fe(OH)3胶体,易与黏土凝聚,中和大量电荷,减少黏土对稀土离子的吸附,从而导致稀土元素在全风化层及半风化层中富集[26];基岩受风化程度最小,其稀土元素含量远远小于其他层位。

图5 风化壳剖面稀土富集与风化程度关系Fig.5 Relationship between REE enrichment and weather-ing degree in the weathering crust profile

从表1可知,研究区CIA值介于57.16~77.65,反映研究区位于温暖湿润的气候区[27],随着风化程度的减弱,从残坡积层到半风化层CIA值整体表现出逐渐减小的趋势;WIG值介于21.28~50.37,从残坡积层到半风化层WIG值随风化强度的减弱而增大;但在基岩中两者数值基本保持不变,表明基岩风化程度相近[28]。随风化程度的变化,风化壳剖面中CIA值与WIG值呈负相关。相对于CIA,WIG指数受风化作用影响变化幅度更广,是一种能更灵敏有效描述花岗岩风化壳剖面风化程度的蚀变指数[15]。现讨论典型稀土元素富集程度与WIG数值之间的变化关系。

从图6中可明显看出,随着WIG指数值的增加,La、Pr和Nd等轻稀土元素含量在风化壳剖面中表现出先增加后减少的趋势,其中在全风化层上部含量最高,而Gd、Dy、Yb和Y等重稀土元素在全风化层下部及半风化层上部相对富集,这是由于轻稀土元素相对于重稀土元素更易被黏土矿物吸附,从而导致轻重稀土元素分离[26]。

图6 典型稀土元素与WIG指数关系Fig.6 Relationship between typical REE and WIG

随着WIG值增加,Ce元素变化较为复杂。由于Ce3+在地表易被氧化成Ce4+,通过水解沉淀与其他稀土元素发生分异,被黏土矿物吸附,从而导致Ce元素在残坡积层较为富集。随着淋滤作用的进行,未被完全氧化的Ce3+向下迁移,停积在全风化壳上部,致使Ce元素在半风化层表现出明显的亏损现象[7,9,29]。

Eu元素在风化壳剖面上表现出向下迁移富集的趋势,一般在全风化层下部及半风化层上部相对富集,造成这种趋势可能与Eu的氧化还原有关,由于Eu具有较稳定的Eu2+和Eu3+,在风化作用条件下,Eu可能以Eu3+的形式存在,从而使得Eu在剖面中上部富集[7,9]。

表3 研究区风化壳剖面元素质量迁移系数

Table 3 Mass transfer coefficient of elements in the weathering crust profile

元素HD⁃01HD⁃02HD⁃03HD⁃04HD⁃05HD⁃06HD⁃07HD⁃08La053066066059048032050009Ce-081-096-117-100-097-103-154-022Pr042054056046029010036-010Nd035048049039019-001028-024Sm020043046037022000029-045Eu066078079076072062073-019Gd000041047043044027043-042Tb-021029036034046029041-039Dy-032019029028044028041-041Ho-035016025024042027040-030Er-046011020020036019035-032Tm-045009018017034017036-030Yb-054003011013027007030-028Lu-066-003004006023003026-033Y-039013022021046034043-030

4.2 元素质量迁移系数与稀土元素富集关系

图7 典型稀土元素质量迁移系数随深度变化图Fig.7 Mass transfer coefficient of typical REE in varies depths

元素的质量迁移系数可定量反映花岗岩风化壳中稀土元素的迁入或迁出情况[30-31]。风化壳剖面中稀土元素的富集或贫化实际上是风化过程中元素质量迁移的结果,具有内在的规律性,且与剖面风化程度具有一定的相关性[32]。对研究区风化壳剖面中稀土元素质量迁移系数与富集关系进行探讨分析,根据计算结果(表3),作出典型稀土元素质量迁移系数随深度变化图(图7)。

元素质量迁移系数为正值时表示该元素发生迁入作用,即富集;负值时表示元素发生迁出作用,即贫化[32]。风化壳剖面中稀土元素亏损程度与WIG值有一定的对应关系,随深度增加,WIG值增加,剖面中稀土元素的迁出程度有减小趋势,但整体变化不大。通过元素质量迁移对比图,可以清晰地看出风化壳剖面中稀土元素质量迁移的不同特征,且稀土元素迁移具有一定的规律性,La、Pr、Nd等轻稀土元素质量迁移系数在深度为3 m左右的全风化层上部达到最大。Ce元素质量迁移系数整体表现为负值,且从残坡积层到半风化层,随着深度的增加整体表现出变小趋势,说明Ce元素在风化壳各层发生带出作用,但在残坡积层相对富集。而Tb、Dy、Ho等重稀土元素迁移系数在残坡积层均为负值,表明重稀土元素全部迁出,在残坡积层表现出贫化的特征;向下迁移过程中元素迁移系数由负变正,并且均在深度5 m处达到最大,在全风化层下部明显迁入、富集,表明研究区风化壳剖面中重稀土元素迁出能力较轻稀土元素强[33],且轻重稀土元素迁移能力不同是稀土元素分异的主要原因。

5 结 论

(1)广东惠东地区离子吸附型稀土矿床的风化壳中稀土元素在继承母岩稀土元素的基础上含量进一步富集,各风化层中元素含量变化与风化作用具有一定相关性。

(2)WIG值比CIA值能更有效地描述风化壳风化强度。随着WIG指数值降低,基岩到残坡积层的风化程度逐渐增大,ΣREE含量表现出降低的趋势。

(3)质量迁移系数表明风化壳剖面残坡积层中所有重稀土元素均迁出亏损,La、Pr、Nd等轻稀土元素在全风化层上部富集,而Tb、Dy、Ho等重稀土元素在剖面底部的全风化层下部及半风化层中明显迁入富集;Ce元素迁移活性弱于其他元素,几乎不发生明显迁出,在残坡积层相对富集。风化壳剖面中整体表现出Ce、Eu的负异常。

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Geochemical Characteristics of Ion-adsorption Type Rare Earth Elements Deposit in Huidong,Guangdong

YUAN Hongqing1,2,3,LI Shehong3,MIAO Bingkui3,YAN Song3,SU Yangyang3

(1.Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.KeyLaboratoryofGeologicalFluidandGeologicalProcessatUniversitiesofGuangxiProvince,Guilin,Guangxi541004,China)

Based on geochemical research, we analysis the weathering crust of ion-adsorption type REE deposit in Huidong area, Guangdong. The data show that the content of CaO,Na2O and K2O are decreased with the increase of weathering, Al2O3is opposite. The trace elements such as Ba,Sr,U and REE are enriched in the semi-weathered layer and weathered layer. The characteristics of distribution and content of the elements in weathering crust profile reflect the nature of parent granite. The index of WIG is more effectively to describe the weathering degree of the profile than CIA. The degree of weathering and enrichment of REE decrease with the increase of WIG. It can be concluded that LREE are abundant in upper of weathering layer ,while HREE are abundant in semi-weathered layer and in lower part of the weathered layer. Eu and Ce are significantly loss in area where enrichment of the REE.

ion-adsorption type REE deposit; geochemical characteristics; degree of chemical weathering; coefficient of elements migration;Huidong area, Guangdong

2015-09-14;改回日期:2016-09-18;责任编辑:楼亚儿。

中国地质调查局项目(1212011120354)。

苑鸿庆,女,博士研究生,1992年出生,矿产普查与勘探专业,主要从事矿产普查与勘探研究。

Email:yuanhq2013@163.com。

李社宏,男,副教授,1977年出生,矿产勘查专业,主要从事矿床地质、矿产勘查研究。

Email:359391917@qq.com。

P596

A

1000-8527(2016)06-1267-09

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