魯顯松， 周 豹， 孫 騰， 朱 金， 冷雙梁， 熊意林

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

鈮和鉭是重要的稀有金屬元素，由于其高熔點、高沸點，具有耐腐蝕性、超導(dǎo)性、單級導(dǎo)電性和在高溫下強度高等特性，是原子能、宇航、鋼鐵合金、化工等工業(yè)的重要原料,并且其在國防、能源、高新技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域具有不可替代的特點；稀土元素廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高新產(chǎn)業(yè)，被譽為高新產(chǎn)業(yè)的維生素，中國、美國及歐盟等國家或地區(qū)均將鈮鉭、稀土列為重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。隨著全球多領(lǐng)域新技術(shù)融合創(chuàng)新步伐的加快以及國家對新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展支持力度的加大，支撐其發(fā)展的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源將在世界各國新一輪的經(jīng)濟、科技角逐中扮演至關(guān)重要的角色。進一步加強相關(guān)礦產(chǎn)資源的找礦勘查及理論研究工作十分必要。

鄂西北地區(qū)廣泛出露一套堿性巖—碳酸巖，該套堿性巖—碳酸巖與鈮鉭—稀土礦成礦關(guān)系密切。湖北省地質(zhì)局自上世紀(jì)80年代以來，在鄂西北兩竹地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了廟埡特大型鈮稀土礦床和眾多諸如殺熊洞等鈮稀土礦點；近年來，湖北省地質(zhì)調(diào)查院等單位相繼在兩竹地區(qū)勘查發(fā)現(xiàn)了天寶、巖屋溝—青巖溝、土地嶺等十多處鈮(鉭)礦床點。廟埡鈮稀土礦床經(jīng)詳查—初勘工作探明儲量：鈮(Nb2O5)92.9萬t、輕稀土氧化物121.5萬t[1]，巖屋溝—青巖溝鈮礦床經(jīng)普查工作初步估算潛在礦產(chǎn)資源：鈮(Nb2O5)94.43萬t(1)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區(qū)鈮多金屬礦普查報告，2021。，土地嶺鈮鉭礦床經(jīng)預(yù)查工作初步估算潛在礦產(chǎn)資源:鉭(Ta2O5)2 681 t、鈮(Nb2O5)10.48萬t(2)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北省竹山縣土地嶺礦區(qū)鉭礦預(yù)查報告，2020。，顯示出區(qū)內(nèi)巨大的鈮鉭、稀土礦資源潛力。通過幾代地質(zhì)人的不懈努力，湖北省地質(zhì)局在鄂西北地區(qū)的鈮鉭—稀土找礦工作取得了豐碩的成果，同時鄂西北地區(qū)也逐漸成為了中國重要的稀有稀土礦產(chǎn)資源后備基地。前人對鄂西北地區(qū)堿性巖—碳酸巖及其相關(guān)的鈮鉭—稀土礦床開展了大量的研究工作，積累了大量的元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)及年代學(xué)資料，同時也形成了許多重要的認(rèn)識。本文對鄂西北地區(qū)鈮鉭—稀土礦的理論研究及礦產(chǎn)勘查工作取得的認(rèn)識和成果進行系統(tǒng)性的總結(jié)，以供后續(xù)的研究和勘查工作借鑒。

1 地質(zhì)背景

秦嶺造山帶是華北和揚子兩大板塊拼合帶，經(jīng)歷了多期次、多階段的碰撞—擴張—聚合的演化過程[2-4]，發(fā)育2條重要的縫合帶，即北部的商丹縫合帶[5-8]和南部的勉略縫合帶[3,9-11]。新元古代晚期—早中生代初期板塊俯沖—碰撞的構(gòu)造體制造就了秦嶺造山帶的基本構(gòu)造格局[12-13]。研究區(qū)位于南秦嶺造山帶中段北大巴山弧形構(gòu)造帶內(nèi)，武當(dāng)隆起西緣，青峰—襄廣斷裂北側(cè)(圖1)。區(qū)域上主要出露南華系武當(dāng)巖群—志留系梅子埡組中—淺變質(zhì)地層。巖漿活動較為強烈，主要發(fā)育有晚元古代輝綠(長)巖、早古生代基性巖和堿性雜巖群。主體構(gòu)造呈北西向，發(fā)育的區(qū)域大斷裂有安康—竹山斷裂和紅椿壩—曾家壩斷裂以及一系列疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造體，與近東西向、北東向脆性斷裂相互交切形成條塊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置示意圖(a圖據(jù)參考文獻[12]修改)和堿性巖漿巖分布示意圖(b圖據(jù)參考文獻[14]修改)Fig.1 The map of tectonic position and distribution of alkaline magmatic rocks in the study area1.新元古代地層；2.古生代地層；3.基性巖；4.正長巖—碳酸巖雜巖體；5.粗面質(zhì)火山巖；F1.魯山斷裂；F2.商丹斷裂；F3.青峰—襄廣斷裂；F4.紅椿壩—曾家壩斷裂；F5.安康—竹山斷裂；F6.十堰斷裂。

2 堿性巖—碳酸巖及鈮鉭—稀土礦時空分布特征

鄂西北地區(qū)堿性巖—碳酸巖及其相關(guān)鈮鉭—稀土礦床主要受北西向構(gòu)造控制，呈北西向帶狀展布，可分為東、西兩個密集帶(圖2)。東帶分布于竹山縣的廟埡—殺熊洞一帶，沿安康—竹山斷裂展布，該帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)廟埡鈮稀土礦、殺熊洞鈮稀土礦、土地嶺鈮鉭礦等礦床及多處鈮(鉭)礦點。西帶分布于竹溪縣蔣家堰—天寶一帶，沿紅椿壩—曾家壩斷裂展布，該帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)天寶鈮礦、巖屋溝—青巖溝鈮礦及蔣家堰鈮礦等礦床，并在長達幾—十幾千米長的堿性火山巖系中發(fā)現(xiàn)近十處鈮礦點。

圖2 鄂西北地區(qū)鈮鉭—稀土礦床分布圖Fig.2 Distribution map of Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province1.正長巖—碳酸巖雜巖體；2.粗面質(zhì)火山巖；3.基性巖；4.斷層；5.鈮鉭—稀土礦床;F1.青峰—襄廣斷裂；F2.紅椿壩—曾家壩斷裂；F3.安康—竹山斷裂。

關(guān)于研究區(qū)內(nèi)堿性巖—碳酸巖的形成時間，前人的研究獲得過不同的認(rèn)識，但近年來，對廟埡雜巖體(正長巖、碳酸巖)、殺熊洞雜巖體(正長巖、碳酸巖)、天寶粗面巖及土地嶺粗面巖類的大量年代學(xué)研究表明(表1)，鄂西北地區(qū)堿性巖—碳酸巖形成于早志留世[14-21]，其巖漿活動時間峰值為420～440 Ma。部分學(xué)者在碳酸巖—正長巖雜巖體(廟埡、殺熊洞)的獨居石、鈮鐵礦中獲得一組三疊紀(jì)年齡(230～440 Ma)[16-19]，該組年齡為三疊紀(jì)熱液活動所致[17-19]。

表1 鄂西北地區(qū)堿性巖—碳酸巖巖漿活動年代表Table 1 Chronology of alkaline-carbonatite magmatism innorthwestern Hubei Province

3 堿性巖—碳酸巖及相關(guān)典型礦床特征

鄂西北地區(qū)鈮鉭—稀土礦床的產(chǎn)出與堿性巖—碳酸巖巖漿活動密切相關(guān)，隨著巖漿的上侵—噴發(fā)沉積在不同的巖相形成不同的巖石類型和礦種組合，也構(gòu)成不同的礦床成因類型(表2)。在侵入相中形成與正長巖—碳酸巖有關(guān)的巖漿巖型鈮稀土礦床(廟埡、殺熊洞)；在爆發(fā)—溢流相中形成與粗面質(zhì)熔巖、粗面質(zhì)火山角礫巖有關(guān)的火山巖型鈮礦(天寶)；在噴發(fā)—沉積相中形成與粗面質(zhì)凝灰?guī)r、粗面質(zhì)火山碎屑巖有關(guān)的火山沉積型鈮鉭礦(土地嶺)[14]。

表2 鄂西北地區(qū)典型鈮鉭—稀土礦床特征表Table 2 Characteristics of typical Nb-TA-REE deposits in Northwest Hubei Province

3.1 廟埡鈮稀土礦床

廟埡含礦雜巖體呈近東西走向，向北傾斜，形似紡錘形。含礦雜巖體沿構(gòu)造脆弱帶侵入，雜巖體與地表圍巖產(chǎn)狀相同，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，具北緩南陡的特點。

巖體在侵入冷凝過程中形成不同結(jié)構(gòu)的正長巖，并受碳酸巖化交代作用的影響，形成一套獨有的蝕變正長巖類和碳酸巖類的巖石。根據(jù)巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物成分、含礦性等特點將區(qū)內(nèi)巖漿巖劃分成兩個大類——正長巖和碳酸巖,其中正長巖類主要包括正長巖、碳酸巖化正長巖、正長斑巖,碳酸巖類主要包括粗粒方解石碳酸巖、黑云母方解石碳酸巖、方解石碳酸巖和鐵白云石碳酸巖[1,18,22]。正長巖分布最廣泛，主要礦物為微斜長石和正長石，主要副礦物為鋯石，正長巖普遍受到后期碳酸巖巖漿交代；正長斑巖主要礦物為微斜長石和正長石，斑晶主要為正長石，搭成正三角形，細粒長石填充其中。碳酸巖呈大小不等的透鏡體或樹枝分叉復(fù)合體位于正長巖中，方解石碳酸巖的形成早于鐵白云石碳酸巖[18]。方解石碳酸巖主要礦物為方解石，少量磷灰石；鐵白云石碳酸巖主要礦物為鐵白云石、螢石、方解石，并有少量磷灰石[18]，碳酸巖類副礦物種類十分復(fù)雜。

廟埡鈮稀土礦床在成因上屬于與正長巖—碳酸巖侵入體有關(guān)的巖漿型礦床，廟埡雜巖體即是礦化體。全區(qū)共圈定礦體45個，其中鈮稀土礦體24個、鈮礦體14個、稀土礦體9個，礦體規(guī)模差異大。礦化富集與一定的巖相帶、蝕變帶有關(guān)，正長斑巖、(黑云母)方解石碳酸巖鈮稀土礦化發(fā)育；正長巖、碳酸巖化正長巖以鈮礦化為主，并有一定量的稀土礦化；(黑云母)方解石碳酸巖、方解石碳酸巖多構(gòu)成規(guī)模大品位富的鈮礦體；鐵白云石碳酸巖多是高品位的稀土礦體。含鈮礦物有鈮鐵礦、鈮金紅石、燒綠石等礦物，稀土礦物有獨居石、氟碳鈰礦、氟碳鈣鈰礦、磷灰石等礦物。

3.2 天寶鈮礦床

天寶鈮礦床是湖北省地質(zhì)調(diào)查院近年來新發(fā)現(xiàn)的大型鈮礦床，該礦床規(guī)模大、品位穩(wěn)定。礦化體主要賦存于早志留世粗面質(zhì)火山巖類中，受區(qū)域構(gòu)造控制呈北西向展布[23]，在竹溪縣巖屋溝—青巖溝—天寶一帶初步圈定4條鈮礦化帶，礦化帶延伸達數(shù)千米。含礦巖系有粗面質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、粗面巖、粗面質(zhì)熔結(jié)火山角礫巖等，粗面質(zhì)火山巖類具有比較明顯的流動構(gòu)造，主體為一套火山溢流相物質(zhì)。粗面質(zhì)熔巖中發(fā)育鉀長石和黑云母晶屑，膠結(jié)物礦物成分為微晶鉀長石、絹云母、黑云母等。

天寶鈮礦床在成因上屬于與粗面質(zhì)火山巖有關(guān)的火山巖型礦床，楊成等[24]認(rèn)為該礦床兼具有巖漿熱液型礦床的特征，主要含鈮礦物有易解石、燒綠石、鈦鐵礦、榍石等；稀土礦物以褐簾石為主，少量興安石和氟碳鈰礦，微量獨居石和氟碳鈣鈰礦(3)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區(qū)鈮多金屬礦普查報告，2021。。該礦床巖屋溝—青巖溝礦段普查工作估算潛在礦產(chǎn)資源：Nb2O594.43萬t，達特大型礦床規(guī)模(4)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北省竹溪縣巖屋溝—青巖溝地區(qū)鈮多金屬礦普查報告，2021。。

3.3 土地嶺鈮鉭礦床

土地嶺鈮鉭礦床也是湖北省地質(zhì)調(diào)查院近年來新發(fā)現(xiàn)的大型鈮鉭礦床。礦體主要賦存于志留系梅子埡組底部的一套粗面質(zhì)火山巖、粗面質(zhì)火山碎屑沉積巖中，呈近東西—北西西向展布，呈似層狀、脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，含礦巖石主要為粗面巖、粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、粗面質(zhì)(晶屑)凝灰?guī)r、(含晶屑)凝灰質(zhì)絹云千枚巖[14，25-26]。區(qū)內(nèi)共圈定6條礦體，其中鈮礦體2條、鈮鉭礦體2條、鈮(鉭)礦體2條，鈮礦體主要賦存于溢流相的粗面巖中，礦化程度與天寶鈮礦相當(dāng)；鈮鉭礦體主要賦存于噴發(fā)—沉積相中的粗面質(zhì)火山碎屑沉積巖中，其礦化程度約為鈮礦體的2～3倍。粗面質(zhì)熔巖主要礦物為堿性長石、斜長石，少量絹云母等礦物；粗面質(zhì)火山碎屑沉積巖中主要礦物為絹云母、堿性長石，少量石英等礦物。

土地嶺鈮鉭礦床在成因上屬于與粗面質(zhì)火山巖、粗面質(zhì)火山碎屑巖有關(guān)的火山—沉積型礦床。對鈮鉭礦石的礦物學(xué)研究表明，主要的含鈮鉭礦物有鈮鐵礦、鈮金紅石、含鈮鈦鐵礦、含鈮榍石、硅鋯鈮鈣鈉石，并且80%以上的鈮鉭主要是賦存于獨立礦物鈮鐵礦中(5)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，鄂西北地區(qū)火山巖型鉭鈮礦成礦機理與成礦預(yù)測研究報告，2020。。該礦床經(jīng)工程驗證估算的潛在礦產(chǎn)資源：Ta2O52 681 t，Nb2O510.48萬t(6)湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北省竹山縣土地嶺礦區(qū)鉭礦預(yù)查報告，2020。，達大型鈮鉭礦床規(guī)模。并且該礦床進一步的勘查工作顯示，礦體向深部延伸穩(wěn)定，有望擴大礦床規(guī)模。

4 巖石成因和源區(qū)

前人研究表明[14，20-21,24]，鄂西北地區(qū)堿性火山巖地球化學(xué)特征相似，全堿含量高，強烈富集Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素，虧損Sr、Ti、P等元素，與OIB具有相似的地球化學(xué)特征。萬俊等[21]研究認(rèn)為天寶粗面巖可能形成于幔源堿性巖漿的結(jié)晶分異作用；魯顯松等[14]認(rèn)為土地嶺粗面質(zhì)火山巖是幔源玄武質(zhì)巖漿演化的產(chǎn)物；王剛等[27]認(rèn)為鄰區(qū)紫陽—嵐皋地區(qū)粗面巖及堿性玄武巖形成于幔源巖漿強烈的結(jié)晶分異作用;Zhu Jiang等[15]、Xu C等[28]認(rèn)為廟埡、殺熊洞雜巖體中正長巖類與碳酸巖類密切共生，應(yīng)為同源不同階段演化的產(chǎn)物，廟埡碳酸巖可能由富CO2的堿性硅酸鹽熔漿經(jīng)多階段結(jié)晶分異而形成，是正長巖巖漿期后熔體/流體結(jié)晶分異的產(chǎn)物；Su等[18]研究認(rèn)為液態(tài)不混溶可能是廟埡碳酸巖的主要成因，富CO2的硅酸鹽巖漿結(jié)晶分異形成正長巖，不混溶形成了碳酸巖母巖漿，碳酸巖巖漿結(jié)晶分異形成了碳酸巖；Xu C等[20]認(rèn)為殺熊洞雜巖體地球化學(xué)特征及Sr-Nd同位素特征表明，堿性巖類與碳酸巖類均起源富CO2的堿性硅酸鹽熔漿，并經(jīng)過強烈的結(jié)晶分異作用形成。以上研究表明，正長巖—碳酸巖雜巖體是富CO2堿性硅酸鹽巖漿演化的產(chǎn)物，但其成因是液態(tài)不混溶作用，抑或是巖漿結(jié)晶分異作用，目前還存在一定爭論。

從已報道的同位素數(shù)據(jù)來看，殺熊洞正長巖及碳酸巖具有相似的87Sr/86Sr比值(分別為0.702 9～0.703 3和0.703 0～0.703 2)和εNd(t)值(分別為2.8～4，2.5～6)[20]；廟埡正長巖及碳酸巖亦具有相似的87Sr/86Sr比值(分別為0.701 1～0.705 2和0.703 6～0.704 1)和εNd(t)值(分別為2.6～5.5，1.0～3.2)[16,18]，同時也具有相似的鋯石Hf同位素組成(εHf(t)值范圍為0～8)[16]；天寶地區(qū)粗面巖的εNd(t)值為3.3～4.0，TDM為0.84～0.90 Ga[29]。根據(jù)以上同位素特征，結(jié)合前述近同時的成巖年齡來看，堿性巖與碳酸巖很可能為同一幔源巖漿演化的產(chǎn)物。

綜上所述，鄂西北地區(qū)堿性巖、碳酸巖在形成時間上是近同時的(420～440 Ma)，形成于早志留紀(jì)；在空間上均受北西向區(qū)域深大斷裂控制，其時空關(guān)系上存在緊密聯(lián)系。結(jié)合其相似的地球化學(xué)及同位素特征認(rèn)為，鄂西北地區(qū)堿性巖、碳酸巖為同一構(gòu)造—巖漿事件的產(chǎn)物，起源于幔源玄武質(zhì)巖漿的演化，具有HIMU、EM1和EM2的混合源區(qū)特征[15-16]，可能與殼源物質(zhì)再循環(huán)進入軟流圈地幔有關(guān)[30-32]。

5 動力學(xué)背景

南秦嶺地區(qū)廣泛出露的早古生代堿性巖、碳酸巖的產(chǎn)出背景主要有兩種模式：①大陸裂谷的強烈伸展環(huán)境[21,24,31]；②弧后盆地拉張環(huán)境[27,33-35]。這兩種模式所指示的拉張環(huán)境以及廣泛發(fā)育的堿性巖—碳酸巖，表明南秦嶺竹山—竹溪地區(qū)在早古生代處于巖石圈強烈伸展背景下，并存在幔源巖漿底侵上涌。自元古代中期到早古生代末，南秦嶺地區(qū)揚子板塊北緣持續(xù)發(fā)生伸展裂解活動[13]，在晚泥盆世—早志留世，商丹洋和二郎坪洋洋殼分別向北秦嶺陸塊相向俯沖[3]。萬俊等[21]、魯顯松等[14]對天寶粗面巖、土地嶺粗面質(zhì)火山巖地球化學(xué)構(gòu)造環(huán)境判別均顯示為板內(nèi)環(huán)境。以上表明，很可能是商丹洋洋殼的持續(xù)向北的俯沖作用，由于拉張作用在揚子板塊北緣形成了被動大陸邊緣裂谷，導(dǎo)致了南秦嶺地塊從揚子板塊分離，形成這些早古生代巖漿巖。

6 鈮鉭—稀土富集機制

對火山巖型鈮礦床Nb-Ta富集機制還存有“巖漿結(jié)晶分異說”[36]以及“熱液蝕變說”[24,26]之爭。朱江等[36]認(rèn)為堿性火山巖鈮(鉭)礦床成巖與成礦過程基本一致，巖漿結(jié)晶分異的過程即為鈮鉭元素富集的過程；而鐘石玉等[24,26]認(rèn)為巖漿晚期富F、CO2等揮發(fā)分的熱液流體使鈮鉭元素進一步活化富集。土地嶺、天寶地區(qū)粗面質(zhì)火山巖經(jīng)歷了強烈的結(jié)晶分異過程[14,21]，Nb、Ta為強不相容元素，其在巖漿演化過程中傾向富集于殘留熔體中，土地嶺鈮鉭礦、天寶鈮礦的熱液活動跡象并不明顯，礦石品位高低與蝕變作用并無明顯關(guān)系。這些證據(jù)都表明，火山巖型鈮(鉭)礦床中鈮鉭元素的富集與巖漿結(jié)晶分異作用關(guān)系密切，而與熱液蝕變作用關(guān)系不大。

7 結(jié)語

(1) 鄂西北地區(qū)富鈮鉭—稀土礦的堿性巖—碳酸巖形成于早志留世，其巖漿活動時間峰值范圍為420～440 Ma。

(2) 鄂西北地區(qū)的堿性巖與碳酸巖為幔源玄武質(zhì)巖漿演化的產(chǎn)物，具有HIMU、EM1和EM2的混合源區(qū)特征，可能與殼源物質(zhì)再循環(huán)進入軟流圈地幔有關(guān)；其形成背景可能為早古生代商丹洋洋殼的持續(xù)向北的俯沖，由于拉張作用在揚子板塊北緣形成被動大陸邊緣裂谷環(huán)境。