包民偉,康曉濤,李 蓓,王 昭,張?zhí)K蘇

(河南省第一地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001)

豫西盧氏一帶分布有上千條的偉晶巖脈,成礦地質(zhì)條件優(yōu)越,已探明的礦種就有錫鉭鈹?shù)V、鋰礦、鈾礦等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,稀有金屬、鈾等礦產(chǎn)的重要性不言而喻。偉晶巖型礦床作為一種獨(dú)特的礦床類型,對(duì)偉晶巖進(jìn)行地球化學(xué)研究,以此了解其與花崗巖體成因上的聯(lián)系。

灰池子復(fù)式巖體作為秦嶺造山帶核部規(guī)模最大的花崗巖體,李伍平等[1-2]對(duì)其做了大量地球化學(xué)方面的研究,發(fā)現(xiàn)灰池子巖體具有高SiO2、Al2O3、Na2O,低TiO2、MgO、K2O的特征。其微量元素特征與底侵玄武質(zhì)下地殼熔融形成的埃達(dá)克質(zhì)巖相似[3],屬鈣堿性系列,巖石富硅鈉貧鉀,成因類型為Ⅰ型。嚴(yán)陣等[4]采集的8件淇河序列花崗巖Rb-Sr全巖樣品,獲得Rb-Sr等時(shí)線年齡t=382 Ma,r=0.995 3,李伍平等[2]在河南省盧氏縣蔡家溝灰池子復(fù)式巖體北部蔡家溝序列谷谷庵單元采集了花崗巖樣品,給出單顆粒鋯石結(jié)晶年齡為(437±58) Ma。以往研究認(rèn)為灰池子巖體是地殼深部熔融巖漿經(jīng)過(guò)多次上侵活動(dòng)形成的,其源巖來(lái)源于更深的地殼下部。

研究區(qū)內(nèi)偉晶巖脈眾多,圍繞著灰池子巖體成群成帶展布。根據(jù)偉晶巖中云母種類的不同,將偉晶巖劃分為黑云母型、二云母型、白云母型、鋰云母型花崗巖。本次研究系統(tǒng)采集了不同類型偉晶巖的主量元素、微量元素、稀土元素地球化學(xué)樣品,開(kāi)展了地球化學(xué)研究,分析其與灰池子巖體成因上的關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于秦嶺—大別造山系北秦嶺造山帶東段,揚(yáng)子板塊與華北板塊拼合帶部位(圖1)[5]。秦嶺造山帶是華北克拉通與揚(yáng)子克拉通長(zhǎng)期匯聚形成的復(fù)合造山帶[6],經(jīng)歷多次造山運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)北秦嶺地層分區(qū)西峽—南召地層小區(qū)(表1),為一套元古界中深變質(zhì)的碎屑巖—碳酸鹽巖組合,以角閃巖相變質(zhì)巖系和變形變質(zhì)為主[7]。

表1 研究區(qū)地層巖性Tab.1 Stratigraphic lithology of the study area

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional geological sketch of the study area

圖2 花崗偉晶巖顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrograph of granitic pegmatite

巖漿巖歸屬秦祁昆巖漿巖省北秦嶺構(gòu)造巖漿巖帶[8],區(qū)域巖漿及熱液活動(dòng)頻繁,是本區(qū)多類礦產(chǎn)特別是偉晶巖型礦產(chǎn)形成的必要基礎(chǔ)。大地構(gòu)造位置處于秦嶺褶皺系北秦嶺褶皺帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,總體構(gòu)造線呈北西西向展布,與區(qū)域地層走向線大體一致。斷裂構(gòu)造帶顯示多次變形疊加的特征。

本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主構(gòu)造線走向?yàn)楸蔽魑飨?主要有朱夏斷裂和商丹斷裂。朱夏斷裂分布于北部官坡—五里川一帶,為多期次具韌—脆性多變特征的復(fù)合型斷裂帶。主斷裂呈北西西向延伸,傾向北北東,傾角60°～80°。沿走向及傾向均呈舒緩波狀,力學(xué)性質(zhì)屬壓性、壓扭性,沿?cái)嗔褞r石擠壓破碎強(qiáng)烈,具糜棱巖化、片理化、千枚巖化及硅化等。斷裂帶旁側(cè)的次級(jí)斷裂發(fā)育,影響寬度達(dá)千米。獅子坪斷裂為朱夏斷裂的次級(jí)近平行斷裂,出露于獅子坪附近,走向?yàn)楸蔽魑飨?傾向北北東或南西,傾角55°～85°,發(fā)育有碎裂巖、碎粉巖和斷層泥等,表現(xiàn)為脆性擠壓特征。

研究區(qū)偉晶巖脈眾多,廣泛侵位于中新元古界峽河巖群、古元古界秦嶺巖群地層中,空間上受北秦嶺構(gòu)造巖漿巖帶控制。其形態(tài)多呈脈狀、也可見(jiàn)分枝狀、透鏡狀、囊狀、膨大收縮狀等。巖脈長(zhǎng)度20～1 000 m,多集中于200～500 m,厚度為0.4～2.0 m。

區(qū)內(nèi)灰池子巖體的主要巖石類型為英云閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖,具中細(xì)粒結(jié)構(gòu)、和似斑狀結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造。李伍平等[2]通過(guò)采集灰池子巖體代表性的巖石樣品進(jìn)行了主量元素和微量元素、Nd和Sr同位素分析。分析認(rèn)為,灰池子巖體花崗巖具有高SiO2、Al2O3、Na2O,低TiO2、MgO、K2O,其中Na2O>K2O;A/NK比值為1.33～1.70;里特曼指數(shù)δ為1.46～2.25,灰池子花崗巖屬于鈣堿性花崗巖。輕稀土元素富集(La/Yb),Eu為負(fù)—弱正異常,微量元素Sr/Y為47.87～114.36,大離子親石元素(Rb、Ba、Th、Sr等)相對(duì)富集,高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Ti、Zr)相對(duì)虧損。同位素組成比較均勻,0.51 231

2 偉晶巖的巖石學(xué)特征

研究區(qū)內(nèi)的花崗偉晶巖脈具備水平和垂向分帶特征。水平上主要表現(xiàn)為以灰池子巖體為中心向外依次為黑云母型、二云母型、白云母型和鋰云母型花崗偉晶巖。在垂向上,從下向上可分為4種不同類型的花崗偉晶巖帶:①黑云母型花崗偉晶巖;②二云母型花崗偉晶巖;③白云母型花崗偉晶巖;④鋰云母型花崗偉晶巖。各類型偉晶巖巖石學(xué)特征見(jiàn)表2。

表2 偉晶巖巖石學(xué)特征Tab.2 Petrological characteristics of pegmatite

3 偉晶巖地球化學(xué)特征

對(duì)研究區(qū)不同類型花崗偉晶巖樣品的主量元素、微量元素和稀土元素含量進(jìn)行了檢測(cè)。

3.1 主量元素地球化學(xué)特征

主量元素分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,研究區(qū)的偉晶巖樣品明顯具有高硅、富鋁、富堿、低鐵鎂鈣的特征:SiO2含量61.36%～79.13%;Al2O3含量10.74%～17.80%;K2O含量0.62%～5.83%;Na2O+ K2O含量5.34%～9.01%;Fe2O3含量0.07%～2.07%;MgO含量0.03%～0.48%,小于1%;CaO含量0.04%～2.44%。K、Na、Si含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Fe、Mg、Ca,反映偉晶巖母巖漿可能與花崗質(zhì)巖漿有成因關(guān)系。

表3 主量元素分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of principal elements

偉晶巖的選擇性地球化學(xué)圖解如圖3所示。在TAS圖解上(圖3(a),樣品多數(shù)落入花崗巖區(qū)。在A/NK—A/CNK判別圖上(圖3(b)),樣品投點(diǎn)均落入過(guò)鋁質(zhì)巖漿巖區(qū),反映了偉晶巖鋁過(guò)飽和的特點(diǎn)。其中,鋰云母花崗偉晶巖的鋁飽和程度最高。

圖3 偉晶巖的選擇性地球化學(xué)圖解Fig.3 Selective geochemistry diagram of pegmatite

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

偉晶巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖[9]如圖4所示。由圖4可知,偉晶巖虧損元素主要為:La、Th、Ce、Eu、Nd;富集元素主要為:Rb、Ta、U、Nb、Pb。

圖4 偉晶巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解Fig.4 Primitive mantle standardization diagram of trace elements in pegmatite

虧損元素主要為稀土元素La、Ce、Eu、Nd和Th,這幾種不相容元素在巖漿熱液的礦物結(jié)晶過(guò)程中趨向于在液相中富集。偉晶巖富集Rb是因?yàn)镽b與Na、K都屬于第一主族堿金屬元素,Rb的原子結(jié)構(gòu)半徑和地球化學(xué)性質(zhì)與Na、K相近,它們共同富集。而Ta、Nb富集,則可能暗示巖漿受到了地殼的混染。

3.3 稀土元素地球化學(xué)特征

偉晶巖稀土參數(shù)見(jiàn)表4。由表4可知,偉晶巖普遍輕稀土相對(duì)富集,重稀土相對(duì)虧損,但不同類型的偉晶巖分餾系數(shù)又有很大差別,鋰云母型花崗偉晶巖分餾系數(shù)明顯大于白云母型花崗偉晶巖分餾系數(shù)。鋰云母型花崗偉晶巖分餾系數(shù)LREE/HREE比值平均6.69,最高9.53,而白云母型花崗偉晶巖分餾系數(shù)LREE/HREE比值平均只有1.86,最高只有2.53,分餾較弱,反映偉晶巖漿在后期發(fā)生了更加強(qiáng)烈的分異作用。也正是巖漿的強(qiáng)烈分異作用,才能使稀有金屬富集成礦。

表4 偉晶巖稀土參數(shù)Tab.4 Rare earth parameters of pegmatite

偉晶巖稀土模式如圖5所示。偉晶巖稀土模式為右傾型,反映稀土元素已經(jīng)發(fā)生了分餾作用。不同類型的偉晶巖Eu異常特征不同。普通白云母花崗偉晶巖顯示明顯的負(fù)異常,含錫石白云母花崗偉晶巖、鋰云母花崗偉晶巖顯示微弱的負(fù)異常。黑云母型花崗偉晶巖Eu顯示微弱的正異常,這一點(diǎn)與其他類型花崗偉晶巖明顯不一致。Eu負(fù)異常指示本區(qū)偉晶巖形成環(huán)境是還原環(huán)境,在還原環(huán)境下,一般呈+3價(jià)的Eu3+變成了Eu2+,進(jìn)入了早期結(jié)晶的含Ca斜長(zhǎng)石中。巖漿演化至白云母?jìng)ゾr階段,高Na、高K、貧Ca,所以,貧Eu,致Eu負(fù)異常。

圖5 偉晶巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解[12]Fig.5 Standardization diagram of pegmatite REE chondrite[12]

在稀土模式圖上,Ce負(fù)異常表現(xiàn)較為明顯,其原理與Eu負(fù)異常相似。Ce負(fù)異常也可能是巖漿源區(qū)巖石熔融時(shí),有大量Ce相對(duì)富集的斜長(zhǎng)石殘留所致,暗示巖漿可能來(lái)源于地殼或上地幔巖石圈的熔融作用。從灰池子巖體到花崗偉晶巖的∑REE含量大幅度下降可能與富稀土礦物(榍石、磷灰石等)大量殘留在巖體內(nèi)有關(guān)。

4 討論

研究區(qū)內(nèi)各類型偉晶巖均產(chǎn)出于灰池子巖體周?chē)?且具有相近的巖石地球化學(xué)特征。從主量元素上來(lái)看,各類花崗偉晶巖均為富硅、鋁的過(guò)鋁質(zhì)鈣堿性巖石,稀土元素分配模式圖均為L(zhǎng)REE強(qiáng)烈分餾的右傾式,原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖均以富集Rb、Ta、Hf、Ti,虧損Ba、La、Sm、Y為特征。同一個(gè)巖漿房可以產(chǎn)出不同批次的偉晶巖流體,分異程度較高的偉晶巖流體往往距巖體較遠(yuǎn),研究認(rèn)為這幾種花崗偉晶巖應(yīng)屬同一源區(qū)。

除分異程度較低的黑云母型花崗偉晶巖外,白云母型與鋰云母型花崗偉晶巖均富集Li、Rb、Cs、Ta、Be等微量元素,稀土元素分配模式圖均呈現(xiàn)強(qiáng)烈的稀土元素四分組效應(yīng),各類花崗偉晶巖∑REE相對(duì)含量低,在Cerny地球化學(xué)分類法[13]中屬于LCT型偉晶巖,LCT型偉晶巖多與S型或I型花崗巖有關(guān)。目前大多數(shù)學(xué)者均認(rèn)為花崗偉晶巖源自巖漿殘余熔體。區(qū)內(nèi)花崗偉晶巖中熔融包裹體的存在證明該區(qū)花崗偉晶巖屬巖漿成因。

區(qū)內(nèi)各類花崗偉晶巖和灰池子巖體同屬于過(guò)鋁質(zhì)鈣堿性巖?；页刈訋r體與分異程度較低的黑云母型花崗偉晶巖具有相近的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解,在微量元素原始地幔蛛網(wǎng)圖中,除Ba、Ta、Sr外,也具有相近的分布型式。元素比值與分異指數(shù)DI變化圖解如圖6所示。

圖6 元素比值與分異指數(shù)DI變化圖解Fig.6 Change diagram of element ratio and differentiation index DI

灰池子巖體微量元素的另一個(gè)重要特征為其高的Sr/Y(55～158)比值[14],三類花崗偉晶巖同樣具有高的Sr/Y(25～1 200)比值。微量元素常為巖漿分異演化程度提供重要信息,隨著巖漿分異演化程度的增強(qiáng),K/Rb、Nb/Ta、Ba/Rb比值明顯降低,Ga/Sc比值明顯升高[15]。通過(guò)灰池子巖體與花崗偉晶巖K/Rb、Nb/Ta、Ba/Rb、Ga/Sc與DI變化圖解(圖6)可以看出,從灰池子巖體到黑云母型花崗偉晶巖、二云母型花崗偉晶巖、白云母型花崗偉晶巖與鋰云母型花崗偉晶巖,巖漿分異演化程度不斷增強(qiáng)。通過(guò)花崗偉晶巖與灰池子巖體緊密的時(shí)空關(guān)系及相似的巖石地球化學(xué)特征推測(cè)以上各類偉晶巖來(lái)源于灰池子巖體的殘余巖漿,且從黑云母型花崗偉晶巖、二云母型花崗偉晶巖、白云母型花崗偉晶巖到鋰云母型花崗偉晶巖巖漿分異演化程度依次升高。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)偉晶巖具有如下地球化學(xué)特征:主量元素表現(xiàn)為高硅、富鋁、富堿、低鐵鎂鈣;微量元素表現(xiàn)為Rb、Ta、U、Nb、Pb富集,La、Th、Ce、Eu、Nd稀土元素稀土含量極低,最低值為0.20×10-6,平均只有9.44×10-6,輕稀土相對(duì)富集,重稀土相對(duì)虧損,其中,鋰云母型花崗偉晶巖稀土含量最低,黑云母型偉晶巖稀土含量相對(duì)最高,白云母型花崗偉晶巖介于二者之間。

(2)從黑云母型偉晶巖、白云母型偉晶巖到鋰云母型偉晶巖,主量元素Fe、Mg、Ca含量逐漸降低,而其他元素含量并沒(méi)有顯示明顯降低或升高趨勢(shì)。Fe、Mg、Ca含量逐漸降低主要是由于暗色礦物黑云母逐漸減少所致。偉晶巖稀土總量普遍低,反映隨著巖漿分異作用的進(jìn)行,稀土元素不斷從液相進(jìn)入固相,最后殘余的偉晶巖漿中稀土元素含量不斷減少。稀有金屬Li、Be、Cs、Nb、Ta、Sn含量都具有逐漸富集的趨勢(shì),主要是因?yàn)檫@些元素主要為不相容元素,在偉晶巖漿不斷結(jié)晶過(guò)程中,它們更傾向存在于熔體相中。

(3)各類型偉晶巖主量元素、稀土元素、微量元素地球化學(xué)特征基本一致,反映該區(qū)偉晶巖在成因上具有一致性。偉晶巖可能是花崗質(zhì)巖漿演化的產(chǎn)物,花崗質(zhì)巖漿可能是深部地殼和上地幔巖石圈熔融作用的產(chǎn)物,在其上升過(guò)程中受到地殼的混染。