吳義布, 余君鵬,2*, 司豪佳, 褚廣博, 司東澤, 王懷濤, 曹曉鋒

(1．甘肅省地質(zhì)調(diào)查院, 蘭州 730000; 2.蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院, 蘭州 730000;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院, 武漢 430074)

鈮鉭礦是具有戰(zhàn)略意義的稀有金屬礦產(chǎn)資源[1-5],也是中國稀缺的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要資源[6]。余石山鈮鉭礦是甘肅省地質(zhì)調(diào)查院近年來在祁連西段地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)的大型變粒巖型鈮鉭礦床[7-8],礦床類型與已報(bào)到的巖漿巖型和沉積型鈮鉭礦不同,礦體產(chǎn)于前寒武紀(jì)變質(zhì)巖地層中,含礦巖石是長英質(zhì)變粒巖,層控特征明顯[8-9],礦床類型、地質(zhì)特征及成因與中外已報(bào)道的鈮鉭礦床差異明顯,是一種新類型鈮鉭礦[10],由于變粒巖型鈮鉭礦含礦地層延伸穩(wěn)定,主要礦體規(guī)模大、品位較穩(wěn)定,因此余石山鈮鉭礦的發(fā)現(xiàn)對中國尋找鈮鉭礦和鈮鉭等戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)保障有重要的指示意義。目前針對該礦床地質(zhì)特征、地球化學(xué)、成巖成礦年代、礦床成因等有一些探索性研究[9,11-15],但關(guān)于余石山鈮鉭礦含礦地層歸屬和原巖層序等基本認(rèn)識(shí)仍比較混亂,鋯石U-Pb測年結(jié)果顯示這套地層形成時(shí)代為790～843 Ma[11,13],即新元古代,而目前發(fā)表的研究成果均將這套地層歸屬于中元古代長城紀(jì)熬油溝組(Cha)[9-14],熬油溝組是一套火山巖與碳酸鹽巖石組合(無變粒巖),因此不管是地層形成時(shí)代還是物質(zhì)組分存在明顯矛盾,這已嚴(yán)重制約該礦床系統(tǒng)深入研究、含礦地層區(qū)域?qū)Ρ群椭衅钸B變粒巖型鈮鉭礦進(jìn)一步找礦。

為解決這一基礎(chǔ)地質(zhì)問題,在梳理前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過對余石山變粒巖原巖類型及形成時(shí)代、鈮鉭礦含礦地層研究和區(qū)域?qū)Ρ?建議在甘肅省阿克塞縣阿克旗鄉(xiāng)余石山一帶新建新元古代余石山巖組,進(jìn)一步分析了余石山巖組原始層序、形成和演化過程,為區(qū)域地層對比、變粒巖型鈮鉭礦成礦研究和找礦提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

余石山鈮鉭礦床位于阿爾金造山帶、祁連造山帶和柴北緣微地塊全吉地塊交匯疊加部位(圖1),北為阿爾金北緣地塊,南為全吉地塊,西為紅柳溝拉配泉蛇綠混雜巖帶,東為中南祁連弧盆系,主體位于中祁連地塊西段。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)演化[15-19],巖漿活動(dòng)和構(gòu)造變形極為發(fā)育,形成了豐富的礦產(chǎn)資源[6],其中以石棉礦、鈮鉭、錳、銅等礦產(chǎn)資源最為豐富。區(qū)域出露地層為古元古代達(dá)肯達(dá)坂巖群(Pt1D.),長城紀(jì)熬油溝組(Cha)、薊縣-青白口紀(jì)冰溝南組(JxQbb)、新元古代余石山巖組(Pt3ys.,原為熬油溝組Cha)、寒武-奧陶紀(jì)拉配泉巖群(∈OLp.)、石炭-二疊紀(jì)(CPy),如圖1所示,其中余石山鈮鉭礦產(chǎn)于新元古代余石山巖組中,這套地層原來被認(rèn)為是長城紀(jì)熬油溝組地層[9-14]。

1為第四系;2為石炭-二疊紀(jì)因格布拉克組/寒武-奧陶紀(jì)拉配泉群;3為新元古代余石山巖組/薊縣-青白口紀(jì)冰溝南組;4為長城紀(jì)熬油溝組/古元古代達(dá)肯達(dá)坂巖群;5為二長花崗巖/英云閃長巖;6為逆斷層/平移斷層;7為鈮鉭礦床/性質(zhì)不明斷層;8為地質(zhì)剖面圖1 余石山一帶大地構(gòu)造位置和地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖(改自文獻(xiàn)[7])Fig.1 Geotectonic location of the Yushishan area and Geological ore deposit sketch Map(modified from the ref. [7])

巖漿巖分布在余石山礦區(qū)北、北西和南側(cè)(圖1、圖2),出露面積大小不等,一般不到10 km2,呈巖株?duì)?、透鏡狀產(chǎn)出,侵入時(shí)代主要為二疊紀(jì)。主要為二長花崗巖,次為英云閃長巖,其中二長花崗巖在主要分布于余石山北、北西和南側(cè),侵入于達(dá)肯達(dá)坂巖群、長城紀(jì)熬油溝組(Cha)和薊縣-青白口紀(jì)冰溝南組(JxQbb)中。英云閃長巖產(chǎn)于在余石山北西側(cè),侵入于薊縣-青白口紀(jì)冰溝南組(JxQbb)中,產(chǎn)于二長花崗巖邊部。

圖2 余石山鈮鉭礦地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological map of Yushishan Nb-Ta ore deposit

研究區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,主要表現(xiàn)為一系列不同尺度的近東西向、北東東向和北西西斷裂,尤以層間斷裂最為常見,斷裂性質(zhì)以逆平移斷層為主(圖2)。

2 新元古代余石山巖組地質(zhì)特征

2.1 產(chǎn)出特征

區(qū)域上,余石山巖組主要分布在中祁連地塊西段余石山一帶,下伏地層為長城紀(jì)熬油溝組(圖2),二者接觸關(guān)系為斷層接觸,地層總體呈近東西向展布、北傾,北臨阿爾金斷裂(圖1)。內(nèi)部巖石組合為大理巖、長英質(zhì)變粒巖、鈮鉭礦帶(巖性為長英質(zhì)變粒巖)和斜長角閃巖,受到后期構(gòu)造影響,發(fā)生了層間滑動(dòng),大理巖、長英質(zhì)變粒巖與斜長角閃巖之間多表現(xiàn)為斷層接觸(圖2),地表和深部鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明:鈮鉭礦化帶頂?shù)装寰鶠榇罄韼r。

2.2 分層地質(zhì)特征

余石山巖組以阿克塞縣阿克旗鄉(xiāng)余石山鈮鉭礦區(qū)主溝一帶剖面最為典型,該剖面露頭較連續(xù),總體呈北傾,依據(jù)1∶2 000實(shí)測地質(zhì)-化探剖面(圖3)。

實(shí)測剖面顯示,余石山巖組巖性組合總體特征表現(xiàn)為大理巖-變粒巖交互產(chǎn)出,特別是鈮鉭主礦帶(剖面第5層)呈層狀產(chǎn)出,頂?shù)装逡话銥榇罄韼r[圖4(a)～圖4(c)],主礦帶變粒巖中Nb、Ta、La、Ce、Y等元素含量較高,Nb含量為177.90～1 182.10×10-6,Ta含量為16.20～85.17×10-6, La含量為209.48 ～755.88×10-6,Ce含量為342.80～1 464.12×10-6,Y含量為139.23～450.13×10-6,變粒巖鈮鉭礦石中礦石礦物肉眼一般難以觀察到[圖4(d)、圖4(e)],頂?shù)装宕罄韼r中這些金屬元素含量很低(Nb<10×10-6,Ta<1×10-6,La、Ce、Y均低于20×10-6)。

圖4 余石山鈮鉭主礦帶與礦石特征Fig.4 Yushishan Nb-Ta ore belt output and ore characteristics

3 余石山巖組原巖類型、成巖時(shí)代與區(qū)域?qū)Ρ?/h2>

3.1 原巖類型

目前對研究區(qū)變粒巖原巖類型仍存在爭議。賈志磊[11]通過礦物組合、巖石地球化學(xué)等特征研究, 認(rèn)為變粒巖的原巖為正長巖。陳威等[13]通過不活動(dòng)元素指標(biāo)和圖解研究也認(rèn)為變粒巖原巖為中酸性火成巖, 結(jié)合變粒巖中存在變余火山碎屑結(jié)構(gòu), 判斷原巖為中酸性火山巖, 可能為粗面巖或堿流巖, 并對其形成構(gòu)造背景進(jìn)行研究判定, 認(rèn)為形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境。

變粒巖主要由石英和長石組成, 僅通過地球化學(xué)手段恢復(fù)原巖存在多解性,需結(jié)合巖石和礦帶野外產(chǎn)狀才能準(zhǔn)確確定。根據(jù)近10年來1∶50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、1∶50 000稀有金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查和鈮鉭礦勘查工作和研究, 發(fā)現(xiàn)余石山變粒巖野外總體呈層狀產(chǎn)出(圖2、圖3),多與大理巖地層交互出現(xiàn),鈮鉭礦帶普遍呈層狀順層產(chǎn)于變粒巖中[圖4(a)～圖4(c)], 延伸穩(wěn)定、長度在10 km以上, 層控特征明顯, 此外變粒巖中存在變余火山結(jié)構(gòu)[13]。 因此,在前人通過原巖恢復(fù)均判別出余石山變粒巖原巖位中酸性巖漿巖的一致認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合野外調(diào)查和研究, 認(rèn)為研究區(qū)變粒巖為中酸性火山巖, 可能為粗面巖或堿流巖, 與陳威等[13]的研究結(jié)果一致。

3.2 成巖時(shí)代

已報(bào)道研究成果均認(rèn)為余石山礦區(qū)變粒巖原巖成巖時(shí)代為新元古代[9-11,13]。賈志磊[11]通過含礦變粒巖中巖漿鋯石U-Pb測年, 認(rèn)為成礦母巖形成于829.4 Ma。Yu等[14]對含礦變粒巖中巖漿鋯石U-Pb測年結(jié)果為791～833 Ma, 認(rèn)為原巖形成年齡為 812～814 Ma, 認(rèn)為在新元古代發(fā)生了一次重要鈮鉭礦化作用, 與Rodinia超大陸的裂解有關(guān)。Liu等[20]通過鋯石U-Pb和榍石測年研究認(rèn)為余石山地區(qū)主要有兩期熱事件, 第一期發(fā)生在790～834 Ma(鋯石U-Pb年齡), 第二期發(fā)生在470～490 Ma(榍石和鋯石)。綜上, 結(jié)合同期區(qū)域構(gòu)造演化[21-24], 認(rèn)為變粒巖中巖漿鋯石形成年齡代表了原巖形成年齡, 為790～834 Ma, 區(qū)域上與Rodinia超大陸的裂解對應(yīng)。

因此,余石山變粒巖原巖形成時(shí)代為新元古代,與已發(fā)表余石山鈮鉭礦含礦地層為中元古代長城紀(jì)熬油溝組的認(rèn)識(shí)[10-14]存在明顯矛盾,較大程度上影響了含礦地層區(qū)域?qū)Ρ?進(jìn)而制約了中祁連地區(qū)變粒巖型鈮鉭礦進(jìn)一步找礦突破,需要將這套地層從熬油溝組中解體出來,依托本次余石山鈮鉭礦的研究成果,以點(diǎn)到面,推動(dòng)區(qū)域上熬油溝組地層解體和變粒巖型鈮鉭礦地層的發(fā)現(xiàn),同時(shí)為后續(xù)研究提供一個(gè)基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

3.3 區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

中祁連西段新元古界地層為多若諾爾群,《中國區(qū)域地質(zhì)志 甘肅志》對多若諾爾群定義:為發(fā)育于中祁連西部的不整合或平行不整合于下伏待建系-青白口系窯洞溝組之上的一套低級變質(zhì)的淺海相碎屑巖、基-酸性火山熔巖、火山碎屑巖、沉火山碎屑巖和碳酸鹽巖組合序列,其巖性和厚度變化較大[25]。余石山巖組的主要巖石組合為長英質(zhì)變粒巖、大理巖和斜長角閃巖,與多若諾爾群巖性組合、變質(zhì)程度差異明顯、無法對比。因此,根據(jù)區(qū)域?qū)Ρ?需要對余石山巖組歸屬問題需要重新厘定,且需要建立新的巖石地層單元,即新元古代余石山巖組。

4 余石山巖組原巖層序及形成過程

余石山巖組巖石組合總體為大理巖與變粒巖及斜長角閃巖交互產(chǎn)出的特征(圖3),研究表明,變粒巖原巖為中酸性火山巖建造,可能主要為粗面巖或堿流巖[13]。陳威等[13]研究了余石山鈮鉭礦變粒巖原巖構(gòu)造背景,認(rèn)為其形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境,與區(qū)域上同期較為廣泛的火山活動(dòng)[26-27]可以進(jìn)行對比,并可能與Rodinia超大陸裂解有關(guān)。

綜上,結(jié)合余石山巖組地質(zhì)剖面特征(圖3),余石山巖組形成、演化過程簡要總結(jié)如下。

(1)成巖期。790～834 Ma, Rodinia超大陸的裂解,在中祁連西段陸內(nèi)裂解作用,形成了富含Nb、Ta、La、Ce、Y等稀有稀土元素火山巖建造;在火山爆發(fā)間歇期,火山巖上部沉積了碳酸鹽建造,在余石山地區(qū)形成了與鈮鉭礦化火山巖與碳酸鹽巖交互產(chǎn)出的原始層序特征(圖5)

圖5 余石山巖組形成、演化過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the formation process of the Yushishan Formation

(2)變質(zhì)變形期。450～510 Ma,區(qū)域上柴北緣全吉地塊、阿爾金北緣地塊、中祁連地塊西段,處于板塊匯聚俯沖構(gòu)造環(huán)境[23-24,28-31],受區(qū)域構(gòu)造作用和區(qū)域變質(zhì)作用控制,形成了如今變粒巖與大理巖交互產(chǎn)出特征(圖3、圖5),在余石山巖組內(nèi)部形成了一系列次級層間斷裂,導(dǎo)致大理巖與其他巖性之間斷層接觸關(guān)系十分普遍(圖2、圖3),巖層厚度多發(fā)生了減薄,并導(dǎo)致變粒巖中礦物具定向性[圖4(d)、圖4(e)]。這套巖石組合層狀分布,延伸穩(wěn)定,與野外觀測到礦區(qū)存在規(guī)模巨型層狀分布的變粒巖型鈮鉭礦化帶特征相吻合(圖4)。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合大量野外調(diào)查結(jié)果,確定余石山一帶變粒巖原巖為中酸性火山巖,呈層狀產(chǎn)出,形成時(shí)代為新元古代, 區(qū)域上與Rodinia超大陸的裂解對應(yīng)。

(2)通過物質(zhì)組分和形成時(shí)代等方面研究和區(qū)域?qū)Ρ?都需將余石山鈮鉭礦含礦地層從中元古代長城紀(jì)熬油溝組中解體出來,作為一個(gè)新的巖石地層單元(新元古代余石山巖組),為區(qū)域地質(zhì)工作和中祁連變粒巖型鈮鉭礦成礦找礦研究提供了基礎(chǔ)。

(3)余石山巖組(Pt3ys.)定義如下:產(chǎn)于中祁連地塊西段余石山鈮鉭礦及外圍一帶,形成于新元古代的一套火山巖和碳酸鹽巖組合,主要巖性為灰白色大理巖、灰色變粒巖(多富含Nb-Ta-Zr-La-Ce-Y)、深灰色斜長角閃巖組合,不同巖性之間為層間斷裂接觸關(guān)系。

(4)余石山巖組形成過程主要分為兩期:成巖期,790～834 Ma, 形成了富含Nb、Ta、La、Ce、Y等稀有稀土元素火山巖與碳酸鹽巖交互產(chǎn)出原巖組合;變質(zhì)變形期,450～510 Ma,受區(qū)域構(gòu)造作用和區(qū)域變質(zhì)作用控制,形成了如今變粒巖與大理巖交互產(chǎn)出的格局,大理巖與其他巖性層間斷層接觸十分普遍,巖層厚度多發(fā)生了減薄,變粒巖中礦物多具定向性。

(5)后續(xù)地質(zhì)調(diào)查和找礦過程中應(yīng)注意熬油溝組地層中余石山巖組的解體工作,為中祁連地區(qū)變粒巖型鈮鉭礦找礦提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。