引用本文
薛洪富, 曾道国, 向明坤, 忙是才, 张安. 黔西北峨眉山玄武岩顶部Fe-Al岩系特征及其三稀元素富集特点[J].中国地质调查, 2021,8(5): 25-34.
XUE Hongfu, ZENG Daoguo, XIANG Mingkun, MANG Shicai, ZHANG An. Characteristics of Fe-Al rock series on the top of Emeishan basalt in northwestern Guizhou Province and enrichment characteristics of its three rare elements[J].Geological Survey of China, 2021,8(5): 25-34.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.05.04
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黔西北峨眉山玄武岩顶部Fe-Al岩系特征及其三稀元素富集特点
薛洪富, 曾道国, 向明坤, 忙是才, 张安
贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院,贵州 贵阳 550005
通信作者简介: 曾道国(1969—),男,高级工程师,主要从事矿产地质勘查与研究工作。Email: 826845843@qq.com。

第一作者简介: 薛洪富(1988—),男,硕士,主要从事矿产地质勘查与构造控矿研究工作。Email: gzysxhf@163.com。

收稿日期: 2020-09-22 修回日期: 2021-06-29
基金资助: 贵州省“新兴产业矿产资源调查评价(编号: 2019-04)”项目资助
摘要

黔西北峨眉山玄武岩顶部普遍发育Fe-Al岩系。为查明峨眉山玄武岩顶部Fe-Al岩系特征,探讨其三稀元素富集特点,开展了针对峨眉山玄武岩顶部Fe-Al岩系的野外调查。调查结果显示: 当峨眉山玄武岩上覆地层分别为宣威组或龙潭组时,峨眉山玄武岩顶部风化壳Fe-Al岩系表现出明显差异。样品测试结果表明: Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE等三稀元素含量丰富,具有很好的找矿前景,宣威组Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE含量更高,尤其是Nb和REE。Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE等三稀元素富集为峨眉山玄武岩风化初始富集和后期改造再次富集作用的结果。

关键词: Fe-Al岩系; 三稀元素; 元素富集; 峨眉山玄武岩; 黔西北
中图分类号:P588.22;P588.145;P618.7;P595 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)05-0025-10
Characteristics of Fe-Al rock series on the top of Emeishan basalt in northwestern Guizhou Province and enrichment characteristics of its three rare elements
XUE Hongfu, ZENG Daoguo, XIANG Mingkun, MANG Shicai, ZHANG An
Academy of Geological and Mineral Exploration, Guizhou Nonferrous Metal and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau, Guizhou Guiyang 550005, China
Abstract

The Fe-Al rock series is widely developed on the top of the Emeishan basalt in northwestern Guizhou Province. In order to ascertain the characteristics of the Fe-Al rock series and explore the enrichment characteristics of its three rare elements, the authors carried out a field survey on it. The results show that the Fe-Al rock series as the weathering crust at the top of the Emeishan basalt is apparently different when the overlying stratum is Xuanwei Formation (P3 x) or Longtan Formation(P3 l). Sample test results show that the Fe-Al rock series is rich in three rare elements such as Sc, Nb, REE, with great prospecting prospects. The Sc, Nb and REE contents of the Fe-Al rock series with Xuanwei Formation (P3 x) is higher than that of the Fe-Al rock series with Longtan Formation (P3 l), especially Nb and REE. The Sc, Nb and REE concentration in the Fe-Al rock series is an outcome of combined action of the initial enrichment weathering and the late beneficiation reformation on the Emeishan basalt.

Keyword: Fe-Al rock series; three rare elements; element concentration; Emeishan basalt; northwestern Guizhou Province
0 引言

随着战略性新兴产业领域的蓬勃发展, 战略性矿产作为新兴产业发展的资源保障作用愈发突出。近几年, 相关地勘单位与学者对我国三稀矿产做了大量的研究工作, 分析了成矿规律和资源潜力, 探讨了找矿方向和找矿方法, 总结了国内外三稀矿产找矿成果及研究进展, 论述了其分布特征、富集规律及赋存状态[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]。

近年来, 相关学者注意到在黔西北峨眉山玄武岩顶部风化壳内赋存了Sc、Nb、REE等三稀资源, 并取得一定认识[11, 12, 13, 14, 15]: Sc、Nb、REE赋存于一套铁、铝质黏土岩中, Sc的赋存状态主要以离子吸附型为主, 类质同象为辅, REE主要以离子吸附、类质同象等形式赋存(不排除稀土独立矿物的存在), 峨眉山玄武岩和凝灰岩可能为三稀矿产资源提供了成矿物源。但目前缺少关于峨眉山玄武岩顶部与宣威组或龙潭组不整合接触面的岩性组合特征与不同岩性Sc、Nb、REE含量的分析。为此, 对峨眉山玄武岩顶部与上覆宣威组/龙潭组接触不整合界面进行了系统测量及取样测试, 首次对该不整合接触面风化壳岩性组合特征与Sc、Nb、REE富集特点进行分析, 以期对开展贵州峨眉山玄武岩区Sc、Nb、REE等三稀矿产资源勘查具有一定的借鉴意义。

1 地质背景

研究区位于上扬子陆块和江南复合造山带交汇处(图1(a)), 经历了挤压、陆内裂陷和挤压造山演化[16, 17, 18, 19, 20, 21]。区内陆内裂陷以中二叠世晚期峨眉山玄武岩强烈喷溢为显著特征, 标志着进入裂陷鼎盛时期。贵州境内, 峨眉山玄武岩呈西厚东薄的分布规律, 西部厚度一般为600~800 m, 最厚1 249 m, 东部厚度一般小于100 m, 甚至逐渐尖灭; 总面积约为30 000 km2, 大致在毕节— 织金— 安顺— 兴仁连线以西地区成片分布, 在瓮安、福泉、息烽、黔西及贵阳一带零星分布(图1(b))。中二叠世末期随着地壳不断抬升, 峨眉山玄武岩暴露地表, 长期遭受风化[13, 14], 形成丰富的峨眉山玄武岩风化物。在频繁海侵、海退过程中, 风化物不断沉积、改造, 在峨眉山玄武岩顶部形成富含铁、铝的风化壳沉积, 为Sc、Nb、REE等三稀元素提供了富集场所和成矿物源。

图1 研究区峨眉山玄武岩等厚线[21]
(a).贵州省构造分区图; (b).贵州省峨眉山玄武岩分布图; 1.等厚线, m; 2.点位厚度, m; 3.省界; 4.三级构造单元界线; 5.研究区范围Fig.1 Geological map of the isopach of the Emeishan basalt[21]

中二叠世晚期, 贵州古地势呈南低北高, 形成自南向北呈海相— 海陆交互— 陆相的特殊古地理环境[21]。研究区在陆相、海陆交互相沉积古地理环境下, 因沉积环境、水动力条件等不同发生沉积分异, 这是引起研究区宣威组与龙潭组岩性组合差异的重要原因, 宣威组底部普遍具豆鲕状结构, 是高能近岸水动力动荡变化环境下的沉积反映。

2 Fe-Al岩系特征

Fe-Al岩系广泛出露于峨眉山玄武岩与上覆宣威组/龙潭组接触不整合界面上(图2)。宣威组Fe-Al岩系分布于研究区北西部及南西端, 龙潭组分布于北东部、东部及南部。

图2 研究区峨眉山玄武岩与Fe-Al岩系分布
1.峨眉山玄武岩; 2.断裂; 3.峨眉山玄武岩底界; 4.Fe-Al岩系露头; 5.研究区范围; 6.宣威组与龙潭组Fe-Al岩系分界线Fig.2 Distribution of the Emeishan basalt and the Fe-Al rock series

2.1 宣威组Fe-Al岩系基本特征

Fe-Al岩系厚度一般为3~15 m, 最厚22 m, 岩系延伸稳定、易于辨别(图3(a), (b))。Fe-Al岩系岩性组合简单, 下部主要为铁质、凝灰质黏土岩(部分区域为铁矿层), 上部主要为铝质黏土岩。岩性由上至下为。

图3 宣威组Fe-Al岩系露头与典型岩石特征Fig.3 Field outcrops and typical rock characteristics of the Fe-Al rock series with Xuanwei Formation

(1)灰绿色砾岩(图3(c))或含砾粉砂质泥岩, 砾石长轴具定向排列, 砾石粒径1~20 mm不等, 最大者长轴约50 mm, 厚0~3 m, 与上覆宣威组粉砂质泥岩接触。

(2)浅灰绿色、灰绿色、灰白色(含)铝质泥岩、豆鲕状铝质泥岩(图3(d), (e)), 厚1~3 m(最厚接近5 m)。

(3)杂色(灰绿色、紫褐色、灰褐色、灰白色)铁质黏土岩、含铝质铁质黏土岩(图3(f)), 厚2~5 m。

(4)灰绿色、灰紫色、紫褐色、黄褐色凝灰岩、含铁质凝灰质黏土岩、铁质黏土岩、豆鲕状铁质黏土岩(图3(g), (h)), 厚1~5 m(厚者接近10 m), 与下伏峨眉山玄武岩组致密状或杏仁状玄武岩接触。

2.2 龙潭组Fe-Al岩系基本特征

Fe-Al岩系厚一般0.5~20 m, 最厚97 m, 不同区域厚度变化大, 但易于区别(图4(a), (b))。龙潭组Fe-Al岩系岩性组合变化大, 同一岩性段在不同区域存在一定缺失。整体上, 下部主要为黏土化凝灰岩与铁质、凝灰质黏土岩, 上部为含铝质泥岩夹碳质泥岩, 岩性由上至下为。

图4 龙潭组Fe-Al岩系野外露头与典型岩石特征Fig.4 Field outcrops and typical rock characteristics of the Fe-Al rock series with Longtan Formation

(1)含铝质泥岩夹铁质黏土岩(研究区东部部分区域为植物碎屑黏土岩)(图4(c), (e)), 厚0~3 m, 顶部与上覆龙潭组碳质泥岩接触。

(2)灰白色、红褐色(含铁质)铝质泥岩(图4(d)), 局部区域夹豆鲕状铝质泥岩; 当缺失铝质段时, 为铁质黏土岩、铁质岩屑砂岩、铁质碳质黏土岩、粉砂质泥岩夹碳质泥岩组合(图4(g), (k)), 该层厚1~5 m(最厚约10 m)。

(3)灰褐色、黄褐色、黄绿色、灰色豆鲕状(含凝灰质)铁质黏土岩(图4(h)), 此岩性段研究区北东部发育, 其他龙潭组Fe-Al岩系分布区偶见, 厚0~3 m(最厚约10 m)。

(4)暗灰色、灰色、黄褐色、灰白色铁质黏土岩、含凝灰质铁质黏土岩(图4(f)), 局部地区夹碳质泥岩、铁质岩屑砂岩, 厚2~5 m(最厚约10 m)。

(5)灰褐色、黄褐色、灰绿色、灰色(含铁质)凝灰质黏土岩、凝灰质铁质黏土岩(图4(i)), 厚0~10 m(最厚约60 m)。

(6)灰色、深灰色、黄褐色黏土化凝灰岩、铁质凝灰岩(图4(j)), 厚0~5 m(最厚接近20 m), 与下伏峨眉山玄武岩稳定凝灰岩、致密状玄武岩或杏仁状玄武岩接触。

2.3 两种Fe-Al岩系差异性分析

120个工程(剖面、剥土)对比分析显示, 峨眉山玄武岩与宣威组/龙潭组不整合面Fe-Al岩系整体上均呈下部Fe质段、上部Al质段, 但两种Fe-Al岩系的区域分布特征、岩系完整性和稳定性、岩性组合特征及顶底地层接触岩性等又表现出明显的差异性, 如相对于宣威组Fe-Al岩系, 龙潭组Fe-Al岩系普遍缺失豆鲕状铁质黏土岩层与豆鲕状铝质黏土岩层(表1)。

表1 宣威组与龙潭组Fe-Al岩系差异性对比 Tab.1 The contrast of the Fe-Al rock series with the overlying stratum of Xuanwei Formation or Longtan Formation
3 Fe-Al岩系Sc、Nb2O5、REO含量

本研究对120个工程(剖面、剥土)Fe-Al岩系进行系统采样及测试。采样过程中通过揭露出新鲜Fe-Al岩系, 且根据不同岩性特征及不同结构构造类型分别取样, 成分分析测试在中国有色桂林矿产地质研究院矿产地质测试中心完成(测试仪器Thermo iCAP Q电感耦合等离子体质谱仪), 测试结果经内部、外部检查符合相关质量规范要求。

3.1 宣威组Fe-Al岩系Sc、Nb2O5、REO含量特征

355件样品测试结果统计分析显示, 宣威组Fe-Al岩系内Sc含量为(5~64.2)× 10-6, Nb2O5含量为(44.4~760)× 10-6, REO总量为(0.013~1.378)× 10-2。

Sc含量略具正态分布(图5(a)): 以(20~40)× 10-6为主, 占样品总数71%, 其他含量段占样品数29%, 其中Sc含量≥ 40× 10-6的占样品数22%。Nb含量变化范围大、较分散(图5(b)): 以(80~100)× 10-6为主, 占样品数28%, 其他含量段占样品总数的72%, 其中Nb2O5含量≥ 160× 10-6的占样品总数的23%。REE含量变化范围大、较分散(图5(c)): 以(0.03~0.05)× 10-2为主, 约占样品总数的50%, 其他含量段共180件, 约占样品总数的50%, 其中REO含量≥ 0.08× 10-2的部分占样品总数的22%。

图5 宣威组Fe-Al岩系Sc、Nb、REE含量特征Fig.5 Sc, Nb and REE content characteristics of the Fe-Al rock series with Xuanwei Formation

3.2 龙潭组Fe-Al岩系内Sc、Nb2O5、REO含量特征

1 393件样品测试结果统计分析显示, 龙潭组Fe-Al岩系内Sc含量为(1.81~86.60)× 10-6, Nb2O5含量为(5.96~669)× 10-6, REO总量为(0.001~0.604)× 10-2。

Sc含量呈正态分布(图6(a)), 以(20~40)× 10-6为主, 占样品总数58%, 其他含量段占样品数42%, 其中Sc含量≥ 40× 10-6的占总样品数的15%。Nb含量变化较大、较分散(图6(b)), 以(60~80)× 10-6为主, 占样品数的18%, 其他含量段共占样品数82%, 其中Nb2O5含量≥ 160× 10-6的部分占样品总数的23%。REE含量略具正态分布(图6(c)), 以(0.03~0.05)× 10-2为主, 占样品数的36%, 其他含量段共占样品数的64%, 其中REO含量≥ 0.080× 10-2的部分占样品总数的21%。

图6 龙潭组Fe-Al岩系Sc、Nb、REE含量特征Fig.6 Sc, Nb and REE content characteristics of the Fe-Al rock series with Longtan Formation

3.3 宣威组与龙潭组Fe-Al岩系内Sc、Nb2O5、REO富集特征对比

从表2可以看出: Sc含量≥ 20× 10-6的样品在宣威组Fe-Al岩系内占比更高(占比92%), 表明Sc在宣威组(P3x)Fe-Al岩系内富集更明显; Nb2O5含量≥ 300× 10-6的样品在宣威组Fe-Al岩系内占比更高(占比13%), 表明Nb在宣威组(P3x)Fe-Al岩系内富集更明显; REO含量≥ 0.11× 10-2的样品在宣威组Fe-Al岩系内占比更高(占比14%), 表明REE在宣威组(P3x)Fe-Al岩系内富集更明显。

表2 宣威组与龙潭组Fe-Al岩系Sc、Nb、REE含量对比 Tab.2 Sc, Nb and REE contents contrast of the Fe-Al rock series with the overlying stratum of Xuanwei Formation or Longtan Formation
4 讨论
4.1 宣威组与龙潭组Fe-Al岩系组合差异

二叠纪晚期阳新世末、乐平世初, 贵州由裂陷萎缩、消亡逐渐向挤压、隆起背景转化[21], 该时期贵州古地势呈南低北高, 海水不断由南向北侵入, 形成自南向北呈海相— 海陆交互— 陆相的特殊古地理环境(图7)。长期海侵过程中, 频繁的海进、海退造成峨眉山玄武岩及其风化产物风化剥蚀、改造程度不断加深, 研究区在陆相、海陆交互相沉积古地理环境下, 峨眉山玄武岩风化产物因沉积环境、水动力条件等不同发生沉积分异, 这可能是引起研究区宣威组与龙潭组Fe-Al岩系岩性组合差异性的重要原因, 宣威组Fe-Al岩系内普遍具豆鲕状结构, 可能是因离岸较近处于高能近岸水动力动荡变化环境下的沉积反映。

图7 贵州二叠纪乐平世岩相古地理[21]
1.泛滥平原相; 2.潮坪-潟湖相; 3.台地相; 4.台地边缘礁滩相; 5.台缘斜坡相; 6.深水盆地相; 7.海、陆界线; 8.岩相界线; 9.海侵方向; 10.研究区范围Fig.7 Geological map of lithofacies and paleography during the Lopingian of Permian in Guizhou[21]

4.2 Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE富集

宣威组(P3x)与龙潭组(P3l)Fe-Al岩系内, Sc、Nb、REE富集可能与风化作用、后期改造等因素有关。

首先, 峨眉山玄武岩及风化物为Sc、Nb、REE富集奠定了先决条件。贵州晚二叠世时处于南半球低纬度地区[22, 23, 24, 25], 气候炎热, 雨量充足, 有利于暴露于地表的峨眉山玄武岩发生发生物理、化学风化作用, 峨眉山玄武岩内高场强元素Sc、Nb、、REE等随风化残积物初始富集, 形成初始富集层。这可以从同一类型的峨眉山玄武岩, 其风化物中Sc、Nb、REE含量一般是未风化玄武岩的1.06~2.00倍得以说明(未发表数据)。

其次, 初始富集层的次生改造形成Sc、Nb、REE“ 超常富集” 。峨眉山玄武岩风化形成的Sc、Nb、REE初始富集层, 在贵州晚二叠世以海侵为主背景下[26, 27]遭受频繁的海侵、海退交替过程, 不断地对风化物进行再次改造(剥蚀、搬运、改造), 发生元素的迁入、迁出。海侵过程中, 富含Na+、K+、Cl-等离子的海水有利于部分离子态存在的Sc、Nb、REE侵出, 而Al3+易形成稳定络合物, 携带部分Nb、REE等; 海退过程中, 随着沉积环境变化, Sc、Nb、REE等分别在适宜的物理、化学环境下沉积, 发生沉积分异, 进而再次富集[15]。

总之, 峨眉山玄武岩经风化形成的产物引起Sc、REE、Nb初步富集, 随后频繁的海进、海退不断地对风化物进行再次改造(剥蚀、搬运、改造), 伴随沉积环境的变化, 不同形式的Sc、Nb 、REE等发生沉积分异, 再次富集, 即Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE富集是风化作用初始富集、后期改造、再次富集等作用的共同结果。

5 结论

(1)Fe-Al岩系广泛出露于峨眉山玄武岩与上覆宣威组/龙潭组接触不整合界面上, Fe-Al岩系岩性整体上均呈下部为Fe质段、上部为铝质段组合。宣威组Fe-Al岩系岩性组合简单, 区域上岩系稳定、岩性组合完整, 普遍具有典型的豆鲕状铁质、铝质黏土岩。龙潭组Fe-Al岩系岩性组合变化大, 区域上岩系不稳定、岩性组合变化大, 同一岩性段在不同区域存在一定的缺失, 以普遍缺失豆鲕状铁质、铝质黏土岩而与宣威组Fe-Al岩系显著区别。

(2)宣威组Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE含量较龙潭组Fe-Al岩系高, 尤其Nb、REE在宣威组Fe-Al岩系内明显富集, Sc、Nb、REE富集段稳定、厚度大, 具有形成新类型矿床的前景。

(3)Fe-Al岩系内Sc、Nb、REE富集是风化作用初始富集、后期改造、再次富集作用的结果。

致谢:野外工作中多次得到贵州省土地矿产资源储备局龚和强总工程师、黄艺高级工程师、沈其俊高级工程师的指导, 分析测试工作得到中国有色桂林矿产地质研究院矿产地质测试中心杨仲平主任及相关工作人员的大力支持, 扫描电镜-能谱实验得到中国科学院贵阳地球化学研究所相关老师的精心指导, 匿名评审专家和编辑部工作人员对论文提出了宝贵的修改意见, 在此一并致以诚挚的谢意!

(责任编辑: 沈效群)

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