黄山矿区内出露地层简单, 主要为上寒武统华严寺组及第四系^[11]。华严寺组按岩性分为上段和下段, 上段岩性为灰色薄层不纯灰岩夹泥质条带, 是矿体的主要围岩, 产状比较稳定, 倾向北东至北北东, 倾角40° ~70° ; 下段分布于矿区南西部, 岩性为页岩、钙质页岩夹少量泥灰岩、瘤状灰岩, 产状近岩体比较稳定, 倾向北东东至北北东, 倾角10° ~40° , 远离岩体常见轴向NEE的小型平缓褶皱。第四系分布于溪沟及其两侧或山间凹地, 为坡积、冲积或人工堆积的松散沉积、堆积物, 由亚黏土、亚砂土、砂、砾石及岩石碎块组成, 厚度一般小于5 m。

按结构分为中粗粒黑云母花岗岩、中细粒钠长石黑云母花岗岩以及伟晶岩(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 黄山岩体地质图(据文献[11, 12, 13]修改)Fig.2 Geological map of Huangshan deposit (modified after references [11-13])

(1)中粗粒黑云母花岗岩。岩石呈中粗粒花岗结构, 块状构造, 主要矿物成分为微斜长石、条纹长石、石英、黑云母。副矿物为磁铁矿、钛铁矿、榍石、锆石、褐帘石、独居石等, 长石含量一般为40%, 半自形柱状, 聚片双晶发育, 部分具有卡钠复合双晶。石英含量为25%~30%, 黑云母含量为5%~15%, 呈片状集合体定向排列或呈聚斑状、团斑结构、斑杂构造。云母为黑鳞云母, 铌的含量可达1 347× 10^-6, 被认为是一种潜在的富铌矿石矿物^[12]。

(2)中细粒钠长石黑云母花岗岩。呈不规则状产于内外接触带, 岩石呈中细粒花岗结构, 块状构造, 主要矿物成分为条纹长石、微斜长石、钠长石、石英、铁锂云母, 副矿物成分为铌钽氧化物、金红石、锆石、钍石、萤石、黄玉, 含大量伟晶状析离体, 钠长石化强烈部位出现大量铌钽矿物(图3(a)— (c))。铌钽氧化物极度富铌贫钽, 化学成分上属于铌铁矿^[13]。

图3

Fig.3

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	图3 黄山钠长石花岗岩和花岗伟晶岩中铌铁矿物, 显示不同的形态与环带特征(据文献[13]修改)Fig.3 Columbites in Huangshan albite granite and granitic pegmatite, showing the diverse morphology and zonation (modified after reference [13])

(3)花岗伟晶岩。多呈脉状、透镜状产出, 密集分布于岩体外接触带, 一般长几米至数百米, 宽0.1至几米, 倾向北东, 倾角20° ~50° 。规模相差悬殊, 几米到几百米(图4)。大小脉体品位一般都能达到工业要求, 大多形成钽铌矿体(图3(d)— (i))。花岗伟晶岩由一些自形程度不一的石英、微斜长石、白云母组成, 具有文象结构和伟晶结构, 块状构造, 主要矿物为微斜长石、石英、钠长石, 次要矿物为铁锂云母、铌钽氧化物、锆石、钍石、电气石。微斜长石常含有较高的铷, 形成具有蓝绿色调的天河石。花岗伟晶岩又可分为富铌伟晶岩和富钽伟晶岩, 其中富铌伟晶岩呈大脉状侵入近接触带围岩中。富钽伟晶岩则呈不规则脉状, 侵入远接触带的围岩中, 常产出富钽铌铁矿以及富铪锆石^[11]。铈钽易解石发现于黄山富钽伟晶岩中。

图4

Fig.4

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	图4 黄山伟晶岩野外露头(呈脉状或者块状, 是黄山伟晶岩主要的铌钽矿体)(据文献[13]修改)Fig.4 Outcrops of Huangshan Pegmatite (present as dykes or massive, as the major Nb-Ta orebody in Huangshan Pegmatite) (modified after reference [13])

铈钽易解石属于易解石族矿物。易解石族矿物的通用分子式为AB₂O₆, 其中A位置可由Ca²⁺、REEs³⁺、Y³⁺以及Th⁴⁺、U⁴⁺占据, 而B位置则主要由Ti⁴⁺、Nb⁵⁺、Ta⁵⁺等元素占据, 以及少量的Si⁴⁺。截至2024年4月, 已发现的易解石族矿物可分为4大类共计8种矿物^[15], 包括维铌钙矿(Vigezzite)、钽钙矿(Rynersonite), 富铌、钛的易解石包括铈易解石(Aeschynite-Ce)、钕易解石(Aeschynite-Nd)、钇易解石(Aeschynite-Y)、铈铌易解石(Nioboaeschynite-Ce)、钇铌易解石(Nioboaeschynite-Y), 以及富钽、钛的易解石包括钇钽易解石(Tantalaeschynite-Y)。铈钽易解石(Tantalaeschynite-Ce)在江西黄山伟晶岩中的新发现进一步丰富了易解石族中富钽、钛易解石大类, 助推了矿物学学科发展, 在体现我国矿物学研究以及现代分析技术水平的同时, 也进一步提升了我国在国际矿物学领域的影响力。此外, 铈钽易解石的发现对于稀土稀有金属成矿作用与找矿具有重要的启示作用。

花岗伟晶岩是稀有金属(特别是钽)重要的成矿类型。花岗伟晶岩被定义为由花岗质岩浆形成的火成岩, 但具有一定的特征结构, 包括产出粗大晶体, 晶体具有特定生长方向, 内部具有一定的矿物-结构分带性等^[16]。花岗伟晶岩的形成方式主要包括花岗质岩浆的分离结晶作用和深熔作用, 前者即在花岗岩体结晶后, 分异的残余花岗质岩浆集中在岩体顶部或沿着围岩裂隙或断层侵入, 从而形成伟晶岩脉。此类伟晶岩源区为周围的稀有金属花岗岩, 因此这类花岗伟晶岩常分布于稀有金属花岗岩附近, 且结晶分异程度、挥发分含量、稀有金属成分特征以及内部分带性等均随着母岩花岗岩距离的增加而增加^[17]。深熔作用是指伟晶岩岩浆由变质沉积岩低程度部分熔融后, 沿着断层、岩性边界和与断层相关的穹隆构造侵入上部沉积岩的凹陷和早期花岗岩节理中, 从而形成同造山伟晶岩。其特点是伟晶岩与周边区域的花岗岩存在形成时代和物源上的解耦^[18]。

铈钽易解石出现于黄山花岗伟晶岩中, 位于黄山花岗岩附近。同时黄山花岗岩特别是中粗粒黑云母花岗岩中出现富铌黑鳞云母(w(Nb)> 1 000× 10^-6), 表明初始岩浆即极度富集稀有金属元素Nb和Ta^[12]。随着岩浆演化和进一步结晶分异, 熔体中逐渐富集不相容元素铌和钽, 并在黄山细粒钠长石花岗岩及伟晶岩中发生铌铁矿过饱和, 从而形成大量铌钽氧化物^[13]。因此, 黄山伟晶岩中铌钽物质来源于母岩黄山花岗岩, 且随着岩浆结晶分异, 剩余熔体中不相容元素和挥发组分进一步富集。由于岩浆中水及挥发组分(例如F、Cl等)的逐渐富集, 导致高分异的花岗伟晶质熔体发生分离并迁移, 沿着围岩片理侵入, 形成伟晶岩脉(图4)。迁移过程中, 挥发组分的富集增加了熔体的流动性, 且进一步促进了稀有稀土元素的富集和迁移, 为黄山伟晶岩中逐渐富钽提供了物质基础。

稀有金属在花岗伟晶岩中的超常富集机制, 主要包括花岗质岩浆高度结晶分异、液态不混溶以及热液交代^[19]。花岗质岩浆高度结晶分异受到广泛的认可和接受, 用以解释伟晶岩矿物结构与内部分带。伴随着结晶分异过程, 熔体不断富集挥发分, 不仅降低熔体黏度, 同时增加铌钽溶解度, 也伴随着岩浆固相线的下降, 促进铌钽等不相容元素在残余熔体中不断富集^[21]。从伟晶岩分布来看, 近接触带的为富铌伟晶岩, 而远离接触带的伟晶岩, 由于花岗伟晶质熔体迁移距离较远, 结晶分异程度更高, 因此形成富钽伟晶岩, 符合岩浆结晶分异的结果。内部分带来看, 结晶分异模型导致挥发组分和不相容元素之间向核部逐渐聚集, 从而形成了从伟晶岩边部到核部钽含量逐渐增加或者Nb/Ta比值逐渐降低等现象^[22]。然而黄山伟晶岩发现的铈钽易解石与铌铁矿相比, 钽含量突然增加, 而非逐渐递增, 无法用结晶分异模型来解释。London^[23]通过高温高压实验, 提出不平衡结晶模型, 并参考冶金学相关理论提出“ 组分分区提纯(Constitutional zone-refining, CRZ)” 模型。该模型提出, 在一定过冷度下, 长石和石英等矿物结晶生长的过程中, 相容组分溶解在熔体中, 并通过边界层(boundary layer liquid)附着在矿物结晶前锋。边界层因含有大量挥发分等助溶剂, 在降低固相温度的同时, 进一步增加了不相容组分在边界层流体的溶解度, 熔体不相容组分在边界层富集。一旦熔体的成分消耗殆尽, 边界层液体结晶, 形成晶洞或矿物组合, 并与新形成的矿物成分发生突变。组分分区提纯模型很好地解释了伟晶岩, 特别是细脉伟晶岩中石英和碱性长石交替出现的中细粒结构的分带现象^[24]。边界层以富集钠、硼、磷以及氟等挥发分为特征, 与黄山铈钽易解石共生组合特征基本一致, 因此根据以上理论我们提出黄山铈钽易解石出现符合组分分组提纯模型, 位于边界层中。

花岗伟晶岩中稀有金属成矿往往不是单个成矿机制的结果, 伴随着多个成矿作用同时形成。黄山铈钽易解石与其共生矿物的形成也是液态不混溶作用的结果。Thomas 等^[25]通过熔体包裹体实验提出岩浆液态不混溶是伟晶岩重要的形成过程, 且伟晶岩形成于富H₂O以及硅酸盐熔体的超临界相, 该超临界相具有较高含量的稀有金属和挥发组分, 较低黏度, 促进稀有金属结晶分异。李建康等^[26]提出岩浆液态不混溶以及连续结晶分异是川西甲基卡伟晶岩的成矿模型。液态不混溶作用提出在岩浆-流体过渡阶段, 富水和富挥发分的熔体最终演化形成富F、Cl、Li、Na的流体, 在结晶晚期溶解大量的铌和钽, 并随着钠长石等矿物的结晶, 沉淀形成铌钽矿物。同时液态不混溶也体现在钾钠分离的现象导致的伟晶岩分带, 相比于K, Na更倾向于富F熔体, 且F等助溶剂有助于Na迁移较长的距离, 从而形成伟晶岩长石的分带现象^[27]。由此可见, 铈钽易解石是液态不混溶和组分分区提纯理论共同作用的结果, 同时边界层以富集钠长石、富F矿物(萤石等)为特征。

在区域尺度上, 江西上饶灵山岩体周边存在一系列稀有金属矿床, 表明该区源区极度富集稀有金属铌钽, 因此灵山岩体周边仍有稀有金属找矿潜力, 具有找矿前景。由于铈钽易解石等富稀土元素和稀有金属元素的矿物, 集中分布于高演化的花岗伟晶岩中, 而高演化的花岗伟晶岩又是我国重要的钽矿床类型, 因此铈钽易解石可作为富集钽的高演化花岗岩的指示性矿物。

在矿脉尺度上, 在花岗伟晶岩中的边界层常出露有以铈钽易解石为代表的富集不相容元素的矿物, 是花岗伟晶岩重要的找矿区域。花岗伟晶岩中钠长石、萤石等矿物是边界层重要的指示矿物, 具有一定的指示和找矿意义。综上, 在稀有金属(特别是钽)资源找矿的过程中, 需进一步关注高演化的稀有金属矿田, 高分异高演化的花岗伟晶岩以及其富钠长石、萤石等边界层, 是寻找稀有金属(特别是钽)的有效找矿标的。