滇西澜沧—勐海地区三叠纪花岗岩地球化学特征与稀土成矿

　　摘要：澜沧-勐海地区三叠纪花岗岩位于临沧花岗岩带南段，呈近南北向展布，主体岩性为黑云母二长花岗岩，风化壳发育，具有离子型稀土矿床的有利成矿条件。为查明三叠纪花岗岩与稀土成矿的内在联系，对区内三叠纪黑云母二长花岗岩及其风化壳的岩石学、地球化学特征以及典型矿床开展了研究。结果表明，三叠纪花岗岩内部相带中粒、中粗粒以及似斑状黑云母二长花岗岩比外部相带细粒结构花岗岩更有利于成矿，在风化淋滤作用下，黑云母二长花岗岩中稀土元素从稀土独立矿物或含稀土副矿物中游离出来后吸附于全风化层黏土矿物中富集成矿。本区黑云母二长花岗岩具有高硅、富钾和铝的地球化学特征，风化壳全风化层更富铝且 MgO、TFeO、CaO 含量降低，微量元素 Ce 的含量显著降低，其他主量元素、微量元素及稀土元素特征继承了母岩特征。综合研究认为，研究区三叠纪黑云母二长花岗岩是吸附型稀土矿床成矿的基础条件，可解离的稀土独立矿物和含稀土副矿物的含量是能否形成离子型稀土矿床的重要因素。

　　关键词：三叠纪花岗岩;地球化学特征;稀土成矿;澜沧-勐海地区

　　曾凯; 王腾; 刘恒达; 漆双林; 农良春; 李雪峰 吉林大学学报(地球科学版) 2021-12-30

　　0 引言

　　临沧花岗岩带位于西南三江地区，呈反“S”状沿澜沧江断裂(南段)西侧近南北向展布，该岩带被小街-那东断裂和南岭-城子断裂分为北、中、南三段[1-4](图 1a)。澜沧-勐海地区三叠纪花岗岩属临沧花岗岩带南段，主体岩性为黑云母二长花岗岩，其次为花岗闪长岩，两者呈侵入接触关系①[5]。区域上构造复杂、矿产种类繁多，前人对于澜沧-勐海地区三叠纪花岗岩的研究主要集中在岩石学、年代学、地球化学、构造演化、多金属成矿学等方面[6-11]，而花岗岩与稀土成矿的关系研究较少，系统地研究滇西澜沧勐海地区花岗岩地球化学特征对探讨印支期中酸性岩体与稀土成矿、指导稀土找矿预测具有重要意义。笔者以滇西澜沧-勐海地区三叠纪花岗岩为研究对象，从岩石学、岩石地球化学特征方面入手，以区内典型离子吸附型稀土矿床为例，探讨三叠纪花岗岩与稀土成矿的关系，为滇西地区离子吸附型稀土矿成矿规律的研究提供依据。

　　1 区域地质背景

　　滇西地区地质作用始于元古宙，经历了复杂的构造运动，形成了规模巨大的临沧花岗岩带。研究区位于其南段(图 1)，区内北东向、北西向断裂构造发育，建造类型复杂，主要包括不同期次中酸性侵入体建造、前寒武系复杂变质岩建造、晚古生代-中生代碳酸盐岩、碎屑岩及火山岩建造。岩浆岩以黑云母二长花岗岩为主，出露规模巨大，同位素年龄为 203.38~250Ma②，形成时代为三叠纪，是临沧花岗岩带的主要组成部分，二长花岗岩、花岗闪长岩等出露规模相对较小(图 1a)。在近代表生作用下，当气候、地貌、水动力、地质构造等条件较适宜时，黑云母二长花岗岩发生风化淋滤作用，风化壳普遍发育，厚度在 1~30m 之间，平均厚度 20m[12,13]。

　　2 岩石及稀土矿化特征

　　2.1 岩石学特征

　　澜沧-勐海地区花岗岩体(俗称“勐啊岩体”)自内部向外部，按矿物粒度粗略地分为：内部中粗粒(似斑状)、中粒带和外部细、中细粒带③④。内部中粗粒带为岩基的主体，以中粗粒(似斑状)黑云二长花岗岩为主，局部有少量黑云花岗闪长岩。外部相仍以黑云二长花岗岩为主，混染作用较明显③。

　　研究区出露大面积晚三叠世花岗岩，从矿物组合特征定名来看，区内主要岩性为黑云母二长花岗岩，其中似斑状中粒(图 2a)、中粗粒结构的黑云母二长花岗岩与稀土成矿关系密切[12,14]，岩石主要矿物为斜长石、钾长石和石英，次为黑云母(图 2c)，斜长石含量 40%~45%，钾长石 20%~30%，石英 15%~25%，黑云母 10%~15%，副矿物有锆石、独居石、磷灰石、褐帘石、钛铁矿等(图 2d) ③④。各矿物镜下特征如下：斜长石主要呈半自形板状，粒径最小约 0.25 mm ，最大约 3.0 mm，杂乱分布，多见聚片双晶，略显波状消光，矿化蚀变主要有绢云母化和高岭土化。钾长石大多呈近半自形板状，粒径与斜长石相近，蚀变较斜长石明显，大多被高岭土和黝帘石不均匀交代，局部表现出文象交生结构。石英呈它形粒状结构，粒径相差较大，最小约为 0.05mm，最大约为 1.0mm，单矿物较少，多为集合体，波状消光和带状消光较常见，大多充填在长石颗粒间。黑云母呈鳞片状，定向分布很明显，片径 0.1~1.8 mm，在单偏光镜下可见明显的多色性，Ng=深红棕色，Np=浅黄色。锆石为无色透明，金刚光泽，由柱面(110)、(100)，正锥面(111)、偏锥面(311)(131)组成聚形晶④。独居石多呈黄绿色，粒度 0.1～ 0.3mm 不等，具油脂光泽，多为不规则状、半自形状，少数呈碎块状，其中半自形的独居石晶棱有熔蚀现象，并有部分晶形残骸保留④。区内黑云母二长花岗岩普遍风化强烈，风化壳发育，在风化壳底部可见呈团块状、椭球状的半风化黑云母二长花岗岩(图 2b)。

　　三叠纪其他花岗岩，如花岗闪长岩、斜长花岗岩等，因出露面积小、风化壳发育程度低，本文不做讨论。

　　2.2 稀土矿化特征

　　研究区离子型稀土矿主要赋存于风化壳中。野外调查发现，内部相带黑云二长花岗岩出露区比外部边缘相细粒花岗岩风化更强烈、风化壳发育更完整、矿化更好。黑云二长花岗岩风化壳(图 3)上部以砖红色为主，中下部新鲜面颜色为土黄色-灰白色，自上而下依据风化程度不同可划分为腐殖土层、亚粘土层、全风化层、半风化层。其中全风化层为主要的赋矿层位，表现为松散颗粒状，新鲜面呈灰白-灰黄色，主要由石英、黏土组成，少量云母，呈疏松多孔状，易粉碎，保留原岩结构 [15]。从目前的已发现的离子型稀土矿床来看，稀土矿化富集均发生在全风化层。

　　3 取样位置与测试方法

　　笔者在临沧花岗岩带南段火盘山稀土矿区、回龙卡稀土矿区分别进行了地表基岩、风化壳断面和浅钻采样工作。其中基岩样品 10 件，编号为 MH1~MH10，用于成矿母岩的岩石学和地球化学研究。因在稀土矿重点检查过程中，采集的风化壳断面和浅钻(针对风化壳)样品较多，在此选取有代表性的风化壳样品 7 件，未进行系统编号，用于研究风化壳的物质组成和地球化学特征。基岩磨制成薄片，利用偏光显微镜详细观察，圈定目标矿物并拍照。主量元素分析采用 X 射线荧光光谱法(XRF)，稀土元素测试方法为等离子质谱分析(ICP-MS)，实验仪器为 X-Series 型电感耦合等离子体质谱仪，分析误差小于 5%，以上分析测试及岩矿鉴定由中国冶金地质总局中南局中心实验室完成。微量元素分析和部分稀土矿浸出相分析由西南冶金地质测试所完成。

　　4 地球化学测试结果

　　研究区三叠纪黑云二长花岗岩主量元素测试分析结果见表 1，全风化黑云母二长花岗岩稀土元素分析结果见表 2

　　5 三叠纪花岗岩与稀土成矿的关系 5.1 地球化学特征 5.1.1 主量元素特征

　　澜沧-勐海地区典型稀土矿床产出地段三叠纪黑云二长花岗岩 SiO2含量范围为 65.15%～69.68%(平均值为 68.02%)，依据化学成分分类本区岩石属花岗岩和花岗闪长岩，分异指数在 71~87 之间，在数值上低于高分异花岗岩。全碱 AR(K2O+Na2O)含量最大值为 6.74%，最小值为 5.12%(平均值为 6.24%)，在 AR-SiO2图解中，样品落在过碱性-碱性区域内，显示碱性系列岩石特征(图 4A);K2O/Na2O 值较高，最大值为 7.68，平均值为 2.65，Al2O3含量高，最大值为 16.68%，平均 13.79%， A/CNK 为 1.77，所有样品的铝饱和指数均大于 1.1，属于强过铝质岩石，在铝质判别图中也都落在过铝质岩石区域，显示过铝质岩石系列特征(图 4B)。样品里特曼组合指数 1.18-1.73，均值为 1.36，属于钙碱性系列，该区花岗岩在 MALI-SiO2 图解中也都落入钙碱性系列(图 4C)，与里特曼指数所反映的特征一致。总体来看，该区花岗岩为碱性系列的高钾钙碱性过铝-强过铝花岗岩。

　　5.1.2 微量元素和稀土元素特征

　　从区内三叠纪黑云母二长花岗岩稀土配分模式图看①，岩石 Eu 值位于 0.26~0.68 之间，表现出明显的负 Eu 异常，(La/Yb)N=8.3~37.7，富集轻稀土元素。微量元素方面，该类岩石富集 U、Th、轻稀土等大离子亲石元素，明显亏损 Nb、Ta、Sr、P 和 Ti 等元素，相对于 Rb 和 Th 亏损 Ba(图 4)。澜沧-勐海地区黑云母二长花岗岩风化壳发育，野外调查过程中采集了澜沧上允、勐海勐啊、勐海县的黑云母二长花岗岩风化壳样品若干，对稀土分量和总量均做了分析测试，先统计其平均值再与母岩相应数据[16]进行对比(表 2)，并绘制稀土配分型式图(图 6)，可以发现风化壳稀土配分型式与母岩一致，均表现为右倾平缓的浅“V”型，岩石从基岩到风化壳稀土配分型式变化很小，表现出负 Eu 很明显的特征。与临沧花岗岩北段相比，该区黑云二长花岗岩风化壳全风化层除了有负 Eu 异常外，还表现出负 Ce 异常(图 6)，说明研究区花岗岩在风化淋滤过程中 Ce 元素发生了亏损，即“Ce 亏效应”[17,18]，同时也反映了南段风化淋滤作用更强烈。

　　5.2 花岗岩与稀土矿化关系 5.2.1 典型稀土矿床成矿母岩特征

　　澜沧-勐海地区典型离子吸附型稀土矿由北至南主要有澜沧上允(SY)、勐海火盘山(HPS)、勐海回龙卡(HLK)等，均为小型规模矿床，各稀土矿床成矿母岩特征总结如下(表 3)：下面以火盘山稀土矿为例，分析典型矿床成矿母岩及其风化壳地球化学特征。火盘山稀土矿以三叠纪黑云母二长花岗岩为母岩，母岩新鲜面呈浅灰白色，具中粒结构，镜下鉴定岩石具似斑状结构，岩石主要矿物为钾长石和石英，次为斜长石、黑云母等。矿化主要位于全风化层中，已发现的稀土工业矿体平均品位(稀土氧化物总量)为 0.0815%~0.084%，矿体厚度 2~7m[14]。火盘山稀土矿西南侧断陷盆地发育勐啊磷钇矿—独居石—锆石大型砂矿，其稀土矿物来源于本区三叠纪黑云二长花岗岩③。同时，火盘山稀土矿处于“独居石(17)重砂异常”范围内③，1 ：5 万水系沉积物测量显示 La、Y 与 F、P 元素相关性好，离子型稀土矿化较好地段 La、Y 与 F、P 元素套合较好，以氟碳铈镧矿这一稀土独立矿物存在的可能性大[21,22]。结合前人研究成果认为成矿母岩中稀土元素主要赋存在稀土独立矿物和含稀土副矿物中，且以轻稀土元素为主。成矿母岩三叠纪黑云母二长花岗岩总体上表现为富钾、硅和铝，贫钙、镁、钛的特征，以中粒(似斑状)、中粗粒黑云母二长花岗岩表现最为明显。微量元素富集大离子亲石元素 U 和 Th，明显亏损高场强元素(如 Nb，Ta，Sr，P 和 Ti)，相对于 Rb 和 Th 亏损 Ba，可能反应其经历了含钛矿物(榍石、钛铁矿)、磷灰石等的分离结晶作用[23]，具有 S 型花岗岩类的特征。与基岩相比，风化壳基本保留了原岩高硅、富钾和铝，贫钙、镁、钛的特征。成矿母岩稀土元素平均背景值为 327×10-6，其对应的风化壳稀土总量平均值为 585×10-6，风化后稀土元素相对富集。风化壳与母岩稀土配分形式一致，表现出轻稀土相对富集的右倾型配分型式，明显负 Eu，且风化壳中 Ce 的配分显著降低，Eu 的配分略有增加。

　　5.2.2 与稀土成矿的关系

　　讨论花岗岩地球化学特征与矿化的关系，实际上是讨论成矿专属性的问题[24,25]。花岗岩地球化学特征建立在大量分析测试数据之上，通过一定的数据处理和对比分析，往往能够反映出某种趋势或者规律。滇西澜沧-勐海地区三叠纪花岗岩出露规模巨大，风化壳普遍发育，目前已发现的稀土矿床成矿母岩均为三叠纪黑云母二长花岗岩[12-13,19]。但并非三叠纪黑云母二长花岗岩出露且风化壳发育好的地方均有稀土矿的产出，笔者认为对于稀土矿化来说三叠纪黑云母二长花岗岩成矿趋向性明显，即区内稀土矿床的形成需具备特定的岩石地球化学特征。为此，本文采用对比的方法来说明三叠纪黑云母二长花岗岩及其风化壳地球化学特征与稀土矿化的关系。

　　(1)澜沧-勐海地区已发现的稀土矿类型可分为砂矿型和离子吸附型。稀土砂矿中稀土矿物主要来源于三叠纪黑云母二长花岗岩中的副矿物，与母岩地球化学特征关系不明显。研究区离子吸附型稀土矿化较好地段母岩为中粒、中粗粒或似斑状结构，镜下一般可见磷灰石、褐帘石等副矿物，主要矿物为钾长石、石英、斜长石和黑云母，稀土元素主要赋存在稀土独立矿物(可能为氟碳铈镧矿)和含稀土副矿物中，且以轻稀土元素为主。如何从地球化学的角度阐明三叠纪黑云母二长花岗岩与离子型稀土成矿的关系，通过野外地质调查和综合资料分析初步认为，印支末期大规模酸性岩浆侵入，岩浆演化过程中经历了含钛矿物(榍石、钛铁矿)、磷灰石等的分离结晶作用，最终形成不同相带的黑云母二长花岗岩，该花岗岩类主要矿物为钾长石、石英，稀土独立矿物以及含稀土副矿物赋存在主要矿物之间。岩石总体上具有高硅、富钾和铝，贫钙、镁、钛的特征，稀土元素平均背景值较高。在有利的条件(裂隙发育、湿热气候、相对平缓山坡等)下中粒(似斑状)、粗粒黑云母二长花岗岩更容易发生风化淋滤作用[22,26]，钾长石、黑云母等矿物发生次生蚀变，形成高岭石等粘土矿物，成为吸附剂。在此过程中易溶的 K+、Na+、 Mg2+等被迁出，难溶的 Si4+、Al3+多原地保留，CaO 的含量也有所降低，因 Na+、Ca2+与 REE3+离子半径相似，可知 Na+、Ca2+的迁出能够促进 REE3+的迁入和保存 [12]。作为稀土元素来源的稀土独立矿物(如氟碳铈镧矿)风化淋滤游离出 REE3+，呈可交换水合阳离子态，在一定的 pH 值条件下进入溶液，随地表水和地下水流动、渗透，在全风化层中上部吸附于黏土矿物中而富集成矿。K 是钾长石组成元素之一， Si、Al 是高岭石等黏土矿物的组成元素，且钾长石比斜长石更易风化为黏土矿物，而黏土矿物是稀土元素的主要吸附剂，可知高硅、富钾和铝是本区离子型稀土矿富集的必要条件之一。

　　(2)已发现的离子型稀土矿床成矿母岩稀土配分呈轻稀土富集的平缓右倾的“V”字形，显示明显的负 Eu 异常。风化壳整体继承了基岩的稀土配分型式，轻稀土相对富集，轻稀土元素在风化壳中的含量比基岩高出 2~3 倍。与基岩相比，风化壳全风化层中 Ce 显著降低，因 Ce3+容易被氧化成 Ce4+，以致于风化壳中的 Ce 主要以 Ce4+存在，而 Ce4+惰性强、不易被水迁移且配位能力强，因此 Ce 主要在风化壳的上层富集[27]，也就是说 Ce 的含量在腐殖土层和亚黏土层中含量较高。澜沧-勐海地区离子型稀土矿均产于全风化层中，全风化层稀土配分型式继承了三叠纪黑云母二长花岗岩基岩特征，且出现明显的 Ce 含量降低，这一地球化学特征是本区离子型稀土矿的重要特征之一。

　　(3)研究区三叠纪黑云母二长花岗岩风化壳发育，风化壳结构中全风化层是离子型稀土矿产出部位，稀土元素的富集取决于母岩特征[28-30]。与母岩相比，本区风化壳富铝且 MgO、TFeO、CaO 含量降低，微量元素 Ce 的含量显著降低[19]，其他主量元素、微量元素及稀土元素特征继承了母岩特征。据此，本区风化壳地球化学特征可以为稀土矿化富集规律的研究提供依据。

　　6 结论

　　1)三叠纪花岗岩内部相带中粒、中粗粒以及似斑状黑云母二长花岗岩比外部相带细粒结构的同类岩石更有利于成矿。富含稀土元素的独立矿物或含稀土副矿物的成矿母岩在风化淋滤作用下，稀土元素游离出来，呈可交换水合阳离子态随地表水和地下水流动和渗透，在全风化层中上部吸附于黏土矿物中富集成矿。

　　2)研究区黑云母二长花岗岩显示高钾钙碱性过铝-强过铝特征。通过野外地质调查和对区内典型离子型稀土矿床成矿母岩特征分析，认为高硅、富钾和铝的黑云母二长花岗岩是本区稀土成矿的基础条件，能否形成离子型稀土矿床还取决于可解离的稀土独立矿物和含稀土副矿物的含量等因素，岩石地球化学特征可作为本区稀土找矿标志之一。另外，本区稀土元素作为成矿主元素，在三叠纪黑云母二长花岗岩中含量明显高于地壳平均含量，进一步说明了该岩石类型具备稀土富集成矿的可能。

　　3)研究区黑云母二长花岗岩全风化层更富铝且 MgO、TFeO、CaO 含量降低，微量元素 Ce 的含量显著降低，其他主量元素、微量元素及稀土元素特征继承了母岩特征。