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滇东北晚二叠世煤型铌矿床的元素富集成矿机理

赵利信  
【摘要】:在滇东晚二叠世最主要的含煤地层—宣威组的下段(P3x1)发育了多层由碱性火山灰蚀变的黏土岩,这些黏土岩层中高度富集Nb、Ta、Zr、Hf、REY(镧系元素rare earth elements和钇yttrium)、Ga、Th和U等稀有金属元素,在自然伽马测井曲线上呈现出高度的正异常。这些由火山灰蚀变的黏土岩在西南上二叠统下段发育广泛、厚度较大(10米),且其(Nb,Ta)2O5的含量已经超过了风化壳型铌矿床的工业开采品位。这一蕴含了巨大稀有金属资源量的矿化现象在地质成因上不属于任何一种目前已发现的铌矿床类型,属新型铌矿床。由于主要发育在含煤地层中,部分直接产出在煤层中,这种新型铌为主的多稀有金属元素矿化现象被定义为“煤型铌矿床”。但到目前为止关于此煤型铌矿床的研究还仅限于个别钻孔点,对该矿床的元素富集成矿机理、模式等还缺乏深入研究。本文在前人研究的基础上对采自滇东宣威、彝良、罗坎和镇雄四个地方钻孔的钻孔样进行详细的岩石学、矿物学和地球化学特征研究,结合峨眉山大火成岩省的最新研究成果,提出了一种关于煤型铌矿床的富集成矿模式,并讨论了研究的火山灰蚀变的黏土岩层与峨眉山地幔柱衰退期岩浆活动的关系,为研究发生在中晚二叠之交的生物大灭绝事件提供了新的线索。本次研究将Nb含量大于等于150μg/g的样品统一称为Nb-Zr-REE-Ga富集的“矿化样”,那些铌含量少于150μg/g的样品称为“非矿化样”。本次研究中根据自然伽马测井曲线上高度正异常的位置进行了针对性采样。这些样品大部分已经完全泥质化,大部分是灰色-浅绿色的泥岩,泥质结构,块状构造;部分是粉砂岩和细粒的砂岩,其宏观特征与沉积岩相比没有明显的区别。某些样品中可以观察到火山碎屑结构及残留的火山碎屑物质。而在显微镜下发现了比较明显的火山碎屑结构(同心环带结构的杏仁状火山碎屑物、放射性的火山球粒和鸡骨状的火山玻璃等在凝灰岩中比较常见的结构)和高温矿物。薄片下鉴定出了多种高温矿物例如六方双锥的β石英副象及镰刀状石英颗粒、斜长石碎屑和自形的锆石、磷灰石、钠长石等。X射线衍射分析显示矿化样与非矿化样之间的矿物组成上差别不大,主要有黏土矿物(伊利石-蒙脱石混层矿物以下简称伊蒙混层、伊利石、高岭石、磁绿泥石和鲕绿泥石)、石英、锐钛矿、方解石、赤铁矿、菱铁矿、钠长石、磷铝铈矿和黄铁矿。扫描电镜下还发现了钛铁矿、重晶石、锆石、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、含稀土元素的磷酸盐(磷铝铈矿和水磷铈矿)和碳酸盐(氟碳铈矿)等微量矿物。对研究样品的元素地球化学分析表明所有样品中的Si O2、Al2O3和Fe2O3的含量相对较高,而Na2O、Mg O、P2O5、K2O和Mn O的含量相对较低。一般来说,矿化样中高度富集高场强的稀有金属元素像Nb、Ta、Zr、Hf、REY、Th、U和Ga等;而非矿化样中则高度富集Sc、V、Cr、Co、Ni和Cu等元素。矿化样中的部分矿物成分和元素成分能很好的对应起来:一般来说,非矿化样中的Fe2O3和Ti O2往往比矿化样较高,而Si O2和K2O的含量则较矿化样低;而这一现象与矿化样中含有较多的伊蒙混层,而非矿化样中含有较多的锐钛矿和赤铁矿能很好的对应起来;某些样品中高度富集Ca O、P2O5和Na2O,与之对应的是这些样品中存在高含量的方解石、磷灰石和钠长石。对研究样品的矿物赋存状态、生成次序和地球化学性质的研究表明研究样品中的矿物和元素主要来自碱性火山灰的输入和多期次热液活动,这两个因素控制了矿化样中的矿物和元素的分异富集。(1)碱性流纹质火山灰:矿化样演化自火山灰的最直接证据是在显微镜和扫描电镜都发现了典型火山碎屑结构和高温岩浆矿物。虽然大部分研究矿化样都已经严重泥质化,但微观上的火山碎屑结构,自形高温矿物(锆石、β石英副象、磷灰石等)和碎屑状的火山玻璃和有尖角的石英、斜长石碎屑等矿物在大部分矿化样中都能观察到。高温矿物普遍有裂隙和溶蚀港湾/空洞、呈鸡骨状的火山玻璃和有棱角的矿物则可能是岩浆在爆炸性快速喷发过程中形成。在滇东广大区域内广泛分布的、矿物和地球化学特征稳定的、横向连续性很好、同样以高度自然伽马曲线正异常为特征的层位只有来自于同一期次的火山活动、大规模同源的火山灰沉降能解释。(2)多期次热液流体:在扫描电镜和光学显微镜下发现了大量充填在植物细胞腔和高温原生矿物内部的黏土矿物和石英,及胶态的、纤维状的矿物,这些矿物很可能是热液流体在同生成岩阶段侵入岩层并在特定条件下重新组合沉淀形成。胶态的伊蒙混层、充填在不规则磁绿泥石内部的高岭石、充填在锐钛矿的磁绿泥石等黏土矿物显示这些黏土矿物是热液流体侵入矿化层并溶蚀原生矿物,溶液中高浓度的Al3+,Si4+,Fe2+/Fe3+,Na+,K+,Ca2+等离子在热液中重新组合沉淀的结果。扫描电镜下的自形的雏菊状的含稀土矿物水磷铈矿、微晶集合体磷铝铈矿及呈脉状的含稀土碳酸盐显示这些含稀土矿物是成岩作用早期热液流体中稀土元素离子沉淀形成。矿物生成次序的研究表明这些自生热液成因的矿物多形成于火山灰原生火山矿物及火山灰直接蚀变的矿物之后,这显示热液流体的侵入发生在火山灰降落在沉积盆地之后。此外,在部分矿化样中发现了充填裂隙的方解石脉和黄铁矿脉,这意味着矿化样在后生成岩作用阶段,也受到了热液活动的影响。综合本次研究结果,宣威组底部的矿化样是同时代的峨眉山大火成岩省地幔柱活动衰退期碱性Nb-Ta-矿化的正长岩岩浆喷出地表并受到同生成岩阶段低温热液流体溶蚀淋滤的产物。煤型铌矿床的成矿过程至少分为两个阶段:1)Nb-Ta-矿化的正长岩浆演化为流纹质岩浆:矿化样与峨眉山Nb-Ta富集的正长岩的球粒陨石标准化的稀土元素分配模式图相比,可以看到大部分没受到非矿化样混染影响的矿化样的Eu的负异常要比峨眉山Nb-Ta富集的正长岩要明显得多。这意味着峨眉山大火成岩省的Nb-Ta矿化的正长岩的演化程度是低于矿化样的原始岩浆的。前人对峨眉山大火成岩省岩浆的研究认为Nb-Ta矿化的正长岩浆在喷出地表的时候同样会经历分异结晶作用,进一步演化为分异程度更高的岩石类型。根据矿化样品出现的极低的δEu及自形的钠长石、锆石和石英,我们推测形成煤型铌矿床的原始岩浆已经演化为流纹岩浆。2)稀有金属元素在热液活动阶段重新组合沉淀:峨眉山大火成岩省Nb-Ta矿化的碱性流纹质岩浆喷发出地表后,元素主要以两种形式赋存:一种是在高温矿物相,另一种由于喷发中快速降温来不及结晶从而赋存在玻璃质中。同生成岩阶段热液活动则会溶解火山灰,分解原生稀有金属赋存的矿物、释放稀有金属离子并重新组合为新的矿物。值得注意是虽然矿化样中的锆含量在上千μg/g级别,铌的含量也可达数百μg/g,但在扫描电镜下无论是锆石还是含铌钛的氧化物都不是很多,矿化样中这么高含量的锆和铌的赋存状态可能以离子形态被黏土矿物吸附。前人对宣威组底部的研究表明宣威组底部Al2O3/Ti O27的部分是峨眉山大火成岩省顶部酸性火山岩的风化蚀变产物堆积形成的沉积岩。本次对Al2O3/Ti O2比值随深度变化的趋势图的研究发现滇东宣威组底部Al2O3/Ti O27的样品其实质就是本次研究的煤型稀有金属矿化层。由此可推测,宣威组底部实际上是碱性流纹质火山灰蚀变的煤型铌矿化层夹在高钛玄武岩的风化蚀变的陆源碎屑岩中。由于煤型铌矿床的原始岩浆是峨眉山地幔柱消亡期的产物,故研究的矿化层实际上代表了峨眉山大火成岩省酸性凝灰岩。这一结论不同于前人对宣威组底部的认识且强调了与峨眉山地幔柱活动相关的大规模酸性岩浆喷发事件。前人在研究~260Ma的晚瓜达卢普期生物大灭绝事件时认为同时期峨眉山地幔柱的活动可能与之有关,也有人认为该次大灭绝事件是由大规模的酸性火山活动引起的。本次研究确认了峨眉山大火成岩省大规模酸性火山活动的存在,为晚瓜达卢普期生物灭绝事件提供了一个新的线索。


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