黄 健, 谭 伟, 梁晓亮, 何宏平*, 马灵涯, 包志伟, 朱建喜, 周 青
富稀土副矿物的风化特征及其对稀土成矿过程的影响——以广东仁居离子吸附型稀土矿床为例
黄 健1, 2, 3, 谭 伟1, 2, 梁晓亮1, 2, 何宏平1, 2, 3*, 马灵涯1, 2, 包志伟1, 2, 朱建喜1, 2, 周 青1, 2
(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院 深地科学卓越创新中心, 广东 广州 510640; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)
广东仁居石英闪长岩为燕山期钙碱性长英质岩浆岩, 稀土总量为332～338 μg/g。石英闪长岩中副矿物榍石的平均稀土总量约为10309 μg/g, 以其3.29%含量提供全岩52.7%的稀土, 因此榍石在风化过程中的行为是离子吸附型稀土矿床中稀土富集成矿的关键。岩相学研究表明, 仁居石英闪长岩风化过程中矿物风化顺序为: 氟碳钙铈矿→(榍石→磷灰石)/(黑云母/角闪石→斜长石)→钾长石→磁铁矿→石英→锆石。由于榍石和磷灰石的抗风化能力与黑云母和斜长石相近, 它们在半风化–全风化层发生溶解, 所释放出的稀土元素易于被黏土矿物吸附, 因此榍石和磷灰石分解是风化壳中离子吸附态稀土元素的主要来源。稀土元素主要富集于风化壳的全风化层上部5～15 m, 稀土总量为504～813 μg/g。由于原岩中稀土主要赋存于榍石之中, 因此风化壳的稀土配分很大程度上继承了榍石的轻稀土富集特征。研究表明, 热带–亚热带地区风化壳基岩中原生矿物的风化顺序和主要富稀土副矿物的抗风化能力是制约离子吸附型稀土矿床中稀土富集成矿的关键因素。
仁居稀土矿床; 矿物风化顺序; 榍石; 稀土配分; 稀土富集
稀土(镧系元素+钇)作为现代工业的“味精”, 是21世纪重要的战略资源。近年来, 随着稀土在新材料、新能源、航空航天等领域的广泛应用, 全球掀起了一场“稀土热”。作为全球重稀土的主要来源, 华南离子吸附型稀土矿床以全国0.97%的稀土储量, 提供了全国35%的稀土产品以及全球90%的重稀土产品(Sanematsu and Watanabe, 2016; Li et al., 2017; Riesgo García et al., 2017)。离子吸附型稀土矿床主要指富含稀土的花岗岩类或火山岩类在温暖湿润的气候及低山丘陵低地貌条件下, 经过强烈的风化淋滤作用形成的以可交换态形式存在的稀土资源(汪明等, 2013)。
在华南地区, 离子吸附型稀土矿床的成矿母岩主要为花岗岩, 但火山岩及浅变质岩类的风化壳中也可以成矿(Bao and Zhao, 2008; 王登红等, 2013; 王臻等, 2019)。前人通常认为不同类型母岩中的稀土元素主要赋存于富稀土副矿物中, 且富稀土副矿物种类较多(Bao and Zhao, 2008; Sanematsu and Watanabe, 2016; Li et al., 2017)。常见的富稀土副矿物有磷酸盐类(如独居石和磷灰石), 硅酸盐类(如褐帘石和榍石), 氟化物、氟碳酸盐类(如萤石和氟碳钙铈矿), 以及氧化物、铌钽酸盐类(如方铈矿和褐钇铌矿)(杨学明和张培善, 1992)。作为稀土元素的来源, 富稀土副矿物和造岩矿物的风化顺序及稀土配分模式是决定该类矿床稀土类型及经济价值的主要因素。然而, 目前很少有针对不同类型富稀土副矿物对离子吸附型矿床成矿贡献的专门研究。本文以广东仁居离子吸附型稀土矿床典型风化剖面为对象, 分析该矿床中的富稀土副矿物和造岩矿物的风化顺序及其稀土配分模式, 着重阐述主要富稀土副矿物榍石的风化过程及其对风化壳稀土配分模式的影响, 为深入理解该类稀土矿床的成矿机制提供理论依据。
粤北地区, 在太平洋板块从NW向大陆板块俯冲的构造背景下, 地幔上涌、地壳减薄并伴随剪切断裂体系的裂陷作用, 地质演化经历了地槽→准地台→大陆边缘活动带3个发展阶段, 其构造单元属于梅县–惠阳拗陷带。梅县–惠阳拗陷带中分布震旦纪–三叠纪地层, 三叠纪–白垩纪地层沿构造断陷带分布于全区。地壳发展过程经历了加里东、印支、燕山和喜马拉雅等构造运动。区内断裂构造和褶皱较为发育, 主要有莲花山深断裂带和河源深断裂带。岩浆活动强烈, 燕山期的侵入岩和火山岩广泛分布。粤北地区矿产资源丰富, 铌、钽等稀有金属矿、离子吸附型稀土矿、煤矿和锰矿等矿产广泛分布(广东省地质矿产局, 1988; 郭锐, 2008)。
仁居稀土矿床位于广东省平远县仁居镇北西5.5 km(图1)。矿区东西长6.5 km, 南北宽4.5 km, 呈“V”字型; 该矿床尚未开采的矿石资源共118.85×105t, 平均品位0.172%, 保有稀土氧化物储量为20467 t(王志刚和徐敬华, 2016)。在该地区断层发育, 出露的岩浆岩以燕山期黑云母花岗岩、花岗斑岩和石英闪长岩为主, 成矿岩体均呈小岩株的形式产出(陈炳辉和俞受鋆, 1994), 矿区普遍被第四纪沉积物覆盖(图1)。研究剖面位于一个高约30 m的低山山腰处(24°59′5″N, 115°50′23.6″E), 山体坡度小于25°, 覆盖较多的亚热带阔叶常绿植物。矿区年平均气温19.5 ℃, 夏季最高温在30 ℃左右; 年降雨量约为1700 mm, 气候属亚热带季风气候。
本研究样品通过由不锈钢外管、金刚石钻头和PVC内管组成的双管钻井系统进行采集, 获取的风化剖面按颜色和结构分为表土层、全风化层和半风化层3层(图2)。表土层厚约5 m, 呈棕红色夹杂黄色, 主要由黏土矿物和石英组成, 没有似花岗岩的外貌(图2a)。全风化层厚约40 m, 包括上部和下部: 上部呈棕红色夹杂灰白色, 主要由黏土矿物、石英和长石组成, 但结构疏松, 手捏易碎, 有砂质感(图2b); 下部呈棕红色偏灰绿色, 主要由黏土矿物、石英和长石组成, 黏性较好(图2c)。半风化层厚约15 m, 呈黄绿色, 表现为结构疏松程度降低, 手捏不易碎, 可见花岗结构,它的下部由风化裂隙广布的脆性岩块组成(图2d)。半风化层之下的基岩呈灰绿色, 造岩矿物包括斜长石(62.3%)、钾长石(4.12%)、石英(6.51%)、黑云母(9.13%)和角闪石(14.2%)。副矿物包括榍石(3.29%)、磷灰石、氟碳钙铈矿、磁铁矿和锆石等(图2e)。
本研究样品包括石英闪长岩及其风化壳样品共12件。所有分析测试均在中国科学院广州地球化学研究所完成。样品的主、微量元素分析测试在同位素地球化学国家重点实验室完成。主量元素分析所用样品均在900 ℃下灼烧90 min, 以除去样品中的有机质。然后称取0.5 g烧失后的样品, 混合4.00 g Li2B4O7于1200 ℃下熔融成玻璃盘状。主量元素测试方法为X荧光光谱分析(XRF), 分析精度超过1%。微量元素分析所用样品均在105 ℃下干燥3 h, 然后在550 ℃下烧失3 h, 以去除有机质。然后称取0.04 g样品用 HNO3+HF+HClO4的混合溶液反复溶解, 取溶解液通过电感耦合等离子质谱分析(ICP-MS)测试, 实验仪器为Thermo Icap Qc电感耦合等离子质谱仪, 分析误差小于3%。
基岩中矿物的含量统计使用TESCAN Intergrated Mineral Analyzer (TIMA)完成。实验中加速电压为25 kV,电流为9 nA, 工作距离为15 mm, 电流和矿物背散射(BSE)信号强度使用铂法拉第杯自动程序校准, 能谱(EDS)信号使用Mn标样校准。测试中使用解离模式, 同时获取BSE图和EDS数据, 每个点的X射线计数为1000。像素大小为3 μm, 能谱步长为9 μm。风化剖面中的矿物BSE图使用矿物学与成矿学重点实验室Phenom XL扫描电子显微镜(SEM)和JEOL JXA-8230型电子探针仪(EPMA)获得, 测试条件为加速电压15 kV, 激发电流20 nA。
富稀土副矿物的稀土元素分析在矿物学与成矿学重点实验室完成, 采用由RESOlution M-50激光剥蚀系统和Agilent 7500a型ICP-MS联机组合的激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)分析, 测试采用单点烧蚀, 激光束宽度为31 μm。激光能量80 mJ, 烧蚀频率6 Hz, 分析误差小于10%。
3.1 全岩的主、微量元素组成
仁居矿床基岩中SiO2含量为57.30%, Al2O3含量为16.00%, K2O含量为3.37%, Na2O含量为2.94%, CaO含量为6.38%, MgO含量为3.27%, TFe2O3含量为7.22%, 全碱ALK(Na2O+K2O)为6.31%(表1)。岩石的里特曼指数=(Na2O+K2O)2/(SiO2−43)为2.78, 属钙碱性系列。综上所述, 仁居石英闪长岩属于钙碱性岩浆岩。从基岩到表土层, 化学蚀变指数(CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)×100; Nesbitt and Young, 1982)从55.8逐渐增大至95.6, 表明风化程度逐渐增加。SiO2含量从57.30%增加至74.40%, Al2O3含量保持稳定, K2O、Na2O、MgO和CaO的含量分别从3.37%、2.94%、3.27%、6.38%逐渐降低至0.79%、0.04%、0.21%、0.03%。
表1 仁居风化剖面全岩的主量元素含量(%)
注: TFe2O3是以Fe2O3形式表示的样品Fe2+和 Fe3+总量; b.d.l. 低于检出限; CIA. 化学蚀变指数, CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)×100。
仁居石英闪长岩稀土总量为332～338 μg/g, 高于华南花岗岩的平均值(229 μg/g; 史长义等, 2005; 张恋等, 2015), 有较好的稀土成矿基础。仁居石英闪长岩LREE相对富集(La/Yb=24.0～26.6), 有轻微的Ce负异常(δCe=0.84～0.85), 但Eu异常(δEu=0.95～0.96)不明显(表2; 图3)。在风化壳中, 稀土元素主要富集于全风化层上部, 稀土总量为504～813 μg/g,高于成矿下限品位500 μg/g(Bao and Zhao, 2008)。表土层和半风化层的稀土元素(∑REE<300 μg/g)均低于基岩稀土总量, 出现不同程度的流失。风化剖面中的La/Yb从基岩的26.6减小到表土层的8.55, 呈现出逐渐减小的趋势(表2)。
3.2 矿物风化特征及稀土配分
在仁居石英闪长岩中, 主要的富稀土副矿物是榍石、磷灰石、氟碳钙铈矿、磁铁矿、锆石等(图4)。风化初始阶段, 在基岩中沿长石裂隙分布的热液稀土矿物氟碳钙铈矿优先风化(图4a), 在半风化层中快速消失。在半风化层中部, 长石表面裂隙广布, 充填于长石颗粒间的榍石也严重风化成残存碎块, 然而磷灰石仍保存完好(图4b)。在全风化层下部, 磷灰石表面出现了大量的溶蚀坑, 榍石几乎风化消失; 斜长石表面也存在部分风化裂隙和溶蚀坑; 然而黑云母溶蚀更严重, 边部也基本溶蚀消失, 整体表现出亮暗相间的蚀变现象(图4c), 并随后消失于全风化层中部。在全风化层上部, 斜长石几乎消失; 充填于石英孔洞中的钾长石沿风化裂隙崩解成许多小碎块(图4d)。在表土层中, 磁铁矿沿风化裂隙崩解成大量的碎块(图4e); 石英表面也出现了大量的溶蚀坑或已开始崩解; 锆石表面虽然也出现了少量的风化裂隙, 但是保存仍然相对完好(图4f)。
榍石是仁居石英闪长岩中主要的富稀土副矿物, 其含量占全岩的3.29%(表3; 图5a)。随风化程度的增加, 榍石逐渐风化溶解(图6)。在基岩中粒径达400～500 μm的他形榍石充填于长石颗粒间, 并在榍石颗粒中可见长条状的磷灰石充填(图6a)。风化初期, 在半风化层下部榍石表面逐渐出现风化裂隙(图6b)。风化程度进一步增加, 榍石表面的风化裂隙逐渐增多(图6c)。在半风化层中部, 榍石表面风化裂隙满布, 并出现大量溶蚀坑; 周围的长石和黑云母也出现明显风化的痕迹——大量的风化裂隙和溶蚀坑(图6d)。在半风化层上部, 风化裂隙逐渐增大, 榍石风化崩解(图6e), 破碎成粒径为10～30 μm的小碎块, 分布于长石和黑云母风化形成的高岭石间(图6f),随后风化消失。半风化层下部风化榍石的元素分布特征显示, 稀土元素从榍石边部开始逐渐释放, 稀土含量从核部向边部逐渐减少(图7)。
表2 仁居风化剖面全岩的稀土元素含量(μg/g)
注: δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2, δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2, N表示C1球粒陨石标准化(McDonough and Sun, 1995)。
图3 仁居风化剖面各风化层和榍石的平均稀土球粒陨石标准化图(球粒陨石数据来自McDonough and Sun, 1995)
黑云母和斜长石等造岩矿物的稀土元素占基岩的36.3%, 而榍石和磷灰石等副矿物赋存了全岩63.7%的稀土元素(表3; 图5b)。LA-ICP-MS数据显示造岩矿物(斜长石、角闪石、钾长石和石英)中的稀土含量均低于基岩的稀土总量, 其中石英和钾长石的稀土总量最低, 分别为3.65～4.22 μg/g(平均值3.81 μg/g)和24.4～64.1 μg/g(平均值40.3 μg/g)(表4; 图8); 但黑云母的稀土总量较高, 可达393～557 μg/g (平均值528 μg/g)。富稀土副矿物的稀土元素总量均远高于基岩稀土总量, 特别是榍石和磷灰石的平均稀土总量分别达到了7501～13097 μg/g(平均值10309 μg/g)和27618～34874 μg/g(平均值32301 μg/g)。在基岩中, 锆石明显富集重稀土(La/Yb<0.01), 其余矿物均表现出相对富集轻稀土的特征, 尤其是斜长石的La/Yb值可达139; 除锆石(δCe=1.41)和黑云母(δCe=0.41)表现出Ce异常外, 其余矿物的Ce异常均不明显。斜长石还是Eu的主要赋存载体, 呈现出明显的Eu正异常(δEu=9.59)。
(a) 基岩中分布于长石裂隙中的脉状氟碳钙铈矿; (b) 半风化层中部风化的斜长石和风化残存的榍石; (c) 全风化层下部风化蚀变的黑云母和溶蚀坑满布的磷灰石; (d) 全风化层上部风化裂隙满布的钾长石镶嵌于石英颗粒中; (e)、(f) 表土层中风化残存的磁铁矿和锆石。Ap. 磷灰石; Bt. 黑云母; Kfs. 钾长石; Kln. 高岭石; Mag. 磁铁矿; Pl. 斜长石; Pst. 氟碳钙铈矿; Qz. 石英; Ttn. 榍石; Zrn. 锆石。
表3 仁居石英闪长岩中原生矿物的含量及稀土占比
4.1 仁居风化剖面中矿物的风化顺序
在仁居石英闪长岩中, 榍石和磷灰石等富稀土副矿物赋存了全岩63.7%的稀土, 斜长石和黑云母等造岩矿物中含有全岩36.3%的稀土(图5b)。前人的研究也表明, 在华南花岗岩类或火山岩类基岩中, 稀土元素主要赋存于榍石和褐帘石等富稀土副矿物中(Fu et al., 2019a, b; Li et al., 2019)。在新圩、花山和姑婆山等花岗岩类中, 富稀土副矿物赋存的稀土元素通常占全岩的73%～76%。造岩矿物的稀土总量虽少, 仅贡献了全岩24%～28%的稀土(Bao and Zhao, 2008), 但它们容易风化, 所含稀土元素可活化为离子态稀土。因此, 阐明富稀土副矿物和造岩矿物的风化顺序是深入理解离子吸附型稀土矿床中稀土来源的关键。在风化过程中, 影响矿物溶解的外部因素主要有pH值、温度、阴阳离子浓度及微生物作用等(莫彬彬和连宾, 2010; Fathollahzadeh et al., 2019)。然而在风化壳中, 所有矿物均处于相同的风化条件下。因此, 影响矿物风化顺序的主要决定因素是矿物的抗风化能力。通过分析不同层位矿物的风化程度, 可以揭示富稀土副矿物和造岩矿物的风化顺序和风化过程。
通过对风化剖面的岩相及元素分布观察发现, 矿物风化首先从矿物表面、边部或者沿解理面开始, 随后出现大量溶蚀坑和风化裂隙(图4、6、7)。从基岩到全风化层中部氟碳钙铈矿、榍石、磷灰石依次风化消失(图4a～c)。从半风化层上部到全风化层下部, 伴随榍石和磷灰石的风化溶解, 黑云母和斜长石也发生明显风化溶解, 其表面出现大量溶蚀坑和风化裂隙, 但黑云母风化溶解更严重, 风化消失更早(图4b、c), 角闪石和黑云母在风化过程中表现出相似的特征。因此, 它们的风化顺序可归结如下: 氟碳钙铈矿→(榍石→磷灰石)/(黑云母/角闪石→斜长石)(图8)。在全风化层上部, 磷灰石已风化消失, 但可见少量已崩解成小碎块的钾长石, 并且仍然可以清晰辨别其外形(图4d)。在表土层中, 风化程度进一步增加, 钾长石风化消失; 磁铁矿崩解成大量的小碎块(图4e); 石英表面也出现了少量的溶蚀坑;但锆石仍然保存完好, 仅在其表面出现少量的风化裂隙(图4f)。因此, 从全风化层下部到表土层, 矿物风化顺序可归结为: 磷灰石→钾长石→磁铁矿→石英→锆石(图9)。前人研究表明富稀土副矿物抗风化能力通常表现为稀土氟碳酸盐<稀土硅酸盐<稀土铌钽酸岩<稀土砷酸盐<稀土磷酸岩(张恋等, 2015; Sanematsu et al., 2016)。造岩矿物的抗风化能力由弱到强依次为: 钙长石<钠长石<黑云母<钾长石<白云母<石英(Goldich, 1938; 吴富强和江振寅, 2019)。因此, 总体来看, 仁居风化剖面中矿物风化顺序如下: 氟碳钙铈矿→(榍石→磷灰石)/(黑云母/角闪石→斜长石)→钾长石→磁铁矿→石英→锆石(图9)。
图5 仁居石英闪长岩中原生矿物的含量(a)及稀土占比(b)
(a) 基岩中他形的榍石; (b)、(c) 半风化层下部他形和菱形的榍石表面开始出现风化裂隙; (d) 半风化层中部风化裂隙满布的榍石; (e)、(f) 半风化层上部部分崩解的榍石和已完全崩解的榍石碎块。Ap. 磷灰石; Amp. 角闪石; Bt. 黑云母; Kfs. 钾长石; Kln. 高岭石; Mag. 磁铁矿; Pl. 斜长石; Qz. 石英; Ttn. 榍石; Zrn. 锆石。
图7 半风化层下部他形榍石的背散射图(a)和探针面扫图(b、c、d)
表4 仁居石英闪长岩中造岩矿物和富稀土副矿物的稀土元素组成(μg/g)
图8 仁居石英闪长岩中造岩矿物和富稀土副矿物的球粒陨石标准化图(球粒陨石数据来自McDonough and Sun, 1995)
4.2 榍石风化对仁居稀土矿床富集成矿的影响
在仁居风化剖面中, 榍石矿物含量在基岩中约占3.29%, 是基岩中Ti的主要赋存载体。从理论上讲, 榍石矿物中通常含有约40.8%的TiO2, 可赋存基岩中1.34%的TiO2, 这正好与基岩中1.32%～1.45%的TiO2含量大致吻合。因此, 矿物含量的分析结果是准确的。榍石的平均稀土总量高达10309 μg/g, 提供了风化壳全岩52.7%的稀土(图5)。在风化过程中, 榍石表面的风化裂隙和溶蚀坑不断增加, 最后崩解成小碎块, 风化消失于全风化层下部(图6)。从稀土元素风化释放的角度看, 榍石从矿物边部向核部不断溶解释放稀土元素(图7)。榍石明显右趋的球粒陨石标准化曲线表明其明显富集轻稀土。风化壳产物表现出对榍石稀土配分明显的继承性, 其球粒陨石标准化图也呈现明显的轻稀土富集, La/Yb=5.59～ 42.5(图3)。因此, 榍石的稀土配分主要决定了风化壳的稀土配分。除榍石之外, 磷灰石的稀土总量高达32301 μg/g, 斜长石、黑云母和角闪石的矿物含量分别为62.3%、9.13%、14.2%, 它们也分别贡献了全岩10.8%、25.6%、7.48%、2.95%的稀土, 因此对风化壳中的稀土配分也做了一定的贡献。主要造岩矿物均相对富集轻稀土, 球粒陨石标准化模式为明显的右趋曲线。锆石作为风化剖面中主要的重稀土载体(La/Yb<0.01), 由于其抗风化能力较强, 在表土层中仍保存较好。因此, 随着风化程度的增加, 锆石会出现一定程度的积累, 导致风化壳中的La/Yb值从基岩到表土层呈现减小的趋势(表2)。
Ap. 磷灰石; Amp. 角闪石; Bt. 黑云母; Hal. 埃洛石; Kfs. 钾长石; Kln. 高岭石; Mag. 磁铁矿; Pl. 斜长石; Pst. 氟碳钙铈矿; Qz. 石英; Ttn. 榍石; Zrn. 锆石。
在仁居石英闪长岩中, 富稀土副矿物包括榍石、磷灰石、氟碳钙铈矿、磁铁矿和锆石等。我们根据矿物风化顺序, 以斜长石、黑云母和角闪石的风化阶段为界, 将仁居风化剖面中的富稀土副矿物分为易风化矿物: 氟碳钙铈矿; 中等抗风化矿物: 榍石和磷灰石; 难风化矿物: 磁铁矿和锆石。在风化早期, 轻稀土富集的氟碳钙铈矿优先风化(Sanematsu et al., 2016), 由于没有由黑云母和长石等矿物风化蚀变成的黏土矿物作为吸附材料, 释放出的稀土元素随地下水迁移流失。因此, 风化壳中出现轻稀土亏损、重稀土富集的现象(图3)。中等抗风化矿物榍石和磷灰石风化时, 大部分黑云母和长石风化已经转变为伊利石和高岭石等黏土矿物, 从而为从矿物中释放的稀土元素提供了充足的吸附载体; 而难风化矿物磁铁矿和锆石在风化过程中风化程度弱(图9),对风化壳中稀土元素的富集贡献太小。因此, 榍石和磷灰石的风化才可以为风化壳中稀土元素富集提供稀土来源。
在华南地区, 年平均气温为18～21 ℃, 年平均降雨量为1500～2000 mm, 加上处于平衡状态的侵蚀–剥蚀系统(王登红等, 2017; Li et al., 2017), 仁居矿区风化壳充分发育, 形成厚度可达60 m的完整风化剖面。在风化壳形成过程中, 弱酸性的环境促进原生矿物不断向黏土矿物转变, 为离子吸附型稀土矿床的形成提供稀土赋存的载体。同时, 吸附于高岭石和埃洛石等黏土矿物上的稀土元素也会由于酸性淋滤而向下迁移富集(Yang et al., 2019; Borst et al., 2020; Mukai et al., 2020)。活化迁移的稀土元素在全风化层上部5～15 m不断富集, 形成稀土总量达813 μg/g、轻稀土明显富集的(La/Yb值可达42.5)仁居离子吸附型稀土矿床。
在华南温暖湿润的气候和稳定的侵蚀–剥蚀系统条件下, 仁居石英闪长岩中的造岩矿物和富稀土副矿物经受了严重的风化作用, 形成厚度可达60 m的风化剖面。风化过程中, 矿物风化遵循以下顺序: 氟碳钙铈矿→(榍石→磷灰石)/(黑云母/角闪石→斜长石)→钾长石→磁铁矿→石英→锆石。伴随黑云母和斜长石的风化, 中等抗风化矿物榍石和磷灰石释放出的稀土元素, 可以充分吸附于黏土矿物上。因此, 它们可以为风化壳中稀土元素富集提供稀土来源。由于榍石矿物含量高(3.29%), 平均稀土总量为10309 μg/g, 提供了全岩52.7%的稀土元素, 是风化壳中稀土元素的主要来源, 导致风化壳很大程度上继承它的稀土配分模式, 即明显富集轻稀土。抗风化能力较强的富重稀土矿物锆石, 随风化程度的增加逐渐富集, 导致从基岩到表土层全岩的La/Yb值呈现逐渐减小的趋势。从矿物中溶解释放的稀土元素随淋滤流体向下迁移, 在全风化层上部吸附于黏土矿物上, 逐渐富集形成稀土含量达813 μg/g的仁居离子吸附型稀土矿床。
致谢:中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室孙胜玲和涂湘林高级工程师在主、微量元素测试实验中给予了大量的帮助, 中国科学院广州地球化学矿物学与成矿学重点实验室邢长明和吴丹在电子探针和LA-ICP-MS测试方面给予了指导和帮助, 中国科学院广州地球化学研究所牛贺才研究员和陈华勇研究员对本文提出了宝贵的修改意见, 在此一并表示衷心感谢。
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Weathering characters of REE-bearing accessory minerals and their effects on REE mineralization in Renju regolith-hosted REE deposits in Guangdong Province
HUANG Jian1, 2, 3, TAN Wei1, 2, LIANG Xiaoliang1, 2, HE Hongping1, 2, 3*, MA Lingya1, 2, BAO Zhiwei1, 2, ZHU Jianxi1, 2, ZHOU Qing1, 2
(1. CASKey Laboratory of Mineralogy and Metallogeny / Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
The Renju quartz diorites in Guangdong Province are Yanshanian calc-alkaline felsic magmatic rock with REE contents of 332 to 338 μg/g. Titanite accounts for 3.29% of the bedrock mineral content, and has an average REE content of 10309 μg/g, contributing to 52.7% of REE content. Thus, the weathering characters of titanite play a vital role in REE mineralization in the regolith-hosted REE deposits. Based on lithofacies observation, the mineral weathering sequence during the weathering of Renju quartz diorites is as follows: parasite→ (titanite→apatite)/(biotite/amphibole→plagioclase)→K-feldspar→magnetite→quartz→zircon. As the weathering resistance of titanite and apatite is comparable to that of biotite and plagioclase, titanite and apatite are dissolved in the semi-weathered to completely weathered horizon, where the leaching REEs are adsorbed on clay minerals. This makes titanite and apatite the main source of ion-exchangeable REEs in the weathering crust. REEs are mainly enriched in the upper part of the completely weathered horizon at a depth of 5 to 15 m, with a content of 504 to 813 μg/g. Because REEs in the bedrock are mainly enriched in titanite, the LREE enrichment characteristic in the weathering crust is mostly inherited from the fractionation pattern of titanite. In light of the above findings, in tropical and subtropical regimes, the weathering sequence of primary minerals and the weathering resistance of main REE-bearing accessory minerals are key factors constraining the REE mineralization in regolith-hosted REE deposits.
Renju REE deposit; mineral weathering sequence; titanite; REE pattern; REE enrichment
P595; P611
A
0379-1726(2022)06-0684-12
10.19700/j.0379-1726.2022.06.007
2021-01-12;
2021-02-03
广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302013)、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201901)、广州市科技计划重点项目(201804020037)、国家自然科学基金项目(41773113、41702041、42022012、41921003)、国家自然科学基金青年科学基金项目(41703062)和广东省科学技术厅“珠江人才计划”项目(2017GC010578)联合资助。
黄健(1993–), 男, 博士研究生, 矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail: 469790115@qq.com
何宏平(1967–), 男, 研究员, 主要从事黏土矿物学、矿物晶体化学、矿物表面物理化学、环境矿物学、表生成矿等研究。E-mail: hehp@gig.ac.cn
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