幕阜山位于湖南省东北地区, 该区伟晶岩极为发育, 分布在花岗岩内、外接触带中的伟晶岩脉多达4000余条, 富含稀有金属和多金属矿产。由于稀有元素在航空、航天等领域具有重要用途, 已上升为国家战略性储备资源。早在20世纪70年代湖南省革命委员会地质局在幕阜山地区开展了与稀有金属矿产有关的区域地质、矿产调查工作。其后高校和科研所人员开展了少量花岗岩和伟晶岩地质特征及成矿规律研究(湖南省地质矿产局, 1987；谢文安等, 1996；申志军等, 2003；肖朝阳, 2003；文春华等, 2015)及对幕阜山岩体隆升和演化方面开展了初步研究(彭和求等, 2004；邹慧娟等, 2011；石红才等, 2013)。但是, 该地区伟晶岩的矿物学、岩石学及地球化学特征研究不够深入, 特别是伟晶岩含矿性及成矿作用研究较少。根据前人的工作基础, 本文进行了野外地质考察, 选取了幕阜山南缘地区不同阶段的伟晶岩样品开展地质及地球化学研究, 剖析伟晶岩矿物学、岩石学和地球化学特征, 总结归纳不同类型伟晶岩性质及特征, 进而探讨幕阜山南缘地区伟晶岩含矿性与成矿作用。

1 区域地质概况

研究区内出露的地层主要为冷家溪群第四岩组中第一段至第三段, 厚度达7071～8447 m, 岩性主要为灰色绢云母板岩、粉砂质板岩、变质粉砂岩、变质黏土岩为主。区内构造简单, 以北东向断裂为主, 受构造作用影响, 沿北东向断裂平行展布次级断裂。区内出露岩体有三墩岩体和幕阜山岩体。三墩岩体出露面积为4 km², 总体走向为45°, 受北东向压扭性断裂控制, 呈不规则岩株状产出, 同位素年龄为854 Ma, 属雪峰期产物, 岩性主要为黑云母斜长花岗岩、中细粒斜长花岗岩, 微量元素Ga、Ti、Pb、Mn、Ni、Zn丰度值比世界酸性岩值低(湖南省地质矿产局, 1987)。幕阜山岩体形成于燕山期, 出露面积254 km², 从岩体接触带到中心带可分为3个岩性带, 其中幕阜山南缘地区岩性为片麻状粗中粒斑状黑云母二长花岗岩, 斑晶由钾长石、斜长石及少量石英组成, 含量8％～25%, 基质成分为长石、石英、黑云母, 偶见白云母, 微量元素Be、Bi、Li含量远高于世界酸性岩值(湖南省地质矿产局, 1987)。

2 伟晶岩地质特征 2.1 伟晶岩分带性

幕阜山南缘地区伟晶岩分布众多、形态十分复杂, 主要呈脉状及网脉状, 受幕阜山花岗岩和断裂构造控制, 伟晶岩呈北东向、东西向和北西向展布, 产于花岗岩裂隙及板岩节理、板岩构造带中(图 1)。随着离幕阜山母岩体距离和构造条件的不同, 伟晶岩在平面上出现有规律的变化, 根据伟晶岩造岩矿物与结构构造关系, 由北往南伟晶岩可划分出5个岩性类型。

钾长石伟晶岩(Ⅰ类型): 主要分布于贺家山地区(图 1), 伟晶岩成群沿幕阜山花岗岩裂隙产出, 走向北东, 呈多组平行或斜交状, 沿花岗岩张裂隙呈平直状产出。伟晶岩脉主要为板脉状、细脉状, 岩脉厚度多为0.5～2 m, 与花岗岩接触边界平整(图 2a)。伟晶岩呈浅肉红色、灰白色, 钾长石晶体为粗粒, (图 2b), 造岩矿物有钾长石(含量为75％～80%, 粒径为5～7 cm, 最大者可达12 cm)、斜长石(含量为5％～10%, 粒径为2～4 cm)、石英(含量为5％～8%, 粒径为3～7 cm)和黑云母(含量为2％～5%, 片径大小为1～2 cm)。显微镜下可见钾长石为自形晶, 双晶变形, 微裂缝发育, 见石英沿裂缝充填；斜长石为聚片双晶, 零星分布在钾长石颗粒之间；黑云母呈细小片状, 沿微裂缝分布(图 2c)。副矿物主要有钛铁矿(粒径为1～4 mm)、铁铝榴石(粒径为2～5 mm)、电气石(粒径为2～4.5 mm)、独居石(粒径为3～9 mm)等(表 1)。

斜长石伟晶岩(Ⅱ类型): 主要分布于梅仙地区(图 1), 距幕阜山岩体0～1 km, 与幕阜山岩体外接触带呈斜交或相互穿插接触关系, 其上往往有板岩盖层(图 2d), 伟晶岩产在花岗岩外接触带周边或沿板岩地层板理及层理分布, 以脉状分布为主。伟晶岩为灰白色, 文象结构现象发育(图 2e), 局部见团簇状云英岩化现象；造岩矿物有微斜长石(含量为35％～50%, 粒径为1～4 cm)、斜长石(含量为20％～35%, 粒径为2～3.5 cm)、石英(含量为8％～15%, 粒径为1～3 cm)、黑云母(含量为2％～5%)和白云母(含量为1％～3%, 片径大小为0.5～1 cm)。显微镜下显示微斜长石为他形晶, 解理不发育；斜长石呈他形晶, 聚片双晶发育；显微镜下在微斜长石和斜长石缝隙中可见石英呈蠕虫状镶嵌于其中, 形成文象结构现象；黑云母和白云母呈细鳞片状(图 2f)。副矿物有金红石(粒径为1～3 mm)、铁铝榴石(粒径为2～5 mm)、电气石(粒径为3～4 mm)、独居石(粒径为2～5 mm)、黑稀金矿(粒径为1～2 mm)等(表 1)。

斜长石-钠长石伟晶岩阶段(Ⅲ类型): 主要分布于瑚佩地区(图 1), 距幕阜山岩体1～2 km。伟晶岩主要产于板岩地层中, 沿板理、裂隙呈脉状分布。伟晶岩主要造岩矿物有斜长石(含量为40％～60%, 粒径为0.5～3 cm)、石英(含量为25％～45%, 粒径为0.5～2 cm)、钾长石(含量为2％～8%, 粒径为1～2 cm)和白云母(含量为3％～8%, 片径为0.5～1 cm), 副矿物见有绿柱石(粒径为4～15 mm)、磷灰石(粒径为2～5 mm)、电气石(粒径为5～10 mm)、铌钽铁矿(粒径为3～5 mm)等(表 1)。

钠长石伟晶岩阶段(Ⅳ类型): 主要分布于三墩地区(图 1), 距幕阜山岩体3～4 km, 伟晶岩产在板岩、片岩地层中, 沿地层层理裂隙及板理、节理呈脉状分布, 伟晶岩脉与围岩接触边界平整(图 2g)。伟晶岩为灰白色, 伟晶结构(图 2h), 造岩矿物主要有钠长石(含量为45％～60%, 粒径为1～4 cm)、微斜长石(含量为10％～20%, 粒径为0.5～2 cm)、石英(含量为10％～15%, 粒径为0.5～2.5 cm)和白云母(含量为5％～10%, 片径为0.5～1.5 cm)。显微镜下见钠长石交代微斜长石, 使微斜长石变得支离破碎, 反映钠长石化现象发育(图 2i)。副矿物有磷灰石(粒径为3～6 mm)、绿柱石(粒径为5～15 mm)、铌钽铁矿(粒径为5～10 mm)等(表 1)。

钠长石-锂辉石伟晶岩阶段(Ⅴ类型): 主要分布于传梓源地区(图 1), 距幕阜山岩体4～5 km, 伟晶岩产在板岩地层中, 呈板脉状、脉状展布, 脉长可达1000 m。伟晶岩造岩矿物主要有钠长石(含量为30％～35%, 粒径为0.5～3 cm)、锂辉石(含量为35％～45%, 粒径为1～4 cm)、石英(含量为10％～15%, 粒径为0.5～2 cm)和白云母(含量为5％～10%, 片径为1～2 cm)。锂辉石呈柱状, 解理十分发育, 石英及白云母沿解理面充填(图 2j)；铌钽铁矿多呈板柱状、晶簇状、针状等, 在钠长石伟晶岩中发育(图 2k)；绿柱石则往往与石英共生(图 2 l)；副矿物有磷灰石(粒径为3～6 mm)、绿柱石(粒径为5～20 mm)、铌钽铁矿(粒径为5～20 mm)、锂辉石(粒径为8～25 mm)、细晶石(粒径为3～5 mm)等(表 1)。

2.2 伟晶岩矿物生成顺序

野外地质调查及室内显微镜鉴定发现, 幕阜山南缘不同分带、不同类型伟晶岩中矿物含量及生成顺序存在差异, 可能是伟晶岩结晶过程和后期交代作用的程度不同所致, 其矿物的生成顺序亦有先后。表 1列出了伟晶岩中矿物生成顺序。

从表 1可知, 幕阜山南缘伟晶岩有明显的分带, 由钾长石伟晶岩(Ⅰ类型)→钠长石-锂辉石伟晶岩(Ⅴ类型), 其造岩矿物钾长石、黑云母逐渐减少, 而斜长石、钠长石、石英和白云母含量逐渐增高。稀有、稀土矿物在Ⅰ、Ⅱ类型伟晶岩中主要为磷钇石和独居石, 表现为以稀土矿物为主的特征, Ⅲ类型伟晶岩中绿柱石含量明显增高, 铌钽铁矿开始富集, Ⅳ类型伟晶岩中铌钽铁矿含量最高, Ⅴ类型伟晶岩中锂辉石含量最高, 铌钽铁矿含量有所降低。反映出钠长石伟晶岩和锂辉石伟晶岩是稀有金属富集的主要载体, 是寻找稀有金属矿的岩石学标志。

3 伟晶岩地球化学特征

为研究不同演化阶段、不同类型伟晶岩的地球化学特征, 在幕阜山南缘贺家山地区采取了钾长石伟晶岩样品3件, 梅仙地区采取了斜长石伟晶岩样品3件, 三墩地区采取了钠长石伟晶岩3件, 传梓源地区采取了锂辉石伟晶岩3件, 进行主量元素和稀有元素分析。主、微量元素分析在国土资源部长沙矿产资源监督检测中心测试室进行X射线荧光光谱法(XRF)分析, 分析条件是:4.0 kW满功率, X光管最大电压66 kV, 最大电流125 mA, 相对标准偏差(RSD)小于10%。分析结果列于表 2。

3.1 主量元素

由表 2可知, 幕阜山伟晶岩主量元素含量:SiO₂为71.27％～76.93%, Na₂O为0.68％～7.99%, K₂O为0.74％～10.62%, K₂O+Na₂O为6.17％～12.32%, K₂O/Na₂O值为0.09～13, A/NK值为0.98～2.41, A/CNK值为0.96～2.28。由贺家山到传梓源地区, 伟晶岩的SiO₂、Na₂O含量逐渐增高, K₂O含量明显降低, K₂O+Na₂O含量有所降低, K₂O/Na₂O值明显降低；另外, 在A/NK-A/CNK图(图 3)中, 幕阜山南缘伟晶岩样品数据落在过铝质区域, 说明伟晶岩为过铝质岩, 且有铝质呈逐渐增高的趋势。

在SiO₂-主量元素图(图 4)中, 由北往南, 幕阜山南缘伟晶岩的Na₂O和MnO值呈升高变化, K₂O和Fe₂O₃为降低变化, 表明伟晶岩演化过程中, 钠长石化交代作用逐渐增强, 钠长石大量交代钾长石和微斜长石, 使钾长石含量明显降低, 白云母交代黑云母使MnO释出含量增加。

3.2 稀有元素

从表 2可知, 幕阜山伟晶岩的Nb含量为4.09×10^-6～67.21×10^-6, Ta含量为1.60×10^-6～89.96×10^-6, Be含量为2.3×10^-6～302×10^-6, Li含量为15.56×10^-6～800×10^-6。其中三墩地区和传梓源地区伟晶岩中Nb、Ta、Be元素含量最高, 传梓源地区伟晶岩中Li元素含量最高, 总体表现为由北往南从贺家山到传梓源地区, 伟晶岩中Nb、Ta、Be、Li元素含量逐渐升高, Nb/Ta值(4.7～0.2)逐渐降低, 表明伟晶岩钠长石化交代作用过程中Ta明显富集。因此, Nb/Ta值可以作为Ta矿化的地球化学标志。

由表 2还可以看出, 从贺家山地区到传梓源地区, 伟晶岩中均具有Rb含量递增、K/Rb值逐渐降低的规律。K/Rb-稀有元素图解(图 5)中可以看出, 伟晶岩的K/Rb值与Nb、Ta、Be、Li元素含量呈反消长关系, 即K/Rb值越小, Nb、Ta、Be、Li元素含量越高、矿化好, 反之亦然。因此, K/Rb值可以作为伟晶岩中稀有元素矿化的地球化学指示剂, 是寻找稀有金属矿的一个重要地球化学标志。

4 讨论 4.1 伟晶岩性质

从幕阜山南缘地区伟晶岩的地质、地球化学特征可以看出, 不同阶段的伟晶岩性质有明显差别, Ⅰ、Ⅱ类型伟晶岩为岩浆结晶阶段伟晶岩, 以中-粗粒、文象伟晶岩为主, 具有高K₂O、低Na₂O和低MnO特征, 稀有元素矿化以稀土元素矿物为主(独居石、磷钇矿等)；Ⅲ、Ⅳ类型伟晶岩为交代伟晶岩, 表现为钠长石化作用增强, 钠长石交代钾长石及微斜长石, 伟晶岩演化成钠长石伟晶岩, 以糖粒状、叶片状钠长石-白云母-石英组合为特征, 具有低K₂O、高Na₂O特征, 稀有元素矿化以绿柱石、铌钽铁矿为主；Ⅴ类型伟晶岩为锂辉石化伟晶岩, 以板柱状锂辉石-石英组合为主, 其K₂O含量比Ⅳ类型有所升高, 而Na₂O含量则相对降低, 稀有金属矿化以锂辉石、铌钽铁矿为主。

在伟晶岩形成过程中, 伟晶岩中Fe/Mn值与Nb/Ta值呈规律性变化, 早期表现为Fe>Mn, Nb>Ta, 而晚期则相反。因此, 它可以作为伟晶岩不同发育阶段的佐证。野外伟晶岩调查结果也表明, 从Ⅰ类型伟晶岩到Ⅴ类型伟晶岩, 稀有金属矿化在成因上都与伟晶岩演化晚期的交代作用有关, 即在钠长石化及锂辉石化阶段, 稀有金属呈铌钽铁矿和锂辉石等形式析出。

4.2 伟晶岩成矿作用

前人研究表明, 伟晶岩中稀有元素是通过岩浆结晶分异而逐渐富集的(Zhu et al., 2001；Evensen and London, 2002)。由于伟晶岩富含水等挥发分, 对稀有金属具亲和力(Thomas et al., 2005)并能与稀有金属组成各类络合物, 携带成矿元素一起迁移和富集。在岩浆向上侵位过程中, 挥发分与稀有金属络合物快速迁移至岩体顶部逐渐富集, 随着温度下降, 岩浆不混溶作用导致了Na、Li与K的分离(王联魁等, 2000), 当伟晶岩演化到晚期交代阶段, 稀有元素大量沉淀、富集。

稀有元素能否形成独立矿物或矿床, 主要取决于稀有元素在岩浆中的丰度、岩石化学条件和交代作用。幕阜山岩体花岗岩的Nb、Ta元素丰度低(李鹏春, 2006)并主要呈分散状赋存于黑云母、钛铁矿等矿物中。如在Ⅰ、Ⅱ类型伟晶岩中稀有金属矿物以褐钇铌矿、黑稀金矿为主。往南至传梓源地区伟晶岩中Nb、Ta元素含量逐渐升高, 且Fe、Ca、Mg含量低, 因而有利于形成铌钽矿物, 至交代作用-钠长石化、特别是含Nb、Ta的白云母化阶段, Nb、Ta析出(矿化), 其矿化与高度分异演化的钠长石化花岗岩或钠长石化作用密切相关(陈骏等, 2008；陈国建, 2014), 实验模拟也表明, 钠长石中Nb、Ta含量最高(赵劲松等, 1996)。钠长石化过程是Nb、Ta等稀有金属富集的重要因素(Veksler, 2004；文春华等, 2016)。

伟晶作用与气成热液阶段(交代作用)是Li的主要聚集阶段。在整个伟晶岩发育的过程中, Li的富集与矿化常发生在较晚的阶段, 如最有经济意义的钠-锂型伟晶岩就是伟晶岩作用最晚期的产物。该伟晶岩的地球化学演化阶段如下: Na-Ca→K→Li(原始结晶作用阶段)→Na→K-(Rb)→Li-K-Rb-Cs(交代作用阶段)。在Li阶段主要形成锂辉石、透锂长石等而富集成矿。

5 结论

(1) 幕阜山南缘地区伟晶岩可划分出5个演化阶段:钾长石伟晶岩(Ⅰ类型)、斜长石伟晶岩(Ⅱ类型)、斜长石-钠长石伟晶岩(Ⅲ类型)、钠长石伟晶岩(Ⅳ类型)和钠长石-锂辉石伟晶岩(Ⅴ类型)阶段。伟晶岩早期阶段(Ⅰ、Ⅱ)以富集稀土矿物(独居石)为特征, 伟晶岩晚期阶段(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)以富集铌钽矿、锂辉石、绿柱石等稀有矿物为特征。

(2) 地球化学分析显示, 随着伟晶岩由早到晚的演化, 其SiO₂、Na₂O含量明显升高, K₂O含量逐渐降低, 铝质过饱和, K₂O/Na₂O、Nb/Ta及K/Rb值则逐渐降低, 这可作为伟晶岩稀有元素矿化地球化学指示标志。

(3) 稀有金属矿物绿柱石、铌钽铁矿和锂辉石等主要在钠长石伟晶岩和锂辉石伟晶岩阶段富集成矿, 表明钠长石化和锂辉石化交代作用是稀有金属矿化富集的主要控制因素。