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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (6): 1300-1311  
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秦燕, 王登红, 盛继福, 王岩. 2019. 中国不同类型钨矿床稀土元素地球化学研究成果综述[J]. 中国地质, 46(6): 1300-1311.  
Qin Yan, Wang Denghong, Sheng Jifu, Wang Yan. 2019. A review of research achievements on REE geochemistry of tungsten deposits in China[J]. Geology in China, 46(6): 1300-1311. (in Chinese with English abstract).  

中国不同类型钨矿床稀土元素地球化学研究成果综述
秦燕, 王登红, 盛继福, 王岩    
国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
摘要:钨矿的稀土元素地球化学可以反映成矿作用的条件和过程,为矿床成因提供有效的信息。中国钨矿床稀土元素地球化学的研究硕果累累,从单矿种角度进行全国性的系统总结十分必要。本文统计了1990年至2016年间不同类型钨矿床钨矿石矿物及与成矿有关岩体的稀土元素300多组数据。通过总结可知,不同类型钨矿床钨矿石矿物及与成矿有关花岗岩中稀土元素的总量和稀土配分曲线不同,这与成矿原始物质及成矿时物理化学条件的不同有关。不同类型钨矿床大部分具有Eu负异常的特征,显示成矿条件为较高温的还原环境;黑钨矿及其成矿岩体的稀土分配模式之间存在一定的依从关系,但是,黑钨矿中的稀土元素并没有随着岩浆-流体的结晶分异而富集。
关键词钨矿    花岗岩    稀土元素    地球化学    配分模式    矿产勘查工程    
中图分类号:P588.12+1            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)06-1300-12
A review of research achievements on REE geochemistry of tungsten deposits in China
QIN Yan, WANG Denghong, SHENG Jifu, WANG Yan    
MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Resource Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The composition and characteristic parameters of rare earth elements (REE) in tungsten deposits provide mineralization environment as well as fluid and source information. The achievements in the study of geochemistry of rare earth elements in tungsten deposits in China are very abundant, but it is still necessary to make a national systematic summary from the perspective of single mines. In this paper, statistics of more than 300 sets of rare earth elements of tungsten deposits in different types of deposits published from 1990 to 2016 were investigated. The results show that total REE values and distribution curves in different types of tungsten deposits are different due to different sources and ore-forming physicochemical conditions. The Eu from different types of tungsten deposits exhibits negative anomalies, which implies that the ore-forming environment was somewhat reducing. There are some interrelations between wolframite and its ore-bearing granite, However, but REE in wolframite did not enrich with magma-fluid differentiation.
Key words: tungsten deposits    granite    rare earth elements    geochemistry    distribution curves    mineral exploration engineering    

1 引言

中国是世界上钨矿资源最丰富的国家,据美国地质调査局统计,中国钨储量居世界第一,占世界总储量的57.5%(盛继福等,2018)。钨矿是中国的优势矿产资源,截至2015年底,中国有24个省(市、自治区)查明有钨资源储量,矿区442处(盛继福等,2015)。中国有钨矿产地近1000处(不包括矿化点),2015年上储量表的矿区442处,其中超大型矿床7处(江西朱溪钨铜矿、江西大湖塘钨矿、湖南柿竹园钨矿、河南三道庄钼钨矿、湖南新田岭钨矿、福建行洛坑钨矿、湖南杨林坳钨矿),大型矿床39处,中型钨矿床76处,小型钨矿床257处(图 1)。

图 1 中国主要钨矿床分布图 Fig. 1 Distribution of main tungsten deposits in China

稀土元素是一组地球化学性质十分相似、紧密共生的元素,它们普遍存在于自然界各种岩石中,在长期地质演化过程中易于保存。然而,由于其结构、晶体化学性质的差异,造成岩石中的稀土元素随着地质、物理和化学条件的改变而发生分离。稀土元素在地质体中的分配与相应的成岩成矿作用有关(刘英俊等,1984)。因此,稀土元素地球化学特征,对讨论成岩成矿作用的类型、元素的演化规律都具有重要的意义。关于钨矿稀土元素地球化学也从20世纪90年代开始,至今积累了丰富的资料(刘慷怀,1990李逸群,1991盛继福,1992彭建堂等,2005汪应庚等,2013;刘善宝等,2017;向平安等,2018王勇等,2019吴显愿等,2019),但尚未有人对不同类型钨矿进行全国性的系统总结。因此,本文对全国钨矿床相关稀土元素数据进行搜集,对不同类型钨矿床中钨矿石矿物及相关岩体稀土元素特征做一归纳,在客观记录的前提下便于读者进一步理解中国钨矿床整体的成矿规律。

2 中国钨矿床钨矿石矿物稀土元素地球化学特征

盛继福等(2015)把中国钨矿床归纳为下列9种类型:①石英脉型钨矿;②矽卡岩型钨矿;③云英岩型钨矿;④斑岩型钨矿;⑤花岗岩型钨矿;⑥陆相火山岩型钨矿;⑦层状热液和层状矽卡岩型钨矿;⑧风化淋滤铁帽型钨矿;⑨砂钨矿。中国现行开发利用的钨矿类型主要有石英脉型钨矿、斑岩型钨矿、矽卡岩型钨矿、云英岩型钨矿、花岗岩型钨矿。不同类型钨矿矿石矿物类型和矿物组合等均有差异(表 1)。

表 1 中国钨矿基本特征表 Table 1 Basic characteristics of tungsten deposits in China

对中国不同类型钨矿床的钨矿石矿物(主要是黑钨矿和白钨矿)样品中的稀土元素含量进行统计,见表 2,稀土总量直方图见图 2,不同类型矿床黑钨矿和白钨矿稀土元素球粒陨石标准化配分曲线见图 3

表 2 中国不同类型钨矿床钨矿石的稀土含量(10-6 Table 2 REE content of scheelite and wolframite from different types of tungsten deposits in China
图 2 不同类型钨矿床钨矿石的稀土总量直方图 Fig. 2 ΣREE content of tungsten mineral from different type tungsten deposits
图 3 中国不同类型钨矿石的稀土元素配分图(球粒陨石数据引自Sun and Mcdonough, 1989 Fig. 3 ΣREE patterns of different types of tungsten deposits in China(after Sun and Mcdonough, 1989)

根据所统计的黑钨矿和白钨矿的稀土总量数据可见,黑钨矿的ΣREE范围在1×10-6~160×10-6,大部分集中在1×10-6~40×10-6;白钨矿ΣREE范围在3×10-6~220×10-6,大部分集中在40×10-6~120×10-6

钨矿石矿物中稀土元素的总量,与矿床类型有一定关系。石英脉型矿床中的黑钨矿,ΣREE大部分在40×10-6~80×10-6;斑岩型钨矿石矿物的稀土总量约为石英脉型钨矿石矿物的6倍(张玉学等,1990);矽卡岩型钨矿石矿物的ΣREE主要集中在80×10-6~120×10-6,层状热液型钨矿石矿物的ΣREE集中于1×10-6~40×10-6

不同类型矿床中黑钨矿和白钨矿的配分曲线不同(图 3)。对白钨矿而言,矽卡岩型白钨矿的稀土元素配分曲线大多呈“左倾型”,而且重稀土含量明显高于轻稀土含量;斑岩型和石英脉型钨矿床中白钨矿大部分样品呈“右倾型”,重稀土含量稍低于轻稀土含量。

钨矿石矿物的δEu值是成矿物质来源的重要标志之一。其数值不仅取决于岩浆的分异时长,而且和成矿的氧化-还原条件及pH值有密切关系。斑岩型和石英脉型钨矿床钨矿石矿物均表现出Eu负异常;层状热液型钨矿床白钨矿大多呈Eu正异常,而黑钨矿呈轻微负异常;矽卡岩型白钨矿Eu比较复杂,正异常与负异常均有出现,这说明白钨矿的沉淀过程中,其沉淀的溶液环境是不断变化的,反应其热液体系可能出于一种不断变化的动力学环境。

3 中国钨矿床相关岩体稀土元素地球化学特征

成矿岩体稀土元素数据可以为岩石、矿床形成机理及条件提供大量地球化学信息。中国绝大多数类型的钨矿均直接或间接与花岗岩有成因联系,凡是重要的钨矿成矿区,总是以十分发育的花岗质岩带为背景。本文统计了主要钨矿类型中的26个矿床与成矿有关的花岗岩体的稀土元素含量,详见表 3图 4

表 3 中国与钨成矿有关的花岗岩体的稀土元素含量(10-6 Table 3 REE content (10-6) of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China
图 4 中国主要类型钨矿成矿花岗岩的稀土元素总量分布直方图 Fig. 4 ΣREE content of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China

图 4可见,各矿床与钨矿有关花岗岩的稀土总量范围为16.47×10-6~614.25×10-6,变化范围较大,大部分样品稀土总量 < 200×10-6,集中在50×10-6~200×10-6。各类型钨矿中,与石英脉型钨矿有关花岗岩的稀土总量分布范围最大,斑岩及花岗岩型钨矿床花岗岩的稀土总量分布范围比较集中,矽卡岩型(含层状矽卡岩型)钨矿中稀土元素的绝对含量明显偏低(与其成因有关,即在矽卡岩型钨矿区,被交代的地层本身的稀土元素含量就偏低)。

不同类型钨矿床成矿有关花岗岩的稀土元素配分曲线明显不同(图 5)。花岗岩型钨矿稀土元素配分曲线呈右倾,未见明显的Eu亏损。斑岩型钨矿的配分曲线为右倾型,轻稀土富集,除一个样品外,其余均呈低的Eu负异常。矽卡岩型与层状矽卡岩型钨矿稀土元素配分曲线也表现为右倾,明显富集轻稀土,Eu亏损较明显。石英脉型钨矿稀土元素配分曲线为海鸥式,轻重稀土分馏不明显,且均有非常强烈的Eu负异常。不同的稀土配分模式可能与钨矿的成因或成矿流体的性质有关,但每种稀土配分模式所代表的具体的成因意义可结合成矿地质特征进一步探讨。

图 5 不同类型钨矿成矿有关花岗岩稀土元素配分曲线 Fig. 5 REE patterns of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China

δEu与δCe值均能反映成矿流体体系的相对氧化还原程度及温度条件。中国钨矿床与成矿有关花岗岩的δEu范围在0.007~1.216,多数值集中在0.007~0.9范围内(图 6),说明大部分成矿流体具有Eu负异常的特征,显示成矿条件为较高温的还原环境。所统计的数据中,δEu与δCe之间没有明显的相关性(图 7),石英脉型钨矿床中,当δEu < 0.1时,δCe均大于1,大致呈反相关关系;δEu > 0.1时,δCe值分布在1左右,变化较小;花岗岩和斑岩型钨矿,δEu大部分都大于0.6,δCe值≤1,变化范围较小。对于矽卡岩及层状矽卡岩型钨矿床,δEu与δCe二者没有任何规律性,主要是受到交代成矿过程中成矿流体来源的多样性和无规律性制约。

图 6 中国不同类型钨矿区成矿花岗岩的δEu与δCe值分布图 Fig. 6 δEu and δCe values of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China
图 7 中国主要类型钨矿区成矿花岗岩的δEu-LREE/HREE图及δEu-δCe关系图 Fig. 7 δEu-LREE/HREE and δEu-δCe diagrams of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China

从不同类型矿床稀土元素的LREE/HREE比值与δEu的关系图可知(图 7),除了部分与矽卡岩型钨矿床有关的花岗岩样品外,矽卡岩型、斑岩型、花岗岩型及石英脉型矿床与成矿有关花岗岩的LREE/ HREE与δEu在整体上呈正相关。说明与钨成矿有关的花岗岩的轻重稀土分异与铕异常相关,铕亏损较弱的稀土配分曲线右倾斜率较大,明显富集轻稀土;而铕亏损较强的轻重稀土分异不明显。

将搜集到的与中国钨矿有关花岗岩的稀土元素数据进行La/Sm-La统计分析,结果显示,在不同类型钨矿区的花岗岩的数据点呈现不同的变化趋势(图 8)。斑岩型钨矿(东源和阳储岭钨矿)与成矿有关花岗岩在La-La/Sm图上呈一条水平直线;而花岗岩型和石英脉型钨矿与成矿有关的花岗岩在La-La/ Sm图上的投影点排列成一条斜线。根据此图尚不能简单判断岩浆是结晶分异或是部分熔融的产物,但可以说明斑岩型钨矿与花岗岩型、石英脉型钨矿成矿有关花岗岩稀土元素富集趋势是不同的。

图 8 中国主要类型钨矿区花岗岩类La/Sm-La图解 Fig. 8 La/Sm-La diagram of tungsten-bearing granites from different types of tungsten deposits in China
4 讨论 4.1 钨矿床的稀土元素地球化学特征具有成因意义

不同类型的钨矿床具有明显不同的稀土元素地球化学特征,同一成因类型的不同矿石矿物类型也具有不同的特征。如图 4所示,斑岩型钨矿的稀土元素配分曲线呈右倾型而石英脉型呈左倾型;同样是斑岩型,白钨矿的稀土元素含量明显高于黑钨矿;层状热液型白钨矿的稀土元素配分曲线具有Eu正异常特点,而层状热液型黑钨矿的稀土元素含量非常低,甚至可低于球粒陨石。这主要跟成矿物质尤其是成矿流体的来源是密切相关的,斑岩型钨矿类似于斑岩,矽卡岩型则受到侵入岩与被交代地层的双重控制,而石英脉型跟岩浆热液的结晶分异过程密切相关,分异得越彻底,Eu的亏损程度越高。

4.2 钨矿床中稀土元素地球化学特征与矿床类型的关系

稀土元素总量主要与不同类型钨矿床成矿物质来源有关。不同成因类型钨矿石矿物和与成矿有关花岗岩稀土配分曲线的差别反映了它们的物质来源和成矿条件。花岗岩型钨矿的矿化特征与斑岩型钨矿相近,其区别主要在载体,前者是酸性侵入岩,后者是深源浅成的斑岩体。所以体现在配分曲线上,二者较为相似。

不同类型钨矿床钨矿石矿物中呈现不同的Eu异常状态,其原因在于:①与成矿流体中Eu2+的浓度有关;②成矿流体物理化学环境的变化引起的Eu化合价的变化。氧化或者还原条件下Eu呈三价或二价状态,在成矿过程中与其余三价稀土离子分离,导致Eu正、负异常。而在与成矿有关花岗岩中,由于Eu2+与Ca2+晶体化学性质相似,导致Eu以类质同像方式进入含钙的矿物(典型矿物为高钙的斜长石)而与其他REE元素发生不同程度的分离,因此,花岗岩Eu的的正负异常不仅能反映氧化还原状态,还能反映岩浆结晶时沉淀出的长石的数量多少。

同一类型不同矿区的钨矿石矿物稀土模式的相似性则说明其物质来源和成矿条件可能是一致的,而稀土含量和配分曲线的微小变化反映了在物质来源相同的情况下,岩浆可能经过不同途径的分异演化,而每个矿区的成矿条件本身存在特殊性(张玉学等,1990)。如层状热液型钨矿床中白钨矿的配分曲线呈现两种型式:湖南沃溪钨矿的白钨矿表现出明显的LREE亏损、HREE相对富集、MREE最为富集的特征,其配分曲线表现为向上拱曲的形状(图 3)。这种向上拱曲的稀土配分模式被认为是热液成因白钨矿的典型特征。吉林杨金沟矿床中白钨矿的配分曲线则表现为右倾,轻稀土相对重稀土更为富集,且有明显的铕正异常,明显有别于沃溪钨矿。层状热液型钨矿床(沃溪)中黑钨矿的稀土元素配分曲线为一种近水平曲线型,可能是因为矿区成矿流体自有其特殊性,包括REE络合物的种类及其稳定性(祝亚男等,2014)。

4.3 与黑钨矿成矿有关花岗岩稀土元素特征关系

黑钨矿中稀土元素的含量一般低于成矿有关的花岗岩,ΣREE(黑钨矿)/ΣREE(岩体)值通常都<1,即黑钨矿中的稀土元素没有随着岩浆-流体的结晶分异而得到富集,即在最主要的矿石矿物(黑钨矿)中稀土元素并未富集。西华山等矿区存在晚期独立的稀土矿物,说明流体中的稀土含量有可能富集到了形成独立稀土矿物的程度,以至于黑钨矿中反而贫化稀土。但不同稀土组别的比值又有所不同,其中轻稀土组的比值基本都<1,重稀土组的比值则大多数>1。这一特点是由稀土元素的地球化学性质以及它们在成岩成矿过程中的分异演化作用决定的。轻稀土元素活动性相对较强,在成岩成矿熔体分异过程中,优先进入成岩熔体中,而活动性相对较弱的重稀土元素则趋向在成矿流体中富集。黑钨矿及其成矿岩体的稀土分配模式反映了它们之间存在一定的依从关系,并揭示了某些显著不同的特点。如石英脉型矿床中的黑钨矿,Eu虽也略有亏损,并呈略似“海鸥式”模式分布,但与其成矿岩体相比,Eu亏损不强,“海鸥式”不典型,轻稀土偏低,重稀土偏高,呈向左倾斜的“躺椅式”分布。不同类型矿床中黑钨矿及其成矿岩体的稀土元素的分布模式的不同特点,反映了其成岩成矿机制的差异。

5 结论

中国不同类型钨矿床的稀土元素地球化学特征具有一定的成因指示意义。

(1) 白钨矿和黑钨矿中稀土元素的总量与矿床类型有一定的关系,矽卡岩型钨矿石矿物的ΣREE较高,产于与酸性花岗岩类有关石英脉型矿床中的钨矿石矿物次之;层状热液型钨矿石矿物的ΣREE最低。

(2) 不同类型黑钨矿和白钨矿的稀土配分曲线不同,这与成矿原始物质及成矿时物理化学条件的不同有关。

(3) 各类型钨矿床中,与石英脉型钨矿有关花岗岩的稀土总量分布范围最大,斑岩及花岗岩型钨矿分布范围比较集中,矽卡岩型(含层状矽卡岩型)钨矿中稀土元素的总量明显偏低;不同类型钨矿床相关的花岗岩体中稀土元素的配分曲线也明显不同。

(4) 不同类型钨矿床大部分成矿流体具有Eu负异常的特征,显示成矿条件为较高温的还原环境,矽卡岩型、斑岩型、花岗岩型及石英脉型矿床有关花岗岩的轻重稀土分异与铕异常相关。

(5) 通过同一矿床黑钨矿与成矿岩体稀土总量的对比可知,黑钨矿中的稀土元素没有随着岩浆-流体的结晶分异而得到富集。黑钨矿及其成矿岩体的稀土分配模式之间存在一定的依从关系,但也存在显著不同的特点。

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