稀土元素在矿床学研究中的应用

稀土元素在矿床学研究中的应用

0稀土元素矿床学应用在岩石学领域，尤其是在岩浆岩和岩浆的起源和发育方面，研究了稀疏土元素的应用。由于地幔岩、大洋玄武岩、陆壳基性岩形成过程相对比较简单,稀土元素的应用解释就比较容易,而在其他岩类(如中性和酸性岩类中)的应用解释相对困难。稀土元素在矿床学领域的应用研究起步较晚,由于矿床是在岩浆演化及后期地质作用改造的特定条件下形成的,所以其演化和发展过程比岩石形成更复杂,解释起来也比较困难,前人研究成果都比较零散。但由于稀土元素本身固有的性质,其在矿床学研究中的作用备受关注。本文从不同角度综述稀土元素在矿床学研究中的应用、应用前景以及存在的问题,有助于研究工作的进一步开展。1热液矿物稀土元素特征在探讨成矿物质来源方面,对热液型矿床研究的相对较多。通常借助热液矿物(如石英、黄铁矿、萤石等)的稀土元素特征来探讨热液和成矿物质的可能来源。热液矿物中流体包裹体的成分研究是对热液流体的直接测定,它能很好地代表热液的物质成分,而且还可以测定和计算成矿时的温度和其他物理化学参数。但是稀土元素在流体包裹体中的含量比较少,对样品的选择、处理和测试分析要求比较严格。而有些热液矿物的稀土元素特征和其流体包裹体中的稀土元素特征比较相似,所以可以利用热液矿物的稀土元素特征来间接代表成矿流体的稀土元素特征。同时热液在沉淀过程中往往会发生一定程度的物质(包括稀土元素)分馏,因此运用热液矿物的稀土特征来代表热液的稀土特征就应慎重考虑。当然对于不同的热液矿物研究有所不同,如苏文超等(1998)对石英及其流体包裹体的稀土元素研究发现石英的稀土元素主要集中于流体包裹体中,这与石英的晶体结构关系密切,因此石英的REE特征与其流体包裹体的REE特征相差不大,可以近似代表其沉淀时热液流体的REE特征。对于其他热液矿物在应用研究时首先要考虑其晶体结构特征,确定是否能代表热液的稀土元素特征。含矿热液在成矿有利部位沉淀后会发生一定程度的地质改造,在不是特别强烈的情况下往往对稀土元素的分布特征影响比较微弱,最终的稀土元素特征一般能保持热液沉淀时稀土元素的基本状态,所以这些热液矿物或矿物流体包裹体的稀土元素特征可近似代表当时含矿热液沉淀前的稀土元素特征。胡明铭(1999)对藏东玉龙铜矿似层状矿体的稀土元素特征进行了研究。铜矿床不同类型岩石及热液矿物(黄铁矿)的稀土元素特征(图1)表明,黄铁矿单矿物稀土元素组成同蚀变斑岩相比差异较大,前者具明显的Ce负异常,呈较平缓的右倾型;后者显Eu负异常,呈较陡的右倾型。但与三叠系围岩的稀土元素组成则较为相似:都具有明显Ce负异常,呈较平缓的右倾型。因此认为围岩沉积地层提供了一定的成矿物质,而排除了蚀变斑岩作为矿源岩的可能。在探讨成矿物质来源时,将不同地质体稀土特征与热液矿物的稀土特征进行对比,根据它们之间的相似性来判断成矿物质的可能来源。然而稀土元素在演化过程中会发生分馏并经受一定的后期改造,所以成矿物质来源相同的地质体稀土元素分布曲线特征总会存在一定差异,但是在一定范围内并不影响对成矿物质来源的判断。如果后期的地质改造程度超过一定的限度就会导致地质体稀土元素配分型式发生强烈的变化,发生轻重稀土元素严重分异的现象,势必影响判断成矿物质的来源,加大了应用研究的难度,所以在应用研究前首先要对成矿地质背景有深入的了解。此外,还可以根据稀土元素的异常来判断物质来源的深浅。由于稀土元素在多数情况下为不相容元素,在岩浆结晶过程中易保存在残余流体相中(酸性岩体除外),而且其在流体演化过程中会发生轻重稀土元素的分馏,所以对于深部形成的热液流体(地幔源)其稀土元素总量较低,轻重稀土元素分异较弱。因此可以通过热液矿物中稀土元素总量大小和轻重稀土元素分异程度来定性判断成矿流体来源的深度。2稀土渣用于成矿物种和成矿类型的评价2.1存在特定的稀土元素异常型式和成矿种属专属性的关系岩石稀土元素异常型式是指以δ(Ce),δ(Eu),δ(Tb),δ(Tm)为序的稀土异常特征(戴凤岩等,1987)。稀土异常型式反映了自岩浆源至就位、结晶乃至蚀变过程的演化特点,体现了岩浆岩形成的地质环境以及这一环境与成矿的直接联系(杨明银,1995)。由于岩浆在演化过程中发生稀土元素的整体聚集和差异分馏,所以不同的岩石稀土元素异常型式代表着不同的岩浆演化过程。在一个特定的成矿带内,某一特定的稀土元素异常型式就代表着某一(种或类)特定的矿种。这就构成了岩体稀土元素异常型式和成矿种属之间的专属性关系。杨明银(1995)总结鄂东南地区岩体稀土元素异常型式和成矿种属专属性之间的对应关系,主要有以下8种类型(“-”表示负异常,“+”表示正异常,“0”表示无异常):[--+0]与单一铁矿有关;[--++]多与铁(铜)矿有关;[-00+]与铜铁矿有关;[--00]与铜(钼)或与钨、钼、铜矿有关;[0000]或[0-00]与金铜矿关系密切;[0-++]或[00++]与铜、钼(硫)矿关系密切。必须指出的是,这种异常类型与成矿类型之间对应关系的应用有其局限性,由于鄂东南地区具有相似的成矿背景,所以只在这一特定地区此结果才有意义。对于不同的地区必须具有相似的地质背景才有可比性。在应用岩石的稀土异常型式时,应该对区域成矿地质背景有深入的了解,因为区域成矿背景相似,成矿类型和成矿种属比较固定,才能建立起异常型式与成矿种属之间的专属性关系,进而对本区未知地质体进行成矿种属的预测。2.2热液喷流沉积矿床不同的矿化类型形成于不同的地质环境和地质过程中,不同的地质特征是判断不同矿化类型的依据。稀土元素的配分型式作为一种重要的地球化学特征,在不同的矿化类型中具有不同的分布型式,而在相同的矿化类型中则有一定程度的相似性。前人对不同类型矿床的典型稀土元素分布特征都有研究,但是比较成熟的只有少数几种矿床类型,其中特别是对海底热液喷流沉积矿床,国内外学者都作了深入探讨,应用比较广泛。现代海底热水沉积作用的发现为热液喷流沉积矿床的研究提供了重要的线索。对现代洋底热水沉积作用的研究表明,硅质岩是热液喷流沉积矿床的主要同沉积成矿围岩,其对该类型矿床有重要的指示意义。硅质岩主要有正常沉积和热液沉积两种成因。通过稀土元素研究区分硅质岩成因类别,可为寻找和判别热水沉积矿床提供重要依据。热水沉积物的典型稀土特征是稀土元素总量比较低,多数具有Ce负异常和弱的Eu正异常。此类特征是通过对现代和古代热水沉积物的研究得出的,是判别热水沉积成因的重要依据之一。熊先孝等(1997)在对石门雄黄矿床硅质岩的研究中,对矿区3个有代表性的硅质岩样品分析得出(图2):轻稀土相对于重稀土富集,配分曲线向右倾。所有样品都具有明显的铈负异常(δ(Ce)=0.83～0.88)和弱的铕正异常(δ(Eu)=1.06～1.09)。以上特征为判别石门雄黄矿床可能是热水喷流沉积成因提供了重要依据。3氧化还原条件特征异常由于稀土元素具有相似的地球化学性质,同时在外界环境发生变化时部分元素又表现出各自的分馏特性,产生不同的稀土元素分异型式,所以可以借助其相似性和分异性来示踪矿化过程。研究矿石矿物及不同地质体稀土元素组成特征和分配型式,可以判断成矿环境和成矿物化条件。成矿物质的活化、迁移和沉淀是在一定的物化条件下进行的。氧化还原条件(氧逸度)的变化是导致成矿物质迁移-沉淀的重要因素之一,在这一过程中会留下一定的痕迹,可以作为判断氧化还原条件的依据。稀土元素由于自身的稳定性和差异性迁移使得其对氧化还原条件有明显的指示作用,主要表现在铈和铕元素的异常特征上。在热液交代型(夕卡岩型)矿床中,氧化环境下Ce3+变成Ce4+与其他3价稀土元素发生分离,而Eu3+在还原环境下变为Eu2+与其他稀土元素发生分离,分别形成铈异常和铕异常。所以铈异常和铕异常的出现和变化反映了成矿流体物理化学条件的特征,是指示成矿环境氧化还原条件的重要标志。肖成东(2002)对东蒙地区夕卡岩石榴石稀土元素进行研究(图3),发现反映成岩环境中氧逸度的Ce和Eu异常呈现规律性的变化。即早期石榴石普遍具有Eu正异常,而Ce负异常则不明显。晚期石榴石稀土元素中Eu和Ce都有所减少,表现为微弱的Eu正/负异常,而Ce则为明显的负异常。这些演化特征说明了夕卡岩成岩早期的相对氧化环境向晚期的相对还原环境的转化。4稀土渣在矿山勘探中的应用4.1基性岩体稀土元素特征稀土元素在判别岩体含矿性方面的应用比较广泛,特别是对岩浆矿床、岩浆热液矿床以及火山、次火山岩型热液矿床含矿性的研究已经比较成熟。由于岩体与成矿关系比较密切,有时岩体本身就是矿体。所以对岩体稀土元素特征的研究有助于对岩体含矿性的评价,特别是对已知含矿岩体与待评价岩体的对比,往往能起到比较好的评价效果。以岩浆矿床为例。岩浆矿床的矿床类型比较少,主要有与基性岩有关的铜镍硫化物矿床以及铬铁矿矿床,由于稀土元素的典型不相容性,使岩浆演化过程中稀土元素在固液两相间含量(分配系数小于1)和元素间比值发生差异。铜镍硫化物矿床是岩浆熔融、分异的产物,稀土元素特征具有稀土元素总量高、轻稀土富集的特征,同时由于铜镍硫化物矿浆对Yb元素极不相容,而对Lu相对相容,从而使经历过铜镍硫化物矿浆熔离作用的成矿岩体Yb元素含量增高而Lu元素含量降低。所以根据岩体的稀土总量、轻重稀土元素分异值((La/Yb)N,(La/Sm)N,(Gd/Yb)N),δ(Yb)和δ(Lu)等判断基性岩体的铜镍含矿性。对同一地区不同岩体(已知含矿岩体和未知岩体)的稀土元素特征对比可以对未知岩体的含矿性进行评价。尹意求(2004)对新疆吉木乃艾丁克罗赛岩体的含矿性进行了评价,主要是与本区的喀拉通克含矿岩体进行对比,发现二岩体的稀土元素分布型式相似,说明两者可能具有相似的物质来源,艾丁克罗赛岩体同样具有形成铜镍硫化物矿床的成矿条件。4.2稀土元素特征断裂构造是成矿物质运移和沉淀的主要通道,在成矿中起着导矿、配矿和储矿的作用,同时也是良好的找矿标志。作为含矿流体运移通道和矿质沉淀空间的各种构造裂隙,由于其经过强烈的气液活动,所以在构造裂隙中保留了一些微观的稀土元素活动痕迹,使得与成矿有关的构造和没有经历成矿的构造之间在稀土特征上存在差别。马德云(2003)对个旧矿区的构造岩稀土元素进行研究,认为构造岩的稀土富集程度、配分模式明显不同于围岩,而与矿石的稀土富集程度、配分模式相近,说明构造岩中与矿石中稀土来源相近。相对于构造不发育的围岩和岩体,构造岩的稀土元素异常能有效地代表成矿异常,能为隐伏矿的预测提供相关信息。5稀土元素矿床学研究的展望稀土元素在矿床学研究中的应用已经扩展到不同的领域,但是与在岩石学中的应用相比还有所差距,一方面由于矿床的形成比岩石更复杂,另一方面由于对矿床的稀土研究起步比较晚、数据积累比较少、在区域对比等方面还比较欠缺、基本理论体系还没有形成。相信随着研究的深入、数据的不断积累和模型的不断完善,稀土元素在矿床学研究中的应用将会显示出其独有的特色。同时,稀土元素在矿床学研究中的应用存在着一定的区域性