稀土元素在矿床学研究中的应用

摘要：稀土元素是一组特殊的微量元素，在地球化学和地质学研究中占有很重要的地位。如今稀土元素在岩石学研究中的应用已经比较深入，而在矿床学研究中的应用进展相对较缓慢。在总结稀土元素在矿床学研究中的应用基础上，阐述了稀土元素在成矿物质来源、成矿过程和成矿流体演化示踪、成矿类型和成矿种属判别以及找矿标志确定等方面的应用。引言稀土元素是指周期表中原子序数从57到71的镧系15个元素加上原子序数为39的钇（Y），它们原子结构相似，离子半径相近，并且在自然界中密切共生。习惯分为轻稀土（LREE）La-Eu和重稀土（HREE）Gd-Lu+Y两组。稀土元素在岩石学领域的应用研究起步较早，特别是在岩浆岩及岩浆起源及演化方面已发展得比较成熟。由于地幔岩、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。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发展。1稀土元素在成矿物质来源方面的应用在探讨成矿物质来源方面，学者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，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）先生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。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稀土元素在成矿种和成矿类型判别中的应用4稀土元素在矿产勘查中的应用4．1稀土元素在判别岩体含矿性方面的应用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构造岩稀土元素特征在找矿中的应用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稀土元素在矿床研究中的应用前景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限制和不确定性因素制约：在一个地区构建的稀土元素应用体系不能直接移植于其他地区，必须对其他地区的地质背景条件进行具体分析。不确定性是地质研究的共同特点，由于其形成的复杂性，同时还有一些假设条件不能完全满足，所以稀土元素的应用必须与其他地质一地球化学方法相结合，互相印证，以得出比较客观的认识。相信稀土元素的矿床学应用研究会取得不断的进展。致谢：在本文编写过程中，主要借鉴了李闫华、鄢云飞、谭俊和李飞发表的《稀土元素在矿床学研究中的应用》一文，在此，对以上几位表示感谢，同时也感谢那些为本文写作提供资料的学者和单位。参考文献：①韩