龍首航,李 唐
(湖南省核工業(yè)地質局三0一大隊,湖南 長沙 410000)
湖南省炎陵縣東風稀土礦區(qū)位于東風巖體內,東部為萬洋山巖體、諸廣山北體,南面為彭公廟巖體,巖漿活動頻繁。該區(qū)處于華南加里東褶皺帶資汝斷隆的北緣,地質構造復雜,褶皺斷裂發(fā)育,出露地層為古生界奧陶系、泥盆系及第四系。
東風巖體分布于東風鄉(xiāng)及船形鄉(xiāng)境內,出露面積43km2,走向近南北,延伸約15km,東西延伸較窄,約3公里。巖體侵入期次為加里東期第二階段第一次侵入(γ32),巖體內部構造及脈巖不發(fā)育,僅發(fā)育一些小的裂隙節(jié)理構造。
巖體巖石呈灰色—淺灰色,似斑狀結構,塊狀構造;斑晶為斜長石、鉀長石。巖石主要由粒徑2~9mm的自形—半自形板柱狀鉀長石、斜長石,它形石英,片狀黑云母等相互緊密鑲嵌組成,構成基質粗中粒花崗巖結構。
副礦物微量,主要為磷灰石、鋯石等,分布在黑云母解理縫中。巖石中SiO2含量69.4%,Al2O3含量14%,Ti、Ca、Mg等氧化物含量低。
(1)風化殼發(fā)育。東風巖體整體剝蝕程度中等;巖體北部及中部剝蝕程度比較強烈,地勢上多為渾圓形小山包及比較低洼平坦地勢,海拔一般在500m以下,相對高差多小于100m,巖石風化程度較高;巖體南部剝蝕程度較弱,地勢海拔較高,山勢陡峭,海拔多大于500m,相對高差一般為100m以上,巖石風化程度較弱;巖體東西兩側多為高山,海拔在600m以上,多為古生界地層及花崗巖。
(2)風化殼結構。風化殼是地球表層的巖石圈在大氣圈、水圈、生物圈的影響下,經(jīng)過長期的物理、化學、生物的風化作用形成的,有一定形體的松散殼層。由于母巖經(jīng)受的風化程度不同,自上往下可將風化殼分為四層:腐殖層、殘坡積層、全風化層、半風化層(見圖1)。
(3)風化殼的礦物成分。腐殖層:本層以腐殖質、粘土為主,一般為 0-3.5m,不同地區(qū)厚度不同,植被發(fā)育地區(qū)較厚,山頂或植被相對不發(fā)育地區(qū)較薄或缺失,一般呈棕黃色或棕紅色,可見植物根系,結構松散。
殘坡積層:一般厚 1-3 m,本層以花崗巖風化殘積坡為主,且各處厚度不一,一般山脊至山頂較薄有的甚至缺失,山坡至山腳變厚。巖層一般為棕黃色或棕紅色,主要為粘土、砂土、可見少量花崗巖或砂巖、板巖碎塊,結構較為松散。
圖1 東風礦區(qū)風化殼
全風化層:厚度一般 10-30 m,最厚39 m。巖層一般棕紅色、棕黃色或者褐黃色,主要成分為石英及長石、黑云母等礦物風化后形成的粘土、砂土等。巖層結構松散,濕度較小,局部接近地下水層的部分濕度較大,滲透性較好,解體后的長石(鉀長石、斜長石)呈白色斑點,大小約2~5mm,高嶺土化,形成粘土,呈土狀光澤,手捏有滑感,手捏成形,表面粗糙;石英粒狀灰白色或暗灰色,顆粒為1~3mm;黑云母已析出鐵質呈銹色,部分已蝕變?yōu)榘自颇浮?/p>
半風化層:全風化層下部為半風化層,其巖石顏色、結構構造特征與原巖差別不大,質地較松散,多數(shù)呈粒狀至塊狀,長石多呈碎粒狀,手捻不易呈碎末狀,厚度不詳。
(4)風化殼中稀土元素的含量與分布。根據(jù)工程樣品分析結果統(tǒng)計,稀土氧化物的含量在垂直剖面上品位的變化有上下貧、中間富的特點,主要賦存于全風化層的中上部,稀土含量一般在0.03-0.248 %之間變化。
礦體呈層狀、似層狀產出,產狀與全風化層基本一致,但礦體的規(guī)模要小于風化殼,有的能連續(xù)成片,有的被地形分割成單個礦塊。礦體大部分被表土層覆蓋,蓋層厚度一般2~4m。礦體的底板隨地形起伏而起伏,一般與地形坡向基本一致,但傾角比地形略為平緩,底板傾角山坡處稍陡,整個礦體坡度變化在15~35°之間。
礦石品位與花崗巖風化程度有關。化學分析測試結果表明,全風化層的稀土品位均高于半風化層的稀土品位,半風化層的稀土品位又高于基巖的稀土品位。
礦石中稀土元素主要以交換的陽離子形式吸附于粘土礦物表面;少量以類質同象或微包體方式分散于造巖礦物或副礦物中;部分呈獨立礦物,磷釔礦、獨居石等。礦石中鈦、磷、鐵等雜質含量較少,鐵平均含量為4.09%,鈦平均含量為0.64%,磷平均含量為0.05%。
(1)母巖稀土豐度。母巖稀土元素的豐度高低,直接影響能否在花崗巖風化殼中形成稀土礦床[1],當具有同樣有利的稀土賦存狀態(tài)條件時,一般情況下,母巖稀土豐度值(稀土總量)越高,越有利于在風化殼中形成稀土礦床。根據(jù)研究資料加里東期、印支期及燕山期礦床(點)的基巖豐度值統(tǒng)計表明,其含礦母巖的RE2O3豐度值197~490ppm,平均為329ppm,這種基巖的豐度值對在風化殼形成離子型稀土礦床較有利。
(2)水介質條件。在風化殼不同的層位中,由于水的存在方式與水動力條件不同,稀土元素的遷移方向也是變化的。風化殼表層由于直接受大氣降水的沖蝕和淋溶,沿地形斜坡方向的沖蝕又最強,不易于離子態(tài)的稀土存在與富集。在全風化層中,水以垂向運動為主,孔隙、裂隙水較發(fā)育,尤其是毛細孔隙水具有雙向運動的特點,有利于稀土離子在全風化層中下部富集。此外,在本層中大量存在有吸附水、毛細水與薄膜水的水介質環(huán)境,這些水與空氣接觸溶解大氣中CO2及游離O2較多,pH值較低(多在5~7范圍內變化),使原來分散的稀土元素在風化殼的有利部位富集。
半風化層由于更遠離地表,常位于潛水面以下,地下水沿潛水向低處運移,但其上部孔隙、裂隙水較活躍,水的運動仍以垂向為主,側向運動次之。水質pH值與全風化層下部相似,并承接了全風化層淋濾下來的稀土,加之本層大部分長石已風化成粘土礦物,有利于吸附呈離子狀態(tài)的稀土,故本層上部有利部位可能富集成礦。隨著深度加大,風化程度降低,水溶液的酸度降低為堿性,因此,在半風化層下部及微風化層,由于被釋放出來的稀土元素被水解形成氫氧化物膠體沉淀,不易被遷移富集,所以水介質對風化殼中的稀土元素的遷移,富集起著一定的控制作用。
(3)氣候條件。該區(qū)屬大陸中亞熱帶濕潤季風型氣候,常年氣溫較高,濕度也較大。根據(jù)化學動力學范荷甫規(guī)則指出,溫度每升高10℃,化學反應速度約增加2~4倍,風化殼的化學作用強度隨溫度升高而加強;濕度增大,風化殼中陽離子濃度降低,淋濾作用加強。風化殼發(fā)育程度與降雨量和蒸發(fā)量等因素有關。
(4)新構造運動與地貌條件。晚第三紀和第四紀的新構造運動控制本區(qū)山丘、盆地不同地貌的分布,并對風化殼的形成與保留起著重要作用。此階段形成的風化殼是我們主要找礦對象。新構造運動以上升為主的山區(qū),風化殼剝蝕速度大于形成的速度,風化殼難以形成。
具有高豐度稀土元素的母巖,在亞熱帶潮濕氣候條件下,當新構造運動緩慢上升或相對穩(wěn)定時期,低山丘陵地區(qū)的風化殼得以保存和增厚,隨著物理及化學風化作用不斷進行,易溶性稀土元素隨雨水等介質遷移、沉淀、富集于全風化層,最后形成具有一定規(guī)模的花崗巖風化殼離子吸附型稀土礦床。