稀有金属包括铌(Nb)、钽(Ta)、铍(Be)、锂(Li)等9种元素,是培育和发展今后战略性新兴产业所需要的功能材料和结构材料。我国的铌钽产地具有分布广泛,资源相对集中的特点^[1,2]。“三稀矿产资源战略研究”项目对我国的三稀资源进行了摸底,分类排查其应用状况和保障能力,指出了三稀资源找矿方向和综合应用前景^[3]。我国目前钽铌等稀有金属矿产资源无法满足国内需求,需要加大对找矿方面的研究^[4]。

现阶段我国铌钽等稀有金属矿的研究主要集中在对赋矿岩石的岩石学、地球化学特征、成因、矿物学及物质组成等方面。用于稀有金属找矿的物探方法主要有磁法、电法和放射性等,大部分钽铌等稀有金属矿床具有放射性异常,(碱性)花岗岩型钽铌等稀有金属矿床中激电和磁异常与铌钽等元素异常相互叠加的部位是找矿的有利地段^[3]。例如,可可托海稀有金属3号脉环形磁异常与伟晶岩矿关系密切,根据团块状磁异常推测深部有伟晶岩膨大体,对深部找矿具有重要贡献^[5]。但是,物探方法用于稀有金属找矿主要为已知矿详查阶段扩大矿体规模、圈定含矿层位及矿体埋深等,在区域性直接找矿或提供间接找矿线索上涉及甚少。研究表明铌钽矿的富集机制主要有两种:岩浆结晶分异和热液交代^[2],作为岩浆及热液活动研究的一种典型手段,高精度、高分辨率航磁测量目前大量应用于区域地质矿产调查研究和评价,该方法在“敦煌—阿克塞航磁查证”项目中阿尔金东段铌钽找矿方面取得了新发现,是航磁在稀有金属找矿中的突破。

甘肃省内目前发现的稀有金属矿床和矿(化)点有51处,以北山成矿带分布相对较多,铌钽主要分布在阿尔金断裂带和龙首山一带^[6];近年来发现了数处以余石山铌钽矿为代表的稀有金属矿,对阿尔金地区稀有金属勘探具有宏观影响^[7]。笔者通过分析2015~2016年度开展的“敦煌—阿克塞地区航磁测量”成果资料,对阿尔金山东段碱性花岗岩型余石山铌钽矿和伟晶岩型大红山铌钽矿(点)航磁特征与矿体特征对比分析,总结出了该区铌钽矿含矿地层和矿体展布与航磁异常之间的对应关系,并结合区域化探资料,提出该区铌钽矿勘探预测区。

阿尔金成矿带东段北缘以红柳沟—拉配泉断裂带(或称北缘断裂带)与敦煌地块和塔里木地块分隔,东、南则以南缘断裂带为界与柴达木地块、祁连构造带毗邻(图1)。

区内出露地层齐全,主要为沉积变质地层,变质岩主要类型有区域变质岩、接触变质岩和混合岩等。古老变质基底为新太古代—古元古代敦煌岩群变质岩系,主要分布于阿尔金山以北,古元古代达肯大板群分布于阿尔金主峰及以南,北大河岩群分布于阿尔金主峰东部;基底经受了多期构造—热事件的影响,不仅强烈变形变位,而且发生了不同程度的变质改造^[8]。长城系、奥陶系和石炭系沉积地层分布于阿尔金山主峰及南麓一带,轻微—中浅变质岩主要分布于蓟县系和青白口系,出露于阿尔金东端。区内的火山岩地层主要为长城系熬油沟组和奥陶系吾力沟群,分布于余石山一带。

位于甘肃省境内的阿尔金加里东铜、金、石棉矿带由红柳沟石棉成矿区、化石沟铜成矿区、红柳沟铁成矿区、化石沟白云母成矿区等组成,是我国最重要的石棉成矿带^[9,10,11]。铁矿主要产于元古宙变质碎屑岩和碳酸盐岩中,属于沉积变质成因,一般品位不高,规模较小;化石沟铜矿区位于华力西期(加里东期)酸性斑岩体的断裂带上,目前勘查已达小型规模;化石沟白云母矿产于华力西期(加里东期)中酸性岩体中的伟晶岩脉内^[11]。

近年来发现的铌钽矿(点)多分布在阿尔金脆性断裂带上,已知的有余石山铌钽矿、大红山铌钽矿、交勒萨依铌钽矿、八龙沟铌钽矿、崔木土铌钽矿等(图2)。

该区域以往的小比例尺航磁测量总体呈现出明显的分区特征,形成中间NE向的强磁异常区和SN两侧的弱磁异常区,SN两侧低弱磁场分别反映柴达木—祁连板块和敦煌地块,中间的NE向强磁异常带与NE向区域布格重力梯度带相套合,反映了沿阿尔金走滑断裂带发育的岩浆侵入和火山活动。这些成果资料较好地反映了阿尔金地区基底埋深及走滑特征^[12],但对区内地质信息的细节反映不够清楚。

中国国土资源航空物探遥感中心2015~2016年实施的“敦煌—阿克塞地区航磁综合研究”项目,其中2016年航磁范围如图2所示。在系统采集了全区的物性参数基础上,对新采集的航磁资料进行了综合研究后,优选出22个航磁异常(包括位于余石山铌钽矿和大红山铌钽矿(点)地区的航磁异常),采用地质、化探、磁测等综合研究手段进行地面查证,效果显著。从研究成果来看,在该区以余石山铌钽矿为代表的碱性花岗岩型铌钽矿和大红山等伟晶岩型铌钽矿均具有明显的地质、地球物理特征,分述如下。

2.1.1 地质特征

甘肃余石山铌钽稀有金属矿位于甘肃阿克塞县238°方向约106 km处,为甘肃省地调院发现的大型稀有金属矿床,处于阿尔金成矿带上。矿区出露地层主要为长城系熬油沟组,地层总体上呈NWW-NEE向展布,受构造强烈改造,在测区呈无序状出露(图3)。出露的岩体主要为加里东期灰黑色变辉长岩、海西期二长花岗岩和少量钾长花岗岩,与成矿关系密切的主要为加里东期碱性花岗岩。区内构造复杂,主要为近NE和NE向的构造,断裂带表现为早期的韧性变形和脆性断裂,其中脆性断裂是该区主要的控矿因素^[5]。

2.1.2 矿体特征

目前矿区圈出的矿体受NWW-EW-NEE向舒缓波状区域断裂带、变粒岩层、云英岩化带及大理岩透镜体控制,矿体的总体特征近平行产出,略具向东收敛,向西收敛的趋势。就单矿体而言,矿体大多呈透镜状、长条状(图3)。最广泛的矿石类型为变粒岩型,发现稀有矿物、稀土矿物主要为易解石、褐钇铌矿、氟碳铈矿、氟菱钙铈矿、铌(钽)铁矿、独居石等,达到大型规模^[5]。主要的围岩蚀变有绢云母化、绿泥石化、绿帘石化、钾化、钠化等,其中钾化、钠化、绢云母化和云英岩化与成矿关系密切。

2.1.3 航磁特征及查证情况

余石山铌钽矿区在本次航磁测量中出现了典型的磁异常分带区,该异常区由甘C-2016-184、甘C-2016-185、甘C-2016-188、甘C-2016-209、甘C-2016-210组成,其中甘C-2016-188、甘C-2016-210异常与已发现主矿体的位置完全重合,对甘C-2016-188进行了地面查证工作。收集采集矿区磁性参数见表1。

从航磁等值线图上看,矿区磁异常具有明显的正负磁场分带(图4)。EW-NE走向的正磁异常带反应的是长城系熬油沟组角闪二长变粒岩,该地层为含矿地层,磁异常带中心位置与铌钽矿化带和矿体的位置完全吻合,地层变质作用最强;该强磁带向东收敛尖灭,南侧缓慢变弱,地质资料显示,南侧的不含矿的大理岩地层可能是铌钽矿的格挡层,其地表界线比强磁带南侧边界位置靠北,表明含矿的变粒岩地层在深部向南侧延伸,倾向南倾。

地面查证结果显示磁异常曲线异常形态呈上下跳跃的锯齿状(图5),地磁2.5D反演结果显示异常体即含矿变粒岩被区内发育的断裂构造分割,形成近直立的磁异常体,严格受断裂控制,向下延伸较深,这与矿床现阶段钻孔资料吻合。

2.1.4 找矿模型综合地、物、化资料分析,该铌钽矿床含矿层位为长城系熬油沟组变粒岩,其变质原岩为正长岩类^[14],岩浆活动强烈,碱性花岗岩发育;含矿层位形成带状分布的强磁场区,磁异常形态呈尖峰状起伏跳跃;矿体严格受脆性断裂控制,形成大断裂碎裂岩化带;围岩钾化、钠化、绢云母化和云英岩化,矿石除含铌钽外,伴有锆、铪、钨、钼、铋等高温矿物及多元素组合异常;化探异常元素显示明显,元素组合为Nb、La、Ce、Y、Zn、Pd等,伴生的Pd、Zn异常明显。

阿尔金东段发现了多处伟晶岩型铌钽矿(点),有大红山、八龙沟、崔木土、交勒萨依铌钽矿等,综合研究程度均低。伟晶岩脉规模均较小,但数量多,成群成带相间集中分布。笔者通过总结概括区域内几个已知铌钽矿点的地质、航磁资料,重点研究其物质组成、成矿演化所显示的航磁异常特征,提出其找矿模式。2.2.1 地质特征伟晶岩的成因分为两类:一类与岩浆作用有关,另一类与变质作用有关^[15]。从区域上看,该区伟晶岩型铌钽矿的地质特征基本类似,含矿的伟晶岩(脉)常围绕着花岗岩体产于新太古代—古元古代变质地层。大红山铌钽矿、巴龙沟铌钽矿、崔木土铌钽矿均分布于八龙沟—崔木土逆冲型韧性变形带及周围,赋矿层位为古元古代—新太古代敦煌岩群,加里东期及华力西期侵入岩发育;交勒萨依铌钽矿位于古元古代达肯大板群地层中,华力西期侵入岩体发育。对大红山甘C-2016-85、87、88、90、91航磁异常区进行了地面查证,以大红山铌钽矿为例,含矿的伟晶岩常围绕着花岗岩体产于变质地层中(图6),具有明显的分带性和交代性。断裂构造和节理裂隙发育,节理多分布于岩体内外接触带中,一般规模小,多属小型节理,由于侵入体的内力和外部构造力的影响而产生,裂隙中有大量的中酸性岩浆侵入和热液活动;脉岩沿裂隙穿入于岩体及围岩中;岩脉的规模不一,与围岩界限清晰。花岗伟晶岩脉出露宽度0.2~0.5 m、长1.0~10.0 m不等;岩石呈灰色、灰白色及浅红色,具有伟晶花岗结构及花岗结构,主要矿物成分有石英、斜长石及少量黑云母、白云母等。以往区域化探资料显示该区La、Sr、Pb、Zn元素含量富集。

2.2.2 矿体特征区内伟晶岩型铌钽矿点研究程度均较低,其基本特征相同。以交勒萨依铌钽矿为例,矿体分布于花岗伟晶岩脉中,受脉岩的产出状态控制,呈脉状、透镜状,矿体产状呈近NW向和NNE向;矿体的围岩主要是大理岩、闪长岩。脉石矿物以斜长石、钾长石、石英、绢云母为主^[16]。

2.2.3 航磁特征八龙沟、崔木土铌钽矿位于区域逆冲变形韧性带,大红山铌钽矿位于该带西南侧大红山岩体附近。从航磁ΔT等值线上看,铌钽矿区内断裂构造反应明显,沿裂隙填充的基性岩体(崔木土一带)形成了近EW向及NW向的磁异常,花岗岩在区内形成负弱磁异常,花岗岩与地层接触带上地层及岩体磁性明显升高;崔木土铌钽矿和大红山铌钽矿磁场特征类似。收集采集大红山铌钽矿区磁性参数见表2。

以大红山铌钽矿区为例,其磁场具有以下特征(图7):磁场分区明显,强磁异常主要为敦煌岩群角闪片麻岩引起;地面磁测ΔT异常曲线形态多呈尖峰状及上下跳跃的锯齿状,被区内发育的断裂构造错断;区内节理和裂隙发育,沿裂隙填充的伟晶岩脉与围岩接触带磁异常强度明显升高;区内伟晶岩脉发育,围绕在花岗岩附近分布于变质地层中,具有分带性,与断裂走向一致,多为NWW向和近EW向。

研究区伟晶岩为岩浆液态分离模式演化的结果,伟晶岩脉集中分布区域,磁性矿物沿岩浆运移、富集,使古老地层变质程度最深,磁异常为区内最强。区内的花岗岩多表现为弱磁和无磁异常,为伟晶岩铌钽矿的形成提供了充足的物源和演化热量。

2.2.4 找矿模型

阿尔金东段伟晶岩型铌钽矿床含矿层位为新太古代—古元古代变质地层,含矿伟晶岩分布在花岗岩附近,沿构造节理及裂隙填充,具有空间分带的特征;含矿岩脉物质组成以斜长石、钾长石、云母等为主;伟晶岩脉集中分布区域,地层变质程度高,航磁异常强度最大;区域化探异常元素组合为Pb、Zn以及La放射性元素等。

根据阿尔金东段的铌钽矿成矿模型,结合区域地质、化探资料,提出了甘C-2016-237和甘C-2016-241航磁异常区为铌钽找矿预测区。该区位于余石山铌钽矿96°方向约30 km,大地构造相同。

预测区出露地层主要为长城系熬油沟组火山岩地层,是余石山铌钽矿含矿地层向东的延伸(含矿层位相同);南北两侧分别与古元古代北大河岩群三岩组大理岩建造(含矿“格挡层”相同)和石炭系羊虎沟组地层断层接触;位于阿尔金断裂带上,地层受区域构造控制,在多期次板块俯冲、碰撞作用和岩浆活动作用下,构造变形复杂(控矿因素相同);与岩浆活动、成矿作用及矿带分布关系密切的断裂和节理在区内普遍发育。岩浆岩主要为二叠纪英云闪长岩、二叠纪二长花岗岩、白垩纪正长花岗岩等;正长花岗岩岩石呈肉红色,中粒半自形粒状结构,钾长石60%~64%、斜长石1%~10%、石英30%~35%(碱性花岗岩发育),分布于预测区中北部;区内石英脉发育(图8)。

预测区航磁异常特征与余石山铌钽矿区航磁异常特征类似,强磁异常带反映的是长城系熬油沟组变粒岩地层,根据地面查证结果,该带地磁特征与余石山地磁相同,异常均呈上下跳跃的锯齿状,被区内的断裂构造分割并严格控制。弱磁异常区反映南北两侧沉积变质地层。碱性花岗岩体磁场特征相同,均形成与地质界线相同的磁异常(图9)。

根据以往区域1∶20万化探资料,预测区分布有La、Sn、Sr、Pb、Zn等化探异常,与余石山化探异常相同。本次地面查证结果显示,变粒岩地层中具有Pb、Zn、Cu、Ag等伴生异常,与余石山铌钽矿南北两侧发现的铅锌多金属矿具有相同特征。预测区内围岩蚀变主要为绢云母化、绿泥石化钾化、钠化等,其中钾化、钠化、绢云母化与铌钽成矿关系密切。

航磁测量在阿尔金东段铌钽找矿中具有重要的指导意义:

1) 余石山铌钽矿(碱性花岗岩型)的主要含矿层位为长城系熬油沟组变粒岩地层,与强磁异常带完全对应,深部地层具有往南延伸的趋势,矿床进一步的勘探可向东部开展。

2) 大红山铌钽矿(伟晶岩型)等含矿伟晶岩具有分带性的空间分布特征,均分布于新太古代—古元古代变质基底中,其集中部位航磁异常强度大、地层变质程度最强,岩脉与围岩接触带二者磁性均升高;结合航磁资料研究铌钽矿点附近伟晶岩脉集中分布区有望扩大矿区规模。

3) 阿尔金东段在寻找铌钽矿时可结合化探异常(Pb、Zn、La、Sr、Sn等伴生元素)及地质资料(新太古代—古元古代变质地层、碱性花岗岩、围岩蚀变、断裂构造及节理裂隙)进行综合研究。

4) 甘C-2016-347、甘C-2016-241航磁异常区具有良好的碱性花岗岩型铌钽矿成矿前景,可通过地质、化探、地磁、电法综合测量的手段,结合工程验证。