幕阜山岩体出露面积2 440 km², 是湘东北地区出露面积最大的岩体, 横跨湖南省东北部、江西省西部及湖北省南部。幕阜山花岗岩经历了燕山早期和燕山晚期岩浆侵位活动, 形成了多期次叠加复式岩体(图2), 从早到晚依次为闪长岩、花岗闪长岩、黑云母二长花岗岩、二云母二长花岗岩和二云母花岗岩。从空间分布看, 闪长岩和花岗闪长岩主要分布在幕阜山岩体东部, 范围较小; 黑云母二长花岗岩主要分布在幕阜山岩体西北部和中南部, 范围较广; 二云母二长花岗岩主要分布在幕阜山岩体北部和西南部, 范围较广; 二云母花岗岩呈小岩体零散分布在幕阜山岩体中部和南部, 范围较小(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 幕阜山花岗岩年龄及稀有金属矿床(点)分布[28, 38, 39, 40, 41, 42, 43]Fig.2 Granite ages and distribution of rare metal deposits in Mufushan area[28, 38, 39, 40, 41, 42, 43]

前人对幕阜山花岗岩和伟晶岩成岩时代开展了一系列年代学研究^{[38, 39, 40, 41, 42, 43]}, 获得了大量年龄数据(表1)。闪长岩和二云母花岗岩成岩年龄为154~92 Ma, 存在多期次岩浆活动。幕阜山地区伟晶岩成岩时代研究相对薄弱, 仅李鹏等^[28]对断峰山铌钽矿床和大兴红柱石矿床中的白云母开展测年工作, 认为该矿床的成矿时代分别为(127.7± 0.9) Ma和(130.5± 0.9) Ma。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 幕阜山花岗岩和伟晶岩成岩时代统计 Tab.1 Statistics of forming ages of granite and pegmatite deposits in Mufushan area 岩体/矿床 岩性 年龄/Ma 测试方法 幕阜山岩体 闪长岩 154[39] 锆石U-Pb法 花岗闪长岩 153[39] 锆石U-Pb法 152[38] 锆石U-Pb法 151[39] 锆石U-Pb法 149[41, 42] 锆石U-Pb法 黑云母二长花岗岩 145[39] 锆石U-Pb法 146, 148[40] 锆石U-Pb法 143, 151[41, 42] 锆石U-Pb法 二云母二长花岗岩 137[38] 锆石U-Pb法 127, 132, 135[41, 42] 锆石U-Pb法 129[41] 独居石U-Pb法 131[43] 锆石U-Pb法 二云母花岗岩 92, 98[42] 黑云母Ar-Ar法 102[42] 白云母Ar-Ar法 伟晶岩矿床 断峰山铌钽矿床 127.7± 0.9[28] 白云母Ar-Ar法 大兴红柱石矿床 130.5± 0.9[28] 白云母Ar-Ar法

表1 幕阜山花岗岩和伟晶岩成岩时代统计 Tab.1 Statistics of forming ages of granite and pegmatite deposits in Mufushan area

幕阜山不同阶段花岗岩稀有金属元素含量见表2。从花岗闪长岩到二云母花岗岩, 稀有金属元素含量呈规律性变化: 花岗闪长岩Li、Be、Ta、Nb、Rb、Cs含量较低, 二云母二长花岗岩Li、Be、Ta、Nb、Rb、Cs含量最高。二云母二长花岗岩的成岩年龄与伟晶岩矿床的成矿年龄相近, 暗示稀有金属伟晶岩成矿作用与二云母二长花岗岩密切相关。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 幕阜山不同阶段花岗岩稀有金属元素和挥发分测试结果 Tab.2 Test results of rare metal elements and volatile of granites in different stages in Mufushan area 岩性 编号 含量/10-6 Li Be Ta Nb Zr Hf Rb Sr Cs F 二云母花岗岩 Y6 85.8 3.9 1.10 11.4 143 3.0 237 148.0 7.7 837 二云母二长花岗岩 Y10 191.0 8.4 3.00 15.3 118 3.8 360 67.1 51.6 1 133 Y12 34.4 2.5 0.64 7.8 131 4.7 191 213.0 7.0 905 黑云母二长花岗岩 Y8 103.0 5.9 0.60 6.5 147 5.5 194 291.0 35.8 928 花岗闪长岩 Y7 52.5 2.5 0.76 10.4 138 4.5 139 375.0 9.3 764 Y13 54.6 3.5 0.71 7.2 161 6.1 144 364.0 9.6 738 注: 测试单位为中国地质科学院国家测试中心。

表2 幕阜山不同阶段花岗岩稀有金属元素和挥发分测试结果 Tab.2 Test results of rare metal elements and volatile of granites in different stages in Mufushan area

在幕阜山地区不同阶段花岗岩挥发分(F)与稀有金属元素关系图(图3)中, 随挥发分F含量增加, 稀有金属元素呈线性变化。从花岗闪长岩到二云母花岗岩, Li、Ta、Nb、Rb含量与F呈正相关, 而Zr、Sr含量与F含量呈负相关, 表明挥发分F对稀有金属元素富集和迁移具有重要作用, F-稀有金属络合物在岩浆演化晚期富集。

图3

Fig.3

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	图3 幕阜山不同阶段花岗岩F与稀有金属元素关系Fig.3 Relationship between F and rare metal elements of granites in different stages in Mufushan area

幕阜山伟晶岩极其发育, 在花岗岩体内及外接触带片岩中广泛分布伟晶岩脉。从空间分布看, 伟晶岩集中分布在幕阜山岩体和岩体外接触带。岩体中的伟晶岩主要沿黑云母二长花岗岩和二云母二长花岗岩的张裂隙分布(图4(a)), 伟晶岩脉走向不规则, 脉体大小不一, 成群分布, 形成伟晶岩密集区; 岩体接触带的伟晶岩往往形成大脉(图4(b)), 甚至形成伟晶岩体, 平面上围绕岩体边缘展布, 伟晶岩脉宽几十米, 走向数千米; 岩体外围的伟晶岩产状平稳(图4(c)), 走向NW, 伟晶岩脉宽一般几米, 少数宽十余米, 走向长一般几十米至几百米。

图4

Fig.4

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	图4 幕阜山南缘地区伟晶岩类型及稀有金属矿Fig.4 Pegmatite type and rare metal ores in southern Mufushan area

文春华^[27]将幕阜山南缘地区伟晶岩由北向南划分为5个岩性类型。钾长石伟晶岩(Ⅰ 类型)呈多组平行或斜交, 沿花岗岩张裂隙呈平直状产出, 伟晶岩脉主要为板脉状(图4(a)), 主要分布在贺家山地区; 斜长石伟晶岩(Ⅱ 类型)距幕阜山岩体0~1 km, 伟晶岩沿幕阜山岩体外接触带呈斜交或穿插接触(图4(b)), 产在花岗岩外接触带周围或沿板岩地层板理或层理展布, 以脉状为主, 分布在梅仙和仁里地区; 斜长石-钠长石伟晶岩(Ⅲ 类型)距幕阜山岩体1~2 km, 伟晶岩主要产于板岩地层中, 沿板理、裂隙呈脉状分布, 分布在瑚珮地区; 钠长石伟晶岩(Ⅳ 类型)距幕阜山岩体3~4 km, 伟晶岩产在板岩和片岩地层中, 沿层理裂隙、板理及节理呈脉状分布(图4(c)), 分布在三墩地区; 钠长石-锂辉石伟晶岩(Ⅴ 类型)距幕阜山岩体4~5 km, 伟晶岩产在板岩地层中, 呈板脉状或脉状展布, 分布在传梓源地区。

幕阜山北缘断峰山地区伟晶岩脉主要分布在花岗岩体和围岩接触变质带内, 呈近EW向展布。根据副矿物特征, 将伟晶岩分为电气石伟晶岩、电气石-绿柱石伟晶岩和绿柱石伟晶岩和铌钽铁矿-绿柱石伟晶岩^[44]。

幕阜山岩体内伟晶岩中的稀有金属矿以铍矿为主, 幕阜山岩体接触带及外围片岩中的稀有金属矿依次为铍矿(图4(d))、铌钽矿(图4(e))和锂辉石矿(图4(f)), 最远处为热液脉型铍矿。由北向南, 即从贺家山— 传梓源, 幕阜山南缘伟晶岩中稀有金属元素Li、Be、Nb、Ta明显富集(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 幕阜山南缘伟晶岩Nb、Ta、Li、Be含量变化Fig.5 Nb, Ta, Li and Be content change of pegmatite in southern Mufushan area

自湖南省地质局^[22]开展幕阜山稀有金属矿产地质调查工作以来, 近几年湖南省地质调查院、湖南省核工业地质局311地质队、湖南省有色地质勘查局247地质队等单位发现了一批花岗岩型、伟晶岩型及砂矿型稀有、稀土金属矿床(点)(图2、表3)。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 幕阜山地区部分稀有金属矿床(点)统计 Tab.3 Rare metal ore deposits (occurrence) in Mufushan area 矿床(点)名称 位置 类型 矿种 规模 簸箕窝铍矿床[29] 江西修水簸箕窝 花岗岩型 铍矿 中型 盆形山铍矿床[29] 江西修水盆形山 花岗岩型 铍矿 中型 毛家岭铍矿点[29] 江西修水毛家岭 花岗岩型 铍矿 矿点 狮子尖铍矿点[29] 湖北通城麦市狮子尖 花岗岩型 铍矿 矿点 麦市铍矿点[29] 湖北通城麦市 花岗岩型 铍矿 矿点 凤凰翅锂钽矿点[29] 湖北通城凤凰翅 伟晶岩型 锂、钽矿 矿点 仁里钽铌矿床[25] 湖南平江县仁里 伟晶岩型 钽铌矿 超大型 传梓源铌钽锂矿床[45] 湖南平江县传梓源 伟晶岩型 铌钽、锂矿 大型 梅仙铌钽矿床[46] 湖南平江县梅仙 伟晶岩型 铌钽矿 小型 大坳绿柱石矿床[22] 湖南平江县大坳 伟晶岩型 铍矿 小型 寨上绿柱石、铌钽矿床[22] 湖南平江县寨上 伟晶岩型 铌钽矿、铍矿 小型 秦家坊绿柱石、铌钽矿床[22] 湖南平江县秦家坊 伟晶岩型 铌钽矿、铍矿 小型 断峰山铌钽矿床[22] 湖北通城断峰山 伟晶岩型 铌钽矿 大型 麦埚绿柱石矿床[22] 湖北通城麦埚 伟晶岩型 铍矿 小型 黄泥洞绿柱石矿床[22] 湖北通城黄泥洞 伟晶岩型 铍矿 矿点 虎形山钨铍矿床[47] 湖南临湘虎形山 石英脉型 铍、钨矿 大型 天井山绿柱石矿床[22] 湖南汩罗县天井山 石英脉型 铍矿 小型 新墙河流域独居石砂矿床[22] 湖南岳阳新墙河流域 砂矿型 独居石 大型 方山独居石砂矿床[22] 湖南临湘县方山 砂矿型 独居石 中型 詹家桥独居石砂矿床[22] 湖南临湘县詹家桥 砂矿型 独居石 中型 南江桥独居石砂矿床[22] 湖南平江县南江桥 砂矿型 独居石 中型 洞口铌钽矿砂矿床[22] 湖南平江县洞口 砂矿型 铌钽矿 矿点 隽水独居石砂矿床[22] 湖北通城县隽水 砂矿型 独居石 中型 南港独居石砂矿床[22] 湖北通城县南港 砂矿型 独居石 中型 蔡石窝铌钽砂矿床[22] 湖北通城县蔡石窝 砂矿型 铌钽矿 矿点

表3 幕阜山地区部分稀有金属矿床(点)统计 Tab.3 Rare metal ore deposits (occurrence) in Mufushan area

幕阜山稀有金属矿床(点)具矿化分带性。李鹏等^[28]根据幕阜山复式花岗岩的岩浆分异程度, 由东至西, 将稀有金属矿化分带依次分为Be→ Be+Nb+Ta→ Be+Nb+Ta+Li→ Be+Nb+Ta+Li+Cs等4个带。李兆麟等^[48]对幕阜山岩体稀有金属伟晶岩矿床中的绿柱石进行研究, 发现熔融包裹体温度为640~990 ℃, 气液包裹体均一温度为180~340 ℃。笔者获得了幕阜山南缘梅仙铌钽铍矿区(距幕阜山岩体0~1 km)流体包裹体主体温度为220~380 ℃(未发表); 仁里钽铌矿区(距幕阜山岩体1~3 km)流体包裹体主体温度为190~320 ℃; 传梓源锂铌钽矿区(距幕阜山岩体3~5 km)流体包裹体主体温度为140~250 ℃^[49], 反映幕阜山地区稀有金属矿床成矿流体温度由岩体向外接触带逐渐降低。通过统计幕阜山稀有金属矿床(点)(图2), 发现稀有金属矿床(点)呈规律性分带变化: 以岩体为中心, 广泛发育花岗岩型和伟晶岩型铍矿带(图2); 从岩体接触带向外围0~3 km发育伟晶岩型铌钽矿带(断峰山铌钽矿床、仁里铌钽矿床), 距离岩体3~5 km发育伟晶岩型锂铌钽矿带(传梓源锂铌钽矿床), 距离岩体5~10 km发育石英脉型铍矿带(天井山铍矿床、虎形山钨铍矿床), 形成了以岩体为中心, 矿带围绕岩体周围展布的环状格局, 也表明成矿流体温度控制了稀有金属矿物组合的空间分带性。

湘东北地区燕山期发生大规模岩浆侵位事件, 强烈的挤压作用导致上覆岩层增厚、隆升。由表1可知, 幕阜山岩体在154 Ma左右侵位至冷家溪板岩中, 进入快速隆升阶段。邹慧娟等^[20]计算出幕阜山花岗闪长岩最小上升速率达170 m/a, 反映了拉张的构造环境。

隆升之后, 岩体在区域构造演化过程中遭受了不同程度的风化剥蚀。彭和求等^[19]认为九岭— 幕阜山地区自中新生代以来经历了3次(132~120 Ma、81.1~55.6 Ma和47.0~30.0 Ma)强烈的隆升和剥蚀过程。自晚白垩世持续隆升以来, 幕阜山岩体经历的平均剥蚀厚度约4 800 m^[21]。由于幕阜山岩体经历了长时间的隆升和剥蚀过程, 岩体隆升导致围岩破裂, 产生大量裂隙, 伟晶岩在岩浆演化晚期沿裂隙充填结晶, 形成沿地层平整接触的伟晶岩脉。岩体隆升之后, 伴随长期的剥蚀过程, 伟晶岩出露地表, 形成具有工业意义的伟晶岩型稀有金属矿床。

稀有金属元素在地壳中含量稀少, 能否形成独立的矿物或矿床, 主要取决于稀有金属元素在岩浆中的丰度及物理化学条件。从早期的闪长岩到晚期的二云母花岗岩, 幕阜山岩体不同阶段花岗岩中的稀有金属元素(Nb、Ta、Li、Be、Rb)逐渐富集。早期闪长岩中Nb、Ta丰度较低, 可能因Nb、Ta分散到黑云母、钛铁矿中^[50]。在幕阜山岩体多期次岩浆演化过程中, 含水挥发分对稀有金属元素的亲和性使成矿元素不断富集; 李鹏等^[28]认为幕阜山岩体的多期次活动和成矿可用复式岩体的“ 体中体” 模式解释, 由具有同源联系的多个单一侵入体相继侵位构成“ 体中体” , 而成矿岩体则多数为其中较晚期、较小规模的岩体, 其演化到晚期在小岩株中富集稀有金属元素, 形成稀有金属矿床。

湘东北地区以NE向长沙— 平江断裂和新宁— 灰汤断裂为主(图1), 受NE向区域大断裂走滑作用影响, 在周边发育一系列次级NW向断裂, 造成冷家溪群板岩破碎, 层间裂隙发育。幕阜山岩体在154 Ma左右岩浆开始侵位上升, 受断裂控制分布于长沙— 平江断裂和新宁— 灰汤断裂之间。在幕阜山花岗岩主岩体形成后, 富稀有金属元素的花岗质岩浆沿裂隙充填结晶, 伟晶岩中稀有金属元素通过岩浆结晶分异作用逐渐富集^{[51, 52]}。岩浆侵位上升过程中, 挥发分与稀有金属元素络合物快速迁移至岩体顶部富集, 随着温度下降, 岩浆不混溶作用导致Na、Li与K分离^[53], 最终形成富铌钽和锂的稀有金属矿床。如仁里和传梓源矿床伟晶岩脉总体走向为NW向, 伟晶岩脉沿层理张裂隙产出, 接触面平整, 表明伟晶岩形成于伸展构造环境。造山之后, 相对稳定的环境和利于岩浆结晶分异的时空条件, 有利于形成超大型矿床^{[54, 55]}。

幕阜山岩体经历了岩体侵位隆升后, 区域构造作用强烈, 岩体遭受剥蚀。南方多雨湿润的气候条件加速了幕阜山花岗岩的风化剥蚀速度。风化剥蚀后的独居石、铌钽矿等重矿物随雨水汇入河流并被搬运, 最终在河流下游低洼区域沉淀, 形成规模巨大的独居石砂矿床或铌钽矿砂矿床。