Chronology of the volcanic rock intercalations within the flysch of the Songpan-Ganzi folded belt and its geological significance
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摘要:
在四川北部松潘西北和甘肃南部合作市一带的上三叠统(深海沉积)复理石中发现了数套火山(碎屑)岩夹层。利用UPb同位素测年, 获得4件安山岩、凝灰岩样品锆石的年龄加权平均值分别为205.9±1.6Ma、208.9±1.8Ma、210.4±1.6Ma和212.3±1.5Ma, 时代属于晚三叠世诺利期晚期-瑞提期早期。此系第一次较为精准地报道松潘-甘孜褶皱带晚三叠世复理石火山岩夹层及其可能代表的火山喷发年龄。研究结果表明, 直到瑞提期早期松潘-甘孜古残留海盆还未停止接受沉积物供给。该套火山(碎屑)岩的测年结果为松潘-甘孜褶皱带上三叠统复理石岩石地层单元的划分和对比提供了重要参考, 同时为进一步约束华南与华北板块碰撞-造山事件时限提供了新证据。
Abstract:Several intercalations of volcanic and pyroclastic rocks were firstly discovered within the flysch of the Songpan-Ganzi folded belt. Samples were taken in northwestern Songpan of Sichuan and southwestern Hezuo of Gansu. Using U-Pb isotope mea-surement of LA-ICP-MS, the authors conducted dating of four samples and obtained ages of 205.9±1.6Ma, 208.9±1.8Ma, 210.4±1.6Ma and 212.3±1.5Ma separately, precisely showing the late Norian-early Rhaetian age of the Late Triassic. These are the age representatives of volcanic eruptions during the flysch accumulation and indicate that the deposition might have not stopped until the early Rhaetian. The discovery of the dated volcanic rocks would benefit the stratigraphic classification and correlation of the Up-per Triassic flysch within the Songpan-Ganzi folded belt, and can provide evidence and age constraints for the collision and oroge-ny between blocks of South and North China.
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Keywords:
- U-Pb chronology of zircon /
- andesite /
- tuff /
- flysch /
- Late Triassic /
- Songpan-Ganzi folded belt
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镓(Ga)、锗(Ge)、铟(In)、镉(Cd)、碲(Te)、硒(Se)、铊(T1)、铼(Re)8种元素, 在地壳中丰度很低(一般为10 -9级), 在自然界不易形成独立矿物，具有在地质体中趋于分散的特点, 称为“稀有分散元素”[1]。铼是一种广泛用于国防、航空航天、石油化工及电子工业的战略性稀散金属，全球约83%的铼用于生产航空航天工业的高温合金，具不可替代性，被称为“战略金属”、“航空金属”、“超级金属”，是中国战略性新兴产业矿产的关键金属之一①[2]。Re的地球化学性质与Mo十分相似，常以类质同象的形式赋存在辉钼矿中，极少数以铜铼矿(CuReS4)、辉铼矿(ReS2)等独立矿物形式存在[3-4]。Se的地球化学性质与S相似，易在金属硫化物中以类质同象的形式存在，目前，硫化物矿床开采的副产品是工业用硒的主要来源[5-7]。
稀散元素曾被认为难以形成独立的具有单独开采价值的矿床，随着国内外稀散元素矿物矿床不断被发现，如美国阿佩克斯镓-锗矿床、贵州烂木厂铊矿、四川石棉大水沟碲矿等[8]，越来越多的资料表明，在一定地质地球化学条件下，稀散元素不仅能发生富集而且能超常富集, 并可以独立成矿，且稀散元素可以通过非独立矿物形式富集成独立矿床[9-10]。随着黑色岩系研究的兴起，赋存在黑色岩系中的V、U、Ge、Mo、Au及铂族元素等矿种相继被发现，特别是湖北恩施鱼塘坝硒矿[11]、滇西临沧锗矿[12-13]的发现，为稀散金属找矿工作提供了新的方向。目前，全世界范围内尚未发现具有工业价值的独立铼矿床，工业用铼主要来源于回收铜、钼矿床的伴生铼[2]。
Re、Se等稀散元素多来源于地壳深部，容易在还原环境下沉积富集[7]，通过对四川北部上二叠统硅质岩沉积环境分析，发现旺苍—南江地区硅质岩层富含有机质，并具有热水沉积+还原环境的特殊沉积环境，是稀散金属和V、Mo、Ga等元素富集的有利区域，并通过化探手段定位了含矿岩系。
1. 区域地质背景
研究区位于上扬子陆块西北缘，米仓山隆起变质基底南侧(图 1)。变质结晶基底以太古宇—元古宇变质碳酸盐岩-碎屑岩+吕梁期—澄江期火山岩为主，主要构造线以NEE走向为主，以强烈的复背斜和复向斜为特点，与盖层的接触边缘是主要的应力集中带，发育大量吕梁期、燕山期NEE向断裂；盖层为震旦系—三叠系碎屑岩-碳酸盐岩沉积，构造线方向为近EW向，多褶皱、少断裂。
晚二叠世早期，研究区处于广元-旺苍海槽[14]，为深水盆地相沉积区，于吴家坪期沉积了一套黑色薄层状硅质岩与灰岩、炭质页岩、粘土岩，含黄铁矿，以富炭、硅质为特征，海水沉积岩含量大于65%[15]，具热水沉积硅质岩的特征[16]，与形成于半深海-深海大陆边缘台盆环境的大陆边缘型层状硅质岩特征一致[17]。吴家坪组是区内的赋矿层位，区内铼硒矿化与这套富含炭、硅质岩层密切相关。
2. 地质特征
研究区地层以寒武系—三叠系为主，总体为一套浅海台型碳酸盐岩、碎屑岩，缺失泥盆系—石炭系，寒武系与奥陶系、志留系与二叠系及二叠系中、上统之间均为平行不整合接触。中二叠统出露梁山组(P2l)钙质粉砂质泥岩及石英砂岩、栖霞组(P2q)中厚层含生物碎屑灰岩及瘤状灰岩、茅口组(P2m)厚层-块状微晶灰岩及生物碎屑灰岩, 总体为滨海相到较深水台地相沉积的海水逐渐变深过程。上二叠统出露吴家坪组(P3w)层状硅质岩(含煤线)及灰岩、大隆组(P3d)中薄层硅质岩夹硅质泥岩。区内无岩浆岩、变质岩出露。
研究区少断裂、多褶皱，构造线方向为近EW向，主构造大两会背斜控制了地层及含矿岩系出露，含矿岩系围绕背斜周缘出露。主体构造线呈近EW向展布，背斜长约49 km，核部出露寒武系，产状平缓，两翼出露奥陶系—三叠系，产状一般40°~60°，其西南侧及东倾伏端宽缓次级褶皱发育。研究区处于大两会背斜东倾伏端。
3. 矿化特征
3.1 采样及分析测试
本次研究采样方法包括刻槽、1/2切心及捡块。研究含矿岩系Re、Se含量的样品采集于三江、大旗、五权3处，采用捡块法采集含矿岩系不同层位和岩性的样品。用于圈定铼硒矿化层及资源量估算的样品采集于本次研究依托的地勘基金项目施工的槽探及钻探工程，采用刻槽或1/2切心取样。
样品分析测试工作由四川省地质矿产勘查开发局化探队分析测试中心承担。采用硝酸、氢氟酸及高氯酸三酸溶矿的方法分解样品，等离子体质谱仪测定铼的检测方法，通过对国家标准物质钼矿石(GBW07141、GBW07142、GBW07143、GBW07144)及铅锌矿石(GBW07164、GBW07166)中的铼进行多次检测表明，该方法的检出限、正确度和精密度均达到规范要求。并提取样品正样送至中国科学院成都矿产综合利用研究所进行外检，Re分析结果相对偏差0.64%~6.67%，相对标准偏差均小于允许差，满足规范要求。
3.2 含矿岩系
研究区铼、硒含矿岩系为二叠系吴家坪组一段(P3w1)，该地层在四川东北部广泛分布，在旺苍地区主要沿米仓山基底隆起周缘分布，研究区受EW走向褶皱控制，主要呈EW向展布。含矿岩系为一套硅质岩、灰岩、含炭硅质岩、炭质页岩、煤线、铝质粘土岩组合，厚度4.47~20.13 m，总体西薄东厚，与下伏茅口组呈沉积不整合接触。铼硒矿化主要集中在含矿岩系中-下部。含矿岩系的铼硒矿化情况见表 1、图 2。
表 1 含矿岩系铼硒含量Table 1. Re and Se content table of ore-bearing rock series采样点 三江 大旗 五权 Re Se Re Se Re Se 炭质页岩 < 0.05 11.2 < 0.05 21.8 缺失 铝质粘土岩 < 0.05 19.2 < 0.05 11.0 < 0.05 10.3 煤线 缺失 缺失 6.10 50.8 含炭硅质岩 4.75 26.7 4.45 43.6 6.09 26.7 炭质页岩 6.20 166 5.79 105 6.37 30.0 层状硅质岩 0.33 28.9 0.13 14.8 0.482 47.1 灰岩透镜体 0.11 14.0 0.10 5.17 < 0.05 3.22 3.3 矿(化)层
含矿岩系中，Re、Se、V、Mo等多种元素分层富集，互相伴生，总体具钒钼在上、铼硒在下的特征(图 2)：钒钼多富集在上部的含黄铁矿铝质粘土岩层，V2O5含量一般0.1%~1.5%，Mo含量一般0.01%~0.1%；铼硒多富集于下-中部黑色薄层状含炭硅质岩夹炭质页岩及煤线中，呈层状产出，出露稳定，Re含量一般0.2~6 g/t，Se含量一般0.002%~0.05%。
经槽探及钻探工程系统取样，研究区铼硒含矿岩系中可综合圈定出一层厚4.2~8.5 m，具Re、Se、V、Mo多元素富集的矿(化)层，上部钒钼层以V为主成矿元素，下部铼硒层以Re为主成矿元素。上部钒钼矿层厚0.72~3.92 m，平均1.57 m，V2O5品位0.70%~2.72%，平均品位0.98%，钒含矿层中伴生Mo品位为0.014%~0.11%，平均品位0.043%。下部铼硒矿(化)层厚度一般2~4.43 m，Re含量一般2~11 g/t, 平均约3 g/t；Se含量一般0.01%~0.06%, 平均约0.018%。铼硒矿(化)层也具备钒钼矿化，V2O5含量一般0.15%~0.9%，Mo含量一般0.01%~0.06%。矿(化)层总体西薄东厚、含量西低东高，呈规律的连续变化，以背斜东部倾没端矿层厚度最大、含量最高。
3.4 矿石特征
主要构造为层状构造、层理构造、纹层状构造等沉积特征较明显的构造(图版Ⅰ-a)，部分矿石呈网脉状构造(图版Ⅰ-b)。铼硒矿石主要结构为泥状结构隐晶质结构，局部为生物碎屑结构，生物碎屑以被炭质和硅质交代充填的有孔虫、海绵骨针、放射虫等硅质生物为主(图版Ⅰ-c、d)。裂隙中充填黄铁矿细脉、石英-方解石细脉，黄铁矿和褐铁矿呈浸染状或弥散状分布(图版Ⅰ-b、e、f)。
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图版Ⅰ a.野外露头；b.矿石岩心；c.被炭、硅质交代充填的有孔虫镜下特征；d.海绵骨针镜下特征；e.后期形成的黄铁矿细脉；f.黄铁矿的碎裂结构镜下特征；q-cal—石英-方解石脉；for—有孔虫；ssp—海绵骨针；Py—黄铁矿中国地质科学院矿产综合利用研究所对研究区铼硒矿石开展的光学显微镜、扫描电镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)鉴定显示，铼硒矿石中含有大量的炭质，其中石墨含量为6.5%，有机碳含量23.6%。粘土矿物类总量为14.6%，其中以高岭石和伊利石为主，钒云母含量极低。石英含量为37.7%，黄铁矿含量为16.2%，其余常见矿物有锐钛矿、石膏、方解石和长石，偶见矿物为角闪石、硬锰矿、方铅矿、闪锌矿、独居石、锆石、重晶石、磷灰石。
矿石类型可分为含炭硅质岩型和炭质页岩型2种。含炭硅质岩型矿石化学成分以SiO2为主, 含量为77.68%~91.12%，平均86.52%, 其次为Al2O3、CaO和Fe2O3, 含量分别为0.37%~2.41%、0.1%~4.09%和0.33%~1.84%。炭质页岩矿石化学成分以炭质(有机质)为主，烧失量为41.23%~66.53%，其次为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，含量分别为16.95%~25.61%、3.96%~11.08%和0.15%~23.08%。
4. 可选性研究
铼硒矿石可选性研究由中国地质科学院矿产综合利用研究所承担。送检铼硒矿石S含量8.23%、Re含量3.68 g/t、Se含量177 g/t、V2O5含量0.47%、Mo含量0.048%、有机碳23.56%。样品岩性主要为炭质页岩、硅质页岩和含炭硅质岩。
原矿经过破碎磨矿，首先通过重选回收黄铁矿，得到产率10.68%、硫品位48.33%的硫精矿产品，硫回收率62.72%。99%以上的铼和77.45%的硒进入重选尾矿中，通过900~950℃氧化焙烧，90%的铼和99.9%以上的硒挥发进入烟道灰和烟气中，采用国内钼铜冶炼厂比较成熟的尾气净化回收工艺可以产出铼酸铵和二氧化硒产品。焙砂中钒和钼相对富集，V2O5品位约0.82%、Mo品位0.065%，可以通过碱浸工艺同时浸出钒和钼，最终产出五氧化二钒和钼酸铵产品。铼的总回收率约75%，硒的总回收率约90%。该矿通过选冶联合工艺可以产出优质的硫精矿、铼酸铵、二氧化硒、五氧化二钒、钼酸铵产品。因此，可选性研究表明，研究区铼硒矿经济可选，并具伴生有价元素多、综合利用优势大的特点。
5. 找矿潜力及意义
5.1 找矿潜力
目前稀疏钻探控制的矿(化)层长度约7.5 km，以2 g/t圈定矿(化)层，初步获铼资源量61.4 t、伴生硒资源量3000 t。系统工程取样表明，矿层向深部延伸800 m以上仍然稳定。矿层具有明显的向背斜倾伏端厚度变大、品位变富的规律，背斜东部倾伏端核部矿石Re品位均在5~10 g/t以上，目前尚未开展系统工作，是寻找厚大和更高品位铼矿层的最有利部位。研究区已发现的铼矿(化)层出露长度达25 km，铼的资源量潜力可达100~150 t，具有巨大的铼硒找矿潜力。
5.2 意义
8种稀散元素中，铼的储量基础和工业储量最少[7]，且尚未发现独立的铼工业矿床。目前对铼的研究多为铜、钼矿的伴生矿种及其回收利用方面[18-25]，对独立铼矿床的找矿和成矿机制研究基本属于空白。与已有的伴生于铜钼矿床中的铼矿不同，本次发现的铼硒矿(化)层赋存于在二叠系硅质岩系，成因类型属沉积-改造型，且规模巨大，为铼的找矿工作提供了新的方向，对铼的找矿、成矿机制研究等有重要意义。
铼及其合金广泛用于国防军工和尖制造工业，是先进喷气式飞机引擎和工业燃气轮机的必需元素。中国铼资源并不丰富，2012年中国铼的保有资源储量237 t，按照预测的消费趋势，国内资源仅能保障到2025年左右，资源保障程度较低，预计未来全球及中国铼资源需求量将继续增大，到2030年中国铼需求量最大将达到约40 t，约占全球的1/5[26]。本次发现的铼硒矿(化)层规模大、分布广，铼资源潜力大，进一步开展研究和找矿勘查工作，该区域有望找到国内首个新类型独立铼矿床。
6. 结语
目前，中国对铼资源的勘查和研究尚处于起步阶段，对独立铼矿石的选冶性能研究欠缺，缺少可供开展铼找矿和勘查工作的靶区，缺乏系统的铼资源勘查相关的标准规范，极大地影响了铼资源的利用。笔者团队在新的地区、新的层位发现了新类型的铼硒钒钼多金属矿(化)层，展示了沉积地层铼找矿新方向和新靶区。因此，加强铼矿的找矿勘查和成矿机制研究，有利于发现新的矿床类型，为国防安全和国家战略资源储备提供保障。
致谢: 野外工作得到四川省地勘局西北地质大队（绵阳）杨恒苏的指导，参加野外工作的还有成都理工大学邓宾、张志敬等，在此一并表示感谢。 -
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图 1 中国秦岭-大别造山带及南北邻近大地构造略图（A, 据参考文献[4]简化）和样品采集位置（B）
Figure 1. Tectonic sketch map of the Qinling-Dabie orogenic belt and adjacent regions (A) and geographical map showing locations of samples (B)
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图 2 分析样品锆石阴极发光图像及激光剥蚀U-Pb同位素测年点和年龄加权平均值（年龄/Ma）（画横线数据为不谐和年龄或继承锆石）
Figure 2. Cathodoluminescence (CL) images of the measured zircons showing the position of laser ablation and mean weighted ages for zircon U-Pb isotope analysis
表 1 松潘-甘孜褶皱带晚三叠世复理石中火山岩夹层U-Pb同位素定年样品采样位置及年龄结果信息
Table 1 Brief U-Pb isotope age data of zircons and rock samples from the volcanic intercalations of the Late Triassic flysch in the Songpan-Ganzi folded belt
样品编号 地点 北纬 东经 岩性 年龄/Ma 地层 0828-03ZK 四川松潘川主寺北两河口 32°55'05" 103°26'30" 安山岩 210.4±1.6 扎尕山组 0828-06ZK 四川松潘301省道212〜213km里程碑之间 32°55'46" 103°19'01" 安山岩 208.9±1.8 杂谷脑组 0828-08ZK 四川松潘301省道247〜248km里程碑之间 32°57'20" 103°02'17" 安山岩 205.9±1.6 杂谷脑组 08098-02ZK 卄肃合作措杂桥213国道247km里程碑附近 35°08'06" 102°50'58" 凝灰岩 212.3±1.5 卡车组 
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表 2 松潘-甘孜褶皱带上三叠统复理石火山（碎屑）岩中锆石U-Pb同位素测试分析数据
Table 2 Details of zircon U-Pb isotope age data from the volcanic and pyroclastic rock intercalations of the Upper Triassic flysch in the Songpan-Ganzi folded belt
样号 比值 年龄/Ma Th U Th/U 207Pb/
206Pb1σ 207Pb/
235U1σ 206Pb/
238U1σ 208Pb/
232Th1σ ρ 207Pb/
206Pb1σ 207Pb/
235U1σ 206Pb/
238U1σ 208Pb/
232Th1σ condance 08098-2zk-01 160 247 0.65 0.04939 0.0012 0.22935 0.00571 0.03368 0.0005 0.01052 0.00051 0.34 166 58 210 5 214 3 212 10 1.02 08098-2zk-02 162 199 0.81 0.05209 0.00123 0.24178 0.00588 0.03367 0.0005 0.01018 0.00047 0.35 289 55 220 5 213 3 205 9 0.97 08098-2zk-03 256 284 0.9 0.0504 0.0009 0.23246 0.00449 0.03345 0.00047 0.01002 0.00039 0.46 213 42 212 4 212 3 202 8 1.00 08098-2zk-04 716 471 1.52 0.06545 0.00217 0.30179 0.00902 0.03344 0.00047 0.01022 0.00015 0.53 789 71 268 7 212 3 206 3 0.79 08098-2zk-05 248 272 0.91 0.06178 0.00229 0.28126 0.00955 0.03302 0.00049 0.01016 0.00017 0.41 667 81 252 8 209 3 204 3 0.83 08098-2zk-06 291 247 1.18 0.0586 0.00152 0.27213 0.00713 0.03368 0.00052 0.01131 0.00049 0.31 552 58 244 6 214 3 227 10 0.88 08098-2zk-07 303 382 0.79 0.05968 0.00204 0.27039 0.00841 0.03286 0.00046 0.01015 0.00018 0.46 592 76 243 7 208 3 204 4 0.86 08098-2zk-08 288 376 0.77 0.05238 0.0009 0.24265 0.00454 0.0336 0.00047 0.0106 0.00041 0.48 302 40 221 4 213 3 213 8 0.96 08098-2zk-09 743 511 1.45 0.05048 0.00078 0.2332 0.00402 0.03351 0.00046 0.00974 0.00034 0.52 217 37 213 3 212 3 196 7 1.00 08098-2zk-10 128 63 2.02 0.05297 0.00194 0.24576 0.00897 0.03365 0.00055 0.01001 0.00045 0.22 328 85 223 7 213 3 201 9 0.96 08098-2zk-11 189 214 0.89 0.05296 0.00116 0.24446 0.00561 0.03348 0.0005 0.01113 0.00061 0.39 327 51 222 5 212 3 224 12 0.95 08098-2zk-12 292 294 0.99 0.05108 0.00132 0.23785 0.00632 0.03377 0.00052 0.00982 0.00058 0.34 244 61 217 5 214 3 198 12 0.99 08098-2zk-13 612 517 1.18 0.05129 0.00216 0.23689 0.00936 0.0335 0.00049 0.01054 0.00016 0.45 254 99 216 8 212 3 212 3 0.98 08098-2zk-14 389 410 0.95 0.0527 0.00101 0.24505 0.00504 0.03372 0.00049 0.0102 0.0006 0.45 316 45 223 4 214 3 205 12 0.96 08098-2zk-15 433 362 1.2 0.05322 0.00239 0.24568 0.01045 0.03348 0.00049 0.01049 0.00016 0.43 338 104 223 9 212 3 211 3 0.95 08098-2zk-16 376 554 0.68 0.05354 0.00091 0.24832 0.00466 0.03364 0.00048 0.01132 0.00071 0.5 352 39 225 4 213 3 228 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1. 段威，唐文春，熊观，黄健，惠博，王焕国，杨贵兵. 川北硅质岩型铼多金属矿铼的赋存状态. 矿物学报. 2021(03): 271-276 . 
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