1、矿床地质MINERAL DEPOSITS2023年2月February，2023第 42 卷第 1 期42（1）：157169杨鑫朋等：河北省奥陶纪马家沟组顶部古风化壳中三稀元素赋存状态及富集机制*本文得到“河北省风化壳淋积型稀土及伴生稀散、稀有金属富集机理与成矿潜力评价”项目（编号：454-0502-JBN-G43D）和河北省高层次人才项目“河北省涞水县紫石口一带前寒武纪风化壳-沉积型“三稀”金属成矿规律研究”（编号：A202001056）共同资助第一作者简介杨鑫朋，男，1990 年生，工程师，从事区域地质矿产调查与研究工作。Email:*通讯作者张运强，男，1982 年生，高级工程师，主要
2、从事战略性矿产资源调查评价工作。Email：收稿日期2022-02-28；改回日期2023-01-03。张绮玲编辑。文章编号：0258-7106（2023）01-0157-13Doi:10.16111/j.0258-7106.2023.01.010河北省奥陶纪马家沟组顶部古风化壳中三稀元素赋存状态及富集机制*杨鑫朋1，张运强2*，程洲1，杨瑞1，季虹1，张欢1，石光耀3，王金贵1（1 河北省区域地质调查院，河北 廊坊065000；2 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊065000；3 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊065000）摘要河北省奥陶纪马家沟组与晚
3、石炭世本溪组之间发育一套古风化壳层，岩性主要为铁质黏土岩、铝质黏土岩和铝土岩，剖面从顶到底具典型的“煤-铝-铁”结构。地球化学分析结果显示，冀东石岭和冀南同义岭古风化壳样品的轻稀土元素氧化物总质量分数分别达 0.0893%和 0.0717%，均超过了古风化壳型轻稀土矿边界品位，冀北煤窑山古风化壳样品的轻稀土元素总质量分数为 0.0504%，也具明显富集特征。古风化壳中部分样品稀有元素Li 含量也超过了伴生边界品位。通过元素逐级分离试验定量分析出古风化壳中的三稀元素主要以矿物相存在，再通过 X 射线衍射分析、电子探针分析进一步确定三稀元素主要以类质同象赋存于伊利石、高岭石等黏土矿物中，少量以化合
4、态存在于独立的稀土矿物中。综合分析认为，古风化壳中三稀元素的矿化富集依次经历了风化壳形成阶段、铝质岩系形成阶段及沉积压实阶段的多阶段演化。关键词地球化学；古风化壳；三稀元素；赋存状态；富集机制中图分类号：P618.7文献标志码：AOccurrence state and enrichment mechanism of rare earth,rare metal and raredispersed elements in paleo-weathering crust of Ordovician MajiagouFormation,HebeiYANG XinPeng1,ZHANG YunQiang
5、2,CHENG Zhou1,YANG Rui1,JI Hong1,ZHANG Huan1,SHI GuangYao3and WANG JinGui1(1 Hebei Institute of Regional Geological Survey,Langfang 065000,Hebei,China;2 Natural Resources Comprehensive SurveyCenter,China Geological Survey,Langfang 065000,Hebei,China;3 Institute of Geophysical and Geochemical Explora
6、tion,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,Hebei,China)AbstractThe paleo-weathering crust,which is composed of iron claystone,aluminum claystone and allite,is generally developed between Ordovician Majiagou Formation and Late Carboniferous Benxi Formation in HebeiProvince,and it has
7、 a typical coal-bauxite-iron structure from top to bottom.The LREE of samples from the paleo-weathering crust of Shiling profile in eastern Hebei is 0.0893%,while Tongyiling profile in southern Hebei is0.0717%,which are both exceed the cutoff grade of paleo-weathering crust type LREE ore.The LREE of
8、 samplesfrom the paleo-weathering crust of Meiyaoshan profile in northern Hebei is 0.0504%,also shows obvious enrich158矿床地质2023 年古风化壳是指在一定的地质历史时期经古风化作用形成的风化壳被再次掩埋后所保留下来的部分。碳酸盐岩顶部岩溶型古风化壳是中国铝土矿床重要的产出层位，在山西、河南、贵州、广西、河北等地古风化壳型铝土矿中均发现稀土元素或伴生稀有元素、稀散元素（简称三稀元素）的矿化富集（王登红等,2013；王涛等,2014；贠孟超等,2017；Ling et al.,
9、2018；张尚清等,2018；Ling et al.,2020；雷志远,2021）。20182019年，河北省地矿局第九地质大队在冀南武安至峰峰一带奥陶纪马家沟组顶部古风化壳中发现了三稀元素矿化，并开展了矿产普查工作。2019年，河北省地矿局第六地质大队和河北省地矿局第七地质大队相继在石家庄井陉盆地和唐山开平盆地中的奥陶纪顶部古风化壳中，取得了不错的三稀元素找矿成果。前人对山西、河南、贵州等地古风化壳型铝土矿伴生三稀元素赋存状态及富集机理进行了详细的研究工作（吴雅琴等,2001；Zhu et al.,2019；王洪等,2021）。唐波等（2021）通过对全国岩溶型铝土矿伴生稀土资源研究，认为离
10、子吸附、类质同象以及独立稀土矿物都可能是伴生稀土元素的存在形式，但其富集机制与中国南方现代风化壳离子吸附型稀土矿存在差异。王玲（2002）对山西省奥陶纪顶部岩溶型铝土矿伴生稀土资源赋存状态及提取工艺研究，得出稀土元素主要呈类质同象和胶体沉积相，以独立矿物和离子吸附态存在的稀土元素很少的认识。目前，对河北省奥陶纪顶部古风化壳三稀元素赋存状态及富集机制等关键性问题的研究较少，制约了河北地区三稀元素找矿新突破。本文以河北省内奥陶纪马家沟组顶部古风化壳为研究对象，通过野外调查及地球化学分析查明了其具体矿化层位，再通过元素逐级分离试验、X射线衍射、电子探针等手段，定量的分析出三稀元素的赋存状态，探讨其元
11、素富集迁移过程及富集机制，对后续三稀元素的开发利用具有重要的指导意义，也进一步丰富了华北地区三稀元素成矿理论，为今后华北地区古风化壳型三稀元素找矿提供了重要研究基础。1古风化壳分布及地质特征研究区所在的华北地台自中奥陶世末期抬升后，经历了1.5亿年的长期风化剥蚀，直至晚石炭世海水才开始重新入侵接受沉积，因此在奥陶纪顶部的侵蚀风化面上普遍发育一套古风化壳层，岩性为褐铁矿、黏土岩、铁矾土、铝土矿、铝土质页岩等，厚度在区域上的分布并不均一，延伸范围较广（甘德清,1984）。该古风化壳及上部本溪组地层在研究区内以孤立的残留小盆地零星出露于燕山和太行山山前地带，主要分布在冀南井陉-临城-峰峰一带及冀东北
12、古冶、抚宁、兴隆-平泉等地（图 1a、b）。本次研究分别对冀东石岭、冀南同义岭、冀北煤窑山3个不同地区的奥陶纪马家沟组顶部古风化壳层进行了野外剖面测制和样品采集工作。调查发现古风化壳内多由细小黏土矿物所组成，抗风化能力较弱，上部为泥页岩、碳质页岩为主的黑色岩系，中部主要为铝土岩、铝土矿的含铝岩系，下部为杂色铁质铝土岩、铁质黏土岩为主的铁质岩系，不整合面上局部发育有铁质砾岩（山西式铁矿），其中下部铁质黏土岩普遍厚约12 m（图2af）。冀东石岭古风化壳厚约68 m，延伸约1.0 km，出露面积约0.006 km2；冀南同义岭古风化壳厚约79 m，延伸约0.8 km，出露面积约0.006 km2；
13、冀北煤窑山古风化壳厚约35 m，延伸约0.5 km，出露面积约0.002 km2（图3ac）。通过对全国不同地区伴生稀土元素的岩溶型古风化壳剖面统计发现，其岩性自上而下都具有类似的“碳质页岩-铝质岩系（铝土矿、铝土岩）-铁质岩系（铁质黏土岩、铁铝质黏土岩、铁质砾岩）”结构，部分学者也称之为ment characteristics.In addition,the content of Li in paleo-weathering crust exceeds the associated cutoff grade.It is quantitatively analyzed that the min
14、eral facies is the main occurrence state of rare earth,rare metal,and raredispersed elements in the paleo-weathering crust through separation test of elements,it is further confirmed thatthose elements exist in clay minerals such as illite and kaolinite in the form of isomorphism,and minor amountexi
15、st in independent minerals by XRD and EPMA.It can be concluded that the mineralization enrichment ofthose elements have undergone multiple stages of evolution,including the formation stage of weathering crust,the formation stage of aluminous rock series and the sedimentary compaction stage.Key words
16、:geochemistry,paleo-weathering crust,rare earth,rare metal and rare dispersed elements,occurrence state,enrichment mechanism第 42 卷 第 1 期杨鑫朋等：河北省奥陶纪马家沟组顶部古风化壳中三稀元素赋存状态及富集机制159图1河北省奥陶纪马家沟组顶部古风化壳分布图a.冀东及冀北地区；b.冀南地区1奥陶纪马家沟组；2石炭纪本溪组；3省界；4海岸线；5古风化壳层；6采样位置Fig.1The distribution map of the paleo-weathering crust of Ordovician Majiagou Formation,Hebeia.Eastern and Northern Hebei region;b.Southern Hebei region1Ordovician Majiagou Formation;2Carboniferous Benxi Formation;3Provincial Boundaries;4Coastline;5P
