一、概 述
风化壳离子吸附型稀土矿 ( 也称风化淋积型矿床) 是稀土矿床重要类型之一，是中国首次发现和确定的在适宜气候和地貌条件下形成的外生矿床。该类型矿床是由含稀土的花岗岩类和火山岩类在温湿气候和低山丘陵地貌等表生条件下经过强烈风化作用，所含的稀土元素以离子形式被释放出来，随渗透水迁移到风化壳的下部，被风化形成的黏土矿物表面所吸附，经多次的迁移、吸附，富集而形成的稀土矿床。
邓志成 ( 1988) 将稀土矿分为两大类: 一类是原生稀土矿床，以白云鄂博超大型稀土矿床为代表; 另一类是与酸性岩类风化作用有关的稀土矿床，包括风化壳离子吸附型稀土矿床、风化壳砂矿型稀土矿床和滨海砂矿型稀土矿床 3 种。其中，风化壳离子吸附型稀土矿床是我国较具特色的一种稀土矿，具有重要的经济价值，在我国华南地区特别是南岭地区广泛分布 ( 图 1) 。风化壳离子吸附型稀土矿按工业利用还可分为富铈轻稀土矿床及富钇重稀土矿床两类。轻稀土矿床以江西寻乌河岭矿床为代表，除此之外尚有江西寻乌南桥、赣县坳子下、信丰安西以及广西岑溪岸村等，均构成大型矿床;重稀土矿床以江西龙南足洞矿床为代表，除此之外尚有广东揭阳五经富、广东新丰来石等，也都具大型矿床规模。
图 1 中国华南风化壳离子吸附型稀土矿床分布略图( 引自张祖海，1990)
风化壳离子吸附型稀土矿是 1969 年在我国江西首先被发现的一种新型稀土矿。目前，在江西、广东、湖南、福建、广西、云南、浙江等省区共勘查出 200 多个同类型稀土矿 ( 床) 点。上述南方七省区已探明该类稀土资源量 840 ×104t，预测远景资源量为 5000 × 104t。另外，在海南岛、浙江南部、安徽南部、四川南部也具有一定的成矿地质条件。
该类矿床由于其产出和赋存状态的独有特征，具有规模大、品位高、易采选、成本低、经济效益高等特点，更重要的是稀土元素配分齐全，优势的中、重稀土含量高。以赣南稀土矿为例，中稀土配分含量 ( Sm2O3、Eu2O3、GdO3) 加权平均为 7. 81% ，其中的 Eu2O3为 0. 66%; 重稀土配分含量( Tb4O7、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3、Y2O3) 加权平均为 26. 56% ，其中 Y 的配分值为 17. 65%。
风化壳离子吸附型稀土矿在国外少有发现，仅澳大利亚曾有报道。20 世纪 90 年代，在澳大利亚西部的韦尔德山 ( Mount Weld) 发现碳酸岩风化壳大型高品位 REE － Y － Nb － Ta 矿床，且富 Sr、Ti和磷酸盐。该矿床由元古宙碳酸岩经中生代后期—新生代的风化而形成。据报道，1990 年 1 月为止，该矿床已确定高品位储量169 ×104t，REE + Y 的品位为 26. 1% ( 边界品位 20% ) 或 630 × 104t，品位17. 22% ( 边界品位 10% ) ( 地质科技动态，1990) 。
二、地 质 特 征
1. 区域地质背景
我国此类矿床在大地构造上主要是位于华南造山系南岭造山带赣南隆起部，尤其密集产于 EW 向构造带、新华夏系构造带以及二者的复合部位。由于其构造活动强烈、岩浆活动频繁，故成矿作用活跃。成矿物质主要来源于燕山期黑云母花岗岩及花岗斑岩。风化壳离子吸附型稀土矿多为裸露地面的花岗岩或火山岩风化壳，位于丘陵地带。
2. 矿床地质特征
( 1) 地形地貌气候特征
该类矿床的形成需经历内生作用和外生作用两个成矿阶段，二者缺一不可，前者是成矿物质的来源，后者在风化淋滤过程中促使成矿物质进一步富集成具有工业价值的地质体。外生作用与地理气候、地势地貌等条件有密切的关系。该类矿床主要分布在北纬 22° ～29°、东经 106°30' ～119°40'区域内，尤以在北纬 24° ～26°之间矿床分布最为密集。这一区域属热带、亚热带气候，温湿多雨，植被发育，有机酸来源丰富，再加上构造因素，以化学风化为主的表生作用强烈 ( 风化大于剥蚀) ，常发育厚度较大的面型风化壳，致使风化壳中稀土含量高出基岩数倍，富矿地段可高出 10 倍以上。矿床大多产于海拔高程低于 550m，高差 250 ～60m 的丘陵地带，且以平缓低山和水系发育为特征。在局部特征上表现为地形起伏小比起伏大、缓坡比陡坡、宽阔山头比狭窄山头、山脊比山坳、山顶比山腰、山腰比山脚更有利于成矿。
( 2) 控矿构造特征
该类矿床含矿岩体及单个矿体的产出往往受到构造条件的控制。其构造控岩、控矿的基本形式有3 个方面: ①EW 向构造带主导控岩控矿，如江西大余 － 会昌 EW 向构造带控制了一系列的岩体和若干稀土矿床的分布，如梅关、珠兰埠等; 南雄 － 三南 － 寻乌 EW 向构造带控岩控矿更为明显 ( 图 1) ，有足洞、关西等大型稀土矿床的产出 ( 图 2) ; 在广东、福建的龙岩和三明一带，也具类似的控岩、控矿特征。②新华夏系构造带主导控岩控矿，在桂东南，主要受博白 － 梧州断裂控制的岩体中发现稀土矿床 3 处、矿点 5 处; 在崇安 － 河源断裂南、北两区的花岗岩、混合岩及火山 － 次火山岩中查明稀土矿床 34 处、矿点 20 余处，规模巨大的江西河岭火山 － 次火山岩风化壳离子吸附型稀土矿床就位于该断裂南部的中生代火山盆地中。③EW 向构造带与新华夏系构造带复合控岩控矿，这种情况很普遍，实际上，上述两构造带均以呈复合形式控岩控矿为主，如江西河岭稀土矿含矿岩体周围受由 EW向构造带与新华夏系的主干断裂的共同作用，而且内部富矿地段常常是这两个构造体系的次级构造密集产出地段 ( 图 3) ( 张祖海，1990) 。
图 2 中国江西足洞和关西花岗岩地质略图( 引自 Ishihara Shunso 等，2008)
图 3 中国江西河岭矿区地质略图( 引自张祖海，1990)
( 3) 含矿岩石及岩石化学特征
稀土在不同岩石中的丰度极不均匀，能构成该类工业矿床的含矿地质体主要有花岗岩、混合岩、火山岩 － 次火山岩 ( 表 1) 。由此 3 类含矿岩体演化而成的风化壳离子吸附型稀土矿床储量占总储量的百分比分别为 54. 77%、7. 36%及 37. 87%，花岗岩型占一半以上，即含稀土元素和稀土矿物的花岗岩体是此类型稀土矿床形成的主要原岩。
据已知矿区及其有关岩体同位素地质年龄统计，自加里东期至燕山期，花岗岩、混合岩、火山岩 － 次火山岩均有稀土矿化现象，并有从 ΣCe 矿化向 ΣY 矿化转变的趋势，在燕山早期的花岗岩( 风化壳) 中稀土矿化现象达到顶峰 ( 表 2) 。与稀土矿化关系密切的花岗岩体多呈岩基状产出，呈岩株及小岩体者甚少。以熔浆分异作用较为明显、相带发育为其特征。成矿岩体出露面积较大，一般近百余平方千米至千余平方千米。各地矿化花岗岩体岩石化学成分虽有差异，但具有共同的特点，它们均为富 SiO2、K2O、Na2O 和 Al2O3，贫 TiO2、MgO、MnO、CaO、Fe2O3、FeO，岩石偏酸性。SiO2含量高达 70%以上，K2O + Na2O 接近或大于 8% ，且 K2O ＞ Na2O，Al2O3＞ K2O + Na2O + CaO，属铝过饱和岩石，除富含有稀土元素外，还含有稀有元素。
成矿花岗岩体钾长石含量高，斜长石含量低，石英含量一般 30% 左右。特别是含有褐钇铌矿、氟碳铈矿、褐帘石、黄钇钽矿、氟碳钙钇矿、复稀金矿、黑稀金矿、硅铍钇矿、磷钇矿、独居石、锆石、砷钇矿、钇萤石等十余种稀有、稀土矿物。各种造岩矿物和副矿物中普遍含有稀土元素。岩石结构主要有斑状、似斑状、环带，粗粒、中粒、细粒、隐晶质。
表 1 中国华南风化壳离子吸附型稀土矿床分类
资料来源: 张祖海，1990
表 2 不同时代岩石稀土矿化
资料来源: 张祖海，1990
( 4) 含矿岩体自交代蚀变作用
稀土矿化与含矿岩体的自交代蚀变作用有关，主要有钾长石化、钠长石化、白云母化、萤石化等。在自交代的花岗岩中，随 Ca 与 Na 含量的变化，岩体中出现的稀土矿物也不相同，一般在微斜长石化阶段内，以析出钇族稀土矿物为主，在钠长石化时，铈族稀土矿物较多。钾长石化在黑云母花岗岩中普遍表现为微斜长石化，含独居石略高; 白云母化、钠化分别表现为黑云母被白云母交代形成蚀变黑云母、铁白云母等，更钠长石被钠长石交代，在铁白云母边部常见氟碳钙铈矿、钛钇矿、含钇钍石的包体和连生体; 萤石化呈浸染状分布，常和白云母、铁白云母等呈连生体或在其附近出现，有的交代斜长石、黑云母，萤石含稀土品位可高达 0. 3% 以上 ( 江西足洞) 。在火山岩中，仅次火山相的花岗斑岩有较明显的自交代蚀变作用 ( 江西河岭) ，镜下见钾长石中包裹有斜长石残晶与自形黑云母，而钾长石本身又往往有明亮干净的钠长石环边，也常见条纹长石环边，钠长石普遍交代钾长石等。
综上所述，自交代蚀变作用早期以钾化为主，鉴于此期溶液碱性较强，而不利于稀土的大量沉淀，其稀土元素除部分呈独居石、磷钇矿晶出外，大部分趋于分散; 随自交代蚀变作用的进行和加强，溶液向弱碱性或弱酸性方向发展，紧接着相继发生钠长石化、白云母化，原来以类质同像或微包体形式赋存于造岩矿物中的稀土元素亦随载体受到破坏和解析; 到了晚期———萤石化阶段，稀土的沉淀剂 Ca、Fe 等相对富集，因此大量的稀土矿物在此期间产出。
图 4 中国江西足洞原矿稀土含量与粒度的关系图( 引自张祖海，1990)
( 5) 矿体特征
矿体呈层状、似层状分布于全风化花岗岩层的中、下部及半风化花岗岩层的上部，品位自上而下呈弱—强—弱变化趋势。矿体形态在平面上随地形变化呈似层状的条带，在剖面上矿体随地形起伏呈现连续的弯月形和透镜状，由山脊向两侧延伸。矿体厚度一般为 10m，有的厚度达 30m，严格受地形和岩体风化程度限制。矿体厚度变化一般具有如下特征: 缓坡的矿体比陡坡的矿体厚度大; 宽阔浑圆的山头比狭窄山头厚度大; 从山顶至山腰、山脚厚度逐渐变小; 覆盖层在山顶处较薄 ( 有时岩体还会出露地表) ，山谷及坡脚较厚。另外，岩石风化程度与矿化呈正比关系，风化程度越高，风化壳厚度越大，矿化就越好; 风化越深，岩石粒度越细，稀土含量就越高 ( 图 4) 。江西河岭矿区稀土平均品位≤0. 1%的探井的风化壳厚度均 ＜ 9m，而风化壳厚度≥9m 的地段，稀土品位均 ＞0. 1%。
( 6) 稀土元素赋存状态
未风化花岗岩与全风化花岗岩的稀土元素赋存状态有很大差别。未风化花岗岩的稀土元素一部分以独立稀土矿物，如褐帘石、独居石，分布在岩石中，大部分呈微细粒或少量的类质同像分散在造岩矿物、含稀土矿物和金属矿物中，而且在不同岩相相带中稀土元素含量也有所不同。过渡相有15. 9% 的稀土元素分布在稀土矿物中，有 3. 7% 分布在含稀土矿物中，有 32% 分布在造岩矿物中。中心相有 17%的稀土元素分布在稀土矿物中，有 15% 分布在含稀土矿物中，造岩矿物所含稀土元素为23% 。而在全风化花岗岩中，稀土元素有 70% 吸附在黏土矿物中，稀土独立矿物消失，而分散在石英、长石、云母中的稀土元素占 28. 34%，在磁铁矿、锆石、钛铁矿中稀土元素只占 0. 6%。这种稀土元素绝大部分 ( ＜71%) 被黏土矿物吸附，符合离子吸附型矿床的特点 ( 黄金七，2008) 。
( 7) 风化壳矿化模式
稀土矿化在垂直方向上具有明显的分层性，而沿水平方向变化不大。表生作用促使原岩分解和元素选择性迁移、富集，进而形成不同成分的风化壳。据含矿花岗岩、混合岩及火山 － 次火山岩风化壳的发育特征，张祖海 ( 1990) 认为风化壳结构模式自上而下可分为腐殖层、残坡积层、全风化花岗岩层和半风化花岗岩层 ( 图 5) ，各层间无明显界线，为渐变过渡关系。其风化壳的厚度各处不一，变化较大，与所处的地形位置有关。
1) 腐殖层 ( 图 5A) : 呈灰褐色，含大量植物根茎。主要由黏土、石英及腐殖物组成。厚0 ～ 1m。
2) 残坡积层 ( 图 5B) : 呈土黄—砖红色，含少量植物残骸。主要由 ( 含铁) 黏土、石英及少量岩石碎块组成，结构疏松。厚 0. 3 ～1m。上述两层品位较低，一般在 0. 02%以下。
3) 全风化层 ( 图 5C) : 呈黄白—浅红色。80% 由黏土矿物和石英组成，其余为钾长石和白云母。结构疏松多孔易碎。厚度一般 4 ～10m，约占整个风化壳厚度的 60% 以上。由于该层位是风化壳中长期稳定发育的主体部分，且恰好与稀土离子垂直渗滤途中的浓集部位相吻合，故其黏土矿物吸附稀土离子达到了最佳状态。因此，该层稀土矿化最富，品位最高达 0. 25%，为矿体的主要赋存层位。
4) 半风化层 ( 图 5D) : 基本保持原岩颜色和结构，但长石已风化成高岭土和绢云母，黏土矿物含量低于 30%。厚度以 2 ～3m 居多。进入此层矿化减弱、品位降低。D 层之下即为基岩———成矿母岩，未风化。
轻、重稀土在风化壳垂直方向上的分层富集现象明显，即轻稀土一般在全风化层中部富集，而重稀土多在全风化层下部最富集。此类型的轻稀土矿床中，Ce 从半风化层到全风化层，随着风化程度的加深而逐渐亏损，但是到了腐殖层又富集起来。La、Nd 的迁移富集规律与 Ce 正好相反。它们从半风化层到全风化层逐渐富集，到全风化层上部其富集程度有所降低，表层明显贫化。残坡积层中 Ce高于 La，全风化层中 Ce 低于 La 是该类矿的特点。总体上轻重稀土在垂直方向上表现相同，即都呈现上下两头小、中间大的 “凸”字形。
图 5 风化壳垂直剖面结构模式图( 据张祖海，1990，修改)
三、矿床成因和找矿标志
1. 矿床成因
含稀土花岗岩类在地表遭受风化作用时，其所含的硅酸盐和稀土矿物一起被破坏、分解，释放出来的稀土元素以离子状态进入到水溶液中。随着水溶液的渗透，稀土元素由风化壳上部向下迁移。在迁移过程中，随 pH 值的增加，溶液偏碱性 ( pH 值约为 6. 8 左右) ，使得稀土元素呈氢氧化物或碳酸盐沉淀，降低了稀土元素的迁移能力，而被高岭石、埃洛石、水云母等黏土矿物所吸附，使稀土离子在风化壳中得以富集。风化壳上部黏土矿物中的稀土元素较容易从矿物中被解吸，淋溶下来随水继续向下迁移和吸附，稀土离子再被黏土矿物吸附固定，这样迁移、吸附、解吸、再迁移、再吸附反复循环，最后在全风化层中形成具工业规模的风化壳离子吸附型稀土矿床。在此过程中，稀土离子之所以能被高岭石等黏土矿物所吸附，是因为黏土矿物粒度较小，具有较大的比表面积，加上黏土矿物的表面常因破键而出现未饱和的过剩负电荷，需要吸附介质中的阳离子以维持电介平衡，风化壳中的钾、钠、钙等碱金属和碱土金属因活性大而易于不断迁移，而稀土离子活动性较小，得以被黏土矿物所吸附。
值得一提的是，风化壳离子吸附型矿床的形成主要是内外生条件的平衡统一的结果，由此，王伦等 ( 1988) 提出了 “四元一体”的成矿模式:
1) 成矿母岩具有必要的最低稀土浓度。如: 赣南地区稀土矿富集度最高为 6. 95，平均为 3. 98。按照成矿母岩稀土浓度与风化壳成矿富集度的关系，花岗岩类稀土浓度最低不小于 170 ×10－ 6。在其他条件相近时，母岩稀土浓度越高对成矿越有利。
2) 成矿母岩应具有易风化解离的稀土赋存状态类型。即稀土载体矿物主要为硅酸盐矿物和氟碳酸盐矿物以及某些热液蚀变富集稀土矿物类。而磷酸盐矿物，如独居石型和磷钇矿以及稀土铌钽酸盐矿物较难风化，不利于形成离子吸附型稀土矿床。
3) 风化壳的地形相对切割深度对成矿的控制。风化壳主要是在第四纪以来形成的，地貌形态受到新构造运动的制约。花岗岩类面型风化壳主要发育在低丘和中丘地貌区，且分布在中、低地貌区的二级阶地以上的低缓夷平面内，其海拔标高在 150 ～500m，相对切割深度在 30 ～1000m 之间。
4) 风化壳的 pH 值控制着稀土元素的富集和赋存部位。风化壳中稀土总量与 pH 值呈抛物线型函数关系，当 pH 值为 6 ～6. 5 时，稀土总量的平均值最高，易于形成较厚的风化壳，对吸附有利。风化壳在垂直剖面由下而上 pH 值呈规律地递减。全风化层中的中下部 pH 值为 5. 7 ～6. 9。因此，此层为矿化富集区。江西不同矿区风化壳 pH 值变化范围和峰值不相同，安西平均 pH 值为 4. 5 ～5. 5，河岭为 5 ～5. 5，足洞为 6 ～6. 5，南桥为 6. 5 ～7. 0。安西矿区由于地形平缓风化较深，风化壳 pH 值偏酸性，南桥矿区成矿母岩富碱风化程度较低，故风化壳偏中性至弱碱性，江西河岭及足洞两个矿区特征介于二者之间。
2. 找矿标志
( 1) 地理气候、地形地貌标志
相对稳定的纬度带 ( 北纬 22° ～ 29°) ，特别是北纬 24° ～ 26°的亚热带温湿气候有利于风化壳发育。其充沛的雨量，茂盛的植被、明显的季节性气候交替以及较好的排水条件等，是形成花岗岩类岩体风化壳的先决条件。
高差不大 ( 一般 250 ～60m) 的丘陵对形成风化壳矿床最为有利，因为它能保证降水渗透到潜水面并由局部的侵蚀基准造成的排水条件，以促使其发生积极的化学作用，产生次生富集。风化壳的厚度严格受地形起伏的控制，在地形平缓的圆顶、缓坡等地，厚度较大; 在被冲刷的沟底，厚度较小，甚至为零。
该类型矿床地形地貌特征可分为两种，一种为馒头状小山包，风化壳保存程度属裸脚式，即山脚部分基岩裸露; 另一种以较大的山包为主，矿区处于低山区，风化壳保存程度为全覆式，基岩很少出露，矿体多分布在较大面积的山坡上。
( 2) 风化层标志
花岗岩的自交代作用中，发生钾交代和钠交代时，能析出大量的稀土矿物，故微斜长石化 ( 钾化) 和钠长石化 ( 钠化) 以及大量的长石风化的过渡现象，是这类矿床鲜明的地质标志。矿体周边半风化和未风化的原岩以及风化壳中的风化物，通常具有以下标志:
1) 富钠长石细粒锂云母花岗岩，一般含氟碳钙钇矿、黄钇钽矿，其风化壳内有细粒石英和锂云母的残留等，是找重稀土元素离子吸附型矿床的标志。
2) 富钾长石粗粒或中粒锂黑云母花岗岩，其中常有钠长石脉充填于内，一般含氟碳钙钇矿、硅铍钇矿、磷钇矿。风化壳内残留有中、粗粒石英和锂黑云母，是找重稀土元素离子吸附型矿床的标志。
3) 海西—印支期粗粒二云母花岗岩，风化后常形成富铕轻稀土元素离子吸附型矿床。
4) 富钾长石中、粗粒铁黑云母或铁叶黑云母花岗岩的风化壳内，残存有褐钇铌矿、独居石等矿物，其边缘相钠高于钾，是找重稀土元素离子吸附型矿床的标志 ( 常伴生钪) 。
5) 富钠长石中、细粒铁黑云母 ( 少量白云母) 花岗岩，风化后残留中、细粒石英和铁黑云母，是找轻稀土元素离子吸附型矿床的标志。
6) 含铌钽矿物的花岗岩风化壳矿区及外围可能找到花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿床。
7) 含稀土矿化花岗岩风化壳中，多水高岭石、高岭石、水化黑云母等黏土矿物富集地段是稀土元素离子吸附型矿床的富集区。
另外，岩石风化程度越高，风化壳厚度越大，岩石粒度越细，越有利于矿化。
( 3) 构造地质标志
不同级次的断裂具有不同的控矿功能: 主要断裂控制矿带，次级断裂控制矿区，低级断裂和密集的裂隙控制矿床。如在南岭地区，燕山早期矿化花岗岩受南岭 EW 向复杂构造带控制，形成了主要呈EW 向展布的原生稀土矿化带。特别是以新华夏系拱 － 坳交替带之次级断裂构造组合为主，与 EW 向构造带同级断裂交接地段为主要的控岩构造标志。而且两个构造体系的次级构造密集产出地段常常是富矿地段。其派生的低级断裂及裂隙发育地区易富集风化壳中的稀土元素。微裂隙愈发育，稀土的次生富集程度愈高。这主要是由于微裂隙发育地段，化学风化作用较为强烈，并常形成次生淋滤成因的较纯的多水高岭石等黏土矿物，促进了稀土离子的富集。
( 4) 岩浆岩找矿标志
矿床富集在矿化花岗岩的风化壳中。矿化花岗岩体多为复式岩体的组成部分，前者形成较早而常常成为复式岩体的主体面呈大岩基状产出，矿床 ( 点) 一般产于花岗岩类岩基中。另外，在复式岩体中往往是早阶段岩体的稀土含量高于晚阶段岩体。尤其是大岩基的舌状突出部位和靠近岩体的内接触带是成矿的有利地段。
( 5) 地球化学找矿标志
风化淋滤作用是稀土元素在风化壳中富集、分异的主要控制因素，随着风化淋滤作用的进行，稀土在风化壳剖面上可形成一个轻 － 重稀土的天然离子色谱层。由于 Ce 的地球化学特殊性，在地表条件下为黏土矿物强烈吸附而固定，从而在上部红土化层出现强烈的 Ce 正异常，向下出现强烈的 Ce负异常。
( 金庆花)