白云鄂博礦區(qū)賦礦“白云巖”地質(zhì)特征與成因再認(rèn)識

柯昌輝，李以科，李立興，趙永崗，董曉杰，郝美珍，李厚民，李瑞萍

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100037；2.包鋼(集團(tuán))公司白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古包頭，014080；3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春，130061)

白云鄂博是世界上最大的稀土礦床，中國最大的鈮礦床和第二大釷礦床，同時還是超大型鐵礦床，伴生有鈧、螢石、硫、磷和鉀等多種元素，具有極高的經(jīng)濟(jì)和研究價值，備受世界矚目。國內(nèi)外眾多學(xué)者對其礦床地質(zhì)特征、地球化學(xué)、同位素年代學(xué)、流體地質(zhì)學(xué)等進(jìn)行了大量研究，但對于礦床成因依然沒有達(dá)成共識[1?3]。各種對立的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)彰顯了白云鄂博礦床成因的復(fù)雜性，其爭論的焦點(diǎn)是賦礦“白云巖”(又稱“H8 白云巖”或者“H52白云巖”，為了研究的延續(xù)，本文仍采用“賦礦‘白云巖’”這一表述，但不具有成因意義)成因認(rèn)識的不同[4]。

關(guān)于白云鄂博賦礦“白云巖”成因觀點(diǎn)主要可以分為兩大類：一是沉積型，包括正常沉積[5?7]和熱水沉積[8?14]，此觀點(diǎn)認(rèn)為成礦物質(zhì)與賦礦“白云巖”是同沉積形成的，其形成之后遭受了后期深(幔)源富稀土流體的交代作用[5,15?17]。二是巖漿碳酸巖型，包括陸相侵入碳酸巖型[18?24]和海相火山碳酸巖型[25?27]，該觀點(diǎn)認(rèn)為賦礦“白云巖”是火成碳酸巖，白云鄂博礦床是碳酸巖巖漿作用的產(chǎn)物，礦區(qū)廣泛發(fā)育的蝕變作用是碳酸巖巖漿侵入圍巖形成的霓長巖化等堿性蝕變[18,19,28?31]。

對賦礦“白云巖”的“水成”與“火成”的爭論不僅導(dǎo)致礦床成因認(rèn)識的爭議，而且引起了找礦方向的分歧，成為制約正確認(rèn)識白云鄂博成礦模式和深部及外圍找礦勘查突破的關(guān)鍵地質(zhì)問題。由于白云鄂博成礦作用的獨(dú)特性和復(fù)雜性[32?33]，加上中元古代以來強(qiáng)烈的構(gòu)造改造和礦化蝕變疊加作用[15]，導(dǎo)致早期地質(zhì)特征已面目全非[2]，且?guī)r石同位素地球化學(xué)體系也遭受多次重置[10,34?36]，這大幅增加了從地球化學(xué)角度正確認(rèn)識賦礦“白云巖”成因的難度。

鑒于此，本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合白云鄂博1:5萬專題礦產(chǎn)地質(zhì)填圖最新成果，著重調(diào)查賦礦“白云巖”與圍巖的接觸關(guān)系、二者內(nèi)外接觸帶礦化蝕變特征和賦礦“白云巖”垂向上的礦化蝕變分帶，立足野外地質(zhì)特征，結(jié)合巖(礦)相學(xué)工作，重新認(rèn)識賦礦“白云巖”成因及其演變，為解決賦礦“白云巖”的“水成”與“火成”之爭論提供有力的地質(zhì)證據(jù)，同時為進(jìn)一步開展成礦機(jī)制研究提供新的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

2.1 賦礦“白云巖”與圍巖接觸帶蝕變分帶

H8“白云巖”與圍巖接觸關(guān)系是判斷“白云巖”成因的重要地質(zhì)依據(jù)。近年來礦山的開采和深部鉆探揭露的地質(zhì)現(xiàn)象為重新認(rèn)識這個問題提供了新證據(jù)。本文分析了賦礦“白云巖”與頂板圍巖接觸帶(剖面A?A'，B?B')及其與底板圍巖接觸帶(剖面C?C')礦化蝕變特征，其詳細(xì)地質(zhì)特征描述如下。

圖1所示為白云鄂博礦區(qū)主礦、東礦和西礦地質(zhì)簡圖。由圖1可見：白云鄂博REE?Nb?Fe 礦床位于華北陸塊北緣西段白云鄂博裂谷帶內(nèi)[37]。礦區(qū)出露地層主要為中元古界白云鄂博群，主要由尖山組(Pt2j)、哈拉霍格特組(Pt2h)、比魯特組(Pt2b)組成，為一套陸源碎屑巖、泥頁巖、碳酸鹽巖組合，局部可見少量火山巖。白云鄂博礦床主要由主礦、東礦和西礦3 個礦段組成(圖1(b))，高磁和東介勒格勒礦段分別為主礦、東礦南側(cè)白云巖中產(chǎn)出的小規(guī)模礦體。主礦、東礦體主要賦存于厚層狀“白云巖”中，產(chǎn)狀南傾，傾角60°～70°。主要礦石類型有底部條帶狀鈮?稀土?鐵礦石帶，中部塊狀鈮?稀土?鐵礦石帶，上部為鈉閃石型鈮?稀土?鐵礦石帶。磁鐵礦、赤鐵礦、假象赤鐵礦、針鐵礦為主要的鐵礦石礦物，稀土礦物以獨(dú)居石、氟碳鈰礦、黃河礦為主，鈮礦物以易解石、燒綠石為主。賦礦“白云巖”上覆地層主要為一套硅質(zhì)板巖、云母片巖、石英巖組成的地層(又稱H9 或H35)。該套地層發(fā)育強(qiáng)烈的微斜長石化、金云母化、霓長巖化、碳酸鹽化[38]，稀土礦化較弱，局部REE2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%。礦區(qū)東部和南部發(fā)育大

圖1 白云鄂博礦區(qū)主礦、東礦和西礦地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of Main section,East section and West section in Bayan Obo ore deposit

2 賦礦“白云巖”典型地質(zhì)特征

2.1 賦礦“白云巖”與圍巖接觸帶蝕變分帶

H8“白云巖”與圍巖接觸關(guān)系是判斷“白云巖”成因的重要地質(zhì)依據(jù)。近年來礦山的開采和深部鉆探揭露的地質(zhì)現(xiàn)象為重新認(rèn)識這個問題提供了新證據(jù)。本文分析了賦礦“白云巖”與頂板圍巖接觸帶(剖面A?A'，B?B')及其與底板圍巖接觸帶(剖面C?C')礦化蝕變特征，其詳細(xì)地質(zhì)特征描述如下。

2.1.1 主礦東壁H8“白云巖”與礦體頂板圍巖接觸帶實(shí)測剖面

剖面A?A'位于白云鄂博礦區(qū)主礦東壁(圖1)，根據(jù)野外的詳細(xì)觀測，剖面自長城系尖山組三段至“白云巖”的巖性特征和礦化蝕變特征如下(圖2)。

圖2 白云鄂博礦區(qū)主礦東壁H8與礦體頂板圍巖接觸帶實(shí)測地質(zhì)剖面圖Fig.2 Measured geological section of contact zone between H8 and ore body roof in main section of Bayan Obo deposit

長城系尖山組三段(Chj3)(15～13段)：主要為深灰色含粉砂質(zhì)碳質(zhì)絹云母板巖夾變質(zhì)粉砂巖，巖石中局部可見螢石化、黑云母化、霓石化、鈉閃石化、黃鐵礦化，從尖山組三段到“白云巖”礦體，蝕變和礦化強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

“白云巖”礦體(Pt2dol)(12～10段)：主要為灰白色白云石型鈮?稀土?磁鐵礦石，磁鐵礦化“白云巖”呈脈狀侵入到長城系尖山組三段碳質(zhì)板巖中(圖2(a))。礦石中發(fā)育霓石化、螢石化、鈉閃石化蝕變。主要礦石礦物為磁鐵礦、赤鐵礦、少量稀土礦化，局部富集段礦石可呈塊狀，脈石礦物主要為白云石。

長城系尖山組三段(Chj3)(9～5段)：主要為深灰色含粉砂碳質(zhì)絹云母板巖夾富鉀板巖，其中，富鉀板巖中發(fā)育規(guī)模不等的網(wǎng)脈狀鉀長石脈和團(tuán)塊(圖2(b))，富鉀板巖具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要礦物為黏土礦物、微斜長石、碳質(zhì)、石英等，局部可見磷灰石化、碳酸鹽化，向外逐漸過渡到隱晶質(zhì)的鉀長石化板巖。該段與磁鐵礦化“白云巖”接觸帶局部可見螢石化、黑云母化、霓(輝)石化、鈉閃石化和黃鐵礦化。

“白云巖”礦體(Pt2dol)(4～1 段)：自“白云巖”與板巖接觸帶以北，依次為條帶狀鈮?稀土?磁鐵礦石→白云石型鈮?稀土?磁鐵礦石→低品位白云石型礦石→磁鐵礦化“白云巖”?！鞍自茙r”礦體與板巖接觸帶，二者界線呈舒緩波狀(圖2(c)和(d))。巖石中發(fā)育螢石化、磁鐵礦化(含少量稀土礦物)蝕變；“白云巖”中可見板巖透鏡體(多處尖滅)，板巖比較破碎，板理發(fā)育，局部可見變形彎曲，黑云母化強(qiáng)烈，二者接觸邊部發(fā)育弱螢石礦化，弱磁鐵礦化。條帶狀鈮?稀土?磁鐵礦石(低品位)中發(fā)育螢石化、磁鐵礦化，局部可見閃石化，磁鐵礦化較弱，局部可見鈉閃石脈沿磁鐵礦化“白云巖”節(jié)理分布(圖2(f))，并伴隨螢石化、霓石化(弱)蝕變。

此剖面為H8“白云巖”礦體與頂板圍巖接觸帶的典型剖面，此外，主礦東壁、東礦西壁、東礦東壁都具有類似的地質(zhì)特征，其主要特點(diǎn)為：1)H8“白云巖”呈巖枝狀穿切圍巖；2)接觸帶內(nèi)帶發(fā)育螢石化、霓石化、霓輝石化、鈉閃石化、磷灰石化等蝕變，外帶發(fā)育黑云母化、鉀化(微斜長石化)、鈉閃石化、弱螢石化、弱黃鐵礦化、弱磁鐵礦化蝕變。

2.1.2 菠蘿頭H8“白云巖”與礦體底板圍巖接觸帶剖面

剖面B?B'位于白云鄂博礦區(qū)東礦東側(cè)菠蘿頭礦段(圖1和圖3)。根據(jù)野外觀測，磁鐵礦化“白云巖”與礦體底板圍巖接觸帶關(guān)系、圍巖蝕變類型與其他接觸帶都具有可對比性。本剖面自磁鐵礦化“白云巖”(Pt2dol)至長城系尖山組三段(Chj3)巖性及蝕變詳述如下。

磁鐵礦化“白云巖”：主要礦物為白云石、磁鐵礦。巖石發(fā)育鈉閃石化、螢石化、霓石化(弱)，弱黃鐵礦化。磁鐵礦化“白云巖”被晚期閃長玢巖脈穿切(圖3(b))，脈寬約1 m，脈巖與圍巖接觸界限平直，未見冷凝邊和蝕變。

黑云母化帶：寬約40 cm，巖石基本上全部由黑云母組成，黑云母鱗片多平行于接觸面呈定向排列，片晶晶粒隨遠(yuǎn)離接觸帶而逐漸變小(圖3(c))。

霓長巖化帶：帶寬約3 m。主要蝕變類型有鈉閃石化、霓石化、霓輝石化、螢石化、黑云母化等，其中鈉閃石化、霓石化增強(qiáng)，螢石化、黑云母化逐漸減弱(圖3(d))。

斷層破碎帶：破碎帶成分主要為炭質(zhì)板巖，比較破碎，板理發(fā)育，局部可見變形彎曲，黑云母化強(qiáng)烈，二者接觸邊部發(fā)育弱螢石礦化，弱磁鐵礦化。

灰黑色碳質(zhì)板巖：主要礦物為微斜長石、絹云母、碳質(zhì)。板巖中發(fā)育弱黑云母化、硅化、黃鐵礦化、弱螢石化(圖3(f))；局部可見石英網(wǎng)脈穿切板理。

圖3 白云鄂博礦區(qū)菠蘿頭H8與礦體底板圍巖接觸帶實(shí)測地質(zhì)剖面圖Fig.3 Measured geological section of contact zone between H8 and bottom morphology in Boluotou Bayan Obo ore deposit

此剖面為H8“白云巖”礦體與底板圍巖接觸帶的典型剖面，其主要特點(diǎn)為：1)接觸帶內(nèi)帶發(fā)育磁鐵礦化、黃鐵礦化、螢石化、霓石化、鈉閃石化、磷灰石化等蝕變，外帶發(fā)育黑云母化、鉀化(微斜長石化)、鈉閃石化、弱螢石化、弱黃鐵礦化、弱磁鐵礦化蝕變；2)自磁鐵礦化“白云巖”至長城系尖山組三段(Chj3)炭質(zhì)板巖，蝕變和礦化強(qiáng)度逐漸減弱。

2.1.3 東介勒格勒H8“白云巖”與礦體底板圍巖接觸帶剖面

剖面C?C′位于白云鄂博礦區(qū)東介勒格勒礦段(圖1和圖4)。根據(jù)野外觀測，磁鐵礦化“白云巖”與礦體頂板圍巖接觸帶關(guān)系、圍巖蝕變類型與其他接觸帶都具有可對比性。本剖面自磁鐵礦化“白云巖”往外至長城系尖山組三段巖性的蝕變類型依次為：磁鐵礦化“白云巖”→斷層破碎帶→黑云母化帶→霓長巖化帶→弱霓長巖化變質(zhì)石英砂巖→碳質(zhì)板巖。

磁鐵礦化“白云巖”(圖4(b))：主要礦物為白云石、磁鐵礦。巖石發(fā)育鈉閃石化(局部被節(jié)理截斷)，螢石化、霓石化(弱)，弱黃鐵礦化，弱磁鐵礦蝕變。

斷層破碎帶：為H8 與圍巖的接觸帶，巖石比較破碎(圖4(c))。破碎帶內(nèi)可見磁鐵礦化、螢石礦化、霓石化等蝕變。

黑云母化帶：寬約1 m，巖石可全部由黑云母組成，黑云母鱗片多平行接受面定向排列，鱗片尺寸隨遠(yuǎn)離接觸帶而逐漸變小。

霓長巖化帶：帶寬約3 m。鈉質(zhì)閃石替代了全部霓石，巖石由含量相等的鈉質(zhì)閃石和微斜長石組成(圖4(d))，鈉質(zhì)閃石主要為含鎂的鈉鐵閃石[18]。

弱霓長巖化變質(zhì)石英砂巖：發(fā)育于霓長巖化帶外側(cè)，主要有鈉質(zhì)閃石化、微斜長石化、霓石化、硅化、其次有獨(dú)居石化、磷灰石化，沿裂隙發(fā)育有鈉閃石?霓石細(xì)脈。

灰黑色碳質(zhì)板巖：主要礦物為微斜長石、絹云母、碳質(zhì)。板巖中發(fā)育弱黑云母化、硅化、黃鐵礦化、弱螢石化(圖4(e))；局部可見石英網(wǎng)脈垂直于板理。

圖4 白云鄂博礦區(qū)東介勒格勒H8與礦體頂板圍巖接觸帶實(shí)測地質(zhì)剖面圖Fig.4 Measured geological section of contact zone between H8 and ore body roof in Dongjielegele section of Bayan Obo deposit

此剖面為H8“白云巖”礦體與底板圍巖接觸帶的典型剖面，其主要特點(diǎn)為：1)接觸帶內(nèi)帶發(fā)育磁鐵礦化、黃鐵礦化、螢石化、霓石化、鈉閃石化、磷灰石化等蝕變，外帶發(fā)育黑云母化、鉀化(微斜長石化)、鈉閃石化、弱螢石化、弱黃鐵礦化、弱磁鐵礦化蝕變；2) 自磁鐵礦化“白云巖”至長城系尖山組三段炭質(zhì)板巖，蝕變和礦化強(qiáng)度逐漸減弱。

2.2 H8“白云巖”邊部圍巖捕擄體地質(zhì)特征

在白云鄂博礦區(qū)的西礦、東介勒格勒和菠蘿頭礦段的H8“白云巖”與圍巖的內(nèi)接觸帶，均發(fā)現(xiàn)有碳質(zhì)板巖(圖5(a)，(b)，(d))、硅質(zhì)板巖(圖5(c))、石英砂巖、閃長(玢)巖(圖6)和輝長巖捕虜體，大者長十幾米，小的僅為數(shù)厘米。捕虜體長軸方向一般與巖體邊界方向一致。捕虜體的邊部甚至整個捕虜體被碳酸鹽礦物(白云石)強(qiáng)烈交代(圖5(d))。

圖5 白云鄂博礦區(qū)西礦和菠蘿頭礦段“白云巖”中捕虜體地質(zhì)特征Fig.5 Geological characteristics of granulite xenoliths in“dolomite”from Western Orebody of Bayan Obo ore deposit

在東礦東部接觸帶發(fā)現(xiàn)1 處典型的地質(zhì)剖面(圖6)，剖面主體巖性為磁鐵礦化“白云巖”(圖6(b))，巖石中可見規(guī)模達(dá)2～5 m 的閃長玢巖捕虜體，其地球化學(xué)成分顯示巖性介于中性和基性之間[40]，捕虜體形態(tài)呈渾圓狀(圖6(c))，邊界呈弧形，可見寬約2～5 mm的反應(yīng)邊，呈深灰綠色(圖6(d))，靠近“白云巖”一側(cè)可見寬2～4 mm 的冷凝邊(圖6(c))，冷凝邊向外白云石粒度逐漸變粗，在二者邊界，還可見閃長玢巖破碎成小團(tuán)塊圍繞捕虜體呈環(huán)狀分布，其間被“白云巖”膠結(jié)。此外，露頭上還可以見到局部閃長玢巖發(fā)生破碎，被“白云巖”脈穿切(圖6(e))，其中，破碎的閃長玢巖在形態(tài)上可以拼貼(圖6(f))。

圖6 白云鄂博礦區(qū)東礦“白云巖”中閃長玢巖捕虜體地質(zhì)特征Fig.6 Geological characteristics of dioritic porphyrite granulite xenoliths in“dolomite”from Eastern Orebody of Bayan Obo ore deposit

2.3 與碳酸巖配套的堿性雜巖

在白云鄂博礦區(qū)的東礦、東介勒格勒和菠蘿頭礦段的H8“白云巖”與圍巖的外接觸帶，均發(fā)現(xiàn)有堿性正長巖脈(圖7(a))，鈉長石化堿性蝕變帶(圖7(b))，堿性角閃正長巖脈(圖7(c))產(chǎn)出。這些堿性巖脈侵入到白云鄂博群尖山組黑云母片巖中，巖脈兩側(cè)可見細(xì)粒邊，外側(cè)圍巖可見烘烤邊，二者共同遭受了晚期構(gòu)造變形(圖7(a))。這些巖脈中含有典型的針狀堿性長石、堿性角閃石、堿性輝石等堿性礦物。露頭上亦可見碳酸巖脈穿切鈉長石化堿性蝕變帶(圖7(b))，表明其形成時間可能略早于碳酸巖。

圖7 白云鄂博礦區(qū)堿性巖野外地質(zhì)特征Fig.7 Geological characteristics of alkaline rock from Bayan Obo ore deposit

此外，這些堿性巖與白云鄂博碳酸巖均共生產(chǎn)出，與碳酸巖共同構(gòu)成了一個環(huán)狀分布的堿性雜巖組合，與世界上典型的碳酸巖?堿性基性超基性雜巖侵位組合一致，與其形成的裂谷地質(zhì)構(gòu)造背景相吻合。

2.4 深部鉆孔揭示的礦化蝕變特征

由于白云鄂博礦區(qū)遭受了強(qiáng)烈變形改造作用，加上生產(chǎn)開采活動，地表地質(zhì)現(xiàn)象異?；靵y。深部重要地質(zhì)體空間展布相對穩(wěn)定，有利于研究礦床成因和礦田構(gòu)造。本文以礦區(qū)最深的ZK20-2 鉆孔為例，通過詳細(xì)的巖芯地質(zhì)編錄、巖(礦)相學(xué)鑒定和化學(xué)分析等工作，試圖剖析白云鄂博礦區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦化蝕變特征。

ZK20-2 鉆孔位于東礦與東介勒格勒礦段中間原來認(rèn)為的“白云向斜”核部(圖1)，根據(jù)本文作者觀測，整個鉆孔主要的巖性組合可分為3 個部分(如圖8(a)所示)：1)硅質(zhì)巖?板巖?云母片巖段；2) 硅質(zhì)板巖與“白云巖”接觸帶；3) “白云巖”段?？偟膩碚f，“白云巖”深部延伸穩(wěn)定，產(chǎn)狀南傾，且全孔遭受強(qiáng)烈交代蝕變作用，根據(jù)主要的巖性組合、接觸關(guān)系、蝕變類型以及礦化強(qiáng)度差異，其地質(zhì)特征如下。

硅質(zhì)巖?板巖?云母片巖段：孔深0～1 008.4 m，主要巖性組合為灰白色硅質(zhì)巖(圖8(b))和碳質(zhì)板巖夾片巖。主要發(fā)育閃石類(鈉鐵閃石、鈉透閃石、鎂鈉閃石)(圖8(c))、云母類(黑云母化，金云母化，絹云母化)(圖8(d))、長石類(鈉長石化、微斜長石化)(圖8(e))、輝石類(霓石化、霓輝石化)(圖8(g))、重晶石化、黃鐵礦化等蝕變作用，越靠近其與“白云巖”接觸帶，蝕變越強(qiáng)。

硅質(zhì)板巖與“白云巖”接觸帶：孔深1 008.4～1 105.8 m，主要為硅質(zhì)板巖與“白云巖”接觸帶，局部呈斷層接觸。接觸帶發(fā)生黑云母化、金云母化、閃石化、霓石化，化學(xué)成分分析顯示該段鐵、鈮、稀土礦化明顯增強(qiáng)(如圖8(a)中⑥所示)。鉆孔1 077 m處“白云巖”與板巖交替出現(xiàn)，巖性條紋塊長1～2 cm，條紋條帶清晰，明顯受構(gòu)造變形影響，條紋同步褶曲，這些條帶空間延伸不連續(xù)，主要為后期構(gòu)造面理。對比20號勘探線其他鉆孔，在板巖與白云巖接觸帶，均出現(xiàn)“白云巖”與板巖交替出現(xiàn)，表明在層位傾向上是穩(wěn)定連續(xù)出現(xiàn)的。巖性交替出現(xiàn)的形成機(jī)理是解釋“白云巖”成因的關(guān)鍵。

“白云巖”段：孔深1 105.8～1 775.4 m，主要發(fā)育大理巖化、鈉透閃石化、磁鐵礦化、稀土礦化、螢石化。以閃石類、輝石類、云母類、螢石化、磁鐵礦化、稀土元素礦化等蝕變最強(qiáng)烈，造就了本區(qū)最重要的成礦作用。1 700 m處“白云巖”遭受強(qiáng)烈的透閃石化蝕變，透閃石呈灰藍(lán)色條帶貫穿整個“白云巖”?！鞍自茙r”鐵礦中主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦，磁鐵礦呈交代殘余分布在赤鐵礦中(圖8(h))。主要稀土礦物獨(dú)居石呈脈狀沿白云石裂隙分布，呈現(xiàn)熱液交代成礦的特點(diǎn)(圖8(i)，(j))。盡管稀土幾乎全巖礦化，部分地段(構(gòu)造破碎帶)稀土品位明顯偏高(如圖8(a)中⑥所示)。鐵礦體呈透鏡體共生在稀土礦體中，而鈮礦化主要分布在板巖與“白云巖”接觸部位的“白云巖”一側(cè)。

圖8 白云鄂博礦區(qū)20線勘探線剖面圖、鉆孔ZK20-2地質(zhì)特征及礦石化學(xué)成分分布圖Fig.8 No.20 exploration line map,geological characteristics and chemical constituents of ZK20-2 in Bayan Obo ore deposit

構(gòu)造破碎帶：孔深1 417.5～1 439.2 m，構(gòu)造破碎強(qiáng)烈，斷層角礫構(gòu)造發(fā)育，1 437 m 處巖石碾碎成斷層泥，破碎帶分布“白云巖”層內(nèi)。根據(jù)鉆孔鐵、稀土、鈮元素品位化驗(yàn)數(shù)據(jù)，破碎帶部位的成礦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯比兩側(cè)“白云巖”(圖8)的高，稀土元素高品位礦化帶嚴(yán)格受控于“白云巖”層內(nèi)構(gòu)造破碎帶。

3 “白云巖”構(gòu)造變形與重結(jié)晶作用

3.1 近東西向韌性剪切構(gòu)造帶地質(zhì)特征

1∶1 萬地質(zhì)填圖識別出一條貫穿礦區(qū)的韌性剪切帶。該組韌性剪切構(gòu)造帶位于主礦、東礦南側(cè)，起于西礦南側(cè)，向東經(jīng)主礦、東礦南側(cè)向東延伸，延長規(guī)模超過10 km，糜棱巖化帶寬度未完全控制。礦區(qū)內(nèi)“白云巖”、上覆富鉀板巖均遭受不同程度的糜棱巖化。此外，在礦區(qū)南部中元古界白云鄂博群尖山組糜棱巖化長石石英巖中還發(fā)育有大量的礦物拉伸線理。

圖9所示為白云鄂博礦區(qū)近東西向韌性剪切帶地質(zhì)特征。由圖9可見：該組韌性剪切構(gòu)造在不同性質(zhì)的巖石中有不同的表現(xiàn)。

1)在細(xì)粒“白云巖”中，變形不明顯(圖9(a))；

2)在礦體頂板富鉀板巖中，由于巖石能干型比較強(qiáng)，巖石受剪切發(fā)生脆性碎裂(圖9(b))；

3)在細(xì)?！鞍自茙r”與接觸云母巖接觸帶，發(fā)育差異性韌性變形(圖9(c))；

4)在鈉長石發(fā)育的地段，可發(fā)育早期鈉長石脈透鏡體化(圖9(d))；

5)在螢石化發(fā)育的地段，眼球狀構(gòu)造異常發(fā)育(圖9(e))。

6)糜棱巖中發(fā)育各種指向性清楚的顯微構(gòu)造，包括白云石碎斑、長石碎斑、眼球狀構(gòu)造、機(jī)械雙晶、書斜構(gòu)造(圖10)等。

7)在白云石碎斑沿剪切破裂面發(fā)生滑移，拖尾構(gòu)造顯示運(yùn)動方向?yàn)樽笮羟?圖9(f))。

礦區(qū)發(fā)育大量條帶狀構(gòu)造礦石，按照條帶成分的不同，可以分為條帶狀鐵礦石、螢石型條帶狀稀土礦石和霓石型條帶狀稀土?鐵礦石，構(gòu)成了白云鄂博主要礦石類型，在主礦、東礦區(qū)均大量發(fā)育。條帶主要由螢石、霓石、閃石、云母、磁鐵礦組成，白云石、方解石等碳酸鹽礦物呈碎裂殘斑、亞顆粒(圖9(a)和(b))，礦物顆粒之間邊界線呈鋸齒狀、縫合線狀及不規(guī)則港灣狀(圖9(b))，呈明顯的動態(tài)重結(jié)晶礦物形態(tài)。

3.2 “白云巖”動態(tài)重結(jié)晶顯微巖相學(xué)特征

1)碎裂組構(gòu)。碳酸鹽礦物(白云石、方解石)、磁鐵礦等礦物發(fā)生明顯的顯微破裂，碎塊之間無明顯的位置移動，碎裂的礦物具有可拼性，巖石(礦物)裂縫中有稀土礦物、螢石、石英等礦物充填。碎裂中的巖塊和碎基雜亂分布，無定向排列(圖10(a)和(b))。

2)糜棱組構(gòu)。韌性剪切帶內(nèi)巖(礦)石遭受了強(qiáng)烈塑性變形作用，形成了大量的糜棱組構(gòu)：

①眼球狀構(gòu)造，碎斑礦物定向排列呈透鏡狀、長圓狀和眼球狀，碎斑礦物主要磁鐵礦(圖9(b))、白云石(圖10(g))、閃石、螢石(圖9(e))等組成，碎斑礦物顯微變形結(jié)構(gòu)發(fā)育，常見波狀消光、變形雙晶、亞顆粒(圖10(c))、核幔結(jié)構(gòu)(圖10(d))；

②部分碎基礦物經(jīng)歷重結(jié)晶和變晶作用形成新生變質(zhì)礦物，如白云石顆粒，云母(圖10(e))；

③巖石具有明顯的定向構(gòu)造(圖9(e)和9(f)；圖10(c)，(e)和(g))，碎斑礦物的長軸定向形成了S面理，云母定向分布形成了C面理(圖10(e))。

圖9 白云鄂博礦區(qū)近東西向韌性剪切帶地質(zhì)特征Fig.9 Geological characteristics of nearly EW trend ductile shear zones in Bayan Obo ore deposit

3)變晶結(jié)構(gòu)。糜棱巖碎中碳酸鹽礦物碎基發(fā)生了重結(jié)晶和變晶作用，形成白云石(方解石)亞顆粒，呈定向排列，與少量碎斑形成千糜構(gòu)造(圖10(c))。

圖10 白云鄂博礦區(qū)“白云巖”動態(tài)重結(jié)晶巖相學(xué)特征Fig.10 Petrography of dynamic recrystallization texture in“dolomite”from Bayan Obo ore deposit

4 討論

4.1 賦礦“白云巖”原巖為巖漿成因的白云石碳酸巖

賦礦“白云巖”既是白云鄂博REE?Nb?Fe 礦床的圍巖，又是含礦主巖，是解開白云鄂博礦床成因之謎的關(guān)鍵。碳酸鹽礦物極易受后期地質(zhì)作用改造而發(fā)生結(jié)構(gòu)上的改變[41]，單純的手標(biāo)本和顯微鏡觀察已無法判斷賦礦“白云巖”原巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造；同時，復(fù)雜的交代作用模糊了白云巖的原始信息，造就了大量“模棱兩可”的地球化學(xué)數(shù)據(jù)[3,42]。因此，全巖尺度的地球化學(xué)分析難以很好反映其形成時的原始信息，很難判斷其巖石成因。無論是沉積成因還是巖漿成因，都有其相應(yīng)的地球化學(xué)證據(jù)，形成了白云鄂博礦區(qū)賦礦“白云巖”成因爭論不休的局面。歸根結(jié)底，白云鄂博礦床成因認(rèn)識矛盾來源于地質(zhì)與地球化學(xué)認(rèn)識的矛盾[1,28]，鑒于地球化學(xué)數(shù)據(jù)存在多期地質(zhì)事件改造與地球化學(xué)體系疊置等多種因素影響，本文重點(diǎn)剖析沉積成因與巖漿成因的典型地質(zhì)證據(jù)。

環(huán)繞賦礦“白云巖”發(fā)育的礦化蝕變分帶是火成碳酸巖的典型地質(zhì)特征之一。經(jīng)大比例尺地質(zhì)填圖發(fā)現(xiàn)，白云鄂博礦區(qū)圍巖蝕變整體上是環(huán)繞碳酸巖分布，從賦礦“白云巖”到圍巖，蝕變強(qiáng)度逐漸遞減[28]，且頂板圍巖的蝕變強(qiáng)度明顯比底板圍巖的高。在碳酸巖頂部及頂板圍巖中的霓石化、閃石化、鈉長巖化、黑云母化，與火成碳酸巖特有霓長巖化蝕變特征是一致的[41,43]。值得注意的是，礦區(qū)的礦化蝕變在橫向上和縱向上(ZK20-2深部鉆孔)均具有明顯的蝕變分帶特征(圖2～4 和圖8)：從賦礦“白云巖”到頂、底板板巖，均發(fā)育磁鐵礦化→黑云母化→強(qiáng)霓長巖化→弱霓長巖化的蝕變分帶。如果是后期熱液流體交代早期沉積碳酸鹽巖，不太可能形成以碳酸鹽巖為中心的蝕變分帶，也很難解釋ZK20-2 鉆孔中從深部往淺部蝕變逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)象。

賦礦巖石中發(fā)現(xiàn)的化石一直被認(rèn)為是沉積成因的關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù)[5]，但仍值得商榷。牛紹武等[44]詳細(xì)總結(jié)了白云鄂博地區(qū)發(fā)現(xiàn)的化石類型和時代，化石產(chǎn)地均位于礦區(qū)外圍白云鄂博群尖山組和哈拉霍疙特組，其H8 地層指的是礦區(qū)北側(cè)厚層灰?guī)r，與礦區(qū)賦礦巖石完全不同，賦礦“白云巖”中是否真實(shí)存在化石成了懸而未決的問題[2]。

H8“白云巖”邊部發(fā)現(xiàn)的捕虜體是火成碳酸巖的關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù)。在白云鄂博礦區(qū)的西礦、東介勒格勒和菠蘿頭礦段的巖體與圍巖的內(nèi)接觸帶，均發(fā)現(xiàn)有碳質(zhì)板巖(圖5(b))、硅質(zhì)板巖(圖5(c))、閃長(玢)巖(圖6)和輝長巖捕虜體，大者長十幾米，小的僅為數(shù)厘米的團(tuán)塊。捕虜體長軸方向一般與巖體邊界方向一致。捕虜體的邊部甚至整個捕虜體被碳酸鹽礦物(白云石)強(qiáng)烈交代。前人研究中均有發(fā)現(xiàn)碳酸巖中捕獲圍巖捕虜體的現(xiàn)象[18,19,45]。

與H8“白云巖”近同期產(chǎn)出的堿性巖同碳酸巖體共同構(gòu)成了一個堿性巖套組合，進(jìn)一步夯實(shí)了火成碳酸巖的證據(jù)。早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家通過統(tǒng)計全球近40 個碳酸巖型礦床后指出，所有礦床中火成碳酸巖并非獨(dú)立產(chǎn)出，一般都有堿性基性?超基性雜巖配套產(chǎn)出[46]。近年來，SPANDLER 等[47]在關(guān)于澳大利亞稀土礦床成礦構(gòu)造背景的研究中指出，澳大利亞大多數(shù)硬巖型稀土礦床與堿性火成巖密切相關(guān)；王希斌等[43]也將白云鄂博廣泛產(chǎn)出的碳酸巖巖墻群及其伴生的霓長巖組合歸并為白云鄂博雜巖。本次工作發(fā)現(xiàn)的堿性正長巖脈及礦區(qū)廣泛發(fā)育的堿性蝕變進(jìn)一步佐證了白云鄂博賦礦“白云巖”為火成碳酸巖。

4.2 韌性剪切作用與礦石中的條帶狀構(gòu)造

根據(jù)前述討論，礦區(qū)賦礦“白云巖”為巖漿成因的白云石碳酸巖，但礦區(qū)出露的巖石又受到后期韌性剪切作用的強(qiáng)烈改造，礦區(qū)內(nèi)普遍可以看到白云石碳酸巖發(fā)生重結(jié)晶作用形成新的礦物或集合體，白云石碳酸巖具有較明顯的礦物拉長狀結(jié)構(gòu)，長軸方向具有明顯定向性。同時，白云石重結(jié)晶也導(dǎo)致了白云石碳酸巖顆粒變細(xì)(圖10(a)和(b))，塊狀構(gòu)造的粗粒方解石碳酸巖和偉晶巖狀方解石碳酸巖會轉(zhuǎn)變成細(xì)粒條帶狀碳酸巖(圖10(c))。因此，現(xiàn)今礦區(qū)出露的白云石碳酸巖遭受了后期動力變質(zhì)作用的改造。

沉積成因和巖漿成因爭論一個重要地質(zhì)證據(jù)是對條帶狀礦石的認(rèn)識，前者認(rèn)為是沉積層理或者紋層[5,6,8?10]，后者認(rèn)為巖漿流動造成的流線或者流面[18,28]。白云鄂博賦礦白云石碳酸巖的突出特征是具有條帶狀構(gòu)造，表現(xiàn)為方解石(或鐵白云石)碳酸巖和其他礦物(鈉(鐵)閃石，瑩石，霓石，磁鐵礦、金云母、其次為稀土礦物、磷灰石等)組成的條帶互相交替(圖10(g)，(h))，這些礦物在條帶中具有明顯定向性(圖10(e))，條帶延續(xù)不穩(wěn)定，連續(xù)性差。礦區(qū)內(nèi)條紋、條帶發(fā)育的地方可見不同礦物被擠壓、拉伸而形成的透鏡狀、眼球狀構(gòu)造(圖10(g))，周圍的礦物呈“流動”狀繞過“透鏡”，透鏡的長軸方向和周圍“流動”狀礦物的延伸方向與條紋、條帶的延伸方向是一致的。一般地，沉積層理(紋層)在物質(zhì)成分和空間尺度均保持一定穩(wěn)定性，連續(xù)性好，本區(qū)條帶狀礦石條帶與沉積紋理存在明顯的差別。巖漿流線(面)構(gòu)造是巖體形成時巖漿流動造成的，一般形成于巖體邊部，本區(qū)條帶狀礦石空間分布不受控于碳酸巖體，而是與韌性變形帶密切相關(guān)。結(jié)合條帶狀礦石大量顯微變形結(jié)構(gòu)構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)各類礦石中的條帶狀構(gòu)造既不是沉積層理，也不是巖漿流動的流線(面)，而是與韌性剪切帶密切相關(guān)的構(gòu)造線(面)理，是碳酸巖形成之后遭受強(qiáng)烈韌性變形的產(chǎn)物。

5 結(jié)論

1)從礦區(qū)賦礦“白云巖”產(chǎn)狀，其與頂?shù)装鍑鷰r接觸帶蝕變特征，圍巖捕虜體特征以及配套的堿性巖套組合等多個方面證明白云鄂博賦礦“白云巖”為巖漿成因的白云石碳酸巖。主要基于以下證據(jù)：①賦礦“白云巖”呈巖枝狀穿切圍巖，其與圍巖的接觸帶發(fā)育不同程度的蝕變作用；②礦區(qū)的礦化蝕變均圍繞賦礦“白云巖”形成，在橫向和縱向上均具有明顯的蝕變強(qiáng)弱變化；③在礦區(qū)的西礦、東介勒格勒和菠蘿頭礦段的“白云巖”與圍巖的內(nèi)接觸帶，均發(fā)現(xiàn)有不同類型的圍巖捕虜體；④在賦礦“白云巖”的外部接觸帶發(fā)育與“白云巖”同時期侵入的堿性巖，與白云鄂博碳酸巖體共同構(gòu)成一個堿性巖套組合。

2)礦區(qū)各類礦石中的條帶狀構(gòu)造既不是沉積層理，也不是巖漿流動的流線(面)，而是與韌性剪切帶密切相關(guān)的構(gòu)造線(面)理，是白云石碳酸巖形成之后遭受強(qiáng)烈韌性變形的產(chǎn)物。

致謝野外工作得到了白云鄂博鐵礦生產(chǎn)部張麗、張順、賈瑞敏、楊進(jìn)軍和郭賓等工程師的大力幫助和支持，在此致以誠摯的感謝!