白云鄂博礦床元素空間分布規(guī)律及找礦啟示*

楊奎鋒 范宏瑞 邱正杰 李曉春 佘海東 劉雙良 李洪濤 張立鋒

白云鄂博礦床是全球最大的稀土-鈮-鐵礦床,其稀土資源量占全球總儲(chǔ)量的30%以上,鈮的儲(chǔ)量位居世界第二,同時(shí)也是一個(gè)大型鐵礦床,在我國具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位(Fanetal., 2016; Xieetal., 2016; 范宏瑞等, 2020)。白云鄂博礦床具有復(fù)雜的蝕變-礦化過程和礦物種類繁多的特點(diǎn),又經(jīng)歷了多期地質(zhì)事件的疊加改造,礦床成因認(rèn)識(shí)各家爭(zhēng)鳴(Smithetal., 2015; Yangetal., 2017; Songetal., 2018; Lietal., 2021)。白云鄂博礦床成因爭(zhēng)論主要聚焦在賦礦白云巖的成因問題上(Chaoetal., 1992; Yang and Le Bas, 2004; Yangetal., 2009)。最新研究成果表明,賦礦白云巖為火成碳酸巖成因,與周圍的火成碳酸巖脈具有同源演化關(guān)系(Yangetal., 2011, 2019)。

火成碳酸巖是全球稀土礦床最主要的成礦巖石(Jonesetal., 2013; Anenburgetal., 2020)。隨著巖漿演化,稀土元素以及鉀、鈉、氟、磷等元素進(jìn)一步富集在殘余的巖漿熱液中。富含稀土元素的碳酸質(zhì)巖漿熱液不僅會(huì)對(duì)先行侵位的碳酸巖體自交代形成賦礦白云巖,也會(huì)與圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的蝕變交代,形成霓長(zhǎng)巖化和螢石化,同時(shí)伴隨有稀土、鈮和鐵的礦化(Liuetal., 2020)。白云鄂博地區(qū)巨量稀土的富集目前被認(rèn)為與碳酸質(zhì)巖漿演化密切相關(guān)(Yangetal., 2019),碳酸質(zhì)巖漿演化晚階段所形成的富含稀土元素和揮發(fā)分的鈣質(zhì)碳酸巖通常會(huì)與早期侵位的鐵鎂質(zhì)碳酸巖發(fā)生自交代過程,同時(shí)也會(huì)與圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的霓長(zhǎng)巖化作用,是研究碳酸巖型稀土礦化和蝕變?cè)胤謳У慕^佳對(duì)象。

本文對(duì)白云鄂博礦床主礦、東礦的賦礦白云巖、不同類型稀土-鈮-鐵礦石和富鉀板巖進(jìn)行詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和地球化學(xué)成分分析,揭示了成礦元素REE、Nb和主要蝕變?cè)豊a、K、F、P的空間分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了稀土元素尤其是中-重稀土元素的深部富集特征,構(gòu)建了白云鄂博火成碳酸巖型稀土-鈮-鐵礦床的礦化-蝕變?cè)胤謳Ｊ?提出深部礦化的淺部地球化學(xué)指標(biāo)。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

白云鄂博礦床位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市北部約150km處,大地構(gòu)造位置處于華北克拉通北緣,北鄰中亞造山帶(圖1)。區(qū)內(nèi)一級(jí)斷裂為位于礦區(qū)北部的烏蘭寶力格深大斷裂,亦被稱作白云鄂博-赤峰斷裂。次級(jí)斷裂主要為白銀角拉克-白云鄂博斷裂,其東部位于白云鄂博礦區(qū)內(nèi)的部分也被稱作寬溝斷裂,走向大致呈東西向,被烏蘭寶力格斷裂所截?cái)?。烏蘭寶力格斷裂南部的地區(qū)發(fā)育有一套太古宙-古元古代變質(zhì)基底雜巖,主要包括位于礦區(qū)東南部的太古宙花崗片麻巖(2588±15Ma;范宏瑞等, 2010)、寬溝背斜核部及西礦南側(cè)的早元古代花崗閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖、黑云母片麻巖(～2.0Ga;范宏瑞等, 2010; 王凱怡等, 2001)以及東礦南側(cè)的早元古代晚期含石榴石藍(lán)閃石片麻巖(1879±10Ma;范宏瑞等, 2010)。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育有一套古元古代-中元古代淺變質(zhì)陸緣裂谷沉積巖系——白云鄂博群,不整合覆于區(qū)內(nèi)的變質(zhì)基底之上,總厚度近萬米,原巖為海陸過渡相-濱海相-海相沉積物,包括6個(gè)巖組和18個(gè)巖段。主要巖石類型為碎屑巖、泥頁巖、碳酸鹽巖和火山巖。區(qū)內(nèi)還發(fā)育有大量晚古生代花崗質(zhì)侵入體,主要分布在主礦、東礦的東南部,以及西礦的西北部。主要巖性為花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、黑云母花崗巖以及鉀長(zhǎng)花崗巖。前人對(duì)該地區(qū)巖漿巖侵入體的年代學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,海西期花崗巖類侵入體的活動(dòng)時(shí)間主要集中在263～281Ma,峰期年齡為269Ma(范宏瑞等, 2009)。除此外,礦區(qū)內(nèi)也發(fā)育有大量海西期的輝長(zhǎng)巖侵入體,多以巖株或巖墻侵入地層中,被花崗巖體切穿,或在花崗巖體中呈捕擄體,因此多認(rèn)為輝長(zhǎng)巖的結(jié)晶時(shí)間早于花崗巖(白鴿等, 1996; 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988)。區(qū)內(nèi)的白云鄂博群中分布有近百條不同成分的碳酸巖脈,具有從白云石到方解石的過渡特征,即白云石型、白云石-方解石型、方解石型碳酸巖脈(王凱怡等, 2002),主要于中元古代(～1.3Ga)侵入到白云鄂博群和基底變質(zhì)巖中(張宗清等, 2003; Yangetal., 2011)。

圖1 白云鄂博礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Bayan Obo mining district

1.2 礦床地質(zhì)概況

白云鄂博是迄今世界上最大的稀土-鈮-鐵礦床。稀土儲(chǔ)量為57.4Mt(REE2O3平均品位為6%),鈮儲(chǔ)量為2.16Mt(Nb2O5平均品位為0.13%),鐵儲(chǔ)量至少1500Mt(鐵氧化物平均品位為35%)(Drewetal., 1990)。主要礦體包括主礦、東礦及由數(shù)十個(gè)小礦坑逐漸合并而成的西礦,礦體分布于寬溝斷裂南側(cè),賦存在一套近東西走向的白云巖中。賦礦白云巖又被近東西向的比魯特組板巖(白云鄂博群H9)從中分割成南北兩翼,北翼南北向最寬超過一千米。依據(jù)主要組成礦物顆粒的大小,賦礦白云巖又可以分為粗粒白云巖相和細(xì)粒白云巖相。粗粒白云巖主要由粗粒白云石礦物組成,含有少量的磷灰石、磁鐵礦、燒綠石。細(xì)粒白云巖是賦礦白云巖的主體,主要由細(xì)粒白云石礦物組成,含有少量的磁鐵礦、赤鐵礦、磷灰石和獨(dú)居石。盡管早期前人對(duì)賦礦白云巖成因的認(rèn)識(shí)有極大的爭(zhēng)議(火成巖或沉積巖;Fanetal., 2016; Yangetal., 2017),但近年來已基本達(dá)成共識(shí),即賦礦白云巖為幔源的火成碳酸巖,在13億年前后侵位于白云鄂博群和基底變質(zhì)巖中(Yangetal., 2011, 2019; Chenetal., 2020)。

與全球典型碳酸巖型稀土礦床相似,白云鄂博礦區(qū)發(fā)育大規(guī)模堿質(zhì)(鈉化及鉀化)、氟化蝕變,以碳酸巖及H9板巖接觸帶的霓長(zhǎng)巖帶最為典型,并因此形成了礦區(qū)最富集的稀土-鈮-鐵礦石。白云鄂博礦床的主要礦體均位于賦礦白云巖和板巖的接觸帶內(nèi),并且圍巖的霓長(zhǎng)巖化蝕變程度越強(qiáng),礦化程度越高。蝕變礦物主要包括霓石、鈉閃石、黑云母及鈉長(zhǎng)石。白云鄂博的礦石類型主要包括中元古代的浸染狀稀土礦石、條帶狀稀土-鈮-鐵礦石、塊狀稀土-鈮-鐵礦石(圖2)以及古生代富含硫化物的粗粒脈狀礦石(Sheetal., 2021)。

圖2 白云鄂博稀土-鈮-鐵礦床礦體分帶示意圖(據(jù)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988修改)及典型礦石和堿性蝕變巖手標(biāo)本照片F(xiàn)ig.2 Zoning diagram of Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit (modified after IGCAS, 1988), and photos of typical ores and alkaline altered rock samples

在主礦、東礦乃至西礦內(nèi)部廣泛發(fā)育有東西向的堿性蝕變帶,相應(yīng)的礦石類型有條帶狀礦石、富鈉閃石塊狀礦石和富霓石型塊狀礦石,典型的蝕變礦物為鈉閃石、霓石和金云母(圖2)。條帶狀礦石主要由定向排列的氟碳鈰礦、螢石、獨(dú)居石、磷灰石、磁鐵礦、白云石、鈉閃石等礦物的條帶狀集合體組成。條帶狀礦石富含螢石,是氟化蝕變最強(qiáng)烈時(shí)期生成的礦石類型。條帶狀礦石的稀土氧化物品位高達(dá)10%,也是稀土礦化最強(qiáng)烈的礦石類型。

2 分析方法

本次研究在白云鄂博主、東礦坑不同標(biāo)高作業(yè)平臺(tái)采集了各類型巖石、礦石樣品(圖3)。對(duì)礦區(qū)內(nèi)礦石類型、礦物共生組合及蝕變分帶特征進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及填圖工作。

圖3 白云鄂博主礦、東礦元素分析采樣點(diǎn)位Fig.3 Sampling points for element analysis of the Bayan Obo Main Orebody and East Orebody

2.1 主量、微量元素分析方法

將新鮮的巖石樣品手工粗碎,然后在瑪瑙研磨機(jī)上細(xì)磨至200目,取10g左右樣品平均分為2份,分別用于主量和微量元素分析測(cè)定。

主量元素分析在澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司完成。由于礦石具有高稀土含量特征,因而運(yùn)用方法ME-XRF30測(cè)定主量元素,稱取二份試樣,一份試樣加入硼酸鋰和氧化劑,充分混合后,高溫熔融。熔融物倒入模子形成扁平玻璃片后,再用X熒光光譜儀(荷蘭PANalytical-Axios Adv PW4400)分析;同時(shí)稱取另一份試樣在1000℃下測(cè)定燒失量(LOI);檢測(cè)限為0.01%,相對(duì)偏差(精密度)小于10%,相對(duì)誤差(準(zhǔn)確度)小于10%。

運(yùn)用方法ME-XRF26F測(cè)樣品F含量。稱取二份試樣,取一份試樣于105℃烘干后,精確稱取要求重量,置入鉑金坩鍋,加入四硼酸鋰-偏硼酸鋰-硝酸鋰混合熔劑,確認(rèn)樣品與熔劑充分均混后,于高精密熔樣機(jī)1050℃熔融,熔漿倒入鉑金模,冷卻形成熔片,確認(rèn)熔片質(zhì)量合格,再用X熒光光譜儀(荷蘭PANalytical-Axios Adv PW4400,含氟模式)測(cè)定主量。同時(shí)精確稱取另一份干燥后的試樣, 馬弗爐1000℃有氧灼燒,冷卻后再精確稱重,試樣灼燒前、灼燒后的重量差即是燒失量(LOI)。燒失量和XRF測(cè)得的元素含量(總量以氧化物表示)相加,即是“Total”;檢測(cè)限0.1%,相對(duì)偏差小于5%,相對(duì)誤差小于5%。

運(yùn)用ME-MS61r和ME-MS81h測(cè)定樣品微量元素和稀土元素含量。其中ME-MS61r方法針對(duì)痕量元素和低稀土含量樣品,試樣用高氯酸、硝酸、氫氟酸和鹽酸消解后,用稀鹽酸定容,再用電感耦合等離子發(fā)射光譜進(jìn)行分析(美國,Agilent-5110),元素之間的光譜干擾得到矯正后,即是最后的分析結(jié)果。ME-MS81h方法針對(duì)高稀土含量樣品,將試樣加入到偏硼酸鋰熔劑中,混合均勻,在1000℃的熔爐中熔化。熔液冷卻后,用硝酸定容,再用等離子體質(zhì)譜儀分析(美國,Agilent-7700x)。ME-MS61r方法相對(duì)偏差小于10%,相對(duì)誤差小于10%;ME-MS81h方法相對(duì)偏差小于7%,相對(duì)誤差小于7%。

2.2 自動(dòng)礦物組成分析

依據(jù)不同類型巖石及礦石的野外產(chǎn)狀、切割關(guān)系、蝕變程度以及大量顯微鏡下特征,我們將白云鄂博成巖、成礦過程劃分為3個(gè)主要階段(Sheetal., 2021)。為了克服白云鄂博礦物種類復(fù)雜,粒度細(xì)小的困難,本文選擇未受其他期次熱液事件改造的各階段礦石,利用先進(jìn)的AMICS自動(dòng)礦物分析系統(tǒng)對(duì)各階段礦石的礦物學(xué)特征開展了系統(tǒng)性研究,以便準(zhǔn)確、快速的識(shí)別鑒定各階段巖石及礦石的礦物組成。AMICS自動(dòng)礦物分析在包頭稀土研究院完成,該分析方法具備先進(jìn)的圖像處理技術(shù),礦物數(shù)據(jù)庫超過2000余種,與傳統(tǒng)巖礦鑒定相比,具有快速、準(zhǔn)確確定樣品礦物組成及分布特征的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工藝礦物學(xué)、礦床學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域。因此本文選擇這一技術(shù)來揭示浸染狀礦石、條帶狀礦石和塊狀礦石的礦物組成及分布特征。

3 分析結(jié)果

本次研究對(duì)白云鄂博主礦、東礦的賦礦白云巖、不同類型礦石和富鉀板巖開展了詳細(xì)的元素地球化學(xué)分析,對(duì)浸染狀礦石、條帶狀礦石、塊狀礦石開展自動(dòng)礦物組成分析,分析結(jié)果如表1和圖4所示。

圖4 白云鄂博浸染狀礦石(a)、條帶狀礦石(b)和塊狀礦石(c)中典型的礦物共生組合不同的顏色分別代表不同的礦物種類.Aeg-霓石;Ap-磷灰石;Bast-氟碳鈰礦;Brt-重晶石;Cal-方解石;Col-鈮鐵礦;Dol-白云石;Fgu-褐釔鈮礦;Irt-鈮鐵金紅石;Mag-磁鐵礦;Mnz-獨(dú)居石;Fl-螢石Fig.4 Typical mineral symbiotic associations in disseminated ore (a), banded ore (b), and massive ore (c) from Bayan OboDifferent colors represent different mineral species. Aeg-aegirine; Ap-apatite; Bast-bastnaesite; Brt-baryte; Cal-calcite; Col-columbite; Dol-dolomite; Fgu-yttrium niobite; Irt-ferroniobium rutile; Mag-magnetite; Mnz-monazite; Fl-fluorite

3.1 礦物共生組合

白云鄂博礦床的礦物組成極其復(fù)雜,據(jù)前人統(tǒng)計(jì),在礦床內(nèi)已發(fā)現(xiàn)并命名的礦物達(dá)190余種(中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988; Fanetal., 2016)。目前廣泛使用的礦石種類表述均來源于中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所(1988),該分類根據(jù)礦石礦物的產(chǎn)狀、礦物共生組合以及礦山生產(chǎn)需求將礦區(qū)內(nèi)的礦石劃分為9種類型,如塊狀鈮-稀土-鐵礦石、條帶狀鈮-稀土-鐵礦石、霓石型鈮-稀土礦石等。但它主要是為了滿足礦床的勘查、開采及選礦需求,并沒有從礦床成因的角度劃分。Smithetal.(2000, 2015)將成礦過程劃分為6個(gè)階段,分別為賦礦白云巖、浸染狀獨(dú)居石礦化、條帶狀礦化、霓石型和脈狀礦化、螢石型礦化和重晶石礦化。但是霓石、螢石、重晶石及磷灰石為貫通性礦物,因此不能用這類礦物來劃分階段。而且該分類沒有對(duì)不同階段含鈮礦物的共生情況及種類進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。

依據(jù)不同類型巖石及礦石的野外產(chǎn)狀、切割關(guān)系、蝕變程度以及礦物共生組合特征,我們將白云鄂博成巖、成礦過程劃分為3個(gè)主要階段:代表碳酸巖漿階段的浸染狀礦石、代表巖漿熱液階段的條帶狀礦石、代表熱液階段的塊狀礦石。

3.1.1 浸染狀礦石礦物共生組合

浸染狀礦石中稀土礦物主要為獨(dú)居石和氟碳鈰礦,也含有極少量的氟碳鈣鈰礦、氟碳鋇鈰礦、黃河礦。稀土礦物總含量最低為1.68%,最高可達(dá)5.73%。獨(dú)居石通常與螢石共生,而稀土氟碳酸鹽礦物常與磷灰石共生。含鈮礦物以鈮鈣礦、褐釔鈮礦及鈮鐵金紅石為主,但較低的含量使得不足以形成有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的鈮資源。浸染狀礦石可分為稀土-鈮礦石和稀土-鈮-鐵礦石,兩者稀土礦物種類存在差異。前者以獨(dú)居石為主,含極少量稀土氟碳酸鹽礦物,均以粒狀集合體浸染狀分布于白云石粒間;但后者以稀土氟碳酸鹽礦物為主,這種礦化特征表明稀土氟碳酸鹽礦化過程中可能伴隨著大規(guī)模鐵礦化(Sheetal., 2021)。

3.1.2 條帶狀礦石礦物共生組合

條帶狀礦石中稀土礦物主要為氟碳鈰礦和獨(dú)居石,也含有少量的氟碳鈣鈰礦和氟碳鋇鈰礦。樣品中稀土礦物含量最低為10.55%,最高可達(dá)47.58%,分布極不均勻。氟碳酸鹽礦物和獨(dú)居石在內(nèi)的稀土礦物普遍與磷灰石、重晶石、螢石、霓石等存在密切共生關(guān)系,但前者通常傾向與磷灰石和重晶石共生,后者則傾向表現(xiàn)為與螢石和霓石共生。含鈮礦物最高含量為1.53%,分布極不均勻。含鈮礦物以包頭礦、褐釔鈮礦、鈮鐵礦及燒綠石為主,含少量含鈮金紅石和鈮鈣礦。在該階段稀土礦化和鈮礦化程度均達(dá)到最強(qiáng),形成了白云鄂博礦床最富集的稀土礦石和鈮礦石。

3.1.3 塊狀礦石礦物共生組合

塊狀礦石中稀土礦物主要為黃河礦和氟碳鈰礦,也含有少量的氟碳鈣鈰礦和獨(dú)居石。稀土礦物含量最高為7.17%,礦化程度遠(yuǎn)低于條帶狀礦石。含鈮礦物最高含量?jī)H為0.35%,含鈮礦物表現(xiàn)出與條帶狀礦石一致的不均勻分布特征。該階段包括氟碳酸鹽礦物和獨(dú)居石在內(nèi)的稀土礦物普遍與磷灰石、重晶石、霓石等存在密切共生關(guān)系,但前者通常與磷灰石和重晶石共生,后者通常與霓石共生。稀土礦物所表現(xiàn)出的這些特征與條帶狀礦石相一致。含鈮礦物以含鈮金紅石和燒綠石為主,含少量褐釔鈮礦和鈮鈣礦。除含鈮金紅石與鈦鐵礦存在明顯共生關(guān)系外,含鈮礦物通常以星點(diǎn)狀分布在礦石中。在該階段稀土礦化和鈮礦化程度相對(duì)條帶狀礦化較弱,但鐵礦化程度變高,形成了白云鄂博礦床最富集的鐵礦石。

3.2 賦礦白云巖的地球化學(xué)特征

表2 白云鄂博REE-Nb-Fe礦床賦礦白云巖、不同類型礦石和板巖的主量元素結(jié)果匯總表(wt%)

表3 白云鄂博REE-Nb-Fe礦床賦礦白云巖、不同類型礦石和板巖的稀土元素、釔和鈮元素分析結(jié)果匯總表(×10-6)

圖5 白云鄂博REE-Nb-Fe礦床板巖(a)、不同類型礦石(b)和賦礦白云巖(c)的主量元素箱式投圖Fig.5 Major elements box plots of the slates (a), different types of ore (b) and ore-bearing dolomite (c) from the Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit

圖6 白云鄂博REE-Nb-Fe礦床賦礦白云巖、不同類型礦石和富鉀板巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)及輕稀土-重稀土相關(guān)關(guān)系圖(b)Fig.6 Chondrite-normalized rare earth elements pattens (a, normalization values after Sun and McDonough, 1989) and correlation diagram of LREE vs. HREE (b) of the ore-bearing dolomite, different types of ore and slates from the Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit

3.3 稀土-鈮-鐵礦石的地球化學(xué)特征

3.3.1 浸染狀白云石型稀土-鈮礦石

相比于賦礦白云巖,浸染狀白云石型稀土-鈮礦石的全鐵含量(中值:14.0%)和F含量(3.35%)顯著提高,但TiO2(0.10%)及MgO(11.1%)含量降低。Al2O3、K2O、Na2O、P2O5、SiO2、MnO和CaO含量變化較小,對(duì)應(yīng)元素的含量中值分別為0.01%、0.02%、0.08%、0.52%、0.79%、1.51%和25.9%。該階段稀土礦化程度顯著提高(∑REE:22160×10-6),并且以輕稀土元素為主(∑LREE:21950×10-6)。輕重稀土元素發(fā)生顯著分餾(LREE/HREE=123),呈現(xiàn)典型的右傾式稀土配分模式。Y和Nb含量變化不大,平均值分別為117×10-6和223×10-6。

3.3.2 條帶狀稀土-鈮-鐵礦石

條帶狀稀土-鈮-鐵礦石為白云鄂博稀土礦化和鈮礦化程度最高的礦石類型,兩者含量均值分別為46900×10-6和630×10-6(42件樣品均值)。稀土元素總量以輕稀土元素占主導(dǎo)(∑LREE:46560×10-6),輕、重稀土元素分餾進(jìn)一步提高,表現(xiàn)為右傾式稀土元素配分模式(LREE/HREE=142)。相比于白云石型稀土-鈮礦石,該類礦石的SiO2(7.13%)、全鐵含量(33.6%)、P2O5(1.41%)、F(7.45%)、Y(204×10-6)和Nb(630×10-6)含量變高,而MnO(0.23%)、MgO(0.71%)和CaO(16.2%)含量降低,K2O(0.09%)、Al2O3(0.18%)、TiO2(0.31%)、Na2O(0.48%)含量變化不大。

3.3.3 塊狀稀土-鈮-鐵礦石

塊狀稀土-鈮-鐵礦石是白云鄂博礦床鐵礦化程度最高的一類礦石,全鐵含量為59.0%,但稀土(均值40850×10-6)和鈮(均值490×10-6)礦化程度降低。同樣,該類礦石的稀土元素也以輕稀土為主(均值40500×10-6),輕重稀土元素分餾程度升高(LREE/HREE=148),表現(xiàn)為典型右傾式的稀土配分模式。相比于條帶狀礦石,塊狀礦石具有較低的SiO2(4.7%)、TiO2(0.18%)、CaO(10.5%)、Na2O(0.28%)和較高的MnO(0.59%)、MgO(1.3%)、P2O5(2.2%)含量,K2O(0.13%)、Al2O3(0.11%)和Y(245×10-6)含量變化不大。

3.4 富鉀板巖的地球化學(xué)特征

富鉀板巖是與賦礦白云巖直接接觸的圍巖,總體主量元素成分變化大。富鉀板巖SiO2的含量波動(dòng)大,變化范圍為22.2%～81.7%,平均值為53.4±11.5%(n=59),中位值為54.2%。Al2O3含量同樣波動(dòng)大,變化范圍為3.6%～27.7%,平均值為14.3±4.5%(n=59),中位值為14.4%。K2O的含量總體比CaO(2.7±3.2%)和Na2O(1.6±1.7%)含量高,平均值為8.0±1.1%,變化范圍為1.1%～14.9%。其他主量元素如TiO2、MnO、P2O5等的含量小于1.0%。值得注意是F的含量較高,變化范圍為0.1%～3.9%。富鉀板巖稀土元素配分模式同樣表現(xiàn)為右傾,但輕重稀土分異程度小于賦礦白云巖和稀土-鈮-鐵礦石。

4 討論

4.1 白云鄂博礦物生成世代與蝕變礦化過程

白云鄂博稀土-鈮-鐵礦床的成巖、成礦過程主要發(fā)生在中元古代,包括巖漿過程、巖漿-熱液過程和熱液過程,礦床在早古生代還經(jīng)歷了強(qiáng)烈的疊加改造并形成大量脈狀礦化(Sheetal., 2021)。依據(jù)礦物共生組合分析結(jié)果,作者認(rèn)為白云鄂博礦床在～1.3Ga碳酸巖漿侵入到白云鄂博群地層之后,鎂菱鐵礦、鐵礦白云石、白云石等碳酸鹽礦物便開始結(jié)晶,同時(shí)局部也結(jié)晶了極少量的磷灰石及磁鐵礦,形成礦區(qū)典型未礦化的粗粒白云巖(Yangetal., 2019)。隨后,大量細(xì)粒白云石和磷灰石結(jié)晶,以獨(dú)居石為主的稀土礦物伴隨重晶石、磁鐵礦及含鈮金紅石在白云石顆粒間填充,形成細(xì)粒白云巖及浸染狀礦化,以稀土氟碳酸鹽礦物為主的稀土礦物廣泛分布在白云石與螢石礦物間隙。

隨著碳酸巖漿演化到巖漿-熱液階段,包括圍巖及碳酸巖本身均遭受巖漿熱液的交代蝕變,發(fā)生強(qiáng)烈的霓長(zhǎng)巖化作用。霓長(zhǎng)巖化作用是碳酸巖漿熱液對(duì)圍巖發(fā)生的堿性蝕變過程。碳酸巖熔體分異的流體與不同的圍巖發(fā)生交代反應(yīng),在白云鄂博群長(zhǎng)英質(zhì)碎屑巖中形成堿性硅酸鹽礦物(如霓石、鈉閃石)及磁鐵礦,同時(shí)在白云巖中沉淀螢石、獨(dú)居石、氟碳酸鹽、磷灰石、燒綠石和磁鐵礦等(Liuetal., 2020)。在主礦、東礦乃至西礦內(nèi)部廣泛發(fā)育有東西向的霓長(zhǎng)巖化帶。條帶狀構(gòu)造主要由定向排列的氟碳鈰礦、螢石、獨(dú)居石、磷灰石、磁鐵礦、白云石、鈉閃石等礦物的集合體組成。條帶狀礦石富含螢石,是氟化蝕變最強(qiáng)烈時(shí)期生成的礦石類型。條帶狀礦石的稀土氧化物品位高達(dá)10%,是稀土礦化最強(qiáng)烈的礦石類型(Liuetal., 2020)。

隨著巖漿-熱液演化到熱液階段,圍巖蝕變程度進(jìn)一步增強(qiáng),熱液礦物由最早的空隙填充變?yōu)榈V石的主要組成礦物,相應(yīng)的礦石類型有富鈉閃石塊狀礦石和富霓石塊狀礦石。堿性蝕變的典型礦物,霓石和鈉閃石,及與之對(duì)應(yīng)鐵礦化程度在塊狀礦化階段也達(dá)到最強(qiáng)(Liuetal., 2020)。

隨著碳酸巖漿及其分異流體的持續(xù)演化,不同種類稀土礦物結(jié)晶的先后順序存在較大差異,從巖漿-熱液階段的磷酸鹽礦物,過渡到熱液階段的氟碳酸鹽礦物,最后變?yōu)槊}狀礦化階段的含Ba氟碳酸鹽礦物。稀土氟碳酸鹽和獨(dú)居石通常與磷灰石、重晶石、螢石和霓石共生,但前者傾向與磷灰石和重晶石共生,而后者則與螢石和霓石共生。稀土及鈮礦化在各礦化階段富集程度的一致性表明兩者在碳酸巖漿及熱液活動(dòng)中具有相似的運(yùn)移方式,但礦物學(xué)特征所表現(xiàn)出的明顯差異暗示兩者的沉淀應(yīng)該受控于不同機(jī)制。中元古代成礦事件是碳酸巖漿系統(tǒng)發(fā)生自交代及與圍巖發(fā)生霓長(zhǎng)巖化作用的產(chǎn)物,并且不同階段具有明顯的連續(xù)性。而脈狀礦化是古生代時(shí)期俯沖板片脫水流體對(duì)早期成礦物質(zhì)溶解、均一化以及再沉淀的產(chǎn)物。

4.2 白云鄂博礦床礦化和蝕變?cè)胤植继卣?/h3>

火成碳酸巖是全球輕稀土礦床最主要的成礦巖石(Jonesetal., 2013; Anenburgetal., 2020),但全球僅有10%的碳酸巖伴生有稀土礦化(Simandl and Paradis, 2018)。隨著碳酸質(zhì)巖漿演化,輕稀土元素不斷富集(Yangetal., 2019)。

白云鄂博稀土礦床不僅富含大量的輕稀土資源,其中、重稀土的總量也較高。本次對(duì)白云鄂博主礦、東礦開展的元素地球化學(xué)分析,結(jié)果表明主采坑比東采坑具有更高的稀土含量,礦體由外圍向中心、由淺部向深部有明顯的富集現(xiàn)象,而中、重稀土元素的深部富集現(xiàn)象更為明顯,表明礦體深部具有更大的中、重稀土資源找礦潛力(圖7)。

圖7 白云鄂博主礦、東礦輕稀土、中稀土、重稀土和釔元素含量分布圖圖中曲線均代表含量等值線,粗線條為高值異常區(qū),圖9、圖10同F(xiàn)ig.7 Distribution maps of LREE, MREE, HREE and Y element content in Bayan Obo Main Orebody and East OrebodyAll the curves in the figure represent the contour lines of the content, while the thick lines represent areas of high value anomalies. Figures 9 and 10 are the same

白云鄂博礦床中、重稀土元素主要富集在塊狀螢石型及霓石型礦石中,在條帶狀礦石中也有分布。塊狀螢石型礦石主要組成礦物為螢石、磁鐵礦、稀土礦物、磷灰石以及少量霓石、閃石及云母,中、重稀土平均含量為1595×10-6,最高可達(dá)2295×10-6。塊狀霓石型礦石主要組成礦物為霓石、磁鐵礦、稀土礦物以及少量螢石、閃石、磷灰石、石英,中、重稀土平均含量為1815×10-6,最高可達(dá)3701×10-6。白云鄂博不同類型礦石輕、重稀土元素的含量呈明顯的線性正相關(guān)(圖6),沒有發(fā)生明顯的輕、重稀土元素分餾。

聚類分析結(jié)果表明(圖8),輕、重稀土元素緊密伴生,主要以磷酸鹽礦物的形式存在。螢石化同樣與稀土礦化關(guān)系密切,REE含量分布與F元素分布高度重合(圖9c),稀土氟碳酸鹽是主要的富稀土元素礦物,這表明F是重要的沉淀成礦元素,也暗示F對(duì)于成礦的關(guān)鍵作用及其含量作為找礦標(biāo)志的潛力。

圖8 白云鄂博不同類型礦石中主量和稀土、微量元素聚類關(guān)系圖Fig.8 Cluster relationship of major, rare earth and trace elements in different types of ores in Bayan Obo deposit

圖9 白云鄂博主礦、東礦氟、鈉、鉀和磷元素含量分布圖Fig.9 Distribution maps of fluorine, sodium, potassium and phosphorus element content in Bayan Obo Main Orebody and East Orebody

富堿(Na、K)熱液蝕變是全球大多數(shù)碳酸巖的重要特征(Mitchell, 2015)。富碳酸質(zhì)熔體在源區(qū)經(jīng)部分熔融形成后,無論是經(jīng)歷結(jié)晶分異還是不混融作用,都會(huì)導(dǎo)致稀土和堿性組分在熔體中進(jìn)一步富集。當(dāng)碳酸巖在淺層侵位后殘余富K、Na流體與硅質(zhì)圍巖發(fā)生霓長(zhǎng)巖化作用,促使稀土元素的大量沉淀。目前幾乎所有的成礦碳酸巖均伴隨強(qiáng)烈的霓長(zhǎng)巖化作用。由于殘余的富堿流體具有低粘度特征,其可在多孔隙圍巖中滲透數(shù)千米,形成寬廣的霓長(zhǎng)巖化帶。白云鄂博稀土-鈮-鐵礦床的熱液蝕變和礦物組合特征前人已有詳細(xì)的研究(Chaoetal., 1992; Lingetal., 2013; Smithetal., 2015; Liuetal., 2020; Sheetal., 2021)。

本次系統(tǒng)的成礦地球化學(xué)研究表明,白云鄂博主礦、東礦區(qū)的霓長(zhǎng)巖化作用十分強(qiáng)烈,是成礦流體的活動(dòng)中心。Na元素分布中心靠近霓長(zhǎng)巖化礦體及下盤賦礦白云巖內(nèi),表明鈉化蝕變是白云鄂博礦床的主要蝕變類型,與礦體富含霓石、鈉閃石等蝕變礦物的特征相符,代表了早期高溫蝕變過程。白云鄂博主礦、東礦區(qū)K元素富集中心主要位于礦體上盤的云母巖和富鉀板巖內(nèi),代表了晚期低溫蝕變過程。造成這種蝕變分帶特征的原因一方面可能是K元素相比于其他堿金屬元素更為活潑更易遷移,在碳酸質(zhì)巖漿侵位過程中可以有更大的遷移距離;另一方面,巖漿熱液的活動(dòng)可以使圍巖板巖中原有的K元素再活化并隨流體向淺部遷移。白云鄂博的K、Na蝕變分帶特征與世界其他地區(qū)的碳酸巖類似,例如位于加拿大的Wicheeda碳酸巖體,其鉀化蝕變主要發(fā)育在雜巖體的中心淺部,而鈉化蝕變則是在雜巖體的外圍深部出現(xiàn)(Trofanenkoetal., 2016)。模擬計(jì)算結(jié)果表明,溫度升高會(huì)促使鈉長(zhǎng)石穩(wěn)定域范圍擴(kuò)大,而鉀長(zhǎng)石穩(wěn)定域會(huì)相應(yīng)的減小,因此鈉長(zhǎng)石的高溫穩(wěn)定性要明顯強(qiáng)于鉀長(zhǎng)石(Trofanenkoetal., 2016),碳酸巖體早期發(fā)育鈉化蝕變?yōu)橹?而晚期發(fā)育鉀化蝕變?yōu)橹鳌?/p>

總體而言,特征蝕變?cè)豄、Na(圖9a, b)的異常要明顯超過稀土-鐵礦體的分布范圍,在礦體外圍存在多個(gè)異常中心,尤其是鉀化蝕變主要發(fā)育在礦體的上部。綜合元素地球化學(xué)的分析結(jié)果,鉀化、螢石化及P的異常是碳酸巖型稀土礦最主要的淺部找礦指標(biāo)。

4.3 白云鄂博中、重稀土和Nb資源綜合利用潛力

成礦元素組成分析結(jié)果表明,Nb元素的富集中心主要出現(xiàn)在主礦體中部及北側(cè)和西側(cè),這與中、重稀土元素異常中心相吻合(圖7、圖10a),而略偏移于輕稀土礦化中心,這暗示兩類元素雖然在礦床尺度可以伴生成礦,但在礦石尺度因其具有不同的元素性質(zhì)而具有不同的礦物組成和沉淀?xiàng)l件?；阽R下礦物組合觀察,稀土元素的結(jié)晶礦物主要為磷酸鹽和氟碳酸鹽,這些礦物中以富集輕稀土元素為特征,而Nb元素主要以富含重稀土元素(Y)的氧化物形式沉淀,如褐釔鈮礦、鈮釔礦、易解石、鈮鐵礦、鈮鈣礦、燒綠石等,其中褐釔鈮礦(∑HREE=33.8%～36.2%)、鈮釔礦(∑HREE=14.9%～28.6%)、易解石(∑HREE=3.38%～4.69%)等富鈮礦物中的中、重稀土含量就非常高(Zhanetal., 2023),相比于輕稀土元素,中、重稀土和Nb元素具有更為密切的共生關(guān)系,因此白云鄂博礦床具備Nb與中、重稀土資源綜合利用的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖10 白云鄂博主礦、東礦鈮、釷、鋇和鐵元素含量分布圖Fig.10 Distribution maps of niobium, thorium, barium and iron element content in the Bayan Obo Main Orebody and East Orebody

作者對(duì)白云鄂博現(xiàn)行選礦流程的中、重稀土元素分布及走向進(jìn)行了考查,結(jié)果顯示中、重稀土元素在選鐵過程中,有96.4%進(jìn)入選鐵尾礦,中、重稀土品位由原礦中0.24%提高到0.31%;選鐵尾礦進(jìn)一步分選稀土獲得稀土精礦,中重稀土元素回收率54.1%,品位提高到1.2%;之后有42.4%中、重稀土元素進(jìn)入到稀選尾礦,最后由稀選尾礦分選Nb,而這部分稀選尾礦中的主要礦物組成正是前文提到的富鈮、富中重稀土的氧化物,應(yīng)作為主要的Nb和中、重稀土元素資源進(jìn)行綜合利用。

5 結(jié)論

白云鄂博礦床形成于中元古代大陸裂谷背景。白云鄂博礦床的賦礦白云巖為幔源巖漿成因。碳酸巖漿熱液與圍巖的霓長(zhǎng)巖化作用過程促進(jìn)了稀土的再次富集。早古生代古亞洲洋閉合過程中俯沖帶流體的疊加造成稀土的活化遷移。碳酸巖漿階段浸染狀礦化稀土和鈮總量相對(duì)較低,稀土礦物主要為獨(dú)居石和氟碳鈰礦。巖漿-熱液階段條帶狀礦化稀土和鈮含量顯著增加,為礦化最為強(qiáng)烈階段,稀土礦物主要為氟碳鈰礦和獨(dú)居石。熱液階段塊狀礦化稀土和鈮礦化程度減弱,稀土礦物主要為黃河礦和氟碳鈰礦,該階段形成了白云鄂博最富集的鐵礦石。

白云鄂博主采坑比東采坑具有更高的稀土含量,礦體由外圍向中心、由淺部向深部有明顯的重稀土富集的現(xiàn)象。成礦元素Nb的異常范圍與HREE的異常范圍相吻合,表明二者具有密切的共生關(guān)系,白云鄂博現(xiàn)行選礦工藝在稀選尾礦中富集了大量的Nb和HREE元素,具有相當(dāng)高的綜合利用價(jià)值。蝕變?cè)谾的異常范圍與稀土-鈮-鐵礦體的分布范圍相一致,是重要的沉淀成礦元素。蝕變?cè)豍的異常要明顯超過稀土-鈮-鐵礦體的分布范圍,是重要的遷移載體元素。鈉化蝕變主要出現(xiàn)在礦體下盤含稀土白云巖中,代表早期高溫蝕變過程。鉀化蝕變主要發(fā)育在礦體上盤的富鉀板巖中,代表晚期低溫蝕變過程。鉀化、螢石化及磷的異常是碳酸巖型稀土礦床最主要的淺部和外圍示礦指標(biāo)。

致謝野外工作得到包頭鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司白云鄂博鐵礦和巴潤礦業(yè)有限責(zé)任公司的大力支持;楊曉勇教授及匿名評(píng)審人提出的寶貴意見使論文質(zhì)量有了明顯提升;在此一并表示衷心的感謝!