科學家揭開白雲鄂博稀土富集之謎

中科院之聲 發佈 2020-01-02T08:06:06+00:00

自丁道衡先生1927年首次在白雲鄂博發現鐵礦體,何作霖先生1935年在鐵礦體中發現稀土礦物以來,世界各地的科研人員對白雲鄂博地區進行了多方面綜合研究,取得了大量重要成果。

白雲鄂博稀土-鈮-鐵礦床的稀土資源量位居全球首位。自丁道衡先生1927年首次在白雲鄂博發現鐵礦體,何作霖先生1935年在鐵礦體中發現稀土礦物以來,世界各地的科研人員對白雲鄂博地區進行了多方面綜合研究,取得了大量重要成果。但由於白雲鄂博礦床具有十分複雜的元素及礦物組成,又經歷了多期地質事件的疊加改造,有關含礦白雲岩的成因問題一直以來就存在非常大的爭議,而巨量稀土元素的富集機理仍是未解之謎。岩漿碳酸岩是全球稀土礦床最主要的成礦岩石。白雲鄂博地區發育大量的岩漿碳酸岩脈,晚期鈣質碳酸岩脈中的稀土氧化物含量甚至超過20%。碳酸岩漿強烈分異演化過程中的稀土富集機理是解決白雲鄂博謎題的突破口。

中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究重點實驗室副研究員楊奎鋒和研究員范宏瑞等,對白雲鄂博地區粗粒含礦白雲岩中的磷灰石進行原位Sr-Nd-O同位素分析。磷灰石的O同位素組成與地幔來源碳酸岩一致,Sr-Nd同位素組成與碳酸岩脈相近,磷灰石的Sm-Nd等時線年齡也與鈣質碳酸岩脈中獨居石的Th-Pb年齡相符(圖1)。結合粗粒白雲岩的主量元素組成,以及磷灰石中共生的自形燒綠石礦物包裹體和球狀初始碳酸鹽岩包裹體,可以確定粗粒含礦白雲岩為鎂質岩漿碳酸岩。

白雲鄂博地區的岩漿碳酸岩包括鐵質、鎂質、鈣質三種類型,依據不同類型碳酸岩脈間的穿插關係、碳酸岩脈的似斑狀結構,以及碳酸岩脈狀中白雲石、方解石礦物的核邊結構,可以判斷,碳酸岩具有從鐵質,到鎂質,再到鈣質的演化趨勢。伴隨碳酸岩漿由早期的鐵質向晚期的鈣質逐步演化,其稀土元素含量,尤其是輕稀土元素含量呈明顯的富集趨勢。而且,碳酸岩脈的全鐵與稀土含量呈明顯的負相關關係,碳酸岩脈中白雲石和方解石礦物的核部更富鐵,而邊部更富稀土(圖2)。鐵質在碳酸岩漿分異演化中的逐步分離很有可能是造成稀土元素在晚期岩漿中富集的關鍵控制因素。

那麼是什麼因素促使碳酸岩漿發生強烈分異演化的呢?細粒白雲石中早期發育的大量共生球形赤鐵礦和初始碳酸鹽岩捕擄體表明,鐵礦漿與碳酸岩漿的不混熔作用很有可能是造成鐵質碳酸岩向鎂質碳酸岩演化的重要控制因素。鐵質碳酸岩中磁鐵礦的分離結晶作用進一步促進碳酸岩漿向富鎂的方向演化。赤鐵礦與磁鐵礦均具有較低的稀土元素含量,赤鐵礦的不混熔及磁鐵礦的分離結晶使殘餘碳酸岩漿中的稀土元素髮生初步富集。早期熔離的鐵礦漿也為白雲鄂博的鐵礦化提供了大量成礦物質。隨後,富鎂白雲石的分離結晶又造成鎂質碳酸岩漿向鈣質碳酸岩漿演化,方解石通常出現在似斑狀鎂質碳酸岩的基質中,充填白雲石晶體間隙生長,而且晚期結晶的方解石礦物具有更高的鍶和稀土含量,均是分離結晶作用的結果。殘餘碳酸岩漿與圍岩發生強烈的霓長岩化作用,進一步消耗碳酸岩中的鐵、鎂元素,造成鎂質碳酸岩最終向鈣質碳酸岩演化以及稀土元素的強烈富集(圖3)。

全球共發育527處岩漿碳酸岩,其中僅有5%為鐵質碳酸岩,而白雲鄂博是少有的能夠從鐵質碳酸岩演化到鈣質碳酸岩的實例。強烈的碳酸岩漿分異演化過程是白雲鄂博巨量稀土元素富集的關鍵控制因素。

研究成果發表於Geology

圖1 白雲鄂博粗粒白雲岩磷灰石原位Sr-Nd-O同位素組成及鈣質碳酸岩獨居石Th-Pb年齡

圖2 白雲鄂博碳酸岩脈及碳酸岩脈中白雲石、方解石礦物的鐵及稀土含量關係圖

圖3 白雲鄂博碳酸岩漿演化與稀土富集過程模式圖

來源:中國科學院地質與地球物理研究所

關鍵字: