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楊奎鋒等-Geology:碳酸巖漿強烈分異演化——揭開白云鄂博巨量稀土富集之謎
2019-12-05 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  白云鄂博稀土--鐵礦床的稀土資源量位居全球首位。自丁道衡先生1927年首次在白云鄂博發現鐵礦體,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云鄂博地區進行了多方面綜合研究,取得了大量重要成果。但由于白云鄂博礦床具有十分復雜的元素及礦物組成,又經歷了多期地質事件的疊加改造,有關含礦白云巖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。巖漿碳酸巖是全球稀土礦床最主要的成礦巖石。白云鄂博地區發育大量的巖漿碳酸巖脈,晚期鈣質碳酸巖脈中的稀土氧化物含量甚至超過20%。碳酸巖漿強烈分異演化過程中的稀土富集機理是解決白云鄂博謎題的突破口。 

  中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究院重點實驗室楊奎鋒副研究員和范宏瑞研究員等,對白云鄂博地區粗粒含礦白云巖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巖一致,Sr-Nd同位素組成與碳酸巖脈相近,磷灰石的Sm-Nd等時線年齡也與鈣質碳酸巖脈中獨居石的Th-Pb年齡相符(圖1)。結合粗粒白云巖的主量元素組成,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巖包裹體,可以確定粗粒含礦白云巖為鎂質巖漿碳酸巖。 

1 白云鄂博粗粒白云巖磷灰石原位Sr-Nd-O同位素組成及鈣質碳酸巖獨居石Th-Pb年齡

  白云鄂博地區的巖漿碳酸巖包括鐵質、鎂質、鈣質三種類型,依據不同類型碳酸巖脈間的穿插關系、碳酸巖脈的似斑狀結構,以及碳酸巖脈狀中白云石、方解石礦物的核邊結構,可以判斷,碳酸巖具有從鐵質,到鎂質,再到鈣質的演化趨勢。伴隨碳酸巖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,碳酸巖脈的全鐵與稀土含量呈明顯的負相關關系,碳酸巖脈中白云石和方解石礦物的核部更富鐵,而邊部更富稀土(圖2)。鐵質在碳酸巖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巖漿中富集的關鍵控制因素。 

2 白云鄂博碳酸巖脈及碳酸巖脈中白云石、方解石礦物的鐵及稀土含量關系圖

  那么是什么因素促使碳酸巖漿發生強烈分異演化的呢?細粒白云石中早期發育的大量共生球形赤鐵礦和初始碳酸鹽巖捕擄體表明,鐵礦漿與碳酸巖漿的不混熔作用很有可能是造成鐵質碳酸巖向鎂質碳酸巖演化的重要控制因素。鐵質碳酸巖中磁鐵礦的分離結晶作用進一步促進碳酸巖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余碳酸巖漿中的稀土元素發生初步富集。早期熔離的鐵礦漿也為白云鄂博的鐵礦化提供了大量成礦物質。隨后,富鎂白云石的分離結晶又造成鎂質碳酸巖漿向鈣質碳酸巖漿演化,方解石通常出現在似斑狀鎂質碳酸巖的基質中,充填白云石晶體間隙生長,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。殘余碳酸巖漿與圍巖發生強烈的霓長巖化作用,進一步消耗碳酸巖中的鐵、鎂元素,造成鎂質碳酸巖最終向鈣質碳酸巖演化以及稀土元素的強烈富集(圖3)。 

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

3 白云鄂博碳酸巖漿演化與稀土富集過程模式圖    

  研究成果發表于Geology。(Yang K F*, Fan H R*, Pirajno F, Li X C. The Bayan Obo (China) giant REE accumulation conundrum elucidated by intense magmatic differentiation of carbonatite[J]. Geology, 2019, 47:1198–1202. DOI: 10.1130/G46674.1)(原文鏈接

 
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