新矿物——白云鄂博矿

白云鄂博矿产于内蒙古白云鄂博稀土铁铌矿床中,它是一种钠钡铈稀土氟碳酸盐新矿物——NaBaCe_2[F|(CO_3)_4]。作者对其进行了基础矿物学、矿物谱学、X射线晶体学研究及精确的成分测定,获得了详细的矿物学实验数据及晶体结构基本参数,并对该矿物进行X射线晶体结构精测。此外,作者对其作了高分辨电镜研究,拍摄了该矿物的结构象,肯定其X射线晶体结构的分析结果。综合上述实验资料,与类似矿物对比,作者确认白云鄂博矿为一新矿物。     

白云鄂博碳酸岩中矿物的次生反应边结构

在白云鄂博粗粒方解石碳酸岩中,发现了三种围绕硅酸盐矿物的次生反应边结构:1)在方解石中的石英被磷硅钙铈矿反应边环绕与方解石分隔开;2)在方解石中的碱性闪石被磷硅钙铈矿反应边环绕与方解石分隔开;3)方解石中的榍石被硅钛铈矿反应边环绕与方解石分隔开。这种情况表明,在后期阶段该区有富稀土的流体活动,该流体沿石英或硅酸盐矿物与方解石矿物颗粒接触边缘进行交代,生成了次生稀土矿物的反应边环带。这进一步表明,白云鄂博矿床稀土的富集至少与一期富稀土流体的交代作用有关。流体除含REE外,还含有铁和钠,该种流体的成分与以往有关白云鄂博矿床流体研究所得的成分结论是完全一致的。     

白云鄂博矿床成因——矿体内霓长岩化成矿作用与赋矿白云岩的联系

通过对组成赋矿白云岩的白云石矿物系统的显微结构和化学成分的研究表明,赋矿白云岩是碳酸岩质次火山岩,因此白云鄂博矿床是与火成碳酸岩有关的矿床。赋矿白云岩属于镁质碳酸岩(MgOFeO+MnO)和铁质碳酸岩(MgOFeO+MnO)系列,FeO、MnO和SrO含量高,这与FeO、MnO和SrO含量很低的沉积碳酸岩完全不同。赋矿白云岩的这一特点还表明它来自经历过分异结晶后的白云质碳酸岩浆而不是初始白云质碳酸岩浆。赋矿白云岩复杂的矿物组合表明,其母岩浆是富含F、Cl、P和S这些挥发分以及REE,Na、K和Fe这些元素的。在碳酸岩浆上升和侵位的过程中由于温度压力的降低,碳酸岩浆释放的含上述组分的流体会向上部地壳集中并对其接触的围岩进行交代,这就形成了矿体内呈不对称带状分布的霓长岩化矿石带。在大量的萤石和稀土氟碳酸盐矿物形成以后(其对应于萤石-稀土条带状矿石),流体的成分仍相对富钠和CO_2,钠可以和围岩中的硅结合形成钠辉石,流体较高的比值,有利于稀土的富集,此时形成的钠辉石型矿石的稀土含量是相当高的,仅次于条带状矿石。随着流体继续迁移和交代,流体中CO_2浓度下降而H_2O含量增加,温度也有所下降,但是流体中的钠依然活跃,所以出现了含有结构水的钠闪石,形成了钠闪石型矿石。流体中H_2O的增加,比值的下降,不利于稀土的大量富集,因此,钠闪石型矿石的稀土含量明显低于钠辉石型矿石。这说明,从碳酸岩浆中外逸的流体,在迁移交代围岩的过程中其成分、温度和氧逸度都是有变化的。从初期富CO_2,温度和氧逸度较高,到后期富H_2O,温度和氧逸度都有所降低。不同矿石类型的形成与这种变化有直接的关系。不同矿石类型中的磁铁矿的生成方式虽然不同于白云岩中的磁铁矿,但前者的氧同位素继承了后者的特点,表明了它们的亲缘关系和成因上的联系。稀土分布型式表明,不同矿石类型的稀土分布型式与赋矿白云岩的大体一致,有明显的LREE富集和明显的HREE亏损,且总稀土含量越高,轻重稀土分离程度越高。但是,不同矿石类型在轻稀土含量上有一定程度的差别,表明在霓长岩化过程中轻稀土活动性更强。总之,氟、钠和铁的交代作用在主东矿最强,稀土、铌和铁资源也最为富集,这里的白云岩厚度也最大,表明白云鄂博矿的霓长岩化成矿作用与赋矿白云岩衍生的流体的大量聚集以及流体对围岩广泛强烈的交代作用直接相关。     

白云鄂博矿的晶体结构

在矿物学研究的基础上,对白云鄂博矿进行了X射线晶体结构测定。经四圆衍射仪精测了该矿物的晶胞参数,收集和处理其衍射强度数据。用帕特逊函数法给出Ba、Ce原子的粗略位置,在对其精修后,用差值电子密度函数法求得Na、F及CO_3的坐标,最终R=0.049。本文对其晶体结构特征作了详细研究,依此满意地解释了该矿物的主要物性、光性和红外光谱特征。     

白云鄂博西矿火山岩岩石学特征

自1927年丁道衡教授发现白云鄂博铁矿迄今已近90年。该矿床不仅仅是铁矿,而成为铌-稀土多金属矿床,其中稀土储量已成为世界最大的稀土矿床。国内外许多地质专家进行了多次考察和研究。曾有人预测矿区应有火山岩存在。直到1982年笔者才在西矿发现了火山岩。这些火山岩赋存于铁矿体附近的板岩中。它们是中酸性火山岩系列。包括英安质角砾凝灰熔岩、英安质熔结角砾岩和英安岩。这些火山岩具斑状构造,基质为隐晶质凝灰构造。英安岩基质为微晶结构。长石和石英斑晶微裂隙密布,石英有很好熔蚀的港湾结构,长石发育次生边,还见到火山玻璃及其碎屑。     

地质素描——内蒙古白云鄂博矿

内蒙古白云鄂博矿闻名国内外。自1927年地质队员丁道衡等发现铁矿开始,地质科学研究不断发展。最初大胆估计储量为3400万t,现探明铁矿储量已达14亿t。目前已发现矿石中赋存有71种元素、170余种矿物。其中发现"白云矿"、"鄂博矿"等十几种新矿物。探明的稀土矿储量雄居世界榜首。     

白云鄂博超大型稀土矿床成因评述

稀土元素(Y+Sc+La-Lu)作为现代工业的“维生素”,是当今社会重要的战略资源。白云鄂博超大型REE-Nb-Fe矿床位于中国内蒙古,是世界上最大的稀土矿床。因此,该矿床的成岩成矿模式受到全球地质工作者的强烈关注,并对此进行了大量的分析研究工作。以往的工作主要集中在对H8赋矿白云岩全岩年代学和地球化学的研究上,但由于白云鄂博稀土矿床经历了后期复杂的变形变质作用,矿石的结构构造非常复杂,全岩的研究结果造成了对该矿床成岩成矿模式不同的认识和争论。近些年,随着现代地球化学分析技术的快速发展,人们可以直接对白云石和稀土矿物(如独居石、磷灰石、氟碳铈矿等)进行高精度的微区原位同位素组成和原位U-Th-Pb定年分析,从而获得能够明确指示矿物时代、成矿流体和成矿物质来源的重要证据。结合近年来的研究成果,本文总结了目前关于白云鄂博超大型稀土矿床成岩成矿模式的不同认识,提出白云鄂博矿床初始稀土成矿源于中元古代(1.3 Ga)的碳酸岩岩浆活动,后期经历了早古生代的大规模流体作用,矿床中稀土元素发生再活化、富集和沉淀,稀土矿物巨量堆积成矿的新认识。     

白云鄂博碳酸岩的方解石-白云石地质温度计

利用方解石-白云石地质温度计对白云鄂博地区碳酸岩的平衡温度进行了测定。出露于东矿下盘的白云岩质火山岩和出露于尖山的方解石-白云石型火山岩获得了较高的温度,分别为681℃和648℃。这些样品中的方解石呈二十微米左右晶形较完整的小片,被稍大粒度的白云石颗粒包裹,未受交代作用影响,推测这种碳酸岩在快速冷却的情况下保存下了其岩浆侵位时的成分特点,从而指示出接近碳酸岩浆侵位时的温度。但本区多数碳酸岩的平衡温度在400～500℃之间,有下列三种情况:(1)具有自形-半自形中粗粒粒状变晶结构的碳酸岩最后的平衡温度为415～496℃;(2)产自东矿的其余样品(火山岩),所测最后平衡温度为431～485℃,在测温的微区范围内可见极细粒白云石方解石与稀土等矿物共生的现象;(3)为交代重结晶结构的碳酸岩明显受到后期热液流体的交代,在流体的作用下共生方解石和白云石在成分上达到新的平衡,平衡温度为432～507℃。本文所分析的样品多数结果(371～507℃)与用白云石(方解石)和磁铁矿氧同位素温度计对白云鄂博碳酸岩的计算结果(360～546℃)十分一致。虽然有研究者对方解石-白云石温度计用于火成碳酸岩表示过质疑,但本文资料表明火成碳酸岩最后的平衡温度是可以运用方解石-白云石温度计法来计算的。     

白云鄂博地区碳酸岩脉侵位序列与稀土元素富集机制

白云鄂博地区发育大量的火成碳酸岩脉。按照矿物组成,碳酸岩脉可分为白云石型、白云石-方解石共存型和方解石型。野外穿插关系表明,白云石型碳酸岩脉形成得早,而方解石型碳酸岩脉形成得晚。白云鄂博地区的碳酸岩浆存在由白云石型到共存型再到方解石型的先后结晶顺序和演化趋势。碳酸岩脉的主量、稀土和微量元素组成特征表明,随着碳酸岩脉中方解石矿物组分的增加,轻稀土元素的含量呈明显富集趋势,而长期的结晶分异作用正是稀土元素,尤其是轻稀土元素在晚期岩浆中强烈富集的内在机制。     

白云鄂博REE—Fe—Nb矿床酸岩墙锆石U—Pb年龄及其地质意义

对白云鄂博稀土 -铁 -铌矿矿区一火成碳酸岩内锆石 U - Pb年龄进行了测定 ,五颗锆石测定数据点拟合直线与谐合线的上交点年龄为 2 0 70± 33Ma,表明白云鄂博矿区火成碳酸岩脉的侵入时代最早可以追溯到早元古代 ,该年龄与矿区内正长岩和英云闪长岩锆石年龄等接近 ,构成了形成于裂谷环境的白云鄂博早元古代碱性岩 -碳酸岩杂岩体     

白云鄂博稀土矿床中稀土伴生钍资源的分布特征研究

白云鄂博铌稀土矿位于华北板块北缘,白云鄂博裂谷带中,宽沟背斜南翼。矿床东西长18 km,南北宽2~3 km。白云鄂博矿矿床最早作为铁矿体于1927年被丁道衡发现;随后在1934年,何作霖教授在主矿体中发现了稀土矿产;1944年,黄春江发现了东矿和西矿。 解放后,241地质队对主矿、东矿和西矿进行详细的地质勘探工作,向国家提交了铁矿和稀土矿储量及品位。白云鄂博矿床作为国内最大的铁稀土矿床,长期以来一直作为铁矿在开采,其稀土资源的利用率也仅仅为百分之十左右,而矿床中的钍资源的利用率几乎为零。     

白云鄂博碳酸岩墙的稀土和微量元素地球化学及对其成因的启示

根据矿物组成白云鄂博矿区的碳酸岩岩可墙可分为白云石型、白云石－方解石共存型和方解石型三种类型。REE和微量元素地球化学表明，这三类碳酸岩岩墙为碳酸岩浆演化不同阶段的产物，白云石型和白云石－方解石共存型对应于早期岩浆阶段，其（La/Nd)n、(La/Yb)n比值随稀土总量的增加而增大，方解石型则对应于碳酸岩浆演化的晚期热液阶段，其稀土总量明显富集，但其（La/Nd)n、(La/Y)n和（La/Yb)n比值随稀土总量的增加却有减小的趋势，热液阶段也是白云鄂博稀土矿化的主要阶段。     

对白云鄂博矿床大地构造环境的几点认识

分布于华北地台北缘的白云鄂博群厚万米，EW向展布长500km，宽20-50km，以碎屑岩为主，碳酸盐岩约占1/10。1997年，我们首次确定厚千余米的含矿岩系为海相火山沉积稀有金属碳酸岩—粗面岩；1982的，李继亮确定厚320m的次闪绿帘石岩（H15）为裂陷槽中的细碧角斑岩系。从而奠定了白云鄂博群属象谷沉积的基础。世界上许多富含轻稀土和铌和碱性岩、碳酸岩多产于裂谷系中。白云鄂博矿床中的特殊元素组合和稳定同位素组成只有裂谷带下的异常地幔才能提供。大量Sm-Nd同位素年龄资料说明白云鄂博矿床稀土成矿时代主要是中元古代，更证明了矿床成矿作用与裂谷发展的同步性。     

白云鄂博矿床成因的Mg同位素制约

白云鄂博Fe-REE-Nb矿床是世界著名的巨型多金属矿床,它的成因一直是个激烈争论的问题。近年来Mg同位素研究快速发展,在示踪幔源火成碳酸岩和沉积碳酸盐岩方面显示出一定的潜力,为白云鄂博矿床成因问题的究提供了新的途径。对白云鄂博矿床H8白云岩、碳酸岩墙白云岩,以及中元古代沉积白云岩,腮林忽洞微晶丘白云岩的Mg同位素进行了对比研究。研究结果表明:碳酸岩墙样品的δ26Mg-DSM3变化范围为-0.34‰～-0.14‰,平均值-0.24‰,落在地幔岩端元;中元古代沉积白云岩的δ26MgDSM3为-1.81‰～-1.53‰;H8白云岩的δ26MgDSM3变化范围为-1.13‰～-0.10‰,平均值-0.53‰,部分落在地幔岩范围,部分落在地幔岩和沉积白云岩之间;而腮林忽洞微晶丘白云岩的δ26MgDSM3最轻,为-1.99‰～-1.93‰。白云鄂博矿床赋矿白云岩的Mg同位素组成特征不支持正常白云岩沉积成因和微晶丘成因观点,更倾向于火成碳酸浆成因观点。     

内蒙古白云鄂博矿床碳酸岩侵位方式与三维形态及稀土潜在资源

稀土元素是关键金属的重要成员, 我国稀土资源禀赋优越, 并主要来自白云鄂博矿床, 但其巨量金属富集机理、矿体空间形态以及潜在资源等, 一直存在不同认识, 制约了稀土资源评价以及有效利用。在地质、地球化学和地球物理多学科联合攻关基础上, 本文对白云鄂博碳酸岩就位机制、演化过程和三维形态, 以及稀土超常富集机理与潜在资源等进行了探讨。白云鄂博早-中元古代沉积岩经历了区域性的挤压构造变形, 原水平地层褶皱后又被置换成陡立、近E-W走向的构造片理, 这为碳酸岩浆的上涌提供了有利通道。白云鄂博H8白云岩为火成碳酸岩, 它侵位于~13亿年, 经历了铁质-镁质-钙质的演化, 碳酸岩既为稀土成矿母岩, 也是稀土矿体; 古生代两次改造作用导致了稀土活化及新生矿物生成, 但没有外来稀土的明显加入。高磁与低阻地球物理异常体揭示出了碳酸岩体的三维形态, 碳酸岩的侵位中心位于主、东矿之间, 侵位后沿构造置换陡立面理, 往东西两侧推进。利用获得的碳酸岩体积、(最小)密度以及稀土含量, 推算出白云鄂博矿区500~1000m以浅稀土潜在资源为3.33亿t, 这远超目前公认的矿山及全球稀土资源量。建议开展新一轮以稀土为主的勘探与验证工作, 以获取白云鄂博战略矿产资源的准确家底。

     

对白云鄂博矿床U-Pb同位素年代学工作的几点思考

本文主要根据笔者的研究成果,结合近年来文献报道的资料,对白云鄂博矿床U-Pb同位素年代学工作中存在的一些问题,主要是U-Pb同位素定年矿物和定年方法的选择等问题进行讨论,并对U-Pb同位素定年技术在白云鄂博矿床地质研究中的应用潜力进行探讨。笔者的研究成果表明,白云鄂博矿床中适用于U-Pb同位素年龄测定的不同矿物和不同的U-Pb同位素定年技术方法各有不同的特点及局限性。在实际工作中,根据具体的年代学工作要求及从具体样品中分选得到的U-Pb同位素定年矿物的种类及其数量多少、粒度大小、年龄范围、U-Pb含量、测年精度要求等因素,灵活地选择测年矿物及测年方法,加强对定年矿物的成因矿物学研究,结合具体的地质背景对U-Pb同位素定年结果进行合理的地质解释,对于获得比较理想的成果是非常重要的。