内蒙古白云鄂博矿床的稀土矿化时代与期次

朱祥坤, 孙 剑

1)中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 国土资源部同位素地质重点实验室, 北京 100037;

2)中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083

内蒙古白云鄂博矿床的稀土矿化时代与期次

朱祥坤1), 孙 剑1,2)

1)中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 国土资源部同位素地质重点实验室, 北京 100037;

2)中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083

内蒙古白云鄂博 REE-Fe-Nb矿床是世界罕见的超大型多金属矿床, 但矿床成因一直没有解决, 而年代学研究是解决矿床成因的基础。本文结合矿床地质特征, 系统地分析了前人的年代学研究成果, 并对白云鄂博矿床的Sm-Nd同位素体系进行了深入的分析和讨论。结果表明, 白云鄂博稀土的成矿时代约为1.3 Ga,与碳酸岩墙的形成时间一致, 成矿物质来源于地幔。加里东期的热事件(约0.44 Ga)导致了白云鄂博矿床晚期稀土矿脉的形成和原有矿体中部分稀土矿物的重结晶, 但成矿物质主要来源于矿体内部的稀土再循环, 外源物质的贡献不明显。约1.3 Ga到约0.44 Ga间的一系列中间年龄为后期热扰动的结果, 并不代表成矿事件。简言之, 白云鄂博矿床只在中元古代发生过一次实质性的稀土矿化作用, 地幔是稀土物质的单一源区。

白云鄂博; 稀土; 钐-钕同位素体系; 成矿时代; 成矿期次

内蒙古白云鄂博REE-Fe-Nb矿床是世界著名的超大型多金属矿床, 轻稀土储量世界第一, 铌储量世界第二, 同时也是我国重要的大型铁矿床, 其独特的成矿环境和巨量的稀土元素富集一直吸引着国内外地质工作者的目光。自20世纪 50年代起, 我国对白云鄂博矿床组织过多次综合研究, 取得了丰富的资料。但人们在矿床成因、成矿时代等方面的认识仍存在重大分歧。有关矿床成因的主要观点有:(1)沉积型或沉积-热液叠加型, 这方面的观点包括正常沉积成因(孟庆润, 1982; 孟庆润等, 1992; 魏菊英等, 1983, 1994)、热水沉积成因(包括微晶丘成因)(陈辉等, 1987; 乔秀夫等, 1997; 章雨旭等, 1998,2005, 2009; 高计元等, 1999)。这类观点认为, 矿床围岩H8是沉积成因的, 成矿物质的富集主要发生在沉积阶段。(2)火成碳酸岩型, 可细分为侵入碳酸岩型(周振玲等, 1980; 刘铁庚, 1986; Le Bas et al.,1997, 2007)和海相火山碳酸岩型(Yuan et al., 1992;白鸽等, 1996; 丁悌平等, 2003)。其基本观点是成矿围岩H8是火成碳酸岩, 白云鄂博矿床是火成碳酸岩岩浆作用的产物。(3)后生热液交代型(Chao et al.,1992, 1997), 认为围岩形成于中元古代, 矿床形成于后期热液(加里东期)交代。(4)混合型(曹荣龙等,1994), 认为铁矿和围岩是沉积成因的, 稀土、铌则来源于地幔, 是地幔流体与碳酸盐岩交代的结果。

产生不同成矿观点的一个重要原因是对成矿时代和成矿期次的认识不同。尽管前人在成矿时代方面对白云鄂博矿床作了大量工作, 使用了多种测年方法, 获得了数以百计的年龄数据, 然而由于数据较为分散, 导致了认识上的分歧。争议的焦点在于是一次成矿还是多期成矿。一种观点认为主成矿期发生在中元古代, 加里东期发生了热扰动事件(张宗清等, 1994, 2003; 刘玉龙等, 2005b)。也有观点认为成矿作用从中元古代一直持续到加里东期, 由此提出了“多来源、多阶段、多成因”的成矿模式(中国科学院地球化学研究所, 1988)。

基于年代学研究对白云鄂博矿床成因研究的重要意义, 本文结合矿床地质基本特征, 总结前人的年代学研究成果, 运用Sm-Nd同位素体系对稀土成矿时代的期次进行分析。

1 矿区与矿床地质

白云鄂博矿床位于内蒙古包头市以北约150 km处, 中蒙边境附近。大地构造位置上位于华北板块北缘与古中亚洋板块的连接带, 矿区北东20 km处的乌兰宝力格深断裂带即这一构造的分界线。华北板块北缘经历了多期的碰撞和裂解(周建波等, 2002; Zhao et al., 2003, 2004)。白云鄂博在中元古代处于裂谷环境, 沉积形成了白云鄂博群地层(王楫等, 1992; 白鸽等, 1996); 白云鄂博地区发育的大量火成碳酸岩墙和基性岩墙群, 可能是对中元古代Columbia超大陆裂解的响应(Zhao et al., 2003, 2004;翟明国等, 2007; Yang et al., 2011a)。早古生代加里东期, 华北板块与西伯利亚板块发生俯冲碰撞, 白云鄂博地区处于俯冲带上盘(周建波等, 2002; Jian et al., 2008)。晚古生代海西期, 区域上又发育了大规模的岩浆活动, 在白云鄂博周围形成了大片的花岗岩(中国科学院地球化学研究所, 1988; 张宗清等,2003)。正是在这样复杂的构造背景下, 白云鄂博矿床叠加了多期的区域变质、构造事件, 给白云鄂博矿床的成矿时代和成矿期次研究带来了很大的困难。

白云鄂博区域上出露的地层包括太古宙-古元古代古老基底杂岩, 中元古代白云鄂博群, 以及古生代、中新生代沉积物。基底岩石主要由片麻岩、正长岩、花岗闪长岩、英云闪长质岩等组成, 年龄集中在1.9～2.6 Ga之间(王凯怡等, 2001; 范宏瑞等,2010)。基底岩石之上不整合覆盖一套中、新元古代白云鄂博群石英岩、板岩、碳酸盐岩沉积建造, 厚逾万米, 可分为6个岩组, 18个岩段(自下而上依次命名为H1至H18)。这一建造包含2个大的沉积旋回,6个次级沉积旋回和多个沉积韵律及若干碱性和偏碱性火山岩层(王楫等, 1992; 白鸽等, 1996)。

白云鄂博矿床赋存在宽沟背斜南翼的白云鄂博群 H8白云岩中, 矿区东西长约 18 km, 南北宽0.5～5 km(图1)。H8白云岩为层状、似层状, 产状与围岩类似。H8白云岩主要由细粒含铁白云石组成(图2a), 其他矿物包括独居石、氟碳铈矿、磁铁矿、重晶石、黄铁矿、萤石等。这些矿物颗粒细小, 大多呈浸染状或细条带状分布, 并可见交代白云岩的现象。白云岩中发育透镜体状铁矿体, 可分为主矿、东矿、西矿三个矿体, 其中主、东矿分别为一个独立的大矿体, 西矿由几十个不连续的小矿体组成。铁矿体以发育强烈的霓长岩化、黑云母化为特征,并发育大量的萤石, 伴随强烈的稀土、铌矿化。铁矿石以条带状最为特征, 矿物组成有细粒磁铁矿、赤铁矿、萤石、霓石、钠闪石、黑云母、白云石、磷灰石、重晶石、氟碳铈矿、独居石等(图2b)。

图1 内蒙古白云鄂博矿区地质示意图(据白鸽等, 1996, 略修改)Fig. 1 Sketch geological map of the Bayan Obo ore deposit, Inner Mongolia(modified after BAI et al., 1996)

图2 白云鄂博矿床样品的野外露头和镜下特征Fig. 2 Field photographs and photomicrographs of the Bayan Obo ore deposit

矿区外围的片麻岩和石英岩中发育众多碳酸岩墙, 有的强烈富集稀土(图 2c), RE2O3含量可达20%(Yang et al., 2011b)。与碳酸岩墙接触的围岩发生强烈的霓长岩化, 形成粗晶的霓石、钠闪石等矿物。碳酸岩墙的地球化学特征和H8白云岩类似, 两者可能有成因联系(Le Bas et al., 1992, 2007; Yang et al., 2011b)。对于稀土来说, 整个H8白云岩、铁矿体和碳酸岩墙都是矿体, 稀土含量一般在 1%～10%。稀土元素绝大部分以独立矿物产出, 分配在稀土矿物中的稀土占 90%以上, 仅百分之几的稀土以类质同象或细小包裹体分散在铁矿物、铌矿物和其他脉石矿物中(中国科学院地球化学研究所, 1988)。从野外地质现象和镜下特征来看, 稀土矿物主要有两个世代。第一世代的稀土矿物以细粒独居石和氟碳铈矿为主,

以浸染状或团簇状集合体形式分布在铁矿石和白云岩中。第二世代的稀土矿物发育在晚期脉体中, 以粗晶黄河矿为代表, 粒径可达 5 cm, 脉石矿物有钠长石、钠闪石、萤石、霓石等, 晶体粗大(图2d)。

2 前人年代学研究成果综述

前人运用多种同位素体系对白云鄂博矿床进行了年代学研究, 研究对象包括碳酸岩墙、H8白云岩及晚期脉体, 测定的年龄结果分散在约2000 Ma到约270 Ma之间。主要的年代学数据如表1所示。

表1 白云鄂博矿床主要年代学资料Table 1 Main geochronologic data of the Bayan Obo ore deposit

2.1 碳酸岩墙

碳酸岩墙与 H8白云岩地球化学特征上的相似性, 表明二者在成因上可能有密切关系(Le Bas et al.,1992, 2007; Yang et al., 2011b)。因此, 碳酸岩墙的年代学研究对矿床成矿年代学有重要意义。研究方法主要有锆石U-Pb法、Sm-Nd等时线法、Th-Pb等时线法和Rb-Sr等时线法。

锆石U-Pb定年: 范宏瑞等(2002)最初对菠萝头山南侧一碳酸岩墙进行了稀释剂法锆石 U-Pb测年,5颗锆石测定数据点拟合直线与谐合线的上交点年龄为(2070±33) Ma。刘玉龙等(2006)对位于都拉哈拉和宽沟背斜核部的 3条碳酸岩墙同时进行了SHRIMP和稀释剂法锆石 U-Pb测年, 结果也在1934～2085 Ma之间, 与部分基底岩石年龄一致; 进一步的研究发现, 这些锆石的REE模式特征、包裹体特征表明它们为捕获锆石(Liu et al., 2008)。范宏瑞等(2006)报道了都拉哈拉一号碳酸岩墙 4颗锆石的稀释剂法 U-Pb年龄, 1颗锆石的表面年龄(1925±8) Ma, 另3颗锆石测定数据点拟合直线与谐合线的上交点年龄为(1416±77) Ma, 他们认为(1416±77) Ma代表了碳酸岩墙的形成时代。

Sm-Nd等时线定年: 张宗清等(2003)首先对都拉哈拉一条碳酸岩墙的碳酸岩和霓长岩共3个全岩样品进行了 Sm-Nd等时线定年, 结果为(1240±94) Ma。Le Bas等(2007)在张宗清等(2003)的基础上补充了主矿北一条碳酸岩墙的 4个数据, 结果为(1157±160) Ma。Yang等(2011a)对 8条成分类型不同的碳酸岩墙进行了Sm-Nd测定, 得到的等时线年龄为(1354±57) Ma。除了对碳酸岩全岩进行Sm-Nd定年外, 杨岳衡等(2008)利用LA-ICP-MS对都拉哈拉一条碳酸岩墙的碳酸岩中的独居石进行了原位 Sm-Nd同位素分析, 得出 Sm-Nd等时线年龄(1320±210) Ma。

其它方法定年: 此外, 任英忱等(1994)、张宗清等(2003)都对都拉哈拉一碳酸岩墙的钠闪石进行过Ar-Ar定年, 结果为1200～1300 Ma; Conrad等(1992)对碳酸岩墙钠闪石 Ar-Ar定年结果表明经历了复杂的热事件。任英忱等(1994)对都拉哈拉一碳酸岩墙中4个独居石进行Th-Pb定年, 结果为(445±11) Ma。Rb-Sr等时线定年效果不理想, 但结果都在400 Ma左右(白鸽等, 1983; 张宗清等, 2003)。

上述研究结果表明, 碳酸岩墙的形成时代应该约为1.3 Ga, 而约440 Ma的独居石Th-Pb年龄和全岩 Rb-Sr年龄到底代表晚期热事件扰动还是另一期稀土成矿事件, 尚需进一步研究。

2.2 H8白云岩

由于H8白云岩中U的含量极低, 难以用独居石U-Pb法进行定年, 并且 H8白云岩中也极难选出锆石, 前人使用的研究方法主要为Sm-Nd和Th-Pb等时线法, 研究对象为铌-稀土-铁矿石、白云岩全岩和单矿物, 特别是稀土矿物独居石、氟碳铈矿。

Sm-Nd全岩等时线定年: 张宗清等(2003)对主、东矿十几个铌-稀土-铁矿石和白云岩分别进行了全岩Sm-Nd等时线定年, 得出的年龄为(1305±78) Ma和(1273±100) Ma。Yang等(2011b)也对不同矿体H8白云岩的全岩进行了 Sm-Nd等时线定年, 结果为(1341±160) Ma, 与张宗清等(2003)研究结果一致。

Sm-Nd单矿物等时线定年: Philpotts等(1991)对十几个主、东、西矿白云岩和铌-稀土-铁矿石全岩和单矿物进行了Sm-Nd同位素测定, 所获数据无法形成等时线, 估测年龄约为 1000 Ma。Wang等(1994)对十几个单矿物样品进行了Sm-Nd同位素测定, 结果数据分散, 勉强给出了一条年龄约425 Ma的等时线。曹荣龙等(1994)综合了Nakai等(1989)和Wang等(1994)的部分单矿物 Sm-Nd数据, 拉出了1700 Ma, 424 Ma, 402 Ma三条可能的等时线。白鸽等(1996)综合了上述所有数据, 结合各样品的产状和类型, 发现白云岩、铌-稀土-铁矿石样品(包括全岩和其中的独居石、氟碳铈矿等)基本都分布在约1300 Ma的等时线附近, 后期细脉样品基本落在约425 Ma的等时线上。任英忱等(1994)对主东矿下盘白云岩层中的独居石和氟碳铈矿 7件样品进行的Sm-Nd等时线测年结果为(1313±41) Ma。张宗清等(2003)对部分铌-稀土-铁矿石、白云岩样品进行Sm-Nd等时线定年, 结果分布在1.3～0.6 Ga之间。刘玉龙等(2005a)对从东矿 H8白云岩中挑选的十几个大颗粒独居石进行 Sm-Nd-Th-Pb联合定年,Sm-Nd等时线年龄为(1008±320) Ma, Th-Pb等时线年龄为(1231±200) Ma。杨岳衡等(2008)利用LA-ICP-MS对东矿 H8白云岩中的独居石进行Sm-Nd的原位分析, 结果为(860±100) Ma。

总之, Sm-Nd单矿物等时线定年的结果不一致,但数据基本在1.3～0.4 Ga之间。

其它单矿物方法定年: Wang等(1994)对主、东、西矿不同铌-稀土-铁矿石和白云岩样品中的独居石进行了Th-Pb等时线定年, 结果为555～398 Ma; 任英忱等(1994)对主矿北样品中的独居石进行的Th-Pb等时线测年结果为(461±62) Ma。刘玉龙等(2005a)对从东矿 H8白云岩中挑选的十几个大颗粒独居石获得的Th-Pb等时线年龄为(1231±200) Ma。赵景德等(1991)对碱性闪石进行了 K-Ar、Ar-Ar定年, 结果在800～400 Ma均有分布。

与Sm-Nd单矿物等时线定年结果类似, 上述定年结果分散, 但基本在1.3～0.4 Ga之间。

2.3 晚期脉体

白云鄂博矿体被一些晚期脉体穿切。张宗清等(2003)对出露于主、东矿的一条晚期脉体的 Sm-Nd等时线定年结果为(420±46) Ma; Hu等(2009)也测得晚期脉体的 Sm-Nd等时线年龄为(442±42) Ma,Rb-Sr等时线年龄为(459±41) Ma。刘兰笙等(1996)对采自东矿的一个晚期矿物辉钼矿进行Re-Os定年,得到模式年龄为(439±8) Ma。刘玉龙等(2005b)对主矿东南晚期黄铁矿脉进行黄铁矿 Re-Os定年, 等时线年龄为(439±86) Ma。这些研究表明, 晚期脉体的形成年龄约为 440 Ma, 与 H8矿体中最年轻的一组单矿物年龄基本一致, 也与碳酸岩墙的单矿物Th-Pb年龄相符。

综上所述, 通过对前人大量定年结果的分析可以获得如下基本认识: 1)白云鄂博矿床早期稀土矿化时间与碳酸岩墙的形成时间一致, 约为 1.3 Ga, 暗示二者间存在成因联系; 2)在约440 Ma白云鄂博地区经历了一次热事件, 这次热事件形成了白云鄂博矿床的晚期稀土矿脉, 导致了部分稀土矿物的重结晶、和Rb-Sr、K-Ar等同位素体系的重置; 3)440 Ma左右是白云鄂博矿床的最后一期稀土矿化, 这一矿化时代明显老于该区花岗岩的侵入时间(中国科学院地球化学研究所, 1988; 张宗清等, 2003), 表明稀土矿化与花岗岩的侵入无关; 4)在约1.3 Ga和约0.44 Ga间还存在一系列白云鄂博矿床单矿物年龄。

然而, 由此引出若干重大科学问题有待回答:1)白云鄂博矿床到底存在几期稀土矿化作用, 主矿化期是什么？2)约0.44 Ga矿化期的实质是什么, 是稀土矿化的主期吗？3)约1.3 Ga和约0.44 Ga间的一系列单矿物年龄的意义是什么, 它们代表稀土的多期或连续矿化吗？4)如果它们代表了稀土的多期或连续矿化, 是什么地质作用或机制使稀土的矿化时间在同一地区持续达0.9 Ga之久？5)白云鄂博矿床的巨量稀土到底是幔源还是壳源？

下面着重从Sm-Nd同位素体系的角度对这些问题进行分析探讨。

3 Sm-Nd同位素体系示踪

白云鄂博矿床是个超大型稀土矿床, Sm、Nd本身是成矿元素, 因此Sm-Nd同位素体系是研究稀土矿化时代和成矿物质来源于演化的最直接工具。

3.1 原理与模型

假设发生一次稀土矿化事件时, 稀土来自同一源区, 具有相同的初始143Nd/144Nd比值, 矿化事件发生后体系保持封闭, 根据衰变方程, 有:

(143Nd/144Nd)p=(143Nd/144Nd)i+147Sm/144Nd(eλt–1)

其中, (143Nd/144Nd)p代表现今143Nd/144Nd比值,(143Nd/144Nd)i代表初始143Nd/144Nd比值,147Sm/144Nd为现今样品所测147Sm/144Nd比值, λ为147Sm的衰变常数, t为时间。

依据上述方程, 以时间t为横坐标,143Nd/144Nd为纵坐标, 可以获得具有不同147Sm/144Nd比值样品的143Nd/144Nd-t的演化图(图3a)。从图3a可以看出,对于147Sm/144Nd比值不同的, 演化时间越长, 样品的143Nd/144Nd比值会越离散。反之, 根据现今不同样品的143Nd/144Nd比值和147Sm/144Nd比值, 可以反推143Nd/144Nd比值在地质历史时期的演化线。这些具有不同147Sm/144Nd比值样品的143Nd/144Nd演化线在特定的时间(t0)相交于一点(图 3a), t0即为稀土成矿作用时间, t0对应的143Nd/144Nd值则为稀土成矿时的初始143Nd/144Nd比值。

如果在 t=t0和 t=t1时分别发生了两次独立的稀土成矿事件, 则在143Nd/144Nd-t的演化图上, 具有不同147Sm/144Nd比值样品的143Nd/144Nd的演化线会分别在t0、t1处形成两个独立的交点(图3b)。

如果在 t=t0时发生了一次稀土成矿作用, 之后在 t=t1时又发生了一次热事件, 使得部分矿物发生重结晶作用, 但在全岩尺度上体系仍然保持封闭,那么在143Nd/144Nd-t的演化图上, 全岩的143Nd/144Nd的演化线仍然只在 t=t0时形成交点, 但是单矿物的143Nd/144Nd的演化线会在全岩演化的基础上, 在t=t1时重新发散演化而形成交点(图3c)。

3.2 结果和讨论

根据上述原理, 利用前人大量的 Sm-Nd数据,对白云鄂博稀土成矿时代、成矿期次和物质来源进行讨论如下。

3.2.1 碳酸岩墙的稀土矿化时代与物质来源

对碳酸岩墙的全岩作143Nd/144Nd-t的演化图(图4), 结果显示只有一个交点。在约 1.35 Ga时143Nd/144Nd值收敛成一最小值(约为 0.51090), 相应的 εNd(t)为 0.1。这表明碳酸岩墙只发生了一次稀土矿化事件, 年龄为约 1.35 Ga, 矿化稀土的143Nd/144Nd初始值接近原始地幔值, 说明成矿物质来源于地幔。

图3 不同147Sm/144Nd样品的143Nd/144Nd-时间(t)演化示意图Fig. 3 Diagrams showing 143Nd/144Nd-t evolution for samples with different 147Sm/144Nd

图4 碳酸岩墙143Nd/144Nd-时间(t)演化图(据张宗清等,2003; Le Bas et al., 2007; Yang et al., 2011a)Fig. 4 143Nd/144Nd-t evolution diagram of carbonatite dykes (after ZHANG et al., 2003; Le Bas et al., 2007;Yang et al., 2011a)

3.2.2 主矿、东矿稀土的初次矿化时代与物质来源

对主、东矿矿体的铌-稀土-铁矿石、白云岩和碳酸岩墙的全岩作143Nd/144Nd-t演化图(图5)。结果显示, 在约 1.3 Ga时, 铌-稀土-铁矿石和白云岩的143Nd/144Nd值收敛成一最小值(约为0.51093), εNd(t)为-0.2。表明在约1.3 Ga时发生过一次矿化, 矿化稀土的143Nd/144Nd特征接近原始地幔特征。

3.2.3 晚期稀土矿化的实质

对晚期脉体的单矿物作143Nd/144Nd-t演化图(图6a)。结果显示, 在约 0.44 Ga时, 晚期脉体的143Nd/144Nd值很好地收敛成一最小值(约为0.51126),εNd(t)为-16。表明晚期矿脉矿化时间约为0.44 Ga, 与不同定年方法获得的结果一致, 并且这次矿化的稀土并非直接来自于地幔。

一个值得进一步探讨的问题是, 这些晚期矿脉的稀土是白云鄂博矿床稀土物质内部再循环的结果,还是来自于其它源区？

如果约0.44 Ga和约1.3 Ga是两次独立的矿化事件, 二者间在物质来源方面没有联系, 则两次矿化产物构成两个独立的Sm-Nd演化体系(图3b)。如果晚期矿化的稀土来自于白云鄂博矿床稀土物质的内部再循环, 那么这次矿化的稀土的Sm-Nd同位素体系将会在总体上继承白云鄂博矿床原有的Sm-Nd同位素特征, 即, 这次矿化产物的总体组份的Sm-Nd同位素体演化线可反演经过白云鄂博矿床Nd同位素组成的初始点(图3c)。

图5 碳酸岩墙、白云岩、铌-稀土-铁矿石全岩样品的143Nd/144Nd-时间(t)演化图Fig. 5 Diagram showing 143Nd/144Nd-t evolution of bulk samples of carbonatite dykes, H8 dolomite,and Nb-REE-Fe ores

目前没有晚期脉体的全岩Sm-Nd同位素数据。晚期脉体的矿物包括黄河矿、钠闪石、钠长石、萤石、方解石、霓石等。其中黄河矿是最主要的稀土矿物, 其他矿物的稀土含量很低。因此, 全岩的Sm-Nd同位素组成可由黄河矿代替。图6b是以现有黄河矿 Sm-Nd同位素数据的平均值做的143Nd/144Nd-t演化图解, 该图清楚地显示了黄河矿Sm-Nd同位素体演化线可返延经过白云鄂博矿床Nd同位素组成的初始点。

3.2.4 中间年龄的含义

图6 晚期矿脉的Sm-Nd同位素体系.Fig. 6 Sm-Nd isotope system for REE mineralization veins formed at later stage

前已述及, 白云鄂博矿床在约1.3和0.44 Ga间还存在一系列床单矿物年龄。这些年龄是否代表了稀土的多期或连续矿化, 是个值得进一步讨论的重要的矿床学问题。

约1.3 Ga和0.44 Ga间的一些单矿物年龄是用Sm-Nd内部等时线方法获得的。在这种定年技术中,除了单矿物的Sm-Nd同位素数据, 还有这些单矿物寄主的全岩的Sm-Nd同位素数据。根据图3b和图3c所示的原理, 运用这些全岩数据可以对这些年龄代表的意义进行制约。

图7为这些全岩样品的143Nd/144Nd-t演化线。可以看出, 这些演化线可以返延至白云鄂博矿床同位素组成在约1.3 Ga的初始点。这说明, 尽管他们的内部等时线年龄不同(张宗清等, 2003), 但这些全岩样品的 Nd同位素组成保持了白云鄂博矿床原有的 Sm-Nd同位素特征。这说明, 约 1.3 Ga至约0.44 Ga间的系列年龄是热扰动的结果, 并不代表成矿事件。这些热扰动造成一些样品中单矿物Sm-Nd体系的重置, 但在全岩尺度上Sm-Nd体系基本上保持了封闭状态。

图7 中间年龄全岩143Nd/144Nd-t演化图Fig. 7 Diagram showing 143Nd/144Nd-t evolution of bulk samples with intermediate ages between 1.3 Ga and 0.4 Ga

4 结论

通过上述研究和讨论可以得到以下基本认识:

1)白云鄂博矿床稀土矿化的主期年龄约为1.3 Ga, 与碳酸岩墙的形成时代一致, 并且二者均具有与原始地幔非常相似的144Nd/143Nd同位素初始值。

2)加里东期的热事件(约0.44 Ga)导致了白云鄂博矿床的晚期稀土矿脉的形成和原有矿体中部分稀土矿物的重结晶。但成矿物质主要来源于原有矿体中稀土的再循环, 外源物质的贡献不明显。所以, 尽管这次事件导致了稀土的活化和进一步富集, 但对矿床的储量没有贡献。因此, 这算不上是一次实质意义的矿化作用。

3)约1.3 Ga和0.44 Ga间的一系列单矿物年龄为后期热扰动的结果, 并不代表成矿事件。也就是说, 白云鄂博矿床不存在时间跨度达约0.9 Ga的成矿作用。

综上所述, 白云鄂博不是一个多期次、多来源的矿床。稀土的成矿时代约为 1.3 Ga, 与碳酸岩墙的形成时间一致, 成矿物质来源于地幔。后期地质事件只在一定程度上造成了稀土的再分配, 并没有导致新的成矿作用。

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Ore-forming Epoch and Episodes of REE Mineralization in the Bayan Obo Ore Deposit, Inner Mongolia

ZHU Xiang-kun1), SUN Jian1,2)
1)Laboratory of Isotope Geology, Ministry of Land and Resources, State Key Laboratory of Continental Dynamics,Institute of Geology, Chinese Acadeym of Geological Sciences, Beijing100037;
2)School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing100083

The Bayan Obo REE-Fe-Nb ore deposit in Inner Mongolia is world-famous for its extreme enrichment of light rare earth elements; nevertheless, its origin remains controversial. This is partly due to the lack of consensus on the ore-forming epoch and episodes of REE mineralization. This paper made a detailed review on geochronological data and a re-assessment of Sm-Nd isotopic results in literatures. It is shown that the REE mineralization of Bayan Obo ore deposit occurred atca.1.3 Ga, consistent with the epoch of carbonatite dyke intrusion in this region, and REE in both the ore deposit and the carbonatite dykes were derived from the mantle.A significant thermal event occurred atca.0.44 Ga, resulting in the formation of some veins with coarse crystals of REE minerals such as huanghoite. However, the enrichment of REE during this event resulted from REE remobilization within the ore body itself, and the contribution from external source was minimal. A series of ages betweenca.1.3 Ga andca.0.44 Ga resulting from partial disturbance of the isotopic system had no specific meaning for REE mineralization. In short, REE in the Bayan Obo ore deposit were enriched by a single episode of mineralization that occurred in Mesoproterozoic and derived from the mantle only.

Bayan Obo; REE; Sm-Nd isotope system; ore-forming epoch; episodes of mineralization

P618.7; P597.3

A

10.3975/cagsb.2012.06.02

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40973037)和国土资源部公益性行业科研专项经费项目(编号: 200911043-14)联合资助。

2012-09-07; 改回日期: 2012-10-11。责任编辑: 张改侠。

朱祥坤, 男, 1961年生。研究员, 博士生导师。长期从事同位素地球化学研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。电话: 010-68999798。E-mail: xiangkun@cags.ac.cn。