白云鄂博矿床元素空间分布规律及找矿启示*

杨奎锋 范宏瑞 邱正杰 李晓春 佘海东 刘双良 李洪涛 张立锋

白云鄂博矿床是全球最大的稀土-铌-铁矿床,其稀土资源量占全球总储量的30%以上,铌的储量位居世界第二,同时也是一个大型铁矿床,在我国具有举足轻重的战略地位(Fanetal., 2016; Xieetal., 2016; 范宏瑞等, 2020)。白云鄂博矿床具有复杂的蚀变-矿化过程和矿物种类繁多的特点,又经历了多期地质事件的叠加改造,矿床成因认识各家争鸣(Smithetal., 2015; Yangetal., 2017; Songetal., 2018; Lietal., 2021)。白云鄂博矿床成因争论主要聚焦在赋矿白云岩的成因问题上(Chaoetal., 1992; Yang and Le Bas, 2004; Yangetal., 2009)。最新研究成果表明,赋矿白云岩为火成碳酸岩成因,与周围的火成碳酸岩脉具有同源演化关系(Yangetal., 2011, 2019)。

火成碳酸岩是全球稀土矿床最主要的成矿岩石(Jonesetal., 2013; Anenburgetal., 2020)。随着岩浆演化,稀土元素以及钾、钠、氟、磷等元素进一步富集在残余的岩浆热液中。富含稀土元素的碳酸质岩浆热液不仅会对先行侵位的碳酸岩体自交代形成赋矿白云岩,也会与围岩发生强烈的蚀变交代,形成霓长岩化和萤石化,同时伴随有稀土、铌和铁的矿化(Liuetal., 2020)。白云鄂博地区巨量稀土的富集目前被认为与碳酸质岩浆演化密切相关(Yangetal., 2019),碳酸质岩浆演化晚阶段所形成的富含稀土元素和挥发分的钙质碳酸岩通常会与早期侵位的铁镁质碳酸岩发生自交代过程,同时也会与围岩发生强烈的霓长岩化作用,是研究碳酸岩型稀土矿化和蚀变元素分带的绝佳对象。

本文对白云鄂博矿床主矿、东矿的赋矿白云岩、不同类型稀土-铌-铁矿石和富钾板岩进行详细的野外地质调查和地球化学成分分析,揭示了成矿元素REE、Nb和主要蚀变元素Na、K、F、P的空间分布规律,发现了稀土元素尤其是中-重稀土元素的深部富集特征,构建了白云鄂博火成碳酸岩型稀土-铌-铁矿床的矿化-蚀变元素分带模式,提出深部矿化的浅部地球化学指标。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

白云鄂博矿床位于内蒙古自治区包头市北部约150km处,大地构造位置处于华北克拉通北缘,北邻中亚造山带(图1)。区内一级断裂为位于矿区北部的乌兰宝力格深大断裂,亦被称作白云鄂博-赤峰断裂。次级断裂主要为白银角拉克-白云鄂博断裂,其东部位于白云鄂博矿区内的部分也被称作宽沟断裂,走向大致呈东西向,被乌兰宝力格断裂所截断。乌兰宝力格断裂南部的地区发育有一套太古宙-古元古代变质基底杂岩,主要包括位于矿区东南部的太古宙花岗片麻岩(2588±15Ma;范宏瑞等, 2010)、宽沟背斜核部及西矿南侧的早元古代花岗闪长岩、正长岩、黑云母片麻岩(～2.0Ga;范宏瑞等, 2010; 王凯怡等, 2001)以及东矿南侧的早元古代晚期含石榴石蓝闪石片麻岩(1879±10Ma;范宏瑞等, 2010)。区内广泛发育有一套古元古代-中元古代浅变质陆缘裂谷沉积岩系——白云鄂博群,不整合覆于区内的变质基底之上,总厚度近万米,原岩为海陆过渡相-滨海相-海相沉积物,包括6个岩组和18个岩段。主要岩石类型为碎屑岩、泥页岩、碳酸盐岩和火山岩。区内还发育有大量晚古生代花岗质侵入体,主要分布在主矿、东矿的东南部,以及西矿的西北部。主要岩性为花岗闪长岩、二长花岗岩、黑云母花岗岩以及钾长花岗岩。前人对该地区岩浆岩侵入体的年代学统计结果表明,海西期花岗岩类侵入体的活动时间主要集中在263～281Ma,峰期年龄为269Ma(范宏瑞等, 2009)。除此外,矿区内也发育有大量海西期的辉长岩侵入体,多以岩株或岩墙侵入地层中,被花岗岩体切穿,或在花岗岩体中呈捕掳体,因此多认为辉长岩的结晶时间早于花岗岩(白鸽等, 1996; 中国科学院地球化学研究所, 1988)。区内的白云鄂博群中分布有近百条不同成分的碳酸岩脉,具有从白云石到方解石的过渡特征,即白云石型、白云石-方解石型、方解石型碳酸岩脉(王凯怡等, 2002),主要于中元古代(～1.3Ga)侵入到白云鄂博群和基底变质岩中(张宗清等, 2003; Yangetal., 2011)。

图1 白云鄂博矿区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Bayan Obo mining district

1.2 矿床地质概况

白云鄂博是迄今世界上最大的稀土-铌-铁矿床。稀土储量为57.4Mt(REE2O3平均品位为6%),铌储量为2.16Mt(Nb2O5平均品位为0.13%),铁储量至少1500Mt(铁氧化物平均品位为35%)(Drewetal., 1990)。主要矿体包括主矿、东矿及由数十个小矿坑逐渐合并而成的西矿,矿体分布于宽沟断裂南侧,赋存在一套近东西走向的白云岩中。赋矿白云岩又被近东西向的比鲁特组板岩(白云鄂博群H9)从中分割成南北两翼,北翼南北向最宽超过一千米。依据主要组成矿物颗粒的大小,赋矿白云岩又可以分为粗粒白云岩相和细粒白云岩相。粗粒白云岩主要由粗粒白云石矿物组成,含有少量的磷灰石、磁铁矿、烧绿石。细粒白云岩是赋矿白云岩的主体,主要由细粒白云石矿物组成,含有少量的磁铁矿、赤铁矿、磷灰石和独居石。尽管早期前人对赋矿白云岩成因的认识有极大的争议(火成岩或沉积岩;Fanetal., 2016; Yangetal., 2017),但近年来已基本达成共识,即赋矿白云岩为幔源的火成碳酸岩,在13亿年前后侵位于白云鄂博群和基底变质岩中(Yangetal., 2011, 2019; Chenetal., 2020)。

与全球典型碳酸岩型稀土矿床相似,白云鄂博矿区发育大规模碱质(钠化及钾化)、氟化蚀变,以碳酸岩及H9板岩接触带的霓长岩带最为典型,并因此形成了矿区最富集的稀土-铌-铁矿石。白云鄂博矿床的主要矿体均位于赋矿白云岩和板岩的接触带内,并且围岩的霓长岩化蚀变程度越强,矿化程度越高。蚀变矿物主要包括霓石、钠闪石、黑云母及钠长石。白云鄂博的矿石类型主要包括中元古代的浸染状稀土矿石、条带状稀土-铌-铁矿石、块状稀土-铌-铁矿石(图2)以及古生代富含硫化物的粗粒脉状矿石(Sheetal., 2021)。

图2 白云鄂博稀土-铌-铁矿床矿体分带示意图(据中国科学院地球化学研究所, 1988修改)及典型矿石和碱性蚀变岩手标本照片Fig.2 Zoning diagram of Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit (modified after IGCAS, 1988), and photos of typical ores and alkaline altered rock samples

在主矿、东矿乃至西矿内部广泛发育有东西向的碱性蚀变带,相应的矿石类型有条带状矿石、富钠闪石块状矿石和富霓石型块状矿石,典型的蚀变矿物为钠闪石、霓石和金云母(图2)。条带状矿石主要由定向排列的氟碳铈矿、萤石、独居石、磷灰石、磁铁矿、白云石、钠闪石等矿物的条带状集合体组成。条带状矿石富含萤石,是氟化蚀变最强烈时期生成的矿石类型。条带状矿石的稀土氧化物品位高达10%,也是稀土矿化最强烈的矿石类型。

2 分析方法

本次研究在白云鄂博主、东矿坑不同标高作业平台采集了各类型岩石、矿石样品(图3)。对矿区内矿石类型、矿物共生组合及蚀变分带特征进行了现场调查及填图工作。

图3 白云鄂博主矿、东矿元素分析采样点位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

将新鲜的岩石样品手工粗碎,然后在玛瑙研磨机上细磨至200目,取10g左右样品平均分为2份,分别用于主量和微量元素分析测定。

主量元素分析在澳实分析检测(广州)有限公司完成。由于矿石具有高稀土含量特征,因而运用方法ME-XRF30测定主量元素,称取二份试样,一份试样加入硼酸锂和氧化剂,充分混合后,高温熔融。熔融物倒入模子形成扁平玻璃片后,再用X荧光光谱仪(荷兰PANalytical-Axios Adv PW4400)分析;同时称取另一份试样在1000℃下测定烧失量(LOI);检测限为0.01%,相对偏差(精密度)小于10%,相对误差(准确度)小于10%。

运用方法ME-XRF26F测样品F含量。称取二份试样,取一份试样于105℃烘干后,精确称取要求重量,置入铂金坩锅,加入四硼酸锂-偏硼酸锂-硝酸锂混合熔剂,确认样品与熔剂充分均混后,于高精密熔样机1050℃熔融,熔浆倒入铂金模,冷却形成熔片,确认熔片质量合格,再用X荧光光谱仪(荷兰PANalytical-Axios Adv PW4400,含氟模式)测定主量。同时精确称取另一份干燥后的试样, 马弗炉1000℃有氧灼烧,冷却后再精确称重,试样灼烧前、灼烧后的重量差即是烧失量(LOI)。烧失量和XRF测得的元素含量(总量以氧化物表示)相加,即是“Total”;检测限0.1%,相对偏差小于5%,相对误差小于5%。

运用ME-MS61r和ME-MS81h测定样品微量元素和稀土元素含量。其中ME-MS61r方法针对痕量元素和低稀土含量样品,试样用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸消解后,用稀盐酸定容,再用电感耦合等离子发射光谱进行分析(美国,Agilent-5110),元素之间的光谱干扰得到矫正后,即是最后的分析结果。ME-MS81h方法针对高稀土含量样品,将试样加入到偏硼酸锂熔剂中,混合均匀,在1000℃的熔炉中熔化。熔液冷却后,用硝酸定容,再用等离子体质谱仪分析(美国,Agilent-7700x)。ME-MS61r方法相对偏差小于10%,相对误差小于10%;ME-MS81h方法相对偏差小于7%,相对误差小于7%。

2.2 自动矿物组成分析

依据不同类型岩石及矿石的野外产状、切割关系、蚀变程度以及大量显微镜下特征,我们将白云鄂博成岩、成矿过程划分为3个主要阶段(Sheetal., 2021)。为了克服白云鄂博矿物种类复杂,粒度细小的困难,本文选择未受其他期次热液事件改造的各阶段矿石,利用先进的AMICS自动矿物分析系统对各阶段矿石的矿物学特征开展了系统性研究,以便准确、快速的识别鉴定各阶段岩石及矿石的矿物组成。AMICS自动矿物分析在包头稀土研究院完成,该分析方法具备先进的图像处理技术,矿物数据库超过2000余种,与传统岩矿鉴定相比,具有快速、准确确定样品矿物组成及分布特征的优点,被广泛应用于工艺矿物学、矿床学及材料科学等领域。因此本文选择这一技术来揭示浸染状矿石、条带状矿石和块状矿石的矿物组成及分布特征。

3 分析结果

本次研究对白云鄂博主矿、东矿的赋矿白云岩、不同类型矿石和富钾板岩开展了详细的元素地球化学分析,对浸染状矿石、条带状矿石、块状矿石开展自动矿物组成分析,分析结果如表1和图4所示。

图4 白云鄂博浸染状矿石(a)、条带状矿石(b)和块状矿石(c)中典型的矿物共生组合不同的颜色分别代表不同的矿物种类.Aeg-霓石;Ap-磷灰石;Bast-氟碳铈矿;Brt-重晶石;Cal-方解石;Col-铌铁矿;Dol-白云石;Fgu-褐钇铌矿;Irt-铌铁金红石;Mag-磁铁矿;Mnz-独居石;Fl-萤石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 矿物共生组合

白云鄂博矿床的矿物组成极其复杂,据前人统计,在矿床内已发现并命名的矿物达190余种(中国科学院地球化学研究所, 1988; Fanetal., 2016)。目前广泛使用的矿石种类表述均来源于中国科学院地球化学研究所(1988),该分类根据矿石矿物的产状、矿物共生组合以及矿山生产需求将矿区内的矿石划分为9种类型,如块状铌-稀土-铁矿石、条带状铌-稀土-铁矿石、霓石型铌-稀土矿石等。但它主要是为了满足矿床的勘查、开采及选矿需求,并没有从矿床成因的角度划分。Smithetal.(2000, 2015)将成矿过程划分为6个阶段,分别为赋矿白云岩、浸染状独居石矿化、条带状矿化、霓石型和脉状矿化、萤石型矿化和重晶石矿化。但是霓石、萤石、重晶石及磷灰石为贯通性矿物,因此不能用这类矿物来划分阶段。而且该分类没有对不同阶段含铌矿物的共生情况及种类进行详细统计。

依据不同类型岩石及矿石的野外产状、切割关系、蚀变程度以及矿物共生组合特征,我们将白云鄂博成岩、成矿过程划分为3个主要阶段:代表碳酸岩浆阶段的浸染状矿石、代表岩浆热液阶段的条带状矿石、代表热液阶段的块状矿石。

3.1.1 浸染状矿石矿物共生组合

浸染状矿石中稀土矿物主要为独居石和氟碳铈矿,也含有极少量的氟碳钙铈矿、氟碳钡铈矿、黄河矿。稀土矿物总含量最低为1.68%,最高可达5.73%。独居石通常与萤石共生,而稀土氟碳酸盐矿物常与磷灰石共生。含铌矿物以铌钙矿、褐钇铌矿及铌铁金红石为主,但较低的含量使得不足以形成有经济价值的铌资源。浸染状矿石可分为稀土-铌矿石和稀土-铌-铁矿石,两者稀土矿物种类存在差异。前者以独居石为主,含极少量稀土氟碳酸盐矿物,均以粒状集合体浸染状分布于白云石粒间;但后者以稀土氟碳酸盐矿物为主,这种矿化特征表明稀土氟碳酸盐矿化过程中可能伴随着大规模铁矿化(Sheetal., 2021)。

3.1.2 条带状矿石矿物共生组合

条带状矿石中稀土矿物主要为氟碳铈矿和独居石,也含有少量的氟碳钙铈矿和氟碳钡铈矿。样品中稀土矿物含量最低为10.55%,最高可达47.58%,分布极不均匀。氟碳酸盐矿物和独居石在内的稀土矿物普遍与磷灰石、重晶石、萤石、霓石等存在密切共生关系,但前者通常倾向与磷灰石和重晶石共生,后者则倾向表现为与萤石和霓石共生。含铌矿物最高含量为1.53%,分布极不均匀。含铌矿物以包头矿、褐钇铌矿、铌铁矿及烧绿石为主,含少量含铌金红石和铌钙矿。在该阶段稀土矿化和铌矿化程度均达到最强,形成了白云鄂博矿床最富集的稀土矿石和铌矿石。

3.1.3 块状矿石矿物共生组合

块状矿石中稀土矿物主要为黄河矿和氟碳铈矿,也含有少量的氟碳钙铈矿和独居石。稀土矿物含量最高为7.17%,矿化程度远低于条带状矿石。含铌矿物最高含量仅为0.35%,含铌矿物表现出与条带状矿石一致的不均匀分布特征。该阶段包括氟碳酸盐矿物和独居石在内的稀土矿物普遍与磷灰石、重晶石、霓石等存在密切共生关系,但前者通常与磷灰石和重晶石共生,后者通常与霓石共生。稀土矿物所表现出的这些特征与条带状矿石相一致。含铌矿物以含铌金红石和烧绿石为主,含少量褐钇铌矿和铌钙矿。除含铌金红石与钛铁矿存在明显共生关系外,含铌矿物通常以星点状分布在矿石中。在该阶段稀土矿化和铌矿化程度相对条带状矿化较弱,但铁矿化程度变高,形成了白云鄂博矿床最富集的铁矿石。

3.2 赋矿白云岩的地球化学特征

表2 白云鄂博REE-Nb-Fe矿床赋矿白云岩、不同类型矿石和板岩的主量元素结果汇总表(wt%)

表3 白云鄂博REE-Nb-Fe矿床赋矿白云岩、不同类型矿石和板岩的稀土元素、钇和铌元素分析结果汇总表(×10-6)

图5 白云鄂博REE-Nb-Fe矿床板岩(a)、不同类型矿石(b)和赋矿白云岩(c)的主量元素箱式投图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

图6 白云鄂博REE-Nb-Fe矿床赋矿白云岩、不同类型矿石和富钾板岩的球粒陨石标准化稀土元素配分图(a,标准化值据Sun and McDonough, 1989)及轻稀土-重稀土相关关系图(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-铌-铁矿石的地球化学特征

3.3.1 浸染状白云石型稀土-铌矿石

相比于赋矿白云岩,浸染状白云石型稀土-铌矿石的全铁含量(中值:14.0%)和F含量(3.35%)显著提高,但TiO2(0.10%)及MgO(11.1%)含量降低。Al2O3、K2O、Na2O、P2O5、SiO2、MnO和CaO含量变化较小,对应元素的含量中值分别为0.01%、0.02%、0.08%、0.52%、0.79%、1.51%和25.9%。该阶段稀土矿化程度显著提高(∑REE:22160×10-6),并且以轻稀土元素为主(∑LREE:21950×10-6)。轻重稀土元素发生显著分馏(LREE/HREE=123),呈现典型的右倾式稀土配分模式。Y和Nb含量变化不大,平均值分别为117×10-6和223×10-6。

3.3.2 条带状稀土-铌-铁矿石

条带状稀土-铌-铁矿石为白云鄂博稀土矿化和铌矿化程度最高的矿石类型,两者含量均值分别为46900×10-6和630×10-6(42件样品均值)。稀土元素总量以轻稀土元素占主导(∑LREE:46560×10-6),轻、重稀土元素分馏进一步提高,表现为右倾式稀土元素配分模式(LREE/HREE=142)。相比于白云石型稀土-铌矿石,该类矿石的SiO2(7.13%)、全铁含量(33.6%)、P2O5(1.41%)、F(7.45%)、Y(204×10-6)和Nb(630×10-6)含量变高,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%)含量变化不大。

3.3.3 块状稀土-铌-铁矿石

块状稀土-铌-铁矿石是白云鄂博矿床铁矿化程度最高的一类矿石,全铁含量为59.0%,但稀土(均值40850×10-6)和铌(均值490×10-6)矿化程度降低。同样,该类矿石的稀土元素也以轻稀土为主(均值40500×10-6),轻重稀土元素分馏程度升高(LREE/HREE=148),表现为典型右倾式的稀土配分模式。相比于条带状矿石,块状矿石具有较低的SiO2(4.7%)、TiO2(0.18%)、CaO(10.5%)、Na2O(0.28%)和较高的MnO(0.59%)、MgO(1.3%)、P2O5(2.2%)含量,K2O(0.13%)、Al2O3(0.11%)和Y(245×10-6)含量变化不大。

3.4 富钾板岩的地球化学特征

富钾板岩是与赋矿白云岩直接接触的围岩,总体主量元素成分变化大。富钾板岩SiO2的含量波动大,变化范围为22.2%～81.7%,平均值为53.4±11.5%(n=59),中位值为54.2%。Al2O3含量同样波动大,变化范围为3.6%～27.7%,平均值为14.3±4.5%(n=59),中位值为14.4%。K2O的含量总体比CaO(2.7±3.2%)和Na2O(1.6±1.7%)含量高,平均值为8.0±1.1%,变化范围为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的含量较高,变化范围为0.1%～3.9%。富钾板岩稀土元素配分模式同样表现为右倾,但轻重稀土分异程度小于赋矿白云岩和稀土-铌-铁矿石。

4 讨论

4.1 白云鄂博矿物生成世代与蚀变矿化过程

白云鄂博稀土-铌-铁矿床的成岩、成矿过程主要发生在中元古代,包括岩浆过程、岩浆-热液过程和热液过程,矿床在早古生代还经历了强烈的叠加改造并形成大量脉状矿化(Sheetal., 2021)。依据矿物共生组合分析结果,作者认为白云鄂博矿床在～1.3Ga碳酸岩浆侵入到白云鄂博群地层之后,镁菱铁矿、铁矿白云石、白云石等碳酸盐矿物便开始结晶,同时局部也结晶了极少量的磷灰石及磁铁矿,形成矿区典型未矿化的粗粒白云岩(Yangetal., 2019)。随后,大量细粒白云石和磷灰石结晶,以独居石为主的稀土矿物伴随重晶石、磁铁矿及含铌金红石在白云石颗粒间填充,形成细粒白云岩及浸染状矿化,以稀土氟碳酸盐矿物为主的稀土矿物广泛分布在白云石与萤石矿物间隙。

随着碳酸岩浆演化到岩浆-热液阶段,包括围岩及碳酸岩本身均遭受岩浆热液的交代蚀变,发生强烈的霓长岩化作用。霓长岩化作用是碳酸岩浆热液对围岩发生的碱性蚀变过程。碳酸岩熔体分异的流体与不同的围岩发生交代反应,在白云鄂博群长英质碎屑岩中形成碱性硅酸盐矿物(如霓石、钠闪石)及磁铁矿,同时在白云岩中沉淀萤石、独居石、氟碳酸盐、磷灰石、烧绿石和磁铁矿等(Liuetal., 2020)。在主矿、东矿乃至西矿内部广泛发育有东西向的霓长岩化带。条带状构造主要由定向排列的氟碳铈矿、萤石、独居石、磷灰石、磁铁矿、白云石、钠闪石等矿物的集合体组成。条带状矿石富含萤石,是氟化蚀变最强烈时期生成的矿石类型。条带状矿石的稀土氧化物品位高达10%,是稀土矿化最强烈的矿石类型(Liuetal., 2020)。

随着岩浆-热液演化到热液阶段,围岩蚀变程度进一步增强,热液矿物由最早的空隙填充变为矿石的主要组成矿物,相应的矿石类型有富钠闪石块状矿石和富霓石块状矿石。碱性蚀变的典型矿物,霓石和钠闪石,及与之对应铁矿化程度在块状矿化阶段也达到最强(Liuetal., 2020)。

随着碳酸岩浆及其分异流体的持续演化,不同种类稀土矿物结晶的先后顺序存在较大差异,从岩浆-热液阶段的磷酸盐矿物,过渡到热液阶段的氟碳酸盐矿物,最后变为脉状矿化阶段的含Ba氟碳酸盐矿物。稀土氟碳酸盐和独居石通常与磷灰石、重晶石、萤石和霓石共生,但前者倾向与磷灰石和重晶石共生,而后者则与萤石和霓石共生。稀土及铌矿化在各矿化阶段富集程度的一致性表明两者在碳酸岩浆及热液活动中具有相似的运移方式,但矿物学特征所表现出的明显差异暗示两者的沉淀应该受控于不同机制。中元古代成矿事件是碳酸岩浆系统发生自交代及与围岩发生霓长岩化作用的产物,并且不同阶段具有明显的连续性。而脉状矿化是古生代时期俯冲板片脱水流体对早期成矿物质溶解、均一化以及再沉淀的产物。

4.2 白云鄂博矿床矿化和蚀变元素分布特征

火成碳酸岩是全球轻稀土矿床最主要的成矿岩石(Jonesetal., 2013; Anenburgetal., 2020),但全球仅有10%的碳酸岩伴生有稀土矿化(Simandl and Paradis, 2018)。随着碳酸质岩浆演化,轻稀土元素不断富集(Yangetal., 2019)。

白云鄂博稀土矿床不仅富含大量的轻稀土资源,其中、重稀土的总量也较高。本次对白云鄂博主矿、东矿开展的元素地球化学分析,结果表明主采坑比东采坑具有更高的稀土含量,矿体由外围向中心、由浅部向深部有明显的富集现象,而中、重稀土元素的深部富集现象更为明显,表明矿体深部具有更大的中、重稀土资源找矿潜力(图7)。

图7 白云鄂博主矿、东矿轻稀土、中稀土、重稀土和钇元素含量分布图图中曲线均代表含量等值线,粗线条为高值异常区,图9、图10同Fig.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

白云鄂博矿床中、重稀土元素主要富集在块状萤石型及霓石型矿石中,在条带状矿石中也有分布。块状萤石型矿石主要组成矿物为萤石、磁铁矿、稀土矿物、磷灰石以及少量霓石、闪石及云母,中、重稀土平均含量为1595×10-6,最高可达2295×10-6。块状霓石型矿石主要组成矿物为霓石、磁铁矿、稀土矿物以及少量萤石、闪石、磷灰石、石英,中、重稀土平均含量为1815×10-6,最高可达3701×10-6。白云鄂博不同类型矿石轻、重稀土元素的含量呈明显的线性正相关(图6),没有发生明显的轻、重稀土元素分馏。

聚类分析结果表明(图8),轻、重稀土元素紧密伴生,主要以磷酸盐矿物的形式存在。萤石化同样与稀土矿化关系密切,REE含量分布与F元素分布高度重合(图9c),稀土氟碳酸盐是主要的富稀土元素矿物,这表明F是重要的沉淀成矿元素,也暗示F对于成矿的关键作用及其含量作为找矿标志的潜力。

图8 白云鄂博不同类型矿石中主量和稀土、微量元素聚类关系图Fig.8 Cluster relationship of major, rare earth and trace elements in different types of ores in Bayan Obo deposit

图9 白云鄂博主矿、东矿氟、钠、钾和磷元素含量分布图Fig.9 Distribution maps of fluorine, sodium, potassium and phosphorus element content in Bayan Obo Main Orebody and East Orebody

富碱(Na、K)热液蚀变是全球大多数碳酸岩的重要特征(Mitchell, 2015)。富碳酸质熔体在源区经部分熔融形成后,无论是经历结晶分异还是不混融作用,都会导致稀土和碱性组分在熔体中进一步富集。当碳酸岩在浅层侵位后残余富K、Na流体与硅质围岩发生霓长岩化作用,促使稀土元素的大量沉淀。目前几乎所有的成矿碳酸岩均伴随强烈的霓长岩化作用。由于残余的富碱流体具有低粘度特征,其可在多孔隙围岩中渗透数千米,形成宽广的霓长岩化带。白云鄂博稀土-铌-铁矿床的热液蚀变和矿物组合特征前人已有详细的研究(Chaoetal., 1992; Lingetal., 2013; Smithetal., 2015; Liuetal., 2020; Sheetal., 2021)。

本次系统的成矿地球化学研究表明,白云鄂博主矿、东矿区的霓长岩化作用十分强烈,是成矿流体的活动中心。Na元素分布中心靠近霓长岩化矿体及下盘赋矿白云岩内,表明钠化蚀变是白云鄂博矿床的主要蚀变类型,与矿体富含霓石、钠闪石等蚀变矿物的特征相符,代表了早期高温蚀变过程。白云鄂博主矿、东矿区K元素富集中心主要位于矿体上盘的云母岩和富钾板岩内,代表了晚期低温蚀变过程。造成这种蚀变分带特征的原因一方面可能是K元素相比于其他碱金属元素更为活泼更易迁移,在碳酸质岩浆侵位过程中可以有更大的迁移距离;另一方面,岩浆热液的活动可以使围岩板岩中原有的K元素再活化并随流体向浅部迁移。白云鄂博的K、Na蚀变分带特征与世界其他地区的碳酸岩类似,例如位于加拿大的Wicheeda碳酸岩体,其钾化蚀变主要发育在杂岩体的中心浅部,而钠化蚀变则是在杂岩体的外围深部出现(Trofanenkoetal., 2016)。模拟计算结果表明,温度升高会促使钠长石稳定域范围扩大,而钾长石稳定域会相应的减小,因此钠长石的高温稳定性要明显强于钾长石(Trofanenkoetal., 2016),碳酸岩体早期发育钠化蚀变为主,而晚期发育钾化蚀变为主。

总体而言,特征蚀变元素K、Na(图9a, b)的异常要明显超过稀土-铁矿体的分布范围,在矿体外围存在多个异常中心,尤其是钾化蚀变主要发育在矿体的上部。综合元素地球化学的分析结果,钾化、萤石化及P的异常是碳酸岩型稀土矿最主要的浅部找矿指标。

4.3 白云鄂博中、重稀土和Nb资源综合利用潜力

成矿元素组成分析结果表明,Nb元素的富集中心主要出现在主矿体中部及北侧和西侧,这与中、重稀土元素异常中心相吻合(图7、图10a),而略偏移于轻稀土矿化中心,这暗示两类元素虽然在矿床尺度可以伴生成矿,但在矿石尺度因其具有不同的元素性质而具有不同的矿物组成和沉淀条件。基于镜下矿物组合观察,稀土元素的结晶矿物主要为磷酸盐和氟碳酸盐,这些矿物中以富集轻稀土元素为特征,而Nb元素主要以富含重稀土元素(Y)的氧化物形式沉淀,如褐钇铌矿、铌钇矿、易解石、铌铁矿、铌钙矿、烧绿石等,其中褐钇铌矿(∑HREE=33.8%～36.2%)、铌钇矿(∑HREE=14.9%～28.6%)、易解石(∑HREE=3.38%～4.69%)等富铌矿物中的中、重稀土含量就非常高(Zhanetal., 2023),相比于轻稀土元素,中、重稀土和Nb元素具有更为密切的共生关系,因此白云鄂博矿床具备Nb与中、重稀土资源综合利用的物质基础。

图10 白云鄂博主矿、东矿铌、钍、钡和铁元素含量分布图Fig.10 Distribution maps of niobium, thorium, barium and iron element content in the Bayan Obo Main Orebody and East Orebody

作者对白云鄂博现行选矿流程的中、重稀土元素分布及走向进行了考查,结果显示中、重稀土元素在选铁过程中,有96.4%进入选铁尾矿,中、重稀土品位由原矿中0.24%提高到0.31%;选铁尾矿进一步分选稀土获得稀土精矿,中重稀土元素回收率54.1%,品位提高到1.2%;之后有42.4%中、重稀土元素进入到稀选尾矿,最后由稀选尾矿分选Nb,而这部分稀选尾矿中的主要矿物组成正是前文提到的富铌、富中重稀土的氧化物,应作为主要的Nb和中、重稀土元素资源进行综合利用。

5 结论

白云鄂博矿床形成于中元古代大陆裂谷背景。白云鄂博矿床的赋矿白云岩为幔源岩浆成因。碳酸岩浆热液与围岩的霓长岩化作用过程促进了稀土的再次富集。早古生代古亚洲洋闭合过程中俯冲带流体的叠加造成稀土的活化迁移。碳酸岩浆阶段浸染状矿化稀土和铌总量相对较低,稀土矿物主要为独居石和氟碳铈矿。岩浆-热液阶段条带状矿化稀土和铌含量显著增加,为矿化最为强烈阶段,稀土矿物主要为氟碳铈矿和独居石。热液阶段块状矿化稀土和铌矿化程度减弱,稀土矿物主要为黄河矿和氟碳铈矿,该阶段形成了白云鄂博最富集的铁矿石。

白云鄂博主采坑比东采坑具有更高的稀土含量,矿体由外围向中心、由浅部向深部有明显的重稀土富集的现象。成矿元素Nb的异常范围与HREE的异常范围相吻合,表明二者具有密切的共生关系,白云鄂博现行选矿工艺在稀选尾矿中富集了大量的Nb和HREE元素,具有相当高的综合利用价值。蚀变元素F的异常范围与稀土-铌-铁矿体的分布范围相一致,是重要的沉淀成矿元素。蚀变元素P的异常要明显超过稀土-铌-铁矿体的分布范围,是重要的迁移载体元素。钠化蚀变主要出现在矿体下盘含稀土白云岩中,代表早期高温蚀变过程。钾化蚀变主要发育在矿体上盘的富钾板岩中,代表晚期低温蚀变过程。钾化、萤石化及磷的异常是碳酸岩型稀土矿床最主要的浅部和外围示矿指标。

致谢野外工作得到包头钢铁(集团)有限责任公司白云鄂博铁矿和巴润矿业有限责任公司的大力支持;杨晓勇教授及匿名评审人提出的宝贵意见使论文质量有了明显提升;在此一并表示衷心的感谢!