白云鄂博矿床元素空间分布规律及找矿启示.pdf

书书书 （）：岩石学报 ：杨奎锋，范宏瑞，邱正杰等 白云鄂博矿床元素空间分布规律及找矿启示 岩石学报，（）：，：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 ，中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室，北京 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 中国科学院地球科学研究院，北京 包头稀土研究院，包头 ，收稿，改回 ，（）：，：，（），；摘要白云鄂博矿床是全球最大的稀土 铌 铁矿床。本文对白云鄂博矿床主矿、东矿赋矿白云岩、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，揭示了成矿元素稀土、铌和主要蚀变元素钠、钾、氟、磷的空间分布规律。结果表明，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稀土元素（尤其是中 重稀土元素）富集的现象，矿体深部具有更大的中 重稀土元素找矿潜力；成矿元素铌的异常范围与重稀土的异常范围相吻合，表明二者具有密切的共生关系；蚀变元素氟的异常范围与稀土 铌 铁矿体的分布范围相一致，是重要的沉淀成矿本文受国家重点研发计划项目（）、国家自然科学基金项目（）和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（）联合资助第一作者简介：杨奎锋，男，年生，副研究员，矿床学专业，：元素；蚀变元素磷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。关键词稀土 铌 铁矿床；矿化 蚀变元素分布规律；找矿启示；白云鄂博中图法分类号 ；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 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（，；，；范宏瑞等，）。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（，；，；，；，）。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（，；，；，）。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（，）。火成碳酸岩是全球稀土矿床最主要的成矿岩石（，；，）。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（，）。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（，），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 、和主要蚀变元素 、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。地质背景 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 处，大地构造位置处于华北克拉通北缘，北邻中亚造山带（图）。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（；范宏瑞等，）、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（；范宏瑞等，；王凯怡等，）以及东矿南侧的早元古代晚期含石榴石蓝闪石片麻岩（；范宏瑞等，）。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 个岩组和 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 ，峰期年龄为 （范宏瑞等，）。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，；中国科学院地球化学研究所，）。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，），主要于中元古代（）侵入到白云鄂博群和基底变质岩中（张宗清等，；，）。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 （平均品位为 ），铌储量为 （平均品位为 ），铁储量至少 （铁氧化物平均品位为 ）（，）。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）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；，；岩石学报 ，（）：图 白云鄂博矿区地质简图 ，），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 亿年前后侵位于白云鄂博群和基底变质岩中（，；，）。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 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 ）以及古生代富含硫化物的粗粒脉状矿石（，）。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 ）。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 ，也是稀土矿化最强烈的矿石类型。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 ）。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。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 目，取 左右样品平均分为份，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 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，杨奎锋等：白云鄂博矿床元素空间分布规律及找矿启示图 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，修改）及典型矿石和碱性蚀变岩手标本照片 （，），图 白云鄂博主矿、东矿元素分析采样点位 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 荧光光谱仪（荷兰 ）分析；同时称取另一份试样在 下测定烧失量（）；检测限为 ，相对偏差（精密度）小于 ，相对误差（准确度）小于 。运用方法 测样品 含量。称取二份试样，取一份试样于 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 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 荧光光谱仪（荷兰 ，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 有氧灼烧，岩石学报 ，（）：表 白云鄂博矿物组成自动分析结果（）（）浸染状矿石条带状矿石块状矿石矿物含量（）面积占比（）矿物含量（）面积占比（）矿物含量（）面积占比（）白云石 磁铁矿 磁铁矿 独居石 独居石 霓石 透辉石 氟碳铈矿 独居石 透闪石 磷灰石 氟碳铈矿 氟碳铈矿 白云石 磷灰石 铁白云石 黑云母 重晶石 磷灰石 氟碳钙铈矿 金云母 磁铁矿 褐钇铌矿 石英 铌钙矿 铌铁矿 低铁淡闪石 黄铁矿 镁钠闪石 褐钇铌矿 褐钇铌矿 重晶石 铌铁金红石 铌铁矿 镁铁矿 铌钙矿 黑云母 萤石 钛铁矿 钛铁矿 石英 烧绿石 氟碳钡铈矿 铁白云石 铌铁矿 铌铁金红石 阳起石 包头矿 透辉石 重晶石 烧绿石 钛铁矿 黄河矿 注：代表性矿石单个薄片分析结果冷却后再精确称重，试样灼烧前、灼烧后的重量差即是烧失量（）。烧失量和 测得的元素含量（总量以氧化物表示）相加，即是“”；检测限 ，相对偏差小于 ，相对误差小于 。运用 和 测定样品微量元素和稀土元素含量。其中 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，），元素之间的光谱干扰得到矫正后，即是最后的分析结果。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 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，）。方法相对偏差小于 ，相对误差小于 ；方法相对偏差小于 ，相对误差小于 。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、成矿过程划分为个主要阶段（，）。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 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。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 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。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 和图 所示。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 余种（中国科学院地球化学研究所，；，）。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（），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 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。（，）将成矿过程划分为 个阶杨奎锋等：白云鄂博矿床元素空间分布规律及找矿启示图 白云鄂博浸染状矿石（）、条带状矿石（）和块状矿石（）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 霓石；磷灰石；氟碳铈矿；重晶石；方解石；铌铁矿；白云石；褐钇铌矿；铌铁金红石；磁铁矿；独居石；萤石 （），（），（）；段，分别为赋矿白云岩、浸染状独居石矿化