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    以人為本 服務至上 科學管理 勤政高效

    地質地球所再探白云鄂博礦床巨量稀土富集的時間之謎取得成果

      

      隨著現代高新產業及國防工業的快速發展,稀土成為世界各國高度重視的戰略礦產。我國內蒙古白云鄂博礦床是世界最大的稀土礦,其資源量接近世界稀土總量的1/2。除稀土外,該礦床還蘊藏有豐富的鈮(世界第二大鈮礦)、鈧和釷等關鍵金屬,以及鐵、氟、磷等元素。自丁道衡先生1927年在白云鄂博首次發現鐵礦體,何作霖先生1935年在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礦床開展了大量勘查和研究工作,并取得諸多重要的成果。但白云鄂博礦床的巨量稀土是何時富集以及如何富集的,仍是未解之謎。 

      20世紀60年代至今,不同學者對白云鄂博礦床的成礦年代學開展了大量工作,獲得的年齡從16億年跨至2.5億年,其中在14-12億年及5-3億年存在兩個峰值。復雜的定年結果導致對成礦過程產生明顯不同的認識,主要包括:1)稀土成礦發生在中元古代,和當時發育的裂谷碳酸巖有關,礦床形成后經歷了長期/多期改造;2)稀土預富集發生在中元古代,但成礦發生在早古生代,成礦和古亞洲樣板片向華北克拉通北緣俯沖有關;3)稀土多次富集,造就該礦床儲量大和品位高的特點。上述成礦過程的巨大爭議阻礙了對稀土富集成礦機理的進一步認識。 

      為厘清白云鄂博礦床巨量稀土富集的時代,中科院地質與地球物理研究所李曉春副研究員、范宏瑞研究員、楊奎峰副研究員、楊岳衡正高級工程師、郝佳龍高級工程師,聯合香港大學周美夫教授,澳大利亞Adelaide大學Carl Spandler教授對白云鄂博礦床重新開展了系統的年代學研究。他們在礦區內進行了大范圍采樣,并對礦石中的稀土礦物獨居石和氟碳鈰礦開展了詳細的結構研究以及Sm-NdTh-Pb同位素分析。 

      研究顯示,礦床中絕大多數稀土礦物都經歷過熱液改造(圖1)。被改造礦物的SmNd含量在礦物和手標本尺度上相對均一(圖2),Sm-Nd同位素組成在手標本尺度上相對均一(圖3),說明熱液改造過程中SmNd的活動性低。在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd圖解中,被改造礦物的成分幾乎沿一條直線分布,表明Sm-Nd同位素體系在熱液改造過程中相對穩定。因此其等時線年齡可以代表稀土成礦的時代(~13億年;圖3)。 

      對稀土礦物進行Th-Pb同位素定年,獲得了一系列小于13億年的年齡(圖4)。觀察顯示,Pb在稀土礦物內分布不規則(圖2),此外單個樣品尺度Pb含量往往隨Th-Pb年齡減小而降低(圖5)。這些現象均表明樣品在后期熱液改造過程中發生了不同程度的Pb丟失。因此,很多Th-Pb同位素年齡應該是同位素體系被擾動的結果,沒有實際的地質意義。多個樣品中最小的年齡為4.5-4.0億年或2.8-2.6億年,且相似的最小年齡在多個樣品中出現,暗示了這些年齡很可能是Th-Pb同位素體系被完全重置的結果,可以代表礦物被改造的時代。此外,礦石中少數發育有生長結構的稀土礦物,其年齡為4.5-4.0億年或2.8-2.6億年(圖4),同樣表明礦區內存在早古生代和晚古生代兩期熱液活動。古生代新生稀土礦物的Nd同位素組成十分接近13億年礦石的Nd同位素演化線(圖5),表明其生長所需的稀土應該為中元古代礦石中的稀土活化而來,外來物質貢獻不明顯。 

    1 a)富稀土的條帶狀礦石;(b)礦石顯微照片,可見稀土礦物密集分布;(c)和(d)獨居石和氟碳鈰礦經歷了熱液改造,在BSE圖像下呈現復雜的結構

    2 獨居石和氟碳鈰礦NanoSIMS元素掃描圖,可見SmNd分布相對均一,但是Pb208Pb/232Th分布復雜,說明熱液改造過程中Sm-Nd同位素體系相對穩定,Th-Pb同位素體系被擾動

    3 獨居石和氟碳鈰礦Sm-Nd同位素成分呈線性分布,等時線年齡約為13億年(圖中不同符號代表不同樣品) 

    4 改造及新生獨居石Th-Pb年齡頻譜圖 

    5 Pb含量隨Th-Pb年齡減小而降低,說明礦物熱液改造過程伴隨不同程度Pb丟失 

    6 古生代新生稀土礦物的Nd同位素組成十分接近13億年礦石的Nd同位素演化線,表明古生代沒有外來稀土的明顯加入

      以上研究表明,白云鄂博礦床的巨量金屬堆積發生在13億年左右,礦床形成后分別在早古生代(4.5-4.0億年)和晚古生代(2.8-2.6億年)經歷了兩次改造。改造過程導致了稀土活化,但沒有資源量的明顯增加。前人對白云鄂博礦床的定年結果存在迥異的地質解讀,但傳統的分析手段難以對不同的觀點做出評判。本研究通過NanoSIMS進行微量元素面掃描,直觀排除了部分沒有地質意義的定年結果;此外結合原位Th-PbSm-Nd同位素分析結果,有效地區分了成礦和后期改造事件。因此,該研究為厘清白云鄂博礦床的成礦-演化歷史提供了關鍵證據,并為進一步研究該礦床的稀土超常富集機理提供了重要基礎。 

      值得指出的是,近年來副礦物微區定年技術的進步有力地推動了礦床定年工作。但越來越多研究表明,地質背景復雜的礦床(如稀土礦床、IOCG礦床、IOA礦床等)往往具有多期或長期的定年結果。本研究表明,副礦物在后期強烈熱液活動過程中極容易被改造,對其定年獲得的結果需要慎重分析。部分數據可能沒有地質意義,即使其有地質意義,也可能代表改造而非真正的成礦年齡。因此,復雜礦床的定年結果需要結合地質背景及綜合分析手段深入審視以及合理解讀。 

      研究成果發表于國際權威學術期刊GCA李曉春*,楊奎鋒,Carl Spandler,范宏瑞,周美夫,郝佳龍,楊岳衡. The effect of fluid-aided modification on the Sm-Nd and Th-Pb geochronology of monazite and bastnasite: Implication for resolving complex isotopic age data in REE ore systems[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 300: 1-24. DOI:10.1016/j.gca.2021.02.028)。該成果受到國家自然科學基金和地質地球所重點部署項目的資助。 

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