白云鄂博稀土矿床：研究进展与新认识

谢玉玲教授（简介附后）

白云鄂博铁、铌、稀土矿床：研究进展、存在问题和新认识

谢玉玲¹，曲云伟¹，杨占峰²，梁培¹，钟日晨¹，王其伟³，夏加明¹，李必成¹

1北京科技大学土木与资源工程学院

2中国北方稀土（集团）高科技股份有限公司
3包头稀土研究院

导读：

白云鄂博是世界第一大稀土元素矿床，而其成因和成矿过程备受关注，学界对其成因和成矿过程存在不同认识，长期有“水火之争”，关键是对主要岩石单元成因认识无定论。

谢玉玲等最新研究成果，显示矿区过去被认为是下白云鄂博群的H1、H2、H9岩石单元并非沉积变质岩或变质火山岩，而应为岩浆侵入成因。这种矿区主要岩石单元成因的新认识，为矿床成因、成矿背景研究提供了新的依据，为研究区域构造演化、正确厘定矿区构造式样和指导矿区深部和外围找矿提供了新的思路。

内容提纲

 引言

1 白云鄂博铁、铌、稀土矿床地质和资源概况

2 白云鄂博稀土矿床主要研究进展

3 白云鄂博矿床研究相对薄弱之处和存在问题

4 白云鄂博岩石单元新认识及其理论和实际意义

5 结论

 引言

中国是世界最大的稀土生产国和稀土资源国，1995~2017年中国的稀土生产量占世界稀土总生产量的45%~95%（图1a）。中国稀土元素矿床类型多样，包括碳酸岩型、离子吸附型、热液脉型、碱性花岗岩型、伴生稀土矿床等，但碳酸岩型稀土元素矿床是中国稀土的最主要来源，其贡献了中国稀土资源总量的98%左右（图1b）。中国与碳酸岩有关的稀土元素矿床主要分布在内蒙、四川、山东、湖北省区，另外在新疆、河南、陕西等地也有发现，大地构造位置上它们主要沿古老的克拉通边缘分布（图2），包括华北克拉通北缘、东缘、南缘和扬子克拉通西缘，形成4条成矿时代各异的稀土成矿带，分别是中元古代白云鄂博-狼山稀土矿带（如内蒙古自治区的白云鄂博铁、铌、稀土矿床）、早中生代东秦岭-大别稀土矿带（如湖北的庙垭稀土矿床）、晚中生代山东莱芜-淄博-微山稀土矿带（如山东的郗山稀土矿床）和新生代四川冕宁-德昌稀土矿带（如四川的牦牛坪稀土矿床）。中国的碳酸岩型稀土元素矿床无论从矿床规模、成矿背景和研究历史上均具有得天独厚的优势，而白云鄂博在世界稀土资源战略中具有举足轻重的地位，是碳酸岩型稀土矿床的最典型代表。

图1 1995〜2017年中国与世界稀土氧化物生产量(a)及中国不同类型稀土元素矿床的资源贡献(b)

IAR—离子吸附型；CR—碳酸岩型；PR—砂矿型；OR—其他类型；BP—伴生稀土矿床

图2 中国稀土矿床分布及大地构造背景

CR—碳酸岩型；IAR—离子吸附型；PR—砂矿型；OR—其他类型；BP—伴生稀土矿床；F—深断裂；NCC—华北克拉通；TM—塔里木地块；CAO—中亚造山带；SGO—松潘-甘孜造山带；CCO—中央造山带；YC—扬子克拉通；CC一华夏地块；AHO—阿尔卑斯-喜马拉雅造山带。

由于白云鄂博巨大的经济意义和独特的成矿背景，从20世纪50年代至今，来自海内外的学者对白云鄂博矿床的地质、地球化学进行了大量的工作，在矿床地质特征、赋矿碳酸岩的成因、成矿年代、稀土矿物学等方面取得了一系列重要进展。但是，由于矿床经历了多期成矿后构造变形和热液蚀变，其地质和地球化学特征十分复杂，研究难度大，因此也造成其成因和成矿过程一直饱受争议。强烈的变形和热液蚀变造成矿区出露的主要岩石单元的原岩结构难以保留，矿物组成变化较大，这也导致了对矿区前寒武纪岩石单元成因认识上的分歧。

本文在综合前人研究成果的基础上，对白云鄂博稀土矿床的研究进展和存在问题进行评述，同时，基于笔者在白云鄂博稀土矿床的新发现，提出了一些新的认识。

1  白云鄂博铁、铌、稀土矿床地质和资源概况

白云鄂博矿床最早由丁道衡先生作为铁矿床发现于1927年，详细的勘查工作集中在20世纪50年代后（表1；据全国地质资料馆网上资料）。1950〜1953年，由地质部241队对主矿、东矿、西矿进行了较为详细的勘查，提交了《白云鄂博铁矿勘探报告》（表1），共探获铁矿石资源量713.59Mt，稀土氧化物（REO）资源量110.02M（t表1）。20世纪50年代至80年代和2000年以后，不同地质勘查单位又多次对主矿、东矿、主东矿下盘白云岩、西矿、北矿、白云鄂博外围进行了地质勘查（表1）。按目前已有的资料统计，白云鄂博矿区总计探获铁矿石量1160Mt，稀土氧化物112Mt。

表1 白云鄂博1950年以来的主要勘查历史和资源概况

白云鄂博铁、铌、稀土矿床位于包头市以北约150km处，大地构造位置位于华北克拉通北缘。华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，经历了自元古宙以来复杂的构造演化，包括古元古代末期一新元古代的多期裂谷事件、古生代与俯冲有关的多期岩浆、变质和变形作用等。长时间的构造演化造成了矿床复杂的地质和地球化学特征，也导致对矿床的成矿背景、成矿时代、成矿过程认识的分歧。

袁忠信等（1995）和张宗清等（2003）认为，矿区出露的地层包括古元古界色尔腾山群和中元古界白云鄂博群。色而腾山群主要由斜长绿泥片岩、石英黑云绿泥片岩、角闪斜长片麻岩和混合岩组成，分布于矿区东北部（图3）。白云鄂博群可分为6个岩组和18个岩性段，矿区内主要出露下白云鄂博群的H1〜H9岩性段，其岩性如表2所示。尽管对H8的岩石学属性前人曾提出多种不同的成因认识，但越来越多的年代学和地球化学证据支持岩浆碳酸岩的成因观点，而对下白云鄂博群其他岩石单元则普遍被认为是一套沉积变质岩或变质火山岩。笔者最近的研究发现，矿区出露的下白云鄂博群中所谓的砾岩和部分砂岩可能为糜棱岩化的长英质侵入岩，而H9岩石单元中的“黑云母板岩”和“暗色板岩”是碳酸岩的组成部分，也是岩浆侵入成因。因此，除H8岩石单元外，白云鄂博群其他岩石单元的成因仍值得商榷。

表2 白云鄂博矿区主要岩石单元的岩性特征

矿区断裂构造特别发育，包括近EW向、NWW向和NW向、NE向、NS向，断裂造成矿区岩性单元走向上不连续。矿区主要断裂构造以近EW向为主，包括北侧的赛乌素韧性剪切带、宽沟断裂、白云鄂博矿区南侧的逆冲断层和韧性剪切带等，还发育NE向、NW向断裂。从矿区碳酸岩和其他岩石单元的变形特征看，无论是H8还是H1〜H7，均显示了韧性剪切变形的特征，矿区整体应处于一个巨形韧性剪切带中，矿区北侧的赛乌素韧性剪切带和矿区南侧的韧性剪切带可能都是该巨型韧性剪切带的一部分，但仍需进一步的工作证实。

矿区内侵入岩发育，包括中元古代岩浆碳酸岩、前寒武纪基性脉岩和矿区南部大面积出露的晚古生代中酸性侵入岩。矿区的岩浆碳酸岩整体呈EW向的带状展布，延长约18km，南北宽可达3〜4km。矿区南部的中酸性侵入岩包括石英二长岩、花岗岩等，锆石U-Pb年龄在243.2~293.8Ma之间，表明其为晚二叠纪一早三叠纪的产物，形成于后碰撞环境。矿区内的基性脉岩包括辉长岩、煌斑岩、辉绿岩，还发现有钠长岩脉、正长岩脉等，但对矿区各类岩脉的研究相对较少。

白云鄂博矿区的主要矿体包括主矿、东矿和西矿，主矿和东矿呈巨大的透镜状，而西矿由一系列近EW向排列的小矿体组成，另外在主矿的北部约5km处发现有北矿，呈NW向产于花岗岩与板岩的接触带，矿区外围也发现了多处稀土矿化，如东介勒格勒、菠萝头山等（图3）。

图3 白云鄂博稀土矿床地质简图碳酸岩脉规模未按实际比例绘制，有夸大；地层单位与岩石单元的对应关系和岩性组成参见表2。 

2 白云鄂博稀土矿床主要研究进展

白云鄂博由于其巨大的经济意义和独特的地质特征而吸引了众多海内外学者的目光。20世纪50年代至今，特别是20世纪80年代以后，来自海内外的学者对白云鄂博的地质、地球化学进行了大量的工作，在成矿地质背景、赋矿碳酸岩的成因、成矿年代、稀土矿物学等方面取得了一系列重要进展。

2.1 成矿地质背景

碳酸岩做为典型的幔源岩浆岩，其形成于张性构造背景下，主要与大陆裂谷、地幔柱活动或大规模走滑断裂有关。白云鄂博稀土矿床地处华北克拉通北缘，前人基于对成矿碳酸岩不同的成因认识和年代学结果，提出了白云鄂博稀土碳酸岩多种不同的成岩背景认识。

王楫等(1992)等对白云鄂博-狼山裂谷系进行了系统的研究，提出白云鄂博稀土矿床产于元古宙裂谷中，成矿与陆缘裂谷活动有关。周建波等(2002)基于白云鄂博群沉积成因认识提出，白云鄂博群可以划分为3个沉积组合，它们分别代表中元古代、新元古代和早古生代白云鄂博地区由陆内裂谷向陆缘裂谷转化到活动大陆边缘裂谷的沉积过程，即中元古代时其应处于陆内裂谷环境。Fan等(2016)基于前人对哥伦比亚超大陆裂解的发育时限和白云鄂博成矿碳酸岩的定年结果提出，白云鄂博稀土成矿与哥伦比亚超大陆裂解有关。也有学者认为，赋矿碳酸岩为白云质火山岩，是白云鄂博陆缘裂谷早期裂陷阶段岩浆活动的产物。尽管仍有学者对白云鄂博矿床赋矿白云岩的成因持不同观点，认为其形成于早古生代被动大陆边缘环境，为热水沉积成因，但大多数学者支持白云鄂博稀土矿床形成于伸展构造背景，与裂谷活动有关。

2.2 赋矿碳酸岩的成因和成岩年代

白云鄂博赋矿“白云岩”的成因一直是研究的热点和争议的焦点。前人基于地质、地球化学研究结果曾提出了多种不同的成因认识，包括喷出碳酸岩成因、侵入碳酸岩成因、海相沉积成因、热水沉积成因、火山喷气沉积成因、岩浆热液交代成因、碳酸岩流体交代沉积碳酸盐岩成因、经热液叠加改造的沉积岩成因、来自俯冲板片富硅流体交代沉积碳酸盐岩成因等。近年来，越来越多的年代学和地球化学证据支持岩浆碳酸岩的成因观点，此认识被越来越多的学者接受。

对于碳酸岩的侵位年龄也长期存在争议，前人曾对矿区H8赋矿白云岩、碳酸岩脉进行了大量的年代学研究，包括锆石U-Pb、全岩和单矿物Sm-Nd、黑云母和钠铁闪石的K-Ar、Ar-Ar定年等，已报道了从太古宙至晚古生代的多种年龄数据。有学者认为矿区可能经历了多期成矿事件，包括中元古代和古生代。近年来，随着现代测年技术的提高和新方法的应用，越来越多的年代学数据支持中元古代幔源碳酸岩的观点，认为其侵位年龄应在1.40~1.25G。白云鄂博地区除了具有克拉通基底的岩石记录(2.4~2.5Ga)以外，还存在有2.0Ga的岩浆活动，以及~1.9Ga的一期强烈变质事件，因此已报道的较老的成矿年龄数据(>1.9Ga)可能是由于碳酸岩在侵位过程中捕获了围岩(基底岩石)中的锆石所致，而其他相对较新的的成岩、成矿年龄数据(1000~400Ma)则被认为是受到后期热挠动的结果。

2.3 稀土矿物学研究取得重要进展

白云鄂博矿床的矿物组成极其复杂，是一座天然的矿物宝库，特别是稀土矿物类型多样。杨学明等(1999)、张培善等(2001)和Zhang等(2002)对白云鄂博的矿物学进行了大量的工作，基于白云鄂博矿床矿物组成的研究，发现和命名了一批新矿物。至20世纪90年代，在白云鄂博发现的新矿物已将近20种，其中11种被国际矿物学会(IMA)新矿物命名与分类委员会认定，包括黄河矿一Ba(Ce，La，Nd)(CO₃)₂F、氟碳铈钡矿一Ba₃Ce₂(CO₃)₅F₂、白云鄂博矿一NaBaCe₂(CO₃)₄F、铈褐钇铌矿一(Ce，La，Nd，RE，Th)(Nb，Fe)O₄、钕褐钇铌矿一(Nd，Ce，RE，Fe)(Nb，Ti)(O，OHL、钕易解石一(Nd，Ce，Ca，Th)(Ti，Nb，Fe³⁺)₂(O，OH)₆、铌易解石一(Ce，Nd，Ca，Th)(Nb，Ti)₂(O，OH)₆、包头矿一Ba₄(Ti，Nb，Fe₈)O₁₆Si₄O₁₂Cl、钡铁钛石一Ba(Fe，Mn)₂Ti(O，OH，Cl)₂(Si₂O₇)、大青山矿一Sr₃RE(PO₄)(CO₃)(OHF)₂、硅镁钡石一KBa(Al，Sc)(Mg，Fe²⁺)₆Si₆O₂₀F₂。1965年发现氟碳铈钡矿一Ba₃Ce₂(CO₃)₅F₂，它被认为是岩浆期后热液交代碳酸岩而形成的。白云鄂博矿，由傅平秋等(1987)发现，被认为是含Na的氟碳酸盐类稀土矿物，主要产于白云鄂博强烈钠辉石化的碳酸岩型铌稀土矿石中。随着氟碳钡铈矿含有Na和少量Ca及空位的现象被证实，白云鄂博矿被确认为与氟碳铈钡矿为同一矿物种。中华铈矿一Ba₂(Ce，La，Nd)(CO₃)₃F亦被库哈恩柯矿一Ba₂Ce(CO₃)₃F所取代。

    进入21世纪，关于白云鄂博矿物学的研究又有了新的进展，张培善石、丁道衡矿、杨主明矿等新矿物被陆续发现。张培善石(Zhangpeishanite)—BaF-Cl，由Shimazaki等(2008)发现于萤石中，呈矿物包裹体形式产出，属于氟氯铅矿族；丁道衡矿(Dingdao-hengite)一Ce₄Fe²⁺Ti₂Ti₂(Si₂O₇)₂O₈，产出于花岗岩与碳酸岩接触带处的Mg矽卡岩中，属于硅钛铈钇矿族；杨主明矿(Yangzhumingite)一KMg₂.₅Si₄O₁₀F₂，由Miyawaki等(2011)发现，产出于变质碳酸岩中，属于云母族。到目前为止，白云鄂博被认定的新矿物种数已达13种，约占中国新矿物种数的九分之一，对于中国矿物学研究具有重要意义。

除发现和命名了一批新矿物外，白云鄂博的富Sc矿物研究也取得重要进展，发现了多种富Sc矿物，包含铌铁金红石、硅镁钡石、硅钛铈钇矿和霓石等(杨主明等，2007；Shimazakietal.，2010)，为矿区钪资源的开发和利用提供了重要依据。

3 白云鄂博矿床研究相对薄弱之处和存在问题

尽管白云鄂博研究者众多，研究历史悠久，但至今在矿床成因、稀土元素富集机理、成矿地质背景等方面仍存在不同见解，在基础地质方面其认识仍多沿用了20世纪50年代至90年代的区域地质资料。综合前人研究成果和笔者最近在白云鄂博矿区的新发现，笔者认为目前白云鄂博矿床研究中存在的主要问题或研究相对薄弱之处主要包括以下几个方面：

(1)基础地质研究仍需加强，矿区前寒武纪岩石单元的成因值得商榷

白云鄂博研究和开发历史悠久，对矿区地质、地球化学前人进行了长期的工作，但研究的焦点主要集中在赋矿碳酸岩本身，而对矿区其他岩石单元，特别是H1~H7的研究相对较少，多沿用了前人区域地质调查的成果。

H1~H7岩石单元一直被认为是一套沉积变质岩，岩性包括砂岩、砾岩、石英岩、板岩、灰岩等。对H9岩石单元的研究较H1~H7稍详细，其主体仍被认为是变质沉积岩或变质火山岩，而对矿区H9板岩中的富钾板岩更是提出了多种不同的成因认识，包括热水沉积成因或热液交代成因等，但总体仍属地层的研究范畴。笔者最近的研究表明，矿区出露的所谓“砂岩、砾岩、板岩”并非变质沉积岩或变质火山岩，其中至少大部分为岩浆侵入成因(详见后文)，因此，矿区主要岩石单元的成因研究仍需进一步深入。

(2)碳酸岩的母岩浆性质、岩浆演化研究仍较薄弱

尽管越来越多的学者支持白云鄂博赋矿“白云岩”(H8)为碳酸岩的观点，但与世界大多稀土碳酸岩常与同期的碱性硅酸岩共生不同，白云鄂博未见与碳酸岩同期的碱性侵入岩的报道，是否存在碱性硅酸岩与碳酸岩熔体的不混溶缺少直接证据。白云鄂博碳酸岩成分变化较大，除典型的白云石碳酸岩、方解石碳酸岩、方解石-白云石碳酸岩外，还发育有富磁铁矿和萤石、富黑云母的多种碳酸岩等。前人对矿区碳酸岩、H9板岩进行了详细的地球化学研究，但由于赋矿碳酸岩的岩石组成复杂、空间分布不均，另外，受碳酸岩侵位后多期岩浆-热事件的影响，矿区蚀变发育、蚀变矿物组成复杂，也给碳酸岩的原岩性质、源区特征研究带来一定的困难。笔者最近研究发现，矿区H9岩石单元中的黑云母岩(前人称黑云母板岩或黑云母片岩)、富黑云母碳酸岩(前人称暗色板岩)为碳酸岩体的组成部分，其分布于碳酸岩两侧，与碳酸岩无明显边界，可能是碳酸岩体的一部分，代表了碳酸岩的岩相分带。目前，对矿区碳酸岩的母岩浆性质、岩浆演化的认识是基于H9为碳酸岩围岩的基础上提出的，有一定的局限性。

(3)稀土元素来源、迁移、富集及沉淀机理研究仍有待深入

对矿区稀土元素的来源、迁移与富集机理，前人进行了一定的工作，但仍存在认识上的分岐。基于碳酸岩的不同成因认识和矿床成因认识，前人提出了包括陆源风化产物、幔源碳酸岩浆、古生代中酸性侵入体有关、俯冲带富硅流体等多种认识，但仍以碳酸岩的观点占主导地位。

关于碳酸岩的成因目前存在不同认识，有学者认为其可以直接由地幔的低程度部分熔融形成，也有学者认为其母岩浆应该是碳酸盐化硅酸岩浆，其上侵到地壳浅部发生碳酸岩浆与碱性硅酸岩浆的不混溶，或多相不混溶形成，在不混溶过程中稀土元素倾向于进入碳酸岩浆，因此造成碳酸岩稀土元素富集。也有学者认为，碳酸岩浆是硅酸岩浆经强烈分异形成，结晶分异是造成残余碳酸岩浆稀土元素的富集的主要机制。

做为典型的幔源岩浆岩，碳酸岩在世界范围内并不稀少，但其中只有少数发育稀土矿化。Woolley等(2008b)建立了世界上已发现的527个碳酸岩产地的数据库，而近年在中国的西藏地区、内蒙古赤峰地区、内蒙古丰镇地区、四川攀枝花地区、河北省怀安地区，以及越南等地相继发现一系列碳酸岩产地，目前世界上发现的碳酸岩产地保守估计应在550个以上，但世界上已知的碳酸岩型稀土矿床不足100个。已有的碳酸岩岩石化学分析表明，不成矿的碳酸岩稀土元素含量一般并不高，多在nx10^-4以内，但成矿碳酸岩的稀土元素含量可以非常高，特别是轻稀土元素，可以达到原始地幔的几万倍(图4)，但对造成成矿碳酸岩轻稀土元素强烈富集的原因目前尚不清楚。

图4 世界典型矿床成矿碳酸岩的稀土球粒陨石标准化曲线

前人研究表明，富稀土元素的地幔源区是形成稀土碳酸岩的关键，而俯冲板片流体或熔体交代及富稀土元素的大洋沉积物再循环是造成地幔源区富稀土元素的主要原因。现在海底调查结果表明，大洋沉积物稀土元素含量高，稀土元素总量可以达到nx10^-3，特别是远洋沉积物和大洋锰结核中稀土元素含量更高，其俯冲交代可以形成富稀土元素的地幔源区。大洋沉积物中不仅富集轻稀土元素，其重稀土元素含量也很高，轻、重稀土元素分异不强烈，因此，大洋沉积物再循环是造成源区稀土元素富集的原因，但不能造成成矿碳酸岩轻稀土元素强烈富集的特征。实验地球化学结果表明，地幔低程度部分熔融过程中可以形成碳酸岩岩浆，且可造成碳酸岩中稀土元素，特别是轻稀土元素富集，但相对于其地幔源岩，其稀土元素富集系数并不大(n~nx10)，且轻、重稀土元素富集系数差别较小与成矿碳酸岩轻稀土元素强烈富集的特征不同。笔者认为，除源区稀土元素富集外，碳酸岩浆演化和岩浆流体转化过程中稀土的进一步富集和轻、重稀土元素分异可能是造成稀土成矿的重要原因，但对碳酸岩浆演化过程和熔-流体转化过程中稀土元素的富集和分异机理仍缺少系统的研究。

(4)成矿流体研究相对较薄弱，硫酸盐在白云鄂博稀土元素迁移及富集中的作用未得到足够重视

碳酸岩流体是白云鄂博稀土成矿的关键。前人对白云鄂博稀土矿床的含矿碳酸岩、蚀变围岩和周边碳酸岩脉中主要组成矿物(如方解石、重晶石、萤石、石英)中的熔流体和流体包裹体进行了一定的工作，但由于矿区经历了多期的变形、变质，给流体包裹体研究带来很大困难，也导致了对流体出溶机制、出溶流体性质、稀土元素迁移和沉淀机理认识上的分歧。Smith等(2000)认为，白云鄂博稀土成矿流体演化早期为高温、高压的富CO₂流体，晚期演化为低温、低压的富水流体矿化发生在流体演化晚期较低的温度下。Fan等(2004；2006)对稀土矿石中萤石、石英中流体包裹体研究表明其包裹体类型包括二相和三相的富CO₂流体包裹体、三相的高盐度流体包裹体和二相的水溶液流体包裹体包裹体均一温度变化范围较大(100~450T)，并提出与白云鄂博稀土-铌矿化有关的流体为HgO-CO₂-NaCl-(F-REE)流体体系，其中，含子矿物的流体包裹体中发现有钾石盐、重晶石和稀土碳酸盐子矿物。白云鄂博稀土矿石中含大量硫酸盐矿物(如重晶石)、流体包裹体中也发现有硫酸盐子矿物，表明白云鄂博成矿流体是富含SO₄^2-的。另外，Qin等(2007)在白云鄂博稀土矿床的萤石中也发现了含多子晶的熔流体包裹体，其包裹体类型和岩相学特征与牦牛坪稀土矿床发育的富硫酸盐熔流体包裹体十分相似。笔者最近在条带状铁-稀土矿石的萤石中发现有保存较好的、沿生长环带分布的原生碳酸盐-硫酸盐熔体包裹体(图5a、b)和多相硫酸盐熔体包裹体(图5c、d)，表明成矿碳酸岩熔体及出溶流体中应富含SO₄^2-。

图5 白云鄂博萤石中硫酸盐-碳酸盐和多相硫酸盐熔体包裹体的显微照片和拉曼谱图

a.碳酸盐-硫酸盐熔体包裹体中的硫酸盐相；b.碳酸盐-硫酸盐熔体包裹体中的碳酸盐相；c、d.萤石中多相硫酸盐熔体包裹体。 

近年来，SO₄^2-在稀土元素迁移中的作用得到越来越多学者的重视，从包裹体和地球化学热力学方面证实了硫酸根为稀土元素迁移的主要配体，且含SiO₂的硫酸盐-水体系中硫酸盐具有很高的溶解度和稀土元素迁移能力，但以往的白云鄂博成矿流体研究，对SO₄^2-在稀土元素迁移与沉淀中的作用关注不够，仍有待深入研究。

(5)成矿地质模型有待完善

成矿地质模型是矿床学研究的重要内容，也是指导找矿的最重要依据，其内容涵盖了成矿地质背景、矿床成因、成矿流体特征、矿质迁移与沉淀机制、矿化蚀变特征等多个方面。矿床地质，特别是赋矿岩石的成因是矿床成因研究的基础，也是建立矿床模型的关键，其直接影响了对成矿地质背景、矿床成因、控矿构造式样等的认识。前人对白云鄂博的矿床成因进行了大量的工作，基于H1~H7、H9为变质地层认识初步提出了白云鄂博的成矿地质模型，但其仍不能很好地解释白云鄂博已有的地质、地球化学特征，如板岩与碳酸岩在矿物组成和化学组成上呈现连续变化、铁矿化和稀土矿化紧密共生，同时，对碳酸岩的岩浆演化过程对稀土元素富集和分异的贡献尚缺少系统的工作。

目前，多数学者认为矿区赋矿“白云岩”为碳酸岩，而对矿区其他岩石单元（H1~H7、H9）多被认为是一套变质地层，与成矿无关。笔者最近的研究表明，除H8外，H9岩石单元中的黑云母岩和富黑云母碳酸岩也是碳酸岩体的一部分，是碳酸岩岩相分带的表现，并非前人认为的变质地层。另外，对矿区H1~H7岩石单元的成因也值得商榷，很可能也为岩浆侵入成因（详见后文），因此，已有的基于变质地层认识提出的矿床模型仍需进一步改进和完善。

4 白云鄂博岩石单元新认识及其理论和实际意义

4.1 H1、H2岩石单元的成因

       野外观察发现，在H1岩石单元中所谓变质砾岩和H2岩石单元中所谓变质砂岩中常可见自形的长石，手标本看长石十分新鲜，与一般砂岩、砾岩中碎屑长石常有一定的磨圆度不同。岩相学观察表明，其岩石结构变化于典型的岩浆结构（图6a）和典型的糜棱岩化花岗岩结构（图6b、c）之间，表明岩石明显经历了韧性剪切变形和动态重结晶。在变形较弱的部分，其中长石呈自形晶（图6d），而石英边部和内部发育亚颗粒、亚颗粒旋转重结晶或细粒化现象（图6a、d）。 

图6 白云鄂博矿区北部“砾岩”的显微镜下照片(正交偏光)

a.弱变形域中的花岗结构，石英颗粒边部发育动态重结晶；b.糜棱岩化花岗岩，可见石英内部的亚颗粒旋转重结晶，基质为细粒化石英和钾长石；c.糜棱岩化花岗岩，基质为细粒化的钾长石和石英；d.弱变形花岗岩，其中钾长石呈自形晶，石英发育明显的动态重结晶

Q一石英；Kfp一钾长石

岩矿相和SEM/EDS结果表明，这些所谓的砾岩和粗粒砂岩中矿物组成复杂，包括石英、钾长石、锆石、磷灰石、独居石等。锆石（图7a、b）和磷灰石均呈自形晶产于石英、长石粒间或包裹于长石、石英中，磷灰石以富F的磷灰石为主。锆石的阴极发光显示明显的岩浆震荡环带（图7c、d），表明其为岩浆岩的原生矿物，而非碎屑锆石。

图7 白云鄂博H2岩石单元中锆石的背散射电子图像(BSE)(a、b)和阴极发光图像(CL)(c、d)

Q一石英；Kfp一钾长石；Zr—锆石

H2岩单元中的所谓石英砂岩也显示了韧性剪切带岩石的特征（图8a），其矿物组成以石英为主，并含少量长石、锆石、磷灰石、金红石、磁铁矿等，石英可见波状消光（图8b）和边部的动态重结晶及细粒化现象（图8b~d）有时可见长石的自形晶，且与石英呈现平直的边界（图8c），与变余砂状结构中重结晶形成的结构特征明显不同。这些所谓砂岩的岩石结构和矿物组成指示其可能为岩浆成因。

图8 白云鄂矿区北部H2岩石单元中“石英砂岩”勺岩相学照片

(a、b为同一样品不同放大倍数；c、d与a、b同一样品不同切片位置，正交偏光)

Q一石英；Kfp—钾长石；Bt一黑云母

4.2 H9岩石单元成因新认识及碳酸岩岩相分带的发现

H9板岩是碳酸岩的直接围岩，无论是西矿还是主矿、东矿，碳酸岩南、北两侧均发育有板岩。野外和岩相学结果表明，H9主要岩性包括黑云母板岩（片岩）、暗色板岩、黑色（碳质）板岩和富钾板岩。笔者对采自主矿和西矿的H9板岩进行了详细的岩相学和SEM/EDS分析。结果表明，H9的岩性组成复杂，按其矿物组成可分5类，第一类主要为黑云母组成，并含较多的磷灰石（图9a），前人称之为黑云母板岩；第二类主要由黑云母（或金云母）和碳酸盐矿物组成（图9b、c），前人称之为暗色板岩；第三类主要由碳酸盐矿物组成（图9d），局部发育强糜棱岩化（图9d），前人称为钙质板岩；第四类主要由石英、钠长石组成，前人称之为硅质板岩，第五类主要由钾长石组成，即前人所说的富钾板岩。

 

图9 白云鄂博H9岩石单元不同岩性的显微岩相学照片(透射光，正交偏光)

a.黑云母岩；b、c.富黑云母碳酸岩；d.糜棱岩化碳酸岩

Bt—黑云母；Kfp—钾长石；Ap—磷灰石；Cc—方解石；Carb—碳酸岩；M-Carb—糜棱岩化碳酸岩

SEM/EDS结果表明，所谓黑云母板岩的矿物组成主要为黑云母、金云母和磷灰石（图10a、b），并含少量磁铁矿、钛铁矿、辉钼矿、尖晶石、锆钙钛矿、锆石等，显示超镁铁岩的典型矿物组合，应定名为黑云母岩。所谓暗色板岩的矿物组成主要为金云母、黑云母、碳酸盐矿物和磁铁矿（图10c、d），并发现有磷灰石、独居石、氟碳铈矿、重晶石、锆石等，其矿物组成与赋矿碳酸岩基本一致，应为富黑云母的碳酸岩，而主要由碳酸盐矿物组成的岩石单元其矿物组成与碳酸岩一致，主要由白云石、方解石组成，并含少量黑云母、重晶石、氟碳铈矿、磁铁矿等。在H9岩石单元中有时可见硅质板岩中由黑云母岩和富黑云母碳酸岩组成的细小岩脉，脉的外侧主要由黑云母组成，向内为含稀土矿物和重晶石的富黑云母的碳酸岩（图11a），显示出明显的矿物学分带，X射线元素扫面结果（图11b~f）也显示出明显的元素分带特征，其应为碳酸岩细脉。碳酸岩脉两侧主要由钠长石、石英和黑云母组成，可能代表了与碳酸岩同期的钠化、黑云母化蚀变。上述研究结果表明，黑云母岩和富黑云母的碳酸岩构成碳酸岩-硅酸岩杂岩体的一部分，其矿物组成连续变化，其间无明显分界，应代表了碳酸岩的岩相分带。前人对H9板岩的年代学结果也表明，其与碳酸岩具有相似的成岩年龄，全岩Re-Os年龄为（1447±42）Ma，锆石的U-Pb模式年龄为（1505±12）Ma，与H8最新的锆石U-Pb年龄（1418±29）Ma~（1417±19）Ma、氟碳铈矿U-Pb年龄相当，进一步表明H9中的黑云母岩和富黑云母碳酸岩应为成矿碳酸岩的同期产物。

图10 白云鄂博H9岩石单元不同岩性样品的背散射(BSE)电子图像

a、b.富含磷灰石的黑云母岩；c、d.富金云母碳酸岩

Bt—黑云母；Phi—金云母；Apt—磷灰石；Cc—方解石；Mt—磁铁矿；m—钛铁矿；Mo—辉钼矿

图11白云鄂博H9岩石单元中碳酸岩细脉的显微镜下照片(a)和X射线扫面结果(b~f) 

4.3 岩石单元成因新认识在碳酸岩岩浆演化研究和找矿中的意义

岩石成因是成矿地质背景、区域构造演化、矿床成因、矿床模型研究的前提和基础，前人基于矿区主要岩石单元为变质地层的认识曾提出了白云向斜和宽沟背斜的认识，并提出了向斜核部找矿的思路，但近年的勘查结果证实，白云向斜可能并不存在。本文的研究结果表明，H1、H2、H9岩石单元可能并非前人认为的变质地层，而是岩浆侵入成因，那么区内其他与H1、H2、H9岩性相似的岩石单元（H3~H7）的成因也值得商榷。若区内H1~H7和H9并非前人认为的变质地层，那么对白云鄂博矿床的成矿地质背景、矿区构造式样、成矿模型需重新认识。

（1）岩相分带在碳酸岩岩浆演化和稀土元素分异、富集机理中的意义

岩浆的粘度与岩浆的温度、化学组成、挥发分含量、晶体含量有关，碳酸岩岩浆由于其富含挥发分和独特的化学组成，因此其粘度极低，其在侵位过程中的行为更接近于水流体，可以20~65m/s的速率快速上侵。相对于贫硅的碳酸岩，白云鄂博碳酸岩相对硅含量较高（碳酸岩脉w（SiO₂）最高可达12.43%），考虑到黑云母岩和黑云母碳酸岩也为碳酸岩体的一部分，其母岩浆中应具有更高的SiO₂含量，因此其粘度相对于贫硅的碳酸岩要高。白云鄂博碳酸岩呈近EW向厚板状，在板状侵入体的两侧，由于快速的降温会造成高熔点矿物的大量结晶，形成晶粥，并使岩浆粘度进一步增大。上侵动力和粘滞性阻力的共同作用使边缘相中先期结晶出的片状矿物（如黑云母）定向（平行于侵位接触面）形成明显的流动构造，因此，白云鄂博黑云母岩、富墨云母碳酸岩中黑云母的定向并非仅仅由变形作用形成，很可能是原生流动构造的一部分，这在岩石显微结构中也可得到证实。

赋矿碳酸岩H8由外向内具有一定的分带特征，由外向内分别为白云石碳酸岩、条带状富含磁铁矿和萤石的碳酸岩和富磁铁矿的碳酸岩。笔者最新的研究发现，碳酸岩的围岩H9中的黑云母岩、富黑云母碳酸岩也为碳酸岩的一部分，是碳酸岩边缘相的产物。碳酸岩岩相分带的发现为研究碳酸岩的岩浆演化提供了可能。前人对黑云母岩（黑云母板岩）、富黑云母碳酸岩（暗板板岩）的岩石化学结果表明，其稀土元素总量和轻、重稀土元素比值明显低于赋矿碳酸岩，表明碳酸岩边缘相中的黑云母、磷灰石等结晶可能造成了残余熔体中稀土元素，特别是轻稀土元素的进一步富集。基于碳酸岩岩相分带的认识，笔者认为，碳酸岩岩浆演化过程对白云鄂博成矿碳酸岩中稀土元素的富集和轻、重稀土元素的分异具有重要作用，但目前对碳酸岩浆演化过程中稀土元素的分异和富集机理研究较为薄弱。

(2)岩石单元成因和岩相分带新认识对指导矿区及周边找矿的意义

白云鄂博矿区蚀变和变形复杂，这是造成矿床成因、成矿年代、矿区构造式样争议的主要原因。基于H1~H7和H9岩石单元主体为变质地层（变质沉积岩和变质火山岩）这一认识，前人提出了包括宽沟背斜、白云向斜等褶皱式样和向斜核部找矿的思路，但是，近年的勘查结果未证实白云向斜的存在，赋矿白云岩两侧的岩石单元并不完全对应，不同岩石单元的重复出现可能不是褶皱造成的。

笔者认为，矿区的H1~H7、H9岩石单元可能并非变质地层，因此，依据地层重复规律提出的宽沟背斜和白云向斜并不存在。白云鄂博碳酸岩具有一定的岩相分带，黑云母岩、富黑云母碳酸岩是碳酸岩体边缘相的表现，是岩浆演化的结果。岩相分带、岩浆演化控制了碳酸岩体侧向和垂向上的矿物组成和化学组成变化，因此，从碳酸岩的岩相分带的角度重新认识矿区的构造式样及赋矿碳酸岩的产状、空间分布、深部变化规律对指导矿区深部和外围找矿具有重要意义。另外，板岩在矿区普遍发育，除H9岩石单元外，还发育多个板岩岩石单元，如H3和H5，对这些板岩岩石单元的成因仍需进一步研究，其可能为碳酸岩的同期产物，若果真如此，那么其深部的找矿潜力值得重视。

5 结论

(1)白云鄂博是世界第一大稀土矿床，其稀土资源量占目前世界已知稀土资源总量的三分之二以上，具有重要的资源战略地位。

(2) 白云鄂博研究历史悠久，研究者众多，在赋矿碳酸岩的成因、成岩成矿年代、稀土矿物学等方面取得一系列重要进展，为碳酸岩型稀土成矿理论发展做出了突出贡献。尽管对白云鄂博赋矿岩石的成因目前仍存在不同认识，但越来越多的地质、地球化学证据支持中元古代岩浆碳酸岩的成因观点。

(3) 白云鄂博经历了成矿后复杂的构造变形和热液蚀变，因此造成其矿床成因、成矿背景、成矿流体等方面尚存在不同认识，在碳酸岩岩浆演化、稀土元素富集和分异机理等方面研究尚较为薄弱，对稀土元素，特别是轻稀土元素超常富集的原因仍不清楚。

(4) 碳酸岩流体是白云鄂博稀土成矿的关键，但对碳酸岩流体出溶机理、成矿流体性质、流体演化过程研究仍有待深入。富SO₄^2-可能是碳酸岩型稀土矿床成矿流体的重要特征，且在稀土迁移中具有重要作用。

(5) 白云鄂博矿区出露的H1、H2、H9岩石单元可能并非前人认为的变质地层，应为岩浆侵入成因，矿区其他前寒武纪岩石单元(H3~H7)的成因也值得商榷。基于矿区主要岩石单元为变质地层认识提出的矿区构造式样，如宽沟背斜和白云向斜可能并不存在，矿区的构造式样和成矿地质模型仍需进一步研究。

(6) H9中的黑云母岩、富黑云母碳酸岩是碳酸岩的组成部分，代表了碳酸岩的岩相分带，是碳酸岩岩浆演化的最好记录，碳酸岩岩浆演化过程对白云鄂博成矿碳酸岩中稀土元素的富集和轻、重稀土元素的分异具有重要作用。

致谢 在野外工作中得到包头稀土研究院、包钢矿业有限责任公司、包钢集团巴润矿业有限责任公司的大力支持，在此一并致谢。

来源：矿床地质.第38卷第5期 2019年10月.文章编号：0258-7106(2019)05-0983-21