范宏瑞 徐亞 楊奎鋒 張繼恩 李曉春 張麗莉 佘海東 劉雙良 徐興旺 黃松 李秋立 趙亮 李獻(xiàn)華 吳福元 翟明國(guó),4 趙永崗 王其偉 楊占峰 劉云 閆國(guó)英 劉占全 崔鳳 劉峰

在當(dāng)前深刻變革和調(diào)整的國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，大國(guó)博弈的核心是爭(zhēng)奪資源及其控制權(quán)，近年來(lái)，美國(guó)、澳大利亞、日本和歐盟等對(duì)關(guān)鍵金屬(Critical Metals)或戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源(Strategic Mineral Resources)給予了空前重視，紛紛以國(guó)家層面的政策手段和聯(lián)盟關(guān)系建立自身的關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)安全戰(zhàn)略。關(guān)鍵金屬是指在第四次工業(yè)革命中不可缺失的礦產(chǎn)元素，可以說(shuō)，未來(lái)國(guó)際礦產(chǎn)資源和科技的競(jìng)爭(zhēng)，在很大程度上將集中于對(duì)關(guān)鍵金屬資源的博弈與掌控。

作為關(guān)鍵金屬的重要一員，當(dāng)今世界每六項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)明，就有一項(xiàng)離不開(kāi)稀土元素(Rare Earth Elements, REE)。由于稀土元素具有優(yōu)異的磁、光、電性能，能與其它物質(zhì)組成品種繁多、性能各異的新型材料，并大幅提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、能源化工、冶金機(jī)械、玻璃陶瓷和農(nóng)牧養(yǎng)殖等諸多領(lǐng)域，也被稱(chēng)為不可或缺的“工業(yè)維生素”或“萬(wàn)能之土”。由17種元素組成的稀土是當(dāng)今重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，但稀土礦床在全球的分布極不均勻，主要集中在中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、巴西、加拿大、俄羅斯、印度、越南、緬甸、泰國(guó)和格陵蘭等國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)是稀土資源大國(guó)，稀土也是我國(guó)為數(shù)不多、稟賦特優(yōu)的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey, 2021)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)稀土氧化物資源量為4400萬(wàn)t，約占全球已探明總資源量37%。但由于稀土資源家底不明、采/儲(chǔ)比嚴(yán)重失衡與環(huán)境問(wèn)題，在近期的貿(mào)易爭(zhēng)端中，稀土沒(méi)有成為反制利器，反而被他國(guó)掣肘。近年來(lái)，境外新的稀土礦床及深海稀土潛在資源的相繼發(fā)現(xiàn)(Katoetal., 2011; Takayaetal., 2018)，使我國(guó)現(xiàn)有的稀土資源優(yōu)勢(shì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)期有可能失去“話(huà)語(yǔ)權(quán)”，亟待開(kāi)展主要類(lèi)型稀土礦床成因與資源潛力研究。

我國(guó)稀土礦床類(lèi)型齊全、復(fù)雜、多樣，主要為產(chǎn)在內(nèi)蒙古白云鄂博、川西冕寧-德昌、魯西微山、內(nèi)蒙古巴爾哲、湖北廟埡、新疆巴楚等地與碳酸巖-堿性巖相關(guān)的稀土礦床(范宏瑞等, 2020)，以及華南五省的風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦床(周美夫等, 2020)。相較于其他類(lèi)型礦床，與碳酸巖-堿性巖相關(guān)的內(nèi)生稀土礦床具有規(guī)模大、品位高等特點(diǎn)，這也是國(guó)際上對(duì)這類(lèi)稀土礦床勘查與開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視的原因。

白云鄂博稀土-鈮-鐵礦床稀土資源量位居全球首位(占比>30%)，鈮資源也居世界第二，同時(shí)它又是一個(gè)大型的鐵礦(Fanetal., 2016; Xieetal., 2016)。自丁道衡先生1927年在白云鄂博首次發(fā)現(xiàn)主礦鐵礦體，何作霖先生1935年在鐵礦石中發(fā)現(xiàn)稀土礦物，黃春江先生1944年發(fā)現(xiàn)東礦鐵礦體和西礦鐵礦脈群以來(lái)，來(lái)自科研院所、大專(zhuān)院校和地勘與生產(chǎn)單位的人員對(duì)白云鄂博礦床開(kāi)展了多輪研究和勘查工作，在區(qū)域地質(zhì)背景、巖石和礦物組成、成礦年代學(xué)、物質(zhì)來(lái)源與礦床成因等方面取得了大量成果(張培善和陶克捷, 1986; 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988; Wangetal., 1994; Chaoetal., 1997; Smithetal., 2000; 張宗清等, 2003; Fanetal., 2006, 2014; Yangetal., 2009, 2011, 2019; Lingetal., 2013; Zhuetal., 2015; Zhangetal., 2017a; Songetal., 2018; Chenetal., 2020; Lietal., 2021)。但由于白云鄂博礦床經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形、巖漿侵位、蝕變交代、再活化和疊加改造等作用過(guò)程，礦石具有十分復(fù)雜的元素及礦物組成，有關(guān)巨量金屬富集機(jī)理、礦體空間形態(tài)、元素賦存規(guī)律以及潛在資源等問(wèn)題，一直以來(lái)就存在不同認(rèn)識(shí)，制約了稀土資源評(píng)價(jià)以及有效利用。

圖1 白云鄂博礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Fan et al., 2016改繪)Fig.1 Geological map of the Bayan Obo REE deposit (modified after Fan et al., 2016)

為厘清白云鄂博礦床形成機(jī)理，評(píng)估稀土潛在資源，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)于2019年分別部署/設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目，組建了“白云鄂博稀土礦床深部結(jié)構(gòu)與成礦過(guò)程”研究組，與包頭鋼鐵(集團(tuán))公司及所屬包頭稀土研究院、白云鄂博鐵礦、鋼聯(lián)股份巴潤(rùn)分公司、勘察測(cè)繪研究院、礦山研究院等通力合作，在白云鄂博實(shí)施了詳細(xì)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、1:5千大比例尺地質(zhì)圖修編、多方法和多尺度綜合地球物理測(cè)量以及成礦學(xué)研究等工作。經(jīng)過(guò)地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理等多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)，揭示了白云鄂博碳酸巖漿演化過(guò)程與稀土富集機(jī)理，明確了碳酸巖就位機(jī)制與構(gòu)造控礦因素，構(gòu)建了含礦地質(zhì)體三維形態(tài)，重新評(píng)估了稀土潛在資源。

1 地質(zhì)背景

白云鄂博礦床位于華北克拉通北部陸緣，緊鄰中亞造山帶。在礦區(qū)以北的寬溝斷裂附近以及東南部地區(qū)，出露有晚太古代-早元古代片麻巖、花崗閃長(zhǎng)巖等華北克拉通基底巖石。白云鄂博礦床發(fā)育在中元古代狼山-渣尓泰-白云鄂博裂谷系內(nèi)，圍巖為中-晚元古界白云鄂博群淺變質(zhì)陸緣碎屑沉積巖。前人(中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988)認(rèn)為，礦區(qū)內(nèi)白云鄂博群共發(fā)育4個(gè)組、9個(gè)巖性段，自下而上依次為都拉哈拉組H1含礫石英砂巖、H2石英巖；尖山組H3碳質(zhì)板巖、H4暗色石英砂巖、H5碳質(zhì)板巖夾灰?guī)r；哈拉霍疙特組H6石英砂巖夾灰?guī)r和板巖、H7石英砂巖與灰?guī)r互層、H8白云巖；比魯特組H9硅質(zhì)(富鉀)板巖(圖1)。郝梓國(guó)等(2002)認(rèn)為，砂礫巖-板巖-火山巖的巖性變化源自陸緣裂谷的演化、加深過(guò)程，裂谷超殼斷裂與地幔溝通，最終引發(fā)火山熔巖、火山碎屑巖的噴發(fā)，形成礦區(qū)白云鄂博群最上部的H9板巖。

白云鄂博礦床含礦巖石是一套成因獨(dú)特的白云巖，由于其頂部“覆蓋”的是H9板巖，它最初被歸為白云鄂博群哈拉霍疙特組第三巖段，被命名為H8白云巖(中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 1988)。但填圖發(fā)現(xiàn)，H8白云巖僅分布在白云鄂博礦區(qū)范圍內(nèi)，呈東西長(zhǎng)達(dá)16km、南北寬近3km的帶狀展布(圖1)，整體傾向南，在菠蘿頭山以東至打花等地，又被晚古生代(～270Ma)大面積花崗質(zhì)巖石侵位(圖1；范宏瑞等, 2009)。近十余年來(lái)的研究成果表明，H8白云巖為幔源巖漿成因的碳酸巖(Yangetal., 2011, 2019; Liuetal., 2018, 2020; Kuebleretal., 2020; Lietal., 2021; Tangetal., 2021)。

碳酸巖是指含碳酸鹽礦物(如白云石、方解石、菱鐵礦等)體積占比>50%，SiO2含量<20%的火成巖(LeMatre, 2002; Yaxleyetal., 2022)。目前全球共發(fā)現(xiàn)600余處碳酸巖出露，其中多數(shù)產(chǎn)于板內(nèi)裂谷背景，如印度德干高原、加拿大地盾、東非裂谷系和西伯利亞地盾等地區(qū)(Le Bas, 1981; Woolley and Kjarsgaard, 2008)。在大洋背景(如非洲西部的Cape Verde和Canary島嶼；Hoernleetal., 2002; Schmidt and Weidendorfer, 2018)和造山帶背景下(如與喜山運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的巴基斯坦西北部、我國(guó)川西地區(qū)以及秦嶺造山帶等；Liu and Hou, 2017; Smithetal., 2018)也發(fā)育有相對(duì)少量的碳酸巖體。在全球碳酸巖中，400余處與堿性巖具有密切的空間共生關(guān)系(Woolley and Kjarsgaard, 2008)。堿性巖主要包括金伯利巖、霞石巖、霓霞巖、響巖、粗面巖、黃長(zhǎng)巖和正長(zhǎng)巖等(Mitchell, 2005)。碳酸巖與堿性巖常構(gòu)成環(huán)狀雜巖體，其中碳酸巖的體積占比較小，約占雜巖體的10%或更少(LeMatre, 2002)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球單體碳酸巖出露面積平均約3km2(Simandl and Paradis, 2018)。在成礦的雜巖體中，礦化經(jīng)常和碳酸巖具有更為密切的成因關(guān)系，形成的最大礦產(chǎn)資源為REE，以及Nb、Th、U、Fe、螢石等(Schmidt and Weidendorfer, 2018; Anenburgetal., 2021)。

2 白云鄂博碳酸巖及稀土富集機(jī)理

2.1 碳酸巖特征

依據(jù)巖石結(jié)構(gòu)特征，白云鄂博碳酸巖可以分為粗粒碳酸巖和細(xì)粒碳酸巖(Yangetal., 2011)。細(xì)粒碳酸巖構(gòu)成了白云鄂博碳酸巖的主體(圖1)，也是主礦、東礦和西礦等鐵礦體的直接圍巖，其本身也具有非常高的稀土與鐵含量；而粗粒碳酸巖則主要分布在細(xì)粒碳酸巖的邊緣(如打花、菠蘿頭山東、主礦北、西礦南等地，圖1)，稀土含量也超過(guò)工業(yè)邊界品位。粗粒碳酸巖主要由粗粒白云石礦物組成，含有少量的方解石、磷灰石、磁鐵礦、燒綠石等，而細(xì)粒碳酸巖主要由細(xì)粒白云石礦物組成，含有磁鐵礦、赤鐵礦、磷灰石、獨(dú)居石和氟碳鈰礦等(Sheetal., 2021)。

白云鄂博碳酸巖與圍巖具有明顯的侵入接觸關(guān)系(圖2a, b)，除侵位至基底片麻巖外，在主礦坑南側(cè)的板巖內(nèi)常見(jiàn)到順層侵位的粗粒碳酸巖脈，巖脈內(nèi)捕獲了大量的圍巖板巖的捕擄體(圖2c)，在板巖中也可以見(jiàn)到有粗粒碳酸巖脈穿插(圖2d)。在菠蘿頭山東部和南部的細(xì)粒碳酸巖內(nèi)可以見(jiàn)到大量的圍巖白云鄂博群砂巖、板巖的捕擄體(圖2e, f)，圍巖都遭受了不同程度的霓長(zhǎng)巖化蝕變。上述野外特征均表明，白云鄂博粗粒與細(xì)粒碳酸巖皆為火成侵入巖，且侵位晚于圍巖白云鄂博群的構(gòu)造變形。

白云鄂博礦區(qū)還發(fā)育大量碳酸巖脈，根據(jù)主要礦物組成，這些巖脈又可以分為白云石型、白云石-方解石共存型和方解石型(王凱怡等, 2002; Yangetal., 2011)，化學(xué)組成上分別對(duì)應(yīng)鐵質(zhì)碳酸巖、鎂質(zhì)碳酸巖和鈣質(zhì)碳酸巖(LeMatre, 2002)。碳酸巖脈主要發(fā)育在礦區(qū)外圍的都拉哈拉和寬溝地區(qū)，在東介勒格勒南部和西礦南部也有出露，走向以北北東向?yàn)橹鳌ｈF質(zhì)碳酸巖脈與圍巖霓長(zhǎng)巖化蝕變作用較弱，鎂質(zhì)碳酸巖脈較強(qiáng)，而鈣質(zhì)碳酸巖脈最強(qiáng)。位于都拉哈拉的一號(hào)鈣質(zhì)碳酸巖脈(吳脈)與圍巖形成寬達(dá)2m的霓長(zhǎng)巖化帶，接觸帶附近的石英礫巖完全被蝕變成由鈉閃石和鈉輝石等組成的霓長(zhǎng)巖(Fanetal., 2014)。依據(jù)野外穿插關(guān)系和礦物生成世代，碳酸巖脈呈現(xiàn)出由鐵質(zhì)-鎂質(zhì)-鈣質(zhì)的侵位序列，晚期鈣質(zhì)碳酸巖脈中的稀土氧化物含量甚至>20%(Yangetal., 2003, 2011)。因此，白云鄂博巨量稀土的富集現(xiàn)已被認(rèn)為與碳酸巖漿演化密切相關(guān)，但不同類(lèi)型碳酸巖相的稀土元素含量卻存在著巨大差異。鎂質(zhì)和鈣質(zhì)碳酸巖脈中的白云石與方解石都具有顯著的核-邊結(jié)構(gòu)，核部富鐵，邊部富鈣、鎂和稀土，顯示碳酸巖漿具有向晚期富稀土鈣質(zhì)碳酸巖的演化趨勢(shì)(Yangetal., 2019)。

需要指出的是，在白云鄂博主礦坑南側(cè)以及東接觸帶也賦存大理巖化的白云鄂博群沉積灰?guī)r，巖石中心部位殘留有灰黑色結(jié)晶灰?guī)r，外側(cè)發(fā)生較強(qiáng)烈的大理巖化。該大理巖化沉積灰?guī)r的礦物組成與碳酸巖明顯不同，主要由方解石和白云母組成。由于沉積大理巖出露在礦體附近，后侵位的火成碳酸巖存在被該沉積成因碳酸鹽巖混染的可能性。

2.2 碳酸巖的成因

粗粒碳酸巖在主礦北側(cè)露頭上呈現(xiàn)有層狀構(gòu)造特征(圖3a)，與圍巖白云鄂博群石英砂巖呈互層產(chǎn)出，這也是粗粒碳酸巖最初被認(rèn)為是沉積成因的重要證據(jù)(Chaoetal., 1997)。但野外觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，這種層狀構(gòu)造實(shí)際上是構(gòu)造片理，而非沉積層理。在與石英砂巖接觸帶附近的粗粒碳酸巖相中還發(fā)育大量的鈉閃石礦物(圖3b)，而鈉閃石是巖漿碳酸巖與圍巖發(fā)生霓長(zhǎng)巖化作用特有的蝕變礦物(Cooperetal., 2016)。在粗粒碳酸巖(圖3c)的磷灰石中發(fā)現(xiàn)大量的燒綠石和球狀碳酸鹽包裹體(圖3d)，這與典型火成碳酸巖礦物中的包裹體是非常相似的(Chakhmouradianetal., 2017)，表明粗粒碳酸巖相應(yīng)為火成碳酸巖。

粗粒碳酸巖中磷灰石的氧同位素值(δ18OV-SMOW，5.0‰～6.2‰)(圖4a)也與幔源初始碳酸巖的氧同位素組成(5.3‰～8.4‰，Tayloretal., 1967; Deines, 1989)一致。磷灰石的原位Sr-Nd同位素組成(εNd(t)=-2.5～+1.0，(87Sr/86Sr)i=0.70266～0.70293)也明顯不同于白云鄂博群中的沉積灰?guī)r和大理巖(εNd(t)=-5.3～-6.1，(87Sr/86Sr)i=0.72998～0.73115)(圖4b, Yangetal., 2019)。基于以上結(jié)果，可以認(rèn)為粗粒碳酸巖相應(yīng)為巖漿成因碳酸巖，根據(jù)其主量元素組成可歸類(lèi)為鎂質(zhì)碳酸巖。

圖2 白云鄂博地區(qū)碳酸巖野外照片(a)碳酸巖侵位至板巖，接觸帶碳酸巖一側(cè)發(fā)生磁鐵礦化，板巖一側(cè)發(fā)生霓長(zhǎng)巖化；(b)西礦板巖中順層侵位的碳酸巖；(c)粗粒碳酸巖脈內(nèi)板巖捕擄體；(d)粗粒碳酸巖脈侵入板巖；(e)細(xì)粒碳酸巖中的砂巖捕擄體；(f)細(xì)粒碳酸巖中的板巖捕擄體Fig.2 Photographs of carbonatite outcrops at Bayan Obo(a) carbonatite intruded into slate, magnetite mineralization occurred on the carbonatite side of the contacting zone, and fenitization occurred on the slate side; (b) bedding emplacement of carbonatitie into slate in the West Pit; (c) slate xenolith in a coarse-grained carbonatite dike; (d) coarse-grained carbonatite dike intruded into slate; (e) sandstone xenolith in the fine-grained carbonatite; (f) slate xenolith in the fine-grained carbonatite

圖3 白云鄂博粗粒碳酸巖及其鏡下礦物(a)粗粒鎂質(zhì)碳酸巖野外露頭；(b)粗粒鎂質(zhì)碳酸巖手標(biāo)本；(c)粗粒鎂質(zhì)碳酸巖鏡下礦物組成；(d)粗粒鎂質(zhì)碳酸巖磷灰石礦物中的燒綠石礦物和球狀碳酸鹽包裹體(據(jù)Yang et al., 2019)Fig.3 Coarse-grained carbonatite and its compositional minerals at Bayan Obo(a) outcrop of coarse-grained carbonatite showing banded structure; (b) hand specimen photograph of coarse-grained carbonatite with disseminated riebeckite minerals; (c) crossed polar image of coarse-grained carbonatite; (d) parallel polar image of apatite with pyrochlore mineral and primary carbonate inclusions from coarse-grained carbonatite (after Yang et al., 2019)

圖4 白云鄂博碳酸巖中磷灰石原位氧、鍶-釹同位素及等時(shí)線(xiàn)年齡(據(jù)Yang et al., 2019)(a)白云鄂博粗粒碳酸巖中磷灰石的原位氧同位素.不同巖石及水的氧同位素值據(jù)Taylor et al. (1967)和Deines (1989)；(b)磷灰石原位鍶-釹同位素，碳酸巖全巖鍶-釹同位素?fù)?jù)Yang et al. (2011);東非碳酸巖線(xiàn)(EACL)據(jù)Bell and Tilton (2001);地幔端員組成DMM、EMⅠ、EMⅡ、PREMA和HIMU據(jù)Zindler and Hart (1986)；(c)磷灰石釤-釹等時(shí)線(xiàn)年齡；(d)鈣質(zhì)碳酸巖脈中獨(dú)居石原位釷-鉛年齡Fig.4 In-situ apatite oxygen, strontium, and neodymium isotopes of carbonatite and isochron ages at Bayan Obo (after Yang et al., 2019)(a) In-situ oxygen isotope of apatite from the coarse-grained carbonatite. The oxygen isotope values for different rocks and waters from Taylor et al. (1967) and Deines (1989); (b) In-situ Sr-Nd isotope of apatite from the coarse-grained carbonatite. The Sr-Nd isotopes of whole rock carbonatites from Yang et al. (2011). CHUR stands for the chondritic uniform reservoir, and B.E. for bulk Earth. EACL stands for East Africa carbonatite line from Bell and Tilton (2001). DMM, EMⅠ, EMⅡ, PREMA, and HIMU are the mantle end-member components from Zindler and Hart (1986); (c) Sm-Nd isochron age of apatite from the coarse-grained carbonatite; (d) 208Pb/232Th dating of monazite from a calciocarbonatite dike

圖5 白云鄂博碳酸巖及其礦物與鐵含量關(guān)系(據(jù)Yang et al., 2019)(a)不同類(lèi)型碳酸巖脈稀土與鐵含量關(guān)系；(b)粗粒碳酸巖和碳酸巖脈中白云石和方解石原位稀土與鐵含量關(guān)系；(c)細(xì)粒碳酸巖白云石中的球狀赤鐵礦和碳酸鹽捕擄體Fig.5 Iron content versus REE concentration diagrams of carbonatite and minerals at Bayan Obo (after Yang et al., 2019)(a) iron content versus REE concentration diagrams of different types of carbonatite dikes; (b) iron content versus REE concentration diagrams of the dolomite and calcite from different types of carbonatites; (c) parallel polarized image of fine-grained dolomite showing iron and carbonatite immiscibility

圖6 白云鄂博礦床改造(a)及新生(b)稀土礦物獨(dú)居石與氟碳鈰礦釷-鉛年齡頻譜圖(據(jù)Li et al., 2021)Fig.6 Stacked histograms of 208Pb vs. 232Th ages of modified (a) and newly formed (b) monazite and bastn?site grains at Bayan Obo (after Li et al., 2021)

為了限定白云鄂博碳酸巖的侵位年齡，對(duì)粗粒碳酸巖相開(kāi)展了詳細(xì)的副礦物年代學(xué)測(cè)試，獲得磷灰石原位Sm-Nd等時(shí)線(xiàn)年齡為1317±140Ma(圖4c)，該年齡結(jié)果與細(xì)粒碳酸巖中鋯石Th-Pb年齡(1301±12Ma, Zhangetal., 2017b)一致；而對(duì)鈣質(zhì)碳酸巖脈中的獨(dú)居石進(jìn)行原位Th-Pb定年分析，獲得的年齡數(shù)據(jù)具有較大的變化范圍，從1321±14Ma到411±6Ma(圖4d)，這應(yīng)該是Th-Pb年齡體系受早古生代俯沖帶流體疊加改造的結(jié)果(Songetal., 2018; Lietal., 2021)，而最大的年齡值1321±14Ma可以作為鈣質(zhì)碳酸巖脈的侵位年齡，該結(jié)果也與粗粒碳酸巖中磷灰石的Sm-Nd等時(shí)線(xiàn)年齡一致。

2.3 碳酸巖漿演化與稀土富集機(jī)理

白云鄂博礦區(qū)不同類(lèi)型碳酸巖脈的稀土元素組成存在著很大的差異。鐵質(zhì)碳酸巖脈的稀土總量較低，(La/Yb)N顯示輕、重稀土沒(méi)有發(fā)生分異，在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖解中呈平坦型；鎂質(zhì)碳酸巖脈中稀土總量較高，(La/Yb)N顯示輕、重稀土發(fā)生明顯分異，表明該階段巖漿成分已有所分化；鈣質(zhì)碳酸巖脈中的稀土總量異常富集，(La/Yb)N顯示輕、重稀土發(fā)生了強(qiáng)烈分異(Yangetal., 2019)。白云鄂博礦區(qū)碳酸巖脈，由鐵質(zhì)→鎂質(zhì)→鈣質(zhì)演化中，隨鐵含量逐漸降低，鈣鎂含量的逐漸升高，稀土元素，尤其是輕稀土元素，呈明顯的富集趨勢(shì)，即存在鐵含量與稀土元素含量的負(fù)相關(guān)現(xiàn)象(圖5a)。

碳酸巖漿演化過(guò)程中的分離結(jié)晶作用可以造成不相容元素在晚期巖漿中富集(Yang and Le Bas, 2004)。在白云鄂博西礦區(qū)的白云巖中發(fā)現(xiàn)有大量的自形鎂菱鐵礦斑晶，這些鎂菱鐵礦礦物應(yīng)是早期從碳酸巖漿中分離結(jié)晶出的堆晶礦物，它具有非常低的稀土元素含量。鎂菱鐵礦和鐵白云石的分離結(jié)晶不僅造成碳酸巖漿向富集鈣、鎂的方向演化，而且會(huì)促進(jìn)稀土元素在晚期巖漿中富集(圖5b)。演化的碳酸巖漿在上升過(guò)程中由于壓力降低，還發(fā)生了強(qiáng)烈的熔/流體不混熔作用。鏡下觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，細(xì)粒碳酸巖中發(fā)育大量的球形赤鐵礦和球形碳酸鹽的捕擄體(圖5c)，這很有可能是鐵礦漿與碳酸巖漿發(fā)生不混熔時(shí)被捕獲的產(chǎn)物。不混熔作用造成鐵質(zhì)從碳酸巖漿中分離，進(jìn)一步促進(jìn)碳酸巖漿由鐵質(zhì)向鎂質(zhì)方向演化。不混熔分離出的鐵礦漿還具有吸附流體和揮發(fā)分的屬性，在細(xì)粒碳酸巖中可以觀(guān)察到赤鐵礦、磁鐵礦與稀土礦物獨(dú)居石、磷灰石密切的共生關(guān)系。因此，鐵礦漿的不混熔作用也促進(jìn)了稀土元素的逐漸富集。碳酸巖漿在上升演化的過(guò)程中由于鐵礦漿和碳酸巖漿的不混熔作用，逐漸分異成富流體、富鐵、富稀土鐵質(zhì)碳酸巖端元和貧流體鈣鎂質(zhì)碳酸巖端元，即現(xiàn)今地表分布的粗粒碳酸巖相和細(xì)粒碳酸巖相(圖1)。富流體的鐵質(zhì)碳酸巖與上覆圍巖(H9板巖等)發(fā)生強(qiáng)烈的霓長(zhǎng)巖化作用，造成鐵、稀土的進(jìn)一步富集，形成白云鄂博主、東和西礦富鐵與富稀土礦體。

白云鄂博地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)的稀土含量最高的碳酸巖為鈣質(zhì)碳酸巖脈，通常鈣質(zhì)碳酸巖脈與圍巖的接觸帶處都發(fā)育強(qiáng)烈的霓長(zhǎng)巖化作用，因此演化的碳酸巖漿中稀土元素又經(jīng)歷了更為強(qiáng)烈的富集過(guò)程。Mian and Le Bas (1986)以及Kresten (1988)曾指出，碳酸巖與圍巖的霓長(zhǎng)巖化作用可以消耗碳酸巖中的鐵、鎂，并加入硅。霓長(zhǎng)巖中的主要新生礦物為富鐵、鎂的鈉閃石和鈉輝石，而且鈉閃石、鈉輝石通常都具有較低的稀土元素含量(Liuetal., 2018)，因此，霓長(zhǎng)巖化作用不僅消耗了碳酸巖中的鐵、鎂，還使晚期殘余鈣質(zhì)碳酸巖漿中更加富集稀土元素。

圖7 白云鄂博礦床古生代新生稀土礦物獨(dú)居石和氟碳鈰礦的釹同位素組成(據(jù)Li et al., 2021)Fig.7 A plot of εNd(t) vs. time for the Paleozoic newly-formed monazite and bastn?site grains at Bayan Obo (after Li et al., 2021)

2.4 古生代改造作用對(duì)礦床的影響

為厘清白云鄂博礦床后期改造作用的時(shí)間與貢獻(xiàn)，我們對(duì)白云鄂博礦石中的稀土礦物獨(dú)居石和氟碳鈰礦開(kāi)展了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)研究以及Th-Pb和Sm-Nd同位素分析。研究顯示，礦床中絕大多數(shù)稀土礦物都遭受過(guò)熱液改造作用(Lietal., 2021)。利用NanoSIMS對(duì)改造的稀土礦物進(jìn)行Th和Pb面掃描顯示Pb在稀土礦物內(nèi)分布不規(guī)則，此外單個(gè)樣品尺度Pb含量往往隨Th-Pb年齡減小而降低，這些現(xiàn)象均表明樣品在后期熱液改造過(guò)程中發(fā)生了不同程度的Pb丟失。對(duì)白云鄂博稀土礦物進(jìn)行Th-Pb定年可以獲得一系列年齡(圖6a)，這應(yīng)該是同位素體系被擾動(dòng)的結(jié)果，沒(méi)有實(shí)際的地質(zhì)意義。多個(gè)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(gè)樣品中出現(xiàn)，暗示了這些年齡是Th-Pb同位素體系被完全重置的結(jié)果，可以代表礦物被改造的時(shí)代。此外，礦石中發(fā)育部分有生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的新生稀土礦物，其年齡為4.5～4.0億年或2.8～2.6億年(圖6b)，同樣表明礦區(qū)內(nèi)存在早古生代和晚古生代兩期熱液活動(dòng)。對(duì)古生代新生稀土礦物進(jìn)行微區(qū)Sm-Nd同位素分析表明其N(xiāo)d同位素組成十分接近明確為13億年生成的礦石Nd同位素演化線(xiàn)，表明新生稀土礦物生長(zhǎng)所需的物質(zhì)應(yīng)該為中元古代礦石中的稀土活化而來(lái)，外來(lái)稀土的貢獻(xiàn)不明顯(圖7)。因此，白云鄂博礦床的巨量金屬堆積發(fā)生在13億年左右(Zhuetal., 2015; Yangetal., 2019; Lietal., 2021)，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(jīng)歷了兩次改造。古生代改造過(guò)程導(dǎo)致了稀土等活化及部分新生礦物生成，但沒(méi)有外源稀土的明顯加入(李曉春等，2022)。

3 白云鄂博控礦構(gòu)造與碳酸巖侵位

白云鄂博地區(qū)在中元古代時(shí)期經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，改造了早期陸緣白云鄂博群沉積巖的沉積結(jié)構(gòu)，控制了碳酸巖(白云巖)的侵位與分布樣式。依據(jù)與碳酸巖侵位(～13億年)的先后順序，控礦構(gòu)造可分為碳酸巖侵位前和侵位時(shí)期的構(gòu)造。

3.1 碳酸巖侵位前的構(gòu)造樣式

位于華北克拉通北緣的白云鄂博，在1.8Ga時(shí)期經(jīng)歷了造山作用過(guò)程(Pengetal., 2014)。之后的沉降作用沉積了被動(dòng)陸緣白云鄂博群沉積物，包括礫巖、砂巖、粉砂巖和灰?guī)r等。碎屑鋯石定年結(jié)果顯示，石英砂巖中最年輕組份年齡為～1.8Ga(鐘焱等, 2019)。礫巖、砂巖等地層均被～1.3Ga碳酸巖脈穿切，表明它們是中元古代的沉積物(Fanetal., 2014)。理論上，如果這些沉積巖在未受構(gòu)造作用影響時(shí)，碳酸巖應(yīng)呈水平侵位和展布。然而野外觀(guān)測(cè)顯示，這些地層在碳酸巖侵位之前發(fā)生了較為強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，發(fā)育有餅狀構(gòu)造和褶皺等擠壓構(gòu)造。

(1)餅狀構(gòu)造：白云鄂博主、東礦及東部接觸帶等多地均發(fā)育有該類(lèi)型構(gòu)造，如東介勒格勒南部及東礦東北角等部位的長(zhǎng)石石英礫巖(圖8a)和石英粗砂巖(圖8b)，以及西礦中部出露的基底巖石粗?；◢徝永鈳r中石英均發(fā)生變形(圖8c, d)，而長(zhǎng)石未有變形(圖8e)。石英顆粒和礫石的長(zhǎng)、寬和厚度比值約為10:12:2(圖8c, d)；弗林圖解展示它們的k值小于1(圖9a)，表明有兩個(gè)方向的應(yīng)變?yōu)榭s短，而第三個(gè)方向的應(yīng)變?yōu)槔L(zhǎng)，該應(yīng)變特征表現(xiàn)為餅狀構(gòu)造。其構(gòu)造面理走向?yàn)镋-W向，傾角約70°～80°；但傾向有差異，東礦東北部?jī)A向南，東介勒格勒南部則傾向北(圖9b)。

(2)褶皺：白云鄂博礦區(qū)板巖(H9)的原巖包括有粉砂巖和泥巖等。粉砂巖表現(xiàn)為厚層狀(圖8f)，但顯微結(jié)構(gòu)顯示石英局部顆粒間見(jiàn)約120°的晶面夾角(圖8g中紅色箭頭所示)，并呈定向排列(圖8g)，表明石英顆粒發(fā)生了重結(jié)晶。而泥巖局部殘留有微褶皺等構(gòu)造，如東介勒格勒南部板巖中的殘留微褶皺轉(zhuǎn)折端(圖8h)，它們的兩翼已被改造為構(gòu)造面理(圖8i)，顯微特征顯示石英呈長(zhǎng)條狀，為重結(jié)晶的產(chǎn)物(圖8j)。構(gòu)造面理走向?yàn)镋-W向，傾角約77°(圖9b)。

(3)構(gòu)造置換：餅狀構(gòu)造和殘留褶皺轉(zhuǎn)折端及劈理等構(gòu)造改造了沉積巖的原生沉積結(jié)構(gòu)，如礫石中定向排列的石英(圖8a-e)和板巖中定向排列的重結(jié)晶石英顆粒(圖8g, i, j)構(gòu)成的構(gòu)造面理。野外實(shí)地填圖發(fā)現(xiàn)，白云鄂博礦區(qū)礫巖、石英砂巖和板巖在區(qū)域走向上均無(wú)穩(wěn)定的延伸，亦表明它們的展布是構(gòu)造置換的結(jié)果。

(4)碳酸巖及相關(guān)脈體與上述構(gòu)造間的關(guān)系可以刻畫(huà)它們的變形時(shí)代。西礦中段礦坑中碳酸巖沿近直立的構(gòu)造面理侵位(圖10a, b)，菠蘿頭山北側(cè)碳酸巖和霓長(zhǎng)巖脈沿石英砂巖中的破裂面發(fā)育(圖10c)，東介勒格勒南側(cè)礫巖中餅狀構(gòu)造被霓長(zhǎng)巖化蝕變脈體斜切(圖8b、圖10d, e)。以上現(xiàn)象均表明白云鄂博礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造面理和餅狀構(gòu)造都早于碳酸巖及其霓長(zhǎng)巖化蝕變。

因此，在白云鄂博碳酸巖體侵位之前，早-中元古代白云鄂博群沉積巖(包括石英砂巖、礫巖和板巖)經(jīng)歷了區(qū)域性的擠壓、剪切作用，原水平或發(fā)生褶皺的地層進(jìn)一步被構(gòu)造置換，形成礫石的餅狀構(gòu)造、糜棱巖和微褶皺等。新形成的構(gòu)造面理呈近E-W走向陡立產(chǎn)出(圖9b)，這為碳酸巖漿的上涌與侵位提供了有利通道。

圖8 白云鄂博碳酸巖圍巖的構(gòu)造樣式(a)東介勒格勒南部礫巖中餅狀構(gòu)造，礫石粒徑長(zhǎng)約10cm；(b)東介勒格勒南部細(xì)粒礫巖中餅狀構(gòu)造，礫石粒徑長(zhǎng)約1cm；(c)XZ面顯示礫石被拉長(zhǎng);(d)XY面展示礫石被壓扁；(e)XZ面顯微照片展示石英顆粒發(fā)生了重結(jié)晶，而長(zhǎng)石未有變形；(f)東礦西壁粉砂巖露頭；(g)粉砂巖鏡下特征，展示石英發(fā)生重結(jié)晶并具定向性排列，注意紅色箭頭指示石英顆粒間具120o的粒間角；(h)東介勒格勒南部板巖中的微褶皺，原始層理被構(gòu)造置換為近直立的面理；構(gòu)造面理之間殘留褶皺轉(zhuǎn)折端；(i)東礦西壁H9硅質(zhì)板巖薄片特征，展示了近平行展布的劈理；(j)重結(jié)晶石英顆粒Fig.8 Structure patterns in the sedimentary rocks surrounding carbonatite body at Bayan Obo(a) pancake-type structures in the southern Dongjielegele area, the pebble of which sized at ～10cm; (b) pancake-type structures of conglomerate, whose pebbles are ～1cm in size, showing flattening of pebbles of conglomerates; (c) XZ surface of flattened pebble with elongated feature; (d) XY surface of flattened pebble with pancake feature; (e) microscopic feature on the XZ surface showing recrystallized and elongated quartz grains, and plagioclase with no deformation; (f) siltstone from H9 at western wall of the East Pit; (g) micro-structure of siltstone showing recrystallized quartz has preferred orientations. Note the 120o grain boundary intersections of quartz grain pointed by red arrow; (h) remnant hinges of fold in slate, southern Dongjielegele area; (i) the original sedimentary bedding has been superimposed by near vertical-dipping cleavages in slate H9 at western wall of the East Pit; (j) note elongated recrystallized quartz grain is parallel to the foliation

圖9 白云鄂博餅狀構(gòu)造弗林圖解(a)、構(gòu)造面理赤平投影(b)和碳酸巖(脈)玫瑰花圖解(c)(a)礫巖中礫石和花崗糜棱巖中石英顆粒的弗林圖解，展示它們的k值均處于0到1之間，表明它們?yōu)轱灎顦?gòu)造；(b)碳酸巖侵入之前，石英砂巖和板巖中發(fā)育的面理、餅狀構(gòu)造和劈理產(chǎn)狀，下半球吳氏網(wǎng)投影，不同色標(biāo)代表面理法線(xiàn)的集中程度；(c)碳酸巖體及巖脈走向玫瑰花圖解Fig.9 Flinn diagram of flattened conglomerate (a), stereonet diagram of tectonic foliation (b) and rose diagram (c) of the carbonatite and related dikes at Bayan Obo(a) Flinn diagram of deformation styles of the pebbles of conglomerate and quartz grains of granitic mylonite. The value is 0

圖10 白云鄂博早期構(gòu)造與碳酸巖及其相關(guān)蝕變(a)西礦中部礦坑中板巖與碳酸巖的接觸特征，展示了碳酸巖局部平行于板巖面理；(b)局部露頭展示碳酸巖沿近垂直于板巖的構(gòu)造面理侵入；(c)菠蘿頭山北側(cè)石英砂巖、碳酸巖和霓長(zhǎng)巖蝕變脈體間關(guān)系；(d)東介勒格勒南部發(fā)育的餅狀構(gòu)造被霓長(zhǎng)巖化脈體斜切；(e)顯微結(jié)構(gòu)展示霓長(zhǎng)巖化脈體斜切糜棱巖構(gòu)造面理Fig.10 Field photos showing relation among the early structure, carbonatite, and related alteration at Bayan Obo(a) contact between slate and carbonatite, showing carbonatite is local parallel to foliation from the middle West Pit; (b) local outcrop showing that carbonatite cross cuts sub-vertical dipping foliation from the middle West Pit; (c) fenitized dike between the carbonatite and sandstone from northern Boluotou Mountain; (d) field photo showing the fenitized dike cross-cuts the pancake-type structure at southern Dongjielegele area; (e) microscopic feature showing the fenitized dike cuts cross mylonitic foliation

3.2 碳酸巖侵位時(shí)期的構(gòu)造樣式

白云鄂博碳酸巖作為火成巖，已有大量有跡可循的地質(zhì)現(xiàn)象，如都拉哈拉一號(hào)脈(圖11a)處的流動(dòng)構(gòu)造(趾狀構(gòu)造和視鞘褶皺構(gòu)造)(圖11h-i)、碳酸巖中的圍巖殘留體(圖11g)、碳酸巖穿切板巖面理(圖10a)和球粒結(jié)構(gòu)-流動(dòng)構(gòu)造，以及碳酸巖邊部圍巖中的圍巖蝕變(如霓長(zhǎng)巖化、黑云母化等蝕變)(圖10c)；局部還可見(jiàn)碳酸巖侵入到片麻巖和片麻狀花崗巖中，如西礦西南部、尖山南側(cè)和東介勒格勒南側(cè)等部位。碳酸巖(脈)不僅可以順構(gòu)造面理，還可沿?cái)嗔衙媲治弧?/p>

(1)順構(gòu)造面理侵位。圖10a展示了西礦中段礦坑中碳酸巖順著構(gòu)造面理侵入，菠蘿頭山西段的碳酸巖主體也平行于板巖的構(gòu)造面理(圖11f)。

白云鄂博碳酸巖主體順E-W走向的構(gòu)造面理侵入，形成了南、北兩帶的碳酸巖(圖1)，北帶目前較長(zhǎng)，包括有西礦、主礦、東礦、菠蘿頭山、白陶-打花兒等地，南帶包括主礦南部的高磁(異常)區(qū)和東介勒格勒等，其西、東側(cè)分別被晚古生代花崗質(zhì)巖石穿切。在菠蘿頭山以南地區(qū)，大量碳酸巖呈巖株沿NE-SW向(主要為50°～70°走向)展布，穿切板巖面理，連接了南、北兩帶的碳酸巖；東礦東北角碳酸巖脈和都拉哈拉一號(hào)脈侵位也是以NE-SW走向?yàn)橹?。綜合礦體和碳酸巖(脈)E-W和NE-SW的走向(圖9c)，以及巖脈構(gòu)成的左行雁列式排列構(gòu)造，表明其可能形成于左行剪切的環(huán)境中(圖12左下角圖解)。

(2)沿?cái)嗔衙媲治?。都拉哈拉一?hào)碳酸巖脈南、北側(cè)分別出露有石英砂巖和礫巖(圖11a, b, d)。顯微結(jié)構(gòu)顯示，石英砂巖中石英粒間發(fā)育120°夾角，表明它們發(fā)生過(guò)靜態(tài)重結(jié)晶，局部石英砂巖中還可見(jiàn)被拉長(zhǎng)的石英顆粒，為約400°C塑性變形的產(chǎn)物(圖11c)；礫巖中礫石的石英顆粒有明顯的重結(jié)晶現(xiàn)象，與石英砂巖特征相似(圖11e)，表明石英砂巖的變形要早于該型礫巖沉積。兩種沉積巖都向南傾斜，其中南側(cè)石英砂巖的傾角為50°～70°，北側(cè)礫巖的傾角為29°～33°。結(jié)合變形樣式和產(chǎn)狀的差異，推測(cè)二者之間為斷層，一號(hào)碳酸巖脈沿?cái)鄬用媲治弧?/p>

3.3 中-晚元古代盆地發(fā)育史與碳酸巖侵位

白云鄂博地區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造改造，Wangetal.(2002)和范宏瑞等(2010)對(duì)白云鄂博基底巖漿巖和含石榴石藍(lán)晶石花崗片麻巖進(jìn)行了定年，結(jié)果表明該區(qū)域在～1.9Ga發(fā)生了巖漿侵位和變質(zhì)作用。在更廣闊區(qū)域上，從西側(cè)阿拉善黑山到東部大同孤山口地區(qū)，都出露有1.9～1.8Ga的高壓變質(zhì)巖，與同時(shí)代的高溫變質(zhì)帶(孔茲巖帶)構(gòu)成了俯沖帶上盤(pán)的雙變質(zhì)帶，說(shuō)明上述地質(zhì)事件與華北北緣古元古代的俯沖造山相關(guān)(Pengetal., 2014; Wanetal., 2015; Wangetal., 2015)。之后，區(qū)域上轉(zhuǎn)為被動(dòng)大陸演化階段，白云鄂博地區(qū)沉降了相應(yīng)的沉積物，如石英砂巖和礫巖；因無(wú)新鋯石生成，這些沉積巖中的最年輕碎屑鋯石年齡為～1.8Ga(Fanetal., 2014; 馬銘株等, 2014; 鐘焱等, 2019)。石英砂巖和礫巖的組份主體為石英，含量達(dá)70%～80%以上，其次為長(zhǎng)石，表明它們分選程度高，是被動(dòng)大陸邊緣濱海環(huán)境沉積物，地層原始產(chǎn)狀為近水平展布(圖13a)。

如前文所述，在碳酸巖侵位之前，白云鄂博地區(qū)石英礫巖發(fā)育餅狀構(gòu)造，石英砂巖發(fā)生重結(jié)晶，板巖中殘留有褶皺轉(zhuǎn)折端、其它部分被構(gòu)造置換為劈理，它們的產(chǎn)狀都近直立(圖13b, c)。因此，1.8～1.3Ga期間沉降的沉積物受到水平擠壓應(yīng)力作用，近水平的地層被構(gòu)造置換為近直立的構(gòu)造面理，這為碳酸巖的侵位提供了有利通道(圖13d)。

雖然礦區(qū)總體上分為南北兩帶，但它們之間與碳酸巖侵位相關(guān)的蝕變和碳酸巖脈均表明巖體在深部可能享有同一巖漿通道。碳酸巖侵位時(shí)，受到了左行剪切作用影響，形成雁列式破裂，使得巖漿可沿破裂、也可順構(gòu)造面理侵位，出現(xiàn)分叉、合并等現(xiàn)象(圖13d)。不過(guò)碳酸巖體在走向上較為一致，且與穿切圍巖面理的碳酸巖枝或巖脈相連接，這與前人的白云鄂博群地層“褶皺”模型(向斜構(gòu)造控礦)所預(yù)測(cè)的結(jié)果不吻合。“褶皺”模型預(yù)測(cè)的巖脈應(yīng)該為鏡像對(duì)稱(chēng)，即東接觸帶處廣泛分布NE-SW走向的碳酸巖脈，就應(yīng)該對(duì)稱(chēng)地出露有大量NW-SE走向的碳酸巖脈；實(shí)際情況是基本上只有NE-SW走向的碳酸巖脈。因此，研究結(jié)果支持白云鄂博礦區(qū)的碳酸巖是巖漿上涌過(guò)程中分叉侵位的產(chǎn)物，這也否定了“白云向斜”的存在。礦區(qū)內(nèi)白云鄂博群巖石的展布、早晚關(guān)系等需要重新審視，而礦體形態(tài)以及稀土-鐵等資源量也需重新評(píng)估。

圖11 白云鄂博碳酸巖侵入特征和巖漿流動(dòng)構(gòu)造(a)都拉哈拉一號(hào)碳酸巖脈侵入的斷層，將石英砂巖和礫巖分隔；(b)斷層南部石英砂巖野外露頭；(c)變石英砂巖的顯微結(jié)構(gòu)特征；(d)斷層北側(cè)礫巖野外露頭；(e)礫巖的顯微結(jié)構(gòu)特征；(f)菠蘿頭山順板巖構(gòu)造面理侵入的碳酸巖；(g)碳酸巖中的板巖殘留體；(h)一號(hào)碳酸巖脈向南側(cè)發(fā)育的趾狀構(gòu)造；(i)一號(hào)碳酸巖脈向東流動(dòng)的視鞘褶皺構(gòu)造Fig.11 Features of intrusive contact and flow structure in carbonatite dike at Bayan Obo(a) quartz sandstone and conglomerate is spatially separated by intrusive No.1 carbonatite dike, Dulahala area; (b) field features of meta-quartz sandstone in the south of the No.1 carbonatite dike; (c) microscopic feature of meta-quartz sandstone; (d) field features of conglomerate in the north of the No.1 carbonatite dike; (e) microscopic feature of conglomerate. The relation suggests a fault develops along the boundary between meta-sandstone and conglomerate; (f) carbonatite intrudes the foliation in parallel in slate, Boluotou Mountain; (g) remnant slate in carbonatite; (h) intrusive structure in the No.1 carbonatite dike, Dulahala area; (i) eastward-moving flow structure in the No.1 carbonatite dike

圖12 白云鄂博礦區(qū)碳酸巖和鐵礦體展布特征，綠色線(xiàn)段標(biāo)識(shí)了碳酸巖延伸方向左下角圖展示碳酸巖侵位時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)特征Fig.12 Diagram showing orientation of carbonatite and related dikes, and their strikes are presented in green lineThe en echelon structure of dikes and carbonatite bodies has been interpreted as formation in sinistral shearing and extensional setting (insert diagram)

圖13 中元古代白云鄂博盆地發(fā)育史及碳酸巖侵位Fig.13 Tectonic evolution and carbonatite intrusion in the Bayan Obo Basin during the Meso-Late Proterozoic

4 白云鄂博碳酸巖三維形態(tài)

4.1 綜合地球物理探測(cè)與解譯

白云鄂博礦區(qū)主要巖/礦石樣品的巖石物理性質(zhì)測(cè)量結(jié)果表明，碳酸巖(白云巖)都不同程度的含鐵，板巖、碳酸巖和鐵礦體的磁化率呈從低到高的變化，電阻率則呈從高到低的總體變化特征。因此，可以根據(jù)礦區(qū)磁化率和電阻率的分布特征來(lái)認(rèn)識(shí)碳酸巖體的總體分布形態(tài)。

為此，我們?cè)诎自贫醪┑V區(qū)進(jìn)行了航磁探測(cè)和可控源音頻大地電磁探測(cè)，探測(cè)范圍如圖14所示。從航磁異常特征圖(圖15)可以看出，主礦、東礦整體表現(xiàn)為高值磁異常區(qū)，主礦西北部有局部高值異常圈閉。高值磁異?？傮w成東西走向，在主礦、東礦西部仍存在局部東西向高磁異常區(qū)，推斷的高磁異常區(qū)與鐵礦富集區(qū)基本重合。

結(jié)合巖石物性測(cè)量結(jié)果，高磁性體主要對(duì)應(yīng)含鐵碳酸巖(白云巖)及賦存于其中的富鐵礦體等，因此可以用于揭示碳酸巖體的主體三維形態(tài)。根據(jù)正則化反演框架，引入穩(wěn)定泛函，采用吉洪諾夫正則化方法進(jìn)行磁異常反演(Tikhonov and Arsenin, 1977; Li and Oldenburg, 1996)，獲得白云鄂博礦區(qū)主要磁性體磁化強(qiáng)度分布特征，并據(jù)此分析碳酸巖體分布形態(tài)特征。從磁異常反演結(jié)果(圖16)可以看出，磁性體揭示出的碳酸巖體分布具有沿東西向展布的基本特征，主礦、東礦地區(qū)是磁性體分布的主要地區(qū)，主礦、東礦為連通的碳酸巖體分布區(qū)，且碳酸巖體的深度較大。東介格勒高磁異常區(qū)也揭示其下方發(fā)育有較大規(guī)模，呈板/枝狀分布的碳酸巖。

對(duì)白云鄂博礦區(qū)可控源音頻大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、地形校正、場(chǎng)源效應(yīng)校正、靜態(tài)位移校正和反演，結(jié)果顯示(圖17)，在西礦與主礦之間的區(qū)域，淺部(深至約1km)以低電阻率異常為主，近東西向展布，深部則表現(xiàn)為高電阻率異常體；在主礦與東礦之間，有南北兩側(cè)高阻異常夾持下的低阻體，淺部呈“V”字形、中深部陡立，南側(cè)的淺部低阻異常與深鉆KY15-04-01(終孔1927m)所揭示的含磁鐵礦碳酸巖-磁鐵礦層段在深度(地下559～868m深度段)和位置上基本吻合；東礦的東南方向也存在較大規(guī)模的低電阻率異常體。整體來(lái)看，低阻異常體在主、東礦采坑之間最深，并可繼續(xù)向深部(2km以深)延伸，而往東、西兩側(cè)埋深變淺。

綜合航磁與可控源音頻大地電磁測(cè)深結(jié)果，高磁異常體與低阻異常體具有較好的空間一致性，結(jié)合巖/礦石物理性質(zhì)測(cè)量結(jié)果，可以推斷該異常體揭示出了碳酸巖體的三維分布形態(tài)。

4.2 白云鄂博碳酸巖的空間展布

綜合野外觀(guān)察、專(zhuān)題填圖與地球物理測(cè)量，以及相應(yīng)的地質(zhì)、地球化學(xué)研究結(jié)果，我們認(rèn)為白云鄂博碳酸巖具有侵位中心，并在深部享有同一巖漿通道，該中心位于主、東礦之間，也是白云鄂博成礦的最佳部位?！?3億年的碳酸巖漿在侵位中心侵入后，再沿著白云鄂博群石英巖、板巖內(nèi)由早期構(gòu)造置換而成的陡立面理，往西(西礦)、往東(打花)推進(jìn)(圖18)。碳酸巖漿在上涌及向兩側(cè)推進(jìn)過(guò)程中，可出現(xiàn)分叉、合并等現(xiàn)象。因此，白云鄂博主礦和東礦深部及其兩側(cè)具有非常良好的找礦前景，而西礦最西側(cè)以及打花等地深部找礦遠(yuǎn)景相對(duì)較差。白云鄂博礦區(qū)是否還有第二個(gè)碳酸巖漿侵位中心，還需要做進(jìn)一步工作來(lái)證實(shí)。

圖14 白云鄂博礦區(qū)綜合地球物理探測(cè)示意圖紅色區(qū)域?yàn)楹酱艤y(cè)量區(qū)域，藍(lán)色線(xiàn)點(diǎn)為可控源音頻大地電磁探測(cè)測(cè)線(xiàn)Fig.14 Integrated geophysical survey map in the Bayan Obo MineRed lines indicate the Aeromagnetic survey area, blue point lines are CSAMT survey

圖15 白云鄂博礦區(qū)航磁異常圖Fig.15 Aeromagnetic anomaly map of Bayan Obo Mine

圖16 白云鄂博礦區(qū)磁性體反演分布Fig.16 Magnetization intensity inversion result in the Bayan Obo Mine

圖17 白云鄂博礦區(qū)可控源音頻大地電磁測(cè)深電阻率反演結(jié)果Fig.17 Resistivity inversion result from CSAMT survey in the Bayan Obo Mine

5 白云鄂博礦床稀土潛在資源

5.1 白云鄂博礦床稀土資源現(xiàn)狀

自白云鄂博礦床開(kāi)發(fā)以來(lái)，其普查與詳查工作目標(biāo)礦種一直為鐵礦，并多完成于20世紀(jì)70年代之前，對(duì)礦區(qū)稀土等資源量一直沒(méi)有權(quán)威的數(shù)據(jù)。目前公開(kāi)報(bào)道的稀土資源量也是主礦和東礦境界內(nèi)當(dāng)時(shí)(1950’s)地表(主礦“敖包”所在的最高峰當(dāng)時(shí)為海拔1783.9m，白云鄂博礦區(qū)平均海拔1640m)之下500～800m的總量，難以體現(xiàn)實(shí)際的資源量。進(jìn)入21世紀(jì)后，包鋼(集團(tuán))公司對(duì)主礦、東礦進(jìn)行了深部勘探，已完成大于1000m的鉆孔23個(gè)。于2014年在東礦南側(cè)完成的1775.4m深孔(WK20-22，圖18)，其終孔標(biāo)高-100m，仍未穿透碳酸巖體，碳酸巖中稀土含量均達(dá)到邊界品位；在主礦與東礦之間施工，并于2022年6月25日完成的1927m科研鉆孔(KY15-04-01)，終孔附近仍為碳酸巖與砂巖/石英巖互層，且霓長(zhǎng)巖化作用強(qiáng)烈，這都進(jìn)一步證實(shí)了白云鄂博礦床深部仍具有巨大的資源前景。

對(duì)白云鄂博稀土資源量現(xiàn)有多種說(shuō)法。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)表的數(shù)據(jù)多認(rèn)為，白云鄂博稀土工業(yè)儲(chǔ)量3600萬(wàn)t(RE2O3)，這也是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)每年發(fā)布的全球礦產(chǎn)品概要(Mineral Commodity Summaries)年報(bào)(U.S. Geological Survey, 2021)的中國(guó)數(shù)據(jù)(共計(jì)4400萬(wàn)t)來(lái)源。Drewetal.(1990)基于主礦和東礦詳細(xì)勘探的結(jié)果，計(jì)算的稀土資源量為4800萬(wàn)t(RE2O3)。近年來(lái)，隨著主礦、東礦深部礦體的勘探及西礦的開(kāi)發(fā)，稀土資源量隨之?dāng)U大，但不同文獻(xiàn)資料報(bào)導(dǎo)的數(shù)值差異很大。例如，李春龍等(2015)報(bào)導(dǎo)的白云鄂博稀土資源量大于1億t；Wengetal.(2015)的統(tǒng)計(jì)表明原礦中的稀土資源量為0.92億t，尾礦中的稀土為0.83億t，合計(jì)1.75億t；李瀟雨等(2021)報(bào)導(dǎo)的稀土資源量為1.8億t。但這些稀土資源量都沒(méi)有提供原始資料支撐或來(lái)源出處，難以評(píng)估這些資源量的準(zhǔn)確性。

5.2 白云鄂博礦床稀土潛在資源推算

為進(jìn)一步摸清白云鄂博礦床稀土資源家底，基于我們的地質(zhì)調(diào)查、地球化學(xué)與地球物理研究最新成果，對(duì)白云鄂博稀土潛在資源進(jìn)行推算。

(1)白云鄂博碳酸巖普遍含鐵，碳酸巖即為稀土礦體

上述數(shù)據(jù)表明，白云鄂博碳酸巖的稀土氧化物含量普遍大于2.0%，且含有一定的鐵。這一稀土含量遠(yuǎn)高于硬巖型稀土礦床工業(yè)開(kāi)采的邊界品位(0.5%；《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求參考手冊(cè)》編委會(huì)，2022)。和世界主要稀土礦床相比，白云鄂博碳酸巖的稀土氧化物含量也明顯偏高(Wengetal., 2015)。此外，白云鄂博碳酸巖中的稀土礦物主要是氟碳鈰礦和獨(dú)居石，現(xiàn)有的選冶技術(shù)都可有效的將稀土提取出來(lái)。因此，我們認(rèn)為白云鄂博含礦碳酸巖體即為稀土礦體，目前及未來(lái)皆可作為重要的稀土資源加以開(kāi)發(fā)利用。

圖19 白云鄂博碳酸巖稀土含量統(tǒng)計(jì)圖Fig.19 Diagram of REE contents of carbonatite at Bayan Obo

(2)稀土潛在資源推算方法及計(jì)算結(jié)果

白云鄂博碳酸巖體沿E-W走向構(gòu)造面理侵入，形成了長(zhǎng)度不等的南、北兩帶(圖1)，北帶包括西礦、主礦、東礦、菠蘿頭山、打花，南帶包括主礦南部的高磁(異常)區(qū)和東礦南部的東介勒格勒等。本次地球物理觀(guān)測(cè)范圍涉及西礦坑?xùn)|緣至東礦坑?xùn)|緣之間(對(duì)應(yīng)X軸坐標(biāo)為36659000至36665800)，該部分碳酸巖體形態(tài)及深部特征見(jiàn)圖16和圖17，未包括西礦及菠蘿頭山-打花分布的碳酸巖。

本次白云鄂博稀土潛在資源推算北帶分為航磁測(cè)量范圍、菠蘿頭山-打花和西礦三部分，其中菠蘿頭山-打花碳酸巖按照36665800切面處形態(tài)向東延伸3km，西礦地區(qū)碳酸巖按照36659000切面處形態(tài)向西延伸7km，延伸長(zhǎng)度均依據(jù)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所最新修編的1:5000地質(zhì)圖中碳酸巖地表實(shí)際產(chǎn)狀給出；南段依據(jù)碳酸巖體產(chǎn)出形態(tài)(圖16)及鉆孔信息，僅向下推算至500m深處。

由于碳酸巖體在較小范圍內(nèi)形態(tài)穩(wěn)定，因此將圖16按照100m和200m兩種切片密度獲取不同位置碳酸巖體切面形態(tài)，依據(jù)切面面積累加獲得碳酸巖體體積。在前述內(nèi)容基礎(chǔ)上，獲得0～500m和500～1000m的碳酸巖體積分別為4.32km3和1.63km3。采用白云鄂博碳酸巖稀土(REE2O3)品位2%，碳酸巖最小密度2800kg/m3，計(jì)算獲得白云鄂博礦區(qū)0～500m范圍內(nèi)稀土潛在資源為2.42億t，500～1000m范圍內(nèi)稀土潛在資源為0.91億t，1000m以淺推算的稀土潛在資源合計(jì)為3.33億t。上述計(jì)算值仍是較保守的推算結(jié)果，白云鄂博礦區(qū)實(shí)際的稀土潛在資源應(yīng)大于上述推算值。

6 結(jié)論

通過(guò)近期在白云鄂博礦區(qū)開(kāi)展的地質(zhì)、地球化學(xué)與地球物理專(zhuān)項(xiàng)研究，獲得了如下主要認(rèn)識(shí)：

(1)白云鄂博地區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在碳酸巖體侵位之前，礦區(qū)的早-中元古代沉積巖(白云鄂博群石英砂巖、礫巖和板巖等)經(jīng)歷了區(qū)域性的擠壓構(gòu)造作用，水平地層被構(gòu)造置換，形成礫石的餅狀構(gòu)造、糜棱巖和褶皺等。新形成的近E-W走向、陡立的構(gòu)造片理為～13億年的碳酸巖漿上涌提供了有利通道。礦區(qū)內(nèi)中元古界白云鄂博群沉積巖石的展布、歸屬及早晚關(guān)系等需要重新審視。

(2)白云鄂博H8白云巖為火成成因的碳酸巖，它們與圍巖具有明顯的侵入接觸關(guān)系，碳酸巖即是稀土成礦母巖，也是稀土礦體。白云鄂博巨量金屬的堆積發(fā)生在～13億年，碳酸巖漿具有從鐵質(zhì)-鎂質(zhì)-鈣質(zhì)演化的趨勢(shì)，且不同階段碳酸巖中的稀土元素，尤其是輕稀土元素，呈現(xiàn)出逐漸富集的趨勢(shì)。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)遭受了兩次改造作用，改造過(guò)程導(dǎo)致了稀土活化及新生礦物生成，但沒(méi)有外來(lái)稀土的明顯加入。

(3)從磁異常反演結(jié)果揭示出的碳酸巖體分布具有沿東西向展布的基本特征，主礦和東礦是磁性體分布的主要地區(qū)，主礦和東礦之間為連通的碳酸巖分布區(qū)，且碳酸巖體發(fā)育深度較大。高磁異常體與低阻異常體揭示出了碳酸巖體(礦體)的三維分布形態(tài)。白云鄂博的碳酸巖具有侵位中心，并在深部享有同一巖漿通道，中心位于主、東礦之間。碳酸巖漿侵位后，沿早期構(gòu)造置換而成的陡立面理，往西(西礦)、往東(打花)分別推進(jìn)，可出現(xiàn)分叉、合并等現(xiàn)象。

(4)白云鄂博碳酸巖體量大、演化程度高，是其巨量稀土堆積的關(guān)鍵因素。利用獲得的碳酸巖體(稀土礦體)分布范圍、體積、(最小)密度等，采用碳酸巖全巖稀土含量2%(根據(jù)歷年數(shù)據(jù)獲得的保守平均值)，推算出白云鄂博礦區(qū)500～1000m以淺稀土潛在資源為3.33億t，這是白云鄂博目前公認(rèn)值3600萬(wàn)t的9.25倍，U.S. Geological Survey (2021)公布的全球已探明稀土總資源量(包括白云鄂博)1.2億t的2.78倍。目前碳酸巖體的深部特征及礦區(qū)東、西延伸展布形態(tài)仍不清楚，是否存在隱伏的碳酸巖體以及另外的侵位中心，這都制約了對(duì)白云鄂博稀土等戰(zhàn)略資源的準(zhǔn)確評(píng)估。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)白云鄂博巖石物性等基礎(chǔ)研究，開(kāi)展以高精度重-磁-電和地震為主的綜合地球物理探測(cè)，更精準(zhǔn)地圈定碳酸巖體三維空間展布形態(tài)；配合礦山開(kāi)采工程，建議開(kāi)展新一輪以稀土為主的勘探工作，驗(yàn)證稀土潛在資源量，以獲取白云鄂博戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源準(zhǔn)確家底。

致謝研究工作得到秦克章研究員、王建研究員、苗來(lái)成研究員、王一博研究員、薛國(guó)強(qiáng)研究員、何蘭芳高工、朱明田副研究員、陳衛(wèi)營(yíng)副研究員和鄭憶康副研究員等的大力支持與協(xié)助。張連昌研究員和李曉峰研究員悉心審稿，使文章得以完善。在此一并致以衷心的感謝！