内蒙古Bayan Obo Fe-REE矿床的成因：来自菱铁矿和碳酸盐岩中镁同位素及地球化学特征的证据

《Frontiers in Earth Science》：Genesis of the Bayan Obo Fe-REE deposit: evidence from Mg isotope and geochemistry of siderite carbonatites, Inner Mongolia, China

白云鄂博铁矿-稀土矿床的 siderite carbonatites Mg同位素分析及地质成因研究显示，其δ2?Mg值（-1.31‰至-0.09‰）接近 Mantle 来源，结合高Fe、REE、Sr、Ba等元素特征及岩矿学证据，证实矿床形成于碳酸盐岩浆侵入后经历变质重结晶及围岩混染过程，排除了纯沉积成因可能。

　　### 解读：Bayan Obo铁-稀土元素矿床的成因研究

Bayan Obo矿床，位于中国华北克拉通的北部边缘，毗邻中亚造山带，是全球著名的多金属矿床集中区。自其主矿体被发现以来，许多研究已开展，但其成因始终是一个备受争议的问题。近年来，镁同位素研究的迅速发展为追踪地幔源岩浆和碳酸盐岩提供了新的视角，成为研究该矿床成因的重要工具之一。本研究通过对与Bayan Obo矿床形成密切相关的铁碳酸盐岩进行镁同位素组成和全岩地球化学分析，旨在揭示其成因机制。

#### 矿床的地球化学特征

研究显示，铁碳酸盐岩具有显著的高锶（Sr）含量（796.3–6,343.1 ppm）、高钡（Ba）含量（84.8–11,593.0 ppm）以及高锰（Mn）含量（8,319.8–48,680.8 ppm），同时稀土元素（REE）的丰度也较高（2,696.8–20,763.6 ppm）。这些特征明显区别于沉积碳酸盐岩。此外，铁碳酸盐岩的δ2?Mg变化范围为?1.31至?0.09‰，平均值为?0.37‰，与矿区内碳酸岩的δ2?Mg特征相似。这些地球化学特征表明，铁碳酸盐岩可能来源于地幔，并经历了复杂的分异和演化过程。

#### 矿床的地质背景

Bayan Obo矿床形成于中元古界Bayan Obo群，该群被划分为九个岩石层序（H1-H9），从底部到顶部依次为石英砂岩、长石石英砂岩、石英岩，上部夹杂泥岩，H8层主要由白云岩组成，H9层则为富含钾的板岩。矿体主要赋存于H8层的白云岩中，形成一个长约18公里、宽约2–3公里的东西向矿带。在48平方公里范围内，矿体可分为三个开采区，其中两个主要矿体受到钠和氟的交代作用影响，稀土、铌和铁矿化程度较高。相比之下，矿体的西半部分交代作用和矿化作用较弱。矿体周围广泛分布着碳酸盐岩脉，这些岩脉侵入到Bayan Obo群的变质沉积岩和基底片麻岩中。根据主矿物成分，这些碳酸盐岩脉被分为白云岩型、方解石型和白云石-方解石共生型。

#### 分析方法

本研究采用多种分析方法，包括样品采集、岩石薄片观察、地球化学和同位素分析等。样品采集时，避免了风化表面、热液脉和晚期碳酸盐脉，以减少污染。六块代表性样品在0.5–1米间隔内采集，并分为两部分：一部分用于岩石薄片制备和观察，另一部分用于地球化学和同位素分析。为了确保分析的准确性，实验室器皿和样品容器均经过严格清洗，以去除可能的污染。

#### 镁同位素分析

镁同位素分析采用高分辨率多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术。样品经过一系列化学处理步骤，包括用高纯度氢氟酸和硝酸的混合液进行溶解，随后通过柱层析分离镁。最终的镁同位素比值与标准物质（DSM3）进行比较，以确定样品的δ2?Mg和δ2?Mg值。结果显示，Bayan Obo铁碳酸盐岩的δ2?Mg值范围为?1.31至?0.09‰，δ2?Mg值为?0.64至?0.08‰，这些值与矿区内白云岩碳酸盐岩相似，而与沉积碳酸盐岩不同。这一同位素特征支持了铁碳酸盐岩可能来源于地幔的观点。

#### 地球化学特征与成因模型

研究还发现，铁碳酸盐岩在稀土元素和微量元素组成上与沉积碳酸盐岩有显著差异，而与白云岩碳酸盐岩更为相似。这种差异表明，铁碳酸盐岩可能经历了不同的形成过程。通过比较不同成因模型，研究指出铁碳酸盐岩更可能来源于地幔，而非单纯的沉积作用。此外，铁碳酸盐岩的δ2?Mg值明显高于中元古代沉积白云岩，这表明其形成过程中可能涉及地幔物质的引入和交代作用。

#### 对矿床成因的启示

本研究的成果为理解Bayan Obo矿床的成因提供了新的视角。镁同位素数据表明，矿床的碳酸盐岩可能并非单纯的沉积产物，而是经历了地幔源岩浆侵入和交代作用。这一结论与之前的沉积成因模型相矛盾，支持了岩浆成因的观点。此外，铁碳酸盐岩的地球化学特征与矿床中的主要矿物（如独居石和磁铁矿）一致，进一步验证了其成因模型。

#### 结论

综上所述，Bayan Obo铁碳酸盐岩的地球化学和同位素特征表明，它们主要来源于地幔，并经历了复杂的分异和交代过程。这些过程可能包括岩浆分异、液态不混溶、热液交代和围岩同化等。镁同位素分析为研究该矿床的成因提供了新的工具，有助于更准确地理解其形成机制。未来的研究可以进一步探讨这些过程的具体机制及其对矿床形成的影响。