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李晓春-GCA：再探白云鄂博矿床巨量稀土富集的时间之谜
随着现代高新产业及国防工业的快速发展，稀土成为世界各国高度重视的战略矿产。我国内蒙古白云鄂博矿床是世界最大的稀土矿，其资源量接近世界稀土总量的1/2。除稀土外，该矿床还蕴藏有丰富的铌（世界第二大铌矿）、钪和钍等关键金属，以及铁、氟、磷等元素。自丁道衡先生1927年在白云鄂博首次发现铁矿体，何作霖先生1935年在矿体中发现稀土矿物以来，世界各地的科研人员对白云鄂博矿床开展了大量勘查和研究工作，并取得诸多重要的成果。但白云鄂博矿床的巨量稀土是何时富集以及如何富集的，仍是未解之谜。
从20世纪60年代至今，不同学者对白云鄂博矿床的成矿年代学开展了大量工作，获得的年龄从16亿年跨至2.5亿年，其中在14-12亿年及5-3亿年存在两个峰值。复杂的定年结果导致对成矿过程产生明显不同的认识，主要包括：1）稀土成矿发生在中元古代，和当时发育的裂谷碳酸岩有关，矿床形成后经历了长期/多期改造；2）稀土预富集发生在中元古代，但成矿发生在早古生代，成矿和古亚洲洋板片向华北克拉通北缘俯冲有关；3）稀土多次富集，造就该矿床储量大和品位高的特点。上述成矿过程的巨大争议阻碍了对稀土富集成矿机理的进一步认识。
为厘清白云鄂博矿床巨量稀土富集的时代，中科院地质与地球物理研究所李晓春副研究员、范宏瑞研究员、杨奎峰副研究员、杨岳衡正高级工程师、郝佳龙高级工程师，联合香港大学周美夫教授，澳大利亚Adelaide大学Carl Spandler教授对白云鄂博矿床重新开展了系统的年代学研究。他们在矿区内进行了大范围采样，并对矿石中的稀土矿物独居石和氟碳铈矿开展了详细的结构研究以及Sm-Nd和Th-Pb同位素分析。
研究显示，矿床中绝大多数稀土矿物都经历过热液改造（图1）。被改造矿物的Sm和Nd含量在矿物和手标本尺度上相对均一（图2），Sm-Nd同位素组成在手标本尺度上相对均一（图3），说明热液改造过程中Sm和Nd的活动性低。在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd图解中，被改造矿物的成分几乎沿一条直线分布，表明Sm-Nd同位素体系在热液改造过程中相对稳定。因此其等时线年龄可以代表稀土成矿的时代（~13亿年；图3）。
对稀土矿物进行Th-Pb同位素定年，获得了一系列小于13亿年的年龄（图4）。观察显示，Pb在稀土矿物内分布不规则（图2），此外单个样品尺度Pb含量往往随Th-Pb年龄减小而降低（图5）。这些现象均表明样品在后期热液改造过程中发生了不同程度的Pb丢失。因此，很多Th-Pb同位素年龄应该是同位素体系被扰动的结果，没有实际的地质意义。多个样品中最小的年龄为4.5-4.0亿年或2.8-2.6亿年，且相似的最小年龄在多个样品中出现，暗示了这些年龄很可能是Th-Pb同位素体系被完全重置的结果，可以代表矿物被改造的时代。此外，矿石中少数发育有生长结构的稀土矿物，其年龄为4.5-4.0亿年或2.8-2.6亿年（图4），同样表明矿区内存在早古生代和晚古生代两期热液活动。古生代新生稀土矿物的Nd同位素组成十分接近13亿年矿石的Nd同位素演化线（图5），表明其生长所需的稀土应该为中元古代矿石中的稀土活化而来，外来物质贡献不明显。
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图1 （a）富稀土的条带状矿石；（b）矿石显微照片，可见稀土矿物密集分布；（c）和（d）独居石和氟碳铈矿经历了热液改造，在BSE图像下呈现复杂的结构。
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图2 独居石和氟碳铈矿NanoSIMS元素扫描图，可见 Sm和Nd分布相对均一，但是Pb及208Pb/232Th分布复杂，说明热液改造过程中Sm-Nd同位素体系相对稳定，Th-Pb同位素体系被扰动。
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图3 独居石和氟碳铈矿Sm-Nd同位素成分呈线性分布，等时线年龄约为13亿年（图中不同符号代表不同样品）
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图4 改造及新生独居石Th-Pb年龄频谱图
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图5 Pb含量随Th-Pb年龄减小而降低，说明矿物热液改造过程伴随不同程度Pb丢失
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图6 古生代新生稀土矿物的Nd同位素组成十分接近13亿年矿石的Nd同位素演化线，表明古生代没有外来稀土的明显加入
以上研究表明，白云鄂博矿床的巨量金属堆积发生在13亿年左右，矿床形成后分别在早古生代（4.5-4.0亿年）和晚古生代（2.8-2.6亿年）经历了两次改造。改造过程导致了稀土活化，但没有资源量的明显增加。前人对白云鄂博矿床的定年结果存在迥异的地质解读，但传统的分析手段难以对不同的观点做出评判。本研究通过NanoSIMS进行微量元素面扫描，直观排除了部分没有地质意义的定年结果；此外结合原位Th-Pb和Sm-Nd同位素分析结果，有效地区分了成矿和后期改造事件。因此，该研究为厘清白云鄂博矿床的成矿-演化历史提供了关键证据，并为进一步研究该矿床的稀土超常富集机理提供了重要基础。
值得指出的是，近年来副矿物微区定年技术的进步有力地推动了矿床定年工作。但越来越多研究表明，地质背景复杂的矿床（如稀土矿床、IOCG矿床、IOA矿床等）往往具有多期或长期的定年结果。本研究表明，副矿物在后期强烈热液活动过程中极容易被改造，对其定年获得的结果需要慎重分析。部分数据可能没有地质意义，即使其有地质意义，也可能代表改造而非真正的成矿年龄。因此，复杂矿床的定年结果需要结合地质背景及综合分析手段深入审视以及合理解读。
研究成果发表于国际权威学术期刊GCA（李晓春*，杨奎锋，Carl Spandler，范宏瑞，周美夫，郝佳龙，杨岳衡. The effect of fluid-aided modification on theSm-Nd and Th-Pb geochronology of monazite and bastnäsite: Implication forresolving complex isotopic age data in REE ore systems[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 300: 1-24）。该成果受到国家自然科学基金和地质地球所重点部署项目的资助。
校对：张崧
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