Question

碳酸岩的稀土元素富集机制

Answer 1

碳酸盐岩储集层
碳酸岩已达到REE富矿石的品位。主要赋存在氟碳铈矿和氟碳钙铈矿等矿物之中； 岩石结构分析表明，它们与方解石呈相嵌接触关系，说明是从碳酸岩浆直接结晶而成的原生矿物。这种岩石结构关系在Mountain Pass富稀土碳酸岩中也有发现。值得指出的是，碳酸岩中氟碳铈矿和氟碳钙铈矿的稀土元素配分型式与白云鄂博矿床的赋矿白云石大理岩中的这类矿物十分相似。碳酸岩的微量元素蜘蛛图解和形成时代亦与赋矿白云石大理岩和稀土矿石几乎相同。这些地球化学特征说明碳酸岩的形成与白云鄂博矿床的成因可能存在着某种内在的联系。此外，已经获得的O，C和Sr研究成果支持这种推论。
与正常沉积石灰岩中的方解石比较可以看出，REE碳酸岩中的方解石富含Sr和Mn； 用不同REE碳酸岩样品中方解石的Sr与Mn投图表明，它们呈反相关关系，反映碳酸岩经历了分离结晶作用。及用全岩La/Sr-La/Nd和Ba/Sr-La/Sr等所作的图解也说明了碳酸岩发生了分离结晶作用。因此，可以推测，大量方解石的结晶分离致使残余岩浆中REE高度富集。REE的这种富集过程与Mountain Pass碳酸岩十分相似。Wyllie等指出，碳酸岩REE的高度富集过程应该发生在地壳环境中，但是这种源于地幔的碳酸岩岩浆的REE初始浓度不能太低，否则REE进入主要碳酸盐矿物和其他矿物，因而没有机会形成REE矿物。如果碳酸岩岩浆的REE浓度高于这个最低水平，那么排除形成REE碳酸岩的最主要因素是在碳酸岩岩浆的结晶过程中，有结晶温度较高的含REE矿物（如磷灰石，独居石，钙钛矿等）从岩浆中结晶分离，带出了相当数量的REE。这样的结果必然不能形成REE碳酸岩，而形成磷灰石-磁铁矿型碳酸岩。
由于没有出露与碳酸岩共生的硅酸不饱和碱性岩石，所以很难判断都拉哈拉碳酸岩是源于地幔软流圈低程度部分熔融作用的霞石质岩浆经地壳环境下液态不混溶作用所形成的可能性，但也不能排除这种机制的存在。在中元古代，白云鄂博处于华北地台北缘的裂谷环境中，明显有别于非洲碱性岩-碳酸岩形成的构造环境。因此，在火成碳酸岩的岩石组合上可能出现了差异，即使在地壳环境中发生了无法观察的液态不混溶作用，REE也不会在熔离出的碳酸岩熔体中得到有意义的富集。可以设想碳酸岩浆直接形成于岩石圈地幔极低程度的部分熔融作用。扣除以分离结晶作用造成的REE高度富集的影响，假定样品90/39代表原始碳酸岩浆，那么产生这种岩浆必须要求地幔源区是一种已经富集的地幔。大量高温高压实验表明，在压力为2.1～3.1 GPa和930～1080 ℃的上地幔条件下，地幔二辉橄榄岩的部分熔融作用能够产生碳酸岩熔体。模拟计算结果表明，经原始地幔富集10～20倍的富集地幔按1%的低程度部分熔融作用，可以形成REE浓度约1000 μg.g-1的初始碳酸岩熔体。残留矿物相中的柘榴石要求不低于20%。这种REE已经初步富集的碳酸岩熔体再经历地壳环境中的分离结晶作用能够达到观察到的碳酸岩的REE浓度水平。
研究表明，大理岩体是一个碳酸岩侵入体，随后由于构造作用和糜棱岩化作用促使粗粒白云石大理岩发生细粒化，成矿热液导致其发生重结晶作用； REE-Nb-Fe成矿作用和碳酸岩岩浆活动有关。白云岩化作用的可能模式是：由于碳酸岩浆的侵入，引起本区对流的热液体系重新调整，导致镁从白云鄂博群沉积岩，特别是页岩，活化转移到碳酸岩体之中致使其发生白云岩化作用。而碳酸岩岩墙由于产生的热量太小，以至不能形成一定规模的对流热液体系，所以它们多数没有发生白云岩化作用。另一种可能性是，赋矿粗粒白云石大理岩是原生白云质碳酸岩浆冷却结晶作用而形成，是和钙质碳酸岩岩墙同源岩浆不同阶段的产物。这种推测的直接依据是切割赋矿粗粒白云石大理岩上覆H9板岩的另外一条细粒碳酸岩岩墙也是钙质的，没有发生白云岩化作用； 而他与白云石大理岩的微量元素和C以及O同位素地球化学特点一致。
地幔流体的微量元素蜘蛛图与常见的碳酸岩也是相似的，是引起地幔交代作用的重要介质之一。假设这种地幔流体交代沉积石灰岩或者白云岩而形成了赋矿白云石大理岩，使其具有碳酸岩的岩石地球化学特征，那么大理岩的矿物共生组合和矿物生成顺序应遵从交代关系。事实上，描述的岩石结构和矿物生成顺序与矿化碳酸岩是一致的，赤铁矿形成于磁铁矿之后，所描述的赤铁矿经地幔流体交代反应形成了磁铁矿。