本人从事白云鄂博矿床研究三十年纪念

硕士研究生毕业论文

题目： 内蒙古白云鄂博铌、稀土、铁矿床的氢同位素组成及其成因探讨

目录

序言

第一章  区域地质概况

一、区域地质

二、区域构造

三、区域岩浆岩

四、区域矿产

第二章   矿区地质与矿床地质

一、矿区地层

二、矿区构造

三、矿区火成岩

四、矿区变质作用

五、矿床地质概况

六、矿床的蚀变交代作用

第三章   矿床中气液包裹体研究

一、矿物包裹体的类型及特征

二、矿物包裹体的盐度、均一温度、爆裂温度

第四章   矿床氢、氧、碳同位素组成

一、同位素分馏及其影响因素

二、同位素的分析测定

三、岩石矿物中的氢同位素组成

四、氢同位素地温计

五、氢同位素组成的讨论

六、矿区白云岩碳氧同位素组成

第五章   白云鄂博矿床成因探讨

一、矿床形成条件剖析

二、矿床形成过程

三、结论

致谢

附录I   两种不同同位素组成物质的混合模型

附录II  碳酸盐脱碳酸气过程中的同位素效应

由于种种原因，论文的主要内容至今尚未公开发表。在这里仅给出当年论文最后的结论。

第五章   白云鄂博矿床成因探讨

一、矿床形成条件剖析

矿区宽沟背斜两翼地层从H₁到H₉均可以对比，但从H₈到H₉,岩性和厚度相差很大，含矿性亦明显不同，因而引起矿区南北地层对比的争论。1979年通过对白云鄂博群地层沉积韵律和岩石化学分析的研究表明，宽沟南北地层为同一套地层，可以进行对比，它们是同一时代的产物，H₈岩性岩相不同是同时异相的结果^[16]。

从沉积厚度看，宽沟以北H8灰岩厚约300米，宽沟以南H8白云岩厚约500米，表明宽沟以南为一凹陷的沉积盆地，这个盆地是由于宽沟大断层的活动引起的一个断陷盆地。宽沟南北H8层之间未见沉积间断或粗碎屑沉积，表明在沉积H8岩段时，宽沟南北海水是相通的，宽沟以南并非为一个封闭半封闭的潮间泻湖或完全封闭的潮上蒸发盆地。而且当时的气候条件也不适宜单纯通过海水的蒸发浓缩形成盐类建造^[15]。

硫同位素研究结果表明，主矿δ³⁴S，主矿平均δ³⁴S，东矿平均为，西矿δ³⁴S，平均为。变化范围窄，具有明显的塔式效应，既不同于δ³²S大量富集、变化范围宽的典型生物沉积型的硫化物，也不同于绝大部分的硫来自海水硫酸盐的海相沉积硫化物。硫同位素变化范围窄的特点是硫来自深部源的表现^[61]。

表5-1 内蒙中部元古代多金属矿床硫同位素对比

表5-1 列举了本矿区和邻区一些浅海-泻湖相沉积多金属矿床的硫同位素组成进行对比，可以看出，本矿区与其它矿区的硫同位素组成有明显的差别，说明本矿床并非泻湖相沉积环境。

表5-2  列举了本区部分岩石和矿物锶同位素与世界对比

表5-2 白云鄂博矿区部分岩石、矿物锶同位素与世界对比

锶同位素初始比表明成矿溶液来源于地幔深部，有些样品可能有壳层物质混入。

氢、氧、碳同位素一致地表明，矿区H8白云岩为深源热液与海水混合沉积而成，同时又表明矿区内存在着岩浆型碳酸岩（白云石型和方解石型）。

矿区内铁矿的分布特征：从东接触带到西矿，同一铁矿化层的矿体呈不连续分布。主东矿体呈厚度特大的透镜体和帚状体，与沉积矿床的相对稳定层状或薄透镜体明显不同，矿体上盘边界与地层产状一致，而主东矿的下盘边界与地层走向斜交，矿体内的条带总体上与岩层走向一致，但内部又多呈分叉合拢、包裹或绕过呈透镜状、角砾状、眼球状的块状磁铁矿团块，反映出一种流动的构造形态，这与沉积矿层条带的稳定延伸不同，说明铁矿可能以矿浆的形式溢出。世界上直接从地下深部流出铁矿浆的例子有智利的拉科铁矿，产于陆相火山地区；我国宁芜的梅山和姑山铁矿目前也被公认为矿浆成因，不过它们没有喷出地表，而是贯入到次火山侵入体边缘或顶部的某些张开空间中形成。在海底火山喷发过程中也可能有矿浆的溢出。与本区磁铁矿、赤铁矿平衡的水溶液的氧同位素落在岩浆水的范围内，铁矿物包裹体氢同位素组成显示了幔源的特征。

铌、钽和稀土元素的分布特征：在白云鄂博矿区，铌、钽和稀土元素的矿化范围比铁的矿化范围大。它们的富集程度和地段与铁关系密切。铁矿化解释铌稀土最富集的地段，从矿体向外，铁、铌、钽和稀土的矿化程度明显地同步减弱。对矿区稀土矿物的研究表明，本区稀土矿物多具有二种产状，一种呈细粒状散布于白云石、萤石和铁矿物中，表明其生成早于或等于白云石、铁矿物的形成时间；另一种呈细脉状分布于矿物的颗粒之间，并常常脱离铁矿体，形成单独的铌稀土富集带。不同产状的稀土矿物如易解石、独居石、烧绿石以及磷灰石等的稀土配分型式也不相同^[60,64]。这些现象如果考虑到矿区内碳酸岩岩浆及其高温气液的活动，就能得到很好的解释。这表明矿区的铌、稀土矿化主要为两次：第一次是与铁在一起的共同矿化；第二次为碳酸岩活动带来的铌稀土矿化。本矿区铌、稀土矿化的最显著特征是大的Nb/Ta比值和轻重稀土元素的强烈分馏。这正是火成碳酸岩中最常见到的现象。矿区基底岩石中铌的平均含量低于克拉克值。白云鄂博群中各层的稀土总量与蓟县剖面一般沉积岩相似，表明区域基底岩石不能以沉积作用这一途径向矿床提供铌和稀土，由于基底岩石的铌、稀土含量低，相对来说，基底岩石部分熔融形成的岩浆和热液提供大量铌、稀土的可能性较小，暗示着铌、稀土主要来自地球深部。

富钾板岩的成因：矿体上盘的富钾板岩，随着研究程度的深入，发现了越来越多的火山成因证据，岩石化学表明其为碱性岩浆系列的酸性火山岩。富钾板岩的稀土配分型式与铁矿的稀土配分型式一致，表明它们来自同一源区。据认为，裂谷带上岩石特征上的差异基本上不取决于地幔物质侧向不均匀性和岩浆上升过程中的分异作用，主要取决于岩浆的分熔深度。别洛乌索夫（1974）通过对裂谷带碱性岩稀土元素分析表明，强碱性岩中的轻/重稀土元素比值明显地大于中等碱性玄武岩中的比值。火成岩中稀土元素含量和比例关系说明，强碱性岩为高压（30-50千巴）分熔产物。而且，高温高压实验证明，越是高压下生成的岩石，其碱金属含量越高。一般来说，所有地幔产物中都含有较丰富的Fe、Mg、Ti。但是，来源于地幔较深部的碱性岩和碱性超基性岩中含有较丰富的Al、Na和K，以及Sr、Nb、Zr、Ba、Ta和TR，在其气相成分中含有较多的氢、碳和烃。这类元素的存在证明岩浆的分熔深度可能很大，超过200公里。拉斑玄武岩浆的分熔深度相对较浅。在裂谷范围内，当岩热界面上升并作用于地壳时，随着热力学和岩浆深熔机制的改变，可能出现碱性花岗质岩石。

根据碱金属的含量计稀土元素的配分型式特点，我们认为组成富钾板岩的物质来自地球深部。考虑到富钾板岩与矿区H₈白云岩及白云岩中铌、稀土、铁的成因关系，是否考虑在今后地层划分中，将富钾板岩与H₈白云岩划归为同一层位，作为一个特殊的夹层处理。

矿区花岗岩与铌、稀土、铁矿化的关系：本区花岗岩的主要地质特征已在前面矿床火成岩一节中作了介绍。本区海西中粗粒黑云母花岗岩占区域内所有火成岩面积总和的70%左右。这种花岗岩仅在与白云岩接触的局部位置和一些同化混染带内出现角闪石、稀土含量有所提高。而从整体上看，花岗岩中磷灰石、独居石等含稀土元素的矿物的含量不高，岩石中TR2O3含量仅为249ppm，低于维诺格拉多夫计算的花岗岩类平均含量。因此，矿区内的海西期花岗岩不能向矿床提供大量的铌、稀土。而且花岗岩与铁矿的关系一般地说是不密切的。矿区内的海西期花岗岩除了与围岩发生同化混染的以外，整个岩基的岩石结构和成分比较稳定，都是由中粗粒黑云母花岗岩组成，岩体内没有明显地岩相变化，没有强烈地岩浆晚期热液的自交代作用现象，也未发现有较大的伟晶岩脉产出。这表明海西花岗岩没有发生明显地结晶分异作用，也没有出现大规模的岩浆期后热液。由花岗岩热液所形成的矿床，通常产在花岗岩体的顶部，而矿区花岗岩出露面积很大，且多为中粗粒结构，表明岩体剥蚀程度很深，成矿的有利部位均已被剥蚀掉了。

根据上述特点，可知本区海西期花岗岩铌、稀土含量不高，岩浆期后热液不发育，难于向矿床提供大量的成矿物质，因而与成矿作用关系不大。海西期花岗岩对矿床的作用，主要为热变质作用，使矿区内石英砂岩变质为石英岩，泥质岩变为板岩，碳酸盐岩重结晶。

热液交代作用过程：根据前面的分析，白云鄂博矿床主要是富含 K、 Na、 Mg、 Fe、 Mn、 Sr、 Ba、 Al、 Si、 Nb、 TR等金属以及F、P、CO₂等挥发份的矿浆形式沿深断裂上升喷溢而成。矿浆在上升过程中发生自交代作用，形成一部分钠辉石、钠闪石，当矿浆溢流到断陷盆地后，氟交代碳酸盐生成萤石，钠、铝、硅等交代白云岩形成钠辉石岩、钠闪石岩，磷与钙结合形成磷灰石，稀土元素形成稀土碳酸盐矿物。由于氟交代碳酸盐释放出一部分CO₂造成一个局部的氧化环境，使矿浆下部的一部分磁铁矿氧化为赤铁矿及假象赤铁矿。矿床形成后，由于构造活动引起碳酸岩岩浆的侵入，碳酸岩浆高温气液沿构造破碎带上升交代白云岩和铁矿形成黑云母化白云岩、黑云母岩及黑云母型铁矿。

二、矿床形成过程

综上所述,这里有可能简要地描述白云鄂博铌、稀土、铁矿床的形成过程。

中元古代时期，白云鄂博地区处在内蒙古陆与深海过渡地段的浅海区，沉积了一套类复理石式沉积建造的地层H₁-H₇（图5-1 a）。随后，由于深断裂（裂谷）的活动，沿宽沟大断裂形成一个狭长的断陷海盆。盆地内部隆拗相间，来自地幔的富含K、Na、Mg、Fe、Ba、Sr、Nb、TR、F、P、CO₂的热液（热卤水）沿深断裂上升，进入断陷海盆与盆地内的海水混合，由于热卤水的盐度和密度比海水大，因而滞留在盆地内，海水因密度小故覆盖于卤水之上，这样在水下形成了一个半封闭的体系，盆地之外仍为正常海相沉积（图5-1 b）。热卤水源源不断地进入海盆，使盆地内温度逐渐升高，盐度和碱度也不断增加。当溶液中离子浓度达到饱和时便开始了沉积，最初形成镁方解石，随着溶液中Mg、Fe、TR逐渐增加，沉积物也逐渐变为白云石、铁白云石、菱镁矿、菱铁矿等许多系列的碳酸盐矿物，稀土元素也随之沉积，形成元素的层控沉积序列。热卤水演化到后期变成富含Nb、TR、F、P、CO₂等挥发份的铁矿浆向外喷溢，缓缓地流动。F与先沉积的碳酸盐反应生成萤石，放出部分CO₂形成局限的氧化环境，使矿体下部的磁铁矿氧化为赤铁矿或假象赤铁矿，矿体的中上部仍为磁铁矿。在矿浆流动过程中，早期固结的铁矿石发生破碎呈角砾状、透镜状及眼球状，而稀土和萤石等矿物的条带则携裹着或绕过这些碎块流动，这些条带本身也大量显示出分叉合拢、揉皱等流动构造形迹。铁矿浆喷溢之后是规模不大的碱性火山岩喷发，在铁矿上盘形成了富钾板岩及碧玉条带硅质岩（图5-1 c），在西矿区，矿浆与火山相间喷溢，大致形成两个交互的韵律层。矿浆喷溢过程中，碱性热液与硅质物质发生自交代作用形成钠闪石、霓石型铁矿石，矿浆进入沉积盆地后，钠硅质又交代白云岩形成钠闪石岩、钠闪石化白云岩、霓石岩等，受矿（岩）浆热力影响，矿区白云岩重结晶，早期形成的菱铁矿一部分分解变成磁铁矿，一部分残留在矿体中。

扬子运动使本区隆起，在矿区形成近东西向的背向斜。至此，白云鄂博群地层与太古界地层连接成陆，从而成为中国古地台的一部分。扬子运动使本区经受了浅的区域变质作用。

加里东末期或海西早期，由于强烈的挤压作用，使已经褶曲的矿区白云鄂博群地层在原有的深断裂基础上发育了新的走向断层以及与之配套的张性裂隙和X型扭裂隙。碱性超基性岩、碱性辉绿岩、碱性正长岩以及碳酸岩岩浆沿深断裂侵入到白云鄂博群地层，碳酸岩岩浆主要沿白云向斜内的走向断层侵入，在东部接触带出露最多，在宽沟背斜轴部则贯入张性及张扭性裂隙中，呈脉状产出。碳酸岩岩浆高温热液交代部分白云岩和铁矿，从而形成黑（金）云母化白云岩及云母型铁矿，形成一些富含铌、稀土矿物的钠辉石、钠闪石脉沿裂隙充填，造成铌、稀土的第二次矿化（图5-1d）。

海西期本区大量花岗岩浆活动，由于花岗岩浆热液不多，花岗岩与砂泥质岩石接触时，围岩仅产生褪色、硅化、角岩化等热接触变质，与碳酸盐岩接触时仅产生很微弱的矽卡岩化带，而热液交代蚀变作用不明显。花岗岩没有向矿床提供大量的成矿物质，相反对已形成的矿床起着一定的破坏作用，如，主矿南部的高磁区。

海西运动之后，本区经历了长期的风化剥蚀过程，形成一些残坡积铁矿，并生成一些表生氧化物，如褐铁矿、针铁矿等。

三、结论

1. 白云鄂博铌、稀土、铁矿床的形成与内蒙中部中晚元古代裂谷活动有关。

2. 断裂构造对矿床的形成、演化起着主导作用。

3. 成矿物质主要来自深源。

4. 矿床形成方式以沉积为主。

5. 矿床的形成期次：对铁而言主要为一次；对铌、稀土等则为二次。

6. 铁矿成矿温度主要为250~450℃。

7. 白云鄂博矿区碳酸盐岩石可分为三种成因类型（正常海相沉积型、混合沉积型、岩浆型）两个形成时代（元古代、古生代）。

8. 矿区内海西期花岗岩与成矿作用关系不大。

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