2016年04月08日星期五

【研究亮点】刘琰等-JP：牦牛坪碳酸岩-正长岩杂岩体中碱性脉的交代型稀土矿化机制

来源:地调局地质所作者:刘琰，科技处发布时间:2025-09-28

　　稀土元素（REE）作为全球重点关注的关键金属资源，在全球高科技产业和绿色能源领域中发挥着不可替代的作用。碳酸岩型稀土矿床是全球REE资源最重要的来源之一，约占REE资源总量的一半以上，其成矿机制通常涉及富稀土岩浆的成因及其岩浆-热液过程。然而，碳酸岩型稀土矿化主要出现在岩浆阶段还是热液阶段争议较大，且两种观点都有实验研究与天然观测的证据。我国川西北的牦牛坪超大型REE矿床，因其勘探过程中出露了细网脉-网脉-粗脉的脉状成矿系统，为深入研究REE矿床成矿过程提供了理想的研究对象。

　　中国地质科学院地质研究所刘琰研究员、英国布莱顿大学Martin P. Smith和侯增谦院士等，对牦牛坪碳酸岩-正长岩杂岩体中的脉状系统开展了系统的野外地质、岩相学和热力学模拟研究，取得以下重要进展：

1.揭示“反矽卡岩”交代成矿机制

　　牦牛坪脉状成矿系统（图1a）主要有矿床底部的细网脉（图1b）、中部的细脉（图1c）和顶部的粗脉（图1d）组成。牦牛坪矿脉系统三个垂向单元显示差异演化趋势：细网脉以霓辉石-透辉石、钾长石和钠铁闪石为主；细脉含霓辉石-透辉石、钠长石-钾长石和钠铁闪石；粗脉中霓辉石向霓石演化，继而被红闪石- 钠透闪石替代，伴生萤石-方解石-重晶石-氟碳铈矿（图1e-f）。这些变化指示了碳酸岩中Na和K含量降低及冷却-还原条件，表明体系源于富钠碳酸岩岩浆与正长岩围岩的反应。野外观察显示，牦牛坪早期成矿阶段形成的辉石、金云母和角闪石作为反矽卡岩组合在碳酸岩内部生长，且第一世代矿物与正长岩呈截然接触边界（图1e-f）。据此推断这些矿物由碳酸岩熔体与围岩交代反应形成，符合Anenburg & Mavrogenes（2018）和Yaxley等（2022）定义的反矽卡岩成因。该结晶机制不同于霓长岩中相同矿物组合——后者由碳酸岩析出的碱性热液蚀变硅酸盐围岩形成（Elliott等, 2018）。该类型的霓长岩化特征在牦牛坪矿脉中则表现为正长岩与碳酸岩熔体反应表现出的SiO₂、FeO和Fe₂O₃流失和具钠长石出溶带的钾长石的出现。

图1. 大孤岛剖面特征岩田与矿物关系

(a) 矿体内三个单元；(b) 底部单元细网脉；(c) 中部单元细脉；(d) 顶部单元穿切正长岩的粗脉；(e–f) 顶部单元各类脉体中的矿物组合。矿物缩写依据Warr (2021)：Amp（角闪石）；Brt（重晶石）；Bsn（氟碳铈矿-(Ce)）；Cal（方解石）；Cpx（单斜辉石）；Flr（萤石）；Kfs（钾长石）；Phl（金云母）；Qz（石英）。

2.热力学模拟约束成矿条件

　　利用SUPCRTBL等热力学软件模拟Na-Fe-Si-O-H体系，结合流体包裹体数据，限定了霓石-碱镁闪石-磁铁矿组合的形成条件（T > 510°C，logαNa+/αH+ > 6），并揭示后期热液叠加导致角闪石成分变化和REE的活化叠加。

图2. Na-Fe-Si-O-H体系中相关系的活度与氧逸度图件

（A）2kbar压力时，温度-aNa+/aH+活度比图解。（B）2kbar压力时，由钠长石-钠云母平衡缓冲且aNa+/aH+固定为6的温度-氧逸度图解。钠长石-钠云母平衡限定了aNa+/aH+的边界值。缩写：Grn-锰榴石；Hm-赤铁矿；Mgt-珍珠云母；Prg-韭闪石；Rbk-铁钠闪石。

　　Na-Fe-Si-O-H体系热力学模拟与岩相学研究显示：反矽卡岩作用发育于细网脉和细脉及粗脉边缘。粗脉中Ⅰ世代硅酸盐组合（霓石-长石-金云母-角闪石）记录碱性岩浆流体与围岩初始反应，红闪石-钠闪石出现反映卤水熔体向热液流体的冷却稀释过程。REE矿化始于反矽卡岩形成时的Na₂O和K2O在镁铁质矿物后，并后期受热液改造。该模型揭示碳酸岩熔体-正长岩相互作用触发的反矽卡岩反应是REE成矿的核心机制。a(Na⁺)/a(H⁺)将“去碱化（Na、K固存）—Si输入—固结—REE沉淀”的因果链投影为可计算的化学势路径，实现矿物组合–显微结构–热力学的一致表达；据此可在剖面上判别反应前缘位置与有利矿化区段，并为反矽卡岩–霓长岩化的时空连续性提供定量判据（图2）。

　　本研究通过对川西北的牦牛坪超大型REE矿床开展岩相学和热力学相平衡研究，认为反矽卡岩作用可能在碳酸岩型REE矿床中广泛存在并长期被低估，强调牦牛坪脉状REE矿化成矿以岩浆-交代过程为主导，热液作用起到改造叠加效果。这一“反矽卡岩-霓长岩化”模型对理解全球碳酸岩型稀土矿床的成因机制具有重要启示，为认识其他碳酸岩相关矿床的类似过程提供了理论框架。

　　本研究由国家重点研发计划（2022YFB0800902）等项目联合资助。成果发表在国际岩石学权威期刊《Journal of Petrology》上：Liu, Y., Smith, M.P., Hou, Z. et al. (2025). Metasomatic REE Mineralization at the Alkaline Vein System of the Maoniuping Carbonatite–Syenite Complex. Journal of Petrology, 66(8), egaf064.

　　原文链接：https://doi.org/10.1093/petrology/egaf064

科研成果

【研究亮点】刘琰等-JP：牦牛坪碳酸岩-正长岩杂岩体中碱性脉的交代型稀土矿化机制