刘琰-REE网络矿床论坛

三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
热液阶段富集：随围岩蚀变和矿化增强，成矿流体中REE含量显著增加 （富集100倍）。为大规模矿化发生于热液阶段晚期提供了关键证据
Jia and Liu, OGR, 2020
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
热液阶段富集：随围岩蚀变和矿化增强，成矿流体中REE含量显著增加 （富集100倍）。为大规模矿化发生于热液阶段晚期提供了关键证据
研究背景
Weng et al., 2015
Xie et al., 2016
世界REE矿床资源量分布
中国REE矿床资源量分布
全球REE矿床类型多样，而碳酸岩型REE矿床是最重要的稀土矿类型（占全球51.4%） 我国赋存大量REE矿床（占全球43%），碳酸岩型REE矿床最为重要，占比达97% 碳酸岩：是一种幔源岩石，碳酸盐类矿物＞50%, SiO2含量＜20% （Le Maitre et al., 2002）
亟待解决的关 键科学问题
成矿碳酸岩岩浆源区是否存在REE初始富集? REE在岩浆-热液系统如何大规模富集与成矿?
研究思路
通过全球对比与重点解剖，查明成矿和无矿碳酸岩浆的差异性； 通过同位素地球化学示踪，揭示岩浆源区的REE初始富集机制； 通过多学科综合研究，重塑岩浆至热液阶段的REE富集过程。
认识：物质来源、流体演化和成矿过程一致，矿化多样性的实质是控矿构造差异
Jia and Liu Y OGR，2020
全球对比
青藏高原
重点解剖
冕宁-德昌 REE矿带
目录
CONTENTS
一
研究背景
二 稀土在岩浆岩浆源区的初始富集
三 稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
四 碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
8
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
全球对比研究发现：成矿碳酸岩多数分布于大陆克拉通的边缘
Liu Y and Hou ZQ, JAES, 2017
新鲜锆石
REE 1130 ppm
蚀变锆石
REE 1210 ppm
热液锆石
REE 9000 ppm
Th、U、Pb、F、SO4、Cl、CO2增加，蚀变和矿化程度增强
Liu et al., EG, 2019b
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
基于流体包裹体的研究，建立了流体演化的P-T-X轨迹。提出成矿流体经 历不混溶过程后，与大气降水混合，流体快速冷却，导致REE大量沉淀
大规模矿化 REE (5-7×105 ppm)
强围岩蚀变 REE ( 1-3×105 ppm)
弱围岩蚀变 REE (0.5-1×104 ppm)
Liu et al, MD, 2019a
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
三类锆石详细地记录了REE的富集过程：从新鲜锆石，蚀变锆石到热液 锆石，稀土含量骤然增加，再次证明了REE在热液阶段晚期大规模富集
碳酸岩型稀土矿床中REE元素超常富集机制： 国际矿床学研究的重大前沿
研究焦点
碳酸岩成因 碳酸岩中 REE来源
REE富集成矿
经典模式认为碳酸岩来自于来自地幔柱、深下地幔 (Bell and Tillton, 2010)。是否有其它成因？
直接来自初始富集REE的地幔？还是碳酸岩岩浆从 围岩中萃取？
成矿发生在岩浆阶段？还是热液阶段？REE富集过 程与沉淀机制如何？(Vasyukova and William-Jones, 2018; Yang et al., 2003;)
Ore Geology Reviews
Ore Geology Reviews
大陆槽矿床角砾状矿石矿物学和 地球化学研究
Liu et al., OGR, 2015b
大陆槽矿床风化型矿石的矿物学 和地球化学研究
Liu et al., OGR, 2015c
目录
CONTENTS
一 研究背景
二 稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
大陆槽（~12 Ma）
暗示：含REE碳酸岩浆也可能起源于古俯冲流体交代的富集岩石圈地幔
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
含REE碳酸岩及方解石Sr-Nd同位素，显示岩浆起源于俯冲板片交代的 岩石圈地幔，显著区别于来自地幔柱的东非裂谷无矿碳酸岩；
无矿碳酸岩
成矿碳酸岩
无矿碳酸岩 成矿碳酸岩
Hou ZQ, Liu Y et al., SR, 2015 Liu Y and Hou., JAES, 2017
成矿年龄介于27-12 Ma，受控于印度-亚洲大陆碰撞产生的走滑断裂，时空上与晚 碰撞产生的煌斑岩和钾质岩（34-32 Ma）一致，形成于统一的后碰撞动力学背景
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
冕宁-德昌稀土矿带成岩成矿时代
氟碳铈矿、钠铁闪石、黑云 母、锆石
大陆槽： 11-12Ma，26 Ma 牦牛坪：12 Ma、25 Ma 里庄：27 Ma 木落寨：29 Ma
三 稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
四 碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
31
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性 碳酸岩型REE矿床的成矿多样性
新型风化矿
Liu et al., OGR, 2015c
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
风化过程让稀土元素进一步富集
➢Ba、Sr、Ca、 CO32-、SO42-丢失
碳酸岩杂岩体型稀土矿床
—川西冕宁-德昌碳酸岩杂岩体型稀土矿带
刘琰
中国地质科学院地质研究所 2020年4月
目录
CONTENTS
一
研究背景
二 稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
三 稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
四 碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
2
研究背景
稀土元素矿产资源：关乎国家经济和国防安全
既是《2025中国制造》迫切需求的关键矿产， 也是全球竞相争夺的战略资源，更是大国博 弈的国之利器！欧美国家相继推出国家战略， 启动重大研究计划。
含矿碳酸岩中极度富Sr 、Ba、REE 碳酸岩与沉积物的REE-Sr/Ba一致
Liu and Hou, 2017, JAES
小结
发现碳酸岩不仅仅来自于地幔柱，还可以形成于富CO2和REE的板 片流体交代的富集岩石圈地幔；
提出REE在碳酸岩岩浆源区的富集机制，为解决碳酸岩型REE矿床 成因问题提供了关键证据。
美国内政部，2017《关键金属战略》 欧盟-日-美关键金属紧急讨论（2011） 欧盟，2010《对欧盟生死攸关的原料》
一、研究背景-Critical Metal
总统行政命令确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略
欧盟，2010《对欧盟生死攸关的原料》 美国内政部，2017《关键金属战略》
Gulley et al, PNAS, 2018
Migdisov et al., CG，2016
小结
揭示了REE在岩浆-热液系统中的详细富集过程； 重塑了成矿流体P-T-X演化过程，提出温度降低和络合物分解是
导致REE沉淀的重要机制；
科学发现，提高了REE资源利用效率
典型实例
发现牦牛坪矿床脉状矿化分带，为矿山采用不同的选矿方法提供了依据； 发现了大陆槽新类型风化矿（品位达60%），极大地提高了矿山效益； 查明了大陆槽矿床REE元素赋存状态，使REE回采率提高了45%。
俯冲物质循环 交代导致地幔
REE富集
岩浆演化与流体 出溶富集REE？
岩浆碳酸岩型 REE矿床
地幔源区熔融 产生富REE、富Ba的
碳酸岩浆
富REE流体成矿 过程与沉淀机制？
Biblioteka Baidu、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
无矿碳酸岩体：虽然富含REE，但缺乏伟晶岩、热液蚀变、矿化剂， 并未形成稀土矿床。
我国碳酸岩分布位置图
目录
CONTENTS
一 研究背景
二 稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
三 稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
四 碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
18
三、REE成矿“三要素”：源区富集+再次富集+有效沉淀
初始富集：俯冲导致REE在地幔源 区富集，后期产生富REE碳酸岩
富集成矿：REE在岩浆-热液系统 高度浓集？REE如何有效沉淀？
新型风化矿
不混溶区 矿化区
不混溶区
流体快速冷却
不混溶作用 310-350 ℃，2.0-2.4 kbar 大规模矿化 200℃，<0.5 kbar
Zheng and Liu*, OGR，2019
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
采用四极杆质谱和离子色谱定量分析，并结合实验岩石学，发现：在高 温时，REE与Cl-和SO42-易形成络合物，高效迁移；温度降低时，REE络 合物溶解度降低，导致分解，引起REE大规模沉淀
新疆且干布拉克
湖北庙垭
Zhang, Liu Y*, et al., OGR, 2019
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
冕宁-德昌REE矿带：大比例尺构造-蚀变-矿化填图发现，碳酸岩主要 为方解石碳酸岩；发育大量的伟晶岩脉；区域矿化伴随强烈的热液蚀变
不同规模稀土矿床矿化填图
伟晶岩和不同类型热液蚀变
牦牛坪（世界第三） 扬子克拉通西缘；在新元 古代遭受大规模俯冲（ Guo et al., 2005）
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
川西冕宁-德昌新生代REE成矿带位于扬子西缘的锦屏山元古造山带
牦牛坪（~25 Ma） 木落寨（~26 Ma） 里庄（~27 Ma）
大陆槽（~12 Ma）
Liu et al ., OGR, 2015a
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
稀土富集成矿
成矿碳酸岩岩浆-流体成矿系统示意图
流体强烈活动
（热液阶段）
成矿流体出溶
（伟晶岩阶段）
岩浆结晶分异
（岩浆阶段）
三、稀土在岩浆-热液阶段的二次富集
岩浆阶段富集：碳酸岩在岩浆房中结晶分异，REE浓度高达5000 ppm
无矿碳酸岩 REE （仅100-500 ppm） 含矿碳酸岩 REE （高达5000 ppm）
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
大洋沉积物及CO2流体携带大量REE交代岩石圈地幔，使之碳酸盐化， 并初始富集REE
洋壳深俯冲 大量脱出CO2
现代海底沉积物富含大量REE元素 深俯冲释放CO2流体，携带大量REE
KerricKkaatnodetCaoln.,nNoGlly,,22001111, Nature
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
成矿物质来源
矿带中的脉石矿物的地球化学特 征与正长岩-碳酸岩杂岩体一致 Liu and Hou, 2017
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
REE来源
认识：物质来源、流体演化和成矿过程一致，矿化多样性的实质是控矿构造差异
Jia and Liu Y OGR，2020
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
Liu Y et al., SEG, 2017
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
微量元素和同位素地球化学研究证实，岩浆源区曾经历流体交代富集， 该交代流体来自俯冲板片及沉积物
彩色圆圈：含矿碳酸岩 黑色圆点：无矿碳酸岩
Liu Y and Hou ZQ, JAES, 2017
Hou ZQ, Liu Y et al., SR, 2015
➢ 长石风化成 粘土矿物
➢ 黄铁矿氧化 成赤铁矿
品位高达60%
Liu et al., OGR, 2015c
四、碳酸岩型稀土矿床的成矿多样性
成矿过程：稀土矿物形成于热液晚期阶段
➢大陆槽隐爆角砾岩型矿石
➢里庄隐爆角砾岩型矿石、木落寨块 状矿石
稀土矿物叠加在蚀变正长岩上、天青石、重晶石、石英和萤石之上
Liu et al., OGR, 2015b
我们统计发现：全球共产出527个碳酸岩岩体，主要分布于裂谷和造山带等环境 ，但仅有4%的形成REE矿床。分析发现：这些矿床大部分都位于克拉通边缘。
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
大陆克拉通边缘在地质历史时期曾遭受大洋板块的俯冲改造
中国超大型REE矿床
白云鄂博（世界第一） 华北克拉通北缘；曾经遭 受古元代的俯冲改造 (Xu et al., 2018)
Yang et al., JAAS, 2014 Ling et al., JAAS, 2016 Liu et al., 2015b Liu and Hou, 2017
二：稀土在碳酸岩岩浆源区的初始富集
含REE岩浆碳酸岩具有与煌斑岩和钾质岩一致的Nd模式年龄
牦牛坪（~25 Ma） 木落寨（~26 Ma） 里庄（~27 Ma）
络合物分解
高温Cl络合物 溶解度线
高温SO4络合物 溶解度线
低温Cl络合物
溶解度线
低温SO4络合物 溶解度线
不同阶段主要络合阴离子协变
不同络合物溶解度曲线变化相图
Zheng and Liu., OGR,2019; Shu and Liu., OGR,2019; Shu, Liu et al., JGE, 2020