白云鄂博鐵鈮稀土礦床成因、形成時(shí)代及成因的再認(rèn)識(shí)

白云鄂博鐵鈮稀土礦床成因、形成時(shí)代及成因的再認(rèn)識(shí)

白云銀波礦床是世界著名的大型鐵醚稀土礦床。許多科學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，積累了非常豐富的數(shù)據(jù)。但由于證據(jù)的多樣和復(fù)雜,研究者們對(duì)其賦礦白云巖成因、成礦時(shí)代及賦礦地層白云鄂博群的年代有多種不同認(rèn)識(shí)。劉淑春等(1999)、章雨旭等(2009)曾對(duì)已有的賦礦白云巖成因進(jìn)行了綜合評(píng)述,歸納起來(lái)主要可分為4類:(1)正常沉積,(2)巖漿侵入,(3)海底火山沉積,(4)與深源熱鹵水有關(guān)。章雨旭等(2008,2009)對(duì)白云鄂博成礦年代和白云鄂博群的年代進(jìn)行了綜合評(píng)述,其Sm-Nd和鋯石SHRIMPU-Pb年齡主要集中在中元古代,而Re-Os年齡和古生物證據(jù)則為早古生代?；谏鲜鲑Y料、證據(jù)和不同認(rèn)識(shí),研究者們對(duì)白云鄂博地區(qū)(圖1)構(gòu)造演化史、白云鄂博礦床成礦大地構(gòu)造環(huán)境也得出了多種不同的結(jié)論。1熱液性質(zhì)和成礦的地質(zhì)性質(zhì)關(guān)于白云鄂博群及白云鄂博礦床成礦構(gòu)造環(huán)境的主要認(rèn)識(shí)是中元古代裂谷。最早,王楫等(1987,1989)取白云鄂博群為中元古代,賦礦白云巖為海底火山噴出,認(rèn)為白云鄂博地區(qū)為中元古代裂谷;陳輝等(1987),陳輝(1993)率先提出白云鄂博賦礦白云巖系熱水沉積,認(rèn)為白云鄂博賦礦白云巖形成于一個(gè)熱鹵水裂谷。隨后,Drew等(1990)對(duì)白云鄂博礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、成礦作用進(jìn)行了綜合研究,認(rèn)為白云鄂博群形成于中元古代大陸內(nèi)部裂谷背景,H53頁(yè)巖為碳酸巖漿侵入的頂板,而多金屬稀土鐵礦為熱液交代型礦床。二疊紀(jì)大陸碰撞造成花崗巖侵入,含礦巖系則成了侵入體上方的頂垂體。涂光熾(1998)總結(jié)分析了前人對(duì)白云鄂博賦礦白云巖的研究后指出:“白云鄂博礦床形成機(jī)制特殊性在于其沉積噴流作用,這種作用與碳酸巖巖漿有關(guān),但具熱液性質(zhì)。目前,這種不尋常的噴流熱液僅見于非洲大裂谷,估計(jì)在地質(zhì)歷史中它也很少出現(xiàn),不像巖漿碳酸巖那樣普遍……”。顯然,作者認(rèn)為白云鄂博群具有裂谷沉積性質(zhì),而其成礦物質(zhì)來(lái)源于深部的碳酸巖漿的向上噴流。周建波等(2002)研究認(rèn)為:白云鄂博群可以劃分為中元古代、新元古代和早古生代三個(gè)沉積組合,分別代表陸內(nèi)裂谷、陸緣裂谷和活動(dòng)大陸邊緣裂谷的沉積過(guò)程。邵濟(jì)安等(2002)推斷白云鄂博為中—新元古代“大陸斜坡裂陷槽”。曹秀蘭(2002)認(rèn)為,白云鄂博群賦礦白云巖為中元古代的熱水沉積,盆地性質(zhì)為內(nèi)、外裂谷系的外支裂谷。洪作民(1994,1997)認(rèn)為,白云鄂博亞旋回為華北古陸北部邊緣的中元古代坳拉谷裂陷沉積。李錦軼等(2009)采信白云鄂博群為中元古代,認(rèn)為華北地臺(tái)北緣經(jīng)歷了“中元古代裂谷、早古生代弧陸碰撞、晚古生代晚期安第斯型大陸邊緣,在侏羅紀(jì)中—晚期,那里還疊加了與蒙古-鄂霍茨克造山帶有關(guān)的陸內(nèi)逆沖疊覆”。然而,白云鄂博群中并沒有雙峰式火山巖;有許多證據(jù)不支持白云鄂博群的時(shí)代為中元古代。事實(shí)上,也有許多文獻(xiàn)沒有明確或沒有承認(rèn)白云鄂博地區(qū)為中元古代裂谷。如:王鴻禎等(1985)取白云鄂博群為中—新元古界,位于華北古陸的北緣。張鵬遠(yuǎn)等(1993)對(duì)白云鄂博地區(qū)的地層、巖石、巖漿活動(dòng)、構(gòu)造演化等進(jìn)行了綜合研究,特別是做了比較詳細(xì)的野外調(diào)查,建立了詳細(xì)的地層柱和構(gòu)造框架,為后續(xù)研究奠定了良好的基礎(chǔ)(筆者等的課題組一直采用張鵬遠(yuǎn)的地層分類、對(duì)比方案,將賦礦白云巖及其下伏板巖和上覆鉀質(zhì)板巖一起劃歸為尖山組上段,即賦礦白云巖為H52,其上富鉀板巖為H53,其下板巖為H51。而很多學(xué)者則采用較早的地層劃分方案,將賦礦白云巖標(biāo)為H8,其上的鉀質(zhì)板巖為H9)。LeBas等(1997,2007)根據(jù)碳氧同位素判別賦礦白云巖為巖漿碳酸巖,而層狀特征則解釋為構(gòu)造成因,而且石英巖、板巖和碳酸巖都為逆沖雜巖,但他們沒有進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)造地質(zhì)研究。潘啟宇(1995,1996,1997)認(rèn)為白云鄂博位于華北地臺(tái)北緣中—新元古代白云鄂博大陸坡的南緣,華北地臺(tái)北緣發(fā)展到中元古代以后,地殼進(jìn)入一個(gè)迅速拉張階段。賈和義等(2002)分白云鄂博群為中元古界、新元古界和早古生界,主要形成于濱淺海環(huán)境。王希斌等(2002)認(rèn)為賦礦白云巖是典型的堿性碳酸巖,與附近的碳酸巖墻、橄欖巖體等共同構(gòu)成了獨(dú)特的華北“地臺(tái)”北緣堿性雜巖帶。郝梓國(guó)等(2002)認(rèn)為白云鄂博是一個(gè)典型的破火山機(jī)構(gòu)。2化學(xué)和古生界歸屬白云鄂博群是華北地臺(tái)北緣的一個(gè)重要地質(zhì)體,它自白云鄂博礦區(qū)之西至集(寧)二(連浩特)線以東呈帶狀分布,其時(shí)代因證據(jù)不足,長(zhǎng)期未得確認(rèn)。喬秀夫等(1997)認(rèn)為腮林忽洞群相當(dāng)于白云鄂博群的下部(圖2),筆者等近期在腮林忽洞群腮二組中發(fā)現(xiàn)了海綿和腹足類宏體化石(章雨旭等,2010),為腮林忽洞群的古生界歸屬提供了確鑿證據(jù);在白云鄂博群中,多處發(fā)現(xiàn)了與腮林忽洞群腮四組頂部震動(dòng)液化脈(喬秀夫等,1997)相同的震動(dòng)液化脈(章雨旭等),為腮林忽洞群相當(dāng)于白云鄂博群下部提供了新的佐證。2.1風(fēng)神地層及白云巖1950~1954年,地質(zhì)部241地質(zhì)隊(duì),在白云鄂博地區(qū)進(jìn)行了普查找礦工作,正式命名了白云鄂博群,并將其劃分為9個(gè)巖段(即H1~H9,礦區(qū)之外尚有H10~H16),時(shí)代歸屬為元古代(地質(zhì)部241地質(zhì)隊(duì))。1971年,內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局在1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖中,將白云鄂博群歸為寒武系—奧陶系。將腮林忽洞群劃歸震旦系(注:當(dāng)時(shí)震旦系相當(dāng)于中元古界—新元古界)。1996年,內(nèi)蒙古自治區(qū)第一區(qū)域地質(zhì)研究院第一、二分隊(duì)在1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖中,將都拉哈拉組和尖山組(即H1~H5)劃歸長(zhǎng)城系;哈拉霍圪特組和比魯特組(H6~H10)劃歸薊縣系。且將賦礦白云巖單獨(dú)劃出,稱為菠蘿吐白云巖。2003年,內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院在1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖中,H1~H10的劃分與1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖相同;將白音布拉格組和呼吉爾圖組劃歸青白口系;將腮林忽洞群劃歸震旦系(應(yīng)當(dāng)是今天的狹義震旦系);而將阿牙登組(H16)剔出白云鄂博群,置于白云鄂博群與腮林忽洞群之間。孫淑芬等(1992)及張鵬遠(yuǎn)等(1993)依據(jù)尖山組(H4~H5)中發(fā)現(xiàn)的微古植物,將白云鄂博群劃歸寒武系—奧陶系。喬秀夫等(1997)在腮林忽洞群中發(fā)現(xiàn)與孫淑芬等(1992)相似的微古植物組合及三葉蟲碎片;認(rèn)為腮林忽洞群相當(dāng)于白云鄂博群的下部,時(shí)代為寒武系—奧陶系(圖2)。譚勵(lì)可等(2000)在商都阿牙登組下部發(fā)現(xiàn)梅樹村動(dòng)物群8屬8種,認(rèn)為阿牙登組為寒武系。但是,白云鄂博礦床產(chǎn)于白云鄂博群中,而白云鄂博礦床的成礦年代的同位素年代卻以中元古代為多(范宏瑞等,2006)。章雨旭等(2008)對(duì)之進(jìn)行了評(píng)述,并據(jù)公開發(fā)表的98個(gè)Sm-Nd測(cè)年數(shù)據(jù),得出一條1125.8±32.5Ma的等時(shí)線年齡(R=0.96325),認(rèn)為這可能代表Sm-Nd時(shí)鐘起動(dòng)的時(shí)間,成礦應(yīng)當(dāng)不早于這一時(shí)間,更老的“成礦年齡”應(yīng)當(dāng)尋找合適的地質(zhì)解釋。2.2野外地質(zhì)調(diào)查章雨旭等(2010)曾經(jīng)報(bào)道在腮林忽洞群中發(fā)現(xiàn)了宏體化石:2009年9月7日,章雨旭、柳建勇、朱祥坤、房楠和孫劍等5人在內(nèi)蒙古達(dá)茂旗黑腦包腮林忽洞群露頭區(qū)(白云鄂博礦區(qū)南東約25km)進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查時(shí)獲得化石標(biāo)本一塊,上有兩個(gè)宏體化石(圖版Ⅰ-7、8),經(jīng)古生物學(xué)家———中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所田樹剛研究員、王思恩研究員、高林志研究員和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所牛紹武研究員———初步辨認(rèn),一為腹足類,另一為海綿。化石產(chǎn)于腮二組褐灰色白云質(zhì)灰?guī)r中。海綿為一橫切面,直徑10~15mm,具清晰的放射狀紋。腹足類最大直徑約7mm,可見清晰的螺旋。這一發(fā)現(xiàn),有力地印證了喬秀夫等(1997)關(guān)于腮林忽洞群中三葉蟲碎片的報(bào)道。據(jù)田樹剛研究員告知,從本腹足類標(biāo)本可以斷定,腮林忽洞群腮二組的時(shí)代應(yīng)當(dāng)不早于晚寒武世。2.3礫角狀,35筆者等在百靈廟北西,百靈廟-滿都拉公路北東側(cè)的白云鄂博群灰?guī)r中(在內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖上為阿牙登組)發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)液化脈和振動(dòng)液化角礫巖。在N41°47.775′E110°18.438′H1525±10m(GPS位置,2010年9月5日),可見兩層液化角礫巖,兩層相距約1.2m,角礫棱角狀,成分為與上、下層相同的灰?guī)r,礫石排列雜亂無(wú)定向(圖版Ⅱ-1)。上一點(diǎn)北東約50m(N41°47.808′E110°18.484′H1529±4m),經(jīng)追索知道,層位比上一點(diǎn)低十幾米,又有兩層液化角礫巖。下層厚超過(guò)70cm(圖版Ⅱ-2),上層厚十幾厘米。在下層的下部可見剛剛拉斷,位移還很小的條狀礫石(圖版I-3~5)。振動(dòng)液化脈位于北側(cè)山梁,N41°48.033′E110°18.288′H1544±4.4m一帶(圖版Ⅱ-6)。此外,在白云鄂博礦區(qū)內(nèi),主礦正北寬溝北側(cè)的H8灰?guī)r中也見有振動(dòng)液化脈(圖版Ⅱ-7):點(diǎn)位:N41°49.632′E109°58.156′,H1635±4.6在西礦正北,比魯特超基性巖探槽群西端石灰?guī)r馬石(N41°50.007′E109°53.573′H1644±4.4m,20100906)上也見振動(dòng)液化脈(圖版Ⅱ-8)。這些振動(dòng)液化脈和振動(dòng)液化角礫巖的存在,表明,白云鄂博群沉積時(shí)亦存在頻繁的地震活動(dòng),與腮林忽洞群的形成環(huán)境相似,支持腮林忽洞群與白云鄂博的下部相當(dāng)。3早古生代的被動(dòng)力近年來(lái),筆者等對(duì)賦礦白云巖成因、成礦時(shí)代及賦礦地層白云鄂博群的年代這兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)的地質(zhì)、地球化學(xué)研究,獲得了一系列關(guān)鍵證據(jù)(章雨旭等,1998a,1998b,2005,2009;楊曉勇等,2000;呂洪波等,2006;LüHongboetal.,2006;柳建勇等,2006;張綺玲等,2010),并對(duì)前人資料進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理(劉淑春等,1999;章雨旭等,2005,2006,2008,2009),論證了白云鄂博礦床賦礦白云巖為一大型微晶丘,而微晶丘是熱水沉積形成(章雨旭等,2005,2009);確定其成礦時(shí)代及白云鄂博群的年代均為早古生代(章雨旭等,2008,2009)。喬秀夫等(1997)明確指出,白云鄂博南東20余千米黑腦包一帶的腮林忽洞群與白云鄂博群的下部相當(dāng)(圖2),且發(fā)現(xiàn)有與孫淑芬(1992)在白云鄂博群尖山組中發(fā)現(xiàn)的類似的微古植物組合。白云鄂博群和腮林忽洞群均直接與變質(zhì)巖不整合接觸,二者底部均可見清晰的不整合面、底礫巖等(圖版Ⅰ-1~3)(章雨旭等,2009)。顯然,無(wú)論是將上萬(wàn)米厚的白云鄂博群置于腮林忽洞群與變質(zhì)巖之間(2003年,內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖),還是將千余米厚的腮林忽洞群置于白云鄂博群與變質(zhì)巖之間(1971年,內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖)均是不可想像的,因?yàn)椴惶赡茉谌绱硕痰木嚯x內(nèi)[事實(shí)上腮林忽洞群與白云鄂博群是空間上相鄰的地質(zhì)體(圖1),清晰的不整合面露頭(圖版Ⅰ-1~3)也僅相距約25km]產(chǎn)生如此大的剝蝕差異。所以,筆者等亦認(rèn)為腮林忽洞群與白云鄂博群的下部相當(dāng)。腮林忽洞群中宏體化石的發(fā)現(xiàn),為腮林忽洞群的早古生代歸屬提供了確鑿證據(jù);而白云鄂博群中振動(dòng)液化脈和振動(dòng)液化角礫巖的發(fā)現(xiàn),為腮林忽洞群與白云鄂博群下部相當(dāng)提供了新的佐證。根據(jù)筆者等的研究,白云鄂博礦床賦礦白云巖不是巖漿碳酸巖,白云鄂博群和腮林忽洞群中也均不存在雙峰式火巖巖[僅賦礦白云巖上覆的板巖可能為火山巖(白鴿等,1996)],所以,“白云鄂博裂谷”的物質(zhì)證據(jù)缺失。而白云鄂博群形成于早古生代的證實(shí),使其形成環(huán)境也只能放在早古生代這一大框架之下。眾所周知,羅迪尼亞超大陸裂解于新元古代,古亞洲洋閉合始于晚古生代,因此,按威爾遜旋回推論,華北地臺(tái)北緣在早古生代應(yīng)當(dāng)是被動(dòng)大陸邊緣。依據(jù)以下事實(shí):(1)在白云鄂博南東20余千米黑腦包一帶的腮林忽洞群中-下部碳酸鹽巖中有滑塌堆積(圖版Ⅰ-4);(2)據(jù)滑塌堆積中的同沉積布丁構(gòu)造(圖版Ⅰ-5)判斷,腮林忽洞群沉積于NW—SE向的拉伸背景,且具有SE高而NW低的古地貌特點(diǎn);(3)根據(jù)腮林忽洞群底部石英砂巖中的前積紋判斷,古流向自南東向北西,古海洋中心在北側(cè)(呂洪波等,2006);再考慮到:(4)腮四組的多層振動(dòng)液化脈表明曾有多次地震(喬秀夫等,1994,1997,2006);(5)腮五組微晶丘及白云鄂博賦礦白云巖和“碳酸巖墻”表明,伴隨著地震的發(fā)生,地幔富CO2等的流體沿著海洋中的深裂隙上涌,切穿深部沉積層而噴出海底,在海底形成熱水沉積的微晶,另有一些熱液則在海底巖石中交代變質(zhì)巖或石英砂巖等圍巖形成碳酸巖脈及其脈側(cè)的霓長(zhǎng)巖化(圖版I-6)(章雨旭等,2005)。從而,我們認(rèn)為,早古生代時(shí)白云鄂博地區(qū)處于被動(dòng)拉伸的大陸邊緣環(huán)境。現(xiàn)代西班牙Cadiz灣海底的白云石煙囪(微晶丘之一)(Diaz-del-Rioetal.,2001)表明被動(dòng)大陸邊緣可以有熱水沉積。白云鄂博礦床具有十分獨(dú)特的地球化學(xué)特征,而隨著時(shí)間的推移,大地構(gòu)造環(huán)境必然改變,而不同大地構(gòu)造環(huán)境形成如此相同的地幔流體的可能性是極小的,即不太可能有多期成礦。現(xiàn)有證據(jù)表明成礦是在加里東期,而后來(lái)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都是對(duì)礦床的改造和破壞(章雨旭等,2008,2009)。白云鄂博群形成以后,華北地臺(tái)北緣由被動(dòng)陸緣演變?yōu)閰R聚邊緣,在其北側(cè)出現(xiàn)俯沖帶,大致由北向南的俯沖作用使得深埋的白云鄂博群遭受水平擠壓,使得巖層產(chǎn)生了早期平面X剪節(jié)理(后來(lái)的擠壓作用將軟巖層中的剪節(jié)理破壞,僅在巨厚層的強(qiáng)巖層中得以保存,如:輝綠巖床中的早期平面X剪節(jié)理)。早期的擠壓方向?yàn)榇笾履媳毕?但明顯的是從北向南俯沖的。俯沖的時(shí)代大概是晚古生代(附近有石炭紀(jì)火山巖)。隨著南北向擠壓作用的加劇,白云鄂博群開始褶皺并抬升,其中寬溝一帶抬升最高,連同不整合面一起形成了復(fù)背斜的核部。因?yàn)榘自贫醪└浇奶妓猁}巖微晶丘(賦礦