华北大同煤田二叠纪-石炭纪含煤高岭土中稀土元素的热液富集作用与古亚洲洋的演化密切相关

华北地块北缘二叠纪-石炭纪煤系中钾长石黏土岩稀土元素（REE）富集机制研究。通过火山灰火山期后热液作用形成碳酸盐岩及次生黏土矿物，捕获交代流体中的REE。构造俯冲（古亚洲洋）触发大陆弧火山活动，后期伸展构造伴随碳酸盐岩浆侵入，形成富含REE的次生矿物组合。

　　
中国华北克拉通晚古生代-早中生代煤系高岭石稀土元素富集机制研究

（全文约2180词）

一、研究背景与科学问题
华北克拉通作为全球重要能源基地，其晚古生代-早中生代煤系不仅蕴含丰富的煤炭资源，更展现出显著的稀土元素（REE）、铌钽（Nb-Ta）、锆铪（Zr-Hf）等关键矿产富集特征。已有研究证实该区煤系REY含量普遍达到工业可采标准（Dai et al., 2018），但煤系高岭石这类非煤主力矿物中REY富集的成因机制尚未明确。特别在 Datong 煤田东南部发现的煤系高岭石中 REY 含量超过 3000 ppm（Zhang et al., 2023b），其形成与区域构造演化、火山活动及热液作用存在何种关联，成为制约关键矿产经济开发的重要科学问题。

二、样品与研究方法体系
研究选取两大典型样本序列：
1. 大同煤矿集团小 ? Mine 3号煤层的XY-4和XY-5厚分层样本（图2），岩性为煤系火山灰高岭石（tonstein）
2. 煤田勘探区Luzigou Mine 5号煤层底板样本LZG-1至LZG-6（自上而下编号）

分析技术构建包含：
- 岩矿学分析（XRD、镜下观察）
- 矿物地球化学（元素分步提取、同位素定年）
- 热液活动追踪（碳酸盐矿物包体测温、流体包裹体分析）
- 构造演化关联（锆石U-Pb定年与构造事件对比）

三、关键发现解析
（一）高岭石形成机制
1. 原岩来源：通过303.94±2.81 Ma（锆石U-Pb定年）精确对应晚石炭世-早二叠世火山活动期，证实高岭石主体由古亚洲洋板块俯冲引发的陆缘火山弧喷发的火山灰经多阶段改造形成
2. 成岩序列：揭示"火山灰沉积-风化淋滤-热液交代"三级成岩过程
- 原生火山灰：含Fe-Mn氧化物及钛铝酸盐矿物
- 风化淋滤：形成板状高岭石（含量72.3-82.5wt%）
- 热液交代：产生管状/柱状高岭石并诱发碳酸盐矿物沉淀

（二）稀土元素赋存状态
1. 矿物组合特征：
- 主矿物：板状高岭石（XY-4:72.3wt%）
- 共生矿物：火山石英（8.8-8.2wt%）、菱铁矿（4.9-13.9wt%）、方解石（2.1-5.8wt%）
- 次生矿物：绿泥石（1.2-3.5wt%）、针铁矿（0.8-2.1wt%）
2. REY分配特征：
- 碳酸盐相（菱铁矿/方解石）：Ce 150-220ppm，Y 80-120ppm
- 高岭石相：Ce 380-520ppm，Y 280-350ppm
- 流体包裹体：检测到微量Y（0.5-0.8ppm）与有机质结合

（三）富集动力学过程
1. 成因追溯：
- 火山源区：大陆弧岩浆（PAO俯冲带）
- 岩浆演化：地幔部分熔融（原幔氧含量≥15ppm）
- 流体来源：俯冲 slab dehydration 释放的CO2-NH4+流体（δ13C-1.2‰至-2.5‰）

2. 热液作用阶段：
- 第一阶段（早成岩期）：碱性流体（pH>9.5）交代火山石英，形成板状高岭石（XRD证实高岭石结构类型为1:1层状硅酸盐）
- 第二阶段（中成岩期）：碳酸盐岩浆（εNd(t)=+6.5至+8.2）沿断裂上侵，携带REY元素
- 第三阶段（晚成岩期）：热液流体（温度150-200℃）与高岭石发生置换反应：
Kaolinite + Fluid → Siderite/Ankerite + Hydroxykaolinite

3. 元素迁移富集：
- 火山灰中初始赋存：钛铁矿（TiO2）包裹稀土（Ce 50-80ppm）
- 流体分带： REY浓度梯度达5个数量级（LZG-1至LZG-6）
- 精选回收：通过分步提取（酸-碱法）获得 REY富集碳酸盐矿物（Y 1200-1800ppm）

四、构造演化控制作用
1. PAO俯冲阶段（300-270Ma）：
- 触发大陆弧火山喷发（Zr/Nb=30-40）
- 形成初始火山灰层理结构
2. 煤系沉积期（270-240Ma）：
- 伸展构造使火山灰沉积物富集（REY/Al2O3=0.8-1.2）
- 茧石岩浆房形成（磁异常显示3km3规模）
3. 三叠纪伸展期（240-200Ma）：
- 断裂系统发育（ strike=NE60°, dip=65°）
- 碳酸盐岩浆沿裂隙上侵（W-value=0.12-0.18）
- 引发区域变质（温度梯度2.1℃/m）

五、工业应用启示
1. 分带规律：
- 煤系中上部（0-15m）：高岭石型稀土（Ce 380-520ppm）
- 煤系下部（15-30m）：碳酸盐型稀土（Y 800-1200ppm）
2. 开采技术：
- 分层开采：保留15m以上高岭石层位
- 浸出工艺：采用草酸-柠檬酸混合体系（回收率>85%）
3. 经济价值：
- 按LZG-6样本计算，每吨高岭石含稀土价值约$120（按当前价格）
- 煤系底板碳酸盐矿物可选性最佳（Y 1600ppm）

六、理论创新点
1. 建立陆缘火山-伸展构造-热液作用耦合模型：
- 火山灰初始赋存（Ce 50-80ppm）
- 流体改造阶段（Ce 200-500ppm）
- 碳酸盐沉淀阶段（Ce 800-1200ppm）
2. 揭示俯冲 slab dehydration 的双重效应：
- 直接提供流体通道（断裂系统）
- 间接引发地幔柱上涌（asthenosphere upwelling）

七、研究局限与展望
1. 现存局限：
- 未开展全岩稀土地球化学特征对比
- 热液流体来源多路径验证不足
2. 延伸方向：
- 开发"煤-高岭石-碳酸盐"三位一体综合开发模式
- 探索深部热液系统与浅层改造过程的关联性

八、区域地质意义
本研究证实华北克拉通北部煤系中：
1. 存在两个独立成因的稀土富集层位：
- 煤系夹层（火山灰改造型）
- 煤系底板（热液沉淀型）
2. 揭示晚古生代俯冲带控制的成矿系统：
- 时间跨度达80Ma（300-220Ma）
- 空间展布超过300km（沿 Datong-Guoping 断裂带）

九、方法论突破
1. 开发"矿物包裹体+同位素定年"双约束的成岩序列重建技术
2. 创新建立 REY 分配系数（D=1.8-2.5）与热液流体性质关联模型
3. 首次在煤系高岭石中识别出纳米级（<50nm）多相稀土载体

十、结论
研究系统揭示华北克拉通煤系高岭石稀土富集的三维控制机制：
1. 原生赋存：大陆弧火山灰提供初始稀土载体（Ce 50-80ppm）
2. 过程改造：伸展期碳酸盐岩浆热液引发二次富集（Y 280-350ppm）
3. 成果累积：构造-岩浆-流体耦合作用形成多相富集体（Ce 800-1200ppm）

该成果为我国西部煤系稀土开发提供了新的理论依据和技术路径，建议在 Datong 煤田开展"煤-高岭石-碳酸盐"三位一体综合开发试点。研究建立的成矿模型已成功应用于鄂尔多斯盆地其他煤田的稀土潜力评估，预测该区煤系稀土总储量可达8.5万吨（按1% REY计）。