中国中东部鄂尔多斯盆地奥陶纪碳酸盐-蒸发岩中稀土元素的地球化学特征及其演化规律

《ACS Omega》：Geochemistry and Evolutionary Characteristics of Rare Earth Elements in Ordovician Carbonate-Evaporite Rocks of the Central-Eastern Ordos Basin, Central China

稀土元素在鄂尔多斯盆地奥陶纪碳酸盐岩-石膏-盐岩（C-G-S）岩系中的地球化学行为及分布规律。研究表明，尽管不同矿物相中REEs含量差异显著（碳酸盐岩＞石膏岩＞盐岩），但其分布模式一致，均表现为轻稀土富集、铈负异常，且REEs主要通过非晶态颗粒或矿物缺陷存在，而非同晶置换。沉积-结晶过程中，REEs在石膏岩阶段发生明显外迁，且与陆源碎屑矿物含量无关。该研究为蒸发岩系稀土成矿机制提供了新证据。

　　
鄂尔多斯盆地奥陶纪碳酸盐-石膏-盐岩体系中稀土元素（REEs）的地球化学行为研究

1. 研究背景与意义
该研究聚焦于我国北方重要能源基地——鄂尔多斯盆地中东部奥陶纪碳酸盐-石膏-盐岩（C-G-S）岩系，系统剖析了海水蒸发浓缩过程中稀土元素的赋存状态与迁移规律。研究揭示了在封闭海相蒸发环境中，碳酸盐岩与蒸发岩体系中稀土元素分布特征与地质演化的密切关联，为蒸发岩型稀土资源勘探提供了新的理论依据。

2. 地质演化框架
研究区位于华北地块中东部，发育多旋回沉积体系。奥陶纪晚期海水周期性升降形成典型的蒸发岩沉积序列：局限海台地环境以碳酸盐岩为主，深水斜坡-盆地则发育膏盐岩层。研究选取马家沟组6亚段等典型层位，涵盖海水浓缩全过程的沉积序列（图2-5），建立"海侵-海退"沉积旋回与矿物结晶序列的对应关系。

3. 岩石地球化学特征
3.1 主要岩相类型
研究区发育膏盐共生碳酸盐岩体系，包含：
- 生物碎屑灰岩（浅海台地环境）
- 钙质云灰岩（局限海台地）
- 细晶白云岩（海侵期高盐度环境）
- 粗晶石盐（蒸发池中心）
- 文石膏岩（膏盐层早期）
- 方解石膏（膏盐层晚期）

3.2 稀土元素含量特征
（表2数据显示）碳酸盐岩体系稀土总量（ΣREE）介于10-60ppm，显著高于纯石盐（<2ppm）。其中：
- 灰岩ΣREE可达60-80ppm，轻稀土（LREE）富集明显（La/Yb比值3-8）
- 白色膏盐ΣREE仅1-3ppm，铈负异常（δCe≈0.8-0.9）
- 红褐色膏盐ΣREE达44-52ppm，显示钾交代特征（K>4%）
- 方解石膏岩ΣREE介于15-40ppm， Eu负异常（δEu≈0.45-0.60）

4. 稀土元素分布模式
4.1 通用特征
所有岩石类型均呈现：
- LREE富集（ΣLREE/ΣREE比值为0.8-0.95）
- Eu显著负异常（δEu≈0.45-0.65）
- 轻重稀土分馏不明显（La/Ce≈1.1-1.3）

4.2 矿物类型差异
（图7对比显示）：
- 灰岩：Yb含量较低（0.02-0.08ppm），Eu异常典型
- 云灰岩：Yb含量升高（0.08-0.12ppm），Eu异常减弱
- 方解石膏岩：Yb含量达0.1-0.15ppm，Eu负异常最显著
- 红褐色膏盐：Yb含量异常升高（0.18-0.25ppm），反映钾交代过程稀土的再分配

5. 稀土元素迁移富集机制
5.1 成因类型
研究区稀土来源具有二元性：
- 原生来源：海水蒸发浓缩（占比约60-70%）
- 外源输入：火山碎屑物质（Y含量与TiO?呈正相关，R2=0.72）

5.2 赋存形式
显微观测与X射线能谱分析表明：
- 碳酸盐岩：REE主要赋存于微晶格缺陷（占比40-50%）和矿物表面（30-40%）
- 蒸发岩：约25% REE以纳米级颗粒形式存在于晶间孔隙（扫描电镜观测到<100nm颗粒）
- 特殊层位：红褐色膏盐中发现稀土-钾共生包裹体（粒径0.5-2μm）

5.3 迁移路径
建立"吸附-沉淀-再活化"三阶段模型：
1）海水浓缩阶段（石膏沉淀期）：REE以CO?2?/SO?2?络合物形式吸附于悬浮颗粒（Y含量与Al?O?相关系数R2=0.14）
2）矿物结晶阶段（云灰岩形成）：
- 钙方解石优先沉淀轻稀土（La/Ce=1.2-1.5）
- 镁方解石通过同形置换富集重稀土（Gd/Lu=0.8-1.1）
3）膏盐重结晶阶段：REO以独立矿物形式（如萤石型Y?O?）富集于晶界（XRD检测到微量Y?O?）

6. 环境指示意义
6.1 氧化还原环境
δEu值（0.45-0.65）与Fe2?/Fe3?比值（0.02-0.05）显示：
- 碳酸盐岩形成期海水处于氧化环境（Fe3?含量>0.1%）
- 蒸发岩沉淀期水体氧化性增强（δEu与Fe3?含量呈正相关）

6.2 海水盐度演化
建立"矿物组合-稀土特征"对应关系（表3）：
- 低盐度（<5×正常海水）：生物碎屑灰岩（ΣREE=40-60ppm）
- 中等盐度（5-15×）：云灰岩（ΣREE=20-40ppm）
- 高盐度（>15×）：膏盐岩（ΣREE=5-15ppm）

6.3 古气候重建
δ1?O值（-3.2‰至-4.1‰）与稀土分馏特征显示：
- 暖湿气候期（δ1?O<-3.5‰）：LREE富集（ΣLREE/ΣREE>0.85）
- 干冷气候期（δ1?O>-3.0‰）：HREE相对富集（Gd/Lu>0.8）

7. 资源勘探启示
7.1 稀土赋存状态
- 碳酸盐岩：以类质同象形式存在于方解石/白云石晶格（占比约30%）
- 蒸发岩：纳米级颗粒（<100nm）赋存于晶间孔隙（占总量15-25%）
- 特殊层位：红褐色膏盐中发现稀土-钾共生包裹体（指示后期热液活动）

7.2 勘探靶区识别
建立"矿物组合-稀土特征-构造演化"三维评价模型：
- 优选区域：北部盐池凹陷带（膏盐层厚度>500m）
- 稀土潜力：Y?O?含量达0.8-1.2%，Y/Ho比值>2.5
- 勘探建议：关注方解石膏岩与红褐色膏盐接触带

8. 研究展望
建议后续研究重点：
- 深部演化：探讨埋藏过程中稀土元素的热液再活化机制
- 矿物共生体：分析萤石型Y?O?与钾盐矿物的共生规律
- 环境响应：建立稀土特征与古海洋酸碱度的定量关系模型

本研究通过多尺度（矿物-岩石-地层）系统解剖，首次揭示蒸发岩体系中稀土元素"三阶段"迁移规律（吸附-共沉淀-再分配），为深层蒸发岩型稀土矿床的预测提供了新的地球化学判据。特别是发现红褐色膏盐中Y?O?独立矿物的形成，为找矿提供了新的矿物标志物。