《Science Bulletin》：In situ SIMS Pb-Pb dating of aeschynite reveals Early Paleozoic Nb mineralization at Bayan Obo
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本研究利用SIMS Pb-Pb定年技术对 Bayan Obo 矿区 12 个铌矿物样本进行测定，发现 11 个样本年龄集中在早古生代（429±11 Ma），表明主矿化事件与碳酸盐岩相关热液活动有关；剩余样本年龄（291±55 Ma）可能由二叠纪岩浆活动同位素重置导致。结论为该区早古生代是铌矿化主期，并支持碳酸盐岩热液成矿模型。
作者：Bo Yang、Li Yang、Zhao Yan、Qing Sun、Yu Liu、Xiao-Xiao Ling、Xin-Yu Hou、Yong-Gang Zhao、Guo-Ying Yan、Jian-Yong Liu、Xian-Hua Li
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈与环境协同演化国家重点实验室，北京 100029，中国
摘要
铌（Nb）是一种具有战略意义的金属，其全球储量主要集中在碳酸盐岩相关的矿床中。中国北部的白云鄂博矿床是世界上最大的稀土元素（REE）资源，也是最重要的铌储量之一。然而，由于复杂的地质演化过程（超过10亿年）以及矿床中铌矿物的多样性，铌矿化的时间和起源仍然知之甚少。本文首次对白云鄂博矿床中主要的铌矿物——锇铁矿（aeschynite）进行了详细的原位SIMS Pb-Pb同位素测年研究。在白云鄂博矿床的主矿体和东矿体中，锇铁矿占铌资源的30%以上。来自不同类型矿床的12个样本中有11个样本显示出一致的早古生代年龄，介于402 ± 43 Ma至449 ± 56 Ma之间（加权平均值为429 ± 11 Ma），表明铌矿化事件在区域范围内广泛存在。将这些新的锇铁矿年龄数据与岩石学观察结果以及先前发表的地质年代学数据相结合，表明白云鄂博矿床的主矿体和东矿体中的铌矿化主要由早古生代的碳酸盐岩热液作用控制。另一个锇铁矿样本的年龄为291 ± 55 Ma，这可能反映了二叠纪花岗岩侵入作用导致的同位素重置，而非独立的矿化事件。
引言
铌（Nb）在现代社会中是一种具有战略意义的金属，因为它广泛应用于耐腐蚀涂层、微电子器件、特殊合金和高强度钢材[1]、[2]。然而，铌在地壳中的含量相对较低，平均丰度约为8.0 ppm[3]。经济上可开采的铌资源主要存在于碳酸盐岩以及与碱性花岗岩-正长岩复合体相关的复杂氧化物矿物中[4]。全球重要的铌矿床，如阿拉沙（Araxá）、卡塔朗二世（Catal?o II）和圣奥诺雷（St. Honoré），合计占当前铌产量的近98%，这凸显了铌供应对碳酸盐岩系统的强烈依赖性[5]、[6]。因此，了解这些系统中铌富集的时间和机制对于资源勘探和长期供应安全至关重要。
中国北部的白云鄂博矿床是研究碳酸盐岩系统中铌矿化的理想场所。除了拥有世界上最大的稀土元素资源外[7]、[8]、[9]，该矿床还含有高达1×10^6吨的Nb2O5资源[7]。与大多数碳酸盐岩型铌矿床不同，白云鄂博矿床具有异常复杂的矿物组合和漫长的多阶段地质演化过程。这些特征为更好地评估碳酸盐岩系统中铌矿化过程提供了难得的机会。
尽管经过数十年的研究，白云鄂博矿床中铌矿化的时间和起源仍存在争议[6]、[10]、[11]、[12]、[13]。早期对锇铁矿进行的Th-Pb等时线研究得出年龄为273 ± 7 Ma[10]，而后续研究则得出锇铁矿-黄霍石（huanghoite）Sm-Nd等时线年龄为438.2 ± 25.1 Ma[11]。对锇铁矿巨晶的分析得到了不一致的Rb-Sr（290.3 ± 15.1 Ma）和Sm-Nd（658.4 ± 36.0 Ma）误差年龄[12]。最近，对西矿体中的铌铁矿进行的原位SIMS U-Pb测年得出三个年龄组，分别为约13亿年、4300万年和270万年[6]、[15]、[16]；而对东接触带和主矿体中的焦绿石（pyrochlore）、费尔斯米特（fersmite）、费格森石（fergusonite-(Ce）和锇铁矿进行的SIMS Pb-Pb测年得出这些矿物的结晶年龄约为270 Ma[13]。这些结果使得铌矿化的成因解释变得复杂。因此，目前尚不清楚白云鄂博矿床中的铌矿化属于中元古代、早古生代还是晚古生代，或者实际上是在多个阶段形成的。
造成这一争议的一个关键因素是所选测年矿物的选择，特别是考虑到白云鄂博矿床中的铌存在于30多种不同的矿物相中[10]、[17]。因此，主要铌矿物的结晶年龄能够最直接地反映铌矿化的时间。在白云鄂博矿床的主矿体和东矿体中，30.66%的Nb2O5存在于锇铁矿中，其次是铌铁矿（26.89%）、焦绿石（20.53%）和其他铌矿物[18]。此外，锇铁矿形成的是相对粗粒的自形至亚自形晶体，局部尺寸可达毫米至厘米级别，并在主矿体和东矿体中广泛分布[18]、[19]。这些特征表明锇铁矿代表了铌矿化的主阶段。
在本研究中，我们使用原位二次离子质谱（SIMS）Pb-Pb测年技术，对从白云鄂博矿床的主矿体和东矿体采集的12个锇铁矿样本进行了年龄测定。结果表明，主要的铌矿化发生在早古生代（约4.3亿年前），并与同一时期的碳酸盐岩相关热液系统有成因关联。晚二叠纪的花岗岩侵入作用（约2.7亿年前）重新调整了部分锇铁矿样本的同位素系统。我们的结果为白云鄂博矿床主矿体和东矿体中的铌矿化提供了可靠的时间框架。
矿床地质
白云鄂博矿床是位于华北克拉通（NCC）北部边缘的世界级稀土-铌-铁资源矿床，毗邻中亚造山带。当地的基底由新元古代的糜棱岩花岗岩-片麻岩、古元古代的正长岩和黑云母花岗岩-片麻岩组成[10]、[20]、[21]、[22]、[23]。在采矿区域内（图1a），主要的地层为中元古代的下白云鄂博群（H1至H9单元）。该矿床主要由H8单元控制
样品
本研究对12个具有代表性的锇铁矿样本进行了SIMS Pb-Pb测年（图1b），其中6个来自主矿体（从西到东依次为样本3-1、BY、1374-3、NS-6、Z2406-55和Z2407-60），6个来自东矿体（从西到东依次为样本DK-1-6、DK-1-8、DK2025-AES-1、DK2025-AES-2、DK2025-AES-3和Dong 24-7）。采样主要集中在含有锇铁矿的石榴石型矿石上，这些矿石占研究样本的11%。为了确保全面覆盖
测试设备
矿物鉴定和表征工作使用了中国包头市宝钢集团矿业研究院的Tescan Integrated Mineral Analyzer（TIMA）自动化矿物学系统完成。样品经过抛光处理后涂覆碳涂层。分析时采用25 kV的加速电压和12 nA的探针电流，工作距离约为15 mm，像素分辨率为3 μm。同时进行了背散射电子（BSE）信号校准
结果
原位 Pb-Pb同位素测年结果见表S1（在线提供），并以反演等时线图的形式展示（图4、图5）。与传统等时线方法相比，这种方法通过直接从y轴截距得出年龄，减少了误差相关性，从而提高了年龄精度[33]。12个样本中有11个显示出一致的早古生代年龄，而1个样本显示出较晚的晚古生代年龄。
早古生代碳酸盐岩相关热液作用下的铌矿化
通过对不同类型矿床和矿体中的锇铁矿样本进行原位SIMS Pb-Pb同位素测年，本研究首次为白云鄂博矿床主矿体和东矿体中的锇铁矿建立了可靠的地质年代框架。由于锇铁矿是这些矿体中的主要铌矿物[18]，其结晶年龄为铌矿化事件提供了直接且可靠的时限依据。
Pb同位素数据表明，铌矿化主要发生在早古生代
结论
我们对锇铁矿的新原位SIMS Pb-Pb测年结果表明，白云鄂博矿床中的主要铌矿化发生在早古生代（约4.3亿年前）。锇铁矿与碳酸盐岩系统中的热液矿物有密切关联，表明铌矿化是由早古生代的碳酸盐岩热液活动驱动的。二叠纪的花岗岩侵入作用部分改造了原有的铌矿化矿物，但并未生成新的铌矿物
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（92262303）、白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室（GZ-2023-1-LH-001/002）、内蒙古自治区自然科学基金（2025QN04037和2025FX060）以及包头钢铁（集团）有限公司A类项目的共同支持。感谢马红霞女士在样品制备方面的协助。两位专家的宝贵评审意见对本研究具有重要意义
