白云鄂博矿床是全球最大的稀土矿床，但其成因机制长期存在争议。该矿床赋矿围岩是~13亿年前中元古代的碳酸岩，然而大量的年代学数据显示，其主要稀土矿物的形成时代集中在~4.3亿年前的早古生代，即赋矿围岩和稀土成矿之间存在了近9亿年的时间差，对传统成矿理论构成了挑战，如果稀土源自中元古代碳酸岩，需要解释的是：什么驱动机制使其在沉寂9亿年之后才发生大规模富集成矿？以往提出的早古生代变质流体活化模型和俯冲带流体淋滤模型均面临困境。实验岩石学研究表明，稀土元素在碱性介质中才能实现高效迁移富集（其在碱性流体中的溶解度可达8wt.%以上），而典型的变质流体或俯冲带流体通常不具备碱性特征，难以支撑如此巨量的稀土成矿作用。
为解决这一关键科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所李献华研究团队对白云鄂博矿区开展了精细的矿床地质、岩相学和同位素年代学研究，识别出一期与稀土主成矿时代一致的早古生代（4.3亿年前）碳酸岩岩浆活动，进而对中元古代和早古生代两期碳酸岩中锆石开展系统的形态结构（图1）、主量元素与氧同位素分析（图2和3），揭示了这两期碳酸岩在岩浆演化程度及稀土成矿潜力方面的显著差异。
图1 白云鄂博矿床中元古代（Type1）和早古生代（Type3和4）两期碳酸岩岩浆锆石形态结构特征
分析结果显示，中元古代碳酸岩锆石具有地幔值范围内的氧同位素组成（δ18O = 4.9±0.4‰，图2）及较低的HfO2含量（HfO2 = 0.02–1.9 wt.%，图3）；而早古生代碳酸岩锆石不仅氧同位素值显著升高、变化范围大（δ18O = 5–11‰，图2），并伴随HfO2含量的明显升高（HfO2 = 1.6–4.7 wt.%，图3）。值得注意的是，锆石氧同位素值的升高与其寄主碳酸岩的化学成分演化相耦合，表现为随着锆石δ18O值和HfO2含量升高，寄主碳酸岩岩石组成由Ca质向Mg质过渡（图2）。
图2 白云鄂博矿床中元古代（Type1）和早古生代（Type3和4）两期碳酸岩锆石的氧同位素组成特征。早古生代碳酸岩锆石δ18O值高于中元古代碳酸岩锆石
图3 白云鄂博矿床两期碳酸岩锆石的ZrO2-HfO2含量对比。早古生代碳酸岩锆石（Type3和4）HfO2含量高于中元古代碳酸岩锆石（Type1和2）
通常碳酸岩遵循由富Ca向富Mg，最终向富Fe演化的趋势。因此，随着岩浆分异程度提高，体系中Fe含量逐渐上升，促使磁铁矿达到饱并发生结晶。根据碳酸岩体系内常见矿物的氧同位素分馏行为，磁铁矿对轻氧同位素（16O）具有最强的富集能力（400℃时，氧同位素分馏>10‰，图4a）。基于质量守恒原理，研究团队对碳酸岩体系中矿物分离结晶过程进行了氧同位素平衡分馏模拟。结果显示，主要造岩矿物（如方解石、白云石、菱铁矿）的分离结晶所引起的氧同位素分馏幅度有限（400℃时，分馏<1‰，图4a和图4b）。然而，随着岩浆演化程度升高，磁铁矿的分离结晶将显著驱动残余熔体氧同位素组成急剧上升，这一特征被晚期结晶的锆石所记录（图4c和图4d）。
图4 碳酸岩体系氧同位素分馏模拟。（a）常见矿物的氧同位素分馏特征；（b）无磁铁矿分离结晶时碳酸岩体系的氧同位素组成模拟；（c-d）岩浆晚期伴有磁铁矿分离结晶时体系氧同位素组成模拟
因此，早古生代碳酸岩中锆石所呈现的氧同位素组成升高及HfO2含量的显著增大，共同指示了该期碳酸岩岩浆经历了高程度的分离结晶演化。这一过程促使了晚期残余熔体中Fe和REE的进一步富集，最终演化成富Fe、富稀土的碱性卤水/热液体系。值得注意的是早古生代锆石边部发育了云母、钠闪石和独居石等矿物包裹体（图1j–图1l），直接证实了锆石结晶晚期共存的热液相具有富碱、富稀土的特征，为碱性热液参与稀土成矿提供了直接的矿物学证据。
综合上述研究结果，团队提出以下成矿模型：约4.3亿年前侵位的碳酸岩是白云鄂博矿床成矿流体的主要来源。该期碳酸岩经历了充分的结晶分异作用，此过程促进稀土元素和碱金属在残余熔体/热液中高度富集，形成了能够高效溶解和迁移稀土的高盐度碱性卤水。这些卤水在运移过程中与围岩相互作用，引发碱质交代，最终触发了稀土矿物的大规模沉淀。
该研究明确了早古生代高分异碳酸岩浆及与之伴生的碱性热液系统对白云鄂博巨型稀土矿床的形成起到了主导控制作用。这一认识不仅有助于理解白云鄂博矿床“碳酸岩形成与稀土成矿存在显著时间差”的问题，同时强调了碳酸岩体系的分异程度是控制稀土成矿规模的关键因素。
研究成果发表于国际学术期刊GCA（余艳，李扬*，杨澜，吴黎光，李献华*. Zircon records carbonatite fractional crystallization and hydrothermal metasomatism during REE mineralization [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，2025. DOI: 10.1016/j.gca.2025.09.035.）。研究受国家自然科学基金（42325303和92262303）的资助。
余艳（博士生）
