铌（Nb）是一种重要的战略金属资源，广泛应用于航空航天、原子能、电子、金属冶炼、医疗和生物医学等领域。探索国内铌资源的分布特征、指导找矿勘察、服务金属选冶和综合利用对资源供应安全至关重要。我国潜在铌资源储量约为927万吨，其中~70%源自内蒙古白云鄂博（660万吨）。但是，因为白云鄂博含铌矿物种类复杂多样、物理化学性质各异、颗粒细小、常与其他矿物交织共生，故铌矿选冶难度极大，一直未能被开采利用。此外，白云鄂博矿床因为经历了多期的地质事件，样品受到多期热液叠加作用的影响，使得岩相学关系变得极其复杂，且定年难度高，因此关于该矿床铌矿化时代和成因问题研究程度很低。前人围绕白云鄂博的稀土成矿作用开展了大量研究，但与铌类似，其矿化时代也一直未能获得共识。
高质量成岩成矿数据匮乏是导致成岩时代以及铌和稀土矿化时代存在争议的主要原因。为实现白云鄂博铌矿化作用精准定年，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床西矿区富铌矿物相开展研究，在详细的矿床地质和岩相学工作基础上，结合铌铁矿SIMS原位微区U-Pb定年，成功克服了铌矿物定年的难题，并揭示出三期铌矿化事件。
研究团队首先针对矿区内铌矿物进行了大量的岩相学观察和分析测试，根据矿床地质特征、共生矿物组合和地球化学分析，将主要铌矿物铌铁矿总结归纳为三类。
Type Ⅰ：以强烈蚀变为特征，寄主白云岩大多被脉状热液矿物如磷灰石、绿泥石、黑云母、独居石交代，铌铁矿浸染状出现在白云石颗粒间隙，呈残骸状，含大量包裹体、裂隙和溶蚀结构（图1A、图1B）。
Type Ⅱ：铌铁矿与碳酸岩系统中典型的热液交代矿物密切共生（图1C、图1D），如富Sr、Ba矿物（菱钡镁石、碳酸锶矿、钡方解石、重晶石），和碱性矿物（黑云母、钠闪石），指示该铌矿化作用发生在碱性、富Sr、Ba的流体环境。
Type Ⅲ：寄主碳酸岩以微弱细脉状云母蚀变为特征，铌铁矿与易解石交织生长，分布在黑云母细脉中，切穿寄主碳酸岩。铌铁矿含黑云母、黄铁矿和磷灰石包裹体（图1E、图1F），这些热液矿物组合及脉状产出形式指示该铌矿化为热液成因。
图1 白云鄂博矿床西矿区Type I 、Type II 和Type III 铌铁矿岩相学特征
三类铌铁矿不仅在产出特征和矿物共生组合上具有显著差别，其地球化学成分也有所不同。Type Ⅰ 与Type Ⅲ 铌铁矿含有相似的化学成分，而Type II 铌铁矿相对Mn含量较高，Ti、Mg含量较低（图2），结合蚀变特征和成矿流体性质研究，暗示Type II 铌铁矿矿化流体化学成分更富Mn。
图2 白云鄂博矿床西矿区三类铌铁矿地球化学特征
在可靠的岩相学研究基础上，研究团队对三类铌铁矿进行SIMS原位微区U-Pb定年研究（图3）。小束斑分析（10×15 μm2）的高空间分辨率克服了铌铁矿颗粒细小问题、并有效避开包裹体，且SIMS能准确测定204Pb，克服了 LA-ICP-MS由于204Hg 的干扰无法精确测定低含量的非放射性成因204Pb的不足。因为矿区样品不适合使用大陆铅演化的S-K模型来进行普通铅校正，研究团队利用华北克拉通淮安麻粒岩相片麻岩铅同位素组成（206Pb/204Pb = 14.8，207Pb/204Pb = 15.1）来代替分析样品的普通铅组成，对样品进行普通铅校正，同时可以检验Type II和Type III铌铁矿样品通过T-W图解获得的普通铅组成是否可靠。
最后，U-Pb定年体系克服了同位素体系开放问题，定年数据显示Type I铌铁矿发生一定程度的铅丢失（图3A），与其在岩相学上表现严重的溶蚀结构相一致，但可以在Wetherill谐和图中通过上交点恢复其原始年龄为1.3Ga。相比之下，Type II和Type III 铌铁矿的U-Pb体系保持封闭，但部分分析点含有较高的普通铅（图3B、图3C）。由于Type I和Type II部分测试点U含量过低，故其U-Pb年龄误差较大（图3A中淡紫色及B中黄色误差椭圆），但U含量较高、普通铅含量较低的分析点仍然给出了可靠的年龄，Type II和Type III样品年龄分别为0.44 Ga和0.27 Ga。
图3 白云鄂博矿床三类铌铁矿U-Pb年龄
该研究不仅成功地建立了白云鄂博矿床铌矿化年代学框架，而且根据矿物共生组合关系，推测三期铌矿化均为热液成因，分别与区域地质历史上中元古代碳酸岩岩浆活动、早古生代流体活动、二叠纪花岗质岩浆活动事件有关。此外，基于Type I 铌铁矿强烈的溶蚀结构、Type III铌铁矿细脉状结构产出特征、以及Type I 与 Type III相似的地球化学特征，研究团队推测0.27 Ga的铌矿化可能由早期铌矿物在与花岗岩侵位有关的流体交代作用下活化再沉淀而成。
由于矿区铌矿物和稀土矿物紧密的共生关系，三期铌矿化事件为厘定白云鄂博矿床多金属元素的矿化时代、理解关键金属富集机制和建立成矿模型提供了重要约束。该研究还表明，精准成岩成矿年代研究依赖可靠的矿床地质研究，深入理解同位素定年体系的基本原理、应用范围和局限性，以及根据研究对象的特点开展针对性研究。
研究成果发表于国际学术期刊NSR（Yan Yu,Yang Li*,Yu Liu,Xiao-Xiao Ling,Li-Guang Wu,Li Yang,Lan Yang,Bo Yang,Yong-Gang Zhao,Xian-Hua Li*. Three-stage niobium mineralization at Bayan Obo,China[J]. National Science Review,2024, 11(4): nwae063. DOI: 10.1093/nsr/nwae063）。研究受国家自然科学基金(92262303,42325303)，包钢(集团)股份有限公司(GZ-2023-1-LH-001/002)和中国科学院地质与地球物理研究所(IGGCAS-201901)资助。
