多尔克雷特（Dolocrete）覆盖在韦尔德山（Mt Weld）的碳酸盐岩之上（位于西澳大利亚州）——这一现象为研究稀土元素（REE）的超大规模资源提供了地球化学和矿物学上的重要视角

《Chemical Geology》：Dolocrete blanket over Mt Weld carbonatite (Western Australia) - A geochemical and mineralogical window to REE super-resource

稀土和铌的地球化学及矿物学研究揭示，Mt Weld碳酸盐岩风化形成的透镜状 dolocrete 可分为上白 dolocrete（UWD）、中粒泡 Dolocrete（MPD）、基底碎裂 Dolocrete（BBD）三层，REO浓度从上到下递增（66-347 ppm），铌赋存于蚀变的钛铁矿及戈质感石中，稳定同位素显示沉积成因，水循环主导的溶解-再沉淀过程控制稀土铌分异，为碳酸盐岩风化型稀土矿床勘探提供新依据。

　　

安德森·M·桑托斯（Anderson M. Santos）|阿图尔·P·德迪蒂乌斯（Artur P. Deditius）|汉斯·奥斯基尔斯基（Hans Oskierski）|亚瑟·O·维森蒂尼（Arthur O. Vicentini）|马尔科姆·P·罗伯茨（Malcolm P. Roberts）|加内什·巴特（Ganesh Bhat）|丹尼斯·富杰鲁斯（Denis Fougerouse）

澳大利亚西澳大利亚州默多克大学（Murdoch University）数学、统计学、化学与物理学院，邮编6150

摘要

本研究考察了西澳大利亚州韦尔德山（Mount Weld）碳酸盐岩风化形成的富稀土元素（REE）和铌（Nb）风化壳中REE和Nb的地球化学及矿物学特征。这些风化壳呈透镜状，覆盖在该地区地表。研究将风化壳分为三个主要单元：(a) 上层白色白云岩（Upper White Dolocrete，UWD），主要由白云石组成，其中混杂有帕利戈尔斯石（palygorskite）及少量石英、氟碳钙石-Ce（florocite-Ce）、钛氧化物和独居石-Ce（monazite-Ce）；(b) 中层颗粒白云岩（Middle Pisolite Dolocrete，MPD），以白云石为基质，含有铌铁矿（Nb-goethite）结核、外来石英、独居石-Ce、氟碳钙石-Ce和铈铁矿（cerianite）；(c) 基底部砾岩白云岩（Basal Breccia Dolocrete，BBD），主要由厚层白云石构成，其中包含独居石-Ce、氟碳钙石-Ce以及含有铌铁矿、铌钛铁矿（Nb-ilmenite）、铌金红石（Nb-rutile）、石英、baddeleyite和锆石的碎屑。全岩分析显示，(La/Yb)_N值随深度增加而升高，从UWD的74上升到MPD的247，再到BBD的723。白云石中的REE浓度（Ca/Mg=1–1.2）也从UWD的66 ppm（中位数）增加到MPD的281 ppm，最终达到BBD的347 ppm。含铌的钛铁矿发生了变质，形成了铌钙铁矿（Nb-leucoxene，最大Nb₂O₅含量为18 wt.%）。铌在铁矿中的富集（0.1–1.4 wt.%）以及缺乏焦磷钙石（pyrochlore）的现象表明铌在风化壳形成过程中发生了迁移。稳定同位素数据（δ¹⁸O_VPDB = ?2.9‰ – ?0.6‰, δ¹³C_VPDB = ?6.7‰ – ?5.9‰）支持白云岩起源于盐水地下水。半干旱环境中的地下水位波动促进了富含REE的白云石的溶解与重新沉淀，这些白云石的镁主要来源于碳酸盐岩。这些结果揭示了稀土元素和铌在金属富集风化壳风化过程中的复杂演变过程，强调了白云岩作为地球化学档案和勘探关键矿产矿床的重要价值。

引言

风化碳酸盐岩是稀土元素（REE）和铌（Nb）的主要来源，这些元素对于减少碳排放所需的技术（如电动机、风力涡轮机和特种钢合金）至关重要（Mitchell, 2015; Liang et al., 2023; Williams-Jones and Vasyukova, 2023）。这些矿床通常在热带条件下通过强烈风化作用形成。由于初级碳酸盐和磷酸盐的溶解，相对不移动的REE会在风化层中富集（Oliveira and Imbernon, 1998; Hutchinson et al., 2022; Simandl and Paradis, 2018; Biondi and Braga, 2023; Malainine et al., 2023），导致残余风化壳中的REE含量增加了约10倍（Zhukova et al., 2021; Chandler et al., 2024）。由土壤、碳酸盐硬壳、粘土沉积物和风化土组成的厚层风化产物（L?hr et al., 2024; Malyutina et al., 2024; Siegfried et al., 2025）常常掩盖了REE和Nb的地球化学异常，阻碍了它们的发现。

在这种情况下，碳酸盐硬壳（如钙结壳和白云岩）保存了关于下层风化层中关键矿产的地球化学和矿物学信息（McQueen et al., 1999; Anand and Paine, 2002; Siegfried et al., 2025）。例如，这些硬壳可能与金矿（澳大利亚Barns Au矿床，Hill et al., 1998; Butt et al., 2000; Lintern, 2001, Lintern, 2015; Chen et al., 2002）、基础金属矿（Lintern, 2002）和铀矿（Butt et al., 1977; Carlisle et al., 1978; Anand and Butt, 2010）有关。澳大利亚约21%的地表被钙结壳和白云岩覆盖，这些矿物主要形成于土壤非饱和带或地下水中（Chen et al., 2002; Anand and Butt, 2010）。鉴于其广泛的分布和靠近矿床的位置，了解控制REE和Nb在钙结壳和白云岩形成和演化过程中的行为对于有效进行矿产勘探和地球化学定位至关重要。

在西澳大利亚半干旱至干旱环境中，富含镁的碳酸盐岩是形成白云岩的理想候选矿物。这种以白云石为主的碳酸盐硬壳主要出现在富含镁的基性岩层风化区域（Wright and Tucker, 1991; Alonso-Zarza and Wright, 2010）。降水量减少导致湖泊水位下降，从而增加碱度和pH值，以及Mg/Ca比和盐度，这些条件有利于白云石的沉淀（Sp?tl and Wright, 1992）。碳酸盐中的碳酸盐优先溶解，形成了地形低洼区，并通过水流横向输送关键成分，促进了白云石的沉淀（Carlisle, 1980; Siegfried et al., 2025）。

然而，关于风化碳酸盐岩风化壳上白云岩形成过程中REE和Nb的地球化学及矿物学特征知之甚少。轻稀土元素（La–Sm）和重稀土元素（Eu–Lu）在风化过程中会发生分馏，轻稀土元素在固体中富集，而重稀土元素则进入溶液（Braun et al., 1990; Johannesson et al., 1999）。中性至碱性水体通过形成更稳定的稀土-碳酸盐复合物促进稀土元素的分馏（Johannesson et al., 1999）。在氧化条件下，Ce⁴⁺会在风化层上部积累，形成难溶的铈铁矿（Lottermoser and England, 1988; Braun et al., 1990; Li et al., 2023），而Ce³⁺则被深部的锰氧化物捕获（Li et al., 2023）。部分重稀土元素在表生改造过程中通过重新沉淀的碳酸盐（如白云石、方解石）被固定（Lottermoser, 1988; Jonasson et al., 1988; Mariano, 1989; Quinn et al., 2006; Li et al., 2022）。在土壤中，轻稀土元素相对于重稀土元素的富集导致La/Yb比值升高（Walter et al., 1995），这一比值可用于评估白云岩形成过程中轻稀土元素和重稀土元素的分离情况（Ku?era et al., 2009）。稀土元素配位方式的差异会影响Y/Ho比值，从而帮助判断白云岩的来源（Pack et al., 2007; Ku?era et al., 2009）。

铌是另一种关键元素，能揭示碳酸盐岩风化过程中的元素再分配机制（Bollaert et al., 2023; Malainine et al., 2023）。焦磷钙石族矿物是风化碳酸盐岩中铌的主要来源（Mitchell, 2015; Simandl and Paradis, 2018）。然而，极端的红土化作用可能导致焦磷钙石结构中的铌释放，使其完全分解为含水的Fe-Nb产物（Lottermoser and England, 1988; Oliveira and Imbernon, 1998; Giovannini et al., 2017; Biondi and Braga, 2023; Bollaert et al., 2023）。次生铁氧化物（主要是铌铁矿）会捕获铌，而 Brookite和金红石则会在红土层中富钛的层位中吸收铌（Bollaert et al., 2023）。不过，在红土层顶部，由于地下水中Ca、Sr和Na浓度较高，焦磷钙石可以保持稳定（Lottermoser and England, 1988）。

因此，位于耶尔加恩克拉通（Yilgarn Craton）东北部半干旱地区的韦尔德山（Mount Weld）碳酸盐岩及其高品位（总稀土氧化物含量为106.6 Mt，含4.12%）和高产量的风化壳为研究稀土元素和铌在红土层顶部碳酸盐岩中的地球化学行为提供了极佳机会。本研究通过野外调查、全岩分析、矿物化学分析及碳和氧稳定同位素分析，揭示了控制韦尔德山碳酸盐岩风化过程中REE和Nb积累的过程和机制，并提出了一个解释白云岩中REE和Nb沉积富集的模型。

区域地质

韦尔德山碳酸盐岩位于西澳大利亚州耶尔加恩克拉通（Yilgarn Craton）新太古代东部金矿带（Neoarchean Eastern Goldfields Superterrane，EGST）的伯特维尔地体（Burtville Terrane）中（图1A）。EGST从西向东依次划分为卡尔古利（Kalgoorlie）、库纳尔皮（Kurnalpi）、伯特维尔（Burtville）和亚玛纳（Yamarna）三个地体，这些地体由相互连接的断层系统分隔（Cassidy et al., 2006; Czarnota et al., 2010; Pawley et al., 2012; Goscombe et al., 2019）。胡塔努伊剪切带（Hootanui Shear Zone）位于库纳尔皮地体与...

采样与方法

白云岩的采样工作分两次野外考察进行，样本包括来自Lynas稀土公司核心储藏库的历史钻芯、近期钻探样品以及露天矿场样品（图1C）。关于韦尔德山及其周边地区的更广泛地质信息来源于Lynas公司的勘探数据库。

从CH-17钻石钻芯（最大深度91.7米）中提取了三个白云岩样本，分别位于35.45-35.6米和51.7-51.9米处。

岩性与岩石学

根据野外观察、手标本分析和显微观察结果，约25米厚的白云岩可分为三个主要单元：(i) 最少见的上层白色白云岩（UWD），厚度为1-8米，埋藏在20-50米厚的湖泊粘土沉积物之下；(ii) 最常见的中层颗粒白云岩（MPD），厚度最大为10米；(iii) 基底部砾岩白云岩（BBD），厚度可达6米。

讨论

钙结壳和白云岩约占澳大利亚陆地表面的21%。当它们在土壤非饱和带形成时，被归类为成土作用产物；而在浅层地下水中形成时，则属于地下水作用产物（Chen et al., 2002; Drummond et al., 2024）。白云岩的形成受气候和水文条件的控制。成土作用下的白云岩形成是由于土壤水分带中的碳酸盐过饱和引起的。

结论与意义

对韦尔德山白云岩的研究为控制风化碳酸盐岩系统中稀土元素（REE）和铌（Nb）地球化学过程提供了关键见解。韦尔德山碳酸盐岩的长期风化作用形成了世界上最大的REE矿床之一（Verplanck et al., 2025）。铁质白云岩的风化作用产生了富含REE的红土层，其中REE含量增加了约10倍（Lottermoser, 1990）。

CRediT作者贡献声明

安德森·M·桑托斯（Anderson M. Santos）：负责写作、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、方法论制定、调查实施、数据分析、概念构建。阿图尔·P·德迪蒂乌斯（Artur P. Deditius）：负责写作、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资金筹措、概念构建。汉斯·奥斯基尔斯基（Hans Oskierski）：负责写作、审稿与编辑、数据验证、项目监督、方法论制定。亚瑟·O·维森蒂尼（Arthur O. Vicentini）：负责写作、审稿与编辑、数据可视化、数据分析。

未引用参考文献

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利益冲突声明

安德森·马蒂亚斯·多斯·桑托斯（Anderson Matias Dos Santos）声明获得了西澳大利亚州矿物研究所（Minerals Research Institute of Western Australia）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了西澳大利亚州矿物研究所（Minerals Research Institute of Western Australia，项目编号M10422）的资助，同时得到了Lynas稀土公司（Lynas Rare Earths Ltd.）和西澳大利亚州政府勘探激励计划（Exploration Incentive Scheme）的支持。珀斯市的科廷大学（Curtin University）和默多克大学（Murdoch University）也提供了额外支持。我们特别感谢科廷大学John de Laeter中心的显微镜与微分析设施在自动化矿物鉴定（TIMA）方面的协助。