《Journal of Geochemical Exploration》：The lithospheric carbonatite pathway at Bayan Obo: Evidence from gravity and magnetic inversion and its significance for Nb-REE-Fe mineralization
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该研究利用卫星重力和航空磁力数据反演了 Bayan Obo 矿区深部密度与磁化率结构，揭示了一个自地幔向南倾伏的深碳酸盐岩流体路径系统，该系统具有高密度、高磁化率、低电阻率异常，并伴随 Curie 深度面抬升，指示持续热异常。结合多源地球物理数据、岩石物理性质及地质年代学证据，证实该深部路径系统控制了 Mesoproterozoic、Early Paleozoic 和 Permian 三个阶段的铌-稀土-铁多期成矿，为深部探测提供了新依据。
作者：陈永康、周文娜、徐博虎、董家琪、A. Sihati、唐青燕
兰州大学地球科学学院，西部矿产资源重点实验室（甘肃省），中国兰州，730000
摘要
明确超大型巴彦奥博Nb-REE-Fe矿床下方深部碳酸盐岩-流体通道的几何结构及其与矿化作用的耦合关系，对于建立矿床形成演化模型和预测深部矿化作用具有重要意义。本研究利用卫星重力数据和航空磁数据反演了巴彦奥博地区的岩石圈尺度密度和磁化率结构。结果显示，在矿区下方存在一个从地幔上升的向南倾斜的通道系统。这些结果与先前发表的地磁反演剖面一致。多种方法的综合研究表明，该系统特征为高密度、高磁化率和低电阻率异常的共存。居里深度估计表明，矿区及其周围地区存在明显的居里表面抬升现象。结合高密度、高磁化率和低电阻率异常带，这些特征表明存在持续的深部热异常。结合岩石物理性质测量、矿物学观察以及岩石地球化学和地质年代学数据，本研究认为巴彦奥博的Nb-REE-Fe矿化作用受深部碳酸盐岩通道系统的控制。该系统形成于中元古代裂谷作用期间，并在中元古代岩浆活动（约13亿年前）、早古生代流体活动（约4.4亿年前）和二叠纪花岗岩岩浆活动（约2.7亿年前）期间多次重新激活。本研究为精细描述巴彦奥博下方深部碳酸盐岩通道的几何结构及其对多阶段Nb-REE-Fe矿化的控制作用提供了新的地球物理证据，也为类似碳酸盐岩型Nb-REE-Fe矿床的深部勘探提供了参考。
引言
铌是一种不可或缺的关键金属，因其熔点高、延展性好和优异的合金性能而被广泛应用。它广泛应用于高端设备、航空航天、量子信息和清洁能源技术领域，已成为最重要的战略资源之一（Wang等人，2019年）。巴彦奥博矿床以其Nb、REE和Fe的独特共富集现象而成为全球碳酸盐岩型矿床的典型代表，也是研究Nb-REE-Fe共富集机制的天然实验室（Xie等人，2016年）。自1927年首次发现铁矿石以来，该矿床逐渐成为国际研究的焦点。已有大量研究对其地质特征、岩石和矿物组成、同位素地球化学及地质年代学进行了探讨。普遍认为，该矿床与中元古代地幔来源的碳酸盐岩岩浆作用密切相关，并经历了显著的构造-热液改造（Zhou等人，2020年；She等人，2023年；Li等人，2024年；Y. Li等人，2025年；Yu等人，2024年；J.K. Yang等人，2024年；J.E. Zhang等人，2024年；Z.Y. Zhu等人，2024年）。
然而，由于铌的颗粒分散度高且粒度细（Wang等人，2020年），以往的研究主要集中在其加工和提取技术上（Hou等人，2018年；Sun等人，2021年）。相比之下，其分布模式、赋存状态、矿化过程和成因机制却鲜有关注。对部分铌矿石的矿物学研究表明，其中含有富含中至重稀土元素的铌铁矿、焦绿石等矿物（Liu等人，2020年；Ren等人，2023年；Zhan等人，2023年；X.F. Zhu等人，2024年）。特别是驱动Nb、REE和Fe极端富集的机制对于建立矿床成因模型具有重要意义，对全球勘探和资源战略具有重大影响。基于对巴彦奥博铌矿物的研究，Ren等人（2023年）提出了Nb、REE和Fe的共存机制。铌主要来源于碳酸盐岩及其相关岩石（Ying等人，2023年；Velásquez-Ruiz等人，2024年）。
Mg、Fe、C和O的同位素研究以及热力学建模表明，这些碳酸盐岩起源于地幔（Gibson等人，2024年；Ling等人，2013年；Sun等人，2013年；Yang等人，2019年；Yaxley等人，2022年；Ren等人，2025年）。因此，精确划定深部岩浆系统和供应通道对于追踪铌矿物的来源、理解其成因和指导勘探具有可靠意义（Yang等人，2017年）。Sm
Nd和U-Th-Pb测年结果显示，巴彦奥博至少经历了三个阶段的Nb和REE矿化或再活化过程：中元古代岩浆活动（约13亿年前）、早古生代流体活动（约4.4亿年前）和二叠纪花岗岩岩浆活动（约2.7亿年前），表明该矿床并非由单一事件形成，而是由多次热事件反复激活的结果（Liang等人，2024年；Huang等人，2024年；Y. Yang等人，2024年；Yu等人，2024年；Z.Y. Zhu等人，2024年）。然而，这些地质年代学结果尚未与统一的深部传输通道进行空间关联。因此，明确其深部通道的分布至关重要。
近年来，地球物理仪器和设备的精度不断提高，探测深度不断加深，使得越来越多的研究采用地球物理方法来探索矿床的深部结构和成因。Li等人（2024年）和L.L. Zhang等人（2024年）对巴彦奥博地区的岩石物理性质进行了系统测量，为后续的地球物理反演和解释奠定了坚实基础。Ke等人（2021年）和Zheng等人（2024年）应用反射地震方法对该地区进行了研究，获得了浅层地下结构的高分辨率反射图像以及由折射地震反演得到的速度模型。Zhu等人（2023年）在巴彦奥博矿区部署了密集的地震阵列，利用环境噪声层析成像技术首次揭示了整个矿区上部约2.5公里范围内的剪切波速度结构，并推断出可能存在的三维矿床碳酸盐岩分布范围。Xue等人（2024年）在巴彦奥博地区进行了二维地磁（MT）反演，明确了深部岩浆系统的分布，并提出巴彦奥博可能位于一个从地幔通过下地壳延伸至上地壳的碳酸盐岩上升通道之上，该通道受区域走滑-逆冲复合构造控制。这项工作为深部碳酸盐岩通道的存在提供了直接的地球物理证据。然而，在强异质性和复杂构造环境下，单一物理性质仍不足以全面精确地描述深部结构。
基于这些考虑，本研究在以往的二维电阻率反演结果基础上，引入了卫星重力数据（EIGEN-6C4）和航空磁数据进行了反演，并利用居里深度进行了约束。目的是建立不同物理性质参数之间的对应关系和相互制约，从而更精细地成像控制巴彦奥博多阶段Nb-REE-Fe矿化的深部碳酸盐岩-流体上升通道。通过将反演结果与矿区岩石物理性质测量数据、深钻数据、最新的三阶段Nb矿化地质年代学结果以及区域构造演化框架进行系统比较，我们旨在构建一个耦合的构造-岩浆-流体-矿化模型。这项工作为巴彦奥博的深部勘探提供了新的地球物理证据，并有助于更深入地理解全球范围内的碳酸盐岩相关Nb-REE-Fe矿床。
地质背景
地质环境
如图1所示，巴彦奥博Nb-REE-Fe矿床位于内蒙古自治区包头市以北，属于华北克拉通北部边缘的Langshan–Yinshan地体范围内，北侧与中央亚洲造山带相邻（Xiao等人，2003年；Li等人，2023年）。
该地区经历了多阶段的构造演化。在超级大陆聚合阶段（19.5–18亿年前），华北克拉通的基底发生抬升，形成了古代
重力数据
本研究使用的重力数据来自EIGEN-6C4卫星重力模型（图2）。数据集覆盖经度范围109°E-111°E，纬度范围41°N-43°N。EIGEN-6C4模型通过高斯-克鲁格投影转换为平面笛卡尔坐标系，并采用5公里网格间距进行克里金插值处理。
磁数据
本研究使用的磁数据是中国大陆编制的10公里×10公里网格化的航空磁数据集
结果
利用上述反演方法，对重力数据和磁数据进行了反演。根据以往研究的岩石物理测试结果（L.L. Zhang等人，2024年；D.Q. Li等人，2025年），并考虑到反演方法中对密度和磁化率的传统约束条件，我们在计算中设置了上下限作为软约束。对于重力数据反演，密度上限和下限分别设定为-1 g/cm3和1 g/cm3。
巴彦奥博矿区地球物理反演结果与岩石物理性质的关系
巴彦奥博矿床中的铌和稀土元素主要赋存于铁矿石和碳酸盐岩中。这种赋存方式导致矿体与周围岩石在物理性质上存在明显差异。L.L. Zhang等人（2024年）对从巴彦奥博矿床采集的401个岩石样本进行了电阻率、电荷性和磁化率的实验室测量，并分析了相关数据集。他们的结果表明，铁矿石和
结论
基于EIGEN-6C4卫星重力和航空磁数据，我们采用三维迭代成像方法并结合Tikhonov正则化向下延续技术，构建了巴彦奥博地区的岩石圈尺度密度和磁化率模型。结合多源地球物理数据，系统揭示了深部结构与矿化作用之间的关系。结果显示，在矿区的中部和北部区域
CRediT作者贡献声明
陈永康：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学研究。周文娜：撰写、审稿与编辑、监督。徐博虎：可视化处理、形式分析、数据管理。董家琪：验证、调查。A. Sihati：监督、方法学研究。唐青燕：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金争取。
利益冲突声明
本文作者声明不存在任何可能影响本研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC2908700）和甘肃省科技计划（23JRRA1063）的资助。
