稀土元素是全球的战略性矿产资源，也是我国为数不多的优势矿产，但随着近年来境外新稀土矿床和深海潜在稀土资源的发现，我国稀土资源的优势地位正面临严峻挑战。与碳酸岩-碱性岩有关的稀土矿床规模大、品位高，是稀土勘探和开发的重点对象。据统计，全球已发现的碳酸岩（-碱性岩）体有609处，但具有经济价值矿床的不足9%。因此，揭示这类矿床的成因和REE富集机制对建立稀土成矿模式、指导深部找矿和区域找矿具有重要的理论和实践意义。
鲁西地块南部的微山稀土矿是我国的三大轻稀土矿床之一，是典型的与碳酸岩-碱性岩相关的稀土矿床。前人对该矿床开展了大量研究，在矿床地质、成矿时代、成矿流体方面取得了较为一致的认识，但对与稀土矿化密切相关的碳酸盐矿物的成因、岩浆-热液演化过程等仍不清楚或尚存争议。另外，鲁西北部的莱芜-淄博地区发育了大量的岩床、岩脉状碳酸岩，但并没有形成工业稀土矿床。莱芜碳酸岩中的磷灰石U-Pb年龄为123.4±4.8 Ma，与微山稀土矿形成时间近乎相同，是揭示碳酸岩差异性矿化控制因素的绝佳研究对象。基于此，本文选取鲁西地块的微山稀土矿和莱芜碳酸岩为研究对象，在前人的研究基础上，通过详细的野外地质调查、矿物学观察、方解石和磷灰石原位元素、同位素地球化学等综合分析，对微山稀土矿的碳酸盐成因、岩浆-热液演化和稀土迁移-沉淀机制以及碳酸岩差异性矿化的控制因素等进行了深入系统的研究。
微山稀土矿的矿体主要为含稀土石英萤石硫酸盐碳酸盐矿脉，矿石矿物主要为氟碳铈矿和氟碳钙铈矿，脉石矿物主要为方解石、重晶石、天青石、石英、萤石和硫化物等。矿脉中方解石广泛发育，通过详细的矿物学观察，识别出四个阶段的方解石，分别为Cal-1、Cal-2、Cal-3和Cal-4。其中Cal-1通常与钾长石和石英共生，Cal-2和Cal-3分别与硫酸盐矿物（如天青石、重晶石）和稀土矿物（如氟碳铈矿、氟碳钙铈矿）共生，而Cal-4主要出现在富含硫化物的矿化后细脉中。Cal-1中可见大量的碳酸铈钠矿出溶，具有较高的Sr（>60000 ppm）、Ba（>7000 ppm）和LREE（>5000 ppm）含量，结合其Yb/Ca-Yb/La和其它微量元素比值图解，判断Cal-1为岩浆成因。而Cal-2、Cal-3和Cal-4的岩相学特征和微量元素特征指示，它们为热液成因。四个阶段方解石显示出相似的Sr-Nd-C-O同位素组成，且与矿区碱性硅酸岩的同位素组成和形成年龄一致，表明它们具有相同的来源。结合Cal-1的岩浆成因特征，推断碳酸盐-硅酸盐熔体在浅层发生不混溶作用，使碳酸盐熔体与丰富的碱性流体从碱性岩浆中出溶，随岩浆-热液演化形成岩浆方解石和热液方解石。方解石类型的转变记录了微山稀土矿的岩浆-热液演化过程，从Cal-1到Cal-4，方解石中Na、K、Sr、Ba和REE含量逐渐降低。
微山稀土矿床中方解石的Sr-Nd同位素与氟碳铈矿以及区内碱性岩的同位素组成一致，说明稀土成矿与碱性岩浆关系密切。岩浆-热液系统中碱性物质（如K、Na）富集，区内普遍发育钾质交代作用，说明碱性物质在稀土的出溶和迁移过程中发挥着重要作用。稀土矿物的集中沉淀（Cal-3）发生在大量硫酸盐矿物（如天青石、重晶石）沉淀（Cal-2）后不久，结合高温下碱性硫酸盐的溶解度、硫酸盐对REE的搬运作用以及微山稀土矿流体包裹体的研究，判断REE-硫酸盐络合物可能是成矿流体中稀土的主要搬运形式。稀土元素的沉淀主要由温度下降、流体沸腾等作用引起，这点可由矿区的矿物组成和矿物中流体包裹体的沸腾/不混溶特征证实。从Cal-1到Cal-4，方解石中LREE和HREE之间分异程度逐渐降低，主要由轻稀土矿物的沉淀以及轻、重稀土在岩浆-热液演化过程中的不同行为造成。
对比REE成矿的微山碳酸岩和不成矿的莱芜碳酸岩，发现他们在母岩浆物质组成、氧化状态、物质源区等方面存在差异。两碳酸岩中磷灰石均富集F（>1.68 wt.%）、Na（>1690 ppm）、REE（>8910 ppm）、Y（>245 ppm）、Sr（>6830 ppm）、Th（>23.9 ppm），方解石均富集Na（>50.5 ppm）、REE（>90.6 ppm）、Sr（>3070 ppm）等，指示两个岩体的母岩浆均含有较高的F、REE、Sr、Na、Y、Th等元素含量。但成矿的微山碳酸岩的磷灰石具有更高的F（3.57～4.93 wt.%）、SO3（平均值0.33 wt.%），方解石具有更高的Na（687～12300 ppm）、K（36.5～665 ppm）、REE（5140～76700 ppm）和Sr（66200～175000 ppm）含量，说明母岩浆中这些元素的高含量更有利于稀土在岩浆-热液演化后期富集成矿。
莱芜碳酸岩磷灰石和方解石具有相似的Sr-Nd同位素组成，(87Sr/86Sr)i和εNd(t)值分别为0.710221～0.711096和−29.8～−15.7。微山碳酸岩方解石和磷灰石的Sr同位素组成相似，(87Sr/86Sr)i值为0.707125～0.707854；方解石的εNd(t)值为−15.8～−5.8。两碳酸岩的Sr-Nd同位素组成均与研究区下方的岩石圈地幔相似，指示两碳酸岩母岩浆均起源于富集岩石圈地幔，受俯冲扬子板块和古太平洋板块的交代影响。但两碳酸岩中方解石、磷灰石的同位素组成有所差别，指示其物质源区有差异。莱芜碳酸岩较高的(87Sr/86Sr)i、较低的εNd(t)值反映其岩浆源区主要受古老地壳（扬子板块地壳）物质交代，在早白垩世俯冲古太平洋板块后撤过程中，软流圈热作用下地幔发生低程度部分熔融形成碳酸盐岩浆，岩浆沿断裂构造上升形成碳酸岩。微山碳酸岩的源区主要受俯冲古太平洋板块沉积物的交代而富含REE和挥发分，在软流圈物质和热作用下发生部分熔融形成富碳酸质碱性岩浆，经历碳酸盐-硅酸盐熔体不混溶形成碳酸盐熔体。磷灰石的(La/Sm)N值和Ce/Pb-Th/U值指示，成矿的微山碳酸岩的母岩浆形成过程中流体参与程度更高，可能有部分俯冲板片上的熔融沉积物参与。两碳酸岩物质源区的差异说明，受俯冲大洋板块沉积物和软流圈物质交代形成的富集REE的地幔源区更有利于稀土成矿，而俯冲陆壳物质交代的地幔源区对稀土的成矿贡献有限。此外，稀土元素在岩浆-热液演化过程中的进一步叠加富集对REE成矿也有一定的促进作用，单一的、规模较小的碳酸岩浆可能不易于形成稀土矿化。
通过对鲁西微山稀土矿的岩浆-热液过程、稀土迁移-沉淀机制的系统研究，以及对成矿和不成矿碳酸岩的对比研究，结合区域大地构造背景，本论文完善了鲁西地区中生代碱性岩-碳酸岩相关稀土矿的成矿模式，对未来的区域和深部找矿工作具有重要指示意义。