科研进展

广州地化所在攀枝花层状岩体铁同位素研究及超大型钒钛磁铁矿矿床成因机制上取得新进展

  

  拉斑玄武质岩浆如何达到Fe富集是火成岩石学领域的研究热点之一,镁铁-超镁铁质层状岩体是研究这一问题的理想对象,如世界上最大的层状岩体南非Bushveld杂岩体、加拿大的Sept Iles岩体和我国攀西地区出露的一系列层状岩体。其中我国攀西地区的攀枝花岩体非常特别,其出露面积仅~30km2,厚~2km,但其下部带底部赋存巨厚的铁钛氧化物矿石层,矿石储量高达13.3亿吨。其形成机制一直存在不同的观点。在玄武质岩浆演化过程中,随着不同含铁矿物(如橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、磁铁矿和钛铁矿等)的分离结晶,残余岩浆的Fe同位素组成会发生明显分馏,因此,可利用岩石和矿物的Fe同位素组成指示岩浆演化过程,并揭示岩浆演化过程中铁的富集成矿机制。

  广州地化所岩浆作用与成矿学科组博士生曹永华和王焰研究员、与中国科学技术大学黄方教授和同位素地球化学国家重点实验室张兆峰研究员合作,系统分析了攀枝花岩体兰家火山剖面全岩和主要含铁矿物(单斜辉石,钛磁铁矿和钛铁矿)的Fe同位素组成,发现整个剖面中单斜辉石的Fe同位素组成十分均一,并且与全岩Fe同位素组成在剖面上的变化范围和变化趋势也很一致(图1),由于单斜辉石结晶时与玄武质熔体间的Fe同位素分馏很小,暗示与单斜辉石平衡的熔体具有与其一致的Fe同位素组成,说明单斜辉石大量结晶时,钛磁铁矿或钛铁矿尚没有从熔体中结晶。相反,钛磁铁矿和钛铁矿的Fe同位素组成变化很大,且两者在剖面上呈现明显的互补变化趋势(图1),如此巨大的分馏无法用高温平衡分馏来解释。岩浆冷却过程中的亚固相再平衡作用虽然也能造成钛磁铁矿和钛铁矿一定程度的Fe同位素分馏,但这种过程被认为影响有限(图2)。根据质量平衡计算得到的铁钛氧化物总的Fe同位素组成范围与全岩和单斜辉石的相应值近乎一致,因此钛磁铁矿和钛铁矿在剖面上变化很大但互补的Fe同位素组成被解释为储库效应,即钛磁铁矿和钛铁矿是最后从与单斜辉石平衡的、具均一Fe同位素组成的粒间熔体中原位结晶的,其Fe同位素组成的差异是由二者的结晶顺序和成分决定的。  

图1 攀枝花岩体兰家火山剖面全岩和单矿物的Fe同位素组成 

图2 磁铁矿与钛铁矿间Fe同位素分馏

  在攀枝花岩体的主要铁矿石层中,常见自形硅酸盐矿物被铁钛氧化物包裹、且发育溶蚀边结构,同时在矿石的粒间相中发育显微反应结构,暗示存在粒间不混溶的富Fe熔体,并且其与早结晶的硅酸盐矿物主晶发生了反应(图3)。因此,结合这些岩相学证据以及全岩和单矿物的Fe同位素组成,提出在形成攀枝花岩体的岩浆房中,单斜辉石和斜长石首先结晶构成了晶粥层的骨架,随后粒间熔体发生不混溶,铁钛氧化物从粒间不混溶的富Fe熔体中原位结晶形成(图4)。本研究表明,系统的全岩和矿物Fe同位素分析结合细致的岩相学观察,可以对层状岩体的岩浆演化过程及铁富集机制提供令人信服的证据。  

图3 攀枝花岩体下部带富矿岩石中发育的显微反应结构背散射照片  

图4 攀枝花岩浆房演化及铁富集成矿过程示意图

  相关成果近期发表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth上,该研究受到中科院战略性先导科技专项(B类)(XDB18000000)和基金项目(41325006和41324011)的联合资助。

  Cao, Y.H., Wang, C. Y., Huang, F., & Zhang, Z.F. (2019). Iron isotope systematics of the Panzhihua mafic layered intrusion associated with giant Fe-Ti oxide deposit in the Emeishan large igneous province, SW China. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124, 358–375.

  论文链接:https://doi.org/10.1029/2018JB016466