硅酸鹽-鐵磷酸鹽熔體不混溶促進(jìn)稀土富集 |晏圣超等-GPL

鐵氧化物磷灰石（IOA）礦床是歐洲和世界各國重要鐵資源來源。近期，瑞典LKAB公司在瑞典Kiruna礦床中還報(bào)道了大量稀土資源，使其成為當(dāng)前歐洲最大的稀土礦床之一。全球其他地區(qū)不同時(shí)代IOA礦床也報(bào)道了稀土資源。因此IOA礦床具有較大的稀土資源潛力，但稀土富集機(jī)制并不明確，主要原因是當(dāng)前已有模型僅能解釋部分礦床結(jié)構(gòu)或地化特征，難以詮釋成礦的各關(guān)鍵特征。盡管實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)手段已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在成礦過程的關(guān)鍵參數(shù)獲取上，然而對(duì)于FeP-Si熔體不混溶，由于前人實(shí)驗(yàn)大多沒有添加稀土元素，且難以得到較大不混溶熔體，因此較高程度不混溶鐵磷酸鹽-硅酸鹽間的主微量元素配分系數(shù)測定不準(zhǔn)確，對(duì)不混溶熔體結(jié)構(gòu)限定較差，對(duì)于為何IOA礦床富集稀土仍然沒有較好的解釋。

針對(duì)以上問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變?nèi)珖攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生晏圣超，在萬博研究員與澳大利亞國立大學(xué)Michael Anenburg、John Mavrogenes共同指導(dǎo)下，開展了新活塞圓筒分層實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于前人實(shí)驗(yàn)，十七個(gè)活塞圓筒實(shí)驗(yàn)分層，溫壓范圍廣（800-1150 °C; 0.4和0.8 GPa），添加了微量元素，不使用離心步驟得到平衡且較大不混溶鐵磷酸鹽-硅酸鹽熔體，可測定元素配分系數(shù)、觀察不混溶熔體結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 (a)前人添加稀土元素的Fe-Si不混溶實(shí)驗(yàn)以及本文新實(shí)驗(yàn)(五角星, 正方形, 三角形); (b)本文分層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例，得到了礦物和較大的不混溶熔體。(a)中n/m/wIM表示窄/中等/寬不混溶

研究取得的重要認(rèn)識(shí)總結(jié)如下：

（1）寬不混溶程度下FeP熔體和富Si熔體間稀土配分系數(shù)可接近200，遠(yuǎn)超前人報(bào)導(dǎo)的值（<20）。基于微量元素配分系數(shù)，經(jīng)歷過FeP-Si不混溶的鐵礦床（例如IOA，鈦鐵磷灰?guī)r，釩鈦磁鐵礦）應(yīng)具有一定稀土，磷，釷，鈷，釩潛力，潛力大小與不混溶程度相關(guān)（圖2）。

（2）前人研究認(rèn)為增加氧逸度、降溫等過程可以促進(jìn)不混溶，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FeP熔體中雜質(zhì)隨壓力降低變小變少的規(guī)律，表明降低壓力也可促進(jìn)兩相熔體分離，擴(kuò)大不混溶程度，促進(jìn)IOA成礦。

（3）無論不混溶程度如何，F(xiàn)eP熔體和富Si熔體間輕稀土配分系數(shù)均大于重稀土，為全球IOA礦床中稀土資源的探索和準(zhǔn)確評(píng)估提供理論依據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)熔體產(chǎn)物的成分(a-b)和主微量元素配分系數(shù)(c-e)。寬不混溶時(shí)稀土配分系數(shù)可接近200 (52F)，遠(yuǎn)高于前人報(bào)導(dǎo)。Ca, P, Mg進(jìn)入FeP熔體，符合礦床中出現(xiàn)磷灰石，透輝石，陽起石礦物；輕稀土配分系數(shù)高于重稀土，符合IOA礦床輕稀土富集特征; FeP熔體Ti/Fe低于硅酸鹽熔體，符合IOA礦床中低Ti磁鐵礦。*由于FeP熔體中存在雜質(zhì)（圖3），窄不混溶和中等不混溶實(shí)驗(yàn)（nIM, mIM）的配分系數(shù)可能略微向1靠近

圖3 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)(左列)復(fù)現(xiàn)El Laco (b, d, f, i, k)、Kiruna (l)和El Romel (g) IOA礦床中結(jié)構(gòu)(右列)。具體結(jié)構(gòu)特征為: (a-b)兩種FeP相; (c-d)富鐵熔體被富Si熔體包圍; (e-g)磁鐵礦中出現(xiàn)富硅包裹體或石英; (h-i)鐵磷相中含富硅熔體玻璃或出現(xiàn)石英; (j-l)梳狀磁鐵礦

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GPL(晏圣超, 萬博*, Michael Anenburg, John Mavrogenes. Silicate and iron phosphate melt immiscibility promotes REE enrichment [J].Geochemical Perspectives Letters, 2024, 32: 14-20. DOI: 10.7185/geochemlet.2436.)。該成果被AGU Eos, 新華網(wǎng)等多家國內(nèi)外新聞媒體以“埋藏在消亡火山中的富鐵巖漿可能蘊(yùn)含大量新稀土資源”為主題廣泛報(bào)道, 對(duì)增加全球稀土資源儲(chǔ)量具有積極意義。研究受國家自然科學(xué)基金(42325206)，中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項(xiàng)(XDB0710000)和澳大利亞研究委員會(huì)(LP190100635)共同資助。

編輯：劉強(qiáng)