田恆次等-GCA：攀枝花層狀巖體中鈦鐵礦大尺度Mg-Fe同位素分餾及對層狀侵入體成因的制約
鈦鐵礦常以副礦物的形式存在於火成侵入巖中，是巖漿演化過程的記錄者。但是，在鎂鐵-超鎂鐵質侵入體中，鈦鐵礦和磁鐵礦是主要的組成礦物，甚至形成具有工業開採價值的釩鈦磁鐵礦礦床。我國西南攀枝花地區出露的晚古生代末期的巖體（露頭面積約30km2，厚約幾百米到2km）就具有世界級規模的釩鈦磁鐵礦儲量。近年來，已有諸多工作對其進行了研究。然而，對於該巨型Fe-Ti-V礦床具體的形成細節仍存在爭議，主要的成因模型包括：（1）基性巖漿中矽酸鹽礦物（如橄欖石、單斜輝石、斜方輝石等）的分離結晶，導致富鐵氧化物的富集；（2）巖漿演化過程中產生不混溶/粒間不混溶的富Fe-Ti的熔體（最終形成釩鈦磁鐵礦礦床）和富Si的矽酸鹽熔體。金屬Mg和Fe同位素理論上可以為其成因提供制約，這是因為：Fe是該礦床的主要組成元素；分離結晶和部分熔融不會顯著地使Mg同位素分餾，但會引起Fe同位素變化；液態不混溶產生的兩相具有不同的聚合度，富Si相理論上會產生大尺度Mg-Fe同位素分餾的現象。雖然前人對中國西南攀枝花和白馬巖體中的Mg-Fe同位素已進行研究，但仍未取得一致的結論。
為了進一步研究這一科學問題，中科院地質與地球物理研究所田恆次博士後及合作導師楊蔚研究員，與張馳副研究員、美國華盛頓大學滕方振教授、陳欣陽博士，以及中國地質大學李曙光院士、何永勝教授，柯珊副教授等對攀枝花鎂鐵質層狀巖體中礦層和非礦層（主要由輝長巖組成）的橄欖石、單斜輝石和鈦鐵礦單礦物進行了Mg-Fe同位素分析。
結果表明部分橄欖石和單斜輝石的Mg-Fe同位素變化範圍超過高溫巖漿過程平衡同位素分餾值，很可能是由動力學過程造成的。鈦鐵礦則具有明顯大的Mg-Fe同位素分餾，並表現為非線性的負相關關係（圖1）。這很可能是Mg-Fe互交換的結果，而並非熱擴散效應或大尺度巖漿分離結晶的結果。該極端的Mg同位素數值（高達23‰）是目前已報導的自然樣品中最高值，並在中國地質大學（北京）和美國華盛頓大學（西雅圖）兩個實驗室得到了一致的測試結果。他們進一步發現大多數含礦層鈦鐵礦的主量元素的剖面變化趨勢與非礦層（輝長巖）鈦鐵礦的主量元素的剖面變化趨勢相反（圖2），這很可能說明兩者Mg-Fe同位素擴散的方向是相反的（圖3），這被認為是粒間的液態不混溶過程引起的同位素分餾。初始階段的高鈦玄武質熔體，經過矽酸鹽礦物的分離，形成了晶粥層的骨架，隨後粒間熔體發生不混溶，分離出Fe-rich相和Si-rich相。前者具有高Fe含量，後者表現為低Mg特徵。由於密度差異，富Si熔體逐漸上升，而富Fe熔體則逐漸下沉。不同化學成分的鈦鐵礦與這兩相熔體之間存在較大的Mg活度梯度，從而可引起極大的同位素分餾效應。結合前人的研究，他們的工作為層狀巖體中的成礦元素的遷移-富集過程提供了新證據。同時，也表明Mg-Fe同位素體系可用於示蹤鎂鐵質層狀鐵鈦礦床的成因。
圖1 攀枝花鈦鐵礦的Mg-Fe同位素組成
圖2 （a）含礦層中樣品PZH12-15的BSE圖像及其沿鈦鐵礦礦物剖面的主要元素變化；（b）不含礦層（輝長巖）中樣品PZH12-24的BSE圖像及其沿鈦鐵礦礦物剖面的主要元素的變化
圖3 攀枝花鈦鐵礦數據變化與模擬計算曲線（含礦層與不含礦層Mg-Fe擴散方向相反）
該研究對於理解月球高低鈦玄武巖之間存在的同位素差異（如Li-Mg-Fe等）也有啟示意義。它們兩者之間同位素的差異或許並非是一些研究認為的單純分離結晶的緣故，很可能也伴隨有其它過程的存在（比如擴散、源區差異、礦物成分差異？），還待今後開展更多深入細緻的研究來解答。
研究成果發表於國際權威學術刊物GCA。（Tian H C, Zhang C, Teng F Z, et al.Diffusion-driven extreme Mg and Fe isotope fractionation in Panzhihua ilmenite:Implications for the origin of mafic intrusion[J]. Geochimica et CosmochimicaActa, 2020, 278: 361-375.DOI: 10.1016/j.gca.2019.10.004）（原文連結）成果受國家自然科學基金委、中國科學院B類戰略性先導科技專項、博士後創新人才等項目資助。
校對：張騰飛