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

2020-09-17 中科院地質地球所

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

相關焦點

  • 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...
    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。
  • JGR:火星地下滷水活動——來自火星磷灰石H和Cl同位素組成的證據
    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。
  • JGR：火星地下滷水活動——來自火星磷灰石H和Cl同位素組成的證據
    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。
  • 風化過程中Mo同位素分餾機理獲揭示
    中國科學院廣州地球化學研究所穩定同位素地球化學學科組副研究員王志兵及合作者在國際上率先發現了地球表生系統中偏輕Mo同位素潛在的長期穩定儲庫，揭示了風化過程中Mo同位素分餾機理。相關研究近日發表於《地球化學與宇宙化學學報》。準確限定陸源輸入到海洋的Mo同位素組成是運用Mo同位素準確反演地質歷史時期全球海洋氧化和缺氧事件的重要前提。
  • 風化過程中Mo同位素分餾機理獲揭示—新聞—科學網
    Mo同位素分餾機理。 準確限定陸源輸入到海洋的Mo同位素組成是運用Mo同位素準確反演地質歷史時期全球海洋氧化和缺氧事件的重要前提。然而，目前關於Mo同位素在巖石化學風化過程中的具體分餾機制仍然不清楚，同時，風化產物中偏輕的δ98Mo的長期穩定儲庫仍未找到。
  • 典型礦區——四川攀枝花釩鈦磁鐵礦
    礦床產於侵入震旦系上統大理巖中的海西期輝長巖體中,巖體長19,寬5,因受斷裂切割分為朱家包包、蘭家火山、尖包包、倒馬坎、公山、納拉箐6個區段。其巖漿液體分異和結晶分異的韻律層發育,巖體層狀構造清楚,出露厚度700--2500m。自上而下可劃分為5個巖帶(含礦層)，9個含礦帶： 淺色細粒角閃輝長巖帶，厚度500～1500m，無工業礦體。
  • 部分熔融和熔體滲濾過程中Cu同位素分餾:以Alps造山帶Baldissero和Balmuccia地體橄欖巖為例
    Cu有兩種同位素，63Cu（30.83%）和65Cu（69.17%）。Cu同位素分餾已經被用於研究一系列重要的科學問題，例如：太陽系早期演化、地球核-幔分異、殼慢相互作用、大陸風化、生命演化、熱液活動和斑巖銅礦成因。近期研究揭示，上地幔的Cu同位素組成非常不均一，δ65Cu（相對於國際標樣NIST976）可以從‒0.68‰變化到1.82‰。前人認為如此巨大的Cu同位素組成是由陸殼物質再循環導致。
  • GCA：太古宙矽酸鹽地球均一化的W同位素證據及對地球構造體制轉換的制約
    梅清風等-GCA：太古宙矽酸鹽地球均一化的W同位素證據及對地球構造體制轉換的制約自182Hf滅絕後，體系不再產生放射性成因182W的積累，因此體系的182W/184W比值受後期地質過程影響較小，可記錄與地球早期演化有關的地質事件。 根據182Hf-182W體系的上述特點，前人對地球古老樣品進行了W同位素研究，在獲得了早期地幔分異和後增生作用的新證據的同時，也提出了重要的科學問題：全球範圍內，地幔W同位素組成隨時間的變化是否具有一個普遍的規律？
  • 第一章 鐵礦勘探
    他們以平板儀測制了攀枝花礦區1／5000地質圖3幅，估算營盤山、尖包包、倒馬坎3處鐵礦儲量為2400萬噸，並論證了礦床的巖漿分異成因，指出主要礦物為磁鐵礦及少量鈦鐵礦，「厥為西南各省較大之鐵礦也。」　　1944年，根據程裕祺的意見，又發現鈦磁鐵礦中含有釩。從而確定了攀枝花鐵礦為釩鈦磁鐵礦。
  • 頁巖氣運移過程中碳同位素分餾:機理、表徵及其意義
    同位素分餾法作為地球化學最重要的基礎研究工具之一，為解決上述關鍵問題提供了全新的方法和途徑。 在頁巖氣開採和現場解析過程中，甲烷碳同位素值（δ13C1）隨開採/解析時間表現出不同程度的同位素分餾現象。近年來，這一現象逐漸受到關注和重視，但不同學者對導致這種分餾效應的成因及其機理仍存在很大爭議。
  • 研究發現氨氣分子擴散存在同位素分餾效應
    進一步的理論計算發現，由於輕同位素（14NH3）和重同位素（15NH3）分子量不同，它們在空氣中不同的擴散速率造成了氨同位素的分餾，導致15NH3貧化了17.7‰，這與在北京實際大氣中觀測到的差異（15.4‰）非常接近。
  • 隱蔽爆發角礫巖體的介紹
    隱蔽爆發角礫巖體的介紹寧蕪地區鐵礦床，除了層狀鐵礦以外，其礦體多賦存於各種成因的角礫巖體中，如鳳凰山式鐵礦的角礫狀礦石就佔其總礦石儲量的50%左右。鳳凰山式鐵礦的含礦部位主要是在接觸帶上的侵入——構造角礫巖帶中，部分礦體產於外帶斷層角礫巖和層間裂隙中，產於內帶的礦體是和巖體自角礫巖化或交代圍巖捕虜體有關。姑山的含礦角礫巖既產於巖體頂緣，也產於接觸帶上，二者構成一個統一的鐘狀角礫巖體。南山深部的角礫狀和網脈狀礦石多半是自角礫化的產物。本區角礫巖體的形成往往是和次火山巖體富含氣液以及淺成——超淺成的侵入——爆發條件有關。
  • 非傳統穩定同位素探索地球形成與演化之謎
    自上個世紀末多接收電感耦合等離子體質譜儀（MC-ICPMS）問世以來，穩定同位素地球化學研究取得重大突破。穩定同位素的高精度分析，從傳統的幾個氣體元素（C、H、O、S、N等）擴展到幾乎整個元素周期表，開啟了非傳統穩定同位素地球化學這一新的研究領域。
  • GCA:藏南中新世加厚地殼熔融及其對喜馬拉雅淡色花崗巖成因的制約
    紀偉強等-GCA：藏南中新世加厚地殼熔融及其對喜馬拉雅淡色花崗巖成因的制約漸新世-中新世是青藏高原形成和演化的重要時期，基本奠定了高原現今的整體格局。雅魯藏布縫合帶北側的拉薩地塊以發育超鉀質巖石和鈣鹼性埃達克質巖石為主，分別來自於交代巖石圈地幔和加厚下地殼的熔融，巖漿形成過程中存在地幔熱源和物源的重要貢獻；縫合帶南側的喜馬拉雅地區則主要發育淡色花崗巖巖漿活動。傳統觀點認為喜馬拉雅淡色花崗巖來自於變沉積巖的部分熔融，可以作為S型花崗巖（源巖為沉積巖）的典型代表，並且淡色花崗巖形成和喜馬拉雅造山過程中不存在地幔的貢獻。
  • 角礫巖體由什麼構造的?
    角礫邊界清楚，為磁鐵礦及部分碳酸鹽充填膠結，礦石中空洞發育（上部空洞多而大，下部空洞少而小）。根據上述特徵可初步認為該角礫巖體的形成可能存在由於巖漿上衝應力和冷卻收縮時引起的塌陷所造成的因素。姑山含礦角礫巖體地質特徵複雜，其成因爭論較大，目前一致認為是複合成因的。
  • Science：海洋鐵匯在調控早期大氣氧化中的角色 ——三鐵同位素的限制
    ., 2005），這在GOE之後的巖石記錄中很難見到這樣程度的分餾（圖1A）。對GOE之前沉積黃鐵礦特別輕的鐵同位素組成目前有三種解釋：（1）廣泛的Fe3+-氫氧化物形成，可能造成殘餘海洋中溶解的Fe2+富集輕同位素；（2）微生物異化的Fe3+還原作用（DIR），優先釋放同位素輕的Fe2+進入水體；（3）伴隨黃鐵礦的部分沉澱過程的動力學分餾效應，生成同位素輕的黃鐵礦。
  • Science:海洋鐵匯在調控早期大氣氧化中的角色——三鐵同位素的限制
    在早期大氣氧含量首次大幅度升高期間，可見大量的硫化鐵（如黃鐵礦）和鐵氧化物（Fe3+的氫氧化物）沉積，前者主要賦存在黑色頁巖序列中，而後者與矽結合形成大規模的鐵建造。., 2005），這在GOE之後的巖石記錄中很難見到這樣程度的分餾（圖1A）。對GOE之前沉積黃鐵礦特別輕的鐵同位素組成目前有三種解釋：（1）廣泛的Fe3+-氫氧化物形成，可能造成殘餘海洋中溶解的Fe2+富集輕同位素；（2）微生物異化的Fe3+還原作用（DIR），優先釋放同位素輕的Fe2+進入水體；（3）伴隨黃鐵礦的部分沉澱過程的動力學分餾效應，生成同位素輕的黃鐵礦。
  • 廣州地化所提出具有高放射成因鉛同位素的殷商青銅器的來源
    1984年，中國科學技術大學博士金正耀首次報導了商早期的青銅器中有高放射性成因鉛的現象，並且提出這種高放射性成因鉛來自雲南邊陲的金沙。隨著越來越多的青銅器高精度鉛同位素數據的發表，人們發現三星堆、盤龍城等與殷商時代接近的遺址中出土的青銅器均具有類似的高輻射成因鉛的特徵。
  • 為什麼自然界巖漿系統未發現溫度梯度導致的鎂同位素分餾
    因為自然界巖漿溫度基本低於液相線，溫度梯度會導致兩端結晶，進而熔體部分產生濃度梯度，而在濃度梯度下的物質擴散又會驅動輕重同位素發生動力學分餾；此外，熔體部分自身發生的Soret效應（溫度梯度中純熔體相發生的物質不均一現象）也無法達到穩定狀態，將產生擴散導致的同位素動力學分餾。    以上兩種分餾過程都對Richter效應產生影響。
  • 「九五」國家科技攻關項目「攀枝花資源綜合利用技術研究開發」結...
    二、 白馬鐵礦合理選礦工藝流程研究 完成了九種流程的小型流程試驗和三個流程的擴大連續試驗，以及攀枝花鈦磁鐵礦的磁性研究，推薦出白馬鐵礦選礦的最佳工藝流程，其技術經濟指標可達到同類型礦石選礦的國際先進水平，為白馬選礦廠建廠提供設計依據。