磁铁矿的主要成分
编者按：作者将矿石成分与中酸性岩浆岩成分进行混合，并加入不等量的水、硫和氟等挥发分作为初始物质进行相平衡实验，获得差异很大的不混溶两相成分，从而产生几乎不含硅的铁（钙）磷熔体，研究为磁铁矿-磷灰石矿床成因提供了关键实验证据。该工作由欧盟“玛丽?居里”学者侯通博士与比利时和德国等地的研究学者合作完成，成果发表在国际著名综合性期刊Nature Communications。
矿石主要由低钛磁铁矿和磷灰石两矿物组成的矿床被称为IOA（Iron Oxide-Apatite）矿床，或者Kiruna（基鲁纳）型矿床，在我国也被称作陆相火山岩型铁矿或者玢岩铁矿。此类型铁矿在时空上常与中酸性火山岩-次火山岩密切相关，是高品位铁矿石的主要来源之一，在全球广泛产出，例如我国东部宁芜和庐枞两盆地、新疆阿尔泰地区、伊朗Bafq、瑞典Kiruna矿集区、秘鲁Marcona和智利El Laco等。
此类型矿床成因争议很大，基本观点有岩浆和热液成因两种模式：
岩浆成因模式主要指液态不混溶作用，即母岩浆通过液态不混溶发生相分离产生富铁和富硅两相，其中富铁相亦可称为铁矿浆，随后冷凝成矿石。这种模式虽然可以很好地解释很多野外现象，包括矿石中气孔和杏仁构造以及其他类似火山熔岩和火山碎屑岩的特征，但缺少实验证据——即在多组分体系内，实验获得的不混溶富铁相都含有很多硅（SiO2>25%，质量分数，下同），与铁矿石（磁铁矿+磷灰石）在成分上不符。因此，这一模式一直被很多研究者，尤其是热液观点持有者所怀疑。
热液成因观点主要包括两种成矿方式，一种是热液交代，即铁来自被交代的相对富铁岩浆岩，另一种为热液沉淀，即岩浆演化出富铁流体（正岩浆流体），沉淀结晶磁铁矿。这一模式的缺点在于，一是很难解释上述矿石中的岩浆构造，二是模式中忽略了磷，这样就很难解释磁铁矿和磷灰石，即Fe、Ca和P的同步富集，三是在某些不发育热液蚀变的IOA矿床，如阿尔泰的阿巴宫铁矿，此模式亦不适用。
因此，查明岩浆期该成矿系统的原生过程（primordial process），即岩浆液态不混溶作用是否发生，能否直接产生不混溶的铁矿浆就成为解决矿床成因的关键。鉴于此，候通等将矿石成分（磁铁矿+磷灰石）与中酸性岩浆岩成分（安山质-流纹质）进行混合形成富铁的中基性岩浆成分，并加入不等量的水、硫和氟等挥发分，作为初始物质（母岩浆），模拟浅成岩浆房的温压条件进行相平衡实验。初始物质装入金管中并焊封，实验设备为内加热高压釜（Internally Heated Pressure Vessel；图1）。该设备使用氩气作为传压介质，通过加入氢气的方式可以控制实验的氧逸度从FMQ-2变化至FMQ+3.3。
图1. 左为焊封金管内含初始物质，右为实验设备内加热高压釜（IHPV）
实验结果表明：液态不混溶作用在100MPa（3公里左右），1000-1040°C和氧逸度在?FMQ=0.5–3.3的条件下广泛发育。1）在FMQ附近，不混溶的富铁相为富铁玄武岩（ferrobasalt），即仍含有大量SiO2（~30%），但随着水活度（aH2O）的增加至水饱和，富铁相中铁磷含量升高，而硅含量则降低至22%；2）同样是在水饱和的情况下，当氧逸度升高至FMQ+3.3时，不混溶富铁相极度富集铁磷，形成铁磷熔体(33%FeOtot, 39% P2O5)，几乎不含硅（SiO2<5%）。这是由于在相对氧化的条件下，磷和铁（Fe3+）作为富铁熔体结构中的网络形成子（networkformer）可以置换硅（P5++ Fe3+?2Si4+）。此时（水饱和和高氧逸度），若初始物质中同时含有少量氟(1%)，由于F和Ca彼此易于结合，不混溶富铁熔体同时极度富集铁钙磷三种元素，形成铁钙磷熔体(~18%FeOtot, ~25%P2O5, ~30%CaO)。这种熔体成分同样是几乎不含硅，和IOA矿石成分基本一致。与此同时，与这三种富铁熔体互相平衡的富硅熔体为英安质或者流纹质，和IOA矿床常见的富硅岩浆岩成分一致。
图2.实验样品中的不混溶现象（名称缩写：liqSi=富硅熔体，liq Fe=富铁玄武质熔体，liqFe-P=铁磷熔体，liq Fe-Ca-P=铁钙磷熔体，Ap=磷灰石，Mt=磁铁矿，Sul=硫化物，Ti-Hem=含钛赤铁矿）
如图3所示，当液态不混溶作用发生后，随着岩浆温度的下降，不混溶两相之间成分差异会逐渐变大，但是这个过程会随着温度下降至固相线，即岩浆的完全固结而结束。和过去的不混溶实验相比，本次实验在富水和相对氧化的条件下获得不混溶两相成分差异很大，这说明在岩浆演化的过程中，水的加入和氧逸度的提高，可以使不混溶两相之间的成分差异迅速扩大，从而产生几乎不含硅的铁（钙）磷熔体。
图3. 不混溶两相之间Si的分配系数与钛铁镁钙磷的含量的对比图解。注：这五种元素在不混溶过程中富集于富铁相
本项实验证明，在岩浆在演化过程中，在母岩浆演化过程中，如通过地壳混染、分离结晶和岩浆脱气等过程，形成相对氧化的富水的中基性岩浆时可以发生不混溶作用形成两种成分差异很大的熔体，其中富铁相为与矿石成分类似的铁钙磷熔体（图4）。本项研究为全球范围内富磷基鲁纳型矿石的成因提供了关键实验证据，从而具有重要意义。
图4.岩浆液态不混溶作用及IOA铁矿浆形成的想象图（黑色部分为铁矿浆）
Hou, Tong*; Charlier, Bernard; Holtz, Fran?ois; Veksler,Ilya; Zhang, Zhaochong; Thomas, Rainer; Namur, Olivier. 2018. Immisciblehydrous Fe-Ca-P melt and the origin of iron oxide-apatite ore deposits, Nature Communications. doi:10.1038/s41467-018-03761-4.
本研究内容也由Geologypage予以报道，详见“Lavasin the lab could lead miners to new iron ore deposits.
http://www.geologypage.com/2018/04/lavas-in-the-lab-could-lead-miners-to-new-iron-ore-deposits.html#ixzz5Df1ujs53
本项目研究主要得到欧盟地平线2020框架项目（656923）和中国国家自然科学基金项目（41502052）资助。
