王世霞, 朱祥坤*, 宋謝炎, 陳列錳

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 國土資源部同位素地質(zhì)重點實驗室, 大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室, 北京 100037;2)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 礦床地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴州貴陽 550002

四川攀枝花釩鈦磁鐵礦床Fe同位素特征及其成因指示意義

王世霞1), 朱祥坤1)*, 宋謝炎2), 陳列錳2)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 國土資源部同位素地質(zhì)重點實驗室, 大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室, 北京 100037;2)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 礦床地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴州貴陽 550002

本文系統(tǒng)研究了四川攀枝花含釩鈦磁鐵礦層狀巖體全巖和礦石礦物磁鐵礦的Fe同位素組成特征。研究獲得全巖δ57Fe的范圍為 0.02‰～0.25‰, 平均值為0.17‰, 磁鐵礦的δ57Fe范圍為0.05‰～0.61‰, 平均值為0.36‰。相對于磁鐵礦單礦物, 全巖Fe同位素組成變化不大。相對于全巖, 磁鐵礦具有相對重的Fe同位素組成, 并且其相對偏重程度與樣品中磁鐵礦的含量呈反相關(guān)關(guān)系。磁鐵礦Fe同位素組成與形成環(huán)境氧逸度之間的負相關(guān)關(guān)系表明磁鐵礦從巖漿中結(jié)晶出來之后沒有發(fā)生重力分異, 賦存于巖體和礦體中的磁鐵礦是原位結(jié)晶的。磁鐵礦的 Fe同位素特征表明攀枝花巖體是多次巖漿補充和分離結(jié)晶共同作用的結(jié)果:形成下部巖相帶過程中, 玄武質(zhì)巖漿補充頻繁, 形成巨厚的塊狀磁鐵礦層, 其中的磁鐵礦的δ57Fe值變化較小; 而形成中部巖相帶過程中, 玄武質(zhì)巖漿補充的頻率逐漸降低, 形成多個旋回以及交替產(chǎn)生的磁鐵輝長巖和輝長巖。同時, 形成攀枝花巖體和礦體的初始巖漿的氧逸度很高, 在高氧逸度環(huán)境下富集成礦, 演化過程中巖漿體系氧逸度逐漸降低, 很好地解釋了攀枝花 V-Ti磁鐵礦主礦體賦存在含礦巖體下部的輝長巖中的成礦機制。

攀枝花釩鈦磁鐵礦; 全巖; 磁鐵礦; Fe同位素; 礦床成因

近年來, 隨著多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)的出現(xiàn), Fe同位素分析技術(shù)和測試精度大幅提高, 使得Fe同位素逐漸成為重要的地球化學(xué)示蹤劑而廣泛地應(yīng)用于地學(xué)各領(lǐng)域(Zhu et al.,2000, 2001, 2002; Beard et al., 2003; Rouxel et al.,2003; Johnson et al., 2003, 2008; Dauphas et al., 2004,2006, 2007, 2009; Zhao et al., 2010, 2012; Wang et al.,2011; 李志紅等, 2008; 唐索寒等, 2008; 朱祥坤等,2008; 李世珍等, 2011)。目前研究結(jié)果顯示地球上δ57Fe 的分布范圍為–5.18‰～4.65‰, 平均值為–0.34‰(Johnson et al., 2003; Dauphas et al., 2004;Rouxel et al., 2005; Dauphas et al., 2007; Whitehouse et al., 2007; 李志紅等, 2008; 趙新苗等, 2008; 王躍,2011)。其中火成巖Fe同位素δ57Fe組成變化范圍很小, 約為–0.05‰～0.34‰, 平均組成 0.15‰(Zhu et al., 2002; Beard et al., 2003; Poitrasson et al., 2004;Weyer et al., 2007), 但是對于巖漿演化過程中火成巖 Fe同位素的演化規(guī)律和分餾機理則沒有系統(tǒng)的研究。

本文以巖漿演化過程中形成的具有典型韻律特征的四川攀枝花V-Ti磁鐵礦礦床作為研究對象, 通過分析巖漿結(jié)晶過程中形成的巖石和礦物的 Fe同位素組成變化特征, 來探究玄武質(zhì)巖漿分離結(jié)晶過程中Fe同位素的演化規(guī)律和分餾機理。

攀枝花含V-Ti磁鐵礦層狀巖體具有典型的層狀構(gòu)造和韻律結(jié)構(gòu), 是巖漿經(jīng)歷特殊演化的產(chǎn)物(宋謝炎等, 1996)。通常玄武質(zhì)巖漿演化過程中, 橄欖石和輝石先結(jié)晶, 致使巖漿中的氧逸度增高, 促使 Ti-Fe氧化物結(jié)晶。因此, V-Ti磁鐵礦多是巖漿結(jié)晶分異晚期的產(chǎn)物, 世界上典型的含磁鐵礦層狀巖體(如格陵蘭的 Skaergarrd侵入體和南非的 Bushveld雜巖體)中的磁鐵礦礦層多位于巖體上部的輝長巖帶(McBirney et al., 1990; Cawthorn, 1996)。而攀枝花V-Ti磁鐵礦主礦體賦存在巖體下部的輝長巖中, 這表明其成巖、成礦機制不同于國外的典型層狀巖體。目前對于攀枝花V-Ti磁鐵礦礦床形成階段的研究沒有統(tǒng)一結(jié)論, 主要有晚期成礦、早期成礦和多期成礦等觀點(Zhou, 2005; Pang et al., 2008a, b, 2009; 王正允, 1982; 盧記仁, 1988a, b; 宋謝炎等, 1994, 2005;張曉琪等, 2011)。

針對目前對于攀枝花V-Ti磁鐵礦礦床形成機制的分歧, 本文通過系統(tǒng)研究不同巖相帶、不同旋回、不同韻律層中磁鐵礦Fe同位素組成的分布特征, 結(jié)合巖漿分異過程中 Fe同位素分餾機理探討體系氧逸度演化趨勢, 并根據(jù)磁鐵礦的Fe同位素組成特征進一步制約攀枝花巖體不同部位礦石的形成機制。

1 地質(zhì)背景和樣品采集

地幔柱上升是地球各圈層進行物質(zhì)和能量交換的一種重要方式, 巨量玄武質(zhì)巖漿活動為大規(guī)模巖漿成礦作用提供了物質(zhì)條件。已有研究表明, 我國峨眉山大火成巖省中攀西地區(qū)含V-Ti磁鐵礦層狀巖體與晚二疊世地幔柱活動密切相關(guān)(張招崇等, 2001,2005, 2007; 胡瑞忠等, 2005, 2010)。

攀西地區(qū)位于峨眉山大火成巖省的內(nèi)帶, 是世界上最大的 V-Ti磁鐵礦礦集區(qū), 其中多處為大型-超大型V-Ti磁鐵礦床(Zhou, 2005; 宋謝炎等, 2005;張招崇等, 2007; 胡瑞忠等, 2010)。沿南北向的磨盤山—元謀斷裂和攀枝花斷裂帶發(fā)育一系列含F(xiàn)e-Ti-V 礦的層狀基性-超基性巖體, 從北向南依次為太和巖體、白馬巖體、新街巖體、紅格巖體和攀枝花巖體。

攀枝花層狀輝長巖體走向北東, 傾向北西, 傾角 50°～60°, 長 19 km, 寬 2 km, 厚 2000～300 m,出露面積約30 km2。下部主要含礦帶厚70～500 m,平均210 m, 其中礦體累計厚度為20～230 m, 平均130 m, 沿傾向延伸850 m未見變薄(李德惠等, 1982;王正允, 1982; 宋謝炎等, 1994)。后期由于受南北向反扭性平移斷裂破壞, 自北東向南西可將礦床劃分為朱家包包、蘭家火山、尖山、刀馬坎、公山等賦礦地段(圖1)。巖體上盤因斷層影響只見三疊紀(jì)地層與之呈斷層接觸。下盤圍巖爭議較大, 多認(rèn)為靠近巖體底部的大理巖是巖體底板圍巖, 并認(rèn)定屬于上震旦統(tǒng)燈影灰?guī)r(圖1)。

圖1 攀枝花巖體地質(zhì)示意圖(據(jù)張曉琪等, 2011)Fig. 1 Geological map of the Panzhihua Intrusion(after ZHANG Xiao-qi et al., 2011)

攀枝花巖體自下而上可分為邊緣帶、下部巖相帶、中部巖相帶和上部巖相帶等4個巖相帶。邊緣帶以暗色細粒輝長巖為主; 下部巖相帶由交替出現(xiàn)的塊狀磁鐵礦層和暗色輝長巖構(gòu)成, 厚約 160 m;中部巖相帶由磁鐵輝長巖和輝長巖構(gòu)成, 以韻律層理發(fā)育為特征, 厚約800 m, 可劃分出五個旋回; 上部巖相帶則以磷灰石含量的突然增高為標(biāo)志, 韻律層理減弱(王正允, 1982; 宋謝炎等, 1994)。

攀枝花巖體中部巖相帶火成韻律構(gòu)造發(fā)育, 富含斜長石的輝長巖和富含單斜輝石、橄欖石和鈦鐵氧化物(包括磁鐵礦和少量鈦鐵礦)的暗色輝長巖交替出現(xiàn)(李德惠等, 1982; 王正允, 1982)。原生火成韻律構(gòu)造與巖體產(chǎn)狀一致。巖石中硅酸鹽礦物常呈定向排列。塊狀礦體主要產(chǎn)于下部巖相帶, 磁鐵輝長巖則產(chǎn)于中部巖相帶每個旋回的下部。

本文根據(jù)巖漿分異作用研究的需要和實驗測定Fe同位素含量的樣品需要選取韻律層發(fā)育良好的下部巖相帶和中部巖相帶進行研究(圖2)。全巖樣品采自朱家包包礦區(qū), 本礦區(qū)是攀枝花巖體巖相出露最全、礦體厚度較大、剝露最好的礦段。礦區(qū)主要巖石包括輝長巖、磁鐵輝長巖和塊狀礦石。磁鐵礦在國土資源部同位素地質(zhì)重點實驗室自行碎樣挑選。

圖2 巖性剖面圖及取樣點位Fig. 2 Lithologic profile and sampling point

2 分析方法

2.1 全巖和單礦物處理過程

全巖樣品: 將全巖樣品磨制 200目以下, 待溶樣用;

磁鐵礦樣品: 將全巖樣品磨制 40～80目之間,雙目鏡下挑出磁鐵礦。

2.2 溶樣過程

稱取 0.1 g左右的全巖樣品, 用混合酸(濃 HF:濃HNO3=4: 1), 在T=115℃條件下溶解3 h, 使樣品完全溶解。

稱取3 mg左右的磁鐵礦單礦物樣品, 用3 mL濃HCl, 在T=120℃條件下溶解3 h, 使樣品完全溶解。

2.3 Fe的化學(xué)分離

首先將溶解后的樣品蒸干后用 HNO3溶解再蒸干用以趕HF, 隨后用HCl溶解蒸干反復(fù)三次將樣品轉(zhuǎn)化為 HCl介質(zhì)。隨后在樣品中滴入幾滴 H2O2確保樣品中 Fe全部以 Fe3+形式存在。然后采用AG-MP-1陰離子交換樹脂應(yīng)用離子交換層析法將Fe與其它元素分離(唐索寒等, 2006a, b)。最后將淋洗液轉(zhuǎn)為HNO3介質(zhì), 用于質(zhì)譜測試。

2.4 Fe的分析測試

Fe同位素組成的測定在國土資源部同位素地質(zhì)重點實驗室引進的英國 Nu Instruments的高分辨多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Nu Plasma HR)上進行。化學(xué)分離后的樣品溶液通過DSN-100膜去溶進入等離子體, 在7000 K的高溫下將樣品等離子化,等離子化的樣品在高分辨模式下經(jīng)電場和磁場的雙聚焦后, 進入法拉第杯接收器進行測定。該儀器在高分辨模式下可以將干擾信號與樣品的 Fe信號有效分開, 從而去除其他質(zhì)量數(shù)相同的原子或離子團的干擾(朱祥坤等, 2008)。

Fe的測試過程中采用樣品-標(biāo)樣交叉法來校正儀器的質(zhì)量分餾(Belshaw et al., 2000; Zhu et al.,2002; 侯可軍等, 2012)。在標(biāo)準(zhǔn)的工作條件下, 樣品的進樣濃度約為5×10-6, 介質(zhì)為1%的HNO3溶液。樣品和標(biāo)樣之間分別用10%和1%的HNO3溶液清洗3 min和2 min。數(shù)據(jù)采用牛津大學(xué)Belshaw博士提供的基于 Unix操作系統(tǒng)的控制軟件進行自動采集(朱祥坤等, 2008)。Fe同位素的分析結(jié)果用相對于國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IRMM-014的千分偏差δxFe來表示, 即

3 結(jié)果

表1所示為樣品的全巖和磁鐵礦的Fe同位素組成結(jié)果。

全巖的Fe同位素組成特征: 攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)朱家包包礦體全巖δ57Fe的分布范圍為 0.02‰～0.25‰, 平均組成為 0.17‰。礦區(qū)主要巖石為輝長巖、磁鐵輝長巖和塊狀礦石, 其中輝長巖全巖δ57Fe的分布范圍為0.13‰～0.25‰, 平均值為0.18‰; 磁鐵輝長巖全巖δ57Fe的分布范圍為 0.02‰～0.22‰,平均值為0.15‰; 塊狀礦石全巖δ57Fe的分布范圍為0.16‰～0.25‰, 平均組成為0.20‰(表1, 圖 3)。前人研究表明, 地球上火成巖Fe同位素組成的顯著特征之一就是不同時代、構(gòu)造背景下形成的火成巖的Fe同位素組成變化不大, 其平均組成δ57Fe約為0.15‰(Zhu et al., 2002; Beard et al., 2003; Poitrasson et al., 2004; Weyer et al., 2007)。本研究中不同巖礦體的Fe同位素組成顯示了同樣的特征。

表1 攀枝花巖體朱家包包礦段全巖、磁鐵礦Fe同位素組成特征Table 1 Fe isotope composition of whole rock and magnetite from Zhujiabaobao section of Panzhihua intrusion

圖3 攀枝花巖體朱家包包礦段樣品全巖、磁鐵礦Fe同位素分布特征Fig. 3 Fe isotope distribution of whole rock and magnetite from Zhujiabaobao section of Panzhihua intrusion

磁鐵礦的 Fe同位素組成特征: 攀枝花礦區(qū)三類主要巖石輝長巖、磁鐵輝長巖、塊狀礦石中挑磁鐵礦的δ57Fe分布范圍為 0.20‰～0.61‰, 平均值為0.36‰。相對全巖樣品, 磁鐵礦Fe同位素分餾程度較大, 且具有相對重的Fe同位素組成(表1, 圖3)。同時圖4顯示每一個樣品中, 相對于全巖, 高價態(tài)Fe集中的磁鐵礦單礦物均具有相對重的Fe同位素組成。

不同巖相帶中磁鐵礦單礦物的 Fe同位素組成分布范圍差異較大。下部巖相帶中磁鐵礦單礦物δ57Fe的分布范圍為 0.20‰～0.34‰; 中部巖相帶中磁鐵礦單礦物δ57Fe的分布范圍為 0.29‰～0.61‰,與中部巖相帶相比, 下部巖相帶中磁鐵礦的Fe同位素組成較輕, 分布范圍較小。

攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)朱家包包礦體中輝長巖中磁鐵礦單礦物δ57Fe的分布范圍為 0.26‰～0.61‰,平均值為0.44‰; 磁鐵輝長巖中磁鐵礦單礦物δ57Fe的分布范圍為0.25‰～0.59‰, 平均值為0.36‰; 塊礦礦石中磁鐵礦單礦物δ57Fe的分布范圍為0.20‰～0.41‰, 平均值為 0.27‰(表 1)。其中輝長巖樣品中磁鐵礦δ57Fe相對于全巖Fe同位素偏重的程度較大; 磁鐵輝長巖樣品中磁鐵礦δ57Fe偏重的程度較小; 塊狀礦石樣品中磁鐵礦δ57Fe相對于全巖 Fe同位素偏重的程度最小(表1)。從塊狀磁鐵礦層到磁鐵輝長巖再到輝長巖, 磁鐵礦的含量是逐漸降低的。結(jié)果表明: 全巖樣品中磁鐵礦的含量越高,磁鐵礦Fe同位素組成越接近全巖水平, 相對全巖偏重程度越小。

圖4 攀枝花巖體朱家包包礦段樣品中全巖、磁鐵礦Fe同位素組成對比Fig. 4 Fe isotope comparison of whole rock and magnetite from Zhujiabaobao section of Panzhihua intrusion

4 討論

4.1 巖漿分離結(jié)晶過程中的Fe同位素分餾

本文結(jié)果顯示攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)朱家包包礦體中主要巖石輝長巖、磁鐵輝長巖和塊狀礦石的全巖δ57Fe的分布范圍為0.02‰～0.25‰, 明顯小于磁鐵礦的Fe同位素分餾0.05‰～0.61‰。磁鐵礦之間較大的Fe同位素組成變化范圍, 表明巖漿演化過程中, 單礦物磁鐵礦結(jié)晶同時也與巖漿之間發(fā)生了瑞利分餾。若體系處于封閉狀態(tài), 巖漿演化過程中結(jié)晶礦物與巖漿之間的 Fe同位素分餾系數(shù)保持不變,那么隨著巖漿發(fā)生分離結(jié)晶, 火成巖全巖的Fe同位素組成會隨之發(fā)生明顯的變化, 但實際結(jié)果并非如此, 前人研究和本文結(jié)果都顯示火成巖全巖Fe同位素組成變化不大(Zhu et al., 2002; Beard et al., 2003;Poitrasson et al., 2004; Weyer et al., 2007)。

在磁鐵礦含量最低的輝長巖中, 結(jié)晶礦物磁鐵礦的Fe同位素組成δ57Fe相對于全巖偏重程度最大,達到0.27‰; 磁鐵輝長巖中結(jié)晶礦物磁鐵礦的Fe同位素組成δ57Fe相對于全巖平均偏重0.21‰; 磁鐵礦含量最高的塊狀礦石中, 結(jié)晶礦物磁鐵礦的Fe同位素組成δ57Fe相對于全巖平均偏重0.08‰, 接近全巖水平。

上述結(jié)果顯示了巖漿過程中結(jié)晶礦物磁鐵礦與全巖之間的Fe同位素分餾程度的不一致性, 產(chǎn)生這一結(jié)果的原因與控制 Fe同位素分餾的分餾機理有關(guān)。

同位素分餾理論表明, 共生物相之間同位素分餾和化學(xué)鍵能相關(guān), 鍵能大的原子或基團富集重同位素, 鍵能小的原子或基團富集輕同位素。電荷是影響化學(xué)鍵鍵能的重要因素, 對于 Fe同位素而言,通常以Fe2+或Fe3+形式賦存在礦物中, Fe3+的鍵能大于Fe2+, 因而富含F(xiàn)e3+的礦物相對富集重Fe同位素,富含 Fe2+的礦物相對富集輕 Fe同位素。在達到 Fe同位素分餾平衡的巖漿演化體系, 全巖中 Fe2+和Fe3+之間Fe同位素分餾相應(yīng)也應(yīng)達到平衡。假設(shè)體系中富含F(xiàn)e的礦物A含量高于礦物B, 若A富含F(xiàn)e2+而B富含F(xiàn)e3+, 根據(jù)質(zhì)量平衡原理, 則礦物A相對全巖富集輕Fe同位素的程度小于礦物B相對全巖富集重Fe同位素的程度; 相反若A富含F(xiàn)e3+而B富含F(xiàn)e2+, 則礦物A相對全巖富集重Fe同位素的程度小于礦物 B相對全巖富集輕 Fe同位素的程度。即全巖中大量存在的總含F(xiàn)e量最高的礦物的Fe同位素組成最接近全巖 Fe同位素組成?；鸪蓭r全巖Fe同位素組成變化主要由巖漿過程中礦物結(jié)晶分異所致, 當(dāng)結(jié)晶出的能夠?qū)θ珟rFe同位素組成起主導(dǎo)作用的礦物的Fe同位素組成最接近全巖水平時, 則整體上全巖Fe同位素組成變化不大。

攀枝花釩鈦磁鐵礦全巖中含鐵共生礦物主要包括橄欖石、輝石、角閃石等鐵硅酸鹽礦物和以磁鐵礦為主的鐵氧化物, 其中 Fe2+主要賦存于鐵硅酸鹽礦物, 高價態(tài)的 Fe3+大多集中在磁鐵礦中。因此巖漿分異過程中, 鐵硅酸鹽礦物富集輕Fe同位素, 磁鐵礦富集重Fe同位素。根據(jù)上述“全巖中大量存在的總含F(xiàn)e量最高的礦物的Fe同位素組成最接近全巖Fe同位素組成”結(jié)論, 塊狀礦石中磁鐵礦含量最大, 因而塊狀礦石中磁鐵礦的Fe同位素組成相對全巖偏重程度最小, 最接近全巖水平; 輝長巖中磁鐵礦含量最小, 所以磁鐵礦的Fe同位素相對全巖偏重程度最大。

4.2 氧逸度對Fe同位素分餾的控制

玄武質(zhì)巖漿演化過程中, 體系Fe同位素分餾與體系氧逸度密切相關(guān)。氧逸度高的體系中, Fe3+/Fe2+比例較高, Fe3+含量高, 磁鐵礦含量也相對較高, 根據(jù)巖漿分離過程中Fe同位素分餾機理, 此時磁鐵礦Fe同位素組成相對全巖偏重程度較小, 具有相對輕的 Fe同位素組成; 相反在相對低氧逸度體系中,Fe3+/Fe2+比例較低, Fe2+含量高, 鐵硅酸鹽礦物含量較高, 磁鐵礦含量相對較低, 磁鐵礦Fe同位素組成相對全巖偏重程度較大, 具有相對較重的Fe同位素組成。因此體系氧逸度與體系中磁鐵礦的Fe同位素組成應(yīng)呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。表1、圖4、圖5也都顯示出攀枝花巖體和礦體中體系氧逸度與磁鐵礦 Fe同位素組成之間良好的負相關(guān)關(guān)系。

下部巖相帶和中部巖相帶氧逸度的差異主要由不同巖性層位導(dǎo)致。塊狀礦石中磁鐵礦含量大, 氧逸度指數(shù)(Fe2O3/FeO)比較高, 形成環(huán)境的氧逸度比較高; 輝長巖和磁鐵輝長巖形成環(huán)境的氧逸度相對較低。在攀枝花巖體和礦體中, 下部巖相帶含有少量薄層狀的輝長巖和磁鐵輝長巖, 因而下部巖相帶樣品中有幾個和中部巖相帶交叉的氧逸度較低的數(shù)據(jù)點; 中部巖相帶底部有一層塊狀礦體, 導(dǎo)致所測樣品中有一個氧逸度異常高的數(shù)據(jù)點(圖5)。整體而言, 下部巖相帶含大量塊狀礦石, 形成環(huán)境的氧逸度較高; 中部巖相帶大多輝長巖和磁鐵輝長巖, 形成環(huán)境氧逸度較低。

比較圖5中分別表征下部巖相帶和中部巖相帶磁鐵礦的數(shù)據(jù)點可以看出, 下部巖相帶磁鐵礦形成環(huán)境的氧逸度相對較高, Fe同位素組成相對較輕;中部巖相帶磁鐵礦形成環(huán)境的氧逸度相對較低, Fe同位素組成相對較重。下部巖相帶和中部巖相帶中磁鐵礦 Fe同位素組成與形成環(huán)境氧逸度之間的負相關(guān)對應(yīng)關(guān)系表明賦存于不同部位巖礦體中的磁鐵礦主體上具有原位結(jié)晶的演化趨勢。

4.3 對礦床成因的指示

已有研究表明攀枝花下部巖相帶巨厚的塊狀磁鐵礦層的形成以及中部巖相帶多個旋回的形成說明攀枝花巖礦體并非形成于同一次巖漿灌入, 而是由多次巖漿補充形成(張曉琪等, 2011)。攀枝花釩鈦磁鐵礦中部巖相帶中磁鐵礦的δ57Fe分布范圍為0.29‰～0.61‰, 而下部巖相帶中磁鐵礦的δ57Fe為0.20‰～0.34‰, 變化范圍小于中部巖相帶, 且具有明顯偏輕的Fe同位素組成(表1, 圖4)。這種差異表明下部巖相帶磁鐵礦并非由于中部巖相帶中磁鐵礦發(fā)生重力分異沉降到底部形成, 而磁鐵礦Fe同位素組成與氧逸度之間的關(guān)系也表明攀枝花巖礦體中磁鐵礦是原位結(jié)晶堆積的(圖5)。下部巖相帶中塊狀礦體最厚, 表明下部巖相帶形成過程中, 巖漿補充非常頻繁, 導(dǎo)致磁鐵礦大量堆積, 形成小的磁鐵礦的δ57Fe分布范圍; 而中部巖相帶中由于巖漿補充的頻率逐漸降低, 形成不同旋回及其旋回內(nèi)部交替產(chǎn)生的磁鐵輝長巖和輝長巖, 并導(dǎo)致中部巖相帶磁鐵礦δ57Fe同位素變化幅度較大。

中部巖相帶中, 每一旋回都由一次巖漿補充形成(張曉琪等, 2011)。除第一旋回底部為塊狀礦石外,其余每一旋回底部都是磁鐵輝長巖(圖4)。五個旋回底部都含有較高含量的磁鐵礦, 表明形成每一旋回補充侵入的巖漿具有相對富氧化態(tài) Fe3+, 形成富含磁鐵礦的磁鐵輝長巖韻律層沉在旋回底部。隨著分離結(jié)晶的進行, 巖漿逐漸演化為相對富還原態(tài) Fe2+,這種富 Fe2+巖漿隨后結(jié)晶形成輝長巖覆于磁鐵輝長巖上部。前面提到磁鐵礦形成于高氧逸度環(huán)境。先形成富磁鐵礦的磁鐵輝長巖韻律層, 后形成貧磁鐵礦的輝長巖韻律層的過程也揭示了形成中部巖相帶各旋回的巖漿從高氧逸度向低氧逸度演化的趨勢,初始巖漿均形成于高氧逸度環(huán)境。

下部巖相帶主體是富含磁鐵礦的塊狀礦體, 中間夾雜少量薄層硅酸鹽。相對于形成中部巖相帶的巖漿, 形成下部巖相帶的巖漿體系富含更多氧化態(tài)Fe3+, 初始巖漿體系的氧逸度更高。

攀枝花巖礦體中, 形成下部巖相帶的初始巖漿氧逸度高于中部巖相帶; 中部巖相帶每一旋回內(nèi)部也是經(jīng)歷了巖漿從高氧逸度向低氧逸度的演化過程。世界上典型的含磁鐵礦層狀巖體(如格陵蘭的Skaergarrd侵入體和南非的Bushveld雜巖體)形成過程中巖漿體系是從低氧逸度向高氧逸度演化(Snyder et al., 1993)。而巖漿演化過程中磁鐵礦形成于高氧逸度環(huán)境, 這很好地解釋了世界上典型的含磁鐵礦層狀巖體中的磁鐵礦礦層多位于巖體上部的輝長巖帶而攀枝花 V-Ti磁鐵礦主礦體賦存在含礦巖體下部的輝長巖中的機制。

5 結(jié)論

1)玄武質(zhì)巖漿演化過程中, 攀枝花巖體中的全巖和磁鐵礦均發(fā)生了Fe同位素分餾。巖漿分離結(jié)晶過程對玄武巖全巖 Fe同位素分餾影響較小, 全巖Fe同位素組成變化不大。相對于全巖, 磁鐵礦具有相對重的Fe同位素組成; 并且其相對偏重程度與樣品中磁鐵礦的含量呈反相關(guān)關(guān)系。

2)攀枝花不同部位巖礦體中磁鐵礦Fe同位素組成與形成環(huán)境氧逸度之間負相關(guān)關(guān)系表明賦存于巖礦體中的磁鐵礦主體上具有原位結(jié)晶的演化趨勢。

3)攀枝花巖礦體是多次巖漿補充和分離結(jié)晶共同作用的結(jié)果。下部巖相帶形成過程中, 巖漿補充頻繁, 形成巨厚的塊狀磁鐵礦層; 中部巖相帶形成過程中, 巖漿補充的頻率逐漸降低, 形成多個旋回以及交替產(chǎn)生的磁鐵輝長巖和輝長巖。

4)研究顯示形成攀枝花巖礦體的初始巖漿的氧逸度很高, 在高氧逸度環(huán)境下富集成礦, 演化過程中巖漿體系氧逸度逐漸降低。整個巖漿過程具有從高氧逸度向低氧逸度演化的趨勢。

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Fe Isotopic Characteristics of V-Ti Magnetite Deposit in Panzhihua Area of Sichuan Province and Their Genetic Implications

WANG Shi-xia1), ZHU Xiang-kun1), SONG Xie-yan2), CHEN Lie-meng2)
1)Laboratory of Isotope Geology, MLR, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences,State Key Laboratory for Continential Tectonics and Dynamics, Beijing100037;2)StateKey Laboratory of Ore Deposit Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences,Guiyang, Guizhou550002

The whole rock and ore mineral magnetite Fe isotope compositions of layered rocks and ores in the Panzhihua vanadium-titanium magnetite deposit of Sichuan Province were analyzed in this paper. The distribution range ofδ57Fe in the whole rock is about 0.02‰ to 0.25‰, with the average of 0.17‰, and that in magnetite is about 0.05‰ to 0.61‰, with the average of 0.36‰. Fe isotope composition of magnetite is higher than that of whole rock in every sample, and there exists a negative correlation between the heavy degree and the magnetite content. The negative correlation between Fe isotope composition of magnetite and environmental oxygen fugacity suggests that the magnetite in the whole rock was in-situ crystallized, and no gravitational differentiation of magnetite happened. The characteristics of magnetite Fe isotope composition demonstrats that the process of magma complement and fractional crystallization resulted in the formation of the Panzhihua vanadium-titanium magnetite deposit. During the creation of bottom petrofacies, frequent basaltic magma complement formed bulk magmetite with insignificant variation ofδ57Fe. During the creation of middle petrofacies, infrequent magma complement formed many alternations of magnet gabbro and gabbro. The ore-forming oxygen fugacity of the initial magma in Panzhihua was relatively high, and the oxygen fugacity gradually decresed with the magma evolution. The conclusion also reveals the ore-forming mechanism of the Panzhihua vanadium-titanium magnetite deposit in Sichuan.

Panzhihua V-Ti magnetite; whole rock; magnetite; Fe isotope; genesis of deposit

P618.31; P578.12; P597.2

A

10.3975/cagsb.2012.06.20

本文由中國地質(zhì)大調(diào)查項目(編號: 1212011120295)、國家“973”項目(編號: 2012CB416806, 2012CB416804)和國家自然科學(xué)基金(編號:41103002, 40730420)聯(lián)合資助。

2012-09-20; 改回日期: 2012-10-12。責(zé)任編輯: 張改俠。

王世霞, 女, 1983年生。博士后。主要從事同位素地球化學(xué)研究。通訊地址: 100037, 北京市百萬莊大街26號。電話:010-68999751。E-mail: wangshixia83@163.com。

*通訊作者: 朱祥坤, 男, 1961年生。研究員。主要從事同位素地球化學(xué)研究。通訊地址: 100037, 北京市百萬莊大街26號。電話:010-68999798。E-mail: xiangkun@cags.ac.cn。