硅酸鹽-鐵磷酸鹽熔體不混溶促進稀土富集 |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礦床中還報道了大量稀土資源，使其成為當前歐洲最大的稀土礦床之一。全球其他地區不同時代IOA礦床也報道了稀土資源。因此IOA礦床具有較大的稀土資源潛力，但稀土富集機制并不明確，主要原因是當前已有模型僅能解釋部分礦床結構或地化特征，難以詮釋成礦的各關鍵特征。盡管實驗巖石學手段已經廣泛的運用在成礦過程的關鍵參數獲取上，然而對于FeP-Si熔體不混溶，由于前人實驗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測定不準確，對不混溶熔體結構限定較差，對于為何IOA礦床富集稀土仍然沒有較好的解釋。

針對以上問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化與環境演變全國重點實驗室博士生晏圣超，在萬博研究員與澳大利亞國立大學Michael Anenburg、John Mavrogenes共同指導下，開展了新活塞圓筒分層實驗。相對于前人實驗，十七個活塞圓筒實驗分層，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、觀察不混溶熔體結構（圖1）。

圖1 (a)前人添加稀土元素的Fe-Si不混溶實驗以及本文新實驗(五角星, 正方形, 三角形); (b)本文分層實驗設計以及(c)實驗結果示例，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

研究取得的重要認識總結如下：

（1）寬不混溶程度下FeP熔體和富Si熔體間稀土配分系數可接近200，遠超前人報導的值（<20）。基于微量元素配分系數，經歷過FeP-Si不混溶的鐵礦床（例如IOA，鈦鐵磷灰巖，釩鈦磁鐵礦）應具有一定稀土，磷，釷，鈷，釩潛力，潛力大小與不混溶程度相關（圖2）。

（2）前人研究認為增加氧逸度、降溫等過程可以促進不混溶，本實驗發現FeP熔體中雜質隨壓力降低變小變少的規律，表明降低壓力也可促進兩相熔體分離，擴大不混溶程度，促進IOA成礦。

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

圖2 實驗熔體產物的成分(a-b)和主微量元素配分系數(c-e)。寬不混溶時稀土配分系數可接近200 (52F)，遠高于前人報導。Ca, P, Mg進入FeP熔體，符合礦床中出現磷灰石，透輝石，陽起石礦物；輕稀土配分系數高于重稀土，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（圖3），窄不混溶和中等不混溶實驗（nIM, mIM）的配分系數可能略微向1靠近

圖3 實驗產物結構(左列)復現El Laco (b, d, f, i, k)、Kiruna (l)和El Romel (g) IOA礦床中結構(右列)。具體結構特征為: (a-b)兩種FeP相; (c-d)富鐵熔體被富Si熔體包圍; (e-g)磁鐵礦中出現富硅包裹體或石英; (h-i)鐵磷相中含富硅熔體玻璃或出現石英; (j-l)梳狀磁鐵礦

研究成果發表于國際學術期刊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, 新華網等多家國內外新聞媒體以“埋藏在消亡火山中的富鐵巖漿可能蘊含大量新稀土資源”為主題廣泛報道, 對增加全球稀土資源儲量具有積極意義。研究受國家自然科學基金(42325206)，中國科學院先導B專項(XDB0710000)和澳大利亞研究委員會(LP190100635)共同資助。

編輯：劉強