海洋地质与环境重点实验室知识库

金川Cu-Ni硫化物矿床是全球第三大岩浆硫化物矿床，白云鄂博Fe-REE-Nb矿床是全球最大的稀土矿床，二者作为我国的世界著名矿床，一直以来受到国内外地学界的广泛关注。随着质谱测试技术的发展，铁同位素地球化学在地幔交代作用、成矿作用、岩浆形成与演化等方面取得了重要进展，对铁同位素的研究将有助于我们认识这些全球大型矿床的成因。基于上述研究初衷，本论文主要包括两个方面的研究内容：（1）利用金川Cu-Ni硫化物矿床中共生矿物的Fe同位素特征探讨矿床的成矿过程，更重要的是对核幔Fe同位素的可能分馏提供新的认识。后者极为重要，因为地核储存着地球近90%的铁，在没有任何资料的情况下，接受地球Fe同位素组成与球粒陨石值一致的假设是不妥的；（2）白云鄂博Fe-REE-Nb矿床是超大型稀土矿床，对其稀土矿物及稀土元素行为的研究至关重要，能为矿床稀土与铁的成矿作用提供新的认识，为将来Fe同位素的研究奠定基础。

本论文对金川Cu-Ni硫化物矿床Sudbury型矿石中共生的硫化物和硅酸盐矿物的矿物学特征和Fe同位素进行了系统研究，主要取得了以下成果：（1）Sudbury型矿石中共生的硫化物矿物主要以磁黄铁矿（Po）、黄铜矿（Cp）和镍黄铁矿（Pn）为主，硫化物具有不同的δ⁵⁶Fe值，即-1.372 ~ -0.741‰ （Po） < 0.093 ~ 0.564‰ （Cp） < 0.527 ~ 1.049‰（Pn）；（2）矿石中共生的硅酸盐矿物是以橄榄石（Ol）、斜方辉石（Opx）和单斜辉石（Cpx）为主的岩浆堆晶产物，它们的δ⁵⁶Fe值均接近于球粒陨石值（δ⁵⁶Fe = -0.01±0.01‰）；（3）蛇纹石极高的δ⁵⁶Fe值（=0.524 ~ 0.604‰）可能反映了蛇纹石与极低δ⁵⁶Fe值的磁黄铁矿之间的同位素交换作用；（4）我们获得了硅酸盐熔体（δ⁵⁶Fe = ~ 0.21‰）与硫化物熔体（δ⁵⁶Fe = ~ -0.30‰）之间的平衡分馏系数Δ⁵⁶Fe_{silicate-sulfide} = ~ 0.51‰，以及加权平均的硅酸盐矿物相（δ⁵⁶Fe_{[0.70ol，0.25opx，0.05cpx]} = 0.065‰）与加权平均的硫化物矿物相（δ⁵⁶Fe = ~ -0.30‰）之间的平衡分馏系数Δ⁵⁶Fe_{silicate-sulfide} = ~ 0.37‰。研究表明，在Sudbury型硫化物的成矿过程中，铁同位素在硅酸盐熔体和硫化物熔体之间会发生明显的分馏；（5）由于核幔分异过程与Sudbury型硫化物矿石的形成相似，即为不混溶的硫化物熔体和硅酸盐熔体的分离过程，因此我们推测核幔分离过程中也一定发生了显著的铁同位素分馏，且整体地球的铁同位素应比球粒陨石更轻。这一初步推论为深入研究核-幔Fe同位素分馏提供了基本资料。我们还推测，地核形成过程中也一定发生了镍同位素分馏。

关于白云鄂博Fe-REE-Nb矿床，我们主要对稀土矿物和含铌矿物进行了矿物学研究和原位微区元素分析，为未来该矿床的铁同位素研究奠定了基础，主要的研究成果为：（1）独居石和氟碳铈矿是最主要的稀土矿物，其轻稀土（LREE）含量高于球粒陨石5~6个数量级（[LREE]_CN >10⁵），亏损中稀土（MREE；如独居石[La/Sm]_CN > 10，氟碳铈矿[La/Sm]_CN > 15）和重稀土（HREE；如独居石[Ce/Yb]_CN > 10³，氟碳铈矿[Ce/Yb]_CN > 10⁴）。LREE矿化及碳酸岩岩石成因与低程度部分熔融的碳酸岩岩浆作用有关，白云鄂博地区极度富集的LREE和极大的矿化规模标志着该地区的构造环境有利于多期次或反复的地幔来源碳酸岩岩浆作用的发生；（2）Ce与其它稀土元素的相关性以及Th/U比值的研究结果表明，碳酸岩岩浆、热液或二者的超临界流体体系中具有极高的氧逸度，U基本上完全以U⁶⁺的形式存在；（3）Si和Ca与其他金属的元素相关性及以上成果制约了白云鄂博矿床成因：多期次的低程度部分熔融熔体/流体的交代富集作用导致赋矿碳酸盐及源区LREEs等高度富集，硅酸盐流体/熔体与已REE矿化的碳酸盐层位发生反应形成以磁铁矿为主的铁矿被固定在内。反应释放出的H₂作为一种强氧化剂，可以局部活化REE矿化的碳酸盐，且有可能是上述强氧化条件的原因。