NREE: 铁氧化物磷灰石矿床的形成

铁氧化物磷灰石矿床(iron oxide-apatite deposits)，又被称为基鲁纳型铁矿，因1910年被详细描述的瑞典基鲁纳(Kiruna)矿床而得名（是世界最大的铁矿床和描述最详细的矿床之一），另外它还被称为玢岩铁矿，磁铁磷灰石矿床等。这种类型的矿床与岩浆岩(常为中酸性火山岩)有关，从古元古代开始出现，主要保存在造山带中，以磁铁矿、磷灰石、阳起石、透辉石矿物组合为特征，是铁资源的重要来源(图1)。近年来，随着科技发展对稀土等关键金属的强烈需求，这种类型的矿床又重新回到大家的视野，因为其具有供给稀土、钴等关键金属的重大潜力。虽然研究逐渐限定矿床起源于高温正岩浆过程(>800 ℃)，但成矿物质和过程争议仍较大，存在富铁熔体(又称“铁矿浆”)结晶成矿、高温岩浆热液结晶成矿等多种模型。为了梳理这种类型矿床的研究现状、存在问题，智利大学Martin Reich教授，美国密歇根大学Adam Simon教授和中国地质大学（北京）侯通教授等综合近年来在地球化学、实验岩石学等方面取得的系列进展，在NREE撰文综述了矿床的形成过程。本文主要基于此文，再结合2023-2024年新研究结果，一并介绍铁氧化物磷灰石矿床形成过程的相关研究进展。

一、矿床的高温正岩浆起源

Troll et al. (2019)对全球包括Kiruna和El Laco在内的多个矿床开展磁铁矿Fe-O同位素研究，并和岩浆磁铁矿，热液磁铁矿Fe-O同位素展开对比。研究发现，铁氧化物磷灰石矿床中磁铁矿Fe-O同位素主要落入岩浆成因磁铁矿区域，支持矿床普遍起源于高温岩浆-热液过程。由于高温特征，磁铁矿Fe同位素难以对矿床中铁的来源进行示踪，Fe-O同位素也无法区分磁铁矿由熔体还是热液结晶，而指示矿床形成于初始温度>800 ℃，甚至达1000 ℃的岩浆热液体系。成矿体系会逐渐降温，部分磁铁矿的Fe-O同位素记录了小于400 ℃的低温过程。此研究发表后，传统的中低温 (<600 ℃)热液交代围岩成矿的模型逐渐淡出大家视野。

二、岩浆热液过程中的富铁机制研究进展

1.岩浆Fe-Si不混溶与“铁矿浆”成矿

富铁、钙、磷的熔体相(“铁矿浆”)结晶成矿是传统成矿模型，模型中硅酸盐岩浆发生液态不混溶形成“铁矿浆”， “铁矿浆”从硅酸盐熔体中分离并结晶成矿。长期以来，几乎不含硅、且吻合矿石成分的富铁熔体能否形成、如何形成尚无定论。针对此问题，Hou et al. (2018) 开展实验，发现在~1000 ℃, 0.1 GPa, 较高水活度，以及氧化条件下(ΔFMQ + 3.3)条件下，富铁硅酸盐体系能发生不混溶产生SiO₂< 5 wt.%的富铁熔体 (图2a、图2b)。此工作揭示出增加岩浆体系氧逸度和水活度有利于熔体发生不混溶，形成几乎不含Si的“铁矿浆”，极大地完善了“铁矿浆”成矿模型的理论基础。除实验岩石学工作，此模型也受模拟计算和熔岩流构造、富铁熔体包裹体等地质观察的支持 (Keller et al., 2022; Pietruszka et al., 2023)。实验得到的低硅富铁熔体中P₂O₅可达30 wt.%，可以解释部分矿床中的富磷灰石矿石或磷灰石脉，但高于致密状铁矿石中磷含量。实验岩石学使用封闭体系，并以快速降温结束实验观察产物，较难模拟岩浆去气过程，其中可能涉及S、C、P、H₂O、Cl等元素的逃逸。

3.富盐熔流体能促进成矿

成矿体系常出现含氯盐，硫酸盐和碳酸盐矿物或脉体，但它们的来源和作用不够明确。对于氯盐，一种可能的作用是高盐度富氯流体以FeCl2形式溶解大量铁，降压时FeCl₂可通过[ 3 FeCl₂+4H₂O(aq) =Fe₃O₄(s) +6 HCl(aq)+H₂]反应结晶大量磁铁矿(图2e、图2f)。降压时磁铁矿-热液悬浮体也可上浮(图2c、图2d)。因此，富铁高氯盐度岩浆热液成矿模型和磁铁矿-热液结合体上浮模型被结合起来解释铁氧化物磷灰石矿床成因(如图3)。此模型提供了富Cl物质促进成矿的可能方式之一，但地化模拟的温压范围较窄，也未考虑磁铁矿之外的矿物。表生蒸发岩可能是矿床中富Cl物质的主要来源之一(Barton & Johnson 1996)。对于碳酸盐-硫酸盐熔体包裹体或脉体的产生和作用，详细的熔体包裹体研究提供了新见解。Bain et al. (2020, 2021)对美国Buena Vista、Iron Springs和智利的El Laco矿床开展了详细的熔体包裹体研究，发现磁铁矿，磷灰石，透辉石等矿石矿物中发育含铁硫酸盐，碳酸盐熔体包裹体。据此，他们提出岩浆与含硫酸盐、碳酸盐的表生地层反应，可以通过盐熔体的形式提取岩浆中的铁，富铁盐熔体结晶成矿。此模型解释了矿床中碳酸盐、硫酸盐矿物或脉体。Reich et al. (2022)认为岩浆与含碳酸盐、硫酸盐地层反应仅于部分矿床中局部发育(图3)，但Xu et al. (2024)对更多矿床熔体包裹体的研究表明，含硫酸盐、碳酸盐的熔体包裹体可能在铁氧化物磷灰石矿床中普遍存在。

关于成矿介质和成矿过程的争议仍然存在，新的研究不断涌现。

低硅富铁的“铁矿浆”与共存的硅酸盐熔体的微量元素配分系数缺乏限定、矿床中富集稀土元素等关键金属的机制并不明确。针对这些问题，Yan et al. (2024)开展了新的Fe-Si不混溶实验。实验(图4)发现，贫硅富FeP的“铁矿浆”萃取稀土效率可以比共存的硅酸盐岩浆高100倍以上，有助于解释瑞典Kiruna (LKAB 2023)，美国Pea Ridge和Adirondack地区矿床中存在的大量轻稀土资源，表明其余铁氧化物磷灰石矿床和其余经历过Fe-Si不混溶形成的矿床也可能有还未调查清楚、未受重视的潜在稀土资源。此外，实验中FeP-Si不混溶熔体，岩浆热液(图4e)，岩浆磁铁矿-热液结合体可以共存，表明矿床形成过程可能涉及不止一个过程，单一过程可能不足以解释矿床的形成。

矿床中富Cl物质的成因和作用不够明确。针对这一问题，Zhao et al. (2024) 和Zeng et al. (2024)通过成矿包裹体和一系列地化研究，剖析了我国长江中下游的铁氧化物磷灰石矿床，提出了独特的创新性认识。通过对成矿流体的研究，发现富Cl物质最早期并不以富Cl流体形式出现，而是高Cl/H₂O比值的中性岩浆在次火山条件下出溶的贫水富铁氯盐熔流体(hydrosaline liquids; NaCl-FeOx为主)，此类熔流体是最早期成矿物质，它们的积累形成致密状矿石。大量的氯化物可能因为水溶性而在漫长的地质历史中消失不见，仅以熔流体包裹体和含氯方柱石的形式体现。Zhao et al. (2024)和Zeng et al. (2024)基于O, Sr, B多种同位素和熔流体包裹体卤素比值等证据认为最早产生的富铁氯盐熔流体来源于岩浆内生过程，但并无法排除表生的富氯盐、硫酸盐的蒸发岩加入岩浆-热液体系促进此种熔流体形成的可能性。他们的研究明确提出了铁氧化物磷灰石矿床中富Cl物质起源和促进成矿的新途径。

针对硫酸盐、碳酸盐等富盐的成分是否在矿床中普遍存在这一问题，Xu et al. (2024) 对包括瑞典Kiruna,智利El Laco, 美国Pea Ridge和我国长江中下游铁氧化物磷灰石矿床在内的全球多个矿床的熔体包裹体开展研究。研究发现，矿床中普遍存在含硫酸盐-碳酸盐-氯盐的“熔盐”包裹体，指示表生的含盐蒸发岩地层可能普遍参与成矿，促进富铁“熔盐”形成，“熔盐”使成矿体系发生类似工业熔炉中的冶炼过程，促进致密状铁矿石的形成。但Xu et al. (2024)指出，虽然这些“熔盐”广泛存在，但它们的来源和作用方式目前仅为推测，仍需进一步研究。能控制初始成分、温压和氧逸度等参数模拟地质过程的实验岩石学研究或许能带来有用信息。

还需要更多关于铁氧化物磷灰石矿床的研究。

Reich et al. (2022)指出各种模型(图2, 图3)都有局限性和不足，因此需要开展更多研究。铁氧化物磷灰石矿床和铁氧化物铜金矿床的关系也需要进一步厘清。此外，新的研究表明不同模型中的过程可能共存(Yan et al. 2024)，矿床中“熔盐”或高盐度熔流体对成矿具有重要作用(Xu et al. 2024; Zeng et al. 2024)，也应在未来的矿床实例和实验模拟研究中予以考虑。

通过矿床地化，实验岩石学等展开深入研究，可以进一步梳理该类矿床的普遍特征和个例特征，总结优势成矿环境，探究矿床时空分布控制因素，最终揭开该矿床的神秘面纱。

主要参考文献

(撰稿：晏圣超/岩石圈与环境实验室岩石圈中心)