层状镁铁—超镁铁质岩体的成因研究是岩浆岩岩石学的核心内容。同时，这类岩体也富含Ni、Co、PGE、Ti、Cr、V、Fe等战略性关键矿产。因此，层状岩体的成因及其成矿作用受到岩石学家和矿床学家的密切关注。我国西南攀西地区（攀枝花-西昌）是世界上最大的岩浆Fe-Ti-V氧化物矿集区，包括红格、攀枝花、白马、太和、新街等多个超大型岩浆钒钛磁铁矿床（图1）。这些超大型岩浆钒钛磁铁矿床的成因机制一直是矿床学家争论的焦点。目前，对这些矿床成因机制的认识主要存在“分离结晶作用”vs.“（富Fe—富Si熔体）不混溶作用”两种不同的观点，特别是对成矿关键控制因素存在明显分歧。

近年来，新兴的金属稳定同位素地球化学可能为解译上述超大型岩浆钒钛磁铁矿床的成因机制提供新的制约。Chen et al. (2014, 2018) 通过开展白马超大型岩浆钒钛磁铁矿床中主要矿物的Fe同位素、以及钛铁矿和硅酸盐矿物的Mg同位素分析，发现Fe-Ti氧化物具有明显的Fe同位素和Mg同位素变化。根据矿物的结构关系，结合矿物的成分剖面变化，Chen et al. (2014, 2018) 指出Fe-Ti氧化物的Fe-Mg同位素变化是岩浆演化过程中Fe-Ti氧化物早期分离结晶、并经历亚固相线强烈改造的结果，并明确岩浆多次补充对厚层状钒钛磁铁成矿具有决定性作用。这些认识获得随后南非Bushveld杂岩体和我国大庙岩体的Fe同位素研究的支持 (Bilenker et al., 2017; Wei et al., 2020)。最近，Cao et al. (2019)和Tian et al. (2020) 同样发现了攀枝花矿床中Fe-Ti氧化物的Fe同位素和钛铁矿的Mg同位素变化显著，提出Fe-Ti氧化物的Fe-Mg同位素变化是“（富Fe—富Si熔体）不混溶”的结果。

图1 我国西南攀西地区超大型钒钛磁铁矿集区地质示意图

为了进一步厘清层状镁铁—超镁铁质岩体中矿物的Mg同位素分馏机制，明确其成因指示意义，我们对白马超大型岩浆钒钛磁铁矿床中磁铁矿（Mt）开展了系统的Mg同位素研究。结果表明磁铁矿的δ²⁶Mg值在-0.17 ± 0.06‰ 到 +0.98 ± 0.04‰之间，变化范围大，并且其变化特征与岩相密切相关：Fe-Ti氧化物含量高的样品（Fe₂O_3（T）> 30 wt%），其δ²⁶Mg变化较小；相反，Fe-Ti氧化物含量低的样品（Fe₂O_3（T）< 30 wt%），则δ²⁶Mg变化较大（图2）。

图2 白马钒钛磁铁矿床中磁铁矿Mg同位素与全岩主量元素二元相关图

根据岩石中矿物的结构关系，结合全岩的元素和Sr-Nd同位素特征、以及磁铁矿的微量元素变化，我们提出：（1）Fe-Ti氧化物含量高的样品δ²⁶Mg的变化主要记录了亚固相线阶段磁铁矿和钛铁矿之间的Mg同位素交换再平衡；（2）Fe-Ti氧化物含量低的样品的δ²⁶Mg的变化是亚固相线阶段磁铁矿与橄榄石和/或单斜辉石Mg同位素扩散动力学分馏的结果（图3）。由于Mg在橄榄石和单斜辉石中更为相容，随着温度下降，Mg²⁺从磁铁矿中扩散进入橄榄石和/或单斜辉石中；²⁴Mg的扩散速率大于²⁶Mg，因此，磁铁矿的δ²⁶Mg值逐渐变大。Mg同位素分馏定量模拟计算证实了这一分馏机制有效性（图4）。

图4 白马钒钛磁铁矿床中磁铁矿的Mg同位素与其MgO含量二元相关图，
以及Mg同位素动力学分馏定量模拟计算

综合已有研究结果，我们建立了层状镁铁—超镁铁质岩体中Fe-Ti氧化物的Mg同位素综合演化模式，即Fe-Ti氧化物的Mg同位素变化与其接触的矿物种类密切相关：（1）磁铁矿主要与其它磁铁矿接触时，磁铁矿将保存其结晶时的Mg同位素组成；（2）磁铁矿主要与钛铁矿接触时，磁铁矿将记录亚固相线阶段Fe-Ti氧化物之间Mg同位素再平衡的结果；（3）磁铁矿主要与橄榄石和/或单斜辉石时，磁铁矿将记录亚固相线阶段Mg同位素扩散动力学分馏特征（图5）。

图5 层状镁铁—超镁铁质岩体中Fe-Ti氧化物的Mg-Fe同位素综合演化模式（以白马岩体为例）

上述研究的重要科学意义体现在：（1）厘清了层状镁铁—超镁铁质岩体中Fe-Ti氧化物极大Mg同位素变化的成因机制；（2）部分样品磁铁矿的“原始”Mg同位素组成与峨眉山高钛玄武岩早期结晶磁铁矿的Mg同位素理论预测值完全一致，指示了白马钒钛磁铁矿床中磁铁矿是母岩浆演化过程中Fe-Ti氧化物早期分离结晶的产物；（3）明确了Fe-Ti氧化物与硅酸盐矿物、以及母岩浆之间的“组分不平衡”普遍存在；含钒钛磁铁矿层状镁铁质岩体堆积成岩过程中矿物经历了强烈的后期化学成分再改造。

上述研究认识发表在Geochimica et Cosmochimica Acta上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.06.016

参考文献

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Tian, H.-C., Zhang, C., Teng, F.-Z., Long, Y.-J., Li, S.-G., He, Y., Ke, S., Chen, X.-Y. and Yang, W. (2020) Diffusion-driven extreme Mg and Fe isotope fractionation in Panzhihua ilmenite: Implications for the origin of mafic intrusion. Geochim. Cosmochim. Act. 278, 361-375.

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