Reich M 和 侯通 等：铁氧化物-磷灰石（IOA）矿床的成因

铁氧化物-磷灰石（IOA）矿床的成因

铁是大宗矿产，是现代社会发展的基础。铁氧化物-磷灰石矿床（Iron oxide-apatite deposits；IOA），又称基鲁那型（Kiruna-type）铁矿，在我国又被称为火山岩型铁矿，或者玢岩铁矿。

自工业革命以来，该类型铁矿一直都是全球，尤其是欧美等国家铁的主要来源之一。主要原因是该类型矿床品位较高，矿石全铁品位通常大于40%，个别可达70%。矿石中主要矿石矿物为低钛磁铁矿，还包含不等量的磷灰石、阳起石和（或）透辉石等伴生矿物。同时，这类矿床也能够产出磷、稀土元素（REE）、钒和钴等具有高战略价值的元素，因而有着相当高的勘探和研究价值。

这些元素对当前和新兴的能源技术，如电动汽车、风力发电、光伏电池、电池和高效照明等尤为重要，是减少碳排放、缓解人为导致的气候变化的关键。

虽然IOA型矿床的开采历史长达几个世纪，但其研究历史较短，研究程度也相对较低。在近十年来，学术界对IOA型矿床的研究兴趣重新燃起，一方面是由于其巨大的经济价值，更多的是由于该类型矿床具有相当特殊的地质特征，从而具有重要的矿物学、岩石学和矿床学理论研究价值。它的特殊之处主要表现在高密度磁铁富矿石的产出位置很浅，主要为喷出岩和次火山岩的产状，且块状矿石具有明显的火成岩的结构和构造。例如，位于南美洲安第斯山脉中部的El Laco矿床，块状的磁铁矿矿体不但具有喷出岩的产状，且矿体中出现明显的脱气和火山碎屑结构，与熔岩和火山碎屑岩的结构构造特征类似。与此同时， 次火山岩产状的IOA矿床的矿体也常常出现透镜状、脉状、网脉状、角砾状、层状或伟晶状，这表明其侵位深度可从次火山岩相连续过渡到地壳较深的部位。

不同产状的IOA矿床之间这些相互对立的特征引发了学术界一个长久不衰的争论：IOA矿床到底是岩浆成因还是热液成因的？

该争论主要基于两个互斥的经典成矿模式：一个是液态不混溶模式，认为矿床形成于硅酸盐熔体与富Fe-P熔体的不混溶作用；另一个是热液交代模式，认为磁铁矿矿石由富铁的岩浆出溶流体和/或非岩浆的其他来源流体对围岩的交代而成。由于两个模式无法相互兼容，导致这两派观点针锋相对，即使它们各自都无法完全解释IOA矿床的地质和地球化学特征。

最近，智利大学的Martin Reich教授联合美国密歇根大学的Adam Simon教授和中国地质大学（北京）的侯通教授等人，在《Nature Reviews Earth & Environment》期刊上发文对IOA矿床的主要特征、全球分布、矿物学、岩石学和地球化学以及实验等相关研究进行了回顾，以期对IOA矿床成因，尤其是形成的构造背景、地质环境和铁质的超常富集过程有更加深入的理解。其中，重点关注了主要矿石矿物——磁铁矿的成分特征，例如如何用磁铁矿的微量元素来精细刻画矿石的形成条件，以及用稳定同位素来示踪Fe的来源。另外，根据已有实验研究约束了IOA成矿系统的热力学条件和铁的超常富集机理。

通过梳理已有的研究成果，该文构建了一个针对IOA矿床成矿机理的理论框架，通过阐明从岩浆作用持续到热液作用的整个过程中铁的富集过程，提出了一个新的弧环境下IOA成矿模式。值得指出的是：虽然该模式兼容了岩浆作用和热液作用等相关地质过程，但是它仍然是一个理论模式，有待未来进一步研究和检验，以期加深对IOA成矿作用的理解，并为勘探找矿提供理论指导。

1

时空分布

IOA矿床在全球的分布广泛，在从古元古代到更新世的各个地质历史时期均有形成。大多数的IOA矿床产在与俯冲带相关的伸展构造背景下，也有少数产在其它构造环境中，比如某些IOA矿床可以与A型花岗岩在时空上共生。尽管IOA矿床的时空分布并不连续，但它们有一个共同的特征，那就是产出高品位的磁铁矿矿石。矿床储量规模不等，但相当一部分矿床可以达到亿吨级和十亿吨级。需要注意的是，IOA矿床不能同铁钛磷灰岩（nelsonite）混为一谈，因为后者通常与斜长岩体或者镁铁质层状岩体共生，成因上也不同于IOA矿床。

作为研究的起源地，位于瑞典北部的基鲁那铁矿是世界上最为著名的IOA矿床。除此之外，其它一些世界级的著名IOA矿床主要分布在瑞典中部、美国密苏里州、伊朗以及智利等地。另外，近年来新发现的大型IOA矿床主要位于美国纽约州、墨西哥、秘鲁、加拿大、土耳其、斯里兰卡、韩国等地区。我国著名的IOA矿床则主要分布在长江中下游成矿带内的宁芜和庐枞等火山岩盆地中，形成于早白垩世，矿体主要产在闪长玢岩岩体顶部，以角砾状、块状和脉状形式产出。下面将对世界上较为重要的几个IOA矿床进行简要介绍。

基鲁那矿区位于瑞典北博滕省，形成于古元古代，其中的基鲁那铁矿床是当今世界上最大、最著名的IOA矿床。该矿床以高品位铁矿石（50-70% Fe）著称，矿石储量在20亿吨以上，主要矿石矿物为磁铁矿，夹杂少量的磷灰石和独居石。现有的研究表明，该矿床形成于弧相关的伸展环境下。与之一同产出的还有格兰斯伯格矿床。它位于瑞典中部贝格斯拉根地区，年龄与基鲁那矿床相同，并且有相同的构造背景。矿床中矿石平均品位达60%，储量超过4亿吨，矿石矿物同样以磁铁矿为主，夹杂少量氟磷灰石、独居石、磷钇矿和稀土矿物。

美国密苏里州东南部的圣弗朗索瓦山脉也是IOA矿床重要产区。这些矿床产在中元古代早期的双峰式火山建造中，构造上位于弧环境下新生陆壳的伸展体制内。Pea Ridge是其中最为重要的矿床，其矿石品位在50%以上，储量约为1.6亿吨，且矿体常被富稀土的角砾岩筒穿插。

图1 世界上主要IOA矿床的时空分布

2

成矿条件和矿质来源

岩浆成因vs热液成因

磁铁矿晶格中能够容纳多种微量元素，如：Ti、V、Mg、Al、Mn等，这些微量元素含量的变化所形成的环带记录着丰富的磁铁矿结晶时岩浆或热液的物理化学信息。其中，[Ti+V]-[Al+Mn]图解可用以有效辨别磁铁矿是岩浆成因还是热液成因。纯岩浆成因磁铁矿有高Ti+V和Al+Mn的特征，热液成因磁铁矿低Ti+V和Al+Mn，岩浆-热液成因的磁铁矿则介于两者之间。以智利铁矿带Los Colorados矿床为例，其磁铁矿发育明显的环带结构，在成分扫描图上可以很清晰地看到环带将磁铁矿分为三个区域：核部、幔部和边部（图2b）。从核部到边部，磁铁矿Ti+V和Al+Mn连续降低，表明从岩浆成因连续过渡到热液成因。智利铁矿带的其它磁铁矿同样在[Ti+V]-[Al+Mn]图解上显示出了一个从高值到低值连续变化的成分谱系（图2a）。这种现象并非特例，在其它IOA矿床中也普遍存在。因而，IOA矿床中的磁铁矿并非单一成因，其结晶历史可以贯穿整个岩浆-热液过程。

图2 IOA矿床中磁铁矿的典型化学特征、环带特征以及结晶温度和深度分布。

a) 智利铁矿带和El Laco矿床中磁铁矿[Ti+V]-[Al+Mn]图解；

b) BSE和成分扫描图下典型的磁铁矿环带结构；

c) 磁铁矿结晶温度和深度分布

磁铁矿结晶温度和深度

岩浆-热液的耦合作用是IOA矿床成矿的重要特征，因而，温度在整个成矿过程中起着至关重要的作用。利用磁铁矿微量元素温度计，可以对磁铁矿结晶温度进行定量化计算。对智利铁矿带磁铁矿的计算结果显示，磁铁矿具有很宽的结晶温度范围：~1000°C-300°C，这几乎覆盖了整个岩浆和热液作用温度范围（图2c）。利用其它方法，如稳定同位素温度计、相平衡温度计和流体包裹体测温，都对该结果进行了佐证。另外，结晶深度与温度间也显示出了系统性的变化关系，即：深度较深时，磁铁矿结晶温度也较高，表现出岩浆成因特征；较浅时，结晶温度系统性偏低，表现出热液成因特征（图2c）。有趣的是，这种结晶深度-温度间的变化关系同样可以出现在单一矿体当中。这些特征和磁铁矿环带结构，共同指向同一个结论：IOA矿床的形成经历了多个阶段，从早期较深部的岩浆作用，到晚期浅部的热液作用，都伴随着大量磁铁矿的结晶。

铁质来源

既然IOA矿床的磁铁矿结晶自岩浆和热液，那么就引出了下一个问题，即Fe主要来源于何处？成矿母岩浆还是外来的流体？要回答这个问题，就必须借助磁铁矿的Fe和O同位素来示踪。以几个典型IOA矿床为例（Kiruna、Bafq、El Laco、Pea Ridge、Pea Ridge和智利铁矿带），它们磁铁矿中δ18O值集中在0-5‰区间内，与岩浆成因磁铁矿一致。同位素平衡分馏计算结果也显示它们都与中性岩浆或岩浆成因的高温热液平衡。只有小部分磁铁矿δ18O为负值，指示它们源于外部低温热液。相比之下，δ56Fe的范围更窄，为0.1-0.5‰，只有少部分为负值，这同样指示了岩浆或岩浆热液成因。相比于更易受表生蚀变作用影响的O同位素，Fe同位素无疑指示了一个更可靠的结论：IOA矿床的Fe来源于母岩浆。

图3 典型IOA矿床中磁铁矿δ56Fe-δ18O图解

3

铁质超常富集

既然IOA矿床的Fe来源于岩浆，那么一个很重要的问题是：岩浆系统中的铁是如何一步步富集成矿的呢？目前，主要有三种铁质超常富集的模式，以下将一一论述。

液态不混溶模式

液态不混溶是IOA矿床成因的一个经典模式，该模式认为：当岩浆侵位到上地壳浅部时，熔体会自发地分离成不混溶的富铁-磷和富硅的两相（图4a, b），其中富铁-磷熔体相的结晶形成了高品位的磁铁矿矿石。许多高温高压实验的结果证实了不混溶形成的富铁熔体相的存在，而且有实验结果表明，分离出的富铁熔体相可以高度富Fe+P（33 wt.% FeOtot, 39 wt.% P2O5）或Fe+P+Ca（~18 wt.% FeOtot, ~25 wt.% P2O5, ~30 wt.% CaO）且贫Si（<5 wt.% SiO2）,这与一些矿床的观测结果一致。尽管如此，该模式仍存在一些问题，例如：实验产生的富铁熔体的共轭相为流纹质熔体；不混溶发生的实验氧逸度通常很高（~FMQ+3.3）；不混溶时水倾向于进入硅酸盐熔体相，这会阻碍富铁熔体靠浮力作用上升；同硅酸盐熔体相比，不混溶形成的富铁熔体占比很小，这限制了所能形成的矿床的大小（图4a, b）。因而，该模式还需要进一步研究和完善。现有的资料表明，液态不混溶作用可能在一些小型IOA矿床的形成中占主导作用，但可能无法造就数十亿吨储量的巨型矿床。

磁铁矿-气泡悬浮模式

与硅酸盐矿物相比，流体与磁铁矿间有更大的润湿角，这意味着当岩浆减压时，气泡倾向于附着于磁铁矿表面成核生长。这种附着关系已经在自然样品中被观察证实，一些实验也表明磁铁矿的存在会促进熔体中水的饱和出溶。减压实验结果表明，密度更小的磁铁矿-气泡对可以在硅酸盐熔体中上浮，且在上浮过程中气泡的膨胀会黏附更多磁铁矿，最终在岩浆房顶部形成一个极度富磁铁矿的悬浮层（图4c, d）。这个过程类似于矿石浮选法，可以有效地将磁铁矿和熔体分离，从而不需要大量的岩浆供给就可以形成较大规模的IOA铁矿。尽管如此，该模式的更多细节仍需探究，包括通过对岩浆房过程数值模拟以对磁铁矿浮选机制有更精确的了解。

富铁含水流体减压模式

大量的实验结果显示，Fe能以FeCl2络合物的形式富集在岩浆热液中。因而，磁铁矿也可以通过反应：3FeCl2(aq) + 4H2O = Fe3O4(s) + 6HCl(aq) + H2(aq)从高盐度的热液中大量沉淀成矿。那么，在何种地质条件下磁铁矿能从高盐度的热液中过饱和并大量沉淀呢？热力学计算和实验结果表明，在一个典型IOA成矿系统的热液中（NaCl含量为35wt.%）,当温度在450-620°C之间时，FeCl2的溶解度会随着压力的降低急剧下降，并且磁铁矿的沉淀效率与解压速率强相关。例如，600°C条件下，当压力从120MPa降低至100MPa时，热液会多沉淀出约50%的磁铁矿（图4e, f）。这说明IOA矿床也可以通过快速减压的方式形成，这也支持了IOA矿床从挥发分饱和的中性岩浆中演化而来这一假说。

图4. IOA矿床磁铁矿富集过程的实验和模拟结果。

a, b) 液态不混溶实验得到的富Si和富Fe熔体的背散射图；

c, d) 减压实验得到的磁铁矿-气泡对与熔体明显的分层；

e, f) 热力学计算得到的热液中Fe溶解度与磁铁矿沉淀率随温度和压力变化图解

4

一个弧环境下IOA成矿的普适模型

以上模式都是针对特定矿床提出，将它们综合考虑并建立一个普适的IOA成矿模式，对我们了解矿床成因以及进行成矿预测都有重要意义。因此，有人在已有的模式上提出了一个新的综合模式，该模式能同时解释观察到的微量元素、同位素和实验数据，并兼容IOA矿床普遍的特征。模式如图5所示，成矿过程可分为如下三个阶段：

阶段1：磁铁矿结晶和流体出溶

弧环境下，地幔楔的部分熔融形成富水、高氧逸度的中性岩浆，相平衡实验表明这些岩浆的液相线矿物往往为磁铁矿。当岩浆往上运移，压力降低导致岩浆中挥发分（H2O、CO2、Cl2等）饱和，这些挥发分出溶成为气泡，并与结晶出的磁铁矿颗粒组成磁铁矿-气泡对向岩浆房顶部迁移。后续岩浆的补给则能够给岩浆房再加热并补充更多的Fe和挥发分，使得源源不断的磁铁矿-气泡对能够形成。

阶段2：磁铁矿和流体聚集

磁铁矿-气泡对上升过程中，压力逐渐降低，气泡膨胀，使得气泡上黏附更多磁铁矿颗粒。由于流体中高的Cl含量，出溶的流体将Fe从岩浆富集出来，同时也会富集其它成分如P、S、Cu、Au、REE等。最终，该过程使得岩浆房顶部形成一个磁铁矿-富Fe流体层。应当注意的是，流体的出溶一般都在较低压力下，当压力较大时，流体出溶将被抑制，这时磁铁矿会在岩浆房底部形成堆晶。这解释了IOA矿床为何一般都在地壳浅部（<5km）形成。

阶段3：流体运移和解压成矿

当构造应力发生改变，岩浆房周围形成断裂，为流体提供了上升通道，使得岩浆房顶部的磁铁矿-富Fe流体层开始向上迁移。由于压力和温度的降低，富Fe流体开始大量结晶磁铁矿，形成磁铁矿矿石。新晶出的磁铁矿一般在初始的磁铁矿颗粒边缘生长，形成热液成因的边部，这解释了我们观察到的磁铁矿岩浆成因的核部和热液成因的边部这一现象。同时，高度富Cl的流体也会携带可观的Cu、Au、P、REE等，使得该成矿热液同样有能力形成IOCG（铁氧化物-铜-金）矿床。

图5 弧环境下的IOA矿床成矿模式

尽管这个新的IOA矿床的成矿模式让我们对IOA成矿过程有了更加深刻的理解和更为全面的认识，但是毫无疑问，它仍未到达问题的终点，很多细节仍然不清楚，例如：何种过程导致岩浆开始大规模结晶磁铁矿？岩浆出溶气泡与磁铁矿结晶的时间耦合关系？气泡和磁铁矿颗粒大小的限制条件？磷灰石如何大规模富集？磷灰石和磁铁矿为什么总产在一起？IOA和IOCG矿床在成因上有何联系？以及成矿作用与拉张的构造背景之间究竟有什么内在关系？这些问题和谜团仍然有待于进一步的研究去解决和揭示。

论文全文见：

Martin Reich, Adam C. Simon, Fernando Barra, Gisella Palma, Tong Hou & Laura D. Bilenker. Formation of iron oxide–apatite deposits. Nature Reviews Earth & Environment (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-022-00335-3.

作者|Reich M 、侯通等

编译 | 侯通 王旭东（中国地质大学·北京）

审校 | 兰彩云（西北大学）

排版与校正 | 颜娄旺 张天琦

更多资讯，请点击下方

来源：战略性关键金属科普平台

免责声明：本文所载内容系网络资料，无法联系版权所有人，如文章文字、图片存在侵权行为，烦请联系公众号运营人员，微信号：zjks2016，我们会予以删除！