铌钽在白云母和花岗质熔体之间分配的实验岩石学研究

Niobium and tantalum are important rare metals widely used in modern industrial technology. As a pair of twin geochemical elements, their differentiation process and the characteristic subchondritic Nb/Ta ratio of various earth reservoirs has long been an unsolved scientific issue and research hotspot. Their partition distribution behavior between mineral-melt and mineral-mineral is one of the important means to solve this problem. Previous studies on the partitioning of niobium and tantalum have been focused on accessory minerals such as rutile and titanite, and few rock-forming minerals such as amphibole and biotite. As a major rock-forming mineral, in recent years, muscovite has been found to play an important role in the differentiation of niobium and tantalum. However, the current research on the partition distribution of Nb and Ta in muscovite is extremely limited, especially in experimental petrology. In view of the close correlation between muscovite and crust growth and magmatic activity of the subduction zone, especially its genetic relationship with rare metal granite, this project intends to perform the equilibrium crystallization experiment of muscovite, and systematically investigate the distribution coefficient of Nb and Ta under different temperature and pressure and various chemical system. This will help to address the influence of muscovite on the Nb/Ta differentiation of crust and on the genesis of the granite-type Nb-Ta ore, and to specify the possible Nb and Ta reservoirs.

铌钽是广泛应用于现代工业技术中的重要稀有金属。作为一对孪生地球化学元素，铌钽在不同地球圈层中的比值变化和分异过程，及普遍低于球粒陨石Nb/Ta比值的特点，一直以来是一个未解的科学问题和研究热点。研究铌钽在矿物和熔体以及矿物-矿物之间的分配特征和影响因素是解决这一问题的重要手段之一。前人在这一方向的研究主要集中在富铌钽的副矿物如金红石和榍石等，以及少数造岩矿物如角闪石和黑云母。作为主要造岩矿物，近年来研究发现白云母是影响铌钽分异的重要矿物之一，然而当前关于白云母中铌钽分配的研究极为有限。鉴于白云母与地壳增生以及俯冲带岩浆作用密切相关，尤其是其与稀有金属花岗岩的成因相关性，本项目拟通过白云母平衡结晶实验，系统研究铌钽分配系数在不同温压下及不同熔体体系内的变化，探讨白云母中的铌钽分异对地壳Nb/Ta比值变化的影响，深入认识白云母结晶分异对花岗岩型钽矿成因的作用，为识别可能的铌钽储库提供新的约束。

铌钽是广泛应用于现代工业技术中的重要稀有金属。作为一对孪生地球化学元素，铌钽在不同地球圈层中的比值变化和分异过程，及普遍低于球粒陨石Nb/Ta比值的特点，一直以来是一个未解的科学问题和研究热点。研究铌钽在矿物和熔体以及矿物-矿物之间的分配特征和影响因素是解决这一问题的重要手段之一。作为主要造岩矿物，近年来研究发现白云母是影响铌钽分异的重要矿物之一，然而当前关于白云母中铌钽分配的研究极为有限。鉴于白云母与地壳增生以及俯冲带岩浆作用密切相关，尤其是其与稀有金属花岗岩的成因相关性，本项目拟通过白云母平衡结晶实验，系统研究铌钽分配系数在不同温压下及不同熔体体系内的变化，深入认识白云母结晶分异对花岗岩型钽矿成因的作用，为识别可能的铌钽储库提供新的约束。实验采用水介质冷封高压釜进行，将经过微量Nb-Ta掺杂的人工合成的含Li-F过铝质花岗质玻璃作为起始物质，并考虑添加天然白云母的粉末作为籽晶，在2kbar的压力、含水量10 wt%的条件下进行了白云母的结晶实验。实验表明，在800−600 °C之间，在不添加白云母籽晶的情况下，即使采用较长的实验时间（30天/60天），晶出的白云母尺寸仍然很小（宽度≤5微米），很难达到可靠EPMA和LA-ICPMS 分析方法要求的空间尺度。在添加白云母籽晶的情况下，在800−550 °C之间，较短的实验时间（7天）就能晶出相对较大尺寸的白云母（宽度可达20微米），但其通常会包裹较高温度下形成的黑云母核，也给成分分析带来困难。初步的分析结果表明，Nb和Ta相对于白云母/花岗质熔体来说是弱-中度相容元素（D值介于1.7~5.1），并且Nb的相容性高于Ta，DNb一般是DTa的两倍。本项目测定的DNb和DTa值表明，在花岗质岩浆分异的中晚期，由于白云母的结晶，Nb和Ta将发生解耦，残余岩浆中的Nb/Ta比值将持续降低。考虑到白云母是陆壳内的常见造岩矿物，其中的Nb和Ta含量一般较高（一般在几十到上千ppm之间），因此白云母可能是造成Nb/Ta地球化学分异的重要储库之一。