豆荚状铬铁矿床的Mg和Fe同位素组成及意义

Chromitites have large variations in their major oxide compositions, belonging to either high-Cr (metallurgical) or high-Al (refractory) varieties, and possible controls on their composition and origin have been extensively discussed in the literature. Podiform chromitites have been suggested to form chiefly in suprasubduction zone (SSZ) environments, such as fore-arc and back arc basins. However, recent studies have identified many unusual minerals including ultrahigh pressure (UHP), highly reduced and crustally-derived minerals in such chromitites, which raises important questions about such a model. It is now timely to highlight some advances in the understanding of the origin of these chromitites and host ophiolites and to propose a model to explain their unusual features on the basis of newly obtained Fe-Mg isotopic data.

豆荚状铬铁矿床中尖晶石可以从高铬变化到高铝类型。针对它们的成分控制因素和起源已有大量的研究。此类矿床被认为形成于与俯冲相关的环境中，是较深部起源的岩浆与上地幔近顶部橄榄岩反应使铬饱和所致。但这种反应只能形成矿体周边少量纯橄岩壳，而形成大规模的铬铁矿体需要大量岩浆。该类矿床的铬尖晶石中常包裹有富水矿物和其它壳源矿物、同时也有超高压和高度还原的矿物。这些不同寻常的特征亟需一个新的模型来解释。本项目拟通过代表性豆荚状铬铁矿体及其橄榄岩围岩的关系、岩相学和微观特征的观察，结合铬尖晶石的Mg和Fe同位素组成，探讨超镁铁质岩围岩和豆荚状铬铁矿床的形成和演化，厘清不同岩石/矿石中铬尖晶石的Mg和Fe同位素组成差别，查明铬尖晶石中包裹不同成因矿物的原因并确定岩浆中铬饱和的时间。检验申请者提出的"岩浆－板片反应成矿"的工作模型，以期深入了解豆荚状铬铁矿床的成矿作用。

本项目以产出于土耳其和西藏境内新特提斯蛇绿岩及其赋存的豆荚状铬铁矿矿床为研究对象，通过系统的岩相观察、组构分析、Li-Fe-Mg等非传统稳定同位素分析和数值模拟等手段，对前人有关蛇绿岩起源和豆荚状铬铁矿成矿等相关理论进行了有效地完善。我们的研究结果显示新特提斯蛇绿岩的地幔层序在Li-Fe-Mg等同位素组成上均存有明显不均一的现象，这些蛇绿岩在起源上和洋内初始俯冲过程存在密切的联系。Li同位素证据支持这些地幔层序先后记录有早期部分熔融、沉降板片脱水以及地幔再富集和二次部分熔融等多期次熔流体过程。其中，板片后撤及该过程引发的软流圈上涌是导致地幔再富集和二次部分熔融的重要因素。再次部分熔融过程中产生的岩浆在成分上接近高钙玻安质或岛弧苦橄质，这些岩浆很有可能是高铬类型铬铁矿的母岩浆。Fe-Mg同位素以及岩石组构分析表明铬铁矿成矿的过程中确实存在有不同熔体混合的过程，从而导致铬铁矿在岩浆中的过饱和并早于橄榄石先结晶堆积成矿。地幔中广泛存在的塑性剪切变形是形成铬铁矿矿体的不规则形态和豆状结构的重要过程。针对Li-Fe同位素组成进行数值模拟显示，单一蛇绿岩中铬铁矿矿床可能是在数千年内形成的且伴随有成矿后快速的降温过程，从铬铁矿成矿到整个蛇绿岩仰沖就位的时间尺度可能不超过一百万年。以上研究结果极大地丰富了超俯冲带型蛇绿岩形成的过程，并为豆荚状铬铁矿矿床的成矿理论提供了更为清晰的框架，同时为了解蛇绿岩相关上地幔过程进行了合理的量化参考。