地質地球所揭示富水流體在鉻鐵礦床形成過程中作用

　　蛇綠巖型鉻鐵礦床是少有的形成并賦存于地幔的礦床，也是目前最具成因爭議的礦床類型之一。不同類型的鉻鐵礦石均具有簡單的礦物組合，主要由鉻鐵礦和橄欖石兩種礦物組成，且這兩種礦物的化學組成較為簡單，所含微量元素種類較少且含量較低，同位素示蹤方法的應用也較為局限，這為研究其母巖漿的組成、性質和來源造成較大難度。多數學者通過鉻鐵巖中的鉻鐵礦與其他巖漿巖中鉻鐵礦的主量元素成分對比，以及對鉻鐵礦中礦物包裹體的研究，得出形成鉻鐵礦床的母巖漿為富Mg、貧Si、富水氧化的鎂鐵質熔體。其中，“富水”的推論尚缺乏直接證據，富水流體在鉻鐵礦床形成過程中的作用尚不清楚。

　　中國科學院地質與地球物理研究所研究員蘇本勛及合作者，對特提斯構造帶內的數個蛇綠巖型鉻鐵礦床進行多維尺度的觀察。野外尺度上，從圍巖方輝橄欖巖到純橄巖薄殼到鉻鐵礦體，硅酸鹽礦物的蝕變程度逐漸變強；手標本和鏡下尺度，鉻鐵礦含量越高的礦石，硅酸鹽礦物蝕變越強，在條帶狀鉻鐵礦石中表現得尤為明顯（圖1）。該現象與后期外來流體導致的蝕變明顯不同，暗示這些選擇性蝕變主要是自蝕變，并與鉻鐵礦含量密切相關。硅酸鹽礦物的水含量分析發現，礦石中鉻鐵礦含量越高，橄欖石的水含量越高；礦石中橄欖石水含量均高于純橄巖；方輝橄欖巖中的橄欖石水含量最低（圖2）。該定量分析進一步表明，橄欖石水含量與鉻鐵礦含量呈正相關關系。基于此，研究人員提出鉻鐵礦匯聚成礦過程中“濕鉻鐵礦”和“選擇性蝕變”的概念。

圖1.蛇綠巖中鉻鐵礦床的選擇性蝕變特征

圖2.方輝橄欖巖、純橄巖和不同類型鉻鐵礦石中硅酸鹽礦物的水含量分析結果

　　科研人員在土耳其多個鉻鐵礦床的不同類型礦石中，均發現大量保存新鮮的粒間單斜輝石（圖3、圖4），這在全球蛇綠巖型鉻鐵礦床中較為罕見。同時，圍巖純橄巖和方輝橄欖巖具有單斜輝石和鉻鐵礦共生的特點（圖4）。這些單斜輝石主微量元素和Li同位素特征共同指示其具有巖漿和熱液混合的化學組成特征。單斜輝石水含量為橄欖石的幾十倍，亦與鉻鐵礦含量相關。由于單斜輝石“吸收”大量的水，使礦石中的橄欖石得以保存，這可能是礦床中鉻鐵礦石乃至橄欖巖圍巖較全球其他蛇綠巖型鉻鐵礦可新鮮保存的原因。富水流體為鉻鐵礦結晶時表面吸附的流體；富水流體與鉻鐵礦的結合有利于其遷移聚集并與熔體發生分離或不混溶作用；在鉻鐵礦聚集沉淀時釋放出的富水流體將與周圍的橄欖石發生反應并滲透到純橄巖和方輝橄欖巖中。這一過程可合理解釋鉻鐵礦石和橄欖巖圍巖中異常的礦物Fe、Cr和Li同位素組成和元素含量變化。

圖3.土耳其蛇綠巖型鉻鐵礦石中的單斜輝石產出特征

圖4.不同類型鉻鐵礦石中單斜輝石的產出形態及純橄巖和方輝橄欖巖中單斜輝石和鉻鐵礦的共生現象

　　相關研究成果發表在American Mineralogist上。研究工作受到國家自然科學基金委、巖石圈演化國家重點實驗室和中科院青年創新促進會項目的共同資助。