2022年1月20日，《NATURE COMMUNICATIONS》在线刊出了我校资源学院姚卓森教授的相关成果——Magnetite layer formation in the Bushveld Complex of South Africa(南非布什维尔德岩体中磁铁矿层的形成)。该研究从晶粥模型的角度论证了粒间熔体的对流和渗滤过程对磁铁矿成分的改造作用，为Bushveld层状岩体磁铁矿层的形成机制提供了新的视角，同时对岩浆房的动力学过程研究具有重大的指导意义。
南非Bushveld岩体水平延伸超过400km，厚度可达7-9km，是陆地上出露规模最大的层状岩体，自1960年代以来就被作为深部岩浆房过程的绝佳研究对象。岩体上部含多个磁铁矿层，基本以磁铁矿为主（含量在90-95%以上），部分矿层厚度可达1-2m以上，产出了世界上规模最大、品位最高的钒钛磁铁矿石（图1）。由于Cr元素在磁铁矿中有着较高的分配系数（100-300），岩浆房中早期结晶的磁铁矿具有较高的Cr含量，而随着熔体中Cr的不断消耗，后续晶体中Cr含量迅速降低，因此磁铁矿层中Cr含量的垂向变化跟结晶分异过程有着极其密切的联系。
姚卓森教授从岩浆房晶粥模型出发，厘清了磁铁矿晶粥层的堆晶压实和粒间熔体成分对流的过程，同时借助有限元数值模拟的手段模拟了下部富Cr熔体对磁铁矿晶粥层的渗滤过程，合理解释了磁铁矿层中Cr元素的分布特征，相较于前人认识取得了很大的进步。
图1 南非Bushveld岩体的上部磁铁矿层
磁铁矿晶粥形成之初，粒间熔体的比例可高达50%左右，但由于磁铁矿自身密度远大于熔体，会触发强烈的堆晶压实作用，使得底部晶粥层的粒间熔体比例快速降低至15%，甚至更低。而上部晶粥层仍有着相对高的粒间熔体比例，伴随着少量高密度磁铁矿的晶出，粒间熔体的密度迅速降低并远小于上覆岩浆主体的密度，从而驱动粒间熔体与上方的岩浆主体间发生快速的成分对流。这一过程使得上部晶粥中粒间熔体的成分（Cr含量）始终与主体岩浆保持一致，进而导致相应的上部磁铁矿Cr含量也基本保持不变(图2a-c)。另一方面，磁铁矿下覆的斜长岩层显示其曾被更原始的熔体渗滤，而这个富Cr熔体继续向上运移并穿过磁铁矿层，则能够显著提高晶粥底部磁铁矿的Cr含量，使其显示出Cr快速降低的趋势(图2a-c)。晶粥形成过程中如果发生新岩浆的注入，会使得整个体系重新晶出富Cr磁铁矿，在原有的磁铁矿晶粥之上形成新的晶粥层，两者交界处的磁铁矿Cr含量无疑有着显著差异。后续熔体的渗滤过程则会部分消弭相邻层位中磁铁矿的Cr含量差异，最终表现为磁铁矿剖面上Cr含量的逐渐反转(图2d)。因此，磁铁矿晶粥阶段所经历的粒间熔体对流和熔体渗滤过程对磁铁矿Cr含量的改造能够很好解释实测磁铁矿Cr剖面的成分特征(图2)。
图2 磁铁矿晶粥中熔体的渗滤过程对Cr含量的改造作用，图d显示了熔体渗滤对三期岩浆注入形成的晶粥层的改造能够很好地解释剖面中Cr含量的显著反转
如果晶粥形成时岩浆房底部不甚平坦，或者其它因素的影响，会很容易造成磁铁矿晶粥层底部粒间熔体比例的非均匀分布，存在部分节点有着较高的粒间熔体比例，那么后续的渗滤熔体会更偏爱通过这些区域，使得相应位置的磁铁矿颗粒能够与更多的熔体发生反应和平衡，导致其Cr含量显著升高，表现出富Cr磁铁矿核的特征（图3a）。这一效应随着熔体的渗滤过程而继续向上延伸，最终表现为磁铁矿Cr含量在水平方向上的波浪状起伏（图3b, c）。如果晶粥中混入部分同源的斜长岩捕虏体，那么周缘的矿物堆积结构则会被打乱，使得捕虏体周缘具有很高的粒间熔体比例，那么更多的富Cr熔体会途径该区域而向上渗滤，最终导致周围磁铁矿含有较高的Cr含量（图3d）。相关有限元模拟结果与野外的观测相吻合。
图3 富Cr熔体对上覆的磁铁矿晶粥渗滤过程的二维有限元模拟，曲线圆圈代表着晶粥中粒间熔体比例相对较高的区域
论文的第一作者姚卓森教授，主要从事岩浆铜镍硫化物矿床、层状岩体的成矿作用及相应岩浆过程的研究，重点通过热力学模拟、流体动力学和地球化学动力学等不同纬度来探究和拓展岩浆矿床的成矿模型，在国际知名期刊Nature Communications, EPSL, JGR-Solid Earth, GCA, JP, AM等发表论文十余篇。
该项研究得到岩浆-热液成矿系统学科引智基地及国家自然科学基金等项目资助。
论文信息：
Title: Magnetite layer formation in the Bushveld Complex of South Africa
Authors: Zhuosen Yao, James E Mungall
Source: Nature Communications ,volume 13, article number: 416 (2022)
Published: 20 January 2022
DOI: 10.1038/s41467-022-28000-9
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28000-9
