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吕炜昕, 丁昕,July 10, 2024
层状侵入体保存了堆晶岩岩浆分异的详细记录，展示了火成岩多样性是如何产生的(Holness，2021)。分异是指晶体的分离和残余岩浆成分的变化，这伴随着多种岩浆过程，包括晶体沉降分选、原位成核生长、扩散、成分对流、压实和不混溶等(Namur et al., 2015)。单个层状侵入体的形成可能涉及了不同的岩浆过程。由于岩浆过程可以是独立的或相互依存的，并且可以同时、连续或随后发生(Namur et al., 2015; Smith and Maier, 2021)，形成层状侵入体化学多样性层位的机制仍不清楚。识别层状侵入体形成过程中涉及的岩浆过程对于理解其侵位和冷却模式至关重要。
攀枝花层状侵入体包含大量的铁、钛和钒资源，其岩浆过程与峨眉山大火成岩省有关。前人研究普遍认为，攀枝花侵入体起源于一个长期存在的岩浆房，补充岩浆在相对较短的时间内多次侵位，随后以一个独立的冷却单元固结(Zhou et al., 2005; Pang et al., 2009; Song et al., 2013; Wang et al., 2018)。然而，下部带中Fe-Ti氧化物厚层的成因仍存在争议。争议集中在硅酸盐液态不混溶和分离结晶在层状侵入体形成中的作用。Zhou et al. (2005)提出，不混溶的富铁熔体从镁铁质岩浆中分离，而分离结晶模型则强调大量Fe-Ti氧化物从岩浆中重力沉降、分选(Pang et al., 2008; Song et al., 2013)。对攀枝花侵入体进行全面的V同位素分析，有助于解译大规模、独立存在的岩浆单元的连续演化，以及下部带Fe-Ti氧化物层的成因。
(a) 中国西南部峨眉山大火成岩省的位置。(b) 攀西地区含Fe-Ti氧化物矿层的层状侵入体的分布(修改自 Shellnutt and Pang, 2012)。(c) 攀枝花侵入体的分段(修改自 Pang et al., 2009)。星号表示兰家火山段的位置。
V是层状侵入体中重要的微量元素，与Fe-Ti氧化物有很强的亲和性。V同位素分馏与岩浆分异过程中Fe-Ti氧化物的结晶密切相关(Prytulak et al., 2017; Sossi et al., 2018; Wu et al., 2018; Ding et al., 2020)。在基拉韦岩浆湖，以钛铁矿为主的Fe-Ti氧化物组合的去除导致的同位素分馏比在受磁铁矿控制的Hekla玄武岩中观察到的小(Ding et al., 2020)。这可能意味着，磁铁矿的V同位素组成比共存的熔体轻得多，而钛铁矿只是略轻。因此，研究磁铁矿中的V同位素有助于示踪层状侵入体形成过程中完整的岩浆演化。
攀枝花侵入体兰家火山剖面同位素组成、矿物组成和元素含量的变化。(a) 全岩、单斜辉石和磁铁矿的δ51V值。(b) 全岩、单斜辉石、磁铁矿和钛铁矿的δ56Fe值。(c) 单斜辉石Mg#。(d) 全岩 V 含量。(e) 全岩P2O5含量。灰条代表Fe-Ti氧化物层。虚线表示侵入体分带边界。MGZ - 边缘带；LZ - 下部带；MZa - 中部带a；MZb - 中部带b；UZ - 上部带。(b) - (e) 中的数据来自 Cao et al. (2019)。
我们对采集于攀枝花侵入体兰家火山段的18个样品进行了全岩、单斜辉石和磁铁矿V同位素分析。研究表明，岩体边缘带和上部带反映了母岩浆的化学成分，V同位素组成为−0.83‰ ± 0.19‰ (n = 4, 2s)。下部带发育的Fe-Ti氧化物层，全岩的V同位素组成与同一层位的单斜辉石和磁铁矿相似。全岩和单矿物之间V同位素组成的一致性反映了硅酸盐液态不混溶在形成Fe-Ti氧化物层中的控制作用。沿深度剖面，下部带的全岩δ51V值变化范围有限，从−0.82‰到−0.49‰。这一观察揭示了结晶-晶粥-不混溶-分层的动态过程在形成重复出现的氧化物层中的作用。中部带的δ51V值随着剖面高度的变化而显著变化，从−0.35‰到1.70‰。这归因于Fe-Ti氧化物的分离结晶，同位素轻的磁铁矿的分离结晶促使残余硅酸盐熔体逐渐富集重V同位素。
攀枝花侵入体下部带结晶-晶粥-不混溶-分层模型示意图。(a) 单斜辉石和斜长石结晶，形成晶粥。(b) 粒间熔体发生不混溶，形成不混溶的富Fe熔体和富Si熔体。由于密度差异，富Si熔体从富Fe熔体中分离出来并向上移动。单斜辉石、斜长石和微量的Fe-Ti氧化物从残余硅酸盐熔体中结晶。(c) 大量Fe-Ti氧化物从富Fe熔体中结晶出来，形成Fe-Ti氧化物层。残余硅酸盐熔体的分离结晶形成了新的晶粥，液态不混溶将再次发生。
本研究利用V同位素对大规模岩浆单元的连续演化进行了解译，揭示了层状侵入体化学性质多样层位的形成机制。V同位素特征表明，攀枝花侵入体下部带和中部带的分层是单一、巨大的岩浆单元连续演化的结果。
攀枝花侵入体全岩V含量与δ51V值。黑色曲线代表Rayleigh分馏模拟结果。彩色横线代表硅酸盐液态不混溶过程中富Si熔体迁移后残余富Si熔体和富Fe熔体以不同比例混合。
相关研究成果近日发表于Lithos，中国科学技术大学博士研究生吕炜昕为第一作者，丁昕副研究员为通讯作者，共同作者包括刘梦蜀、曹永华博士、王焰教授和黄方教授。此项研究受国家重点研发项目(2019YFA0708400、2018YFA0702600)和国家自然科学基金(42273004)资助。
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