钒钛磁铁矿层状侵入体的韵律层形成机理

帆钛磁铁矿层状侵入体的韵律层形成机理 钒钛物理化学之系列学术讲座原创邹建新教授等钛主要存在于帆钛磁铁矿中。认清帆钛磁铁矿中主要元素的赋存过程与形态对钛的提取具有一定参考意义。攀西帆钛磁铁矿是国内钛矿的主要代表，本节以攀枝花红格矿区为例进行分析。韵律层的形成机理，业界有不同的假说。一是岩浆多次贯入说。认为韵律层是未分异岩浆周期性注入已结晶和分异的岩浆房中引起的。新岩浆的流入，使岩浆温度、成分回返，因而形成重复的韵律层。二是间歇性岩浆对流说。认为晶体主要在岩浆房顶部成核结晶。由于晶体的形成，使顶部岩浆密度加大，造成重力不稳定。促使顶部岩浆携带晶体间歇性沿侧壁流向底板。其后由于重力作用，晶体下沉堆积。暗色矿物比重大堆积在下部，浅色矿物堆积在上部。每一次对流形成一个韵律层。三是底部结晶作用说。认为较厚岩床中，矿物的熔点梯度大于岩浆的绝热温度梯度。成核和结晶作用主要发生在两条曲线交点之下，接近岩浆底部的过冷却岩浆层中。该岩浆层中形成的晶体使其密度加大，阻止岩浆对流进入而成为停滞带。停滞带内的晶体继续生长，当释放的结晶潜热使其温度升到结晶温度之上时，结晶作用停止。当晶体完全下沉以后，岩浆对流进入停滞层中更新了该层的岩浆成分，另一次成核结晶作用又重新开始。认为岩浆房中挥发组分向上运移而富集在顶部，促进了底部结晶作用。在此基础上提出冷却介面层固结前缘向岩体内部推进的假说。因物质扩散速度与温度下降速度的差异引起不同矿物交替成核结晶形成韵律层。四是岩浆中韵律成核说。认为一定程度过冷却熔浆中，在缓慢冷却条件下，不同矿物的成核和生长可互相千扰。某种矿物的结晶作用使岩浆中生成该矿物的组分贫化，而另一种矿物的组分变富，促使另一种矿物成核结晶，不同矿物交替成核结晶可形成韵律层。攀西红格岩体为川滇南北向构造带中段含钒钛磁铁矿层状侵入体中较大的岩体。其中岩体北部的韵律层最具代表性。岩体出露面积约11.8平方公里。大体上为单斜层状岩体。岩体内部发育有层状构造、韵律层及火成纹理。走向近于南北，倾角平缓约10度一20度，一般向东倾斜。岩层最厚达1600米以上。底板为元古界大理岩及长英质角岩等。底板不平，由西向东底板向下倾伏，岩体底部岩层厚度也随之加大。李德惠、茅燕石等对其岩相带、韵律层特征、岩石化学特征及韵律层形成机理进行了深入研究。根据岩性特征划分两个岩相带，自上而下为辉长岩带及超镁铁岩带。两个岩相带之间为相接触，以自形磷灰石、斜长石的出现为标志。(a)辉长岩相带。主要矿物成分为斜长石及含钦普通辉石，其次为钒钦磁铁矿、磷灰石及含钦普通角闪石。斜长石含量与暗色矿物含量呈反消长关系作韵律变化。斜长石成分呈韵律变化，自上而下由An68至An81。这只是辉长岩带下部的变化，辉长岩带上部可降至An33。磷灰石呈自形晶，最大含量可达13%。钒钛磁铁矿呈填隙状。根据斜长石与暗色矿物相对含量、斜长石成分变化及结构特征划分两个韵律层。韵律层的上部主要为含磁铁磷灰辉长岩，结构特征是斜长石自形程度等于含钛普通辉石。下部主要为暗色含磁铁(或磁铁)辉长岩，结构特征为含钛普通辉石自形程度高于斜长石。第一韵律层厚度160米，自上而下斜长石成分由An65至An78。第二韵律层厚度107米，斜长石成分由An58至An81。(b)超镁铁岩带。厚度约793米，因底板向东倾伏，厚度横向变化较大，西部最薄仅200米左右，东部最厚可达985米。主要矿物成分为含钦普通辉石、橄榄石及钒钦磁铁矿，其次为含钛普通角闪石。斜长石(An62—An65)含量极少且呈它形。橄榄石含量与钒钛磁铁矿及含钛普通辉石含量呈明显反消长关系作韵律变化。橄榄石Fo含量向下呈韵律性增加，由Fo7i至F088。岩石的Cr2O3含量与橄榄石含量呈明显的正相关关系，Cr2O3含量高峰与橄榄石含量高峰非常一致。主要岩石类型为单辉岩、橄榄单辉岩及磁铁岩等，有少量橄榄石及含长单辉岩。根据橄榄石与含钛普通辉石及钒钛磁铁矿的相对含量，橄榄石成分变化及Cr2O3含量变化划分10个韵律层。每一个韵律层的下部都富含Cr2O3及橄榄石堆积晶，向上橄榄石逐渐减少至无，橄榄石Fo含量及岩石中Cr2O3含量亦随之降低，含钛普通辉石及钒钛磁铁矿则向上增加。底部多为嵌晶包橄包铁结构，上部多为粒状镶嵌结构。韵律层之间为相接触，以出现橄榄石堆积晶为标志。韵律层内上、下层之间仍为相接触，以橄榄石堆积晶消失，出现含钦普通辉石堆积晶为标志。韵律层厚度从32至149米，通常为40一60米左右。上部及底部的韵律层厚度较大，中部韵律层较薄。李德惠等人的研究表明，红格矿岩浆演化总趋势与太和岩体大致相似，仍由富镁一富铁一富碱质。但与太和岩体相比，分异径迹右侧更靠近Fe一Mg边线，起点更低，表明初始岩浆比太和更富镁铁而碱质稍低。富镁一富铁径迹反映了超镁铁岩带内，由富含橄榄石岩石至富含钒钛磁铁矿岩石的变化，并表明磁铁矿富集在超镁铁岩带的中上部位。富铁一富碱径迹反映了由富含磁铁矿超镁铁岩带至贫磁铁矿辉长岩带的变化。此径迹较陡表明超镁铁岩带至辉长岩带的急速改变。通过进一步的分析，李德惠等人得出了韵律层的形成机理。红格岩体的初始岩浆为富铁钦贫硅弱碱性橄榄玄武岩浆，比太和岩体更富铁镁更贫硅。与太和岩体不同，红格岩体下部有较厚的超镁铁岩带，其厚度大约占整个层序的1/2。没有未分异岩浆的补给，橄揽玄武岩浆不可能形成这样厚的超镁铁岩带。此外超镁铁岩带内的每一个韵律层下部都富含Cr2O3及橄榄石，橄榄石Fo含量较高，向上逐渐降低，上部富含钒钦磁铁矿及含钦普通辉石。这种成分上的逆转变化也需要有未分异新岩浆的加入。因此红格岩体下部超镁铁岩带的韵律层主要是由未分异岩浆脉动式多次注入形成的。岩浆侵入初期，发生一定程度的液态重力分异作用。使岩浆下部更富铁镁而上部更富硅铝。随着温度的下降，当岩浆房底部过冷却带到达橄榄石液相线温度之下时，橄榄石开始大量成核结晶，稍后钒钛磁铁矿少量成核结晶，以及结晶带内一定程度的重力下沉，形成韵律层下部含磁铁橄榄单辉岩（或橄榄岩），其结构特征是含钛普通辉石呈较大嵌晶状颗粒包含橄榄石及少量自形钒钛磁铁矿，构成嵌晶包橄及包铁结构。辉石为堆积间矿物，是橄榄石和磁铁矿之间少量核心缓慢生长形成的。随着结晶作用的继续进行，橄榄石停止成核，钒钛磁铁矿及含钛普通辉石大量成核结晶，在结晶带内下沉堆积，形成韵律层上部的磁铁（或富磁铁）单辉岩或单辉磁铁岩。主要具粒状镶嵌结构，有时辉石包含自形钒钛磁铁矿或二者呈文象状交生。含钛普通辉石及钒钛磁铁矿结晶一定时期之后，由于未分异岩浆流入岩浆房中，岩浆温度回升，成分改变（Mg、Cr等组分增多），结晶作用停止。当岩浆温度下降到橄榄石的液相线温度以下时，结晶带内橄榄石重新开始大量成核结晶，重复上述的结晶作用，形成另一个韵律层。每一次新岩浆的流入，都重复上述作用形成一个韵律层。从韵律层厚度变化看来，岩浆脉动频率从中部以上逐渐减弱，至辉长岩带基本停止而趋于稳定。辉长岩带的韵律层的形成作用与太和岩体相似，主要由斜长石与含