鐵氧化物磷灰石（IOA）礦床是歐洲和世界各國重要鐵資源來源。近期，瑞典LKAB公司在瑞典Kiruna礦床中還報道了大量稀土資源，使其成為當前歐洲最大的稀土礦床之一。全球其他地區(qū)不同時代IOA礦床也報道了稀土資源。因此IOA礦床具有較大的稀土資源潛力，但稀土富集機制并不明確，主要原因是當前已有模型僅能解釋部分礦床結構或地化特征，難以詮釋成礦的各關鍵特征。盡管實驗巖石學手段已經廣泛的運用在成礦過程的關鍵參數獲取上，然而對于FeP-Si熔體不混溶，由于前人實驗大多沒有添加稀土元素，且難以得到較大不混溶熔體，因此較高程度不混溶鐵磷酸鹽-硅酸鹽間的主微量元素配分系數測定不準確，對不混溶熔體結構限定較差，對于為何IOA礦床富集稀土仍然沒有較好的解釋。

針對以上問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變全國重點實驗室博士生晏圣超，在萬博研究員與澳大利亞國立大學Michael Anenburg、John Mavrogenes共同指導下，開展了新活塞圓筒分層實驗。相對于前人實驗，十七個活塞圓筒實驗分層，溫壓范圍廣（800-1150 °C; 0.4和0.8 GPa），添加了微量元素，不使用離心步驟得到平衡且較大不混溶鐵磷酸鹽-硅酸鹽熔體，可測定元素配分系數、觀察不混溶熔體結構（圖1）。

圖1 (a)前人添加稀土元素的Fe-Si不混溶實驗以及本文新實驗(五角星, 正方形, 三角形); (b)本文分層實驗設計以及(c)實驗結果示例，得到了礦物和較大的不混溶熔體。(a)中n/m/wIM表示窄/中等/寬不混溶

研究取得的重要認識總結如下：

（1）寬不混溶程度下FeP熔體和富Si熔體間稀土配分系數可接近200，遠超前人報導的值（<20）。基于微量元素配分系數，經歷過FeP-Si不混溶的鐵礦床（例如IOA，鈦鐵磷灰?guī)r，釩鈦磁鐵礦）應具有一定稀土，磷，釷，鈷，釩潛力，潛力大小與不混溶程度相關（圖2）。

（2）前人研究認為增加氧逸度、降溫等過程可以促進不混溶，本實驗發(fā)現FeP熔體中雜質隨壓力降低變小變少的規(guī)律，表明降低壓力也可促進兩相熔體分離，擴大不混溶程度，促進IOA成礦。

（3）無論不混溶程度如何，FeP熔體和富Si熔體間輕稀土配分系數均大于重稀土，為全球IOA礦床中稀土資源的探索和準確評估提供理論依據。

圖2 實驗熔體產物的成分(a-b)和主微量元素配分系數(c-e)。寬不混溶時稀土配分系數可接近200 (52F)，遠高于前人報導。Ca, P, Mg進入FeP熔體，符合礦床中出現磷灰石，透輝石，陽起石礦物；輕稀土配分系數高于重稀土，符合IOA礦床輕稀土富集特征; FeP熔體Ti/Fe低于硅酸鹽熔體，符合IOA礦床中低Ti磁鐵礦。*由于FeP熔體中存在雜質（圖3），窄不混溶和中等不混溶實驗（nIM, mIM）的配分系數可能略微向1靠近

圖3 實驗產物結構(左列)復現El Laco (b, d, f, i, k)、Kiruna (l)和El Romel (g) IOA礦床中結構(右列)。具體結構特征為: (a-b)兩種FeP相; (c-d)富鐵熔體被富Si熔體包圍; (e-g)磁鐵礦中出現富硅包裹體或石英; (h-i)鐵磷相中含富硅熔體玻璃或出現石英; (j-l)梳狀磁鐵礦

研究成果發(fā)表于國際學術期刊GPL(晏圣超, 萬博*, Michael Anenburg, John Mavrogenes. Silicate and iron phosphate melt immiscibility promotes REE enrichment [J].Geochemical Perspectives Letters, 2024, 32: 14-20. DOI: 10.7185/geochemlet.2436.)。該成果被AGU Eos, 新華網等多家國內外新聞媒體以“埋藏在消亡火山中的富鐵巖漿可能蘊含大量新稀土資源”為主題廣泛報道, 對增加全球稀土資源儲量具有積極意義。研究受國家自然科學基金(42325206)，中國科學院先導B專項(XDB0710000)和澳大利亞研究委員會(LP190100635)共同資助。

編輯：劉強