崔梦萌等：硫化物释放流体驱动岩浆Ni-Cu硫化物矿床中Fe同位素的不平衡分馏

论文信息：崔梦萌，苏本勋，王静，白洋，赵寿骞. Sulfide-associated hydrous fluids drive Fe isotope disequilibrium in magmatic Ni-Cu sulfide systems: Insights from coexisting silicates and sulfides in the Hongqiling deposit[J]. Journal of Petrology, 2026, 67(9): egag074. DOI: 10.1093/petrology/egag074.

岩浆型Ni-Cu硫化物矿床的形成伴随着复杂的岩浆演化与硫化物成矿过程，铁（Fe）同位素作为重要的示踪工具，已被广泛应用于该类矿床的研究中。已有研究表明，岩浆挥发分气泡在硫化物熔体的向上运移和富集过程中起着关键作用，并在硫化物熔体侵位与结晶过程中以富水流体的形式被释放。然而，这些与硫化物密切相关的流体在随后的冷却过程中，是否以及如何影响共生硅酸盐矿物的Fe同位素组成，始终未得到有效解答。同时，由于硅酸盐矿物（如橄榄石）常被用来反演母岩浆性质和成矿作用，如何区分原生岩浆演化的平衡特征与挥发分流体驱动的叠加改造作用，是能够有效利用同位素反演成矿过程的关键。

针对上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所崔梦萌博士后、苏本勋研究员及合作者对中亚造山带红旗岭Ni-Cu硫化物矿床开展了系统的矿物学和Fe同位素地球化学研究。研究结果显示硅酸盐矿物、氧化物（铬尖晶石）及硫化物之间存在系统的Fe同位素分馏。具体表现为：δ56Fe值沿“橄榄石—斜方辉石—单斜辉石—角闪石—铬尖晶石”序列依次升高；在硫化物体系中，也从磁黄铁矿和镍黄铁矿向黄铜矿逐渐递增（图1）。通过对不同硫化物含量岩石的进一步对比研究表明，岩石中硫化物含量的差异直接影响了矿物中Fe同位素的分配：无矿岩石中的硅酸盐矿物与铬尖晶石保留了典型的高温岩浆Fe同位素平衡特征；而在矿化岩石中，矿物间表现出显著的Fe同位素不平衡分馏，主要表现为橄榄石的δ56Fe值异常偏低，而角闪石的δ56Fe值显著偏高（图1）。

图1 红旗岭矿床无矿及矿化岩石中硅酸盐矿物、铬尖晶石及硫化物的Fe同位素组成随硫化物含量的变化关系

研究深入论证了Fe同位素的不平衡并非由分离结晶、地壳混染或晚期热液叠加所致。一方面，无矿岩石中硅酸盐矿物的δ56Fe随Mg#降低而升高，符合典型的分离结晶演化趋势，而在矿化岩石中二者却呈现反常的正相关关系，从而排除分离结晶的作用（图2）；另一方面，岩体虽经历了地壳混染，但主要通过增加岩浆的Si含量来促发硫饱和，并未带入外来的S和Fe。此外，矿化岩石中橄榄石的蚀变呈明显围绕硫化物分布的“选择性蚀变”特征（图3），这有别于晚期热液活动引起的随机、广泛蚀变；加之硫化物普遍保持新鲜且其δ34S值具有典型的幔源特征，进一步排除了晚期热液叠加的可能。结合铬尖晶石在无矿岩石（均一）与矿化岩石（反环带）中环带结构明显差异的岩石学证据（图3），均表明硅酸盐矿物中Fe同位素组成的变化可能与硫化物密切相关。

图2 岩浆Ni-Cu硫化物矿床和层状侵入体中硅酸盐矿物与铬尖晶石的 δ56Fe值对Fo或Mg#的相关图

图3 硅酸盐矿物选择性蚀变特征及铬尖晶石环带结构的代表性背散射图像

基于对共生磁黄铁矿与黄铜矿的同位素地质温度计计算结果显示，两者在矿化岩石中的Fe同位素平衡温度大多低于200℃（图4）。这种低温条件下广泛存在的亚固相再平衡作用，表明岩体冷却过程中必然存在一种高效、易迁移的动力学介质来促进元素交换。进而，研究提出硫化物相关含水流体驱动Fe同位素不平衡分馏的模型（图5）：附着在硫化物熔体上的挥发分气泡在硫化物结晶时以富水流体的形式释放，该流体继承了晚结晶黄铜矿的重Fe同位素特征，并与早期结晶的橄榄石发生Fe-Mg扩散交换；轻Fe同位素扩散更快而优先进入橄榄石，残余流体因此更富集重Fe，并在与周围硅酸盐熔体反应时结晶出具有高δ56Fe值的角闪石。该研究揭示了硫化物相关流体对矿化系统中硅酸盐矿物的强烈化学改造作用，并强调未来在将此类硅酸盐矿物作为岩石成因指标（如地质温度计、氧逸度计）时，必须谨慎评估其含水流体的影响。

图4 共生磁黄铁矿与黄铜矿间的Fe同位素分馏特征及其平衡温度

图5 硫化物释放含水流体驱动硅酸盐矿物Fe同位素不平衡的模式图