晏圣超等：地球演化中的铁氧化物-磷灰石矿床及铁-稀土组合认识

地球诞生以来，构造样式和大气-环境状态持续演化，演化过程中形成的各类矿床是支撑人类社会工业、经济、科技等不断发展的重要资源基础。地球历史中，不同类型的矿床通常形成于特定的构造、岩浆和表生环境。很多矿床同时富集多种关键元素，具备多元资源潜力。研究人员据此开展勘探工作，并在研究和实践中不断完善成矿理论。

以铁氧化物-磷灰石(iron oxide-apatite;IOA)矿床为例，其原型矿床为瑞典Kiruna地区的铁矿，又称作Kiruna型铁矿。该类矿床遍布全球，是世界各国重要的铁资源来源。除了铁资源，该类矿床具有稀土资源潜力，已被瑞典Kiruna地区IOA矿床的大量稀土资源证实（参考瑞典LKAB公司2023年和2025年的报道）。Kiruna地区也因此成为欧洲最大稀土矿区之一。前人针对该类矿床开展了大量研究，揭示其为岩浆热液矿床。但地球演化与其时空分布的关系不清晰，成因争议也十分激烈，有富铁熔体，盐熔体，岩浆-热液成矿，磁铁矿-热液泡上浮，围岩交代等诸多模型。此外，铁和稀土共同富集的机理和普遍性仍未得到系统梳理。

针对以上问题，岩石圈演化与环境演变全国重点实验室晏圣超博士与其合作导师万博研究员联合李晓春研究员及不同国家的学者基于全球板块构造、矿物、岩石、矿床以及实验岩石学等方面研究工作，开展了系统归纳和有针对性的实验岩石学探索。 取得如下重要认识：

发现IOA矿床成矿峰期与全球俯冲带和蒸发岩发育的峰值时期重合。基于地球板块构造和大气-环境演化历程与IOA成矿环境和时空分布对比（图1），提出了地球岩石圈和表层大气-环境圈层演化控制IOA矿床时空分布的概念模型。

实验岩石学研究发现，岩浆-蒸发岩-富铁磷地层三者反应体系中，铁氧化物磷酸盐-硅酸盐熔体不混溶、盐熔体、热液、磁铁矿-热液泡组合和富氯的硅酸盐熔体皆可存在（图2），包含前人各类成矿模型的关键特征。因此，前人争议并不一定非此即彼，而可能仅是矿床复杂的形成过程中的不同阶段，同一矿区不同矿体的主要成矿流体可能也并不相同。

以稀土和铁均富集共生为核心，提出并定义铁-稀土组合概念，建立分类方案；同时讨论不同铁-稀土组合的形成机制，归纳总结出稀土和铁共同富集的内在机理、地质过程与后续研究方向（图3）。

图1 大气-表生环境(a)和岩石圈(b)演化与铁氧化物-磷灰石矿床成矿时间(c)对比

图2 实验产生了与铁氧化物-磷灰石成矿系统相关的关键特征。(A, B)为C中富FeCaP不混溶乳液的放大图像；Bubble指流体泡。缩写：Ap-磷灰石，Cpx-单斜辉石，FeP liquid-铁氧化物-磷酸盐熔体，Mag-磁铁矿

图1的对比揭示出了控制IOA矿床时空分布的两条主要规律。规律（1）：IOA主要形成于古元古代以来，受益于该时期陆地逐步露出海面，全球俯冲带逐步全球化联动，大气-海洋逐步氧化。这些变化进而导致岩石圈更广泛的俯冲带发育，地表环境中更易形成富Fe2O3岩石(如红层)、富磷岩石(如磷块岩)和含硫酸岩蒸发岩，创造了有利于IOA矿床发育的环境。规律（2）：自20亿年以来IOA成矿峰值与增生造山带/大陆弧长度和盆地规模蒸发岩/沉积物发育峰值重合，反映了其形成受控于板块构造节律，与其主要形成于俯冲相关环境吻合，也支持岩浆热液系统地壳混染富铁磷地层和蒸发岩能促进IOA成矿的假说。部分矿区中，蒸发岩略早于或与IOA成矿岩浆基本同期(如伊朗Bafq地区)，表明温室气候可能对成矿有一定控制作用。以上规律表明，地球长期演化过程中，IOA成矿有利条件在不同时期达到峰值，从而导致了该时期成矿峰值，这一规律对矿床勘探具有潜在价值。未来的实验岩石学、具体矿床研究等工作能检验或进一步补充完善我们提出的模式。研究对探究地球演化对其他矿床或岩浆活动时空分布的控制作用也有启示。

在图1归纳的框架下，为了探究地壳混染蒸发岩和富铁磷岩石能否以及如何促进成矿，他们在0.4 GPa压力和1200–1000 °C温度条件下，使用活塞圆筒仪器，创新性的开展了岩浆-蒸发岩-富铁磷地层三者反应的实验岩石学工作。实验条件代表该类矿床形成的高温、高压和初始地壳混染阶段。开展了两个实验，初始物质相同，实验压力均为0.4 GPa，温度则先加热到峰值温度，再降温到平衡温度(实验H 1200–1100 °C；实验 L 1150–1000 °C)，随后保持～4天，最后快速淬火至室温室压条件，制样观察。实验结果复现了前人提出的不同成矿模型的各种关键特征（图2），例如图2A展示的不混溶铁磷酸盐-硅酸盐熔体，在智利El laco和美国Adirondack山脉的矿区有所体现；图2B展示的树枝状磁铁矿，在Kiruna矿床和El Laco矿床有类似报道；图2C–E观察到的含铁盐熔体，在我国长江中下游矿区，El Laco矿床的矿石组合中也有类似现象；图2F则观察到了岩浆热液以及磁铁矿-热液泡集合体，是前人提出的热液和磁铁矿-热液上浮成矿模型中的核心成矿物质。图2E中硅酸盐熔体整体富氯（SiO2 ~59 wt%; Cl ~0.9 wt%; SO3 ~0.3 wt%），吻合岩浆-热液成矿模型中岩浆含氯或富氯的核心假设。

实验在特定温压和氧逸度条件，模拟了特定成分的岩浆-沉积物反应过程，为岩石圈中广泛发生并且变量庞杂的岩浆热液-沉积物反应提供了新的参考。实验体系中，岩浆混染蒸发岩的反应和演化过程可归纳如下。反应过程中会导致硅酸盐熔体脱硅（或稀释硅酸盐熔体SiO2），有利于铁，钙，磷等元素富集于低SiO2含量的硅酸盐熔体，例如，实验H观察到了低SiO2 (~30 wt%)并且富含Fe、Ca和P元素的不混溶乳液（图2A–C）。在缓慢降温的演化过程中，低硅熔体/乳液的SiO2含量通过结晶分异迅速升高（图2E，实验L硅酸盐玻璃含~59 wt% SiO2）。这也表明不混溶发生时快速喷发可能是天然矿床中类似图2A中不混溶熔体结构得以保存的重要条件，因为富铁-硅酸盐不混溶熔体在缓慢的结晶分异中可能结晶消失。由于初始硅酸盐混合物不含Cl-S-H2O，实验也体现了硫酸盐蒸发岩混染的另一重要作用，即增加岩浆的挥发分和盐离子含量，促进流体和盐熔体的形成。研究还阐述了混染过程中盐熔体/流体的两种形成路径：（1）超出硅酸盐熔体溶解度的蒸发岩熔化直接形成，即“熔盐”，应具有蒸发岩卤素比值；（2）盐离子和水溶解进入硅酸盐熔体，再在后续演化中从硅酸盐熔体中析出，与熔体平衡的此类盐熔流体，即“岩浆析出盐熔流体”，理论上应具有岩浆卤素比值。

研究团队前期发表于Geochemical Perspectives Letters的研究拓展了铁-稀土共同富集的机理（可参考相关报道）。基于此，他们梳理发现富铁的稀土矿可能赋存了全球过半稀土资源，故而归纳提出了“铁-稀土组合”概念，并初步总结了铁-稀土共同富集的各类机理。图3展示了包含IOA矿床的“铁-稀土组合“的分类、成因机理和潜在研究方向。“铁-稀土组合“有岩浆热液和非岩浆热液成因两种，可分为三大类：（1）伴生稀土的铁矿，铁氧化物-磷灰石矿床即属此类，（2）铁和稀土均有经济价值或经济价值潜力的矿化体，如白云鄂博这样显著富铁的特殊碳酸岩稀土矿床，以及（3）稀土矿中铁-稀土共同富集的地质体，例如离子吸附型稀土矿中铁-稀土共同富集的层位。

通过综述和归纳，铁-稀土共同富集的机理主要有以下三点：（1）岩浆体系中，富Fe和Ca、Mg、P、Ti元素的熔体通常聚合度较低，稀土倾向进入低聚合度熔体；（2）热液交代和风化过程中，铁(氢)氧化物的形成常伴随稀土从含稀土矿物中释放，并且能增加容矿孔隙以及矿物比表面积或反应面积；（3）大洋沉积环境和风化壳中，铁(氢)氧化物比表面积大，容易吸附稀土离子。

铁-稀土共同富集的地质过程则包括：成矿岩浆热液的源区同时富集铁和稀土；富铁-硅酸盐熔体不混溶过程稀土倾向分配进入富铁熔体；铁和稀土在碳酸岩岩浆演化过程均为不相容元素而逐渐富集；热液交代和风化过程释放稀土元素并形成铁(氢)氧化物；海底热液柱活动形成铁(氢)氧化物并吸附稀土等。未来可开展如下研究完善铁-稀土共同富集理论：剖析热液交代成矿过程中矿物和铁-稀土元素变化；开展岩浆-蒸发岩/碳酸盐岩反应和盐熔/流体铁-稀土溶解度实验；开展铁矿浆-碳酸岩熔体不混溶以及富铁碳酸岩熔体结晶分异实验；探究Fe和Ca、Mg、P、Ti含量对碳酸盐/硅酸盐熔体稀土溶解度的影响；评估海洋“铁-稀土组合”俯冲循环效应；检验岩浆热液体系中铁(氢)氧化物能否吸附磷和稀土；验证富铁或铁磷酸盐熔体玻璃溶解与富铁-稀土沉积物的关系。

图3 铁稀土组合共同富集机制、具体过程以及未来研究方向。缩写：IOCG-铁氧化物铜金，Mt-磁铁矿，Hem-赤铁矿

论文信息：

（1）晏圣超, 万博*, John Mavrogenes, Ulf B Andersson, Lithospheric and atmospheric state shifts controlled the global distributions of iron oxide-apatite (IOA) deposits[J]. Earth-Science Reviews, 2026, 277: 105480. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105480

（2）晏圣超, Michael Anenburg, John Mavrogenes, 万博*, Reactions among magmas, evaporites, and iron oxide–phosphate-rich strata promote iron oxide-apatite (IOA) deposit formation[J]. Geology, 2026. https://doi.org/10.1130/G54875.1

（3）晏圣超, 万博*, 李晓春. 矿化过程中铁-稀土组合的成因机理讨论与展望[J]. 岩石学报, 2026, 42(07), 2565–2599. https://doi.org/10.18654/1000-0569/2026.07.16