铁氧化物磷灰石（IOA）矿床是欧洲和世界各国重要铁资源来源。近期，瑞典LKAB公司在瑞典Kiruna矿床中还报道了大量稀土资源，使其成为当前欧洲最大的稀土矿床之一。全球其他地区不同时代IOA矿床也报道了稀土资源。因此IOA矿床具有较大的稀土资源潜力，但稀土富集机制并不明确，主要原因是当前已有模型仅能解释部分矿床结构或地化特征，难以诠释成矿的各关键特征。尽管实验岩石学手段已经广泛的运用在成矿过程的关键参数获取上，然而对于FeP-Si熔体不混溶，由于前人实验大多没有添加稀土元素，且难以得到较大不混溶熔体，因此较高程度不混溶铁磷酸盐-硅酸盐间的主微量元素配分系数测定不准确，对不混溶熔体结构限定较差，对于为何IOA矿床富集稀土仍然没有较好的解释。
针对以上问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室博士生晏圣超，在万博研究员与澳大利亚国立大学Michael Anenburg、John Mavrogenes共同指导下，开展了新活塞圆筒分层实验。相对于前人实验，十七个活塞圆筒实验分层，温压范围广（800-1150 °C; 0.4和0.8 GPa），添加了微量元素，不使用离心步骤得到平衡且较大不混溶铁磷酸盐-硅酸盐熔体，可测定元素配分系数、观察不混溶熔体结构（图1）。
图1 (a)前人添加稀土元素的Fe-Si不混溶实验以及本文新实验(五角星, 正方形, 三角形); (b)本文分层实验设计以及(c)实验结果示例，得到了矿物和较大的不混溶熔体。(a)中n/m/wIM表示窄/中等/宽不混溶
研究取得的重要认识总结如下：
（1）宽不混溶程度下FeP熔体和富Si熔体间稀土配分系数可接近200，远超前人报导的值（<20）。基于微量元素配分系数，经历过FeP-Si不混溶的铁矿床（例如IOA，钛铁磷灰岩，钒钛磁铁矿）应具有一定稀土，磷，钍，钴，钒潜力，潜力大小与不混溶程度相关（图2）。
（2）前人研究认为增加氧逸度、降温等过程可以促进不混溶，本实验发现FeP熔体中杂质随压力降低变小变少的规律，表明降低压力也可促进两相熔体分离，扩大不混溶程度，促进IOA成矿。
（3）无论不混溶程度如何，FeP熔体和富Si熔体间轻稀土配分系数均大于重稀土，为全球IOA矿床中稀土资源的探索和准确评估提供理论依据。
图2 实验熔体产物的成分(a-b)和主微量元素配分系数(c-e)。宽不混溶时稀土配分系数可接近200 (52F)，远高于前人报导。Ca, P, Mg进入FeP熔体，符合矿床中出现磷灰石，透辉石，阳起石矿物；轻稀土配分系数高于重稀土，符合IOA矿床轻稀土富集特征; FeP熔体Ti/Fe低于硅酸盐熔体，符合IOA矿床中低Ti磁铁矿。*由于FeP熔体中存在杂质（图3），窄不混溶和中等不混溶实验（nIM, mIM）的配分系数可能略微向1靠近
图3 实验产物结构(左列)复现El Laco (b, d, f, i, k)、Kiruna (l)和El Romel (g) IOA矿床中结构(右列)。具体结构特征为: (a-b)两种FeP相; (c-d)富铁熔体被富Si熔体包围; (e-g)磁铁矿中出现富硅包裹体或石英; (h-i)铁磷相中含富硅熔体玻璃或出现石英; (j-l)梳状磁铁矿
研究成果发表于国际学术期刊GPL(晏圣超, 万博*, 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.)。该成果被AGU Eos, 新华网等多家国内外新闻媒体以“埋藏在消亡火山中的富铁岩浆可能蕴含大量新稀土资源”为主题广泛报道, 对增加全球稀土资源储量具有积极意义。研究受国家自然科学基金(42325206)，中国科学院先导B专项(XDB0710000)和澳大利亚研究委员会(LP190100635)共同资助。
编辑：刘强