三维空间中的铂矿石:通过高分辨率X射线计算断层摄影技术获得的认识

本文使用高分辨率(约1 微米)X 射线计算断层扫描(HRXCT)技术,对从Rustenburg 铂矿的Merensky 矿层上部和下部铬铁岩中采集的样品开展了首次PGM 原位三维大小、形状和结构测量。

1 引言

铂族元素(PGE,包括铂、钯、铑、钌、铱和锇)是应用在各个领域的战略金属。。Bushveld杂岩(南非)是地球上最大的PGE储藏库,目前提供了全球75%的铂供应量。矿石级PGE 的含量通常约为全岩的10×10-6,发现于被称为矿层(reef)的狭窄(数米厚)岩层中(如UG-2铬铁矿或Merensky矿层),这些岩层大部分分布在侵入体的下部。Merensky矿层是继UG-2矿层之后世界第二大铂金属来源,PGE 的平均浓度为5×10-6~10×10-6,并且延伸了几百公里,贯穿Bushveld 杂岩的东西两翼。

PGM 的赋存状态是这些岩浆型PGE 矿层成因的关键证据,在发现Merensky 矿层后的将近90 年里,这仍然是国际科学界激烈争论的话题。近30 年来,两个不同的流派之间发生了激烈争论:一个提出的富集模式认为是通过来自上覆岩浆柱的极度富PGE 的岩浆硫化物气泡的累积而形成的(正岩浆假说),另一个认为PGE 是由向上迁移的晚期岩浆或通过堆晶间隙向上移动的岩浆后期富卤素的流体聚集而成。

在过去的30 年里,人们主要是使用矿石显微镜、扫描电子显微镜(SEM)或电子探针对从岩石样品上随机切下的二维光薄片或块体(每个样品通常只有很少几个薄片)进行PGM 研究。尽管这些技术对于表征不同的PGM很重要,但是它们无法生成样品的真三维视图,还有可能导致对空间关系的解释不完整或带有个人偏见,而空间关系是了解矿床成因的关键。

为了克服这一问题,我们使用高分辨率(~1 微米)X 射线计算断层扫描(HRXCT)技术,对从Rustenburg 铂矿(图1)的Merensky 矿层上部和下部铬铁岩中采集的样品开展了首次PGM 原位(样品尺度)三维大小、形状和结构测量。前人对这些样品已开展过二维空间的描述和研究。

2 研究方法

HRXCT 扫描采用Skyscan 1172 桌面型高分辨率扫描仪,在澳大利亚珀斯CSIRO(联邦科学与工业研究组织)加工科学与工程研究所进行。扫描仪连接100 千伏、100 微安的电源,一个铝-铜滤波器,样品旋转的步幅为0.3°(360°旋转)。图像(切片)的重建使用了NRecon 软件,并针对感兴趣特征作了可视化优化处理(图1)。每个切片图(图1)是穿过那个样品被扫描部分的X-射线的衰减量变化的灰阶图。线性衰减系数主要取决于平均原子序数和材料的密度。用阈值圈出感兴趣的矿物并对其分类。将所得到的图像与利用SEM 得到的背散射电子图像进行交叉检查。图像处理、三维表面渲染以及大小和形状计算均使用Avizo 软件及其内部算法来完成。

图1 Merensky 矿层下部铬铁岩层中的代表性矿物组合

图1 Merensky 矿层下部铬铁岩层中的代表性矿物组合。

A:显示铂族矿物与硫化物二维结构关系的代表性薄片;磁黄铁矿(Po)、镍黄铁矿(Pn)、黄铜矿(Ccp)、铬铁矿(Chr)和硅酸盐(Sil)呈共生关系;B-E:显示PGM 实例的背散射电子图像。需要注意的是Pt3Fe,在二维平面上它似乎被封闭在硫化物(Po 和Pn)中,但在三维空间中它其实位于铬铁矿和硫化物之间的边界上。

3 PGM 的三维大小、形状和结构关系

我们分别在下部和上部铬铁岩样品的HRXCT 图像上观察到了73 个和48 个PGM(图1、图2)。该技术没有分辨不同PGM 的能力,但是可以将具有较高原子序数的PGM 与贱金属硫化物清楚地区别开来。PGM 的化学形态通过对从同一块样品上随机切割的光薄片的二维观察来确定(表1),主要由铂-钯硫化物、铂-铁合金、铂-钯碲化铋、钌(铱、锇)硫化物和铱-(锇、钌、铑)合金组成。

图2 来自Merensky 矿层的铬铁岩层中的铂族矿物(PGM)和硫化物的三维分布

图2 来自Merensky 矿层的铬铁岩层中的铂族矿物(PGM)和硫化物的三维分布

A:下部铬铁岩层中PGM 的分布及其与硫化物之间关系的三维渲染图。底面显示了铬铁矿(Chr,灰色)晶粒形态的切片。B:上部铬铁岩层中PGM 的分布及其与硫化物之间关系的三维渲染图。底面显示了铬铁矿(灰色)晶粒形态的切片。C:较大PGM 颗粒样本(图A 中的箭头C)的不同视图。每一种情况都给出了矿物的三维长度(两个白色方块之间的距离)。

4 对铂族矿物形成的启示

根据我们的研究结果,Merensky 矿层的铬铁岩中PGM 的任何成因模型都需要考虑以下几个方面:①PGM 与硫化物的三维空间关系;②PGM 在硫化物泡体边界上的位置,大部分情况下位于硫化物、铬铁矿和硅酸盐的三联点上;③很少量的PGM(体积<1%)被完全包裹在硫化物中,但在二维视图中看不出来;④很少量的PGM(体积<1%)被完全包裹在铬铁矿中;⑤PGM 的化学特征(即铂-(钯)硫化物、铂-(钯)碲化铋、富PGE 合金)。

我们提出PGE 最初由硫化物流体富集,但PGM 的形成是由发生在硫化物泡体与其他相的界面上的局部现象所引发的。我们的三维研究结果表明,在大多数情况下PGM 位于硫化物、铬铁矿与硅酸盐三者之间的界面上,这表明这三个相可能与PGM 的形成过程有关。

PGM 位置的特殊性与PGM 相在硫化物泡体边缘特定位置的非均匀成核作用一致,类似于玻璃容器中发生杂质上的气泡成核作用。晶体的成核作用需要形成具有临界尺寸的原核(pronucleus),并克服基质中因物相的主要成分(在这种情况下通常为铂)含量较低而造成的动力学障碍。硫化物流体、硅酸盐和铬铁矿颗粒之间的三联点可能是有利的成核位置,它通过与硫化物-铬铁矿-硅酸盐反应有关的氧化还原锋面来使成核作用得到加强。此外,PGM 可能通过晶粒边界的流体或蒸气作用,由矿物相发生固态再分配而形成。这个再平衡过程可能在冷却时发生,使表面自由能达到最小。物理过程,例如在这些样品中观察到的晶体堆积压实作用,也可能影响成核位置的分布或有利于固态再分配。无论精确的作用机制是什么,三维观察有力地支持了PGM 在硫化物液滴边缘的特定有利位置发生成核作用并生长的正岩浆模型。

吕鹏 摘译自“Godel Belinda, Barnes Stephen J., Barnes Sarah-Jane and Maier Wolfgang D.Platinum ore in three dimensions: Insights from high-resolution X-ray computed tomography. Geology, 2010, 38(12): 1127~1130.”(李万伦审稿)

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