科学视点

地质地球所等揭示造山带热液金属矿床高盐、高氧逸度变质流体演化

  造山带内深部流体(Deep fluid)控制地壳中深部金属元素的活化-迁移-富集,造成金属元素在有限地质体范围内异常富集,形成不同类型的超级大矿,如造山型金矿床、铁氧化物型铜金矿床(IOCG)、热液铜多金属矿床(铁硫型铜金矿床-ISCG)等,其中一个关键科学问题是深部流体来源及演化。造山型金矿床的成矿流体通常被认为是含金泥质岩或基性岩通过变质脱流体形成含CO2H2S的低盐度流体(e.g. Tomkins et al. 2010);然而,铁氧化物铜金矿床成矿流体为高盐流体,可能来自岩浆流体,比如澳大利亚的Ernest Henry铜矿床,也可能是加热的盆地卤水,还可能是蒸发岩通过变质脱流体形成(Tomkins et al., 2020)。因此,重新审视并厘清形成在造山带内的热液铜(钴)多金属矿床的流体来源问题,将有助于理解关键金属矿产-钴金属的成因与勘探。

  为解决上述问题,中国科学院地质与地球物理研究所博士后邱正杰、研究员范宏瑞,联合澳大利亚莫纳什大学副教授Andrew Tomkins、教授Joel Brugger等,以华北克拉通中部造山带内的热液铜钴多金属矿床为研究对象,识别出变质和热液交代成因的两种类型方柱石,以此探讨变质流体的演化。研究采用电子探针微区面扫描分析(图1)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱对方柱石进行高精度Cl和Br含量分析(图2),以及对方柱石中S进行基于同步辐射的近边吸收光谱分析(XANES)的分析(图3)。研究表明,变质成因方柱石形成在钙质蒸发岩内,由石盐、方解石和长石反应形成;热液交代成因方柱石通过高温高盐流体强烈交代角闪岩中的斜长石形成在。方柱石形成时,Cl/Br比值几乎不发生分馏,且共生的黑云母、角闪石等含水矿物中Br的含量低,因此,方柱石Cl/Br比值可代表流体的Cl/Br比值。原位近边吸收光谱分析(S-XANES)表明,方柱石中,S6+/∑S变化范围为0.77到0.92;热力学计算结果说明,与方柱石平衡的流体的氧逸度较高(log fO2>-15)。

  该研究的意义在于:(1)确认方柱石Cl/Br比值,可有效指示流体的来源,精确测定出方柱石中S以高价态S6+为主,低价态的SS4+S2-)较少;(2)解决造山带内高盐高氧逸度变质流体的源区问题:含变质方柱石的蒸发岩在退变质过程发生水解,可为变质流体提供大量Cl和氧化性S,进而有效提高铜金钴等金属元素在流体中的溶解度,有利于形成热液铜多金属矿床。

  相关研究成果以Insights into salty metamorphic fluid evolution from scapolite in the Trans-North China Orogen: Implication for ore genesis为题,发表在Geochimica et Cosmochimica Acta上。研究工作得到国家自然科学基金重大项目和中国博士后科学基金项目的支持。

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  图1.(A)变质成因自形方柱石(左上)和交代成因它形方柱石(右上)CL图像,自形方柱石元素Mapping图展示环带成分变化(左下为钙柱石百分含量-Me%;右下为Cl元素的分布)(B)方柱石的形成与结构随变质PT轨迹的演化

图2.方柱石的稀土配分图解可区分不同成因方柱石(A);Cl/Br摩比-Br含量图解可有效识别不同储库的流体(B)

  图3.(A)方柱石中S氧化态的近边吸收光谱分析(XANES);(B)方柱石S6+/∑S比值可估算与方柱石发生平衡的流体氧逸度范围


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