李建威教授團隊在脈狀金礦床成因機制研究方面取得重要進展

作者:趙 時間:2022-05-06 點擊數:

(通訊員:趙冬莉)范高華(博士研究生),李建威* 等,資源學院/GPMR國家重點實驗室. PNAS(2022), Garnet secondary ion mass spectrometry oxygen isotopes reveal crucial roles of pulsed magmatic fluid and its mixing with meteoric water in lode gold genesis

近日,資源學院和地質過程與礦產資源國家重點實驗室李建威教授團隊在國際著名綜合類學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上發表論文《Garnet secondary ion mass spectrometry oxygen isotopes reveal crucial roles of pulsed magmatic fluid and its mixing with meteoric water in lode gold genesis》,通過石榴石礦物顯微結構和氧同位素地球化學研究揭示深部巖漿熱液脈動上升及巖漿熱液與大氣降水混合對脈狀金礦床成礦的重要作用,論文第一作者為資源學院博士研究生范高華同學,通訊作者為李建威教授。

脈狀金礦床形成于中地殼和上地殼層次,礦體形態和產狀受脆-韌性剪切帶控制,礦體在三維空間上多呈脈狀,通常表現為沿組向和傾向延伸均較穩定的石英-硫化物-碳酸鹽脈,金以可見自然金或不可見晶格金的形式存在于硫化物等礦物中。這類礦床主要分布在前寒武紀克拉通和顯生宙造山帶中,已探明黃金資源量7~8萬噸,是迄今為止全球最重要的黃金來源。成礦作用時間、成礦流體和成礦金屬來源、成礦作用過程和礦石沉淀機制是這類礦床成因研究的核心科學問題。針對成礦流體來源與成礦作用過程及成礦機制,目前的主流觀點認為,脈狀金礦床的成礦流體主要來自綠片巖相-角閃巖相變質巖的變質脫水作用;由中-下地殼巖石發生變質作用釋放出的流體沿區域斷裂向上遷移過程中由于流體不混溶作用或流體-巖石相互作用導致金的硫氫絡合物穩定性降低而解體并發生金礦化。但巖漿流體和流體混合作用是否對脈狀金礦床的形成具有重要作用,一直是國際礦床學界激烈爭論的問題。

為回答上述科學問題,李建威教授團隊以我國華北克拉通東坪超大型脈狀金礦床為研究對象,對不同成礦階段(成礦前、成礦期和成礦后)形成的石榴石進行了詳細的礦物顯微結構、礦物化學和氧同位素分析。他們利用二次離子探針技術對各類石榴石進行了系統的高精度微區原位氧同位素分析,并通過石榴石-水的氧同位素分餾方程計算出成礦前期、主成礦期和成礦后期的流體氧同位素組成。研究結果表明,同一成礦階段的不同石榴石顆粒以及同一石榴石顆粒的不同生長環帶其氧同位素組成均表現出頻繁的動蕩變化(圖1);這種頻繁和劇烈的同位素變異無法用石榴石結晶溫度變化、石榴石的化學成分變化、成礦流體沸騰等因素所引起的同位素分餾來解釋。他們進一步通過水-巖相互作用過程的數值模擬排除了成礦流體與容礦巖石之間的氧同位素交換是導致上述同位素變化的原因。

1.不同成礦階段代表性石榴石礦物顆粒的氧同位素組成及其變化特征,以及石榴石礦物成分及稀土元素含量與氧同位素之間的關系。XAdr:石榴石中的鈣鐵榴石端元組成;REE:稀土元素;Garnet:石榴石;Py:黃鐵礦;Spe:鏡鐵礦;C:石榴石核部;R:石榴石邊部

基于石榴石氧同位素分析結果計算出的成礦流體氧同位素組成表明,不管是哪個成礦階段,成礦流體最開始的氧同位素組成都與巖漿流體的氧同位素組成(δ18O)相似,但隨著流體的演化,δ18O值迅速降低,這種降低反映了一種完全不同的低δ18O外部流體加入到成礦流體體系中,這種外部流體最可能是大氣降水。結合成礦時期的區域地質條件和礦床地質特征分析,研究團隊得出如下認識:在早白堊世華北克拉通巖石圈減薄的背景下,初始成礦流體起源于地殼深部巖漿房,該巖漿房在冷卻過程中發生流體飽和與出溶,出溶的流體攜帶硫、金等親硫元素和不相容元素沿控礦斷裂向上遷移進入上地殼,在斷裂構造活化過程中,周圍的大氣降水進入斷裂體系并與巖漿流體混合。由于深部巖漿房中基性巖漿的補充,巖漿房中的流體持續出溶并脈動上升,每一次巖漿流體上升運移到淺部地殼之后幾乎都與大氣降水混合。這種流體混合使流體的溫度降低,同時使流體的pH值和氧逸度升高,所有這些因素共同使流體中的金硫氫絡合物穩定性降低并解體,金釋放出來沉淀成礦。

2.各成礦階段的石榴石(上)及與之平衡的成礦流體(下)的氧同位素組成。Preore, Syn-ore, Postore分別表示成礦前期、主成礦期和成礦后期。G1~G17表示石榴石礦物顆粒編號。

基于以上研究,研究團隊建立了基于流體演化的東坪金礦床成礦模型,強調巖漿流體脈動上升和外部大氣降水混合貫穿成礦作用的全部歷史,是形成東坪超大型金礦床的重要機制。該項研究的意義在于提出了一種新的準確示蹤成礦流體來源的方法,為巖漿流體參與脈狀金礦床的形成提供了可信的證據,并證明深部巖漿流體與淺部大氣降水混合是脈狀金礦沉淀的另一重要機制。由于石榴石在很多熱液成礦系統中均發育,且石榴石能很好地記錄和保存成礦流體的氧同位素組成,因而基于石榴石顯微結構觀察的氧同位素微區原位分析可為地球內部熱液流體活動及相關成礦作用的成因和演化提供新的途徑。

論文信息:

Title:Garnet secondary ion mass spectrometry oxygen isotopes reveal crucial roles of pulsed magmatic fluid and its mixing with meteoric water in lode gold genesis

AuthorsLi?Fan, Jian-Wei?Gao-Hua*Zhao?Deng, Ya-Fei Wu, Zhan-Ke Li, Wen-Sheng Gao, Si-Yuan Li, and Shao-Rui?Scicchitano, Philip E.Brown, Jin-Hui Yang, Paul T.Robinson, Xiao-Dong?, John W.Valley, Maria Rosa

SourcesPNAS, 2022,119 (19):e2116380119

PublishedMay 2,2022

論文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2116380119

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