許婷等-GCA:下地殼流體出溶在斑巖型礦床成礦過程中的作用
巨型斑巖型礦床為全世界提供了絕大部分的銅和大量的金。這些礦床的形成需要巖漿將巨量的硫(S)、銅、金從下地殼深部巖漿房遷移至淺部成礦。斑巖型銅金礦床多形成于島弧和大陸邊緣等匯聚板塊邊界,其玄武質(zhì)成礦母巖漿通常富含揮發(fā)分(H2O、S、Cl等)且具有高氧逸度特征(FMQ+0.5~FMQ+2)。目前普遍認為高氧逸度可能是成礦關(guān)鍵,因為在還原條件下,S在巖漿中將以S2-形式存在且溶解度較低,導(dǎo)致硫化物易飽和結(jié)晶以及S難以大量運移;另一方面,在巖漿演化過程中,如果大量硫化物分離結(jié)晶,將造成巖漿中銅金等成礦元素虧損。而高氧逸度條件可以將硫化物(S2-)氧化為溶解度高2~5倍的硫酸鹽(S6+),從而抑制硫化物形成或者破壞硫化物堆晶,進而促進巖漿中S和金屬元素富集?;诖?,成礦母巖漿高氧逸度特征的產(chǎn)生機制成為斑巖礦床成礦領(lǐng)域研究的前沿和熱點。
然而,近年實驗研究表明在高壓或者低溫條件下,巖漿中硫化物可以在更高氧逸度條件下保持穩(wěn)定存在(如Matjuschkin et al., 2016; Nash et al., 2019),意味著僅憑高氧逸度難以抑制硫化物飽和。尤其是在俯沖帶高壓低溫情況下,可能需要極高氧逸度才能抑制巖漿硫化物飽和或者破壞已有硫化物,因而有必要探索其他抑制巖漿硫化物飽和的機制。例如深部巖漿流體飽和出溶,因為S在流體/熔體間分配系數(shù)遠大于1(相較于熔體,流體更加富集S),如果巖漿與流體共存,那么將極大增加硫化物與硬石膏的溶解度,從而避免硫化物飽和的同時有效運移S。質(zhì)量平衡計算可知富水玄武巖(~6 wt% H2O)在下地殼深部巖漿房結(jié)晶分異將產(chǎn)生富水長英質(zhì)巖漿,并達到流體飽和。下地殼作為斑巖型礦床成礦母巖漿演化重要場所,富水長英質(zhì)巖漿與流體是否能有效抑制硫化物結(jié)晶并運移巨量S和金屬元素至淺部成礦尚不清楚,其中關(guān)鍵的物理化學(xué)控制因素還缺少實驗巖石學(xué)制約。
針對上述問題,中國科學(xué)院廣州地化所博士研究生許婷、劉星成特任研究員、熊小林研究員與王錦團副研究員開展了一系列高溫高壓實驗(圖1為代表性實驗產(chǎn)物照片),取得了以下新認識:(1)當(dāng)壓力為1.0 GPa,溫度為950 ℃條件下,硫化物可以穩(wěn)定存在于FMQ+3.3的高氧逸度環(huán)境,意味著在俯沖帶條件下,硫化物難以完全被氧化為硬石膏并釋放成礦元素。(2)當(dāng)硫化物和硬石膏共存時,相比氧逸度,硅酸鹽熔體中S的溶解度受水含量的影響更大:在相同氧逸度條件下,熔體中的S溶解度隨著熔體中的水含量增加而快速上升(圖2)。當(dāng)氧逸度為FMQ+2時,富水長英質(zhì)熔體中S溶解度可高達8000 ppm。(3)實驗產(chǎn)物中均發(fā)現(xiàn)了出溶流體,質(zhì)量平衡計算可得S在流體/熔體間分配系數(shù)為5~257。所以巖漿富水不僅顯著增加了S溶解度,而且促進了富S流體(~5 wt% S)的出溶。
該研究表明,在下地殼巖漿演化過程中,隨著巖漿中水含量不斷增加,甚至達到流體飽和時,已經(jīng)結(jié)晶的硫化物將再次溶解。因此,下地殼條件下,流體飽和的長英質(zhì)富水巖漿不僅可以抑制硫化物飽和,同時還具有極高的運移S的能力。該研究提出下地殼流體出溶在巨型斑巖型礦床成礦過程中扮演重要角色。有關(guān)成果近期發(fā)表于國際地球化學(xué)權(quán)威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。該研究受國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會以及廣州地化所“涂光熾優(yōu)秀青年學(xué)者”計劃的聯(lián)合資助。
論文信息:Xu T.(許婷), Liu X.*(劉星成), Xiong X.(熊小林), and Wang J(王錦團). 2022, Sulfur dissolution capacity of highly hydrated and fluid-saturated dacitic magmas at the lower crust and implications for porphyry deposit formation. Geochim. Cosmochim. Acta, 333, 107-123

圖1. 代表性實驗產(chǎn)物背散射照片。(po:硫化物,anh:硬石膏,mag:磁鐵礦,fluid:流體)

圖2. 950°C與1.0 GPa條件下,長英質(zhì)熔體中S的溶解度受氧逸度與熔體水含量影響;中高氧逸度條件下,水的作用比氧逸度更加顯著。(po:硫化物,anh:硬石膏)

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