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    花崗巖類礦床成礦流體形成過程的原位觀測實驗

    2014-12-25 06:29:30
    關(guān)鍵詞:偉晶巖硅酸鹽熱液

    李 建 康

    1.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室/中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037

    2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安 710054

    0 引言

    巖漿分異出熱液,而熱液形成礦床的理論,是一個地質(zhì)常識,且已被花崗偉晶巖中的熔體-流體包裹體所證實[1]。但巖漿分異出成礦流體的機制,仍存在較大的爭議。目前,在硅酸巖漿結(jié)晶過程中,因H2O飽和而使熱液自巖漿出溶的觀點已經(jīng)被廣泛認同[2],該過程多發(fā)生在花崗巖型和斑巖型礦床中[3-5]。除此之外,許多學(xué)者在高度演化的花崗巖中,特別是花崗偉晶巖中,發(fā)現(xiàn)了一些難以解釋的地質(zhì)現(xiàn)象,如花崗巖中的淺色包體、似偉晶巖囊體、偉晶巖與花崗巖的截然接觸關(guān)系,由此逐漸發(fā)展出巖漿液態(tài)不混溶作用,認為分異出的富揮發(fā)分、貧硅酸鹽熔體或流體具有重要的成巖成礦意義[6-9]。

    長期以來,對以上花崗巖漿熱液形成過程的理解和認識,多來自熔體、流體包裹體研究和實驗?zāi)M。實驗研究主要通過快速淬火式實驗設(shè)備完成,如冷封式高壓釜。但該類設(shè)備的實驗產(chǎn)物只有淬火后才能觀測。因此,目前缺乏原位觀測巖漿分異熱液過程的研究,影響了人們對巖漿演化機制的深入認識。熱液金剛石壓腔(HDAC)是專門為模擬地殼溫壓條件下的地質(zhì)作用而設(shè)計的,可對-190~1 200℃、0~10GPa的熱液體系進行實驗[10-11]。目前,HDAC已初步應(yīng)用于花崗巖體系的實驗研究[9,12-14]。但由于老式 HDAC的種種技術(shù)弊端,難以成功地開展花崗巖漿熱液分異機制的實驗研究。本次研究有幸使用最新式HDAC,并通過加熱系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)的改造,原位觀測到了硅酸鹽熔體的沸騰和液態(tài)不混溶現(xiàn)象,從而有助于理解各類花崗巖類礦床的形成機制。

    1 實驗方法

    本次研究的大部分實驗在美國地質(zhì)調(diào)查局的高溫高壓地球化學(xué)實驗室完成,部分補充性實驗在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所的高溫高壓實驗室完成。實驗采用Type V HDAC,結(jié)構(gòu)如圖1所示,實物照片見圖2。樣品存放在金屬墊片的孔洞內(nèi),上下兩顆金剛石壓合在金屬墊片上,組成封閉的樣品腔,通過旋轉(zhuǎn)螺絲施壓,使樣品腔封閉。上下兩顆金剛石底座的周邊纏繞電阻絲,金剛石側(cè)壁粘貼熱電偶,達到加熱和測量溫度的效果。有關(guān)HDAC的詳細介紹見文獻[10-11,16-17]。實驗采用的 HDAC加熱系統(tǒng)為Linkam TMS 94,觀測鏡頭為普通5倍物鏡和Mitutoyu公司的20倍、50倍長焦距鏡頭。實驗采用惰性的錸片作為HDAC的金屬墊片。錸墊片的內(nèi)徑為1.0mm,厚度為0.25mm,金剛石表面直徑為1.6mm,由此構(gòu)成的樣品腔的直徑為1.0 mm,深度略低于0.25mm。

    本次研究對HDAC進行了一定改進,把傳統(tǒng)的WC加熱器底座更換為Si3N4加熱器底座,使用了鉻電阻絲,改進了樣品腔的保溫系統(tǒng)和減弱了無效冷卻系統(tǒng)等,從而使HDAC的可控溫度(升降溫速率可以控制)達到900℃,滿足了開展花崗巖熔融實驗的條件;改進了顯微鏡物鏡的冷卻系統(tǒng),使當(dāng)HDAC加熱到900℃,用于顯微觀測的50倍Mitutoyo物鏡玻璃表面的溫度不超過38℃,解決了以前因鏡頭破裂而無法在高溫下長期原位觀測的問題。

    圖1 Type V型熱液金剛石壓腔的結(jié)構(gòu)圖(引自文獻[15])Fig.1 Schematic drawing of the Type V hydrothermal diamond-anvil cell(after reference[15])

    圖2 Type V熱液金剛石壓腔的實物照片F(xiàn)ig.2 Picture of Type V HDAC

    實驗的樣品主要為LiAlSiO4、NaAlSi3O8等一種或幾種硅酸鹽按照一定比例混合的硅酸鹽膠體。樣品是Steward[18]采樣凝膠法制備的,制備過程見文獻[19]。實驗前,把硅酸鹽膠體顆粒和H2O溶液一起封存到由金剛石和金屬墊片組成的樣品腔中,裝載樣品后的樣品腔主要由硅酸鹽膠體顆粒、H2O溶液和空氣泡組成。在進行正式加熱前,先進行嘗試性加熱,以調(diào)整樣品腔內(nèi)空氣泡的消失溫度。如果消失溫度過低,則通過旋松螺絲釋放適當(dāng)H2O溶液;如果消失溫度過高,則只能重新裝載樣品。此外,正式加熱前,還需要通過對比加熱前后樣品腔中空氣泡的消失溫度,確定樣品腔是否密封,否則再次旋緊螺絲直至完全封閉。

    在加熱過程中,首先觀測和記錄樣品腔內(nèi)空氣泡的消失溫度;在繼續(xù)加熱的過程中,硅酸鹽膠體顆粒逐漸融化成熔體珠,熔體珠代表了H2O飽和的硅酸鹽熔體;而后,按照研究需要,以一定的升溫和降溫速率開展實驗,期間觀測硅酸鹽熔化成熔體珠,以及熔體珠的變化過程。

    2 H2O飽和花崗巖漿的流體出溶實驗

    在模擬H2O流體自硅酸鹽熔體出溶過程的實驗 中, 本 文 以 LiAlSi2O6-H2O、LiAlSi2O6-NaAlSi3O8-SiO2-H2O、LiAlSiO4-NaAlSi3O8-SiO2+(LiCl)-H2O等體系代表花崗巖漿。不同體系的實驗過程和結(jié)果相似,以LiAlSi2O6-H2O體系為例對實驗過程描述如下:首先,把硅酸鹽固體樣品和流體樣品同時封存在樣品腔內(nèi),然后對樣品加熱,直至硅酸鹽處于完全熔融狀態(tài);在完全熔融狀態(tài)下,熔體珠呈現(xiàn)圓珠狀、透明、無濁浮物,懸浮在H2O溶液中;在隨后數(shù)秒后,硅酸鹽熔體中開始不斷分異出富H2O的流體(圖3),降溫亦然,直至在低溫階段晶體開始生長,此時由于熔體與流體的共存,熔體始終處于H2O飽和狀態(tài),從而巖漿不斷分異出巖漿水。以上過程的實驗數(shù)據(jù)見表1。

    圖3 LiAlSi2O6-H2O體系中流體自H2O飽和硅酸鹽熔體珠的出溶現(xiàn)象Fig.3 Exsolution phenomenon of fluid from H2O-saturated silicate melt in the system of LiAlSi2O6-H2O

    表1 圖2所示實驗的實驗條件Table 1 Experimental conditions of the experiment shown in Fig.2 ℃

    在硅酸鹽熔體的H2O出溶過程中,出溶的H2O流體的量占熔體體積的10%~30%(圖3),這種現(xiàn)象直接表明了硅酸鹽熔體在高溫高壓的狀態(tài)下,可以溶解出較大量的H2O。這與前人的實驗結(jié)果一致,如在600MPa、600~720℃的條件下,富Li硅酸鹽熔體可以溶解約13%的H2O[20]。從而進一步佐證了巖漿分異出熱液理論的科學(xué)性,可以解釋一些花崗巖類礦床形成所需要的大規(guī)模流體量。

    3 花崗巖漿的液態(tài)不混溶實驗

    在本次實驗中,初始固體樣品為NaAlSi3O8(鈉長石)、LiAlSiO4(鋰輝石)、SiO2(石英)混合膠體顆粒,3種組分的質(zhì)量比例為1∶1∶1,流體樣品為10%LiCl的水溶液,二者同時封存在熱液金剛石的樣品腔內(nèi)。

    3.1 緩慢降溫降壓過程中的相分離

    在實驗中,首先把樣品加熱到900℃,而后保持恒溫30min,使樣品腔內(nèi)的硅酸鹽完全熔化成熔體珠;接著在以1~5℃/min的速度緩慢降溫的過程中,熔體珠自流體相出溶和變大;當(dāng)溫度降低到600~500℃時,H2O飽和的硅酸鹽熔體珠會逐漸發(fā)生相分離,表現(xiàn)為硅酸鹽熔體珠內(nèi)包含一個或多個液態(tài)圓珠,并且液態(tài)圓珠逐漸增大(圖4)。此時,若升溫,則相分離現(xiàn)象逐漸消失。實驗樣品在冷卻到室溫后,仍然保持了不混溶的特征(圖5A)。經(jīng)JY Horiba LabLam HR拉曼系統(tǒng)分析,分離兩相分別為富H2O相和貧H2O相(圖5B)。這種相分離的現(xiàn)象是富揮發(fā)分花崗巖漿液態(tài)不混溶作用的直接體現(xiàn)。

    3.2 快速降壓條件下的不混溶作用

    圖4 在降溫過程中,NaAlSi3O8-LiAlSiO4-SiO2-LiCl體系發(fā)生的相分離現(xiàn)象Fig.4 Liqiuid immiscibility in NaAlSi3O8-LiAlSiO4-SiO2-LiCl system during cooling

    圖5 保存于室溫條件下的硅酸鹽熔體相分離現(xiàn)象及其激光拉曼分析結(jié)果Fig.5 Liquid immiscibility of silicate melt observed in room temperature and it’s Raman ananalysis result

    在 NaAlSi3O8-LiAlSiO4-SiO2-LiCl-H2O 體 系的實驗中,當(dāng)加熱溫度超過850℃時,硅酸鹽呈熔體珠懸浮在水溶液中,此時樣品腔突然發(fā)生泄漏,壓力突然降低,熔體珠快速分離出富H2O相熔體相和貧H2O熔體相,后者被前者包圍(圖6A)。在隨后的緩慢冷卻過程中,熔體珠內(nèi)的貧H2O熔體相首先成核和結(jié)晶成顆粒較小和自形程度較差的晶體;當(dāng)貧H2O相被消耗完后,富H2O相開始供應(yīng)晶體生長的物質(zhì),生長出晶形較完整的較大晶體(圖6B—D)。實驗條件如表2所示。這種現(xiàn)象說明,相對于富硅酸鹽熔體,富H2O等揮發(fā)分熔體是一種較為理想的晶體生長介質(zhì)。

    表2 快速降溫降壓過程中熔體發(fā)生液態(tài)不混溶作用的實驗條件Table 2 Eexperiment conditions of liquid immiscibility for silicate melt during fast cooling ℃

    圖6 在壓力突然降低情況下,硅酸鹽熔體的相分離過程Fig.6 Liquid immiscibility of silicate melt during fast cooling

    4 討論

    4.1 H2O飽和花崗巖漿熱液出溶作用的地質(zhì)意義

    一般來說,H2O自花崗巖漿的出溶過程主要有兩種過程:一是因構(gòu)造崩塌,使壓力快速降低,進而流體的出溶,稱為巖漿的“第一次”沸騰作用;二是因H2O飽和而導(dǎo)致流體出溶,稱為巖漿的“第二次”沸騰作用。本次巖漿的沸騰實驗是在H2O飽和條件下發(fā)生的,屬于巖漿的“第二次”沸騰作用。在巖漿的“第二次”沸騰作用中,巖漿水可以是液相、氣相或超臨界相,但一般簡稱為巖漿蒸汽[4]。

    巖漿的“第二次”沸騰作用一般發(fā)生在巖漿的多期次較充分結(jié)晶后,此時不相容元素富集在殘余巖漿中,并導(dǎo)致H2O的相對含量逐漸增加,最終達到飽和狀態(tài),以熱液的形式與硅酸鹽熔體分離。出溶的熱液會對早期結(jié)晶的花崗巖進行一定程度的交代作用,從而產(chǎn)生云英巖化、鈉長石化、鉀長石化等自交代變質(zhì)作用。如:在各類花崗巖類礦床中,花崗巖型稀有金屬礦床常伴有明顯的云英巖化,典型礦床為廣西栗木錫鉭鈮多金屬礦床、江西宜春鉭鈮礦床、湖南尖峰嶺鉭鈮礦床;石英脈型鎢錫礦床深部的花崗巖也常常發(fā)生強烈的自交代變質(zhì)作用,從巖體上部向下發(fā)育云英巖化、鈉長石化和鉀長石化,典型實例為贛南眾多的石英脈型鎢礦[21-22]。

    4.2 花崗巖漿液態(tài)不混溶作用的地質(zhì)意義

    由本文的花崗巖漿液態(tài)不混溶實驗(圖6)可知,相對于貧H2O熔體,富H2O的熔體是一種較為理想的粗大晶體定向生長的介質(zhì)。結(jié)合到地質(zhì)實際,貧H2O熔體和富H2O熔體可分別對應(yīng)于花崗巖漿和偉晶巖熔體/流體,前者結(jié)晶出眾多細粒和自形程度差的礦物,類似于花崗巖,后者結(jié)晶出定向生長的粗大晶體,類似于花崗偉晶巖。而且,圖5中細小晶體集合體和粗大晶體的共生現(xiàn)象與偉晶巖礦田中花崗巖和偉晶巖脈的共生關(guān)系一致。因此,花崗巖漿液態(tài)不混溶作用可以形成花崗偉晶巖熔體/流體。該認識與許多流體和熔體包裹體研究結(jié)果一致。如:在俄羅斯外貝加爾地區(qū)的Orlovka花崗偉晶巖、德國Zinnwaldite和Ehrenfriedersdorf花崗偉晶巖中,存在花崗巖漿液態(tài)不混溶成因的富H2O貧硅酸鹽的B型熔體包裹體和貧H2O富硅酸鹽的A型熔體包裹體[6,23-24];川西甲基卡礦床中存在大量富子晶包裹體,其代表了一種富揮發(fā)分的硅酸鹽水溶液,是花崗巖漿液態(tài)不混溶的產(chǎn)物[25-26]。

    本文的實驗研究表明,雖然巖漿在緩慢冷卻的過程中也可以發(fā)生液態(tài)不混溶現(xiàn)象,但壓力的突然降低更利于不混溶作用的發(fā)生。因此,壓力條件的變化可能是花崗巖漿液態(tài)不混溶作用發(fā)生的重要誘發(fā)因素,這與筆者通過地質(zhì)和地球化學(xué)研究對川西甲基卡礦床的形成機制的認識相吻合[26]。

    4.3 巖漿不混溶作用和H2O飽和花崗巖漿流體出溶的差別

    在本次實驗研究中,發(fā)生液態(tài)不混溶作用的實驗體 系 為 NaAlSi3O8-LiAlSiO4-SiO2-LiCl-H2O,缺乏LiCl的體系未觀測到液態(tài)不混溶作用。由此可以推斷,LiCl是硅酸鹽熔體發(fā)生不混溶作用的重要因素,這與前人的研究一致。如,華南Li-F花崗巖中存在許多花崗巖漿液態(tài)不混溶的地質(zhì)標(biāo)志[27],存在液態(tài)不混溶作用的德國Greifenstein花崗巖的Li2O質(zhì)量分數(shù)為0.14%[28]。這主要是因為堿性氧化物(MxO)-SiO2間存在一定的混溶缺口,各堿性元素的混溶缺口以下列順序降低:Li>Na>K>Rb、Cs[9]。鋰是花崗偉晶巖型礦床的主要礦種,由此推斷花崗偉晶巖型鋰礦床易于發(fā)生花崗巖漿的液態(tài)不混溶作用。

    與巖漿液態(tài)不混溶體系不同,巖漿中H2O的出溶作用對樣品體系沒有明顯的選擇性。由此推斷,各類巖漿在一定的溫壓條件下,均可能通過“第二次”沸騰作用形成成礦流體,即使富鋰花崗巖漿亦是如此。如:在廣西栗木花崗巖型礦床中,晚期熱液自交代形成云英化鈉長石花崗巖,其上產(chǎn)出大量螢石鋰云母細脈;江西宜春鉭鈮礦床中,花崗巖體上部產(chǎn)出云英巖帶。

    5 結(jié)論與建議

    本次實驗研究表明,最新式HDAC是開展花崗巖漿熱液分異機制研究的一種較為理想的實驗設(shè)備,能夠在高溫高壓狀態(tài)下原位觀測和原位微束分析巖漿熱液,即成礦流體的形成過程。實驗研究得出以下認識:

    1)花崗巖漿因H2O飽和而導(dǎo)致流體出溶的現(xiàn)象是巖漿的“第二次”沸騰作用,可以用來解釋花崗巖型稀有金屬礦床中巖體的云英巖化等自交代作用,具有重要的成巖成礦意義。

    2)花崗巖漿液態(tài)不混溶作用的實驗?zāi)M表明,壓力降低是誘發(fā)花崗巖漿在一定條件下發(fā)生液態(tài)不混溶作用的重要因素;分異出的富揮發(fā)分熔體或流體有利于結(jié)晶出定向生長的晶體,可以解釋花崗偉晶巖的形成。因此,推斷花崗巖漿的液態(tài)不混溶作用可能是花崗偉晶巖型礦床形成的重要機制。

    3)由實驗體系的異同可知:花崗巖漿液態(tài)不混溶作用易發(fā)生于富Li的巖漿體系;花崗巖漿的“第二次”沸騰作用對巖漿體系沒有明顯的選擇性。因此,前者主要發(fā)生在偉晶巖型鋰礦床中。

    由于實驗條件的限制,本次研究利用HDAC僅對花崗巖漿的液態(tài)不混溶作用和沸騰作用開展了原位觀測分析,未與同步輻射等微束分析技術(shù)結(jié)合開展原位測試,從而難以深入理解在巖漿流體分異過程中成礦元素及揮發(fā)分的遷移、富集規(guī)律。目前,我國上海已經(jīng)建立了世界第三代同步輻射光源,能量強度居世界前列。因此,在今后的實驗研究中,應(yīng)該嘗試HDAC技術(shù)與同步輻射X熒光分析技術(shù)的結(jié)合,在花崗巖漿流體分異的過程中開展原位觀測和測試工作。

    本次研究是筆者在美國地質(zhì)調(diào)查局作為訪問學(xué)者工作期間取得的成果。在實驗過程中,周義明博士及其同事和朋友給予了幫助,美國康奈爾大學(xué)的W.A.Bassett教授不但提供了最新式的HDAC,還根據(jù)實驗需要改進了熱液金剛石壓腔;在美國生活期間,祁海萍等華人學(xué)者給予了很多幫助;在文稿撰寫過程中,評審專家提出了寶貴的修改意見。在此一并表示感謝。

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