造山型金礦中富CO2高內(nèi)壓流體包裹體完全均一溫度的有效測定實驗研究
——以東天山玉峰金礦床為例 *

于立棟 李勝虎 張靜 何西恒 于學(xué)峰 單偉 遲乃杰

1. 中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083 2. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，濟南 250013

造山型金礦是指產(chǎn)于各個時代變質(zhì)地體中、在時間和空間上與增生造山或碰撞造山密切相關(guān)、主要沿活動大陸邊緣帶分布、形成于匯聚板塊邊界上受到韌-脆性斷裂控制的轉(zhuǎn)換擠壓或伸展構(gòu)造環(huán)境中的脈型和浸染型金礦床系列(Kerrich and Wyman, 1990; Grovesetal., 1998; Kerrichetal., 2000; Goldfarbetal., 2005; Bierleinetal., 2006; 陳衍景, 2006; Goldfarb and Groves, 2015; 王慶飛等, 2019)。造山型金礦形成時代廣、賦存深度寬、品位高并且規(guī)模大，是全球金勘查的重要類型，其資源量占到全球金資源量的30% (Frimmel, 2018)。

前人對造山型金礦中成礦流體特征的研究結(jié)果表明，其成礦流體以H2O-NaCl-CO2體系為主，可含有少量CH4和N2，具有低鹽度(通常<10% NaCleqv)和富CO2的鮮明特征(Grovesetal., 1998; Chietal., 2006; 陳衍景等, 2007; Zhangetal., 2013, 2016, 2017; 盧煥章等, 2018; 倪培等, 2018)。造山型礦床中通常主要發(fā)育3種類型的流體包裹體：H2O-NaCl-CO2包裹體、富(純)CO2包裹體以及鹽水溶液包裹體，其中低鹽度的H2O-NaCl-CO2流體包裹體在主成礦階段的石英中是發(fā)育最多的包裹體類型(Kerrichetal., 2000; 陳衍景等, 2007; 盧煥章等, 2018; 倪培等, 2018)。以往，在利用Linkam THMSG600冷熱臺、Chaixmeca MTM85冷熱臺以及U.S.G.S gas-flow冷熱臺等設(shè)備，在約1個大氣壓力條件下對造山型金礦中富CO2(CO2充填度>0.4，CO2充填度=CO2相體積/流體包裹體總體積，下同)的H2O-NaCl-CO2流體包裹體進行顯微測溫?zé)崃W(xué)研究時，大多數(shù)在尚未達到完全均一狀態(tài)前就發(fā)生爆裂或泄露(Hagemann and Lüders, 2003; Tomilenkoetal., 2010; Fairmaidetal., 2011; Lawrenceetal., 2013; Molnáretal., 2016; Asadietal., 2018; Azeuda Ndonfacketal., 2021)，甚至?xí)霈F(xiàn)全部爆裂的極端情況(Schindleretal., 2016)，只能用同期捕獲的鹽水溶液包裹體和(或)CO2充填度小(通常<0.4)的H2O-NaCl-CO2流體包裹體的測溫結(jié)果代表成礦溫度，造成成礦溫度被人為低估的現(xiàn)象，由此很大程度上制約了對該類型金礦床成礦流體成礦溫度(壓力)范圍和成礦流體演化溫度-壓力軌跡的認(rèn)知。

熱液金剛石壓腔利用水作為傳壓介質(zhì)，可以實現(xiàn)在對樣品進行加熱的同時，對其施加一定隨溫度而同步變化的外壓(壓力最高可達2.5GPa)；并且，還可以對升溫加壓過程中樣品腔內(nèi)發(fā)生的相變進行原位實時觀測(Bassettetal., 1993; Chouetal., 1994)。Schmidtetal.(1998)和Darling and Bassett(2002)分別嘗試?yán)脽嵋航饎偸瘔呵婚_展了天然和人工合成的高內(nèi)壓富CO2流體包裹體的測溫工作。之后，熱液金剛石壓腔在熔體包裹體的顯微測溫實驗研究中也得到了推廣應(yīng)用(Thomasetal., 2006; Li and Li, 2014; Li and Chou, 2017; Lietal., 2021)。經(jīng)過近30年的不斷努力，熱液金剛石壓腔在結(jié)構(gòu)、性能等方面都得到了很多有益的改進(Andersonetal., 2010; Lietal., 2016, 2020)。因此，本次實驗研究主要基于作者科研團隊多年來在利用熱液金剛石壓腔開展地質(zhì)流體的高溫高壓實驗?zāi)M研究方面積累的經(jīng)驗，首次嘗試將熱液金剛石壓腔應(yīng)用到造山型金礦(新疆玉峰金礦床)成礦階段石英礦物中發(fā)育的富CO2流體包裹體均一法測溫實驗研究中，并將實驗結(jié)果與利用Linkam冷熱臺獲得的鹽水溶液流體包裹體和部分含CO2流體包裹體(CO2相充填度小于0.4)的完全均一溫度實驗結(jié)果進行了對比分析和綜合研究，提出了對利用熱液金剛石壓腔實測的完全均一溫度數(shù)據(jù)進行校正的新方法，展示了熱液金剛石壓腔在造山型金礦中富CO2、高內(nèi)壓流體包裹體完全均一溫度有效測定方面的應(yīng)用前景。

圖1 東天山構(gòu)造與礦產(chǎn)地質(zhì)簡圖(a，據(jù)Deng et al., 2017修改)、玉峰金礦床平面地質(zhì)圖(b)和剖面圖(c)(b, c據(jù)孫海微, 2020修改)Fig.1 Geological map showing the distribution of major ore deposits in the Eastern Tianshan Orogen (a, modified after Deng et al., 2017), planar geological map (b) and a cross-section (c) of the Yufeng gold deposit (modified after Sun, 2020)

1 區(qū)域地質(zhì)及礦床地質(zhì)

東天山是我國西北部重要的多金屬成礦省，新疆玉峰金礦床位于東天山造山帶中天山地塊東緣，夾持在北東向星星峽斷裂與北北東向沙泉子斷裂之間(圖1a)，受星星峽斷裂的次級斷裂控制；是近年來新發(fā)現(xiàn)的含銀高品位造山型金礦床(孫海微, 2020；于立棟等, 2020)。礦區(qū)出露的地層主要為綠片巖相巖石，包括下元古界劉家泉巖組的大理巖、中元古界長城系約飛井組的變質(zhì)中基性火山巖，以及第四系沉積物(白云山和彭湘萍, 1999；圖1b, c)。礦區(qū)內(nèi)的淺成侵入巖-侵入巖包括石英斑巖、花崗斑巖和閃長巖。石英斑巖在地表呈褐黃色和肉紅色，深部灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要由正長石、石英、鈉長石和少量的白云母組成?；◢彴邘r呈脈狀侵入于大理巖中(圖1)，肉紅色，似斑狀花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要由微斜長石和少量石英組成，長石多已高嶺土化和絹云母化。閃長巖以脈狀少量出露。

玉峰金礦目前探明6個礦體，其中3個出露于地表，3個隱伏礦體，容礦巖石均為石英斑巖(于立棟等, 2020；圖1b, c)。各礦體特征(新疆有色地質(zhì)勘查局七〇四隊，2020(1)新疆有色地質(zhì)勘查局七〇四隊. 2020. 新疆哈密市玉峰金礦預(yù)查報告)如下：Ⅰ號金礦體走向北北西，傾向北東東，傾角57°，地表長100m，平均厚度1.96m，Au平均品位4.2g/t，最高24.8g/t，伴生銀品位2.1～12.2g/t。Ⅱ號金礦體位于Ⅰ號金礦體北部，礦體呈脈狀，走向北西，傾向北東，長155m，寬6m，厚3.61m，Au平均品位18.1g/t，最高品位99.6g/t。Ⅲ號金礦體與Ⅱ號金礦體平行產(chǎn)出，礦體呈脈狀，走向北西，傾向北東，長100m，寬3m，厚1.81m，Au平均品位4.9g/t，最高品位10.6g/t。3個隱伏礦體與Ⅰ號礦體呈脈狀平行產(chǎn)出：Ⅰ-2號金礦體平均厚度0.97m，Au品位1.4g/t，伴生銀品位2.1g/t；Ⅰ-3號金礦體厚度1.00m，Au品位2.5g/t，伴生銀品位4.7g/t；Ⅰ-4號金礦體厚度2.00m，Au最高品位6.5g/t，平均品位5.0g/t，伴生銀平均品位14.0g/t，最高21.6g/t。

礦區(qū)內(nèi)熱液蝕變作用發(fā)育，包括硅化、黃鐵礦絹英巖化和碳酸鹽化，前兩種蝕變類型與成礦關(guān)系最密切，蝕變帶大致延礦體對稱分布。礦石類型分為蝕變巖型和石英脈型兩種(于立棟等, 2020)。礦石結(jié)構(gòu)包括交代結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，礦石構(gòu)造主要為團塊狀、脈狀和浸染狀。金屬礦物包括黃鐵礦、黃銅礦、輝銅礦、磁黃鐵礦、方黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、自然鉍、銀金礦和自然金，脈石礦物主要為石英、絹云母和方解石。

2 樣品及流體包裹體特征

本次研究樣品為來自玉峰金礦床深部鉆孔中的含金石英硫化物脈。不同礦脈中的金屬礦物組合略有差別，上部石英硫化物脈(ZK1-6、ZK1-7)含黃鐵礦、黃銅礦、白鐵礦、磁黃鐵礦、方鉛礦、銀金礦、自然鉍、自然金、輝銅礦和方黃銅礦，下部石英硫化物脈(ZK1-26)含黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、銀金礦、自然鉍和閃鋅礦。選擇上述3件含礦石英硫化物脈中含石英較多的礦石樣品，磨制兩面拋光的流體包裹體片，通過詳細(xì)的巖相學(xué)研究，根據(jù)室溫時包裹體中的相態(tài)組成及其成分的拉曼光譜鑒別結(jié)果，將玉峰金礦床的流體包裹體分為以下3種類型(圖2)：

(1)H2O-NaCl包裹體(A型)。室溫下，該類型的流體包裹體由氣相+液相組成。大小一般2～7μm，形狀以橢圓形或不規(guī)則形為主。從數(shù)量上看，A型流體包裹體占所有類型流體包裹體的比例較低(<3%)。氣相體積占整個包裹體體積的百分比大多<10%。開展加熱均一實驗時，該類型流體包裹體中的氣泡隨著溫度的升高逐漸縮小，直至完全均一到液相中。

(2)H2O-NaCl-CO2包裹體(AC型)。此類型流體包裹體在室溫時(～23℃)大多為鹽水溶液相+CO2氣相+CO2液相組成的三相包裹體，部分為鹽水溶液相+CO2液相組成的兩相包裹體，CO2相的體積通常占整個包裹體體積的40%～80%。大小一般4～10μm，形狀為紡錘狀、橢圓形或不規(guī)則狀。AC型流體包裹體為石英礦物中發(fā)育數(shù)量最多的包裹體類型，部分AC型流體包裹體中可見不透明微小的子晶(<1μm)，由于其尺寸太小而無法對其開展有效的拉曼光譜成分鑒定。

(3)純CO2包裹體(PC型)。室溫下，該類型流體包裹體的腔體內(nèi)幾乎充滿了CO2，數(shù)量上占所有流體包裹體類型的10%～20%。大小一般4～10μm，形狀為渾圓狀或不規(guī)則狀。在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出較暗的顏色特征。對PC型流體包裹體氣相進行的拉曼光譜成分鑒定的實驗結(jié)果顯示，未在該類型流體包裹體內(nèi)識別出除CO2以外的其它氣體的存在。

3 實驗方法

本次流體包裹體顯微均一測溫實驗是在山東省地質(zhì)科學(xué)研究院(自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室)成礦地質(zhì)流體實驗?zāi)M研究實驗室完成。實驗主要分為兩組，分別利用Linkam THMSG600冷熱臺、熱液金剛石壓腔對流體包裹體開展顯微均一測溫，具體操作流程如下。

3.1 Linkam THMSG600冷熱臺流體包裹體測溫

本組實驗利用Linkam THMSG600型號的冷熱臺，全程在大約1個大氣壓條件下對玉峰金礦床石英礦物中發(fā)育的富液相的氣、液兩相A型流體包裹體以及部分含CO2的AC型流體包裹體進行了均一法顯微測溫。首先，用人工合成的流體包裹體標(biāo)準(zhǔn)樣品對Linkam THMSG600冷熱臺進行了溫度校準(zhǔn)。通過分別測定人工合成的純水包裹體的冰點(理論值為0℃)和臨界溫度(理論值為373.9℃)以及純CO2包裹體的CO2固相熔化溫度(理論值為-56.6℃)，再將實測值與其對應(yīng)的理論值進行投圖獲得一條溫度校準(zhǔn)曲線，之后獲得的相變溫度數(shù)據(jù)均需要根據(jù)該溫度校準(zhǔn)曲線進行校正，以獲得更為接近成巖成礦流體冷卻過程中發(fā)生的各相變溫度數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)的實驗結(jié)果表明：當(dāng)溫度低于室溫時，該冷熱臺的測溫精度為±0.2℃；100～500℃區(qū)間的測溫精度為±2℃。

圖2 玉峰金礦床流體包裹體顯微照片(a、b)AC型、PC型與假次生的A型流體包裹體；(c)富金的石英中富CO2的AC型流體包裹體，部分含不透明子晶；(d)沿X型節(jié)理面充填的A型和富CO2的AC型流體包裹體群；(e)富CO2的AC型與PC型包裹體組成的流體包裹體群；(f)具有不同氣/液相比例的富CO2的AC型流體包裹體群.Py-黃鐵礦；Gn-方鉛礦Fig.2 Micrographs of fluid inclusions in the Yufeng gold deposit(a, b) AC-type, PC-type and pseudosecondary A-type fluid inclusions; (c) CO2-rich AC-type fluid inclusions in gold-rich quartz mineral, partially containing opaque daughter minerals; (d) A-type and CO2-rich AC fluid inclusion groups filled along the X-type joints plane; (e) a fluid inclusion assemblage composed of CO2-rich AC-type and PC-type inclusions; (f) a CO2-rich AC-type fluid inclusion assemblage with different gas/liquid ratios. Py-pyrite; Gn-galena

在進行流體包裹體的正式測溫實驗時，一般將升溫速率控制在5～30℃/min范圍內(nèi)，在觀察到流體包裹體中的氣相或液相即將消失時，將升溫速率降至0.2～0.5℃/min，以便能夠準(zhǔn)確記錄包裹體的相變溫度。當(dāng)包裹體達到均一狀態(tài)后再將溫度繼續(xù)升高5～10℃，仔細(xì)觀察包裹體是否真正達到均一狀態(tài)。更多的Linkam冷熱臺溫度校準(zhǔn)以及流體包裹體測溫實驗方法可參見盧煥章等(2004)。

3.2 熱液金剛石壓腔法富CO2流體包裹體均一測溫的實驗流程

本組實驗中所用的熱液金剛石壓腔為具有三個導(dǎo)向柱的最新Bassett式熱液金剛石壓腔(HDAC-VT)，樣品室由上下兩顆金剛石對頂砧(金剛石對頂砧的上表面被切割成八邊形，其對邊長度約為1.0mm)以及一個高純的圓形錸片(厚度約0.25mm，外圍直徑約3mm，中間為激光擊穿的～1.0mm直徑孔洞)組成。對樣品室的加熱通過上下兩個外壁纏繞著鉬絲的爐子實現(xiàn)，爐子的加熱功率通過溫度控制器(HDAC 1300)和與之配套的溫度控制軟件(HDAC 3.0)來調(diào)節(jié)。樣品室中的溫度由兩個分別緊貼在上下兩顆金剛石對頂砧側(cè)壁上的K型熱電偶進行測探，并通過熱電信號的轉(zhuǎn)換將其顯示在控溫軟件界面上。實驗前用高純NaNO3(理論熔點為306.8℃)和NaCl(理論熔點為800.5℃)試劑的熔點對HDAC-VT的測溫結(jié)果進行校正，數(shù)據(jù)表明測溫誤差不大于± 1.5℃。與上一代熱液金剛石壓腔(HDAC-V)相比，HDAC-VT最大的變化在于它有三個導(dǎo)向柱，因而可以對樣品施加更高的壓力，并且在對熱液金剛石壓腔進行調(diào)平時也更容易實現(xiàn)上下兩顆金剛石對頂砧的相互平行。關(guān)于該設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能等方面的更多信息請參考(Lietal., 2016)。

利用熱液金剛石壓腔對富CO2流體包裹體進行均一測溫的實驗主要分為樣品裝載前的準(zhǔn)備、樣品的裝載以及加熱均一法測溫等3個步驟。

(一)樣品裝載前的準(zhǔn)備工作。主要包括：(1)先觀測熱液金剛石壓腔的加熱電阻絲以及熱電偶的裸露部分之間是否有接觸的現(xiàn)象，以防通電時短路現(xiàn)象的發(fā)生。然后，使用萬用表檢測加熱電阻絲和熱電偶線路的連通性，確保整個加熱和測溫系統(tǒng)的電路是暢通的、無線路中斷的現(xiàn)象。(2)應(yīng)依次用粒徑為17.5μm、5μm和0.3μm的氧化鋯或氧化鋁等材質(zhì)的拋光粉對圓形金屬錸片進行兩面拋光。需要指出的是，在將錸片由粗粒徑的拋光粉移至更細(xì)一級的拋光粉中之前，一定要把錸片放在酒精試劑中并對其進行超聲波清洗。拋光后的錸片兩個表面均無明顯的劃痕、光亮如鏡，以確保將液體密封在樣品室中而不使其發(fā)生泄漏。(3)含有富CO2流體包裹體石英樣品的切割，將包裹體片用單面刀片或者具有半自動化的微鉆臺切割成適合放進熱液金剛石壓腔中的尺寸。(4)對熱液金剛石壓腔的樣品室進行清洗，以減少對H2O體系的污染。用一根頂端纏繞紙巾的牙探針沾取酒精試劑對金剛石對頂砧的表面進行擦拭。(5)金屬錸片在下金剛石砧面上的位置固定。該過程需要在雙目鏡下進行，使得金剛石對頂砧表面的中心與雙目鏡物鏡里的十字絲的位置重合，應(yīng)保證金屬錸片的中央孔洞的中心與金剛石對頂砧上表面的中心在一條中軸線上。

圖3 熱液金剛石壓腔樣品室裝樣后的照片F(xiàn)ig.3 Photograph of the sample chamber of the HDAC with a loaded sample

(二)實驗樣品裝載。首先，用尖頭鑷子把含有富CO2流體包裹體的石英樣品放入熱液金剛石壓腔的樣品室中。然后，用微量注射器在上部金剛石對頂砧的表面中央滴一滴去離子的純凈水，并將其快速壓合在圓形錸片之上。此時，保持手壓在上部金剛石腔體上的壓力，并分別將三個加壓螺絲擰上去。緊接著，將熱液金剛石壓腔放在雙目顯微鏡下觀察，判斷純水是否被成功密封在樣品室中。之后，可以將加壓螺絲擰緊，并觀察錸片與金剛石對頂砧之間因緊壓接觸而產(chǎn)生的牛頓干涉色環(huán)是否能全部消失(如完全消失，表明錸片和上下兩個金剛石對頂砧之間完全接觸，三者形成的樣品室的密閉性非常好)。最后，旋松加壓螺絲，使樣品室中的氣泡體積增大到實驗所需要的大小，再擰緊加壓螺絲將樣品室密封好。樣品裝載完成后的樣品室內(nèi)由一個(或多個)小氣泡、液態(tài)水以及石英薄片組成(圖3)。

(三)加熱均一法測溫。樣品裝載完成后，將熱液金剛石壓腔移至配備有數(shù)碼攝像系統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的載物臺上。顯微鏡的物鏡應(yīng)選擇具有超長工作距離的5×和50×鏡頭。調(diào)整聚焦后，通過熱液金剛石壓腔的溫度控制系統(tǒng)對樣品室進行升溫加熱，并觀測和記錄升溫過程中發(fā)生的相變溫度。室溫至150℃的溫度區(qū)間內(nèi)，采用20℃/min的升溫速率；溫度高于150℃時，采用5℃/min的升溫速率；在相變溫度點附近時，升溫速率降低為1℃/min。需要說明的是，由于新的金屬墊片未經(jīng)受過壓力擠壓的訓(xùn)練，在加熱過程中，樣品腔的體積通常會有一個<1 %的體積縮小，偶爾也會出現(xiàn)樣品腔體積增大的情況(Schmidt and Ziemann, 2000)，因此在完成一組預(yù)定流體包裹體的均一測溫實驗后，要對樣品室進行降溫直至樣品室中氣泡重新出現(xiàn)，然后再次測定氣泡的消失溫度。如果兩次所測相差不大，則以氣泡再次消失的溫度來計算樣品室中H2O體系的整體密度。如果氣泡的再次消失溫度遠大于之前測得氣泡消失溫度，表明升溫過程中樣品室發(fā)生了泄露，需要重新裝載樣品、重新測試。本次實驗還涉及到研究不同外部壓力對流體包裹體完全均一的影響，因此對石英薄片中的所有預(yù)定流體包裹體完成一組均一測溫實驗后，需要擰緊熱液金剛石壓腔的加壓螺絲，壓縮樣品腔的體積，然后再重復(fù)上述加熱均一測溫的實驗步驟，以獲得更高外部壓力條件下富CO2流體包裹體的完全均一溫度數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果

4.1 Linkam THMSG600冷熱臺測溫結(jié)果

利用Linkam THMSG600冷熱臺對玉峰金礦床賦礦石英脈中A型流體包裹體進行測溫的數(shù)據(jù)列于表1。其中， A型流體包裹體的完全均一溫度為101～334℃，分布范圍較大，且主要集中于130～190℃和270～310℃兩個溫度區(qū)間(圖4)。完全均一溫度小于220℃者，代表的可能是受到后期構(gòu)造應(yīng)力改造而發(fā)生拉伸或者卡脖子的流體包裹體，也有可能是成礦期的石英中疊加了成礦后期晚世代的流體包裹體，這些流體包裹體違背了開展流體包裹體熱力學(xué)分析需要滿足的三項基本條件(Roedder, 1984)，在進行測溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時應(yīng)該將它們剔除掉。因此，玉峰金礦床富礦石英中原生A型流體包裹體的完全均一溫度主要集中在270～310℃，平均值為291℃(表1)。

表1 Linkam THMSG600 冷熱臺獲得的A型流體包裹體測溫數(shù)據(jù)

圖4 A型流體包裹體完全均一溫度頻率直方圖Fig.4 Histogram of THTs of type-A fluid inclusions

絕大多數(shù)的AC型流體包裹體在升溫過程中，當(dāng)溫度超過180℃時即發(fā)生爆裂或泄露，且體積越大越容易爆裂，導(dǎo)致本組實驗研究僅獲得少量CO2充填度<0.4的AC型流體包裹體的完全均一溫度(表2)，數(shù)據(jù)顯示，AC型流體包裹體的完全均一溫度為284～313℃，平均值為300℃。

4.2 熱液金剛石壓腔測溫結(jié)果

利用熱液金剛石壓腔對1個流體包裹體組合(Fluid Inclusion Assemblage-FIA)中的富CO2流體包裹體(CO2充填度>0.6)進行了均一法測溫。流體包裹體被施加了4組不同大小的外部壓力后，測得的13個流體包裹體相變溫度以及根據(jù)相變溫度計算出的相變壓力數(shù)值(表3)顯示，其完全均一溫度分布在311～359℃范圍內(nèi)。

本組實驗所測5個富CO2流體包裹體的完全均一方式為兩種：2個以臨界均一的方式達到完全均一狀態(tài)，3個以均一到CO2液相中的方式達到完全均一狀態(tài)(表3)?，F(xiàn)以FI-1為例，對其在進行熱液金剛石壓腔均一測溫過程中所發(fā)生的相變過程及行為進行介紹(圖5)：室溫時(23℃)，流體包裹體內(nèi)主要由CO2氣相、CO2液相和鹽水溶液相組成。隨著溫度的升高，CO2氣相部分的體積不斷縮小，至溫度升高到27.2℃時，CO2氣相完全溶解(消失)到CO2液相中。當(dāng)溫度升高到184.0℃時，熱液金剛石壓腔樣品腔中的氣泡完全消失。繼續(xù)升溫，包裹體內(nèi)CO2液相的體積沒有明顯的變化，直至溫度達到261.0℃后，隨著溫度的不斷升高能觀察到CO2液相體積逐漸發(fā)生膨大的變化。該富CO2流體包裹最終在311.0℃時，以完全均一到CO2液相的均一方式達到完全均一狀態(tài)，再繼續(xù)將溫度升高50℃的過程中沒有發(fā)現(xiàn)其他的相變行為，表明311.0℃即為該包裹體的完全均一溫度。此時包裹體內(nèi)壓力約為179MPa，施加在石英礦物上的外部壓力約為214MPa。

表2 Linkam THMSG600 冷熱臺獲得的AC型流體包裹體測溫數(shù)據(jù)

表3 利用熱液金剛石壓腔進行富CO2流體包裹體測溫的結(jié)果

圖5 利用熱液金剛石壓腔進行富CO2流體包裹體均一法測溫過程中發(fā)生的相變過程的代表性照片該富CO2流體包裹體對應(yīng)表3中的FI-1，樣品腔中的氣泡在184.0℃時消失.從室溫(23℃)開始，隨著溫度的不斷升高，CO2氣相不斷縮小，并在27.2℃時完全均一到CO2液相中.繼續(xù)升溫，CO2液相體積不斷擴大直至311.0℃時充滿整個包裹體腔體，此時包裹體內(nèi)壓力約為179MPa，施加在石英礦物上的外部壓力約為214MPaFig.5 Photographs showing the representative phase variation processes that occurred during the homogeneous microthermometry measurement of a CO2-rich fluid inclusion with a HDACThis CO2-rich fluid inclusion corresponds to FI-1 in Table 3. The vapor bubble in the sample chamber disappeared at 184.0℃. Starting from room temperature (23℃), the CO2 gas phase gradually shrink with temperature increasing and homogenized into the CO2 liquid phase at 27.2℃. The volume of the CO2 liquid phase gradual expanded with increasing temperature until it reached completely homogenization at 311.0℃. At this temperature point, the pressure inside the inclusion is approximately 179MPa, and the external pressure applied on the quartz mineral is about 214MPa

5 討論

5.1 熱液金剛石壓腔在富CO2流體包裹體均一測溫過程中的優(yōu)勢

通常，流體包裹體的均一測溫實驗都是使用常規(guī)的冷熱臺在約1個大氣壓下開展的，這種實驗方法適用于那些在完全均一時內(nèi)壓力較低的流體包裹體，卻不適用于那些富揮發(fā)分(如CO2、H2O等)的流體包裹體(Roedder, 1984; Schmidtetal., 1998)。因為富CO2的流體包裹體在完全均一時，其內(nèi)部會產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力，強大的內(nèi)壓力和外壓力之差，可以使包裹體發(fā)生彈性和非彈性的體積改變，最終導(dǎo)致實驗測得的包裹體完全均一溫度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至在測溫過程中包裹體發(fā)生拉伸、泄露或爆裂，而無法測得其完全均一溫度數(shù)據(jù)(Schmidtetal., 1998)，極大限制了對產(chǎn)出于熱液、巖漿及變質(zhì)環(huán)境中富揮發(fā)分流體包裹體熱力學(xué)性質(zhì)的實驗研究(Vityketal., 1994; Vityk and Bodnar, 1995a, b)。因此，對富CO2的流體包裹體進行均一法測溫實驗研究時，在升溫的同時再對其施加一定適當(dāng)?shù)耐鈮毫?，使得施加在包裹體上的外壓壓力值與包裹體因升溫而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力值之差小于包裹體發(fā)生非彈性體積改變時所需要的應(yīng)力，即可有效預(yù)防富CO2的流體包裹體在高溫高壓條件下發(fā)生拉伸、泄露或爆裂等非彈性體積變化(Schmidtetal., 1998; Darling and Bassett, 2002)。而熱液金剛石壓腔就是目前最滿足上述實驗條件要求的高溫高壓設(shè)備，它在富揮發(fā)分、具有高內(nèi)壓流體包裹體的均一測溫實驗中具有非常明顯的優(yōu)勢。

在測溫過程中，富CO2流體包裹體和熱液金剛石壓腔樣品腔中的壓力-溫度(P-T)軌跡如圖6所示。室溫時(圖6中的P0點)，富CO2流體包裹體由CO2液相、CO2氣相以及鹽水溶液液相組成；熱液金剛石壓腔的樣品腔內(nèi)由石英薄片、液態(tài)H2O以及氣泡組成(圖3)。隨著溫度的升高，CO2氣相在圖中P1點完全均一到CO2液相中；繼續(xù)升溫，熱液金剛石壓腔樣品腔中的氣泡在圖中P2’點處完全消失；此后，隨著溫度的不斷升高，熱液金剛石壓腔樣品腔內(nèi)的P-T軌跡沿著與P2’點所對應(yīng)的H2O體系等容線(圖中的點線)逐漸演化。與此同時，富CO2流體包裹體內(nèi)的P-T軌跡沿著圖6中的細(xì)實線不斷往溫度和壓力更高的方向演化，并可以觀察到CO2液相的體積呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；當(dāng)溫度升高至P3點所對應(yīng)的溫度時，CO2液相完全充滿整個包裹體腔體，達到完全均一狀態(tài)，獲得該流體包裹體的完全均一溫度值。若溫度繼續(xù)升高，包裹體內(nèi)的P-T軌跡將到達甚至超過包裹體被捕獲時的溫度和壓力值(圖中P4點)。包裹體內(nèi)的P-T軌跡線與樣品腔內(nèi)的P-T軌跡線在圖中P3點發(fā)生交叉，此時富CO2流體包裹體的內(nèi)壓力等于熱液金剛石壓腔樣品腔內(nèi)產(chǎn)生的靜水壓力，即包裹體的內(nèi)外壓力之差為零，此時測得的完全均一溫度既最接近包裹體被寄主礦物捕獲時的溫度又能防止其發(fā)生爆裂或泄露。但是，這只是理論上的一種理想狀態(tài)，在實際操作中一般選擇在圖中P3點時，讓熱液金剛石壓腔施加在包裹體上的外壓力比包裹體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)壓力稍微大一些，這樣更能有效防止包裹體發(fā)生爆裂或者泄露。需要注意的是，富CO2流體包裹體的內(nèi)壓力與樣品腔施加在包裹體片上的外壓力二者之間差值的最大值，在圖6中用P2和P2’兩點之間的差值(ΔP(c-i))表示。在進行均一法測溫時需保證ΔP(c-i)要小于該包裹體發(fā)生非彈性形變所需的初始應(yīng)力值，后者與包裹體的尺寸呈負(fù)相關(guān)性，可根據(jù)(Bodnaretal., 1989)中的公式(2)估算出。

本次實驗研究中，利用熱液金剛石壓腔測試富CO2的流體包裹體均一溫度過程中，無一發(fā)生爆裂的現(xiàn)象；而使用Linkam THMSG600冷熱臺時，這些包裹體幾乎全部發(fā)生了爆裂，無法獲得完全均一的溫度數(shù)據(jù)。本次兩組對比實驗的結(jié)果，充分表明了熱液金剛石壓腔在有效阻止富CO2流體包裹體在均一測溫實驗過程中爆裂或泄露方面的優(yōu)勢和有效性。

5.2 熱液金剛石壓腔測試所得完全均一溫度的校正

前人利用熱液金剛石壓腔對天然以及人工合成的純水流體包裹體、H2O-NaCl流體包裹體以及H2O-NaCl-CO2流體包裹體開展的均一法測溫結(jié)果均表明，施加在包裹體片上的外部壓力與測得的包裹體完全均一溫度之間呈負(fù)相關(guān)性(Schmidtetal., 1998; Darling and Bassett, 2002; 李勝虎等, 2015)，本次實驗研究也得到了類似的結(jié)論。從表3和圖7中可以看出，對于同一個流體包裹體而言，施加在其上的外部壓力越大，測得的包裹體完全均一溫度就越低，表明隨著外壓的增大，寄主礦物石英的摩爾體積或(和)包裹體的體積發(fā)生了減小，進而導(dǎo)致測得的完全均一溫度降低(Schmidtetal., 1998; Darling and Bassett, 2002)。需要注意的是，這種外壓力引起的包裹體體積的改變屬于彈性形變，因而實驗測得的完全均一溫度隨外壓的改變具有可逆性和可重復(fù)性(Schmidtetal., 1998)。

圖7 施加在包裹體片上的外壓力與測得的富CO2流體包裹體完全均一溫度二者之間的關(guān)系圖Fig.7 Relationships between the external pressures exerted on the quartz wafer and the measured THTs of the CO2-rich fluid inclusions

圖8 采用兩條擬合線相交法對用熱液金剛石壓腔測得的完全均一溫度進行校正的壓力-溫度圖解Fig.8 Pressure-temperature diagrams for calibrating the THTs measured by HDAC with the two fitting lines intersection method

如前所述，施加在包裹體片上的外壓力會對測得的包裹體完全均一溫度產(chǎn)生明顯的影響。因此，分析熱液金剛石壓腔的測溫數(shù)據(jù)時，需要對數(shù)據(jù)進行校正，以獲得最接近流體包裹體被寄主礦物捕獲后、在自然冷卻過程中發(fā)生的相變溫度。(1)對于流體包裹體成分、溶線(solvus)已知的人工合成的流體包裹體，可采用Schmidtetal.(1998)給出的方法進行校正，具體的做法是：對獲得的外壓力和完全均一溫度進行回歸分析，獲得一條代表外壓力-完全均一溫度函數(shù)關(guān)系的擬合線；將擬合線與包裹體成分組成對應(yīng)的溶線投圖到溫度-壓力圖解上，二者的交點即代表校正后的完全均一溫度及其對應(yīng)壓力。(2)對于包裹體成分和溶線未知的天然流體包裹體，可采用Darling and Bassett (2002)提出的迭代法進行校正，具體方法是：采用一條H2O體系密度較大的等容線(對應(yīng)熱液金剛石壓腔樣品腔內(nèi)氣泡消失溫度在100～110℃之間)對包裹體進行升溫，測得第一個完全均一溫度，用迭代法計算出與之對應(yīng)的完全均一壓力值；再根據(jù)二者的值，計算出相應(yīng)的H2O體系密度；接下來，調(diào)整樣品腔內(nèi)氣泡體積大小，使包裹體完全均一時樣品腔內(nèi)作用在包裹體片上的外壓力比包裹體內(nèi)因升溫而產(chǎn)生的內(nèi)壓力略高約10MPa；再次對包裹體進行均一法測溫，這次測得的完全均一溫度即視為該流體包裹體最準(zhǔn)確的完全均一溫度值。

Schmidtetal.(1998)校正方法的難點，在于必須知道所測包裹體內(nèi)成分組成及其對應(yīng)的溶線。然而，盡管純H2O體系以及NaCl-H2O二元體系的溶線數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)完備， 但三元(如H2O-NaCl-CO2體系、H2O-CaCl2-CO2體系和H2O-MgCl2-CO2等)及更多元復(fù)雜的體系，其研究程度較低、不同成分組成的溶線數(shù)據(jù)非常匱乏。Darling and Bassett (2002)校正法的難點，則在于如何確保調(diào)整后的樣品腔內(nèi)的氣泡體積大小正是實驗所需要的。因此，從實驗技術(shù)易操作且利于推廣普及的角度來看，上述兩種校正方法都還需要進行優(yōu)化。為此，本次實驗研究在吸取前人校正方法優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對其進行了優(yōu)化，具體的校正步驟說明如下：

表4 對熱液金剛石壓腔測得的完全均一溫度校準(zhǔn)后的結(jié)果及其對應(yīng)的完全均一壓力

針對1個已經(jīng)裝入熱液金剛石壓腔中的富CO2流體包裹體，進行以下操作：(1)實測一系列不同外壓力條件下的完全均一溫度(Th,tot)，并根據(jù)Wagner and Pru? (2002)的H2O狀態(tài)方程，計算出與各樣品腔內(nèi)總密度相對應(yīng)的包裹體完全均一時樣品腔內(nèi)產(chǎn)生的靜水壓力(Ph,tot)；(2)將上述的一系列(Th,tot,Ph,tot)數(shù)據(jù)點投到溫度-壓力圖解上，并擬合出一條表達Th,tot與Ph,tot之間函數(shù)關(guān)系的擬合線1；(3)取出樣品，用Linkam THMSG600冷熱臺分別測出低溫部分CO2固相的完全融化溫度(Tm,CO2)、籠形物(CO2·5.75H2O)的融化溫度(Tcla)以及CO2氣相和CO2液相的均一溫度數(shù)據(jù)(Th,CO2)；(4)根據(jù)Tcla和Th,CO2數(shù)據(jù)，用Flincor程序(Brown, 1989)計算出步驟(1)中各包裹體完全均一溫度所對應(yīng)的壓力值(P)，它代表包裹體完全均一時，包裹體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)壓力；(5)將(Th,tot,P)數(shù)據(jù)點也投到前面的溫度-壓力圖解上，擬合出一條表達Th,tot與P之間函數(shù)關(guān)系的擬合線2；(6)上述擬合線1與擬合線2的交點即為對用熱液金剛石壓腔測得的完全均一溫度進行校正后的數(shù)據(jù)點(圖8)，在該點包裹體的內(nèi)壓與施加在包裹體片上的外壓力相等，應(yīng)力作用導(dǎo)致的包裹體彈性形變近乎為零。

本次實驗成功獲得4個富CO2流體包裹體各自在施加了3組不同的外壓力后所實測的完全均一溫度數(shù)據(jù)(表3)，采用上述校正方法對其進行校正后，獲得的各自完全均一溫度分別為314.6℃(FI-1)、312.2℃(FI-2)、336.1℃(FI-4)和342.8℃(FI-5)(表4、圖8)。

5.3 玉峰金礦床的成礦溫度及壓力

前人對造山型金礦中流體包裹體的研究結(jié)果表明，其成礦流體屬于H2O-NaCl-CO2體系。原來處于均一且高壓狀態(tài)的H2O-NaCl-CO2流體體系，當(dāng)受斷層閥機制的觸發(fā)時會使得上述均一體系發(fā)生不混溶(相分離)，并形成富水(H2O-NaCl體系)和富CO2(CO2-H2O體系)的兩個端元(盧煥章等, 2018; 倪培等, 2018)。

上述三種類型的流體包裹體在玉峰金礦床含金礦脈中均有發(fā)育。流體包裹體顯微均一測溫實驗的結(jié)果顯示：A型流體包裹體的完全均一溫度集中于270～310℃，平均值291℃。AC型流體包裹體的完全均一溫度分為兩組：一組(CO2充填度<0.4)用Linkam THMSG600冷熱臺測試的完全均一溫度284～313℃，平均值為300℃；另一組(CO2充填度>0.6)用熱液金剛石壓腔測得的完全均一溫度為312～343℃，平均值328℃。

假設(shè)沒有采用熱液金剛石壓腔對AC型流體包裹體開展測溫，可能會根據(jù)Linkam THMSG600冷熱臺對A型和AC型流體包裹體的測溫結(jié)果基本一致，認(rèn)為二者屬于同一期的流體，并將270～313℃作為玉峰金礦床的成礦溫度。而實際上，完全均一溫度相對較高的AC型流體包裹體，代表的應(yīng)該是不混溶作用(沸騰作用)發(fā)生前或發(fā)生時的初始流體體系，而溫度相對較低的A型流體包裹體代表的則是不混溶作用發(fā)生后產(chǎn)生的富水端元，二者存在形成時間上的先后關(guān)系。需要指出的是，A型流體包裹體的完全均一溫度是用Linkam THMSG600冷熱臺在約1個大氣壓條件下測得的，如果采用熱液金剛石壓腔在施加一定外壓力(模擬真實地質(zhì)條件)對其測溫，獲得的完全均一溫度值還要低于270～310℃。

綜上所述，根據(jù)本次實驗的對比研究結(jié)果，玉峰金礦床的主成礦溫度為312～343℃，估算對應(yīng)的成礦壓力為181～268MPa(表4)。

6 結(jié)論

(1)對于中-深成造山型金礦中的富CO2流體包裹體，利用熱液金剛石壓腔能夠充分阻止其在升溫過程中發(fā)生爆裂或泄露等非彈性體積改變現(xiàn)象的發(fā)生，從而獲得有效的完全均一溫度。盡管實驗操作難度大、實驗效率低，但其優(yōu)勢是傳統(tǒng)常壓高溫?zé)崤_無法比擬的，顯示了廣闊的應(yīng)用前景。

(2)利用熱液金剛石壓腔測得的富CO2流體包裹體的完全均一溫度需要進行校正，以最大程度減少外壓力造成的影響；本文提出了簡便易行的校正新方法——樣品腔內(nèi)P-T軌跡擬合線與富CO2流體包裹體內(nèi)P-T軌跡線相交法，即兩線相交法。

(3)玉峰金礦床富礦石的石英中發(fā)育大量H2O-NaCl-CO2包裹體及少量H2O-NaCl包裹體和純CO2包裹體，后二者是由初始H2O-NaCl-CO2流體體系發(fā)生不混溶或相分離后形成的富液相和富氣相的兩個端元。校正后H2O-NaCl-CO2包裹體的完全均一溫度和壓力分別為312～343℃和181～268MPa，代表了金礦化階段的成礦條件。

致謝野外工作得到了北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院鄧小華教授級高工、中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所吳艷爽和陳西博士、新疆有色地質(zhì)勘查局七〇四隊孫海微高級工程師的大力支持；實驗工作得到舒磊高級工程師的幫助；中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所李建康研究員及二位審稿專家對文章提出了寶貴的修改意見；在此一并表示衷心感謝。