熱液礦床石英陰極發(fā)光環(huán)帶與微量元素關(guān)系

崔源遠(yuǎn)，朱 鵬，沈 瑞，王澤宇

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049)

0 引言

石英是地殼中最豐富的礦物，可形成于廣泛的地質(zhì)環(huán)境中，是許多熱液礦床中重要的脈石礦物[1]。石英陰極發(fā)光(CL)環(huán)帶是石英結(jié)晶過程中形成的特殊礦物結(jié)構(gòu)，保存了結(jié)晶過程的大量信息，是進(jìn)行地質(zhì)研究的極好對(duì)象[2]。自20世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者便廣泛關(guān)注熱液礦床中出現(xiàn)的石英陰極發(fā)光環(huán)帶[3-4]。石英陰極發(fā)光環(huán)帶成因及其對(duì)成巖-成礦的指示意義一度成為礦物學(xué)-礦床學(xué)研究的熱點(diǎn)科學(xué)問題[5-7]。

石英陰極發(fā)光環(huán)帶與微量元素的相關(guān)關(guān)系已被廣泛地研究[8-9]，其對(duì)成礦過程的指示意義也一直是國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。1992年Boiron等[10]通過不同石英CL環(huán)帶中的化學(xué)組成，很好地探究了哥倫比亞Cassiar Mountains含金石英脈的形成過程。1997年Watt等[11]則利用陰極發(fā)光很好地揭示的石英的生長(zhǎng)和溶蝕結(jié)構(gòu)，并結(jié)合微量元素分布特征有效地解釋了巖漿與成礦作用過程?？梢钥闯觯瑹嵋旱V床石英CL環(huán)帶與微量元素特征具有重要的研究意義?；诖耍敬窝芯烤C合討論了卡林型、淺成低溫?zé)嵋盒?、密西西比河谷型以及斑巖型礦床中石英陰極發(fā)光環(huán)帶特征及其與微量元素的相關(guān)關(guān)系，深入討論了其指示意義，為探究熱液礦床成因機(jī)制提供參考。

1 不同熱液礦床CL環(huán)帶與微量元素特征

1.1 卡林型礦床

全球許多卡林型金礦床中的低溫(～200℃)成因石英均發(fā)育良好的CL環(huán)帶，如美國(guó)內(nèi)華達(dá)州Jerrit Canyon卡林型金礦床[8]。激光剝蝕等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)微量元素測(cè)試結(jié)果顯示，該類礦床中發(fā)育陰極發(fā)光環(huán)帶的石英普遍具有較高的Al含量 [w(Al)>3000×10-6]，另外Ca、Na、K、Li、Ga等元素也可達(dá)到幾十至幾百(量單位：wB/10-6)[8]。前人研究結(jié)果顯示，在卡林型金礦床中，石英CL明亮環(huán)帶的Al、K、Na、Li含量明顯低于暗色環(huán)帶，Al、K、Na、Li含量與CL強(qiáng)度呈明顯的負(fù)相關(guān)[9]。另外，Al、K、Na、Li之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系，其中Li含量隨著Al增加而增加的趨勢(shì)最為明顯。Na、K的含量明顯少于比Li元素，但Na、Li與Al同樣顯示一定的正相關(guān)關(guān)系。Ga元素則與上述元素相反，其含量與CL強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān)[9]。

1.2 淺成低溫?zé)嵋盒偷V床

淺成低溫?zé)嵋盒偷V床中石英的形成溫度通常在200℃～300℃之間，也屬于低溫成因石英。該類礦床中同樣存在大量具有陰極發(fā)光環(huán)帶的石英(圖1)[12]。LA-ICP-MS微量元素測(cè)試結(jié)果顯示，這些石英中富含的微量元素與卡林型礦床類似，包括Al、Ca、Na、K、Li、Fe、Ga等元素，其中w(Al)最高可達(dá)4000×10-6(圖2)。大部分礦床中Al、Ca元素含量與CL強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如美國(guó)加利福尼亞州McLaughlin金礦床、蒙大拿州的Butte Main Stage鉛鋅礦床以及科羅拉多Creede銀礦床等[8]。但也存在部分淺成低溫?zé)嵋盒偷V床如美國(guó)蒙大拿州的Comstock銀金礦床，石英中Al元素含量與CL強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān)。除了Al元素外，石英中Sb濃度與CL強(qiáng)度也具有一定的正相關(guān)關(guān)系[8]。

圖1 淺成低溫?zé)嵋盒偷V床石英陰極發(fā)光環(huán)帶及Al元素環(huán)帶[8]

圖2 不同類型熱液礦床石英中Al和Ti含量[8]

1.3 密西西比河谷型礦床

密西西比河谷型(MVT)礦床中石英的形成溫度最低，約為100℃[8]。微量元素測(cè)試結(jié)果顯示具有CL環(huán)帶的石英中w(Al)的范圍從小于100×10-6至1000×10-6，Ca、Na、K、Li、Ga、Fe、Sb等元素也相對(duì)豐富(圖2)。Ga含量變化較小，w(Ga)在1×10-6～25×10-6之間，Ga、Fe與Al呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Li元素含量則隨著Al含量增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在MVT型礦床中，石英CL環(huán)帶發(fā)光強(qiáng)度較大的部位往往具有較高的Al含量，高達(dá)數(shù)千(量單位：wB/10-6)；相反，陰極發(fā)光強(qiáng)度較弱的部位則Al含量很低，僅數(shù)十(量單位：wB/10-6)?？梢钥闯?，密西西比河谷型(MVT)礦床石英中Al元素含量與CL強(qiáng)度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系[9]。

1.4 斑巖型礦床

斑巖型礦床中石英陰極發(fā)光環(huán)帶及其微量元素特征是目前研究最多、認(rèn)識(shí)最深的熱液型礦床之一[13]。與卡林型、淺成低溫?zé)嵋盒图癕VT型礦床相比，斑巖型礦床中鉀長(zhǎng)石化帶內(nèi)的石英的形成溫度較高(500℃～750℃)，屬于高溫成因石英[8]。該類石英中的微量元素含量十分豐富，富含Al、Ca、Na、K、Li、Fe、Ga和Ti(圖2)。硫化物附近的石英中，暗色CL環(huán)帶的w(Fe)最高可達(dá)4900×10-6，并且距離硫化物越近Fe含量越高[14]。Rusk等[8]對(duì)智利Los Pelambres、智利Salvador、美國(guó)Butte、智利Teniente等多個(gè)斑巖型礦床中的鉀長(zhǎng)石化帶內(nèi)的高溫型石英進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，各個(gè)礦床中w(Ti)分別為10×10-6～84×10-6、10×10-6～169×10-6、11×10-6～91×10-6、10×10-6～132×10-6，明顯高于低溫成因石英，充分顯示在高溫成因石英中Ti元素的重要性。與其他熱液礦床類似，斑巖型礦床高溫型石英中的Al、Li、Na、K含量與CL強(qiáng)度也存在明顯的相關(guān)關(guān)系，CL強(qiáng)度隨著Al、Li、Na、K含量的增加而增強(qiáng)[15]。另外，Al與Li、K、Na之間也具有正相關(guān)關(guān)系，隨著Al的增加Li、Na及K等元素也有所增加。與其他類型熱液礦床相比，斑巖型礦床高溫型石英CL環(huán)帶中的Ti元素明顯更為豐富，Ti含量與CL強(qiáng)度的關(guān)系也更為明顯。眾多實(shí)例表明，斑巖型礦床高溫型石英中的Ti與CL強(qiáng)度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系[8-9]。

2 討論

陰極發(fā)光是由礦物的基本成分或類質(zhì)同象元素引起的特殊發(fā)光現(xiàn)象，與礦物內(nèi)部元素組成有密切聯(lián)系。G?tze等[16]通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，石英中的微量元素主要以晶格取代和礦物包裹體兩種形式存在，其中Al、Ti、Ge、Na、K和Li主要以晶格取代形式進(jìn)入石英的硅氧四面體中，而其他元素，如Be、Nb、Ta及其他金屬元素等則更易以礦物包裹體或流體包裹體的形式賦存在石英晶體中。Al、Ti、Ge、Na、K和Li等晶格取代元素被認(rèn)為與石英陰極發(fā)光聯(lián)系最為緊密[17]。G?tze等[1]研究指出Al3+、Ga3+、Fe3+、Ge4+、Ti4/3+、P4+易與Si4+發(fā)生取代，并且部分離子還需要H+、Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+等離子來配平電價(jià)，形成[Al3+O4/M+]0四面體。Al3+等元素取代Si往往會(huì)造成石英晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷，這些缺陷與石英的結(jié)晶環(huán)境以及陰極發(fā)光現(xiàn)象都能建立很好的聯(lián)系[7]。因此，通過石英微量元素含量與陰極發(fā)光強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系研究，能很好地探究石英結(jié)晶過程中流體化學(xué)組成、溫度、pH以及石英的結(jié)晶速率變化[15]。這些問題對(duì)探究熱液礦床成因機(jī)制均具有重要意義。

系列熱液礦床實(shí)例表明，無論是高溫型石英還是低溫型石英，其中Al、Ti和各類堿金屬元素與CL強(qiáng)度關(guān)系最為密切，其次為Sb、Ga等。Li、K、Na含量往往與Al或Ti含量密切聯(lián)系。石英CL環(huán)帶中Al主要以 [AlO4]-的形式存在，為維持電價(jià)平衡，H+、Li+、Na+、K+常進(jìn)入其中呈 [AlO4/M+]0(M+即H+、Li+、Na+、K+)[1，17]。這也是熱液礦床中石英Al含量與Li、K、Na等堿金屬元素呈正相關(guān)的主要原因。

前人研究表明，在<350℃下形成的石英中，Al含量普遍較高，w(Al)可達(dá)數(shù)千(量單位：wB/10-6)，而>400℃形成的石英中Al含量普遍較低[8]。這種Al含量隨溫度變化的規(guī)律可以定性地衡量石英的結(jié)晶溫度。當(dāng)石英結(jié)晶溫度保持不變時(shí)，壓力驟減或流體成分變化導(dǎo)致的石英快速結(jié)晶也可能導(dǎo)致不同CL環(huán)帶的產(chǎn)生及相應(yīng)Al含量的變化。Rusk等研究指出，如果石英結(jié)晶速率和結(jié)晶溫度均保持不變，熱液pH值是影響石英中Al含量的重要因素。通過系統(tǒng)研究，石英CL環(huán)帶中的Al含量還可以對(duì)熱液pH進(jìn)行有效估計(jì)。綜合來看，石英CL環(huán)帶中Al元素含量的變化對(duì)石英結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率以及熱液pH均有一定的指示意義。

在斑巖型礦床鉀長(zhǎng)石化高溫型石英中，Ti元素常取代硅氧四面體中的Si元素形成[Ti4+O4]0或 [Ti3+O4/M+]0四面體。在該過程中，石英晶格內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致CL環(huán)帶出現(xiàn)。這也是石英Ti含量與CL強(qiáng)度呈明顯正相關(guān)關(guān)系的主要原因。在該高溫型石英中，Ti是溫度變化的敏感元素，常常被用作估算結(jié)晶溫度的地質(zhì)溫度計(jì)[9]。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究也已證明，在大于600℃的條件下，石英中Ti濃度確實(shí)會(huì)隨溫度升高而逐漸增大[18]。因此，斑巖型礦床中Ti含量與CL強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系可以很好地用于石英形成溫度的估算。

3 結(jié)論

不同熱液礦床石英微量元素與CL強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系研究結(jié)果顯示，大部分礦床中石英CL強(qiáng)度與Ti或Al含量的波動(dòng)相對(duì)應(yīng)?？中偷V床及部分淺成低溫?zé)嵋盒偷V床中，石英CL強(qiáng)度與Al含量呈負(fù)相關(guān)；MVT型礦床、斑巖型礦床及部分淺成低溫?zé)嵋盒偷V床中，石英CL強(qiáng)度與Al含量呈正相關(guān)。在斑巖型礦床鉀長(zhǎng)石化帶高溫型石英中，Ti總是與CL強(qiáng)度相關(guān)，Ti含量與石英結(jié)晶溫度密切相關(guān)，石英CL強(qiáng)度可以作為衡量斑巖型礦床中石英沉淀溫度的一個(gè)指標(biāo)。另外，石英中Al的濃度明顯受熱液pH值、成礦溫度及石英結(jié)晶速率的影響，因此熱液礦床中石英Al濃度可以用于石英結(jié)晶物理化學(xué)條件的探究。