花崗巖類礦床成礦流體形成過(guò)程的原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

李 建 康

1.國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

2.長(zhǎng)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(gè)地質(zhì)常識(shí)，且已被花崗偉晶巖中的熔體－流體包裹體所證實(shí)［1］。但巖漿分異出成礦流體的機(jī)制，仍存在較大的爭(zhēng)議。目前，在硅酸巖漿結(jié)晶過(guò)程中，因H2O飽和而使熱液自巖漿出溶的觀點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)同［2］，該過(guò)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(rèn)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(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)以上花崗巖漿熱液形成過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)，多來(lái)自熔體、流體包裹體研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)研究主要通過(guò)快速淬火式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成，如冷封式高壓釜。但該類設(shè)備的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物只有淬火后才能觀測(cè)。因此，目前缺乏原位觀測(cè)巖漿分異熱液過(guò)程的研究，影響了人們對(duì)巖漿演化機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)。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(jì)的，可對(duì)－190～1 200℃、0～10GPa的熱液體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［10－11］。目前，HDAC已初步應(yīng)用于花崗巖體系的實(shí)驗(yàn)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(kāi)展花崗巖漿熱液分異機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究。本次研究有幸使用最新式HDAC，并通過(guò)加熱系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)的改造，原位觀測(cè)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(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本次研究的大部分實(shí)驗(yàn)在美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的高溫高壓地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，部分補(bǔ)充性實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所的高溫高壓實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)采用Type V HDAC，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物照片見(jiàn)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(guò)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(dá)到加熱和測(cè)量溫度的效果。有關(guān)HDAC的詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)［10－11，16－17］。實(shí)驗(yàn)采用的 HDAC加熱系統(tǒng)為L(zhǎng)inkam TMS 94，觀測(cè)鏡頭為普通5倍物鏡和Mitutoyu公司的20倍、50倍長(zhǎng)焦距鏡頭。實(shí)驗(yàn)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(duì)HDAC進(jìn)行了一定改進(jìn)，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(jìn)了樣品腔的保溫系統(tǒng)和減弱了無(wú)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(dá)到900℃，滿足了開(kāi)展花崗巖熔融實(shí)驗(yàn)的條件；改進(jìn)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(cè)的50倍Mitutoyo物鏡玻璃表面的溫度不超過(guò)38℃，解決了以前因鏡頭破裂而無(wú)法在高溫下長(zhǎng)期原位觀測(cè)的問(wèn)題。

圖1 Type V型熱液金剛石壓腔的結(jié)構(gòu)圖（引自文獻(xiàn)［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(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Picture of Type V HDAC

實(shí)驗(yàn)的樣品主要為L(zhǎng)iAlSiO4、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(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［19］。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行正式加熱前，先進(jìn)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(guò)低，則通過(guò)旋松螺絲釋放適當(dāng)H2O溶液；如果消失溫度過(guò)高，則只能重新裝載樣品。此外，正式加熱前，還需要通過(guò)對(duì)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(guò)程中，首先觀測(cè)和記錄樣品腔內(nèi)空氣泡的消失溫度；在繼續(xù)加熱的過(guò)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(kāi)展實(shí)驗(yàn)，期間觀測(cè)硅酸鹽熔化成熔體珠，以及熔體珠的變化過(guò)程。

2 H2O飽和花崗巖漿的流體出溶實(shí)驗(yàn)

在模擬H2O流體自硅酸鹽熔體出溶過(guò)程的實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果相似，以LiAlSi2O6－H2O體系為例對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述如下：首先，把硅酸鹽固體樣品和流體樣品同時(shí)封存在樣品腔內(nèi)，然后對(duì)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(wú)濁浮物，懸浮在H2O溶液中；在隨后數(shù)秒后，硅酸鹽熔體中開(kāi)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(kāi)始生長(zhǎng)，此時(shí)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions of the experiment shown in Fig.2 ℃

在硅酸鹽熔體的H2O出溶過(guò)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)

在本次實(shí)驗(yàn)中，初始固體樣品為NaAlSi3O8（鈉長(zhǎng)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(shí)封存在熱液金剛石的樣品腔內(nèi)。

3.1 緩慢降溫降壓過(guò)程中的相分離

在實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，熔體珠自流體相出溶和變大；當(dāng)溫度降低到600～500℃時(shí)，H2O飽和的硅酸鹽熔體珠會(huì)逐漸發(fā)生相分離，表現(xiàn)為硅酸鹽熔體珠內(nèi)包含一個(gè)或多個(gè)液態(tài)圓珠，并且液態(tài)圓珠逐漸增大（圖4）。此時(shí)，若升溫，則相分離現(xiàn)象逐漸消失。實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)加熱溫度超過(guò)850℃時(shí)，硅酸鹽呈熔體珠懸浮在水溶液中，此時(shí)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(guò)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(kāi)始供應(yīng)晶體生長(zhǎng)的物質(zhì)，生長(zhǎng)出晶形較完整的較大晶體（圖6B—D）。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。這種現(xiàn)象說(shuō)明，相對(duì)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(zhǎng)介質(zhì)。

表2 快速降溫降壓過(guò)程中熔體發(fā)生液態(tài)不混溶作用的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(lái)說(shuō)，H2O自花崗巖漿的出溶過(guò)程主要有兩種過(guò)程：一是因構(gòu)造崩塌，使壓力快速降低，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(shí)不相容元素富集在殘余巖漿中，并導(dǎo)致H2O的相對(duì)含量逐漸增加，最終達(dá)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(huì)對(duì)早期結(jié)晶的花崗巖進(jìn)行一定程度的交代作用，從而產(chǎn)生云英巖化、鈉長(zhǎng)石化、鉀長(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)石化和鉀長(zhǎng)石化，典型實(shí)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(shí)驗(yàn)（圖6）可知，相對(duì)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(zhǎng)的介質(zhì)。結(jié)合到地質(zhì)實(shí)際，貧H2O熔體和富H2O熔體可分別對(duì)應(yīng)于花崗巖漿和偉晶巖熔體/流體，前者結(jié)晶出眾多細(xì)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(zhǎng)的粗大晶體，類似于花崗偉晶巖。而且，圖5中細(xì)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(rèn)識(shí)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(guó)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(shí)驗(yàn)研究表明，雖然巖漿在緩慢冷卻的過(guò)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(guò)地質(zhì)和地球化學(xué)研究對(duì)川西甲基卡礦床的形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)生液態(tài)不混溶作用的實(shí)驗(yàn)體 系 為 NaAlSi3O8－LiAlSiO4－SiO2－LiCl－H2O，缺乏LiCl的體系未觀測(cè)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(guó)Greifenstein花崗巖的Li2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%［28］。這主要是因?yàn)閴A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(duì)樣品體系沒(méi)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(guò)“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(zhǎng)石花崗巖，其上產(chǎn)出大量螢石鋰云母細(xì)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(shí)驗(yàn)研究表明，最新式HDAC是開(kāi)展花崗巖漿熱液分異機(jī)制研究的一種較為理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠在高溫高壓狀態(tài)下原位觀測(cè)和原位微束分析巖漿熱液，即成礦流體的形成過(guò)程。實(shí)驗(yàn)研究得出以下認(rèn)識(shí)：

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(lái)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(shí)驗(yàn)?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(zhǎng)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(jī)制。

3）由實(shí)驗(yàn)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(duì)巖漿體系沒(méi)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(shí)驗(yàn)條件的限制，本次研究利用HDAC僅對(duì)花崗巖漿的液態(tài)不混溶作用和沸騰作用開(kāi)展了原位觀測(cè)分析，未與同步輻射等微束分析技術(shù)結(jié)合開(kāi)展原位測(cè)試，從而難以深入理解在巖漿流體分異過(guò)程中成礦元素及揮發(fā)分的遷移、富集規(guī)律。目前，我國(guó)上海已經(jīng)建立了世界第三代同步輻射光源，能量強(qiáng)度居世界前列。因此，在今后的實(shí)驗(yàn)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(guò)程中開(kāi)展原位觀測(cè)和測(cè)試工作。

本次研究是筆者在美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局作為訪問(wèn)學(xué)者工作期間取得的成果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，周義明博士及其同事和朋友給予了幫助，美國(guó)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(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)了熱液金剛石壓腔；在美國(guó)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(guò)程中，評(píng)審專家提出了寶貴的修改意見(jiàn)。在此一并表示感謝。

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