青藏科考

造山型金矿床成矿流体热力学模拟与石英溶解度计算

文章来源 :
2020-06-30 17:42

H2O-NaCl-CO2三元混合流体在岩浆、变质和热液系统中很常见,在成岩和成矿中发挥着重要作用。造山型金矿是世界上最为重要的金矿床类型,矿化以多期H2O-NaCl-CO2±CH4流体叠加成矿为特征。衡量热液系统中流体相平衡和热力学性质(PVTx),对分析成矿流体演化和成矿作用发挥着重要作用。然而早期大量的模拟研究,基于其简便性,多以H2O-NaCl和H2O-CO2二元系统近似描述地质系统中的热液流体(e.g., Anderko and Pitzer, 1993; Driesner and Heinrich, 2007; Mao et al., 2015),缺乏H2O-NaCl-CO2三元系统热力学模拟计算及其地质应用。此外,研究发现造山型金矿普遍存在多种结构的含金石英脉,金与石英沉淀近同时,两者关系密切;石英中流体包裹体类型多样,普遍赋存富CO2流体包裹体,且流体普遍发生不混溶过程。不同类型的流体包裹体如何形成,能否代表成矿流体性质?如何解释造山型金矿普遍发生流体不混溶现象?能否通过反演石英脉形成过程限定金矿化条件?

针对上述问题,中国科学院地质与地球物理研究所李兴辉博士后与合作导师范宏瑞研究员,以及加拿大阿尔伯塔大学Matthew Steele-MacInnis副教授等联合开展了H2O-NaCl-CO2三元混合流体系统热力学模拟和石英溶解度计算研究。系统正演了H2O-NaCl-CO2流体在300-500℃、0.001-3.5kbar、NaCl(0-4 mol.%)和CO2(0-20 mol.%)范围内不同PVTx下的相行为、流体密度(图1)、及NaCl和CO2在各相流体中的含量(图2),构建了石英在该系统中的溶解度模型(图3)。这对讨论造山型及侵入体有关的金矿床中不同类型流体包裹体和石英脉形成机制,以及成矿过程具有重要意义。


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图1 H2O-NaCl-CO2系统单相和L+V相流体密度等值线

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图2 H2O-NaCl-CO2系统L+V相CO2含量等值线

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图3 H2O-NaCl-CO2系统中石英溶解度等值线


研究主要获得以下认识:(1)减压导致的流体不混溶,产生盐度较高的富液相包裹体和CO2含量较低的富气相包裹体。降温也可导致流体不混溶,会产生多种类型的流体包裹体,盐度和CO2含量较低的富液相包裹体和中-高CO2含量(最高达~65% mol.%)的富气相包裹体(图4);(2)石英溶解度受温度、压力和CO2含量影响,随着降温、降压和CO2含量增加,石英溶解度升高,但在L+V区或相边界局部区域存在着相反的行为(retrograde)。石英溶解度在低温时受压力影响小,在高温时受压力影响大,同理,在低压时受温度影响小,在高压时受温度影响大(图3);(3)石英溶解度模型可解释石英溶解-沉淀行为和不同类型石英脉的形成机制。剪切石英脉(bedding-parallel shear veins)形成过程中,降压导致石英沉淀占主导。拉张石英脉(fault-related extension veins)形成过程中,降压和降温都控制着石英的沉淀。


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图4 H2O-NaCl-CO2流体等温降压和等压降温路径示意图,a. CO2含量,b. NaCl含量,c.室温下流体包裹体类型


研究成果发表于国际权威学术期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。(Li X-H, Klyukin Y I, Steele-MacInnis M, Fan H-R, Yang K-F, Zoheir B. Phase equilibria, thermodynamic properties, and solubility of quartz in saline-aqueous-carbonic fluids: Application to orogenic and intrusion-related gold deposits[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 283: 201-221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.06.008)(原文链接)。该成果受第二次青藏高原综合考察研究项目、国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项、中国博士后基金项目和NSERC资助。