热液流经多孔或断裂的岩石形成的热液矿床是地壳中金属的主要来源。如此大规模的金属沉积需要的元素浓度比自然丰度高出数百或数千倍,因此流体携带金属的能力是矿床形成的关键。但是,大部分中低温矿床的流体包裹体的直接分析和理论计算表明,流体溶解金属的能力可能很低,大约几个ppm。此外,现代地壳样品(如油田、洋中脊)中通常也只含有几个ppm的Cu,Zn,Pb等。因此,前人认为形成大型矿床的流体中金属浓度可能非常丰富。
几十年来,研究热液矿床的物理化学条件的直接对象是流体包裹体。在大多数矿床中,矿石矿物(通常不透明)和脉石矿物共生沉淀,由于传统的光学技术和微观分析方法不容易研究不透明矿物中的流体包裹体,所以往往从脉石矿物中的流体包裹体的特征去推断成矿流体的性质和矿物沉淀的条件。但是脉石矿物中的流体包裹体与成矿过程之间的时间和成因关系存在着不确定性,利用红外显微镜观察黑钨矿和锡石封矿石矿物的研究表明,流体包裹体的特征可能不同。
英国帝国理工学院和自然历史博物馆的JamieJ. Wilkinson及其合作者们以美国阿肯色州北部的MVT铅锌矿床和爱尔兰中部盆地矿田的大型铅锌(-钡)矿床为研究对象,使用LA-ICP-MS分析了两个铅锌成矿系统中闪锌矿中的流体包裹体。这两个成矿系统在金属、硫的来源和水文状况具有鲜明的对比,且闪锌矿的流体包裹体是矿石本身生长过程中捕获的,代表了成矿流体。
冰点温度得出的盐度数据表明阿肯色州北部的矿床是由典型的MVT成矿卤水形成的(图1),爱尔兰的样品的流体包裹体数据表明其比MVT成矿流体具有更高的Th和更低的盐度。
图1 美国阿肯色州MVT矿床和爱尔兰中部盆地铅锌矿床的流体包裹体的温度-盐度数据
研究者们除了对原生包裹体进行了激光剥蚀分析外,还对一些在后来的破裂和退火过程中形成的次生包裹体进行了分析,以便进行比较(图2)。在热液系统中感兴趣的Pb和其他元素(如Ba和Mn)明显在流体相中,他们在包裹体中与Cl的信号具有良好的相关性(图3)。但由于宿主矿物的影响,研究未能测量闪锌矿种流体包裹体的Zn的浓度(图3),但Pb可以作为这些包裹体中矿石金属含量的指示器。
图2爱尔兰闪锌矿样品透射光照片
图3 LA-ICP-MS分析闪锌矿中包裹体的信号(A)和与Cl的相关性(B)
爱尔兰样品的石英(3.6~26 ppm)和闪锌矿(22~890 ppm)中的流体包裹体的Pb含量区别明显(图4)。石英中包裹体的Pb含量与其矿脉的全包裹体分析数据一致(11.4~19.8 ppm)。石英中两个次生包裹体比原生包裹体有更高的金属浓度表明后期有更富金属流体(如在闪锌矿中捕获的)的叠加(图4)。
图4 阿肯色州北部矿床与爱尔兰矿床的流体包裹体中的Pb和Zn浓度
研究者们对闪锌矿中的流体包裹体的预期的Zn浓度进行可能范围的建模显示,爱尔兰矿床的成矿流体Zn浓度高达5000ppm,阿克色州北部矿床高达3000 ppm。很明显,在这两个系统中,沉淀闪锌矿的流体比沉淀石英的流体更加富集Zn和Pb。
研究者们认为高金属浓度的流体可能属于其他类型的热液成矿系统,如浅成低温热液或VMS矿床。在这些环境中,含金属的岩浆热液流体的周期性注入可能是大量金属进入以贫瘠的地热水为主的成矿系统中的原因。热液矿石可能是由于异常富金属的流体形成的,这意味着地球化学上特定的源区和可能受水文变化控制的阶段性且可持续时间较短的成矿事件。
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