科研进展

磷灰石矿物探针指示斑岩系统岩浆-热液演化过程

  
斑岩型矿床是全球铜钼的主要来源,提供了全球60%的铜和95%的钼。通常认为斑岩型矿床的形成与长英质斑岩体的高度岩浆-热液演化和岩浆后期强烈的流体交代作用密切相关。但是,在斑岩成矿模型中,这些所谓的岩浆-热液过渡演化和流体交代成矿过程一直缺乏有效的、令人信服的矿物学记录。
磷灰石是一种常见的副矿物,可形成于各类岩浆岩和变质岩中。由于其特殊的晶体结构,可接纳复杂微量元素的替换,包括挥发性组分(F、Cl和H2O)和稀土元素等,是解析岩浆演化过程中挥发分地球化学行为的理想矿物。同时,磷灰石中含有较高的U和Th含量,常被用于U-Pb年代学研究。因此,磷灰石的矿物结构和成分可以有效限定复杂岩浆热液成矿体系中的物理化学信息,例如结晶时间、氧逸度、挥发分和水含量等,是研究成岩成矿过程的理想“矿物探针”。
东北地区是我国乃至全球最重要的钼成矿带之一,区内发育有大量典型的斑岩型钼矿床。中国科学院广州地球化学研究所牛贺才研究员团队博士生屈潘,通过利用磷灰石矿物探针的方法,对我国东北大黑山超大型斑岩钼矿中的磷灰石开展了精细矿物学和地球化学研究。主要获得以下认识:
成矿斑岩体中发现了核部(Type-A1)和边部(Type-A2)两类磷灰石(图1a),其中磷灰石核部仅发育熔体包裹体,而边部大量发育熔体-流体包裹体和流体包裹体。核和边部的界限呈不规则港湾状,表明磷灰石经历过溶解-再沉淀(图1a),是岩浆-热液过渡演化的典型特征。磷灰石地球化学特征显示,晚期岩浆-热液成因磷灰石具有相对亏损的Na和S含量和富集的REE和Th含量。

图1  成矿斑岩中磷灰石及其U-Pb年代学

围岩中也发现两类磷灰石:被原生黑云母包裹的原生磷灰石(Type-B1;图2a)和呈他形且显著受流体交代和改造的磷灰石(Type-B2;图2b)。交代磷灰石表面呈网脉状穿插,沿其裂隙发育大量的次生流体包裹体。相比于原生磷灰石,交代磷灰石发生了LREE亏损,具有明显稀土四分组效应和高的147Sm/144Nd同位素比值,说明该类磷灰石经历过强烈的热液改造作用,其元素和同位素组成已经受到了显著的重置。
图2  围岩中磷灰石及其U-Pb年代学

磷灰石U-Pb年代学结果显示,围岩中改造的磷灰石与斑岩中岩浆-热液成因磷灰石具有相似的U-Pb年龄,分别为171.4±2.3 Ma和171.5±2.4 Ma(图1b, 2c)。同时,围岩中改造的磷灰石的Sr-Nd同位素组成与斑岩中磷灰石相似,却与围岩中原生的磷灰石显著不同,这表明导致围岩发生强烈蚀变的流体很可能直接来源于成矿斑岩出溶的流体。此外,围岩中改造的磷灰石具有相对较低LREE且含有多相子晶流体包裹体,这指示成矿流体具高盐度、富Cl的特征,是斑岩钼成矿的关键。
上述研究表明,磷灰石是斑岩体系中岩浆-热液演化的有效“矿物探针”,其结构和地球化学特征可以有效约束斑岩成矿体系的复杂岩浆-热液过程(图3)。

图3  东北大黑山斑岩成矿体系中磷灰石的形成和演化示意图

相关成果受国家重点研发计划(2016YFC0600403)和国家自然科学基金委(42122023)的资助,论文发表在国际地学主流学术期刊GSA Bulletin上。
论文中数据在中国科学院广州地球化学研究所公共技术服务中心完成。
论文信息:Qu, P., Yang, W.B*., Niu, H.C, Li, N.B. and Wu, D., 2021, Apatite fingerprints on the magmatic-hydrothermal evolution of the Daheishan giant porphyry Mo deposit, NE China. Geological Society of America Bulletin.