地幔流体与成矿作用

1地幔流体与成矿作用——以白云鄂博矿床为例一.前言地幔流体是一种以CO2和H2O为主，同时含有一定量的溶质成分、相对富集LREE等不相容元素的超临界流体，具有独特的溶解和运输能力，主要来源于俯冲板块的脱水脱气作用和地核及地幔脱气作用[1]。地幔流体活动及其地质意义是当前地学界备受关注的一个问题地幔流体不仅对地幔的交代作用、幔源碱性岩浆的形成、大陆地壳演化有重要意义，而且地幔流体活动是岩浆作用、大地构造、变质作用、热液作用和热沉积作用产生的根本控制因素，，越来越多的研究成果表明，地幔流体在许多大型——超大型金属、非金属、油气矿床和矿区形成过程中具有重要意义[2-4]。二.成矿意义刘伟等在评述超临界流体的金属矿床成矿意义中指出，超临界流体在金属矿床成矿过程中具有重要意义[5]，主要表现在：1.超临界流体具有高溶解性和高扩散系数，在流经矿源层时高效萃取成矿元素形成富含成矿元素的成矿流体。Loucks的实验表明，金在超临界流体中的溶解度比估计值高出许多，最高可达1180×10-6.。2.超临界流体有利于成矿元素以有机配合物形式发生迁移并影响流体的酸碱度和氧化还原条件。一般认为成矿元素在成矿流体中的迁移是以无机阴离子或络阴离子形式发生迁移，但近年来一些研究发现金属元素可以有机化合物形式发生迁移。3.成矿元素巨量堆积可能与超临界水体系临界点附近温、压变化引起的流体体系“失衡”有关。有研究证实：在临界点附近，当T或P稍微变化时，物质的密度、粘度、扩散系数和极性等物理性质由接近于气态向接近于液态发生连续变化。在金属矿床成矿过程中，经过漫长地质作用过程形成的富含成矿元素的流体从元素在流体中的稳定迁移状态转向成矿元素的沉淀富集状态必然要经过一2个临界点。流体包裹体研究表明，许多金属矿床成矿流体的临界点与超临界水体系流体的临界点具有耦合性。超临界流体临界点附近T、P变化使流体体系失去平衡，导致成矿元素迁移方式的变化，从而发生大规模金属沉淀于富集，不同成矿元素因地球化学性质的差异而在不同构造部位、不同岩性中形成不同期次的矿床。三.成矿作用现象地幔流体有充足的物质储量、庞大的流体库和稳定的热源供应；地幔流体上涌的部位往往是壳幔相互作用最强烈的地区。地幔流体的出现不仅表明有大量深部物质注入成矿系统，而且意味着该区存在着一个高热环境，为成矿作用的持续进行核形成大型、特大型矿床提供了有利条件[6-7]。地幔流体参与成矿在国内外许多大型——超大型金属、非金属以及油气矿床得到证实。如西澳大利亚Yilgarn地块太古宙金矿，Groves认为是来自地幔流体携带成矿物物质——金，同时壳幔混合流体从围岩中淋滤出金而形成的大型金矿；孙贤术研究指出，地幔流体不仅为南澳大利亚奥林匹克坝U-Cu-Au-REE矿床提供了成矿物质，而且是成矿流体的重要来源[8]；曹荣龙和朱寿华从地质、地球化学等方面论证了我国白云鄂博稀土矿的成矿元素来自地幔，成矿流体为富含深源C-O-H-S挥发分体系的地幔流体，认为该矿床是国内外罕见的地幔流体交代矿床[9]；孙丰月等认为幔C-H-O流体在胶东金矿成矿中具有重要作用，表现为该区壳源花岗岩和金矿床的形成提供了热、流体、碱质、硅质及部分金[10]；近年的研究表明，我国滇西南低温卡淋型金矿的成矿过程也存在地幔流体参与，与热泉发育有成因联系的新矿床类型——热泉型金矿也是地幔流体成矿作用的极好例证[11]。地幔流体在油气和许多非金属矿床形成过程中也具有重要意义。徐永昌等测得胜利油田29件样品天然气中氦同位素的比值平均为1.58×10-6，也表明有相当一部分氦来自地幔[12]。非金属矿床金刚石的形成与地幔流体密切相关已被广大地质工作者所认同；曹荣龙和朱青华认为新疆且干布拉克蛭石矿床是地幔流体成矿产物。可见，地幔流体在各种金属、非金属和油气矿床成矿过程中具有重要地位。3四.成矿作用表现形式1.地幔流体本身成矿主要涉及金刚石的形成和油气的无机成因。金刚石形成和保存的温压条件相当于古老克拉通岩石圈底部——软流圈顶部约150-300km深度范围，索然目前对金刚石的形成还有很大争议，如金伯利岩岩浆结晶产物，捕虏晶、多来源多成因等，但无论哪一种观点都认为：金刚石的形成与地幔流体活动密切相关[13]。2.地幔流体提供成矿物质地幔流体是一种超临界流体，其显著特征是具有独特的溶解能力和理想的运输媒介，因而可以溶解地幔中许多成矿元素，携带成矿元素的地幔流体在一定温度、压力、pH和Eh等物理化学条件下，将演变为常态流体，其溶解能力下降，成矿元素沉淀而形成矿床。Durasova的实验表明，在上地幔温压条件下，H2O比在近地表下对Sn的搬运能力要大得多，且一系列亲铜元素存在同样的趋势[14]。地幔流体提供成矿物质在许多矿床地球化学研究也得到充分证实。Groves的研究表明，地幔流体提供了部分西澳大利亚Yilgarn地块太古宙金矿的成矿物质；孙贤术认为地幔流体为南澳大利亚奥林匹克坝U-Cu-Au-REE矿床提供了大量成矿物质。曹荣龙证实我国白云鄂博稀土矿的成矿元素来自地幔。陈毓川的研究显示，四川大水沟碲（金）矿床部分成矿物质由地幔流体提供[15]。3.地幔流体提供成矿流体主要表现在地幔流体直接、地幔流体与其他流体（如变质水、大气降水、海水等）混合形成矿化剂交代地壳物质，活化、迁移成矿物质形成成矿流体，在一定条件下沉淀形成矿床。虽然目前对“地幔流体能否穿过上地幔及莫霍面渗透到地壳中与地壳岩石发生交代作用”还有争论，但碳和稀有气体同位素组成证实许多地区温泉中的天然气包含大量由原始挥发分组成的地幔流体，证实地幔流体可4以渗透到地壳，尤其是张性构造环境（如裂谷）是地幔流体上升的有利通道.因而渗透到地壳中地幔流体可以活化、迁移其中的成矿元素。另外，向上运动的地幔流体与向下运动的地表水（如大气降水、海水等）在一定深度混合，形成有利于成矿元素活化、迁移的矿化剂，交代地壳物质，活化、迁移成矿物质形成矿体。众多研究表明，许多大型、超大型矿床的成矿物质有多种来源，其中壳源占有重要地位，成矿流体亦表现出地幔流体与地表水混合来源的特征。Watson指出，世界上一些Sn、U矿床，尽管其成矿元素是壳源的，但成矿元素在酸性岩浆中富集与地幔流体有密切关系4.地幔流体提供碱质和硅质钾化、钠化等碱交代作用和硅化是许多大型——超大型矿床极为普遍的蚀变作用，杜乐天列举了国内外重多铀矿及其他金属、非金属矿床存在碱交代作用，指出碱交代作用是成矿作用最核心的一个机制。目前已有充分证据表明，众多大型——超大型矿床普遍出现的碱交代作用和硅化所需要的K、Na等碱金属和Si部分来源于地幔流体。5.地幔流体提供热源众所周知，成矿作用不仅要有成矿物质、成矿流体，而且必须有能量供给。持续的能量供给使成矿环境长期保持在一个热状态，不仅有利于与成矿有关的岩浆岩岩体本身的分异与成矿，而且有助于形成一系列对流循环系统从周围岩石中萃取成矿元素，在一定的构造环境中成矿。地幔流体不仅是一种高温流体，而且是一种理想的热能传输介质，因此对维持成矿环境的热状态有重要意义。虽然目前对地幔柱∕热点化学成分有待深入研究，但实验模拟和数字模拟表明，地幔柱从热界面像气球一样上升，尾部不断有物质供应，大头部分将周围的地幔物质裹进去，轻而热的物质大量上升，以至于上升过程中越变越大。可见，地幔柱活动过程中将分离出大量高温地幔流体。这些高温地幔流体可以使岩石圈发生熔融，形成一系列不同类型的花岗质岩类及相关矿床。如我国扬子中下游地区中生代大量出现的壳幔同熔型花岗岩和与之有关的铁铜金矿床。5五.研究实例及判别证据1927年丁道衡先生发现白云鄂博铁矿以来（图1），岁月已流逝了87年。几代研究者在这块草原深处的宝山上留下了他们辛勤耕耘的汗水。相比上世纪五六十年代现在已拥有许多先进的大型仪器设备，对一些粒度仅为微米级的锆石和稀土矿物的成分和年龄测定已达到很高的水平，也获得了一批重要成果。但是，对于白云鄂博矿床地质研究的一些关键问题，如矿床成因方面分歧依然严重，本文参考的是曹荣龙先生的一些研究，着重介绍了地幔流体对白云鄂博矿床形成的影响。曹荣龙先生在1993年在北京召开的第五届全国矿床会议上正式提出“白云鄂博稀土矿是一种叠加在白云岩及其同生沉积铁矿先存空间上的地慢流体交代矿床”[16]，并就该矿床的物质来源问题阐述了下列两方面的主要证据:671.稀土(铌)等稀有金属成矿元素来自地慢（1）稀土矿石和单矿物的锶同位素比值低。87Sr/86Sr测量值的代表性数据为0.703203一0.704467。计算的锶初始值低于0.703。这证实稀土(铌)等成矿元素来自地慢,排除了古老陆壳物质大量加入的可能性。8（2）稀土单矿物及伴生脉石矿物的Sm一Nd同位素数据可合理地计算钕模式年龄:TDM值从1546到1907Ma；TCHUR为1241一1508Ma,估计稀土元素从地慢的分离事件介于1500一1900Ma之间。（3）独居石稀土矿物Sm一Nd等时线确定的143Nd/144Nd初始值εNd(T)=8.4,明确表示稀土是地慢来源,而不是地壳来源。2.稀土成矿溶液属于富含深源C一O一H一S挥发份体系的地慢流体（1）主要稀土矿物,如氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、黄河矿、氟碳铈钡矿等氟碳酸盐的δ13C变化范围为-4.12一-5.19‰。,平均为一4.83‰。(8)(括号内数字代表样品数,下同)；δ18O为6.39‰%至12.17‰，表明成矿溶液富地慢CO2。（2）稀土矿石中伴生硫化物(黄铁矿、方铅矿、辉铂矿、闪锌矿、磁黄铁矿等)的δ34S变化于一4.71一3.46‰。之间,平均为一0.73‰(13),与陨石硫一致。证明成矿溶液中硫矿化剂属地慢S。（3）含水矿物钠闪石的δD变化范围为一179.2一一256.6‰。,平均一25.05‰。根据钠闪石值δ18O求得与之平衡的成矿溶液的δ18O值为6.1一7.2‰。含水矿物的氢、氧同位素数据投影于地慢H2O区域。（4）稀土氟碳酸盐、霓石、萤石和重晶石等矿物富含气液包裹体,成分以CO2为主,H2O比较次要,包裹体CO2的同位素测定,δ13C变化范围为-4.18至-8.53‰,平均一5.72‰；δ18O变化范围为5.58一14.90‰。,平均8.10‰(10),说属于慢源CO2。包裹体H2O的同位素测定,δD变化范围为-83至-108‰,平均为一98‰。说明组成水流体中的氢代表地慢H。上述稀土氟碳酸盐、伴生硫化物、蚀变含水矿物以及气液包裹体的氧、硫、氢、碳同位素组成直接证明,本区成矿溶液并非传统概念上的地壳热液,而是成矿理论中不见经传的地慢液体。因此,白云鄂博稀土矿是一个世界罕见的地慢流体交代矿床,属于一种崭新的矿床成因类型。3.成矿特征（1）特征的元素地球化学组合9白云鄂博矿床的元素地球化学组合为LREE一Nb一Ba一Sr一Th；成矿溶液矿化剂组分为CO2一H2O一F一P一(Na、K)一S一Cl。这种不相容元素的富集作用和富含CO2一F一P等挥发份的特征完全可以与地慢流体和地慢交代作用的近代研究结果进行参照比较。（2）特殊的矿物共生组合,发现一系列热液矿床所没有的新矿物白云鄂博稀土矿床特殊的矿物共生组合为稀土磷酸盐(独居石)一稀土钡氟碳酸盐一稀土铌易解石一萤石一钠闪石一霓石一磷灰石一重晶石一碱性长石一硫化物。矿区已发现新矿物15种,这是普通热液矿床从来没有的,反映了地慢流体与众不同的成矿元素与矿化剂搭配,以及与地壳热液迥异的物理化学条件。（3）不同于中小规模的热液矿床,常形成大型或超大型矿床白云鄂博稀土氧化物的储量约4800万吨(平均品级6%),铌的储量100万吨(平均0.13%),萤石12000万吨,均构成世界大矿的规模,反映了地慢流体所在源区无与伦比的矿源贮存库。（4）矿区地层岩石产生大面积强烈的围岩蚀变白云鄂博矿区所在的由H。白云岩和H,黑色页岩构成的白云向斜,东西长约30km，南北宽约4km，普遍地遭受了渗透弥漫性的萤石化、钠闪石化、霓石化、磷灰石化、云母化、硫化物化以及钾长石化等强烈的围岩蚀变作用,充分显示了地慢流体原始挥发份和矿化剂难以想象的富集程度及携带、搬运、