近日，我院和地质过程与矿产资源国家重点实验室李建威教授团队在国际著名综合类学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上发表论文《Garnet secondary ion mass spectrometry oxygen isotopes reveal crucial roles of pulsed magmatic fluid and its mixing with meteoric water in lode gold genesis》，通过石榴石矿物显微结构和氧同位素地球化学研究揭示深部岩浆热液脉动上升及岩浆热液与大气降水混合对脉状金矿床成矿的重要作用。
脉状金矿床形成于中地壳和上地壳层次，矿体形态和产状受脆-韧性剪切带控制，矿体在三维空间上多呈脉状，通常表现为沿走向和倾向延伸均较稳定的石英-硫化物-碳酸盐脉，金以可见自然金或不可见晶格金的形式存在于硫化物等矿物中。这类矿床主要分布在前寒武纪克拉通和显生宙造山带中，已探明黄金资源量7~8万吨，是迄今为止全球最重要的黄金来源。成矿作用时间、成矿流体和成矿金属来源、成矿作用过程和矿石沉淀机制是这类矿床成因研究的核心科学问题。针对成矿流体来源与成矿作用过程及成矿机制，目前的主流观点认为，脉状金矿床的成矿流体主要来自绿片岩相-角闪岩相变质岩的变质脱水作用；由中-下地壳岩石发生变质作用释放出的流体沿区域断裂向上迁移过程中由于流体不混溶作用或流体-岩石相互作用导致金的硫氢络合物稳定性降低而解体并发生金矿化。但岩浆流体和流体混合作用是否对脉状金矿床的形成具有重要作用，一直是国际矿床学界激烈争论的问题。
为回答上述科学问题，李建威教授团队以我国华北克拉通东坪超大型脉状金矿床为研究对象，对不同成矿阶段（成矿前、成矿期和成矿后）形成的石榴石进行了详细的矿物显微结构、矿物化学和氧同位素分析。他们利用二次离子探针技术对各类石榴石进行了系统的高精度微区原位氧同位素分析，并通过石榴石-水的氧同位素分馏方程计算出成矿前期、主成矿期和成矿后期的流体氧同位素组成。研究结果表明，同一成矿阶段的不同石榴石颗粒以及同一石榴石颗粒的不同生长环带其氧同位素组成均表现出频繁的动荡变化（图1）；这种频繁和剧烈的同位素变异无法用石榴石结晶温度变化、石榴石的化学成分变化、成矿流体沸腾等因素所引起的同位素分馏来解释。他们进一步通过水-岩相互作用过程的数值模拟排除了成矿流体与容矿岩石之间的氧同位素交换是导致上述同位素变化的原因。
图1.不同成矿阶段代表性石榴石矿物颗粒的氧同位素组成及其变化特征，以及石榴石矿物成分及稀土元素含量与氧同位素之间的关系。XAdr:石榴石中的钙铁榴石端元组成；REE:稀土元素；Garnet:石榴石；Py：黄铁矿；Spe：镜铁矿；C:石榴石核部；R:石榴石边部
基于石榴石氧同位素分析结果计算出的成矿流体氧同位素组成表明，不管是哪个成矿阶段，成矿流体最开始的氧同位素组成都与岩浆流体的氧同位素组成(δ18O)相似，但随着流体的演化，δ18O值迅速降低，这种降低反映了一种完全不同的低δ18O外部流体加入到成矿流体体系中，这种外部流体最可能是大气降水。结合成矿时期的区域地质条件和矿床地质特征分析，研究团队得出如下认识：在早白垩世华北克拉通岩石圈减薄的背景下，初始成矿流体起源于地壳深部岩浆房，该岩浆房在冷却过程中发生流体饱和与出溶，出溶的流体携带硫、金等亲硫元素和不相容元素沿控矿断裂向上迁移进入上地壳，在断裂构造活化过程中，周围的大气降水进入断裂体系并与岩浆流体混合。由于深部岩浆房中基性岩浆的补充，岩浆房中的流体持续出溶并脉动上升，每一次岩浆流体上升运移到浅部地壳之后几乎都与大气降水混合。这种流体混合使流体的温度降低，同时使流体的pH值和氧逸度升高，所有这些因素共同使流体中的金硫氢络合物稳定性降低并解体，金释放出来沉淀成矿。
图2.各成矿阶段的石榴石（上）及与之平衡的成矿流体（下）的氧同位素组成。Preore, Syn-ore, Postore分别表示成矿前期、主成矿期和成矿后期。G1~G17表示石榴石矿物颗粒编号。
基于以上研究，研究团队建立了基于流体演化的东坪金矿床成矿模型，强调岩浆流体脉动上升和外部大气降水混合贯穿成矿作用的全部历史，是形成东坪超大型金矿床的重要机制。该项研究的意义在于提出了一种新的准确示踪成矿流体来源的方法，为岩浆流体参与脉状金矿床的形成提供了可信的证据，并证明深部岩浆流体与浅部大气降水混合是脉状金矿沉淀的另一重要机制。由于石榴石在很多热液成矿系统中均发育，且石榴石能很好地记录和保存成矿流体的氧同位素组成，因而基于石榴石显微结构观察的氧同位素微区原位分析可为地球内部热液流体活动及相关成矿作用的成因和演化提供新的途径。
该论文第一作者为我院博士研究生范高华同学，通讯作者为李建威教授。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2116380119
