H21o-CO2-Nacl体系高温高压石英溶解度模型及其应用研究——以胶西北寺庄金矿床成因为例

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石英在热水溶液中的溶解度对地球化学和岩石学的研究都极为重要。在深达下地壳甚至上地幔的高温高压环境中,石英的溶解-沉淀行为是水热流体中硅酸盐迁移量的主要制约因素。本文建立了一个适用于H2O-CO2-NaCl水气盐多组分混合流体,高达1000℃、15000bars高温高压条件下的石英溶解度模型,并将此模型应用于胶西北典型的蚀变岩型和石英脉型金矿床,计算不同类型金矿成矿流体中的石英溶解度,以期从石英溶解度的角度,探索胶西北金矿床成因。  自上世纪五十年代起,实验学家开展了大量石英在纯水以及含盐含气混合流体中的研究工作,但由于实验数据的离散性,给涉及石英溶解学科领域研究人员的使用带来诸多不便。早期的模型要么精度差,要么只具有内插效果,要么温度、压力、成分范围狭窄。理论学家期望建立精确且具有良好外延性的方程,进而描述涵盖宽泛温度、压力、成分空间的石英溶解度。  这里,提出一个能够适用于H2O-CO2-NaCl复杂流体成分,高温高压(0-1000℃,0-15000bars)条件下,计算石英溶解度的密度模型:log mSiO2=A(T)+B(T)·logMH2O/V*H2O+C(t)·logxH2O  其中A(T)、B(T)、C(t)均为温度T(K)和t(℃)的多项式,xH2O和V*H2O分别代表流体中水的摩尔分数和有效偏摩尔体积,V*H2O值由公式V*mix=xH2OV*H2O+∑xsVs计算得到。其中,Vmix代表流体混合物的摩尔体积,由Mao等人的最新模型(Mao et al.,2010)计算得到,xs和Vs分别代表溶质的摩尔分数和本征体积,具体采用VCO2=29.9cm3/mol、VNaCl=30.8cm3/mol。  本模型精度较前人模型有所提高,适用的温度、压力范围更广,可用于深达下地壳环境下H2O-CO2-NaCl三元混合流体,如:巴罗式变质带、板块俯冲带等环境下石英溶解度的计算。同时,本模型可被用于建立石英地质温度计,加深人们对与石英脉及硅化岩有成因联系矿床的认识。  寺庄金矿床位于胶北地体西北缘,招(远)-莱(州)金矿区焦家金矿带南段,西侧靠近郯庐(沂沭)断裂带。矿体赋存于焦家主断裂寺庄断下盘的玲珑花岗岩中,以蚀变岩型(黄铁绢英岩)矿石为主,但同样含大量硫化物-石英脉型矿石,流体演化主要分为石英-钾长石和石英-黄铁矿两个主要阶段。流体包裹体测温结果表明,主成矿期温度为133-310℃,成矿流体盐度为0.02-11.7wt.%NaCl,属于中低温、中低盐度的H2O-CO2-NaCl体系。氢、氧同位素测试结果表明,石英δ18O石英值变化于10.3-14.2‰,经计算获得的流体包裹体的δ18OH2O值落在2.9-6.1‰之间,δDH2O变化于-55.0-74.7‰,表明寺庄金矿成矿期流体为岩浆水与大气水的混合,且主要为岩浆水,演化到后期可能有部分大气水参与;结合前人工作(姜晓辉,2011),测试获得的黄铁矿δ34S值为7.5-9.4‰,与玲珑花岗岩和荆山群围岩的硫同位素组成相近,具有混合源的特征。同时,结合氢、氧同位素的测试结果,研究认为寺庄金矿成矿物质可能来自中生代花岗岩。  在成矿热液的作用下,寺庄金矿床的花岗质围岩经历了钾化、绢英岩化、硅化、黄铁绢英岩化等多期蚀变作用。伴随着矿物的交代反应,多种主量元素可以被强烈地改变,多数大离子亲石元素(LILE)及轻稀土元素(LREE)也表现出了较强的活动性,甚至传统上认为活动性差的重稀土元素(HREE)及高场强元素(HFSE)也发生了不同程度的改变。  寺庄金矿床为一受中生代构造-流体作用形成的内生热液金矿床,成矿过程中二氧化硅表现出很高的活动性。利用这一最新提出的适用于H2O-CO2-NaCl三元混合流体的石英溶解度模型计算发现,寺庄金矿成矿流体具有较高的石英溶解度(达0.015 mol/kg),溶解的SiO2与Au可形成络合物在热液中迁移,随着成矿流体演化到后期可能有部分大气水的加入,或是流体迁移至容矿构造压力下降导致的沸腾作用使得成矿流体温度下降,造成热液中金的溶解度降低,金-硅稳定络合物的保存条件发生破坏,进而造成寺庄含金石英脉型和蚀变岩型矿化。这可能是寺庄乃至整个胶西北金矿都发育有强烈的硅化蚀变带以及石英脉型矿体的一个主要原因。
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