地幔流體與成礦作用

1、地幔流體與成礦作用以白云鄂博礦床為例前言地幔流體是一種以CO2和h2o為主，同時含有一定量的溶質成分、相對富 集 LREE 等不相容元素的超臨界流體，具有獨特的溶解和運輸能力，主要來源于 俯沖板塊的脫水脫氣作用和地核及地幔脫氣作用1。地幔流體活動及其地質意義 是當前地學界備受關注的一個問題地幔流體不僅對地幔的交代作用、幔源堿性巖 漿的形成、大陸地殼演化有重要意義，而且地幔流體活動是巖漿作用、大地構造、 變質作用、熱液作用和熱沉積作用產生的根本控制因素，越來越多的研究成果 表明，地幔流體在許多大型超大型金屬、非金屬、油氣礦床和礦區(qū)形成過程 中具有重要意義2-4。成礦意義劉偉等在評述超臨界流體的金

2、屬礦床成礦意義中指出，超臨界流體在金屬礦 床成礦過程中具有重要意義5，主要表現(xiàn)在：超臨界流體具有高溶解性和高擴散系數(shù)，在流經礦源層時高效萃取成礦元 素形成富含成礦元素的成礦流體。Loucks的實驗表明，金在超臨界流體中的溶 解度比估計值高出許多，最高可達1180X10-6.。超臨界流體有利于成礦元素以有機配合物形式發(fā)生遷移并影響流體的酸 堿度和氧化還原條件。一般認為成礦元素在成礦流體中的遷移是以無機陰離子或 絡陰離子形式發(fā)生遷移，但近年來一些研究發(fā)現(xiàn)金屬元素可以有機化合物形式發(fā) 生遷移。成礦元素巨量堆積可能與超臨界水體系臨界點附近溫、壓變化引起的流體 體系“失衡”有關。有研究證實：在臨界點附近

3、，當T或P稍微變化時，物質 的密度、粘度、擴散系數(shù)和極性等物理性質由接近于氣態(tài)向接近于液態(tài)發(fā)生連續(xù) 變化。在金屬礦床成礦過程中，經過漫長地質作用過程形成的富含成礦元素的流 體從元素在流體中的穩(wěn)定遷移狀態(tài)轉向成礦元素的沉淀富集狀態(tài)必然要經過一 個臨界點。流體包裹體研究表明，許多金屬礦床 成礦流體的臨界點與超臨界水 體系流體的臨界點具有耦合性。超臨界流體臨界點附近T、P變化使流體體系失 去平衡，導致成礦元素遷移方式的變化，從而發(fā)生大規(guī)模金屬沉淀于富集，不同 成礦元素因地球化學性質的差異而在不同構造部位、不同巖性中形成不同期次的 礦床。成礦作用現(xiàn)象地幔流體有充足的物質儲量、龐大的流體庫和穩(wěn)定的熱源供

4、應；地幔流體上 涌的部位往往是殼幔相互作用最強烈的地區(qū)。地幔流體的出現(xiàn)不僅表明有大量深 部物質注入成礦系統(tǒng)，而且意味著該區(qū)存在著一個高熱環(huán)境，為成礦作用的持續(xù) 進行核形成大型、特大型礦床提供了有利條件6-7。地幔流體參與成礦在國內外 許多大型超大型金屬、非金屬以及油氣礦床得到證實。如西澳大利亞 Yilgarn 地塊太古宙金礦，Groves認為是來自地幔流體攜帶成礦物物質金，同時殼?；旌狭黧w從圍巖中淋濾出金而形成的大型金礦；孫賢術研究指出，地幔流體不 僅為南澳大利亞奧林匹克壩U-Cu-Au-REE礦床提供了成礦物質，而且是成礦流 體的重要來源8；曹榮龍和朱壽華從地質、地球化學等方面論證了我國白云

5、鄂博 稀土礦的成礦元素來自地幔，成礦流體為富含深源C-O-H-S揮發(fā)分體系的地幔 流體，認為該礦床是國內外罕見的地幔流體交代礦床；孫豐月等認為幔C-H-O 流體在膠東金礦成礦中具有重要作用，表現(xiàn)為該區(qū)殼源花崗巖和金礦床的形成提 供了熱、流體、堿質、硅質及部分金10；近年的研究表明，我國滇西南低溫卡淋 型金礦的成礦過程也存在地幔流體參與，與熱泉發(fā)育有成因聯(lián)系的新礦床類型 熱泉型金礦也是地幔流體成礦作用的極好例證11。地幔流體在油氣和許多非金屬礦床形成過程中也具有重要意義。徐永昌等測 得勝利油田29件樣品天然氣中氦同位素的比值平均為1.58X10-6,也表明有相當 一部分氦來自地幔12。非金屬礦床

6、金剛石的形成與地幔流體密切相關已被廣大地 質工作者所認同；曹榮龍和朱青華認為新疆且干布拉克蛭石礦床是地幔流體成礦 產物。可見，地幔流體在各種金屬、非金屬和油氣礦床成礦過程中具有重要地位。成礦作用表現(xiàn)形式地幔流體本身成礦主要涉及金剛石的形成和油氣的無機成因。金剛石形成和保存的溫壓條件相 當于古老克拉通巖石圈底部軟流圈頂部約 150-300km 深度范圍，索然目前對 金剛石的形成還有很大爭議，如金伯利巖巖漿結晶產物，捕虜晶、多來源多成因 等，但無論哪一種觀點都認為：金剛石的形成與地幔流體活動密切相關13。地幔流體提供成礦物質地幔流體是一種超臨界流體，其顯著特征是具有獨特的溶解能力和理想的運 輸媒介

7、，因而可以溶解地幔中許多成礦元素，攜帶成礦元素的地幔流體在一定溫 度、壓力、pH和Eh等物理化學條件下，將演變?yōu)槌B(tài)流體，其溶解能力下降， 成礦元素沉淀而形成礦床。Durasova的實驗表明，在上地幔溫壓條件下，H2O比在近地表下對Sn的搬運能力要大得多，且一系列親銅元素存在同樣的趨勢14。地幔流體提供成礦物質在許多礦床地球化學研究也得到充分證實。 Groves 的研究表明，地幔流體提供了部分西澳大利亞 Yilgarn 地塊太古宙金礦的成礦物 質；孫賢術認為地幔流體為南澳大利亞奧林匹克壩U-Cu-Au-REE礦床提供了大 量成礦物質。曹榮龍證實我國白云鄂博稀土礦的成礦元素來自地幔。陳毓川的研

8、究顯示，四川大水溝碲（金）礦床部分成礦物質由地幔流體提供15。地幔流體提供成礦流體主要表現(xiàn)在地幔流體直接、地幔流體與其他流體（如變質水、大氣降水、海 水等）混合形成礦化劑交代地殼物質，活化、遷移成礦物質形成成礦流體，在一 定條件下沉淀形成礦床。雖然目前對“地幔流體能否穿過上地幔及莫霍面滲透到 地殼中與地殼巖石發(fā)生交代作用”還有爭論，但碳和稀有氣體同位素組成證實許 多地區(qū)溫泉中的天然氣包含大量由原始揮發(fā)分組成的地幔流體，證實地幔流體可 以滲透到地殼，尤其是張性構造環(huán)境（如裂谷）是地幔流體上升的有利通道 .因 而滲透到地殼中地幔流體可以活化、遷移其中的成礦元素。另外，向上運動的地 幔流體與向下運動

9、的地表水（如大氣降水、海水等）在一定深度混合，形成有利 于成礦元素活化、遷移的礦化劑，交代地殼物質，活化、遷移成礦物質形成礦體。眾多研究表明，許多大型、超大型礦床的成礦物質有多種來源，其中殼源占 有重要地位，成礦流體亦表現(xiàn)出地幔流體與地表水混合來源的特征。 Watson 指 出，世界上一些 Sn、U 礦床，盡管其成礦元素是殼源的，但成礦元素在酸性巖 漿中富集與地幔流體有密切關系地幔流體提供堿質和硅質鉀化、鈉化等堿交代作用和硅化是許多大型超大型礦床極為普遍的蝕變 作用，杜樂天列舉了國內外重多鈾礦及其他金屬、非金屬礦床存在堿交代作用， 指出堿交代作用是成礦作用最核心的一個機制。目前已有充分證據(jù)表明

10、，眾多大 型超大型礦床普遍出現(xiàn)的堿交代作用和硅化所需要的 K、Na 等堿金屬和 Si 部分來源于地幔流體。地幔流體提供熱源眾所周知，成礦作用不僅要有成礦物質、成礦流體，而且必須有能量供給。 持續(xù)的能量供給使成礦環(huán)境長期保持在一個熱狀態(tài)，不僅有利于與成礦有關的巖 漿巖巖體本身的分異與成礦，而且有助于形成一系列對流循環(huán)系統(tǒng)從周圍巖石中 萃取成礦元素，在一定的構造環(huán)境中成礦。地幔流體不僅是一種高溫流體，而且 是一種理想的熱能傳輸介質，因此對維持成礦環(huán)境的熱狀態(tài)有重要意義。雖然目前對地幔柱/熱點化學成分有待深入研究，但實驗模擬和數(shù)字模擬表 明，地幔柱從熱界面像氣球一樣上升，尾部不斷有物質供應，大頭部分

11、將周圍的 地幔物質裹進去，輕而熱的物質大量上升，以至于上升過程中越變越大 。可見， 地幔柱活動過程中將分離出大量高溫地幔流體。這些高溫地幔流體可以使巖石圈 發(fā)生熔融，形成一系列不同類型的花崗質巖類及相關礦床。如我國揚子中下游地 區(qū)中生代大量出現(xiàn)的殼幔同熔型花崗巖和與之有關的鐵銅金礦床。研究實例及判別證據(jù)1927 年丁道衡先生發(fā)現(xiàn)白云鄂博鐵礦以來（圖1），歲月已流逝了87年。幾 代研究者在這塊草原深處的寶山上留下了他們辛勤耕耘的汗水。相比上世紀五六 十年代現(xiàn)在已擁有許多先進的大型儀器設備，對一些粒度僅為微米級的鋯石和稀 土礦物的成分和年齡測定已達到很高的水平，也獲得了一批重要成果。但是，對 于白

12、云鄂博礦床地質研究的一些關鍵問題，如礦床成因方面分歧依然嚴重，本文 參考的是曹榮龍先生的一些研究，著重介紹了地幔流體對白云鄂博礦床形成的影 響。曹榮龍先生在 1993 年在北京召開的第五屆全國礦床會議上正式提出“白云鄂博稀土礦是一種疊加在白云巖及其同生沉積鐵礦先存空間上的地慢流體交代 礦床”16， 并就該礦床的物質來源問題闡述了下列兩方面的主要證據(jù):叵pTIz 回* 回4 冋$ 昌& 冏7 prj* Q吐口諄也茁 叵|承 峑巧圖1白云鄂博曠床地妊示戀圖Fig* 1 Diagrammatie geological map of the Baiyuntbo ore deposit*1-二直珪弄斜怏

13、蝗泥序Eh片厭君丿石英吉.醸庇扳巖.黛加砂活灰営*泥段料申一石吏若.壽 色板巖* 5-la英巖、戔石石英啟J苗一白云譽I T一嵩的桎巖、鈣廂帑云扳畧 日一第回栗沖耶X* 9新SiM地匡與沖和屋界給12-&rf 13-SJi理一暉牡閃民苗15-踐醸巖詠暉小12-34 G ?圖2白云鄂博中部礦段剖面示意圖(據(jù)王運 昌資料修編)Fig* 2 Schematic sec tian cf the middle of匕 blockp the Paiyunbo ore deposit (Based o口 data /ram Wang Yunchang *)】一白云巖！ 2富鉀板巖？ 3-云母巖.4一鉆孔$5

14、鐵礦；6-中甚性崔脈7架礦前地形線圖3白云鄂博西部礦段割面圖f據(jù)王運晝貴牌愜編）Figi 3* Geological section of th皋 Vvestwii or竽 b】Q匚k, the Bulyunebo orw deposits （Based on dal需 from Wa口g Yunchang ）1-第四累2-白云巖型曠石丿了一議云毋 型礦若小一扳巖型礦石5板巖夾白云巖 型礦石卜$黑云母巖夾白云巖型礦石F 7-srF 8斷層稀土（鈮）等稀有金屬成礦元素來自地慢（1）稀土礦石和單礦物的鍶同位素比值低。87Sr /86Sr測量值的代表性數(shù)據(jù)為 0.703203 一 0.704467。

15、計算的鍶初始值低于 0.703。這證實稀土（鈮）等成礦元 素來自地慢,排除了古老陸殼物質大量加入的可能性。2)稀土單礦物及伴生脈石礦物的 Sm 一 Nd 同位素數(shù)據(jù)可合理地計算釹模式年齡:TDm值從1546到1907Ma； TCHUR為1241 1508Ma，估計稀土元素從地 慢的分離事件介于1500 一 1900Ma之間。(3)獨居石稀土礦物Sm一Nd等時線確定的143Nd/144Nd初始值 Nd(T)=8.4, 明確表示稀土是地慢來源，而不是地殼來源。稀土成礦溶液屬于富含深源 C 一 O 一 H 一 S 揮發(fā)份體系的地慢流 體( 1)主要稀土礦物,如氟碳鈰礦、氟碳鈣鈰礦、黃河礦、氟碳鈰鋇礦

16、等氟碳酸鹽 的6 13C變化范圍為-4.12 一-5.19%。，平均為一 4.83%。(8)(括號內數(shù)字代表樣品 數(shù)下同)；6 18O為6.39%至12.17%，表明成礦溶液富地慢C02。稀土礦石中伴生硫化物(黃鐵礦、方鉛礦、輝鉑礦、閃鋅礦、磁黃鐵礦等) 的6 34S變化于一 4.71 一 3.46%。之間，平均為一 0.73%。(13)，與隕石硫一致。證明 成礦溶液中硫礦化劑屬地慢 S。含水礦物鈉閃石的6 D變化范圍為一 179.2 256.6%。,平均一 25.05%。 根據(jù)鈉閃石值6 18O求得與之平衡的成礦溶液的6 18O值為6.1 一 7.2%。含水礦 物的氫、氧同位素數(shù)據(jù)投影于地慢

17、h2o區(qū)域。稀土氟碳酸鹽、霓石、螢石和重晶石等礦物富含氣液包裹體 ，成分以 CO2 為主,H2O比較次要,包裹體CO2的同位素測定，6 13C變化范圍為-4.18至-8.53%。, 平均一 5.72%； 6 180變化范圍為5.58 一 14.90%。，平均8.10%。(10),說屬于慢源 CO2。包裹體H2O的同位素測定，6 D變化范圍為-83至-108%。,平均為一 98%。 說明組成水流體中的氫代表地慢H。上述稀土氟碳酸鹽、伴生硫化物、蝕變含水礦物以及氣液包裹體的氧、硫、 氫、碳同位素組成直接證明,本區(qū)成礦溶液并非傳統(tǒng)概念上的地殼熱液,而是成礦 理論中不見經傳的地慢液體。因此,白云鄂博稀

18、土礦是一個世界罕見的地慢流體 交代礦床,屬于一種嶄新的礦床成因類型。成礦特征1)特征的元素地球化學組合白云鄂博礦床的元素地球化學組合為LREE Nb 一 Ba 一 Sr 一 Th；成礦溶 液礦化劑組分為CO2一 H2O 一 F 一 P 一（Na、K）一 S 一 C1。這種不相容元素的 富集作用和富含CO2一 F 一 P等揮發(fā)份的特征完全可以與地慢流體和地慢交代 作用的近代研究結果進行參照比較。（2）特殊的礦物共生組合,發(fā)現(xiàn)一系列熱液礦床所沒有的新礦物 白云鄂博稀土礦床特殊的礦物共生組合為稀土磷酸鹽 （獨居石）一稀土鋇氟碳酸鹽一稀土鈮易解石一螢石一鈉閃石一霓石一磷灰石一重晶石一堿性長石一 硫化物

19、。礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)新礦物 15 種,這是普通熱液礦床從來沒有的,反映了地慢流體 與眾不同的成礦元素與礦化劑搭配,以及與地殼熱液迥異的物理化學條件。（3）不同于中小規(guī)模的熱液礦床,常形成大型或超大型礦床白云鄂博稀土氧化物的儲量約 4800 萬噸（平均品級 6%）,鈮的儲量 100 萬噸 （平均 0.13%）,螢石 12000 萬噸,均構成世界大礦的規(guī)模,反映了地慢流體所在源區(qū) 無與倫比的礦源貯存庫。（4）礦區(qū)地層巖石產生大面積強烈的圍巖蝕變白云鄂博礦區(qū)所在的由H。白云巖和H,黑色頁巖構成的白云向斜，東西長約 30km，南北寬約4km，普遍地遭受了滲透彌漫性的螢石化、鈉閃石化、霓石化、 磷灰石化、云母化

20、、硫化物化以及鉀長石化等強烈的圍巖蝕變作用 ,充分顯示了 地慢流體原始揮發(fā)份和礦化劑難以想象的富集程度及攜帶、搬運、沉淀成礦元素 的活動規(guī)模和形成超大型礦床的潛在能力17-19。（5）地慢流體成礦過程跨越很長的地質時期根據(jù)稀土礦物Sm 一 Nd等時線研究結果,白云鄂博稀土礦的形成曾有兩次成 礦高峰期。第一期的時間t=1700 士 480Ma，相應于早一中元古代;第二次成礦高峰 期t=424 一 402Ma，相當于加里東期，兩期之間的間隔說明成礦作用持續(xù)時間長達 約 1000Ma 左右18。地慢流體礦床的地球動力學及構造背景地慢流體從深部地慢源區(qū)上升、運移到巖石圈地殼 ，甚至逸入大氣圈推測與 地

21、球脫氣作用有關，具有深刻的地球動力學及全球構造背景。其基本的控制因素包括：（1）地慢以及核/慢熱界面P型源區(qū)的產生以及原始揮發(fā)份和活動元素的高 度富集:它與地球的化學不均一性、核一慢間以及下地慢一上地慢間物質與能量 的交換、深部地慢對流機制等有關19。（2）地慢柱的形成:根據(jù)模擬實驗,地慢柱從熱界面像氣球一般的上升 ,尾部不 斷地有物質繼續(xù)供應,大頭的部分將周圍的地慢物質裹進去,以致上升越變越大。 頭的直徑可達700km。輕而熱的東西大量上升，碰到巖石圈之后，形成與巖石圈地 慢混合的巖漿源區(qū)。同時可分離出大量地慢流體 ,通過熱點、裂谷等通道上升造 成地殼中的地慢流體交代作用和成礦過程20-22

22、。（3）大陸熱點、裂谷系等巖石圈破裂的產生及其持續(xù)活動:由前寒武紀克拉通 地殼和虧損地慢組成的大陸巖石圈板塊在漫長的地質時期中起著不滲透蓋層的 作用，阻擋著深部地慢活動組分的逃逸。揮發(fā)份處于近似平衡的分布狀態(tài)。但是， 一旦巖石圈發(fā)生破裂（如裂谷作用），尤其是發(fā)生熱點穿刺的部位，成為地球脫氣作 用的通道?；顒釉睾蛽]發(fā)份將匯成巨流穿越殼一慢界面進入地殼 23-25。這時， 裂谷帶和熱點的功能起著抽汲系統(tǒng)的作用。結語世界上的金屬非金屬熱液礦床可能絕大多數(shù)與地球淺表源區(qū)（C型和A型） 的水熱溶液有關。但是，內蒙白云鄂博稀土礦的實例啟示我們，國內外某些罕見的 超大型礦床以及礦帶可能在成因上與起源于深部

23、的地慢流體的活動有著密切的 聯(lián)系。地慢流體包括地慢柱源區(qū)（P型）、洋中脊源區(qū)（M型）和島弧源區(qū)（A。型）的 諸端元組分。三個地慢源區(qū)組分的混合作用，以及淺表源區(qū)組分的混染是導致地 慢流體成分實際變化的主要原因。地殼中的地慢流體交代作用是地慢流體成礦作用的理論基礎 ;是地慢流體穿 過上地慢及莫霍面，在相應于巖石圈地殼和物理化學條件下對地殼物質（變質巖、 火成巖。沉積巖、礦層等）產生的揮發(fā)份及活動組分的富集作用，以及對殼源成礦 元素的活化過程。與一般地殼熱液比較，地慢流體具有獨特的地球化學特性;在宏觀上它的產生 和活動受到更深刻的地球動力學及全球構造背景的驅動和控制。因此 ,在元素地 球化學、礦物

24、共生組合、礦石結構順序、礦化世代、礦床規(guī)模儲量、圍巖蝕變、 以及成礦時期等諸方面,地慢流體礦床都產生了與普通熱液礦床不同的量和質的 根本變化,因而更有利于形成超大型的礦床和巨大的礦帶?！暗芈黧w成礦說”是我國地學工作者通過廣泛的實踐提出的新問題、新觀 點和新的學術思想,具有重要的理論和實際意義。由于筆者才疏學淺，上文所述 肯定有諸多問題，懇請老師批評指正。參考文獻曹榮龍等.地幔流體與成礦作用J.地球科學進展,995,0(4):324-329陳豐.氫-地球深部流體的重要源泉J.地學前緣，1996,3(3-4)： 211-222儲雪蕾.地幔的碳同位素J.地球科學進展，1996, 11 (5)： 446-452郭光裕.熱泉型金礦床成礦模式及成礦遠景評價M.天津：天津科學技術出版社， 1993張鴻翔. 地幔流體基本特征及成因 J. 地質地球化學， 2000， 28(2)：1-7謝家榮.中國礦床學總論M.北京：學術期刊出版社，1964王登紅.地幔柱及成礦作用M.北京：地震出版社，1998毛景文.湖南萬古地區(qū)金礦地質與成因M.北京：原子能出版社，1997孫檣. 地球深部流體與油氣生成及運移淺析 J. 地球科學進展， 2000，15(3)： 283-288Bell K. Carbonatities-Genesie and Evo