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地科院徐夕生教授课题组在花岗岩水含量研究方面取得进展,Nb矿床的结晶分异形成机制

发布时间:2019-11-24 13:29编辑:软件之家浏览(82)

    通常认为,花岗岩中某些特征矿物可以指示其结晶时水含量信息,比如角闪石的出现表明熔体结晶于相对富水的条件下(即熔体水含量大于4 wt.%),而斜方辉石的出现则指示相对高温贫水的结晶条件(即温度大于800 °C,熔体水含量小于3 wt.%)。流体和熔体包裹体的研究可以制约岩浆结晶时的水含量以及流体的种类,但是原始流体和熔体成分往往很难保存下来。岩浆结晶实验为岩浆水含量、结晶温度及压力提供了较为精确的制约,但是实验过程往往较为费时且国际上仅有为数不多的实验室开展岩浆结晶实验。 而结晶热力学模拟可为探究岩浆结晶温度、压力以及水含量条件提供方便快捷的途径。目前使用较为广泛的热力学模拟软件是rhyolite-MELTS。该软件主要针对结晶度小于50%的准铝质火山岩,且对于镁铁矿物(黑云母,辉石和铁钛氧化物等)结晶条件的制约存在较大误差。因此,对于广泛分布的花岗岩,寻找一种估算其结晶温度、压力及水含量的手段是当前研究中的迫切需求。

    江西宜春花岗岩型钽铌矿床是我国钽精矿年产量最大的矿床,矿化的雅山花岗岩体自下而上分为二云母花岗岩带→白云母花岗岩带→钠长石花岗岩带→锂云母钠长石花岗岩带→似伟晶岩带。关于该矿床的成因长期以来存在着岩浆自交代作用和岩浆结晶分异作用的争议。

    9月14日,应中国科学院矿产资源研究重点实验室邀请,加拿大新不伦瑞克大学(University of New Brunswick)教授David Lentz到中科院地质与地球物理研究所作题为Extreme fractionation in felsic magmatic systems: examination of thermochemical and thermal constrains in the formation of magmatic ore deposits的学术报告。

    南京大学地球科学与工程学院徐夕生教授课题组探究了利用热力学模拟手段制约花岗岩结晶条件的可能性。热力学软件Perple_X是一种广泛应用于变质岩体系的热力学方法,该方法基于体系吉布斯自由能最小化的算法同样可以应用于热力学平衡的花岗岩体系中。该课题组利用岩浆结晶实验数据定量评估了该方法的可行性及不确定性,其结果表明热力学模拟在温度误差20-60 °C、水含量误差0.5-1 wt.%范围内可以较好的重现实验结果。在此基础上,该课题组将此方法应用于华南钦州湾地区发育的紫苏花岗岩的研究中,并进行流体包裹体的研究。研究表明钦州湾地区的过铝质紫苏花岗岩缺乏以CO2为主的流体成分,这不同于国内外报道的准铝质紫苏花岗岩中的流体成分。结合岩相学分析的热力学模拟表明,钦州湾地区发育的过铝质紫苏花岗岩中的斜方辉石结晶于相对较低的温度(750-790±30 °C)和中高到较高的熔体水含量(3.5-5.6±0.5 wt.%)条件下,是在相对湿、冷的条件下结晶。

    为此,中国科学院深海科学与工程研究所研究员周義明课题组尝试从流体和熔体包裹体方面探索该矿床的形成机制。主要利用热液金刚石压腔和拉曼光谱仪对宜春Ta-Nb矿床不同矿化带石英矿物中的包裹体的类型、成分以及完全均一温度等进行了实验研究。实验结果表明该矿床中的盐水溶液包裹体所包裹的流体体系具有低均一温度、低密度(0.86~0.94g/cm3)和低盐度(0.8~6.6wt%NaCl)的特点;硅酸盐熔体包裹体的子矿物主要为石英、钠长石和白云母,其次还有少量的微斜长石、锂云母、黄玉、天然硼酸和磷铝锂石;自二云母花岗岩带→白云母花岗岩带→钠长石花岗岩带→锂云母钠长石花岗岩带,熔体包裹体中的钠长石的含量呈逐渐递增的趋势,而SiO2的含量则逐渐递减。由组分加权平均得到的熔体包裹体的密度也呈逐渐降低的趋势;熔体包裹体均一实验表明,硅酸盐熔体包裹体的完全均一温度为776~860℃,固相初熔温度为570~710℃,且自下而上的不同矿化带中,熔体包裹体的均一温度呈现降低的趋势。最终,通过实验证明了宜春Ta-Nb矿床是岩浆连续结晶分异作用的结果,该成果发表在Journal of Asian Earth Sciences(Li et al., 2017;The formation of the Yichun Ta-Nb deposit, China, through fractional crystallization of magma indicated by fluid and silicate melt inclusions)上。

    David Lentz介绍了秘鲁Mascusarii和美国Niobiam的凝灰岩,其富集Be、Sn、W、U、Nb、Ta、Y、REE等多种不相容元素,类似于Li-Cs-Ta与Nb-Y-F型伟晶岩-过铝质花岗岩,从而引入极高分异花岗质岩浆的概念。报告强调岩浆极端分异作用在矿质演化过程中的重要性,尤其是对W、Sn、Be、Li、U、REE等元素的富集意义重大。重点介绍了Sn岩浆矿床,通过热力学、热化学模拟研究了Sn在不同的岩浆结晶分异与部分熔融程度过程中的富集程度,同时结合Bushveld不同时代的花岗岩的年代学研究,约束了Bushveld系统的岩浆演化及其对有关的Sn和REE矿化形成的控制作用。报告末尾展示了有关热力学模拟的相关软件在研究岩浆系统规模、侵位与演化定量模拟方面的运用。报告后,郭敬辉等就是否可以利用熔体-流体包裹体来更好地研究该岩浆过程与David Lentz进行了讨论。

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    图1 T-XH2O相图中结晶实验及模拟结果的对比

    宜春Ta-Nb矿床不同岩性带中熔体包裹体子成分拉曼分析结果(Li et al., 2017)

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    图2 P-T相图中结晶实验及模拟结果的对比

    该研究论文发表于《Contributions to Mineralogy and Petrology》。博士研究生赵凯为论文第一作者,徐夕生教授为通讯作者。论文链接:

    (地球科学与工程学院 科学技术处)

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