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组会:利用钒同位素示踪热液成因钒矿床成矿机制——严瑾仪

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利用钒同位素示踪热液成因钒矿床成矿机制——严瑾仪

王思杰,May 25, 2023

      氧化铁型铜-金(Iron Oxide Copper-Gold,简称IOCG)矿床主要指铁氧化物(低钛磁铁矿和赤铁矿)含量大于20%的铜-金(或银、铌、稀土元素、铀、铋和钴)矿床。这种矿床往往富集Fe、Cu、Au和轻稀土元素,IOCG矿床往往具有巨大的矿产资源潜力,并在矿业开发中发挥着重要的作用。IOCG矿床通常出现在以下三种环境中:①板内,与非造山岩浆相关;②较年轻的大陆弧中,与中性岩浆有关;③处于褶皱和推覆带中。

      热液流体的运移和反应过程在形成IOCG矿床的过程中起着关键作用。IOCG矿床系统Cu-Au矿化通常被认为是热液矿化,但关于其所含金属及其流体的来源尚无共识。例如,对Cloncurry IOCG矿床的研究为IOCG矿床系统流体来源提供了至少四种可能,包括:(1)岩浆热液流体。岩浆中含有丰富的金属元素,并在与周围岩石相互作用的过程中释放出来。岩浆热液通过岩石裂隙和断裂带向上升温,发生充填和矿化作用;(2)来自盆地沉积物中的卤水。这些卤水可以从深部地壳中溶解和吸附金属元素,并在地壳中形成矿化流体。附近的侵入体或热源提供了加热这些卤水的能量,使其上升并与围岩相互作用,形成矿床中的矿化作用;(3)沉积孔隙流体和变质流体的组合。地壳中的沉积层含有一定量的孔隙水,这些孔隙水可以溶解和吸附金属元素。当这些孔隙水与变质作用形成的流体相混合时,可能引发矿床的矿化作用。(4)其他未明确指定的流体来源,具体的细节和机制尚不清楚。

      Ernest-Henry矿床是一个典型的IOCG矿床,位于澳大利亚昆士兰西北部Isa Inlier山脉东部的东南倾斜剪切元古代变火山岩中。Ernest Henry是Cloncurry区已知的最大IOCG矿床和澳大利亚第二大IOCG矿床。Ernest Henry矿床中的磁铁矿可根据不同的矿物组合类型分为三个期次,依次是biotite-magnetite (bt-mgt)、magnetite-actinolite (mgt-act)和ore stage矿物组合。此外,由于V的离子半径和Fe离子非常相近,在磁铁矿中一部分Fe原子可以被V原子替代,形成富含V的磁铁矿。V在自然界中能以多种价态形式存在(+2、+3、+4、+5 价),其存在形式和地球化学行为对环境的氧化还原条件非常敏感,理论上这种广泛的价态能够反映天然岩石所有的氧逸度 (fO2)变化。因此,V被认为是与IOCG矿床形成和矿物沉淀过程密切相关的元素之一,研究V的富集和迁移机制有助于理解矿床的形成和演化过程,为成矿流体来源提供新的见解。

      本研究选取Ernest Henry矿床中不同钻孔的磁铁矿样品(1)利用X射线吸收精细结构谱(XAFS)实验,分析磁铁矿中V元素的价态;(2)利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),分析不同期次磁铁矿中的V元素含量;(3) 利用电感耦合等离子质谱(MC-ICP-MS)对不同形成期次的磁铁矿进行高精度V同位素分析以观察不同期次样品的V同位素组成和V同位素分馏大小。测试结果发现第三期次(ore stage)磁铁矿的V同位素与第一期次形成的磁铁矿的V同位素相比偏轻;第二期次测试的样品数量较少,但δ51V值位于第一和第三期次之间,可能存在继承的关系。磁铁矿中的V同位素随着成矿期次的演化会发生分馏,结合前人发表的Ti、Fe、O同位素数据可以发现Ti同位素和Fe同位素与O同位素之间没有明显的关系,但O同位素变化趋势与V同位素相似,高温岩浆热液可能是导致不同期次磁铁矿V同位素发生分馏的原因。此外,F、Cl与V产生的配离子也会导致V同位素发生分馏(Fujii et al., 2023),因此非岩浆流体引入的F、Cl离子也可能导致V同位素发生分馏。我们的实验还发现没有证据证明V同位素的分馏与流体的氧化还原条件的改变存在相关性。

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