花岗岩类矿床成矿流体形成过程的原位观测实验

李 建 康

1.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室/中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037

2.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054

0 引言

岩浆分异出热液，而热液形成矿床的理论，是一个地质常识，且已被花岗伟晶岩中的熔体－流体包裹体所证实［1］。但岩浆分异出成矿流体的机制，仍存在较大的争议。目前，在硅酸岩浆结晶过程中，因H2O饱和而使热液自岩浆出溶的观点已经被广泛认同［2］，该过程多发生在花岗岩型和斑岩型矿床中［3－5］。除此之外，许多学者在高度演化的花岗岩中，特别是花岗伟晶岩中，发现了一些难以解释的地质现象，如花岗岩中的浅色包体、似伟晶岩囊体、伟晶岩与花岗岩的截然接触关系，由此逐渐发展出岩浆液态不混溶作用，认为分异出的富挥发分、贫硅酸盐熔体或流体具有重要的成岩成矿意义［6－9］。

长期以来，对以上花岗岩浆热液形成过程的理解和认识，多来自熔体、流体包裹体研究和实验模拟。实验研究主要通过快速淬火式实验设备完成，如冷封式高压釜。但该类设备的实验产物只有淬火后才能观测。因此，目前缺乏原位观测岩浆分异热液过程的研究，影响了人们对岩浆演化机制的深入认识。热液金刚石压腔（HDAC）是专门为模拟地壳温压条件下的地质作用而设计的，可对－190～1 200℃、0～10GPa的热液体系进行实验［10－11］。目前，HDAC已初步应用于花岗岩体系的实验研究［9，12－14］。但由于老式 HDAC的种种技术弊端，难以成功地开展花岗岩浆热液分异机制的实验研究。本次研究有幸使用最新式HDAC，并通过加热系统和观测系统的改造，原位观测到了硅酸盐熔体的沸腾和液态不混溶现象，从而有助于理解各类花岗岩类矿床的形成机制。

1 实验方法

本次研究的大部分实验在美国地质调查局的高温高压地球化学实验室完成，部分补充性实验在中国地质科学院矿产资源研究所的高温高压实验室完成。实验采用Type V HDAC，结构如图1所示，实物照片见图2。样品存放在金属垫片的孔洞内，上下两颗金刚石压合在金属垫片上，组成封闭的样品腔，通过旋转螺丝施压，使样品腔封闭。上下两颗金刚石底座的周边缠绕电阻丝，金刚石侧壁粘贴热电偶，达到加热和测量温度的效果。有关HDAC的详细介绍见文献［10－11，16－17］。实验采用的 HDAC加热系统为Linkam TMS 94，观测镜头为普通5倍物镜和Mitutoyu公司的20倍、50倍长焦距镜头。实验采用惰性的铼片作为HDAC的金属垫片。铼垫片的内径为1.0mm，厚度为0.25mm，金刚石表面直径为1.6mm，由此构成的样品腔的直径为1.0 mm，深度略低于0.25mm。

本次研究对HDAC进行了一定改进，把传统的WC加热器底座更换为Si3N4加热器底座，使用了铬电阻丝，改进了样品腔的保温系统和减弱了无效冷却系统等，从而使HDAC的可控温度（升降温速率可以控制）达到900℃，满足了开展花岗岩熔融实验的条件；改进了显微镜物镜的冷却系统，使当HDAC加热到900℃，用于显微观测的50倍Mitutoyo物镜玻璃表面的温度不超过38℃，解决了以前因镜头破裂而无法在高温下长期原位观测的问题。

图1 Type V型热液金刚石压腔的结构图（引自文献［15］）Fig.1 Schematic drawing of the Type V hydrothermal diamond－anvil cell（after reference［15］）

图2 Type V热液金刚石压腔的实物照片Fig.2 Picture of Type V HDAC

实验的样品主要为LiAlSiO4、NaAlSi3O8等一种或几种硅酸盐按照一定比例混合的硅酸盐胶体。样品是Steward［18］采样凝胶法制备的，制备过程见文献［19］。实验前，把硅酸盐胶体颗粒和H2O溶液一起封存到由金刚石和金属垫片组成的样品腔中，装载样品后的样品腔主要由硅酸盐胶体颗粒、H2O溶液和空气泡组成。在进行正式加热前，先进行尝试性加热，以调整样品腔内空气泡的消失温度。如果消失温度过低，则通过旋松螺丝释放适当H2O溶液；如果消失温度过高，则只能重新装载样品。此外，正式加热前，还需要通过对比加热前后样品腔中空气泡的消失温度，确定样品腔是否密封，否则再次旋紧螺丝直至完全封闭。

在加热过程中，首先观测和记录样品腔内空气泡的消失温度；在继续加热的过程中，硅酸盐胶体颗粒逐渐融化成熔体珠，熔体珠代表了H2O饱和的硅酸盐熔体；而后，按照研究需要，以一定的升温和降温速率开展实验，期间观测硅酸盐熔化成熔体珠，以及熔体珠的变化过程。

2 H2O饱和花岗岩浆的流体出溶实验

在模拟H2O流体自硅酸盐熔体出溶过程的实验 中， 本 文 以 LiAlSi2O6－H2O、LiAlSi2O6－NaAlSi3O8－SiO2－H2O、LiAlSiO4－NaAlSi3O8－SiO2＋（LiCl）－H2O等体系代表花岗岩浆。不同体系的实验过程和结果相似，以LiAlSi2O6－H2O体系为例对实验过程描述如下：首先，把硅酸盐固体样品和流体样品同时封存在样品腔内，然后对样品加热，直至硅酸盐处于完全熔融状态；在完全熔融状态下，熔体珠呈现圆珠状、透明、无浊浮物，悬浮在H2O溶液中；在随后数秒后，硅酸盐熔体中开始不断分异出富H2O的流体（图3），降温亦然，直至在低温阶段晶体开始生长，此时由于熔体与流体的共存，熔体始终处于H2O饱和状态，从而岩浆不断分异出岩浆水。以上过程的实验数据见表1。

图3 LiAlSi2O6－H2O体系中流体自H2O饱和硅酸盐熔体珠的出溶现象Fig.3 Exsolution phenomenon of fluid from H2O－saturated silicate melt in the system of LiAlSi2O6－H2O

表1 图2所示实验的实验条件Table 1 Experimental conditions of the experiment shown in Fig.2 ℃

在硅酸盐熔体的H2O出溶过程中，出溶的H2O流体的量占熔体体积的10%～30%（图3），这种现象直接表明了硅酸盐熔体在高温高压的状态下，可以溶解出较大量的H2O。这与前人的实验结果一致，如在600MPa、600～720℃的条件下，富Li硅酸盐熔体可以溶解约13%的H2O［20］。从而进一步佐证了岩浆分异出热液理论的科学性，可以解释一些花岗岩类矿床形成所需要的大规模流体量。

3 花岗岩浆的液态不混溶实验

在本次实验中，初始固体样品为NaAlSi3O8（钠长石）、LiAlSiO4（锂辉石）、SiO2（石英）混合胶体颗粒，3种组分的质量比例为1∶1∶1，流体样品为10%LiCl的水溶液，二者同时封存在热液金刚石的样品腔内。

3.1 缓慢降温降压过程中的相分离

在实验中，首先把样品加热到900℃，而后保持恒温30min，使样品腔内的硅酸盐完全熔化成熔体珠；接着在以1～5℃/min的速度缓慢降温的过程中，熔体珠自流体相出溶和变大；当温度降低到600～500℃时，H2O饱和的硅酸盐熔体珠会逐渐发生相分离，表现为硅酸盐熔体珠内包含一个或多个液态圆珠，并且液态圆珠逐渐增大（图4）。此时，若升温，则相分离现象逐渐消失。实验样品在冷却到室温后，仍然保持了不混溶的特征（图5A）。经JY Horiba LabLam HR拉曼系统分析，分离两相分别为富H2O相和贫H2O相（图5B）。这种相分离的现象是富挥发分花岗岩浆液态不混溶作用的直接体现。

3.2 快速降压条件下的不混溶作用

图4 在降温过程中，NaAlSi3O8－LiAlSiO4－SiO2－LiCl体系发生的相分离现象Fig.4 Liqiuid immiscibility in NaAlSi3O8－LiAlSiO4－SiO2－LiCl system during cooling

图5 保存于室温条件下的硅酸盐熔体相分离现象及其激光拉曼分析结果Fig.5 Liquid immiscibility of silicate melt observed in room temperature and it’s Raman ananalysis result

在 NaAlSi3O8－LiAlSiO4－SiO2－LiCl－H2O 体 系的实验中，当加热温度超过850℃时，硅酸盐呈熔体珠悬浮在水溶液中，此时样品腔突然发生泄漏，压力突然降低，熔体珠快速分离出富H2O相熔体相和贫H2O熔体相，后者被前者包围（图6A）。在随后的缓慢冷却过程中，熔体珠内的贫H2O熔体相首先成核和结晶成颗粒较小和自形程度较差的晶体；当贫H2O相被消耗完后，富H2O相开始供应晶体生长的物质，生长出晶形较完整的较大晶体（图6B—D）。实验条件如表2所示。这种现象说明，相对于富硅酸盐熔体，富H2O等挥发分熔体是一种较为理想的晶体生长介质。

表2 快速降温降压过程中熔体发生液态不混溶作用的实验条件Table 2 Eexperiment conditions of liquid immiscibility for silicate melt during fast cooling ℃

图6 在压力突然降低情况下，硅酸盐熔体的相分离过程Fig.6 Liquid immiscibility of silicate melt during fast cooling

4 讨论

4.1 H2O饱和花岗岩浆热液出溶作用的地质意义

一般来说，H2O自花岗岩浆的出溶过程主要有两种过程：一是因构造崩塌，使压力快速降低，进而流体的出溶，称为岩浆的“第一次”沸腾作用；二是因H2O饱和而导致流体出溶，称为岩浆的“第二次”沸腾作用。本次岩浆的沸腾实验是在H2O饱和条件下发生的，属于岩浆的“第二次”沸腾作用。在岩浆的“第二次”沸腾作用中，岩浆水可以是液相、气相或超临界相，但一般简称为岩浆蒸汽［4］。

岩浆的“第二次”沸腾作用一般发生在岩浆的多期次较充分结晶后，此时不相容元素富集在残余岩浆中，并导致H2O的相对含量逐渐增加，最终达到饱和状态，以热液的形式与硅酸盐熔体分离。出溶的热液会对早期结晶的花岗岩进行一定程度的交代作用，从而产生云英岩化、钠长石化、钾长石化等自交代变质作用。如：在各类花岗岩类矿床中，花岗岩型稀有金属矿床常伴有明显的云英岩化，典型矿床为广西栗木锡钽铌多金属矿床、江西宜春钽铌矿床、湖南尖峰岭钽铌矿床；石英脉型钨锡矿床深部的花岗岩也常常发生强烈的自交代变质作用，从岩体上部向下发育云英岩化、钠长石化和钾长石化，典型实例为赣南众多的石英脉型钨矿［21－22］。

4.2 花岗岩浆液态不混溶作用的地质意义

由本文的花岗岩浆液态不混溶实验（图6）可知，相对于贫H2O熔体，富H2O的熔体是一种较为理想的粗大晶体定向生长的介质。结合到地质实际，贫H2O熔体和富H2O熔体可分别对应于花岗岩浆和伟晶岩熔体/流体，前者结晶出众多细粒和自形程度差的矿物，类似于花岗岩，后者结晶出定向生长的粗大晶体，类似于花岗伟晶岩。而且，图5中细小晶体集合体和粗大晶体的共生现象与伟晶岩矿田中花岗岩和伟晶岩脉的共生关系一致。因此，花岗岩浆液态不混溶作用可以形成花岗伟晶岩熔体/流体。该认识与许多流体和熔体包裹体研究结果一致。如：在俄罗斯外贝加尔地区的Orlovka花岗伟晶岩、德国Zinnwaldite和Ehrenfriedersdorf花岗伟晶岩中，存在花岗岩浆液态不混溶成因的富H2O贫硅酸盐的B型熔体包裹体和贫H2O富硅酸盐的A型熔体包裹体［6，23－24］；川西甲基卡矿床中存在大量富子晶包裹体，其代表了一种富挥发分的硅酸盐水溶液，是花岗岩浆液态不混溶的产物［25－26］。

本文的实验研究表明，虽然岩浆在缓慢冷却的过程中也可以发生液态不混溶现象，但压力的突然降低更利于不混溶作用的发生。因此，压力条件的变化可能是花岗岩浆液态不混溶作用发生的重要诱发因素，这与笔者通过地质和地球化学研究对川西甲基卡矿床的形成机制的认识相吻合［26］。

4.3 岩浆不混溶作用和H2O饱和花岗岩浆流体出溶的差别

在本次实验研究中，发生液态不混溶作用的实验体 系 为 NaAlSi3O8－LiAlSiO4－SiO2－LiCl－H2O，缺乏LiCl的体系未观测到液态不混溶作用。由此可以推断，LiCl是硅酸盐熔体发生不混溶作用的重要因素，这与前人的研究一致。如，华南Li－F花岗岩中存在许多花岗岩浆液态不混溶的地质标志［27］，存在液态不混溶作用的德国Greifenstein花岗岩的Li2O质量分数为0.14%［28］。这主要是因为碱性氧化物（MxO）－SiO2间存在一定的混溶缺口，各碱性元素的混溶缺口以下列顺序降低：Li＞Na＞K＞Rb、Cs［9］。锂是花岗伟晶岩型矿床的主要矿种，由此推断花岗伟晶岩型锂矿床易于发生花岗岩浆的液态不混溶作用。

与岩浆液态不混溶体系不同，岩浆中H2O的出溶作用对样品体系没有明显的选择性。由此推断，各类岩浆在一定的温压条件下，均可能通过“第二次”沸腾作用形成成矿流体，即使富锂花岗岩浆亦是如此。如：在广西栗木花岗岩型矿床中，晚期热液自交代形成云英化钠长石花岗岩，其上产出大量萤石锂云母细脉；江西宜春钽铌矿床中，花岗岩体上部产出云英岩带。

5 结论与建议

本次实验研究表明，最新式HDAC是开展花岗岩浆热液分异机制研究的一种较为理想的实验设备，能够在高温高压状态下原位观测和原位微束分析岩浆热液，即成矿流体的形成过程。实验研究得出以下认识：

1）花岗岩浆因H2O饱和而导致流体出溶的现象是岩浆的“第二次”沸腾作用，可以用来解释花岗岩型稀有金属矿床中岩体的云英岩化等自交代作用，具有重要的成岩成矿意义。

2）花岗岩浆液态不混溶作用的实验模拟表明，压力降低是诱发花岗岩浆在一定条件下发生液态不混溶作用的重要因素；分异出的富挥发分熔体或流体有利于结晶出定向生长的晶体，可以解释花岗伟晶岩的形成。因此，推断花岗岩浆的液态不混溶作用可能是花岗伟晶岩型矿床形成的重要机制。

3）由实验体系的异同可知：花岗岩浆液态不混溶作用易发生于富Li的岩浆体系；花岗岩浆的“第二次”沸腾作用对岩浆体系没有明显的选择性。因此，前者主要发生在伟晶岩型锂矿床中。

由于实验条件的限制，本次研究利用HDAC仅对花岗岩浆的液态不混溶作用和沸腾作用开展了原位观测分析，未与同步辐射等微束分析技术结合开展原位测试，从而难以深入理解在岩浆流体分异过程中成矿元素及挥发分的迁移、富集规律。目前，我国上海已经建立了世界第三代同步辐射光源，能量强度居世界前列。因此，在今后的实验研究中，应该尝试HDAC技术与同步辐射X荧光分析技术的结合，在花岗岩浆流体分异的过程中开展原位观测和测试工作。

本次研究是笔者在美国地质调查局作为访问学者工作期间取得的成果。在实验过程中，周义明博士及其同事和朋友给予了帮助，美国康奈尔大学的W.A.Bassett教授不但提供了最新式的HDAC，还根据实验需要改进了热液金刚石压腔；在美国生活期间，祁海萍等华人学者给予了很多帮助；在文稿撰写过程中，评审专家提出了宝贵的修改意见。在此一并表示感谢。

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