这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告:
本研究由袁顺达和赵盼捞共同完成。袁顺达来自自然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,赵盼捞则同时隶属于中国地质科学院矿产资源研究所和多伦多大学地球科学系。该研究发表于《中国科学: 地球科学》2021年第51卷第2期。
该研究的主要科学领域是岩浆热液矿床的成矿机制,特别是成矿金属在熔体-流体相间分配行为的研究。岩浆挥发相的出溶过程对岩浆热液矿床的形成具有重要控制作用,然而传统实验方法难以保持体系的封闭性,限制了人们对元素在熔体-流体相间分配行为及其控制因素的认识。因此,本研究旨在通过一种新的合成流体包裹体方法,结合LA-ICP-MS(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱)微区分析技术,研究成矿金属在熔体-流体相间的分配行为,以克服传统方法的局限性。
初始硅酸盐玻璃制作和溶液配制
研究首先根据典型成锡矿花岗岩的地球化学特征,选取相应元素的氧化物和碳酸盐按比例配制混合物,并加入微量金属锡。混合物在高温炉中经过多次熔融和淬火,最终获得成分均一的硅酸盐玻璃。为避免锡与贵金属坩埚形成合金,脱碳和熔融时使用石墨坩埚。随后,将硅酸盐玻璃粉末与蒸馏水一起封装在黄金管内,进行高温高压实验,制备含水约5wt%的硅酸盐玻璃。初始溶液则使用高纯度的氯化物和蒸馏水配制,总氯浓度设计为2mol kg−1。
锡在熔体-流体相间分配的高温高压实验
实验使用镍基Rene 41型冷封式高压釜进行,实验温度为800℃,压力为1.5kbar,氧逸度控制在NNO缓冲线附近。实验过程中,通过快速淬火确保样品在高温高压下达到熔体与流体相间的分配平衡。实验结束后,取出淬火玻璃,磨制成流体包裹体片,并在显微镜下进行详细岩相学观察,选择代表性流体包裹体区域供后续分析使用。
LA-ICP-MS测定锡在熔体-流体中的分配系数
流体包裹体和硅酸盐玻璃成分的LA-ICP-MS分析在多伦多大学岩浆与成矿过程实验室完成。测试仪器为NWR 193 UC激光剥蚀系统与Agilent 7900四极杆质谱仪。测试时使用氯作为流体包裹体组分分析的内标,硅酸盐玻璃的成分以总氧化物为95%作为内标获得。通过测试和数据处理,得到流体和硅酸盐玻璃中锡的含量,进而计算锡在流体-熔体中的分配系数。
流体包裹体的合成与岩相学观察
实验合成的硅酸盐玻璃无色透明,无任何矿物晶体及颗粒边界,表明硅酸盐颗粒在高温高压下完全熔融。硅酸盐玻璃内捕获了大量直径为几微米至80μm的流体包裹体,主要集中在10~40μm范围内。与以往方法相比,本研究合成的流体包裹体数量适中,便于开展LA-ICP-MS分析。
锡在熔体-流体相间分配系数的测定
实验结果表明,锡在熔体-流体相间的分配系数为5.4±0.7,比以往相近条件下的数据高1~2个数量级,与自然体系共存流体包裹体和熔体包裹体获得的锡分配系数接近(6.7±2.6)。这表明本研究采用的方法能够有效获得锡在熔体-流体相间的分配系数,并为大多数锡矿床的岩浆热液成因提供了重要科学依据。
局部扩散平衡的验证
尽管锡在整个硅酸盐玻璃内未达到扩散平衡,但在流体包裹体周围数十微米范围内达到了局部扩散平衡。LA-ICP-MS分析显示,锡在熔体或流体包裹体中的含量从核部到边部逐渐降低,但根据流体包裹体和周围熔体锡含量计算的分配系数不随空间变化,表明微观尺度锡的分配平衡不受宏观尺度的合金效应及扩散不平衡的影响。
本研究通过新的合成流体包裹体方法,结合LA-ICP-MS微区分析技术,成功克服了传统方法在成矿金属分配行为研究中的技术难题,为成矿金属在熔体-流体相间分配行为的研究提供了有效手段。实验结果表明,锡在花岗质熔体与富Cl流体相间的分配系数显著高于以往研究数据,为锡矿床的岩浆热液成因提供了重要科学依据。
方法创新
本研究采用新的合成流体包裹体方法,结合LA-ICP-MS微区分析技术,成功克服了传统方法在成矿金属分配行为研究中的技术难题。
重要发现
实验结果表明,锡在熔体-流体相间的分配系数显著高于以往研究数据,为锡矿床的岩浆热液成因提供了重要科学依据。
应用前景
该方法有望在Cu-Au-Ag-Sn-Bi-In-Sb等易与贵金属产生合金效应的金属,以及Nb-Ta-Zr-Hf-Mo-W-U-Th等在硅酸盐熔体中扩散缓慢的金属在熔体-流体相间分配行为的研究中发挥重要作用。
本研究还探讨了该方法在岩浆热液成矿作用研究中的应用前景,指出其可以通过控制实验体系的氧逸度,获得连续的氧逸度条件下的实验数据,从而避免传统实验方法的局限性。此外,合成的流体包裹体本身也可以作为一种可视腔体,结合激光拉曼光谱及同步辐射XAS技术,原位分析不同温压条件下成矿组分的物质结构信息,为理解成矿组分在熔体-流体间分配过程提供关键的实验依据。