热液矿床石英阴极发光环带与微量元素关系

崔源远，朱 鹏，沈 瑞，王泽宇

(江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210049)

0 引言

石英是地壳中最丰富的矿物，可形成于广泛的地质环境中，是许多热液矿床中重要的脉石矿物[1]。石英阴极发光(CL)环带是石英结晶过程中形成的特殊矿物结构，保存了结晶过程的大量信息，是进行地质研究的极好对象[2]。自20世纪80年代以来，国内外众多学者便广泛关注热液矿床中出现的石英阴极发光环带[3-4]。石英阴极发光环带成因及其对成岩-成矿的指示意义一度成为矿物学-矿床学研究的热点科学问题[5-7]。

石英阴极发光环带与微量元素的相关关系已被广泛地研究[8-9]，其对成矿过程的指示意义也一直是国内外地质学家关注的重点。1992年Boiron等[10]通过不同石英CL环带中的化学组成，很好地探究了哥伦比亚Cassiar Mountains含金石英脉的形成过程。1997年Watt等[11]则利用阴极发光很好地揭示的石英的生长和溶蚀结构，并结合微量元素分布特征有效地解释了岩浆与成矿作用过程。可以看出，热液矿床石英CL环带与微量元素特征具有重要的研究意义。基于此，本次研究综合讨论了卡林型、浅成低温热液型、密西西比河谷型以及斑岩型矿床中石英阴极发光环带特征及其与微量元素的相关关系，深入讨论了其指示意义，为探究热液矿床成因机制提供参考。

1 不同热液矿床CL环带与微量元素特征

1.1 卡林型矿床

全球许多卡林型金矿床中的低温(～200℃)成因石英均发育良好的CL环带，如美国内华达州Jerrit Canyon卡林型金矿床[8]。激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)微量元素测试结果显示，该类矿床中发育阴极发光环带的石英普遍具有较高的Al含量 [w(Al)>3000×10-6]，另外Ca、Na、K、Li、Ga等元素也可达到几十至几百(量单位：wB/10-6)[8]。前人研究结果显示，在卡林型金矿床中，石英CL明亮环带的Al、K、Na、Li含量明显低于暗色环带，Al、K、Na、Li含量与CL强度呈明显的负相关[9]。另外，Al、K、Na、Li之间也存在一定的相关关系，其中Li含量随着Al增加而增加的趋势最为明显。Na、K的含量明显少于比Li元素，但Na、Li与Al同样显示一定的正相关关系。Ga元素则与上述元素相反，其含量与CL强度呈明显的正相关[9]。

1.2 浅成低温热液型矿床

浅成低温热液型矿床中石英的形成温度通常在200℃～300℃之间，也属于低温成因石英。该类矿床中同样存在大量具有阴极发光环带的石英(图1)[12]。LA-ICP-MS微量元素测试结果显示，这些石英中富含的微量元素与卡林型矿床类似，包括Al、Ca、Na、K、Li、Fe、Ga等元素，其中w(Al)最高可达4000×10-6(图2)。大部分矿床中Al、Ca元素含量与CL强度呈负相关关系，如美国加利福尼亚州McLaughlin金矿床、蒙大拿州的Butte Main Stage铅锌矿床以及科罗拉多Creede银矿床等[8]。但也存在部分浅成低温热液型矿床如美国蒙大拿州的Comstock银金矿床，石英中Al元素含量与CL强度呈明显的正相关。除了Al元素外，石英中Sb浓度与CL强度也具有一定的正相关关系[8]。

图1 浅成低温热液型矿床石英阴极发光环带及Al元素环带[8]

图2 不同类型热液矿床石英中Al和Ti含量[8]

1.3 密西西比河谷型矿床

密西西比河谷型(MVT)矿床中石英的形成温度最低，约为100℃[8]。微量元素测试结果显示具有CL环带的石英中w(Al)的范围从小于100×10-6至1000×10-6，Ca、Na、K、Li、Ga、Fe、Sb等元素也相对丰富(图2)。Ga含量变化较小，w(Ga)在1×10-6～25×10-6之间，Ga、Fe与Al呈一定的负相关关系。Li元素含量则随着Al含量增加而增加，呈现正相关关系。在MVT型矿床中，石英CL环带发光强度较大的部位往往具有较高的Al含量，高达数千(量单位：wB/10-6)；相反，阴极发光强度较弱的部位则Al含量很低，仅数十(量单位：wB/10-6)。可以看出，密西西比河谷型(MVT)矿床石英中Al元素含量与CL强度具有明显的正相关关系[9]。

1.4 斑岩型矿床

斑岩型矿床中石英阴极发光环带及其微量元素特征是目前研究最多、认识最深的热液型矿床之一[13]。与卡林型、浅成低温热液型及MVT型矿床相比，斑岩型矿床中钾长石化带内的石英的形成温度较高(500℃～750℃)，属于高温成因石英[8]。该类石英中的微量元素含量十分丰富，富含Al、Ca、Na、K、Li、Fe、Ga和Ti(图2)。硫化物附近的石英中，暗色CL环带的w(Fe)最高可达4900×10-6，并且距离硫化物越近Fe含量越高[14]。Rusk等[8]对智利Los Pelambres、智利Salvador、美国Butte、智利Teniente等多个斑岩型矿床中的钾长石化带内的高温型石英进行研究发现，各个矿床中w(Ti)分别为10×10-6～84×10-6、10×10-6～169×10-6、11×10-6～91×10-6、10×10-6～132×10-6，明显高于低温成因石英，充分显示在高温成因石英中Ti元素的重要性。与其他热液矿床类似，斑岩型矿床高温型石英中的Al、Li、Na、K含量与CL强度也存在明显的相关关系，CL强度随着Al、Li、Na、K含量的增加而增强[15]。另外，Al与Li、K、Na之间也具有正相关关系，随着Al的增加Li、Na及K等元素也有所增加。与其他类型热液矿床相比，斑岩型矿床高温型石英CL环带中的Ti元素明显更为丰富，Ti含量与CL强度的关系也更为明显。众多实例表明，斑岩型矿床高温型石英中的Ti与CL强度具有明显的正相关关系[8-9]。

2 讨论

阴极发光是由矿物的基本成分或类质同象元素引起的特殊发光现象，与矿物内部元素组成有密切联系。Götze等[16]通过对比研究发现，石英中的微量元素主要以晶格取代和矿物包裹体两种形式存在，其中Al、Ti、Ge、Na、K和Li主要以晶格取代形式进入石英的硅氧四面体中，而其他元素，如Be、Nb、Ta及其他金属元素等则更易以矿物包裹体或流体包裹体的形式赋存在石英晶体中。Al、Ti、Ge、Na、K和Li等晶格取代元素被认为与石英阴极发光联系最为紧密[17]。Götze等[1]研究指出Al3+、Ga3+、Fe3+、Ge4+、Ti4/3+、P4+易与Si4+发生取代，并且部分离子还需要H+、Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+等离子来配平电价，形成[Al3+O4/M+]0四面体。Al3+等元素取代Si往往会造成石英晶体内部结构的缺陷，这些缺陷与石英的结晶环境以及阴极发光现象都能建立很好的联系[7]。因此，通过石英微量元素含量与阴极发光强度的相关关系研究，能很好地探究石英结晶过程中流体化学组成、温度、pH以及石英的结晶速率变化[15]。这些问题对探究热液矿床成因机制均具有重要意义。

系列热液矿床实例表明，无论是高温型石英还是低温型石英，其中Al、Ti和各类碱金属元素与CL强度关系最为密切，其次为Sb、Ga等。Li、K、Na含量往往与Al或Ti含量密切联系。石英CL环带中Al主要以 [AlO4]-的形式存在，为维持电价平衡，H+、Li+、Na+、K+常进入其中呈 [AlO4/M+]0(M+即H+、Li+、Na+、K+)[1，17]。这也是热液矿床中石英Al含量与Li、K、Na等碱金属元素呈正相关的主要原因。

前人研究表明，在<350℃下形成的石英中，Al含量普遍较高，w(Al)可达数千(量单位：wB/10-6)，而>400℃形成的石英中Al含量普遍较低[8]。这种Al含量随温度变化的规律可以定性地衡量石英的结晶温度。当石英结晶温度保持不变时，压力骤减或流体成分变化导致的石英快速结晶也可能导致不同CL环带的产生及相应Al含量的变化。Rusk等研究指出，如果石英结晶速率和结晶温度均保持不变，热液pH值是影响石英中Al含量的重要因素。通过系统研究，石英CL环带中的Al含量还可以对热液pH进行有效估计。综合来看，石英CL环带中Al元素含量的变化对石英结晶温度、结晶速率以及热液pH均有一定的指示意义。

在斑岩型矿床钾长石化高温型石英中，Ti元素常取代硅氧四面体中的Si元素形成[Ti4+O4]0或 [Ti3+O4/M+]0四面体。在该过程中，石英晶格内部出现结构缺陷，进而导致CL环带出现。这也是石英Ti含量与CL强度呈明显正相关关系的主要原因。在该高温型石英中，Ti是温度变化的敏感元素，常常被用作估算结晶温度的地质温度计[9]。实验岩石学研究也已证明，在大于600℃的条件下，石英中Ti浓度确实会随温度升高而逐渐增大[18]。因此，斑岩型矿床中Ti含量与CL强度的相关关系可以很好地用于石英形成温度的估算。

3 结论

不同热液矿床石英微量元素与CL强度相关关系研究结果显示，大部分矿床中石英CL强度与Ti或Al含量的波动相对应。卡林型矿床及部分浅成低温热液型矿床中，石英CL强度与Al含量呈负相关；MVT型矿床、斑岩型矿床及部分浅成低温热液型矿床中，石英CL强度与Al含量呈正相关。在斑岩型矿床钾长石化带高温型石英中，Ti总是与CL强度相关，Ti含量与石英结晶温度密切相关，石英CL强度可以作为衡量斑岩型矿床中石英沉淀温度的一个指标。另外，石英中Al的浓度明显受热液pH值、成矿温度及石英结晶速率的影响，因此热液矿床中石英Al浓度可以用于石英结晶物理化学条件的探究。