岩浆热液中的铜同位素分馏

 
 
岩浆热液中的铜同位素分馏  
 

岩浆热液流体对岩浆的演化， 挥发分和金属元素的运输， 斑岩型矿床的形成扮演着至关重要的角色。流体包裹体和熔体包裹体共存的自然样品研究，以及高温高压实验研究表明，铜（Cu）元素高度富集在流体相。 铜在流体和硅酸盐熔体（或岩浆）中的分配系数（D流体/岩浆） 远高于1， 一般在10左右。 在天然的岩浆、热液和矿床体系中，不同期次的硫化物和侵入体存在显著Cu同位素分馏。因此，Cu同位素在高温岩浆热液体过程中可能存在分馏，并对示踪流体迁移和成矿金属来源意义重大。然而， 至今为止缺少Cu同位素在流体和硅酸盐体系分馏系数的直接实验测量。

针对这些问题，德国拜仁地质研究所（BGI）郭海浩博士与中国科学技术大学金属稳定同位素实验室黄方教授团队开展了高温高压实验研究。实验测试了含Cl（1.75 -14 wt％）的热液流体和不同岩浆（安山岩、英安岩、流纹英安岩、流纹岩和淡色花岗岩）的Cu同位素分馏系数。含Cl流体和岩石粉末在Au95Cu5 合金样品管中混合，之后以800 到 850 °C， 200 MPa的条件下在冷封式高压釜中进行5-13 天的平衡。试验后，流体相和硅酸岩相进行液氮冷冻后分离，进行同位素测量，结果显示：

（1）所有的流体相相对于硅酸岩相系统地富集铜含量和重的Cu同位素（65Cu）， 两相之间的分配系数在10 附近，分馏系数(δ65CuFLUID-MELT=δ65Cufluid-δ65Cumagma) 在0.09‰ 到 0.69‰。在流体中Cl含量一致时（3.5 wt%），Cu在岩浆和流体中的溶解度和分馏系数与岩浆的种类没有明显的关系。在流纹岩实验中，Cu在岩浆和流体中的溶解度随流体中的Cl的含量升高而升高， 但分馏系数和流体中的Cl含量没有明显的相关性。

（2）Cu同位素在流体和硅酸岩岩浆中的分馏方式很可能与两相中的不同Cu种型（speciation）相关。铜在流体中主要以Cl的络合物（complex）形式存在 （CuCl(H2O), CuCl2– and CuCl32-)）， 而在硅酸岩熔体中主要和O络合（CuO1/2）。Cu同位素的分馏结果可以用来显示岩浆房中挥发分的流动（volatile fluxing）。流体中重的Cu同位素可能是流体交代的橄榄岩和蚀变洋壳中Cu同位素高度变化的原因。

（3）在斑岩型矿床中，从硅酸岩岩浆中出溶的流体会显示高δ65Cu的特征。随着流体继续演化并侵入到浅层地表，单一相的流体（single-phase fluid）会分离成卤水相 （brine）和气相（vapor）流体。结合之前关于Cu同位素在卤水相和气相中的分馏结果，简单计算显示，不同种类的流体相对于侵入体中的硅酸岩母岩浆都具有高的δ65Cu的特征。因此，高的δ65Cu的特征是示踪斑岩系统流体活动和寻找富集Cu矿的一个潜在指标。