电气石——一种成矿过程的记录仪

电气石—一种成矿过程的记录仪
约翰 F. 斯拉克和罗伯特 B. 特朗布尔
摘要：电气石在多种热液矿床中都有产出，且可用来约束成矿流体的性质和演化。

由于化学组成宽泛，且保留化学和同位素特征，电气石可能是反演一些矿床初始矿化过程的不二选择。

电气石的显微构造研究、化学组成的原位分析、以及与矿化相关的电气石中同位素的变化，为海底、沉积、岩浆，以及变质环境中热液系统的认识，提供了非常有价值的见解。

对电气石中热液记录的解译也为寻找新的矿床，增加勘探项目提供了非常重要的信息。

关键词：电气石，矿床，热液，组成，同位素
热液矿床中的电气石
电气石是不同构造背景中多种类型热液矿床中的一种常见矿物（图1）。

经认定的两个热液矿床大类：（1）表生过程形成的矿化作用叠加在先前存在的矿脉，角砾，或交代体之上的后生矿床（图2，3，4）；和（2）在沉积岩或火山岩围岩沉淀作用过程中形成矿石矿物的同生矿床。

在后生矿床类中有斑岩型铜-钼矿床、赋存在断裂角砾岩中的铜金矿床、和呈脉状产出于花岗岩侵入体中或其附近的钨锡矿床；产于绿片岩和角闪岩相变质岩中的造山型含金石英脉，及在花岗岩侵入体附近的绿片岩和角闪岩相变质岩中的金-石英-硫化物脉；以及多种陆壳背景下的铁氧化物-铜-金矿床（IOCG）。

同生矿床包含喷流沉积型（SEDEX）锌-铅-银矿床和火山块状硫化物（VMS）铜-锌-铅-银-金矿床，这两种均形成与海底（海床）背景（图1）。

这些不同的矿床类型涉及到一个宽泛的化学环境和温压条件，从海洋到下地壳（Hedenquist et al.2005），表明电气石因其宽泛的稳定范围可以出现在这些不同种类的矿床类型中（Dutrow and Henry 2011 本期）。

正如本文我们所探究的，电气石保存构造，化学，及同位素特征的能力可以揭示形成电气石的热液系统的重要细节。

本文不讨论岩浆稀有金属矿床（Li，Cs，Ta）中的电气石和伟晶岩中的电气石宝石品种（见van Hinsberg et al. 2011本期；Pezzotta 和Laurs 2011本期）。

电气石的形成需要多种复杂过程的耦合：来自单一来源或多来源的B及其他必须元素的起源（衍生，派生）；不同源区流体的运移（岩浆来源，变质流体，盆地或蒸发岩卤水，加热的大气水，演化的海水）；及在背景和条件约束下与有经济价值金属元素沉淀相一致的最终的沉淀作用。

在有利的情况下，热液流体的P-T-X条件约束（这里的P指压力，T指温度，X指流体组成）可以通过测量寄主矿物中的原始流体包裹体获得，如石英，或通过同位素分馏数据估计，或通过不同相关共生矿物间化学平衡的估计。

但是，多数矿床存在多期成矿史，正因如此，原始流体包裹体，矿物生成顺序，以及同位素组成通常被成矿后的热液，构造，及变质事件所遮蔽或破坏。

如果不发生重结晶，电气石可能是对这些矿床原始热液活动过程最好的记录仪。

电气石中记录的热液信息对我们进一步理解成矿过程是非常重要的，及对探索新的矿床类型具强有力的辅助作用。

过去的十年见证了成矿研究中电气石应用的两个主要进展。

一个就是关于不同热液背景下电气石的地球化学数据库的不断丰富（Slack 2002）。

这个数据库包含了由电子显微探针分析（EMPA）确定的主量元素，和对一些矿床中的电气石分别进行了微量元素和稳定同位素（B、O、H、Si）的测定。

第二个就是增加了对热液电气石的二次离子质谱（SIMS）原位B同位素分析的应用（随Smith和Y ardley1996早期工作），和对地质系统中B同位素体系理解的进步（Marschall和蒋2011本期）。

这些进展为矿床成矿流体的起源和演化打开了一个新的窗口（例如蒋等. 2008；Trumbull et al.2011）。

利用原位分析技术确定电气石中元素和同位素组成的潜力还存在很大的发展。

例如，
令人惊奇的是很少有关于电气石中金属矿物浓度方面的研究，虽然利用激光剥蚀等离子体质谱测定（LA-ICP-MS）的非常低的检出限（<10ppm）可以对Cu，Zn，Pb，Sn，等微量元素获得很高的精度。

此外，由于电气石是含水矿物，它可能对扩展SIMS的研究是非常有价值的（像氧、氢同位素一样得B同位素比值）（Trumbull et al.2010）。

图1 含电气石的热液矿床的构造背景图（据Groves et al. 2005改编）。

（缩写：SEDEX: 喷流沉积型矿床；VMS：火山块状硫化物型矿床；IOCG：铁氧化物铜金矿床）成矿作用的成因联系
应用电气石来理解成矿作用的一个重要的前提条件是要清楚电气石沉淀和矿石矿物沉淀的时间关联。

紧密的空间联系，甚至是在一个薄片范围内，也会引起误导，因为很多矿床都是通过包含不同共生阶段和不同流体作用的多期过程形成的。

电气石可能形成在矿石沉淀前或后的一个或多个阶段。

例如，在与花岗岩相关的不同热液矿床中的电气石的形成通常早于矿石矿物的形成，如构造分析显示的那样（如，Frikken et al. 2005）。

但是，详细的生成顺序研究已经论证了很多矿体中电气石的沉淀和矿石沉淀时同时期的，例如印度尼西亚的Batu Hijau斑岩型铜金矿床（Garwin 2002），秘鲁的San Rafael钨锡脉状矿床（Mlynarczyk 和Williams-Jones 2006），魁北克和西澳的Sigma，Big Bell，及Mount Gibson造山型含金石英脉矿床（Garofalo et al.2002；蒋等.2002），加拿大安大略省的Kidd Creek 铜-锌-铅-银VMS 型矿床（Slack and Coad 1989），澳大利亚的Broken Hill铅-锌-银SEDEX型矿床（Slack et al. 1993），以及巴西的Igarape Bahia 金-铜-稀土-铀IOCG型矿床（Dreher et al.2008）。

一些层控的VMS型和SEDEX型矿床也和富电气石岩（电英岩；>30 vol%电气石）有联系，多发生在矿体的上盘和/或下盘，或沿与地层层位相同的走向产出（图5）。

组成及同位素环带
热液矿床中电气石颗粒间组成变化的总结和其暗示的含义有大量丰富的说明专刊。

限于篇幅，这里我们集中列举一些组成环带结合原位化学和/或稳定同位素数据的例子中的信息来解释成矿过程。

同中心生长环带仅仅只是已报道的电气石几个截然不同反映本质变化模式中的一个。

对不同组成的有意义的解释的关键依据是识别出“环带”象征了什么。

热液矿床中的电气石环带的主要类型有：
1.同中心生长环带是由生长介质不是很有规律的变化引起组分变化所致（图6A）
2.扇形环带，种种生长环带，电气石晶格的极性引起元素的选择性分配—且同位素进
入相反的极位
3.合成颗粒中不规则无规律的变化或簇状他形电气石次粒；通常是由角砾状电气石重
结晶（“愈合”）形成
4.增生或交代环带现象常出现在层控矿床中，热液电气石围绕较老的岩屑生长，后期
物质可能沉淀在（切穿）先存晶面或充填在破碎颗粒的裂缝中（图6A，6B）
印度的Jaduguda U-Cu矿床是一个赋存在剪切带中的电气石化学和同位素环带的例子（Pal et al.2010）。

在这个矿床，两期电气石生长反映存在从围岩到流体控制的一个转换（图7）。

不同样品类型中的早期共生电气石显示出明显的反映当地围岩组成的地球化学差异性。

相反，第二期电气石反映与剪切带中主成矿事件相关，因剪切带中的高流体通量（流动）显示了紧凑的组成变化。

这里早期和晚期电气石的B同位素组成亦具有鲜明的差异（图7C），同当地源区控制的转换一致，重B同位素指示了一个远端来源，轻B同位素同矿化流体一样沿剪切带运移。

图2 （A）含锡石-石英电气石脉（左侧中心）英格兰康沃尔Geevor锡矿. （B）细粒电气石同带状锡石和石英交生，英格兰康沃尔南Crofty锡矿. 缩写：Cst，锡石；Qtz，石英；Tur，电气石。

D.A.C. Manninc拍摄
图3 （A）多期次含金石英-电气石张性脉，Quebec，Sigma金矿（厘米尺度）. （A）石英脉石中金颗粒（黄色）与电气石（黑色）交生，Sigma金矿. 缩写：Au，金；Qtz，石英；Tur，电气石。

F. Robert 拍摄
洞察热液过程
与成矿相关电气石的组成及稳定同位素数据揭示热液成矿过程的主要细节，包括流体最大和沸腾，氧化还原状态，温压条件，及流体源区。

如果不能很好解释热液流体和电气石之间的平衡或电气石和共存相态之间的平衡的话，这些数据的应用将会受到限制。

其他限制包括因热液或变质事件引起电气石的重结晶，这种重结晶会抹去其之前的生长环带，导致组
成发生变化，即其所反映的就是后期的P-T-X条件，而非矿化时的P-T-X条件。

变形也可以导致生长环带之间发生化学扩散从而致使组成变化（Buttner and Kasemann 2007）。

电气石中的B，O，H稳定同位素体系经过变形或重结晶通常亦可以保留信息，但是经高流体活动事件就会改变（Marschall and Jiang 2011）。

尽管存在这些影响，对包含原始电气石结晶信息的典型样品进行电气石的地球化学和同位素研究可论证在约束几个关键特征上有重要意义，如下文所述。

图4 长石砂岩中的环带状电气石-铁白云石-球状锡石（交代成因），南非Rooiberg锡矿。

缩写：Ank，铁白云石；Cst，锡石；Tur，电气石。

F. Pirajno拍摄。

流体属性
多数矿床中金属矿物的沉淀，共生，和矿石矿物及脉石矿物的组成集合受控于多种热液系统特征，包括流体通量，流体组成，最大流体，及沸腾。

电气石是一个非常优秀的对这些特征进行显示的监测仪，因为其组成很大程度上受控于这些因素的影响，如流体和/或围岩和共存相态之间的化学平衡。

在低流体/围岩系统中，像澳大利亚的Broken Hill矿区的层控富电气石岩（电气石岩）所显示的那样（图5），电气石化学组成主要受控于粘土质（泥质）原岩的组成（Slack 2002）。

原岩控制在一些铁镁质矿物被电气石选择性交代的情况下表现的很强烈。

在高流体通量系统中，如在角砾岩筒，剪切带，脉体，以及海底热液矿床的补给带，电气石的化学组成通常受到流体相的缓冲（稀释？）。

对反映这种现象的一个典型的例子是在Kidd Creek VMS型矿床，该矿床的电气石显示了一个宽泛的组成变化，从黒电气石（富Na-Fe2+）到接近镁电气石（富Na-Mg）（图8）；这种组成的变化被解释为主要反映了海底下的富铁质热液流体和富镁质海水的混合作用（Slack and Coad 1989）。

这种流体混合模型进一步被Kidd Creek电气石的氧、氢、及硼同位素体系所支持（Taylor et al.1999）。

这项研究中的同位素变化模型也表明热液系统中的沸腾作用的发生要早于矿石的沉淀作用。

很多矿床中沸腾作用是金属沉淀的重要机制，在一些情况下如随流体演化热液中B（OH）3（热液流体中B的主要存在形式）的浓度增加，也会在残留的热液中形成电气石（Lynch and Ortega）。

氧化还原状态
在与成矿相关的电气石中的Fe3+/Fe2+比值可以作为反映热液流体氧化还原状态改变的一个指标，反过来，它亦可引起矿石沉淀。

关于矿石沉淀的流体氧化态也可以通过Fe3+/Fe2+比值的变化来反映，如对秘鲁San Rafael的Sn-Cu矿脉中的电气石的研究（Mlynarczyk and Williams-jones 2006）。

那项研究中的构造和分析工作亦支撑了大气水灌入热液脉系统形成氧化的热液流体，从而使富Fe3+电气石沉淀，及激发锡石沉淀的模型（Williamson et al.2000）。

在一些斑岩型Cu±Mo矿床中的电气石也相似的形成于氧化流体，基于EMP数据提供的贫Al组成及Al-Fe的反相关关系暗示了电气石中的Fe3+的重要意义（Slack 2002）。

更详细的研究，包括Mossbauer测定的Fe3+/Fe2+比值，来评估在含电气石矿床的形成过程中氧化还原状态的变化以及这些变化对金属浓度的影响。

图5 澳大利亚Broken Hill矿区的层状电英岩，来自和主Pb-Zn-Ag矿脉同一地层层位。

温度条件
现已有几种方法可以用电气石来约束矿化的温度。

流体包裹体显微测温法是最常用最直接的方法，但由于热液电气石中的主要包裹体常又少又小（<5um；Skewes et al.2003;Frikken et al.2005）而受到限制很难开展研究。

但是，一些矿床中的电气石中含有大量主要的流体包裹体可以提供很多有用的显微测温数据（Ootes et al. 2010）。

其他的研究工作者们利用共生的电气石-石英对氧同位素分馏数据进行地热温度测量，已经证明是一种富有成效的途径，甚至对受到一般变形或遭受变质的矿床，如Kidd Creek（Taylor et al.1999）都可行。

从流体包裹体，稳定同位素，及矿物集合体研究数据表明热液矿床中的电气石生成的温度范围从海底贱金属矿床（VMS和SEDEX）的约150~300℃到与花岗岩相关的铜钼矿床中至少450℃。

电气石亦可形成于造山型含金石英脉矿床的高温（350℃~550℃）高压变质流体中，变质条件可从绿片岩相至角闪岩相。

（Jing et al.2002）。

理论上，利用电气石和与其共生的含B热液矿物，如白云母，黑云母，或角闪石，之间的B同位素分馏地热测温法也是可行的，但还未有相关的实验论证。

通过电气石内的场间分配来完成其矿物地热交换并达到共存相的过程是复杂的，但是，这也对利用扇形环带状
电气石相反两侧的Ca和Ti的分配来求得电气石的形成温度是有可能的（先驱Hinsberg and Schumacher2011）。

这种研究矿床的方法可能有两个限制因素：（1）所需的扇形环带状热液电气石可能并不常见，和（2）这种方法对形成低于约350℃的电气石还没有成熟（没校准），意味着它只可能对高温矿床是有意义的，例如斑岩型铜钼矿床，造山型含金石英脉型，和IOCG型矿床。

图6 （A）南卡罗莱纳州Knob VMS型矿床中的镁电气石的震荡生长环带和不均匀反应边；注意切割镁电气石的细脉（黄色）. （B）安大略省Kidd Creek VMS型矿床中黑电气石的原始不整合变质反应边.
Fe/（Fe+Mg）的值由EMP确定（Taylor and Slack 1984；Slack and Coad 1989）. 缩写：Ccp，黄铜矿；Qtz，石英；Ms，白云母；Sp，闪锌矿。

（B中黄色闪锌矿格颗粒中的黑色包裹体便是黄铜矿）
流体来源
热液矿床中电气石的同位素数据可以得出一个重要流体来源的地质记录。

相关的主量元素化学常常用处不大，因为其通常反映的是当地热液流体、先形成矿物，或围岩的组成。

因此，通过主要阳离子通常很难指示流体的来源，尽管微量元素含量可能会有用（Griffin et al.1996）。

稳定同位素数据所反映的效果最好，尤其是B同位素数据，很多情况下，它能区别出B的不同来源，包括地壳，花岗岩，沉积岩，火山岩，海水，盆地卤水，海相碳酸盐岩，非海相碳酸盐岩来源（Marschall and Jiang 2011）。

在区分来源于含碳酸盐岩序列的主要流体组分时，与成矿相关的电气石的B同位素研究是非常关键（重要）的，包括Broken Hill 巨型铅-锌-银矿床中的非海相碳酸盐岩（Slack et al.1993）和Carajas巨型IOCG型矿床中的海相碳酸盐岩（Xavier et al.2008）。

电气石B同位素组成也能很容易的从与海相相对的陆相原岩中区分出B的来源。

花岗岩，长英质片麻岩，和片岩具轻同位素组成（σ11B<-5‰），而变质基性岩，洋中脊玄武岩，蚀变洋壳，和海相碳酸岩具高的σ11B值（Marschall and Jiang 2011）。

这种差别通常足够论证或排除相关矿床的花岗岩成因（如Garda et al.2009;Trumbull et al.2011）。

但是，几乎不可能从上述两种宽泛的类型中区分出更精确的源岩类型，部分原因是大量和流体演化相关的过程和电气石沉淀时的B同位素分馏导致模糊了源岩信号。

原理上，可以识别出这个过程并解释他们的结果，但是需要分别对温度和流体组成进行约束。

B 同位素数据结合其他稳定同位素体系的数据对流体来源的约束效果更好。

对热液过程进一步的认识可以结合与成矿相关的电气石的Sr-Nd同位素和Si同位素（Marschall and Jiang 2011）。

电气石地质年代学
电气石可以通过不同的放射性测量方法进行直接定年，包括Rb-Sr，Sm-Nd，Pb-Pb，K-Ar，和40Ar/39Ar。

通过这些方法对单矿物进行分析要得出有意义的结果，要仔细考虑或剔除矿物包裹体的影响。

例如，Duncan et al.（2006）利用连续逐步萃取和LA-ICP-MS对澳大利亚Mount Isa Inlier的变质电气石进行研究获得其稳固的Pb-Pb年龄。

如果电气石中低钾含量和40Ar过剩的潜在问题可以定位解决的话，高精度40Ar/39Ar年龄的应用将非常有前途（如，Martinez et al.2010）。

电气石地质年代学在矿床研究中的应用还未完全成熟，但是对一些缺少合适定年矿物的矿床而言，这种方法还是非常有潜力来提供一个关键的矿化年龄。

图7 印度Jaduguda 铀-铜矿中赋存在剪切带中的两期电气石（Pal et al.2010）. （A）蓝色电气石（Tur-2）在棕色电气石核部（Tur-1）周围镶边，且部分交代棕色电气石；SIMS分析的点位及结果（σ11B）. （B）化学环带结果反映从围岩控制下形成的T ur-1（Ti，Ca分布宽泛）向流体控制下形成的T ur-2（分布集中）的一个转变. （C）流体控制形成的Tur-2的同位素组成小于T ur-1；这种同位素组成的转变在热液脉及片岩中的电气石中均有发生。

图8 因富Mg质海水同富Fe的热液流体的混合作用，安大略省Kidd Creek VMS型矿床中与成矿有关的电气石的组成具有很大的变化范围（据Slack and Coad 1989修改）。

每个区域中的数据均是基于EMP对单个样品进行分析所得，单个样品的组成变化区间，结合整体变化（对VMS型矿床而言），暗示热液电气石组成是受热液流体控制而非围岩控制。

两个样品之间的趋势向镁电气石变化，反映了成矿期后变质作用中S-Si反应的套合效应。

勘查应用
早期的研究者以不同矿床类型中电气石相关的经验将其作为一个简单的首选的（一阶的，第一级序）的找矿标志。

在1990s及以后的研究已经论证电气石的主量元素组成的变化范围很大，且在多数矿床中应用时很大程度上受控于早期矿物组成以及在B交代作用中选择性的发生电气石化围岩的组成（Slack2002）。

因此，在运用电气石主量元素数据进行矿物勘探项目事应特别注意，因为这些数据不足以反映热液属性。

虽然如此，一些普通应用也可以解释。

在与花岗岩相关的矿床中，电气石的组成典型演化史从岩浆矿物集合中的黑电气石
（有或没有一个电气石晶格缺陷[富Na-Fe3+]）向热液矿物集合体中的镁电气石演化。

在VMS 和多数SEDEX型矿床中镁电气石占多数，因为在地下流体混合过程中富镁质海水对电气石组成有影响以及在成矿后的变质作用过程中电气石与铁的硫化物矿物（黄铁矿，磁黄铁矿）的之间的硫-硅反应（Slack 2002）。

确定有效的镁电气石组分对有助于勘查上的应用，因为镁电气石优先从高盐度流体中结晶析出（van Hinsberg et al. 2011）。

这些流体对形成斑岩型富矿，SEDEX型富矿，及IOCG型富矿非常关键，因为高盐度流体可以使高浓度含水金属氯化物在热液流体中搬运。

也可以通过电气石B和H同位素数据模型来确定这些高盐度流体组成，正如Taylor et al.（1999）对Kidd Creek VMS型矿床研究中所实行的那样。

应用电气石微量元素组成对矿物勘查将会有很好的指导意义。

Griffin et al.（1996）利用质子微探针（PIXE）对VMS型矿床，SEDEX型矿床，及层控电英岩中的电气石进行原位分析，获得其微量元素数据。

他们发现Zn和Fe具有宽泛的相关性，暗示了通过温度或流体矿物平衡对Zn含量的控制，以及与相关矿床匹配的电气石中的Cu-Zn-Pb属性。

此外，这些属性不会因成矿后的变质作用的影响而损毁，提高了这些微量元素数据在找矿勘查中的应用。

在1990s早期，LA-ICP-MS原位分析技术的发展提供了更多矿物中微量元素组成，为提高对热液系统中电气石的形成及在找矿勘探中呈现出可喜的前景。

这种技术以其低检出限能快速进行多元素分析，获得丰富的微量元素数据，使进一步提高电气石在新的矿床类型勘探的指示作用成为可能。

致谢
参考文献。