北方东部复合造山成矿系统深部结构与成矿过程

       斜长石晶体中常发育丰富的成分和结构环带，且通常表现为微米尺度环带（10-100 μm），这些环带常被用来示踪结晶环境、岩石成因和热演化过程，而斜长石内部是否存在纳米尺度（10-100 nm）环带目前尚不清楚。原子探针是对不同元素的原子逐个进行分析的一种技术，可给出纳米尺度（10-100 nm）不同元素原子的三维空间分布，并能进行定量分析，主要应用在材料科学领域（Miller et al., 2003; Kelly et al., 2007; Seidman, 2007），而地球科学领域应用起步较晚（Valley et al., 2014; Fougerouse et al., 2016; Peterman et al., 2016; Reddy et al., 2016）。

       中科院地质地球所矿产资源研究院重点实验室曹明坚副研究员在澳大利亚科廷大学访问交流期间，依托科廷大学John De Laeter研究中心的原子探针仪器（LEAP 4000X HR），与Steven Reddy教授合作，率先对广泛发育成分环带的菲律宾黑山斑岩铜矿成矿斑岩中的同一颗斜长石斑晶开展了微米和纳米环带研究（图1），研究发现：

       斜长石核部和边部显示斜长石牌号（An）成分变化小的微米尺度环带（50-200 μm），成分为中长石（An38-48 mol%）；幔部为An突变的、成分相对均一的钡长石（An~80 mol%）熔蚀环带。原子探针结果显示在培长石幔部发育纳米尺度的富Al-Ca和富Si-Na环带（25-30 nm）。基于与斜长石斑晶共生的角闪石研究，揭示斜长石斑晶形成于相对稳定的岩浆房中（T=865~895°C，P=5.3~6.2 kbar，fO2=NNO+0.6~NNO+1.1，富水），指示斜长石微米尺度环带主要受控于内部晶体生长机制。通过对比晶体生长和元素扩散消失所需的时间，发现晶体从幔部到边部生长的时间为14-1460天，远多于元素扩散消失的时间（~7天），表明纳米尺度环带形成于晶体生长后的出溶机制。研究揭示斜长石内部微米和纳米尺度环带形成于不同阶段，通过扩散模拟计算，两类环带分别揭示了斑岩铜矿深部岩浆房缓慢冷却过程（>0.0005°C）及岩体就位时快速冷却过程（>0.26°C）（图2）。

图1 菲律宾黑山斑岩铜矿成矿岩石（闪长玢岩）矿物分布特征（a-c），测试斑晶电子探针（EMP）、激光剥蚀（LA）和原子探针分析位置分布，以及聚焦离子束FIB取样特征（d）

        图2 菲律宾黑山斑岩铜矿成矿斑岩斜长石斑晶微米和纳米尺度环带指示两阶段冷却过程

      上述成果系首例将原子探针技术应用与斑岩铜矿研究中，显示了该技术在运用纳米尺度矿物学研究示踪成岩成矿过程的巨大应用前景，拓展了原子探针在地球科学研究中的应用。研究成果近期发表在国际著名矿物学期刊American Mineralogist（Cao M.J., Evans N.J., Reddy S.M., Fougerouse D., Hollings P., Saxey D.W., McInnes B.I.A., Mcdonald B.J., Qin K.Z., 2019. Micro- and nano-scale textural and compositional zonation in plagioclase at the Black Mountain porphyry Cu deposit: implications for magmatic processes. American Mineralogist 104, 391–402）。

       本次研究受国家重点研发计划子课题（2017YFC0601300）和国家自然科学面上基金（41672090）联合资助。

                                                                                                               课题六 曹明坚供稿

                                                                                                       二O一九年三月二十九日