钨在岩浆流体出溶过程中的赋存方式及分配行为的在线观测 | Science Bulletin

ScienceBulletin 2023-03-29

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使用在线高温高压实验方法查明了钨在花岗质熔体和共存流体中的赋存方式和分配系数，并据此模拟了出溶流体中钨含量的变化规律及累积趋势。该文发表在Science Bulletin 2022年第22期。

Qiu Ye, Wang Xiaolin*, Lu Jianjun, Chou I-Ming, Wan Ye, Zhang Rongqing, Zhang Wenlan, Sun Rui (2022). In situ observations of tungsten speciation and partitioning behavior during fluid exsolution from granitic melt. Science Bulletin, 67(22): 2358-2368

https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.10.024

伴随着花岗质岩浆侵位到地壳浅部，岩浆中的挥发分达到饱和并从熔体中分离出来，是形成含钨成矿流体的必经途径。因此，研究钨在流体-熔体间的分配行为是查明钨超常富集机制和建立成矿模式的基础和关键。已有的高温高压淬火实验和地质样品分析结果表明，钨在流体和熔体间的分配系数在<0.01~60之间，变化范围超过4个数量级，限制了人们对岩浆演化和流体出溶过程中钨的地球化学行为的理解。究其原因，主要是实验设计存在问题与典型样品可获得性差所致。

针对上述问题，南京大学王小林研究团队应用热液金刚石压腔模拟流体出溶的高温、高压环境，发展和完善了拉曼光谱定量分析技术，通过对熔体和共存流体原位光谱的解析，在线揭示了钨在流体出溶过程中的地球化学行为，并基于获得的分配系数和瑞利分馏模型模拟了钨在流体出溶过程中富集规律。

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首先，揭示了钨在花岗质熔体和流体中的赋存方式。原位拉曼光谱分析结果显示，WO₄^2-和HWO^4-是熔体和流体中钨的主要赋存形式，并且[WO₄^2-]/[HWO^4-]比在熔体和流体中相似。

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其次，创新了应用原位拉曼光谱分析测定钨在流体-熔体间分配系数的方法，实现了不同赋存方式的钨在流体-熔体间的分配系数的精细测定。光谱解析显示，WO₄^2-和HWO^4-在流体-熔体间分配系数相似，并强烈倾向于进入流体相中。钨的分配系数范围在8.6~37.1之间，并受温度、压力和熔体、流体组成控制。

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最后，应用数值模拟查明了钨在出溶流体中的瞬时浓度和累积浓度变化趋势，出溶流体中钨瞬时浓度的变化规律不仅能够解释自然界包裹体中钨浓度具有较大的变化范围(<10至>1000 ppm)的原因，还得到了地质实例的良好印证(西华山钨矿)。

总之，熔体初始水含量和出溶程度高，出溶深度浅，有利于形成富钨成矿流体。

这种在线高温高压分析方法有效规避了实验中的合金效应和地质样品中元素不平衡等局限性，能够对高温高压条件下元素的地球化学行为进行实时刻画，为研究其他成矿元素在岩浆-热液体系中的赋存方式、分配行为及富集机制提供了一种新颖的实验方法。