造山型金礦床成礦流體熱力學模擬與石英溶解度計算
H2O-NaCl-CO2三元混合流體在巖漿、變質和熱液系統中很常見，在成巖和成礦中發揮著重要作用。造山型金礦是世界上最為重要的金礦床類型，礦化以多期H2O-NaCl-CO2±CH4流體疊加成礦為特征。衡量熱液系統中流體相平衡和熱力學性質（PVTx），對分析成礦流體演化和成礦作用發揮著重要作用。然而早期大量的模擬研究，基于其簡便性，多以H2O-NaCl和H2O-CO2二元系統近似描述地質系統中的熱液流體（e.g., Anderko and Pitzer, 1993; Driesner and Heinrich, 2007; Mao et al., 2015），缺乏H2O-NaCl-CO2三元系統熱力學模擬計算及其地質應用。此外，研究發現造山型金礦普遍存在多種結構的含金石英脈，金與石英沉淀近同時，兩者關系密切；石英中流體包裹體類型多樣，普遍賦存富CO2流體包裹體，且流體普遍發生不混溶過程。不同類型的流體包裹體如何形成，能否代表成礦流體性質？如何解釋造山型金礦普遍發生流體不混溶現象？能否通過反演石英脈形成過程限定金礦化條件？
針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所李興輝博士后與合作導師范宏瑞研究員，以及加拿大阿爾伯塔大學Matthew Steele-MacInnis副教授等聯合開展了H2O-NaCl-CO2三元混合流體系統熱力學模擬和石英溶解度計算研究。系統正演了H2O-NaCl-CO2流體在300-500℃、0.001-3.5kbar、NaCl(0-4 mol.%)和CO2(0-20 mol.%)范圍內不同PVTx下的相行為、流體密度（圖1）、及NaCl和CO2在各相流體中的含量（圖2），構建了石英在該系統中的溶解度模型（圖3）。這對討論造山型及侵入體有關的金礦床中不同類型流體包裹體和石英脈形成機制，以及成礦過程具有重要意義。
圖1 H2O-NaCl-CO2系統單相和L+V相流體密度等值線
圖2 H2O-NaCl-CO2系統L+V相CO2含量等值線
圖3 H2O-NaCl-CO2系統中石英溶解度等值線
研究主要獲得以下認識：（1）減壓導致的流體不混溶，產生鹽度較高的富液相包裹體和CO2含量較低的富氣相包裹體。降溫也可導致流體不混溶，會產生多種類型的流體包裹體，鹽度和CO2含量較低的富液相包裹體和中-高CO2含量（最高達～65% mol.%）的富氣相包裹體（圖4）；（2）石英溶解度受溫度、壓力和CO2含量影響，隨著降溫、降壓和CO2含量增加，石英溶解度升高，但在L+V區或相邊界局部區域存在著相反的行為（retrograde）。石英溶解度在低溫時受壓力影響小，在高溫時受壓力影響大，同理，在低壓時受溫度影響小，在高壓時受溫度影響大（圖3）；（3）石英溶解度模型可解釋石英溶解-沉淀行為和不同類型石英脈的形成機制。剪切石英脈（bedding-parallel shear veins）形成過程中，降壓導致石英沉淀占主導。拉張石英脈（fault-related extension veins）形成過程中，降壓和降溫都控制著石英的沉淀。
圖4 H2O-NaCl-CO2流體等溫降壓和等壓降溫路徑示意圖，a. CO2含量，b. NaCl含量，c.室溫下流體包裹體類型
研究成果發表于國際權威學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。（Li X-H, Klyukin Y I, Steele-MacInnis M, Fan H-R, Yang K-F, Zoheir B. Phase equilibria, thermodynamic properties, and solubility of quartz in saline-aqueous-carbonic fluids: Application to orogenic and intrusion-related gold deposits[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 283: 201-221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.06.008）（原文鏈接）。該成果受第二次青藏高原綜合考察研究項目、國家重點研發計劃“深地資源勘查開采”重點專項、中國博士后基金項目和NSERC資助。