现代海底热液成矿过程中金属元素化学形态与迁移机制：Cu-Fe-Zn同位素示踪

Transport mechanism and chemical speciation of metal elements in the mineralization processes are a frontier and key topic for study of hydrothermal deposit.Cu-Fe-Zn isotopes, as the effective geochemical tracer, have provided the new ways for study of hydrothermal mineralization processes.The typical deposits and representative samples were choosed from hydrothermal areas on the East Pacific Ridge with fast spreading rate and the Southwest India Ridge with ultraslow spreading rate. The main research contents are as follows:1)to research on metallogenic stages and mineral assemblages;2)to research on the chemical speciation composition of Cu, Fe and Zn and its variation;3)to research on the Cu-Fe-Zn isotopic composition and its variation;4)to research on tracing of Cu-Fe-Zn isotope and application of the ore deposit.The goals of the research are to understand the geochemical behavior of metal elements in the ore-forming processes and provide the scientific base for application of Cu-Fe-Zn isotope in ore deposits.In the project, the key scientific issue is to discuss variation of chemical speciation and its boundary conditions, and to extract the indication information of Cu-Fe-Zn isotopes for tracing different transport models of Cu, Fe and Zn.The feature and innovation of the project is the discussion of the boundary conditions based on physical-chemical phase diagram by combining the chemical speciation of elements with the Cu-Fe-Zn isotope tracing.

元素化学形态和迁移机制是成矿过程研究的前沿问题，现代海底热液活动调查和Cu-Fe-Zn同位素方法为该研究提供了便利条件和新的手段。本项目选取超慢速扩张西南印度洋中脊和快速扩张东太平洋海隆典型热液硫化物矿床，采用地球化学和矿物学研究方法，开展1）成矿阶段划分与矿物组合研究，2）Cu、Fe、Zn元素化学形态及其变化，3）Cu-Fe-Zn同位素组成及其变化，4）Cu-Fe-Zn同位素示踪与矿床学应用研究。研究目标是理解热液成矿过程中Cu、Fe、Zn元素地球化学行为，为Cu-Fe-Zn同位素研究在矿床学中的应用提供理论基础。拟解决的关键科学问题是1）Cu、Fe、Zn迁移过程中元素化学形态变化的边界条件，2）元素迁移模式的Cu-Fe-Zn同位素成因指示信息提取。Cu-Fe-Zn同位素指示信息的相互校验和基于物理化学条件与地质要素约束的边界条件探讨将构成本项目的特色与创新。

现代海底热液活动系统调查和Cu-Fe-Zn同位素地球化学快速发展为研究现代海底热液成矿过程和成矿机制提供了便利条件和新的手段。本项目选取超慢速扩张西南印度洋中脊和快速扩张东太平洋海隆典型热液硫化物矿床，采用地球化学和矿物学研究方法，开展了现代海底热液硫化物成矿阶段划分与矿物组合研究、Cu、Fe、Zn元素化学形态和同位素组成及其变化，以及Cu-Fe-Zn同位素示踪与矿床学应用研究。研究目标是理解热液成矿过程中Cu、Fe、Zn元素地球化学行为，为Cu-Fe-Zn同位素在矿床学中的应用提供理论基础。项目系统总结了地球上各地质储库Cu、Fe、Zn同位素组成特征，对比了现代海底热液系统各端元Cu、Fe、Zn同位素组成差异，揭示了热液硫化物形成过程中同位素的组成变化及其分馏机制，探讨了热液流体再循环和后期改造过程对同位素分馏的影响，研究成果对于丰富现代海底热液成矿理论和拓展Cu-Fe-Zn同位素研究在矿床学中的应用具有重要意义。现代海底热液硫化物矿物Fe同位素组成与热液流体相比呈现更加轻的Fe同位素组成特征，喷口温度、流体性质和矿物沉淀过程显著影响热液硫化物的δ56Fe变化。黄铜矿优先富集相对重的Fe同位素，闪锌矿矿和黄铁矿等硫化物矿物相对富集轻的Fe同位素，这与硫化物沉淀过程中Fe同位素发生平衡分馏或动力分馏过程直接相关。项目研究区洋中脊热液区不同类型硫化物及其氧化产物的Cu、Zn同位素组成，其中δ65Cu变化范围从-0.58‰~+1.36‰，平均值δ65Cu=+0.31±0.49‰ (n=17，2sd）；δ66Zn变化范围从-0.14‰~+0.38‰，平均δ66Zn=+0.11±0.06‰，n=22，2sd）。不同类型硫化物Cu、Zn同位素组成变化总体落在其他洋中脊热液区（如北大西洋中脊Logatchev和Rainbow热液区和东太平洋海隆EPR 9°N）硫化物范围内，但氧化产物Cu同位素组成显著轻于原生硫化物，揭示了硫化物后期蚀变过程中Cu同位素的显著分馏，且蚀变产物优先富集轻的Cu同位素。热液硫化物和氧化产物Zn同位素（δ66Zn=+0.11‰）显著轻于海洋平均值（δ66Zn=+0.5‰），可能显示了海洋Zn同位素轻汇的存在，也有助于进一步约束现代海洋Zn同位素循环质量平衡过程，也为现代海底热液活动过程及元素循环研究提供了有效示踪剂。