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汞同位素揭示低温热液金矿床中的汞元素源自俯冲洋壳

同位素
发布:2020-12-25 14:32:55     来源:中国科学院地球化学研究所
汞由于其毒性而备受关注,因此其在地表过程的地球化学行为一直是国内外研究的热点。相比之下,汞在地球深部的循环过程研究较为薄弱。由于汞具有亲铜性和较强的挥发性,其常常在斑岩-浅成低温热液系统中的低温硫化物矿床中富集。由于该类矿床常常形成于板块汇聚边缘,矿床中富集的汞金属可能由俯冲的洋壳释放所致。

汞是少有的具有显著质量分馏(MDF, 常用δ202Hg表示)和非质量分馏(MIF, 常用Δ199Hg表示)的金属元素。汞同位素地球化学能够在指示环境中汞的物源时提供多维信息。Hg-MDF与一系列的物理、化学和生物过程有关,而Hg-MIF主要与地表光致还原过程有关。显著的正的Hg-MIF信号一般发现在海洋系统中(如海水、大洋沉积物、海洋生物和海相沉积岩),负的Hg-MIF信号则多发现于陆地系统(如植物、土壤和陆相沉积岩),而原始地幔有关的Hg-MIF信号不明显,常接近于0。因此Hg-MIF具有直接示踪Hg来源的潜力。

当前报道的热液系统中Δ199Hg值变化范围可达0.7‰,暗示地表储库中的Hg可能卷入到地表深处热液矿化系统并在其中并明显富集。为了验证这个猜测,中科院地球化学研究所尹润生课题组邓昌州博士后利用汞同位素作为示踪工具,对东北地区早白垩世与俯冲相关的低温热液Au矿床开展汞同位素研究。结合前人报道的中国华南地区低温成矿域Au-Sb-Pb-Zn矿床、环太平洋和地中海俯冲带Hg矿床和板内岩浆岩相关的西班牙Almadén汞矿床Hg同位素数据,可以看出:东北地区早白垩世低温热液金矿床Hg显示明显的正的Hg-MIF信号,与海洋系统储库中Hg同位素特征相似(图1a);俯冲带相关热液矿床与板内岩浆有关Hg矿床以及盆地内低温Au-Sb-Pb-Zn矿床Hg同位素组成有很大差异(图1a)。

图1 (a)热液矿床Hg同位素组成特征;(b)奇数汞非质量分馏相关性

根据Δ199Hg-Δ201Hg图判断,热液矿床中Δ199Hg/Δ201Hg比值接近于1(图1b),指示这些矿床中Hg-MIF均与地表光化学作用有关。由于东北地区主要为显生宙期间通过不断的俯冲和造山形成的新生陆壳,古老基底物质体积相对较小,同时也缺少大范围的深海相沉积地层分布。结合前人的研究成果,可以排除低温热液矿床中Hg来自基底和海相围岩的可能性。而较为合理的解释是正的Hg-MIF信号是由俯冲的洋壳释放的Hg物质所主导(图2a)。

如前所述,光致还原作用所产生的具有正的Hg-MIF信号的Hg(II)易与水分子结合而最终汇集于大洋中,使得海洋生物和海底沉积物中累计的Hg同样具有正的Δ199Hg值(图2b)。在洋壳俯冲过程中,由于汞的挥发性使其较早参与到洋壳脱流体过程而进入地幔楔,随后与交代熔融形成的岩浆一起上升至地壳浅部(图2a)。在岩浆演化的后期,汞随挥发分物质以及其他成矿元素一起进入岩浆流体并继续上升,最终与大气降水混合后沉淀与硫化物矿床中(图2c)。

图2 (a)模型展示俯冲带汞的地球化学循环(据Zheng, 2019修改);(b)大气-海洋系统汞的同位素特征;(c)浅成低温热液矿床形成过程Hg的迁移(据White and Hedenquist, 1995和Smith et al., 2005修改)

相关成果近期发表在国际地学权威杂志《Geology》上,详见:Changzhou Deng, Guangyi Sun, Yimeng Rong, Ruiyang Sun, Deyou Sun, Bernd Lehmann, Runsheng Yin*. Recycling of mercury from the atmosphere-ocean system into volcanic-arc associated epithermal gold systems. Geology 49, (2020). https://doi.org/10.1130/G48132.1

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