镉在多数闪锌矿中是除锌、硫和铁之外含量最高的微量元素. 由于镉和锌具有极为相似的地球化学行为, 锌镉比值和镉同位素等对探讨铅锌矿床成矿过程、金属物质来源和判别矿床成因等方面有着独特的优势。 然而, 已有的研究多集中在铅锌矿床中, 对于其他热液系统(如铜-金矿床等), 镉等金属稳定同位素是否具有应用的潜力等问题尚未见相关报道, 限制了镉等金属同位素在不同热液系统中的应用。
最近, 中国科学院地球化学研究所温汉捷研究员团队与中国地质大学(武汉)杨振副教授合作, 利用锌、镉和硫稳定同位素等手段研究了我国内蒙古的小坝梁铜-金多金属矿床, 揭示VHMS型铜-金多金属矿床成矿过程。通过详细的矿物学研究, 该矿床硫化物可分为三阶段(图1)：(1)黄铁矿阶段, 为火山-喷流成矿期的早阶段, 主要金属矿物是自型黄铁矿和草莓状黄铁矿;(2)黄铜矿-闪锌矿-黄铁矿阶段：是该矿床的主要矿化阶段, 主要金属矿物是黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿, 期一般半自形-他形结构, 矿物颗粒大小不均一;(3)黄铜矿阶段：是火山-喷流成矿期的晚阶段, 矿化作用减弱, 形成的脉状金黄铜矿等。
图1 矿石镜下照片及原位S同位素(Py:黄铁矿;CCP:黄铜矿)
图2 小坝梁矿床原位硫和微钻样硫同位素组成频率图
样品的锌与镉稳定同位素呈现完全相反的组成特征：锌同位素(δ66ZnJMC)变化范围为0.10‰ 至0.70‰, 与现代海底硫化物的范围基本一致(如东太平洋隆起热液区);镉同位素(δ114/110Cd3108)变化范围为−0.74‰ 至−0.08‰, 其中−0.74‰为已报道的硫化物中最负镉同位素组成值. 结合理论计算等工作, 前人认为现代海底硫化物的锌同位素组成范围主要与锌在热液中的络合物形式有关。小坝梁矿床所采集的样品均富集锌的重同位素, 且锌同位素加权平均值为0.33‰, 与洋中脊玄武岩基本一致(0.28‰ ± 0.03‰), 说明锌主要来自该区的基性岩. 结合理论计算给出的镉同位素分馏系数, 瑞利分馏模型无法解释样品中极负的镉同位素组成(最低至−0.74‰), 且样品的镉同位素加权平均值为−0.33‰, 明显低于报道的玄武岩镉同位素组成(0.02‰ ± 0.03‰), 说明某些过程控制了镉同位素的分配。
然而, 什么机制导致小坝梁矿床锌和镉同位素发生了“解耦”? 结合硫化物和玄武岩中锌和镉含量, 我们推测玄武岩中锌和镉含量的巨大差异是导致“解耦”的原因, 并提出该VHMS矿床的成矿模型(图3)：当生物还原海水中的硫, 生成自型黄铁矿和富集轻的硫、锌和镉同位素流体Ⅰ;由于海水下渗并与玄武岩反应生产成矿流体Ⅱ, 当流体Ⅰ因同生断层下渗与流体Ⅱ混合并喷发至海底, 生成第二期的黄铜矿、闪锌矿和黄铁矿, 由于含量差异, 流体Ⅰ中富集的轻锌同位素较难改变混合流体中锌同位素, 导致硫化物中锌同位素仍记录玄武岩的信息, 而流体Ⅰ和Ⅱ中镉含量均极低, 因此混合流体记录了二种流体的混合后信息;由于流体的喷发, 导致海底表层的温度急剧升高, 生物作用减弱, 还原硫主要来自热还原, 该流体随着同生断层进入热液系统并在微细断裂中沉淀形成脉状黄铜矿等。
本研究对扩展镉同位素在不同热液系统中的应用提供了很好的案例, 亦为金属稳定同位素在热液矿床中的研究提供了潜在应用方向。
文章信息：Yang, Z., Song, W.R., Wen, H.J., Zhang, Y.X., Fan,H.F., Wang, F., Li, Q.K., Zhou, Z.B., Liao, S.L., Zhu, C.W., 2021. Zinc,cadmium and sulphur isotopic compositions reveal biological activity during formation of a volcanic-hosted massive sulphide deposit, Gondwana Research,https://doi.org/10.1016/j.gr.2021.07.024
