气相迁移的过程
图7.7黑海海水中溶解气体的浓度
(据齐昌谋1994)
大量证据表明，在大多数热液成矿系统中，金属矿物都是从溶液中沉淀富集的，几乎所有的热液矿床成因模型都认为液态流体是金属迁移的主要因素。然而，越来越多来自火山气体、陆地和海底地热系统、富气流体包裹体和实验研究的证据表明，气体运移在某些热液矿床系统中可能起着重要甚至决定性的作用，其在矿床形成中的地位也越来越受到学者们的关注(Ulrich et al .，1999；威廉姆斯-琼斯等人，2002年；威廉姆斯-琼斯和海因里希，2005年).
早在1644年，勒内·笛卡尔就提出了金属的气相迁移。但由于大多数金属元素在液相中的溶解度远大于在气相中的溶解度，对金属元素在气相中的行为知之甚少，在热液矿床的研究中，长期以来一直认为成矿物质以络合物的形式在溶液中迁移，金属成矿作用的实验研究主要集中在热液系统。随着新的测试技术(XRF、PIXE、La-ICP-MS)的发展，可以测量流体包裹体中金属元素的含量和气体对金属迁移能力的数据积累(主要来源于活火山的研究，特别是对火山口的冷凝液的分析)，使人们对金属的气体迁移有了新的认识，认为气体迁移也是一种可能的成矿机制。最近关于金属在水蒸气相中溶解度的研究从实验的角度给了我们进一步的证据。水蒸气的参与增加了金属在气相中的溶解度。因此，某些金属在气相中的溶解和迁移是特定环境下的重要成矿机制，为我们研究矿床成因提供了新的思路。
鲍志伟(2007)总结了金属蒸气迁移的规律，并根据火山喷流中金属元素的含量、热液矿床中流体包裹体和熔融包裹体的最新证据以及金属元素在蒸气中溶解度的实验研究进展，对金属蒸气迁移在热液矿床成矿过程中的可能贡献做了一些分析和评述。
7.3.2.1气体的金属迁移能力的地质证据
近年来，新方法和分析手段的应用以及实验数据的积累，使人们认识到气相迁移在火山热液成矿系统中可能起着重要作用。地质证据主要来自两个方面，即活火山研究和包裹体成分分析。
(1)活火山研究
火山气体的主要成分是H2O(摩尔百分比大于90%)，水是主要的金属溶剂，摩尔百分比较高的气体是CO2，有时达到10%，SO2和HCl的含量约为6%，而其他气体H2、HF和H2S的含量均小于1%。虽然水是火山气体的主要成分，但不一定是控制金属溶解的主要因素。金属与CO2、SO2、HCl和H2S的络合作用可能是增强金属溶解的有效机制。
火山气体中含量较高的金属元素(火山喷口冷凝液分析)主要有Cu、Sn、Pb、Zn、as、Ag、Au、Mo、W、Hg等。火山气体中的金属浓度变化很大，不仅与自然界元素的丰度和产生火山的岩浆成分有关，还与金属在气相中形成稳定气体化合物的能力有关。
当火山气体温度高于450℃时，主要有Fe3O4、MoS2、ReSn、CdS、(Fe，Mn)WO4等。NaCl、KCl、NH4Cl、Na2SO4、K3Na(SO4)2和SiO2(应时)的析出发生在800～900～200℃之间。温度小于450℃时，主要有PbS、As、Te和Se，而S的析出温度较低，小于200℃时，以液态形式存在。当低于120℃时，它将沉淀为结晶固体。Korzhinsky等人(1994)用石英管法首次发现铼矿物ReSn，它与辉钼矿mos 2 * * * *一同诞生；塔兰等人在石英管内壁观察到自然金的结晶，温度范围为550 ~ 600℃。
从火山气体升华的矿物组成可以得出一些重要结论:①辉钼矿、黄铜矿、闪锌矿、硫化镉和黄铁矿在高温下沉积，说明只有从高温火山气体中采集的冷凝物才能可靠地反映火山气体中相应金属元素的含量；②石盐和钾盐的高含量表明氯的络合物可能对火山气体中金属的迁移起重要作用；无处不在的无水芒硝和氯化铵也说明硫酸盐和氨也可能是金属配合物的重要配体；④矿物成分随岩浆类型和构造环境的变化，证明火山气体的化学成分也发生相应的变化；⑤与氯化铵相关的矿物种类比与石盐和钾盐相关的矿物种类丰富得多，表明氨可能比氯络合更多的金属(Williams-Jones等人，2002)。
总之，从升华矿物中可以看出NaCl和KCl的优势地位，说明氯络合物可能是火山气体中金属的重要形态；根据Na2SO4和NH4Cl的广泛出现，可以推断硫酸盐和铵也可能是重要的金属络合剂。大量以气相形式释放的成金属物质，都是火山喷发时岩浆脱气释放出来的，说明深部岩浆脱气可以提供大量的挥发分和成金属物质。
(2)包裹体的研究
流体包裹体数据为我们提供了新的信息。用PIXE分析富气流体包裹体发现，铁、铜、铅、锌已达到矿物浓度(数百克/吨)，而铜的浓度超过其在流体包裹体中的浓度。岩浆气体中铜的浓度比碱流岩石熔体中的高几百倍。最近，通过LA-ICP-MS分析，富气流体包裹体中铜的浓度已达到3.3%。Heinrich等人通过分析流体包裹体发现，Na、K、Fe、Mn、Zn、Rb、Cs、Ag、Sn、Pb、Ti易分布在卤水中(可能以氯络合物的形式)，而Cu、As、Au、B(可能以硫氢络合物的形式)选择性进入气相。他们指出，流体的相分离对于元素在气相和液相之间的分布可能很重要。同样，Andreas Audetat等人认为热液相分离成富含盐的卤水和低密度气体是金属分馏的原因之一，其中Cu、B、Li、As( S、Ag、La)优先进入气相。张等用降压法实现了超临界流体的相分离。研究证实，金可以出现在富含CO2的气相中，从而指出气相可以携带和迁移金属。
因此，我们有理由相信，在一定条件下，气体对易进入的金属元素的运移和成矿起着重要作用，相分离机制可以合理解释岩浆-热液系统中元素的选择性富集和元素的分异。
La-ICP-MS法分析了一系列岩浆热液矿床中单个流体包裹体中的主元素和微量元素组成，表明不同元素在高温热液流体相分离(沸腾)过程中具有完全不同的地球化学行为。虽然在绝对含量上有一些差异，但所有样品都表现出明显的一致的元素分布趋势。钠、钾、铁、锰、锌、铷、铯、铅、银、硼、钡、锶、锡、钨、铀和铈优先进入液相，而铜、砷、金、硫、锑、硼和锂选择性进入气相。氯和硫是地质作用中最重要的两种配位离子，它们往往会相互分离。前者强烈选择进入液相，后者选择性进入气相(Drummond和Ohmo-to，1985)。那些优先进入液相的元素与Cl-亲和力高，主要以氯络合物的形式存在于液相卤水中，而Cu、Au、As、Sb容易与HS-形成稳定的络合物而进入气相。流体的相分离过程可能是过去被低估的重要化学分离过程，它对从基岩到斑岩和云英岩矿床、浅成热液矿床和火山喷流的岩浆-热液体系中元素的选择性富集起着重要的控制作用(Heinrich et al .，1999)。
在流体沸腾和不混溶相分离的过程中，铜和金，尤其是金可以通过汽相迁移到离斑岩体几公里以外的地方。在很多情况下，可能正是由于这种气相的强烈活动，一些斑岩核形成了低品位的铜金矿化，甚至是经济上无意义或夭折的斑岩铜矿化系统。
(3)熔融包裹体和岩浆沸腾。
熔融包裹体是研究岩浆脱气或沸腾的重要手段之一。由于减压或结晶，挥发分过饱和，挥发分小气泡汇聚增大。熔体中气泡的数量和大小与熔体中的挥发分含量、岩浆的结晶程度、岩浆的压力或侵位深度、喷发引起的减压或与岩浆房相连的活动构造(如断裂)的薄弱带有关(Cashman和Mangan，1994)。沸腾形成的挥发性气泡容易附着在晶体表面(Hurwitz和Navon，1994)，在晶体生长过程中被捕获，成为熔融包裹体。由于沸腾次数和强度的不同，不同阶段捕获的熔融包裹体中挥发损失的程度会有所不同。因此，斑状晶体中的熔融包裹体记录了岩浆熔体挥发物的溶解过程。矿物和玻璃中挥发性组分的微观分析是讨论挥发性组分对高温地质作用和低温蚀变作用影响的基础。二次离子探针质谱和显微傅里叶变换红外光谱是分析C-O-H挥发性物质的有效手段(King et al .，2002)。对西太平洋东马努斯弧后盆地底拖网样品(岩石类型从玄武岩、玄武安山岩、安山岩、流纹岩英安岩到流纹岩，可能是单一浅部岩浆作用所致)的分析表明，无气泡熔融包裹体的含水量最高(2.1% ~ 2.5%)，玻璃中的含水量与熔融包裹体中气泡的大小成反比。S、Cl(可能还有F)与水含量的正相关关系表明，这些挥发物从熔体中溶解出来，一起进入气相。熔融包裹体玻璃中水和碱含量的负相关关系表明岩浆结晶过程中存在流体。
据估计，多达65%的挥发性物质可能在岩浆结晶过程中损失(杨和斯科特，2005年)。洛温斯坦等人(1991)用X射线探针法研究了西西里海峡碱流岩石英斑岩中的熔融包裹体。这可能与开放系统中铜随挥发物逸出有关。碱性流岩的基质玻璃和渗漏玻璃包裹体中铜含量较低，为(31)×10-6；未经历过过去气体作用的包裹体中铜含量往往较高(20 10)×10-6；富铜熔融包裹体中的气泡通常比贫铜熔融包裹体中的气泡大(收缩原因)。铜主要以气相存在，由熔融包裹体中单个气泡的X射线探针分析计算的铜的表观蒸气/熔体分配系数可高达1000。
可见，岩浆脱气或沸腾对岩浆中成矿元素的淋滤富集具有重要意义。Dietrich等人(1999)通过对安第斯矿带含锡斑岩系应时熔融包裹体的研究，认为斑岩体是由含应时斑岩的高度演化硅酸盐熔体与上地壳安山岩或玄武质岩浆混合而成。
岩浆的混合过程很容易引发气相组分的溶解，在一定的岩浆成分和氧逸度下会产生成矿元素的大规模淋滤，对斑岩型铜、钼、金矿床的形成可能具有重要意义(Anderson，1976；斯帕克斯等人，1977；Huppert等人，1982；坎德拉，1989).Farmer和DePaolo(1984)指出，nd同位素组成可以清楚地表明大盆地地区成矿岩体中地幔物质的比例明显高于贫岩体。此外，作为最重要的斑岩铜钼矿集中区，宾汉姆地区的封闭侵入体中来自地幔的初始岩浆的混合比例小于生产侵入体中的混合比例(Keith et al .，1997)。中国斑岩型铜金矿床的研究也表明，主要成矿带中具有一定规模的矿床都与地幔成分较多的岩浆活动有关(如埃达克质岩浆)(李光明、芮宗耀，2004)。气体组分的淋滤有助于贫钼岩浆(3× 10-6)转化为富钼岩浆(> 1000× 10-6)，并在最终分离结晶过程中形成富成矿流体(Keith等，1998)。
随着地质证据的积累，研究人员对气体在一定条件下输运金属的能力及其在成矿中的作用有了新的认识，金属气相迁移的实验研究和新技术的应用也为我们提供了新的信息。金属元素在气相中的迁移能力不仅与其挥发性有关，更重要的是与气体溶剂反应，增强其在气相中的溶解度。挥发性强的金属元素可能在气相中迁移，挥发性相对较弱的金属元素如果与气体溶剂形成水合物，也可以提高在气相中的溶解度，以气相金属水合物的形式溶解迁移。这一认识对理解金属元素在气相中的活化迁移及其对成矿的意义具有重要作用。
7.3.2.2金属元素的气相迁移。
虽然金属蒸气迁移和富集矿石的概念已经出现了360多年，但在现代矿床学和矿床地球化学中并没有得到应有的重视。近年来对火山喷发、富气流体包裹体和熔融包裹体的微量元素组成分析，以及一些实验地球化学证据都表明，金属元素的气体迁移在热液矿床形成中的作用可能远比人们想象的重要。当然，现在回答金属元素蒸气迁移在热液矿床形成中的重要性还为时过早。岩浆亚固相气相淋滤过程中流体包裹体、熔融包裹体、微量元素和铂族元素的研究和数据积累还比较多。由于岩浆作用对岩浆的沸腾有重要影响，因此研究含矿岩体的岩浆形成演化过程(如岩浆混合)对于认识岩浆脱气过程中气相与熔体之间成矿元素的分布以及热液矿床的成矿机制无疑具有重要意义。