2021-11-15
钨矿是我国优势和战略性矿产资源之一。石英脉型和矽卡岩型是最主要的两类钨矿床，前者的主要矿石矿物是黑钨矿（[Fe,Mn]WO4），而后者的主要是白钨矿（CaWO4）。通常将两类钨矿矿石矿物的差异性归结为围岩性质不同的结果：当围岩贫Ca时，形成黑钨矿；当围岩富含钙质（如碳酸盐岩），形成白钨矿（徐克勤，1957）。然而，对于赋存于花岗岩类岩石的石英脉型或浸染型钨矿床，其产出的白钨矿与黑钨矿比值变化较大。有的以黑钨矿为主（如江西西华山钨矿），有的以白钨矿为主（如江西大湖塘钨矿、木瓜园钨矿、吉林杨金沟钨矿等），有的二者相当（如福建行洛坑钨矿），其中不乏白钨矿与黑钨矿相互交代的现象（如湖南川口钨矿）。这些钨矿的围岩同时含铁和钙，为什么那些以白钨矿为主的钨矿床缺少黑钨矿，那些以黑钨矿为主的钨矿床缺少白钨矿？围岩的Ca含量是唯一的原因？为解释这些地质现象，中国地质科学院地质力学研究所刘向冲副研究员等使用SUPCRT数据库和更新的热力学参数（H2WO4, CaWO4等）分别构建了钨铁矿-白钨矿和钨锰矿-白钨矿在NaCl-H2O体系的平衡反应热力学模型，定量约束了黑钨矿与白钨矿在热液中的相对溶解度。
图1 白钨矿与黑钨矿（a. 钨铁矿；b. 钨锰矿）在热液中相对溶解度等值线
ΣCa, ΣFe, ΣMn 分别代表白钨矿、钨铁矿、钨锰矿在热液中的溶解度。等值线的0值代表白钨矿与钨铁矿（或钨锰矿）的溶解度相等。当热液中（或）高于等值线，热液将沉淀出白钨矿；当热液中（或）低于等值线，热液将沉淀出钨铁矿（或钨锰矿）。图中箭头指示了白钨矿交代钨铁矿或钨锰矿的两种机制。
模型计算结果表明：（1）模型所用热力学参数可在误差范围内再现前人发表的白钨矿和黑钨矿溶解度实验数据，故所用热力学参数是可靠的；（2）在大部分钨成矿条件下（300–400 °C, 500–1500 bars, 1–3 mol/kg NaCl），白钨矿的溶解度高于钨铁矿和钨锰矿的溶解度；（3）在酸性环境下，降低温度、盐度与提高pH是白钨矿、钨铁矿、钨锰矿沉淀的共同机制；在碱性环境下，只有盐度同时与三种钨矿物的溶解度成正相关关系；（4）白钨矿可在非常宽的温压条件下交代钨铁矿或钨锰矿，因而白钨矿交代钨铁矿或钨锰矿并不一定代表成矿的晚阶段；（5）识别出白钨矿交代钨铁矿或钨锰矿的两种机制：第一种机制是降温且热液中Ca/Fe（或Ca/Mn）比值升高，这与Wood and Samson （2000）的模型结果一致；第二种机制是热液中Ca/Fe（或Ca/Mn）比值不变的情况下降压；（6）第一种机制需要围岩向热液提供额外的钙（如斜长石分解）或者减少热液中的铁（如含铁矿物沉淀），而对于第二种机制这些是非必须的；（7）第二种机制可能是成矿热液在比较贫Ca围岩（相对于碳酸盐）中依然沉淀出白钨矿的一个重要原因。
上述研究成果发表于地球化学国际权威刊物《Chemical Geology》：Liu, X., Xiao, C., Wang, Y., 2021. The relative solubilities of wolframite and scheelite in hydrothermal fluids: Insights from thermodynamic modeling. Chemical Geology: 120488. [IF 2020=4.015].
该成果得到了科技部重点研发计划(2018YFC0603802)、中国地质科学院基本科研业务费(DZLXJK202103)和中国地质调查局地质调查专项(DD20190161)的资助。