近日，我院李欢教授研究团队与美国、德国、日本的科研人员合作，在国际地学顶级NI期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表了题为“Compositional variation and Sn isotope fractionation of cassiterite during magmatic-hydrothermal processes”的研究成果，该文章的第一作者为我院地质学2019级吴经华博士生，通讯作者为李欢教授。
锡石（SnO2）是自然界中最具经济价值的含锡矿物，广泛产出于与高分异岩浆-热液作用相关的多类地质体中（如钠长花岗岩、云英岩、伟晶岩、矽卡岩、石英脉等）。现有文献已报道了不同地质体中产出的锡石一些微量元素的含量差别高达2–4个数量级。另外，新兴的锡稳定同位素研究也发现同一矿床的锡石锡同位素组成存在较大差异。然而，导致锡石微量元素含量和锡同位素显著变化的基本机制尚未查明。
针对上述科学问题，中南大学博士研究生吴经华在导师李欢教授的指导下，选取南岭香花岭锡多金属矿床作为研究对象，通过调查典型高分异岩浆-热液系统中不同世代锡石的镜下特征、微量元素以及锡同位素组成，在综述世界范围内已报道的锡石微量元素组成和锡稳定同位素的基础上，取得了以下研究成果：
（1）锡同位素储库的首次表征：由于锡具有多达10个稳定同位素，且分析测试时采用的标样有所差异，故国际上各研究团队在锡同位素组成的表示方法上均有所差别，如δ124/120Sn SPEX、δ122/118Sn IPGP、δ124/116Sn NIST3161a、δ120/118Sn NIST3161a和δ120/116Sn NIST3161a等。因此，尚未统一的锡同位素表示方法极大地制约了锡同位素在各领域的进一步应用。本研究提出了一种数学处理方法，将世界范围内已报道的各地质体及历史文物中锡同位素组成统一表示为δamuSn NIST3161a，并首次系统化表征了各地质储库的锡同位素间的差异，使得锡同位素示踪成为可能（图1）。
图1 （a）锡同位素丰度与（b）锡同位素储库组成
（2）锡石微量元素理论相对分配系数的首次计算：由于已有的文献报道了锡石中共计高达56种微量元素的含量，但这些微量以何种形式存在于锡石中仍然未知，因此，确定各微量元素在锡石中的分配系数是解决这个问题的关键。本研究首次通过晶格应变模型（lattice strain model）计算了锡石中目前已报道的微量元素的理论相对分配系数（图2），认为某些已报道的元素不相容于锡石（如K、Ag、Ba、Sr、LREE等），可能以微小矿物/流体包裹体的形式存在于锡石中，因此未来的研究对于锡石微量的解释需要谨慎。
图2 锡石微量元素理论相对分配系数计算结果
（3）厘清锡石微量元素含量差异的基本机制：相同世代锡石不同微量元素间的含量差异受元素分配系数和熔/流体中元素的亏损/富集程度的双重控制。不同世代锡石相同微量元素间的含量变化则与熔/流体中其他矿物的结晶分异高度相关。
（4）查明锡石微量元素与成矿环境之间的相关联系：通过对香花岭锡矿床不同世代锡石进行了详细的形态学、地球化学和锡同位素等综合分析研究，结合团队前期已发表的研究，确立了锡石中Zr、Hf、Nb、Ta含量是反映成矿温度的灵敏指标，高温阶段富Zr-Hf-Nb-Ta矿物的结晶会引发同期沉淀锡石及后期沉淀锡石中这些元素含量的相应变化。此外，本研究提出不同世代锡石中变价元素Sb、Fe、V、U与其他元素间的协变可以有效指示成矿流体氧逸度的变化，并阐明了其背后的相关因果机制。
（5）天然锡石样品锡同位素分馏机制的确定：基于世界范围内已报道的锡石与黝锡矿的锡同位素组成，认为平衡分馏作用对锡同位素分馏影响轻微。通过对本研究获得的锡同位素模拟计算结果，确定了锡石的锡同位素变化主要由动力学分馏引起，并精确约束了天然锡石样品的分馏因子范围（1.00010–1.00025）（图3），与前人基于第一性原理方法预测的范围基本一致（1.00013–1.00037）。
图3 （a）不同矿床锡石与黝锡矿锡同位素组成范围（b）香花岭锡石锡同位素瑞利分馏模型
（6）锡石微量元素与锡同位素组成助力矿产勘查：本研究报道了高分异岩浆-热液系统中各世代的锡石（钠长花岗岩、云英岩、矽卡岩、硫化物矿石）的微量元素及锡同位素组成，不同世代的锡石微量元素与锡同位素组成差异明显，成矿阶段越晚，锡石越亏损重锡同位素及Zr, Hf, Nb, Ta等元素（图4）。因此锡石锡同位素组成及微量元素含量可指示成矿阶段早晚或距离成矿岩体空间远近，对指导深部矿产勘查工作具有重要意义。
图4 香花岭不同世代锡石锡稳定同位素组成
该项成果近期发表在国际地学NI期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，中南大学为该研究成果的第一完成单位，朱尼亚塔学院（美国），纽约市立大学（美国），拜罗伊特大学（德国），九州大学（日本）等单位参与了这项研究。本研究获得国家自然科学基金重大研究计划培育项目（92162103）、湖南省杰出青年基金项目（2023JJ10064）以及湖南省研究生科研创新项目（CX20210270）等的联合资助。
中南大学李欢教授团队主要从事与花岗岩有关的钨锡等关键金属矿床的成因及找矿勘查研究，已以第一/通讯作者在EPSL、Tectonics、Mineralium Deposita、Chemical Geology、American Mineralogist、GSAB等期刊上发表SCI论文100余篇。
论文相关信息：Wu, J.H., Li, H.*, Mathur, R., Bouvier, A., Powell, W., Yonezu, K., Zhu, D.P., 2023. Compositional variation and Sn isotope fractionation of cassiterite during magmatic-hydrothermal processes. Earth and Planetary Science Letters 613, 118186. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118186
