火山块状硫化物矿床中的铟富集：来自中国西北铁木尔特铅锌铜矿床闪锌矿地球化学与热力学模拟的启示

《Journal of Geochemical Exploration》：Indium enrichment in VMS deposits: insights from sphalerite geochemistry and thermodynamic modeling of the Tiemurt Pb-Zn-Cu deposit, NW China

　　

• 铟在铁木尔早期阶段闪锌矿中优先富集。
• 揭示了铟迁移和沉淀的物理化学条件。
• 不稳定性运输和高效沉淀共同控制铟的富集。
• 闪锌矿的颜色可能作为铟分布的指标。

引言
铟（In）是一种极具价值的资源，因其对现代技术和国家安全不可或缺的作用，被中国、美国、欧盟和日本等主要全球经济体正式指定为“关键金属”和“战略矿物”（Chen et al., 2023）。在全球范围内，氧化铟锡（ITO）衬底占据其消费的主导地位，约占总需求的 80%。除了 ITO 屏幕外，铟在新兴的新能源和高科技领域中的应用也日益重要。它是制造光伏薄膜太阳能电池（如铜铟镓硒）和新一代半导体的核心材料，这对全球向可再生能源和先进电信的转型至关重要（Zhang et al., 2022）。受全球绿色能源转型和高科技产业快速扩张的推动，近年来铟的市场需求保持了持续强劲的增长（Chen and Zhao, 2021）。在铟被普遍认为是关键金属和战略矿物的时代背景下，调查其从原生矿床到后续环境的成矿机制和富集规律，已成为资源勘探、工业发展和可持续回收的紧迫研究重点（Mejías et al., 2023）。

地球化学上，铟是一种典型的强亲硫分散元素，其在热液中的离子迁移主要以氯化物、水合物和氟化物络合物的形式发生（Seward et al., 2000; Wood and Samson, 2006）。它主要作为微量元素存在于具有明显矿物学亲和性的各种硫化物矿物中（Wang et al., 2015），闪锌矿是其主要载体矿物，多达 95% 的铟通过在其晶格中对 Zn 的同晶置换而并入闪锌矿（Werner et al., 2017）。铟在闪锌矿中的富集共同受控于晶体学因素和成矿流体的物理化学参数。在晶体学方面，铟的并入需要耦合置换机制来维持电荷平衡，通常伴随着与 Cu、Ag、Sn 及其他相关元素的密切地球化学相关性（Chen et al., 2023）。在物理化学方面，闪锌矿和其他共存硫化物中微量元素的浓度和空间分布严格受流体成分、温度、氧化还原电位（Eh）和 pH 值的调节，这些因素共同驱动金属沉淀和成矿分带（Frenzel et al., 2016; Gagnevin et al., 2014; Lockington et al., 2014; Li et al., 2017, Li et al., 2018; Zhai et al., 2025）。现有研究已建立高温热液条件有利于 Fe、Mn、In 等元素在闪锌矿中富集，而低温还原条件则促进 Ga、Ge 及类似元素并入其晶格（Cook et al., 2009; Frenzel et al., 2016）。然而，大多数相关研究主要集中在基于硫化物微量元素特征的实证矿床类型判别和区域成矿相关性分析（Sun and Zhou, 2022; Ye et al., 2011; Zhang et al., 2022）。

火山岩容矿块状硫化物（VMS）矿床构成了世界第二大铟资源库，占全球铟资源的 28%，被广泛认为是满足未来工业需求的潜在铟源（Li et al., 2019）。尽管如此，我们目前对铟矿化机制的认识主要源于对岩浆热液矿床（如矽卡岩和浅成低温热液矿床）的研究，而关于 VMS 矿床中铟富集的研究远远落后。在典型的岩浆热液系统中，铟的来源 - 运输 - 积累过程相对清楚：铟最初来源于高度演化的、富 Sn 的花岗岩岩浆（Schwarz-Schampera and Herzig, 2002; Seifert and Sandmann, 2006），在高温下作为稳定的氯化物络合物（如 InCl3）被有效运输（Seward et al., 2000; Wood and Samson, 2006），并由于强烈的流体 - 岩石相互作用和快速冷却而广泛沉淀。相比之下，VMS 矿床通过不同的成矿过程运作。VMS 系统中的源流体主要是淋滤周围海底火山岩中金属的改造海水，缺乏明显的岩浆流体输入，通常贫 Sn（Franklin et al., 2005; Galley et al., 2007）。由此产生一个关键的科学问题：为什么作为贫 Sn 热液系统运作且没有高度分异岩浆流体直接参与的 VMS 矿床，仍然能有效动员和富集大量铟？此外，现有对 VMS 铟矿化的研究主要集中在闪锌矿中铟的同晶置换机制，最近利用原位 LA-ICP-MS 的进展揭示了多样热液硫化物中复杂的微量元素分布模式和微结构化学指纹（Torró et al., 2022; Wang et al., 2022; Zhang et al., 2024）。经济地质学最近的进展强烈强调，理解完整的成矿历史——从初始流体冷却和沉淀到矿后剥露和保存——对于 deciphering 成矿系统至关重要（Yang et al., 2025; Sun et al., 2025）。然而，对于控制 VMS 系统中铟迁移和沉淀的具体物理化学条件（例如精确的流体温度、硫逸度、pH 值），仍然缺乏严格且独立的定量约束。解决这些差距对于推进全球对铟成矿的认识并指导 VMS 带中的铟资源勘探至关重要。

铁木尔铅锌铜矿床位于中国阿尔泰造山带南缘的克兰火山沉积盆地，是一个赋存于泥盆纪火山沉积序列（约 400 Ma）中的典型 VMS 矿床（Chai et al., 2009; Zheng et al., 2013a, Zheng et al., 2013b）。以往对该矿床的系统研究已对其矿石地质、矿物共生组合和主要成矿元素（Pb、Zn、Cu）的成矿机制提供了深入见解：硫同位素分析揭示了海洋硫酸盐细菌还原和热化学还原的混合硫源，伴有少量的地幔和岩浆输入；铅同位素表明 Pb 主要源自地幔，部分来自围岩；流体包裹体研究确定成矿流体的均一温度 为 150–330 °C（喷流沉积阶段），盐度为 4–16 wt% NaCl 当量，密度为 0.77–0.97 g/cm3，以 Na+、K+ 为主要阳离子，Cl?、SO42? 为主要阴离子（Yu and Zheng, 2019; Geng et al., 2010）。铁木尔是阿尔泰造山带中最典型的 VMS 矿床之一，具有完整且清晰的流体演化序列。然而，尽管以往研究广泛调查了其主要成矿元素，但对关键金属铟的研究仍然完全空白。有趣的是，最近对阿尔泰造山带其他 VMS 系统（如阿舍勒矿床）的调查也强调了该地区作为铟源的显著潜力以及流体物理化学变化在其富集中的作用（Sun et al., 2024）。主要金属成矿受控良好且流体序列清晰，这使得铁木尔成为调查 VMS 系统内铟富集机制的理想和典型矿床。

在本研究中，我们首先进行详细的矿石显微观察，根据形态特征和矿物共生组合将铁木尔铅锌铜矿床的闪锌矿分为两个不同的成因世代。在此基础上，我们整合激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）微量元素分析和热力学建模，系统揭示不同世代闪锌矿中铟的富集模式。具体的研究目标有三点：（1）阐明铁木尔矿床闪锌矿的织构和地球化学组成特征及其成因意义；（2）确定铟在闪锌矿中的存在状态并阐明其在闪锌矿晶格中的结构置换机制；（3）定量约束控制 VMS 系统中铟迁移和富集的成矿流体关键物理化学参数，从而为理解 VMS 矿床中的铟成矿机制和指导区域铟资源勘探提供理论依据。

片段
区域地质
中亚造山带（CAOB）是一个典型的增生造山带。伴随古亚洲洋从中新元古代到二叠纪的扩张、俯冲和闭合，它形成了广泛的增生杂岩和岛弧岩浆岩，记录了涉及多个海洋盆地和发育阶段的复杂构造演化（Xiao et al., 2009）。该地区复杂的构造岩浆和流体活动导致了“中亚
矿床地质
新疆铁木尔铅锌铜矿床位于阿尔泰造山带南缘的克兰火山沉积盆地。矿床区内的构造框架复杂。矿床形成于古生代晚期活动大陆边缘的西伯利亚板块后弧拉张盆地环境中。矿化受 NW 走向的阿巴贡断裂和萨拉阔布向斜的构造控制，阿巴贡断裂直接决定了空间
采样
矿石和围岩样品系统地收集自铁木尔矿床的第 4 号和第 27 号矿体。为确保样品套件的空间和成因代表性，共从各个地下水平和钻孔中收集了 92 个代表性样品。收集的岩心标本涵盖了研究区的主要矿化样式，包括条带矿、富硫化物角砾矿脉和块状矿。
进行了详细的岩石学研究。
闪锌矿的岩石学特征
铁木尔矿床中的闪锌矿赋存于块状矿、条带矿和富硫化物矿脉中（Yu et al., 2020）。基于详细的岩石学观察，包括晶体形态、矿物共生组合和织构穿插关系，在块状矿中识别出两个不同世代的闪锌矿。
第一代闪锌矿（Sp1）通常表现出自形至半自形的粒状织构。其特征是与早期阶段矿物
铟在闪锌矿中的存在状态及置换机制
闪锌矿是铟、锡、铜、银、镓和锗等关键元素的主要载体矿物。如 LA-ICP-MS 时间分辨光谱（图 6）所示，铟和其他微量元素的信号剖面表现出光滑、稳定的线性模式，没有尖峰畸变，强烈表明铩均匀并入闪锌矿晶格，而不是形成独立的微矿物包裹体。由于离子半径和价态的差异，包括 Fe 在内的元素
结论
(1) 铁木尔早期阶段 Sp1 相对于 Sp2（平均 220 ppm）显著富集铟（平均 317 ppm）。铟浓度与宏观闪锌矿颜色相关（红 > 棕 > 黄）。
(2) 使用 GGIMFis 温度计计算的结晶温度表明在整个共生期间呈冷却趋势，从 Sp1 的 344 到 382 °C 降至 Sp2 的 312–355 °C。
(3) 热力学建模表明 Sp1 在近中性（pH = 6–8）和相对氧化
CRediT 作者贡献声明
Min Luo: 撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 初稿，方法论，形式分析，数据整理。Peng-Peng Yu: 撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 初稿，监督，方法论，调查，资金获取，数据整理，概念化。Yi Zheng: 撰写 - 审阅与编辑，监督，调查，资金获取。Jie-Jun Lei: 可视化，方法论，数据整理。Xi Chen: 方法论，调查。Yi-Han Wu: 方法论，调查。
未引用参考文献
Chen et al., 2024
Dan et al., 2011
Tan et al., 2024
Zhang et al., 2021
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或可能影响本论文报告工作的个人关系。
致谢
本研究由新疆维吾尔自治区重点研发计划（2025B03007）、广东省科技人才支持计划（SKXRC2025005）、广东省自然科学基金（2024A1515030216）、中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室 MOST 专项基金（GPMR202610）、广东省创新研发团队引进计划（2021ZT09H399）、广东省科技计划共同资助。Min Luo|Peng-Peng Yu|Yi Zheng|Jie-Jun Lei|Xi Chen|Yi-Han Wu|Hong-Xiang Shan|Quan-Jie Li|Zhuo-Xiong Shi