成礦年代學(xué)的基本理論和研究方法

孫 芹 牛鵬飛

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069) (桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

成礦年代學(xué)的基本理論和研究方法

孫 芹 牛鵬飛

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069) (桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

成礦年代學(xué)在研究礦床成因和成礦作用的演化規(guī)律中發(fā)揮了重要作用，它是成礦作用研究的時間維。介紹了成礦年代學(xué)研究的基本理論及其研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，詳細(xì)評述了U-Pb法、40Ar-39Ar法、Re-Os法、Rb-Sr法和Sm-Nd法等同位素定年技術(shù)在金屬礦床成礦年代學(xué)研究中的應(yīng)用。成礦作用是極為復(fù)雜的，是多期多階段的，只有重視成礦作用的演化過程，在詳盡的基礎(chǔ)地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，選擇有效的同位素定年方法，方可獲得有意義的成礦年齡，有助于推進(jìn)成礦年代學(xué)的發(fā)展。

成礦年代學(xué)；同位素定年；成礦年齡；研究方法

成礦年代是成礦作用三度空間演化的時間標(biāo)定，它是從地質(zhì)歷史出發(fā)分析礦床生成、發(fā)展和演化規(guī)律的極其重要的科學(xué)依據(jù)。裴榮富等形象的將成礦年代學(xué)研究比喻為研究金屬成礦省地質(zhì)歷史演化的鑰匙，只有通過它才能打開金屬成礦省演化的規(guī)律［1］。

作為礦床學(xué)研究的重要組成部分，金屬礦床的成礦年代早在18世紀(jì)就已引起礦床學(xué)家的高度重視，但長期以來，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試技術(shù)的落后，對成礦年代的科學(xué)認(rèn)識并未取得與礦床理論認(rèn)識的同步發(fā)展。由于大多數(shù)金屬礦床經(jīng)歷了多期多階段的礦化作用，其演化歷史極為復(fù)雜；僅根據(jù)野外地質(zhì)觀察，間接地靠礦床容礦圍巖的地層年代或與成礦有關(guān)巖體的同位素年齡推斷成礦年代則不能體現(xiàn)成礦作用的動態(tài)過程，認(rèn)識不到成礦作用隨時間的演化，缺少成礦作用研究的時間維。

直到20世紀(jì)末放射性元素衰變定律的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生發(fā)展了同位素地質(zhì)年代學(xué)，開創(chuàng)了成礦年代學(xué)的新紀(jì)元。近30年來相繼發(fā)展了許多成礦同位素測年方法，早期主要為熱液蝕變礦物的40Ar-39Ar、Rb-Sr和Sm-Nd法(如云母、鉀長石)，熱液成因的副礦物的U-Pb法(如鋯石、獨(dú)居石、金紅石)，以及礦物流體包裹體Rb-Sr和40Ar-39Ar法；近些年等時線概念的提出和應(yīng)用，使同位素地質(zhì)年齡更加接近地質(zhì)作用的真實(shí)年齡，加之新一代高精度、高靈敏度測試儀器的開發(fā)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和分析測試技術(shù)的發(fā)展，使同位素地質(zhì)年代學(xué)進(jìn)一步向高精度、高靈敏度、微量化和自動化的方向發(fā)展。直接測試礦石礦物的同位素年齡，已經(jīng)成為一種行之有效的方法，在成礦年代學(xué)研究中得到了較廣泛的應(yīng)用。

1 成礦年代學(xué)的基本理論

隨著成礦學(xué)研究的迅速發(fā)展，礦床學(xué)家逐漸認(rèn)識到，過去在一定地質(zhì)構(gòu)造背景下，根據(jù)不同礦床或不同類型礦床組合的時、空分布來圈定一個成礦區(qū)帶的固定論看法是不全面的。特別是，上世紀(jì)末最后三屆國際地質(zhì)大會的召開，“演化成礦學(xué)”［2］、成礦“時間維”造就“空間維”［3］和“成礦演化是一切成礦因素的函數(shù)”［4］等動態(tài)成礦的新論點(diǎn)的提出，使成礦年代學(xué)研究被提到了一個新的高度。裴榮富等指出“金屬成礦省的地質(zhì)厲史演化和成礦年代學(xué)研究”應(yīng)是20世紀(jì)末-21世紀(jì)初國際重大地學(xué)基礎(chǔ)研究的問題之一［1］。成礦年代學(xué)有形成獨(dú)立學(xué)科的趨勢［5-6］，它是應(yīng)用地質(zhì)構(gòu)造的、巖石的、礦物的、礦床的和同位素地質(zhì)的多學(xué)科綜合技術(shù)方法研究某一成礦區(qū)帶的成礦地質(zhì)歷史演化，并賦以成礦年代的鑒證，促進(jìn)成礦學(xué)的更大發(fā)展。

成礦年代學(xué)是認(rèn)識金屬成礦省演化規(guī)律的時鐘［1］，其在研究礦床成因和成礦作用的演化規(guī)律中發(fā)揮了重要作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)在西藏岡底斯斑巖成礦帶內(nèi)，不僅大規(guī)模存在后碰撞期的銅鉬礦化(成礦年齡14Ma左右)［7-8］，而且還存在主碰撞期的銅鉬礦化(成礦年齡50Ma左右)［9］。通過對廣西大明山鎢礦和大廠錫礦的成礦年代學(xué)研究表明［10-11］，丹池成礦帶南段大明山礦田與北西段的大廠礦田一樣，其屬于同一成礦集中期的產(chǎn)物，具有巨大的找礦潛力。李曉峰等、張文蘭等先后通過U-Pb、Re-Os同位素年代學(xué)研究，在南嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)了與加里東期花崗巖有直接成因關(guān)系的鎢鉬礦化［12-13］。

2 成礦年代學(xué)的研究方法

同位素定年技術(shù)是獲得成礦年代的最直接有效的方法之一，其無論對于單個礦床的典型研究還是對于一個成礦區(qū)帶資源潛力的綜合評價，都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。綜合前人研究資料，這些年研究成礦年代的主要同位素定年技術(shù)有U-Pb、40Ar-39Ar、Re-Os、Rb-Sr和Sm-Nd法等。

2.1U-Pb法

U-Pb法是同位素定年技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、最為經(jīng)典的技術(shù)之一，長期以來受到人們的青睞。在成礦年代學(xué)研究中，早期主要應(yīng)用于研究含瀝青油礦、晶質(zhì)鈾礦等富鈾礦物的偉晶巖型和熱液型鈾礦的成礦年齡，不少學(xué)者利用瀝青油礦或晶質(zhì)鈾礦238U/204Pb-206Pb/204Pb等時線法研究了我國部分鈾礦床的成礦年齡，并取得了較好的成果［14-16］。

隨后研究者將目光投向了利用U-Pb法研究其他種類礦床或礦種的同位素定年，礦床中普遍存在的含鈾礦物，如鋯石、錫石、榍石、金紅石、獨(dú)居石、磷灰石及斜鋯石等礦物進(jìn)行精確的U-Pb同位素定年顯得非常重要。研究表明，鋯石可以直接從中低溫?zé)嵋毫黧w中結(jié)晶生長［17-18］，有關(guān)金或其他中低溫?zé)嵋旱V床中的熱液成因鋯石及成礦年代的研究時有報(bào)道［19-23］。如Claoué-Long等研究認(rèn)為加拿大Abitibi綠巖帶金礦床石英脈中鋯石是在260～380℃、約200MPa的條件下與石英、自然金等熱液礦物近于同時結(jié)晶形成的，并對這些熱液鋯石進(jìn)行了SHRIMP U-Pb定年，測得含金石英脈的形成年齡［19］。Nesbitt等對伊比利亞東部黃鐵礦帶中典型塊狀硫化物礦床石英脈中的熱液鋯石進(jìn)行SHRIMP U-Pb定年，成功獲得的成礦年齡［21］。Hu等也利用SHRIMP技術(shù)測得膠東乳山金礦床含金石英脈中熱液鋯石的U-Pb年齡，該年齡與膠東地區(qū)大量高精度成礦年齡相一致［22］。

相對于鋯石的多成因及復(fù)雜性，錫石的U-Pb同位素年齡地質(zhì)意義則比較明確，通?？梢越忉尀殄a多金屬礦床的成礦(錫礦化)時代［23］。Gulson和Jones指出，錫石屬于金紅石族礦物，當(dāng)其具有較高的U含量時，可以作為U-Pb和Pb-Pb法測年的對象，并報(bào)道了南非Bushveld雜巖Zaaiplaats錫鎢稀土礦床和印尼Belituna Island錫礦床的錫石年代學(xué)結(jié)果［24］。此后，時有采用錫石U-Pb法研究錫多金屬礦床的報(bào)道［25-26］。

單礦物逐步Pb淋濾定年是近年來發(fā)展起來的一種新方法，可用來對礦床中硫化物或金屬氧化物進(jìn)行 Pb-Pb同位素定年。其基本原理是：普通鉛主要賦存在硫化物晶格中，而放射成因鉛主要在礦物空隙和缺陷中［27］，因此用不同種類、不同濃度的酸分步淋濾，可以將處于不同晶格位置上的放射成因鉛按不同比例依次淋濾出來。如先用弱酸淋濾出來的以放射成因鉛為主，后用強(qiáng)酸淋濾出來的以普通鉛為主，這樣每一步淋濾出來的鉛就具有不同的鉛同位素比值，從而構(gòu)成一條Pb-Pb等時線［28］。該方法在成年代學(xué)研究中有不少成功的實(shí)例［29-31］。

2.240Ar-39Ar法

20世紀(jì)70年代產(chǎn)生并發(fā)展的40Ar-39Ar定年技術(shù)是一種高精度測年法，在成礦年代學(xué)研究中有較廣泛的應(yīng)用。部分學(xué)者采用40Ar-39Ar法直接測得了金屬礦物的年齡，如York作了黃鐵礦全熔40Ar-39Ar法測年，給出黃鐵礦40Ar-39Ar等時線年齡與伴生的黑云母年齡相符合，代表了成礦時代［32］。Smith等采用激光探針法對單顆粒的黃鐵礦進(jìn)行了40Ar-39Ar定年研究，獲得了有意義的年齡數(shù)據(jù)［33］。除此之外，40Ar-39Ar法測年更多的應(yīng)用于測定與成礦有關(guān)的熱液蝕變礦物(如鉀長石、云母等)和礦石礦物流體包裹體的年齡，并獲得了大量的研究成果［34-36］。特別是邱華寧等采用40Ar-39Ar真空擊碎和階段加熱技術(shù)測定了東川式層狀銅礦的石英樣品(礦石)年齡［37］。Wilson等利用鉀長石測定了智利ElSoldado銅礦床的成礦年齡［38］。蔣映德等首次把流體包裹體40Ar-39Ar測年技術(shù)應(yīng)用于閃鋅礦，對凡口鉛鋅礦的閃鋅礦進(jìn)行了直接定年，獲得了可靠的等時線年齡和坪年齡［39］。白秀娟等通過贛南漂塘鎢礦共生白云母和錫石40Ar-39Ar定年對比研究，結(jié)果表明錫石是40Ar-39Ar真空擊碎分析理想的定年對象，其原生包裹體年齡代表了成礦年齡［40］。

2.3Re-Os法

20世紀(jì)末，隨著電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和負(fù)離子熱表面電離質(zhì)譜(N-TIMS)分析技術(shù)的問世，Re-Os同位素技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，尤其是在成礦年代學(xué)研究中應(yīng)用異?；钴S。Re和Os為親銅鐵元素，易富集于金屬硫化物中。輝鉬礦是主要的含Re礦物，而基本不含初始的Os，其中所含187Os是由187Re衰變而來的，被公認(rèn)為是理想的Re-Os定年礦物，并提供了大量的斑巖型、矽卡巖型和脈狀銅、鉬、金、鎢、錫等多金屬礦床的成礦年齡。黃典豪等應(yīng)用Re-Os法測定東秦嶺幾個大型鉬礦床的成礦年齡，得出黃龍鋪碳酸巖脈型鉬(鉛)礦床的Re-Os表面年齡為印支期，其余的斑巖型鉬礦和斑巖型-矽卡巖型鉬(鎢)礦床的Re-Os表面年齡為燕山期［41］。Mao等獲得了北祁連小柳溝矽卡巖型鎢(鉬)礦床和華南下寒武統(tǒng)黑色頁巖中的鉬-鎳礦石的Re-Os同位素年齡［42-43］。Hou等報(bào)道了3條西藏高原岡底斯斑巖銅礦帶輝鉬礦Re-Os等時線年齡［44］。李曉峰等通過花崗巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡和輝鉬礦Re-Os年齡發(fā)現(xiàn)了華南志留紀(jì)的鉬礦化［12］。

除輝鉬礦Re-Os定年之外，很多研究者嘗試用含超衡量Re和Os的金屬硫化物定年，常見的有黃鐵礦、黃銅礦、毒砂、閃鋅礦等，并取得了較好的結(jié)果［45-47］。其中由于黃鐵礦是多種類型礦床的主要金屬礦物或共生組分，故得到了較為廣泛的應(yīng)用。毛景文等獲得了新疆黃山東銅鎳硫化物礦床的黃鐵礦Re-Os等時線年齡［48］。劉玉龍等也獲得了白云鄂博礦床的黃鐵礦Re-Os等時線年齡［49］。

2.4Rb-Sr法

Rb-Sr同位素定年已研究30多年，它屬相對活潑的元素，容易受到地質(zhì)流體活動和后期熱事件的干擾，不能很好的限定古老地殼的形成年齡，但通?？梢杂脕硐薅硞€地質(zhì)事件的年齡［50］。Rb-Sr法研究成礦年齡，一種是根據(jù)測定與成礦同期的蝕變礦物或者流體包裹體的Rb-Sr同位素年齡，獲得成礦年齡；另一種是通過直接測定礦床中金屬礦物的Rb-Sr同位素年齡組成來確定成礦年齡。Nakai等對美國中東部密西西比型礦床中的閃鋅礦進(jìn)行Rb-Sr測年研究，獲得了不含流體包裹體的閃鋅礦樣品的等時線年齡［51］。Tretbar等在研究北美卡林型Getchell金礦的硫砷鉈汞礦時發(fā)現(xiàn)，此礦物在Getchell礦床中較為常見，并與富金的含砷黃鐵礦為同期形成，且該礦物含有一定量的Rb但不含非放射成因的Sr，適合Rb-Sr定年，測定了Getchell金礦的成礦年齡［52］。楊進(jìn)輝和周新華采用亞樣品(sub-sample)取樣，直接測定載金礦物-黃鐵礦的Rb-Sr年齡，獲得了膠東地區(qū)典型礦床玲瓏金礦主成礦期的成礦年齡［53］。田世洪等利用單礦物閃鋅礦和共生礦物組合黃鐵礦與方鉛礦Rb-Sr等時線方法以及共生礦物組合閃鋅礦與黃鐵礦Sm-Nd等時線方法測定了玉樹地區(qū)東莫扎抓礦床的成礦時代；利用單礦物閃鋅礦和共生礦物組合閃鋅礦與方鉛礦Rb-Sr等時線方法以及單礦物螢石和共生礦物組合方解石與螢石Sm-Nd等時線方法測定了莫海拉亨礦床的成礦時代［54］。馬麗艷等獲得了湖南東坡礦田金船塘、紅旗嶺錫多金屬礦床的石英流體包裹體Rb-Sr等時線年齡［55］。李光來等用Rb-Sr等時線法測得江西中部徐山鎢銅礦床的黑鎢礦石英脈的鑲邊白云母亞樣品年齡，獲得了該礦床的成礦年齡［56］。

2.5Sm-Nd法

由于Sm和Nd的化學(xué)性質(zhì)很相近，母體衰變形成的子體易在礦物晶格中保存下來，故礦物中的Sm-Nd同位素體系易保持封閉，具有較強(qiáng)的抗擾動能力，后期的熱事件和變質(zhì)事件對它的影響較小，適合用于礦床定年，尤其對一些古老礦床［28］。

近年來，大量研究表明熱液礦床的形成過程中，稀土元素內(nèi)部可發(fā)生強(qiáng)烈的分餾作用，導(dǎo)致一些熱液礦物中的Sm、Nd變化很大，甚至遠(yuǎn)高出地殼巖石的正常值［57-60］；該發(fā)現(xiàn)為Sm-Nd同位素在成礦年代學(xué)研究中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。由于含鈣礦物一般富稀土元素，因此螢石、白鎢礦、電氣石、方解石等含鈣礦物是熱液礦床進(jìn)行Sm-Nd同位素定年的理想對象［61-63］。特別是白鎢礦，它在矽卡巖型和脈狀鎢礦床中較為常見；也常常是熱液金礦，特別是綠巖帶金礦的一種常見伴生礦物，被認(rèn)為是這些礦種最理想的測年對象。Bell等首次報(bào)道了加拿大新元古代Abitibi綠巖帶金礦中白鎢礦的Sm-Nd同位素年齡［61］，隨后很多研究者利用白鎢礦Sm-Nd法對綠巖帶金礦或者鎢礦進(jìn)行了定年［64-66］。

3 結(jié) 語

由于同位素定年技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，成礦年代學(xué)研究在近幾十年有了長足發(fā)展，研究積累了大量高精度的成礦年齡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不少重要礦床。但是，成礦作用是極為復(fù)雜的，是多期多階段的，只有重視成礦作用的演化過程，在詳盡的基礎(chǔ)地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，選擇有效的同位素定年方法，方可獲得有意義的成礦年齡，有助于推進(jìn)成礦年代學(xué)的發(fā)展。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.015

P597+.3

A

1673-1409(2012)07-N044-05

2012-04-25

孫芹(1987-)，女，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事礦產(chǎn)普查與勘探方面的研究工作。

［編輯］ 易國華