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蒋少涌-矿床地球化学研究方法

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蒋少涌 矿床 地球化学 研究 方法
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矿床地球化学研究方法 蒋少涌 京大学地球科学系 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室 2013 矿床学研究的三大核心问题 : 成矿物质来源 成矿流体来源 成矿年代 讲 座 提 纲  要回答这些问题,各种地球化学方法发挥了至关重要的作用。 矿床地球化学 1. 成矿物质来源 早期 ,许多矿床的成矿物质来源均被认为是比较单一的 ,如 : 热液矿床的成矿物质认为都是与花岗岩及其分异产物有关 , 沉积矿床都是与陆源沉积作用有关。  成矿物质多来源的认识逐步形成 ,提出成矿物质不仅来自地球各圈层(主要为地壳、地幔) , 而且亦可能有宇宙来源。  对大多数大型超大型矿床来说 ,成矿物质来源往往不是单一的 ,如 : 白云鄂博铁 — 铌 — 稀土矿床 大厂锡多金属矿床 柿竹园钨 — 锡 — 钼 — 铋矿床 成矿物质主要来自地球各圈层(主要为地壳、地幔) s 矿物质不仅来自地球各圈层(主要为地壳、地幔) , 而且亦可能有宇宙来源。 矿物质来源研究 应用铅和硫同位素来判别 成矿物质来源是矿床地球化学研究 中的一种基本方法。 母体 238U、 235U、 23206207208 个天然存在的同位素 , 即除了这三个放射成因的同位素以外 , 还有一个非放射成因的稳定同位素 204 22068223892  22078223592  220882232 90  )1(38204238 t==> ==> ==> )1(35204235 t)1(32204232 t铅构造模式图 铅同位素研究中使用最多的是 981)的铅构造模式图 用该模式图确实可以判断出某矿床的铅来自地球的哪一圈层(上地壳、下地壳、地幔或混合铅) 铅构造模式图 同位素  硫有 4种稳定同位素 : 32S(, 33S(, 34S(, 36S(  自然界中硫以多种价态存在 :如  氧化态 洋蒸发岩)  自然硫 S(如某些沉积矿床及火山中)  还原态 如金属硫化物)  自然界中硫同位素分馏十分大 , ~ +120 ‰ 硫同位素组成和硫源 花岗岩和地层都提供了成矿所需的硫 液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境  热液矿床中含硫矿物的硫同位素组成 : • 成矿溶液的硫同位素组成 • 成矿温度 • 受矿物形成时体系的开放或封闭性质所控制 热液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境  在高温 ( T>400℃ ) 条件下 , 热液体系中硫主要为热液全硫 (∑ S) 的 s= 式中 2 热液矿床的硫同位素组成与成矿的 物理化学环境  在中低温( 液的 ~ 从该热液体系中沉淀的硫化物的 ~ et (1999, et (2001, 矿床的 硼 同位素 硼 : 10B, 11B; 其自然界丰度分别 为 易溶元素,主要富集在地球表层的各类岩石和水体中 , 硼在地幔岩石中含量较低。 在水 /岩交换作用中硼是十分活动的元素。 硼没有价态的变化 , 自然界水体中硼主要以 B( 和 B(- 两种形式赋存。 硼同位素组成表示  硼同位素组成一般用 其中,标准为美国国家标准局( 的1 B/ 10 ‰) = [ - 1] *1000 (11B /10B) 样品 (11B /10B)标准 硼同位素组成变化范围 5 . 0 6 0 1 of w at 000 400 801 0 6 0 1 of w at = 8 . 58 (D s o n , 2 00 0 )硼同位素分馏机理  当 以B(  现代海水的 水中 B(和 B(0%和 20%。 B( B( ‰) 4B( B( 硼同位素分馏机理 : 电气石-水体系 硼同位素分馏机理 : 电气石-水体系 (et 1992) 自然界中硼同位素组成 : 洋底上涌的热水溶液 [B] ) 缺乏沉积物覆盖的大洋中脊热水溶液 如大西洋洋中脊,东太平洋中脊和 后盆地 如 +碎屑沉积物的洋盆 如 +海相蒸发岩的洋盆 如红海 +非海相蒸发岩的洋盆 如 381 ~ 489 然界中硼同位素组成 : 金属矿床  块状硫化物矿床中电气石总的 +18‰ 。 块状硫化物矿床中电气石 ‰ ) 1. 产于变质碎屑沉积岩中矿床 – . 产于变质火山岩中矿床 – . 与海相蒸发岩和碳酸盐有关的矿床 (只有这类矿床中的电气石具有 的特征 ) – +. 与非海相蒸发岩有关的澳大利亚 – 同位素地质应用 : 判别沉积环境  由于 海相和非海相蒸发岩 具有完全不同的 因此 ,硼同位素成为判别沉积环境的十分有用的地球化学示踪剂 。 硼同位素地质应用 : 判别物质来源  澳大利亚 地球化学研究表明 , 该矿床底盘岩石中可能发育一套古蒸发岩系 , 并对成矿有重大影响 。  硼同位素研究证实了这一推断 , 十分负的 17‰ ) 明确表明它们是来自非海相蒸发硼酸盐 。 非海相蒸发硼酸盐 海相蒸发硼酸盐 广西大厂矿床中两类电气石的 硼同位素研究 T(拿大  对于块状硫化物矿床 , 无论是世界范围内 , 还是单个矿床内 ( 如加拿大 , 电气石的 加拿大  of 11B of 11B  of 11B of δ11B 硼同位素地质应用 : 5. 成矿作用和矿床成因研究  对辽东地区后仙峪硼镁石 — 遂安石型硼矿床开展了详细的硼同位素研究 。 (‰ ) 底盘花岗岩中电气石 +岩中和硼矿体中电气石 + +体中硼酸盐矿物(硼镁石,遂安石和硼镁铁矿) + +此 , et (1997)认为辽东硼矿的形成与岩浆活动没有成因关系 , 而是一产于裂谷环境中 , 在裂谷发育早期形成的 (但受后期变质的 )古蒸发岩矿床 。 后仙峪硼镁石 — 遂安石型硼矿床 18788t) 地幔 较低 较低 地壳 较高 较高 100]1)/()/([)(188187)(188187)( 浆成因 矿床 年代 18788γt) 成矿物源 床 (澳 ) 2700 幔源 (俄 ) 246 + +幔源 (南非 ) 2050 +33~+62 壳 壳源~20% (加 ) 1850+430~+814 壳源 石冲击熔融早古代沉积岩 (澳 ) 1840 +950~+1300 壳源 >70%) 现代大洋底块状硫化物矿床的 金矿床的 澳大利亚 2个毒矿和 3个黄铁矿样品 高 无幔源的贡献 et 2001, et 2000, 明成矿物质来源于壳 证实围岩老地层对斑岩铜 2. 成矿流体来源与演化 流体包裹体:封存在矿物和岩石中古流体 ,它记录了地球内部地质作用过程信息 打开“地球窗口”钥匙 研究流体包裹体  温度、压力条件  化学组成  来源  成矿中流体的行为和作用  成矿过程及条件 斑岩铜矿含金属矿物包裹体 古流体研究对象: 流体包裹体 成矿流体 研究手段:常规  显微测温 :流体温度、盐度、压力 (透明矿物 )  激光拉曼光谱 :单个包裹体流体气液相成分  四极杆质谱 :群体包裹体气相成分  稳定同位素 :流体来源  放射性同位素 :流体成矿时代 激光拉曼光谱仪- 单个包裹体非破环性方法 英国产2000 激光拉曼光谱仪 激光拉曼光谱仪 1000 1500 2000 2500 3000F r e q u e n ( 1 )1 7 2 拉曼光谱气相分析 : 流体包裹体中液相 . 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000f r e qu e nc y ( c 83 050 2O 激光拉曼光谱仪 流体包裹体中固相 子矿物 : 碳酸盐 方解石 , 文石 , 白云石 硫酸盐 硬石膏 , 石膏 , 重晶石 … 磷酸盐 氯化物 偶然捕获相 : 赤铁矿 , 金红石 , 石墨 , 含碳物质 激光拉曼光谱仪 新的 研究手段 : (据 2006) 红外 (加热显微镜: 不透明矿物中流体包裹体研究 国内拥有流体包裹体观察测试 南京大学和中国地质大学 (武汉 )两家国家重点实验室 深红银矿 深红银矿 铌铁矿 铌铁矿 镜铁矿 镜铁矿 黑钨矿 黑钨矿 红外显微镜下不透明矿物及 其中的流体包裹体 新的 研究手段 : 红外 (加热显微镜: 不透明矿物中流体包裹体研究 赤铁矿 气相 液相 相 固相 激光剥蚀电感耦合等离子质谱 (析 石盐 黄铜矿 钾盐 新的研究手段 : 测试曲线 新的研究手段 : 对澳大利亚 淀中和沉淀后的流体包裹体内微量元素进行分析 新的研究手段 : •锡沉淀的因素: 热的岩浆水和冷的 天水混合 •分离出的岩浆气相选 择性的将 带入液相混合物 主要结论 新的研究手段 : 黄铜矿 石盐 赤铁矿 印尼最富的斑岩铜 阿根廷超大富金的铜矿 新的研究手段 : 印尼最富的斑岩铜 阿根廷超大富金的铜矿 卤水包裹体 卤水包裹体 气相包裹体 • u/10矿石 10一致, • 金和铜被同一初始成矿热液搬运,又同时沉淀 • 初始成矿流体含金 铜 形成 460106108至少 10112u),100主要结论 : 新的研究手段 : 质子诱发 澳大利亚 根廷 主要成果 : 原生包裹体 次生包裹 体 • 早期岩浆-热液石英脉中熔融包裹体与高盐卤水及气相包裹体共存 ; 岩浆-斑岩铜矿联系 • 高盐卤水及气相包裹体中铜含量分别达 10%和 • 确定从岩浆到成矿岩浆气相中的总分配系数 成矿流体来源 1. 大气降水 2. 海水 3. 建造水 4. 变质水 5. 岩浆水 斑岩型  均一温度 200~700℃  高盐度, 0~70英二 长斑岩 二长岩 > 0 . 7 % C u > 0. 7% C u > 0 % C u > 0 . 3 5 % 0 . 3 5 % C u < 积岩 临界包裹体 出现的上界 1- 5 vo l . % q u ar t z n s 1 - 5 v o l . % q u a rt z v e i n s < 1 石英脉 5% 石英脉 卤水包裹体 临界状态包裹体 富气相包裹体 深度 (盐 不透明 矿物 气相 气相 气相 气相 钾盐 液相 液相 液相 黄铜矿 10 m m 10 m m 10 m m 赤铁矿 1997 开采面 一个甚至多个子矿物,除石盐和钾盐外,可能会有黄铜矿等子矿物 常有流体沸腾现象 (据 2005) 造山带型脉状金矿床   均一温度 200~350℃  低盐度 (<8  晚期有大气水的混入 据 et 2006) et 1997, 大气降水、海水和岩浆水的同位素组成会在与岩石不断交换的过程中发生变化 根据水 水 芙蓉绿泥石蚀变型锡矿 成矿流体的氧同位素  成矿流体的 δ18O 值为  水岩反应后的大气降水  新鲜花岗岩 δ18O 值 : +  矿体周围轻微蚀变的花岗岩:+  完全绿泥石化的花岗岩: + 水岩比值 其他用于判明成矿流体来源的同位素方法 萤石的  低 表成矿流体的初始组成:  19号矿脉: 43号矿脉: 42号矿脉: 成矿流体的  低于花岗岩的组成 ( ,  很大部分来自围岩地层(石炭系-三叠系碳酸盐岩, 硫化物的 成矿流体 R Se 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 00 . 0 10 . 11101 0 0R/ 3 6A r / A rM a n t l e f l u i d sC r u s t a l f l u i d c h a n r i te s f ro m D a ch a u o ri t e fr o m D a c h a n gs u l f i d e s f ro m R S a n d T A Ga i a t ur a te d w a te r (A S W)100- 1 4- 1 5010 0/1 0 S T P /g/10③④⑤⑥⑦⑧①②③④⑤⑦123D J N - 4D G Z - 3M B - 1 6J J A - 1 5J C H - 20B P - 41B P - 9 - 9⑥⑧1234561010. 10. 01r/ A A - 1 6 1 5 - 2 0B P - 4 1B P - 9 91000100 1000036100000 B -大气成因地壳流体混合线胶东金矿黄铁矿内流体包裹体 位素组成 地幔流体参与金成矿作用 据张连昌等 , 2002) 江西相山铀矿( Hu et 2009) 通过微量元素地球化学也能有效示踪成矿物质和成矿流体来源 稀土元素标准化图 e d u b o m s fl ui 10- Sp 25- Sp e d u b o m s fl ui aw x 104)高峰块状硫化物的 成矿流体- 海底喷流热液 来源 拉么矿床硫化物的 e d u b o m 11101001000e d u b o m -岩浆热液流体来源 矿床学研究的三大核心问题 : 成矿物质来源 成矿流体来源 成矿年代 讲 座 提 纲  要回答这些问题,各种地球化学方法发挥了至关重要的作用。 矿床地球化学 3. 成矿时代       ……. 3. 成矿时代  间接定年法 脉石矿物 (热液锆石 解石、萤石 蚀变矿物 (绢云母等 地质关系 ( 被矿脉切割的岩脉及切割矿脉的岩脉 )  矿石矿物直接定年法 金属矿床的同位素直接定年技术  金属硫化物(如黄铁矿、闪锌矿)的  流体包裹体的  金属硫化物和氧化物(如白钨矿、黑钨矿)的  辉钼矿和其他硫化物的  黄铁矿或全岩的分步淋滤法 获得可靠成矿年龄的两个关键  样品的获得  合适分析方法的选取 样品的获得 在采样之前,对研究区的地层、构造、岩浆活动、变质作用及伴随的成矿作用等方面应尽可能有个全面的了解 把矿床成矿时代研究与区域或成矿区的地质事件紧密联系起来 只有在仔细观察矿区内岩体、脉体和矿体之间的穿插、切割关系、围岩蚀变和构造特征之后,才能制定出正确的采样方案 野外采样是获得可靠同位素地质年龄的基础,是关系到整个研究工作成败的首要环节。 采样注意事项 样品必须新鲜,风化或受后期地质事件影响强烈的样品,不宜采用 ! 采样注意事项 分两种情况:  只用 1个样品即可获得同位素年龄,如锆石  花岗岩的成岩年龄 : 岩浆锆石、残留老锆石 …  需要一组样品才能获得同位素年龄,如 … 采样注意事项  需要一组样品才能获得同位素年龄,如 不同类型岩石和矿物 : 有可能是不同地质作用的产物 具有多期次和多阶段的矿床或岩体 : 必须按不同期次和不同成矿阶段分别采样 同一成矿期或同一成矿阶段的测年样品 : 最好采自不同中段的空间部位 研究一个复杂地质体的同位素年龄时,应注意使用多种不同测年方法,要采集适合多种测年方法的岩石或矿物样品 , 利于相互印证。 获得可靠成矿年龄的两个关键  样品的获得  合适分析方法的选取 合适分析方法的选取  法 优点 : 铀有两种放射性同位素 23835U(双衰变系列),分别衰变成两种铅同位素子体 20607  通过对 对一个测年对象可以同时获得三个年龄值( 20638U、 207350706  这三个年龄值的差异可指示在同位素体系平衡之后,体系受到扰动的程度,从而可以进行体系内部的自检和校正。 对一个测年对象可以同时获得三个年龄值( 20638U、 207350706(据周新民, 2007南岭专著 ) 法  析技术  传统的微量锆石同位素稀释法 ( 单颗粒锆石同位素稀释法  单颗粒锆石蒸发法  离子探针法(  单颗粒锆石同位素稀释法((据周新民, 2007南岭专著 ) 锆石 微米级) 地球早期历史的认识 : a(全岩等时线, 西格陵兰 1970’s) a (锆石微区, 西澳大利亚 ,1982) a (锆石微区, 西澳大利亚 , 2001) 锆石内部结构的观察 . 背散射电子图像( 1. 3. 阴极发光电子成相( CL 龄 一致年龄(和谐年龄) 上交点年龄 下交点年龄 20638一致年龄(和谐年龄) 3538a A = 15 ± D ( c on c e) = 3. 6,130150170190西淘锡坑钨矿区花岗岩锆石 (数据引自郭春丽等, 2007) 上交点年龄 0. 1360. 1500. 1020. 0680. 0340. 0000. 34 0. 68 1. 02 1. 360. 0025045065085023845710196206382 0 7P b U/2 3 5鄂西黄陵花岗岩基南部岩体锆石 下交点年龄 下交点年龄被解释为侵入年龄,上交点作为被同化古老地壳物质的近似年龄。 苏格兰 岗岩 加里东期 一致线图 ( 1976) 20638(据周新民, 2007南岭专著 ) 合适分析方法的选取  法 87通过发射一个 787 87-+ + Q 其半衰期为 1011a 法   矿床的 981)首次对石英脉型钨锡矿床流体包裹体 用石英矿物包裹体 近年来,硫化物如黄铁矿的 合适分析方法的选取  法  14360147 62其半衰期为 1011a 法 优点: 对镁铁质和超镁铁质岩石能够进行年龄测定,使得该方法在研究这些岩石的年龄和成因中获得了极其广泛的应用。 缺点 : m、 岩浆形成和演化过程中分异小,因此,一般情况下,同源岩浆岩的 使等时线拉不开,不利于 酸性和酸性岩浆岩的年龄测定 法 14444g e = 1 4 1 ± 3 43440 1 9 5 3 ± 0 0 0 2 7M S W D = 0 ● 萤石 西华山含矿石英脉中萤石合适分析方法的选取  法 1. 适用对象 :理论上而言,任何一种含钾的矿物或岩石都可以作为钾-氩定年的对象。 2. 优点: 测年对象分布广泛,测年范围从第四纪至地球年龄 3. 缺点: ① 大气氩干扰;③易受后期地质事件的影响;④过剩氩的存在;⑤钾、氩需在两份样品中分别测定(样品不均一性的影响) 法  火山岩的 基于火山岩快速喷发和冷却的特点。当全岩样品新鲜,又无过剩 40 特别是在研究中、新生代火山岩及其地层剖面界线年龄时发挥极其重要作用。 法  花岗岩的 云母、长石、角闪石是花岗岩中的主要含钾矿物,因此也是用于花岗岩 必须满足的条件是: ①岩体必须是快速冷却的产物,否则 ②岩体形成后没有后期热扰动及蚀变作用, 法 409以克服常规 的 主要优点 是: ① 钾和氩的含量的测量是在同一样品上完成的,避免了 和 ② 直接用质谱计测定 扩宽了测年样品范围。近年来发展起来的激光探针熔样技术,样品加热点的直径小至 10~ 40μm,使得研究一个矿物颗粒或矿物颗粒内部不同时间的空间分布的含钾矿物测年成为了可能。对微区(微量)样品中不同成因矿物颗粒分别定年将大大提高了年龄数据置信度。 法 ③ 409被照射样品在逐级升温的各个阶段把氩释放出来,根据各个温度阶段所获得的表面年龄及 39以得到 一个年龄谱 。如果样品选择得当,则有可能得到早期结晶年代和后期热事件的年代信息。同时利用阶段升温技术可以了解 以判断 40捕获,极大的提高了年龄的准确性和置信度。 1000120014001600180020002200240026000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100累积 39A r ( % )年龄(Ma)1 9 2 2 . 6 6 ± 0 . 4 8 M 云母40A r/39A 年龄谱图1234567050001000015000200002500030000350000 30 60 90 120 150 18039A r/366 1 9 2 2 . 5 2 ± 2 2 . 1 3R= 0 . 9 9 9 9 9(40A r/36A r)i= 2 9 8 . 1 ± 2 9 . 8翁泉沟硼矿床 云母40A 时线图 (唐菊兴, 2009) 应用实例 热液锆石 乳山金矿热液锆石 围岩昆俞山花岗岩 锆石 : 160± 3金石英脉内锆石 捕获含 (R et 乳山金矿热液锆石 含金石英脉内锆石 117± 3用实例 金属硫化物(如黄铁矿)的 黄铁矿的 豫西祁雨沟金矿 祁雨沟 4号角砾岩筒 单颗粒黄铁矿 0 . 7 0 60 . 7 1 00 . 7 1 40 . 7 1 80 . 7 2 20 . 7 2 60 2 4 6 80 . 7 0 80 . 7 1 00 . 7 1 20 . 7 1 40 . 0 0 . 4 0
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