高質(zhì)量年代學(xué)數(shù)據(jù)在礦床研究中的應(yīng)用

高質(zhì)量年代學(xué)數(shù)據(jù)在礦床研究中的應(yīng)用

正確的巖漿巖成礦時間是礦床科學(xué)的中心主題。它不僅對具體礦床的成因分析重要，而且是同一區(qū)域礦產(chǎn)資源預(yù)測的基礎(chǔ)。自20世紀80年代以來,礦床同位素年代學(xué)研究與許多高新測試技術(shù)相結(jié)合,得以迅速發(fā)展,包括鋯石SHRIMPU-Pb法、石英流體包裹體40Ar/39Ar法等,這些新方法極大地提高了測年的準確性。然而,由于地質(zhì)事件的復(fù)雜性及受不同測年方法具體適用性的限制,不同學(xué)者對同一礦床采用不同的定年方法有時會得出相差十分懸殊的結(jié)論,甚至出現(xiàn)容礦圍巖年齡小于成礦年齡的現(xiàn)象。如:內(nèi)蒙地軸西段十八傾壕金礦主成礦期40Ar/39Ar坪年齡為1800Ma,該礦床中熱液蝕變黑云母K-Ar年齡為281.5Ma,Rb-Sr等時線年齡為(289.4~311.1)Ma;張家口東坪金礦礦脈中熱水鋯石U-Pb年齡為(350.9±0.9)Ma,容礦圍巖水泉溝堿性雜巖體的40Ar/39Ar年齡為(327.4±9)Ma等。顯然,這些數(shù)據(jù)很難準確地反映礦床真實的成礦年齡。地質(zhì)背景分析不夠和礦床同位素定年方法的局限性是導(dǎo)致這些分歧的最主要原因。為此,文章著重對最新的幾種重要測年礦物及其相應(yīng)定年方法的優(yōu)缺點、應(yīng)用范圍進行評析,對同位素年代學(xué)研究存在的問題從幾個方面進行了討論,并提出了一些建議。1成巖成礦年代的判別近二十幾年來,同位素測年得到了較快的發(fā)展,一改過去單靠間接的地質(zhì)推斷方法獲取近似成巖成礦年代的局面,應(yīng)用最廣泛的測年礦物及方法有:鋯石U-Pb法、石英流體包裹體40Ar/39Ar法及Rb-Sr等時線法、輝鉬礦Re-Os法、白鎢礦Sm-Nd等時線法、釋光測年等。1.1同位素年代學(xué)的方法鋯石具有較高的物理和化學(xué)穩(wěn)定性,而且U-Pb衰變有兩個獨立的地質(zhì)年代計—238U-206Pb體系和235U-207Pb體系,二者互為驗證,極大地提高了測年的準確性和可靠性,因而它是定年中應(yīng)用最普遍的一種礦物,且被廣泛應(yīng)用于大陸地殼生長和演化研究工作中。近年來,在礦床定年中也得到了廣泛的應(yīng)用。目前鋯石的測年方法主要有:SHRIMPU-Pb法,它是目前國際上在地質(zhì)定年中最高水平的研究方法。它不僅具有高靈敏度、高分辨率、快速準確的優(yōu)點,而且它還可以給出鋯石不同階段的生長年齡,最大限度地消除了鋯石因多期重結(jié)晶和多期生長而帶來的定年誤差。地球上最古老的礦物年齡就是用這種方法測定的。EM(U-Th)/Pb法,Suzuki等將礦物微區(qū)化學(xué)成分含量(Th、U、Pb)與放射性元素(U、Th)衰變理論相結(jié)合,形成了獨特的電子探針化學(xué)測年方法。在近十多年來,被廣泛地應(yīng)用于礦床定年研究中。該方法是對記錄了多期地質(zhì)事件的復(fù)雜多成因礦物年齡進行研究的有力工具,但是其測試精度不如離子探針和質(zhì)譜儀,也不適合測試年輕樣品。而且通常假設(shè)樣品的初始鉛含量為零,這也給定年精度帶來了一定的影響。但EM(U-Th)/Pb法在同位素年代學(xué)研究中仍有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀90年代以來,隨著高精度低溫?zé)崮甏鷮W(xué)(U-Th)/He技術(shù)的發(fā)展,大大改觀了EM法在年輕樣品測年中的不足,如:鄔寧芬等研究發(fā)現(xiàn),鋯石中He內(nèi)生速度很快,因而有可能獲得年輕到只有5萬年樣品的年齡。單顆粒鋯石U-Pb體系法,包括Pb-Pb蒸發(fā)沉積法和U-Pb同位素稀釋法。Pb-Pb蒸發(fā)法由Kober在20世紀80年代提出,后由劉敦一等引入國內(nèi),廣泛推廣和應(yīng)用于定年研究中。鋯石中放射性成因鉛的丟失是影響定年精度的主要因素,Pb-Pb蒸發(fā)沉積法根據(jù)(207Pb/206Pb)Rad值的變化判斷鋯石U-Pb體系的封閉性,提高了年齡數(shù)據(jù)的可信度。后來,Krogh將空氣磨蝕技術(shù)應(yīng)用于鋯石測年中,將待測鋯石發(fā)生了鉛丟失的表層磨掉,提高了年齡的和諧度。U-Pb同位素稀釋法是將同一巖石中的鋯石根據(jù)透明程度、顏色、晶形、所含雜質(zhì)分開,或按粒級分成不同等級,判別其成因類型,通過加稀釋劑測定U、Pb同位素,由WetherillU-Pb和諧圖得到鋯石的形成年齡,它是目前同位素年代學(xué)研究中較先進的方法之一。另外,還有微量鋯石的U-Pb同位素測年法,它得出的是許多鋯石顆粒的混合年齡。陸松年等改進微量鋯石U-Pb同位素稀釋法,形成了235U-208Pb混合稀釋劑單顆粒鋯石U-Pb法,也取得了一定的成果。近幾年,碎屑鋯石裂變徑跡熱年代學(xué)發(fā)展也較快。該方法利用鋯石碎屑單顆粒的裂變徑跡年齡統(tǒng)計分析確定其源區(qū)并量化源區(qū)的熱演化歷史,目前已經(jīng)取得了一批好的研究成果。同一巖石中不同成因的鋯石顆粒,同一鋯石顆粒的不同微區(qū),都記錄了寶貴的地質(zhì)演化信息,因而它是現(xiàn)代同位素定年的首選礦物。但同一地質(zhì)研究對象中鋯石的多成因性,后期熱液活動的改造,表層放射性成因鉛的丟失,都會使年齡數(shù)據(jù)偏離真實的地質(zhì)事件,因而這些方法在應(yīng)用時也應(yīng)該注意一些問題。首先要結(jié)合鋯石形態(tài)學(xué)和礦物成因?qū)W,對不同成因的鋯石顆粒和鋯石顆粒微區(qū)加以嚴格區(qū)分。筆者認為最好的辦法是采用微量元素地球化學(xué)方法,根據(jù)鋯石顆粒從邊緣到核部不同微量元素的含量或比值變化來判斷其成因類型,如宋忠寶等在研究北祁連山青山斜長花崗巖時發(fā)現(xiàn):ZrO2/HfO2由鋯石核部到邊緣有明顯下降的趨勢,而UO2+ThO2含量有上升的趨勢,最后趨于穩(wěn)定。其次要對待測鋯石顆粒進行預(yù)處理,以提高定年數(shù)據(jù)的準確度,如采用空氣磨蝕技術(shù)磨掉鋯石顆粒鉛丟失表層;最后要結(jié)合其他定年方法,避免單一定年方法的局限性,對年齡數(shù)據(jù)的準確性、可信度作客觀的判斷,對成巖成礦事件做出合理的解釋,如French等對5種來自不同地區(qū)且產(chǎn)于前寒武紀鎂鐵質(zhì)巖中的斜鋯石采用電子探針化學(xué)測年(EM)與同位素稀釋法測年(IDTIMS)兩種方法,得到了具有一致性且互為驗證的兩組數(shù)據(jù)。1.2絲發(fā)狀伊利石的年齡和地質(zhì)意義自生伊利石廣泛存在于砂巖儲層中,其K-Ar測年能給出油氣成藏期的絕對年齡,因而自20世紀80年代后期以來,備受人們的重視。Lee等在常規(guī)K-Ar測年理論的基礎(chǔ)上,率先對伊利石K-Ar法測年的可行性做了詳細的論證,并將其研究成果成功地運用于分析北海Groningen等油氣田成藏時間測定。20世紀90年代后期,這一新技術(shù)在國內(nèi)逐步被廣泛應(yīng)用于油氣田的成藏期定年中,如:王飛宇等將這種方法成功地應(yīng)用于塔里木盆地油田的定年研究中。自生伊利石多呈片狀或絲發(fā)狀分布于砂巖儲層中,是油氣運移之前形成的最后成巖礦物,能反映油氣藏形成時期的最大地質(zhì)年齡。粘土礦物(高嶺石、蒙脫石和伊蒙混層等)伊利石化所形成的自生伊利石和地層水化學(xué)沉淀新生的絲發(fā)狀伊利石是主要的測定對象。粗粒伊利石較細粒伊利石早形成,因而最細粒伊利石分離物的K-Ar年齡最能代表伊利石停止生長的時間,其年齡也就最具有地質(zhì)定年意義。運用此方法定年除了要滿足常規(guī)K-Ar測年的假設(shè)條件外,還必須注意兩個問題。一是要避免樣品污染,提高K-Ar年齡的真實性,如含鉀原生礦物(鉀長石、云母等)和碎屑伊利石會使K-Ar年齡偏高,另外長期高溫(>150°C)會促使伊利石樣品中Ar擴散,導(dǎo)致年齡值偏低;二是K-Ar年齡的正確解釋,油氣的注入和環(huán)境物理化學(xué)條件的變化,都有可能使伊利石停止生長,因而必須結(jié)合其他確定油氣成藏期技術(shù),判斷自生伊利石年代數(shù)據(jù)真實的地質(zhì)含義。為了提高自生伊利石在測年中的精度,首先必須選擇與油氣運移具有成因聯(lián)系的成巖作用發(fā)育較高的樣品(I/S混層中的S含量小于25%),并從中分離出高純度、盡可能細粒的自生伊利石。Lee等,白國平等研究發(fā)現(xiàn),最細伊利石分離物應(yīng)為最晚生成的。因而絲發(fā)狀自生伊利石是最理想的目標樣品。其次,要剔除碎屑伊利石和碎屑鉀長石等含鉀礦物雜質(zhì),現(xiàn)在多采用的方法是對伊利石分級后進行X-射線衍射分析。張彥等研究發(fā)現(xiàn),一般情況下,0.1~0.2μm粒級的自生伊利石樣品用于K-Ar測年較合適。另外,趙孟為等認為通過觀察K-Ar年齡隨深度變化趨勢,可以判斷碎屑物質(zhì)對K-Ar年齡的影響及伊利石成巖作用機制,表現(xiàn)為K-Ar年齡與深度呈負相關(guān)關(guān)系則標志著碎屑物質(zhì)的混入。另外,關(guān)于Ar向外擴散問題也一直是探討的熱點。自20世紀60年代初,當K-Ar法開始應(yīng)用于粘土礦物測年時,就提出了Ar的擴散損失問題,尤其是同生礦物海綠石的K-Ar年齡常常小于其地層年代更證實了這一點。近來,許多學(xué)者對此提出了截然相反的觀點,如Clauer認為40Ar的擴散損失“已很難使人接受”,并發(fā)現(xiàn)南太平洋粘土礦物的K-Ar年齡和Rb-Sr年齡沒有什么差別,即使對小于0.2μm細粒級也是如此。筆者認為,由于Ar是氣體,容易擴散,其丟失在地質(zhì)史上是不可避免的事實,某些偶合估計與樣品中含鉀礦物雜質(zhì)的影響有關(guān)。1.3成礦年齡及成礦時代目前,用于測年的金屬硫化物主要有輝鉬礦、黃鐵礦、閃鋅礦等。尤其是用輝鉬礦Re-Os法來確定礦化的年齡已成為當代礦床年代學(xué)研究的熱點。研究表明,在硫化物的沉淀過程中Re/Os比值分異十分顯著,而且Re和Os分別為親銅、親鐵元素,均可進入金屬硫化物的晶格中,為含金屬硫化物礦床定年從微觀晶體化學(xué)上提供了可能。另外,Yesenov等指出,輝鉬礦中187Os/187Re的比值隨著成礦時代的不同而發(fā)生變化,這也為Re-Os定年奠定了理論基礎(chǔ)。運用該方法Luck等首先在芬蘭和澳大利亞成功地測定了輝鉬礦的年齡。Freydier等對斑巖型賤金屬礦床的Re-Os定年也作了探索性的研究,并認為可以利用黃鐵礦、閃鋅礦等常見硫化物Re-Os法來測定熱液礦床的成礦年齡。金屬硫化物Re-Os定年首先要確保Re-Os體系的封閉性,如Luck等指出,輝鉬礦如果受到了后期蝕變或熱事件的影響,可能會造成Re的丟失,使Re/Os比值降低,因此在成礦地質(zhì)背景和熱液活動研究的基礎(chǔ)上,采集新鮮、同源樣品是定年的關(guān)鍵。其次,輝鉬礦的Re-Os年齡比其他同位素測年稍微偏老,可能受原始捕獲或后期作用獲得的過剩187Os的影響。因而一般選用紅外透光性大于3.5的輝鉬礦用于Re-Os年代學(xué)研究。最后,在Re-Os測年中,認為輝鉬礦在富含錸的同時幾乎不含普通鋨,其中的鋨全部是由187Re衰變產(chǎn)生的187Os,因而許多學(xué)者多采用輝鉬礦模式年齡解釋地質(zhì)現(xiàn)象。筆者認為,由于地質(zhì)事件的復(fù)雜性,不可避免的存在著Re和Os捕獲或丟失的情況,而用等時線年齡法可以得到較理想的年齡數(shù)據(jù),或是采用Os-Os法,謝智等在這方面做了相應(yīng)的研究工作,并取得了較好的成效。金屬硫化物的Sm-Nd法也被直接或間接應(yīng)用于測定成礦年齡。如:利用礦脈中與金礦化相關(guān)的白鎢礦Sm-Nd等時線年齡來確定加拿大的Hollinger-Mcintyre-Conianrum金礦的成礦時代就是一個成功的例證;姬金生等在東天山地區(qū)利用磁鐵礦和黃鐵礦的Sm-Nd等時線法準確確定了康古爾金礦床的成礦時代。Sm-Nd等時線定年也存在著許多問題:一是147Sm半衰期長,不適合較年輕礦床的定年;二是巖石中Sm/Nd比值變化范圍小(一般0.1~0.5),使等時線上的樣品點分布范圍較窄,年齡的分辨率低;三是成礦熱液有時處在一種開放體系(如流體的運移或混合的過程),不能滿足等時線理論所要求的基本前提,這都會給定年帶來很大的不確定性。1.4石英流體包裹體40a/33a國際上,Kelly等較早的報道了利用真空擊碎技術(shù)進行石英流體包裹體40Ar/39Ar法的分析;國內(nèi),邱華寧等利用石英流體包裹體40Ar/39Ar真空擊碎法成功地測定了滇西上芒崗金礦的成礦時代。40Ar/39Ar法對于各種Ar丟失的樣品也能給出有意義的同位素年齡信息,同時,分階段加熱法得到的年齡譜的形狀和樣式,不僅能反映該礦物的熱演化史,還可以獲得原始的形成年齡和次生的熱擾動年齡。根據(jù)40Ar/39Ar等時線的初始值還能判斷樣品中是否含有過剩氬,對年代數(shù)據(jù)作合理的地質(zhì)解釋。但石英流體包裹體40Ar/39Ar法也存在著明顯的問題:首先,由于后期地質(zhì)事件的影響,在石英中產(chǎn)生了大量的次生包裹體,使測得的年齡數(shù)據(jù)偏離真實的成巖成礦年代;其次,多期熱事件會造成氬同位素一定程度的帶進或帶出,并存在著過剩氬,則其年齡譜就會變得比較復(fù)雜而難以解釋;另外,由于封閉溫度的限制,40Ar/39Ar法通常只能給出表面年齡,尤其是在花崗巖定年中。隨著微區(qū)測試技術(shù)和單個流體包裹體測試技術(shù)的發(fā)展,石英流體包裹體40Ar/39Ar法在定年中將有很廣的應(yīng)用前景。自Shepherd等首先進行了石英流體包裹體Rb-Sr法定年研究以來,利用該方法已得出了許多有效的年齡數(shù)據(jù)。研究表明,原生流體包裹體形成以后一直保存著封閉的地球化學(xué)體系,因而與成巖成礦成因聯(lián)系最密切的單個流體包裹體的Rb-Sr同位素地球化學(xué)計年數(shù)據(jù)最能代表真實的年齡。但目前采用階段加熱爆裂法除去次生包裹體的方法不可能完全將次生包裹體除掉,由此得到的年齡應(yīng)該是原、次生包裹體的混合成分所顯示的混合年齡,存在一定誤差是肯定的。其次,Rb-Sr等時線法要求樣品具有同源性且形成后處于封閉體系,這使人們對其等時線年齡的可靠性和科學(xué)性提出了置疑。同時,不同樣品應(yīng)該具有明顯不同的同位素積累,等時線上的樣品點分布范圍越寬,取得的等時線年齡就越精確,但過于分散的樣品點也可能是非同源地質(zhì)樣品引起的。另外,形成石英的流體和成礦流體的時差問題,如:金賦存在金屬硫化物中,和稍早就位的石英形成時的流體應(yīng)該有一定的差別,這也說明了石英流體包裹體Rb-Sr法所得出的成礦年齡存在著一些誤差。1.5glll和irll測年方法釋光測年一直是近幾年來在國內(nèi)地學(xué)界探索和研究的前緣課題,該方法在測年方面有許多獨有的特點,受到地學(xué)界尤其是第四系研究者的注意。我國光釋光(OSL)測年研究起步較晚,近年來盧演儔、王可勇等開展了一些試驗性及實踐性的研究工作,已取得一些成效。目前最常用于釋光測年的礦物是長石和石英。20世紀70年代后期,Wintle和Huntley等首先把熱釋光(TL)測年法應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)的年代學(xué)研究。1985年Huntley等在熱釋光測年的基礎(chǔ)上,首次提出了光釋光(OSL)測年方法,并在地質(zhì)和考古領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在各類第四紀沉積物的沉積年齡研究中。該方法大大地簡化了TL法估計樣品沉積時殘余熱釋光信號這一復(fù)雜問題,而且測量容易、簡便和準確。Hutt等發(fā)現(xiàn)用(1.28~1.48)eV(840~970nm)紅外線照射鉀長石可以獲得穩(wěn)定的光釋光信號,由此產(chǎn)生了紅外釋光(IRSL)測年技術(shù),以后又發(fā)展了以綠光光束作為激發(fā)光源照射石英的綠光釋光(GLSL)測年法。已有的研究表明,GLSL和IRSL測年方法既可應(yīng)用于幾十年至幾百年前的年輕沉積物,也可應(yīng)用于低輻射劑量環(huán)境的老于0.7Ma~0.8Ma的沉積物測年。IRSL和GLSL測年方法具有極廣泛的應(yīng)用前景,而且在測年可靠性方面可與14C測年相媲美,它將是沉積學(xué)定年研究的主流。要得到準確的釋光測年數(shù)據(jù),必須滿足:①在完全相同的條件下,準確測得樣品中的累計輻射量(即古劑量值Deq)和年輻射量,是釋光測年中最關(guān)鍵的一環(huán);②長石、石英等被測礦物在沉積埋藏時已曝光;③被測礦物的釋光信號具有很好的熱穩(wěn)定性,即在常溫下不發(fā)生衰減;④被測礦物埋藏后處于恒定的環(huán)境輻射場中,其接受的環(huán)境劑量率為常數(shù),即沉積層基本處于U、Th、K封閉體系;⑤對年齡數(shù)據(jù)進行必要的修正,并結(jié)合地質(zhì)背景對所得資料進行分析解釋。2定年方法的缺陷從20世紀80年代以來,多種新的礦床同位素定年方法的出現(xiàn),促進了礦床年代學(xué)的發(fā)展和找礦工作。但從前人的測年資料中可以看出,這些定年方法也存在著許多明顯的問題,不同學(xué)者采用不同的定年方法對同一礦床年齡測定的混亂現(xiàn)象也是屢見不鮮。其急需認識和重視的問題可以概括為以下幾個方面:1成礦年齡及地質(zhì)體間多次從地層演化來解釋一個合理的成巖成礦年代數(shù)據(jù)的獲得,不僅是一種測試分析結(jié)果,而應(yīng)該是能反映成礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)事件與成礦事件相匹配的年代學(xué)證據(jù)。相似的成礦地質(zhì)背景對成礦年代的確定是一個很好的約束,相同或相似的成礦區(qū)域內(nèi),相同的礦床類型應(yīng)該有相近的成礦年齡。如:分布于郯廬斷裂帶東側(cè)的膠東、丹東等金礦集中區(qū),除了它們內(nèi)部金礦演化的相似性外,由于它們都是在中生代受太平洋板塊俯沖和郯廬斷裂帶走滑體制的控制,在成礦方面都表現(xiàn)出了許多相似性,為該地區(qū)的年代學(xué)研究提供了可靠的類比基礎(chǔ)。地質(zhì)體間的穿插關(guān)系是同位素年代可靠的佐證,它雖然不能給出絕對年代,但所給出地質(zhì)體間先后關(guān)系是絕對可靠的。近年來,在成巖成礦年代學(xué)研究中,很少有人將同位素年代數(shù)據(jù)同相鄰地質(zhì)體間的先后關(guān)系相結(jié)合來解釋地質(zhì)現(xiàn)象。因而魏俊浩等建議在金礦測年中,要選擇恰當?shù)亩攴椒ǚ謩e對標志性地質(zhì)體和礦床測定成巖成礦年代,使之互為限定,得到高質(zhì)量的年代學(xué)數(shù)據(jù)。2年齡和年齡測量的方法及注意事項后期較弱的構(gòu)造熱事件都有可能使礦物中的放射性子體發(fā)生擴散