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熱液礦床碳酸鹽礦物原位U-Pb定年研究取得新進展

 

很多熱液礦床由于缺乏合適的定年礦物和方法(如輝钼礦Re-Os法和锆石U-Pb法等),其精確定年一直是礦床學界難題。碳酸鹽礦物是許多熱液礦床的重要脈石礦物之一,其形成貫穿整個熱液礦床成礦過程,記錄了相應階段的成礦信息,是開展定年研究的理想礦物。以往碳酸鹽礦物Sm-Nd定年在熱液礦床成礦年代學研究中得到了廣泛應用,全球有很多熱液礦床碳酸鹽礦物Sm-Nd定年成功的實例,爲理解熱液礦床成因提供了重要的年代學依據。然而,由于碳酸鹽礦物Sm-Nd定年需要苛刻條件,如具有中稀土元素富集特征(即高Sm/Nd比)的碳酸鹽礦物是該方法定年成果的前提等。此外,即便碳酸鹽礦物具有中稀土元素富集特征,但是其Sm/Nd比變化不夠大,導致定年結果誤差較大,影響該方法定年的精確度。

隨著同位素稀釋法碳酸鹽礦物U-Pb定年成功應用于成岩作用、珊瑚、化石、斷層活動和洞穴堆積物等方面的地質年代學研究中,碳酸鹽礦物U-Pb定年有望爲解決熱液礦床定年難題提供新方案。然而,由于受稀釋劑限制,加之實驗周期長、效率低、費用高等不利因素影響,碳酸鹽礦物U-Pb法定年未能在熱液礦床成礦年代學研究中得到廣泛應用。

在國家自然科學基金面上項目(41872095)、雲南大學引進人才啓動項目(YJRC4201804)和雲南省人社廳高層次人才計劃培養經費支持項目(YNQR-QNRC-2018-104)資助下,雲南大學地球科學學院周家喜研究員團隊與澳大利亞昆士蘭大學放射性成因同位素實驗室趙建新教授、俸月星博士團隊合作,成功地將碳酸鹽礦物LA-MC-ICPMS微區原位U-Pb定年方法应用于热液矿床成矿年代学研究中。碳酸鹽礦物LA-MC-ICPMS微區原位U-Pb定年方法具有以下優勢:1)突破同位素稀釋劑限制;2)實驗周期短、效率高、成本低;3)分辨率高(<~100 μm束斑)、檢出限低(~1 ppb Pb)、U/Pb比範圍更寬;4)能有效避開方解石微米尺度的環帶、蝕變交代和溶解重結晶區域,確保所測試區域U-Pb同位素體系封閉。

相比于其它熱液礦床,華南銻礦帶(1)熱液銻礦床,其礦物組合更簡單,主要由輝銻礦+碳酸鹽礦物±螢石±石英组成,由于缺乏适合的定年矿物和方法,其成矿时代一直存有争议,严重制约了对华南锑矿带锑成矿作用的深入理解。碳酸鹽礦物是华南锑矿带热液锑矿床最为主要的脉石矿物,其形成贯穿整个热液锑矿床成矿过程,是开展碳酸鹽礦物微區原位U-Pb定年的理想礦物。


1 研究区地质简圖

 

雲南大學地球科學學院博士後羅開在合作導師周家喜研究員的指導下以华南锑矿带内的维寨锑矿床为例,在系统深入碳酸鹽礦物的矿物学和微区地球化学研究基础上,开展了成矿期方解石LA-MC-ICPMS微區原位高精度U-Pb定年研究,取得以下主要認識:

1)碳酸鹽階段劃分

维寨锑矿床热液碳酸鹽礦物分三个形成阶段:成矿前白云石 (Dol-I),成礦期方解石 (Cal-II) 和成礦後方解石 (Cal-III)Dol-I一般呈淺黃色細粒結構,包裹碳酸鹽圍岩角礫。Cal-II呈淺灰色粗粒脈狀,一般長幾米-幾十米,與輝銻礦和少量黃鐵礦、有機質共生。Cal-III呈灰色细脉状,明显穿插早期碳酸鹽礦物 (2)

2)不同阶段碳酸鹽礦物的地球化学特征差异

不同阶段碳酸鹽礦物的结构CL-BSE (2)、主微量 (3) 、稀土元素 (4) C-O-Sr同位素 (5) 組成存在較爲明顯的差異,相比于成礦前Dol-I和白雲岩圍岩,成礦期Cal-II和成礦後Cal-III具有更低的氧同位素組成,更高的Sr同位素組成和明顯的HREE富集特征。


2 華南銻礦帶典型礦石手標本(a-c)及維寨銻礦床礦石CL-BSE(d-f)照片

 

3)原位高精度U-Pb定年

采取Mapping高分辨率圖像选出成矿期方解石的高U/Pb比區域 (6),利用LA-MC-ICPMS預剝蝕方法進一步篩選出高U/Pb比的有效測點,獲得維寨銻礦床方解石U/Pb比範圍0.05-70。在Nu Plasma II MC-ICPMS最高質量端,采用了ETP(電子倍增器)離散打拿極倍增器,專門用于靜態測量低信號238U。此配置可實現靈敏度 (100μm3J/cm210Hz; 238U>500000 cps/ppm207Pb blank= 10-100cps),大約是Q-ICP-MS3-10倍。可精確測定> ~1ppb U,內部精度<1(2σ)。所獲得的U-Pb年齡誤差較小,平均標准加權偏差(MSWD = 2.01.5)小于2.5,暗示U-Pb同位素體系封閉,年齡精度較高。


3 不同阶段碳酸鹽礦物主微量元素组成


4 不同阶段碳酸鹽礦物稀土元素组成

 

本次定年過程采用兩種方解石年齡標樣進行U-Pb同位素分餾校正,一種是較年輕的國際標樣ASH-15D (洞穴鈣板, Flowstone; 3.001±0.012Ma),另一種是年齡較老的、新研制的、標定均一且適用範圍更廣的AHX-1a (塔裏木盆地北緣孔洞充填純淨方解石,其年齡加權平均值爲209.8±0.83 Ma)。通過交叉校正,獲得ASH-15DAHX-1a年齡與前人報道年齡在誤差範圍內一致,表明本次研究給出的115.3±1.5 Ma (MSWD=2.0) 60.0±0.9 Ma (MSWD=1.5) (7) 兩個年齡是可靠的,具有地質意義。

4)地質意義

已有研究顯示,燕山運動 (~180-100 Ma) 是我國華南地區中-低溫熱液HgSbAu成礦事件的主要驅動力。該事件以發育侏羅紀NE向褶皺、逆沖斷層和早白垩世的NE向正斷層爲特征,與本研究區NE向構造一致 (1)。本次獲得年齡ca. 115 Ma指示揚子地塊和華夏地塊之間發生一期重要銻成礦事件,銻成礦與燕山期(~180-125 Ma)造山後的早白垩世(~125-100 Ma)大規模伸展背景有關。


5 華南銻礦帶主要銻礦床及地質單元C-O-Sr同位素組成



6 不同阶段碳酸鹽礦物元素面扫描圖像

 

此外,本次獲得較年輕的ca. 60 Ma則可能反映了該地區早新生代的一期重要地質熱事件。該年齡與錫礦山大型銻礦床與輝銻礦緊密共生石英的電子自旋測年結果(66.4-51.6 Ma)相一致,也與區域上地殼擡升時間61.5±5.9 Ma基本吻合。


7 維寨銻礦床熱液方解石LA-MC-ICPMS微區原位U-Pb定年結果

 

該成果近期在線發表于Cell旗下綜合性新刊物《iScience》《交叉科學》:Kai Luo, Jia-Xi Zhou*, Yue-Xing Feng, I. Tonguc Uysal, Ai Nguyen, Jian-Xin Zhao, Jiawei Zhang. In situ U-Pb Dating of Calcite from the South China Antimony Metallogenic Belt. iScience, 2020, 23(10), 101575.

全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101575



 
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