高质量年代学数据在矿床研究中的应用

高质量年代学数据在矿床研究中的应用

正确的岩浆岩成矿时间是矿床科学的中心主题。它不仅对具体矿床的成因分析重要，而且是同一区域矿产资源预测的基础。自20世纪80年代以来,矿床同位素年代学研究与许多高新测试技术相结合,得以迅速发展,包括锆石SHRIMPU-Pb法、石英流体包裹体40Ar/39Ar法等,这些新方法极大地提高了测年的准确性。然而,由于地质事件的复杂性及受不同测年方法具体适用性的限制,不同学者对同一矿床采用不同的定年方法有时会得出相差十分悬殊的结论,甚至出现容矿围岩年龄小于成矿年龄的现象。如:内蒙地轴西段十八倾壕金矿主成矿期40Ar/39Ar坪年龄为1800Ma,该矿床中热液蚀变黑云母K-Ar年龄为281.5Ma,Rb-Sr等时线年龄为(289.4~311.1)Ma;张家口东坪金矿矿脉中热水锆石U-Pb年龄为(350.9±0.9)Ma,容矿围岩水泉沟碱性杂岩体的40Ar/39Ar年龄为(327.4±9)Ma等。显然,这些数据很难准确地反映矿床真实的成矿年龄。地质背景分析不够和矿床同位素定年方法的局限性是导致这些分歧的最主要原因。为此,文章着重对最新的几种重要测年矿物及其相应定年方法的优缺点、应用范围进行评析,对同位素年代学研究存在的问题从几个方面进行了讨论,并提出了一些建议。1成岩成矿年代的判别近二十几年来,同位素测年得到了较快的发展,一改过去单靠间接的地质推断方法获取近似成岩成矿年代的局面,应用最广泛的测年矿物及方法有:锆石U-Pb法、石英流体包裹体40Ar/39Ar法及Rb-Sr等时线法、辉钼矿Re-Os法、白钨矿Sm-Nd等时线法、释光测年等。1.1同位素年代学的方法锆石具有较高的物理和化学稳定性,而且U-Pb衰变有两个独立的地质年代计—238U-206Pb体系和235U-207Pb体系,二者互为验证,极大地提高了测年的准确性和可靠性,因而它是定年中应用最普遍的一种矿物,且被广泛应用于大陆地壳生长和演化研究工作中。近年来,在矿床定年中也得到了广泛的应用。目前锆石的测年方法主要有:SHRIMPU-Pb法,它是目前国际上在地质定年中最高水平的研究方法。它不仅具有高灵敏度、高分辨率、快速准确的优点,而且它还可以给出锆石不同阶段的生长年龄,最大限度地消除了锆石因多期重结晶和多期生长而带来的定年误差。地球上最古老的矿物年龄就是用这种方法测定的。EM(U-Th)/Pb法,Suzuki等将矿物微区化学成分含量(Th、U、Pb)与放射性元素(U、Th)衰变理论相结合,形成了独特的电子探针化学测年方法。在近十多年来,被广泛地应用于矿床定年研究中。该方法是对记录了多期地质事件的复杂多成因矿物年龄进行研究的有力工具,但是其测试精度不如离子探针和质谱仪,也不适合测试年轻样品。而且通常假设样品的初始铅含量为零,这也给定年精度带来了一定的影响。但EM(U-Th)/Pb法在同位素年代学研究中仍有广阔的应用前景。20世纪90年代以来,随着高精度低温热年代学(U-Th)/He技术的发展,大大改观了EM法在年轻样品测年中的不足,如:邬宁芬等研究发现,锆石中He内生速度很快,因而有可能获得年轻到只有5万年样品的年龄。单颗粒锆石U-Pb体系法,包括Pb-Pb蒸发沉积法和U-Pb同位素稀释法。Pb-Pb蒸发法由Kober在20世纪80年代提出,后由刘敦一等引入国内,广泛推广和应用于定年研究中。锆石中放射性成因铅的丢失是影响定年精度的主要因素,Pb-Pb蒸发沉积法根据(207Pb/206Pb)Rad值的变化判断锆石U-Pb体系的封闭性,提高了年龄数据的可信度。后来,Krogh将空气磨蚀技术应用于锆石测年中,将待测锆石发生了铅丢失的表层磨掉,提高了年龄的和谐度。U-Pb同位素稀释法是将同一岩石中的锆石根据透明程度、颜色、晶形、所含杂质分开,或按粒级分成不同等级,判别其成因类型,通过加稀释剂测定U、Pb同位素,由WetherillU-Pb和谐图得到锆石的形成年龄,它是目前同位素年代学研究中较先进的方法之一。另外,还有微量锆石的U-Pb同位素测年法,它得出的是许多锆石颗粒的混合年龄。陆松年等改进微量锆石U-Pb同位素稀释法,形成了235U-208Pb混合稀释剂单颗粒锆石U-Pb法,也取得了一定的成果。近几年,碎屑锆石裂变径迹热年代学发展也较快。该方法利用锆石碎屑单颗粒的裂变径迹年龄统计分析确定其源区并量化源区的热演化历史,目前已经取得了一批好的研究成果。同一岩石中不同成因的锆石颗粒,同一锆石颗粒的不同微区,都记录了宝贵的地质演化信息,因而它是现代同位素定年的首选矿物。但同一地质研究对象中锆石的多成因性,后期热液活动的改造,表层放射性成因铅的丢失,都会使年龄数据偏离真实的地质事件,因而这些方法在应用时也应该注意一些问题。首先要结合锆石形态学和矿物成因学,对不同成因的锆石颗粒和锆石颗粒微区加以严格区分。笔者认为最好的办法是采用微量元素地球化学方法,根据锆石颗粒从边缘到核部不同微量元素的含量或比值变化来判断其成因类型,如宋忠宝等在研究北祁连山青山斜长花岗岩时发现:ZrO2/HfO2由锆石核部到边缘有明显下降的趋势,而UO2+ThO2含量有上升的趋势,最后趋于稳定。其次要对待测锆石颗粒进行预处理,以提高定年数据的准确度,如采用空气磨蚀技术磨掉锆石颗粒铅丢失表层;最后要结合其他定年方法,避免单一定年方法的局限性,对年龄数据的准确性、可信度作客观的判断,对成岩成矿事件做出合理的解释,如French等对5种来自不同地区且产于前寒武纪镁铁质岩中的斜锆石采用电子探针化学测年(EM)与同位素稀释法测年(IDTIMS)两种方法,得到了具有一致性且互为验证的两组数据。1.2丝发状伊利石的年龄和地质意义自生伊利石广泛存在于砂岩储层中,其K-Ar测年能给出油气成藏期的绝对年龄,因而自20世纪80年代后期以来,备受人们的重视。Lee等在常规K-Ar测年理论的基础上,率先对伊利石K-Ar法测年的可行性做了详细的论证,并将其研究成果成功地运用于分析北海Groningen等油气田成藏时间测定。20世纪90年代后期,这一新技术在国内逐步被广泛应用于油气田的成藏期定年中,如:王飞宇等将这种方法成功地应用于塔里木盆地油田的定年研究中。自生伊利石多呈片状或丝发状分布于砂岩储层中,是油气运移之前形成的最后成岩矿物,能反映油气藏形成时期的最大地质年龄。粘土矿物(高岭石、蒙脱石和伊蒙混层等)伊利石化所形成的自生伊利石和地层水化学沉淀新生的丝发状伊利石是主要的测定对象。粗粒伊利石较细粒伊利石早形成,因而最细粒伊利石分离物的K-Ar年龄最能代表伊利石停止生长的时间,其年龄也就最具有地质定年意义。运用此方法定年除了要满足常规K-Ar测年的假设条件外,还必须注意两个问题。一是要避免样品污染,提高K-Ar年龄的真实性,如含钾原生矿物(钾长石、云母等)和碎屑伊利石会使K-Ar年龄偏高,另外长期高温(>150°C)会促使伊利石样品中Ar扩散,导致年龄值偏低;二是K-Ar年龄的正确解释,油气的注入和环境物理化学条件的变化,都有可能使伊利石停止生长,因而必须结合其他确定油气成藏期技术,判断自生伊利石年代数据真实的地质含义。为了提高自生伊利石在测年中的精度,首先必须选择与油气运移具有成因联系的成岩作用发育较高的样品(I/S混层中的S含量小于25%),并从中分离出高纯度、尽可能细粒的自生伊利石。Lee等,白国平等研究发现,最细伊利石分离物应为最晚生成的。因而丝发状自生伊利石是最理想的目标样品。其次,要剔除碎屑伊利石和碎屑钾长石等含钾矿物杂质,现在多采用的方法是对伊利石分级后进行X-射线衍射分析。张彦等研究发现,一般情况下,0.1~0.2μm粒级的自生伊利石样品用于K-Ar测年较合适。另外,赵孟为等认为通过观察K-Ar年龄随深度变化趋势,可以判断碎屑物质对K-Ar年龄的影响及伊利石成岩作用机制,表现为K-Ar年龄与深度呈负相关关系则标志着碎屑物质的混入。另外,关于Ar向外扩散问题也一直是探讨的热点。自20世纪60年代初,当K-Ar法开始应用于粘土矿物测年时,就提出了Ar的扩散损失问题,尤其是同生矿物海绿石的K-Ar年龄常常小于其地层年代更证实了这一点。近来,许多学者对此提出了截然相反的观点,如Clauer认为40Ar的扩散损失“已很难使人接受”,并发现南太平洋粘土矿物的K-Ar年龄和Rb-Sr年龄没有什么差别,即使对小于0.2μm细粒级也是如此。笔者认为,由于Ar是气体,容易扩散,其丢失在地质史上是不可避免的事实,某些偶合估计与样品中含钾矿物杂质的影响有关。1.3成矿年龄及成矿时代目前,用于测年的金属硫化物主要有辉钼矿、黄铁矿、闪锌矿等。尤其是用辉钼矿Re-Os法来确定矿化的年龄已成为当代矿床年代学研究的热点。研究表明,在硫化物的沉淀过程中Re/Os比值分异十分显著,而且Re和Os分别为亲铜、亲铁元素,均可进入金属硫化物的晶格中,为含金属硫化物矿床定年从微观晶体化学上提供了可能。另外,Yesenov等指出,辉钼矿中187Os/187Re的比值随着成矿时代的不同而发生变化,这也为Re-Os定年奠定了理论基础。运用该方法Luck等首先在芬兰和澳大利亚成功地测定了辉钼矿的年龄。Freydier等对斑岩型贱金属矿床的Re-Os定年也作了探索性的研究,并认为可以利用黄铁矿、闪锌矿等常见硫化物Re-Os法来测定热液矿床的成矿年龄。金属硫化物Re-Os定年首先要确保Re-Os体系的封闭性,如Luck等指出,辉钼矿如果受到了后期蚀变或热事件的影响,可能会造成Re的丢失,使Re/Os比值降低,因此在成矿地质背景和热液活动研究的基础上,采集新鲜、同源样品是定年的关键。其次,辉钼矿的Re-Os年龄比其他同位素测年稍微偏老,可能受原始捕获或后期作用获得的过剩187Os的影响。因而一般选用红外透光性大于3.5的辉钼矿用于Re-Os年代学研究。最后,在Re-Os测年中,认为辉钼矿在富含铼的同时几乎不含普通锇,其中的锇全部是由187Re衰变产生的187Os,因而许多学者多采用辉钼矿模式年龄解释地质现象。笔者认为,由于地质事件的复杂性,不可避免的存在着Re和Os捕获或丢失的情况,而用等时线年龄法可以得到较理想的年龄数据,或是采用Os-Os法,谢智等在这方面做了相应的研究工作,并取得了较好的成效。金属硫化物的Sm-Nd法也被直接或间接应用于测定成矿年龄。如:利用矿脉中与金矿化相关的白钨矿Sm-Nd等时线年龄来确定加拿大的Hollinger-Mcintyre-Conianrum金矿的成矿时代就是一个成功的例证;姬金生等在东天山地区利用磁铁矿和黄铁矿的Sm-Nd等时线法准确确定了康古尔金矿床的成矿时代。Sm-Nd等时线定年也存在着许多问题:一是147Sm半衰期长,不适合较年轻矿床的定年;二是岩石中Sm/Nd比值变化范围小(一般0.1~0.5),使等时线上的样品点分布范围较窄,年龄的分辨率低;三是成矿热液有时处在一种开放体系(如流体的运移或混合的过程),不能满足等时线理论所要求的基本前提,这都会给定年带来很大的不确定性。1.4石英流体包裹体40a/33a国际上,Kelly等较早的报道了利用真空击碎技术进行石英流体包裹体40Ar/39Ar法的分析;国内,邱华宁等利用石英流体包裹体40Ar/39Ar真空击碎法成功地测定了滇西上芒岗金矿的成矿时代。40Ar/39Ar法对于各种Ar丢失的样品也能给出有意义的同位素年龄信息,同时,分阶段加热法得到的年龄谱的形状和样式,不仅能反映该矿物的热演化史,还可以获得原始的形成年龄和次生的热扰动年龄。根据40Ar/39Ar等时线的初始值还能判断样品中是否含有过剩氩,对年代数据作合理的地质解释。但石英流体包裹体40Ar/39Ar法也存在着明显的问题:首先,由于后期地质事件的影响,在石英中产生了大量的次生包裹体,使测得的年龄数据偏离真实的成岩成矿年代;其次,多期热事件会造成氩同位素一定程度的带进或带出,并存在着过剩氩,则其年龄谱就会变得比较复杂而难以解释;另外,由于封闭温度的限制,40Ar/39Ar法通常只能给出表面年龄,尤其是在花岗岩定年中。随着微区测试技术和单个流体包裹体测试技术的发展,石英流体包裹体40Ar/39Ar法在定年中将有很广的应用前景。自Shepherd等首先进行了石英流体包裹体Rb-Sr法定年研究以来,利用该方法已得出了许多有效的年龄数据。研究表明,原生流体包裹体形成以后一直保存着封闭的地球化学体系,因而与成岩成矿成因联系最密切的单个流体包裹体的Rb-Sr同位素地球化学计年数据最能代表真实的年龄。但目前采用阶段加热爆裂法除去次生包裹体的方法不可能完全将次生包裹体除掉,由此得到的年龄应该是原、次生包裹体的混合成分所显示的混合年龄,存在一定误差是肯定的。其次,Rb-Sr等时线法要求样品具有同源性且形成后处于封闭体系,这使人们对其等时线年龄的可靠性和科学性提出了置疑。同时,不同样品应该具有明显不同的同位素积累,等时线上的样品点分布范围越宽,取得的等时线年龄就越精确,但过于分散的样品点也可能是非同源地质样品引起的。另外,形成石英的流体和成矿流体的时差问题,如:金赋存在金属硫化物中,和稍早就位的石英形成时的流体应该有一定的差别,这也说明了石英流体包裹体Rb-Sr法所得出的成矿年龄存在着一些误差。1.5glll和irll测年方法释光测年一直是近几年来在国内地学界探索和研究的前缘课题,该方法在测年方面有许多独有的特点,受到地学界尤其是第四系研究者的注意。我国光释光(OSL)测年研究起步较晚,近年来卢演俦、王可勇等开展了一些试验性及实践性的研究工作,已取得一些成效。目前最常用于释光测年的矿物是长石和石英。20世纪70年代后期,Wintle和Huntley等首先把热释光(TL)测年法应用于地质学的年代学研究。1985年Huntley等在热释光测年的基础上,首次提出了光释光(OSL)测年方法,并在地质和考古领域得到广泛的应用,尤其是在各类第四纪沉积物的沉积年龄研究中。该方法大大地简化了TL法估计样品沉积时残余热释光信号这一复杂问题,而且测量容易、简便和准确。Hutt等发现用(1.28~1.48)eV(840~970nm)红外线照射钾长石可以获得稳定的光释光信号,由此产生了红外释光(IRSL)测年技术,以后又发展了以绿光光束作为激发光源照射石英的绿光释光(GLSL)测年法。已有的研究表明,GLSL和IRSL测年方法既可应用于几十年至几百年前的年轻沉积物,也可应用于低辐射剂量环境的老于0.7Ma~0.8Ma的沉积物测年。IRSL和GLSL测年方法具有极广泛的应用前景,而且在测年可靠性方面可与14C测年相媲美,它将是沉积学定年研究的主流。要得到准确的释光测年数据,必须满足:①在完全相同的条件下,准确测得样品中的累计辐射量(即古剂量值Deq)和年辐射量,是释光测年中最关键的一环;②长石、石英等被测矿物在沉积埋藏时已曝光;③被测矿物的释光信号具有很好的热稳定性,即在常温下不发生衰减;④被测矿物埋藏后处于恒定的环境辐射场中,其接受的环境剂量率为常数,即沉积层基本处于U、Th、K封闭体系;⑤对年龄数据进行必要的修正,并结合地质背景对所得资料进行分析解释。2定年方法的缺陷从20世纪80年代以来,多种新的矿床同位素定年方法的出现,促进了矿床年代学的发展和找矿工作。但从前人的测年资料中可以看出,这些定年方法也存在着许多明显的问题,不同学者采用不同的定年方法对同一矿床年龄测定的混乱现象也是屡见不鲜。其急需认识和重视的问题可以概括为以下几个方面:1成矿年龄及地质体间多次从地层演化来解释一个合理的成岩成矿年代数据的获得,不仅是一种测试分析结果,而应该是能反映成矿区内地质事件与成矿事件相匹配的年代学证据。相似的成矿地质背景对成矿年代的确定是一个很好的约束,相同或相似的成矿区域内,相同的矿床类型应该有相近的成矿年龄。如:分布于郯庐断裂带东侧的胶东、丹东等金矿集中区,除了它们内部金矿演化的相似性外,由于它们都是在中生代受太平洋板块俯冲和郯庐断裂带走滑体制的控制,在成矿方面都表现出了许多相似性,为该地区的年代学研究提供了可靠的类比基础。地质体间的穿插关系是同位素年代可靠的佐证,它虽然不能给出绝对年代,但所给出地质体间先后关系是绝对可靠的。近年来,在成岩成矿年代学研究中,很少有人将同位素年代数据同相邻地质体间的先后关系相结合来解释地质现象。因而魏俊浩等建议在金矿测年中,要选择恰当的定年方法分别对标志性地质体和矿床测定成岩成矿年代,使之互为限定,得到高质量的年代学数据。2年龄和年龄测量的方法及注意事项后期较弱的构造热事件都有可能使矿物中的放射性子体发生扩散