成礦年代學的基本理論和研究方法

孫 芹 牛鵬飛

(西北大學地質學系，陜西 西安 710069) (桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004)

成礦年代學的基本理論和研究方法

孫 芹 牛鵬飛

(西北大學地質學系，陜西 西安 710069) (桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004)

成礦年代學在研究礦床成因和成礦作用的演化規律中發揮了重要作用，它是成礦作用研究的時間維。介紹了成礦年代學研究的基本理論及其研究進展和現狀，詳細評述了U-Pb法、40Ar-39Ar法、Re-Os法、Rb-Sr法和Sm-Nd法等同位素定年技術在金屬礦床成礦年代學研究中的應用。成礦作用是極為復雜的，是多期多階段的，只有重視成礦作用的演化過程，在詳盡的基礎地質研究基礎上，選擇有效的同位素定年方法，方可獲得有意義的成礦年齡，有助于推進成礦年代學的發展。

成礦年代學；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定，它是從地質歷史出發分析礦床生成、發展和演化規律的極其重要的科學依據。裴榮富等形象的將成礦年代學研究比喻為研究金屬成礦省地質歷史演化的鑰匙，只有通過它才能打開金屬成礦省演化的規律［1］。

作為礦床學研究的重要組成部分，金屬礦床的成礦年代早在18世紀就已引起礦床學家的高度重視，但長期以來，由于實驗設備和測試技術的落后，對成礦年代的科學認識并未取得與礦床理論認識的同步發展。由于大多數金屬礦床經歷了多期多階段的礦化作用，其演化歷史極為復雜；僅根據野外地質觀察，間接地靠礦床容礦圍巖的地層年代或與成礦有關巖體的同位素年齡推斷成礦年代則不能體現成礦作用的動態過程，認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世紀末放射性元素衰變定律的發現，產生發展了同位素地質年代學，開創了成礦年代學的新紀元。近30年來相繼發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用，使同位素地質年齡更加接近地質作用的真實年齡，加之新一代高精度、高靈敏度測試儀器的開發以及計算機技術和分析測試技術的發展，使同位素地質年代學進一步向高精度、高靈敏度、微量化和自動化的方向發展。直接測試礦石礦物的同位素年齡，已經成為一種行之有效的方法，在成礦年代學研究中得到了較廣泛的應用。

1 成礦年代學的基本理論

隨著成礦學研究的迅速發展，礦床學家逐漸認識到，過去在一定地質構造背景下，根據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帶的固定論看法是不全面的。特別是，上世紀末最后三屆國際地質大會的召開，“演化成礦學”［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”［4］等動態成礦的新論點的提出，使成礦年代學研究被提到了一個新的高度。裴榮富等指出“金屬成礦省的地質厲史演化和成礦年代學研究”應是20世紀末-21世紀初國際重大地學基礎研究的問題之一［1］。成礦年代學有形成獨立學科的趨勢［5-6］，它是應用地質構造的、巖石的、礦物的、礦床的和同位素地質的多學科綜合技術方法研究某一成礦區帶的成礦地質歷史演化，并賦以成礦年代的鑒證，促進成礦學的更大發展。

成礦年代學是認識金屬成礦省演化規律的時鐘［1］，其在研究礦床成因和成礦作用的演化規律中發揮了重要作用。近年來研究發現在西藏岡底斯斑巖成礦帶內，不僅大規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同位素年代學研究，在南嶺地區發現了與加里東期花崗巖有直接成因關系的鎢鉬礦化［12-13］。

2 成礦年代學的研究方法

同位素定年技術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帶資源潛力的綜合評價，都具有重要的理論和現實意義。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中應用最為廣泛、最為經典的技術之一，長期以來受到人們的青睞。在成礦年代學研究中，早期主要應用于研究含瀝青油礦、晶質鈾礦等富鈾礦物的偉晶巖型和熱液型鈾礦的成礦年齡，不少學者利用瀝青油礦或晶質鈾礦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、獨居石、磷灰石及斜鋯石等礦物進行精確的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熱液流體中結晶生長［17-18］，有關金或其他中低溫熱液礦床中的熱液成因鋯石及成礦年代的研究時有報道［19-23］。如Claoué-Long等研究認為加拿大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晶形成的，并對這些熱液鋯石進行了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行SHRIMP U-Pb定年，成功獲得的成礦年齡［21］。Hu等也利用SHRIMP技術測得膠東乳山金礦床含金石英脈中熱液鋯石的U-Pb年齡，該年齡與膠東地區大量高精度成礦年齡相一致［22］。

相對于鋯石的多成因及復雜性，錫石的U-Pb同位素年齡地質意義則比較明確，通常可以解釋為錫多金屬礦床的成礦(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結果［24］。此后，時有采用錫石U-Pb法研究錫多金屬礦床的報道［25-26］。

單礦物逐步Pb淋濾定年是近年來發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，從而構成一條Pb-Pb等時線［28］。該方法在成年代學研究中有不少成功的實例［29-31］。

2.240Ar-39Ar法

20世紀70年代產生并發展的40Ar-39Ar定年技術是一種高精度測年法，在成礦年代學研究中有較廣泛的應用。部分學者采用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行了40Ar-39Ar定年研究，獲得了有意義的年齡數據［33］。除此之外，40Ar-39Ar法測年更多的應用于測定與成礦有關的熱液蝕變礦物(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測年技術應用于閃鋅礦，對凡口鉛鋅礦的閃鋅礦進行了直接定年，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世紀末，隨著電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)和負離子熱表面電離質譜(N-TIMS)分析技術的問世，Re-Os同位素技術得到了迅猛發展，尤其是在成礦年代學研究中應用異常活躍。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黑色頁巖中的鉬-鎳礦石的Re-Os同位素年齡［42-43］。Hou等報道了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年齡發現了華南志留紀的鉬礦化［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，但通常可以用來限定某個地質事件的年齡［50］。Rb-Sr法研究成礦年齡，一種是根據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現，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的化學性質很相近，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，具有較強的抗擾動能力，后期的熱事件和變質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，稀土元素內部可發生強烈的分餾作用，導致一些熱液礦物中的Sm、Nd變化很大，甚至遠高出地殼巖石的正常值［57-60］；該發現為Sm-Nd同位素在成礦年代學研究中的應用奠定了基礎。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，被認為是這些礦種最理想的測年對象。Bell等首次報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行了定年［64-66］。

3 結 語

由于同位素定年技術的發展和應用，成礦年代學研究在近幾十年有了長足發展，研究積累了大量高精度的成礦年齡數據，發現不少重要礦床。但是，成礦作用是極為復雜的，是多期多階段的，只有重視成礦作用的演化過程，在詳盡的基礎地質研究基礎上，選擇有效的同位素定年方法，方可獲得有意義的成礦年齡，有助于推進成礦年代學的發展。

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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年大學畢業，碩士生，現主要從事礦產普查與勘探方面的研究工作。

［編輯］ 易國華