銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用：認(rèn)識與進(jìn)展.doc

銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用：認(rèn)識與進(jìn)展第4O卷第4期2O10年7月吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition)Vo1.40NO.4July2010銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用:認(rèn)識與進(jìn)展王躍,朱祥坤中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所/國土資源部同位素地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100037摘要:在甘肅西峰剖面黃土樣品的銅同位素組成測定基礎(chǔ)上,討論了地殼的平均銅同位素組成.根據(jù)銅同位素在不同儲(chǔ)庫,不同類型礦床和不同礦物中的分布特征,認(rèn)為銅同位素可以用來指示成礦溫度,源區(qū)變化,流體出溶過程,礦化過程和次生富集過程等與成礦作用相關(guān)的信息.具體表現(xiàn)在:低溫環(huán)境下形成的礦物比高溫環(huán)境下形成的礦物具有更大的銅同位素組成變化范圍;流體出溶過程中,銅同位素會(huì)發(fā)生分餾,早期出溶的流體富集銅的輕同位素,晚期出溶的流體富集銅的重同位素;同一礦化集中區(qū)內(nèi),根據(jù)同類型礦床間的銅同位素分布特征可以判別出其是否為同一礦化事件的產(chǎn)物;熱液萃取源區(qū)銅的過程中,銅的重同位素優(yōu)先從源區(qū)中淋濾出來.此外,在成礦體系q-,淋濾帽富集輕同位素的特征可能暗示其下部存在銅礦化富集帶.關(guān)鍵詞:西峰黃土;銅同位素;成礦溫度;流體出溶;源區(qū)變化中圖分類號:P6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16715888(2010)04073913ApplicationsofCuIsotopesonStudiesofMineralDeposits:AStatusReportWANGYue.ZHUXiangkunInstituteofGeologyLaboratoryofIsotopeGeology,MLR,CAGS,Beijing100037Abstract:BasedonCuisotopecompositionsofloessfromXifengloesssection,GansuProvince,averagevalueofCuincrustisdetermined.AccordingtodistributionofCuisotopeinvarioussources,typesoforedepositaswellascopperbearingminerals,authorssuggestthecompositionCuisotopebeusedtotraceoreformingtemperature,fluidexsolution,mineralizationprocessanddeepmineralization.ValuesofCuinlowtemperaturedepositsvarymorelargelythanthoseinhightemperaturedeposits.CuisotopesfractionatedduringthefluidexsolutionandthelightCuisotopeispreferentiallyenrichedintheear1vexsolutedfluidwhileheavyCuisotopeenrichedinlaterexsolutedfluid.Inametallogenicprovince,differentdepositswiththesamegenesishavethesimilarcompositionofCuisotope,whichcanbeusedtodistinguishwhethertheyareproductofasamemineralizationevent.WhenoreformingmaterialsincludingCuleachedfromtheregion,theheavyCuisotopesarepreferentiallyleachedthanthelightCuisotope.Inaddition,inanoreformingsystem,lightCuisotopeenrichmentofleachingcapmayreflectstronglcachingoccurred.andthenindicatestheCumineralizedenrichmentzoneoccurindeep.Keywords:Xifengloess;Cuisotopes;temperatureofmetallogenesis;fluidexsolution;sourcevarjations收稿日期:20100530基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40973037,40921001);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2007CB411408)作者簡介:王躍(1984一),女,吉林琿春人,博士研究生,主要從事同位素地球化學(xué)研究,Email:通訊聯(lián)系人:朱祥坤(1961-),男,山東沂水人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事同位素地球化學(xué)研究,E-mail:.740吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)第4O卷0引言銅是自然界中的主要過渡金屬元素之一,以不同的價(jià)態(tài)(0,+1,+2)賦存于各類巖石,礦物,流體和生物體中,并廣泛參與多種地球化學(xué)和生物化學(xué)過程.因此,銅不僅是礦床學(xué)研究中重點(diǎn)關(guān)注的元素,也是生命活動(dòng)必不可少的元素之一.對銅同位素組成的研究有望為揭示地質(zhì)與成礦過程和生物作用過程提供新的線索和證據(jù).銅在自然界有Cu(30.826)和.Cu(69.I749/6)2個(gè)同位素口.2O世紀(jì)中葉,Walker等_2和Shields等_】在利用熱離子質(zhì)譜(TIMS)對自然樣品中的銅同位素組成進(jìn)行調(diào)查時(shí),限于當(dāng)時(shí)的分析精度(誤差11.5),并未發(fā)現(xiàn)地球樣品的銅同位素組成存在變化.隨著多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜(MCICPMS)的誕生和發(fā)展,同位素測試精度有了大幅提高,對銅同位素組成的高精度測試成為可能.Mar6chal等口和Zhu等4率先利用等離子體質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行了地質(zhì)和生物樣品銅同位素組成的高精度測定,結(jié)果表明自然樣品中銅同位素組成的變化廣泛存在.近年來,銅同位素廣泛地被應(yīng)用于宇宙科學(xué)引,地質(zhì)引,環(huán)境14-17和生物l3等研究領(lǐng)域.同位素示蹤技術(shù)在成礦作用研究中具有重要意義.從成礦學(xué)角度講,傳統(tǒng)的H,C,O,S等穩(wěn)定同位素對成礦物質(zhì)來源與集聚過程的研究是間接的,而非直接成礦元素,因此研究仍帶有一定的推斷性和不確定性.近年來同位素測試技術(shù)的發(fā)展為運(yùn)用銅同位素直接示蹤銅的成礦作用提供了可能性.目前,國際上部分學(xué)者對銅同位素在礦床學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了開拓性的研究.這些研究既指示了銅同位素在示蹤礦床形成機(jī)理等方面的潛力,又為今后的研究提供了必要的數(shù)據(jù)積累.本文根據(jù)甘肅西峰黃土剖面的銅同位素研究的初步結(jié)果,并結(jié)合已發(fā)表的資料,對銅同位素體系及其在礦床學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行基本總結(jié),以期推動(dòng)國內(nèi)該研究領(lǐng)域的發(fā)展.1各種儲(chǔ)庫中的銅同位素本文采用的同位素組成以千分偏差表示:Cu(g0)一(Cu/Cu)樣/(Cu/Cu)標(biāo)樣一11000,CuAB一CuA一CuB.文中所引用的數(shù)據(jù)均已統(tǒng)一為國際標(biāo)準(zhǔn)NIST976.銅廣泛分布于地殼,大氣和生物物質(zhì)中,Cu的總體分布范圍為一16.49%o9.98%o,平均值為0.17%.(一1091).其中,Cu的最大值和最小值均出現(xiàn)在表生礦物中,分別出現(xiàn)在綠松石,輝銅礦和氧化物樣品中.相對玄武巖和黃土樣品,海水樣品富集銅的重同位素.礦床樣品的Cu變化范圍最大(圖1).為了約束整體硅酸鹽地球的平均銅同位素組成,為地球物質(zhì)的銅同位素組成提供一個(gè)參考基點(diǎn),下面將重點(diǎn)討論隕石,地幔和地殼的銅同位素組成特征.6CuN/%o圖1陸源物質(zhì)和海洋儲(chǔ)體中的銅同位素組成特征Fig.1Cuisotopecompositionsofterrestrialandoceanicmaterials數(shù)據(jù)來源:河水據(jù)文獻(xiàn)173;海水據(jù)文獻(xiàn)17;海洋沉積物據(jù)文獻(xiàn)3,14,17;礦床據(jù)文獻(xiàn)34,913,1930;玄武巖據(jù)文獻(xiàn)3,89,3132;花崗巖據(jù)文獻(xiàn)33;黃土據(jù)文獻(xiàn)331.1隕石Luck等和Moynier等先后對鐵質(zhì)隕石,碳質(zhì)球粒隕石和普通球粒隕石進(jìn)行了銅同位素分析(表1).現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明,普通球粒隕石的.Cu變化范圍為一0.510.10%o,平均值為(一0.130.38),碳質(zhì)球粒隕石的.Cu變化范圍為一1.46%0一0.09%0,平均值為(一0.670.95)0,鐵隕石的Cu變化范圍為一0.34%00.49%o,平均值為(O.050.60)o(表1).第4期王躍,朱祥坤:銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用:認(rèn)識與進(jìn)展表1隕石中的銅同位素組成特征Table1Coisotopecompositionsofmeteorites1.2地幔物質(zhì)Mar6chal3研究了印度洋PitondelaFournaise活火山玄武巖的銅同位素組成,Cu為一0.03%o.BenOthman等對冰島的玄武巖進(jìn)行了銅同位素組成的測定,Cu為一0.1O%o.Archer和Vance_3對玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BCR一1進(jìn)行了鋅同位素組成的測定,Cu為0.o7%o.Rouxel等_9對LavaLake2個(gè)玄武巖樣品進(jìn)行了銅同位素測試,Cu分別為一0.16%o和一0.20,對超鎂鐵質(zhì)橄欖巖測定的Cu為0.14%o.BenOthman等口對MORBs和地幔橄欖巖等進(jìn)行了高精度的銅同位素分析.結(jié)果表明,3個(gè)大洋的MORB樣品365Cu為常量(O),地幔橄欖巖的銅同位素變化范圍為0.00.18.唐索寒等對玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)CAGSR一1進(jìn)行了銅同位素組成的測定,Cu=:=0.10%o.Li等.對玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BIR進(jìn)行了銅同位素組成的測定,Cu一一0.02%0.Herzog等對PitondesNeiges的洋島玄武巖進(jìn)行了銅同位素分析,Cu=一0.05%.如果地幔部分熔融過程中發(fā)生的銅同位素分餾不明顯,那么地幔的銅同位素組成應(yīng)與玄武巖和地幔橄欖巖的平均值相近,即Cu一(一0.020.20)(表2).1.3地殼物質(zhì)上地殼部分的銅同位素組成可以通過頁巖和黃土的平均銅同位素組成進(jìn)行很好的約束.但是目前這方面的數(shù)據(jù)還很有限,僅Li等3.報(bào)道了中國黃土高原2個(gè)黃土樣品的銅同位素組成,Cu分別為0.03%0和一0.020.為了更好地確定地殼的銅同位素組成,選取甘肅西峰剖面的4件樣品進(jìn)行重點(diǎn)研究.其中,S1和L1分別為取自剖面第一層的古土壤和黃土樣品,S3和L3分別為取自剖面第三層的古土壤和黃土樣品.完全溶解后的樣品采用Mar6chal等的分離方法實(shí)現(xiàn)銅與其它元素的分離.銅同位素的測定在英國劍橋大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室的NuPlasmaHR型多接受電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MCICPMS)上進(jìn)行,測試在低分辨模式下運(yùn)行,采用標(biāo)準(zhǔn)一樣品交叉法對儀器的質(zhì)量分餾進(jìn)行校正_4.化學(xué)分離后的樣品溶人0.1molHC1介質(zhì)中,通過自動(dòng)進(jìn)樣器和膜去溶DSN一100進(jìn)入等離子體火炬離子化,進(jìn)樣濃度為20010_.,樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品之間分別用1O和1的HC1清洗各5min.數(shù)據(jù)采用牛津大學(xué)Belshaw博士提供的基于Unix操作系統(tǒng)的控制軟件進(jìn)行自動(dòng)采集,每組數(shù)據(jù)采集之前進(jìn)行20S的背景測定.實(shí)驗(yàn)所用的Ho經(jīng)Millipore系統(tǒng)純化,電阻為18.2MQ,HCI和HNO.為優(yōu)級純試劑在超凈室經(jīng)二次亞沸蒸餾純化得到.銅同位素的測定結(jié)果以樣品相對于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(NBS976)的千分偏差表示.結(jié)果表明,西峰剖面4件樣品的Cu分別為0.11,0.17,一0.13和0.16(表3).結(jié)合Li等l_3所報(bào)道的數(shù)據(jù),上地殼的平均銅同位素組成為(O.050.23),接近零值.742吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)第4O卷表2玄武巖和地幔橄欖巖中的銅同位素組成Table2Cuisotopecompositionsofbasaltsandperidotite注:數(shù)據(jù)引自會(huì)議摘要,3個(gè)樣品分別為來自三大洋的洋中脊玄武巖;為USGS標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BIR,BCR一1;樣品為來自國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局的玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07105,命名為CAGSR一1.一一代表原文中樣品號或采樣位置不明.表3黃土的銅同位素組成Table3Cuisotopecompositionsofloess另外,Ii等l_3對澳大利亞不同類型的花崗巖進(jìn)行了研究.結(jié)果顯示,扣除2個(gè)受熱事件影響而偏離較大的值,Cu變化范圍為一0.46%.0.21,大多數(shù)位于零值附近,I型和S型花崗巖的平均值分別為(0.O30.15)和(一0.030.42).所測定的花崗巖分布很廣且具有很寬泛的物質(zhì)組成和不同的物質(zhì)來源,因此數(shù)據(jù)可以代表上地殼結(jié)晶部分的銅同位素組成.雖然這些地質(zhì)儲(chǔ)體中的銅同位素組成的數(shù)據(jù)很有限,仍處于積累階段,但這些儲(chǔ)體的平均銅同位素組成共同說明,整體硅酸鹽地球的平均銅同位素組成可能與銅同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS976相似,地幔,地殼之間沒有發(fā)生明顯的銅同位素分餾.2銅同位素在礦床中的分布特征2.1不同含銅礦物的銅同位素組成特征前人的研究表明,含銅礦物Cu的總體變化范圍為一3.03%o7.32%.,平均值為(0.132.27).不同含銅礦物的銅同位素組成存在很大差別(圖2).2.1.1銅同位素在共生硫化物間的分布對銅同位素在共生礦物問分配規(guī)律的研究,不僅是同位素分餾理論體系構(gòu)筑不可或缺的組成部分,同時(shí),對這一問題的正確認(rèn)識將為銅同位素體系在成巖成礦研究中的應(yīng)用奠定必要的理論基礎(chǔ).Iarson等船,Graham等和Maher和第4期王躍,朱祥坤:銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用:認(rèn)識與進(jìn)展743銅礦+銅的硅酸鹽礦物自然銅輝銅礦-I-方鐵黃銅礦+銅藍(lán)十砷銅礦一黝銅礦葉一孔雀石藍(lán)銅礦氯銅礦4.02.002.06Cu/%o圖2不同含銅礦物中的銅同位素組成Fig.2CuisotopecompositionsofdifferentCu-bearingminerals數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)E34,913,1930,38Larson2對矽卡巖型礦床和斑巖型礦床的研究結(jié)果,指示了黃銅礦和斑銅礦間存在銅同位素分餾.Larson等對秘魯Tintaya,LasBambas和美國BeaverHarrison及Michigan等礦區(qū)的6個(gè)共生硫化物礦物對進(jìn)行了銅同位素的研究.結(jié)果表明:黃銅礦的Cu的變化范圍為一0.711.39%o,平均為0.34%o;共生的斑銅礦Cu的變化范圍為一1.07%01.O0,平均為一0.02%.除LasBambas的1個(gè)樣品外,黃銅礦與對應(yīng)的斑銅礦的ACu黃一斑為0.36%00.46%o.Graham等對Grasberg礦床中共生的黃銅礦和斑銅礦進(jìn)行了銅同位素組成的研究.結(jié)果顯示:黃銅礦Cu的變化范圍為0.02%o0.77%0,平均為0.22%o;共生的斑銅礦Cu變化范圍為一0.27%o一0.03%o,平均為一0.16%o.Maher和Larson對秘魯Tintaya礦區(qū),美國Superior礦床,Troy礦床,BeaverHarrison礦床和SparLake等礦床中15個(gè)共生硫化物礦物對進(jìn)行了銅同位素組成的研究.結(jié)果表明:黃銅礦Cu的變化范圍為一0.03%01.38%0,平均為0.55;共生的斑銅礦.Cu的變化范圍為一0.40%01.00%0,平均為0.29%0.除Tintaya礦床和Troy礦床的3個(gè)樣品,黃銅礦與對應(yīng)的斑銅礦的ACu黃一斑為0.20%00.40%0,平均值為(0.380.04).這些結(jié)果均指示,銅同位素在不同硫化物間存在質(zhì)量分餾,相對于斑銅礦,黃銅礦富集銅的重同位素(圖3).0O.5圖3黃銅礦一斑銅礦礦物對中的銅同位素組成Fig.3Cuisotopecompositionsinchalcopyritebornitemineralpairs數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)11,22,272.1.2銅同位素在不同價(jià)態(tài)礦物問的分布Cu(O),Cu(I)和Cu(II)礦物在自然界中廣泛分布.Zhu等l_39進(jìn)行了室溫下將Cu(II)還原為Cu(I)生成沉淀的分餾實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明:Cu(II)和Cu(I)之間存在銅同位素分餾,.Cu(Cu(II)一Cu(I)一4.03%0;Cu(II)富集銅的重同位素,Cu(I)富集銅的輕同位素.Ehrlich等4所進(jìn)行的還原實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即Cu(II)中富集重同位素,Cu(I)中富集輕同位素.上述實(shí)驗(yàn)研究表明,氧化還原過程是導(dǎo)致不同價(jià)態(tài)含銅礦物問銅同位素分餾的重要過程.Larson等對自然銅一赤銅礦礦物對進(jìn)行了銅同位素分析,樣品分別取自美國Arizona的Ray和CcatunPucara礦床.Ray礦床中,Ray一1為純自然銅樣品,其Cu為一0.04%.Ray一2樣品為赤銅礦作為外殼包裹自然銅的樣品,未去掉赤銅礦外殼時(shí),測試出的Cu為1.26%o;而去掉赤銅礦外殼后,自然銅的Cu為0.72%o.結(jié)合Ray一1的Cu(一0.04%.)值,不難發(fā)現(xiàn),赤銅礦相對自然銅富集銅的重同位素.CcatunPucara礦床中,分別選取純赤銅礦樣品(CCP一1)和純自然銅樣品(CCP一2)進(jìn)行了銅同位素分析,Cu分別為一0.54%o和一0.83%0(圖4a).盡管只分析了2對樣品,但這些數(shù)據(jù)仍然表明,赤銅礦相對自然銅富集銅的重同位素.在自然銅向赤銅礦氧化的過程中,Cu(I)礦物744吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)第4O卷(赤銅礦,Cu.O)和Cu(0)礦物(自然銅,Cu)之問會(huì)發(fā)生分餾,導(dǎo)致Cu(I)礦物中富集重同位素.Markl等23對來自德國南部Sehwarzwald礦區(qū)原生的黃銅礦,黝銅礦,硫銅鉍礦和表生的孔雀石,藍(lán)銅礦,赤銅礦,黑銅礦,橄欖銅礦和硅孔雀石的銅同位素組成進(jìn)行了測定.來自不同礦區(qū),不同礦化事件的Cu(I)礦物樣品中,Cu主要集中分布在(0.O00.5O);而Cu(II)礦物,例如孔雀石的Cu變化范圍為一1.55%o2.41%o,Cu值多高于0.50o,高于Cu(I)礦物(圖4b).Asael等對TimnaValley的層狀礦化中共生的Cu(I)礦物和Cu(II)礦物進(jìn)行了銅同位素的對比分析.以輝銅礦為主的Cu(I)礦物Cu變化范圍為一3.44%o一1.63%0,平均為一2.38%0;與其伴生的Cu(II)礦物Cu變化范圍為一0.770.45%.,平均為0.07%0.以銅藍(lán)為主的Cu(I)礦物Cu變化范圍為一3.18%o一1.24o,平均為一2.08%o;與其伴生的Cu(II)礦物的Cu變化范圍為一1.23%00.24%o,平均為一0.24%o.他們選取了3個(gè)樣品從核部Cu(I)礦物到邊部的Cu(II)礦物進(jìn)行了銅同位素分析,結(jié)果表明:核部Cu(I)礦物0CMDO/S-15I!厶CMD0/S一16oCMD0/S17一1,一2氧:物硫化物邊部硫化物核部邊B的Cu分別為一1.94%0,一2.31%.,一2.24%0,與之對應(yīng)的邊部Cu(II)礦物的Cu分別為一0.96,一0.19,一0.09(圖4c).Cu(Cu(II)-Cu(I)分別為0.98%o,l_21和2.15%o.Haest等叩對Dikulushi礦床中的Cu(I)礦物和Cu(II)礦物進(jìn)行了銅同位素組成的研究,結(jié)果表明:黃銅礦和輝銅礦的Cu變化范圍為一2.30%oO.00%o,與之對應(yīng)的硅孔雀石,孑L雀石和藍(lán)銅礦的Cu變化范圍為1.40%02.7Oo(圖4d).Cu(Cu(II)一Cu(I)為2.70%o3.50o.綜上所述,無論是實(shí)驗(yàn)研究還是對地質(zhì)樣品的實(shí)測研究,均說明不同價(jià)態(tài)的含銅礦物問存在銅同位素分餾,高價(jià)態(tài)的化合物富集重同位素,低價(jià)態(tài)的化合物富集輕同位素,導(dǎo)致這種銅同位素分餾的主要原因是氧化還原過程.2.2不同類型礦床中黃銅礦的銅同位素組成黃銅礦是最主要的含銅礦物,前人對巖漿礦床,矽卡巖型礦床,斑巖型礦床,熱液脈型礦床,VMS礦床,現(xiàn)代大洋底熱液體系和沉積礦床中的黃銅礦開展了大量的銅同位素組成調(diào)查(表4).氧化的cu(I1)礦物一一一一I一I一4321012346Cum/硅孔雀石橄欖銅礦藍(lán)銅礦孔雀石黑銅礦自然銅赤銅礦輝銅睜,硫銅鉍礦黝銅礦黃銅礦b圖4不同價(jià)態(tài)礦物間的銅同位素分布Fig.4Cuisotopecompositionsofmineralsindifferentvalenceconditionsa.自然銅一赤銅礦礦物對中的銅同位素組成;b.Schwarzwald礦區(qū)含銅礦物的銅同位素組成Timan組白云巖中3個(gè)樣品的銅同位素分帶現(xiàn)象;d.Dikulushi礦床不同礦物的銅同位素組成特征蓋第4期王躍,朱祥坤:銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用:認(rèn)識與進(jìn)展745表4不同類型礦床中黃銅礦的銅同位素組成Table4Cuisotopecompositionsofchalcopyritesindifferentore-typedeposits注:一代表原文中采樣位置,變化范圍或平均值不明確.這些研究表明,不同類型礦床中銅同位素組成存在較大差別(圖5).總體來講,內(nèi)生礦床中,巖漿礦床銅同位素組成變化范圍較小,集中分布在零值附近,平均值與玄武巖和整體地球平均值接近;相對高溫巖漿礦床來說,矽卡巖,斑巖,熱液脈型礦床的銅同位素組成變化范圍較大;低溫?zé)嵋好}型礦床和沉積礦床中的黃銅礦較為富集銅的輕同位素.3銅同位素在礦床學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成礦溫度,成礦物質(zhì)來源和成礦作用過程是礦床學(xué)研究的重點(diǎn).前人的實(shí)驗(yàn)和實(shí)測研究均表明,銅同位素在指示成礦溫度,流體出溶過程,源區(qū)變化和礦化過程方面具有可能性.本文對前人的這些工作進(jìn)行了高度的總結(jié)和歸納,得出銅同位素在示蹤這些方面的一些規(guī)律.3.1銅同位素組成與源區(qū)變化Zhu等對東太平洋洋隆(EPR),太平洋Galapagos裂谷和大西洋洋中脊的BrokenSpur熱液場中黃銅礦的銅同位素研究結(jié)果顯示,相對于活動(dòng)的高溫?zé)嵋簾焽鑱碚f(Cu為0.31%.l_17%o),不活躍的古老煙囪中黃銅礦具有更低的Cu值(Cu為一0.48%o一o.19),并且Cu746吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)第4O卷41_+-巖漿礦床23塊狀硫化物礦床矽卡巖型礦床熱液脈型礦床6十一沉積礦床一4.O一2.O02.04.05Cu/圖5各種類型礦床中黃銅礦的銅同位素組成特征Fig.5Cuisotopecompositionsofchalcopyritesindifferenttypesofdeposit數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)E34,913,1930,381值變化范圍更小.例如:Galapagos裂谷86.w不活動(dòng)煙囪的年齡為9ka的樣品具有較小的Cu變化范圍(0.44%.一0.B4%.),平均值為一0.35;而EPR13.N不活動(dòng)煙囪的年齡為20ka的樣品Cu為一0.19%o和一0.48,EPR13.N活動(dòng)煙囪的樣品具有較高的Cu值(Cu為0.49).Rouxel等lg對大西洋洋中脊的LuckyStrike,Rainbow和Logatchev熱液場中的黃銅礦同位素組成進(jìn)行了測定.研究結(jié)果支持Zhu等所觀測到的銅同位素組成變化規(guī)律.其中:活躍的熱液煙囪的.Cu分布范圍為一0.29%03.14%0,平均值為0.96%oo;不活躍的古老煙囪的.Cu分布范圍為一0.980.14,平均值為一0.35%o.這些研究共同表明,洋底黑煙囪硫化物中,即使在同一熱液場內(nèi),相對于不活躍的古老煙囪,活躍的煙囪具有更大的Cu變化范圍和更高的Cu平均值.Zhu等4對洋底黑煙囪硫化物中的銅同位素研究同時(shí)表明,來自同一活動(dòng)煙囪的樣品,Cu值隨著樣品在煙囪中的位置不同而發(fā)生變化,煙囪底部的Cu值高于煙囪頂部的Cu.例如,BrokenSpur,MAR29.N煙囪底部的Cu為0.65%.和1.05%o,而煙囪口頂部的樣品,艿Cu為0.36%o;即早期階段形成的含銅礦物具有較高的.Cu值,而晚期階段形成的含銅礦物具有較低的Cu值.對上述銅同位素組成變化規(guī)律的一個(gè)可能解釋是,形成黑煙囪的流體的銅同位素組成隨時(shí)問發(fā)生規(guī)律性變化.相對于早期流體,晚期流體富集銅的輕同位素.晚期富集輕同位素的流體對早期形成的富集重同位素的硫化物進(jìn)行了銅同位素組成上的再造和均一化,使得其整體變化范圍變小,并導(dǎo)致硫化物的Cu值降低,因此導(dǎo)致不活躍煙囪相對于活動(dòng)煙囪具有更小的銅同位素組成變化范圍和更低的Cu值.Mathur等,Fernandez等和Kimbll等對黃銅礦和富黃銅礦的硫化物礦石進(jìn)行的淋濾實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種假設(shè).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:淋濾出的溶液相對于原巖來說富集重同位素;被淋濾的黃銅礦和硫化物巖石富集輕同位素(娟Zn溶液一礦物可達(dá)2);在淋濾過程的早期階段,流體最為富集重同位素(圖6)圖6淋濾實(shí)驗(yàn)中的銅同位素分餾Fig.6CuisotopeseparationfactorsforCuisotopicfractionationinleachedexperiment在熱液對源區(qū)物質(zhì)進(jìn)行淋濾萃取銅的過程中,熱液流體的銅同位素組成將隨時(shí)間變化;銅的重同位素會(huì)優(yōu)先從源區(qū)中淋濾出來,而晚期淋濾出的流體則相對富集輕同位素,從而形成同一煙囪不同部位的銅同位素空問分布特征.正在活動(dòng)中的煙囪,因?yàn)闊嵋毫転V自重同位素富集的源區(qū),因此相對于不活躍的煙囪,其硫化物更富集重同位素.按此規(guī)律,當(dāng)活動(dòng)煙囪停止活動(dòng)后,其硫化物的整體Cu值會(huì)降低.3.2流體出溶過程中的銅同位素分餾含礦流體從巖漿出溶的過程中是否發(fā)生銅同位素分餾,是利用銅同位素體系示蹤成礦物質(zhì)來源和礦化作用過程的關(guān)鍵所在.李振清等9l對西藏驅(qū)龍斑巖銅礦從早(A脈)第4期王躍,朱祥坤:銅同位素在礦床學(xué)中的應(yīng)用:認(rèn)識與進(jìn)展747到晚(D脈)的3期熱液脈以及早期鉀硅酸鹽化蝕變同期樣品中的黃銅礦進(jìn)行了銅同位素組成的研究.結(jié)果表明:不同期次熱液的銅同位素組成具有明顯的分餾(圖7),早期相對富集銅的輕同位素,晚期富集銅的重同位素.對這一現(xiàn)象最為可能的解釋是,流體出溶的過程中,銅的輕同位素優(yōu)先進(jìn)入流體,導(dǎo)致殘余巖漿逐漸富集銅的重同位素,進(jìn)而導(dǎo)致出溶流體的銅同位素組成隨時(shí)間發(fā)生變化,早期出溶的流體更為富集銅的輕同位素,而晚期出溶的流體相圖7西藏驅(qū)龍斑巖銅礦不同期次黃銅礦中的銅同位素組成Fig.7VarietyinCuisotoperatioofchalcopyritefromvariousstagesinQulongdepositregion對富集重同位素,形成圖7中銅同位素組成的時(shí)間分帶現(xiàn)象.導(dǎo)致流體出溶過程中銅同位素發(fā)生分餾的機(jī)制尚需進(jìn)一步研究.前人研究認(rèn)為,在無機(jī)的質(zhì)量分餾過程中,重同位素優(yōu)先進(jìn)入礦物晶格和結(jié)合鍵比較強(qiáng)的配位口,因此,在巖漿熱液演化的過程中,銅的輕同位素可能優(yōu)先進(jìn)入氣相.西藏驅(qū)龍礦床的流體包裹體研究表明,從巖漿中出溶的流體以富氣相的流體為主l2.因此,銅同位素優(yōu)先進(jìn)入氣相是流體出溶過程中銅同位素發(fā)生分餾的一個(gè)最為可能的解釋.現(xiàn)有的研究表明:流體出溶的過程中,銅同位素會(huì)發(fā)生分餾,早期出溶的流體富集銅的輕同位素,晚期出溶的流體富集銅的重同位素.這一認(rèn)識的重要意義在于,流體出溶過程中銅的地球化學(xué)行為可以用來示蹤銅在巖漿體系和熱液體系之間的分配和運(yùn)移.3.3銅同位素組成與成礦溫度Zhu等_4對巖漿礦床中的黃銅礦和洋底黑煙囪硫化物中的黃銅礦進(jìn)行了銅同位素分析.研究結(jié)果顯示:洋底黑煙囪硫化物中的黃銅礦銅同位素組成變化范圍較大,為一0.48%o1.15%o;即便是在同一礦床,這種銅同位素組成的變化也很大.而世界范圍內(nèi),巖漿礦床中的黃銅礦銅同位素組成變化范圍較小(一0.62%.0.40%o).Larson等_2對巖漿礦床和熱液礦床中的黃銅礦進(jìn)行了銅同位素分析.研究結(jié)果顯示:巖漿礦床中黃銅礦的銅同位素組成變化范圍較小,為一0.250.16;相對于巖漿礦床,熱液礦床中黃銅礦樣品的銅同位素組成變化范圍較大.上述研究結(jié)果表明,世界范圍內(nèi)的高溫巖漿礦床中黃銅礦的銅同位素組成都很一致,變化范圍很小,接近整體地球的平均值.相對于高溫巖漿礦床的銅同位素組成在全世界范圍內(nèi)具有較小的變化范圍來說,低溫?zé)嵋旱V床即使在同一礦床的同種礦物中,銅同位素組成的變化范圍都很大.因此,利用含銅礦物的銅同位素組成變化范圍可以對成礦溫度進(jìn)行指示,低溫環(huán)境下形成的礦物比高溫環(huán)境下形成的礦物具有更大的銅同位素組成變化范圍.3.4銅同位素組成與礦化過程一直以來,關(guān)于IrianJaya中南部的GIC雜巖體的矽卡巖礦體的礦化作用存在很大爭議,主要存在2種觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為GIC的3個(gè)侵人體(Dalum,Grasberg和Kali)的就位過程中各自礦化;另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為礦化作為一個(gè)整體發(fā)生在所有侵入活動(dòng)結(jié)束之后.Graham等1對GIC內(nèi)3個(gè)侵入體和其周圍矽卡巖中的黃銅礦進(jìn)行了銅同位素研究.研究發(fā)現(xiàn),除個(gè)別樣品外,矽卡巖礦體中的黃銅礦與GIC雜巖體中黃銅礦的銅同位素組成分布范圍基本一致,說明了矽卡巖礦體與巖體之間的成因關(guān)系.另外,3個(gè)侵入體中黃銅礦的銅同位素組成呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的特征:(1)每個(gè)侵入體中黃銅礦的銅同位素組成都具雙峰式的特點(diǎn).各侵人體之間,Cu有部分的重疊.以Dalum和Grasberg侵入體為例,Dalum和Grasberg侵入體的Cu數(shù)據(jù)在0.250.50%o發(fā)生重疊;在重疊范圍內(nèi),Dalum侵入體有4個(gè)明顯的次峰,其中的2個(gè)次峰分別對應(yīng)Grasberg侵入體的2個(gè)主峰(Cu分別為0.40%oo和0.49/ooo).其它侵入體間的峰也具有類似的對應(yīng)性.(2)不同巖體中的黃銅礦,其Cu與侵人體的侵入順序有關(guān).最早侵人的Dalum巖體具有最輕的銅同位素組成,最晚侵入的Kali巖體具有最重的銅同位素組成,中間侵入的Grasberg巖體介于兩者748吉林大學(xué)(地球科學(xué)版)第4O卷之間,Cu隨著時(shí)間逐漸變重(圖8).蒎圖9距GIC雜巖體不同距離的銅同位素組成對比圖8GIC