石英脈型金礦床的鋯石u-pb年代學(xué)研究

石英脈型金礦床的鋯石u-pb年代學(xué)研究

1石英脈型金礦床成礦時(shí)代確定的依據(jù)成礦世代研究是礦床研究的重要組成部分。精確可靠的成礦年齡對(duì)于闡明構(gòu)造—巖漿—流體—成礦之間的成因聯(lián)系、恢復(fù)和構(gòu)建區(qū)域成礦系統(tǒng)、全面理解區(qū)域大規(guī)模成礦并指導(dǎo)礦產(chǎn)勘查等都具有重要的理論和實(shí)踐意義。但另一方面,成礦年齡的精確測(cè)定是一件難度較大的工作,主要原因在于:①許多礦床缺乏適合于傳統(tǒng)同位素定年方法的礦物;②成礦后的構(gòu)造熱事件有可能導(dǎo)致蝕變礦物或礦石礦物中同位素體系的擾動(dòng),使放射成因同位素部分或全部丟失,此時(shí)獲得的同位素年齡將比實(shí)際的成礦年齡年輕很多;③在利用等時(shí)線年齡法定年時(shí)(如Sm-Nd等時(shí)線年齡),由于初始同位素組成的均一化程度不夠及同位素母體或(和)子體同位素的分餾程度較低,難以獲得可靠的等時(shí)線年齡;④某些元素在礦物中的含量非常低,現(xiàn)有儀器靈敏度和實(shí)驗(yàn)室條件(本底)難以精確測(cè)定樣品中這些元素的同位素組成。這些困難使得要精確測(cè)定各類礦床的形成年齡并不容易,即使在一些研究程度較高的地區(qū),對(duì)于某些礦床的成礦時(shí)代仍然難以達(dá)成一致的認(rèn)識(shí)。石英脈型金礦床是最重要的金礦床類型之一。這類礦床受構(gòu)造控制明顯,產(chǎn)出環(huán)境復(fù)雜多樣(如造山帶環(huán)境、太古宙綠巖-花崗巖地體、各種時(shí)代的中酸性侵入巖體等),對(duì)其形成時(shí)代的確定是正確分析其礦床成因的重要途經(jīng)。石英脈型金礦的圍巖蝕變一般較弱,要從中挑選出適合于常規(guī)同位素定年方法的礦物并不容易,因此早期一般利用礦體與圍巖或空間上與金礦化有關(guān)的地質(zhì)體(如地層、巖體等)的相互關(guān)系來間接確定成礦時(shí)代。由于賦礦巖石或礦體的圍巖與礦床之間并不一定存在成因上的聯(lián)系,礦床的形成可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于賦礦地質(zhì)體或圍巖,因此利用前者的年齡來間接推斷成礦時(shí)代很可能得出錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。如最新研究表明,膠東地區(qū)的金成礦作用集中發(fā)生于(120±5)Ma,與賦礦巖體或礦體圍巖之間存在數(shù)百萬年至數(shù)千萬年甚至更大的時(shí)差。顯然,要準(zhǔn)確限定石英脈型金礦床的成礦時(shí)代,需要直接測(cè)定與金礦成礦有關(guān)的熱液蝕變礦物或礦石礦物的同位素年齡。石英脈型金礦床的含金石英脈中含有豐富的流體包裹體,其中通常含有一定量的K、Ar和Rb、Sr,因此可以通過流體包裹體的40Ar-39Ar和Rb-Sr定年來提供成礦時(shí)代方面的信息。Shepherd等首次成功獲得CarrockFell石英脈型鎢礦床中石英流體包裹體的Rb-Sr等時(shí)線年齡[(392±5)Ma],在誤差范圍內(nèi)與同一石英脈中白云母的K-Ar年齡[(387±6)Ma]一致。20世紀(jì)80年代以來,我國(guó)學(xué)者對(duì)膠東、遼東、粵西等地的石英脈型金礦床開展了流體包裹體的Rb-Sr等時(shí)線定年,獲得了一大批Rb-Sr等時(shí)線年齡,其中一部分年齡與其他同位素定年方法獲得的年齡(如40Ar-39Ar、U-Pb等)基本一致,可以比較可靠地解釋為成礦時(shí)代。但中高溫條件下Rb-Sr同位素體系的開放行為及寄主礦物中多期流體包裹體的存在使流體包裹體Rb-Sr等時(shí)線定年在成礦年代學(xué)研究中的應(yīng)用受到質(zhì)疑。另外,Pettke等發(fā)現(xiàn)在Rb-Sr同位素方法的元素提取過程中,流體包裹體的Rb、Sr會(huì)不同程度地吸附于寄主礦物表面,導(dǎo)致N(87Rb)/N(86Sr)偏低并影響定年結(jié)果。與此同時(shí),石英流體包裹體的40Ar-39Ar定年也得到廣泛的應(yīng)用。Kelley等最先報(bào)道利用真空擊碎技術(shù)進(jìn)行石英流體包裹體的40Ar-39Ar同位素分析,進(jìn)而獲得樣品的40Ar-39Ar坪年齡和等時(shí)線年齡。但流體包裹體中過剩Ar的存在、放射成因Ar的丟失以及石英中含K礦物的存在,都可能導(dǎo)致所獲得的40Ar-39Ar年齡可信度不高并偏離真實(shí)的成礦年齡。近十幾年來陸續(xù)有關(guān)于石英脈型金礦床中發(fā)現(xiàn)熱液鋯石的報(bào)道,為利用U-Pb定年直接限定石英脈型金礦床的成礦時(shí)代提供了可能。但由于缺乏熱液鋯石形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地球化學(xué)組成等方面的系統(tǒng)研究,對(duì)這些鋯石的熱液成因一直存在爭(zhēng)議。為此,筆者擬總結(jié)熱液鋯石與其他成因鋯石的特征差異,并對(duì)利用熱液鋯石U-Pb定年確定石英脈型金礦床成礦時(shí)代的適用性進(jìn)行評(píng)述。2鋯和主要特征的熱液2.1熱液鋯石成因探討鋯石是沉積巖、變質(zhì)巖和中酸性巖漿巖中一種常見的副礦物,其U-Pb年齡對(duì)于研究沉積物源區(qū)與巖相古地理、區(qū)域變質(zhì)作用與變質(zhì)歷史、大規(guī)模巖漿活動(dòng)時(shí)間與地殼增生過程等重大地質(zhì)問題具有舉足輕重的作用。過去十幾年來的研究表明[20,21,22,23,24,25],鋯石可以直接從中低溫?zé)嵋毫黧w中生長(zhǎng)結(jié)晶,鋯石的熱液成因及U-Pb定年也因此成為近年的研究熱點(diǎn)。如Claoue-Long等及Kerrich通過對(duì)加拿大Abitibi綠巖帶金礦床石英脈中鋯石的研究,提出這些鋯石是在260～380℃、約200MPa的條件下與石英、自然金等熱液礦物近于同時(shí)結(jié)晶形成的。Dempster等在蘇格蘭高地板巖中發(fā)現(xiàn)了顆粒細(xì)小(<10μm)、無環(huán)帶結(jié)構(gòu)的新生鋯石,認(rèn)為它們是在綠片巖相變質(zhì)條件(<350℃)下從變質(zhì)流體中結(jié)晶形成的。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),波蘭Sudetic蛇綠巖的蛇紋石化過程中有大量熱液鋯石形成,這些鋯石形成于270～300℃及100MPa的溫壓條件。Hoskin將熱液鋯石的形成機(jī)制歸納為:①?gòu)膰鷰r中捕獲的鋯石(巖漿鋯石或變質(zhì)鋯石)在熱流體中發(fā)生溶解后再次結(jié)晶(dissolution-reprecipitation),形成新生鋯石;②低溫條件(120～200℃)下,因放射性衰變而遭受晶體結(jié)構(gòu)損傷的鋯石與流體發(fā)生離子交換,導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)(structuralrecovery);③中低溫條件下流體中的ZrSiO4因飽和而直接沉淀結(jié)晶。實(shí)驗(yàn)研究表明,流體中廣泛存在的F-和Cl-是Zr的重要載體,磷酸根、硫酸根和碳酸根離子也可以和Zr形成配位體,使熱液體系中Zr的活動(dòng)性增強(qiáng),為熱液鋯石的形成提供重要條件。2.2熱溶液中鋯的識(shí)別性能2.2.1巖石學(xué)和礦物學(xué)特征熱液鋯石形成于中低溫?zé)嵋簵l件,其結(jié)晶溫度與巖漿鋯石、變質(zhì)變形程度與變質(zhì)鋯石相比明顯偏低、偏弱,因而可能具有不同的結(jié)晶習(xí)性和形貌結(jié)構(gòu)特征。巖漿鋯石通常為半自形到自形,一般具特征的巖漿振蕩環(huán)帶。變質(zhì)鋯石因變質(zhì)條件的不同,其外部形態(tài)為它形到非常自形,內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括無分帶、弱分帶、扇形分帶、斑雜狀分帶和流動(dòng)狀分帶等復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型。李惠民等利用光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡對(duì)大量鋯石的觀察表明,熱液鋯石與從圍巖中捕獲的巖漿鋯石及變質(zhì)鋯石在形態(tài)特征方面存在較大差異,如熱液鋯石較為自形、磨圓度較差,而從圍巖中捕獲的鋯石在熱流體搬運(yùn)過程會(huì)被部分溶蝕,導(dǎo)致自形程度降低。借助陰極發(fā)光(CL)和背散射(BSE)圖像還可以進(jìn)一步識(shí)別同一顆粒中不同成因的鋯石域,巖漿鋯石的CL圖像中鋯石的異常亮色邊可能是熱液改造的結(jié)果。但對(duì)新疆天格爾地區(qū)糜棱巖化花崗巖中鋯石的CL觀察卻發(fā)現(xiàn),巖漿鋯石的熱液增生邊不具有陰極發(fā)光特征。類似地,澳大利亞BoggyPlain巖體中巖漿鋯石的熱液增生邊也不具陰極發(fā)光特征。McNaughton等認(rèn)為,熱液鋯石具有與人工合成巖漿鋯石較為一致的形態(tài)學(xué)特征。其他一些人則認(rèn)為熱液鋯石具有多晶面特征,其環(huán)帶-非環(huán)帶晶體都被認(rèn)為是熱液成因。因此單憑形貌和結(jié)構(gòu)特征還難以將熱液鋯石與巖漿鋯石或變質(zhì)鋯石區(qū)分開來。2.2.2含金石英脈中鋯石的鐵、堿和雙金變形營(yíng)養(yǎng)成分含量Watson等對(duì)人工合成鋯石的實(shí)驗(yàn)研究表明,中低溫?zé)嵋簵l件下生長(zhǎng)的鋯石,鉛的相容性顯著增強(qiáng)(Pb的鋯石—流體分配系數(shù)高達(dá)4.2,而鋯石—熔體分配系數(shù)僅為0.001),因此認(rèn)為中低溫流體中形成的鋯石通常會(huì)富集普通鉛。但Pettke等的研究卻表明,Pb的鋯石—流體分配系數(shù)一般不會(huì)高于0.001,因此熱液鋯石中不一定富集普通鉛,除非流體中Pb的濃度非常高。最近的一些研究似乎支持Watson等的觀點(diǎn),如膠東乳山金礦床含金石英脈中熱液鋯石的普通鉛含量比捕獲的圍巖鋯石明顯要高(表1)。類似的發(fā)現(xiàn)也見于粵西河臺(tái)金礦床含金石英脈中,其熱液鋯石和捕獲鋯石的普通鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.65%～2.27%和<0.73%(表1)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),圍巖中w(Pb)低,為4.2×10-6～7.7×10-6,而含金石英脈中w(Pb)高,為22.7×10-6(8個(gè)樣品的平均值),且在中低溫含金流體中常有方鉛礦的沉淀結(jié)晶,表明流體中Pb的濃度很高,因此含金石英脈中鋯石的普通鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高。對(duì)青龍山榴輝巖中高壓變質(zhì)新生鋯石的研究表明,其普通鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,僅為0～3.12%。根據(jù)已有的資料,我們認(rèn)為鋯石的普通鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以作為區(qū)分熱液鋯石與巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石的依據(jù)之一。2.2.3熱液鋯石與巖漿鋯石地球化學(xué)特征不同成因的鋯石其微量元素組成可能存在較大差異,這對(duì)于正確認(rèn)識(shí)鋯石成因具有重要意義。Hanchar等提出,稀土元素(REE)的含量和配分模式可以指示鋯石的生長(zhǎng)環(huán)境及熔體或流體的化學(xué)組成。對(duì)澳大利亞BoggyPlain巖體中鋯石微量元素的研究發(fā)現(xiàn),與巖漿鋯石相比,熱液鋯石具有較高的W、Au、Mo含量,其稀土元素特征具有REE總量高、LREE相對(duì)富集、呈現(xiàn)弱的Ce正異常等特征(圖1-A)。對(duì)埃及GabelHamradom地區(qū)的花崗巖及加拿大Acasta花崗質(zhì)脈巖中巖漿鋯石熱液生長(zhǎng)邊的研究也得出了同樣的結(jié)論,熱液鋯石的REE配分特征顯示出相似性并與未蝕變的巖漿鋯石有明顯區(qū)別(圖1-B,C)。變質(zhì)鋯石的微量元素特征會(huì)因變質(zhì)改造條件的不同而產(chǎn)生差異。如麻粒巖相變質(zhì)鋯石一般具有重稀土元素相對(duì)虧損和明顯Eu負(fù)異常的特征(圖1-D);榴輝巖相變質(zhì)鋯石表現(xiàn)為重稀土元素相對(duì)虧損,無明顯Eu負(fù)異常(圖1-E);角閃巖相變質(zhì)增生鋯石具有重稀土元素相對(duì)富集和Eu負(fù)異常明顯的特征,與熱液鋯石存在明顯差別。Hoskin等還發(fā)現(xiàn),熱液鋯石與巖漿鋯石可以在[w(Sm)/w(La)]N—w(La)、[w(Ce)/w(Ce*)]—[w(Sm)/w(La)]N圖解(圖2)上很好地區(qū)分開。對(duì)澳大利亞Mole花崗巖的研究卻得出了相反的結(jié)論,即熱液鋯石具有比巖漿鋯石低得多的REE總量、重稀土元素相對(duì)富集、較強(qiáng)的Ce正異常等特征(圖1-F)。然而,Pettke等將Ce含量或Ce異常作為區(qū)分熱液鋯石與巖漿鋯石的標(biāo)志這種認(rèn)識(shí)可能存在一定的片面性,因?yàn)橹挥性谘跻荻容^高的條件下,Ce3+才被氧化成Ce4+,并進(jìn)入鋯石礦物晶格中形成Ce正異常(Ce4+與Zr4+的離子半徑分別為0.097,0.084nm,二者具有相同的離子電價(jià))。因此,鋯石中Ce異常的出現(xiàn)與否及其強(qiáng)弱程度與鋯石結(jié)晶時(shí)流體(熔體)的氧化還原條件相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn),鋯石中的微量元素如Zr、Y、Nb、Ta、Hf等在不同成因鋯石中表現(xiàn)出明顯的差異性(圖3),相比于巖漿鋯石,熱液鋯石中Zr、Hf、Ta等高場(chǎng)強(qiáng)元素(在流體作用過程中表現(xiàn)為相對(duì)不活動(dòng)的元素)含量高。總之,熱液鋯石與巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石的稀土元素(圖1,2)和微量元素(圖3)組成可能具有較明顯的差異,可以作為區(qū)分不同成因鋯石的依據(jù)之一。但目前對(duì)造成這種差異的原因還不太清楚,推測(cè)可能與熱液流體的來源、物質(zhì)組成及物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。2.2.4熱液鋯石地球化學(xué)研究不同條件下形成的鋯石具有特定的礦物或(和)流體包裹體組成,因此鋯石中包裹體的研究對(duì)于鋯石的成因和形成環(huán)境有很好的指示意義。典型熱液礦物(如電氣石、黃鐵礦、絹云母等)中的包裹體與豐富的低鹽度H2O-CO2流體包裹體,可說明鋯石是在熱流體環(huán)境中沉淀結(jié)晶的。相反,巖漿鋯石由于結(jié)晶溫度較高,其中通常不會(huì)出現(xiàn)熱液礦物包裹體和流體包裹體,但卻可能包含高溫巖漿礦物(如金紅石、磷灰石等)與熔體包裹體。變質(zhì)鋯石中則常會(huì)出現(xiàn)各種變質(zhì)礦物(如石榴石、綠輝石等)包裹體。Claoue-Long等發(fā)現(xiàn)加拿大Abitibi綠巖帶金礦床含金石英脈中的鋯石含有自然金顆粒和大量原生流體包裹體,認(rèn)為鋯石、石英與金等熱液礦物是在260～380℃、200MPa的環(huán)境下同時(shí)形成的。Kerrich對(duì)同一金礦區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),石英脈中的鋯石包含石英、電氣石、白鎢礦、黃鐵礦、自然金等典型熱液礦物包裹體,并與低鹽度H2O-CO2流體包裹體及富CO2包裹體共存,充分表明這些鋯石是直接從成礦流體中沉淀的。我國(guó)粵西河臺(tái)金礦床含金石英脈中的鋯石也廣泛存在硫化物包裹體。Hu等在膠東乳山金礦床含金石英脈體中鋯石邊-核部發(fā)現(xiàn)原生流體包裹體,其激光拉曼圖譜中出現(xiàn)明顯的液相CO2和H2O峰值,說明鋯石在其生長(zhǎng)過程中處于富CO2-H2O流體的環(huán)境。筆者最近對(duì)山東范家埠石英脈型金礦床中的鋯石進(jìn)行了詳細(xì)的顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)其中存在較豐富的原生流體包裹體(圖4)。但對(duì)流體包裹體的成分仍需進(jìn)一步研究,具體可采用激光拉曼光譜、激光剝蝕等離子質(zhì)譜等方法進(jìn)行定性與定量分析。另外,由于①Hf與Zr的地球化學(xué)性質(zhì)相同,較容易置換Zr而進(jìn)入鋯石晶格中;②Lu-Hf同位素在鋯石中的封閉性很好,即使鋯石的U-Pb體系發(fā)生了擾動(dòng)、丟失,Hf同位素體系仍能保持相對(duì)封閉,因此鋯石的Lu-Hf同位素組成有可能用來區(qū)分不同成因的鋯石。近年來激光技術(shù)和現(xiàn)代質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展使單顆粒鋯石(主要是巖漿鋯石)原位微區(qū)Lu-Hf同位素測(cè)定在巖石學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用,但目前尚未開展熱液鋯石的Lu-Hf同位素研究。由于成礦熱流體通常具有多來源的特點(diǎn)(巖漿流體、變質(zhì)流體、大氣降水),其Hf同位素組成應(yīng)該具有多來源特征。因此,熱液鋯石與巖漿鋯石的Lu-Hf同位素組成可能存在較大差異,利用Lu-Hf同位素進(jìn)行鋯石的成因分析應(yīng)該成為今后鋯石研究的重要內(nèi)容之一。3熱液鋯石u-pb年齡對(duì)石英脈中的熱液鋯石進(jìn)行原位微區(qū)U-Pb定年,有可能獲得石英脈型金礦床可靠的成礦年齡。但其鋯石成因的多樣性可能會(huì)使鋯石U-Pb定年結(jié)果變得十分復(fù)雜和難以解釋。羅鎮(zhèn)寬等指出,有些石英脈中“熱液鋯石”的年齡與圍巖年齡十分相近,如吉林夾皮溝金礦床石英脈中熱液鋯石[(2469±33)Ma]與圍巖鉀長(zhǎng)花崗巖[(2505±14)Ma]年齡近于一致,是否為真正的熱液鋯石值得懷疑。李俊建等也對(duì)該金礦床石英脈中的鋯石進(jìn)行了U-Pb同位素稀釋法年齡的測(cè)定,認(rèn)為金礦床的成礦年齡為(2475±19)～(2469±33)Ma。而羅鎮(zhèn)寬等卻獲得蝕變絹云母的40Ar-39Ar等時(shí)線年齡為(203.9±0.5)Ma,與礦體密切相關(guān)脈巖的U-Pb年齡為241～218Ma,因而對(duì)李俊建等獲得的成礦年齡提出了質(zhì)疑。齊金忠等利用SHRIMP技術(shù)測(cè)定了甘肅陽山微細(xì)浸染型金礦床石英細(xì)脈(YM和AB)及含明金石英脈(SG)中鋯石的U-Pb年齡,其中YM和AB脈中26顆鋯石給出了3組年齡:200.9～195.4Ma(鋯石顆粒數(shù)N=3),137.0～121.4Ma(N=11),55.3～48.1Ma(N=12),SG脈中22顆鋯石的年齡則集中于2455,981,803Ma。據(jù)此,齊金忠等認(rèn)為金礦床石英脈中的鋯石是熱液活動(dòng)期間捕獲的新太古代—新元古代結(jié)晶基底、侏羅紀(jì)花崗斑巖,白堊—始新世隱伏巖體中的鋯石,而不是真正的熱液鋯石。類似地,李文良等獲得甘肅寨上金礦床含金石英脈的4組SHRIMP鋯石U-Pb年齡:2000～1800,1000～800,500～400,300Ma左右,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由其他方法(如蝕變絹云母的40Ar-39Ar年齡約為130～125Ma)所獲得的成礦年齡,因此認(rèn)為金礦床含金石英脈中的鋯石均捕獲于圍巖。但也有不少成功的研究實(shí)例。如Claoue-Long等對(duì)加拿大Abitibi綠巖帶含金石英脈中的熱液鋯石進(jìn)行了SHRIMPU-Pb定年,測(cè)得含金石英脈的形成年齡為2680Ma,晚于含礦巖體侵位時(shí)代20Ma左右,并與區(qū)域退變質(zhì)峰期事件相一致。胡小蝶等獲得河北小營(yíng)盤金礦床含金石英脈中鋯石的U-Pb年齡為(1826±31)～(1800±14)Ma,該年齡明顯晚于礦床圍巖——太古宇桑干群雜巖的鋯石U-Pb年齡(約2400Ma),并與該區(qū)1800Ma左右發(fā)生的退變質(zhì)及金活化成礦事件吻合,因而被認(rèn)為是可靠的成礦年齡。Nesbitt等對(duì)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鋯石進(jìn)行SHRIMPU-Pb定年,獲得的成礦年齡為(345.7±4.6)Ma,支持該區(qū)成礦作用與泥盆—石炭紀(jì)之交的火山-沉積作用同時(shí)的觀點(diǎn)。Hu等利用SHRIMP技術(shù)測(cè)得膠東乳山金礦床含金石英脈中熱液鋯石的U-Pb年齡為(117±3)Ma,比賦礦巖體昆崳山二長(zhǎng)花崗巖的侵位年齡晚約40Ma,但與膠東地區(qū)大量高精度成礦年齡[(120±5)Ma]相一致?；浳骱优_(tái)金礦床含金石英脈中鋯石的SHRIMPU-Pb年齡為(152.5±3.1)M