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热液矿床碳酸盐矿物原位U-Pb定年研究取得新进展

 

很多热液矿床由于缺乏合适的定年矿物和方法(如辉钼矿Re-Os法和锆石U-Pb法等),其精确定年一直是矿床学界难题。碳酸盐矿物是许多热液矿床的重要脉石矿物之一,其形成贯穿整个热液矿床成矿过程,记录了相应阶段的成矿信息,是开展定年研究的理想矿物。以往碳酸盐矿物Sm-Nd定年在热液矿床成矿年代学研究中得到了广泛应用,全球有很多热液矿床碳酸盐矿物Sm-Nd定年成功的实例,为理解热液矿床成因提供了重要的年代学依据。然而,由于碳酸盐矿物Sm-Nd定年需要苛刻条件,如具有中稀土元素富集特征(即高Sm/Nd比)的碳酸盐矿物是该方法定年成果的前提等。此外,即便碳酸盐矿物具有中稀土元素富集特征,但是其Sm/Nd比变化不够大,导致定年结果误差较大,影响该方法定年的精确度。

随着同位素稀释法碳酸盐矿物U-Pb定年成功应用于成岩作用、珊瑚、化石、断层活动和洞穴堆积物等方面的地质年代学研究中,碳酸盐矿物U-Pb定年有望为解决热液矿床定年难题提供新方案。然而,由于受稀释剂限制,加之实验周期长、效率低、费用高等不利因素影响,碳酸盐矿物U-Pb法定年未能在热液矿床成矿年代学研究中得到广泛应用。

在国家自然科学基金面上项目(41872095)、云南大学引进人才启动项目(YJRC4201804)和云南省人社厅高层次人才计划培养经费支持项目(YNQR-QNRC-2018-104)资助下,威尼斯网站网址周家喜研究员团队与澳大利亚昆士兰大学放射性成因同位素实验室赵建新教授、俸月星博士团队合作,成功地将碳酸盐矿物LA-MC-ICPMS微区原位U-Pb定年方法应用于热液矿床成矿年代学研究中。碳酸盐矿物LA-MC-ICPMS微区原位U-Pb定年方法具有以下优势:1)突破同位素稀释剂限制;2)实验周期短、效率高、成本低;3)分辨率高(<~100 μm束斑)、检出限低(~1 ppb Pb)、U/Pb比范围更宽;4)能有效避开方解石微米尺度的环带、蚀变交代和溶解重结晶区域,确保所测试区域U-Pb同位素体系封闭。

相比于其它热液矿床,华南锑矿带(1)热液锑矿床,其矿物组合更简单,主要由辉锑矿+碳酸盐矿物±萤石±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。碳酸盐矿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,是开展碳酸盐矿物微区原位U-Pb定年的理想矿物。


1 研究区地质简图

 

威尼斯网站网址博士后罗开在合作导师周家喜研究员的指导下以华南锑矿带内的维寨锑矿床为例,在系统深入碳酸盐矿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微区原位高精度U-Pb定年研究,取得以下主要认识:

1)碳酸盐阶段划分

维寨锑矿床热液碳酸盐矿物分三个形成阶段:成矿前白云石 (Dol-I),成矿期方解石 (Cal-II) 和成矿后方解石 (Cal-III)Dol-I一般呈浅黄色细粒结构,包裹碳酸盐围岩角砾。Cal-II呈浅灰色粗粒脉状,一般长几米-几十米,与辉锑矿和少量黄铁矿、有机质共生。Cal-III呈灰色细脉状,明显穿插早期碳酸盐矿物 (2)

2)不同阶段碳酸盐矿物的地球化学特征差异

不同阶段碳酸盐矿物的结构CL-BSE (2)、主微量 (3) 、稀土元素 (4) C-O-Sr同位素 (5) 组成存在较为明显的差异,相比于成矿前Dol-I和白云岩围岩,成矿期Cal-II和成矿后Cal-III具有更低的氧同位素组成,更高的Sr同位素组成和明显的HREE富集特征。


2 华南锑矿带典型矿石手标本(a-c)及维寨锑矿床矿石CL-BSE(d-f)照片

 

3)原位高精度U-Pb定年

采取Mapping高分辨率图像选出成矿期方解石的高U/Pb比区域 (6),利用LA-MC-ICPMS预剥蚀方法进一步筛选出高U/Pb比的有效测点,获得维寨锑矿床方解石U/Pb比范围0.05-70。在Nu Plasma II MC-ICPMS最高质量端,采用了ETP(电子倍增器)离散打拿极倍增器,专门用于静态测量低信号238U。此配置可实现灵敏度 (100μm3J/cm210Hz; 238U>500000 cps/ppm207Pb blank= 10-100cps),大约是Q-ICP-MS3-10倍。可精确测定> ~1ppb U,内部精度<1(2σ)。所获得的U-Pb年龄误差较小,平均标准加权偏差(MSWD = 2.01.5)小于2.5,暗示U-Pb同位素体系封闭,年龄精度较高。


3 不同阶段碳酸盐矿物主微量元素组成


4 不同阶段碳酸盐矿物稀土元素组成

 

本次定年过程采用两种方解石年龄标样进行U-Pb同位素分馏校正,一种是较年轻的国际标样ASH-15D (洞穴钙板, Flowstone; 3.001±0.012Ma),另一种是年龄较老的、新研制的、标定均一且适用范围更广的AHX-1a (塔里木盆地北缘孔洞充填纯净方解石,其年龄加权平均值为209.8±0.83 Ma)。通过交叉校正,获得ASH-15DAHX-1a年龄与前人报道年龄在误差范围内一致,表明本次研究给出的115.3±1.5 Ma (MSWD=2.0) 60.0±0.9 Ma (MSWD=1.5) (7) 两个年龄是可靠的,具有地质意义。

4)地质意义

已有研究显示,燕山运动 (~180-100 Ma) 是我国华南地区中-低温热液HgSbAu成矿事件的主要驱动力。该事件以发育侏罗纪NE向褶皱、逆冲断层和早白垩世的NE向正断层为特征,与本研究区NE向构造一致 (1)。本次获得年龄ca. 115 Ma指示扬子地块和华夏地块之间发生一期重要锑成矿事件,锑成矿与燕山期(~180-125 Ma)造山后的早白垩世(~125-100 Ma)大规模伸展背景有关。


5 华南锑矿带主要锑矿床及地质单元C-O-Sr同位素组成



6 不同阶段碳酸盐矿物元素面扫描图像

 

此外,本次获得较年轻的ca. 60 Ma则可能反映了该地区早新生代的一期重要地质热事件。该年龄与锡矿山大型锑矿床与辉锑矿紧密共生石英的电子自旋测年结果(66.4-51.6 Ma)相一致,也与区域上地壳抬升时间61.5±5.9 Ma基本吻合。


7 维寨锑矿床热液方解石LA-MC-ICPMS微区原位U-Pb定年结果

 

该成果近期在线发表于Cell旗下综合性新刊物《iScience》《交叉科学》: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.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101575



 
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