定慧
研究金属矿床成矿时代的常用方法有三种,一是矿石铅同位素年代学方法,二是蚀变矿物的同位素测年方法,三是据赋矿围岩、控矿构造及与矿化有关岩脉的时代间接推断矿脉形成时代。本书主要应用这三种不同的年代学方法确定矿床成矿时代,同时注意不同方法所得年龄的对比分析与相互验证。近年来发展起来的铼-锇同位素年代学方法能直接测定辉钼矿等矿石矿物的形成时代,然而这种方法在我国目前尚处在试用阶段,在燕山地区尚未全面展开该项测年工作。一、普通铅同位素的演化模式与年龄计算公式矿石铅同位素年代学方法是直接测定成矿时代的重要研究方法,被广泛用于世界各地的金属矿床。目前常用的铅同位素演化模式包括单阶段模式如Holms-Houtermans模式,二阶段模式如正常铅混合模式、瞬间增长模式与连续增长模式,多阶段模式如简单的三阶段铅混合模式等。但这些模式都存在严格的应用条件。单阶段模式只适合于封闭体系、无后期铅混染的少数几个整合矿床;简单的二、三阶段模式要求体系相对封闭,各阶段异常铅只能来自于单一的且铀、钍、铅同位素比值均一的源区,还要求体系在各阶段的铅同位素均匀分布。这些模式在一般的造山带与地盾、地台区,都能有效地用于确定矿床成矿时代。然而,燕山陆内造山带具有十分复杂的地质过程,矿质具有两种以上的复杂来源;成矿体系多属开放体系,铀-钍-铅同位素混合过程也颇为复杂,存在多种不同的情况;上述几个特殊的铅同位素模式不足以概括本区常见的开放体系铅的混合过程,以至于使本区已积累的近百组铅同位素资料长期以来得不到充分利用,求不出有地质意义的成矿时代。为此,笔者首先从理论上分析常见开放体系铅同位素混合过程,建立开放体系铅同位素演化模式,推导其年龄计算公式。这些模式在燕山地区成岩成矿时期的研究中,取得了良好的应用效果。1.基本假设(1)同一来源的206Pb、207Pb、208Pb、204Pb以相同的概率进入同一样品。不同铅同位素化学性质的相似性,使这一假设在各种地质过程中都能成立。(2)同一时代地质体的N(238U)/N(204Pb)(即μ值)与N(235U)/N(204Pb)(v值)可以变化;铀的丢失与加入常造成这种结果。(3)当铅混合时,铅同位素可来源于两种以上不同的铅源,包括正常铅铅源与放射成因异常铅铅源;同一铅源对不同样品的贡献可以不一样,即同一体系不同样品的铅同位素来自于任一源区的概率可以不一样。(4)体系中的铅可以来自于一个至数个放射性成因铅源,将N(238U)/N(204Pb)=μi的源区叫μi源。(5)铀、铅及其同位素在地幔中均匀分布。(6)铅在最后一阶段混合后,保持其同位素比值,直至现代。2.二阶段铅混合的系统模式设样品来自于t1时形成正常铅的概率为α1,来自于T至t2时期形成的放射成因铅的概率为α2。t2混合时,设有m个μi源,样品中混合铅来自于μi源的概率为βi。t2混合之后,样品铅同位素组成可表示为:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系式中: 为第二阶段(t2)体系的铅同位素组成; , 为第一阶段(t1)体系铅同位素组成,由H-H模式确定:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系a0、b0为T=4550Ma时地球的初始铅同位素组成;α1+α2=1, ;T为地球年龄。模式Ⅰ 当α1=1,α2=0时,由(3.1.1)、(3.1.2)式知,二阶段铅退化为单阶段铅。这时为正常铅,样品点在N(207Pb)/N(204Pb)—N(206Pb)/N(204Pb)坐标图中分布于一点。据(3.1.3)、(3.1.4)式得:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系由(3.1.5)式与(3.1.3)、(3.1.4)式可计算成岩或成矿年龄t1与源区μ,v值。该模式相当于H-H模式(G.福尔,1983)。模式Ⅱ 0<αi<1,i=1,2;β1=1,βj=0(2≤j≤m),μ1=μ;这时(3.1.1),(3.1.2)式可简化为:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系令 由(3.1.6)、(3.1.7)式得:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系当αi对不同样品取值不一样时,样品点呈线性分布,直线斜率为R,如图3-1所示。样品点分布于增长曲线的弦上,等时线与增长曲线的两交点对应时代t1与t2相当于两次普通铅的形成时代。该模式相当于前述已有的正常铅与正常铅混合二阶段模式。当已知t1与t2之一时,可据R求出另一时代。模式Ⅲ-1 当i=1,2时,0<αi<1,0<βj<1(1≤j≤m),βj及 (βj·μj)对不同样品不取恒定值,但αi对所有样品取恒定值。这时,由(3.1.1)、(3.1.2)式导出:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系(3.1.8)式中, 为混合铅同位素比值。这时样品点分布在一条直线上,直线斜率较大(图3-2),据(3.1.8)式能求出t2。当其它条件相同,而βj对所有样品取定值(1≤j≤m)时,由(3.1.1)、(3.1.2)式可知,样品点的铅同位素组成均匀分布,在坐标图中分布于一点;在这种情况下,难以求出t1或t2值。模式Ⅲ-2 0<αi<1,i=1,2;0≤βj<1,1≤j≤m;α1对不同样品皆非恒定值,βj对不同样品非定值;这时,若 (βj·μj)趋于μ,则由(3.1.1)、(3.1.2)式导出:图3-1 模式Ⅱ图解Fig.3-1 Lead-isotope evolution of model Ⅱ图3-2 模式Ⅲ-1图解Fig.3-2 Lead-isotope evlution of model Ⅲ-1燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系令 由于 (βj·μj)趋于定值μ,所以X′t1与Y′t1近为定值。代入(3.1.9)、(3.1.10)式,得:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系这时,样品点呈线性分布,据直线斜率能求出t1与t2之一。令 ,则由(3.1.9)、(3.1.10)式可以看出,当μ′<0时,样品点靠近t1分布,甚至会落在t1左侧;当μ′≥0时,样品点靠近t2点分布,部分样品点会落在t2右侧。增长曲线如图3-3。当t1与t2相差较大时,该模式相当于连续增长模式;当t1与t2近似相同时,则等时线由弦而渐趋于切线,这时相当于瞬间增长模式。模式Ⅲ-3 当0<αi<1,0≤βj<1(i=1,2,1≤j≤m),βj、αj对不同样品皆非常数时,若样品的α1值仅取几个定值之一,当样品点足够多时,样品点呈图3-4所示分布状态,即分布于一组平行直线上。据直线斜率能求出t1或t2,斜率R可表示为:图3-3 模式Ⅲ-2图解Fig.3-3 The first lead-isotope evolution of model Ⅲ-2图3-4 模式Ⅲ-3图解之一Fig.3-4 The first lead-isotope evolution of model Ⅲ-3当 (βj·μj)为定值时,燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系当 (βj·μj)不为定值时,燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系若αi对不同样品都不一样时,样品点呈星散状分布(图3-5),这时无法求出t1或t2的真实值。图3-5 模式Ⅲ-3图解之二Fig.3-5 The second lead-isotope evolution of model Ⅲ-33.三阶段铅混合的系统模式设一阶段铅的分离时代为t1,二阶段铅的混合时代为t2,三阶段铅的混合时代为 、 为二阶段普通铅源i的同位素比值, 、 为t3体系中铅同位素比值;设有m个放射成因铅源μi,有n个普通铅源;t3时刻混合时,体系铅来自于普通铅i源的概率为εi,来自于放射成因铅的概率为εn+1;当εn+1>0时,μj源铅进入样品的概率为βj,则 =1,且燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系(3.1.12)、(3.1.13)式为一般情况下三阶段铅混合时的定量关系式。不同条件下,三阶段混合铅具有不同特征,对应于不同的铅演化图,下面分别予以讨论。(1)ε1=1,εi=0,2≤i≤n+1,这时三阶段铅退化为二阶段铅。(2)0<ε1<1;εi=0,2≤i≤n;0<εn+1<1,这时(3.1.12)、(3.1.13)式可写成:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系模式Ⅳ 当β1=1,βj=0,2≤j≤m时,(3.1.14)与(3.1.15)式可写成:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系若放射性铅与普通铅在T到t2期间有相同的演化过程和成分,即 则燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系这时相当于G.福尔提出的简单三阶段模式;且样品点或呈线性分布(图3-6),或分布于一点。据等时线斜率R能求出t2与t3之一:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系模式Ⅴ-1 当所有样品的ε1、Xt2、Yt2取相同值时,则ε1·Xt2、ε1·Yt2为常量。若βj对所有样品取相同值,0≤βj≤1,1≤j≤m;这时三阶段样品铅同位素构成一点。据(3.1.14)、(3.1.15)式,有燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系只有当ε1及Xt2、Yt2都已知时,才能求出t3;一般情况下,若上述三参数未知,则无法计算出真实年龄t3。模式Ⅴ-2 当ε1及Xt2、Yt2为常量,而不同样品βj不同时,1≤j≤m,若 不为恒定值,则据(3.1.14)、(3.1.15)式,可推导出:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系这时,样品点呈线性分布(图3-7),直线斜率一般较大。据R能求出t3。图3-6 混合铅模式Ⅳ图解Fig.3-6 Lead-isotope evolution of model Ⅳ图3-7 模式Ⅴ-2图解Fig.3-7 Lead-isotope evolution of model V-2模式Ⅵ 当所有样品点的Xt2、Yt2恒定时,若0≤βj≤1,1≤j≤m,βj非常数;而Xt2 ,则据(3.1.14)、(3.1.15)式,可导出:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系令 则 、 近为常量。据(3.1.16)、(3.1.17)式可导出:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系这时,样品点呈线性分布,分布特征类似于模式Ⅲ-2,如图3-8所示。模式Ⅶ 当Xt2、Yt2恒定,ε1、β,对不同样品取不同值时,若 不恒定,且ε1仅有几个可能的值,则混合铅样品点分布于几条平行直线上,直线斜率 据之能求出t3,否则,样品点呈星散状分布。混合铅演化如图3-9所示。图3-8 模式Ⅵ图解Fig.3-8 Lead-isotope evolution of model Ⅵ(3)当不同样品的Xt2、Yt2不同,0≤εi<1,1≤i≤n+1时,有下列模式:模式Ⅷ 若Xt2、Yt2呈线性分布,不同样品点εi相同(1≤i≤n),0≤βj<1(1≤j≤m);则有几种可能性:模式Ⅷ-1 若βj恒定,1≤j≤m,则(3.1.12)、(3.1.13)式可写成:图3-9 模式Ⅶ图解Fig.3-9 Lead-isotope evolution of model Ⅶ燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系令 由于βi为常量,对所有1≤j≤m都成立,所以 c与d皆为常数;样品点仍呈线性分布,其斜率与二阶段等时线相同,如图3-10示。据R能求出t1与t2之一,而求不出t3。图3-10 模式Ⅷ-1图解Fig.3-10 Lead-isotope evolution of model Ⅷ-1模式Ⅷ-2 若 相同,但βj不同时,则任一(Xt2,Yt2)点都对应一条三阶段等时线,所有样品点沿两组平行直线分布(图3-11),r1一般大于r2; ,据之能求出t2与t3之一;r1为二阶段等时线斜率,据之能求出t1与t2之一。只有当样品点足够多时,才有可能据该模式求出t1、t2或t3,否则,r1与r2难以确定,无法计算年龄。图3-11 模式Ⅷ-2图解Fig.3-11 Lead-isotope evolution of model Ⅷ-2模式Ⅸ 若(Xt2,Yt2)呈线性分布,不同样品εj值相同,βj值不同, 亦因样品不同而不同,这时(3.1.12)、(3.1.13)式中 为常数,由(3.1.12)、(3.1.13)式可导出:燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系这时样品点沿两组斜率较大的平行直线分布。当样品点足够多而能求出r1,与r2时,则可据此求出t1、t2或t3。模式X 若(Xt2,Yt2)呈线性分布,但εi,βj对不同样品不取恒定值时,则据(3.1.12)、(3.1.13)式,样品点呈星散状分布,或呈线性沿两组平行直线分布。后一种分布状状只有当εi对不同样品点仅取几组确定值时才能出现,据平行直线的斜率能求出t3,斜率r2为:当 非定值时燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系当 恒定值时燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系模式Ⅺ 当(Xt2,Yt2)不呈线性分布,而呈星散状分布时,则三阶段铅样品点仍呈星散状分布,这时无法求出t3与t2的真实值。模式Ⅻ 当(Xt2,Yt2)分布于数条平行直线上,而βj、εj恒定时,由(3.1.12)、(3.1.13)式可得出样品点的(Xt3,Yt3)仍呈线性分布,斜率与二阶段等时线相同(图3-12);据斜率r1可求出t1或t2,详见模式Ⅲ-3,但无法求出t3。模式ⅩⅢ 当(Xt2,Yt2)呈线性分布于数条平行直线上(其斜率为r1),若ε1恒定,βj对不同样品取值不尽相同,则由(3.1.12)、(3.1.13)式可导出:当样品点足够多时,样品点分布于一个菱形区域内,类似于图3-11所示的三阶段铅样品点的分布状态;据两组直线斜率r1、r2能求出t1、t2或t3,r2表达式为:当 非常数时燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系当 为常数时燕山陆内造山带金-多金属成矿作用与构造-成矿关系以上从理论上分析了开放体系多种情况下铅同位素的演化模式。可以看出,混合铅样品点呈同一或类似分布状态时,可对应一个至数个不同的地质过程。因此在应用铅同位素研究地质问题时,应尽量取足够多的样品;在样品点足够多的前提下,结合其它地质与地球化学资料进行综合分析,以便合理地解释铅同位素的演化,求出成岩、成矿时代。这些模式在燕山地区成岩成矿时期研究中,取得了较好的应用效果。图3-12 模式Ⅻ图解Fig.3-12 Lead-isotope evolution of model Ⅻ二、其它研究方法简介1.据矿石蚀变矿物的K-Ar法、Rb-Sr等时线法、裂变径迹法确定成矿时代上一章已述,燕山地区大部分类型的矿化都伴有强烈的蚀变,蚀变阶段性与矿化阶段性存在良好对应关系,两者形成时间相近。因此,蚀变矿物的同位素年龄能代表成矿时代。蚀变矿物绢云母、白云母、钾长石等适合于K-Ar法年龄测定,白云母、绢云母的K-Ar法年龄能较好地反映同期矿化时代。近矿蚀变矿物绢云母、白云母等的单矿物Rb-Sr等时线法年龄也能准确地反映成矿时代,是确定矿床形成时代的良好方法。蚀变矿物的裂变径迹法年龄常较实际成矿时代偏小,其上限能大致代表成矿时间(杨应平,1985,硕士论文)。2.据赋矿围岩时代与矿区岩脉时代间接推断成矿时代当有充分的资料说明矿化与围岩成岩作用存在成因联系时,围岩时代能代表成矿时代下限。表3-1说明燕山地区中生代赋矿岩体时代与矿化时代的一致性。当矿区内存在大量岩脉时,根据岩脉时代及岩脉与矿体相互穿切关系,也能较好地推断成矿时代。表3-1 岩体与其中金矿时代对比表3.据同成矿期控矿构造的成生、活动时间推断成矿时代任何控矿构造都属于某一个或某些构造体系,皆有一定的形成与活动时期;因此据同成矿期控矿构造的时代能定性推断部分矿床的成矿时代。古构造筛分有助于这方面的研究工作。官方服务官方网站