成矿年代学的基本理论和研究方法

孙 芹 牛鹏飞

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069) (桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004)

成矿年代学的基本理论和研究方法

孙 芹 牛鹏飞

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069) (桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004)

成矿年代学在研究矿床成因和成矿作用的演化规律中发挥了重要作用，它是成矿作用研究的时间维。介绍了成矿年代学研究的基本理论及其研究进展和现状，详细评述了U-Pb法、40Ar-39Ar法、Re-Os法、Rb-Sr法和Sm-Nd法等同位素定年技术在金属矿床成矿年代学研究中的应用。成矿作用是极为复杂的，是多期多阶段的，只有重视成矿作用的演化过程，在详尽的基础地质研究基础上，选择有效的同位素定年方法，方可获得有意义的成矿年龄，有助于推进成矿年代学的发展。

成矿年代学；同位素定年；成矿年龄；研究方法

成矿年代是成矿作用三度空间演化的时间标定，它是从地质历史出发分析矿床生成、发展和演化规律的极其重要的科学依据。裴荣富等形象的将成矿年代学研究比喻为研究金属成矿省地质历史演化的钥匙，只有通过它才能打开金属成矿省演化的规律［1］。

作为矿床学研究的重要组成部分，金属矿床的成矿年代早在18世纪就已引起矿床学家的高度重视，但长期以来，由于实验设备和测试技术的落后，对成矿年代的科学认识并未取得与矿床理论认识的同步发展。由于大多数金属矿床经历了多期多阶段的矿化作用，其演化历史极为复杂；仅根据野外地质观察，间接地靠矿床容矿围岩的地层年代或与成矿有关岩体的同位素年龄推断成矿年代则不能体现成矿作用的动态过程，认识不到成矿作用随时间的演化，缺少成矿作用研究的时间维。

直到20世纪末放射性元素衰变定律的发现，产生发展了同位素地质年代学，开创了成矿年代学的新纪元。近30年来相继发展了许多成矿同位素测年方法，早期主要为热液蚀变矿物的40Ar-39Ar、Rb-Sr和Sm-Nd法(如云母、钾长石)，热液成因的副矿物的U-Pb法(如锆石、独居石、金红石)，以及矿物流体包裹体Rb-Sr和40Ar-39Ar法；近些年等时线概念的提出和应用，使同位素地质年龄更加接近地质作用的真实年龄，加之新一代高精度、高灵敏度测试仪器的开发以及计算机技术和分析测试技术的发展，使同位素地质年代学进一步向高精度、高灵敏度、微量化和自动化的方向发展。直接测试矿石矿物的同位素年龄，已经成为一种行之有效的方法，在成矿年代学研究中得到了较广泛的应用。

1 成矿年代学的基本理论

随着成矿学研究的迅速发展，矿床学家逐渐认识到，过去在一定地质构造背景下，根据不同矿床或不同类型矿床组合的时、空分布来圈定一个成矿区带的固定论看法是不全面的。特别是，上世纪末最后三届国际地质大会的召开，“演化成矿学”［2］、成矿“时间维”造就“空间维”［3］和“成矿演化是一切成矿因素的函数”［4］等动态成矿的新论点的提出，使成矿年代学研究被提到了一个新的高度。裴荣富等指出“金属成矿省的地质厉史演化和成矿年代学研究”应是20世纪末-21世纪初国际重大地学基础研究的问题之一［1］。成矿年代学有形成独立学科的趋势［5-6］，它是应用地质构造的、岩石的、矿物的、矿床的和同位素地质的多学科综合技术方法研究某一成矿区带的成矿地质历史演化，并赋以成矿年代的鉴证，促进成矿学的更大发展。

成矿年代学是认识金属成矿省演化规律的时钟［1］，其在研究矿床成因和成矿作用的演化规律中发挥了重要作用。近年来研究发现在西藏冈底斯斑岩成矿带内，不仅大规模存在后碰撞期的铜钼矿化(成矿年龄14Ma左右)［7-8］，而且还存在主碰撞期的铜钼矿化(成矿年龄50Ma左右)［9］。通过对广西大明山钨矿和大厂锡矿的成矿年代学研究表明［10-11］，丹池成矿带南段大明山矿田与北西段的大厂矿田一样，其属于同一成矿集中期的产物，具有巨大的找矿潜力。李晓峰等、张文兰等先后通过U-Pb、Re-Os同位素年代学研究，在南岭地区发现了与加里东期花岗岩有直接成因关系的钨钼矿化［12-13］。

2 成矿年代学的研究方法

同位素定年技术是获得成矿年代的最直接有效的方法之一，其无论对于单个矿床的典型研究还是对于一个成矿区带资源潜力的综合评价，都具有重要的理论和现实意义。综合前人研究资料，这些年研究成矿年代的主要同位素定年技术有U-Pb、40Ar-39Ar、Re-Os、Rb-Sr和Sm-Nd法等。

2.1U-Pb法

U-Pb法是同位素定年技术中应用最为广泛、最为经典的技术之一，长期以来受到人们的青睐。在成矿年代学研究中，早期主要应用于研究含沥青油矿、晶质铀矿等富铀矿物的伟晶岩型和热液型铀矿的成矿年龄，不少学者利用沥青油矿或晶质铀矿238U/204Pb-206Pb/204Pb等时线法研究了我国部分铀矿床的成矿年龄，并取得了较好的成果［14-16］。

随后研究者将目光投向了利用U-Pb法研究其他种类矿床或矿种的同位素定年，矿床中普遍存在的含铀矿物，如锆石、锡石、榍石、金红石、独居石、磷灰石及斜锆石等矿物进行精确的U-Pb同位素定年显得非常重要。研究表明，锆石可以直接从中低温热液流体中结晶生长［17-18］，有关金或其他中低温热液矿床中的热液成因锆石及成矿年代的研究时有报道［19-23］。如Claoué-Long等研究认为加拿大Abitibi绿岩带金矿床石英脉中锆石是在260～380℃、约200MPa的条件下与石英、自然金等热液矿物近于同时结晶形成的，并对这些热液锆石进行了SHRIMP U-Pb定年，测得含金石英脉的形成年龄［19］。Nesbitt等对伊比利亚东部黄铁矿带中典型块状硫化物矿床石英脉中的热液锆石进行SHRIMP U-Pb定年，成功获得的成矿年龄［21］。Hu等也利用SHRIMP技术测得胶东乳山金矿床含金石英脉中热液锆石的U-Pb年龄，该年龄与胶东地区大量高精度成矿年龄相一致［22］。

相对于锆石的多成因及复杂性，锡石的U-Pb同位素年龄地质意义则比较明确，通常可以解释为锡多金属矿床的成矿(锡矿化)时代［23］。Gulson和Jones指出，锡石属于金红石族矿物，当其具有较高的U含量时，可以作为U-Pb和Pb-Pb法测年的对象，并报道了南非Bushveld杂岩Zaaiplaats锡钨稀土矿床和印尼Belituna Island锡矿床的锡石年代学结果［24］。此后，时有采用锡石U-Pb法研究锡多金属矿床的报道［25-26］。

单矿物逐步Pb淋滤定年是近年来发展起来的一种新方法，可用来对矿床中硫化物或金属氧化物进行 Pb-Pb同位素定年。其基本原理是：普通铅主要赋存在硫化物晶格中，而放射成因铅主要在矿物空隙和缺陷中［27］，因此用不同种类、不同浓度的酸分步淋滤，可以将处于不同晶格位置上的放射成因铅按不同比例依次淋滤出来。如先用弱酸淋滤出来的以放射成因铅为主，后用强酸淋滤出来的以普通铅为主，这样每一步淋滤出来的铅就具有不同的铅同位素比值，从而构成一条Pb-Pb等时线［28］。该方法在成年代学研究中有不少成功的实例［29-31］。

2.240Ar-39Ar法

20世纪70年代产生并发展的40Ar-39Ar定年技术是一种高精度测年法，在成矿年代学研究中有较广泛的应用。部分学者采用40Ar-39Ar法直接测得了金属矿物的年龄，如York作了黄铁矿全熔40Ar-39Ar法测年，给出黄铁矿40Ar-39Ar等时线年龄与伴生的黑云母年龄相符合，代表了成矿时代［32］。Smith等采用激光探针法对单颗粒的黄铁矿进行了40Ar-39Ar定年研究，获得了有意义的年龄数据［33］。除此之外，40Ar-39Ar法测年更多的应用于测定与成矿有关的热液蚀变矿物(如钾长石、云母等)和矿石矿物流体包裹体的年龄，并获得了大量的研究成果［34-36］。特别是邱华宁等采用40Ar-39Ar真空击碎和阶段加热技术测定了东川式层状铜矿的石英样品(矿石)年龄［37］。Wilson等利用钾长石测定了智利ElSoldado铜矿床的成矿年龄［38］。蒋映德等首次把流体包裹体40Ar-39Ar测年技术应用于闪锌矿，对凡口铅锌矿的闪锌矿进行了直接定年，获得了可靠的等时线年龄和坪年龄［39］。白秀娟等通过赣南漂塘钨矿共生白云母和锡石40Ar-39Ar定年对比研究，结果表明锡石是40Ar-39Ar真空击碎分析理想的定年对象，其原生包裹体年龄代表了成矿年龄［40］。

2.3Re-Os法

20世纪末，随着电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和负离子热表面电离质谱(N-TIMS)分析技术的问世，Re-Os同位素技术得到了迅猛发展，尤其是在成矿年代学研究中应用异常活跃。Re和Os为亲铜铁元素，易富集于金属硫化物中。辉钼矿是主要的含Re矿物，而基本不含初始的Os，其中所含187Os是由187Re衰变而来的，被公认为是理想的Re-Os定年矿物，并提供了大量的斑岩型、矽卡岩型和脉状铜、钼、金、钨、锡等多金属矿床的成矿年龄。黄典豪等应用Re-Os法测定东秦岭几个大型钼矿床的成矿年龄，得出黄龙铺碳酸岩脉型钼(铅)矿床的Re-Os表面年龄为印支期，其余的斑岩型钼矿和斑岩型-矽卡岩型钼(钨)矿床的Re-Os表面年龄为燕山期［41］。Mao等获得了北祁连小柳沟矽卡岩型钨(钼)矿床和华南下寒武统黑色页岩中的钼-镍矿石的Re-Os同位素年龄［42-43］。Hou等报道了3条西藏高原冈底斯斑岩铜矿带辉钼矿Re-Os等时线年龄［44］。李晓峰等通过花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄和辉钼矿Re-Os年龄发现了华南志留纪的钼矿化［12］。

除辉钼矿Re-Os定年之外，很多研究者尝试用含超衡量Re和Os的金属硫化物定年，常见的有黄铁矿、黄铜矿、毒砂、闪锌矿等，并取得了较好的结果［45-47］。其中由于黄铁矿是多种类型矿床的主要金属矿物或共生组分，故得到了较为广泛的应用。毛景文等获得了新疆黄山东铜镍硫化物矿床的黄铁矿Re-Os等时线年龄［48］。刘玉龙等也获得了白云鄂博矿床的黄铁矿Re-Os等时线年龄［49］。

2.4Rb-Sr法

Rb-Sr同位素定年已研究30多年，它属相对活泼的元素，容易受到地质流体活动和后期热事件的干扰，不能很好的限定古老地壳的形成年龄，但通常可以用来限定某个地质事件的年龄［50］。Rb-Sr法研究成矿年龄，一种是根据测定与成矿同期的蚀变矿物或者流体包裹体的Rb-Sr同位素年龄，获得成矿年龄；另一种是通过直接测定矿床中金属矿物的Rb-Sr同位素年龄组成来确定成矿年龄。Nakai等对美国中东部密西西比型矿床中的闪锌矿进行Rb-Sr测年研究，获得了不含流体包裹体的闪锌矿样品的等时线年龄［51］。Tretbar等在研究北美卡林型Getchell金矿的硫砷铊汞矿时发现，此矿物在Getchell矿床中较为常见，并与富金的含砷黄铁矿为同期形成，且该矿物含有一定量的Rb但不含非放射成因的Sr，适合Rb-Sr定年，测定了Getchell金矿的成矿年龄［52］。杨进辉和周新华采用亚样品(sub-sample)取样，直接测定载金矿物-黄铁矿的Rb-Sr年龄，获得了胶东地区典型矿床玲珑金矿主成矿期的成矿年龄［53］。田世洪等利用单矿物闪锌矿和共生矿物组合黄铁矿与方铅矿Rb-Sr等时线方法以及共生矿物组合闪锌矿与黄铁矿Sm-Nd等时线方法测定了玉树地区东莫扎抓矿床的成矿时代；利用单矿物闪锌矿和共生矿物组合闪锌矿与方铅矿Rb-Sr等时线方法以及单矿物萤石和共生矿物组合方解石与萤石Sm-Nd等时线方法测定了莫海拉亨矿床的成矿时代［54］。马丽艳等获得了湖南东坡矿田金船塘、红旗岭锡多金属矿床的石英流体包裹体Rb-Sr等时线年龄［55］。李光来等用Rb-Sr等时线法测得江西中部徐山钨铜矿床的黑钨矿石英脉的镶边白云母亚样品年龄，获得了该矿床的成矿年龄［56］。

2.5Sm-Nd法

由于Sm和Nd的化学性质很相近，母体衰变形成的子体易在矿物晶格中保存下来，故矿物中的Sm-Nd同位素体系易保持封闭，具有较强的抗扰动能力，后期的热事件和变质事件对它的影响较小，适合用于矿床定年，尤其对一些古老矿床［28］。

近年来，大量研究表明热液矿床的形成过程中，稀土元素内部可发生强烈的分馏作用，导致一些热液矿物中的Sm、Nd变化很大，甚至远高出地壳岩石的正常值［57-60］；该发现为Sm-Nd同位素在成矿年代学研究中的应用奠定了基础。由于含钙矿物一般富稀土元素，因此萤石、白钨矿、电气石、方解石等含钙矿物是热液矿床进行Sm-Nd同位素定年的理想对象［61-63］。特别是白钨矿，它在矽卡岩型和脉状钨矿床中较为常见；也常常是热液金矿，特别是绿岩带金矿的一种常见伴生矿物，被认为是这些矿种最理想的测年对象。Bell等首次报道了加拿大新元古代Abitibi绿岩带金矿中白钨矿的Sm-Nd同位素年龄［61］，随后很多研究者利用白钨矿Sm-Nd法对绿岩带金矿或者钨矿进行了定年［64-66］。

3 结 语

由于同位素定年技术的发展和应用，成矿年代学研究在近几十年有了长足发展，研究积累了大量高精度的成矿年龄数据，发现不少重要矿床。但是，成矿作用是极为复杂的，是多期多阶段的，只有重视成矿作用的演化过程，在详尽的基础地质研究基础上，选择有效的同位素定年方法，方可获得有意义的成矿年龄，有助于推进成矿年代学的发展。

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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

孙芹(1987-)，女，2009年大学毕业，硕士生，现主要从事矿产普查与勘探方面的研究工作。

［编辑］ 易国华