現代實驗測試技術在銅陵礦集區成巖成礦規律研究中的應用

聶全新

（安徽省地質測繪技術院，安徽合肥230022）

“地質、鉆探、化驗鼎足而立，三分天下有其一”，足以說明實驗測試在地質行業的重要性。地球科學研究所取得的成果均離不開實驗測試技術的進步，現代礦產地質工作面臨著不分地區、不分礦種、不分專業的新動向，這就要求實驗測試工作應密切結合地質工作的需求，針對“現、散、快、廉、難、全”的地質工作新特點研發相應的分析測試技術與設備[1]。十余年來圍繞地質工作需求的發展歷程，我國實驗測試技術也取得了豐碩的成果[2]。

銅陵地區是我國大型礦集區之一，雖經過多年研究，但礦床成因的爭議仍在進行之中[3-4]。正因如此，多元素同時測試技術、同位素測試技術、微區分析技術等現代實驗測試技術在安徽銅陵礦集區成巖成礦規律研究中作用發揮得淋漓盡致。

1 多元素同時測試技術

全 巖 主 量 元 素（Si、Fe、Al、K、Na、Ca、Mg、Mn、Ti、P等）分析，即硅酸鹽全分析在地球化學應用中，主要是利用其結果來進行巖石的分類和命名，構筑成三角圖解，來推測巖石形成可能的地球化學過程，投影到實驗確定的相圖上，可獲取巖石形成條件的信息，推測熔融作用的物理化學條件和熔體隨后的結晶作用歷史。

例如：全堿-硅圖解（TAS）分類是適合于火山巖分類和命名的分類方案之一，選用硅酸鹽全分析結果，即Na2O 和K2O 含量之和（全堿-TA）以及SiO2的含量（S），投影到分類圖解上就可以達到巖石分類的目的。然而，傳統手工操作的硅酸鹽化學全分析，實驗流程長，測試效率低，難以滿足批量樣品的測試要求，而采用現代X-射線熒光光譜法（XFR），不但效率提高10 倍以上，而且精度可達到0.5%，準確度也遠優于傳統方法。

微量元素在巖石學研究中具有重要的作用，其中稀土元素（REE）分析的精密度和準確度要求最高。這是因為稀土元素的離子半徑和化學行為的細微差別可造成許多成巖過程中輕重稀土發生分餾，其中Eu 和Ce 的異常還具有特殊的地球化學意義。在地球化學研究中，正是利用了稀土元素分餾特征，結合活潑元素（Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu）和較不活潑元素（Y、Hf、Zr、Ti、Nb、Ta）的多元素蜘蛛圖解，來討論一套巖石的成因過程。

顯然，傳統的稀土總量及單元素的測定方法分析在精密度、準確度和檢測限方面無法滿足“分餾研究”要求，只有ICP-AES 和ICP-MS 等現代大型儀器的多元素同時分析技術取得突破并得到全面應用，才使得海量的高精度、高準確度的實驗測試數據得以積累，地球化學研究才得以深入。這一點，在銅陵礦集區侵入巖成因研究及巖漿巖與金礦床的研究中得到充分證明[5-7]。

2 同位素測試技術

同位素地質學是地質學科一個重要分支，已滲透到地質學、地球化學的各個方面，對解決成巖成礦時代及礦質來源等一系列重大基礎地質學問題發揮了關鍵性的作用。然而，無論是U-Th-Pb、Sm-Nb、Rb-Sr、K-Ar、Ar-Ar、Re-Os、Lu-Hf 等放射性同位素體系還是C、N、O、S、Si、Li、Fe、Cu 等穩定同位素體系的研究應用，均離不開超微超純的化學分離、高精度的質譜測量及快速發展的計算機技術，現代同位素體系在銅陵礦集區成礦規律研究中發揮了重要作用[8-11]。

2.1 輝鉬礦Re-Os 同位素定年

正因為Re-Os 同位素的化學前處理及高精度的質譜測量技術的突破，才使得礦床年代學研究產生了質的飛躍，從以往根據成巖年代間接推測成礦年代發展到直接測定金屬礦床成礦年代。毛景文等[12]通過對銅陵地區16 件輝鉬礦樣品進行Re-Os 同位素年代測定，結果清楚地反映出夕卡巖-斑巖Cu-Au-Fe-Mo 礦床與層控夕卡巖Cu-Au-Mo 礦床為同一時代形成，屬于同一成礦系統，認為作為中國東部大規模成礦作用的組成部分，長江中下游地區銅鉬金礦床的形成與巖石圈構造體制大轉換之地球動力學事件相耦合，為中生代第二期大規模成礦作用的產物。

殷延端等[13]對銅陵姚家嶺鋅金多金屬礦進行了輝鉬礦Re-Os 同位素定年研究。結果表明，姚家嶺鋅金多金屬礦形成于早白堊世晚期，并與銅陵礦集區其他金屬礦床成巖成礦年齡一致。礦床形成于長江中下游燕山期成巖成礦作用的第一期成礦期，處于中國東部區域構造-動力機制轉換階段。

2.2 鋯石SHRIMP 及激光燒蝕質譜（LA-ICP-MS）技術

高靈敏、高分辨二次離子探針質譜計（SHRIMP）的應用，為同位素地質學研究提供一臺利器，促進了我國同位素地質學研究水平邁上了國際先進的臺階。而激光燒蝕多接收質譜（LA-MC-ICPMS）技術廣泛應用于高精度的微區原位鋯石U-Pb 定年及Hf 同位素測定，也同時促進了我國成礦年代學及成礦物質來源研究得以深入與發展，這項技術在銅陵礦集區研究中也得到充分展示。

吳淦國等[14]選取銅陵礦集區5 個典型的中生代侵入巖體—沙灘腳石英二長斑巖、冬瓜山輝石二長巖、新橋二長巖、鳳凰山花崗閃長巖、小銅官山石英二長閃長巖,進行了系統的SHRIMP 鋯石U-Pb 定年,給出了（151.8±2.6）～（142.8±1.8）Ma 的年齡值,對該區侵入巖的形成時代提供了精確約束,表明晚侏羅世末是該區巖漿活動的高峰期。

銅陵獅子山礦田發育大量巖漿巖，且與礦田中的銅-金-多金屬成礦關系密切。徐曉春等[15]利用鋯石SHRIMP 同位素精確定年表明，礦田中的巖漿侵位年齡在132.4～142.9 Ma 之間，即晚侏羅世一早白堊世，屬燕山早期晚階段。礦田巖漿巖體是在同期巖漿活動中多次侵位形成的，巖漿侵入活動可以劃分為分別起始于140 Ma 前后和約136 Ma 的早晚兩次。

長江中下游成礦帶銅陵礦集區內的許多礦床皆與中生代巖漿巖的侵入密切相關，宋揚等[16]選取新橋礦床磯頭巖體為研究對象，進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年以及巖體地質和礦物學研究。鋯石的高Th/U 比值特征及典型巖漿鋯石環帶顯示其為巖漿成因。磯頭巖體中主體石英閃長巖16 個測點的加權平均年齡為（141.6±1.1）Ma，后期侵入的閃長玢巖20 個測點加權平均年齡為（129.95±0.6）Ma。兩者均形成于早白堊世，礦區內巖漿活動至少有兩期，主巖漿作用為141 Ma。

高精度同位素定年與示蹤結合多元素同時分析技術是當今地球化學研究礦床成因、時空演化、物質來源的一個不可或缺的技術手段。郭維民等[17]對銅陵獅子山礦田侵入巖LA-ICP-MS 定年結果表明,白芒山輝石閃長巖及冬瓜山和獅子山石英閃長巖結晶年齡分別為（139.9±1.9）,（138.0±1.7）和（138.4±1.7）Ma。三個巖體均為高鉀、富堿、準鋁質巖石,在稀土與微量元素特征上均表現出富集輕稀土元素、大離子親石元素、虧損重稀土元素、高場強元素,弱Eu 負異常等特征。鋯石原位Hf 同位素分析顯示，三個巖體的鋯石Hf 同位素組成均具有較大的變化范圍。冬瓜山和獅子山石英閃長巖具有類似埃達克質巖石的地球化學特征,如高Sr,低Y,高Sr/Y 比值等。

寧思遠等[18]利用LA-ICPMS 鋯石U-Pb 定年結合多元素同時分析手段，對成因仍然存在分歧的銅陵寶山地區的侵入巖和其中的包體進行了系統的礦物學、巖石學和元素地球化學研究。結果表明:寶山花崗閃長巖和其中的輝石閃長巖包體分別形成于（143.8±3.2）Ma（2σ,MSWD=2.3）和（142.9±2.9）Ma（2σ,MSWD=2.2）,屬于早白堊世;寶山巖體地球化學特征表明其主體具有典型的埃達克巖特征,如較大SiO2含量變化范圍（52.88%～63.66%）,高Al2O3含量（平均值為16.03%）、高Sr/Y（33.4～102,平均為72.9）和Sr/La 比值,低Y 和Yb 含量、低（La/Yb）N（14.6 ～26.6,平均值為21.4）和K2O/Na2O（平均值為0.39）比值。

2.3 穩定同位素體系

穩定同位素體系及其近年發展起來的非傳統Fe、Cu 同位素體系示蹤技術同樣在銅陵礦集區成巖成礦規律研究中發揮著積極作用。

徐曉春等[19]對礦石礦物中的硫化物和硫酸鹽的硫同位素組成進行了分析研究，認為雖然硫同位素組成特征顯示區域沉積巖成巖過程中經歷了明顯的海水沉積作用和細菌硫酸鹽還原作用,但冬瓜山礦床礦石沒有保存海西期沉積成礦的硫同位素證據。

劉忠法等[20]對冬瓜山銅（金）礦床不同類型礦體的氫、氧、硫、鉛同位素進行了系統測定，并將冬瓜山銅（金）礦床與銅陵礦集區內典型矽卡巖型礦床的硫、鉛同位素組成進行了對比研究。結果表明:冬瓜山銅（金）礦床不同類型礦體之間具有相同的物質成分來源,不同類型礦礦體的成礦流體主要來源于巖漿水,硫源均為巖漿硫,且與區域上典型矽卡巖型礦床的硫同位素組成一致。鉛同位素特征表明,不同類型礦體鉛的來源主要為與巖漿作用有關的幔源鉛。

王躍[21]首次對銅陵礦集區新橋、冬瓜山和鳳凰山礦床的Fe、Cu 同位素組成進行了系統研究,結果表明：同一礦床不同礦物和不同礦床的同種礦物的Fe 同位素組成均不同，但三個成因類型相近的礦床具有大致相同的Fe 同位素變化范圍；相對于斑銅礦，共生的黃銅礦顯示系統的重Fe 同位素的富集；相對于黃銅礦,同一樣品中的黃鐵礦富集Fe 的重同位素。三個礦床具有大致相同的Cu 同位素組成變化范圍,整體上呈現出重Cu 同位素富集的特征；相對于斑銅礦,共生的黃銅礦富集銅的重同位素。

3 微區分析技術

不僅是多元素同時分析，鋯石U-Pb 定年與Hf 同位素示蹤以及穩定同位素體系分析技術，諸如粉晶X 射線衍射（XRD）、場發射掃描電鏡（FE-SEM）和高分辨透射電鏡（HR-TEM）、流體包裹體的激光拉曼分析（LRM）、測溫與氫氧同位素測定以及電子探針等微尺度觀察及微區分析技術也同樣在銅陵礦集區成巖成礦規律研究中得到充分應用。

謝巧勤等[22]利用粉晶X 射線衍射（XRD）、場發射掃描電鏡（FE-SEM）和高分辨透射電鏡（HR-TEM）對新橋硫鐵礦床中的膠狀黃鐵礦物相、形貌、微結構進行研究,認為這些形貌和微結構特征顯示膠狀黃鐵礦為微生物參與的礦化產物；新橋硫鐵礦中膠狀黃鐵礦形貌和微結構差異是其就位空間和演化過程差異所致。該研究為新橋礦床乃至銅陵礦集區膠狀黃鐵礦成因和成礦作用提供了微尺度的礦物學支撐。

鄭平等[23]對銅陵地區胡村銅礦床流體包裹體研究表明，胡村礦床淺部礦體成礦作用主要受溫度控制，銅在高溫狀態呈遷移狀態，在水－巖反應的影響作用下，大氣降水與成礦流體不斷混合，導致流體體系溫度快速下降，成礦物質開始沉淀富集成礦。

楊小男等[24]利用電子探針分析手段,對大團山伴生鉬礦主礦體中硅質頁巖、矽卡巖以及黑色碳質頁巖中輝鉬礦的分布規律進行研究,試圖通過其賦存狀態,探討鉬礦化的地質背景及成因,以深化對本區鉬成礦規律的認識,并為進一步尋找伴生鉬礦床提供科學依據。

4 結束語

（1）銅陵地區是我國大型礦集區之一，多種現代實驗測試技術在安徽銅陵礦集區成巖成礦規律研究中得到充分的應用。

（2）全巖主量元素XRF 分析與微量元素ICP-AES和ICP-MS 的現代儀器同時測定技術的發展，無論是在樣品分析測試效率還是在精密度、準確度和檢測限方面，較傳統以手工操作為主的測試方法是一個根本性的改變。

（3）高靈敏、高分辨二次離子探針質譜計（SHRIMP）與高精度的微區原位激光燒蝕多接收質譜（LA-MC-ICPMS）技術廣泛應用于鋯石U-Pb 定年及Hf同位素測定，為同位素地質學研究提供一臺利器，促進了我國同位素地質學研究水平邁上了國際先進的臺階。同位素結合多元素同時分析技術是當今地球化學研究礦床成因、時空演化、物質來源的一個不可或缺的技術手段。

（4）粉晶X 射線衍射（XRD）、場發射掃描電鏡（FE-SEM）和高分辨透射電鏡（HR-TEM）、流體包裹體的激光拉曼分析（LRM）、測溫與氫氧同位素測定以及電子探針等微尺度觀察及微區分析技術在成巖成礦規律研究中同樣發揮著重要作用。