现代实验测试技术在铜陵矿集区成岩成矿规律研究中的应用

聂全新

（安徽省地质测绘技术院，安徽合肥230022）

“地质、钻探、化验鼎足而立，三分天下有其一”，足以说明实验测试在地质行业的重要性。地球科学研究所取得的成果均离不开实验测试技术的进步，现代矿产地质工作面临着不分地区、不分矿种、不分专业的新动向，这就要求实验测试工作应密切结合地质工作的需求，针对“现、散、快、廉、难、全”的地质工作新特点研发相应的分析测试技术与设备[1]。十余年来围绕地质工作需求的发展历程，我国实验测试技术也取得了丰硕的成果[2]。

铜陵地区是我国大型矿集区之一，虽经过多年研究，但矿床成因的争议仍在进行之中[3-4]。正因如此，多元素同时测试技术、同位素测试技术、微区分析技术等现代实验测试技术在安徽铜陵矿集区成岩成矿规律研究中作用发挥得淋漓尽致。

1 多元素同时测试技术

全 岩 主 量 元 素（Si、Fe、Al、K、Na、Ca、Mg、Mn、Ti、P等）分析，即硅酸盐全分析在地球化学应用中，主要是利用其结果来进行岩石的分类和命名，构筑成三角图解，来推测岩石形成可能的地球化学过程，投影到实验确定的相图上，可获取岩石形成条件的信息，推测熔融作用的物理化学条件和熔体随后的结晶作用历史。

例如：全碱-硅图解（TAS）分类是适合于火山岩分类和命名的分类方案之一，选用硅酸盐全分析结果，即Na2O 和K2O 含量之和（全碱-TA）以及SiO2的含量（S），投影到分类图解上就可以达到岩石分类的目的。然而，传统手工操作的硅酸盐化学全分析，实验流程长，测试效率低，难以满足批量样品的测试要求，而采用现代X-射线荧光光谱法（XFR），不但效率提高10 倍以上，而且精度可达到0.5%，准确度也远优于传统方法。

微量元素在岩石学研究中具有重要的作用，其中稀土元素（REE）分析的精密度和准确度要求最高。这是因为稀土元素的离子半径和化学行为的细微差别可造成许多成岩过程中轻重稀土发生分馏，其中Eu 和Ce 的异常还具有特殊的地球化学意义。在地球化学研究中，正是利用了稀土元素分馏特征，结合活泼元素（Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu）和较不活泼元素（Y、Hf、Zr、Ti、Nb、Ta）的多元素蜘蛛图解，来讨论一套岩石的成因过程。

显然，传统的稀土总量及单元素的测定方法分析在精密度、准确度和检测限方面无法满足“分馏研究”要求，只有ICP-AES 和ICP-MS 等现代大型仪器的多元素同时分析技术取得突破并得到全面应用，才使得海量的高精度、高准确度的实验测试数据得以积累，地球化学研究才得以深入。这一点，在铜陵矿集区侵入岩成因研究及岩浆岩与金矿床的研究中得到充分证明[5-7]。

2 同位素测试技术

同位素地质学是地质学科一个重要分支，已渗透到地质学、地球化学的各个方面，对解决成岩成矿时代及矿质来源等一系列重大基础地质学问题发挥了关键性的作用。然而，无论是U-Th-Pb、Sm-Nb、Rb-Sr、K-Ar、Ar-Ar、Re-Os、Lu-Hf 等放射性同位素体系还是C、N、O、S、Si、Li、Fe、Cu 等稳定同位素体系的研究应用，均离不开超微超纯的化学分离、高精度的质谱测量及快速发展的计算机技术，现代同位素体系在铜陵矿集区成矿规律研究中发挥了重要作用[8-11]。

2.1 辉钼矿Re-Os 同位素定年

正因为Re-Os 同位素的化学前处理及高精度的质谱测量技术的突破，才使得矿床年代学研究产生了质的飞跃，从以往根据成岩年代间接推测成矿年代发展到直接测定金属矿床成矿年代。毛景文等[12]通过对铜陵地区16 件辉钼矿样品进行Re-Os 同位素年代测定，结果清楚地反映出夕卡岩-斑岩Cu-Au-Fe-Mo 矿床与层控夕卡岩Cu-Au-Mo 矿床为同一时代形成，属于同一成矿系统，认为作为中国东部大规模成矿作用的组成部分，长江中下游地区铜钼金矿床的形成与岩石圈构造体制大转换之地球动力学事件相耦合，为中生代第二期大规模成矿作用的产物。

殷延端等[13]对铜陵姚家岭锌金多金属矿进行了辉钼矿Re-Os 同位素定年研究。结果表明，姚家岭锌金多金属矿形成于早白垩世晚期，并与铜陵矿集区其他金属矿床成岩成矿年龄一致。矿床形成于长江中下游燕山期成岩成矿作用的第一期成矿期，处于中国东部区域构造-动力机制转换阶段。

2.2 锆石SHRIMP 及激光烧蚀质谱（LA-ICP-MS）技术

高灵敏、高分辨二次离子探针质谱计（SHRIMP）的应用，为同位素地质学研究提供一台利器，促进了我国同位素地质学研究水平迈上了国际先进的台阶。而激光烧蚀多接收质谱（LA-MC-ICPMS）技术广泛应用于高精度的微区原位锆石U-Pb 定年及Hf 同位素测定，也同时促进了我国成矿年代学及成矿物质来源研究得以深入与发展，这项技术在铜陵矿集区研究中也得到充分展示。

吴淦国等[14]选取铜陵矿集区5 个典型的中生代侵入岩体—沙滩脚石英二长斑岩、冬瓜山辉石二长岩、新桥二长岩、凤凰山花岗闪长岩、小铜官山石英二长闪长岩,进行了系统的SHRIMP 锆石U-Pb 定年,给出了（151.8±2.6）～（142.8±1.8）Ma 的年龄值,对该区侵入岩的形成时代提供了精确约束,表明晚侏罗世末是该区岩浆活动的高峰期。

铜陵狮子山矿田发育大量岩浆岩，且与矿田中的铜-金-多金属成矿关系密切。徐晓春等[15]利用锆石SHRIMP 同位素精确定年表明，矿田中的岩浆侵位年龄在132.4～142.9 Ma 之间，即晚侏罗世一早白垩世，属燕山早期晚阶段。矿田岩浆岩体是在同期岩浆活动中多次侵位形成的，岩浆侵入活动可以划分为分别起始于140 Ma 前后和约136 Ma 的早晚两次。

长江中下游成矿带铜陵矿集区内的许多矿床皆与中生代岩浆岩的侵入密切相关，宋扬等[16]选取新桥矿床矶头岩体为研究对象，进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb 定年以及岩体地质和矿物学研究。锆石的高Th/U 比值特征及典型岩浆锆石环带显示其为岩浆成因。矶头岩体中主体石英闪长岩16 个测点的加权平均年龄为（141.6±1.1）Ma，后期侵入的闪长玢岩20 个测点加权平均年龄为（129.95±0.6）Ma。两者均形成于早白垩世，矿区内岩浆活动至少有两期，主岩浆作用为141 Ma。

高精度同位素定年与示踪结合多元素同时分析技术是当今地球化学研究矿床成因、时空演化、物质来源的一个不可或缺的技术手段。郭维民等[17]对铜陵狮子山矿田侵入岩LA-ICP-MS 定年结果表明,白芒山辉石闪长岩及冬瓜山和狮子山石英闪长岩结晶年龄分别为（139.9±1.9）,（138.0±1.7）和（138.4±1.7）Ma。三个岩体均为高钾、富碱、准铝质岩石,在稀土与微量元素特征上均表现出富集轻稀土元素、大离子亲石元素、亏损重稀土元素、高场强元素,弱Eu 负异常等特征。锆石原位Hf 同位素分析显示，三个岩体的锆石Hf 同位素组成均具有较大的变化范围。冬瓜山和狮子山石英闪长岩具有类似埃达克质岩石的地球化学特征,如高Sr,低Y,高Sr/Y 比值等。

宁思远等[18]利用LA-ICPMS 锆石U-Pb 定年结合多元素同时分析手段，对成因仍然存在分歧的铜陵宝山地区的侵入岩和其中的包体进行了系统的矿物学、岩石学和元素地球化学研究。结果表明:宝山花岗闪长岩和其中的辉石闪长岩包体分别形成于（143.8±3.2）Ma（2σ,MSWD=2.3）和（142.9±2.9）Ma（2σ,MSWD=2.2）,属于早白垩世;宝山岩体地球化学特征表明其主体具有典型的埃达克岩特征,如较大SiO2含量变化范围（52.88%～63.66%）,高Al2O3含量（平均值为16.03%）、高Sr/Y（33.4～102,平均为72.9）和Sr/La 比值,低Y 和Yb 含量、低（La/Yb）N（14.6 ～26.6,平均值为21.4）和K2O/Na2O（平均值为0.39）比值。

2.3 稳定同位素体系

稳定同位素体系及其近年发展起来的非传统Fe、Cu 同位素体系示踪技术同样在铜陵矿集区成岩成矿规律研究中发挥着积极作用。

徐晓春等[19]对矿石矿物中的硫化物和硫酸盐的硫同位素组成进行了分析研究，认为虽然硫同位素组成特征显示区域沉积岩成岩过程中经历了明显的海水沉积作用和细菌硫酸盐还原作用,但冬瓜山矿床矿石没有保存海西期沉积成矿的硫同位素证据。

刘忠法等[20]对冬瓜山铜（金）矿床不同类型矿体的氢、氧、硫、铅同位素进行了系统测定，并将冬瓜山铜（金）矿床与铜陵矿集区内典型矽卡岩型矿床的硫、铅同位素组成进行了对比研究。结果表明:冬瓜山铜（金）矿床不同类型矿体之间具有相同的物质成分来源,不同类型矿矿体的成矿流体主要来源于岩浆水,硫源均为岩浆硫,且与区域上典型矽卡岩型矿床的硫同位素组成一致。铅同位素特征表明,不同类型矿体铅的来源主要为与岩浆作用有关的幔源铅。

王跃[21]首次对铜陵矿集区新桥、冬瓜山和凤凰山矿床的Fe、Cu 同位素组成进行了系统研究,结果表明：同一矿床不同矿物和不同矿床的同种矿物的Fe 同位素组成均不同，但三个成因类型相近的矿床具有大致相同的Fe 同位素变化范围；相对于斑铜矿，共生的黄铜矿显示系统的重Fe 同位素的富集；相对于黄铜矿,同一样品中的黄铁矿富集Fe 的重同位素。三个矿床具有大致相同的Cu 同位素组成变化范围,整体上呈现出重Cu 同位素富集的特征；相对于斑铜矿,共生的黄铜矿富集铜的重同位素。

3 微区分析技术

不仅是多元素同时分析，锆石U-Pb 定年与Hf 同位素示踪以及稳定同位素体系分析技术，诸如粉晶X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）、流体包裹体的激光拉曼分析（LRM）、测温与氢氧同位素测定以及电子探针等微尺度观察及微区分析技术也同样在铜陵矿集区成岩成矿规律研究中得到充分应用。

谢巧勤等[22]利用粉晶X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）对新桥硫铁矿床中的胶状黄铁矿物相、形貌、微结构进行研究,认为这些形貌和微结构特征显示胶状黄铁矿为微生物参与的矿化产物；新桥硫铁矿中胶状黄铁矿形貌和微结构差异是其就位空间和演化过程差异所致。该研究为新桥矿床乃至铜陵矿集区胶状黄铁矿成因和成矿作用提供了微尺度的矿物学支撑。

郑平等[23]对铜陵地区胡村铜矿床流体包裹体研究表明，胡村矿床浅部矿体成矿作用主要受温度控制，铜在高温状态呈迁移状态，在水－岩反应的影响作用下，大气降水与成矿流体不断混合，导致流体体系温度快速下降，成矿物质开始沉淀富集成矿。

杨小男等[24]利用电子探针分析手段,对大团山伴生钼矿主矿体中硅质页岩、矽卡岩以及黑色碳质页岩中辉钼矿的分布规律进行研究,试图通过其赋存状态,探讨钼矿化的地质背景及成因,以深化对本区钼成矿规律的认识,并为进一步寻找伴生钼矿床提供科学依据。

4 结束语

（1）铜陵地区是我国大型矿集区之一，多种现代实验测试技术在安徽铜陵矿集区成岩成矿规律研究中得到充分的应用。

（2）全岩主量元素XRF 分析与微量元素ICP-AES和ICP-MS 的现代仪器同时测定技术的发展，无论是在样品分析测试效率还是在精密度、准确度和检测限方面，较传统以手工操作为主的测试方法是一个根本性的改变。

（3）高灵敏、高分辨二次离子探针质谱计（SHRIMP）与高精度的微区原位激光烧蚀多接收质谱（LA-MC-ICPMS）技术广泛应用于锆石U-Pb 定年及Hf同位素测定，为同位素地质学研究提供一台利器，促进了我国同位素地质学研究水平迈上了国际先进的台阶。同位素结合多元素同时分析技术是当今地球化学研究矿床成因、时空演化、物质来源的一个不可或缺的技术手段。

（4）粉晶X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）、流体包裹体的激光拉曼分析（LRM）、测温与氢氧同位素测定以及电子探针等微尺度观察及微区分析技术在成岩成矿规律研究中同样发挥着重要作用。