Sr-Nd同位素地球化學

陸源碎屑巖源區及其運移與剝蝕和沉淀過程的古地理和古氣候條件有密切關系。因此，源區能夠揭示盆地沉積環境中大規模的變化情況(Farmer and Ball，1997;Revel et al.，1996;Innocent and Marcel，2000;Walteretal.，2000;Pimentel et al.，2001;Dantas et al.，2009;等等)。盆地內來源于不同源區的沉積物應該保存其同位素和再循環的信息;盆地的演化則是受控于克拉通遠源和近源及其成分的大陸和沉積盆地長期伸展和沉陷的直接結果。由于Sm和Nd兩種元素化學性質相近以在地質作用過程中能保持相對的穩定性，應用Sm-Nd法能夠測定出巖石形成時間和物源區特征(Muculloch and Wasser-burg，1978;Nelson and Depaolo，1985;Awwiller，1991;Depaolo and Wasserburg，1976)，對研究“地殼形成年齡”和大陸省的演化更是一種有效的方法(沈渭洲等，1989;胡靄琴等，1999)。更有意義的是，在熱液流體導致巖石蝕變過程中，由于Sm-Nd同位素系統較之Rb-Sr同位素系統是不太敏感的，再加之熱液礦物中Sm和Nd的分配能被作為一種源區儲藏庫的示蹤劑、并作為成礦流體活動時代的潛在地質年代計，因而近十年來利用Sm-Nd同位素、并配以Rb-Sr同位素組成來探討成礦流體和成礦物質的來源已得到廣泛的應用(Johnson and McCulloch，1995;Huang et al.，2003;Skirrow et al.，2007;Castorina and Masi，2008)。一、測試樣品和參數計算本次系統開展了石碌礦區賦礦圍巖二透巖和白云巖全巖，以及含石榴子石條帶的貧鐵礦石的Rb-Sr，Sm-Nd同位素分析，以便調查沉積物來源、成礦物質的來源及其演化特征，為正確闡明石碌鐵礦床成礦物質富集規律提供依據。所分析的樣品中，有2個為貧鐵礦石、3個為白云巖、1個為白云巖中包體、9個為二透巖，這些樣品除SL26采自雞心坳外，其余均采自北一礦段。分析測試在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學重點實驗室完成，具體測試方法、原理及測試精度詳見劉穎等(1998)。此外，為開展賦礦圍巖與鐵礦石的對比，以獲取更詳細的成礦成礦物質來源信息，我們還引用了張仁杰等(1992)關于鐵礦石的Sm-Nd同位素定年數據，一并列入表6-9和表6-10中。基于本研究對石碌群沉積時限的初步厘定(見本章 第一節 )，取1000Ma對有關參數進行計算。另外，由于所分析的巖石和礦石樣品的fSm/Nd值在+0.01和－0.73之間，為減小Sm/Nd分餾的影響，在計算Nd模式年齡(TDM)時，均采用兩階段模式進行計算，即海南石碌鐵礦床成礦模式與找礦預測此外，為開展對比，以及消除對本次研究所獲得成礦年齡的疑問，我們還采取了張仁杰等(1992)所獲得的石碌礦區鐵礦石等時線年齡840Ma及本研究對成礦時代初步厘定的213Ma(詳見第七章 )對相關參數均進行計算，計算結果均列入表6-9和表6-10。所采用的計算公式引自LiandMcCulloch(1996)以及沈渭洲(1999)，詳細如下:εNd(t)=［(143Nd/144Nd)tm/(143Nd/144Nd)CHUR(t)－1］×104;(143Nd/144Nd)tm=(143Nd/144Nd)m－(147Sm/144Nd)m×(eλt－1);(143Nd/144Nd)CHUR(t)=(143Nd/144Nd)CHUR－(147Sm/144Nd)CHUR×(eλt－1);式中:m代表樣品值，計算中所采用的球粒隕石均一儲庫(CHUR)和虧損地幔(DM)的143Nd/144Nd和147Sm/144Nd比值分別為0.512638，0.513151和0.1967，0.2136。(147Sm/144Nd)C大陸殼平均值為0.1180;t為巖石結晶年齡或礦石形成年齡;λ147Sm=6.54×10－12a－1，(143Nd/144Nd)m和(147Sm/144Nd)m為樣品的現今測定值。另外，巖石或礦石的初始Sr同位素組成以(87Sr/86Sr)i或ISr表示，計算公式為(87Sr/86Sr)tm=(87Sr/86Sr)m－(87Rb/86Sr)m×(eλt－1);所計算的εSr(t)值為εSr(t)=［(87Sr/86Sr)tm/(87Sr/86Sr)CHURt－1］×104，其中:(87Sr/86Sr)CHURt=(87Sr/86Sr)CHUR－(87Rb/86Sr)CHUR×(eλt－1);(87Sr/86Sr)CHUR=0.7045，(87Rb/86Sr)CHUR=0.0827，λRb=1.42×10－11a－1。表6-9 石碌礦區鐵礦石和賦礦圍巖Sm-Nd 同位素分析數據及計算參數注: 帶*的樣品尋| 自張仁杰等(1 992 ) ，其余白測 ；Iis為Nd 初始值( 143 Nd/ 144N d ) ， 。表6-10 石碌礦區鐵礦石和賦礦圍巖Rb-Sr 同位素分析數據及計算參數注: lisr 為Sr 初始值( 87 Sr/ 86 Sr ) i 0二、測試和計算結果由表6-9和表6-10可知，若石碌群沉積成巖年齡以及礦床成礦年齡均在1000Ma左右，那么計算所得，富鐵礦石(143Nd/144Nd)i變化于0.510764～0.511105之間、εNd(t)變化于－4.74～－11.14之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于2021～2558Ma之間(平均2228Ma);貧鐵礦石(87Sr/86Sr)i為0.729910、εSr(t)為+369、(143Nd/144Nd)i變化于0.495129～0.498780之間、εNd(t)變化于－315.42～－245.76之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于20332～25240Ma之間;二透巖(87Sr/86Sr)i變化于0.576024～0.717789之間、εSr(t)變化于－1810～+206之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.510980～0.511189之間、εNd(t)變化于－7.19～－3.10之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于1889～2218Ma之間(平均2030Ma);白云巖(87Sr/86Sr)i變化于0.711082～0.720229之間、εSr(t)變化于110～240之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.510985～0.511514之間、εNd(t)變化于－7.08～－5.58之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于2089～2210Ma之間(平均2168Ma);白云巖中包體(87Sr/86Sr)i為0.691427、εSr(t)為－169、(143Nd/144Nd)i為0.511154、εNd(t)為－3.79，二階段釹模式年齡TDM2為1944Ma。若石碌群沉積成巖年齡以及礦床成礦年齡均在850Ma左右，那么，富鐵礦石(143Nd/144Nd)i變化于0.511192～0.511276之間、εNd(t)變化于－6.83～－5.19之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于1934～2067Ma之間(平均2008Ma);貧鐵礦石(87Sr/86Sr)i為0.729972、εSr(t)為+376、(143Nd/144Nd)i變化于0.497736～0.500770之間、εNd(t)變化于－269.88～－210.56之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于17687～21950Ma之間;二透巖(87Sr/86Sr)i變化于0.606343～0.721353之間、εSr(t)變化于－1381～+254之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.511152～0.511296之間、εNd(t)變化于－4.80～－7.61之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于1958～2130Ma之間(平均1999Ma);白云巖(87Sr/86Sr)i變化于0.711096～0.720291之間、εSr(t)變化于108～239之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.511109～0.511183之間、εNd(t)變化于－7.00～－8.46之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于2081～2199Ma之間(平均2121Ma);白云巖中包體(87Sr/86Sr)i為0.697609、εSr(t)為－84、(143Nd/144Nd)i為0.511273、εNd(t)為－5.25，二階段釹模式年齡TDM2為1939Ma。若石碌群沉積成巖年齡以及礦床成礦年齡均在213Ma左右，那么依計算所得，富鐵礦石(143Nd/144Nd)i變化于0.511868～0.513072之間、εNd(t)變化于－9.67～+13.83之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于－137～1778Ma之間;貧鐵礦石(87Sr/86Sr)i為0.70228、εSr(t)為+369、(143Nd/144Nd)i變化于0.508398～0.509199之間、εNd(t)變化于－77.41～－61.78之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于5942～7169Ma之間;二透巖(87Sr/86Sr)i變化于0.718527～0.735852之間、εSr(t)變化于+203～+449之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.511735～0.511935之間、εNd(t)變化于－8.38～－12.28之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于1673～1966Ma之間(平均1868Ma);白云巖(87Sr/86Sr)i變化于0.711153～0.720545之間、εSr(t)變化于98～231之間、(143Nd/144Nd)i變化于0.512011～0.511632之間、εNd(t)變化于－6.88～－14.29之間、二階段釹模式年齡TDM2變化于1552～2152Ma之間(平均1920Ma);白云巖中包體(87Sr/86Sr)i為0.722752、εSr(t)為+263、(143Nd/144Nd)i為0.511778、εNd(t)為－11.42，二階段釹模式年齡TDM2為1920Ma。三、結果解釋從上述結果可以得出如下信息，無論以何種成巖年齡和成礦年齡來計算相關參數，礦石和賦礦圍巖均有較均一的Sr-Nd同位素組成，反映它們的源區成分基本上是均一的;但以不同的成礦年齡和成巖年齡來計算的相關參數來看，Nd同位素組成較Sr同位素組成更為穩定，可能受后期熱液活動的影響相對較少，因而假設在不同的成礦和成巖年齡下所得出的富鐵礦石、二透巖和白云巖及白云巖中包體的Nd初始值［(143Nd/144Nd)i，εNd(t)］和Nd模式年齡(TDM2)均具有實際意義，但所計算的貧鐵礦石相關數據則無任何意義，可能反映貧鐵礦石的成因更為復雜或源區成分復雜;同樣，假設在不同的成礦和成巖年齡下計算Sr同位素初始值［(87Sr/86Sr)i，εSr(t)］，可以看出，貧鐵礦石和白云巖、白云巖中包體均有實際意義，而只有當采用213Ma來計算二透巖Sr同位素初始值［(87Sr/86Sr)i，εSr(t)］時，才均有實際意義，可能反映了二透巖Sr同位素組成受后期變質影響較大，因而可能記錄的是后期、也就是213Ma時期流體活動事件。因此，可以推測石碌鐵礦床至少經歷了二次成礦作用事件，一個可能大于或等于850～1000Ma，另一個為213Ma左右;而白云巖原巖形成年齡大于850～1000Ma、二透巖原巖變質年齡可能為213Ma。從Nd同位素組成和Nd模式年齡來看，無論是鐵礦石、還是賦礦圍巖，它們的源區可能主要是具有幔源物質較多的初生地殼或下地殼、或是富集型地幔，它們在地殼中停留時間至少在1900～2200Ma之間，這與海南島在2.0Ga左右有一次較強的地殼水平增長相一致(許德如等，2001a)，反映此時的海南島存在一次重要的地殼構造活動，并最終成為古元古代超級大陸的一部分(Unrung，1992;Windley，1993;李江海，1998)。但二透巖和白云巖中包體釹模式年齡(TDM2)較富鐵礦石和白云巖年輕，可能是年輕地幔源區加入的結果。在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd(圖6-20a)和87Rb/86Sr-87Sr/86Sr圖解上(圖6-20b)，富鐵礦石和賦礦圍巖均具有較好的正相關關系，反映它們來源于一個相對均一的源區，而貧鐵礦石顯然具有不同的源區而遠離這一相關曲線。在εNd(t)-TDM2圖解上(圖6-21a)，富鐵礦石和二透巖、白云巖和白云巖中包體也表現明顯的線性關系，但白云巖具有相對較高的TDM2釹模式年齡和較低的εNd(t)值，二透巖具有相對較高但范圍較大的εNd(t)值和相對較低的TDM2釹模式年齡，而富鐵礦TDM2釹模式年齡和εNd(t)值均有較窄的分布范圍、且落在二透巖范圍之內，反映二透巖成巖時其源區發生了改變，但與海相白云巖成明顯的線性關系可知，所加入的源區應與白云巖源區相一致，即可能是含有古老殼源物質的海相沉積物。石碌礦區石碌群二透巖鋯石SHRIMP定年所揭示的最老的Pb-Pb年齡為約1890Ma，而海南島西部古中元古代抱板群變沉積巖已有>2200Ma的Nd模式年齡信息(許德如等，2001a);SHRIMP鋯石U-Pb年齡已揭示海南島中東部屯昌晨星地區石炭系南好組(?)變沉積巖和夾于其內的變基性火成巖均含有大于2400MaPb-Pb年齡的繼承性巖漿鋯石存在(許德如等，2007b);張業明等(1997a)也獲得島東南部上安地區具麻粒巖相的斜長角閃片麻巖約2562Ma單顆鋯石U-Pb上交點年齡。因而可以推測，二透巖沉積時所加入的另一個源區中的古老殼源物質可能是來自于海南島東部(現今位置)古元古代-新太古代古老結晶基底，與長城系抱板群石英二云母片巖的源區巖中殼源物質相同(圖6-21b)，石碌群當時的沉積環境應處于淺海區的大陸邊緣一側，這與二透巖和礦石均具有Ce的正異常或弱的正異常相一致(圖6-10和圖6-13)，反映石碌群沉積于大陸邊緣盆地或裂解的弧后盆地(Armstrong et al.，1999)，并接受大陸邊緣沉積物。圖6-20 石碌礦區礦石、賦礦圍巖147Sm/144Nd-143Nd/144Nd(a)和87Rb/86Sr-87Sr/86Sr(b)圖解圖6-21 石碌礦區石碌群賦礦圍巖和其中富鐵礦礦石εNd(t)-TDM2(a)和(87Sr/86Sr)i(b)圖解Johnson and McCulloch(1995)和Gleason et al.(2000)先前已經證實Sm-Nd同位素系統在示蹤富REE的鐵氧化物熱液系統的作用。正如Ridley and Diamond(2000)注意到，熱液沉淀物的同位素成分將反映巖石和流體間原先同位素交換的綜合影響，而這種同位素交換又通常發生在流體運移通道中。對于Sm-Nd同位素系統，地幔來源的巖石普遍具有原始初期Nd同位素成分(也就是相對高的εNd(t)值)，而地殼來源的巖石趨于顯示更加演化的同位素成分(即更負的εNd(t)值)和更低的Nd含量(Skirrow et al.，2007)。因此，石碌礦區富鐵礦石和二透巖、白云巖全巖的Sm-Nd同位素組成可以認識在礦化和/或蝕變過程中REE元素的地幔和地殼的相對貢獻。從表6-8及圖6-21a可見，相對礦石和白云巖及白云巖中的包體，二透巖不僅具有相對較高的εNd(850Ma)值，而且具有相對高Nd含量［(14.85～31.77)×10－6］，其Sm/Nd比值則相對較低(0.18～0.27)，反映二透巖具有更多的年輕物質或地幔成分的參與。在圖6-22a中，二透巖、白云巖和白云巖中的包體整體表現正的相關關系，反映出Nd和Fe是在同樣的熱液流體中同時遷移的(Skirrow et al.，2007);但在圖6-22b、c中，二透巖εNd(t)和Co、Cu首先表現負的相關關系，然后再和白云巖一同表現正的相關關系，可能暗示有一個富Co和Cu的、具較多的更年輕物質或地幔成分的源區加入。而在圖6-22d中，二透巖表現εNd(t)和SiO2弱的正相關關系則更進一步證實賦礦圍巖中的REE來源于原始源區、而未受變質的影響。Sr-Nd同位素與O同位素之間的解耦可能歸于上、下地殼間的H2O含量和溫度(Cottinetal.，1998)。一般的，由于下地殼基本是無水性質以及其δ18O值并不比地幔更高(Taylor，1980)，因此，比起Sr和Nd同位素來說，O同位素不太受深部地殼混染的影響。然而，當早已被下地殼混染的地幔巖漿到達地表時，由于遇到濕的上地殼和高的含氧水/巖石比率，δ18OV-SMOW值將迅速升高，但因為更低的含Sr和Nd的水與巖石比，εNd(t)和(87Sr/86Sr)i同位素比值則不會有意義的改變。在εNd(t)-δ18OV-SMOW圖解上(圖6-23a)，二透巖和白云巖整體顯示負相關關系，而在(87Sr/86Sr)i-δ18OV-SMOW圖解上(圖6-23b)，二透巖和白云巖均表現正相關關系，且二透巖和白云巖均有較窄的δ18O值范圍，且當(87Sr/86Sr)i在0.7275左右時，二透巖δ18OV-SMOW值基本為常數，反映二透巖源區受到古老陸殼和海相沉積物的混染程度不大，或基本保存原巖特征。但白云巖εNd(t)值變化大，可能反映源區受到深部地殼成分影響較大。在圖6-22和圖6-24中，對于富鐵礦石、貧鐵礦石、鈷銅礦石、二透巖、白云巖中包體在SiO2與εNd(t)(圖6-22d)、δ18OV-SMOW(圖6-24a)和(87Sr/86Sr)i(圖6-24b)圖解上均表現負相關，而白云巖似乎有正的相關性，也表現相似的特征。海南石碌鐵礦床成礦模式與找礦預測圖6-22 石碌礦區富鐵礦礦石、賦礦圍巖εNd(t)與主要成礦元素Fe(FeO+Fe2O3)，Co，Cu和SiO2圖解McLennan et al.(1990、1993、1995)認為具有相對低的Th/Sc比值(如≤1)和相對高的εNd(t)值的沉積巖可能來源于不太分異的年輕地體;相反，這些具有更低的εNd(t)值和高的Th/Sc值(如≥1)的沉積巖普遍來源于上地殼。McLennan et al.(1990、1993、1995)同時也發現，來源于被動大陸邊緣環境的沉積巖具有相似于上地殼或古老地殼的地球化學和同位素印記，而來源于現代或相對年輕的弧后和大陸弧環境的沉積巖接近于安山巖和上地殼的混合線(例如安第斯前陸盆地:McLennan et al.，1993)，只有那些來源于弧前的沉積巖接近于安山巖和/或MORB源區。采用Tran et al.(2003)圖解，將石碌礦區Sm-Nd同位素參數回歸到1920Ma、并投入Th/Sc-εNd(t)和εNd(t)-fSm/Nd圖解上(圖6-25)，可以看出，二透巖主要投在安山巖和長英質火山巖成分一側(圖6-25a)，但有一定量古老地殼和上地殼成分的參與，而白云巖大約處于一個中性成分范圍，可能有弧來源的源區與古老地殼成分混合的結果;但在圖6-25b中，二透巖則主要落在弧地殼及其附近，并與白云巖、富鐵礦石呈線性分布而指向CHUR線(球粒隕石一致性源區:Depaolo and Wasserburg，1976)，反映這些賦礦圍巖和富鐵礦石均來源于弧前區域，僅有非常少量的上地殼和/或古老地殼的參與，因而與長城系抱板群石英二云母片巖有明顯地殼物質參與有一定區別。這種沉積環境反映了二透巖直接起源于第一循環物質，即其源區巖本身就是一火山弧地體，同樣的結論也可以反映到富鐵礦石的起源。然而，這種弧火山巖可能已經歷了殼內分異作用或殼內部分熔融過程，因為二透巖普遍具有負的Eu異常(見圖6-5)和高的Th/Sc比值，因而其源巖來源于一年輕分異的火山弧源區。圖6-23 石碌礦區賦礦圍巖δ18OV-SMOW與εNd(t)(a)和(87Sr/86Sr)i與δ18OV-SMOW圖解(b)圖6-24 石碌礦區鐵礦石、鈷銅礦石、賦礦圍巖及其中包體圖6-25 石碌礦區富鐵礦石、鈷銅礦石、賦礦圍巖及其中包體Th/Sc與εNd(t)(a)和εNd(t)與fSm/Nd圖解(b)
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。