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银同位素分析方法的建立及在典型热液矿床中的应用

文献类型:学位论文

作者弓昊天
答辩日期2024
文献子类博士
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院地球化学研究所
导师蓝廷广、齐有强
关键词银同位素,高基体元素,银的纯化分离,胶东金矿,川滇黔矿集区
其他题名Establishment of silver isotope analysis method and its application in typical hydrothermal deposits in China
英文摘要

作为新兴非传统稳定同位素,银同位素近年来在矿床学、天体化学、环境科学及考古学等领域得到了良好的应用,成为研究地球与行星科学的有利工具。地球上的原生银矿大多为热液矿床,除独立银矿外,在众多矿床中Ag都作为重要伴生元素参与成矿(如热液金矿床、MVT型Pb-Zn矿床)。相比传统C-H-O-S稳定同位素,直接参与成矿的银同位素将提供更多有价值的数据,对矿床的成矿物质来源与精细成矿过程有更直接的指示。现阶段,银同位素在矿床学领域的方法与应用方面还存在以下问题:(1)矿石样品中大量基体元素对银同位素测试存在影响,Ag的纯化分离流程还需改进;(2)前人工作更多聚焦全球性、区域性研究,银同位素剖析单个矿床成矿过程等系统性工作有待深入研究;(3)非传统同位素多应用于成矿过程研究,银同位素能否示踪成矿源区也有待验证。基于上述问题,本文在前人基础上建立与优化了主要赋银矿物中银的纯化分离流程,实现了矿石样品中高基体元素下的银同位素精准测试,为后续在矿床学中的应用提供了相应的实验依据。在此基础上,以胶东地区典型发育的石英脉与蚀变岩型金矿为对象,通过不同金矿化阶段银同位素组成、对比,来指示二者成矿过程和金沉淀机制的差异。此外,以川滇黔Pb-Zn矿集区不同区带中MVT铅锌矿床为研究对象,测试主成矿期硫化物中的银同位素值,尝试从银同位素的角度示踪矿床的金属源区。前期实验材料的清洗、矿石样品溶解等流程均在超净实验室中完成。常见的含银矿石样品中存在大量的基体元素(如单原子离子106Cd+、108Cd+及多原子离子如65Cu40Ar+、66Zn40Ar+等),如分离不完全,它们的存在会在MC-ICPMS分析测试过程中对目标元素Ag或内标Pd产生同质异位离子干扰。因此,在进行MC-ICPMS分析测试前,需要对样品中的银进行充分的分离提纯。在前人研究基础上,我们建立了串联柱的银纯化分离流程,适用于黄铁矿、方铅矿等常见矿物。然而上述流程不能将以闪锌矿为代表的高Zn矿物中的Ag与Zn完全分离,难以获得高质量的银同位素数据。针对此种情况,我们对已有流程进行了优化,采用两阶段离子交换流程,取得良好效果。串联柱流程Ag的回收率为98.5±2.7%(2SD,n=4),两阶段离子交换流程Ag的回收率为98.1±2.3%(2SD,n=4)。MC-ICPMS测试过程中,应用样品-标样间插法(SSB)结合Pd外部均一化校正仪器质量偏差,样品与标样中的Pd:Ag值为20:1。使用银同位素的国际标样NIST SRM 978a与内部标样IAEA-S-1进行长期重现性检测,两者δ109Ag值分别为0.000±0.030‰(n = 25,2SD)与0.054±0.023‰(n = 22,2SD)。使用NIST SRM 978a与IAEA-S-1溶液检测串联柱流程,所得δ109Ag值分别为0.009±0.027‰01(n = 4, 2SD)与0.058±0.023‰(n = 3, 2SD);选择了混入Zn的NIST SRM 978a标准溶液(Ag/Zn = 1 : 20)测试两阶段离子交换流程,所得δ109Ag值为0.004±0.011‰(n = 3, 2SD),表明两个纯化流程均可以保证得到精准的结果。此后,选取我国不同矿床中的8个闪锌矿样品,它们的银同位素值大大拓展了之前自然银为主的同位素数据,暗示了在成矿过程中不同赋存状态下的银同位素可以发生较大程度分馏,显示出较大的应用潜力。胶东金矿是我国最重要的黄金产地,石英脉型金矿(又称玲珑式)和蚀变岩型金矿(又称焦家式)是最主要的矿化类型,金主要以“可见金”的形式出现在石英-金-黄铁矿阶段(II)与石英-金-多金属硫化物阶段(III)的黄铁矿中。尽管前人在赋矿岩体、控矿构造、矿化阶段、成矿时代与成矿流体性质等方面取得了共识,但一些核心问题如金的沉淀机制仍存在较大分歧。在热液流体中,金银元素性质近似,且都主要以Cl-或HS-络合物的形式迁移,二者可以任何比例形成固溶体。金只有一个同位素,因此银同位素是研究金矿成矿演化过程最合适的同位素手段。本文选择了玲珑金矿(石英脉型)与三山岛金矿(蚀变岩型)为研究对象,测试两个矿床中不同金成矿阶段(II、III)黄铁矿中的“可见金”的银同位素组成。结果显示两个矿床从早到晚银同位素值呈现出相反的变化趋势:三山岛金矿银同位素范围为-0.350‰ ~ 0.013‰,从第II阶段到第III阶段,δ109Ag值逐渐从-0.350‰ ~ -0.083‰增加到-0.066‰ ~ 0.013‰;玲珑金矿银同位素范围(δ109Ag)为-0.157‰ ~ 0.067%,从第II阶段到第III阶段,δ109Ag值逐渐由-0.045% ~ 0.067%降低到-0.157% ~ -0.084%。前人流体包裹体测温工作表明,两矿床中不同金成矿阶段的温度整体变化不大,因此温度不能作为引起银同位素分馏的主要原因。氧化还原过程是导致银同位素分馏的重要原因,其中还原态的Ag中相对富集轻同位素,该理论被广泛用来解释金矿中的银同位素值的变化。然而,仅靠氧化还原过程不足以全面解释玲珑金矿与三山岛金矿中不同成矿阶段所呈现的银同位素值相反变化的现象,可能还受到其他因素的影响。三山岛金矿成矿系统相对封闭,流体演化相对温和,Ag+从热液中还原沉淀过程中银同位素发生瑞利分馏。结合矿区地质特征,推测水岩反应是引起金沉淀过程中银同位素变化的原因。玲珑金矿成矿系统较为开放,主成矿阶段包裹体中气液比变化很大,具有明显沸腾特征。前人石英结构与黄铁矿原位S同位素数据表明玲珑金矿金成矿阶段经历了从强烈沸腾到温和沸腾的转化。结合上述结论,本文推测早期沸腾/相分离作用是导致银同位分馏的主要原因,气-液相分离过程中蒸汽相富集107Ag,液相富集109Ag,同时银也从热液中沉淀,导致早期银同位素组成偏重。随后在温和沸腾条件下,蒸汽相部分浓缩变回液相,形成了银同位素较轻的混合热液,导致后期银同位素组成偏轻。川滇黔Pb-Zn矿集区是我国重要的MVT型铅锌矿床产地,区内矿床以伴生Ag发育,而且富集程度相差较大,自西向东矿床中Ag含量逐渐增加为特征。前人在众多方面取得了重大突破,但依然一些关键问题,如川滇黔Pb-Zn矿集区中巨量的Pb、Zn和伴生元素的来源仍存在较大争议。本文选择黔西北成矿区的青山、杉树林铅锌矿床,川西南成矿区的大梁子铅锌矿床,以及滇东北成矿区的会泽铅锌矿床,以其中主成矿阶段的硫化物为研究对象,利用银同位素,尝试探究川滇黔矿集区金属来源。测试结果显示大梁子铅锌矿床具有最正的银同位素组成,δ109Ag值为1.470‰ ~ 1.638‰;青山铅锌矿具有最负的银同位素组成,δ109Ag值为-0.472‰ ~ -0.002‰。杉树林铅锌矿床δ109Ag值为-0.242‰ ~ 0.070‰;会泽铅锌矿床δ109Ag值为-0.224‰ ~ 0.328‰。对单个矿床而言,银同位素在单个矿床中的分馏范围0.168‰ ~ 0.552‰,本文推测这可能与硫化物沉淀时温度与瑞利分馏过程有关。在矿集区尺度下,δ109Ag范围为-0.472‰ ~ 1.638‰,自西向东,矿床中银同位素组成逐渐降低,δ109Ag值由大梁子铅锌矿床的1.470‰ ~ 1.638‰逐渐降低,在青山铅锌矿床中降至-0.472‰ ~ -0.002‰。矿集区内的矿床具有相似的成矿流体组成与温度条件,同时地层中的Ag含量也相对有限,据此判断银同位素在成矿流体运移过程中受到的干扰可忽略不计。在此前提下,区内如此大的银同位素分馏现象可能由如下两种原因导致:(1)源自单一同位素组成源区的银随流体运移演化而发生的分馏;(2)两个或多个同位素组成不同的源区混合导致。前人根据区内基底变质岩中元素含量与Sr,Pb等同位素数据,判断富金属流体的运移方向应为从NW向SE。此时,在成矿流体远离金属源区逐渐沉淀为矿床的过程中银同位素会随之发生瑞利分馏,最早形成的矿床会相对富集轻同位素,随着运移距离不断增加,成矿热液中银同位素组成逐渐偏重,然而这与本文所得银同位素“西重东轻”结果相反。故本文认为成矿更可能受到了两个或多个源区的控制。综上所述,笔者认为川西南成矿区的矿床成矿物质可能更多有基底变质岩石的影响,此时银同位素展示出富集重同位素的特征。在黔西北成矿区,成矿金属可能更多来自一个相对富集轻银同位素的源区,形成的硫化物表现出相应的银同位素特征。总体而言,本文成功建立了高基体元素干扰下银同位素的分析方法,并在不同矿床类型中的获得了初步的应用,银同位素可能为成矿过程与成矿源区的揭示和示踪判别,提供新的视角,将具有广阔的应用前景。

语种中文
页码101
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专题地球化学研究所_研究生
推荐引用方式
GB/T 7714
弓昊天. 银同位素分析方法的建立及在典型热液矿床中的应用[D]. 中国科学院地球化学研究所. 中国科学院大学. 2024.

入库方式: OAI收割

来源:地球化学研究所

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