流体包裹体同位素年代学与放射成因同位素研究

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第621页（5708字）

在矿床地球化学研究中，成矿流体的研究是一个十分重要的部分。

对成矿流体的研究，有助于清楚了解成矿物质的来源、成分，运移的动力和过程，沉淀的物理化学条件和机理以及矿床形成的年代。矿石矿物或脉石矿物中的流体包裹体含有保存下来的成矿流体，因此，对这些流体包裹体的研究可以得出成矿流体的来源、组成、矿床形成时的物理化学条件以及形成年代。

成矿年代问题的解决不仅有助于了解矿床成因，同时对找矿勘探也有很重要的指导意义。

稀有气体同位素研究是流体包裹体中同位素年代学与放射性同位素研究的最早尝试，近年来，流体包裹体中稀有气体同位素研究得到了迅猛发展。

除此之外，流体包裹体中流体的Rb－Sr、Sm－Nd、Pb－Pb以及⁸⁷Sr／⁸⁶Sr的同位素年代测定和同位素示踪，取得了明显的效果。

Shepherd和Darbyshire(1981)、Shepherd(1986)、Norman(1987)、Chamgkakoti等(1988)率先进行过流体包裹体中RbSr等时线年龄研究。Shepherd和Darbyshire(1981)首先研究了英格兰坎布里亚的卡洛克费尔钨矿中流体包裹体的Rb－Sr同位素时线年龄，得出成矿流体成矿年龄为392±6Ma，与通过石英脉中云母测得的K－Ar年龄(387±6Ma)基本一致。这种对比有效地验证了流体包裹体Rb－Sr等时线的可靠性。因而流体包裹体中的流体代表了其主矿物结晶时的流体。其次选择了各种地质作用中十分常见的，同时又是含流体包裹体最好的主矿物－石英，通过Rossman等(1987)的系统研究发现，石英相对于其它矿物含杂质少，而且R_b、S_r主要赋存于流体包裹体中而不在晶格之中。

再者采用阶段加热爆裂包裹体的方法，有效地排除了次生包裹体对数据的影响，因而流体包裹体中流体的Rb－Sr等时线年龄是完全可以接受的。

Changkakoti等(1988)测定了加拿大不列颠哥伦比亚省布卢贝尔铅锌矿石英中流体包裹体的Rb－Sr、Sm－Nd和Pb－Pb同位素。

他们分析了6个流体包裹体、3个全溶石英样品和4个大理岩样品的Rb－Sr同位素。其中流体包裹体的数据是通过加热到900℃左右爆裂包裹体后分析得出的。通过分析在900℃左右爆裂的流体包裹体后的抽提物、全溶石英样品和两个矿化的大理岩样品得出的Rb－Sr同位素值在⁸⁷Sr／⁸⁶Sr－⁸⁷Rb／⁸⁶Sr图上构成一条斜率为2．73×10^－4士0．42×10^－4(MSWD=1．2)的等时线，⁸⁷S_r／⁸⁶S_r初始值为0．7143，等时线年龄为19．2±5．9Ma(误差2σ)，与其它分析方法得到的矿化年龄基本一致。但另外两个未矿化的大理岩样品落在等时线之外，可能是因为未受矿化作用而未达到同位素完全均一，或是因为具有完全不同的初始值。

有关流体包裹体中⁸⁷Sr／⁸⁶Sr示踪的文献比任何其它流体包裹体中放射成因同位素的文献都要多，其应用范围也相对比较广泛。流体包裹体的主矿物也不局限于石英，其它类型的主矿物如白云石、方解石等，其中的流体包裹体也被用作测定对象。

最先测定流体包裹体中⁸⁷Sr／⁸⁶Sr同位素的是Norman和Landis(1983)、Medford等(1983)，他们均将⁸⁷Sr／⁸⁶Sr比值用于成矿流体的示踪，以探索成矿物质的来源。Norman和Landis(1983)研究了秘鲁帕斯托布埃诺矿床中几种矿物的流体包裹体溶液、高锶矿物和全岩的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值。

该矿床是一个产在石英二长岩岩株中的、含黑钨矿、黝铜矿以及贱金属矿物的矿床，该岩株侵位于侏罗系页岩和白垩系石英岩中，岩株的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值变化于0．7056～0．7074之间。

侏罗系页岩和白垩系石英岩的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值分别为0．7169和0．7158。

大量测定了主矿物中流体包裹体的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值及菱锰矿和萤石的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值，其值在0．7058到0．7239的大范围内变化，并且它们的Rb／Sr比均小于或等于0．027。⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值低的流体来源于第二纪侵入的石英二长岩岩株，而⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值高的流体意味其来源于中生界的侏罗系或白垩系地层，也可能来源于古生界或下寒武统的基底层。

结合δD和⁸⁷Sr／⁸⁶Sr两个同位素值在包裹体流体中以及矿物和岩石中的系统变化，得出以下结论：有3种流体，即大气降水、岩浆水以及二者混合水在成矿过程中起作用；黑钨矿来源于含钨的岩浆水，当这种岩浆水与大量的大气降水相遇时，由于含钨岩浆水中的盐度、温度骤然降低，pH值和fo₂值增高而使钨从岩浆水中沉淀出来；硫化物的矿化取决于这种混合流体的演化，尽管其中有些贱金属可能来源于岩浆；萤石是一个例外，其中的流体和溶质均来源于石英二长岩岩株。Medford等(1983)研究了加拿大西北区派恩潘特铅锌矿中硫化物、碳酸盐及硫酸盐中流体包裹体的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr的系统变化，分析测试了赋矿地层普雷奎尔(Presqu’il)组的和成矿作用形成的白云石、方解石以及其中包裹体的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值的变化。赋矿地层普雷斯奎尔组的细粒白云岩中⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值为0．7084，它们中的流体包裹体的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值为0．7081。

这两个数据均与泥盆纪海水的平均⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值为0．7082相接近，可见赋矿地层中的白云石与泥盆纪海水达到了锶同位素平衡。

第二组样品取自赋存于成岩早期白云岩中的矿体，但其平均值为0．7086，可见早期成矿流体没有带来可探测出的放射性锶；第三组样品来自成矿晚期但仍与成矿有关的脉状白云石，通过分析这些样品及流体包裹体的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值，发现按锶同位素可将它们分两类，第1类5个样品的⁸⁷S_r／⁸⁶S_r值与泥盆纪海水接近，第2类5个锶同位素平均值达0．7110，这可能反映了富⁸⁷Sr流体的加入。最后一组样品是方解石，代表最晚期的成矿热液活动，其⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值高达0．7137，可见随矿化作用的进行，流体中的⁸⁷Sr／⁸⁶Sr值越来越高。这种现象在密西西比河谷型矿床中也曾发现过。对于这个现象目前最能令人接受的解释是，成矿卤水不断地从金属来源的沉积物中(矿源层)提取硅酸盐中的⁸⁷Sr，与金属一起运移到成矿场所沉淀成矿。

Norman和Mearns(1986)及Changkoti等(1988)对流体包裹体中Sm－Nd等时线法进行过初步研究。Norman和Mearns(1986)研究了挪威德拉门花岗岩中晶洞石英的Sm－Nd和RbSr同位素。

该花岗岩伴随有Mo矿化。运用分阶段加热爆裂包裹体的方法分析结果表明，石英流体包裹体中含有0．3～2．1μg／g的Sm和0．8～5μg／g的Nd。

两次分析得知流体包裹体中流体的⁸⁷Sm／¹⁴⁴Nd值分别为0．0735和0．0749，¹⁴³Nd／¹⁴⁴Nd值均为0．51253。在400～600℃捕获的富CO₂的流体包裹体的εNd值为－1．0，在650～800℃之间爆裂流体包裹体的εNd(～274Ma)值是+1．8到2．7，而整个岩石的εNd=－0．4～+1．3。这些分析数据表明，包裹体中的流体既有岩浆水又有地层水。Changkakoti等(1988)研究了加拿大不列颠哥伦比亚省布卢贝尔铅锌矿床中石英中的流体包裹体的Rb－Sr、Sm－Nd以及Pb－Pb同位素。分析结果表明，流体包裹体中¹⁴³Nd／¹⁴⁴Nd值的变化范围从0．07到3．95，¹⁴³Nd／¹⁴⁴Nd值在0．5099～0．5277范围内变化，可见流体包裹体中的Sm－Nd同位素数据变化范围不大，没有一个明显趋势。但结合全溶石英样品的Sm－Nd同位素值，就会得到一个年龄为600Ma的等时线年龄，它代表了岩石形成的年龄。

流体包裹体中Pb－Pb等时线研究只有Changkakoti等(1988)进行了初步尝试，其结果与Sm－Nd、Rb－Sr等方法结合起来解释地质地球化学过程基本令人满意。研究对象仍是布卢贝尔铅锌矿中的石英。

在整个石英样品中Pb的含量在100～300μg／g范围内，而U的含量仅为0．4～1．1μg／g，由此可见，相对Pb而言，U可忽略不计，因此没有必要进一步测定流体包裹体中的U。共分析了12个石英中流体包裹体样品、3个全溶石英、6个方铅矿以及大理岩样品中的铅同位素。

用分阶段加热爆裂法在500℃左右和900℃左右分别提取了流体包裹体中的流体用于铅同位素分析。从分析结果看，从全溶石英样品到流体包裹体的高温爆裂提取物，再到低温爆裂提取物，其放射性铅是逐步增高的，这些数据在²⁰⁷Pb／²⁰⁴Pb－²⁰⁶Pb／²⁰⁴Pb图上构成一条斜率为0．1316士0．0038的等时线(MSWD=0．79)，而大理岩的样品在该图上则构成另一条斜率为0．0429士0．0020的等时线(MSWP=0．71)。

从流体包裹体中高温抽提物到低温抽提物中放射性铅逐步增高这个事实表明，成矿流体中铅同位素存在渐进变化。这与在该区工作过的地质学家提出的热水循环模式或两大成矿流体逐渐混合的模式是一致的。即表明至少有两个不同的铅同位素来源：一个是富含放射性铅的流体，可能来源于附近年轻的沉积地层，而另一个是贫放射性铅的流体，可能来源于布卢贝尔大理岩中聚积的硫化物或来源于深部下地壳。

这种混合流体成矿模式也得到了前面描述的Sm－Nd同位素的支持。

在稀有气体族中，He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素被用来探讨流体包裹体中流体的来源均有尝试(Roedder，1990)，但其中研究历史最长，效果最好的是Ar同位素。

Wahler在1965年就注意到了石英流体包裹体中过剩氩的存在。Damon和Kulp(1958)发现了绿柱石、堇青石和电气石中流体包裹体里的过剩氦和过剩氩。Rama等(1965)指出，除了云母可能例外，绝大部分矿物普遍含有流体包裹体，这些流体包裹体中所含的过剩氩是年轻或含钾低的矿物在用K－Ar法测定年代时产生错误的来源。

因此当时研究流体包裹体中的Ar的目的是如何排除它，以尽量减少它对K－Ar年龄测定所带来的误差。Kelly等(1986)、Bannon等(1987)、Turner和Bannon(1988)、Turner等(1988)近年的工作使流体包裹体中氩同位素研究面目一新。Kelley等(1986)率先对英格兰西南和北部花岗岩中钨矿化石或脉中流体包裹体的氩同位素进行了详细而系统的研究。他们通过阶段加热法分析了英格兰西南部海西期黑默尔顿波尔花岗岩中有钨锡矿化石英脉中的3个石英样品和英格兰北部加里东期斯基多花岗岩卡洛克费尔钨矿中的一个石英样品的氩同位素。

另外用真空破碎的释放液体和气体的办法分析了一个采自卡洛克费尔的石英样品，用来进行对比研究。通过分析发现，石英中的氩以几种分散组分存在，这些组分可以通过K、C1、Ca的中子轰击诱导产生的³⁹Ar、³⁸Ar和³⁷Ar之间的相互关系而鉴别出来。具有这种氩组分的流体包裹体被认为是捕获了与地壳岩石相对长期作用的流体而形成的。Kelley等(1986)的工作是卓有成效的，区分了几种不同同位素组成，可能是不同来源的氩共存在石英中的固体包裹物、流体包裹体中的流体和流体包裹体中的子矿物。

但他们的Ar－Ar等时线研究却不大成功，尽管大致给出了最大的成矿年龄有280Ma。但在中国，邱华宁、戴潼谟(1989)关于石英流体包裹体中Ar－Ar等时线的研究却取得了成功，他们用阶段加热法分析测定了云南某钨矿石英脉中石英流体包裹体的坪年龄，这个年龄为31．4士14．6Ma。同时用真空破碎法测出了相同来源的石英的⁴⁰Ar／³⁶Ar－³⁹Ar／³⁶Ar等时线年龄，为38．6士1．9Ma。这个等时线年龄与跟石英有关的K－Ar年龄惊人地一致。

在Ar－Ar等时线图上，其截距为337．7，代表初始⁴⁰Ar／³⁶Ar比值，表明成矿流体中有过剩氩存在。

流体包裹体中流体的同位素年代学和放射成因同位素的研究仍处于起步阶段。它的研究与一般全岩或单矿物同位素与放射成因同位素研究相比较，大的说来都是两个方面，同位素计时与同位素示踪。流体包裹体中流体的同位素年代学、放射成因同位素研究有如下优点：(1)近几十年来的流体包裹体研究已经表明，除个别极特殊情况外，流体包裹体不存在渗漏现象(Roedder，1984)，即流体包裹体自形成之后一直构成封闭地球化学体系。

而一般全岩或单矿物形成之后可能受后期热液活动或其它地质作用的影响，因此它们所构成的封闭地球化学体系不如流体包裹体的封闭体系严密。(2)矿物晶体在结晶之后受到后期热液活动或其它地质作用的影响，在流体包裹体方面也有记录，表现为在晶体中形成次生包裹体。

目前流体包裹体研究已能正确地辨认出这类次生包裹体。

通过阶段加热爆裂法能将后期地质作用的流体与早期地质作用中晶体结晶时的流体区分开来。

而用全岩或单矿物样品进行这类研究要作如此详细的区分是不可能的。(3)不少同位素计时方法要求特殊的单矿物作为它的研究对象，而这些矿物在地质作用中并不是普遍存在的。

特别是在成矿流体年龄的研究方面，矿床地球化学家常常因找不到适合于测年的矿物而苦恼，而流体包裹体中流体的同位素年代学和放射同位素加以研究，从理论上来说，任何矿物，只要含有包裹体，就都可作为它的研究对象，目前使用最为广泛的是石英。石英无疑是各种地质作用中最为普遍存在的矿物。

(中国科学院地球化学研究所鲁观清博士、卢焕章博士生导师撰)