贵州织金含稀土磷矿床的同位素年龄及其地质意义.pdf

第33卷 第2期地球科学 中国地质大学学报Vol. 33 No. 2 2 0 0 8年3月Earth ScienceJournal of China University of GeosciencesMar. 2 0 0 8 基金项目中国科学院知识创新工程重要方向项目No. KZCX32SW2125 ;浙江林学院科学研究发展基金项目No. 2351000584 . 作者简介施春华1976 - ,女,目前主要从事旅游环境地球化学等教学与科研工作. E2mail shichunhua7924 贵州织金含稀土磷矿床的Sm2Nd 同位素年龄及其地质意义 施春华1,胡瑞忠2 1.浙江林学院旅游与健康学院,浙江临安311300 2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550002 摘要为探讨贵州织金含稀土磷矿床的形成时间和成矿物源,利用Sm2Nd同位素稀释法对该矿床磷块岩中6个小壳化石 及胶磷矿样品进行了年龄测定.样品的质谱分析测试结果显示,样品的147Sm/ 144Nd 与143Nd/ 144Nd 构成了一条相关性良好 的线性等时线;计算结果表明织金含稀土磷矿床具有53322 Ma的Sm2Nd等时年龄,εNdt值为- 2. 44～- 2. 77 ,表明它 们具有相同的成因和相近的形成时代,本次测得年龄代表着真实的成矿年龄;二阶段Nd的模式年龄为1 313～1 338 Ma.结 合前人对该矿床稀土元素地球化学的研究成果表明,织金含稀土磷矿床的成矿物源有新生地幔物质组分的加入. 关键词 Sm2Nd同位素定年;含稀土磷矿床;贵州织金. 中图分类号 P597 文章编号 1000 - 2383200802 - 0205 - 05 收稿日期 2007 - 05 - 25 Samarium2Neodymium Radiometric Dating and Its Geologic Implication of the Zhijin REE2Bearing Phosphorites, Guizhou Province , Southwest China SHI Chun2hua1, HU Rui2zhong2 1. School ofTour and Health , Zhejiang Forestry University , Lin an311300, China 2. Key L aboratory of Ore Deposit Geochemistry , Institute of Geochemistry , Chinese Academy of Sciences , Guiyang550002, China Abstract In order to discuss the age and the provenance of the Zhijin REE2bearing phosphorites in Guizhou , six small shell fossils and cellophane sampled from the phosphorites are dated by Sm2Nd isotopic dilution . The results of mass spec2 trographic analysis show that the value of 147Sm/144Nd and143Nd/144Nd ed an isochronal line. The test shows that the Sm2Nd isochronal dating of Zhijin REE2bearing phosphorites is 53322 Ma MSWD 1. 1 . TheεNdt of the samples are about - 2. 44 to - 2. 77 , and the Nd two2stage model ages T2DM are 1 313 - 1 338 Ma. This result suggests that the sam2 ples have the same genesis and the approximative age , and the age represents the true mineralogenetic epoch. Combined with the REE geochemistry the juvenile mantle is responsible to the provenance of the Zhijin REE2bearing phosphorites. Key word Sm2Nd isochron dating; REE2bearing phosphorite; Zhijin of Guizhou. 织金磷矿位于黔西南地区,产于早寒武世梅树 村期,是一个超大型的磷、 稀土综合矿床,已探明矿 石储量13. 48亿t ,稀土氧化物储量144. 6104t , 特别富集稀土元素钇,为全国重稀土元素最大的矿 床之一刘家仁,1999 .梅树村期是介于早寒武世筇 竹寺期和晚震旦世灯影峡期之间的一个重要成磷 期,梅树村和陡山沱两大成磷期磷块岩储量占全国 磷矿储量的85 ,是我国最主要的含磷层位东野 脉兴,2001 .尽管前人对该矿地层进行了较多研究 钱逸,1977 ;钱逸和尹恭正,1984 ;郑淑芬等,1984 ; 刘家仁,1999 ;吴祥和等,1999 ;张杰和陈代良,2000 ; 施春华等,2006 ,但对该矿床成矿时代的同位素研 究尚未见报道,对成矿物源及成矿机制等关键问题, 目前仍争议很大一种观点认为,该矿是由海底火山 地球科学 中国地质大学学报第33卷 或热泉供磷、 生物聚磷、 机械改造富磷的成矿机制 杨卫东等,1997 ;另一种观点认为,磷矿的成矿物 质为陆源,并由上升洋流的作用带至合适的地点形 成磷矿床吴祥和等,1999 . Sm2Nd同位素定年法自Depaolo and Wasser2 burg1976提出以来,因其优越性而得到广泛的应 用. Sm、Nd的化学性质很相近,都为不活泼的稀土 元素,母体143 Sm 衰变形成的子体143 Nd 易在矿 物晶格中保存下来,Sm2Nd同位素体系具有较强的 抗风化、 抗蚀变能力,从而该体系容易保持良好的封 闭状态,故Sm2Nd同位素定年法是矿床定年的一种 有效手段.磷块岩的主要矿物碳氟磷灰石具有 “开放 型” 六方柱状结构,REE是以类质同象的方式进入 磷灰石晶格,所以Nd同位素初始比值特征不易受 到成岩作用和后期变质作用的影响,因而磷块岩中 主要含磷物质小壳化石及胶磷矿的Sm2Nd同位 素体系可能是一种潜在的有效的定年工具.本文拟 以织金含稀土磷矿床中的磷质小壳化石及胶磷矿为 研究对象,试图利用磷质小壳化石及胶磷矿的Sm2 Nd同位素体系对该矿床的成矿时代进行厘定,并 讨论可能的初始成矿物质来源,为进一步探讨该矿 床成因奠定基础. 1 地质背景和样品特征 贵州织金含稀土磷矿床,位于扬子地台西南端, 产于早寒武世梅树村阶,以富含重稀土元素而著称. 地质构造位置处于 “黔中隆起” 西南端,属于扬子地 层区.矿床主要分布于织金北东-南西向果化背斜 北西翼近轴部,区内断裂较简单,多以走向正断层为 主,局部小构造发育.其中戈仲伍组,是贵州早寒武 世早期规模最大的含稀土磷块岩矿床含磷层位,出 露的地层底部为灯影组白云岩,顶部为牛蹄塘组黑 色碳质页岩,之间主要为生物碎屑白云质、 硅质磷块 岩,以富含稀土元素钇而闻名.普遍形成生物碎屑结 构,生物碎屑主要以小壳类动物化石及藻类化 石为主. 含稀土白云质、 硅质磷块岩呈猪肝色、 深灰-浅 灰、 灰兰及灰黄色,常见薄层-中厚层状白云质生物 屑磷块岩与浅灰色磷质生物屑白云岩交错成层,构成 发育的透镜状、 泥波状层理及人字型交错层理等构 造.磷酸盐矿物主要为碳氟磷灰石,多以非晶质、 隐晶 质及胶磷矿等替代构成生物碎屑和内碎屑存在. 图1 织金含稀土磷矿床地质简图及采样位置 Fig.1Geological sketch map of the Zhijin 1.三叠系;2.二叠系;3.石炭系;4.寒武系明心寺组;5.寒武系牛蹄塘 组;6.震旦系灯影组;7.地层界线;8.断层;9.采样位置 样品采自位于织金城东约14 km的戈仲伍磷矿 区图1 ,岩性为白云质、 硅质磷块岩,样品中含有 丰富的生物碎屑.磷质叠层石藻类、 软舌螺、 壳片类、 管壳类、 织金壳类等生物化石. 2 分析方法与分析结果 将野外采集的新鲜岩石样品,用蒸馏水洗净表 面沾污的杂质,用清洗干净的破碎机破碎成厘米大 小的粒度,经过冰乙酸浸泡处理后,从中挑选出磷质 小壳化石,然后用超纯盐酸和超纯水反复清洗,最后 用双目镜精心挑选出不粘杂质的化石样品.上述样 品及胶磷矿样品用玛瑙球磨机研磨至200目以上. 将上述粉末样品放入烘箱内,在120℃ 条件下恒温 烘烤8h.烘干后,置于2 mol/ L超纯盐酸中24h ,以 溶解磷酸盐成分.溶液经离心机离心分离后,倒出清 液,待上离子交换柱.将离心分离后的不溶残渣烘 干,准确称重,从原样重量中减去残渣重量,即为实 际测试样品的重量.化学分离流程采用阳离子交换 柱,交换柱用于分离和收集Sm和Nd元素,淋洗剂 用α 2羟基异丁酸. 同位素测定在南京大学现代分析中心VG354 质谱仪上进行. Nd和Sm的含量采用同位素稀释法 测定.样品的Nd同位素比值用未加稀释剂的一份 样品单独测定得到.在所有Nd同位素比值测定 时,147Sm/ 144 Nd比值的分析精度优于0. 5 .实验 室 全流程空白是60pgNd.该仪器对LaJolla国际 602 第2期 施春华等贵州织金含稀土磷矿床的Sm2Nd同位素年龄及其地质意义 表1 样品的Sm、Nd同位素测定结果 Table 1Sm , Nd isotopic compositions of samples 样号样名Sm10- 6Nd10- 6 147Sm/144Nd143Nd/144Nd εNd533 Ma ① T2DM ② Z21小壳化石7.94159. 930. 080 10. 512 09516- 2. 631 328 Z25胶磷矿23. 47125.40. 114 80. 512 20915- 2. 771 338 Z29小壳化石41. 85192.60. 131 90. 512 27012- 2. 751 336 Z212小壳化石66. 49226.70. 178 20. 512 43614- 2. 661 330 Z217胶磷矿13. 39158.40. 051 30. 511 99816- 2. 561 323 Z220小壳化石37. 18149.20. 150 30. 512 35013- 2. 441 313 ①47Sm/ 144 Nd CHUR 0. 196 7 ;143Nd/ 144 Nd CHUR 0. 512 638.②47Sm/ 144 Nd DM 0. 225 ; 143Nd/ 144 Nd DM 0. 513 15.测试分析单位南京大学现代分析中心;测试者王银喜. 图2 样品的Sm2Nd等时线 Fig. 2Sm2Nd isochron for the sample 标样的143Nd/ 144Nd 测定值为0. 511 8608 ,标准化 值146Nd/ 142Nd 0. 636 151 ,误差为 2σ.详细实验 方法可见参考文献王银喜等,1988 ;杨杰东等, 1992 . 样品的Sm、Nd含量及其同位素组成见表1.样 品的Sm含量为7. 94110 - 6 ～66. 4910 - 6 ,Nd 的 含 量 为59. 9310 - 6 ～226. 710 - 6 ; 147 Sm/ 144Nd 、 143 Nd/ 144 Nd变 化 范 围 分 别 为 0. 051 3～0. 178 2、0. 511 998～0. 512 436. 在143Nd/ 144 Nd21/ Nd图解中,6个样品没有线 性分布的趋势,暗示147Sm/ 144 Nd - 143 Nd/ 144 Nd图解 中直线并非混合线,而应具有等时线意义.利用 ISOPLOT软件,求得6个磷块岩样品构筑的等时 线年 龄t 53322 Ma , 143Nd/ 144 Nd i为 0. 511 80792σ , εNdt- 2. 6 ,MSWD 1. 1 图2 . Nd的二阶段模式年龄范围为1 313～ 1 338 Ma. 3 讨论和结论 本次研究所测定的样品采自同一岩性层,同为 织金戈仲伍组的小壳化石和胶磷矿,测定的εNdt 值基本一致,为- 2. 44～- 2. 77 ,表明它们的初始 Nd同位素比值达到了均一化. Sm2Nd体系受交代 和变质作用的影响较小;并且由于母体与子体的化 学性质相似,143Nd形成之后很自然地继承晶格中母 体的位置,而不易逃逸,因此Sm2Nd体系在漫长的 地质历史中易保持封闭.所以可以认为该矿样品的 Sm2Nd体系应保存了其成矿时的初始信息;而且磷 块岩的稀土元素配分曲线为中稀土富集的帽状形态 施春华等,2006 ,其Sm/ Nd值相对较高.因而,进 行Sm2Nd等时线方法定年的基本条件是满足的,此 次测定的Sm2Nd等时线年龄 533 22 Ma应代表 其成矿时间. Cowie and Johnson 1985采用Rb2Sr全岩等 时线方法测定云南晋宁梅树村剖面磷矿层顶部八道 湾段下部的黑色页岩,得出年龄值为5798. 2 Ma 和58717 Ma ,并由此推测寒武系底界年龄可能为 610 Ma.杨杰东1992测得滇东梅树期磷矿的Sm2 Nd同位素年龄为562. 15. 7 Ma.我国以往所用的 寒武系底界即显生宇和古生界的底界的年龄值为 60010 Ma、597 Ma和560～570 Ma 薛啸峰, 1984 ;罗惠麟等,1991 ,1994 ; Yanget al. , 1996 ;邢 裕盛等,1999以及最近全国地层委员会1998在 中国地质年代表推荐方案中采纳的年龄值为 570 Ma.据最近的U2Pb锆石同位素测年数据,寒武 系的下限底界的年龄值为543 Ma Grotzingeret al. , 1995 ; Landinget al. , 1998 ;上限顶界的年 龄值约为490 Ma Davidek , 1998 .这些研究表明, 上述前人研究所得的寒武系年龄值可能都偏老.从 702 地球科学 中国地质大学学报第33卷 空间分布来看,织金戈仲伍磷矿的矿层整合伏于牛 蹄塘组之下,整合覆于灯影组之上,靠近P-C界 线.因此,本次测定的Sm2Nd同位素年龄533 22 Ma与野外地质事实相吻合,其数据应该是真实 可靠的. 研究表明,沉积岩的Nd同位素模式年龄可用 于沉积物源的研究Depaolo , 1988 ;陈江峰,1989 ; 杜远生等,2006 ,而且Nd模式年龄的变小是幔源 物质加入的灵敏示踪剂Michard ,1985 .为了更进 一步制约织金戈仲伍磷矿床的物质来源,我们计算 了织金磷矿床样品的Nd二阶段模式年龄值表1 , 计算公式见李献华,1996 ,样品的t2DM年龄变化范 围为1 313～1 338 Ma ,该值明显低于中国海水周围 陆壳的平均年龄值约为1. 8 Ga .因此反映在织金 戈仲伍梅树村期磷块岩沉积物源区加入了大量新的 幔源物质,梅树村期大规模磷质成矿的初始物质主 要来源于地幔.上述结论亦与稀土元素地球化学研 究成果相吻合施春华,2006 ,稀土元素研究表明, 织金含稀土磷矿床具有正常海相沉积伴有海相热水 沉积混合成因特征.由此表明磷矿的形成可能与幔 源物质的加入密切相关. 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