CN111060673A - 一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铀成矿成矿年代学和铀成矿机理研究领域，具体涉及一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法。本发明的方法包括以下步骤：步骤1处理原始数据；步骤2对数据进行分类、分组；步骤3利用平行等时线年龄理论，分别拟合计算238U‑206Pb等时线年龄、235U‑207Pb等时线年龄；步骤4制作206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图；步骤5根据步骤3和步骤4中所得到的结果对成矿年龄进行判定。本发明的方法能够计算具多期成矿期次砂岩型铀矿床的成矿年龄，提出的铀矿床多阶段演化体系及“平行”等时线年龄理论，为砂岩型铀矿床成矿机理研究提供年代学依据，适用于我国砂岩型铀矿床成矿年代学研究。

Description

一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法
技术领域
本发明属于铀成矿年代学和铀成矿机理研究技术领域，具体涉及一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法。
背景技术
矿床成矿年代学的研究具有十分重要的理论和实际意义，它是研究矿床成因机制、成矿背景、成矿过程等问题的关键要素，是揭示金属成矿省演化规律、预测靶区的一把钥匙，也是最为前沿的研究领域之一(裴荣富et al.，1993，1995；胡瑞忠et al.，2014；寸小妮，2016；骆金诚et al.，2019；夏毓亮，2019)。
铅同位素比值的变化是解决岩石成因和成矿问题的有力工具(
Figure BDA0002350749610000011
et al.，1979)，U-Pb同位素是在铀矿床定年中应用最多的一种方法。目前铀矿床年代学研究常用的方法有铀矿物U-Th-totalPb化学年龄、铀矿物模式年龄、全岩样品(铀矿物)等时线年龄、原位微区铀矿物U-Pb同位素年龄等方法。几种方法各有优缺点，全岩样品(铀矿物)等时线年龄具有不需要考虑初始Pb同位素组成的优点，但多期次成矿作用的铀矿床具有不易形成等时线等问题。就砂岩型铀矿床而言，受盆地构造演化影响其成矿时代具有“幕式”或“脉动”性的特点，而正是由于成矿年龄的阶段性，再加上该类型矿床矿石中很难精选出纯度较高的可供U-Pb同位素组成测定的独立矿物，因此，很难精确的获得砂岩型铀矿床铀成矿年龄数据。全岩(单矿物)样品U-Pb等时线年龄最大的特点是不考虑初始铅同位素的影响，因此在砂岩型铀矿床成矿年龄研究中应用较多。但在实际应用该方法的过程中也遇到了一些问题，例如由于砂岩型铀矿床“幕式”成矿的特点，岩石经历多次成矿改造后，所得到的铀铅同位素数据很难形成一直线。针对这一问题，本方法基于多阶段模式演化体系理论，提出了“平行”U-Pb等时线年龄计算的原理和方法，建立了一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法。
发明内容
本发明主要解决技术问题：
本发明提供一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，提出的铀矿床多阶段演化体系及“平行”等时线年龄理论，克服了传统计算方法因铀矿床经历多次改造后初始铅同位素不一致而不易形成等时线的缺陷，为砂岩型铀矿床成矿机理研究提供年代学依据，适用于我国砂岩型铀矿床成矿年代学研究。
本发明采用的技术方案：
一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，包括以下步骤：
步骤1、处理原始数据；步骤2、对数据进行分类、分组；步骤3、利用平行等时线年龄方法，分别拟合计算238U-206Pb等时线年龄、235U-207Pb等时线年龄；步骤4、制作206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图；步骤5、判定铀成矿年龄意义。
所述步骤1中，原始数据样品铅同位素组成、铀含量、铅含量、镭含量，并计算206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、238U/204Pb、235U/204Pb的值。
所述步骤2中，对所有数据两两进行238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄计算，并计算两个年龄值差值与238U-206Pb等时线年龄的比值K，将238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄均为正值且相等或近似一致的所有样品分为一类，将此类中能形成同一等时线的样品划定为一组，则每类样品可划分为若干组。
所述步骤3中，平行等时线年龄是基于多阶段模式演化体系的计算方法，其公式推导过程如下所示：
地球形成(tp)——岩石形成(t0)——岩石第一次成矿(t1)……岩石第m次成矿(tm)——现今
Figure BDA0002350749610000031
式(1)中，假设某矿石样品共经历了m次成矿作用，206Pb/204Pb为现今206Pb/204Pb的比值；206PbP/204Pb为原始206Pb/204Pb的比值；238UP/204Pb为原始238U/204Pb的比值；238Um/204Pb为第m次成矿时238U/204Pb的比值；
Figure BDA0002350749610000032
为某岩石样品m次成矿过程铅同位素的迁入及迁出累加量，认为铅元素不易随地下水进行迁移；238Um/204Pb为矿石样品最后一次成矿后238U/204Pb的比值；其中等式右侧前m+2项之和为岩石最后一次成矿时206Pbm/204Pb的值，上式可简化为：
Figure BDA0002350749610000033
同理，可推导出207Pb-235U多阶段模式演化体系方程：
Figure BDA0002350749610000034
式(2)、式(3)中206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb比值的大小主要受样品成矿次数及各阶段铀含量的影响；正是由于各种原因的影响，造成各样品206Pbm/204Pb或207Pbm/204Pb值各不相同，因此很难形成较好的U-Pb一致线，但若某组样品共同经历了矿床的某期铀成矿作用，且之后除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，所有样品均处于封闭体系之中，则在式(2)、式(3)中
Figure BDA0002350749610000035
和
Figure BDA0002350749610000036
为定值，如果该组样品的数量足够多，则铅同位素在238U/204Pb-206Pb/204Pb或235U/204Pb-207Pb/204Pb散点图中可以形成系列具有相同斜率的平行线；将经历岩石第m次成矿时Pb同位素组成相同或接近的样品进行分组，则每一组样品可拟合一条等时线，即可拟合系列平行的等时线，根据
Figure BDA0002350749610000041
和
Figure BDA0002350749610000042
可以分别计算出岩石成矿年龄tm。
平行等时线年龄方法的应用需要2个前提条件：参与计算的样品可以划分为若干样品组，每组所含的样品具有相同或接近的206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb组成；除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，铀矿石在该次成矿后一直处于封闭体系。
所述的步骤4中，238U/235U的比值为固定值137.88，若岩石样品仅经历一期成矿作用，则在206Pb/204Pb0-207Pb/204Pb的散点图中各样品点可绘制成多条平行的直线。
所述的步骤5包括如下步骤，
样品组可拟合1条等时线，所拟合的238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上为一直线；则说明此年龄为矿床的一次成矿年龄；
样品组可拟合2条以上的平行等时线，通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的所有平行等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上呈2条以上平行的直线，则该年龄为矿床的一次成矿年龄；
若通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的等时线或平行等时线年龄相差较大，则应为统计错误造成的结果，该年龄不具有地质意义。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的方法能够计算具多期成矿期次砂岩型铀矿床的成矿年龄，提出的铀矿床多阶段演化体系及“平行”等时线年龄理论，克服了传统计算方法因铀矿床经历多次改造后初始铅同位素不一致而不易形成等时线的缺陷，为砂岩型铀矿床成矿机理研究提供年代学依据，适用于我国砂岩型铀矿床成矿年代学研究。
(2)本方法所得到数据更为可靠，所得到的年龄能够代表矿床真实的成矿期次。采用本方法对伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿床进行了成矿年龄计算，得出5期铀成矿期次，所得到的年龄与构造演化吻合度较高，说明上述成矿年龄较为精确、可靠。
附图说明
图1为本发明所提供的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法的流程图
图2第二组样品238U-206Pb等时线年龄图解
图3第二组样品235U-207Pb等时线年龄图解
图4第二组样品206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图
图5第五组样品238U-206Pb等时线年龄图解
图6第五组样品235U-207Pb等时线年龄图解
图7第五组样品206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，包括以下步骤：
步骤S1处理原始数据；
由分析测试所得到的样品铅同位素组成、铀含量、铅含量、镭含量等数据计算206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、238U/204Pb、235U/204Pb的值。
步骤S2对数据进行分组；
对所有数据按每两个样品进行组合，分别计算两个样品的238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄，并计算两个年龄值差值与238U-206Pb等时线年龄的比值K1，将238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄均为正值且相等或近似一致(K1值在±2％区间内)的所有样品分为一类(需3个以上数据)，将此类中能形成同一等时线的样品划定为一组，则每类样品可划分为若干组。
步骤S3拟合计算等时线年龄及初始铅同位素比值；
因砂岩型铀矿具有“幕式”成矿的特点，单纯的利用3阶段模式演化体系的方法计算铀成矿等时线年龄具有一定的局限性。本步骤提出了采用“平行”等时线年龄方法进行成矿年龄计算，该方法理论是基于多阶段模式演化体系的计算方法，其公式推导过程如下所示：
地球形成(tp)——岩石形成(t0)——岩石第一次成矿(t1)……岩石第m次成矿(tm)——现今
Figure BDA0002350749610000061
式1中，假设某矿石样品共经历了m次成矿作用，206Pb/204Pb为现今206Pb/204Pb的比值；206PbP/204Pb为原始206Pb/204Pb的比值；238UP/204Pb为原始238U/204Pb的比值；238Um/204Pb为第m次成矿时238U/204Pb的比值；
Figure BDA0002350749610000062
为某岩石样品m次成矿过程铅同位素的迁入及迁出累加量，一般认为铅元素不易随地下水进行迁移；238Um/204Pb为矿石样品最后一次成矿后238U/204Pb的比值。其中等式右侧前m+2项之和为岩石最后一次成矿时206Pbm/204Pb的值，上式可简化为：
Figure BDA0002350749610000063
同理，可推导出207Pb-235U多阶段模式演化体系方程：
Figure BDA0002350749610000071
式2、式3中206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb比值的大小主要受样品成矿次数及各阶段铀含量的影响。正是由于各种原因的影响，造成各样品206Pbm/204Pb或207Pbm/204Pb值各不相同，因此很难形成较好的U-Pb一致线，但若某组样品共同经历了矿床的第m次铀成矿作用，且之后除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，所有样品均处于封闭体系之中，则在公式2和公式3中
Figure BDA0002350749610000072
和
Figure BDA0002350749610000073
为定值，也就是说如果该组样品的数量足够多，则铅同位素在238U/204Pb-206Pb/204Pb或235U/204Pb-207Pb/204Pb散点图中可以形成系列具有相同斜率的平行线。将经历岩石第m次成矿时Pb同位素组成相同或接近的样品进行分组，则每一组样品可拟合一条等时线，即可拟合系列平行的等时线，根据
Figure BDA0002350749610000074
和
Figure BDA0002350749610000075
可以分别计算出岩石成矿年龄tm，这就是利用“平行等时线”计算铀成矿年龄的基本原理。该方法的应用也需要2个前提条件：(1)参与计算的样品可以划分为若干样品组，每组所含的样品具有相同或接近的206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb组成(满足此条件需要有一定的样品量)；(2)除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，铀矿石在该次成矿后一直处于封闭体系。
根据步骤S1所计算的数据及步骤S2的分组情况，利用Isoplot软件拟合出各组的238U-206Pb等时线年龄、235U-207Pb等时线年龄。
步骤S4制作206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图；
因为现今的238U/235U的比值为固定值137.88(李俊华等，1978)，若岩石样品同时经历某一期成矿作用，则在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb的散点图中各样品点可绘制成多条平行的直线。根据步骤S2的分组情况，分别制作206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图。
步骤S5判定成矿年龄意义
根据步骤S3、S4的结果，利用以下的指标，判别各分组所计算的等时线年龄真实性：
(1)样品组可拟合1条等时线，所拟合的238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上为一直线。则说明此年龄为矿床的一次成矿年龄。
(2)样品组可拟合2条以上的平行等时线，通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的所有平行等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上呈2条以上平行的直线，则该年龄为矿床的一次成矿年龄；
(3)若通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的等时线或平行等时线年龄相差较大，则应为统计错误造成的结果，该年龄不具有地质意义。
实施例1新疆伊犁盆地南缘蒙其古尔砂岩型铀矿床成矿年龄计算实例
步骤S1
利用蒙其古尔铀矿床48件全岩样品分析测试所得到的铅同位素组成、U含量、Ra含量、Pb含量，分别计算出206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、238U/204Pb、235U/204Pb的比值。
步骤S2
对48件样品按每两个样品进行组合，可分为
Figure BDA0002350749610000081
组数据，分别计算每组两个样品的238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄，并计算两个年龄值差值与238U-206Pb等时线年龄的比值K1，将238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄均为正值且相等或近似一致(K1值在±2％区间内)的所有样品分为一类(需3个以上数据)，将此类中能形成同一等时线的样品划定为一组，则每类样品可划分为若干组，共筛分出5类数据，8个小组。
表1数据分组情况
Figure BDA0002350749610000091
步骤S3
根据步骤S1所计算的数据及步骤S2的分组情况，利用Isoplot软件拟合出8组样品的238U-206Pb等时线年龄、235U-207Pb等时线年龄。
表2 U-Pb年龄计算表
Figure BDA0002350749610000092
步骤S4
根据步骤S2的分组情况，分别制作5类样品的206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图。
步骤S5
根据步骤S3、S4的结果，利用238U-206Pb等时线年龄与235U-207Pb等时线年龄是否一致或近似一致，及在206PbN/204Pb—207PbN/204Pb散点图上是否为系列直线两个判据来判断各组等时线年龄是否为矿床的一期成矿作用。如图2-图3所示，为部分的实例，根据计算结果某期所拟合的238U-206Pb等时线年龄与235U-207Pb等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上呈直线或平行线分布，得出所拟合的年龄为矿床的成矿年龄。最后得出12.0Ma、14.0Ma、15.9Ma、17.1Ma、18.5Ma等5期铀成矿年龄，与区域构造活动较为吻合。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，可应用于其它砂岩型铀矿床成矿年代学研究。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出相应变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、处理原始数据；步骤2、对数据进行分类、分组；步骤3、利用平行等时线年龄方法，分别拟合计算238U-206Pb等时线年龄、235U-207Pb等时线年龄；步骤4、制作206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图；步骤5、判定铀成矿年龄意义。
2.根据权利要求1所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：所述步骤1中，原始数据样品铅同位素组成、铀含量、铅含量、镭含量，并计算206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、238U/204Pb、235U/204Pb的值。
3.根据权利要求1所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：所述步骤2中，对所有数据两两进行238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄计算，并计算两个年龄值差值与238U-206Pb等时线年龄的比值K，将238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄均为正值且相等或近似一致的所有样品分为一类，将此类中能形成同一等时线的样品划定为一组，则每类样品可划分为若干组。
4.根据权利要求1所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：所述步骤3中，平行等时线年龄是基于多阶段模式演化体系的计算方法，其公式推导过程如下所示：
地球形成(tp)——岩石形成(t0)——岩石第一次成矿(t1)……岩石第m次成矿(tm)——现今
Figure FDA0002350749600000011
式(1)中，假设某矿石样品共经历了m次成矿作用，206Pb/204Pb为现今206Pb/204Pb的比值；206PbP/204Pb为原始206Pb/204Pb的比值；238UP/204Pb为原始238U/204Pb的比值；238Um/204Pb为第m次成矿时238U/204Pb的比值；
Figure FDA0002350749600000021
为某岩石样品m次成矿过程铅同位素的迁入及迁出累加量，认为铅元素不易随地下水进行迁移；238Um/204Pb为矿石样品最后一次成矿后238U/204Pb的比值；其中等式右侧前m+2项之和为岩石最后一次成矿时206Pbm/204Pb的值，上式可简化为：
Figure FDA0002350749600000022
同理，可推导出207Pb-235U多阶段模式演化体系方程：
Figure FDA0002350749600000023
式(2)、式(3)中206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb比值的大小主要受样品成矿次数及各阶段铀含量的影响；正是由于各种原因的影响，造成各样品206Pbm/204Pb或207Pbm/204Pb值各不相同，因此很难形成较好的U-Pb一致线，但若某组样品共同经历了矿床的某期铀成矿作用，且之后除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，所有样品均处于封闭体系之中，则在式(2)、式(3)中(e-λ8t m-1)和(e-λ5t m-1)为定值，如果该组样品的数量足够多，则铅同位素在238U/204Pb-206Pb/204Pb或235U/204Pb-207Pb/204Pb散点图中可以形成系列具有相同斜率的平行线；将经历岩石第m次成矿时Pb同位素组成相同或接近的样品进行分组，则每一组样品可拟合一条等时线，即可拟合系列平行的等时线，根据
Figure FDA0002350749600000024
和
Figure FDA0002350749600000025
可以分别计算出岩石成矿年龄tm。
5.根据权利要求4所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：平行等时线年龄方法的应用需要2个前提条件：参与计算的样品可以划分为若干样品组，每组所含的样品具有相同或接近的206Pbm/204Pb和207Pbm/204Pb组成；除了近现代由于地下水活动造成铀元素的迁入或迁出外，铀矿石在该次成矿后一直处于封闭体系。
6.根据权利要求1所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：所述的步骤4中，238U/235U的比值为固定值137.88，若岩石样品仅经历一期成矿作用，则在206Pb/204Pb0-207Pb/204Pb的散点图中各样品点可绘制成多条平行的直线。
7.根据权利要求1所述的一种砂岩型铀矿床铀成矿年龄的计算方法，其特征在于：所述的步骤5包括如下步骤，
样品组可拟合1条等时线，所拟合的238U-206Pb等时线年龄及235U-207Pb等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上为一直线；则说明此年龄为矿床的一次成矿年龄；
样品组可拟合2条以上的平行等时线，通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的所有平行等时线年龄一致或近似一致，在206Pb/204Pb—207Pb/204Pb散点图上呈2条以上平行的直线，则该年龄为矿床的一次成矿年龄；
若通过238U-206Pb及235U-207Pb所拟合的等时线或平行等时线年龄相差较大，则应为统计错误造成的结果，该年龄不具有地质意义。
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