石榴石U-Pb定年及其对华北克拉通碱性岩浆活动和热液金、铁成矿作用时间的精确限定

石榴石在某些岩浆岩类型（如过铝质花岗岩和碱性岩）及众多热液矿床类型中普遍存在，前人主要通过石榴石的Sm-Nd等时线定年来确定地质体和地质事件的年龄，但由于Sm的半衰期很长（亿年），因此Sm-Nd等时线定年过去主要用于前寒武纪地质事件的研究，对于年轻地质体则往往难以获得准确和可靠的年龄。石榴石中除稀土元素的含量较高以外，还有一定量的U，因此有可能对石榴石进行U-Pb定年。但迄今为止这方面的研究还很少，国际上极少有对石榴石U-Pb定年的报道。本项目第四课题李建威教授研究组首次利用激光剥蚀ICP-MS分析技术对岩浆成因和热液成因石榴石开展了U-Pb年代学研究，获得了高精度的年龄数据。他们对华北克拉通东部张家口水泉沟碱性杂岩中的岩浆石榴石、邯邢地区矽卡岩型铁矿中的热液石榴石以及晋东北义兴寨金矿床中热液石榴石的研究表明，这些石榴石中U的含量普遍较高（高达上百ppm），且主要以晶格替代的形式存在，同时普通Pb的含量很低，因此是U-Pb定年的理想对象，可实现对热液矿床和岩浆侵位时间的精确限定。

张家口水泉沟碱性岩中石榴石相对均匀（Ad70Gs22-Ad77Gs14，图1a），主要包裹榍石、钠长石、磁铁矿和黄铁矿等矿物，具有较高的TiO2含量（0.81-1.53wt%），表明该石榴石是从岩浆中结晶形成的。邯邢地区矽卡岩型铁矿床和义兴寨金矿床中的石榴石发育较好的振荡环带（Ad86Gs11-Ad98Gs1，图1a），且含有较丰富的流体包裹体和透辉石、磁铁矿、磁铁矿、黄铁矿等矿物包裹体，表明这些石榴石是热液交代作用的产物。LA-ICPMS原位的微量元素分析表明矽卡岩石榴石中的稀土配分模式与传统的石榴石具有显著的区别，主要表现为轻稀土富集，重稀土亏损（图1b）。这种稀土配分模式表明这些石榴石形成时主要受控于外部高温高盐度岩浆流体的注入控制了稀土元素进入石榴石中（Gasparetal.,）。碱性岩中石榴石稀土为轻稀土亏损，重稀土富集，表明石榴石形成于相对封闭的岩浆体系。两种石榴石的U含量与钙铁榴石组分含量具有很好的正相关，表明Fe的替代有利于U进入石榴石中（图1c）。石榴石中U和REE含量具有很好的正相关性（图1d），表明U的替代机制和稀土元素在石榴石中的替代机制一样，即为[U4+]Ⅷ+2[Fe3+,Al3+]Ⅳ?[Ca2+]Ⅷ+2[Si4+]Ⅳ的双替代机制，进一步说明石榴石中U主要赋存于晶格中。

图1（a）石榴石成分三角投图；（b）石榴石稀土元素球粒陨石标准配分图；（c）石榴石U和钙铁榴石成分相关性图；（d）石榴石U含量和稀土含量相关性图

他们利用LA-ICPMS技术对热液石榴石和碱性岩中岩浆石榴石的U-Pb同位素组成进行了原位分析。其中，碱性岩中岩浆石榴石普通Pb校正后的Pb/U加权平均年龄为±3Ma（2σ；MSWD=0.6；图2a，b），与同一岩体的锆石U-Pb年龄完全一致。两个矽卡岩铁矿床中石榴石分析点的Pb/U年龄均较为谐和，Pb/U加权平均年龄分别为±2Ma（2σ；MSWD=0.7）和±1Ma（2σ；MSWD=0.5；图1c-f），与成矿岩体的锆石U-Pb年龄吻合。义兴寨金矿床角砾岩筒中石榴石含有少量的普通Pb，分析点在Tera-Wasserburg图上下交点年龄±4Ma，Pb校正的Pb/U加权平均年龄分别为±2Ma（2σ；MSWD=0.4；图1g，h），与切割角砾岩的石英斑岩锆石U-Pb年龄完全一致。以上研究结果充分证明，石榴石可广泛应用于热液矿床及其他碱性岩形成时代的精确限定，有潜力成为一种直接、有效的同位素定年手段。

图2碱性岩中石榴石U-Pb谐和图（a）和Pb/U加权平均年龄图（b）；矽卡岩铁矿中石榴石U-Pb谐和图（c，e）和Pb/U加权平均年龄图（d，f）；义兴寨角砾岩筒中石榴石U-Pb谐和图（g）和Pb/U加权平均年龄图（h）

上述研究成果近期发表于国际期刊ContributionandMineralogyandPetrology上（Deng,X.-D.,Li,J.-W.,Luo,T.andWang,H.-Q.,.Datingmagmaticandhydrothermalprocessesusingandradite-richgarnetU–Pbgeochronometry.ContributionstoMineralogyandPetrology:71），另外部分成果将于近期发表于国内期刊《地球科学》。该成果受课题YFC资助。