第一性原理计算约束宏观地质现象的微观机制

微观尺度物理化学机制随着时间推移和空间尺度放大,逐步累积形成在地球系统中能够被直观观测到的大规模地质过程。揭示地质作用过程中隐藏在宏观表象下的微观机制一直是地球科学研究的重要内容。近年来,随着计算能力的提高和计算方法的进步,基于量子力学原理的理论计算方法——第一性原理计算,以精度高、效率高、应用灵活且所得结果可以媲美实验等优势,为构建宏观与微观之间的桥梁提供了一个有力途径。本文归纳总结了第一性原理计算的基本原理,梳理了使用第一性原理计算在研究宏观地质现象的微观机制领域取得的新认识,侧重论述了第一性原理计算在研究矿物物理化学性质、深部熔体性质、同位素分馏机理、元素地球化学行为等方面的应用,并展望了第一性原理计算在未来可能遇到的挑战和发展趋势,为微观机制的计算模拟研究提供帮助。第一性原理计算的发展和应用,增强了人们对地球系统微观机制的理解,为未来地球科学的研究提供了新思路。

豫西南赤土店铅锌矿床地质、流体包裹体和S、Pb同位素地球化学特征

豫西南栾川地区近年铅锌矿勘查取得显著进展,显示出良好的资源前景。赤土店铅锌矿床是新发现的铅锌矿之一,从控矿要素和矿体产状看,有两种矿化类型,即北西西向断裂构造控制的脉状铅锌矿,和石宝沟岩体外围矽卡岩带中的铅锌矿,并以前者为主。在空间上围绕斑岩体往外,构成近斑岩体发育矽卡岩型钼矿化,远斑岩体接触带的围岩矽卡岩中发育矽卡岩型多金属矿床,在斑岩体外围的断裂带中发育脉型铅锌银矿床的空间分布或分带规律。流体包裹体研究显示,成矿阶段温度较高(290～340℃),流体含大量CO2,并发生过流体不混溶分离。S同位素组成(0.20‰～8.30‰,平均3.93‰)显示,硫有深部岩浆(区内斑岩硫集中在2‰～4‰)和地层(分别集中在-13‰～-8‰和6‰～11‰两个区间)两种来源。被矿相学研究证实共生的方铅矿-闪锌矿矿物对计算出平衡温度为388.29℃,亦显示高温特征。Pb同位素组成(206Pb/204Pb=17.005～l7.953,207Pb/204Pb=15.414～15.587,208Pb/204Pb=37.948～39.03)反映,脉状铅锌矿成矿物质可能主要来自斑岩,部分来自地层。综合分析认为,赤土店矿床为与燕山期斑岩有关的铅锌矿,其脉状矿体为岩浆热液充填-交代成因类型。

新疆西天山喇嘛萨依铜矿床地质和C、O、S、Pb同位素地球化学

喇嘛萨依铜矿是新疆西天山赛里木微地块内的一处典型铜矿床,关于其成因类型尚存争议。总结了该铜矿床的地质特征,测试围岩、脉石碳酸盐的C、O同位素和硫化物的S、Pb同位素组成,探讨其成因类型。研究表明,喇嘛萨依铜矿床具有后生矿床特征,发育矽卡岩化蚀变,脉石方解石的δ13C值变化范围为-1.04‰^-0.87‰,低于围岩灰岩的δ13C值(变化范围为3.51‰~5.47‰),δ18O值变化范围为9.33‰~9.61‰,明显低于正常的海相碳酸盐岩的O同位素(δ18O=20‰~26‰),C、O同位素组成反映喇嘛萨依铜矿成矿晚阶段流体来自岩浆水和地下水的混合水;硫化物的δ34S值主要变化范围为3.75‰~8.64‰,与区域上海西期斑岩的硫同位素组成(如达巴特斑岩铜钼矿床硫化物的δ34S变化范围为4.9‰~7.9‰)接近,反映硫来源于斑岩;黄铜矿的铅同位素为206Pb/204Pb=18.264~19.544,207Pb/204Pb=15.575~15.656,208Pb/204Pb=38.103~38.705,具有富含放射成因铅、两阶段异常铅特征,与区域上海西期斑岩(达巴特流纹斑岩)的铅同位素组成特征相似,反映成矿金属物质部分来源于斑岩。通过综合分析认为,喇嘛萨依铜矿是与斑岩有关的矽卡岩型矿床。

新疆昭苏卡拉盖雷铜(金)矿床酸性火山岩锆石U-Pb年代学、地球化学及其地质意义

新疆昭苏卡拉盖雷铜(金)矿床位于中天山北缘构造带西段,矿区主要出露一套基性、中-酸性的亚碱性火山岩。本次研究对其中的流纹岩、安山岩、霏细岩等酸性火山岩的锆石U-Pb测年结果为451~437Ma(前人对研究区的地质调查显示火山岩归属下石炭统大哈拉军山组),为晚奥陶世。地球化学测试结果显示主要呈高钾(2.26%~9.27%)、高铝(11.77%~16.66%)及亚碱性的特征,稀土元素中Eu呈现不同程度的负异常且轻稀土相对富集,微量元素特征显示主要富集Ba、Tu、U等大离子亲石元素,亏损Ta、Nb、Sr等元素。综合分析认为岩石具有大陆岛弧性质,岩浆主要经历了结晶分异作用,可能形成于造山后期的伸展背景下。

新疆三峰山铜矿床含铁锰硅质岩地质地球化学特征与成因

三峰山铜矿床位于新疆北山地区,矿体产于古生代海相火山-沉积建造中,含矿岩系主要由浅变质的玄武岩和碎屑岩组成,在变质玄武岩中发育一套含铁锰硅质岩,常与矿体相伴产出(陈毓川等,2007)。前人研究表明,热水沉积成因的硅质岩是海底喷流沉积矿床的典型建造(郑明华等,1993)。因此,深入研究本区硅质岩的成因对于了解矿床形成机制具有重要作用。本文主要研究了硅质岩岩相学和地球化学特征,初步探讨岩石成因及形成环境,为加深认识矿床成因和成矿环境提供依据。

西天山新源南部二叠纪辉绿岩墙群地球化学特征、锆石U-Pb年龄及其地质意义

南天山古洋盆闭合、碰撞造山时限等洋-陆格局的演化过程是西天山备受关注的地球动力学问题,紧邻那拉提北缘断裂的新源地区二叠纪放射状辉绿岩墙提供了解决这个问题的良好机会。新源地区辉绿岩具辉绿结构,斑晶为斜长石和普通辉石,基质主要由斜长石、辉石、绿泥石等副矿物组成。岩石为富钠贫钾、过铝质、钙碱性岩浆系列。辉绿岩岩墙富集Rb、Th和La等元素,明显亏损Nb、Ta等元素,显示εNd(t)为正值(+3.3^+3.8)和低的初始锶比值((87Sr/86Sr)i=0.70479~0.70548),幔源物质明显。与该区石炭纪玄武岩地球化学性质相似,岩浆可能为二叠纪软流圈和岩石圈相互作用的产物,其起源与软流圈上涌有关。辉绿岩岩墙LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为280.4±3.6Ma,被解释为岩脉成岩年龄,即岩脉形成于二叠纪。结合区域构造背景,推测辉绿岩岩脉形成于塔里木地块与中天山-伊犁地块碰撞闭合后的板内伸展环境,并与南天山洋洋壳岩石圈板块断离密切相关。

云南东川群碎屑锆石年代学和元素地球化学及其地质意义

东川式铜矿主要分布在云南省中北部的康滇地区,属于典型的沉积岩型容矿铜矿床,以东川地区的东川铜矿床铜储量最大。东川群是东川式铜矿的主要赋矿围岩,查明东川群物源对于识别沉积作用的源区、沉积构造环境和Cu成矿作用以及对于研究沉积岩型容矿铜矿床的成矿模式具有重要意义。本文对东川地区东川群的因民组、黑山组、青龙山组样品的碎屑锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb定年和原位微量元素分析。结果表明,东川群绝大多数碎屑锆石属岩浆锆石,且来自S型花岗岩源区。所有锆石显示了~2.7Ga、~2.5Ga、~2.2Ga、~1.8Ga和~1.5Ga等5个年龄峰值,首次确定青龙山组最大沉积年龄为~1220Ma。东川群含矿地层成岩和成矿物质具有二元特征:地层主体成分来自于毗邻的哥伦比亚造山带的S型花岗岩,而金属Cu应为同一造山带内先期存在的Cu矿床或者富Cu岩石经过剥蚀、搬运和沉积成矿作用富集的。

宁芜火山岩盆地凹山铁矿床侵入岩锆石微量元素特征及其地质意义

凹山铁矿床是玢岩铁矿床的典型代表之一,矿床中发育有辉石闪长玢岩和花岗闪长斑岩两类侵入岩。锆石微量元素分析结果显示,两类岩浆岩中锆石的稀土元素配分模型相似,花岗闪长斑岩中的锆石较辉石闪长玢岩中锆石具有较高的U含量,较高的U/Yb比值以及相似的Yb、Hf和Y含量,结合前人的研究认为,两者的源区具有一致性,均源于富集地幔,并在其上涌就位过程中混染了壳源物质,其中花岗闪长斑岩混染了更多的壳源物质。花岗闪长斑岩中锆石的Ce(Ⅳ)/Ce(Ⅲ)比值集中于0～100,远低于斑岩铜矿成矿岩体Ce(Ⅳ)/Ce(Ⅲ)>300的特征,具有较弱的形成斑岩型铜金矿的特征,但在宁芜地区发育的这类花岗闪长斑岩是否具有形成铜金矿化的潜力仍需进一步的研究和勘查。

胶东邓格庄金矿地质特征与深部预测

邓格庄金矿床是胶东东部牟平—乳山成矿带内典型的大型石英脉型金矿床,对其研究和开发具有重要的理论意义和经济价值。矿体产于荆山群和昆嵛山岩体接触部位及其附近地带,赋矿主岩为昆嵛山二长花岗岩,近矿围岩蚀变类型多样,分带明显,成矿阶段具有多期多阶段特征,受与金牛山断裂带呈"入"字型的NNE向次级断裂控制。根据"三位一体"找矿模式,提出了与成矿同期的侵入岩和早白垩世岩浆岩二级成矿地质体概念。荆山群变质岩是金成矿的催化剂,胶东群提供了部分金等成矿物质;岩浆活动提供热源和成矿热液;断裂构造提供导矿和容矿空间,在断裂构造转折处,产状急剧变化处和分支复合的部位,以及不同断裂交汇处有利于成矿物质的聚集。结合矿体金品位和厚度等参数填图结果,探讨了矿化富集规律,推测Ⅰ2-2矿体94线北东向深部-400～-1 100 m标高可能存在较好的找矿远景。

辽宁弓长岭铁矿床磁铁矿稀土元素特征及其地质意义

辽宁弓长岭铁矿床是我国著名的沉积变质型铁矿床,其二矿区的磁铁富矿达大型规模,属国内之最。为探讨弓长岭铁矿床铁矿的物质来源、形成环境和富矿成因,本文以二矿区六个铁矿体的贫铁矿石和富铁矿石中磁铁矿单矿物为研究对象,利用电感耦合等离子体质谱进行了系统的稀土元素测试。结果表明,所有样品中磁铁矿的稀土元素总量(∑REEs)和Y具有非常一致的特征:稀土元素总量较低,Y/Ho比值较高;经太古界后平均澳大利亚页岩(PAAS)标准化呈现重稀土相对富集、轻稀土相对亏损的分馏模式,大部分呈现La正异常,所有样品都有明显的Eu和Y正异常,这些特征表明研究区的磁铁矿成矿物质主要来源于海底高温热液和海水;虽然磁铁矿的Ce/Ce*为0.69～0.97,但大多数样品缺乏真正意义的Ce负异常,这暗示其沉积于还原的海水环境;富铁矿石磁铁矿的稀土元素总量和Eu含量明显高于贫铁矿石的磁铁矿,而且含富矿的上含铁带Eu异常明显较高,表明富铁矿石磁铁矿具有更明显的热液特征,是在贫铁矿石的基础上受热液活动形成的。

中亚南天山穆龙套型金矿地质背景、成矿特征和找矿策略

中亚南天山是世界上最重要的金矿带,以浅变质含碳质碎屑岩系为容矿岩石的穆龙套型金矿最为发育且规模巨大。将境内外南天山作为整体开展研究,有助于推进中国新疆南天山地区金矿的找矿持续突破。南天山是南天山洋在石炭纪末闭合时在Karakum—塔里木板块北缘形成的褶皱冲断带。南天山地区穆龙套型金矿的容矿地层为一套浅变质、变形强烈的含碳质细碎屑岩建造,对金矿化有明显预富集;区域内的大型韧-脆性变形带,剪切带及相关断裂系统是穆龙套型金矿的控矿构造;金矿区岩浆活动虽然较弱,但岩浆活动与成矿具有紧密的时空联系。矿体呈脉状、板状、透镜状,常以黄铁矿和毒砂为主要载金矿物,围岩蚀变以硅化、黄铁矿化、碳酸盐化最为发育。成矿年龄多为晚古生代,同位素示踪指示成矿流体、硫及成矿金属物质具有壳幔混源特征。"碳质岩系+构造变形+岩浆热液"是穆龙套型金成矿的关键控制因素。按照总体控矿特征,探讨了中国新疆南天山地区穆龙套型金矿床的主要找矿策略。

赣东北贵溪地区片岩中碎屑锆石的U-Pb年龄、Hf同位素及其地质意义

应用LA-ICP-MS U-Pb同位素原位微区定年方法及Hf同位素和微量元素分析方法,对华夏地块北部赣东北地区1个云母石英片岩中48个碎屑锆石进行了系统研究。这些锆石大部分具特征的振荡环带,Th/U比值较高(>0.4),稀土元素配分型式左倾(富集HREE),具明显正Ce和负Eu异常,属于特征的岩浆锆石。年代学研究显示,华夏北部新元古代变沉积岩主要在-775 Ma出现峰值并在-840 Ma出现次高峰,说明在此时期有两期大规模的岩浆活动。-840 Ma的峰值锆石对应的εHf(t)值明显分为两个区间,既有正值,也有负值,而在-775 Ma的峰值锆石对应测定的εHf(t)值均为负值。结合前人的Hf同位素测试结果,说明华夏地块新元古代中期岩浆活动主要表现为古老陆壳物质的再循环。形成于古元古代-1770 Ma的一个次高峰的年龄数据非常一致,单一的Hf同位素成分和较好的锆石晶形表明它们最可能捕获于深部的一个古元古代基底岩石。

河南内乡北部铅锌银矿方解石的碳-氧同位素特征及地质意义

河南省内乡县北部大型铅锌银矿床产于北秦岭造山带朱夏断裂北侧的二郎坪地体内,形成于晚元古代-早古生代弧后盆地环境的(变质)火山-沉积建造。矿区已发现铅锌银矿(化)脉近百条,多呈板状、脉状充填于近垂直造山带的断裂构造中。为了研究碳酸岩矿物的C、O同位素组成,本文在矿床地质研究基础上,选取了银洞沟铅锌银矿Y1、Y6、Y10号矿脉和周庄铅锌银Z2号矿脉中方解石进行了C、O同位素组成分析,结果是δ13 C为-5.45‰～-2.19‰,δ18 O为10.03‰～14.50‰,计算的碳同位素平衡状态的成矿流体的δ13 C∑C值为0.06‰～1.42‰,指示成矿流体来源于秦岭群沿朱夏大断裂向北俯冲到二郎坪群时的变质脱水。

青海铜峪沟铜矿区含黄铜矿硅质岩及其地质找矿意义

位于东昆仑与西秦岭衔接转换部位的青海铜峪沟是鄂拉山成矿带上一处重要的大型铜矿床,矿山增储和外围找矿问题突出,硅质岩可能是重要找矿标志之一。铜峪沟铜矿区硅质岩呈层状、似层状及条带状整合产于中—下三叠统中,由微晶-细晶石英组成,含少量绢云母、黄铜矿及磁黄铁矿等。硅质岩主微量元素特征,如Al_2O_3-Ti O_2图解、Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)×10三角图解和P_2O_5-Y图解,以及硅氧同位素特征等方面显示出典型热水沉积地球化学特征;同时岩石Si/Al比值、U/Th比值及稀土元素特征等表明热水沉积体系遭受了少量陆源物质的影响。此外,硅质岩Al_2O_3/(Al_2O_3+Fe_2O_3)-Fe_2O_3/Ti O_2图解、Ti/V-V/Y图解、(La/Ce)N-Al_2O_3/(Al_2O_3+Fe_2O_3)图解及稀土元素特征等均显示其形成于大陆边缘环境。区域上,随着阿尼玛卿洋由南向北俯冲,早—中三叠世铜峪沟一带属弧后盆地环境,盆地内发生喷流沉积作用使大量成矿物质预富集形成矿胚层,此为重要成矿期,而硅质岩作为该过程的重要地质记录,同时指示区域上错扎玛和塔东等地有较好的找矿前景。

山东省平邑县大井头钾镁煌斑岩地质特征及金刚石含矿性

平邑县大井头岩体发现以来,其岩性界定和金刚石含矿性始终悬而未解。近期针对其深部施工2个钻孔,在钻孔人工重砂样中选获原生金刚石3颗。结合岩矿鉴定、岩石地球化学和重砂矿物特征,认为大井头岩体为含金刚石的钾镁煌斑岩管,岩体下游的金刚石及其重砂矿物异常应由该岩体引起。结合周边存在的金刚石指示矿物异常和多处尚未查明的疑似岩体,认为该地区具有广阔的金刚石原生矿找矿前景。

辽北新宾-苇子峪地区太古宙花岗质岩石的形成年代、成因及其地质意义

辽北新宾-苇子峪地区的花岗质岩石主要由英云闪长质-奥长花岗质片麻岩和二长花岗岩-正长花岗岩岩体等组成。为确定其形成年代及成因,对这些花岗质岩石进行锆石U-Pb-Hf同位素和全岩地球化学分析。锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素定年结果表明这些花岗质岩石均形成于新太古代,英云闪长质和奥长花岗质片麻岩的岩浆结晶年龄分别为2588±4 Ma(MSWD=1.3)和2587±6 Ma(MSWD=1.8),二长花岗岩-正长花岗岩则侵位于2555±4 Ma(MSWD=0.51)。全岩地球化学和锆石Lu-Hf同位素研究表明,英云闪长质-奥长花岗质片麻岩形成于俯冲板片的部分熔融,其原始岩浆在上升过程中受到地幔楔岩石的交代;而二长花岗岩-正长花岗岩中一部分岩浆起源于变质杂砂岩的部分熔融,其余形成于以变质玄武岩与变质沉积岩为主要成分的混合源区的部分熔融。结合近年的研究成果,认为新宾-苇子峪地区的新太古代花岗质岩石可能形成于活动大陆边缘的动力学背景。

中国云南金顶铅锌矿碎屑灌入体和水力压裂构造的观察及流体动力学分析

金顶铅锌矿曾被认为是形成于相对被动地受构造与沉积相控制的盆地流体,类似于许多其他沉积岩容矿的金属矿床。然而,一些近期研究显示在金顶矿区露天采场存在砂岩灌入体、侵位角砾岩和水力压裂构造,说明矿床可能形成于超压流体的爆发性释放。文中报道在地下坑道(跑马坪和峰子山)中新观察到的与超压流体有关的构造,这些构造显示比露天采场有更清楚的交切关系。所观察到的构造包括:(1)灌入固结岩石缝隙的砂岩(±岩石碎块)岩墙;(2)侵入松散或半固结沉积物中的砂岩(±岩石碎块)体;(3)裂散的半固结砂岩体;(4)固结岩石受水力压裂作用然后被热液矿物胶结而形成的角砾岩和岩脉。砂岩灌入体和水力压裂构造中矿石矿物(闪锌矿)胶结物的发育表明,这些构造的形成时代与矿化时代相同。多向水力压裂和角砾岩的发育表明矿化过程中应力差很小,这与矿化前强烈的水平挤压构造应力场不同。根据砂岩岩墙中碎屑大小计算出来的流体流速可能高达11m/s。碎屑灌入体和水力压裂构造可能形成于超高压流体的爆发性释放,这可能和深部岩浆侵入或地震活动有关。这些活动周期性地打开了深部的高压流体库。由于碎屑灌入体和水力压裂构造与成矿流体的来源紧密联系在一起,它们与成矿作用密切相关,可以用作成矿指示。

河南栾川脉状铅锌矿床Pb同位素地球化学特征

针对分布于豫西南栾川地区的脉状铅锌矿床,进行铅锌矿、地层和岩浆岩的铅同位素数据对比分析研究显示:该区铅锌矿床的铅同位素组成(赤土店矿床206Pb/204Pb=17.005～17.953,207Pb/204Pb=15.414～15.587,208Pb/204Pb=37.948～39.036;冷水北沟矿床206Pb/204Pb=17.602～17.954,207Pb/204Pb=15.458～15.606,208Pb/204Pb=38.208～38.772;百炉沟矿床206Pb/204Pb=17.552～18.426,207Pb/204Pb=15.451～15.5794,208Pb/204Pb=38.264～39.637)与区内燕山期斑岩和地层的铅同位素组成(燕山期斑岩206Pb/204Pb=17.189～17.894,207Pb/204Pb=15.381～15.569,208Pb/204Pb=37.655～39.01;元古界岩石206Pb/204Pb=17.694～19.249,207Pb/204Pb=15.467～15.585,208Pb/204Pb=38.303～41.104)有一定的相似和差别。铅同位素特征值(μ值、ω值)、Δβ-Δγ、206Pb/204Pb-207Pb/204Pb、Δα-Δβ-Δγ等分析研究,揭示铅锌矿床铅与燕山期斑岩和地层铅的来源关系,综合研究,认为栾川地区脉状铅锌床为与燕山中期斑岩侵入有关的岩浆热液充填-交代型矿床,成矿物质存在燕山期岩浆和围岩地层两种来源。

西藏日喀则地区雅鲁藏布蛇绿岩地球化学特征及其源区性质

日喀则地区的蛇绿岩是西藏南部雅鲁藏布蛇绿岩带出露较好的蛇绿岩之一.对日喀则地区白朗蛇绿岩的主量、微量元素及Sr-Nd同位素研究表明,其基性岩石为钙碱性系列,主要氧化物具有低钛（0.6% ～1.1%）和富镁（6.6% ～8.7%）、高铝（15.3% ～16.0%）,以及烧失量普遍较高（2.8% ～4.6%）的特征.岩石微量元素配分型式与N-MORB类似,又具有岛弧玄武岩的地球化学特征,表明蛇绿岩受到了俯冲作用的影响.Sr-Nd同位素特征表明源区为略富集的MORB型地幔.白朗蛇绿岩所代表的特提斯地幔域与印度洋地幔域具有相似的地球化学性质,进一步证实了现今的印度洋继承了特提斯地幔域的地球化学特征.