发布时间：2025-01-20浏览次数：75
壳在成分和结构上的分异是其趋于成熟和稳定的重要标志，其可表现为大规模花岗质岩体侵位和稀有金属成矿等活动。因此，寻找早期与花岗岩有关的稀有金属成矿记录是研究早期大陆成分分异的重要因素。锡作为一种关键的稀有金属，在地壳常富集于花岗/伟晶岩及其派生的系统（如云英岩、热液脉体）中，通常以锡石（SnO2）的形式存在。锡石的物理化学性质稳定，其形成有可能记录了地壳分异演化的重要信息。对此，南京大学地球科学与工程学院内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室骨干王孝磊教授和其团队的博士研究生熊定一与南非约翰内斯堡大学的Axel Hofmann教授合作，对来自南非卡普瓦尔克拉通西部金山盆地中太古代Dominion组火山碎屑岩中的碎屑锡石（采样位置见图1）开展年代学和地球化学研究，以确定其时代和来源。
图1.南非卡普瓦尔克拉通西部金山盆地地质简图，采样位置以黑色星形标出。
研究工作从样品DR2中分选到了锡石颗粒，多呈次圆状，直径在250 μm左右，含矿物包裹体而少见裂隙。在阴极发光（CL）图像中，部分锡石颗粒可见振荡环带，而多数颗粒表现为亮区与暗区混合或交织的特征，可能是热液改造的结果（图2a-f）。根据振荡环带的不完整性判断，这些碎屑锡石的原始晶体颗粒可能达到了毫米级，与那些产自高分异Li-F花岗岩和伟晶岩的岩浆锡石非常相近。锡石的LA-ICP-MS（激光等离子质谱）U-Pb定年结果表明，DR2的每个锡石颗粒年代接近，具有谐和的年龄，为3089.0 ± 1.5 Ma（2SD，图2g），其207Pb/206Pb加权平均年龄为3084.7 ± 2.3 Ma（2SD，MSWD = 1.7）（图2h），这是目前所报道的已知最古老的（碎屑）锡石。
图2.部分代表性锡石颗粒CL图像（a-f），Tera-Wasserberg年龄谐和图（g）及207Pb/206Pb加权平均年龄（h）。U-Pb定年、O同位素与Sn同位素分析点位分别以大圆、小圆和矩形标出。
锡石的SIMS（离子探针）的O同位素分析结果显示，这些锡石的O同位素具有较大的不均一性，总体变化范围为‒1.63 ‰至6.01 ‰，而多数分析点（73/101）的δ18O在3–5 ‰之间，仅有8个分析点的δ18O低于2 ‰（图3a）。这与一些受到热液扰动的岩浆锡石的O同位素组成类似，如我国云南小龙河锡矿的锡石。对低δ18O锡石的计算表明，其形成过程中大气降水的贡献比例最高可达33 %（图4），这揭示了该锡矿的浅成特性。另外，利用LA-MC-ICP-MS（激光多接收等离子质谱）测试的原位Sn同位素分析结果同样显示出较大的分馏，δ122/118Sn3161a变化范围为‒0.59 ‰至0.79 ‰，与来自Erzgebirge冲积锡矿中的碎屑锡石的Sn同位素分馏相似。多数分析点（21/29）的Sn同位素较为均一（‒0.20 ‰至0.20 ‰），表现出岩浆锡石的特征；而其余偏离此范围的δ122/118Sn3161a值可能是流体出溶所致。
图3.O同位素结果（a）；Sn同位素结果（b）；三锡同位素质量相关分馏投图（c）；δ18O-δ122/118Sn投图（d），二者无相关性。
图4.对具有最低δ18O（-1.63 ± 0.40 ‰）的锡石颗粒应用的关于δ18O与温度的岩浆流体（棕色三角）与天水（蓝色三角）的二元线性混合模型。岩浆流体设置为600~800 ℃，δ18O = 6.1~9.9 ‰，天水设置为0 ℃，δ18O = -10 ‰，混合得到的流体以红色圆形表示，PMF和PMW分别为岩浆流体和大气降水的比例。
在微量元素上，DR2碎屑锡石显著区别于后太古宙锡石，其明显富集Hf、Zr、Nb、Ta而相对贫W，且Zr/Hf比值较低（图5a-d）。结合Ti/Zr和(Fe+Mn)/(Nb+Ta)（以4个总氧计）比值（图5e-f），可以进一步确定其与含Sn-W花岗岩及稀有金属伟晶岩的亲缘性，且受到一定程度的蚀变影响。
图5.DR2碎屑锡石（红色星形）微量元素图解。与之对比的为后太古宙锡石，分别来自：卢旺达Gatumba伟晶岩（灰色方形），玻利维亚锡成矿带（蓝色三角），南非Bushveld杂岩（棕色圆形），我国云南个旧锡矿（蓝色菱形）。
根据已有的古水流资料，可以推测本研究的DR2碎屑锡石发源于金山盆地东部某未知花岗岩体。前人曾报道过卡普瓦尔克拉通东部约30至31亿年前可能存在含锡花岗岩和伟晶岩，因此，卡普瓦尔克拉通西部DR2碎屑锡石的发现将这一时期稀有金属花岗岩和伟晶岩的分布范围扩大至了整个克拉通。这一发现更表明，卡普瓦尔克拉通在彼时出现了大规模的地壳分异与再造过程，演化出了分布广泛的稀有金属花岗岩和伟晶岩——而这也或许是地球最早的稀有金属成矿事件。锡作为一种亲铁的不相容元素，在地球形成之初就已大量进入地核，仅有少量的锡残存于硅酸盐地球中。因此，在经历了15亿年的漫长地质演化后，地球才得以在地壳中产生富锡的钛铁矿系花岗岩以及足够高程度的岩浆分异过程，并最终在卡普瓦尔克拉通内形成第一个锡矿。类似地，早期的锡成矿事件也可能被其他太古宙地层中的碎屑锡石所记录。
该研究报道了地球目前已知最古老的碎屑锡石，并为研究早期大陆地壳演化提供了一个独特的视角。上述成果近日以“3.08 billion-year-old crustal differentiation constrained by Sn and O isotopes of detrital cassiterite”为题在线发表于国际地球科学期刊《Communications Earth & Environment》上，王孝磊教授和李伟强教授共同指导的博士研究生熊定一为论文的第一作者，王孝磊教授为论文的通讯作者。论文合作者还包括南非约翰内斯堡大学的Axel Hofmann教授，南京大学章荣清副教授，爱尔兰都柏林大学的Teimoor Nazari-Dehkordi博士，以及南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的管跃和安诗超博士。本研究得到了国家自然科学基金（42025202）、关键地球物质循环前沿科学中心（2024JC03）、内生金属成矿机制研究国家重点实验室以及南非DSI-NRF中心的联合资助。
附本文链接：
https://doi.org/10.1038/s43247-024-01971-x