PR | 长江大学吴越教授团队：华南寒武纪汞大规模成矿作用——茶田大型汞矿热液白云石U-Pb定年的启示

文摘 2024-08-20 22:05 加拿大

汞（Hg），是人类历史上最早被大量开采和利用的金属之一，其独特的物理化学性质使其在冶金、医疗、化工、精密仪器制造和电气工程等诸多现代产业中占据了重要的地位（Rytuba, 2003; Higueras et al., 2013；徐春霞等，2021）。尽管Hg 的应用广泛，但众多世界级 Hg 矿床/带的成因至今仍饱受争议；例如，全球最大且研究程度最高的 Hg 矿床—西班牙 Almadén 矿床（开采 Hg 金属量超过 25 万吨）就存在截然不同的成因解释，而Hg成矿时代的不确定性是导致Hg矿成因争议的一个重要原因。扬子板块东南缘的湘西-黔东（湘-黔）Hg 矿带不仅是我国最大的 Hg 产区（Hg金属量达4万吨）（图 1），而且是全球罕见的华南大面积低温热液成矿域(Au-Hg-Sb-As-Pb-Zn)的重要组成部分（胡瑞忠等，2016; Hu et al.,2017）。但区内众多碳酸盐岩容矿型Hg矿床的成矿时代、成矿动力学背景、矿床成因等问题仍然悬而未决。

汞，还是自然界中毒性最强的元素之一，其全球性传输能力和对生态系统潜在的毁灭性影响，已引起了科学界、工业部门和各国政府等的极大关注（Grasby and Bond，2023；孙若愚等，2024）。在地质历史长河中，与大火成岩省（Large Igneous Provinces, LIPs）有关的强烈火山活动导致 Hg 被大量释放，进而引发 Hg 中毒，已被认为可能是一些生物灭绝事件的触发因素之一(Bond andGrasby, 2017; Grasby et al., 2020; Rakociński et al., 2020; Baranyi et al., 2023)。实际上，大型-超大型 Hg 矿床/带的形成也指示着在特定的地质时期，巨量的 Hg 从源区被释放、运移，并在浅部地壳的一定区域内大量聚集的过程。因而，探究大规模Hg 成矿作用与“生物危机”的潜在联系，或能为揭示生物灭绝机制提供新的视角，并在一定程度上深化深部地质过程（成矿作用等）如何影响地球表层系统（环境/生态系统等）的认识。

▲图1. ~ 510Ma华南板块岩相古地理与Hg矿带位置图

(据Liu et al.,2021; Wang and Li, 2003修改)

针对上述问题，长江大学-中国地质大学（武汉）“地球深部过程与表层系统耦合作用”联合研究中心（长江大学资源与环境学院）吴越教授、段登飞副教授团队的硕士研究生周繁艳选取湘-黔Hg矿带内茶田大型Hg矿区为研究对象，在详细的野外矿床地质、岩/矿相学、矿物化学等研究的基础上，选取成矿期热液白云石开展原位LA-ICP-MS/MS U-Pb成矿年代学研究。

茶田Hg矿区位于湘西-黔东汞矿带中南部。赋矿地层主要为中寒武统敖溪组白云岩(~509-505Ma)，区内Hg矿床的矿化特征基本一致。矿体主要呈层状-似层状产出，受层间破碎带及断裂-裂隙系统控制，矿石主要为角砾状、脉状等。热液白云石是矿床最主要的脉石矿物，贯穿了整个成矿过程：成矿期热液白云石Dol Ⅰ与辰砂及少量闪锌矿紧密共生；局部还可见后期热液白云石Dol Ⅱ穿插辰砂、闪锌矿和Dol Ⅰ (图2)。

▲图2. 茶田汞矿区野外地质特征、矿相显微特征和热液白云石CL特征

成矿期热液白云石Dol Ⅰ 的U-Pb定年结果显示，矿区茶树喇矿床Dol Ⅰ 白云石年龄为507.4±4.0Ma，头坡脑矿床两件Dol Ⅰ 样品年龄为509.4±4.7Ma和509.8±7.4Ma(图3)，首次识别出了华南寒武纪汞成矿作用。此外，Hg成矿时代与赋矿地层—中寒武统敖溪组白云岩的形成时间基本一致(~509-505Ma)，表明区内Hg矿与围岩近同时或在围岩沉积后不久形成（准同生-早成岩期成矿）。

▲图3. 成矿期热液白云石Dol Ⅰ Tera-Wasserburg年龄图

古地理重建显示，寒武纪时华南板块位于冈瓦纳大陆的东北缘。该时期，在冈瓦纳大陆的东北部有广泛的地幔岩浆活动：在华南和印度、澳大利亚大陆之间发育有Pinghe硅质大火成岩省(SLIP)(~510-460Ma)(Dan et al., 2023)，在澳大利亚北部还发育有Kalkarindji大火成岩省(LIP)(~511Ma) ( Glass and Phillips, 2006; Pirajno and Hoatsom, 2012) (图4)。尽管华南板块缺乏寒武纪LIP，但其内部发育有大量的中寒武世—早奥陶世(~503-473Ma)金伯利岩和煌斑岩等幔源岩浆 (图4和5)，指示了寒武纪深部地幔活动对华南大陆的影响以及对Hg大规模成矿的可能贡献。Hg 具有独特的同位素非质量分馏 Hg-MIF（常记为 Δ¹⁹⁹Hg），Δ¹⁹⁹Hg 主要由光化学还原反应产生，导致陆相沉积物的Δ¹⁹⁹Hg 普遍为负值，海相沉积岩系的 Δ¹⁹⁹Hg 则多为正值，而深部地幔或岩浆的 Δ¹⁹⁹Hg 组成均接近 0 值（≈0 ‰）；同时，岩浆作用、热液作用和变质作用等都不会导致显著的 Hg-MIF（如Tian et al.,2023; Yin et al., 2023等）。因此，Δ¹⁹⁹Hg组成能忠实地记录 Hg 的源区。虽然现阶段对茶田大型Hg矿区尚无Hg同位素研究报导，但尹润生老师等报导的湘-黔Hg矿带内铜仁万山超大型汞矿 (茶田矿区以南20-30km，与茶田矿化特征一致)矿石辰砂的 Hg 同位素组成十分均一，且接近 0‰ (-0.02~0.05‰,平均为 0.01‰，n=14)（Yin et al., 2013）。这与区内海相地层（如富Hg的黑色岩系地层等）、基底岩系和华南其他低温热液矿床的 Δ¹⁹⁹Hg 值明显不同，而与地幔岩浆的Δ¹⁹⁹Hg 组成一致（如Yin et al., 2022,2024; Deng et al., 2022）。结合华南寒武纪南华盆地边缘大量的幔源岩浆活动证据(图5)，认为湘-黔Hg矿带巨量的 Hg，至少是相当一部分的 Hg，可能直接来源于幔源岩浆流体（岩浆去气作用？），而并非以往大多数研究认为的均来自海相沉积地层。此外，课题组前期研究获得了茶田Hg矿区紧邻的花垣超大型Pb-Zn矿田的成矿年龄~510-495Ma (Wu et al., 2024)，指示了二者均可能形成于区内寒武纪深部地幔活动的背景下，而这两套成矿系统之间的内在联系需进一步的研究。

▲图4. 中寒武世冈瓦纳东北部古地理重建和湘-黔Hg、Pb-Zn矿带与幔源岩浆分布图(据Dan et al., 2023修改)

▲图5. 南华盆地边缘Hg、Pb-Zn成矿、幔源岩浆活动及冈瓦纳东北部大火成岩省(LIPs)年龄

(数据来源：Fang et al., 2002; Li et al., 2016; Zhang et al., 2023; Wu et al., 2024等)

此前的研究中仅有 Rakociński et al. (2020)尝试性地将 Hangenberg 生物大灭绝事件 (~359 Ma)与 Almadén超大型 Hg 矿床的形成联系起来。但是， Almadén 超大型 Hg 矿床的形成时代并未得到很好的约束，这导致了二者可能的时间耦合关系并不清晰。在南华盆地西北缘，Zhang et al. (2021)利用 19 条，覆盖了整个湘-黔 Hg 矿带的寒武纪生物地层剖面，建立了高时间分辨率的三叶虫种属丰度曲线，揭示出区内三叶虫大量灭绝始于∼509.2 Ma；随后，三叶虫种属丰度开始长期下降，持续至乌溜阶末期（∼508.5-504.5 Ma），最终导致该区∼80%的三叶虫灭绝。这与茶田大型 Hg 矿区的形成时代范围十分吻合，加之湘-黔 Hg 矿带与记录寒武纪“三叶虫危机”的生物地层剖面在空间上紧密相邻，强烈暗示了二者可能存在一定的成因联系。有趣的是，早在上世纪80年代花永丰（1987）就发现万山 Hg矿区内的寒武纪地层中三叶虫化石的 Hg 含量异常高（n-n×10² ppm），远高于矿区内地层和其中黄铁矿、沥青有机质的 Hg 含量（约为为 n×10^-1 -n ppm），这暗示了三叶虫化石的高Hg含量可能记录了其死亡前和埋藏时体内的高 Hg 特征，以及持续时间较长的高 Hg 环境，而并非Hg成矿和/或开采过程中污染所致。实际上，现代相对富 Hg 的海底热液系统中的贝类、螺类和鱼类等的 Hg 含量均要远高于其它地区 (Martins et al., 2001, 2006)。表明，富 Hg 流体向海底释放 Hg 时，确能导致区域生物体内 Hg 的大量积累；考虑到自然界中形成大型矿床的概率极低，寒武纪湘-黔Hg矿带大规模成矿过程中，可能有更多的、巨量的Hg被释放到南华盆地的海水中，进而导致区域生物 Hg 中毒，该过程或是华南早-中寒武世“三叶虫危机”的触发因素之一。尽管上述假说有待进一步评估和验证，但无疑，产出在南华盆地边缘的湘-黔 Hg 矿带为我们探索大规模 Hg 成矿与“生物危机”之间的潜在联系，提供了理想的研究对象。

论文信息

该研究成果近期发表在国际地球科学期刊《Precambrian Research》上，第一作者为长江大学硕士研究生周繁艳，通讯作者为长江大学-中国地质大学（武汉）“地球深部过程与表层系统耦合作用”联合研究中心（长江大学资源与环境学院）吴越教授、段登飞副教授。长江大学资源与环境学院刘颜讲师、美国科罗拉多矿院Mathias Burisch 副教授、中山大学地球科学与地质工程学院郑义教授参与了本次研究。

热液白云石LA-ICP-MS/MS U-Pb定年得到了四川创源微谱科技有限公司肖阳工程师协助。该研究受国家自然科学基金(42172088，42203065)和湖北省自然科学基金(2019CFB586)资助。

Zhou, F.Y., Duan, D.F.^※, Liu, Y., Wang, J.Q., Jia, H.B., Burisch, M., Zheng, Y., Wu, Y.^※ (2024). Cambrian mercury mineralization event in South China: Insights from U-Pb dating of hydrothermal dolomite in the large Chatian Hg district. Precambrian Research, 412, 107542. https://doi.org/10.1016/j.precamres.2024.107542.

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