稀土矿床年代学研究的开路先锋-国际首个氟碳铈矿U-Th-Pb年龄标准物质学术资讯

来源：中科院地质地球所

文章来源：AS期刊

1992年邓小平在南巡时提到：“中东有石油，中国有稀土”，言简意赅地指出我国的稀土矿产是可媲美中东石油的战略资源。稀土是什么？为什么重要？简单来说，稀土是在元素周期表中IIIB族的一组较为特殊的金属元素，英文是Rare Earth Elements(REEs)，直译为“稀少的土中元素”，简称稀土。稀土元素已广泛应用于农业、工业、军事等行业，如在荧光、磁性、激光、光纤通信、超导等材料领域有不可替代的作用，被称为“工业维生素”，是新材料制造的重要依托和关系尖端国防技术开发的关键性资源。这类元素具有储量稀少、不可再生、分离提纯和加工难度较大等特点，自然可称为媲美石油的战略资源。

我国内蒙古包头的白云鄂博矿区是目前发现的全球最大稀土富集区，储量和产量均占全球相当大的比重。1927年7月，地质学家丁道衡随中国西北科学考察团考察途中，首次发现白云鄂博主峰铁矿体。1933年，前中央研究院地质研究所的何作霖研究员对白云鄂博矿石进行研究，发现了两种稀土元素来源的矿物，分别以“白云矿”和“鄂博矿”予以命名，后经验证，分别为氟碳铈矿和独居石。经探测，白云鄂博矿区稀土品位高达8%，全区稀土氧化物储量4000万吨以上，成为世界瞩目的稀土矿床资源（图1）。

图1 正在开采中的白云鄂博主矿和东矿（按铁矿开采）

本来稀少的元素，如何能富集到一起成如此大矿？这个问题可以从稀土元素的赋矿矿物身上寻找蛛丝马迹。白云鄂博总量60%以上的稀土富集于氟碳铈矿，其结构式为(Ce, La)[CO3]F。地球化学的研究上大体从元素含量、同位素组成和年龄三个方面入手来提取信息，而氟碳铈矿则可从稀土元素配分关系、C-O-Sr-Nd同位素组成和U-Th-Pb定年多方面开展研究，是不可多得的多元地球化学信息载体矿物。大型矿床通常经历了多期次的富集成矿作用，要回溯演化历史，时间因素必不可少。2010年俄罗斯科学家首次报道氟碳铈矿可进行U-Pb体系定年1，然而对全球10余处重要稀土矿床的氟碳铈矿统计发现，绝大多数氟碳铈矿贫U而富Th，尤其是白云鄂博的氟碳铈矿，几乎没有U，Th/U可达上万，对这个矿物而言，Th-Pb体系要远较U-Pb体系更具实用性2,3。

U-Pb和Th-Pb体系看起来是类似的，早在1973就已经有相对成熟的矿物U-Pb定年分析流程，但对于Th-Pb体系的分析发现Th的电离相对U要困难，同一矿物所测的Th-Pb年龄经常与U-Pb体系不一致，绝大多数通过溶解矿物提纯元素来测试的实验室放弃了对Th-Pb体系定年的测试4。以离子探针和激光剥蚀为代表的微区技术的发展，对Th-Pb体系的测试获得新的发展。然而微区分析涉及到不同元素的电离效率不同，也就是测试所得Pb/Th离子比值与样品的实际Pb/Th比值相差较多，我们称之为元素间的仪器分馏。要获得样品真实的比值，这就需要一个已知Pb/Th，也即已知年龄的样品作为标准，用来标定仪器测试过程中Pb和Th之间的元素分馏系数，将这个系数应用到未知样品上。这个标准样品则需要具有良好的微区均一性和准确的年龄定值，且需要有一定的数量可供学术界长期使用。到目前为止，国际上尚没有一个满足要求的氟碳铈矿的微区分析U-Pb和Th-Pb年龄标准样品，限制了氟碳铈矿年代学研究的应用。

中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员、李献华研究员、杨岳衡正高级工程师和凌潇潇工程师依托所承担的国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项“岩石矿物微区实验测试关键技术联合研究”项目和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目“中国主要稀土矿床成因与资源潜力研究”，联合了俄罗斯科学院Nikiforov A.V.教授、美国加州大学Davis分校尹庆柱教授和Huyskens M.H.博士，对俄罗斯学者提供的图瓦共和国一个火成碳酸岩中产出的氟碳铈矿K-9进行了深入研究，根据以往数据已知该样品具有相对高的U和Th，他们随机选取了100余颗粒，在中国科学院地质与地球物理研究所通过电子探针进行主量元素检测，其中含La2O3 20.97 ± 0.66 wt%、Ce2O334.67 ±0.38 wt%、Pr2O32.84 ±0.14 wt%、Nd2O310.59 ± 0.40 wt%、F 7.23 ± 0.06 wt%, 这几个主量元素均一性优于5%（相对标准偏差），通过LA-ICPMS分析，验证了主量元素含量的均一性，而重稀土仅占到轻稀土含量的约万分之一；通过离子探针的长期多次均一性检测，证明U-Pb体系和Th-Pb在20微米尺度下均一性优于2% (1 RSD)。在此基础上，在美国加州大学Davis分校采用205Pb-229Th-233U-236U混合稀释剂、TIMS测试Pb同位素、MC-ICP-MS测试U和Th同位素的系列流程，完成了6次U-Pb和Th-Pb年龄的定值分析，结果在误差范围内完全一致，以206Pb/238U平均年龄116.80 ± 0.13 Ma和208Pb/232Th年龄116.59 ± 0.11 Ma作为该标准样品的年龄推荐值，两个体系在误差范围内一致，证明该样品自形成以来一直保持了U-Th-Pb体系的封闭（图2）。上述的研究成果近期以封面文章形式（图3）发表在国际老牌光谱期刊《Atomic Spectroscopy》上（https://doi.org/10.46770/AS.2020.06.001）。