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地质地球所研究黄铁矿原位Fe-S同位素分析揭示钴在变质沉积地层中超常富集的机制

  

  金属钴被广泛用于电池的正极材料,老葡京线上赌博:例如镍钴锰酸锂电池即三元锂电池。钴的加入可以提高三元锂电池的能量密度、热稳定性以及充放电效率等。随着新能源汽车的发展和国家能源结构的调整,未来对钴的需求将会越来越大。然而,钴保有资源量的严重不足造成了钴价的疯狂上涨,也制约着电池产业对金属钴的使用。因此,寻找潜在钴资源迫在眉睫。沉积岩容矿铜钴矿床(SCD)为世界提供了近40%的钴储量。该类型矿床在全球范围内首次出现于~2.3 Ga大氧化事件(GOE)之后的地质记录中,暂停一段时间后,在新元古代氧化事件(NOE)期间再次爆发成矿(图1)。目前SCD矿床的成因研究存在三个核心问题尚未解决:(1)金属矿化的时间:同生沉积阶段、盆地卤水循环阶段、盆地倒转阶段或者是造山闭合阶段;(2)铜钴金属的来源:红层(含有赤铁矿的沉积地层)或者是基性火山岩地层;(3)钴在变质沉积地层中超常富集的机制:作为亲铁元素,理应趋向富集于超基性岩、地幔和地核中。 

1 (A)沉积岩容矿铜钴矿床(SCD)的钴资源量随时间的演化;(B)海洋中可溶解的硫和金属铁钴含量以及沉积黄铁矿中钴含量随时间的演化

  为解决上述科学问题,中国科学地质与地球物理研究 所邱正杰博士后与合作导师范宏瑞研究员,联合中国地质大学(北京)客座教授Richard Goldfarb博士、澳大利亚莫纳什大学Andrew Tomkins副教授等,选择华北克拉通中部带中条山古元古代沉积岩容矿铜钴矿床作为研究对象,该矿床赋存在一套石墨片岩、变质蒸发岩和白云石化大理岩中。采用本所多接收-电感耦合等离子体质谱实验室新近开发的fs-LA-MC-ICP-MS原位黄铁矿Fe同位素分析技术和离子探针实验室SIMS原位S同位素分析技术,结合电子探针与扫描电镜实验室EPMA元素图像分析方法(图2),取得了如下主要认识: 

  1)变质蒸发岩中变质成因磷灰石U-Pb年龄(1844 ± 25 Ma)与含Cu-Co石英脉中辉钼矿Re-Os年龄(1819 ± 19 Ma)在误差范围内相近,表明成矿作用和变质作用时间是相一致的。 

  2)石墨片岩是硫化的黑色页岩遭受高绿片岩相变质的产物。残存的强变形沉积黄铁矿富钴(0.8 — 3.0 wt.%),δ34S22.9 ± 0.4 ‰,与同时代海洋硫酸根的硫同位素值相近;其δ56Fe值为0.90 ± 0.16,与同时代沉积黄铁矿铁同位素值相接近。以上FeS同位素特征支持沉积黄铁矿经历硫酸盐还原细菌的作用,形成在硫化海洋内或在海底孔隙水内。 

  3)在高绿片岩相、高盐变质流体和高硫逸度情况下,沉积黄铁矿发生了溶解再沉淀,释放出Co并以CoCl42-络合形式迁移。证据是:元素图像分析表明沉积黄铁矿和新生黄铁矿存在化学成分突变界面;电子背散射分析表明新生黄铁矿保留沉积黄铁矿的晶形;新生黄铁矿δ34S值降低~1.5δ56Fe升高~0.7‰,符合FeS同位素的平衡分馏行为;岩石内保留有蒸发相的KCl晶体,可提供足够的Cl 

  综上,该项研究对SCD矿床成因提出了新的认识:大氧化事件后的蒸发岩相沉积地层可能是沉积岩容矿铜钴床一个潜在的钴来源,随后发生的造山作用可以进一步释放和迁移金属元素,使其进一步富集(图3)。因此,2.2-2.0 Ga0.9-0.7 Ga的被动大陆边缘或裂谷盆地是全球潜在的钴矿勘探远景区,尤其是经历过变质、变形作用改造的含蒸发岩沉积地层区。 

2 石墨片岩中变形的沉积黄铁矿(Py I)和重结晶的新生黄铁矿(Py II)的反射光照片(A)Co元素EPMA图像(B)EBSD图像(C) 

3 富钴沉积岩容矿铜矿床的两阶段成矿模式卡通图:钴在硫化海洋沉积过程的预富集(A)到造山变质作用过程再富集的成矿过程(B)

  研究成果发表于国际权威学术期刊Geochimica et Cosmochimica Acta (邱正杰, 范宏瑞*, Goldfarb R, Tomkins A G, 杨奎锋, 李晓春, 谢烈文, 刘玄. Cobalt concentration in a sulfidic sea and mobilization during orogenesis: Implications for targeting epigenetic sediment-hosted Cu-Co deposits[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 305: 1-18. DOI: 10.1016/j.gca.2021.05.001)该成果受国家自然科学基金重大项目(41890833)和国家自然科学青年基金项目(41902080)联合资助。 

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