石榴子石U-Pb定年在矽卡岩矿床中的应用：以鄂东南高椅山硅灰石（－铜）矿床为例

张小波; 张世涛; 陈华勇; 刘俊安; 程佳敏; 初高彬; 李莎莎

doi:10.3799/dqkx.2019.061

石榴子石U-Pb定年在矽卡岩矿床中的应用：以鄂东南高椅山硅灰石（－铜）矿床为例

doi: 10.3799/dqkx.2019.061

张小波^1, ,,
张世涛^2, , ,,
陈华勇^{2, 3},
刘俊安¹,
程佳敏^{2, 4},
初高彬^{2, 4},
李莎莎^{2, 4}

1.
湖北省地质调查院, 湖北武汉 430034
2.
中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室, 广东广州 510640
3.
广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室, 广东广州 510640
4.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目:

自然资源部公益性行业科研专项 201511035

中国地质调查局国土资源大调查项目 12120114037701

详细信息

作者简介:
张小波(1984-), 男, 硕士, 从事区域地质调查及找矿研究

通讯作者:
张世涛

中图分类号: P597
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出版历程
- 收稿日期: 2019-01-07
- 刊出日期: 2020-03-15

Application of Garnet U-Pb Dating in the Skarn Deposit: A Case Study of Gaoyishan Wo (-Cu) Deposit in Southeast Hubei Province

Zhang Xiaobo^{1
,
,},
Zhang Shitao^{2
, ,
,},
Chen Huayong^{2, 3},
Liu Jun'an¹,
Cheng Jiamin^{2, 4},
Chu Gaobin^{2, 4},
Li Shasha^{2, 4}

1.
Geological Survey of Hubei Province, Wuhan 430034, China
2.
Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry of Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
3.
Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou 510640, China
4.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 石榴子石原位U-Pb定年是近年来新发展的低铀矿物同位素定年方法，目前在矿床中成功应用的实例较少，尤其是在非金属矿床中更为罕见.基于详细的岩相学观察，在鄂东南高椅山硅灰石（-铜）矿床中厘定出两期石榴子石，分别为第一期深棕色石榴子石Grt1和第二期浅棕色石榴子石Grt2.电子探针成分分析（EMPA）表明，两期石榴子石均属于钙铁榴石-钙铝榴石固溶体系列，其中Grt1相对富Fe（Adr_62.4Gro_36.5~Adr_94.4Gro₀），而Grt2相对富Al（Adr_32.6Gro_66.4~Adr_40.2Gro_58.6）.对Grt1和Grt2石榴子石进行LA-ICP-MS U-Pb定年，获得T-W下交点²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄分别为142.5±2.0 Ma（2σ，MSWD=1.30，n=38）和136.0±14.0 Ma（2σ，MSWD=0.42，n=17），与矿区内广泛出露的石英二长闪长岩锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄（139.8±1.5 Ma；2σ，MSWD=0.10，n=22）在误差范围内一致，证明二者之间存在密切的成因联系.高椅山Grt1石榴子石具有较高的U含量和较低的普通铅含量，此为U-Pb同位素测年成功的主要因素.
- 石榴子石 /
- U-Pb定年 /
- 硅灰石矽卡岩 /
- 成矿年龄 /
- 高椅山 /
- 鄂东南 /
- 地球化学
Abstract: In recent years, in situ U-Pb dating of garnet is a newly developed isotopic dating method about the low-U minerals, yet it has been scarcely applied in the ore deposits and especially in the nonmetal deposits. Based on detailed petrographic observations, two generation of garnets have been distinguished from the Gaojiashan Wo(-Cu) deposit in Southeast Hubei Province, namely the first generational garnet (Grt1) with dark-brown color and the second generational garnet (Grt2) with light-brown color. Electron probe composition analysis (EMPA) shows that both of them belong to andradite to grossularite solid solution series, in which Grt1 is relatively rich in Fe (Adr_62.4Gro_36.5 to Adr_94.4Gro₀), while Grt2 is relatively rich in Al (Adr_32.6Gro_66.4 to Adr_40.2Gro_58.6). LA-ICP-MS U-Pb dating on Grt1 and Grt2 yield Tera-Wasserburg lower intercept ²⁰⁶Pb/²³⁸U age of 142.5±2.0 Ma (2σ, MSWD=1.30, n=38) and 136.0±14.0 Ma (2σ, MSWD=0.42, n=17), which is consistent with the weighted mean ²⁰⁶Pb/²³⁸U ages (139.8±1.5 Ma; 2σ, MSWD=0.10, n=22) of zircon in the quartz monzodiorite at Gaoyishan within the error range, indicating a close genetic relationship between them. The Grt1 with high U concentration and low common Pb content are the major factors for the success of U-Pb isotopic dating.
- garnet /
- U-Pb dating /
- wollastonite skarn /
- ore-forming age /
- Gaoyishan /
- Southeast Hubei Province /
- geochemistry

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随着对地观测卫星遥感高技术产业化和数字地球战略的实施，空间信息领域从基于拓扑模型、简单要素模型发展到基于规则的空间数据模型的研究已经相对成熟.目前面临的问题是通用地理信息系统(geographic information system，GIS)平台并不能解决实际业务问题，而面向专业领域的空间信息服务模型依赖于求解算法，构建过程复杂，因此紧密结合行业应用的专业特色，建立深层次实用的空间信息服务应用模型将是一项艰巨的研究任务(王家耀，2006).从业务用户、服务开发者以及资源的需求出发，在空间信息服务开发过程中，业务用户希望在需求设计阶段，原型系统能够快速构建；维护阶段，系统能够敏捷适应用户需求变更.服务开发者则希望所开发的空间信息系统框架及业务功能模型能够快速实现搭建和复用最大化.由于空间信息服务应用过程中，业务用户对空间信息处理及空间决策分析的要求，因此需要大量面向专业应用领域的功能模型的积累.此外，当前国家级大型项目建设通常由多家厂商共同完成，实施过程中遇到系统集成问题.由此，笔者提出面向业务的空间信息服务应用开发体系链，抽象面向业务的空间信息服务开发、部署和扩展的一般模式，完备提供资源集成管理、功能模型建模与应用系统快速搭建的集成环境.

1.   应用开发体系链概念

面向业务的空间信息服务应用开发体系链涵盖标准规范体系、资源体系、开发体系和部署体系4个元素(图 1).基于功能复用和资源集成管理的思想，应用开发体系链引入开发模式和功能仓库概念(吴信才，2009)，界定服务开发层次关系和用户群体，融合服务开发和资源集成管理规范、服务开发和维护工具以及部署模式，为国家级大型项目实施过程中系统集成部署提供开放的集成环境.

图 1 面向业务的空间信息服务应用开发体系链

Fig. 1. Development system chain of business-oriented spatial information service

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2.   应用开发体系链元素

如图 2所示，由标准的层面实施系统集成，标准规范体系提供一套集成规范，具体包括资源访问调用规范、目录规则驱动规范、GIS中间件开发规范、插件和组件开发规范、工作流建模规范等.资源体系完成功能仓库单元中功能资源服务的集成管理.从功能的共性和可变性的角度，功能模型可以划分为通用基本功能、领域共性功能和领域专业功能.随着通用基本功能、领域共性功能的积累，大型项目从基本空间分析到复杂的领域业务逻辑的实施，空间信息服务开发的工作量主要集中于面向业务领域的应用专业功能模型的开发.同时，随着功能资源的大量积累，功能需要有序的管理，因此，为实现功能资源的集成管理，引入功能仓库单元的概念.现实世界的资源通常是异构的和动态的，在利用功能仓库实现异构功能资源集成管理的过程中，通常会面临异构功能资源同构化、功能资源入库、功能资源集成管理、功能发现等问题.软件复用主要包括软件框架复用和软件功能复用.因此，在实现功能复用的过程中，需要解决功能扩展，即可复用功能的开发维护、基于可复用功能的应用系统快速搭建等问题.

图 2 应用开发体系链元素

Fig. 2. Elements of development system chain

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基于上述问题，在统一的资源体系之上，通过界定系统开发的层次关系，开发体系为不同层面的用户提供一组工具和对应的开发模式.工具包括框架界面设计器、资源目录设计器、权限资源绑定器、中间件扩展管理器和工作流聚合器.将集成规范、功能仓库、工具看作为更细粒度的元素，应用开发体系链利用应用程序编程接口(application programming interface，API)、组件式、插件式(吴亮等，2006)、搭建式、配置式等多种开发模式，融合这些元素形成优势应用.相应地，部署体系将提供3种部署模式，分别为集中式、分布式和混合式.在实际的部署环节，混合模式往往是一种实用的部署模式.

2.1   标准规范体系

大型项目实施过程中，为保证多家厂商基于不同GIS平台开发的空间信息服务能够实现集成，标准规范体系为集成用户提供一套服务开发规范和资源集成管理规范.

(1) 资源访问调用规范.基于统一资源定位符(uniform resource locator，URL)的资源访问调用规范适用于异构资源同构化、集成管理以及系统快速构建等应用场景.该规范支持file、ftp、Http等通用的通信协议.针对数据资源，提供通过枚举或者具体指定的方式，定义地理数据资源访问协议；针对功能资源，发布相应的功能协议，通过工作流引擎或者框架执行体对功能协议进行动态调用.

(2) 目录规则驱动规范.基于XML存储的目录规则驱动规范适用于资源的注册发布、发现调度以及集成管理等应用场景.动态构建目录树阶段，提供内置Access驱动和基于Python脚本用户自定义驱动，支持业务规则驱动的运行时和设计时配置，将动态目录树的构建抽象为可扩展的基于关系代数的复合算子，具体包括映射运算、分组运算和组合运算(Ji and Wu, 2009).

(3) GIS中间件开发规范.兼容开放地理信息系统联盟(openGIS consortium，OGC)规范的GIS中间件开发规范适用于异构资源同构化应用场景.提供抽象可扩展的一套空间数据的读写接口及函数实现.具体接口包括对象池对象生命周期控制接口、管理对象池对象接口、控制对象池对象接口、地理服务器对象接口、地理数据库对象接口和地理数据模型对象接口.

(4) 插件和组件开发规范.插件和组件开发规范适用于功能资源扩充、注册发布等应用场景.定义支持不同开发平台、不同开发语言的功能开发接口模型和注册接口模型.通过对原子粒度功能、组件方法、应用程序集、Web Service进行封装、接口反射，注册功能描述信息到元数据仓库和注册表，完成功能资源纳入功能仓库，提供基于目录树形式的功能资源发布.

(5) 工作流建模规范.参照工作流管理联盟(workflow management coalition，WFMC)的工作流建模规范适用于功能重构与聚合应用场景.定义工作流建模过程，由概念模型、逻辑模型和物理模型组成.通过抽象业务控制逻辑规则构建概念模型，将业务规则转化为逻辑模型图构建逻辑模型并实例化，形成物理模型.定义工作流引擎模型，具体包括流程控制逻辑、活动执行逻辑和状态逻辑.

2.2   资源体系

空间信息服务应用开发过程中，资源体系运用功能仓库技术集成有序管理异构功能资源.由于功能服务模型依赖于求解算法，因此难以适应业务需求的变化，实现有效复用.最好的解决方法是找出功能服务模型的基本共性，并提取基本共性作为原子粒度功能.原子粒度功能包括数学运算、关系代数运算、地图查询运算、几何操作算子等.运用GIS中间件技术封装原子粒度功能接口，实现功能的异构复用；结合工作流技术，通过重载的方式拓展原子粒度功能语义，实现功能的搭建复用.

2.3   开发体系

作为应用开发体系链的基础元素，基于悬浮倒挂式支撑平台架构的开发体系注重模型和解决方案的积累与复用，为不同层面的用户提供面向业务的空间信息服务可视化快速构建环境.

2.3.1   开发体系架构

基于传统的奠基式向上支撑平台架构(图 3a)，面向领域业务的空间信息服务的开发通常采用面向对象和组件化的程序开发模式.此种开发模式更注重开发技术细节，是一种紧耦合的开发方法.为增强动态构建业务系统的能力，提出松耦合的悬浮倒挂式柔性支撑平台架构(图 3b).该架构是面向服务的模型驱动架构：(1)不仅扩展了开发模式，提供API、组件式、插件式、搭建式和配置式多种开发方式并举的形式，使得业务系统的开发环境可以划分为设计时开发和运行时开发两个层次，支持运行时开发过程中界面表达、数据处理以及功能模型扩充的相分离，也实现了功能的可复用性；(2)扩充了用户群体，用户群覆盖交通、国土资源、环境保护、数字城市、石油地质、电信、气象、水利等行业，面向政府信息中心、数据处理商、系统开发商、服务提供商、集成商等用户群体；(3)简化了软件开发，业务用户能够参与系统开发的整个过程，不仅仅停留在系统需求分析和部署的层面.

图 3 传统奠基式向上支撑平台(a)和悬浮倒挂式支撑平台(b)架构

Fig. 3. Traditional supporting platform (a) and suspended inversion supporting platform (b) architecture

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2.3.2   开发工具和维护工具

实现可视化建模和模型管理，完备解决面向业务的空间信息服务构建过程中，在集成性、开发性和复用性方面存在的问题，开发体系从服务开发者的角度为用户提供一组系统开发工具和系统维护工具.

(1) 框架界面设计器.框架界面设计器提供支持黑盒复用的基线框架容器，融合界面元素、界面布局以及界面角色.其中，界面元素设计具体包括菜单、工具条、状态栏、C/S(client/server)表单、Web表单、图形视窗、文档视窗和综合表达视窗；界面布局设计具体包括窗口布局和界面风格.运用框架界面可视化搭建技术和资源访问调用规范，完成面向业务的空间信息系统的界面设计、界面与功能资源和数据资源的关联.

(2) 资源目录设计器.资源目录设计器提供资源编码库作为存储目录树元数据的载体，通过定义规则驱动或者Python脚本驱动的方式动态构建数据和功能服务资源目录树，实现资源的表达、注册发布、发现以及调度层面的集成管理.具体需要利用目录规则驱动规范完成业务规则驱动的定制，数据资源与功能资源绑定.利用目录服务技术完成原子粒度功能、组件方法、插件、功能流程等多粒度功能资源的集成管理.

(3) 权限资源绑定器.在分析访问控制的受控对象和操作类型的层次关系基础上，权限资源绑定器提供基于全球唯一标识符(globally unique identifier，GUID)的隐式资源调度机制.通过授权算子抽象权限资源绑定模型，完成数据资源访问权限授权和功能资源执行控制权限授权，实现分层授权，解决权限访问控制图元级数据粒度和跨区域图元功能授权不同的问题，即不同区域范围的同类数据对象具备不同的操作权限(Ji and Wu, 2009).

(4) GIS中间件扩展管理器.遵循GIS中间件开发规范，GIS中间件扩展管理器集成多种GIS平台数据源驱动，利用COM组件技术封装异构功能资源，完成异构功能资源的同构化集成，形成功能仓库；运用异构资源解析技术，实现异构数据资源的复合分析.

(5) 工作流聚合器.工作流聚合器基于工作流建模规范，提供通过工作流引擎实现业务功能模型可视化调度和搭建，支持基于数学运算、关系代数运算和地图查询运算的空间算子粒度级别的功能流程搭建.具体需要构建模型逻辑图，完成规则绑定、功能资源绑定以及数据资源绑定，实现功能的重构与聚合.

2.4   部署体系

作为国家电子政务重点建设的4大基础性、战略性资源数据库之一，国家发改委牵头建设了自然资源和地理空间基础信息库物理布局在数据主中心和11个数据分中心.本节以自然资源和地理空间基础信息库建设项目为部署实例，利用上述开发体系构建基础信息库系统，定义基于数据中心的集中式、分布式以及混合式3种部署模式.

为了方便描述部署模式，首先定义数据中心基础单元.

定义1：数据中心基础单元.

数据中心基础单元是系统部署的基本单元，需要满足以下条件：

(1) 数据中心基础单元包括以下基本构件元素：功能仓库单元(GIS应用服务器和业务应用服务器)、数据仓库单元(空间数据服务器、数据库服务器和文件服务器)、资源目录服务器、数据交换服务器、Web服务器、负载均衡调度服务器以及用户.

(2) 数据中心基础单元内数据资源和功能资源是完备的.将数据资源、功能资源部署于多台服务器，实现负载均衡.

(3) 每个数据中心基础单元建立在局域网或专用网之上，数据中心基础单元之间通过广域网连接，通过主动或被动的方式实现数据资源交换，完成功能服务远程过程调用.

(4) 数据中心基础单元具备运行时资源维护部署的能力，以性能更优的功能模型实现功能资源的平滑更新.

(5) 数据中心基础单元之间具备层级关系，具体划分为数据主中心和数据分中心.

部署模式的定义建立在数据中心基础单元之上，混合式部署模式是由集中式部署模式和分布式部署模式复合而成的，分别描述如下：

定义2：集中式部署模式.

集中式部署模式(图 4a)是通过数据主中心采用在线或者离线报盘的方式(徐世武等，2006)，物理集成数据分中心的数据资源，系统相应部署在数据主中心.

图 4 集中式(a)、分布式(b)和混合式(c)部署模式

Fig. 4. Centralized (a), distributed (b) and mixed (c) deployment model

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定义3：分布式部署模式.

分布式部署模式(图 4b)是通过数据主中心以资源目录级联的方式汇聚资源目录，逻辑集成管理数据分中心的资源，系统相应部署在数据分中心.数据主中心以委托方式向数据分中心发出处理专业分析的请求，数据分中心通过前置服务器将处理结果返回数据主中心响应请求.

定义4：混合式部署模式.

混合式部署模式(图 4c)是数据主中心既可以逻辑管理数据分中心资源，也可以物理管理汇集数据，即实现全局管理、局部自治.

3.   结论

总之，本文从业务用户、服务开发者以及资源需求的角度出发，提出了面向业务的空间信息服务应用开发体系链在实际的国家级大型项目建设实施中的应用，将解决由于基于的GIS平台不同所造成的数据资源、功能资源异构的问题；解决由于资源的分布性和动态性造成的需要多个业务部门协同完成复杂分析处理的问题；解决领域专业模型依赖求解算法、构建过程复杂的问题；解决由多家厂商各自开发的系统集成部署的问题.最终的目的是使不同层面的用户在面临系统维护情况时不再依赖原有的服务开发商.
致谢: 在研究面向业务的空间信息服务应用开发体系链过程中，吕建军、何贞铭、万波、林伟华、胡茂胜等提出宝贵的建议，在此表示衷心的感谢.

图 1 鄂东南地区岩浆岩及多金属矿床分布

据舒全安等（1992）和张世涛等（2018）修改

Fig. 1. The distribution of magmatic rocks and polymetallic deposits in Southeast Hubei Province

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图 2 鄂东南高椅山矽卡岩型硅灰石（-铜）矿床地质图

Fig. 2. Geological map of the Gaoyishan Wo (-Cu) skarn deposit

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图 3 高椅山硅灰石（-铜）矿床石英二长闪长岩手标本及显微特征

a.石英二长闪长岩（手标本照片）；b.石英二长闪长岩具二长结构，主要由斜长石、钾长石、角闪石和石英组成（正交偏光显微照片）；c.石英二长闪长岩中的榍石，主要呈半自形-他形粒状与角闪石、斜长石、钾长石等矿物共生（单偏光显微照片）；d.石英二长闪长岩中的磷灰石，主要呈自形粒状被包裹在角闪石和钾长石中（单偏光显微照片）. Pl.斜长石；Kfs.钾长石；Hb.角闪石；Qtz.石英；Ttn.榍石；Ap.磷灰石；Mt.磁铁矿

Fig. 3. Hand specimen and photomicrograph of the quartz diorite in the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 4 高椅山硅灰石（-铜）矿床蚀变矿化期次

Fig. 4. Alteration and mineral paragenesis of the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 5 高椅山硅灰石（-铜）矿床典型蚀变类型及矿物组合特征

a.矽卡岩阶段的硅灰石和石榴子石，石榴子石可以分为第一期深棕色石榴子石（Grt1）和第二期浅棕色石榴子石（Grt2）（手标本照片）；b.矽卡岩阶段的两期石榴子石（背散射电子图像）；c.矽卡岩阶段的石榴子和透辉石，透辉石主要呈细粒状被包裹在石榴子石中（单偏光显微照片）；d.矽卡岩阶段的透辉石呈细粒状分布在大理岩中方解石颗粒的间隙（正交偏光显微照片）；e.退化蚀变阶段的绿帘石交代Grt2浅棕色石榴子石（手标本照片）；f.退化蚀变阶段的绿帘石交代Grt2石榴子石及透辉石，又被石英-硫化物阶段的石英交代（单偏光显微照片）；g.退化蚀变阶段的绿帘石和阳起石（单偏光显微照片）；h.退化蚀变阶段的透闪石、蛇纹石和赤铁矿组合（正交偏光显微照片）；i.（大理岩中）石英-硫化物阶段的绿泥石和石英交代绿帘石，又可见磷灰石被绿帘石交代（单偏光显微照片）；j.石英-硫化物阶段的斑铜矿呈弥散状、不规则状等交代硅灰石-石榴子石-透辉石矽卡岩，石榴子石可分为核部的深棕色石榴子石（Grt1）和边部的浅棕色石榴子石（Grt2）（手标本照片）；k.石英-硫化物阶段的斑铜矿-蓝辉铜矿-黄铁矿呈不规则状交代硅灰石矽卡岩（反射光照片）；l、m.石榴子石（Grt2）局部发生绿帘石化蚀变，然后被黄铜矿交代，晚期有方解石交代Grt2石榴子石和黄铜矿（l为单偏光显微照片，m为反射光照片）. Wo.硅灰石；Di.透辉石；Cal.方解石；Ep.绿帘石；Qtz.石英；Act.阳起石；Hm.赤铁矿；Tr.透闪石；Srp.蛇纹石；Ap.磷灰石；Chl.绿泥石；Bn.斑铜矿；Dg.蓝辉铜矿；Py.黄铁矿；Ccp.黄铜矿

Fig. 5. Typical alteration and mineral assemblages in the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 6 高椅山硅灰石（-铜）矿床石榴子石三角分类图解

底图据Meinert et al.（2005）. Gro.钙铝榴石；Adr.钙铁榴石；Alm.铁铝榴石；Py.镁铝榴石；Spe.锰铝榴石；Uv.钙铬榴石

Fig. 6. Triangular classification diagram of garnet in the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 7 高椅山硅灰石（-铜）矿床石英二长闪长岩锆石和矽卡岩石榴子石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图及稀土元素球粒陨石标准化配分曲线

球粒陨石标准化数据引自Boynton et al. (1984)

Fig. 7. LA-ICP-MS U-Pb concordia diagrams and chondrite-normalized REE patterns of zircon in the quartz diorites and garnet in the skarns from the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 8 高椅山硅灰石（-铜）矿床石榴子石代表性LA-ICP-MS信号图

Fig. 8. Representative time-resolved signals obtained by depth profile analyses of garnet from the Gaoyishan Wo (-Cu) deposit

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图 9 高椅山硅灰石-铜矿床石榴子石U与ΣREE（a、d）、LREE（b、e）及HREE（c、f）含量的相关关系

Fig. 9. The relations between U and ΣREE (a, d), U and LREE (b, e) and U and HREE (c, f) in the Gaoyishan Wo-Cu deposit

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参考文献(47)

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