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元素在矿物中的扩散作用,对其在地质体中的配布有着重要影响,被越来越多的用来解决地球化学动力学方面的问题。稀土元素(REE)能反映重要的地球化学信息,作为地球化学的示踪剂被广泛应用于探讨各类岩石成因和矿床成因。因此,查明REE在矿物中的扩散行为对于地学研究具有重要意义。
前人对元素(如O、Ar等)在不同矿物中扩散行为的理论研究,大多采用的是矿物晶格单独制约扩散速率的模型,由于稀土元素的离子半径各不相同,用此类模型来探讨其在不同矿物中的扩散行为是不合适的。为了寻求获取矿物中稀土元素扩散参数的简捷途径,本博士论文通过对前人关于矿物中REE扩散作用研究的实验结果进行分析归纳,探讨了扩散体系不同因素对扩散行为的控制规律。在此基础上,使用多元统计分析方法建立了预测REE在不同矿物中扩散参数的多变量模型,由此模型计算的1atm、无水环境下REE的扩散参数与实验测定结果在实验误差范围内相当吻合。与前人的模型相比,多变量模型能更全面地反映扩散体系各因素对扩散速率的制约。
此外,为了检验白钨矿Sm-Nd同位素定年方法的可靠性,本论文从不同角度进行了研究:
(一)理论验证矿物内部的微量元素信息能否有效保存,在很大程度上取决于其扩散速率,因此本文从扩散动力学角度对白钨矿Sm-Nd同位素体系的封闭性进行了探讨。通过理论计算并结合实验模拟验证的方式获得了白钨矿中Sm、Nd的扩散参数,得出在1atm、无水环境下Sm和Nd的扩散方程为:Nd:D=4.00exp(-438kJmol-1/RT)cm2/sSm:D=1.85exp(-427kJmol-1/RT)cm2/s借助这些扩散数据,对白钨矿中Sm-Nd信息受扩散作用的影响程度做了分析。结果表明,在大多数地质环境下,Sm、Nd在白钨矿晶体中的扩散速率很低,同位素体系容易保持封闭不受热力学作用的影响。
(二)地质验证以湘西沃溪Au-Sb-W矿床为研究对象,通过对不同矿体的白钨矿进行Sm-Nd同位素年龄测定,将其结果与其它同位素方法得到的年龄数据以及野外地质关系、区域构造演化等进行了对比。结果表明,沃溪Au-Sb-W矿床的白钨矿Sm-Nd年龄结果与Ar-Ar年龄是一致的,与野外地质关系及区域构造演化特征等也相当吻合。
通过本论文的工作,得出以下主要成果和认识:
(1)首次建立了适合于计算REE在不同矿物中扩散参数的理论模型,为研究矿物中REE的扩散行为提供了可靠的理论方法。
(2)首次获得了白钨矿中Sm-Nd的扩散参数,探讨了白钨矿中REE的扩散性质,并建立了latm、无水环境下Sm和Nd在此矿物中的扩散方程。
(3)通过扩散动力学研究,得出白钨矿中Sm-Nd同位素体系的封闭性较为理想,为评价Sm-Nd同位素方法是否适合于制约白钨矿的成矿年龄提供了理论依据。
(4)通过不同同位素定年结果的比较以及与野外地质关系、区域构造演化等的对比,得出白钨矿Sm-Nd同位素年龄结果是真实有效的,从矿床学角度为评价该同位素定年方法的可靠性提供了实践证据。