
收稿日期:1998206222
作者简介:陆松年,男,1940,研究员,博士生导师,现任国际前寒武纪地层分会投票委员、中国地质学会前寒武纪
专业委员会主任、天津地质矿产研究所所长,长期从事前寒武纪地质研究。
本文系国家自然科学基金项目(编号:4967215)和“九五”原地质矿产部地质调查局资源攻关项目(编号:950201102)的研究成果。
成矿地质事件的同位素年代学研究
陆松年 李怀坤 李惠民
(中国地质科学院天津地质矿产研究所,天津,300170)
摘 要 成矿事件同位素地质年代学研究是一项十分重要而复杂的任务。成矿事件时间维的
确定,对于矿床成因、成矿作用与其它异常地质事件的耦合关系的认识,以及对于找矿勘探均具
有至关重要的理论和实际意义。文中讨论了各种常用测年方法(如Rb 2Sr 、Sm 2Nd 等时线法和U 2
Pb 法等)的适用性和局限性,并介绍了测年方法(尤其是与成矿事件年代学研究有关的测年方
法),比较了成矿事件的直接测年和间接测年方法,强
调应在扎实的野外地质工作的基础上,综合采用多元同位素体系对成矿事件进行年代学研究。
最后讨论了成矿事件与其它异常地质事件的耦合关系,并指出应加强成矿事件与聚散旋回
的时间耦合性的研究,这对于深入认识成矿规律具有重要意义。
关键词 测年方法进展 成矿地质事件 同位素年代学
C LC P612,P597
0 前言
成矿地质事件是地壳及地幔演化过程中形成有工业价值的有用元素聚集的一类特殊地质事件。成矿事件有时与壳幔演化的深部地质作用过程有关,有时与地球表层,包括水圈、气圈、生物圈、岩石圈表面及天体事件有关。有时既受深部地质作用制约,又受地球表层相互作用的影响。对成矿事件的研究具有巨大的经济价值。因此,需要揭示该类地质作用的特点、标志、与其它地质作用的联系及所发生的构造空间和时间。其中对成矿事件时间维的研究已经显得越来越重要和越来越迫切。因为成矿事件时间维的确切标定,对矿床成因、成矿事件与其它异常事件的耦合关系的认识,以及找矿模型的确定和扩大找矿远景均具有至关重要的理论和实际意义。为此,国内外地质学家付出了艰辛的劳动,进行了大量有益的探索。但是,由于地质学本身的复杂性、成矿作用的多期性和同位素测年方法的局限性,即使在一些研究程度较高的地区,对成矿事件的年龄仍有不同的甚至是截然相反的认识。例如,我国内蒙古白云鄂博超大型稀土铌矿床即是典型例证之一。一些学者通过对交代矿物的U 2Pb 和Ar 2Ar 年龄测定,提出了成矿作用的时间顺序,认为该区稀土矿化主要发生在016
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~014G a 之间,支持白云鄂博矿床属于后生热液交代成因[1]。而另一些学者则据大量的Sm 2Nd 资料,认为成矿地质作用发生在中元古代中期,该矿床与同期海底火山喷气作用有关[2]。类似的例证不胜枚举。作者曾据前人的研究成果撰文指出[3],对成矿事件时间维的确定必须建立在翔实的成矿地质背景的研究基础之上,同时强调只有采用多元同位素定年方法获得多种年代学证据,方有可能对成矿事件的时间提出中肯的、科学的分析和意见。本文以近年来国内外实际资料为依据,结合作者在这一方面进行的探索,对多元同位素测年方法的实用性和局限性做一简析。在此基础上,对直接测定和间接测定成矿地质事件时间的方法和进展做概略的介绍。
1 测年方法的适用性和局限性
各种测年方法既有一定的适用范围,也存在各自的局限性。了解每一种方法的适用性和局限性,将有利于对成矿时代的研究。同位素测年方法存在局限性已是广大地质同行的共识,如云母类和长石类矿物封闭温度较低,它们的K 2Ar 体系易受扰动,一般不适宜测定前寒武纪已变质矿床的年龄等问题,本文不再一一赘述。作者在此仅强调目前国内应用较广的Rb 2Sr ,Sm 2Nd 和U 2Pb 法的适用性和局限性问题,以引起同行在工作中的注意。111 Rb 2Sr 法
通过全岩、单矿物或石英包裹体的Rb 2Sr 等时线年龄测定,来进行成矿时代研究的成果颇多[4,5]。全岩Rb 2Sr 等时线法多用于解决成矿围岩的时代,是间接测定成矿时代的研究方法;而测定蚀变矿物或蚀变带、矿体中石英包裹体的Rb 2Sr 等时线年龄是直接测定成矿时代的方法。和所有等时线测年方法一样,Rb 2Sr 等时线法要求样品同源、具有相近的同位素初始比值和形成后处于封闭体系,否则可能给出错误的混合或人为等时线年龄数据。这就要求其和Sm 2Nd 等时线法一样,对构成Rb 2Sr 等时线的样品也必须进行合理性判别,即如何科学地判定等时线上的样品应被剔除或被保留的问题。
判别样品是否同源或在长期的地史过程中能否保持封闭体系,Sr 同位素初始比值I (Sr )是一个重要的判别函数,而Sr 模式年龄t (Sr )与I (Sr )具有密切的相关关系,所以t (Sr )也是一个重要的判别函数。通过t (Sr )的计算,运用密集点群的判别方法即可较合理的筛选等时线上的各个样品[6],被保留样品组成的等时线即为合理等时线,其年龄可视为岩石、矿物或包裹体形成或经历一次强烈的热-构造事件之后Rb ,Sr 均一化的时代。
由于矿床的形成一般都经历过多次矿化阶段或多期矿化作用的叠加,如何保证被测试样品基本符合等时线的理论要求是一个难题。除了在野外和室内详细研究成矿作用的多期性和阶段性,仔细挑选属于同一成矿期次的蚀变矿物或石英包裹体,并认真进行矿物共生组合的研究外,还必须对构成等时线的样品进行科学的而不是人为的筛选。
112 Sm 2Nd 法
和Rb 2Sr 法一样,Sm 2Nd 法也被应用于间接或直接测定成矿时代。Sm 2Nd 全岩等时线法主要应用于测定前寒武纪铁镁质火山岩和侵入岩的形成时代,同时Nd 同位素地球化学也被广泛应用于物源的示踪。矿石和矿石中矿物的Sm 2Nd 等时线年龄可用于直接确定成矿时代[7],但目前报道的数据远比Rb 2Sr 年龄少。虽然Sm 和Nd 抵抗地质演化过程中各种地质事件影响的能力较强,但在热液活动过程中Sm 和Nd 似乎也常处于一种开放体系,造成—
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各种Sm 、Nd 参数的失常,以致无法获得合理的等时线年龄。
上述Rb 2Sr 和Sm 2Nd 等时线法都是严格的定年方法,而不是简单地通过若干个测定结果的组合给出一个年龄数据。方法本身要求样品同源、具有相近的同位素初始比值和处于封闭体系,理论上这种严格的制约就决定了实践工作中往往很难得到科学的、合理的等时线年龄。
113 U 2Pb 法或Th 2Pb 法
过去统称的U 2Th 2Pb 法由于U 2Pb 和Th 2Pb 年龄的不一致而被U 2Pb 法所代替。Th 2Pb 年龄数据很少,文献中少见使用这种方法测定成矿时代,但在某些特殊矿区对于含铀少而含钍多的矿物也有使用Th 2Pb 年龄的情况。
U 2Pb 法测年对象是含铀矿物,铀有两个放射性同位素238U 和235U ,分别衰变为206Pb 和207Pb 。通过对这两个衰变系列U ,Pb 同位素的测定,可以获得三个年龄值(207Pb 2206Pb ,207Pb 2235U 和206Pb 2238U )。这些年龄值的差异大小可指示在同位素平衡以后体系所受扰动的程度,因而在地质上应用极广。但在成矿过程中形成的适合U 2Pb 测年法的含铀矿物较少,所以除独居石、褐帘石、磷灰石等少量U 2Pb 数据外,这种方法在研究成矿时代时反不如K 2Ar ,Rb 2Sr 和Sm 2Nd 体系等测年方法普遍。
U 2Pb 法本身已有多种测定技术,包括微量矿物法、单颗粒矿物U 2Pb 化学法和Pb 2Pb 蒸发法以及高分辨率高灵敏度离子探针质谱技术(SHRI MP )。就研究成矿时代而言,目前看来利用高精度的单颗粒矿物U 2Pb 法测定蚀变带或矿体中含铀矿物如锆石、金红石、独居石、褐帘石、榍石、锐钛矿和磷灰石等的年龄是一种有前途的测年方法。近年来发展最快的测年技术仍然是80年代中期开始应用和发展起来的高灵敏度高分辨率离子探针质谱(SHRI MP ———迅谱)技术。最早在澳大利亚国立大学研制和应用的这一技术一投入使用即显示出其广阔的应用前景。近年来,这一技术有了许多新的发展。除了澳大利亚国立大学外,西澳大利亚的Curtin 理工大学(Curtin University of T echnology )也已装备了新一代的高灵敏度高分辨率离子探针质谱仪器SHRI MP Ⅱ。世界各地的一些著名同位素地质年代学实验室也正在计划装备SHRI MP 仪器。以澳大利亚国立大学C om pston 教授为首的研究组正在研制名为SHRI MP7000的更新一代离子探针质谱仪器。这些新一代的SHRI MP 仪器具有更高的灵敏度和分辨率,可以对单颗粒锆石晶体内部极微小的区域进行非常精确的U 2Th 2Pb 同位素年龄测定,并可应用于除锆石以外的其它一些矿物的同位素年龄测定。
2 直接测定成矿事件时间的方法
用以直接测定成矿事件时间的样品系在成矿过程中形成的岩石和矿物,如蚀变矿物绢云母、钾长石;脉石矿物石英(其中的气液包裹体);矿脉中的锆石、金红石、电气石;矿石矿物白钨矿、辉钼矿、方铅矿和黄铁矿磁黄铁矿等。由于成矿地质作用经历了或长或短的一段地史过程,因此不同测年对象和不同测年方法所获得的成矿年龄不可能完全谐和,这些数据具有不同的地质意义,下面试举例说明。
211 蚀变矿物的年代学研究
作为热液交代成因矿床的标志之一,在矿体周围会形成范围不等的蚀变带,蚀变矿物有绢云母、长石、绿泥石、萤石、电气石等。其中含钾的蚀变矿物可作为K 2Ar 或Ar 2Ar 法的测
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年对象,而绢云母和长石又可通过Rb 2Sr 法获得等时线年龄来界定成矿地质作用时间。
张振海等对胶东玲珑金矿、灵山沟金矿和界河金矿蚀变带中绢云母、钾长石、铬云母和粘土矿物进行了Rb 2Sr 年龄测定[5],经笔者对原始资料的判别和重新计算[3],赞同张振海等使用的(10813±016)Ma 的Rb 2Sr 等时线年龄为玲珑金矿成矿作用的近似年龄。110Ma 左右的年龄值与下文介绍的锆石U 2Pb 年龄界定的成矿时代126~120Ma 比较接近,是可以接受的参考年龄数据。
212 含金石英脉中“热液锆石”的U 2Pb 年龄测定
成矿过程中形成的含铀矿物,诸如独居石、榍石、磷灰石等可作为U 2Pb 测年对象,其中赋存于含矿石英脉中的“热液锆石”在理论上是U 2Pb 法的最佳测定对象。所谓“热液锆石”系指在成矿热液活动过程中结晶出的锆石,由于它的结晶温度与岩浆结晶锆石相比明显偏低,因而具有不同的结晶习性[8]。本文作者曾对河北张宣地区东坪金矿、胶东马家窑金矿含金石英脉中的锆石进行了U 2Pb 年龄测定,获得了有参考价值的成矿作用的年代信息[9,10]。例如,作者测得赋存于张宣金矿密集区水泉沟2后沟碱性岩中的东坪金矿的主矿化期第3期钾化蚀变带含金钾长石英脉的成矿作用的单颗粒锆石U 2Pb 年龄为(35019±019)Ma ,并测得其直接围岩———作为碱性岩主体的石英二长岩的年龄为(41012±111)Ma ,和胡小蝶等①(1994)所获得的中山沟角闪二长岩中的单颗粒锆石U 2Pb 年龄(41015±114)Ma 完全一致。这表明,东坪附近的石英二长岩和中山沟内的角闪二长岩,是同时异相的岩浆产物,均形成于410Ma 左右的加里东末期/海西早期。东坪金矿是在其直接围岩石英二长岩定位以后约60Ma 的岩浆期后热液作用过程中形成的,这一成岩成矿的时间差是符合成岩成矿的演化规律的。显然,东坪金矿与碱性岩体有着十分密切的时空联系。这为进一步在水泉沟岩体分布区寻找金矿提供了年代学证据。胡小蝶[11]、李俊健[12]等也在这方面进行过积极探索。通过近几年的探索,我们一方面看到单颗粒锆石U 2Pb 测年方法的优越性,同时也认识到这种方法所存在的问题。第一,石英脉中的锆石群肯定具有多来源、多成因。从锆石群中鉴别和挑选出属于与石英脉同时代形成的热液锆石,无论从理论上,还是在实践上都是比较困难的。目前我们只能在借鉴包括围岩形成时代在内的其它资料的基础上,对含矿石英脉中锆石U 2Pb 年龄的地质意义做出判断。这就在客观上对利用锆石U 2Pb 年龄来界定成矿时代带来了多解性。第二,大多数含金石英脉中锆石含量甚微,1kg 样品约含1粒锆石,因而给分选、测年都带来了困难。这就是该方法目前在国内外难以广泛推广使用的两个重要原因。213 矿石矿物的直接定年
某些矿石矿物可被用来作为测年对象,所获得的年龄值有可能提供成矿地质作用的有用年代信息。如利用白钨矿的Sm 2Nd 法[7]、辉钼矿的Re 2Os 法[13]等测定成矿时代。近年来国外亦有报道利用逐步铅淋滤法(stepwise Pb leaching )测定含金地质体中热液作用形成的磁黄铁矿的Pb 2Pb 等时线年龄,提供成矿地质作用的年代信息[14]。
发育于津巴布韦太古宙克拉通之上的剪切带型金矿,具有金硫化物电气石共生的特点。曾获得剪切带中的白钨矿电气石(2165±0101)G a 的同位素年龄,与2165G a 的克拉通化事件在时代上相近,因此认为区域金矿化是太古宙变质基底克拉通化的产物[7]。但近年来又对剪切带中赋存的热液型含金磁黄铁矿和第2期电气石进行了逐步铅淋滤法的Pb 2Pb —
833—前沿・边缘・分支・热点 地 学 前 缘 1999,6(2) ①胡小蝶,赵彦明,陈志宏,等.“张宣地区花岗岩绿岩地体金矿类型、控矿条件及成矿预测”研究报告.1994
法测年,获得(1193±0105)G a (磁黄铁矿)和(2102±0102)G a (电气石)两条等时线年龄[14]。因而对津巴布韦太古宙克拉通之上的金矿除了认为与太古宙末期的克拉通化作用有关外,还首次提出古元古代构造变质事件及火成事件(Mashonaland igneous event )对第2期热液矿化的影响。逐步铅淋滤法可用来直接测定成矿过程中形成的矿石矿物和其它矿物,并可获得精度较高的同位素年龄值,提供成矿过程的年代信息,因而是一种有推广和利用价值的测年方法。
3 间接测定成矿事件时间的方法
间接法是通过测定与成矿地质作用有关的地质体和地质事件来限定成矿事件的时间。虽然这种方法不能直接提供成矿作用的年代信息,但它有更广泛的测定对象,所提供的成矿作用年龄区间有更牢靠的基础。
间接测定法一般有两类对象,一是与成矿作用关系密切,但形成时代早于成矿作用的地质体,所获得的年龄值是成矿时间的最大值(上限);另一类是与成矿作用关系密切,但形成时间略晚于成矿作用的地质体,所获得的年龄值是成矿时间的最小值(下限)。
图1 胶东招掖金矿域花岗质侵入体SHRI MP 锆石U 2Pb 法测定结果
(据苗来成等[15])Fig 11 Summary of SHRI MP U 2Pb zircon
data for plutonic rocks from the northwestern part of the Jiaodong Peninsula
胶东地区区域金矿成矿作用的年代学一直
是国内地质学家所关注的问题,许多蚀变矿物的
K 2Ar 和Rb 2Sr 年龄(如前文所述)提供了燕山中期
成矿的年代信息。近几年苗来成等与澳大利亚
地质学家合作测定了玲珑、郭家岭、滦家河花岗
岩和切穿矿脉的岩脉中的单颗粒锆石U 2Pb 年
龄,提供了间接测定金矿成矿时间的范例[15]。利
用锆石SHRI MP U 2Pb 法获得玲珑、滦家河黑云母
花岗岩的侵位年龄界于165~150Ma 之间,而郭
家岭花岗闪长岩则形成于130~126Ma 之间(图
1);切穿矿脉的岩脉年龄为120Ma 。因此,区域金矿化的时间限定在126~120Ma 区间,该数据
与前人报道的绢云母和钾长石的K 2Ar 、Ar 2Ar 和Rb 2Sr 年龄值基本吻合。西澳伊尔冈克拉通之上的花岗岩绿岩带金矿详细的年代学研究显示,容矿的绿岩带表壳岩形成于2700Ma 左右,成矿后的伟晶岩脉U 2Pb 年龄为(2637±8)Ma ,Sm 2Nd 等时线年龄为(20±11)Ma ,(2628±10)Ma 和(2620±36)Ma [16]。一种倾向性的认识是区域金矿化与伟晶岩脉形成时间相近(约2630Ma ),均是克拉通化作用过程中的产物,但也有人认为浅层成矿作用比花岗岩绿岩带形成时间晚约70Ma ,属于晚金矿模式(late g old m odels )[14],未必与克拉通化有直接联系。由于没有直接的成矿作用年龄,利用容矿围岩与成矿后伟晶岩脉年龄资料,将该区区域金矿成矿作用的时间限定在约2700~2630Ma 之间是比较合理的。
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933—1999,6(2) 地 学 前 缘 前沿・边缘・分支・热点
4 成矿地质事件与热构造事件的耦合
在地壳演化过程中,成矿过程绝非孤立的地质事件。它总是受到一个特定区域内一次或几次热构造或其它异常地质事件的影响或制约。因此,探讨成矿事件与其它异常地质事件的耦合关系就成为当前研究区域成矿地质背景的一项重要内容,其中探讨成矿事件与其它热构造事件在时间上的耦合性是不可忽视的重要环节。在对成矿地质作用进行年代学研究过程中应尽量避免根据一、二个年龄数据定乾坤的做法。笔者注意到无论对具体矿床或是区域成矿作用研究时均有根据少数年龄数据确定多期成矿作用的例证,这种脱离具体成矿背景,而仅考虑年龄值的做法是不可取的。
在年代学研究工作中除实验数据准确无误外,极为重要的一点是要建立在翔实的室内、外研究工作基础之上。成矿地质作用是壳幔演化过程中的一个环节,与某一次或某几次热构造事件存在着时、空或成因上的必然联系。当获得与成矿作用有关的年龄数据后,需要对年龄值的地质意义做出科学判断和解释。例如,研究程度较高的西澳伊尔冈、加拿大阿比提比以及津巴布韦等地的金矿床,矿化时间被确定在太古宙末期,比容矿的花岗岩绿岩带中的岩浆作用和变质作用晚约30~200Ma 。因此,提出“晚金矿模式”,该模式的关键所在是认为金矿化与花岗岩绿岩带的形成及克拉通化无关[14]。但另一些学者则认为发育在上述克拉通之上的诸多金矿床是克拉通化的产物,是与克拉通化过程中的变质作用、岩浆侵入事件在时、空和成因上相耦合的。成矿作用年龄数据的“年轻化”是同位素体系重设的结果[14]。再如,著名的澳大利亚芒特艾萨Pb 2Zn 2Ag 和Cu 矿床,含矿的芒特艾萨群的地层时代接近1167G a [17]。近年来一系列同位素年龄资料提供了成矿作用与相关地质事件的精细年代格架。该区大面积出露的Sybella 岩基侵位时代为(1660±4)Ma 和(1655±5)Ma ,与含矿岩系形成时代重叠,这些岩基所起的作用至少是为含矿流体对流的驱动提供了热源。然而对位于Pb 2Zn 2Ag 矿顶板的Cu 矿成因则有不同的看法,一种意见认为是与Pb 2Zn 2Ag 同时形成的SE DEX 型矿床,另一种意见则认为是后期热液活动的结果。详细的地质研究成果表明Cu 矿化作用发生在低压、高温变质峰期之后,受控于E 2W 向和NE 2SW 向的挤压作用,是同变形构造阶段的产物。区域低压、高温变质作用的时代为(1532±7)Ma ,因此Cu 矿化要比芒特艾萨群和Sybella 岩基形成的时间晚130Ma 以上[18]。显然芒特艾萨的Cu 矿化与Pb 2Zn 2Ag 矿形成的时间不同,属于后期热液成因。
当前国际地质界在研究超形成和汇聚过程中,十分重视超旋回过程中成矿作用的类型和特点的研究。这一研究趋向不是立足于具体矿床的研究,从点到面扩展到成矿作用与异常地质事件的耦合,而是以大的区域地质背景研究为立足点,探索异常地质事件与成矿地质事件的可能耦合关系。例如K am o 等[19]研究了加拿大安大略—魁北克一带的基性
岩墙群,根据岩墙群中斜锆石和锆石精确的590+2-1Ma 的U 2Pb 年龄,推测系劳伦破裂过
程中原大西洋裂谷的产物。因而这些岩墙群和与之时代相当的裂谷初期的火山沉积岩中可能出现拉张背景下的矿床组合。我国甘肃龙首山地区世界级的金川铜镍矿与超基性岩墙群发育有关,这些岩墙群的发育应系一次大规模的地壳减薄、破裂的前兆,可能与北祁连—龙首山震旦纪—早古生代活动带的形成有成生联系,加强龙首山—北祁连山重大地质事件与诸多矿床成矿事件年代学研究,对于认识该区矿床成矿规律和预测新的矿床都是一项—043—前沿・边缘・分支・热点 地 学 前 缘 1999,6(2)
十分重要的工作。
5 结语
在对成矿作用进行年代学研究时,要尽可能将前述直接测定和间接测定方法有机结合,使两种方法得出的结果在测试误差范围内相一致,如果产生明显的矛盾,则要对年龄数据本身及确定的相对地质事件序列进行重新研究和廓清。总之,成矿地质作用年代学研究是一项既十分重要、又难度很大的研究工作,从野外采样到获得年龄数据的每一个过程,以及对年龄数据的地质解释都要慎之又慎。但随着同位素测年技术的不断改进,新方法的不断诞生,以及随着成矿地质作用年代学研究工作的不断深入,对成矿作用时间维以及与相关地质事件耦合性研究的水平也不断提高。这方面的研究成果必将进一步促进矿床学和区域成矿地质背景的研究并有助于提高普查找矿的效果。
笔者在研究工作中曾得到翟裕生教授、沈保丰研究员等的支持与帮助,在此表示衷心的谢意。
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RESEARCH ON ISOTOPIC GEOCHRONOLOG Y OF
MINERALIZATION EVENTS
Lu S ongnian Li Huaikun Li Huimin
(Tianjin Institute o f G eology and Mineral Resources ,C AG S ,Tianjin ,300170)
Abstract Research on geochronology of mineralization events has long been a very im portant but quite com plicated task 1The determination of the tem poral dimension on a mineralization event is of great sig 2nificance both in theory and in practice ,which is helpful to the understanding of the origin of an ore deposit and the coupling relationship between mineralization events and other abnormal geological events and als o to the exploration of deposits 1In this paper ,various dating methods (e 1g 1Rb 2Sr ,Sm 2Nd is ochron and U 2Pb methods )are firstly discussed in terms of applicability and limitation ,and the advancement in geochronology of mineralization events is als o introduced 1Then combined with analyses of s ome typical research exam ples from both at home and abroad ,the direct and indirect dating meth 2ods of mineralization events are contrasted 1It is proposed that geochronology of mineralization events be done by means of poly 2is otopic 2system methods ,based on thorough field w ork 1And finally ,the rela 2tionship between mineralization events and other abnormal geological events is discussed ,and the tem 2poral coupling relationship between mineralization events and the assembling and dispersal cycles of su 2per 2continents is especially highlighted for future study ,which is im portant to our understanding of minerogenesis 1
K ey w ords advancement in dating methods ,mineralization events ,is otopic geochronology —243—前沿・边缘・分支・热点 地 学 前 缘 1999,6(2)
