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    地質地球所研究黃鐵礦原位Fe-S同位素分析揭示鈷在變質沉積地層中超常富集的機制

      

      金屬鈷被廣泛用于電池的正極材料,例如鎳鈷錳酸鋰電池即三元鋰電池。鈷的加入可以提高三元鋰電池的能量密度、熱穩定性以及充放電效率等。隨著新能源汽車的發展和國家能源結構的調整,未來對鈷的需求將會越來越大。然而,鈷保有資源量的嚴重不足造成了鈷價的瘋狂上漲,也制約著電池產業對金屬鈷的使用。因此,尋找潛在鈷資源迫在眉睫。沉積巖容礦銅鈷礦床(SCD)為世界提供了近40%的鈷儲量。該類型礦床在全球范圍內首次出現于~2.3 Ga大氧化事件(GOE)之后的地質記錄中,暫停一段時間后,在新元古代氧化事件(NOE)期間再次爆發成礦(圖1)。目前SCD礦床的成因研究存在三個核心問題尚未解決:(1)金屬礦化的時間:同生沉積階段、盆地鹵水循環階段、盆地倒轉階段或者是造山閉合階段;(2)銅鈷金屬的來源:紅層(含有赤鐵礦的沉積地層)或者是基性火山巖地層;(3)鈷在變質沉積地層中超常富集的機制:作為親鐵元素,理應趨向富集于超基性巖、地幔和地核中。 

    1 (A)沉積巖容礦銅鈷礦床(SCD)的鈷資源量隨時間的演化;(B)海洋中可溶解的硫和金屬鐵鈷含量以及沉積黃鐵礦中鈷含量隨時間的演化

      為解決上述科學問題,中國科學地質與地球物理研究 所邱正杰博士后與合作導師范宏瑞研究員,聯合中國地質大學(北京)客座教授Richard Goldfarb博士、澳大利亞莫納什大學Andrew Tomkins副教授等,選擇華北克拉通中部帶中條山古元古代沉積巖容礦銅鈷礦床作為研究對象,該礦床賦存在一套石墨片巖、變質蒸發巖和白云石化大理巖中。采用本所多接收-電感耦合等離子體質譜實驗室新近開發的fs-LA-MC-ICP-MS原位黃鐵礦Fe同位素分析技術和離子探針實驗室SIMS原位S同位素分析技術,結合電子探針與掃描電鏡實驗室EPMA元素圖像分析方法(圖2),取得了如下主要認識: 

      1)變質蒸發巖中變質成因磷灰石U-Pb年齡(1844 ± 25 Ma)與含Cu-Co石英脈中輝鉬礦Re-Os年齡(1819 ± 19 Ma)在誤差范圍內相近,表明成礦作用和變質作用時間是相一致的。 

      2)石墨片巖是硫化的黑色頁巖遭受高綠片巖相變質的產物。殘存的強變形沉積黃鐵礦富鈷(0.8 — 3.0 wt.%),δ34S22.9 ± 0.4 ‰,與同時代海洋硫酸根的硫同位素值相近;其δ56Fe值為0.90 ± 0.16,與同時代沉積黃鐵礦鐵同位素值相接近。以上Fe、S同位素特征支持沉積黃鐵礦經歷硫酸鹽還原細菌的作用,形成在硫化海洋內或在海底孔隙水內。 

      3)在高綠片巖相、高鹽變質流體和高硫逸度情況下,沉積黃鐵礦發生了溶解再沉淀,釋放出Co并以CoCl42-絡合形式遷移。證據是:元素圖像分析表明沉積黃鐵礦和新生黃鐵礦存在化學成分突變界面;電子背散射分析表明新生黃鐵礦保留沉積黃鐵礦的晶形;新生黃鐵礦δ34S值降低~1.5,δ56Fe升高~0.7‰,符合Fe、S同位素的平衡分餾行為;巖石內保留有蒸發相的KCl晶體,可提供足夠的Cl。 

      綜上,該項研究對SCD礦床成因提出了新的認識:大氧化事件后的蒸發巖相沉積地層可能是沉積巖容礦銅鈷床一個潛在的鈷來源,隨后發生的造山作用可以進一步釋放和遷移金屬元素,使其進一步富集(圖3)。因此,2.2-2.0 Ga0.9-0.7 Ga的被動大陸邊緣或裂谷盆地是全球潛在的鈷礦勘探遠景區,尤其是經歷過變質、變形作用改造的含蒸發巖沉積地層區。 

    2 石墨片巖中變形的沉積黃鐵礦(Py I)和重結晶的新生黃鐵礦(Py II)的反射光照片(A)、Co元素EPMA圖像(B)EBSD圖像(C) 

    3 富鈷沉積巖容礦銅礦床的兩階段成礦模式卡通圖:鈷在硫化海洋沉積過程的預富集(A)到造山變質作用過程再富集的成礦過程(B)

      研究成果發表于國際權威學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta (邱正杰, 范宏瑞*, Goldfarb R, Tomkins A G, 楊奎鋒, 李曉春, 謝烈文, 劉玄. 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)。該成果受國家自然科學基金重大項目(41890833)和國家自然科學青年基金項目(41902080)聯合資助。 

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