花岗岩成因分类方案的合理性和可操作性仍然备受争议。黑云母作为花岗质岩浆结晶分异过程中重要的镁铁质矿物相,其化学成分能够反映岩浆的物理化学条件和演化历程,这为建立花岗岩成因判别指标提供了关键矿物学依据。本文对来自I型、S型和A型花岗岩的1455个黑云母的主量元素数据进行了统计分析,结果表明:I型花岗岩的黑云母SiO₂、TiO₂、MgO和MnO的含量较高,S型花岗岩的黑云母则较为富含Al₂O₃和Na₂O,A型花岗岩的黑云母FeO^T的含量较高。通过黑云母成分估算表明,I型花岗岩形成于相对高温、低压和高氧逸度环境,而S型花岗岩通常形成于相对高压环境,氧逸度和温度均低于I型花岗岩。I型、S型和A型花岗岩中黑云母的F和Cl含量和富集程度也有明显的区别,其中A型花岗岩中的黑云母F和Cl的含量相对最高。黑云母成分具有判别花岗岩成因类型的巨大潜力,但已有的基于黑云母成分的分类模型仍存在较大不确定性。为了进一步提高黑云母成分对于花岗岩类型的识别可靠程度,本研究对比了基于黑云母离子占位数据应用了PCA、t-SNE、UMAP降维机器学习算法和基于决策树的随机森林(RF)、极端随机树(ERT)、梯度提升决策树(GBDT)、极端梯度提升(XGBoost)、轻量梯度提升(LightGBM)和CatBoost机器学习模型算法,对I型、S型和A型花岗岩成因类型进行判别。结果显示,PCA、t-SNE、UMAP降维算法的判别准确率较低,而基于决策树的机器学习模型能够以94.5%以上的准确率对花岗岩类型进行判别。其中,T.Al、T.Fe³⁺、M.Al、M.Mg和M.Mn等5个阳离子占位是影响机器学习模型分类结果的关键预测因子。基于黑云母成分构建的花岗岩成因类型判别标尺,为解析岩浆源区性质与演化过程提供了定量矿物地球化学约束。

长期以来,产业链上游或前端(找矿勘查)至中下游或后端(采选冶)始终采用有价元素作为定量指标。然而,由于有价元素赋存矿物的多样性(同一种元素可以赋存于多种矿物相态产出),采用元素定量往往造成产业前端的资源储量评价和后端的资源回收评价出现很大偏差。显然,由于选矿工艺过程主要是回收赋存可回收元素的目标矿物,采用目标矿物含量代替目标元素含量作为定量指标更加合理。基于上述原因,针对可回收目标矿物,采用人工智能图像识别技术,进行目标矿物快速准确的定量方法非常值得深入研究。安徽黄屯铜金矿床属于热液型矿床,其中Cu是主要回收资源之一,黄铜矿是Cu的主要赋存矿物相。选择矿区5条勘探线13个钻孔合计114件样品,采用显微图像深度学习方法,进行了黄铜矿识别与定量。结果显示,基于深度学习的人工智能图像识别技术可以准确识别黄铜矿并进行准确定量,而且黄铜矿矿物定量比Cu元素定量更能反映铜资源的空间变化规律和空间分布特点,对指导深部铜矿或相关矿种(金矿)找矿、矿床勘探、采掘和选别、提高资源综合利用效率均具有重要意义。

矿物是数十亿年地球系统演化的重要信息载体,以数据驱动的矿物学研究对于深入挖掘地球演化过程中的潜在演替规律和驱动机制具有重大意义。铁元素(Fe)在地球物质和能量循环、生命演化、环境修复等方面具有重要作用,也是一种常见的指示环境变迁的氧化还原敏感元素。本文通过探讨949种铁矿物多样性演化规律及分布特征,初步构建起深时铁矿物演化与地球环境演变及生命演化之间的内在联系。研究结果表明,深时铁矿物多样性呈幕式增长特征,增长高峰期与超大陆碰撞期相吻合,板块运动、大气增氧、生命代谢活动等过程共同促进铁矿物向更复杂、更多元的方向演化。我们进一步利用BP神经网络(BPNN)、随机森林(RF)和支持向量机回归(SVR)3种机器学习算法建立铁矿物演化趋势预测模型,其中RF相较于BP神经网络和支持向量机回归预测精度更高、泛化能力更强。

黄铁矿的热电性标型已被广泛应用于金矿床找矿预测,然而磁铁矿的热电性特征及其在找矿方面的应用却认识不深。以白云鄂博铁矿床主矿区为研究对象,采用BHTE-08型热电系数测量仪,进行了大量磁铁矿热电性的测试研究。结果表明,在主矿区东部区域出现了显著热电性异常,通过显微观察发现,该异常与金属硫化物(特别是黄铁矿和磁黄铁矿)的赋存密切相关。特别是该异常区域岩浆成因磁铁矿比例明显较高,因此推测是岩浆作用导致了该区磁铁矿和硫化物的大量堆积,即该区可能是深部岩浆上升的通道。这一认识对于白云鄂博主矿区—东矿区深部找矿具有重要指导意义。此外,通过磁铁矿和黄铁矿人工条件下不同比例混合样的热电性测试,认为磁铁矿的热电性特征在评价铁矿石质量方面具有广阔的应用前景和实际意义。

本文选取准噶尔盆地西北缘哈拉阿拉特山(哈山)地区石炭系火山熔岩(玄武岩、玄武安山岩、安山岩)来说明其成因机制及构造背景。研究结果表明,三类岩石的MgO含量中等(3.21%~6.82%),Al₂O₃含量中等偏高(11.30%~17.78%),全碱K₂O+Na₂O含量较高(4.24%~7.24%)。其中,玄武岩样品整体K₂O含量较低,体现 Na 相对于K 富集的特点,判断其为低钾拉斑系列玄武岩;玄武安山岩、安山岩的钙碱元素含量高,具有弧火山岩特征。三类火山岩整体呈现⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值中等偏低(0.702877~0.706620)、ε_Nd(t)同位素值(+4.59~+9.85)高的特征,表明岩浆在深部岩浆房经历了壳-幔混合作用。玄武安山岩、安山岩的稀土元素含量与玄武岩相比,大离子亲石元素Ba富集,高场强元素U、Pb相对富集、Nb亏损,表现出与俯冲消减带相关的岛弧岩浆作用的特点。通过与稀土、微量元素相关的构造环境分析,玄武岩含有源自亏损地幔的组分,低钾拉斑系列产于洋盆俯冲消减的构造背景,中性火山岩则刻度了大洋板块向大陆板块俯冲消减的过程,具体表现为亏损地幔楔受俯冲板块脱水释放的沉积物或洋壳熔体交代后,部分熔融形成玄武安山岩和安山岩。结合区域地质资料分析,准噶尔洋盆的俯冲消减可持续至晚石炭世。

通常中基性脉岩与金矿床有着密切的成因关系,正确认识二者的联系,对找矿勘查有着一定的指示意义。争光角闪辉长岩隐伏产于争光金矿区,位于大兴安岭东坡多宝山矿集区内。通过开展锆石U-Pb定年及Hf同位素组成分析,获得角闪辉长岩锆石年龄为(117.3±2.4) Ma,并存在两组(468~484) Ma和(489~550) Ma的捕获岩浆锆石年龄,指示岩脉形成于早白垩世。锆石Hf 同位素显示ε_Hf(t)= -2.33~12.78,样品投点落于大兴安岭早白垩世火山岩带范围内,Hf 同位素数值变化较大,以正值为主,与来源于幔源岩浆经地壳物质加入的混染有关,fLu/Hf为-0.96~-0.90,二阶段模式年龄集中在533~1316 Ma。轻、重稀土分馏明显,曲线右倾,Nb、Sr、Zr亏损,Th、Ta、Nd富集,Zr(26.6×10^-6~35.8×10^-6)、Hf(1.39×10^-6~2.08×10^-6)、Cr(102×10^-6~360×10^-6)含量变化及La/Nb(142.5~214.8)、Zr/Ba(0.16~0.19)比值特征反映出幔源岩浆特点,形成于伸展的构造背景。角闪辉长岩与嫩江—黑河成矿带三道湾子等金成矿作用及与成矿相关的闪长质脉岩形成同一时期(110~125) Ma,同处于伸展环境,暗示该脉岩对争光矿区调查早白垩世金成矿作用具有一定的指示作用。

山东微山稀土矿床位于华北板块东部的莱芜—淄博—微山稀土矿带,是我国三大轻稀土矿床之一。为进一步探究稀土元素的迁移富集过程,本研究对微山矿床开展了精细的矿物学研究。根据矿物共生组合及脉体之间的穿切关系,将微山稀土矿床热液成矿作用划分为四个成矿阶段:(I)钾长石+石英+方解石、(Ⅱ)硫酸盐+石英+方解石、(Ⅲ)稀土矿物+石英+方解石+硫酸盐+萤石以及(Ⅳ)方解石+石英+萤石+硫化物阶段。对各成矿阶段开展扫描电镜-能谱(SEM-EDS)和电子探针(EPMA)分析显示,稀土矿物主要为氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、碳(酸)锶铈矿和少量的独居石、(铈)磷灰石和钍石。这些稀土矿物与萤石、方解石和硫酸盐矿物密切共生,指示成矿流体可能为H₂O-CO₂-NaCl-F-REE- \mathrm{S} {\mathrm{O}}_4^{2-}体系热液;在成矿过程中,F^-、Cl^-、 \mathrm{C} {\mathrm{O}}_3^{2-}和 \mathrm{S} {\mathrm{O}}_4^{2-}等多离子对关键成矿元素的迁移和富集具有不同程度的贡献,壳幔混合岩浆演化晚期分异的复杂成矿流体是成矿作用的关键。结合区域构造背景,本文提出微山稀土矿床形成可能与古太平洋板块俯冲板片后撤诱发软流圈地幔物质上涌的成矿构造模式。

表面性质活泼的纳米材料在使用及处理过程中会进入土壤及水体环境,进而影响近地表环境中的矿物成分及其物理化学性质和相对含量。然而,纳米材料对土壤或者水中矿物相转变的机制及转化过程仍不清楚。本研究以典型的纳米材料-碳纳米管(CNT)为代表,通过X射线衍射、扫描电镜、Zeta电位、傅里叶变换红外光谱及草酸铵提取实验等手段,探究其对土壤中广泛分布的天然矿物水铁矿(Fh)相转变的影响。结果表明Fh的转化产物主要为赤铁矿,带有异号电荷的CNT和Fh通过静电引力作用及形成Fe—O—C键结合,该作用抑制Fh的转化过程,但不改变产物类型。另外,添加CNT使产物中赤铁矿的平均粒径减小。本研究为了解土壤中矿物相转变机制,进而探究人造物质对土壤影响机理提供实例。

水铁矿相转化影响近地表铁氧化物矿物组成及元素归趋,具有重要的地球化学意义,被广泛关注。随着研究深入,研究方法不断革新。本文结合水铁矿相转化的研究进展,综合分析在该研究中的常用研究方法,包括光谱学(X射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、穆斯堡尔谱、X射线吸收精细结构谱等)、形貌学(扫描电镜及透射电镜)、元素分析及磁性分析等手段,探究这些常用方法在水铁矿相转化过程中的应用(定性及定量),提出不同研究方法的优势及其局限性。最后,对今后水铁矿研究中原位测试方法的应用进行展望。本研究为探究近地表环境铁氧化物矿物的转变过程提供基础信息。

为提取二道坎银铅锌矿床成因及找矿信息,对与成矿密切相关的黄铁矿进行主量、稀土微量元素及S、Pb同位素等研究。结果显示,黄铁矿的S/Fe、Au/Ag、Co/Ni、Fe/(S+As)和Co-Ni-As等成分标型特征显示该矿床属于中浅成火山热液型矿床,且所勘查的位置处于矿体中浅部;黄铁矿中轻稀土富集,具弱负Eu异常,无Ce异常,相对富集高场强元素Th、U、P、Hf和Yb,亏损大离子亲石元素Rb、K和Sr,Y/Ho值,显示成矿流体具有壳幔混合特征。Zr/Hf、Nb/Ta值显示成矿流体处于较稳定的环境中,但成矿过程中可能混入外来热液物质。硫同位素数值集中在+2.3‰~+8.6‰,表明成矿物质来源较深;²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb值为18.007~18.034,²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb值为15.501~15.522,²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb值为37.704~37.755,显示成矿物质为以地幔为主的壳幔混合来源。结合本区地球化学特征及区域典型矿床特征,认为二道坎银铅锌矿床为浅成低温热液型矿床,目前已剥蚀到中浅部,深部仍有一定的找矿潜力。

黄铁矿是地壳中最为普遍存在的金属硫化物,广泛发育在各类金属矿床中,更是金矿床中重要的载金矿物。本文以牟平—乳山成矿带典型金矿中黄铁矿为研究对象,利用偏光显微镜与电子探针相结合的方法,对研究区金矿四个成矿阶段不同期次的黄铁矿成分标型开展了系统研究。黄铁矿镜下和面分析表明,各成矿阶段的黄铁矿晶形与粒度存在明显区别,其中Ⅰ阶段为粗粒自形-半自形立方体黄铁矿(Py1),Ⅱ阶段为细粒半自形-他形五角十二面体黄铁矿(Py2),Ⅳ阶段为细粒自形-半自形立方体黄铁矿(Py3)。Ⅰ阶段黄铁矿(Py1)晶体边缘及裂隙、Ⅱ阶段黄铁矿(Py2)晶体As含量较高;自然金和银主要呈细脉状充填在Ⅰ阶段立方体黄铁矿(Py1)裂隙或围绕Ⅱ阶段细粒五角十二面体黄铁矿(Py2)发育。电子探针主微量元素分析也显示出了显著的差异,Ⅰ阶段黄铁矿Fe、S含量最接近理论值,而Ⅱ阶段黄铁矿存在明显的硫亏损,Ⅳ阶段黄铁矿则存在铁亏损。此外,金赋存状态的研究表明研究区金矿的不可见金为Au⁰纳米颗粒金。从成矿早期阶段到晚期阶段,黄铁矿晶形呈现从立方体→细粒五角十二面体→细粒立方体的变化趋势,指示成矿流体温度呈逐渐降低的演化趋势,主成矿阶段具有中低温、较高硫逸度的特点。

绿帘石族矿物是常见的岛状含水Ca-Al硅酸盐矿物。由于非等效结构位点较多,绿帘石族矿物可显著富集多种微量元素,特别是二价大离子亲石元素(Sr和Pb)、稀土元素(REE)和过渡族金属元素(TME)。在一定的温压条件下,这些离子会与绿帘石族中的Ca、Fe、Al等离子进行类质同象替代。本文总结了绿帘石族中Fe、Mn、Sr、Pb、Cr、V、REE等元素在其晶体中发生替代所带来的微观结构变化,有助于深入理解该矿物在示踪成矿流体源区、指示流体成分与温压条件变化过程的应用,并为该矿物U-Pb同位素定年方法提供了重要的晶体化学基础。

褐帘石作为花岗岩、矽卡岩以及花岗伟晶岩中常见的副矿物,是岩浆中轻稀土元素(LREE)、Th、U和Sr等微量元素的重要载体,在俯冲带的临界温度范围内褐帘石能够很好的控制LREE含量,其成分对结构变化所产生的影响对地球科学研究具有非常重要的指示作用。本文通过单晶X射线衍射、粉晶X射线衍射、LA-ICP-MS等一系列系统的结构和化学成分对比分析了不同地质环境中褐帘石族矿物单晶的晶胞参数特征,并在此基础之上深入讨论了帘石族矿物中稀土元素对晶体结构微调的过程。根据实验数据的比较随着REE³⁺替代Ca²⁺占据A2占位使得帘石族矿物晶体的a、b、c、V各个晶胞参数得到了相应程度增大,其中晶胞体积的变化较为明显由457.92 ų增大至479.93 ų,体积增大接近4.8%;褐帘石的(110)、( 31 \overline{1})、(222+123+114)、(322+ 42 \overline{4})和(307)等面网可以间接指示褐帘石中稀土元素的含量和占位情况。本研究通过分析褐帘石的晶体结构和化学成分,揭示了稀土元素替代Ca²⁺对其晶体结构的调控机制及其地球化学意义。

海南岛西部抱板杂岩中广泛发育伟晶岩,但伟晶岩地球化学研究尚未开展,伟晶岩类型、成因及其稀有金属成矿潜力尚不清楚。本文在野外调查和岩石薄片显微观察的基础上,对抱板杂岩中伟晶岩样品开展全岩、单矿物(云母、长石)的主量元素、微量元素和稀土元素分析和长石X射线粉晶衍射分析。划分伟晶岩类型,探讨伟晶岩成因,分析伟晶岩成矿潜力。抱板杂岩中伟晶岩属于白云母钠长石型伟晶岩,具有高硅铝,低钙镁及过铝质等特征;微量元素总体相对富集大离子亲石元素,相对亏损高场强元素;轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。电子探针分析表明伟晶岩中云母主要为白云母,长石主要为钠长石、次为更长石、微斜长石。伟晶岩演化程度低,类型上属于白云母-稀有金属伟晶岩-REE亚类中的褐帘石-独居石子类。伟晶岩全岩和单矿物中的稀有金属含量低,微斜长石晶胞体积小于富铷伟晶岩,不具备形成稀有金属伟晶岩的潜力。

华北克拉通中部南太行邯邢地区发育大量中生代中基性侵入岩,其中的洪山碱性杂岩体具有特殊的岩石组成,是了解早白垩世克拉通构造演化的关键。对洪山岩体及其相关的火山岩中典型岩石类型进行了全岩地球化学和锆石U-Pb年代学分析,并与已发表的邯邢地区各岩体的全岩数据、锆石U-Pb年龄及Lu-Hf同位素数据进行了对比研究,解析了洪山岩体的成因与演化。本次研究显示洪山碱性火山-侵入杂岩为高硅、富铝、高碱的钾玄岩系列岩石,其La-La/Sm显示出正相关性,其锆石ε_Hf(t)值介于富集地幔和古老下地壳的Hf同位素演化线之间(ε_Hf(t)=-17~-10,T_DM2=1800~2200 Ma),指示其壳幔混合成因。石英正长岩、石英正长斑岩、辉石正长岩和粗面质凝灰岩的锆石U-Pb年龄分别为129.6±2.9 Ma、128.6±3.0 Ma、126.5±0.47 Ma和130.6±3.0 Ma,与邯邢地区其它岩体形成时代一致。综合研究认为洪山碱性杂岩是钾玄质岩浆与壳源和幔源岩浆发生混合形成。钾玄质岩浆是地幔中残留的克拉通早期演化时形成的辉石岩发生部分熔融的结果;基性岩浆则是富集地幔部分熔融的产物。上述岩浆演化和岩石形成指示了岩石圈减薄引起软流圈上涌的过程,可能是早白垩世古太平洋板块回撤并导致包括邯邢地区形成弧后伸展区域。

自然界中不同的应力体制、应变速率都可能影响岩石脆-韧性变形的转换温度,而韧性剪切带中糜棱岩的变形变质温度估算对热年代学结果的解释具有重要制约。为了讨论地质温度计(白云母/黑云母Ti地质温度计)在伸展韧性剪切带中的适用性,本文利用糜棱岩的矿物动态重结晶以及EBSD石英<c>轴组构等塑性变形特征,估算出桂东北资源韧性剪切带的变形变质温度在400~550 ℃之间。结合电子探针分析技术,对韧性剪切过程中由于动态重结晶作用新形成的细粒白云母、黑云母进行化学成分分析,利用白云母/黑云母Ti温度计估算出该韧性剪切带中糜棱岩的变形变质温度分别为409~528 ℃和458~605 ℃。通过对比分析,利用地质温度计获得的温度与利用塑性变形特征估算出的温度在误差允许范围内基本一致,为白云母/黑云母Ti温度计在伸展韧性剪切带中的应用提供了依据。

原油中单体烃硫同位素可为判别原油成熟度和沉积环境提供关键的地球化学信息。本文采用气相色谱-电感耦合等离子体质谱技术(GC-MC-ICP MS)结合传统色谱质谱方法(GC-MS),对辽河西部凹陷原油中单体烃硫同位素的分布特征和影响因素进行探讨。三种成因原油的单体烃硫同位素δ³⁴S值具有明显差异:锦州油田淡水相成熟油δ³⁴S值(20.57‰)最高,单体烃硫同位素随着甲基化程度增加呈现先升高后降低的趋势;曙光—高升油田咸水相低熟油δ³⁴S值(19.23‰)略低于前者,单体烃硫同位素呈现随甲基化程度增加而升高的趋势;牛心坨油田的半咸水相低熟油δ³⁴S值(14.47‰)最低。观察到δ³⁴S值随着成熟度增加有变重的趋势,同时Δδ³⁴S_{1-mDBT-4-mDBT}与成熟度参数C₂₉甾烷ααα20S/(S+R)具有良好的负相关性,表明成熟度的控制作用,可能是影响δ³⁴S值的最主要因素。成熟度相近原油的δ³⁴S值与伽马蜡烷/C₃₀藿烷具有良好的正相关性,而与C₁₉/C₂₃三环萜烷呈反比,表明还原性咸水环境有利于有机质的硫化作用,导致δ³⁴S偏重。轻度生物降解作用对δ³⁴S值影响较小,没有引起明显的同位素分馏现象。单体烃硫同位素可作为表征原油成熟度与沉积环境的有效指标,为油气资源的勘探开发提供科学依据。

新元古界碎屑与碳酸盐混合沉积岩保存的古海洋环境及古沉积环境信息能够响应新元古代氧化事件。本文以豫西何家寨组为研究对象,通过沉积岩石学、地球化学等研究方法,探讨了何家寨组沉积特征及沉积环境,恢复了古海洋条件,以期为华北南缘新元古代古环境研究提供依据。研究表明:何家寨组由泥质灰岩、灰岩和含石英碎屑灰岩等组成,可见叠层石及臼齿构造,为海相碳酸盐岩潮坪沉积。V/Cr、Ni/Co、Sr/Ba指示何家寨组古水深、古海洋氧化还原状态之间具良好相关性,经历了三次水体加深后变浅、古海洋氧含量减少后增加的旋回。通过与同期地层古环境对比,新元古代早期板块周缘海洋环境呈现氧化状态。对何家寨组沉积环境分析可为该地区沉积环境划分和古地理条件恢复提供帮助,为新元古代氧化事件提供证据支撑。

煤大分子模型是研究煤的物理化学性质和高效利用的基础,然而,当前尚缺乏反映不同煤阶煤性质的大分子模型的构建和对比。为此,本研究利用工业分析和元素分析,以及核磁共振碳谱、红外光谱、X射线光电子能谱等测试手段,结合前人数据,构建并搜集了河曲煤、孝义煤、店坪煤、高阳煤、阳泉煤、赵庄煤等横跨褐煤到无烟煤(R_O=0.46%~3.21%)的13个不同煤阶煤大分子模型序列。煤大分子结构参数显示,随煤阶升高,芳香结构中芳碳率呈3阶段增加演化趋势;桥周比、桥接芳碳均线性增加,侧支芳碳、氧接芳碳在煤变质第一次跃变点以前快速减少。脂肪结构中脂碳率与芳碳率相反,呈3阶段减小趋势;甲基碳第一次跃变点之前增加最后减小;亚甲基碳呈波动变化与三次煤化跃变对应;氧接脂碳的变化情况规律不明显。含氧官能团含量则随煤阶的升高而减少。范德华能和键伸缩能的降低对分子稳定性起主导作用,氢键能只在低阶煤(褐煤)和中阶煤(长焰煤、气煤)及分子之间起作用。低阶煤(褐煤)和中阶煤(长焰煤到瘦煤)的多分子总能量低于等量单分子的能量,而高阶煤(贫煤和无烟煤)由于π-π作用多分子能量高于等量单分子能量。总体上,文中所建大分子模型序列反映了煤变质规律,揭示了煤分子能量构成。研究成果有望能为进一步的煤大分子模拟工作提供基础煤分子构型。