从阴极发光图像和微量元素特征看锆石成因
锆石U_Pb同位素定年的原理_方法及应用_高少华
立年龄； 定年方法各有优缺点，应用时应根据从样品中分选出的锆石数量、粒度、内部结构、定年精度等因素，
灵活选择； 锆石 U-Pb 年龄常用于沉积盆地物源分析、岩体的年代约束及成矿年代学与韧性剪切带定年中，应
用时要结合地质背景，对定年结果进行合理解释。
关键词： 锆石； U-Pb 同位素； 原理； 定年方法； 地质应用
收稿日期： 2013 － 04 － 11； 修订日期： 2013 － 05 － 30 作者简介： 高少华（ 1986 － ） ，男，在读硕士，专业方向： 沉积盆地物源分析研究。
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江西科学
2013 年第 31 卷
1 锆石的地球化学特征和内部结构
1． 1 锆石的地球化学特征 锆石 的 氧 化 物 中 ω （ ZrO2 ） 占 67． 2% 、ω
Abstract： This article discusses geochemical characteristics and internal structure of zircon，the principle of zircon U-Pb isotopic dating，the advantages and disadvantages of dating method and the application of geological problems through consulting a large number of Chinese and foreign literature and combined with the author's experiments． The results show that magmatic zircon and metamorphic zircon in geochemical and internal structure have different characteristics． Principle is that by using of the U-Pb decay equation getting three independent ages of 206 Pb / 238 U、207 Pb / 235 U and 207 Pb / 206 Pb． Dating methods have advantages and disadvantages，please accord to the quantity，size，internal structure and factors such as accuracy of sorting out the zircons from samples，selecting dating methods flexibly． Zircon U-Pb age is often used in the analysis of the sedimentary basin provenance，in the age constraint of some rock and metallogenic chronology and ductile shear zone． The dating results are reasonable explanation to combined with the geological background． Key words： Zircon，U-Pb isotope，The principle，Dating method，The geological applications
一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法[发明专利]
![一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9fc1dd02a22d7375a417866fb84ae45c3a35c245.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011557275.7(22)申请日 2020.12.25(71)申请人 核工业北京地质研究院地址 100029 北京市朝阳区小关东里十号院(72)发明人 王生云 范洪海 王凤岗 陈金勇 朱泉龙 王伟 宋振涛 (74)专利代理机构 核工业专利中心 11007代理人 高安娜(51)Int.Cl.G01N 27/626(2021.01)G01N 1/32(2006.01)(54)发明名称一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法(57)摘要本发明属于锆石类型鉴定技术领域，具体涉及一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法。
制备锆石样品靶；对锆石进行原位微量元素组成分析；利用球粒陨石标准化稀土元素配分曲线结合微量元素特征判别锆石成因。
本方法涵盖面广、准确性高、时效性好。
对判别锆石成因类型经济、有效，推广应用前景广阔；能够原位、简单、快捷、精确的判别锆石成因类型，为认识地质作用过程和推动地球科学的发展提供技术支撑。
权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 112748175 A 2021.05.04C N 112748175A1.一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)制备锆石样品靶；步骤2)对锆石进行原位微量元素组成分析；步骤3)利用球粒陨石标准化稀土元素配分曲线结合微量元素特征判别锆石成因。
2.如权利要求1所述的一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法，其特征在于：所述的步骤1)将锆石样品(数量≥30)用双面胶粘在适于开展激光等离子质谱的靶上形成锆石样品靶。
3.如权利要求2所述的一种运用锆石微量元素组成判别锆石成因的方法，其特征在于：所述的步骤1)将锆石样品(数量≥30)用双面胶粘在适于开展激光等离子质谱的靶上之后，用无色透明的环氧树脂固定，固化之后将表面抛光，形成锆石样品靶。
北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中伟晶岩脉内蜕晶质化锆石的成因
北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中伟晶岩脉内蜕晶质化锆石的成因裴小利;时毓;梁斌;刘希军;丁海红;朱昱桦【摘要】对北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中的伟晶岩脉内的锆石进行了阴极发光和U-Pb年代学研究.结果表明:由于伟晶岩中的(蛤质)锆石发生蜕晶化作用或重结晶作用,U-Th体系发生了改变,其锆石阴极发光图像呈黑色,无明显环带;对4条伟晶岩脉中的蜕晶质化锆石进行的LA-ICP-MS定年显示,由于受蜕晶质化(蛤质)锆石内部Pb元素丢失的影响,其年龄多较为分散,可信度不高.只有1个样品(QL1434-1)显示了较好的谐和性,指示该伟晶岩脉的形成年龄约为380 Ma,归于晚古生代早期.【期刊名称】《桂林理工大学学报》【年(卷),期】2015(035)004【总页数】11页(P675-685)【关键词】蜕晶质化;伟晶岩;锆石U-Pb年代学;秦岭岩群(杂岩);秦岭造山带【作者】裴小利;时毓;梁斌;刘希军;丁海红;朱昱桦【作者单位】桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林541004;桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林541004;南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京210093;桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林541004;桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林541004;南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京210093;江苏省有色金属华东地质勘查局,南京210007;桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】P597.3;P588.131秦岭造山带呈东西向横亘于中国大陆中部,是华北克拉通与扬子克拉通之间的碰撞汇聚带,在整个东亚中部构造格局中占有重要地位。
根据其地质特征及关系,秦岭造山带可分为北秦岭和南秦岭。
通常,北秦岭被认为是华北南缘或独立微陆块的一部分,而南秦岭被认为是扬子北缘的组成部分。
锆石在地质研究中的应用
2021.08科学技术创新锆石在地质研究中的应用夏浪(成都理工大学,四川成都610000)锆石一直被视为具有高度稳定性的矿物,具有能持久保持矿物形成时的物理化学特征,富含U 、Th 等放射性元素、离子扩散速率低、封闭温度高等特点,因此被广泛于岩石学、地球化学研究中。
近年来微区定年技术发展,锆石更加成为了U -Pb 定年的理想对象。
本文从锆石岩相学、地球化学、包裹体等方面阐述锆石在地质领域研究中的应用方向。
1锆石矿物学和岩相学特征锆石的化学式为Zr Si O 4,含有H f ,Th ,U 等混入物,在岩浆岩矿物中含量较低,一般是以副矿物的形式存在。
在岩浆结晶分异演化过程中,根据鲍文反应序列分为连续和不连续系列。
岩浆中先后结晶出橄榄石、辉石、角闪石等暗色矿物,斜长石伴随暗色矿物且牌号递减依次结晶出来,从基性向酸性斜长石演化。
Zr 在基性岩浆中不饱和,锆石难结晶出来,而在酸性岩浆中饱和可以晶出。
CL 阴极发光的原理实质上是由于矿物中可能会混入杂质离子或者是晶体生长过程中产生的缺陷、双晶、生长条纹等,这些因素都可能导致矿物颗粒内部由于成分不均一而在阴极发光图像上呈现不同,锆石环带很好的记录了岩浆演化的过程。
在对锆石的CL 阴极发光影像图中,不同岩石成因的锆石在CL 阴极发光图像下形态会有显著的区别。
岩浆锆石广泛存在于酸性岩浆岩中,而在偏基性的岩石中存在的较少,岩浆锆石具有特征的同心韵律环带,具有自形到半自形的长柱状特征。
在沉积岩中也会以少量碎屑锆石的形式存在,碎屑锆石磨圆较好。
在高级变质岩中,特别是在原岩富含锆石的高级变质岩中,锆石的结构往往较为复杂,构成由晶核和变质增生组成的复杂结构。
变质锆石指的是变质作用过程中形成的锆石,成因不同的锆石(深熔作用形成、变质流体结晶、变质重结晶等)甚至是不同变质相下形成的锆石在阴极发光图像上都具有不同的环带特征以及锆石形态,如图1。
2锆石包裹体包裹体是矿物生长过程中或形成之后被捕获包裹于矿物晶体缺陷中的,保存在主矿物至今的物质。
新疆蒙其古尔地区八道湾组沉积岩碎屑锆石年代学特征及地质意义
新疆蒙其古尔地区八道湾组沉积岩碎屑锆石年代学特征及地质意义作者：黄广文潘家永黄广楠夏菲吴德海钟福军来源：《新疆地质》2021年第02期摘要：在详细观察描述含砾砂岩宏观特征基础上，利用偏光显微镜和LA-ICP-MS对蒙其古尔地区八道湾组出露的含砾砂岩开展碎屑骨架组分及碎屑锆石U-Pb定年分析，初步解析岩石学、年代学及物源特征等信息。
结果表明：碎屑锆石多具良好的振荡韵律环带，Th/U值大于0.1，为岩浆成因锆石;样品中最年轻的碎屑锆石年龄为（289±4） Ma，可限定八道湾组砂岩沉积下限为早二叠世;初步将碎屑锆石年龄分为3组，分别为1588～807 Ma、603～410 Ma、350～289 Ma，该年龄区间与已知构造-岩浆事件时间（晋宁期、加里东期和印支-海西期）基本对应，表明研究区构造岩浆活动与中国大地构造运动基本一致。
据QFL与QmFLt图解，结合构造背景及盆地演化过程，认为八道湾组砂岩物源经历了由相对稳定的石英再旋回造山带区向过渡再旋回造山带，再向岩屑再旋回造山带区演变的过程。
碎屑物源可能主要来源于南部乌孙山、那拉提山出露的石炭—奥陶纪火山岩及中酸性侵入岩。
关键词：蒙其古尔;碎屑锆石U-Pb定年;砂岩;物源;八道湾组物源分析是确定源区母岩性质的重要依据之一，是沉积盆地分析的重要组成部分[1-2]。
碎屑锆石具较高稳定性，能全面记录和反映源区所经历的相关地质事件[3-4]。
前人利用碎屑锆石同位素测年方法，判别碎屑物源、源区母岩性质及对应的大地构造背景等特征，进一步推动了构造沉积学等多学科发展[3-10]。
伊犁盆地是我国重要产煤、石油及天然气盆地之一，同时也是可地浸砂岩型铀矿的重要产铀盆地[1]。
目前盆地内已探明多个铀矿床，如蒙其古尔、扎吉斯坦、乌库尔其、库捷尔太、洪海沟等[1，11-15]，其中蒙其古尔位于伊犁盆地南缘，是目前盆地内规模最大的铀矿床，也是我国首个建设千吨级可地浸砂岩型产铀基地[4]。
同位素锆石矿物成因
锆石的矿物成因特征分析姓名：闫旺学号：2701100222 班级：27011002摘要：锆石(ZrSiO4)是自然界一种普通的副矿物，广泛地分布于各类沉积岩、变质岩和火成岩中。
由于它常常含有为数众多的各种微量和痕量元素，并具有最佳的保存原始的化学和同位素比值等信息的能力，使它在许多地质学科的研究中得到极为广泛的重视，特别在同位素地质年代的研究中(鲍学昭1995 , 1996, 199 7, 1998 ,Gibson and Irland1995，Solar等1998，Bowrin and Schrnit1999)，在地球壳慢演化的研究中(Hanchatr等1993 Bowring，1995 , 1996 Hoskin等2000，V aller等1999),锆石是一个首选的研究对象。
如在澳大利亚发现的最古老的锆石可追溯到44亿年以前的地球历史，这仅比形成地一月系统的大碰撞年轻了1亿年。
锆石的U-Pb同位素和Hf同位素的研究表明，地壳一地慢的前期历史的区别在它们从这些岩桨池中的不同结晶作用反映出来。
此外，锆石矿物的化学同位素组成更可以显示它们所来源的母岩特性从这么小的锆石矿物中得到这么多的信息，我们应该感到庆幸，如果没有锆石，我们这个行星的许多细节历史都会被遗失。
正因如此，锆石已经成为提取有关史前信息以及岩浆岩变质岩和沉积岩成因信息时应用最广泛的矿物之一(陈道公等2001，汪相等1992--2002)。
关键词：锆石本身的性质，锆石的矿物成因，核-边变质锆石，变质锆石，岩浆锆石，热液锆石，深熔锆石，继承锆石。
正文：这是锆石矿物本身的特点所决定的。
锆石矿物无论在外部形态，还是内部结构和化学成分等方面，都对地质环境的变化极其敏感，因而它可以包含大量的各不相同的地质信息。
这些信息充分反映了锆石矿物的地质历史，特别是与岩浆和变质结晶作用(包括重结晶作用)相关的事件，外营力以及由于脱晶作用和化学蚀变引起的内部体积膨胀所施加的影响等。
锆石定年原理 锆石U-Pb定年(1)
锆石一般无色透明，但常具浅棕，粉红，
有时深棕色。一般颜色深成因复杂，多为
老锆石或U、Th含量高的。其比重达 4.5-
4.6，无磁性，是分选的有利条件。
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2
锆石的结构
锆石是四方晶系矿物
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3
单偏光下
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4
正交偏光下
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5
常 呈 矿 物 包 裹 体
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6
锆 石 的 晶 面
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7
Zircon typological classification Pupin (1980)
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锆石的形成
岩浆结晶形成：超基性－酸性，形成温度 很广，（锆石饱和温度计）。
变质作用：
• 深熔锆石； • 变质重结晶； • 变质增生； • 热液沉淀锆石； • 热液蚀变锆石。
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9
锆石内部结构的观察
Smiling zircon 背散射电子图像（BSE imaging)
HF酸蚀刻法
阴极发光电子成相（CL imaging)
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10
岩浆成因锆石
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11
变质成因
岩浆结晶的
变质结晶的
岩浆结晶的on Geochronology
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1
锆石的组成
锆石(zircon)是一个极其常见的副矿物。 它的化学成分是ZrSiO4，在Zr位置会有Hf, U, Th, Y等置换，Si位置会有少量P的置换。
一般锆石中含ZrO2 = 65.9%, SiO2 = 32%, HfO2 =1.0 2.0%, Th, U, HREE, P微量。
锆石成因研究及地质应用
年龄与地质观察出现矛盾
主要原因 １）测年方法不同，或同一方法是在不同实验 室或不同时间完成的，有的数据质量不高； ２）年龄在误差范围内实际上是一致的； ３）地质关系不清楚，不是在同一露头取样； ４）某些年龄数据的地质解释存在问题，例如 辉绿岩脉中所测锆石为捕获成因； ５）地质观察不正确。
出现“异常”的可能原因
锆石同位素年代学研究注意问题 1）必须以野外地质为基础，充分了解测年样品的地 质特征、形成背景和岩石成因，为年龄解释提供可靠的地 质依据。采集尽可能新鲜的岩石样品 2）采集样品必须有经纬度坐标记录，相关野外地质 记录，特别是采集样品野外露头的照片记录
3）进行年龄测定的样品，都应有岩石岩相学研究， 保留岩石样品标本和锆石副样，以便必要时复查 4）进行年龄测定的样品，应完成相应的常量、微量 和稀土元素分析，必要时进行Nd等同位素分析 5）锆石测年之前，应进行锆石透射光、反射光、背 散射、阴极发光研究，为测年和年龄解释提供依据。根据 锆石内部结构，结合地质体产状，80-90％的锆石成因可 以得到确认 6）应特别注意锆石分选过程中的污染问题
呼和浩特地区古元古代变质沉积岩 锆石阴极发光图像（万渝生等，未发表）
大别超高压变质带榴辉岩中石英脉的 热液锆石阴极发光图像(Wu YB et al., 2009)
Th/U<0.1 有绿泥石、铝直闪石、镁铁闪石包体 1.85 Ga
鞍山弓长岭富铁矿边部富石榴石蚀变岩 （李厚民等，2014）
变质锆石
锆石成因研究及地质应用
万渝生
为什么锆石U-Pb定年可信?
1、U-Pb体系 2、锆石
Zircons are forever!
锆石是最理想的测年对象
最常见副矿物，广泛存在于不同地质体中 抗风化能力强 无或很低的普通铅，而U含量适当 U-Pb同位素体系保存良好 可判断体系是否封闭 应用CL等方法，可对锆石进行成因研究 SHRIMP等原位分析方法应用
锆石的成因类型及其地质应用
!!摘!要锆石!Z8><L/"是自然界中常见的副 矿 物#广 泛 存 在 于 沉 积 岩)火 成 岩 和 变 质 岩 中% 锆 石 含 有多种微量元素#它具有保留大量化学和同位素信 息 的 能 力#可 用 于 广 泛 的 地 球 化 学 研 究#包 括 地 壳 和 地幔演化研究以及年龄测定%文章在收集和整理国 内 外 文 献 的 基 础 上#归 纳 总 结 了 锆 石 形 貌 学 及 锆 石 微 量 元 素 特 征 #分 析 了 锆 石 在 地 学 领 域 的 应 用 %
花岗闪长岩中的锆 石 进 行 的 研 究#该 地 区 锆 石 样 品
中发育清晰的振荡 环 带 结 构#部 分 锆 石 样 品 可 见 核
部及边部存在熔蚀 现 象#锆 石 核 部 发 育 大 量 的 包 裹
体 #表 明 锆 石 形 成 时 所 处 的 地 质 环 境 较 为 复 杂 '
岩浆锆石是各 类 锆 石 中 最 易 获 得 的 锆 石#所 含
通常#变质作 用 过 程 中 形 成 的 锆 石 也 因 其 具 有 较好的封闭性使其能够保存较多的变质矿物'对锆 石中的矿物包 裹 体 和 c$^d 年 代 学 进 行 分 析)/*可 为精确限定岩石的变质过程提供有力依据'钱加慧 等)/*在锆石 c$^d 年 代 学 研 究 的 基 础 上 以 北 秦 岭 松 树 沟 榴 闪 岩 为 研 究 对 象 #判 断 其 是 由 早 期 "中 元 古
锆石的矿物成因学与U-Pb微区定年研究进展
锆石的矿物成因学与U-Pb微区定年研究进展摘要：锆石是岩石中一种常见的副矿物，分布广，稳定性强，可以指示源区的构造背景等成因信息。
不同地质环境中形成的锆石具有不同的结构以及成分特征，准确判断锆石属于哪种成因类型才能正确理解锆石U- Pb年龄的意义。
而锆石的成因通常很复杂，单独以任何一种指标作为判别标志都可能对锆石成因类型判定的准确性造成影响。
目前锆石U-Pb定年与微量元素同时测定的原位微区分析是应用最广泛的地质测年方法之一，而在进行锆石U-Pb定年的同时，对锆石进行形貌特征、显微结构、矿物包裹体及微量元素特征等方面的综合研究，限定锆石的形成环境，才可能对具有复杂内部结构的锆石的同位素及化学成分分析结果做出正确合理的地质解释，对锆石成因做出正确的判断。
关键词：锆石；微量元素；U-Pb定年；成因学0.引言锆石作为一种常见的副矿物，普遍存在于沉积、岩浆和变质岩中。
因其具有特别稳定的晶体结构，极强的抗风化能力和物理、化学稳定性，能够完好地在各种环境中保存下来。
不仅如此，锆石的U-Pb体系封闭温度可以达到750℃以上，而形成后的Pb扩散封闭温度更高达900℃。
因此锆石成为了目前对峰期变质作用年龄、岩浆结晶年龄的测定和地质温度计的最理想的对象。
但是随着形成环境的不同，锆石往往会有不同的特点。
例如岩浆岩只具有单一阶段的演化历史，其中锆石U-Pb定年通常能够给出准确的年龄信息；而对具有复杂演化历史的变质岩来说，其中所包含的锆石则具有多期生长的复杂内部结构，如果只通过锆石微区U-Pb定年方法无法对获得的多组U-Pb年龄给与准确的地质解释。
因此需要再通过对锆石不同的区域进行系统的显微结构、微量元素特征和包裹体成分等进行综合研究，给出锆石中不同晶域的成因机制，对锆石的形成环境进行限定，进而为锆石U-Pb年龄的合理解释提供有效和重要的制约参数。
1.研究现状1.1不同成因锆石内部结构特征通常用来对锆石内部结构进行分析的方法有三种，分别是HF酸蚀刻法、背散射电子图像（BSE）和阴极发光图像（CL）。
甲玛铜多金属矿床锆石微量元素基本特征及成因意义
ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｅ ｎ Ｊａ ａＣｏ ｐ ｒＰｏ ｙ ｔ ｌ ｃ Ｄｅ ｏ ｉ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｓｉ ｉｍ ｐ ｅ ｌ ｍｅ ａｌ ｐ ｓｔ ｉ ｉ
Ｈ Ｕ ｉ ａ Ｚｈ ｌ ｎ ，Ｗ ＡＮＧ ｏ ｇ ，ＱＩ Ｚｈ ｐ ｎ ，ＺＨＡＮＧ ｕ ｃ ｅ ｇ ， ｉ Ｘｉ ｎ ｗｕ Ｎ ｉ ｅ ｇ Ｊ ｎ ｈ ｎ
胡 志 莲 汪 雄 武 秦 志 鹏 张 俊 成 高 一 鸣 彭 惠 娟 ， ， ， ， ，
（ ．成都理 工大 学 地 球科 学 学院 ， 都 ６ ０ ５ ；．中国地 质科 学 院 矿 产资源 研 究所 ， 京 １ ０ ３ ） １ 成 １０ ９２ 北 ０ ０ ７
摘 要 ： 玛 铜 多 金 属 矿 四个 斑 岩 岩体 中 锆 石 阴 极 发 光 形 态 显 示 多 数 为 岩 浆 锆 石 ， 数 为 热 液 锆 石 和 继 承 锆 甲 少
ｈｅ ｉｅ ｏｒ ｓ Ｔｈｅ ｒ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｅ ｎｒｃ ｍ ｅ ＲＥＥ ｎｄ ｄ ｐｌｔｏ ｒｔ ｄ ｃ ｅ ． ｙ ａ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｚ ｄ ｂｙ ｅ ｉｈ ｎｔｏｆＨ ａ ｅ ｅ ｉｎ ｏｆＬＲＥＥ． Ａ ｅ ｚｒ ｏ ｇｒ ｎｓｈ ｅｈｉ ｆ ｗ ｉｃ ｎ ａｉ ａｖ ｇｈ
石 核 。稀 土 配 分 型 式 均 呈 现 重 稀 土 元 素 相 对 富 集 而 轻 稀 土 元 素 相 对 亏 损 ， 数配 分 型 式 分 散 且 轻 稀 土 元 素 含 量 较 少
锆石的成因和U_Pb同位素定年的某些进展_谢桂青
文章编号:1008-0244(2002)01-0064-07锆石的成因和U 2Pb 同位素定年的某些进展谢桂青1,2,胡瑞忠1,蒋国豪1,2,赵军红1,2(1.中科院地球化学研究所矿床开放实验室,贵州贵阳550002;2.中科院研究生院,北京100039)摘 要:锆石是岩浆岩、变质岩、沉积岩和月岩中最重要的副矿物。
本文分别从锆石的形态、以及影响锆石形态的因素、锆石的主量、微量、稀土元素地球化学和氧同位素特征等方面进行系统综述。
同时,论述了目前国内外有关锆石U 2Pb 法定年的研究进展,并对各种方法的局限性加以总结。
关键词:锆石;地球化学特征;U 2Pb 法中图分类号:P597;P581 文献标识码:A收稿日期:2001204205;修回日期:2001208229基金项目:国家杰出青年科学基金(49925309);国家重大基础研究规划项目(G 1999043200)第一作者简介:谢桂青(19752),男,现正在攻读博士学位,地球化学专业。
锆石是岩浆岩、变质岩、沉积岩和月岩中最重要的副矿物。
由于锆石具有特殊的矿物性质,能够用来讨论岩石成因和地质事件的形成时代。
为了深入讨论锆石的成因,不少学者分别从锆石的形态、主量、微量和稀土元素以及氧同位素等方面进行了一系列研究[1～29],特别是近十几年离子探针开发以来,人们逐渐认识到同一地质体的不同锆石颗粒以及同一锆石颗粒内部的不同区域,均可能具有不同的成因,故只有对大量锆石颗粒进行全面分析,才可以得出具有地质意义的锆石成因,在此方面已取得了一定研究进展。
同时,因锆石具有富含U 和Th 、普通铅含量低及封闭温度高的特征,是U 2Pb 法确定地质事件时代最理想的矿物。
由于离子探针和激光等离子质谱的技术发展,特别后者近几年取得很大进展,利用颗粒锆石微区的U 2Pb 法讨论地质事件形成时代成为国际地质学界研究热点[30～56]。
本文就国内外关于锆石以上方面的研究成果进行综述。
锆石成因矿物学研究及其对U-Pb年龄解释的制约
评述第49卷第16期 2004年8月锆石成因矿物学研究及其对U-Pb年龄解释的制约吴元保郑永飞(中国科学技术大学地球与空间科学学院, 合肥 230026. E-mail: ybwu@)摘要锆石U-Pb定年是同位素年代学研究中最常用的方法, 如何对所得到的年龄值给予合理的地质解释是锆石U-Pb年代学研究的重点. 本文对近年来锆石成因矿物学研究及其对U-Pb年龄解释的制约方面有关的进展进行了系统的总结和评述. 不同地质环境中形成的锆石具有不同的结构类型: 岩浆锆石具有典型的振荡环带和/或扇形分带结构; 变质锆石有其特征的内部结构, 主要有无分带、弱分带、云雾状分带、扇形分带、面状分带和斑杂状分带等, 不同成因变质锆石具有其特征的内部结构特点. 岩浆锆石的微量元素特征与其岩石类型有关, 从超基性岩到酸性岩中的锆石的微量元素含量逐渐升高; 不同成因变质锆石具有不同的微量元素特征, 变质锆石的微量元素特征可以反映变质锆石的形成环境. 通过锆石与石榴石之间微量元素的配分, 可以很好地确定含石榴石的高级变质岩中变质锆石形成的具体P-T条件. 锆石中原生包裹体矿物组成同样可以为锆石的形成环境提供明确的限定. 因此, 在进行锆石U-Pb定年的同时, 对锆石进行显微结构、微量元素特征和矿物包裹体成分等方面的综合研究, 限定锆石的形成环境, 能够为锆石U-Pb年龄的合理解释提供有效的制约.关键词锆石 显微结构 微量元素 包裹体 U-Pb年龄测定各种地质事件的准确时间是放射成因同位素研究的主要任务之一. 由于锆石广泛存在于各类岩石中, 富含U和Th, 低普通Pb以及非常高的矿物稳定性, 使得锆石U-Pb定年成为同位素年代学研究中最常用和最有效的方法之一. 锆石U-Pb体系是目前已知矿物同位素体系中封闭温度最高的, 锆石中Pb 的扩散封闭温度高达900℃[1,2], 是确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄的理想对象. 对于只有单阶段演化历史的岩浆岩, 锆石U-Pb定年往往可以给出非常准确的年龄信息. 但是对于具有复杂演化历史的变质岩, 锆石往往具有多期生长和/或重置区域的复杂内部结构. 虽然锆石记录了相应岩石经历的多期演化历史, 同时它也给常规热电离质谱(TIMS)分析方法获得复杂类型锆石的精确年龄及获得年龄的准确解释带来了困难.高分辨离子探针(SIMS)[3~5]及激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)[6~11]可以对锆石进行微区定年. 这对具有复杂结构的锆石定年具有非常重要的意义, 可以得到锆石不同结构区域的多组年龄, 这些年龄可能分别对应于锆石寄主岩石的原岩时代、变质事件时间(一期和/或多期)及源区残留锆石的年龄等. 对于复杂的变质岩而言, 这些样品中锆石的多组年龄如何进行合理的地质解释, 是目前锆石U-Pb年代学研究的重点和难点[12,13]. 最近研究表明, 锆石的显微结构、微量元素特征和矿物包裹体成分等可以用来对锆石的形成环境进行限定, 进而为锆石U-Pb年龄的合理解释提供有效和重要的制约[14~29]. 本文将对这些方面的研究进展进行系统的总结和评述, 以期抛砖引玉, 引起同行们对这些方面的注意, 在进行锆石U-Pb定年的同时, 加强锆石成因矿物学方面的研究, 对所得到的U-Pb年龄赋予更加合理的地质解释.1不同成因锆石的内部结构特征常用揭示锆石内部结构的方法有HF酸蚀刻图像、背散射电子(BSE)图像和阴极发光电子(CL)图像等. HF酸蚀刻法的应用原理是由于锆石不同区域表面的微量元素含量和蜕晶化程度的差异导致其稳定性和抗HF酸腐蚀能力的不同, 在HF酸的作用下, 这些锆石的内部结构就会显示出来[30](图1(a)). 这种方法简单易行, 不需要大型仪器设备, 但它可能会对锆石表面造成不同程度的破坏作用. BSE图像揭示的是锆石表面平均分子量的差异[32]. 除可以揭示锆石的内部结构外, 锆石的BSE图像还可以很好地显示锆石的表面特征(如包裹体的分布和裂隙的发育情况等)(图1(b)). 而CL图像显示的则是锆石表面部分微量元素(如: U, Y, Dy和Tb等)的含量和/或晶格缺陷的差异, 一般锆石中U, REE和Th等微量元素含量越高, 锆石阴极发光的强度越弱[32~35]. 锆石的CL图像和第49卷 第16期 2004年8月评 述图1 HF 酸蚀刻、BSE 和CL 图像显示的锆石内部结构(a) HF 酸蚀刻图像; (b) BSE 图像; (c) CL 图像. (a) 引自Pidgeon 等人[30], (b) 引自Nasdala 等人[31], (c) 引自Vavra 等人[26]图2 不同类型岩浆锆石的CL 图像(a) 辉长岩中的岩浆锆石; (b) 花岗岩中的岩浆锆石和残留核; (c) 花岗岩中的扇形分带锆石. (a) 引自赵子福等人[41], (b)和(c)分别为大别山主薄源和北淮阳花岗岩样品(本文)BSE 图像的明暗程度往往具有相反的对应关系. 在绝大多数情况下, CL 图像反映锆石的内部结构最清楚, 也是锆石内部结构研究中最常用和最有效的方法.岩浆锆石通常为半自形到自形, 粒径20~250 µm [36]. 产于金伯利岩及其相关岩石中的锆石常常为它形(少数情况下为半自形), 较大的粒径(毫米级到厘米级)[34,37,38]. 部分基性-超基性岩中的锆石同样具有不规则的形状和较大的粒径[39,40]. 火山岩中的锆石具有较大的长宽比值(比值可以高达12), 一般为长柱状或针状的外形特征[36].岩浆锆石一般具有特征的岩浆振荡环带(图2(a), (b)). 振荡环带的宽度可能与锆石结晶时岩浆的温度有关, 高温条件下微量元素扩散快, 常常形成较宽的结晶环带(如辉长岩中的锆石)(图2(a)); 低温条件下微量元素的扩散速度慢, 一般形成较窄的岩浆环带(如I 型和S 型花岗岩中的锆石)(图2(b))[35]. 岩浆锆石中还可能出现扇形分带的结构(图2(c)), 这种扇形分带结构是由于锆石结晶时外部环境的变化导致各晶面的生长速率不一致造成的[25]. 部分地幔岩石中的锆石表现出无分带或弱分带的特征. 在岩浆锆石中往往有继承锆石的残留核(图2(b)).变质锆石是指在变质作用过程中形成的锆石. 变质锆石的形成主要有如下五种机制: (1) 深熔过程中从熔体中结晶[26,42,43]; (2) 固相矿物分解产生的Zr 和Si, 成核和结晶[44,45]; (3) 从变质流体中结晶[20,23,46,47]; (4) 原岩锆石的变质重结晶作用[36,48~52]; (5) 热液蚀变作用对原有锆石的淋滤和溶蚀[26,34,51,53,54]. 因此, 变质锆石的形成既可以是变质过程中新生长的锆石(图3(a), (b)), 又可以是变质作用对岩石中原有锆石不同程度的改造(图3(c)), 其中变质增生锆石既可以形成独立的新生颗粒(图3(a)), 还可以在原有锆石基础上形成变质新生边(图3(b)). 此外, 锆石的蜕晶质化或蜕晶质化锆石的重新愈合作用同样会对原有锆石产生不同程度的影响[31,54].变质锆石的外部形态从它形到非常自形, 并有图3 不同类型变质锆石内部结构特点(a) 完全变质新生锆石颗粒; (b) 变质增生边; (c) 原有锆石改造形成的变质锆石. 短白线为标尺, 长度30 µm. (a)引自Hermann 等人[16],(b)引自Rubatto 等人[19], (c)为苏鲁仰口榴辉岩中的锆石(本文)评 述第49卷 第16期 2004年8月特征的内部结构, 主要包括: 无分带(图4(a))、弱分带(图4(b))、云雾状分带(图4(b))、扇形分带(图4(c))、 冷杉叶状分带(图4(d))、面状分带(图4(e))、斑杂状分带(图4(f))、海绵状分带(图4(i))和流动状分带(图4(j))等复杂的结构类型. 不同变质条件下形成的锆石具有不同的外形和内部结构特点. 麻粒岩相变质增生锆石一般为半自形、它形到等轴状, 内部分带特征为扇形分带(图5(a))、面状分带(图5(b))、冷杉叶状分带(图5(c))、弱分带或无分带(图5(d))等[26]. 榴辉岩相变质增生锆石一般为半自形、椭圆形和它形等, 内部分带特征主要有无分带(图6(a))、弱分带(图6(b))、云雾状分带(图6(c))或片状分带(图6(d))等[16,19,20]. 角闪岩相变质增生锆石通常具有规则的外形, 且以柱面发育为其主要特点, 在CL 图像中一般为无分带或弱分带的特征(图7)[16,26]. Vavra 等人[26]对Ivrea 地区的角闪岩相变质岩石、角闪岩到麻粒岩过渡相变质图4 变质锆石中典型的内部结构(a) 无分带结构; (b) 弱分带结构; (c) 扇形分带结构(rd); (d) 冷杉叶状分带(ft); (e) 面状分带(bd); (f) 斑杂状分带(ZCA); (g), (h)溶蚀结构; (i) 海绵状分带; (j) 流动状分带(fl). (a)和(b)分别为大别山燕子河混合岩和苏鲁青龙山榴辉岩中的锆石(本文), (c)~(g)和(j)引自Vavra 等人[26], (h)引自Schaltegger 等人[24], (i)引自Tomaschek 等人[52]图5 麻粒岩相变质锆石CL 特征(a) 扇形分带; (b) 面状分带; (c) 冷杉叶状分带; (d) 弱分带或无分带.短白线为标尺, 长度30 µm. 引自Vavra 等人[25,26]图6 榴辉岩相变质锆石CL 图像特征(a) 无分带; (b) 无分带到弱分带; (c) 云雾状分带; (d) 片状分带. 短白线为标尺, 长度30 µm. (a)和(b)引自Hermann 等人[16], (c)引自Rubatto 等人[19], (d)引自Rubatto 等人[20]第49卷第16期 2004年8月评述岩石和麻粒岩相变质岩石中的变质增生锆石进行了详细的外形和内部结构特征的对比研究后发现, 角闪岩相变质岩石中的变质增生锆石为自形、长柱状、弱CL强度和弱的内部分带(图8(a)), 过渡相变质岩石中的变质增生锆石为短轴状、冷杉叶状分带或面状分带(图8(b)), 而麻粒岩相变质岩石中的变质增生锆石则主要表现为等轴状、弱分带等特征, 少量柱状面形分带的变质锆石可能形成于前进变质阶段(图8(c)).据此他们认为锆石的外形和内部结构特征受锆石生长时的温度条件控制, 温度条件控制了锆石各晶面生长速度, 导致锆石出现不同的外形和内部结构. 并推测寄主岩石的性质可能也会对变质增生锆石的外部形态和内部结构产生一定的影响.变质流体活动过程中形成的脉体中的锆石一般具有非常规则的外形, 局部或整个锆石颗粒具有明显的面形分带或振荡环带(图9)[20,23,46,47]. 混合岩化深熔作用变质过程中形成的新生变质锆石同样具有图7 角闪岩相变质锆石CL图像(a) 角闪岩相变质锆石和残留核; (b) 榴辉岩相变质锆石的核和角闪岩相变质锆石的边; (c) 榴辉岩到麻粒岩过渡相变质锆石的核和角闪岩相变质增生边. 短白线为标尺, 长度30 µm. (a)引自Vavra等人[26],(b)和(c)引自Hermann等人[16]图8 同一地区不同变质条件下增生锆石外形和内部结构特点(a) 角闪岩相样品中的变质增生锆石; (b) 角闪岩到麻粒岩过渡相样品中的变质增生锆石; (c) 麻粒岩相样品中的变质增生锆石. 短白线为标尺, 长度30 µm. 资料引自Vavra等人[26]较规则的外形, 内部分带特征为无明显分带到面形分带(图10)[42,47], 部分深熔增生锆石具有典型岩浆锆石的环带特征. 受热液作用影响明显的锆石, 在锆石颗粒的边部(图11(a))和/或不同生长阶段锆石的边部(图11(b))会出现晶棱圆化、港湾状结构等外形特征, 且这些区域阴极发光强度较强、无明显分带, 为热液溶蚀作用形成的变质锆石[24,25,53]. 当热液蚀变作用进一步增强时, 在锆石的周围会出现较宽的白色蚀变边(图11(c)), 对这些热液蚀变作用较为彻底的锆石区域进行微区定年, 可以得到热液蚀变作用的准确年龄[53].锆石变质重结晶作用是指结构上不稳定的锆石, 在一定温压条件下(一般温度 > 400℃), 锆石晶格进行重新愈合和调整, 使锆石在结构上更加稳定[30,34,37,48~52]. 所以锆石发生变质重结晶作用时并没有新的锆石生成, 只是对原有锆石进行了不同程度的改造. 锆石的重结晶作用一般优先发生在锆石边部以及锆石内部矿物包裹体周围等结构不稳定的区域[26,50]. 微量元素含量较高的锆石的稳定性低于微量元素含量较低的锆石, 因此, 在同一样品的锆石中微量元素较高的颗粒和/或区域更易于发生重结晶作用[52]. 受蜕晶化作用影响的锆石区域由于其结构上的不稳定性, 最容易发生变质重结晶作用[51,55]. 已有实验图9 变质脉体中结晶的锆石(a) 榴辉岩脉中的增生锆石, 具有规则的外形、无分带到局部清楚的结晶环带; (b) 前进变质石英脉中的增生锆石, 具有清楚的面形分带;(c) 前进变质石英脉中的变质增生锆石, 具有明显的振荡环带, 核部为CL较强、外形不规则的残留锆石, 边部亮白色区域为后期改造的结果; (d) 蛇纹岩化过程中形成的锆石, 具有清楚的振荡环带和扇形分带. (a)引自Rubatto等人[23], (b)引自Laiti等人[47], (c)引自Rubatto等人[20], (d)引自Dubinska等人[46]评 述第49卷 第16期 2004年8月图10 混合岩化过程中的深熔变质增生锆石(a) 无分带增生锆石(左边为CL 照片、右边为二次电子照片); (b) 面形分带增生锆石. (a)引自Liati 等人[47], (b)为大别山漫水河混合岩中的锆石(本文)图11 锆石表面的溶蚀结构(a) 变质增生锆石边部的溶蚀结构; (b) 核部原岩锆石的周围出现溶蚀结构; (c) 锆石边部出现较宽的蚀变边. (a)引自Vavra 等人[25], (b)引自Schaltegger 等人[24], (c)引自Liati 等人[53]结果表明, 在有流体存在的情况下, 在温度≥400℃时, 严重蜕晶化锆石可以很快发生重结晶作用[48,51]. 但是锆石发生重结晶作用的区域不仅仅是发生过蜕晶化作用的区域, 在没有发生蜕晶化作用的晶质锆石区域同样可以发生重结晶作用, 只是发生重结晶作用需要较高的温度和/或较长的流体作用时间[48,51,52]. 由于变质重结晶过程中只是锆石晶格的重新调整, 没有新的锆石生成, 因此重结晶锆石常常为自形到半自形, 且外形与原岩岩浆锆石环带形状相似, 与原岩锆石之间没有明显的生长界限[30,48~52]. 同时, 变质重结晶锆石区域的CL 强度比原岩锆石明显增强, 内部结构一般为无分带、弱分带、斑杂状分带或海绵状分带等, 局部有岩浆环带的残留, 常见这些变质特征的锆石区域切割原岩锆石的振荡环带(图12(a), (b))[30,47,49]. 在重结晶锆石与原岩锆石之间有时会出现弱CL 强度的重结晶前锋(图12(b)). 而变质增生锆石则是指变质过程中发生成核和结晶作用, 有新的锆石从周围的介质中结晶出来. 所以变质新生锆石具有多晶面状-不规则状-规则外形, 与原岩残留锆石之间界限清楚, 不同变质环境中增生的锆石有其特征的外形和内部结构, 且受变质锆石形成时的温度条件和寄主岩石的化学性质制约(图12(c), (d))[26].在目前认识条件下, 对锆石的外形和内部结构进行详细研究是区分变质增生锆石与变质重结晶锆石最为直接和有效的方法. 变质重结晶锆石有两种成因类型: 没有流体参与的亚固相条件下的重结晶作用[47,49,50]和有流体参与下锆石局部区域的溶解再结晶[51,52]. 第二类重结晶锆石由于形成时在流体的参与下发生了矿物反应, 在锆石再结晶时常常伴有图12 重结晶锆石和变质增生锆石外形和内部结构特点(a) 边部变质重结晶锆石结构均匀且切割原岩锆石的岩浆环带, 整个锆石颗粒非常自形; (b) 核部重结晶锆石中有明显的残留岩浆环带, 重结晶锆石和未受重结晶作用影响的锆石区域之间有强度弱的变质重结晶前锋, 整个锆石颗粒较自形; (c) 完全变质新生锆石, 锆石呈卵圆形, 无分带或弱分带; (d) 变质增生边与原岩残留锆石之间有清楚的接触界限, 整个锆石颗粒呈它形. 短白线为标尺, 长度30 µm. (a)为苏鲁仰口榴辉岩中的锆石(本文), (b)据Pidgeon 等人[30], (c)据Hermann等人[16], (d)据Rubatto 等人[19]第49卷 第16期 2004年8月评 述其他磷酸盐和/或硅酸盐矿物的形成, 同时再结晶的锆石区域会圈闭一定的流体包裹体, 所以这种类型的重结晶锆石除有较均匀的结构区域外, 还常常有多空状或海绵状结构区域, 并常常富含流体和矿物包裹体(图13(a), (b)), 重结晶作用比较彻底的锆石 还会由于流体的溶蚀作用出现骨架状结构(图13 (c))[48,51,52].2 锆石的微量元素研究进展2.1 Th, U 含量及Th/U 比值大量研究表明, 不同成因锆石有不同的Th, U 含量及Th/U 比值: 岩浆锆石的Th, U 含量较高、Th/U 比值较大(一般>0.4); 变质锆石的Th, U 含量低、Th/U 比值小(一般<0.1)[35,54]. 岩浆锆石的Th/U 比值与Th 和U 在岩浆中的含量以及它们在锆石与岩浆之间的分配系数有关[56,57], 具体对应关系为: (Th/U)锆石≌(D Th /D U )锆石/熔体·(Th/U )熔体. 一般情况下(DTh/D U )锆石/熔体≌0.2, 平均地壳物质中Th/U 比值约为4, 所以通常岩浆锆石的Th/U 比值接近1. 但是一些组成特殊的岩浆中结晶的岩浆锆石具有异常的Th/U 比值, 例如有些岩浆岩锆石的Th/U 比值非常低, 可以小于0.1[58~60], 而部分碳酸岩样品中岩浆锆石具有异常高的Th/U 比值, 可以高达10000[61]. 所以, 仅凭锆石的Th/U 比值有时并不能有效地鉴别岩浆锆石和变质锆石. 变质增生锆石的Th/U 比值受变质流体和/或熔体的成分[56,57]、共生矿物的组成[59,62]以及变质锆石的生长速率[26]等因素的影响. 由于U 在流体中的活动性比Th 强, 所以变质流体一般富U 贫Th [63,64], 从这种类型的流体中结晶的锆石常常具有较低的Th/U 比值[56,57]. 在混合岩化地区部分熔融熔体中的成分也通常贫Th 且富U, 导致从这些熔体中结晶的锆石也同样具有非常低的Th/U 比值[22,42]. 变质锆石形成时, 如果有富Th 矿物(如独居石和褐帘石)的同时形成, 同样会导致增生锆石具有较低的Th/U 比值. Vavra 等人[26]对Ivrea 地区角闪岩相样品、角闪岩到麻粒岩过渡相样品以及麻粒岩相样品中的变质增生锆石的Th, U 特征进行了系统的对比研究后发现, 生长速度最慢的角闪岩相变质增生锆石具有最高的U 含量(1008~图13 有流体参与下重结晶锆石的CL 特征(a)~(c)都为海绵状结构锆石, (a)中局部有少量原岩锆石的残余, (c)中锆石有骨架状结构(黑色管状结构部分为空洞). 据Tomaschek 等人[52]图14 不同变质条件下增生的锆石的Th, U 含量和Th/U 比值(a) 角闪岩相样品的变质增生锆石; (b) 角闪岩到麻粒岩过渡相样品的变质增生锆石; (c) 麻粒岩相样品变质增生锆石(空心圆圈代表等轴状变质增生锆石, 实心方块为柱状面形分带的变质增生锆石). 据Vavra 等人[26]评 述第49卷 第16期 2004年8月2279 µg/g)和最低的Th/U 比值(<0.01)(图14(a)), 生长速度最快的麻粒岩样品中等轴状变质增生锆石具有最低的U 含量(为53~127 µg/g)和最高的Th/U 比值(Th/U 比值都大于0.1, 最大值可达0.73)(图14(c)), 生长速度介于二者之间的角闪岩到麻粒岩过渡相变质增生锆石的U 含量和Th/U 比值介于二者之间(图14(b)). 同一麻粒岩样品中, 生长速度较慢的面形分带变质增生锆石的U 含量高于生长速度较快的等轴状生长的变质锆石, 而Th/U 比值则小于生长速度较快的等轴状生长的锆石(图14(c)). 这可能是U 比Th 更易于进入锆石的晶格中, 在平衡状态下, 锆石具有相对较高的U 含量. 生长速度较慢的锆石容易与接触介质到达化学平衡, 导致这类变质新生锆石具有较高的U 含量和较低的Th/U 比值; 而生长速度较快的变质锆石与生长介质之间不能或只能部分到达化学平衡, 导致其具有较低的U 含量和较高的Th/U 比值. 变质增生锆石中也存在Th/U 比值高达0.7的情况[26], 同样说明不能仅仅根据锆石的Th/U 比值来区分变质锆石和岩浆锆石.由于Th 4+比U 4+具有更大的离子半径, Th 比U 在锆石晶格中更不稳定, 变质重结晶作用过程中Th 比U 更容易被逐出锆石的晶格, 导致重结晶变质锆石区域具有相对较低的Th/U 比值[30,49]. 变质重结晶作用越强, 变质重结晶锆石区域的Th/U 比值会越低. 放射成因Pb 在锆石晶格中也不稳定, 锆石重结晶作用过程中同样会把锆石中的放射成因Pb 排除出晶格, 锆石重结晶作用越彻底, 其U-Pb 年龄会越小. 所以, 变质重结晶锆石的Th/U 比值与其U-Pb 年龄有明显的正相关关系, 只有那些Th/U 比值最低、年龄值最小测定点年龄值的加权平均结果才能代表锆石重结晶作用发生的时间[49].2.2 稀土及其他微量元素岩浆锆石的微量元素(特别是稀土元素)特征研究主要是应用在判断其寄主岩石类型中. 但是, 对于岩浆锆石的微量元素特征是否能判断寄主岩石的类型还存在较大的争议. Hoskin 等人[65]对不同类型岩石中的锆石进行了稀土元素分析后发现, 除典型的地幔岩石中的锆石具有较低的稀土元素含量外, 其他类型岩石中的锆石具有非常类似的稀土元素含量和配分模式, 所以锆石的稀土元素特征并不能用来判断寄主岩石的类型. Belouova 等人[61]对更大量的岩浆锆石进行了微量元素分析, 结果表明不同类型的岩浆锆石可以通过其微量元素对变化图解和微量元素含量统计分析树形图解来进行区分. 岩浆锆石的微量元素含量从超基性岩→基性岩→花岗岩有总体上增长的变化趋势(图15). 金伯利岩中岩浆锆石的稀土元素的总量一般小于50 µg/g, 碳酸岩和煌斑岩中锆石的稀土元素总量为600~700 µg/g, 基性岩中锆石的稀土总量为约2000 µg/g, 而花岗岩类和伟晶岩中锆石的稀土总量则为百分含量级[61].根据已经获得的微量元素在锆石与熔体之间的分配系数, 通过锆石的微量元素含量, 可以计算出锆石结晶时熔体的微量元素特征, 根据这些特征可以进一步制约寄主岩石的演化历史. 对地球上最古老锆石(4.4 Ga)的稀土元素分析表明, 其寄主岩石已经经历过地壳再循环, 导致其轻稀土明显富集[66], 这一结论也得到了锆石氧同位素分析结果的支持[18,29,67]. Whitehouse 等人[27]对Greenland 西南部Gothabsfjord 地区的两个中太古代样品进行了锆石和全岩样品的稀土元素分析, 发现其中一个样品(GGU 125540)中锆石的轻稀土含量较低(图16(a)), 通过锆石计算出的全岩稀土元素含量和全岩样品测定得到的结果一致(图16(d)); 而另外一个样品(SM/GR/98/02)中的锆石具有较高的轻稀土含量(图16(b)), 通过它计算得到的全岩稀土含量中的轻稀土明显高于全岩样品分析得到的结果(图16(d)). 在(Pr/Gd)CN 和(Gd/Yb)CN 图解中(图16(c )), 这两个样品的锆石具有较一致的(Gd/Yb)CN 值, 但样品SM/GR/98/02中锆石的(Pr/Gd)CN 值明显高于样品GGU 125540中的锆石. 据此, 他们认为SM/GR/98/02的锆石中存在明显的轻稀土超量图15 不同类型岩浆岩中锆石微量元素平均值球粒陨石标准化图引自Belousova 等人[61]第49卷 第16期 2004年8月评 述图16 Gothabsfjord 地区样品GGU 125540和SM/GR/98/02中锆石的稀土元素特征(a) 样品GGU 125540中锆石的稀土元素球粒陨石标准化图; (b) 样品SM/GR/98/02中锆石的稀土元素球粒陨石标准化图; (c) 样品GGU 125540和SM/GR/98/02中锆石的(Pr/Gd)CN 和(Gd/Yb)CN 变化图解, 实心圆点为样品GGU 125540的结果, 空心正方形为样品SM/GR/98/02的结果; (d) 通过锆石计算和实测的全岩稀土组成球粒陨石标准化图解(空心点代表根据锆石计算得到的结果, 实心点代表实测结果; 正方形为样品GGU125540的结果, 圆形为样品SM/GR/98/02的结果). 据Whitehouse 等人[27]现象(overabundance)(图16(d)), 并对这种轻稀土超量的锆石的稀土元素特征是否能对应锆石形成时的熔体的成分提出了质疑, 并进一步认为应用锆石的微量元素来判断寄主岩石的微量元素特征时应当谨慎. 锆石中轻稀土超量可能是由以下几种原因造成的: (1) 锆石结晶时LREE 优先进入锆石的晶格缺陷中; (2) 锆石结晶时的熔体成分与全岩成分不一致; (3) 分析点中包含了富LREE 的磷酸盐矿物(如独居石和磷灰石); (4) 后期地质事件扰动时LREE 优先进入被扰动的锆石中. 因为独居石和磷灰石等磷酸盐矿物一般都富Th, 如果锆石的LREE 超量是分析点中包含了富LREE 的磷酸盐矿物造成的, 那么在锆石微量元素(La/Sm)CN -Th(CN 表示球粒陨石标准化)的相关变化图解中(La/Sm)CN 与Th 应该有非常明显的正相关关系[27]. 如果锆石的LREE 超量是由于锆石形成以后后期地质的扰动造成的, 那么LREE 超量的锆石区域会相应富集Th 和U, 在锆石的微量元素La/Gd)CN - (Th+U)图解中同样会出现明显的正相关关系[27].在变质过程中, 变质增生锆石的微量元素特征除与各个微量元素进入锆石晶格的能力大小有关外,还受与锆石同时形成的矿物种类控制(如石榴石、长石和金红石等), 这些矿物存在与否对变质作用的条件(如榴辉岩相、麻粒岩相和角闪岩相等)有重要的指示意义[16,21~24,28,58,68,69]. 因此, 通过变质锆石微量元素特征的研究, 可以很好地判断锆石的形成条件, 为锆石U-Pb 年龄的解释提供更加有效的制约. 在麻粒岩相变质条件下, 由于石榴石和长石类矿物可以稳定存在, 而石榴石和长石类矿物分别是富集重稀土和Eu 的主要造岩矿物, 导致麻粒岩相变质锆石一般具有HREE 相对亏损和明显Eu 负异常的特征(图17(a))[24,28,68,69]. 榴辉岩相变质条件下, 石榴石可以稳定存在, 但长石不能稳定存在, 且榴辉岩相变质过程中有变质金红石的生成, 而金红石能强烈富集Nb 和Ta, 并有较高的Nb/Ta 比值[70], 所以榴辉岩相变质锆石具有HREE 相对亏损、无明显Eu 负异常和较低的Nb, Ta 含量和Nb/Ta 比值等特征(图17(b))[21~23,58,69]. 角闪岩相变质条件下, 高压变质石榴石不能稳定存在, 而长石类矿物可以稳定存在, 所以, 角闪岩相变质增生锆石具有HREE 相对富集和Eu 负异常明显的特征(图17(c))[16].。
锆石的成因和U—Pb同位素定年的某些进展
地
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２０ 年第 ２ 卷第 ４ ０１ ９ 期
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锆 石的成 因和 ｕ Ｐ —ｂ同位 素定年的某 些进 展
物 。 由于 离 子 探 针 和 激 光 等 离 子质 谱 的 技 术 发
展 ， 别 后者 近 几年取 得很大 进展 ， 特 利用 颗粒错 石 微 区的 ｕ Ｐ ｂ法 讨 论 地 质 事 件形 成 时 代成 为 国际 地 质学界 研 究 热 点 ［ － 。本 文就 国 内外关 于 锆 ３ ｏ 石 以上方 面 的研 究成 果进 行综述 。
锆 石是岩 浆 岩 、 变质岩 、 积岩和 月岩 中最 重 沉 要 的 副矿物 由于锆 石 具 有 特殊 的矿物 性质 ， 能 够用来讨 论 岩石 成 因和 地质事件 的形 成 时代 为 了深入讨 论锆 石 的成 因 ． 少 学者 分 别 从 锆 石 的 不
ｚ 含 量 ， 它的 晶型 是 由 晶体 内部 结 构 和结 晶时 ｒ 而 的物 理化 学条件 所决定 的 Ⅲ 。锆 石 的基本 形态特 １
谢桂青 ， 胡瑞 忠 蒋 国豪 ， ， 赵军红 ，
（． １ 中科 院地球化 学研 究所 矿床开放实验室 ， 州 贵 阳 ５００ ； ． 贵｜ ５０２ ２ 中科院研究生院 ， 北京 １０ ３） ０ ０９
摘
要： 锆石是 岩浆岩、 变质 岩、 沉积岩和 月岩 中最重要 的刮矿物 。本 文分别从 锆石 的形 态 、 ｔｃ ３Ｘ 影响锆石 形 ， ５
征 可以揭示 它 在岩 石 中的历 史 ， 并据 此 合理 地解
不同成因锆石阴极发光及微量元素特征以新疆阿尔泰地区花岗岩和伟晶岩为例
卷（Ｖｏｌｕｍｅ）３２，期（Ｎｕｍｂｅｒ）１，总（Ｔｏｔａｌ）１２７矿物岩石 页（Ｐａｇｅｓ）８－１５，２０１２，３，（Ｍａｒ，２０１２）Ｊ ＭＩＮＥＲＡＬ ＰＥＴＲＯＬ 收稿日期：２０１２－０１－０４； 改回日期：２０１２－０３－０２基金项目：国家重点基础研究发展计划“９７３”项目（２００７ＣＢ４１１３０３，２００６ＣＢ４０３５０８）；国家科技部支撑计划“３０５”项目（２００７ＢＡＢ２５Ｂ０１）；国家自然科学基金项目（４０６７３０５２）；国家青年科学基金项目（４０９０３０２７）作者简介：唐 勇，男，３１岁，助理研究员（博士），地球化学专业，研究方向：矿床学和地球化学．Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｇ＿ｙｏｎｇ＠ｍａｉｌｓ．ｇｕｃａｓ．ａｃ．ｃｎ不同成因锆石阴极发光及微量元素特征：以新疆阿尔泰地区花岗岩和伟晶岩为例唐 勇１， 张 辉１， 吕正航１，２１．中国科学院地球化学研究所，地球内部物质高温高压实验室，贵州贵阳 ５５０００２；２．中国科学院研究生院，北京 烄烆烌烎１０００４９【摘 要】 新疆阿勒泰可可托海地区出露大量花岗岩和伟晶岩脉，利用阴极发光显微照相（ＣＬ）、电子探针背散射（ＢＳＥ）和激光剥蚀电感耦合等离子质谱技术（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ），观察和分析岩石中锆石的内部结构、稀土元素及Ｔｈ，Ｕ含量后结果表明：该区花岗岩锆石具振荡环带和强烈的阴极发光特征，Ｔｈ／Ｕ比值较高（Ｔｈ／Ｕ＝０．１６～０．９９），轻稀土亏损、重稀土富集，具较大的Ｃｅ正异常，为典型岩浆成因锆石。
伟晶岩（ＫＰ－０８－１１）锆石为热液锆石，不具振荡环带和阴极发光，具低的Ｔｈ／Ｕ比值（０．０１～０．１３），强烈富集稀土元素，尤其是轻稀土元素较花岗岩锆石高一个数量级，Ｃｅ的正异常相对较低。
伟晶岩（ＫＰ３－０８－１）锆石为变质重结晶锆石，Ｔｈ／Ｕ比值分布范围较广（０．０１～０．７８），强烈亏损稀土元素，稀土元素配分模式存在显著的“ＲＥＥ四分组效应”。
锆石阴极发光图像
锆石的阴极发光图像欣赏（周剑雄供稿zjx@）锆石是进行同位素地质年代及岩石成因研究的重要矿物，由于锆石晶体所记录的地质历史信息的丰富性和复杂性，近年来，对锆石的各种研究，包括同位素测年和各种成因矿物学的研究，都已经从原来的微量锆石或颗粒锆石发展到了锆石的显微（微区）分析（microanalysis），而所有这些微区分析都是以锆石的内部显微形态结构的研究为基础的，阴极发光是揭示锆石内部显微形态结构的最好手段，所以，没有进行锆石阴极发光特征的首先研究，就没有真正意义的微区分析。
另一方面，对于锆石的阴极发光现象的研究，无论是国内，还是国外又相对的滞后。
千变万化的锆石阴极发光图象（见附图版）常常给研究者带来了无数疑团：为什么在一块小小的岩石中常常出现如此多样的阴极发光图象，它们的成因是什么？它们意味着什么？……这正表明了本项研究是急需探索的一个新领域。
锆石研究是当前地学中一个重要的研究热点，而锆石的阴极发光研究是这些研究热点的基础。
仅在锆石的年代学研究中，每年国内需要挑选数以千计的岩石中的锆石样品，测年数据上万个。
涉及到的地质问题极为广泛，包括我国各省的区域填图中的地质时代问题和许多地质体、矿体及其有关的大地构造活动的时序研究等许多重大课题，如我国一些地质构造的演化、高压带的演化、我国老地层的时序、花岗岩的演化等，所涉及的研究经费得以千万元计。
尽管微区测年技术（如离子探针，激光ICPMS等）的发展为我们提供了对单颗锆石的不同晶域进行原位（in-situ）定年的可能，但正如西方研究人员所指出的那样：“锆石可能是唯一的一种矿物，它既能记录所经历的复杂历史，也有可能使这种记录变得非常混乱”（Mezger et al.,1997）。
下图是近来由SHRIMP离子探针测得的华南某火山岩的年龄结果，由图可知，这个火山岩中锆石的年龄从800Ma到2000Ma都有，且极分散，虽然分析了二十多个年龄结果，但真正火山作用的年龄仍然不得而知。
锆石地球化学特征及地质应用
锆石地球化学特征及地质应用摘要:介绍并对比了用于锆石等副矿物测试的离子探针、激光探针、电子探针、质子探针等几种微区原位测试技术各自的特点。
锆石U-Pb定年实现了对同一锆石颗粒内部不同成因的锆石域进行原位年龄的分析,给出了有关寄主岩石的源岩、地质演化历史等重要信息,为地质过程的精细年龄框架的建立提供了有效的途径。
锆石微量元素、同位素特征是译解岩石来源和成因的指示器。
锆石Hf同位素已成功地用于地球早期历史、岩浆来源、壳幔相互作用、区域大陆地壳增长的研究等;锆石氧同位素组成能有效地约束壳幔相互作用和示踪岩浆来源等。
关键词:锆石;年代学;地球化学特征;地质应用随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率的微区原位测试技术的发展和广泛应用,研究颗粒锆石等副矿物微区的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点[1]。
锆石U2Pb法是目前应用最广泛的同位素地质年代学方法,锆石的化学成分、Hf 和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化的研究等,对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追朔地球早期历史的有效工具。
笔者着重综述锆石的化学成分、同位素组成特征及其在地质学中的应用。
1微区原位测试技术锆石等副矿物在地质学中的广泛应用与近年来原位分析测试技术的快速发展密不可分。
写作论文目前已广泛应用的微区原位测试技术主要有离子探针、激光探针和电子探针等。
离子探针离子探针可用于矿物稀土元素、同位素的微区原位测试。
在目前所有的微区原位测试技术中,SHRIMP的灵敏度、空间分辨率最高,且对样品破坏小[2-3],是最先进、精确度最高的微区原位测年方法。
其不足之处是仪器成本高,测试费用昂贵,测试时间较长。
2000年,CamecaNanoSIMS50二次离子质谱开始用于对颗粒大小为1～2μm的副矿物进行U-Th-Pb年代学研究。
写作毕业论文NanoSIMS对粒度极细小的副矿物进行定年要以降低精度为代价,且用于U-Th-Pb定年还没有进行试验,还未完全估算出其准确度和分析精度,有可能在西澳大利亚大学获得初步的成功[2,4]。
地球科学测试技术-第五章 锆石年代学-文档资料
锆石的结构
锆石是四方晶系矿物
单偏光下
正交偏光下
常 呈 矿 物 包 裹 体
锆石周围常见较浓的颜色，叫“多色晕”。
二 锆石的形成
岩浆结晶形成：超基性－酸性，形成温度 很广，（锆石饱和温度计）。
超基性岩中锆石阴极发光图像
大陆拉班玄武岩中锆石阴极发光图像
岩浆锆石 １）锆石形态和内部结构受岩浆组成和温度 控制，温度更为重要； ２）组成相同的喷出岩、浅成岩和深成岩中， 岩浆锆石的形态和内部结构可相同，也可不同， 据此可为判断岩浆形成和演化提供依据； ３）通常，随着岩浆基性程度增大，岩浆锆 石的Th/U比值也增大； ４）一些岩浆锆石包裹有岩浆玻璃包体，它 们提供锆石结晶时的岩浆组成； ５）残余锆石和捕获锆石的有无可作为岩浆 是否遭受陆壳物质影响的判断依据。
206 206
U 238t (e 1) 204 Pb
U 235t (e 1) 204 Pb
Th 232t (e 1) 204 Pb
232
238
207
Pb 204 Pb
207
Pb 204 Pb i
235
一般锆石中含ZrO2 = 65.9%, SiO2 = 32%, HfO2 =0.5 -2.0%, Th, U, HREE, P微量。 锆石一般无色透明，但常具浅棕，粉红， 有时深棕色。一般颜色深成因复杂，多为 老锆石或U、Th含量高的。其比重达 4.54.6，无磁性，是分选的有利条件。
锆石一般无色透明，但常具浅棕，粉红，有时深棕色。 一般颜色深成因复杂，多为老锆石或U、Th含量高的。 其比重达 4.5-4.6，无磁性，是分选的有利条件。
碱性玄武岩
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从阴极发光图像和微量元素特征看锆石成因
摘要：锆石是一种重要的矿物，分布广泛，稳定性极强，可以指示源区的信息，本文主要从锆石的阴极发光图像进行讨论研究，不同地质环境中形成的锆石具有
不同的结构类型，具有复杂演化历史的变质岩中的锆石保留了多期生长结构和区域，往往给出多组年龄，结合锆石的微量元素特征可以对这些年龄做出合理的解释。
锆石的微量元素特征还能够反映岩浆的成分演化、共生分离结晶相、熔融源
区性质以及流体组成等诸多信息。
锆石作为矿物包裹体储存器、地球化学示踪剂、时间舱，已成为研究地球的地质历史必不可少的一个工具。
关键词：锆石成因阴极发光微量元素特征
引言：锆石成因分辨对于锆石年龄地质意义的正确解释至关重要。
不同成因
锆石大多具有其自身的特点，为锆石成因分辨提供了可能。
锆石成因分辨是一个
综合的方法，不仅是锆石本身的问题，基本思路是确定各种作用过程形成的岩石
中的锆石的特征，比较它们的异同，确定可能的变化规律。
因此，在进行锆石地
质年代学研究之前应先对锆石进行阴极发光电子（CL）图像和（或）背散射电子（BSE）图像等成因矿物学和锆石内部结构的深入研究，这样才有可能使测得的
年龄数据得到合理的地质解释，才有可能对岩石成因、成矿年代学和地质体的构
造演化历史有更深入的了解。
1.研究现状
1.1岩浆锆石
经过对岩浆成因锆石的晶体形态及其环带观察研究，岩浆锆石一般较为自形，为四方柱，四方锥，复四方双锥形，而且一般具有典型的振荡环带，查阅文献获
知振荡环带的宽度可能与锆石结晶时岩浆的温度有关，在基性岩中由于成岩温度
较高，微量元素扩散较快，环带较宽；在偏酸性岩石中由于成岩温度较低，微量
元素扩散较慢，环带较窄且CL为亮色。
锆石中许多微量元素都具有相关性，利用微量元素相关图解，可以判别岩浆
锆石的生长环境。
P-（∑REE+Y）正相关，反映了置换关系（Y，REE）3++P5+=Zr4
＋+Si4+。
U和Th可以置换锆石中的Zr，Th、U分别和Y、REE正相关，反映了主
岩微量元素组成的变化趋势，即演化程度高的岩浆中不相容元素的含量趋于更高。
Yb/Sm与Y相关，反映出主岩分离结晶程度的差异：随Y含量和Yb/Sm比值的升高，分离结晶程度增加。
利用U-Yb、U/Yb-Hf等图解可区分锆石源自陆壳岩浆结
晶还是洋壳岩浆结晶。
岩浆自身的演化过程（熔体抽取、矿物结晶和原始组分的
不均一）和岩浆混合作用同时影响着岩浆组分的变化，进而影响锆石的微量元素
组成。
岩浆锆石可以得到以下几点结论：
1）组成相同的喷出岩、浅成岩和深成岩中，岩浆锆石的形态和内部结构可相同，也可不同，据此可为判断岩浆形成和演化提供依据；
2）岩浆锆石的Th/U比值会随着岩浆基性程度增大而增大；
3）一些岩浆锆石的岩浆玻璃包体可提供锆石结晶时的岩浆组成；
4）残余锆石和捕获锆石的有无可作为岩浆是否遭受陆壳物质影响的判断依据。
1.2变质锆石
变质锆石可以根据当时形成的变质作用可大致分为变质增生、深熔、蜕晶化、重结晶和流体改造五种，由于其成因、形成环境等的差异，也就决定了其内部结
构也十分的复杂。
变质锆石较为典型的结构有无分带、弱分带等。
而对于不同成
因的锆石，又具有其优势的内部结构，为区别锆石成因提供了一定的依据。
变质锆石U-Pb测年显示的不一致年龄，常常源于原岩锆石程度不一的固态重
结晶，固态重结晶锆石所测年龄介于原岩年龄和变质事件年龄，最老的上交点年
龄可能代表原岩年龄，最小的下交点年龄代表变质年龄；变质增生锆石会产生一
致的年龄，代表变质事件发生的时间。
锆石中的矿物包裹体是超高压变质的直接记录，所以结合矿物包裹体的鉴定
结果及微区定年，锆石的生长环带可用来揭示俯冲和折返的动力学过程。
对变质锆石的研究得到了以下几点结论与问题：
1）变质锆石是从继承原锆石形态特征向等轴方向演化。
2）变质锆石中通常包裹有早期锆石，其形态特征可作为原岩类型辨别的重要依据。
3）矿物包裹体可能是一种锆石成因很好的指示物。
4）形成变质锆石的Zr的来源是先存锆石反应提供的。
1.3热液锆石
完全从流体或流体饱和的熔体中形成的热液锆石，也会形成类似于岩浆锆石
的振荡环带或扇形分带。
被热液叠加改造的锆石常常显示复杂的次生内部结构，
并穿插原生结构。
基于再平衡机制，次生区域含有高含量的Ca、Al、Fe等微量元素，并出现许多磷酸盐硅酸盐的包裹体。
热液脉中的锆石，或热液矿物中的锆石
包裹体，如果具有岩浆锆石型稀土配分模式且缺少流体包裹体，那么并不一定是
热液成因。
因为在热液脉形成的过程中，锆石是唯一来自同化围岩的不完全溶解
的矿物相。
锆石热液成因的判据包括其作为包裹体与其他的热液矿物和流体包裹
体出现在热液石英或碳酸盐矿物中，以及锆石本身含有热液矿物包裹体。
热液锆
石的其他特征包括：高的普通Pb含量，流体对先存锆石改造移走了Zr留下F、LREE、Nb、Ta以及其他不相容元素。
热液锆石可形成类似岩浆锆石的生长环带，锆石中流体包裹体、热液矿物包
裹体的存在可以指示锆石确切的热液成因。
岩浆热液锆石微量元素特征可能反映
了其热液矿物组合。
同一岩石中变质热液锆石微量元素组成可能反映了流体组成
的变化，研究变质热液锆石的微量元素组成能够帮助理解复杂的流体作用历史。
2.存在问题
（1）变质锆石结构复杂，其微量元素特征可以反映锆石的生长机制、共生矿物和形成环境，传统利用Th/U比值来区分锆石成因的方法，有很大局限性。
（2）岩浆期后热液锆石继承原岩浆锆石形态，可有可无平行环带。
具有U、Th含量高、Th/U比值低的组成特点，是否与U、Th在岩浆作用过程中的行为有关.
参考文献：
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