锆石U_Pb同位素定年的原理_方法及应用_高少华

化为：
206 Pb = 238 U（ eλ238t － 1）
（ 4）
207 Pb = 235 U（ eλ235t － 1）
（ 5）
由于238 U / 235 U = 137． 88，式（ 5） 除以式（ 4） 可得：
207 Pb / 206 Pb = 1 /137． 88 （ eλ235t － 1 ） / （ eλ238t －
第3 期
高少华等： 锆石 U-Pb 同位素定年的原理、方法及应用
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锆石，由众多的晶面组成，常呈浑圆粒状、椭圆粒 状及长粒状等形态［18］。内部结构多样，常有无分 带、弱分带、云雾状分带、扇形分带、面状分带等。 形成作用有结晶、变质重结晶及热液蚀变等。不 同变质条件下形成的锆石具有不同的外形和内部 结构［11］。
面状 等轴状
残留核
281
(a)
(b)
(c)
图 1 HF 酸蚀刻、BSE 和 CL 图像（ 据文献 11）
1． 3 锆石分类
粒径 20 ～ 250 μm［1，15］。 一 般 具 有 岩 浆 振 荡 环
锆石按成因通常分为岩浆锆石和变质锆石 2 带［11］，环带的宽度可能与锆石的寄主岩石的成分
种，但近些年来文献中报道较多的热液锆石属于 及锆石结晶时岩浆的温度有关。一般中基性岩浆
（ 1）
207 Pb = 207 Pbi + 235 U（ eλ235t － 1）
（ 2）
208 Pb = 208 Pbi + 232 Th（ eλ232t － 1）
（ 3）
由于锆石中富含 U 和 Th，贫普通 Pb，可以认
为锆石形成时不含普通 Pb，即测定的所有 Pb 都
为 U 和 Th 衰变而成。则上述方程（ 1） 、（ 2） 可简
中图分类号： P597 + ． 3
文献标识码： A
Zircon U-Pb Isotopic Dating of Principle，Method and Application
GAO Shao-hua，ZHAO Hong-ge，YU Lei，LIU Zhao，WANG Hai-ran
（ Department of Geology，Northwest University，Shanxi Xi'an 710069 PRC）
为了对锆石年龄进行合理的地质解释，在定 年前需对锆石内部结构进行研究，以便确定其成 因类型和同一锆石不同晶域的成因类型。不同成 因锆石的内部结构特征不同。常用的揭示锆石内 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。
1． 2． 1 HF 酸蚀刻图像 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 酸腐蚀能力不同，在 HF 酸的作用下，锆石 的内部结构就会显示出来［13］（ 图 1（ a） ） 。这种方 法优点是操作简单，不需要大型仪器设备，不足是 可能会对锆石表面造成不同程度的损害。 1． 2． 2 背散射电子（ BSE） 图像 背散射电子图 像揭示的 是 锆 石 表 面 平 均 分 子 量 的 差 异［14］。 背 散射电子发射系数随原子序数的增大而增大，在 图像中呈现出成分衬度，清晰地显示锆石表面不 同原子序数成分的分布状况（ 图 1（ b） ） 。 1． 2． 3 阴极发光（ CL） 图像 阴极发光图像显示 的是锆石表面部分微量元素的含量和 / 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［13］ （ 图 1 （ c） ） 。
摘要： 通过查阅大量中外文献，结合作者实验经过，对锆石的地球化学特征和内部结构，锆石 U-Pb 同位素定
年的原理、定年方法的优缺点及地质应用等问题进行了讨论。结果表明，岩浆锆石与变质锆石在地化和内部 结构方面具有不同的特征； 定年的原理是利用 U-Pb 衰变方程得到206 Pb / 238 U、207 Pb / 235 U 和207 Pb / 206 Pb 3 个独
（ SiO2 ） 占 32． 8% ，ω（ HfO2 ） 占 0． 5% ～ 2． 0% ，P、 Th、U、Y、REE 以微量组分出现。锆石的常量元 素、微 量 元 素 在 不 同 类 型 的 岩 石 中 具 有 一 定 规 律［3，8］，岩浆锆 石 具 有 晶 体 核 部 到 边 缘 或 环 带 内 侧到外 侧 ZrO2 / HfO2 减 小，而 HfO2 、UO2 + ThO2 增大； 变质锆石与之相反［9］。成因不同的锆石具 有不同 Th、U 含量及 Th / U 比值［10］： 岩浆锆石 Th、 U 含量较高、Th / U 比值较大（ 一般 ＞ 0． 4） ； 变质锆 石 Th、U 含量低、Th / U 比值小（ 一般 ＜ 0． 1） 。 ［11，12］ 在一些组分特殊的岩浆中，锆石具有异常 Th / U 比值，因此 Th / U 比值有时并不能鉴别锆石成因。 锆石富含稀土元素，超镁铁质岩→镁铁质岩→花 岗岩，丰度总体升高。 1． 2 内部结构
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
第 31 卷 第 3 期 2013 年 6 月
江西科学
JIANGXI SCIENCE
Vol． 31 No． 3 Jun． 2013
文章编号： 1001 － 3679（ 2013） 03 － 0363 － 07
锆石 U-Pb 同位素定年的原理、方法及应用
高少华，赵红格，鱼 磊，刘 钊，王海然
（ 西北大学地质学系，陕西 西安 710069）
变质锆石的一个亚类，即大多数为经过热液蚀变 岩常形成于高温条件下，微量元素扩散快，常形成
作用而形成的热液锆石。将锆石的阴极发光图 较宽的结晶环带； 酸性岩浆岩形成温度相对较低，
像、背散射电子图像、痕量元素组成及矿物包裹体 特征的结合研究，是进行锆石成因鉴定的有效方
在低温条件下微量元素的扩散速度慢，一般形成 窄而密集的岩浆振荡环带［1］； 岩浆锆石中还出现
1）
（ 6）
通过测定样品中的235 U、238 U、207 Pb 和206 Pb 含
量，由式（ 4） ～ 式（ 6） 可知，一个样品可以同时获 得 3 个独立的年龄（ 即206 Pb / 238 U 年龄、207 Pb / 235 U 年龄和207 Pb / 206 Pb 年龄） 。如果这 3 个年龄在误
0 前言
锆石是沉积岩、岩浆岩、变质岩和月岩中常见 的副矿物，主要化学成分是 ZrSiO4 ，含有 U、Th、Pb 放射性元素及稀土等微量元素［1 ～ 5］。由于其分布
广泛，物理化学性质稳定，富含 U、Th 放射性 元 素，普通铅含量很低，U-Pb 体系封闭温度高，成为 U-Pb 同位素定年最合适的矿物，并在地质学中广 泛应用［3，6，7］。
差范围内一致，说明矿物形成以来其 U-Pb 体系
是封闭的，其 U-Pb 同位素年龄是谐和的，这 3 个
年龄中的任何一个都可以代表矿物形成的年龄；
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： 锆石源自文库 U-Pb 同位素； 原理； 定年方法； 地质应用
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
2 锆石 U-Pb 同位素定年原理
同位素定年是测定母体及其衰变产生的子体
同位素含量，利用放射性衰变定律，算出形成以来
的时间（ 年龄） 。锆石因富含 U 和 Th，贫普通 Pb，
封闭温度较高，抗后期影响能力强，可利用其中的
U 和 Th 衰变成 Pb 进行定年。
天然 铀 有234 U、235 U、238 U 3 种 同 位 素，235 U
法。
扇形环带，这是由于锆石结晶时外部环境的变化
1． 3． 1 岩浆锆石 岩浆锆石是直接从岩浆中结 导致各晶面的生长速率不一致造成的［16］。
晶形成的，双目镜下无色透明，有时带淡黄、淡褐 1． 3． 2 变质锆 石 变 质 锆 石 这 一 术 语 最 早 由
色或淡紫色，自形程度较高，常为半自形到自形， Pidgeon［17］等提出，是指在变质作用过程中形成的
锆石的 CL 图像和 BSE 图像的明暗程度具有 相反的对应关系。在同一颗锆石中，U 含量高的 区域，在 CL 图像上颜色较深，呈黑到暗灰色，在 BSE 图像上则呈亮灰白到白色； 而 U 含量较低的 区域，在 CL 图 像 上 颜 色 较 浅，呈 亮 灰 白 色，在 BSE 图像上则呈黑到暗灰色［1］。多数情况下，CL 图像反映锆石的内部结构最清楚，是锆石内部结 构研究中最常用的方法。
和238 U 以不同衰变速率分别衰变成207 Pb 和206 Pb；
232 Th 衰变成208 Pb。衰变过程中中间子体寿命很
短可以忽略，因此可将207 Pb、206 Pb、208 Pb 视为由235
U、238 U、232 Th 直接形成。衰变方程为：
206 Pb = 206 Pbi + 238 U（ eλ238t － 1）