鋯石成因礦物學(xué)與同位素研究綜述

鄭改紅 張?zhí)偬?/p>

摘 ?要：鋯石是一種常見的副礦物，廣泛存在于巖漿巖，變質(zhì)巖和沉積巖中，具有高度穩(wěn)定性的礦物，具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷風(fēng)化、搬運(yùn)、剝蝕等各種地質(zhì)過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)不容易發(fā)生蝕變從而使其保存下來。近年來越來越多的學(xué)者對鋯石進(jìn)行研究。不同成因類型巖石中的鋯石具有不同的結(jié)構(gòu)特征，對鋯石成因類型的準(zhǔn)確判斷是正確理解鋯石U-Pb年齡意義的關(guān)鍵。通過對鋯石微量元素，稀土元素和同位素特征進(jìn)行研究，再結(jié)合鋯石的陰極發(fā)光圖像（CL）、背散射電子圖像（BSE）等，能夠指示巖石的來源和成因。

關(guān)鍵詞：鋯石;結(jié)構(gòu)特征;U-Pb定年

由于鋯石在各類巖石中廣泛存在，是一種非常好的定年礦物。鋯石的U-Pb定年方法目前應(yīng)用最廣泛的儀器是激光剝蝕等離子體質(zhì)譜法（LA-ICPMS），本文主要研究由于不同的形成環(huán)境而導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)特征的鋯石石并結(jié)合原位微區(qū)測試技術(shù)對微量元素和同位素進(jìn)行研究，從而推測其生長環(huán)境，形成過程，指示其來源和成因。對所測出來的鋯石年齡進(jìn)行解釋時(shí)，應(yīng)該結(jié)合其礦物學(xué)的結(jié)構(gòu)特征。

1 不同成因鋯石的結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)行鋯石定年首先要區(qū)分鋯石的種類，區(qū)分巖漿鋯石，變質(zhì)鋯石，熱液鋯石的主要方法就是觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在對鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)一般會(huì)用HF酸蝕刻圖像、背散射（BSE）圖像、陰極發(fā)光電子（CL）圖像等來觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 鋯石的化學(xué)成分特征及在巖石成因中的應(yīng)用

根據(jù)鋯石的U和Th的含量不同來判別鋯石的類型，鋯石的Th/U比值被用作判斷其成因的標(biāo)志，如果Th/U 比值>0.10就認(rèn)為它是巖漿鋯石，反之，則認(rèn)為是變質(zhì)鋯石，盡管大部分變質(zhì)鋯石的Th/U含量低，但還是有一些變質(zhì)鋯石的Th/U含量大于0.10，如重結(jié)晶鋯石和高溫變質(zhì)作用中的鋯石其Th/U往往偏大。影響鋯石中Th和U的含量的原因比較復(fù)雜，其中包括整個(gè)環(huán)境中的Th、U含量，以及這兩種元素進(jìn)入不同礦物的能力不同鎖導(dǎo)致。因此，在判別巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石時(shí)需要與鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、包裹體、形成條件及其化學(xué)特征相結(jié)合，才能做出合理的判斷。

稀土元素是最有用的微量元素，在火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖學(xué)到的研究中具有重要的作用。有些學(xué)者把鑭系分為三組：輕稀土元素LREE（La-Nd），中稀土元素MREE（Sm-Ho）和重稀土元素HREE（Er-Lu）。

Y元素的含量變化與稀土元素類似，巖漿鋯石的（REE+Y）質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不會(huì)超過1%，異常高含量的（REE+Y）大部分是因?yàn)槲g變或（REE+Y）含量高的包裹體的影響。典型的沒有發(fā)生過蝕變的巖漿鋯石中的稀土元素配分為虧損輕稀土元素，逐漸富集重稀土元素，即從Sm 到Lu逐漸增高，同時(shí)顯示Ce的正異常和Eu的負(fù)異常。

變質(zhì)鋯石的微量元素在一定程度上也能反映其礦物共生的信息，鋯石若是虧損重稀土則表明與石榴石共生，若是虧損輕稀土表明與獨(dú)居石共生，Eu負(fù)異常表明與長石共生，而這些礦物的存在能夠反應(yīng)其變質(zhì)作用的高低。不同程度的變質(zhì)相中存在不同的稀土元素配分模式。

鋯石中常常存在包裹體，不同的環(huán)境中可以形成不同的礦物組合的鋯石包裹體，通過對包裹體礦物成分的研究不但可以很好指示原巖的演化歷史，還能直接對巖漿的形成環(huán)境進(jìn)行有效制約。鋯石中包裹體到的形成主要有以下三種機(jī)制：1、鋯石在生長期間捕獲同一時(shí)間段內(nèi)形成的包裹體礦物即原生包裹體。2、包裹體礦物沿著鋯石的微裂隙進(jìn)入原來存在的鋯石中 即次生包裹體。3、寄主鋯石中原來的包裹體礦物發(fā)生相變形成新的包裹體礦物。由于鋯石具有很高的礦物穩(wěn)定性，鋯石捕獲了包裹體礦物后，其礦物成分很難被后期地質(zhì)作用改造，即便是經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用，殘留鋯石中的低壓礦物成分還可以保存下來。這些結(jié)果都表明鋯石中的礦物包裹體通過第3種機(jī)制形成的可能性很小。所以，如何鑒別鋯石中的包裹體為原生或次生成因是解決鋯石成因問題的關(guān)鍵。

3 鋯石的U-Pb同位素年代學(xué)

鋯石微區(qū)原位U-Pb定年方法近年來主要運(yùn)用ID-TIMS、SHRIMP、二次離子質(zhì)譜法（SIMS）及激光剝蝕等離子體質(zhì)譜法（LA-ICPMS）。LA-ICPMS因其可以進(jìn)行原位測試、廉價(jià)、準(zhǔn)確、快速而被廣泛運(yùn)用于地質(zhì)學(xué)定年分析中，但其測試精度低于ID-TIMS和SHRIMP。

樣品制備分為三個(gè)階段：1、鋯石的挑選;2、樣品靶制備;3、顯微圖像采集。通過透射光圖像可以觀察鋯石內(nèi)部是否有包裹體，通過反射光圖像可以觀察鋯石是否裂開，通過陰極發(fā)光電子圖像觀察鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

鋯石對化學(xué)作用及機(jī)械作用都很穩(wěn)定，所以鋯石U-Pb法定年已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)中。離子探針研究表明鋯石的成因比較復(fù)雜，只有在對大量鋯石顆粒的形態(tài)、地球化學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)地研究的基礎(chǔ)上，再對單顆粒鋯石及其微區(qū)進(jìn)行測定，才能獲得具有地質(zhì)意義的年齡信息。目前顆粒鋯石微區(qū)定年方法主要有單顆粒微量熱電離質(zhì)譜法（TIMS）、單顆粒鋯石蒸發(fā)法、離子探針質(zhì)譜法（SHRIMP）、激光剝蝕等離子體質(zhì)譜法（LA-ICPMS）以及電子探針化學(xué)礦物法。對巖漿鋯石進(jìn)行打點(diǎn)時(shí)要打環(huán)帶比較好的邊部，如果有核，核部年齡代表巖漿結(jié)晶前殘留基地的時(shí)代，邊部年齡代表巖漿結(jié)晶的年齡，打點(diǎn)時(shí)禁止在核邊混合處打點(diǎn)，避免包裹體和裂隙。

4 鋯石Hf同位素的地質(zhì)應(yīng)用

Hf 同位素示蹤的基本原理與 Nd 同位素相同。Hf 與 Zr 呈類質(zhì)同象存在于鋯石的礦物晶格中，相對其他礦物，鋯石中 w（Hf）高，同時(shí)由于w（Lu/Hf）值極低，這樣鋯石的 Hf 同位素組成基本上代表了鋯石結(jié)晶時(shí)的初始 Hf 同位素組成（Amelin et al.，1999）。加上鋯石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很高的 Hf 同位素封閉溫度，即使在外部環(huán)境遭受到強(qiáng)烈的變化時(shí)也能夠保持其內(nèi)部的特征不變，因此鋯石中的 Hf 非常適合于巖石成因的 Hf 同位素研究?？梢酝ㄟ^多組鋯石的 Hf 同位素來認(rèn)識其演化過程。鋯石微區(qū)年齡、稀土元素的測定與 Hf 同位素研究相結(jié)合，是示蹤殼幔相互作用、研究區(qū)域大陸地殼增長的有力工具。

通過研究鋯石的Hf同位素，得出寄主巖石物質(zhì)的來源，再通過鋯石的同位素定年確定形成的年齡，結(jié)合鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以對寄主巖石的形成和經(jīng)歷的地質(zhì)事件結(jié)合，從而反演巖漿作用過程。

5 討論

由于鋯石中Ti含量與其形成溫度有良好的線性關(guān)系，鋯石Ti含量也可作為地質(zhì)溫度計(jì)。但是這種溫度計(jì)具有壓力效應(yīng)，所以在什么壓力條件下使用Ti溫度計(jì)也是一個(gè)問題，因此，在應(yīng)用地質(zhì)溫度計(jì)時(shí)，要結(jié)合樣品的巖相學(xué)、礦物包裹體和微量元素、U-Pb體系定年等方面予以綜合考慮。

鋯石中的微量元素和稀土元素能夠提供形成的環(huán)境信息，重建巖漿歷史，反演巖漿源區(qū)的性質(zhì)，應(yīng)用鋯石U-Pb定年，Hf同位素示蹤，結(jié)合背散射（BSE）圖像，陰極發(fā)光電子（CL）圖像，氧同位素，微量元素成分和形成時(shí)的溫度等信息進(jìn)而研究巖石成因，地殼形成。

參考文獻(xiàn)

[1] ?范建軍，李才，王明，解超明，吳彥旺.青藏高原羌塘南部岡瑪錯(cuò)地區(qū)展金組的沉積環(huán)境分析及碎屑鋯石U-Pb定年[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，88（10）：1820-1831.