锆石成因矿物学研究及其对U-Pb年龄解释的制约.doc

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1、 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: ) 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

2、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

3、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 锆石的形成环境进行限定 , 进而为锆 石 U-Pb 年龄的 素研究的主要任务之一 . 由于锆石广泛存在于各类 合理解释提供有效和重要的制约 . 本文将对这 岩石中 , 富含 U 和 Th, 低普通 Pb 以及非常高的矿物 些方面的研究进展进行系统的总结和评述 , 以期抛 稳定性 , 使得锆石 U-Pb 定年成为同位素年代学研究 砖引玉 , 引起同行们对这些方面的注意 , 在进

4、行锆石 中最常用和最有效的方法之一 . 锆石 U-Pb 体系是目 U-Pb 定年的同时 , 加强锆石成因矿物学方面的研究 , 前已知矿物 同位素体系中封闭温度最高的 , 锆石中 对所得到的 U-Pb 年龄赋予更加合理的地质解释 . 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 常用揭示锆石内部结构的方法有 HF 酸蚀刻图 往往可以给出非常准确的年龄信息 . 但是对于具有 像、背散射电子 (BSE)图像和阴极发光电子 (CL)图像 复杂演化历史的变质岩 , 锆石往往具有多期生长和 / 等 . HF 酸蚀刻法的应用原理是由于锆石不同区域

5、表 或重置区域的复杂内部结 构 . 虽然锆石记录了相应 面的微量元素含量和蜕晶化程度的差异导致其稳定 岩石经历的多期演化历史 , 同时它也给常规热电离 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 (图 1(a). 这种方 及获得年龄的准确解释带来了困难 . 法简单易行 , 不需要大型仪器设备 , 但它可能会对锆 高分辨离子探针 (SIMS) 及激光剥蚀等离子体 石表面造成不同程度的破坏作用 . BSE 图像揭示的是 质谱 (LA-ICP-MS) 可以对锆石进行微区定年 . 这 锆石表面平均分子量的差异 . 除可以揭示锆石的 对具有复杂结构的锆

6、石 定年具有非常重要的意义 , 内部结构外 , 锆石的 BSE 图像还可以很好地显示锆 可以得到锆石不同结构区域的多组年龄 , 这些年龄 石的表面特征 (如包裹体 的分布和裂隙的发育情况 可能分别对应于锆石寄主岩石的原岩时代、变质事件 等 )(图 1(b). 而 CL 图像显示的则是锆石表面部分微 时间 (一期和 /或多期 )及源区残留锆石的年龄等 . 对 量 元素 (如 : U, Y, Dy 和 Tb 等 )的含量和 /或晶格缺陷的 于复杂的变质岩而言 , 这些样品中锆石的多组年龄 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 . 锆石的 CL

7、 图像和 研究的重点和难点 . 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 1589 1429 1,2 Pb 的扩散封闭温度高达 900 , 是确定各种高级 1 不 同成 因锆 石的 内部结 构特 征 30 35 611 3235 12,13 第 49 卷 第 16 期 2004 年 8 月 评 述 (a) 图 1 HF 酸蚀刻、 BSE 和 CL 图像显示的锆石内部结构 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

8、 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 源和北淮阳花岗岩样品 (本文 ) 26,42,43 41 , (b)和 (c)分别为大别山主薄 BSE 图像的明暗程度往往具有相反的对应关系 . 在绝 从熔体中结晶 44,45 ; (2) 固相矿物分解产生的 Zr 和 20,23,46,47 大多数情况下 , CL 图像反映锆石的内部结构最清楚 , Si, 成核和结晶 ; (3) 从变质流体中结晶 36,4852 ; 也是锆石内部结构研究中最常用和最有效的方法 .

9、(4) 原岩锆石的变质重结晶作用 ; (5) 热液蚀变 岩浆锆 石通常 为半自形到 自形 , 粒径 36 20250 作用对原有锆石的淋滤和溶蚀 . 因此 , 变质 m . 产于金伯利岩及其相关岩石中的锆石常常为 锆石的形成既可以是变质过程中新生长的锆石 (图 3(a), 它形 (少数情况下为半自形 ), 较大的粒径 (毫米级到 厘米级 ) . 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 . 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 . 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

10、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) . 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 . 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

11、熔过程中 1590 (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 . 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 m. (a)引自 Hermann 等人 , (b)引自 Rubatto

12、 等人 , (c)为苏鲁仰口榴辉岩中的锆石 (本文 ) 26,34,51,53,54 34,37,38 39,40 36 35 25 评 述 特征的内部结构 , 主要包括 : 无分带 (图 4(a)、弱分带 第 49 卷 第 16 期 2004 年 8 月 分带 (图 5(c)、弱分带或无分带 (图 5(d)等 26 . 榴辉岩 (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

13、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 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 . 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) . Vavra 等人 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 (a) 图 4 变质锆石

14、中典型的内部结构 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

15、杉叶状分带 ; (d) 弱分带或无分带 . 短白线为标尺 , 长度 30 m. 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 m. (a)和 (b)引自 Hermann 等人 , (c)引自 Rubatto 等 人 , (d)引自 Rubatto 等人 1591 16,19,20 16,26 26 16 19 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

16、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

17、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) . 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 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) , 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 . 当热液蚀变作用进一步 增强时 , 在锆石的周围会出现较宽

18、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 . 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 . 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 . 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

19、的颗粒和 /或区域更易于发生重结晶作 用 . 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 . 已有实验 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 3 0 m. (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

20、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 m. 资料引自 Vavra 等人 26 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 R ubatto 等人 ,

21、(b)引自 Laiti 等人 , (c)引自 Rubatto 等 人 , (d)引自 Dubinska 等人 1592 20,23,46,47 42,47 24,25,53 53 30,34,37,4852 26,50 52 51,55 23 47 20 46 评 述 第 49 卷 第 16 期 2004 年 8 月 (a) 图 10 混合岩化过程中的深熔变质增生锆石 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 ) 条件和寄主岩石的化学性质制约 (图 12(

22、c), (d) 26 . 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 , (b)引 自 Schaltegger 等人 , (c)引自 Liati 等人 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 . 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 .

23、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 . 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) . 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

24、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 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 和有流体参与下锆石局部区域的溶解再 结晶 . 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

25、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 m. (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 , (d)据 Rubatto 等人 1593 25

26、 24 53 48,51 48,51,52 30,4852 30,47,49 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) . 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 T

27、h, 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) . 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 , 具体对应关系为 : (Th/U)锆 石 (D /D )锆石 /熔体 (Th/U)熔体 . 一般情况下 (D /D )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 ,

28、例如有 些岩浆岩锆石的 Th/U 比值非常低 , 可以小于 0.1 , 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 . 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 、共生矿物的组成 以及变质锆石的 生长速率 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 , 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 . 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

29、结晶的锆石 也 同样具有非常低的 Th/U 比值 . 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 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

30、 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 1594 48,51,52 35,54 56,57 Th U Th U 5860 61 56,57 59,62 26 63,64 56,57 22,42 26 26 评 述 第 49 卷 第 16 期 2004 年 8 月 2279 g/g)和最低的 Th/

31、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 53127 g/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

32、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 , 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 比 U 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

33、格 , 导致重结晶变质锆石区 域具有相对较低的 Th/U 比值 . 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 . 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

34、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 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 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

35、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 g/g, 碳酸岩和煌斑岩中 锆石的稀土元素总量为 600700 g/g, 基性岩中锆石 的稀土总量为约 2000 g/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 . 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 , 这一 结论也得到了锆石氧同位素分析

36、结果的支持 . Whitehouse 等人 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

37、 ), 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 1595 26 4+ 4+ 30,49 49 65 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

38、品 GGU 125540 中锆石的稀土元素球粒陨石标准图 ; (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 GGU 125540 的结果 , 圆形为样品 SM/GR/98/02

39、 的结果 ). 据 Whitehouse 等人 27 现象 (overabundance)(图 16(d), 并对这种轻稀土超量 还受与锆石同时形成的矿物种类控制 (如石榴石、长 的锆石的稀土元素特征是否能对应锆石形成时的熔 石和金红石等 ), 这些矿物存在与否对变质作用的条 体的成分提出了质疑 , 并进一步认为应用锆石的微 件 (如榴辉岩相、麻粒岩相和角闪岩相等 )有重要的指 量元素来判断寄主岩石的微量元素特征时应当谨慎 . 示意义 . 因 此 , 通过变质锆石微量元 锆石中轻稀土超量可能是由以下几种原因造成 素特征的研究 , 可以很好地判断锆石的形成条件 , 为 的 : (1) 锆石结晶时

40、 LREE 优先进入锆石的晶格缺陷 锆石 U-Pb 年龄的解释提供更加有效的制约 . 在麻粒 中 ; (2) 锆石结晶时的熔体成分与全岩成分不一致 ; (3) 岩相变质条件下 , 由于石榴石和长石类矿物可以稳 分析点中包含了富 LREE 的磷酸盐矿物 (如独居石和 定存在 , 而石榴石和长石类矿物分别是富集重稀土 磷灰石 ); (4) 后期地质事件扰动时 LREE 优先进入被 和 Eu 的主要造岩矿物 , 导致麻粒岩相变质锆石一般 扰动的锆石中 . 因为独居石和磷灰石等磷酸盐矿物 具有 HREE 相对亏损和明显 Eu 负异常的特征 (图 一般都富 Th, 如果锆石的 LREE 超量是分析点中包

41、 17(a) . 榴辉岩相变质条件下 , 石榴石可以稳 含了富 LREE 的磷酸盐矿物造成的 , 那么在锆石微量 定存在 , 但长石不能稳定存在 , 且榴辉岩相变质过程 元素 (La/Sm)CN-Th(CN 表示球粒陨石标准化 )的相关 中有变质金红石的生成 , 而金红石能强烈富集 Nb 和 变化图解中 (La/Sm)CN 与 Th 应该有非常明显的正相 Ta, 并有较高的 Nb/Ta 比值 , 所以榴辉岩相变质锆 关关系 . 如果锆石的 LREE 超量是由于锆石形成以 石具有 HREE 相对亏损、无明显 Eu 负异常和较低的 后后期地质的扰动造成的 , 那么 LREE 超量的锆石区 Nb,

42、Ta 含量和 Nb/Ta 比值等特征 (图 17(b) . 域会相 应富集 Th 和 U, 在锆石的微量元素 La/Gd)CN- 角闪岩相变质条件下 , 高压变质石榴石不能稳定存 (Th+U)图解中同样会出现明显的正相关关系 . 在 , 而长石类矿物可以稳定存在 , 所以 , 角闪岩相变 在变质过程中 , 变质增生锆石的微量元素特征 质增生锆石具有 HREE 相对富集和 Eu 负异常明显的 除与各个微量元素进入锆石晶格的能力大小有关外 , 特征 (图 17(c) . 1596 16,2124,28,58,68,69 24,28,68,69 70 27 2123,58,69 27 16 评 述 第 49 卷 第 16 期 2004 年 8 月 图 17 不同变质条件下形成的变质锆石的稀土元素球粒陨石标准化图 (a) 麻粒岩相变质锆石 (