锆石成因矿物学研究及其对 U-Pb 年龄解释的制约

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@ustc.edu.cn)

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]