锆石成因矿物学与锆石微区定年综述

锆石是岩浆岩、变质岩和石英脉型金矿床中的一种常见副矿物,对锆石成因类型的准确判断是正确理解锆石U-Pb年龄意义的关键.本文中笔者对不同成因类型锆石的判别标志及年龄意义进行系统的总结,并认为将锆石的阴极发光图像(CL)、背散射电子图像(BSE)、痕量元素组成及矿物包裹体特征的研究相结合是进行锆石成因鉴定的有效方法.近年来同位素质谱技术的发展使得人们对同一锆石颗粒内部不同成因类型的锆石晶域进行原位年龄测定成为可能.通过微区原位定年技术,能够给出有关寄主岩石的地质演化历史等重要信息,这可以为地质过程的精细年代学格架的建立提供有效的证据.来自不同类型岩石中的锆石可能经历了Pb的扩散丢失作用、晶格损伤导致的蜕晶化作用以及变质重结晶作用.这些过程对锆石计时的准确性和有效性带来了不同程度的影响.为了对测定锆石年龄的地质意义进行合理解释,在进行锆石U-Pb定年前,必需对锆石进行成因矿物学和矿物内部结构的深入研究,特别是阴极发光和背散射电子成像研究,通过内部结构特征确定锆石的成因类型和形成环境.笔者认为,组成单一的岩浆锆石是理想的U-Pb定年对象,变质重结晶锆石域常是重结晶锆石和继承晶质锆石的混合区,容易给出混合年龄,只有变质增生锆石和完全变质重结晶锆石才能给出准确的变质时代,而从继承锆石中鉴别出的热液锆石可以获得可靠的流体活动时间.     

U-Th-Pb副矿物的原地原位测年微束分析方法比较与微区晶体化学研究

系统地对比分析了各种微束分析技术在原地原位测年中的优势和局限性,并对近年发展的微区原位化学测年技术(EPMA)和质子激发X射线微探针分析技术(μ-PIXE)进行了探讨.阐明了矿物微区晶体化学研究的各种方法及其对实现精确原地原位测年的重要性.介绍了北大别黄土岭麻粒岩锆石测定点的晶体化学特征,应用激光剥蚀微探针-感应耦合等离子体质谱(LAM-ICPMS)技术对其进行了锆石的U-Pb表面年龄的测定,结果表明该岩石的麻粒岩相变质发生在2.050 Ga前,锆石来源为多源区.     

四川攀西红格矿区辉长岩和正长岩的SHRIMP U-Pb和Sm-Nd定年及其地质意义

用SHRIMP U-Pb和Sm-Nd定年技术,对攀西红格矿区含矿层状辉长岩、碱性正长岩进行了年龄测定。获得红格辉长岩中3种不同晶形锆石的U-Pb年龄分别为258.4±4.1Ma、1841±34Ma、2487±12Ma,由辉长岩、辉石和磷灰石所构成的Sm-Nd等时线年龄为253±14Ma;碱性正长岩中锆石的U-Pb年龄为257.2±1.5Ma。结果表明,红格辉长岩中具有典型基性岩锆石特征的锆石U-Pb年龄(258Ma)与同一地质样品的Sm-Nd年龄(全岩+矿物内部等时线年龄),以及同一矿区的正长岩锆石U-Pb年龄在测定误差范围内一致。鉴于层状辉长岩和碱性正长岩在空间上密切共生,在形成时间上一致,可以认为它们都属于晚二叠世末岩浆活动的产物;而1841Ma和2487Ma的锆石,可能是在基性-超基性岩浆的上侵过程中,从基底所捕获的岩浆锆石和继承锆石,其年龄信息,揭示了康滇地轴岩浆岩带的下部或结晶基底存在元古代甚至新太古代末期的岩石或物质。     

辽宁鞍山始太古代岩石的岩石学及锆石学初步研究

地球古老矿物和岩石是记录其早期形成和演化的最重要载体,但是由于板块运动、地表风化等后期地质作用的改造,地球上残存的古老岩石非常稀有,目前已知出露有古老岩石的地区仅有四处。位于华北克拉通东部的辽宁鞍山是古老岩石产地之一,出露有始太古代花岗质岩石。自1992年Liu等(1992)在该地区的石英岩中发现3.8 Ga的碎屑锆石以来,鞍山地区就引起了学者们的广泛关注。万渝生等(2009)随后在奥长花岗质岩石中找到了3.8 Ga的锆石,并认为该岩石就是3.8 Ga的岩石。但是,Wu等(2008)却认为这些3.8 Ga的锆石很可能是捕获锆石,因而鞍山地区并不存在3.8 Ga的岩石。产生争议的原因并不是3.8 Ga锆石的年龄值,而是这些锆石的成因,到底是捕获锆石,还是岩浆原位结晶的锆石。因为前人均使用破碎岩石分选锆石的方法进行研究,使得锆石产状信息丢失,从而无从判断其成因。为了解决这一问题,我们对鞍山地区的始太古代花岗质岩石样品开展了岩石学和原位锆石学工作。两块样品分别来自辽宁鞍山锅底山(C209)和深沟寺(F03),均为花岗片麻岩中的暗色奥长花岗质包体,其矿物组分别为Ab(30%~40%),Qz(50%~30%),Bi(15%),Ep(约13%),Kfs(约2%),副矿物Zrn(0.1%),Ap(0.1%)等。从11张岩石薄片中的411个锆石颗粒中,选取了19颗锆石进行了纳米离子探针微量元素图像扫描及U-Pb定年的测定。锆石常产于矿物颗粒间,少量单独产于石英或长石内,形态多数浑圆,常发育破裂,少量锆石含有包体,包体成分主要是斜长石、磷灰石和石英等。另外,锆石颗粒内部普遍发育蜕晶化作用,微量元素分析结果显示这些区域U、Y含量异常高,拉曼光谱显示该处已经完全蜕变为玻璃质。大多数锆石的U-Pb定年结果不谐和,谐和年龄通常位于U含量较低的区域,其年龄变化范围也比较大,为(3 269.3±59.6)Ma~(3 704.6±77.0)Ma。其中,F03-5-10锆石(3.5 Ga)具有清晰的岩浆韵律环带,说明该岩石的年龄至少不老于3.5 Ga。同时,由于锆石形态浑圆,推测可能是捕获锆石,则该岩石的年龄很可能是(3269.3±59.6)Ma左右。由于分析点较少,仍需要进一步工作验证这一结论。     

锆石铀-铅定年激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱原位微区分析进展

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术是目前最常用的锆石U-Pb同位素年龄测定方法之一。该方法能够对单颗粒锆石内部年龄差异实现快速、准确的原位微区分析。文章总结了近年来激光剥蚀系统、ICP-MS技术以及LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法、相关应用实例研究的进展和现状。系统评述了激光发生器,剥蚀池,剥蚀参数(激光波长、脉冲宽度、剥蚀气体、孔径大小)以及四极杆和扇形磁场质谱仪对锆石U-Pb年龄数据的精度和准确度的影响。详细介绍了基于锆石年龄标准样品、标准溶液及其他标样的外标定量校准方法,单个U/Pb比值计算方法,普通铅校正方法以及同位素年龄与微量元素同时测定的方法。目前LA-ICP-MS锆石U-Pb定年技术主要应用于碎屑锆石的沉积物源区示踪和岩浆事件的年代学约束研究。     

北大别黄土岭长英质麻粒岩的原岩、变质作用及源区热事件年龄的锆石LA-ICPMS U-Pb测年约束

本研究应用激光剥蚀技术测定了北大别黄土岭高温-高压长英质麻粒岩锆石3个结构域的U-Pb年龄.变质锆石成因的碎屑锆石域的207Pb/206Pb年龄范围为(2493±54) Ma~(2500±180) Ma, 岩浆成因的碎屑锆石域的207Pb/206Pb年龄范围为2628~2690Ma, 其最大的206Pb/238U年龄为(2790±150) Ma, 变质增生或变质重结晶锆石域的不一致线上交点年龄为(2044.7±29.3) Ma.长英质麻粒岩的矿物组合成分、主量元素地球化学, 尤其是锆石副矿物内部结构特征显示其原岩为沉积岩.这表明, 麻粒岩原岩物质来自具有复杂热历史的蚀源区, 该蚀源区曾发生过~2.8Ga的岩浆作用和~2.5Ga变质作用, 因此其原岩的沉积年龄不应早于2.5Ga.高温-高压麻粒岩相变质作用的精确年龄为(2.04±0.03) Ga, 表明黄土岭麻粒岩是一个晚古元古代超高温变质岩之残块.      

用微量滴定管测定矿物比重

用微量滴定管,可在10～15分钟内测定出微量(10～15毫克)矿物比重,精度达±0.01克/厘米~3。测定装置如下: 将双筒镜(MC—2型)平放。把内径2毫米的滴定管固定在装有锯齿螺丝的支架上。管的上端做成漏斗状(由此加入矿物),下端做成元锥状(聚乙烯塞子插入其中)。双筒镜的放大倍数,目镜以8×或2×,物镜以4×最适宜。在滴定管上,取10～15毫米(或略大)的高度为工作区向。选定目镜放大倍数后,在管上标出目镜—测微刻度(以厘米~3为单位)。为此,切几段10毫米长、直径0.5毫米的铜电线,在分析天上平分别称重(P),据电解铜的比重(8.945毫克/毫米~3),计算出每截铜线的体积V。     

二次离子质谱第四纪锆石年代学:台湾金瓜石英安岩定年

高精度第四纪年代学是第四纪研究的基础,对了解地球演化和发展非常关键。大型二次离子质谱(SIMS)锆石U-Th-Pb定年方法,集高空间分辨率、高精度、高效率和近无损分析等优势于一体,可以提取矿物微区中记录的丰富地质信息,在第四纪年代学研究中具有很大的应用潜力。文中对SIMS第四纪锆石原位微区年龄测定的基本原理、分析校正方法进行介绍,并报道我们测定台湾第四纪金瓜石英安岩锆石U-Pb年龄的结果((1.166±0.020)Ma)。     

玄武岩分相Sm-Nd内部等时线定年方法流程

长期以来,对玄武岩精确测年一直是困扰地质学家的重大科学问题。玄武岩结构和组成特殊,岩石中矿物组成单一、锆石十分稀少,颗粒很细,采用物理方法挑选单矿物和锆石十分困难,很难应用内部等时线法和锆石U-Pb法研究其成岩时代。而全岩样品间因岩浆分异产生的147Sm/144Nd比值差别很小,等时线年龄相对误差较大;Rb含量很低,Rb/Sr比值很小,全岩Sm-Nd法、Rb-Sr法常常不能给出正确可信的年龄。根据内部等时线法原理,本文通过化学方法,采用王水和氢氟酸-硝酸对玄武岩样品进行分步溶解,分别对同一件样品的王水溶解相、王水不溶相和全岩开展Sm-Nd同位素组成分析。结果表明:通过不同酸介质分步溶解,可提取玄武岩中石英、透辉石、长石等矿物组合,该组合与其全岩具有相同的εNd(t)和一致的Nd同位素模式年龄;矿物与全岩构筑的内部等时线中,147Sm/144Nd比值的变化由全岩之间的0.005扩大到0.11,143Nd/144Nd值的变化由全岩的0.512500~0.512547扩大到0.512500~0.513145。通过该方法获得了与已有锆石U-Pb年龄在误差范围内一致的Sm-Nd等时线年龄:t=(991±21)Ma(MSWD=2.1)。通过对比研究,本文认为:玄武岩分相Sm-Nd内部等时线定年方法,适用于前寒武纪及更古老的玄武岩样品的年龄测定。该方法的建立不仅有效提高玄武岩Sm-Nd等时线定年成功率,也为其他隐晶质且不易挑出单矿物样品的年龄测定提供了新的思路。     

锆石的裂变径迹年龄测定技术

六十年代初发展起来的核裂变径迹测定年龄技术,已在地质年代学、宇宙年代学和考古工作等领域得到了广泛应用。裂变径迹测定年龄技术,是应用各种天然矿物或材料中微量杂质铀的自发裂变碎片,在绝缘固体介质中产生的辐射损伤痕迹(即裂变径迹)测定年龄的方法。该法的优点之一是应用范围广,在火成岩、沉积岩和变质岩中常可找到合适的测定对象。     

“花岗岩造岩矿物~(40)Ar-~(39)Ar体系的封闭温度≤500℃”质疑——基于角闪石-黑云母~(40)Ar-~(39)Ar年龄与锆石U-Pb年龄对比的证据及Dodson's公式存在问题剖析

通过国内外花岗岩体的412对角闪石-黑云母40Ar-39Ar年龄(tAr)与锆石U-Pb年龄(tZr)之间差值ΔtZr-Ar(tZr-tAr)进行的频数统计分析表明:ΔtZr-Ar呈对称正态分布(偏度系数CSK==-0.276,峰度系数CKU=16.52);ΔtZr-Ar既呈正值又有负值,其众数值为0.70Ma,均值为1.15Ma。采用最小二乘法计算,花岗岩体锆石U-Pb年龄与花岗岩角闪石-黑云母40Ar-39Ar年龄拟合出相关系数很高(R=0.996),回归系数接近l的线性回归方程(tAr=1.00453×tZr-1.932)。这些统计特征表明花岗岩角闪石-黑云母40Ar-39Ar定年测定结果与锆石U-Pb定年测定结果在允许的误差范围内是一致的,不存在花岗岩锆石U-Pb年龄角闪石40Ar-39Ar年龄黑云母40Ar-39Ar年龄的规律。结合Dodson's矿物封闭温度计算公式中存在问题的剖析,本文得出结论,按Dodson's公式计算得出的花岗岩矿物40Ar-39Ar封闭温度不能代表从花岗岩浆晶出造岩矿物40Ar-39Ar体系的封闭温度。     

区域变质岩系锆石U-Pb法年龄低值解释问题

锆石U-Pb法以其矿物母体封闭性好等特点是岩石测年的优选方法之一,特别是对于变质岩石年龄的测定被广泛采用.区域变质岩系中的锆石普遍具有环边结构,内核是变质原岩(如辉长岩、闪长岩)形成时就存在的锆石,环边是变质过程中新生的锆石.对环边锆石U-Pb法测定所获得的同生变质岩石的年龄值,常存在较大的变化范围.例如Ames等采用锆石U-Pb法所获的大别山变质榴辉岩的年龄为(208.6±2.4)Ma[1],刘贻灿等用同样方法获得该区榴辉岩年龄为(230±6.0)Ma[2].这种差值的产生,如非测试误差,一般认为它反映变质过程不同阶段的年龄.高值为变质峰期的年龄,低值为退变质时期的年龄.然而,对于低值应为退变质期年龄的解释迄今尚缺乏Zr的地球化学论据,变质新生的环边锆石Zr的来源及其可运移性能的研究,是揭示U-Pb法年龄差值原因的关键.     

矿物微量及半微量分析方法研究

“矿物微量及半微量分析方法研究”成果获得1990年度中国科学院科技进步三等奖。该成果是地质所伊丽莹高级工程师等人二十几年来在矿物微量及半微量分析方法试验研究工作的总结。过去国内外常规的矿物分析方法需要几百至几千毫克矿物样品,由于许多矿物颗粒很细,地质人员在显微镜下挑选要花很长时间。为满足地质科研工作的需要,研制出一套新的矿物分析方法,其中包括铌钽矿物、锆矿物、稀土矿物、硅酸盐矿物、磷酸盐矿物、硼酸盐矿物等全分析方法。只需几毫克至几十毫克矿物即可进行全分析,节省大量时间,并提高工效。成功地将纸色层分离技术用于矿物分析中,并提出一套新的分离体系。这些分离方法具有操作     

渝北温泉镇地区三叠系“绿豆岩”特征及其地质意义

华南地区三叠系广泛分布蚀变火山灰(俗称“绿豆岩”)。对渝北温泉镇地区平洪村剖面与谢家槽剖面的“绿豆岩”进行矿物学、全岩地球化学和锆石U-Pb测年及地球化学分析。X射线衍射分析表明,矿物组成均以石英和碱性长石为主,此外还含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物。锆石岩相学、Th/U比值及锆石REE配分模式都显示典型的岩浆成因锆石特征,但样品和锆石的地球化学特征明显不同。锆石U-Pb测年结果揭示平洪村样品的形成年龄为(247.2±0.59) Ma(MSWD=2.3,n=30),与早、中三叠世的界线年龄(247.2 Ma)高度吻合,其锆石地球化学特征显示板内成因,推测是在峨眉山大火成岩省主要活动期之后板内火山活动过程中形成的。谢家槽剖面样品年龄为(225.9±1.4) Ma(MSWD=1.6,n=29),锆石地球化学特征显示岩浆弧成因,结合区域地质演化特征分析,特别是研究区北部(华北南缘)同时期火山灰的发现,认为谢家槽剖面“绿豆岩”很可能是勉略洋闭合过程中的产物。     

锆石轻稀土富集与Hf同位素异常成因:以滇西卓潘碱性杂岩体为例

卓潘碱性杂岩体位于思茅地块的西缘,在岩体的霞石正长岩、正长岩、辉石岩中发现多种具不同CL发光特征的锆石。其中CL图下呈灰白色的锆石(Ⅰ类)的Th、U含量低,轻稀土元素亏损,重稀土元素富集,具典型碱性岩岩浆锆石特征,UPb年龄约35.7Ma,代表岩体的成岩年龄;不发光或边部具微弱环带的锆石(Ⅱ类)其Th、U、稀土元素含量高,U-Pb年龄为34.2～35.1Ma;呈杂乱海绵状结构的锆石内部不透明,无法获得谐和的U-Pb年龄;震荡环带发育的锆石为捕获锆石,具有较老的U-Pb年龄。本文依据稀土元素含量与配分模式将Ⅱ类锆石进一步分为三种不同类型:A型锆石轻稀土含量低,有明显左倾特征,其LREE 1170×10-6,(La/Gd)N0.09,(Tm/Gd)N 2.2; B型锆石轻稀土亏损但中-重稀土分馏较小,其(La/Gd)N0.009,(Tm/Gd)N2; C型锆石轻稀土元素含量明显升高且中-重稀土分馏较小,其LREE 1150×10-6,(Tm/Gd)N2。这些异常的稀土元素特征并非由分析到磷灰石或榍石等矿物包裹体导致,而是与热液作用过程中流体成分与反应条件有关。由于晶格损伤导致放射性Pb丢失,热液锆石的年龄略小于岩浆锆石,没有明确的地质意义。尽管在本文中两类不同CL发光特征的锆石的年龄相差不大,但不加区分地计算平均年龄可能无法获得准确的成岩时代。卓潘碱性岩体热液锆石的Hf同位素变化范围极大(εHf(t)=0.1～100),这种异常的Hf同位素特征可能是由于流体与围岩反应过程中溶解了富Lu矿物(如磷灰石)或具高176Hf/177Hf值的矿物(如石榴子石)所导致的。     

赤峰地区中生代火山岩锆石U-Pb年代学证据

赤峰地区中生代火山岩由流纹岩、粗安质熔结凝灰岩、粗安岩组成。通过LA-ICP-MS技术对赤峰地区中生代火山岩进行锆石U-Pb同位素定年研究,该区中生代火山岩中的锆石呈半自形—自形晶,发育振荡环带,Th/U值较高(0.50～2.26),为岩浆成因。满克头鄂博组火山岩2个样品的锆石U-Pb年龄分别为(156±2)Ma(n=24)和(157±3)Ma(n=19),形成于晚侏罗世;玛尼吐组火山岩样品中的锆石U-Pb年龄为(147±2)Ma(n=18),形成时代属于晚侏罗世;白音高老组火山岩2个样品的锆石U-Pb年龄分别为(132±1)Ma(n=23)和(138±3)Ma(n=18),形成时代属于早白垩世。赤峰地区中生代火山岩应形成于太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲后的伸展环境中。     

含钙和稀土的磷酸盐矿物色谱

纸色谱法对微量矿物的鉴定是极有效的一种方法。继锆、铪、铌、钽等矿物色谱研究工作后,作者又对钙和稀土的磷酸盐矿物中主要成分——钙、稀土和磷酸根的纸色谱行为和其检出限量以及其它离子的R_F值进行了实验。用醇为展开剂,使钙、铈和磷酸根三者分离;拟定了鉴定这类矿物微量(500μ—2mg)的方法,并以毫克量矿物进行磷灰石主成分的测定,与常量法测定结果比较,基本相符。     

副矿物微量元素地球化学特征在成岩成矿作用研究中的应用

文中较系统地介绍了国外近年来基于矿物合成和激光原位定量分析测试技术发展的副矿物,重点是锆石,其次是金红石、石榴石、榍石及磷灰石等微量元素地球化学特征在成岩成矿温度、氧逸度、源区物质等方面的研究成果。这些成果是在不同温度、压力及体系成分条件下合成的矿物,结合自然界岩石相关副矿物成分分析,获得了副矿物中微量元素含量与形成温度、压力、氧逸度等之间存在严格线性关系,建立了定量计算公式,并给出了这些温度计、氧逸度等计算公式的适用范围。根据广泛用于同位素定年的锆石受变质和热液蚀变而出现复杂年龄譜,文中还介绍了用锆石微量和稀土元素地球化学特点,结合近年来在这方面的研究成果,探讨了Th/U比值识别锆石成因存在的问题,介绍了稀土元素组成识别锆石成因的原理和应用。     

中国北部陆架海碎屑锆石U- Pb年龄和钾长石主微量元素物源示踪研究

渤海湾盆地每年沉积大量的河流碎屑物质,但其中的砂级物质能否迁移扩散到胶东半岛海湾内一直不清楚。锆石和钾长石分别是河流沉积物中常见的副矿物和主要造岩矿物之一,由于各自的U- Pb年龄和地球化学元素组成在不同区域内存在显著差异,是进行物源示踪研究的理想矿物。基于此,本文利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪 (LA- ICP- MS) 对渤海湾盆地主要注入河流和胶东半岛的威海湾和银滩湾的海岸砂开展碎屑锆石 (n=438) 和钾长石 (n=160) 微区原位U- Pb年龄、Th/U比值和主微量元素分析,结果表明威海湾和银滩湾内的砂级沉积物的碎屑锆石以具有典型的新元古代峰值年龄 (697~735 Ma),缺乏古元古代和新太古代峰值年龄为特征,Th/U比值和胶东基岩接近,结合Kolmogorov- Smirnov 统计方法的多维判别图 (MDS),说明这些砂级碎屑物质的源区主要是以胶东半岛为源区的近源物质。而黄河口的碎屑钾长石原位(in situ) Na2O、K2O、Al2O3和Rb、Sr、Ba、Pb元素含量变化与刘公岛和银滩的海砂样品截然不同,进一步验证了上述碎屑锆石的研究结果。因而将碎屑锆石和钾长石原位地球化学分析相结合有助于精准判定物源关系,在今后中国北部陆架海物源示踪研究、渤海湾盆地盆山耦合研究中将具有良好的应用前景。     

热液锆石U-Pb定年与石英脉型金矿成矿时代:评述与展望

石英脉型金矿床是最重要的金矿床类型之一,对其成矿时代的精确测定却一直是一道难题.近年来同位素质谱技术的发展使得通过含金石英脉中热液锆石的U-Pb定年来精确限定石英脉型金矿床成矿时代成为可能.但含金石英脉中的锆石组成通常较复杂,除有热液锆石外,还可能出现从围岩中捕获的岩浆锆石和变质锆石.锆石成因和组成的这种复杂性,经常导致所获得的U-Pb年龄数据难以解释或缺乏明确的地质意义.因此石英脉型金矿床锆石U-Pb定年的关键是有效区分从成矿流体中直接生长的热液锆石和从围岩中捕获的岩浆锆石或变质锆石.通过锆石形貌、结构、微量元素组成(含稀土元素)、矿物或流体包裹体特征等的系统分析和综合研究,可以较好地区分含金石英脉中的不同成因锆石.在此基础上利用先进的SHRIMP或LA-ICPMS锆石U-Pb分析技术对石英脉中的热液锆石进行微区原位定年,可以获得石英脉型金矿床可靠的成矿年龄.