鋯石成因類(lèi)型及年齡意義的研究進(jìn)展

鋯石成因類(lèi)型及年齡意義的研究進(jìn)展

鋯是自然界中的一種常見(jiàn)副礦物，通常存在于沉積、巖石和變質(zhì)巖中。這是因?yàn)殇喪哂袠O低的吉布斯能,從而具有特別穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),使得它很容易在各種地質(zhì)環(huán)境中結(jié)晶,并被完好地保存下來(lái)。傳統(tǒng)意義上,鋯石一直被視為具有高度穩(wěn)定性的礦物,具有能持久保持礦物形成時(shí)的物理和化學(xué)(特別是元素和同位素)特征,普通鉛含量低,富含U、Th等放射性元素,離子擴(kuò)散速率低,封閉溫度高等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究中,特別是近些年來(lái),以精細(xì)的鋯石礦物學(xué)研究為基礎(chǔ),開(kāi)展同位素定年工作,鋯石已成為U-Pb法定年的最理想對(duì)象[2~4]。在花崗巖類(lèi),特別是前寒武紀(jì)花崗巖類(lèi)和變質(zhì)巖年代學(xué)以及金礦成礦年代學(xué)研究中,通常可以發(fā)現(xiàn)多種成因類(lèi)型的鋯石,如碎屑鋯石、繼承鋯石、巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石、熱液鋯石和深熔鋯石等[5~8]。這種復(fù)雜性對(duì)鋯石的成因判別及其年齡數(shù)據(jù)的解讀提出了更高的要求。除通常要求利用顯微鏡觀察鋯石的外部形態(tài),或者利用BSE和CL成像技術(shù)觀察鋯石的內(nèi)部構(gòu)造,或者利用鋯石的Th/U比值來(lái)判別和區(qū)分不同類(lèi)型的鋯石外,還需要對(duì)鋯石進(jìn)行細(xì)致的形態(tài)學(xué)、地球化學(xué)和微區(qū)特征等方面的研究來(lái)綜合判別鋯石的成因類(lèi)型。由于鋯石在形成后,還要經(jīng)受變形變質(zhì)和熱液作用的改造,鋯石群的組成往往會(huì)變得更加復(fù)雜。如花崗片麻巖中可以出現(xiàn)殘留鋯石、巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石、熱液鋯石等。有時(shí)甚至在同一個(gè)鋯石顆粒中可以包含不同成因類(lèi)型、不同形成時(shí)代的鋯石相。近些年來(lái)我國(guó)有不少研究者對(duì)一些花崗巖、火山巖以及石英脈型金礦床開(kāi)展SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)研究,得到十分分散的年齡結(jié)果,后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這是由于測(cè)試前沒(méi)有進(jìn)行很好的鋯石成因礦物學(xué)和鋯石微區(qū)研究,得到的不少年齡實(shí)際上是沒(méi)有地質(zhì)意義的混合年齡。因此,在進(jìn)行鋯石地質(zhì)年代學(xué)研究之前應(yīng)先對(duì)鋯石進(jìn)行陰極發(fā)光電子(CL)圖像和(或)背散射電子(BSE)圖像等成因礦物學(xué)和鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入研究,這樣才有可能使測(cè)得的年齡數(shù)據(jù)得到合理的地質(zhì)解釋,才有可能對(duì)巖石成因、成礦年代學(xué)和地質(zhì)體的構(gòu)造演化歷史有更深入的了解?，F(xiàn)把巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石、熱液鋯石的特征以及鋯石原位微區(qū)U-Pb定年的年代學(xué)制約和地質(zhì)意義分別綜述如下:1鋯石bse圖像和cl圖像用來(lái)揭示鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法有HF酸蝕刻圖像、背散射電子(BSE)圖像和陰極發(fā)光電子(CL)圖像等。HF酸蝕刻法的應(yīng)用原理是由于鋯石不同區(qū)域表面的微量元素含量和蛻晶化程度的差異導(dǎo)致其穩(wěn)定性和抗HF酸腐蝕能力的不同,在HF酸的作用下,這些鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)顯示出來(lái)(圖1(a))。這種方法簡(jiǎn)單易行,不需要大型儀器設(shè)備,但它可能會(huì)對(duì)鋯石表面造成不同程度的破壞作用。BSE圖像揭示的是鋯石表面平均分子量的差異。除可以揭示鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)外,鋯石的BSE圖像還可以很好地顯示鋯石的表面特征(如包裹體的分布和裂隙的發(fā)育情況等)(圖1(b))。而CL圖像顯示的則是鋯石表面部分微量元素(如:U、Y、Dy和Tb等)的含量和(或)晶格缺陷的差異,一般鋯石中U、REE、Th等微量元素含量越高,鋯石陰極發(fā)光的強(qiáng)度越弱[11~14]。鋯石的CL圖像和BSE圖像的明暗程度往往具有相反的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在絕大多數(shù)情況下,CL圖像反映鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較清楚(圖1c),也是鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究中最常用和最有效的方法。BSE圖像顯示熱液成因鋯石的表面特征(如包裹體的分布和裂隙的發(fā)育情況等)以及不同成因鋯石域圖像的明暗程度的差異方面效果顯著。在同一顆鋯石中,鋯石U含量高的區(qū)域,在CL圖像上顏色就深一些,呈黑到暗灰色,在BSE圖像上則呈亮灰白到白色,說(shuō)明這些區(qū)域更富大離子半徑的微量元素(如U、Th、Y等);而U含量較低的鋯石區(qū)域,在CL圖像上顏色較淺,呈亮灰白色,在BSE圖像上則呈黑到暗灰色,說(shuō)明這些區(qū)域具有較低的大離子半徑的微量元素(如U、Th、Y等)含量。1.1巖漿鋯石bse圖像和巖漿巖的圖像特征巖漿鋯石是指直接從巖漿中結(jié)晶形成的鋯石,一般鋯石自形程度較高,雙目鏡下無(wú)色透明,有時(shí)帶淡黃、淡褐色或淡紫色,晶體呈四方柱與四方雙錐、復(fù)四方雙錐的聚形。一般堿性巖或偏堿性的花崗巖中鋯石的錐面{111}發(fā)育,呈短柱狀或四方雙錐狀(圖2(c)、(d));在酸性巖中鋯石的柱面{110}、{100}及錐面{111}均較發(fā)育,晶體呈柱狀;在中基性巖中,鋯石發(fā)育柱面和復(fù)四方雙錐,而錐面{111}發(fā)育很差或不出現(xiàn)。由于巖漿鋯石一般結(jié)晶早,所以常呈包裹體產(chǎn)于其它礦物中。在BSE圖像、CL圖像上可見(jiàn)明顯的巖漿振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶或?qū)捑彽膸r漿生長(zhǎng)環(huán)帶。巖漿鋯石通常結(jié)晶溫度較高,一般具有均勻的內(nèi)部構(gòu)造和巖漿包裹體(如金紅石、磷灰石和熔體包裹體),有時(shí)少量顆?？梢?jiàn)殘留鋯石晶核?；鹕綆r中的鋯石具有較大的長(zhǎng)寬比值(比值可以高達(dá)12),一般為長(zhǎng)柱狀或針狀的外形特征。巖漿鋯石一般具有特征的巖漿振蕩環(huán)帶(圖2)。振蕩環(huán)帶的寬度可能與鋯石的寄主巖石的成分以及鋯石結(jié)晶時(shí)巖漿的溫度有關(guān)。一般中基性巖漿巖通常形成于高溫條件下,微量元素?cái)U(kuò)散快,常常形成較寬的結(jié)晶環(huán)帶(如輝長(zhǎng)巖和閃長(zhǎng)巖中的鋯石)(圖2(a)、(b));酸性巖漿巖通常形成溫度相對(duì)較低,在低溫條件下微量元素的擴(kuò)散速度慢,一般形成較窄的巖漿環(huán)帶(如:花崗巖中的鋯石)(圖2(e)、(f))。巖漿鋯石中還可能出現(xiàn)扇形分帶的結(jié)構(gòu)(圖2(g)),這種扇形分帶結(jié)構(gòu)是由于鋯石結(jié)晶時(shí)外部環(huán)境的變化導(dǎo)致各晶面的生長(zhǎng)速率不一致造成的。部分地幔巖石中的鋯石表現(xiàn)出無(wú)分帶或弱分帶的特征。另外,在巖漿鋯石中往往有繼承鋯石的殘留晶核(圖2(c))。1.2變質(zhì)催化劑型變質(zhì)鋯石是指在變質(zhì)作用過(guò)程中形成的鋯石。變質(zhì)鋯石主要有如下五種形成機(jī)制:1)深熔過(guò)程中從熔體中結(jié)晶[23、24],2)固相礦物分解產(chǎn)生的Zr和Si,成核和結(jié)晶[25、26],3)從變質(zhì)流體中結(jié)晶[27、28],4)原巖鋯石的變質(zhì)重結(jié)晶作用[17、29、30],5)熱液蝕變作用對(duì)原有鋯石的淋濾和溶蝕[31、32]。因此,變質(zhì)鋯石的形成既可以是變質(zhì)過(guò)程中新生長(zhǎng)的鋯石,又可以是變質(zhì)作用對(duì)巖石中原有鋯石不同程度的改造,如蛻晶質(zhì)化的鋯石在有流體存在且溫度≥400℃時(shí)就可以發(fā)生重結(jié)晶作用形成變質(zhì)重結(jié)晶鋯石。其中變質(zhì)新生鋯石既可以形成獨(dú)立的新生顆粒,還可以在原有鋯石基礎(chǔ)上形成變質(zhì)增生邊?？傊?變質(zhì)成因鋯石包括新形成的變質(zhì)結(jié)晶鋯石、變質(zhì)增生鋯石和變質(zhì)重結(jié)晶鋯石[29、32]。由于變質(zhì)重結(jié)晶過(guò)程只是鋯石晶格的重新調(diào)整,沒(méi)有新的鋯石生成,因此重結(jié)晶鋯石常常為自形到半自形,且外形與原巖巖漿鋯石環(huán)帶形狀相似,與原巖鋯石之間沒(méi)有明顯的生長(zhǎng)界限。而變質(zhì)增生鋯石則是指變質(zhì)過(guò)程中發(fā)生成核和結(jié)晶作用,有新的鋯石從周?chē)慕橘|(zhì)中結(jié)晶出來(lái)。所以變質(zhì)新生鋯石具有多晶面狀(小晶面發(fā)育)-不規(guī)則狀-規(guī)則外形,與原巖殘留鋯石之間界限清楚。在目前認(rèn)識(shí)條件下,對(duì)鋯石的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究是區(qū)分變質(zhì)增生鋯石與變質(zhì)重結(jié)晶鋯石最為直接和有效的方法。變質(zhì)鋯石的外部形態(tài)從它形到非常自形,并有特征的內(nèi)部結(jié)構(gòu),主要包括:無(wú)分帶(圖3(a))、斑雜狀分帶(圖3(c))、扇形分帶(圖3(b、d))、冷杉葉狀分帶(圖3(e))、面狀分帶(圖3(f、j))、片狀分帶(圖3(g))以及變質(zhì)熱液成因鋯石的海綿狀分帶、流動(dòng)狀分帶等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。一般不同變質(zhì)條件下形成的鋯石具有不同的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。麻粒巖相變質(zhì)增生鋯石一般為半自形、它形到等軸狀,內(nèi)部分帶特征為扇形分帶、面狀分帶、冷杉葉狀分帶、弱分帶或無(wú)分帶等。榴輝巖相變質(zhì)增生鋯石一般為半自形、橢圓形和它形等,內(nèi)部分帶特征主要有無(wú)分帶、弱分帶、云霧狀分帶或片狀分帶等[34~36]。角閃巖相變質(zhì)增生鋯石通常具有規(guī)則的外形,且以柱面發(fā)育為其主要特點(diǎn),在CL圖像中一般為無(wú)分帶或弱分帶的特征[33、35]。Vavra等人對(duì)Ivrea地區(qū)的角閃巖相變質(zhì)巖石、角閃巖到麻粒巖過(guò)渡相變質(zhì)巖石和麻粒巖相變質(zhì)巖石中的變質(zhì)增生鋯石進(jìn)行了詳細(xì)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的對(duì)比研究,他們認(rèn)為鋯石的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征受鋯石生長(zhǎng)時(shí)的溫度條件控制,溫度條件控制了鋯石各晶面生長(zhǎng)速度,導(dǎo)致鋯石出現(xiàn)不同的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并推測(cè)寄主巖石的性質(zhì)可能也會(huì)對(duì)變質(zhì)增生鋯石的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。1.3熱液鋯石的形成機(jī)制傳統(tǒng)意義上鋯石一直被視為具有高度穩(wěn)定性的礦物,具有普通鉛含量低,富含U、Th等放射性元素,封閉溫度高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于礦物學(xué)和地球化學(xué)研究,成為U-Pb法定年的最理想對(duì)象[37~39]。隨著鋯石測(cè)年技術(shù)的不斷開(kāi)展,越來(lái)越多的研究結(jié)果對(duì)鋯石穩(wěn)定性說(shuō)法提出了挑戰(zhàn),證明鋯石在熱液條件下很容易發(fā)生蝕變、改造、熔蝕作用,有時(shí)甚至形成具有“熱液礦物”特征的鋯石,即“熱液鋯石”[40~44]。“熱液鋯石”并不是一個(gè)精確的術(shù)語(yǔ),顧名思義,它是指經(jīng)過(guò)熱液流體蝕變或熱液改造了的鋯石,或從熱液流體中直接結(jié)晶的鋯石。過(guò)去十幾年來(lái)的研究表明,鋯石可以直接從中低溫?zé)嵋毫黧w中生長(zhǎng)結(jié)晶。如Claoué-Long等及Kerrich通過(guò)對(duì)加拿大Abitibi綠巖帶金礦床石英脈中鋯石的研究,提出這些鋯石是在260~380℃、約200MPa的條件下與石英、自然金等熱液礦物近于同時(shí)結(jié)晶形成的。Dempster等在蘇格蘭高地板巖中發(fā)現(xiàn)了顆粒細(xì)小(<10μm)、無(wú)環(huán)帶結(jié)構(gòu)的新生鋯石,認(rèn)為它們是在綠片巖相變質(zhì)條件(<350℃)下從變質(zhì)流體中結(jié)晶形成的。最近Dubinska等的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),波蘭Sudetic蛇綠巖的蛇紋石化過(guò)程中有大量熱液鋯石形成,這些鋯石形成于270~300℃及100MPa的溫壓條件。以上研究結(jié)果表明,這些鋯石形成的溫壓條件與含金石英脈的形成條件極為相似,證明中溫?zé)嵋簵l件是可以生產(chǎn)熱液鋯石的。雖然不同種類(lèi)的熱液鋯石可以具有相似的微量元素的特征,但其形成機(jī)制卻不盡相同。前人已經(jīng)提出,熱液鋯石可有如下幾種形成機(jī)制:1)鋯石顆粒內(nèi)部孔穴中的溶解-再沉淀,2)蛻晶鋯石與熱液的離子交換及結(jié)構(gòu)恢復(fù),3)韌性剪切帶的流體作用,4)鋯石飽和的殘余巖漿熱液的直接結(jié)晶,5)深源流體-熔體將原巖改造成為片麻狀花崗巖的過(guò)程中所形成的熱液增生鋯石。2巖石學(xué)意義的確定為了對(duì)測(cè)定鋯石年齡的地質(zhì)意義進(jìn)行合理解釋,在進(jìn)行鋯石U-Pb定年前,必需對(duì)鋯石進(jìn)行精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究,以便確定不同鋯石的成因類(lèi)型和同一鋯石不同晶域的成因類(lèi)型。然后通過(guò)鋯石微區(qū)原位定年,獲得鋯石寄主巖石正確的地質(zhì)年代演化歷史。應(yīng)該說(shuō),目前尚沒(méi)有一種可以完全明確區(qū)分巖漿鋯石與變質(zhì)鋯石的定量方法,只能根據(jù)測(cè)定鋯石或鋯石晶域的化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、結(jié)晶習(xí)性,以及宏觀地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合判斷。表1即是對(duì)兩種鋯石的一些最基本特征的描述。2.1鋯石的形態(tài)巖漿鋯石通常為半自形到自形,粒徑20~250μm。部分基性-超基性巖中的鋯石具有不規(guī)則的形狀和較大的粒徑,火山巖中的鋯石具有較大的長(zhǎng)寬比值(比值可以高達(dá)12),一般為長(zhǎng)柱狀或針狀的外形特征。通常巖漿鋯石均具有很好的柱狀晶體(柱狀或細(xì)長(zhǎng)柱狀),其晶棱鋒銳、清晰;而變質(zhì)鋯石外形則多呈圓卵形、不規(guī)則狀,一般延長(zhǎng)度小,晶面復(fù)雜發(fā)育多晶面(常見(jiàn)小晶面發(fā)育)、晶面常有溶蝕。如果變質(zhì)鋯石是在長(zhǎng)柱狀巖漿鋯石基礎(chǔ)上重結(jié)晶或增生的,它也可以有柱狀或長(zhǎng)柱狀外形,但其晶棱均已圓滑(晶棱變得不那么鋒銳、清晰)。2.2變質(zhì)重結(jié)晶鋯石帶的結(jié)構(gòu)為了獲得有明確地質(zhì)意義的鋯石年齡,必須對(duì)鋯石成因特別是鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。在鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究中,BSE和CL成像是最常用的研究方法,用HF化學(xué)蝕刻也是一種行之有效的方法?，F(xiàn)已知道巖漿鋯石通常具有巖漿振蕩或韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu),這種細(xì)密的韻律環(huán)帶的寬度通常只有幾個(gè)微米,它反映了巖漿成分呈韻律性振蕩變化,造成結(jié)晶環(huán)境的規(guī)律變化;變質(zhì)增生鋯石一般不存在分帶結(jié)構(gòu),它總是在繼承鋯石外圍形成一個(gè)寬窄不均的增生邊(內(nèi)部無(wú)韻律環(huán)帶),有時(shí)沿繼承鋯石核的不同晶面方向形成扇狀結(jié)構(gòu)。變質(zhì)重結(jié)晶鋯石帶常在古老繼承鋯石中不規(guī)則分布,多集中于含U高的部位(陰極發(fā)光暗),如果原鋯石是巖漿鋯石,重結(jié)晶部分蛻晶化很徹底,則重結(jié)晶鋯石不再保留原巖漿鋯石環(huán)帶的任何痕跡;如果重結(jié)晶部分蛻晶化不徹底,則重結(jié)晶鋯石區(qū)仍可有隱約可見(jiàn)的環(huán)帶殘留,但該區(qū)不如最外面的變質(zhì)增生鋯石邊那么干凈。2.3巖漿礦物包裹體鋯石中礦物包裹體的性質(zhì)可以作為判定鋯石成因的一個(gè)重要判據(jù),巖漿鋯石由于結(jié)晶溫度較高,通常出現(xiàn)高溫巖漿礦物(如金紅石、磷灰石等)與熔體包裹體。但是巖漿鋯石包裹體礦物一般較少,若有礦物包裹體則是非高壓巖漿礦物,如金紅石、斜長(zhǎng)石、石英、磷灰石等;變質(zhì)增生鋯石包裹體礦物一般較常見(jiàn),除常見(jiàn)的非高壓礦物斜長(zhǎng)石、石英、磷灰石等外,還可見(jiàn)石榴石、綠輝石、柯石英、金剛石等超高壓礦物包裹體。2.4巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石th/u比值Th/U比值:大量研究表明,不同成因鋯石具有不同的Th、U含量及Th/U比值。巖漿鋯石的Th、U含量較高,Th/U比值較大(一般>0.4);變質(zhì)鋯石的Th、U含量低,Th/U比值小(一般<0.1)。巖漿鋯石的Th/U比值與Th和U在巖漿中的含量以及它們?cè)阡喪c巖漿之間的分配系數(shù)有關(guān),具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為:(Th/U)鋯石≌(DTh/DU)鋯石/熔體×(Th/U)熔體。一般情況下(DTh/DU)鋯石/熔體≌0.2,地殼物質(zhì)中Th/U平均比值約為4,所以通常巖漿鋯石的Th/U比值接近1,但是一些組成特殊的巖漿中結(jié)晶的巖漿鋯石具有異常的Th/U比值,例如有些巖漿巖鋯石的Th/U比值非常低,可以小于0.1,而部分碳酸鹽巖樣品中巖漿鋯石具有異常高的Th/U比值,可以高達(dá)10000。所以,僅憑鋯石的Th/U比值有時(shí)并不能有效地鑒別巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石。由于Th4+比U4+具有更大的離子半徑,Th比U在鋯石晶格中更不穩(wěn)定,變質(zhì)重結(jié)晶作用過(guò)程中Th比U更容易被逐出鋯石的晶格,導(dǎo)致重結(jié)晶變質(zhì)鋯石區(qū)域具有相對(duì)較低的Th/U比值[10、46]。一般變質(zhì)重結(jié)晶作用越強(qiáng),變質(zhì)重結(jié)晶鋯石晶域的Th/U比值會(huì)越低。此外,由于變質(zhì)流體中Th含量很低,從而導(dǎo)致變質(zhì)增生鋯石的Th/U比也很低(<0.1)。需要指出的是麻粒巖相中的變質(zhì)增生鋯石有時(shí)會(huì)出現(xiàn)Th/U>0.1的例外。Zr/Hf比值:已有數(shù)據(jù)表明,巖漿鋯石一般具有非常低的Hf含量,變質(zhì)重結(jié)晶作用不會(huì)對(duì)鋯石Hf含量產(chǎn)生明顯的影響。因此巖漿鋯石和變質(zhì)重結(jié)晶鋯石Zr/Hf比值相近且高。在變質(zhì)流體中Zr比Hf更容易形成穩(wěn)定的絡(luò)合物而使更多的Hf進(jìn)入鋯石晶格,從而使其具有高的Hf含量。因此變質(zhì)增生鋯石具有較低的Zr/Hf比值特征,這明顯不同于巖漿鋯石和變質(zhì)重結(jié)晶鋯石具有高Zr/Hf比值的特征。稀土元素:稀土元素豐度,尤其是HREE富集程度是區(qū)分巖漿鋯石、變質(zhì)重結(jié)晶鋯石和變質(zhì)增生鋯石的重要指標(biāo)。巖漿鋯石含有較高的REE含量和具有陡立的HREE富集模型。對(duì)于變質(zhì)重結(jié)晶鋯石,其輕稀土元素較重稀土元素有較大的離子半徑而更容易在變質(zhì)重結(jié)晶過(guò)程中從鋯石晶格中排除出來(lái),從而可以導(dǎo)致變質(zhì)重結(jié)晶鋯石比巖漿鋯石具有更陡直的重稀土富集模型。變質(zhì)增生鋯石具有較低的重稀土富集程度,因而對(duì)于具有核幔結(jié)構(gòu)的鋯石,其REE分析顯示變質(zhì)增生邊的HREE含量明顯低于巖漿鋯石核HREE的含量。Nb、Ta及Nb/Ta比值:一般變質(zhì)鋯石的Nb、Ta含量及Nb/Ta比值均低于巖漿鋯石。如大別山黃鎮(zhèn)榴輝巖巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石的Nb、Ta含量及Nb/Ta比值有顯著差別。其中巖漿鋯石Nb、Ta含量及Nb/Ta比值分別為(3.8~19.7)×10-6,(2.7~12.7)×10-6和1.0~4.6。而變質(zhì)鋯石Nb、Ta含量及Nb/Ta比值分別為(0.5~1.4)×10-6,(0.7~1.5)×10-6和0.3~1.3。因此,Nb、Ta含量及Nb/Ta比值也是區(qū)分巖漿鋯石與變質(zhì)鋯石的很好指標(biāo)。由于鋯石成巖的復(fù)雜性,單獨(dú)使用上述任何一種判別指標(biāo)都可能出現(xiàn)例外的情況,從而影響不同成因鋯石類(lèi)型的準(zhǔn)確判定。在實(shí)際工作中,應(yīng)將鋯石的晶型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、包裹體類(lèi)型和痕量元素結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合研究,才有可能對(duì)不同成因鋯石做出正確的區(qū)分,從而對(duì)鋯石U-Pb年齡的地質(zhì)意義做出正確的解釋。3熱液鋯石地球化學(xué)特征一般而言,熱液鋯石與巖漿鋯石具有明顯不同的礦物結(jié)構(gòu),目前對(duì)鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀測(cè)主要借助于背散射(BSE)圖像和陰極發(fā)光(CL)圖像技術(shù)。綜合前人對(duì)熱液鋯石的研究成果,熱液鋯石一般具有如下一些共性特征:1)熱液鋯石顆粒呈半自形至它形,半透明,晶體的棱線一般不明顯,雙目鏡下呈暗棕色或淺棕紅色。2)熱液鋯石一般以巖漿鋯石的再生邊形式出現(xiàn),或呈細(xì)脈狀或腸狀穿插在其它礦物中。3)熱液鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)常以多孔狀為特征,并且或多或少存在礦物包裹體(如磷銥礦、釷石等),流體包裹體含量高時(shí)可形成海綿狀結(jié)構(gòu)。4)當(dāng)巖漿鋯石與熱液鋯石出現(xiàn)在同一顆粒中時(shí),巖漿鋯石常具有明顯或不明顯的韻律環(huán)帶,而熱液鋯石多呈脈狀、交代狀、多孔狀、海綿狀或無(wú)結(jié)構(gòu)狀,借助于CL圖像或BSE圖像不難把它們分開(kāi)。另外,在同一樣品中,巖漿鋯石U-Pb年齡較老,熱液鋯石U-Pb年齡較新,也容易將兩者區(qū)分開(kāi)來(lái)。5)不同條件下形成的鋯石具有特定的礦物或(和)流體包裹體組成,因此鋯石中包裹體的研究對(duì)于鋯石的成因和形成環(huán)境具有很好的指示意義。巖漿鋯石由于結(jié)晶溫度較高,通常不會(huì)出現(xiàn)熱液礦物包裹體和流體包裹體,可能包含高溫巖漿礦物(如金紅石、磷灰石等)[58、59]與熔體包裹體。熱液鋯石,一般出現(xiàn)典型的熱液礦物(如電氣石、黃鐵礦、絹云母等)包裹體與豐富的低鹽度H2O-CO2流體包裹體,這說(shuō)明鋯石是在熱流體環(huán)境中沉淀結(jié)晶的。如Claoué-Long等發(fā)現(xiàn)加拿大Abitibi綠巖帶金礦床含金石英脈中的鋯石含有自然金顆粒和大量原生流體包裹體,Kerrich對(duì)同一金礦區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)石英脈中的鋯石包含石英、電氣石、白鎢礦、黃鐵礦、自然金等典型熱液礦物包裹體,并與低鹽度H2O-CO2流體包裹體及富CO2包裹體共存,充分表明這些鋯石是直接從成礦流體中沉淀的。我國(guó)廣東河臺(tái)金礦含金石英脈中的鋯石也廣泛存在硫化物包裹體。Hu等在膠東乳山金礦含金石英脈體中的鋯石邊-核部發(fā)現(xiàn)原生流體包裹體,其激光拉曼圖譜出現(xiàn)明顯的液相CO2和H2O峰值,這說(shuō)明鋯石在生長(zhǎng)過(guò)程中處于富H2O-CO2流體的環(huán)境。鋯石中最主要的微量元素包括Hf、U、Th、Pb、Y,以及重稀土元素。盡管一般認(rèn)為導(dǎo)致熱液鋯石形成的熱液流體屬于巖漿分異成因,但熱液鋯石和巖漿鋯石仍具有各自獨(dú)立的微量元素特征。巖漿鋯石與熱液鋯石具有明顯不同的稀土配分特征。Hoskin對(duì)比研究了澳大利亞Boggy平原帶狀巖體(BPZP)中的巖漿和熱液鋯石,發(fā)現(xiàn)它們的球粒隕石配分曲線明顯不同,巖漿鋯石從La至Lu之間急速增加,具有Ce和Eu異常,而熱液鋯石通常具有明顯較高的REE含量,比較平緩的輕稀土圖形,而Ce異常較小,見(jiàn)圖4(b)。我國(guó)咸水泉片麻狀花崗巖中的巖漿鋯石和熱液鋯石也有類(lèi)似的稀土配分特征,見(jiàn)圖4(a)。熱液鋯石通常富集Hf。SierraBlanca流紋巖中的熱液增生和“細(xì)脈”狀鋯石表現(xiàn)出較高的Hf含量,HfO2約5.1wt%~7.6wt%,而巖漿期鋯石顆粒變化范圍為3.9%~6.3%。雖然增生部分的Hf含量與巖漿期鋯石顆粒有部分重疊,但增生部分總體表現(xiàn)出比相同樣品中巖漿期鋯石具有相對(duì)較高的Hf含量。Kerrich和King描述了Abitibi的熱液鋯石富集Th和Hf,其HfO2含量范圍至少達(dá)到4.2wt%。熱液鋯石通常具有高的Y含量。如BPZP中熱液鋯石Y2O3>2.09wt%,Abitibi中熱液鋯石Y2O3>1.27wt%,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未蝕變的巖漿和變質(zhì)鋯石的Y含量(Y2O3<0.64wt%)。鋯石中含有的流體包裹體成分會(huì)影響熱液鋯石測(cè)定的成分。BPZP的熱液鋯石較之同一巖石中的巖漿鋯石而言,富集所有的微量元素(包括V、Ti、Nb、Hf、Sc、Mn、U、Y、和Th)。巖漿鋯石和熱液鋯石的一些最基本的特征對(duì)比描述見(jiàn)表2。前述資料表明,熱液鋯石形成的溫壓條件與含金石英脈的形成條件極為相似,證明中溫?zé)嵋簵l件是可以生產(chǎn)鋯石晶體的。因此,通過(guò)尋找含金礦脈和蝕變巖中的熱液鋯石,用鋯石微區(qū)U-Pb定年,可以為確定金礦床的形成時(shí)代提供精確可靠的年代制約。本文作者對(duì)河北省張宣地區(qū)東坪金礦田鉀長(zhǎng)石化中細(xì)粒正長(zhǎng)巖(金礦圍巖)和含金鉀長(zhǎng)石石英脈兩個(gè)樣品以及后溝金礦田韌性剪切帶中的中細(xì)粒石英正長(zhǎng)巖一個(gè)樣品研究表明,熱液鋯石除少數(shù)以單獨(dú)顆粒存在外,大多數(shù)是以不規(guī)則狀具明顯交代(或熱液改造)結(jié)構(gòu)的形態(tài)存在于巖漿鋯石中(圖5),在BSE圖像上呈現(xiàn)出黑白顏色明亮程度明顯不同的兩種鋯石域,代表兩種不同成因的鋯石類(lèi)型。其中暗灰色區(qū)域鋯石具有自形、半自形結(jié)構(gòu),在對(duì)應(yīng)的CL圖像上可見(jiàn)巖漿生長(zhǎng)環(huán)帶(圖略),年齡較老,為巖漿鋯石,LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡為380.5Ma,表明水泉溝雜巖體形成于加里東晚期;亮灰白色區(qū)域大多數(shù)是以不規(guī)則狀具明顯交代(或熱液改造)結(jié)構(gòu)的鋯石,年齡較新,為熱液鋯石,LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡為140.2Ma,表明東坪金礦成礦時(shí)代為燕山期。后溝金礦150Ma左右的年齡代表韌性剪切帶活動(dòng)的年齡(圖5d、h)。4鋯石u-pb年齡對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成因意義明確的鋯石(如巖漿鋯石),通過(guò)對(duì)其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的綜合研究,選擇未受后期地質(zhì)作用影響的晶域和(或)顆粒進(jìn)行微區(qū)定年,可以使測(cè)年結(jié)果更加準(zhǔn)確合理[18、65、66]。復(fù)雜演化歷史地區(qū),具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鋯石,通過(guò)鋯石微區(qū)U-Pb定年(如:LA-ICP-MS和SHRIMP)可以得到多組U-Pb年齡。通過(guò)對(duì)鋯石不同的區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微量元素特征和包裹體成分的綜合研究,能夠給出不同鋯石晶域的成因機(jī)制,也可以對(duì)這些年齡賦予更加合理的地質(zhì)解釋。4.1高溫地質(zhì)過(guò)程中鋯石u-pb年齡變質(zhì)巖或巖漿巖從其源巖或母巖繼承的鋯石稱(chēng)為繼承鋯石。繼承鋯石可以作為晶核存在于鋯石的核部,也可以作為單獨(dú)的晶體顆粒存在。如果繼承鋯石是巖漿鋯石,并且這些鋯石沒(méi)有蛻晶化,則該晶質(zhì)鋯石可有很高的U-Pb封閉溫度,即使在很高的溫度條件下,也不能使Pb完全通過(guò)擴(kuò)散丟失。例如,許多花崗巖中含有繼承鋯石組分[67、68],花崗巖的巖漿溫度可高達(dá)700~900℃,然而經(jīng)歷了這一巖漿作用的繼承鋯石的U-Pb體系并沒(méi)有完全重置,仍保留有它自己原有的古老年齡信息。再如北哈薩克斯坦的含金剛石超高壓變質(zhì)巖峰期變質(zhì)溫度高達(dá)950~1000℃,峰期變質(zhì)年齡為(530±7)Ma,它們當(dāng)中的繼承鋯石仍保留了原巖的年齡(2000Ma)信息,并落在U-Pb年齡諧和線上。又如,在地幔金伯利巖的環(huán)境(1200℃)下,結(jié)晶完好的鋯石也沒(méi)有完全重置其U-Pb體系。這些都說(shuō)明鋯石中U-Pb體系的封閉溫度應(yīng)在900℃以上。這樣高的封閉溫度表明,對(duì)于單純的熱擾動(dòng)事件,即使是區(qū)域或超高壓變質(zhì)作用等高溫地質(zhì)過(guò)程也不能完全重置鋯石U-Pb體系。即,結(jié)晶完好的鋯石U-Pb體系是迄今為止用于年代學(xué)中具有最高封閉溫度的同位素體系,它能夠抵御各種高溫地質(zhì)過(guò)程。因此,結(jié)晶鋯石在高溫條件下很少有Pb丟失,如果變質(zhì)巖的原巖為火成巖,它的繼承鋯石的U-Pb年齡可能代表其原巖年齡[71、72]。4.2變質(zhì)重結(jié)晶作用由輻射損傷引起的部分蛻晶鋯石,由于晶格受損變得松軟、不穩(wěn)定,它易通過(guò)化學(xué)蝕變、淋濾和擴(kuò)散作用而丟失鉛。另一方面,處于低溫下的部分蛻晶鋯石,由于變質(zhì)作用和熱擾動(dòng)使其溫度升高時(shí),又可以通過(guò)重結(jié)晶作用使輻射損傷的晶格愈合,重新有序化。在這個(gè)過(guò)程中,由于Pb4+離子半徑比Zr4+離子半徑大,在晶格愈合的過(guò)程中鋯石會(huì)把放射成因鉛隨著空隙流體一起排除在晶格之外,導(dǎo)致鉛丟失。因此部分重結(jié)晶作用是鋯石產(chǎn)生不一致年齡的重要原因之一。鋯石變質(zhì)重結(jié)晶作用是指結(jié)構(gòu)上不穩(wěn)定的鋯石(如蛻晶化鋯石),在一定溫壓條件下(一般溫度>400℃),鋯石晶格進(jìn)行重新愈合和調(diào)整,使鋯石在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定[10、13、73、74]?，F(xiàn)在一般認(rèn)為,在大約600~650℃溫度下,最容易發(fā)生鋯石的重結(jié)晶作用。鋯石的重結(jié)晶作用一般優(yōu)先發(fā)生在鋯石邊部以及鋯石內(nèi)部礦物包裹體周?chē)冉Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域,多集中在含U高的部位(陰極發(fā)光暗),一般時(shí)間越長(zhǎng),U、Th含量越高,越容易發(fā)生蛻晶化作用。蛻晶化的巖漿鋯石在變質(zhì)作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生重結(jié)晶作用,這時(shí)伴隨U、Th、Pb從鋯石中被逐出,振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)退化和消失。完全重結(jié)晶的鋯石有可能失去以往的年齡信息。經(jīng)歷變質(zhì)重結(jié)晶作用的鋯石一般為半自形到自形,無(wú)分帶、弱分帶或斑雜狀分帶,局部有殘留的巖漿環(huán)帶,有較低的Th/U比值。重結(jié)晶作用較徹底的均勻變質(zhì)重結(jié)晶鋯石區(qū)域得到的U-Pb年齡代表了變質(zhì)重結(jié)晶發(fā)生的時(shí)代;巖漿環(huán)帶結(jié)構(gòu)清楚、未受變質(zhì)重結(jié)晶作用影響的鋯石區(qū)域的年齡代表了原巖相應(yīng)巖石的形成年齡[64、76];而部分受變質(zhì)重結(jié)晶作用影響的區(qū)域(鋯石顆粒未全部蛻晶化,蛻晶化鋯石呈彌散狀分布)給出的U-Pb年齡是混合年齡(界于原巖形成和變質(zhì)重結(jié)晶作用發(fā)生之間的年齡結(jié)果),并且在U-Pb年齡諧和圖上形成一條不一致線,不一致線與諧和線的上交點(diǎn)年齡最有可能代表其形成年齡(繼承鋯石的年齡),不一致線與諧和線的下交點(diǎn)年齡最有可能代表重結(jié)晶作用發(fā)生的時(shí)間(變質(zhì)重結(jié)晶鋯石的年齡)[64、73]。4.3鋯石u-pb年齡及組成鋯石作為一種地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的副礦物,具有較高的U-Pb封閉溫度,即使在動(dòng)力變質(zhì)過(guò)程中其U-Pb系統(tǒng)的封閉性仍保持良好,在低于高角閃巖相或麻粒巖相的溫度、壓力條件下形成鋯石的可能性極小。然而,在流體相參與的條件下,綠片巖相的變質(zhì)條件下(<450℃)也可能形成熱液鋯石,導(dǎo)致鋯石邊緣U-Pb體系的重置。熱液流體對(duì)鋯石U-Pb體系的封閉性的影響顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)變質(zhì)作用的溫度和壓力的影響。鋯石內(nèi)部由放射性損傷等形成的缺陷為熱液改造提供了通道,熱液流體沿鋯石晶體邊緣、裂隙或晶格缺陷對(duì)鋯石的交代,造成交代部分U-Pb體系封閉性的破壞,形成復(fù)雜的鋯