鋯石形態(tài)及影響因素研究進(jìn)展

鋯石形態(tài)及影響因素研究進(jìn)展

鋯是巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖和月巖中最重要的副產(chǎn)品。由于鋯石具有特殊的礦物性質(zhì),能夠用來討論巖石成因和地質(zhì)事件的形成時(shí)代。為了深入討論鋯石的成因,不少學(xué)者分別從鋯石的形態(tài)、主量、微量和稀土元素以及氧同位素等方面進(jìn)行了一系列研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29],特別是近十幾年離子探針開發(fā)以來,人們逐漸認(rèn)識(shí)到同一地質(zhì)體的不同鋯石顆粒以及同一鋯石顆粒內(nèi)部的不同區(qū)域,均可能具有不同的成因,故只有對(duì)大量鋯石顆粒進(jìn)行全面分析,才可以得出具有地質(zhì)意義的鋯石成因,在此方面已取得了一定研究進(jìn)展。同時(shí),因鋯石具有富含U和Th、普通鉛含量低及封閉溫度高的特征,是U-Pb法確定地質(zhì)事件時(shí)代最理想的礦物。由于離子探針和激光等離子質(zhì)譜的技術(shù)發(fā)展,特別后者近幾年取得很大進(jìn)展,利用顆粒鋯石微區(qū)的U-Pb法討論地質(zhì)事件形成時(shí)代成為國(guó)際地質(zhì)學(xué)界研究熱點(diǎn)[30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56]。本文就國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋯石以上方面的研究成果進(jìn)行綜述。1鋯的起源1.1鋯石晶型特征鋯石屬于四方體心格子結(jié)構(gòu),規(guī)則而多變的晶面組合特征使其成為一個(gè)典型的形態(tài)標(biāo)型礦物。研究表明,鋯石晶體大小取決于初始巖漿的Zr含量,而它的晶型是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)晶時(shí)的物理化學(xué)條件所決定的。鋯石的基本形態(tài)特征可以揭示它在巖石中的歷史,并據(jù)此合理地解釋所得到的年齡值,故鋯石形態(tài)學(xué)研究備受學(xué)者的關(guān)注。鋯石的形態(tài)由理論上最可能出現(xiàn)的晶面{100}、{110}、{211}和{101}四種單形任意組合而成。對(duì)鋯石形態(tài)研究經(jīng)歷了定性到半定量,最后發(fā)展到定量描述的過程。最初Poldervaart等提出利用鋯石長(zhǎng)度、寬度及其比值和頻率分布曲線來討論火成巖中鋯石的形態(tài)特征。Pupin對(duì)花崗巖中鋯石形態(tài)學(xué)系統(tǒng)地總結(jié)后,提出鋯石晶型分類法。另外,通過測(cè)定C軸長(zhǎng)度和a1,a2軸寬度被稱為單一主軸法描述鋯石的形態(tài)特征。近十年來,定量描述鋯石方法出現(xiàn)不少,如:Hayashi等通過對(duì)鋯石形態(tài)仔細(xì)研究后,設(shè)計(jì)了平直度(flatness)、延長(zhǎng)率(elongation)、柱面和錐面四種指數(shù),這四種指數(shù)組合成PPET圖解定量描述鋯石的柱面與錐面、平直度與延長(zhǎng)率之間的關(guān)系。Vavra利用陰極發(fā)光技術(shù)從鋯石晶面中選取特定晶面為參考晶面,然后測(cè)定各晶面與參考晶面的中心距離,通過測(cè)得鋯石群每個(gè)鋯石中心距離后建立其與生長(zhǎng)速度的函數(shù)關(guān)系,來定量描述鋯石形態(tài)特征。國(guó)內(nèi)汪相設(shè)計(jì)鋯石柱面、錐面和延長(zhǎng)三種指數(shù),建立了簡(jiǎn)便和全面的鋯石形態(tài)的定量描述方法,并利用此方法,再結(jié)合鋯石微量元素特征成功地討論了浙江青田鈣堿性花崗巖中微粒暗色包體的成因。鋯石的晶型特征主要受到結(jié)晶時(shí)物理化學(xué)條件的影響。晶體柱面和錐面形態(tài)分別取決于鋯石生長(zhǎng)介質(zhì)中ZrSiO4過飽度和特殊微量元素濃度。Pupin認(rèn)為鋯石的柱面{100}和{110}相對(duì)發(fā)育程度的T指數(shù)和常見錐面的A指數(shù)分別與鋯石結(jié)晶時(shí)溫度和(Na+K)/Al值呈正相關(guān)。而Benisek等通過電子探針和背散射電子圖象技術(shù)研究了花崗巖中垂直于C軸鋯石薄片,結(jié)果表明鋯石{110}柱面與巖漿中U有關(guān),鋯石柱面{100}、{110}之間存在U4+和Hf4+含量差別,錐面存在Th4+和Y3+含量差別,這種微量元素差別制約晶面生長(zhǎng)速度,故晶型的變化是由于不同晶面上微量元素差異性分配所造成的。Hayashi等利用自已建立起來的鋯石形態(tài)PPET圖解描述法,通過通量(flux)法和加入元素合成鋯石方法討論了不同元素對(duì)鋯石形態(tài)的影響,研究表明替代Si的離子半徑較小的P、B、S元素有利于形成柱面,而替代Zr原子的大離子半徑的Mn、Ni、K、Mg、Ca有利于錐面生長(zhǎng)。1.2巖石學(xué)和稀土元素特征鋯石的主量、微量和稀土元素以及氧同位素地球化學(xué)特征提供了豐富的地質(zhì)信息。前人對(duì)巖漿巖、斜長(zhǎng)角閃巖、堿性玄武巖捕虜體、金伯利巖質(zhì)巖和月巖等中鋯石的地球化學(xué)特征方面進(jìn)行了討論和總結(jié)。分析方法主要包括電子探針法、中子活化法、離子探針法和激光ICP-MS法,測(cè)定鋯石的主量、微量和稀土元素含量,再結(jié)合陰極發(fā)光(CL)、背散射電子圖象(BSE)技術(shù)和喇曼光譜等技術(shù)來討論鋯石的分帶現(xiàn)象,可揭示出鋯石的復(fù)雜發(fā)展史。鋯石常量和微量元素地球化學(xué)特征可用來研究鋯石的成因。常量和微量元素主要包括Zr、Si、Hf、U、Th、P、Pb和Sc等。Hf、U、Pb、Y和P在花崗巖鋯石中呈類質(zhì)同像形式賦存,其中最小離子徑的Hf以無序固溶體形式與Zr完全相溶,而Y和P在較低的溫度條件下常呈磷釔礦與鋯石不完全相容[13。14。19]。一般鋯石中存在三種類型的類質(zhì)同像替換:常規(guī)型(HfZr-1)、磷釔礦型[(Y,REE,Fe)3+P5+(Zr,Hf)4+-1Si4+-1]和塊磷鋁石型(Al3+P5+Si4+-2),另外可能存在P5+Al3+Si4+-1Zr4+-1。巖漿型鋯石具有晶體核部到邊緣或環(huán)帶內(nèi)側(cè)到外側(cè)ZrO2/HfO2減小,而HfO2、UO2+ThO2增大,喇曼光譜吸收峰強(qiáng)度減弱特征;變質(zhì)成因鋯石與之截然相反。變質(zhì)型鋯石的Th/U值比巖漿型鋯石高,巖漿型鋯石Th/U值一般小于4。鋯石常量和微量元素在不同類型的巖石中具有一定的規(guī)律,如:花崗巖中鋯石P和Y含量較高;碳酸巖和霞石正長(zhǎng)巖具有較低Sc、中等Hf;鎂鐵質(zhì)鋯石具有較高Sc、較低Hf和較高Th/U特征;金伯利巖中鋯石以極低的U、Th、P和Y為特征;月巖中鋯石具有中等U、Th和較高的Zr/Hf為特征。另外,Hf/Zr×10-La/Lu-Th/U和Hf-Y圖解很好區(qū)分不同類型巖石中的鋯石。鋯石的某些元素含量與母巖所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān),如:發(fā)育于大陸裂谷環(huán)境的碳酸巖和霞石正長(zhǎng)巖中鋯石Hf較低。鋯石富有稀土元素的性質(zhì),稀土元素特征可以討論鋯石的成因。地殼巖石中鋯石稀土元素總量一般幾百到幾千μg/g,鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)巖石中鋯石含量較高;正長(zhǎng)巖中鋯石具有正Ce或負(fù)Ce異常、負(fù)Eu異常和中等富集HREE趨勢(shì)為特征;紫蘇花崗巖和混合巖中鋯石具有明顯負(fù)Eu異常、無Ce異常和無明顯HREE富集趨勢(shì)為特征;碳酸巖和偉晶巖以無明顯的Ce和Eu異常和輕重稀土分異程度變化較大為特征;鎂鐵質(zhì)火山巖具有明顯的輕重稀土分異的特征;金伯利巖中鋯石稀土元素總量較地殼巖石中鋯石低,一般小于50μg/g,無明顯的Eu和Ce異常,輕重稀土分異程度不明顯;月巖中鋯石以稀土元素總量變化較大,具有明顯負(fù)Eu異常、Ce異常不明顯,明顯富集重稀土元素為特征。天然和合成的鋯石中稀土元素?cái)U(kuò)散研究表明,隨著離子半徑變小,La到Lu擴(kuò)散率逐漸增大。由于鋯石的難熔性,常規(guī)BrF5方法難以湊效。但是激光探針溫度可達(dá)2000~4000K,對(duì)單顆粒鋯石氧同位素進(jìn)行研究成為可能。Valley等利用激光探針法對(duì)紐約州山巖套中不同類型鋯石進(jìn)行詳細(xì)的氧同位素研究表明變質(zhì)低磁性鋯石和巖漿鋯石都保持最初δ18O值,比幔源巖漿初始平衡值高2~3‰,并未受到后期麻粒巖相變質(zhì)作用的顯著影響。故δ18O值增大的時(shí)間可由巖漿鋯石確定大約1150Ma,即巖漿結(jié)晶時(shí)間。故鋯石的氧同位素與U-Pb年齡相結(jié)合,提供了一種討論復(fù)雜巖漿、變質(zhì)和熱液活動(dòng)歷史的新手段。2鋯石成因的年齡研究鋯石對(duì)化學(xué)作用及機(jī)械作用都很穩(wěn)定,并且普通鉛含量低,富含U、Th,擴(kuò)散率很低,封閉溫度高等特征,故鋯石U-Pb法一直是地質(zhì)學(xué)者討論地質(zhì)事件時(shí)代的重要方法之一。離子探針研究表明鋯石的成因比較復(fù)雜,只有在對(duì)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(duì)單顆粒鋯石及其微區(qū)進(jìn)行測(cè)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)、激光等離子體質(zhì)譜法以及電子探針化學(xué)礦物法。2.1單顆粒鋯石熱在地質(zhì)事件中的研究目前應(yīng)用最廣泛的鋯石定年方法是微量和單顆粒熱電離質(zhì)譜法。Krough建立起超低本化學(xué)流程,利用熱電離質(zhì)譜法測(cè)定鋯石U-Pb年齡,樣品量由常規(guī)毫克級(jí)縮到微量和顆粒微克級(jí),后來利用空氣磨蝕技術(shù)加以改進(jìn)。國(guó)內(nèi)李惠民等在Krough流程的基礎(chǔ)上對(duì)鋯石的溶解和U-Pb分離技術(shù)做了相應(yīng)改進(jìn),建立起使用混合208Pb-235U稀釋劑單顆粒鋯石熱電離質(zhì)譜法,成功地測(cè)得泉州輝長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)角閃巖、麻粒巖、石英脈等中鋯石的年齡,是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用鋯石U-Pb法討論地質(zhì)事件最主要的方法。近幾年人們嘗試?yán)脴悠妨窟_(dá)亞微克級(jí)的逐步溶解技術(shù)和單顆粒鋯石碎片技術(shù)對(duì)其加以改進(jìn)。單顆粒鋯石熱電離質(zhì)譜法的確是鋯石定年技術(shù)的最重要進(jìn)展之一,要求樣品量少,具有高精度(0.1%)的207Pb/206Pb和Pb/U值,可以作為基準(zhǔn)的鋯石U-Pb定年方法。但是該方法存在一定局限性:(1)它需要比較復(fù)雜的前處理過程,比較費(fèi)時(shí),如:空氣磨蝕、化學(xué)分解和U/Pb分離等需要熟練的分析操作技術(shù);(2)實(shí)驗(yàn)流程本底要求特別低,一般全流程鉛空白為0.03~0.05ng,鈾空白為0.002-0.004ng;(3)最大的缺陷是無法揭示復(fù)雜鋯石內(nèi)部微區(qū)的U/Pb和207Pb/206Pb年齡信息。2.2離子探針質(zhì)譜法單顆粒鋯石蒸發(fā)法是八十年代才發(fā)展起來的,不需任何化學(xué)處理,簡(jiǎn)便快速。K?ber首次通過逐層蒸發(fā)包在燈絲上的單顆粒鋯石,用熱電離質(zhì)譜測(cè)量207Pb/206Pb,從而獲得207Pb/206Pb年齡信息。它能夠揭示鋯石內(nèi)部的信息,利用此方法成功地討論了南非Barberstone帶的形成時(shí)代。國(guó)內(nèi)王長(zhǎng)秋等利用此方法和離子探針質(zhì)譜法對(duì)遼西建平雜巖歷史進(jìn)行研究,證實(shí)前人研究結(jié)論,并認(rèn)為該方法確定太古宙地質(zhì)事件時(shí)代具有重要作用。但是該方法存在一定局限性:(1)僅能提供207Pb/206Pb年齡,不能測(cè)定U/Pb年齡,無法判斷U-Pb同位素體系是否封閉;(2)精度較差,使其無法精確對(duì)地質(zhì)事件定年,一般僅適合于樣品初選。2.3%的u/pb/400pb高靈敏離子探針質(zhì)譜法是目前國(guó)外討論鋯石U-Pb法年齡的最高水平,分辨率可達(dá)20~30μm,且快速、簡(jiǎn)便,可在較短的時(shí)間內(nèi)提供精度可達(dá)1~2%的U/Pb和207Pb/206Pb值。最大優(yōu)點(diǎn)在于此法可以對(duì)單顆粒鋯石原位微區(qū)定年,使得鋯石年代學(xué)發(fā)生革命性變化,它揭示出復(fù)雜的鋯石內(nèi)部年齡信息。自從Froude等首次用此方法測(cè)得地球上最古老碎屑鋯石年齡后,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功地利用離子探針質(zhì)譜法討論各地質(zhì)事件的時(shí)代。但是仍然存在一些不足之處:(1)測(cè)試精度(1%~2%)不及單顆粒微量鋯石熱電離質(zhì)譜法(TIMS);(2)分析成本高,嚴(yán)重阻礙該方法廣泛的使用。2.4鋯石u/pb年齡測(cè)定問題激光等離子質(zhì)譜法是隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展,在近幾年新建立起來的,是所有顆粒鋯石定年中發(fā)展最快的一種定年方法。Feng等和Frey等首次應(yīng)用波長(zhǎng)為(Nd:YAG)1064nm和高精度ICP-MS測(cè)定鋯石微區(qū)207Pb/206Pb年齡,研究表明空間分辨率為30~60μm,207Pb/206Pb精度可達(dá)0.5%~6%,取決于分析點(diǎn)Pb的含量。對(duì)粒徑>60μm、Pb>3×10-6的鋯石年齡結(jié)果與TIMS測(cè)定值偏差1%,由于存在元素分餾效應(yīng),故不能準(zhǔn)確地測(cè)定U/Pb年齡。Hirata等利用波長(zhǎng)為266nm的紫外激光探針和高精度ICP-MS探討鋯石的微區(qū)207Pb/206Pb和U/Pb年齡信息,并與前人利用高靈敏離子探針法(SHIMP)測(cè)定過的同一鋯石的微區(qū)207Pb/206Pb和U/Pb年齡相對(duì)比,結(jié)果表明207Pb/206Pb測(cè)定精度為0.6%~5%,利用動(dòng)態(tài)聚集系統(tǒng)降低U/Pb分餾效應(yīng),來提高U/Pb精度(3%~20%),但效果不明顯。后來利用軟電離技術(shù)來改善U/Pb比值測(cè)定的穩(wěn)定性,同時(shí)利用Ar氣冷卻熔樣點(diǎn),降低U/Pb分餾效應(yīng),使U/Pb精度只能達(dá)到1%~10%。最近Horn等用連續(xù)溶樣霧化和激光溶樣相結(jié)合的方法,通過高精度ICP-MS對(duì)新元古代或更老的鋯石進(jìn)行探討,利用205Tl/203Tl205和Tl/235U溶液校正質(zhì)量岐視,保持激光能量不變時(shí),通過圓柱狀熔樣點(diǎn)的大小和深度來校正元素分餾效應(yīng)。結(jié)果表明利用此方法得到的鋯石年齡與前人利用熱電離質(zhì)譜法和離子探針質(zhì)譜法的結(jié)果一致。對(duì)于U≥65-270μg/g的鋯石可得到精度<2.0%的207Pb/206Pb和206Pb/238U,207Pb/235U精度<3%,與離子探針質(zhì)譜法相當(dāng)。國(guó)內(nèi)閻欣等和劉海巨等分別利用波長(zhǎng)為1064nm和266nm的紅外激光和紫外激光對(duì)鋯石微區(qū)年齡進(jìn)行探索性研究,得出與前人研究較為類似的結(jié)論,精度比前人略高些。后來利用紫外激光和高精度ICP-MS就激光聚集方式、采樣方式、滯留時(shí)間和樣品校正等進(jìn)一步討論,同時(shí),利用線掃描法,對(duì)中生代鋯石樣品進(jìn)行微區(qū)207Pb/206Pb和206Pb/238U年齡探討,結(jié)果表明年輕鋯石的微區(qū)定年精度為2%~10%,有望與SHRIMP相比。鋯石微區(qū)激光探針等離子質(zhì)譜法定年成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。該方法價(jià)格較低,容易推廣,且能揭示復(fù)雜鋯石內(nèi)部微區(qū)年齡信息。但是目前存在一些有待于進(jìn)一步解決的問題:(1)目前對(duì)激光與物質(zhì)相互作用過程不清,制約對(duì)元素分餾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的理解,激光溶樣過程中元素的分餾效應(yīng),有待于進(jìn)一步研究;(2)如何準(zhǔn)確校正激光探針等離子質(zhì)譜的質(zhì)量岐視效應(yīng);(3)如何準(zhǔn)確獲得年輕的鋯石Pb/U值。故激光探針等離子質(zhì)譜法鋯石定年還需要做大量工作進(jìn)一步完善。2.5鋯石u-tho2和u2含量電子探針化學(xué)Th-U-全熔Pb年齡等時(shí)線法九十年代才開始開展工作,目前研究很少。Suzki等首次利用電子探針對(duì)鋯石的年齡進(jìn)行探討,利用亞顆粒法,通過測(cè)得鋯石中的PbO、ThO2和UO2含量,由公式計(jì)算出鋯石的Th-U-全熔Pb年齡,利用此方法得出的結(jié)果與前人測(cè)出的年齡結(jié)果基本一致,對(duì)古生代和中生代鋯石較為適用。近來Geisler等建立起利用電子探針準(zhǔn)確測(cè)定鋯石中PbO、ThO2和UO2含量方法,并對(duì)前寒武紀(jì)花崗巖中鋯石進(jìn)行了電子探針化學(xué)Th-U-全熔Pb年齡等時(shí)線法研究,因U-Pb同