鋯石成因礦物學與同位素研究綜述

鄭改紅 張藤藤

摘 ?要：鋯石是一種常見的副礦物，廣泛存在于巖漿巖，變質巖和沉積巖中，具有高度穩定性的礦物，具有穩定的晶體結構，在經歷風化、搬運、剝蝕等各種地質過程中內部結構不容易發生蝕變從而使其保存下來。近年來越來越多的學者對鋯石進行研究。不同成因類型巖石中的鋯石具有不同的結構特征，對鋯石成因類型的準確判斷是正確理解鋯石U-Pb年齡意義的關鍵。通過對鋯石微量元素，稀土元素和同位素特征進行研究，再結合鋯石的陰極發光圖像（CL）、背散射電子圖像（BSE）等，能夠指示巖石的來源和成因。

關鍵詞：鋯石;結構特征;U-Pb定年

由于鋯石在各類巖石中廣泛存在，是一種非常好的定年礦物。鋯石的U-Pb定年方法目前應用最廣泛的儀器是激光剝蝕等離子體質譜法（LA-ICPMS），本文主要研究由于不同的形成環境而導致不同結構特征的鋯石石并結合原位微區測試技術對微量元素和同位素進行研究，從而推測其生長環境，形成過程，指示其來源和成因。對所測出來的鋯石年齡進行解釋時，應該結合其礦物學的結構特征。

1 不同成因鋯石的結構特征

進行鋯石定年首先要區分鋯石的種類，區分巖漿鋯石，變質鋯石，熱液鋯石的主要方法就是觀察樣品的內部結構。在對鋯石內部結構進行研究時一般會用HF酸蝕刻圖像、背散射（BSE）圖像、陰極發光電子（CL）圖像等來觀察其內部結構。

2 鋯石的化學成分特征及在巖石成因中的應用

根據鋯石的U和Th的含量不同來判別鋯石的類型，鋯石的Th/U比值被用作判斷其成因的標志，如果Th/U 比值>0.10就認為它是巖漿鋯石，反之，則認為是變質鋯石，盡管大部分變質鋯石的Th/U含量低，但還是有一些變質鋯石的Th/U含量大于0.10，如重結晶鋯石和高溫變質作用中的鋯石其Th/U往往偏大。影響鋯石中Th和U的含量的原因比較復雜，其中包括整個環境中的Th、U含量，以及這兩種元素進入不同礦物的能力不同鎖導致。因此，在判別巖漿鋯石和變質鋯石時需要與鋯石的內部結構特征、包裹體、形成條件及其化學特征相結合，才能做出合理的判斷。

稀土元素是最有用的微量元素，在火成巖、沉積巖和變質巖學到的研究中具有重要的作用。有些學者把鑭系分為三組：輕稀土元素LREE（La-Nd），中稀土元素MREE（Sm-Ho）和重稀土元素HREE（Er-Lu）。

Y元素的含量變化與稀土元素類似，巖漿鋯石的（REE+Y）質量分數一般不會超過1%，異常高含量的（REE+Y）大部分是因為蝕變或（REE+Y）含量高的包裹體的影響。典型的沒有發生過蝕變的巖漿鋯石中的稀土元素配分為虧損輕稀土元素，逐漸富集重稀土元素，即從Sm 到Lu逐漸增高，同時顯示Ce的正異常和Eu的負異常。

變質鋯石的微量元素在一定程度上也能反映其礦物共生的信息，鋯石若是虧損重稀土則表明與石榴石共生，若是虧損輕稀土表明與獨居石共生，Eu負異常表明與長石共生，而這些礦物的存在能夠反應其變質作用的高低。不同程度的變質相中存在不同的稀土元素配分模式。

鋯石中常常存在包裹體，不同的環境中可以形成不同的礦物組合的鋯石包裹體，通過對包裹體礦物成分的研究不但可以很好指示原巖的演化歷史，還能直接對巖漿的形成環境進行有效制約。鋯石中包裹體到的形成主要有以下三種機制：1、鋯石在生長期間捕獲同一時間段內形成的包裹體礦物即原生包裹體。2、包裹體礦物沿著鋯石的微裂隙進入原來存在的鋯石中 即次生包裹體。3、寄主鋯石中原來的包裹體礦物發生相變形成新的包裹體礦物。由于鋯石具有很高的礦物穩定性，鋯石捕獲了包裹體礦物后，其礦物成分很難被后期地質作用改造，即便是經歷超高壓變質作用，殘留鋯石中的低壓礦物成分還可以保存下來。這些結果都表明鋯石中的礦物包裹體通過第3種機制形成的可能性很小。所以，如何鑒別鋯石中的包裹體為原生或次生成因是解決鋯石成因問題的關鍵。

3 鋯石的U-Pb同位素年代學

鋯石微區原位U-Pb定年方法近年來主要運用ID-TIMS、SHRIMP、二次離子質譜法（SIMS）及激光剝蝕等離子體質譜法（LA-ICPMS）。LA-ICPMS因其可以進行原位測試、廉價、準確、快速而被廣泛運用于地質學定年分析中，但其測試精度低于ID-TIMS和SHRIMP。

樣品制備分為三個階段：1、鋯石的挑選;2、樣品靶制備;3、顯微圖像采集。通過透射光圖像可以觀察鋯石內部是否有包裹體，通過反射光圖像可以觀察鋯石是否裂開，通過陰極發光電子圖像觀察鋯石的內部結構。

鋯石對化學作用及機械作用都很穩定，所以鋯石U-Pb法定年已經廣泛應用于地質學中。離子探針研究表明鋯石的成因比較復雜，只有在對大量鋯石顆粒的形態、地球化學特征進行詳細地研究的基礎上，再對單顆粒鋯石及其微區進行測定，才能獲得具有地質意義的年齡信息。目前顆粒鋯石微區定年方法主要有單顆粒微量熱電離質譜法（TIMS）、單顆粒鋯石蒸發法、離子探針質譜法（SHRIMP）、激光剝蝕等離子體質譜法（LA-ICPMS）以及電子探針化學礦物法。對巖漿鋯石進行打點時要打環帶比較好的邊部，如果有核，核部年齡代表巖漿結晶前殘留基地的時代，邊部年齡代表巖漿結晶的年齡，打點時禁止在核邊混合處打點，避免包裹體和裂隙。

4 鋯石Hf同位素的地質應用

Hf 同位素示蹤的基本原理與 Nd 同位素相同。Hf 與 Zr 呈類質同象存在于鋯石的礦物晶格中，相對其他礦物，鋯石中 w（Hf）高，同時由于w（Lu/Hf）值極低，這樣鋯石的 Hf 同位素組成基本上代表了鋯石結晶時的初始 Hf 同位素組成（Amelin et al.，1999）。加上鋯石化學性質穩定，具有很高的 Hf 同位素封閉溫度，即使在外部環境遭受到強烈的變化時也能夠保持其內部的特征不變，因此鋯石中的 Hf 非常適合于巖石成因的 Hf 同位素研究。可以通過多組鋯石的 Hf 同位素來認識其演化過程。鋯石微區年齡、稀土元素的測定與 Hf 同位素研究相結合，是示蹤殼幔相互作用、研究區域大陸地殼增長的有力工具。

通過研究鋯石的Hf同位素，得出寄主巖石物質的來源，再通過鋯石的同位素定年確定形成的年齡，結合鋯石內部結構可以對寄主巖石的形成和經歷的地質事件結合，從而反演巖漿作用過程。

5 討論

由于鋯石中Ti含量與其形成溫度有良好的線性關系，鋯石Ti含量也可作為地質溫度計。但是這種溫度計具有壓力效應，所以在什么壓力條件下使用Ti溫度計也是一個問題，因此，在應用地質溫度計時，要結合樣品的巖相學、礦物包裹體和微量元素、U-Pb體系定年等方面予以綜合考慮。

鋯石中的微量元素和稀土元素能夠提供形成的環境信息，重建巖漿歷史，反演巖漿源區的性質，應用鋯石U-Pb定年，Hf同位素示蹤，結合背散射（BSE）圖像，陰極發光電子（CL）圖像，氧同位素，微量元素成分和形成時的溫度等信息進而研究巖石成因，地殼形成。

參考文獻

[1] ?范建軍，李才，王明，解超明，吳彥旺.青藏高原羌塘南部岡瑪錯地區展金組的沉積環境分析及碎屑鋯石U-Pb定年[J].地質學報，2014，88（10）：1820-1831.