锆石形态及影响因素研究进展

锆石形态及影响因素研究进展

锆是岩浆岩、变质岩、沉积岩和月岩中最重要的副产品。由于锆石具有特殊的矿物性质,能够用来讨论岩石成因和地质事件的形成时代。为了深入讨论锆石的成因,不少学者分别从锆石的形态、主量、微量和稀土元素以及氧同位素等方面进行了一系列研究[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],特别是近十几年离子探针开发以来,人们逐渐认识到同一地质体的不同锆石颗粒以及同一锆石颗粒内部的不同区域,均可能具有不同的成因,故只有对大量锆石颗粒进行全面分析,才可以得出具有地质意义的锆石成因,在此方面已取得了一定研究进展。同时,因锆石具有富含U和Th、普通铅含量低及封闭温度高的特征,是U-Pb法确定地质事件时代最理想的矿物。由于离子探针和激光等离子质谱的技术发展,特别后者近几年取得很大进展,利用颗粒锆石微区的U-Pb法讨论地质事件形成时代成为国际地质学界研究热点[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]。本文就国内外关于锆石以上方面的研究成果进行综述。1锆的起源1.1锆石晶型特征锆石属于四方体心格子结构,规则而多变的晶面组合特征使其成为一个典型的形态标型矿物。研究表明,锆石晶体大小取决于初始岩浆的Zr含量,而它的晶型是由晶体内部结构和结晶时的物理化学条件所决定的。锆石的基本形态特征可以揭示它在岩石中的历史,并据此合理地解释所得到的年龄值,故锆石形态学研究备受学者的关注。锆石的形态由理论上最可能出现的晶面{100}、{110}、{211}和{101}四种单形任意组合而成。对锆石形态研究经历了定性到半定量,最后发展到定量描述的过程。最初Poldervaart等提出利用锆石长度、宽度及其比值和频率分布曲线来讨论火成岩中锆石的形态特征。Pupin对花岗岩中锆石形态学系统地总结后,提出锆石晶型分类法。另外,通过测定C轴长度和a1,a2轴宽度被称为单一主轴法描述锆石的形态特征。近十年来,定量描述锆石方法出现不少,如:Hayashi等通过对锆石形态仔细研究后,设计了平直度(flatness)、延长率(elongation)、柱面和锥面四种指数,这四种指数组合成PPET图解定量描述锆石的柱面与锥面、平直度与延长率之间的关系。Vavra利用阴极发光技术从锆石晶面中选取特定晶面为参考晶面,然后测定各晶面与参考晶面的中心距离,通过测得锆石群每个锆石中心距离后建立其与生长速度的函数关系,来定量描述锆石形态特征。国内汪相设计锆石柱面、锥面和延长三种指数,建立了简便和全面的锆石形态的定量描述方法,并利用此方法,再结合锆石微量元素特征成功地讨论了浙江青田钙碱性花岗岩中微粒暗色包体的成因。锆石的晶型特征主要受到结晶时物理化学条件的影响。晶体柱面和锥面形态分别取决于锆石生长介质中ZrSiO4过饱度和特殊微量元素浓度。Pupin认为锆石的柱面{100}和{110}相对发育程度的T指数和常见锥面的A指数分别与锆石结晶时温度和(Na+K)/Al值呈正相关。而Benisek等通过电子探针和背散射电子图象技术研究了花岗岩中垂直于C轴锆石薄片,结果表明锆石{110}柱面与岩浆中U有关,锆石柱面{100}、{110}之间存在U4+和Hf4+含量差别,锥面存在Th4+和Y3+含量差别,这种微量元素差别制约晶面生长速度,故晶型的变化是由于不同晶面上微量元素差异性分配所造成的。Hayashi等利用自已建立起来的锆石形态PPET图解描述法,通过通量(flux)法和加入元素合成锆石方法讨论了不同元素对锆石形态的影响,研究表明替代Si的离子半径较小的P、B、S元素有利于形成柱面,而替代Zr原子的大离子半径的Mn、Ni、K、Mg、Ca有利于锥面生长。1.2岩石学和稀土元素特征锆石的主量、微量和稀土元素以及氧同位素地球化学特征提供了丰富的地质信息。前人对岩浆岩、斜长角闪岩、碱性玄武岩捕虏体、金伯利岩质岩和月岩等中锆石的地球化学特征方面进行了讨论和总结。分析方法主要包括电子探针法、中子活化法、离子探针法和激光ICP-MS法,测定锆石的主量、微量和稀土元素含量,再结合阴极发光(CL)、背散射电子图象(BSE)技术和喇曼光谱等技术来讨论锆石的分带现象,可揭示出锆石的复杂发展史。锆石常量和微量元素地球化学特征可用来研究锆石的成因。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在花岗岩锆石中呈类质同像形式赋存,其中最小离子径的Hf以无序固溶体形式与Zr完全相溶,而Y和P在较低的温度条件下常呈磷钇矿与锆石不完全相容[13。14。19]。一般锆石中存在三种类型的类质同像替换:常规型(HfZr-1)、磷钇矿型[(Y,REE,Fe)3+P5+(Zr,Hf)4+-1Si4+-1]和块磷铝石型(Al3+P5+Si4+-2),另外可能存在P5+Al3+Si4+-1Zr4+-1。岩浆型锆石具有晶体核部到边缘或环带内侧到外侧ZrO2/HfO2减小,而HfO2、UO2+ThO2增大,喇曼光谱吸收峰强度减弱特征;变质成因锆石与之截然相反。变质型锆石的Th/U值比岩浆型锆石高,岩浆型锆石Th/U值一般小于4。锆石常量和微量元素在不同类型的岩石中具有一定的规律,如:花岗岩中锆石P和Y含量较高;碳酸岩和霞石正长岩具有较低Sc、中等Hf;镁铁质锆石具有较高Sc、较低Hf和较高Th/U特征;金伯利岩中锆石以极低的U、Th、P和Y为特征;月岩中锆石具有中等U、Th和较高的Zr/Hf为特征。另外,Hf/Zr×10-La/Lu-Th/U和Hf-Y图解很好区分不同类型岩石中的锆石。锆石的某些元素含量与母岩所处的构造环境有关,如:发育于大陆裂谷环境的碳酸岩和霞石正长岩中锆石Hf较低。锆石富有稀土元素的性质,稀土元素特征可以讨论锆石的成因。地壳岩石中锆石稀土元素总量一般几百到几千μg/g,镁铁质和长英质岩石中锆石含量较高;正长岩中锆石具有正Ce或负Ce异常、负Eu异常和中等富集HREE趋势为特征;紫苏花岗岩和混合岩中锆石具有明显负Eu异常、无Ce异常和无明显HREE富集趋势为特征;碳酸岩和伟晶岩以无明显的Ce和Eu异常和轻重稀土分异程度变化较大为特征;镁铁质火山岩具有明显的轻重稀土分异的特征;金伯利岩中锆石稀土元素总量较地壳岩石中锆石低,一般小于50μg/g,无明显的Eu和Ce异常,轻重稀土分异程度不明显;月岩中锆石以稀土元素总量变化较大,具有明显负Eu异常、Ce异常不明显,明显富集重稀土元素为特征。天然和合成的锆石中稀土元素扩散研究表明,随着离子半径变小,La到Lu扩散率逐渐增大。由于锆石的难熔性,常规BrF5方法难以凑效。但是激光探针温度可达2000~4000K,对单颗粒锆石氧同位素进行研究成为可能。Valley等利用激光探针法对纽约州山岩套中不同类型锆石进行详细的氧同位素研究表明变质低磁性锆石和岩浆锆石都保持最初δ18O值,比幔源岩浆初始平衡值高2~3‰,并未受到后期麻粒岩相变质作用的显著影响。故δ18O值增大的时间可由岩浆锆石确定大约1150Ma,即岩浆结晶时间。故锆石的氧同位素与U-Pb年龄相结合,提供了一种讨论复杂岩浆、变质和热液活动历史的新手段。2锆石成因的年龄研究锆石对化学作用及机械作用都很稳定,并且普通铅含量低,富含U、Th,扩散率很低,封闭温度高等特征,故锆石U-Pb法一直是地质学者讨论地质事件时代的重要方法之一。离子探针研究表明锆石的成因比较复杂,只有在对大量锆石颗粒的形态、地球化学特征进行详细地研究的基础上,再对单颗粒锆石及其微区进行测定,才能获得具有地质意义的年龄信息。目前颗粒锆石微区定年方法主要有单颗粒微量热电离质谱法(TIMS)、单颗粒锆石蒸发法、离子探针质谱法(SHRIMP)、激光等离子体质谱法以及电子探针化学矿物法。2.1单颗粒锆石热在地质事件中的研究目前应用最广泛的锆石定年方法是微量和单颗粒热电离质谱法。Krough建立起超低本化学流程,利用热电离质谱法测定锆石U-Pb年龄,样品量由常规毫克级缩到微量和颗粒微克级,后来利用空气磨蚀技术加以改进。国内李惠民等在Krough流程的基础上对锆石的溶解和U-Pb分离技术做了相应改进,建立起使用混合208Pb-235U稀释剂单颗粒锆石热电离质谱法,成功地测得泉州辉长岩、斜长角闪岩、麻粒岩、石英脉等中锆石的年龄,是目前国内应用锆石U-Pb法讨论地质事件最主要的方法。近几年人们尝试利用样品量达亚微克级的逐步溶解技术和单颗粒锆石碎片技术对其加以改进。单颗粒锆石热电离质谱法的确是锆石定年技术的最重要进展之一,要求样品量少,具有高精度(0.1%)的207Pb/206Pb和Pb/U值,可以作为基准的锆石U-Pb定年方法。但是该方法存在一定局限性:(1)它需要比较复杂的前处理过程,比较费时,如:空气磨蚀、化学分解和U/Pb分离等需要熟练的分析操作技术;(2)实验流程本底要求特别低,一般全流程铅空白为0.03~0.05ng,铀空白为0.002-0.004ng;(3)最大的缺陷是无法揭示复杂锆石内部微区的U/Pb和207Pb/206Pb年龄信息。2.2离子探针质谱法单颗粒锆石蒸发法是八十年代才发展起来的,不需任何化学处理,简便快速。Køber首次通过逐层蒸发包在灯丝上的单颗粒锆石,用热电离质谱测量207Pb/206Pb,从而获得207Pb/206Pb年龄信息。它能够揭示锆石内部的信息,利用此方法成功地讨论了南非Barberstone带的形成时代。国内王长秋等利用此方法和离子探针质谱法对辽西建平杂岩历史进行研究,证实前人研究结论,并认为该方法确定太古宙地质事件时代具有重要作用。但是该方法存在一定局限性:(1)仅能提供207Pb/206Pb年龄,不能测定U/Pb年龄,无法判断U-Pb同位素体系是否封闭;(2)精度较差,使其无法精确对地质事件定年,一般仅适合于样品初选。2.3%的u/pb/400pb高灵敏离子探针质谱法是目前国外讨论锆石U-Pb法年龄的最高水平,分辨率可达20~30μm,且快速、简便,可在较短的时间内提供精度可达1~2%的U/Pb和207Pb/206Pb值。最大优点在于此法可以对单颗粒锆石原位微区定年,使得锆石年代学发生革命性变化,它揭示出复杂的锆石内部年龄信息。自从Froude等首次用此方法测得地球上最古老碎屑锆石年龄后,国内外已经成功地利用离子探针质谱法讨论各地质事件的时代。但是仍然存在一些不足之处:(1)测试精度(1%~2%)不及单颗粒微量锆石热电离质谱法(TIMS);(2)分析成本高,严重阻碍该方法广泛的使用。2.4锆石u/pb年龄测定问题激光等离子质谱法是随着激光技术的快速发展,在近几年新建立起来的,是所有颗粒锆石定年中发展最快的一种定年方法。Feng等和Frey等首次应用波长为(Nd:YAG)1064nm和高精度ICP-MS测定锆石微区207Pb/206Pb年龄,研究表明空间分辨率为30~60μm,207Pb/206Pb精度可达0.5%~6%,取决于分析点Pb的含量。对粒径>60μm、Pb>3×10-6的锆石年龄结果与TIMS测定值偏差1%,由于存在元素分馏效应,故不能准确地测定U/Pb年龄。Hirata等利用波长为266nm的紫外激光探针和高精度ICP-MS探讨锆石的微区207Pb/206Pb和U/Pb年龄信息,并与前人利用高灵敏离子探针法(SHIMP)测定过的同一锆石的微区207Pb/206Pb和U/Pb年龄相对比,结果表明207Pb/206Pb测定精度为0.6%~5%,利用动态聚集系统降低U/Pb分馏效应,来提高U/Pb精度(3%~20%),但效果不明显。后来利用软电离技术来改善U/Pb比值测定的稳定性,同时利用Ar气冷却熔样点,降低U/Pb分馏效应,使U/Pb精度只能达到1%~10%。最近Horn等用连续溶样雾化和激光溶样相结合的方法,通过高精度ICP-MS对新元古代或更老的锆石进行探讨,利用205Tl/203Tl205和Tl/235U溶液校正质量岐视,保持激光能量不变时,通过圆柱状熔样点的大小和深度来校正元素分馏效应。结果表明利用此方法得到的锆石年龄与前人利用热电离质谱法和离子探针质谱法的结果一致。对于U≥65-270μg/g的锆石可得到精度<2.0%的207Pb/206Pb和206Pb/238U,207Pb/235U精度<3%,与离子探针质谱法相当。国内阎欣等和刘海巨等分别利用波长为1064nm和266nm的红外激光和紫外激光对锆石微区年龄进行探索性研究,得出与前人研究较为类似的结论,精度比前人略高些。后来利用紫外激光和高精度ICP-MS就激光聚集方式、采样方式、滞留时间和样品校正等进一步讨论,同时,利用线扫描法,对中生代锆石样品进行微区207Pb/206Pb和206Pb/238U年龄探讨,结果表明年轻锆石的微区定年精度为2%~10%,有望与SHRIMP相比。锆石微区激光探针等离子质谱法定年成为国内外研究热点。该方法价格较低,容易推广,且能揭示复杂锆石内部微区年龄信息。但是目前存在一些有待于进一步解决的问题:(1)目前对激光与物质相互作用过程不清,制约对元素分馏效应产生机理的理解,激光溶样过程中元素的分馏效应,有待于进一步研究;(2)如何准确校正激光探针等离子质谱的质量岐视效应;(3)如何准确获得年轻的锆石Pb/U值。故激光探针等离子质谱法锆石定年还需要做大量工作进一步完善。2.5锆石u-tho2和u2含量电子探针化学Th-U-全熔Pb年龄等时线法九十年代才开始开展工作,目前研究很少。Suzki等首次利用电子探针对锆石的年龄进行探讨,利用亚颗粒法,通过测得锆石中的PbO、ThO2和UO2含量,由公式计算出锆石的Th-U-全熔Pb年龄,利用此方法得出的结果与前人测出的年龄结果基本一致,对古生代和中生代锆石较为适用。近来Geisler等建立起利用电子探针准确测定锆石中PbO、ThO2和UO2含量方法,并对前寒武纪花岗岩中锆石进行了电子探针化学Th-U-全熔Pb年龄等时线法研究,因U-Pb同