锆石地球化学特征及地质应用研究综述的论文

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6 ,对于年龄为数十百万年甚至是15 ma 的年轻独居石,可获得与icp-ms 同位素定年相近的结果,xrf 化学定年的精度和分辨率大大高于empa ,但在相同空间分辨率的情况下,xrf化学年龄与同位素年龄测定的比较有待进一步研究。其另一优势是仪器成本较低,装置简单,易于组建和操作。但由于xrf 的空间分辨率较低,因此不适于分析内部具有不均一年龄分区的、粒度小的独居石 12 ,16 。 尽管微区原位测试技术给出了重要的、空间上可分辨的年龄信息,但在精确度、准确度方面仍无法与传统的同位素稀释热电质谱技术( id-tims) 相比。代写硕士论文 在副矿物不存在继承性(如对幔源岩石、陨石等中的锆石进行定年) 的情况下, id-tims 仍得到广泛使用。 2 锆石u-th-pb 同位素年代学 2. 1 锆石u-th-pb 同位素体系特征及定年进展 由于锆石具有物理、化学性质稳定,普通铅含量低,富含u 、th w (u) 、w ( th) 可高达1 %以上 ,离子扩散速率很低17 ,封闭温度高等特点,因此锆石已成为u-pb 法定年的最理想对象1 。 虽然锆石通常能较好地保持同位素体系的封闭,但在某些变质作用或无明显地质作用过程中亦可能丢失放射性成因铅,使得其t (206 pb/ 238 u) 和t (207 pb/ 235 u) 两组年龄不一致。造成锆石中铅丢失的一个最主要原因是锆石的蜕晶化作用;此外,部分重结晶作用也是导致锆石年龄不一致的又一原因18-19 。 锆石内部经常出现复杂的分区,每一区域可能都记录了锆石所经历的结晶、变质、热液蚀变等复杂的历史过程20-21 。因此,在微区分析前,详细研究锆石的形貌和内部结构对解释锆石的u2pb 年龄、微区化学成分和同位素组成的成因至关重要。只有对同一样品直接进行结构和年龄的同步研究,才能得到有地质意义的年龄。利用hf 酸蚀刻图像、阴极发光图像(cat hodo luminescence ,简称cl) 和背散射电子图像( back2scat tered elect ron image , 简称bse) 技术可观察锆石内部复杂的结构20 。 近年来,锆石年代学研究实现了对同一锆石颗粒内部不同成因的锆石域进行微区原位年龄分析,提供了矿物内部不同区域的形成时间,使人们能够获得一致的、清楚的、容易解释的地质年龄,目前已经能够对那些记录在锆石内部的岩浆结晶作用、变质作用、热液交代和退变质作用等多期地质事件进行年龄测定,从而建立起地质过程的精细年龄框架。 例如,变质岩中锆石的结构通常非常复杂,对具有复杂结构锆石的定年可以得到锆石不同结构区域的多组年龄,这些年龄可能分别对应于锆石寄主岩石的原岩时代、变质事件时间(一期或多期) 及源区残留锆石的年龄等。对这些样品中锆石的多组年龄如何进行合理的地质解释,是目前锆石u-pb 年代学研究的重点和难点21 ,而明确不同成因域的锆石与特定p-t 条件下生长的、不同世代矿物组合的产状关系是合理解释的关键。吴元保等21 的研究表明,锆石的显微结构、微量元素特征和矿物包裹体成分等可以对锆石的形成环境进行限定,从而为锆石u-pb 年龄的合理解释提供有效的制约。目前对变质岩中锆石、独居石等矿物定年的主要方法是先从岩石中分选出测年用的单矿物,然后用环氧树脂固定并抛光制成靶, 再进行微形貌观察和年龄的原位测定。但这样往往破坏了待测矿物与特定地质事件的原始结构关系。为此,陈能松等8 提出了原地原位测年的工作思路,即利用各种微区原位测试技术直接测定岩石薄片中与特定温压条件下生长的不同世代矿物组合、产状关系明确的锆石和独居石等富u-th-pb 的副矿物在不同成因域的年龄,从而将精确的年龄结果与特定的变质事件或变质反应联系起来。 2. 2 锆石微区定年的示踪作用 火成岩中耐熔的继承锆石可以保持u-pb 同位素体系和稀土元素(ree) 的封闭,从而包含了关于深部地壳和花岗岩源区的重要信息22-23 ,可用于花岗岩物源和基底组成的示踪。代写职称论文笔者在研究江西九岭花岗岩中的锆石时,发现部分锆石边部发育典型的岩浆成因的环带,其中心具有熔融残余核(图1) 。shrimp 分析表明,这2 部分的年龄组成有明显的差别,环带部分的年龄约为830 ma ,而核部的年龄集中在1 4001 900 ma ,核部年龄可能代表花岗岩源岩的锆石组成年龄。 dele rosa 等23 通过研究葡萄牙境内欧洲variscan 造山带缝合线两侧的花岗闪长岩、星云岩中继承锆石的稀土元素和u2pb 同位素特征,发现这2 组锆石无论是在年龄谱上还是在ree 组成上,均存在明显差异,说明它们来源不同,即这2 个地区深部地壳的物质组成(基底) 不同。 近年来,随着la-icp-ms 技术的发展,沉积岩中碎屑锆石的年龄谱分析广泛应用于沉积岩源区物质成分组成和地壳演化的研究24-27 。通过对比盆地沉积物中锆石的u-pb 年龄谱和盆地毗邻山脉出露岩体的年龄,可以了解某一沉积时期沉积物源区的多样性及盆地不同时期物源性质的变化特征。该方法同时还可估算地层的最大沉积年龄。 3 锆石化学成分特征及其在岩石成因中的应用 通常,在组成锆石的总氧化物中, w ( zro2 ) 占67. 2 %、w ( sio2 ) 占32. 8 % , w ( hfo2 ) 占0. 5 %2. 0 % ,p、th 、u 、y、ree 常以微量组分的形式出现。由于y、th 、u 、nb 、ta 等离子半径大、价态高,代写留学生论文使得它们不能包含在许多硅酸盐造岩矿物中,趋向于在残余熔体中富集,而锆石的晶体结构可广泛容纳不同比例的稀土元素,因此锆石成为岩石中u 、th 、hf 、ree 的主要寄主矿物1 ,28231 。稀土元素和一些微量元素是限定源岩性质和形成过程最重要的指示剂之一,锆石中的离子扩散慢,因此锆石中的稀土元素分析结果可为它们的形成过程提供重要的地球化学信息。 3. 1 锆石中的w ( th) 、w (u) 及w ( th) / w (u) 比值 大量的研究21 ,28 表明,不同成因的锆石有不同的w ( th) 、w (u) 及w ( th) / w (u) 比值:岩浆锆石的w ( th) 、w (u) 较高, w ( th) / w (u) 比值较大(一般大于014) ;变质锆石的w ( th) 、w (u) 低, w ( th) /w (u) 比值小(一般小于011) 。但也有例外情况,有些岩浆锆石就具有较低的w ( th) / w (u) 比值(可以小于0. 1) ,部分碳酸岩样品中的岩浆锆石则具有异常高的w ( th) / w (u) 比值(可以高达10 000) 21 ,28 ,所以,仅凭锆石的w ( th) / w (u) 比值有时并不能有效地鉴别岩浆锆石和变质锆石。 3. 2 锆石微量元素、稀土元素特征及其应用 锆石的稀土元素特征研究主要用于判断其寄主岩石的成因类型,但岩浆锆石的微量元素特征是否能判断寄主岩石的类型目前还存在较大的争议21 。而一些变质岩(如麻粒岩) 中的变质锆石可以具有较高的w ( th) / w (u) 比值21 。 hoskin 等 29-30 认为,虽然幔源岩石中的锆石与壳源岩石中的锆石在ree 含量及稀土配分模式上具有明显差别,但并未发现不同成因的壳源岩石中锆石的ree 特征存在系统差异,它们具有非常类似的ree 含量和稀土配分模式, 目前对壳源锆石ree 组成如此相似的原因并不清楚。 belousova 等28 ,31 的研究结果表明,锆石中的稀土元素丰度对源岩的类型和结晶条件很敏感。从超基性岩基性岩花岗岩,锆石中的稀土元素丰度总体升高。锆石的w (ree) 在金伯利岩中一般低于50 10 - 6 ,在碳酸盐岩和煌斑岩中可达600 10 - 6 700 10 - 6 ,在基性岩中可达2 000 10 - 6 ,代写英语论文 而在花岗质岩石和伟晶岩中可高达百分之几。这种趋势反映了岩浆的分异程度。 正长岩中锆石具有正ce 异常、负eu 异常和中等富集重稀土元素( hree) ;花岗质岩石中锆石明显负eu 异常、无ce 异常,无明显hree 富集;碳酸岩中锆石无明显的ce 、eu 异常,轻、重稀土元素分异程度变化较大;镁铁质火山岩中锆石的轻、重稀土元素分异明显;金伯利岩中锆石无明显的eu 、ce 异常,轻、重稀土元素分异程度不明显28 ,31 (图2) 。大部分地球岩石中锆石的hree 比l ree 相对富集,显示明显的正ce 异常、小的负eu 异常;而陨石、月岩等地外岩石中锆石则具强的eu 亏损、无ce 异常28 。belousova 等28 建立了通过锆石的微量元素对变化图解和微量元素的质量分数来判别不同类型的岩浆锆石的统计分析树形图解。 与岩浆锆石相比,变质锆石hree 的富集程度相对lree 的变化较大。岩浆锆石具有明显的负eu 异常,形成于有熔体出现的变质锆石具有与岩浆锆石类似的特征:富u 、y、hf 、p ,ree 配分模式陡,正ce 异常、负eu 异常。但变质锆石的w ( th) /w (u) 比值低( 0. 1) ,这是区别于岩浆锆石的惟一的化学特征。在变质过程中,锆石是否发生了重结晶以及结晶过程中是否有流体或熔体的参与,都会显著影响锆石稀土元素组分的变化32 。 变质增生锆石的稀土元素特征除与各个稀土元素进入锆石晶格的能力大小有关外,还与锆石同时形成的矿物种类有关(如石榴石、长石、金红石等) ,这些矿物的存在与否对变质作用的条件(如榴辉岩相、麻粒岩相和角闪岩相等) 有重要的指示意义,锆石的ree 组成可反映锆石母岩的变化,至少在某些情况下反映了锆石与其他矿物如石榴石(稀土元素总量低、亏损hree) 32-35 或长石( 负eu 异常) 32 ,36-37 、金红石34 的共生情况。 变质增生锆石的微量元素特征不仅受与锆石同时形成的矿物种类的影响,而且还与其形成时环境是否封闭有关。在“封闭”的榴辉岩相的体系中,ree 的供应有限,由于石榴石是榴辉岩中富集hree 的矿物,固相线下石榴石的形成会使熔体亏损hree;而在开放环境中,石榴石的形成并不能引起局部环境hree 质量分数的改变,这种条件下与石榴石共生的锆石就不会出现hree 的相对亏损。因此, hree的相对亏损与否并不能直接用来判别变质锆石是否与富集hree 的石榴石同时形成21 。 锆石微区的稀土元素分析与微区定年、锆石中的包裹体研究相结合能够较好地限定锆石的形成环境,可以将锆石的形成与变质条件联系起来,从而将变质过程中的p-t-t 有效地联系在一起,在造山带研究中用于追溯超高压变质岩的形成过程 21 ,36-38 。 4 锆石同位素的地质应用 4. 1 锆石的lu2hf 同位素 lu 与hf 均为难熔的中等2强不相容性亲石元素,这与sm-nd 体系类似,因此hf 同位素示踪的基本原理与nd 同位素相同。 hf 与zr 呈类质同象存在于锆石的矿物晶格中,相对其他矿物,锆石中w ( hf ) 高 w ( hfo2 ) 1 % ,这为获取高精度的hf 同位素比值数据提供了保障;同时其w (lu) / w ( hf ) 值极低 w (176 lu) /w (177 hf) n 0. 01 39-40 ,由176lu 衰变形成的176 hf 比例非常低,对锆石形成后的hf 同位素组成的影响甚微,这样锆石的hf 同位素组成基本上代表了锆石结晶时的初始hf 同位素组成。加上锆石化学性质稳定,具有很高的hf 同位素封闭温度,即使经历了麻粒岩相等高级变质作用也能很好地保留初始hf 同位素组成,因此锆石中的hf 非常适合于岩石成因的hf 同位素研究41-42 。lu-hf 同位素体系本身所具有的高于sm-nd同位素体系的封闭温度及锆石特有的抗风化能力,使得锆石成为研究太古宙早期地壳的理想研究对象。 近年来,一些作者应用锆石的hf 同位素原位测试成功地解决了太古宙早期是否存在超亏损地幔的问题。在太古宙的sm-nd 同位素研究中,部分太古宙早期岩石(年龄约为3. 8 ga) 具有较高的(nd)值(nd) + 4 43-44 ,似乎显示当时地球发生过极大规模的壳幔分异作用,并出现地幔的极度亏损。通过锆石lu2hf 研究发现,高(nd) t 值的样品并未显示高的( hf) t 值,同一时期不同地质单元的太古宙岩石中的锆石具有十分相近的( hf ) t 值,这表明由nd 同位素确定的极度亏损地幔,是由于sm-nd 同位素体系开放造成的假象 45-48 。 沉积岩中碎屑锆石的ree 特征及其原位的u-pb 年龄、hf 同位素组成测定已被作为研究沉积物母岩以及地壳演化的强有力工具25 ,42 ,49 。 在岩石由多种组分构成、而其nd 同位素数据只有一个的情况下,可以通过多组锆石的hf 同位素来认识其演化过程。 锆石微区年龄、稀土元素的测定与hf 同位素研究相结合,是示踪壳幔相互作用、研究区域大陆地壳增长的有力工具 50-51 。如郑建平等51 对玄武岩中麻粒岩捕虏体的锆石进行了年龄、ree、hf 同位素分析,探讨了早元古代华北克拉通的形成和壳幔相互作用。 由于性质不同的岩石的hf 同位素组成可能存在一定的差别,物理条件或结晶途径也可能改变矿物的化学成分,但不会影响hf 同位素组成。如果锆石在生长过程中不仅存在化学成分和晶体形貌上的变化,而且还伴随了hf 同位素组成的变化,则说明有来源明显不同的岩浆发生了化学混合。这为研究岩浆作用过程中不同组分的混入提供了重要途径。代写工作总结 对于一个由多种组分构成的岩石样品,岩浆岩中形态不同的锆石晶体及同一锆石内部不同环带均记录了不同组分的岩浆相互作用的过程,因此通过多组锆石和同一锆石颗粒内不同环带的hf 同位素研究,可追踪岩体的结晶历史,获得岩浆演化的信息。 griffin 等52 通过对华南平潭和桐庐i 型花岗岩体中锆石的hf 同位素研究,发现不同生长阶段的锆石的hf 同位素组成不同,且它们的微量元素组成也存在差异53 ,揭示这2 个i 型花岗岩体在形成过程中有多于2 种不同来源的岩浆发生了混染。虽然化学混合(mixing) 使岩体中不同类型的岩石具有类似的sr 、nd 同位素组成,但锆石却像“录音机”一样记录了不同岩浆产生和相互作用的细节。 汪相等54 利用锆石中的hf 同位素探讨了幔源岩浆对过铝花岗岩成因的制约。华南过铝花岗岩在岩相学和岩石化学上充分显示了壳源的基本特征,且在这些花岗岩体中很少见到地幔岩浆侵入形成的淬冷包体或基性岩脉,故它们的成因无法与地幔活动联系起来。锆石颗粒内部的多阶段生长的环带,记录了岩浆形成和冷凝过程中的物理化学信息。因此对颗粒内部不同环带的同位素原位分析可以直接揭示中下地壳花岗质岩浆形成过程的复杂性和岩浆性质的演化,这些现象很难在野外观察到,通过全岩同位素分析也难以检测出来,而锆石中的hf 同位素特征却可以有效地揭示幔源岩浆对花岗岩形成的贡献。 由于锆石中的hf 很难与岩石外部的hf 发生交换,因此,除hf 同位素组成本身可以作为地球化学的示踪剂外,还可通过对锆石hf 同位素的研究来解译导致锆石u2pb 年龄不一致的原因。对于重结晶的锆石,如果体系在锆石结晶前后在成分上未发生明显变化,则其锆石的同位素组成符合单体系的线性演化规律;但如果有外来hf 的加入,则会形成年轻的、hf 同位素组成明显不同的增生锆石。基于同样的原因,锆石的hf 同位素组成能够指示锆石的u-pb 体系是否、何时发生了重置,因而在解释下地壳、地幔来源的高级变质岩的锆石年龄时帮助很大55 。 4. 2 锆石的氧同位素 由于地壳物质与地幔物质的氧同位素组成存在差异,因此氧同位素可以很好地示踪壳幔的相互作用。此外,氧同位素是一种敏感的、示踪地壳中的流体和固体相互作用的、依赖于温度的示踪剂,岩浆岩的氧同位素比值对那些经历了低温水2岩反应的物质混染尤其敏感,这些物质可能曾经与大气水、沉积物及与那些曾经和大气水发生蚀变的岩石发生了相互作用,因此氧同位素是示踪岩浆来源的最有效的工具之一56 。 高温下锆石和岩浆的同位素分馏很小,锆石的氧同位素组成基本上反映了锆石形成时岩浆的氧同位素特征57 。研究表明锆石中的氧同位素扩散很慢,氧扩散的有效封闭温度700 c58-59 ,其氧同位素组成不像其他矿物那样易受高温变质、热液蚀变的影响而发生变化59-60 ,即使岩石经历了麻粒岩相的变质作用,岩浆锆石也能在干的岩石中保留岩浆氧同位素的初始比值57 。 正常地幔的(18 o) 约为5 ,源于地幔的岩石表现出接近该值的、均一的氧同位素比值(该值被认为是正常地幔火成岩的比值) 。在高温条件下锆石与正常地幔岩石达到平衡时的(18 o) = 5. 3 0. 3 61 。幔源岩浆分异出的火成岩结晶的锆石(18o) 接近正常地幔的(18 o) 61262 。研究表明,锆石的(18o) 是岩浆物质来源的良好示踪剂。通过锆石氧同位素分析,可以判断结晶出锆石的岩浆是直接来自地幔还是来自经过地壳循环的物质 56 ,60-63 。 如果岩浆的氧同位素比值低于正常地幔值,通常认为岩浆的产生是与发生了热液蚀变的地壳岩石有关,这些岩石可能是洋壳岩石与高温海水或者陆壳岩石与大气降水发生了高温热液蚀变的结果64-66 。但如果岩浆锆石的(18 o) 明显高于正常值,则说明岩浆来源于曾经历低温水2岩交换的岩石的部分熔融或岩浆在形成过程中有表壳物质的加入56 ,67-68 。 锆石的氧同位素分析为研究花岗质岩石的成因和岩浆系统的演化提供了新的方法60-61 ,69 。在岩浆演化过程中,如果体系是封闭的,且同位素分馏达到平衡(此假设在大多数情况下都成立) ,那么从基性- 酸性的岩浆结晶的锆石的(18 o) 应该相同;但如果发生了同化混染,则锆石从内到外的生长区往往记录了岩浆成分的变化。分析各组锆石或同一锆石颗粒不同区域的氧同位素,可为岩浆的同化混染、不同来源的岩浆混合的定量化研究提供信息,也有助于深入认识岩浆的期次问题。 如能对锆石的u-pb 年龄和氧同位素组成以及ree 进行同步测定,就有可能把氧同位素组成特征与某阶段年龄相联系,对具有复杂地质历史的岩石的成因环境进行限定。将锆石的氧同位素与u-pb年龄(必要时进行ree 分析) 原位测定相结合是锆石的氧同位素研究的发展趋势。 近年来,一些学者对澳洲j ack hill s 地区的古老碎屑锆石进行了微区离子探针u2pb 年龄和氧同位素组成的研究,获得了目前已知的最古老的锆石单颗粒年龄(4. 4