锆石成因矿物学与同位素研究综述获奖科研报告

锆石成因矿物学与同位素研究综述获奖科研报告摘

要：锆石是一种常见的副矿物，广泛存在于岩浆岩，变质岩和沉积岩中，具有高度稳定性的矿物，具有稳定的晶体结构，在经历风化、搬运、剥蚀等各种地质过程中内部结构不容易发生蚀变从而使其保存下来。近年来越来越多的学者对锆石进行研究。不同成因类型岩石中的锆石具有不同的结构特征，对锆石成因类型的准确判断是正确理解锆石U-Pb年龄意义的关键。通过对锆石微量元素，稀土元素和同位素特征进行研究，再结合锆石的阴极发光图像（CL）、背散射电子图像（BSE）等，能够指示岩石的来源和成因。

关键词：锆石;结构特征;U-Pb定年

由于锆石在各类岩石中广泛存在，是一种非常好的定年矿物。锆石的U-Pb定年方法目前应用最广泛的仪器是激光剥蚀等离子体质谱法（LA-ICPMS），本文主要研究由于不同的形成环境而导致不同结构特征的锆石石并结合原位微区测试技术对微量元素和同位素进行研究，从而推测其生长环境，形成过程，指示其来源和成因。对所测出来的锆石年龄进行解释时，应该结合其矿物学的结构特征。

1不同成因锆石的结构特征

进行锆石定年首先要区分锆石的种类，区分岩浆锆石，变质锆石，热液锆石的主要方法就是观察样品的内部结构。在对锆石内部结构进行研究时一般会用HF酸蚀刻图像、背散射（BSE）图像、阴极发光电子（CL）图像等来观察其内部结构。

2锆石的化学成分特征及在岩石成因中的应用

根据锆石的U和Th的含量不同来判别锆石的类型，锆石的Th/U比值被用作判断其成因的标志，如果Th/U比值>0.10就认为它是岩浆锆石，反之，则认为是变质锆石，尽管大部分变质锆石的Th/U含量低，但还是有一些变质锆石的Th/U含量大于0.10，如重结晶锆石和高温变质作用中的锆石其Th/U往往偏大。影响锆石中Th和U的含量的原因比较复杂，其中包括整个环境中的Th、U含量，以及这两种元素进入不同矿物的能力不同锁导致。因此，在判别岩浆锆石和变质锆石时需要与锆石的内部结构特征、包裹体、形成条件及其化学特征相结合，才能做出合理的判断。

稀土元素是最有用的微量元素，在火成岩、沉积岩和变质岩学到的研究中具有重要的作用。有些学者把镧系分为三组：轻稀土元素LREE（La-Nd），中稀土元素MREE（Sm-Ho）和重稀土元素HREE（Er-Lu）。

Y元素的含量变化与稀土元素类似，岩浆锆石的（REE+Y）质量分数一般不会超过1%，异常高含量的（REE+Y）大部分是因为蚀变或（REE+Y）含量高的包裹体的影响。典型的没有发生过蚀变的岩浆锆石中的稀土元素配分为亏损轻稀土元素，逐渐富集重稀土元素，即从Sm到Lu逐渐增高，同时显示Ce的正异常和Eu的负异常。

变质锆石的微量元素在一定程度上也能反映其矿物共生的信息，锆石若是亏损重稀土则表明与石榴石共生，若是亏损轻稀土表明与独居石共生，Eu负异常表明与长石共生，而这些矿物的存在能够反应其变质作用的高低。不同程度的变质相中存在不同的稀土元素配分模式。

锆石中常常存在包裹体，不同的环境中可以形成不同的矿物组合的锆石包裹体，通过对包裹体矿物成分的研究不但可以很好指示原岩的演化历史，还能直接对岩浆的形成环境进行有效制约。锆石中包裹体到的形成主要有以下三种机制：1、锆石在生长期间捕获同一时间段内形成的包裹体矿物即原生包裹体。2、包裹体矿物沿着锆石的微裂隙进入原来存在的锆石中即次生包裹体。3、寄主锆石中原来的包裹体矿物发生相变形成新的包裹体矿物。由于锆石具有很高的矿物稳定性，锆石捕获了包裹体矿物后，其矿物成分很难被后期地质作用改造，即便是经历超高压变质作用，残留锆石中的低压矿物成分还可以保存下来。这些结果都表明锆石中的矿物包裹体通过第3种机制形成的可能性很小。所以，如何鉴别锆石中的包裹体为原生或次生成因是解决锆石成因问题的关键。

3锆石的U-Pb同位素年代学

锆石微区原位U-Pb定年方法近年来主要运用ID-TIMS、SHRIMP、二次离子质谱法（SIMS）及激光剥蚀等离子体质谱法（LA-ICPMS）。LA-ICPMS因其可以进行原位测试、廉价、准确、快速而被广泛运用于地质学定年分析中，但其测试精度低于ID-TIMS和SHRIMP。

样品制备分为三个阶段：1、锆石的挑选;2、样品靶制备;3、显微图像采集。通过透射光图像可以观察锆石内部是否有包裹体，通过反射光图像可以观察锆石是否裂开，通过阴极发光电子图像观察锆石的内部结构。

锆石对化学作用及机械作用都很稳定，所以锆石U-Pb法定年已经广泛应用于地质学中。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）、激光剥蚀等离子体质谱法（LA-ICPMS）以及电子探针化学矿物法。对岩浆锆石进行打点时要打环带比较好的边部，如果有核，核部年龄代表岩浆结晶前残留基地的时代，边部年龄代表岩浆结晶的年龄，打点时禁止在核边混合处打点，避免包裹体和裂隙。

4锆石Hf同位素的地质应用

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，同时由于w（Lu/Hf）值极低，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（Amelinetal.，1999）。加上锆石化学性质稳定，具有很高的Hf同位素封闭温度，即使在外部环境遭受到强烈的变化时也能够保持其内部的特征不变，因此锆石中的Hf非常适合于岩石成因的Hf同位素研究。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。

通过研究锆石的Hf同位素，得出寄主岩石物质的来源，再通过锆石的同位素定年确定形成的年龄，结合锆石内部结构可以对寄主岩石的形成和经历的地质事件结合，从而反演岩浆作用过程。

5讨论

由于锆石中Ti含量与其形成温度有良好的线性关系，锆石Ti含量也可作为地质温度计。但是这种温度计具有压力效应，所以在什么压力条件下使用Ti温度计也是一个问题，因此，在应用地质温度计时，要结合样品的岩相学、矿物包裹体和微量元素、U-Pb体系定