鋯石在地質研究中的應用

夏浪

（成都理工大學，四川 成都610000）

鋯石一直被視為具有高度穩(wěn)定性的礦物, 具有能持久保持礦物形成時的物理化學特征,富含U、Th 等放射性元素、離子擴散速率低、封閉溫度高等特點, 因此被廣泛于巖石學、地球化學研究中。近年來微區(qū)定年技術發(fā)展，鋯石更加成為了U-Pb 定年的理想對象。本文從鋯石巖相學、地球化學、包裹體等方面闡述鋯石在地質領域研究中的應用方向。

1 鋯石礦物學和巖相學特征

鋯石的化學式為ZrSiO4，含有Hf，Th，U 等混入物，在巖漿巖礦物中含量較低，一般是以副礦物的形式存在。在巖漿結晶分異演化過程中，根據(jù)鮑文反應序列分為連續(xù)和不連續(xù)系列。巖漿中先后結晶出橄欖石、輝石、角閃石等暗色礦物，斜長石伴隨暗色礦物且牌號遞減依次結晶出來，從基性向酸性斜長石演化。Zr 在基性巖漿中不飽和，鋯石難結晶出來，而在酸性巖漿中飽和可以晶出。

CL 陰極發(fā)光的原理實質上是由于礦物中可能會混入雜質離子或者是晶體生長過程中產(chǎn)生的缺陷、雙晶、生長條紋等，這些因素都可能導致礦物顆粒內部由于成分不均一而在陰極發(fā)光圖像上呈現(xiàn)不同，鋯石環(huán)帶很好的記錄了巖漿演化的過程。

在對鋯石的CL 陰極發(fā)光影像圖中，不同巖石成因的鋯石在CL 陰極發(fā)光圖像下形態(tài)會有顯著的區(qū)別。巖漿鋯石廣泛存在于酸性巖漿巖中，而在偏基性的巖石中存在的較少，巖漿鋯石具有特征的同心韻律環(huán)帶，具有自形到半自形的長柱狀特征。在沉積巖中也會以少量碎屑鋯石的形式存在，碎屑鋯石磨圓較好。

在高級變質巖中, 特別是在原巖富含鋯石的高級變質巖中,鋯石的結構往往較為復雜, 構成由晶核和變質增生組成的復雜結構。變質鋯石指的是變質作用過程中形成的鋯石，成因不同的鋯石（深熔作用形成、變質流體結晶、變質重結晶等）甚至是不同變質相下形成的鋯石在陰極發(fā)光圖像上都具有不同的環(huán)帶特征以及鋯石形態(tài)，如圖1。

圖1 巖漿鋯石CL 圖像

2 鋯石包裹體

包裹體是礦物生長過程中或形成之后被捕獲包裹于礦物晶體缺陷中的，保存在主礦物至今的物質。包裹體在研究成因礦物學、礦物形成的溫壓條件、成礦流體等方面具有重要意義。

不同成因的鋯石具有特定的包裹體類型，所以對于鋯石中包裹體的研究可以對判別鋯石的成因類型提供有效的制約。巖漿鋯石由于結晶溫度高，通常包含高溫巖漿礦物如金紅石，磷灰石等。不同于巖漿鋯石，由于形成溫度較低，熱液成因的鋯石含有典型的熱液礦物共生組合以及豐富的流體包裹體，流體包裹體可幫助我們了解成礦流體的物質組成了解成礦流體的性質包括氧逸度、鹽度等；熱液礦物共生組合則可以了解礦物形成的環(huán)境條件。根據(jù)研究變質巖內部的鋯石礦物包裹體,不同礦物包裹體反應不同變質期次的礦物共生組合，進而可以判斷變質相，揭示巖礦石形成的溫壓條件。

3 鋯石地球化學特征

3.1 鋯石微量元素

鋯石微量元素的比值也可以鑒別不同成因的鋯石（常用U/Th 比值來甄別），由于Th4+比U4+離子半徑大，根據(jù)戈氏法則，小離子優(yōu)先進入礦物晶格中，而大離子在礦物晶格中不穩(wěn)定，容易被驅逐。所以在變質重結晶過程中，鋯石含有較低的Th/U 比值。而巖漿鋯石中，由于U 和Th 在熔體與晶體分配系數(shù)的差異，導致了巖漿鋯石中的Th/U 比值較大。這兩者的差異可以在某些情況下有效鑒別不同成因的鋯石。但是對于某些特殊巖石類型如碳酸鹽巖，這一方法則失去效用。所以須結合鋯石陰極發(fā)光圖像綜合分析才能準確判斷出鋯石成因。

鋯石等副礦物的微量元素特征對于判別礦物的成因類型，揭示成巖成礦過程具有重要的意義。此外對于鋯石微量元素的研究提出了一些地質溫壓計。例如根據(jù)鋯石中Ti 的含量與形成溫度的相關性，建立線性回歸方程，可作為礦物地質溫度計。通過測定鋯石不同環(huán)帶上的主微量元素，同位素組成，在根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)的地質溫壓計，建立變質過程中溫度壓力隨時間的變化軌跡即P（壓力）-T（溫度）-t（時間）軌跡，這一方法是深入了解造山帶演化歷史的重要手段。

除此之外，鋯石中的微量元素比值應用較為廣泛的還有Zr/Hf 比值，由于Zr 和Hf 是一對性質相似的元素，吳福元等稱其為雙胞胎元素。應用在微量元素地球化學中可以揭示巖漿結晶分異程度。類似的，性質相似或者互為母體和子體的元素對比值還有Rb/Sr,Nb/Ta，U/Th 等。例如吳福元等在研究喜馬拉雅淡色花崗巖中提出了高分異花崗巖的地球化學判別標志，其中很重要的一條就是利用鋯石的Zr/Hf 比值，由于Zr 和Hf 在巖漿演化，結晶分異過程中地球化學行為不同，Zr 進入晶體，Hf 進入熔體相而導致這兩個元素在演化過程中解耦。根據(jù)鋯石的Zr/Hf比值大小可以揭示花崗巖結晶分異的程度，Zr/Hf>55, 普通花崗巖；25

3.2 鋯石同位素研究

鋯石的Lu－Hf，Hf-O 同位素在示蹤巖漿源區(qū)，揭示殼幔相互作用，成巖物質來源具有重要的意義。由于Lu 和Hf 兩個元素存在地球化學性質差異。在巖石發(fā)生變質或者部分熔融時，兩者表現(xiàn)出不同的地球化學行為，Lu 元素是稀土元素且是最重的稀土元素，故而在反應發(fā)生時趨向于進入石榴子石。而Hf 大部分進入鋯石礦物相，因而鋯石具有較高的Hf 含量。根據(jù)這一性質，鋯石中的176Lu/177Hf 具有非常低的初始比值，因此鋯石內積累的放射性成因的Hf 較低，所測定的176Hf/177Hf 比值基本代表了其形成時體系的同位素組成。所以可以借助Lu－Hf同位素體系了解巖漿源區(qū)的性質。

根據(jù)測定計算巖礦石的176Hf/177Hf 比值，εHf 可以示蹤源區(qū)（主要用于巖漿源區(qū)示蹤），殼幔相互作用。前人大量的工作已經(jīng)統(tǒng)計出不同儲庫的176Hf/177Hf 比值大小，并且繪制出了不同儲庫的變化趨勢。將測定出的Hf 元素含量計算并進行投圖可得知物質是來源于虧損地幔，下地殼還是上地殼，又或是殼幔相互作用，地殼混染而成。相較于Nd，Sr 同位素示蹤，Hf同位素的演化趨勢以及儲庫有相似之處，前人通過計算統(tǒng)計得出εHf≈2εNd 的關系式。在不同的地質作用下，地表的風化、深部的巖石重結晶都可能導致Lu－Hf 體系解耦。但是Sm－Nd體系在這些地質作用下并不會發(fā)生解耦，所以兩者存在一定的區(qū)別。

近年來廣泛應用的鋯石U-Pb 定年技術，無論是精度還是技術成熟度都經(jīng)歷了飛躍發(fā)展，之前只能通過全巖粉粹溶解，從而測得元素比值進而完成同位素測年的工作，但是近些年來LA-ICP-MS（激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀）技術的興起，讓微區(qū)原位的同位素測年工作成為可能。相較于磷灰石、獨居石，鋯石的定年方法更為成熟可靠，且可通過陰極發(fā)光圖像對巖石成因進行較好的制約，故應用較為廣泛。相較于Rb－Sr，Sm－Nd，鋯石的U－Pb 體系更為封閉，U/Pb 初始比值較低，產(chǎn)生的新的子體全部由衰變產(chǎn)生，所以定年數(shù)據(jù)較為準確，應用較為廣泛。通過對不同靶區(qū)的圈定（一般是對鋯石環(huán)帶進行圈定），可以得出不同地質意義的年齡數(shù)據(jù)，代表鋯石結晶時經(jīng)歷的不同的地質事件。

4 結論