地球地质应用

摘 要：介绍并对比了用于锆石等副矿物测试的离子探针、激光探针、电子探针、质子探针等几种微区原位测试技术各自的特点.锆石U-Pb定年实现了对同一锆石颗粒内部不同成因的锆石域进行原位年龄的分析,给出了有关寄主岩石的源岩、地质演化历史等重要信息,为地质过程的精细年龄框架的建立提供了有效的途径.锆石微量元素、同位素特征是译解岩石来源和成因的指示器.锆石Hf同位素已成功地用于地球早期历史、岩浆来源、壳幔相互作用、区域大陆地壳增长的研究等；锆石氧同位素组成能有效地约束壳幔相互作用和示踪岩浆来源等.

关 键 词：锆石；年代学；地球化学特征；地质应用

随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率的微区原位测试技术的发展和广泛应用,研究颗粒锆石等副矿物微区的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点[1].锆石U2Pb法是目前应用最广泛的同位素地质年代学方法,锆石的化学成分、Hf和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化的研究等,对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追朔地球早期历史的有效工具.笔者着重综述锆石的化学成分、同位素组成特征及其在地质学中的应用.

1微区原位测试技术

锆石等副矿物在地质学中的广泛应用与近年来原位分析测试技术的快速发展密不可分.论文目前已广泛应用的微区原位测试技术主要有离子探针、激光探针和电子探针等.

1.1离子探针

离子探针（sensitivehighresolutionionmicro-probe,简称SHRIMP）可用于矿物稀土元素、同位素的微区原位测试.在目前所有的微区原位测试技术中,SHRIMP的灵敏度、空间分辨率最高（对U、Th含量较高的锆石测年,束斑直径可达到8μm）,且对样品破坏小（束斑直径10～50μm,剥蚀深度<5μm）[2-3],是最先进、精确度最高的微区原位测年方法.其不足之处是仪器成本高,测试费用昂贵,测试时间较长（每测点约需20min）.

2000年,CamecaNanoSIMS50二次离子质谱开始用于对颗粒大小为1～2μm的副矿物进行U-Th-Pb年代学研究.毕业论文NanoSIMS对粒度极细小的副矿物进行定年要以降低精度为代价,且用于U-Th-Pb定年还没有进行试验,还未完全估算出其准确度和分析精度,有可能在西澳大利亚大学获得初步的成功.

1.2激光探针

激光剥蚀微探针2感应耦合等离子体质谱仪（la-serablationmicro2probe2inductivelycoupledplas-mamassspectrometry,简称LAM2ICPMS）,即激光探针技术可实现对固体样品微区点常量元素、微量元素和同位素成分的原位测定[5].近年研制成功的多接收等离子质谱（MC-ICPMS）可同时测定同位素比值,该仪器现今已经成为Hf同位素测定的常规仪器[6].近年来激光探针技术在原位测定含U和含Th副矿物的U-Pb、Pb-Pb年龄或Th-Pb年龄方面进展极快,在一定的条件下可获得与SHRIMP技术相媲美的准确度和精确度,且经济、快速（每个测点费时<4min,可以直接在电子探针片内进行分析[5,7-8]）；但与SHRIMP相比,激光探针要求样品数量较大,对样品破坏大（分析束斑大小一般为30～60μm,剥蚀深度为10～20μm）,其空间分辨率和分析精度一般低于SIMS、SHRIMP[1,9210].

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.

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（206Pb/238U）和t（207Pb/235U）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].

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.

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.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830Ma,而核部的年龄集中在1400～1900Ma,核部年龄可能代表花岗岩源岩的锆石组成年龄.

3.结语

锆石的结构和成分记录了岩石所经历的复杂地质过程.对内部结构复杂的锆石进行同位素和化学成分的微区原位分析,必须在对其内部结构进行详细研究的基础上进行.

由于幔源锆石和壳源岩浆锆石的化学组成存在较明显的区别,因而容易区分,但利用壳源岩浆锆石的微量元素、稀土元素特征识别其寄主岩石的类型还有待于成因明确的锆石微区原位测试数据的积累,因为目前用于建立“判别树”的数据比较有限,且有些数据的来源不太明确.此外,在原始成因产状不清楚的情况下（如碎屑锆石）,变质锆石和岩浆锆石的区分除利用w（Th）/w（U）比值外,能否通过其他的微量元素、稀土元素的比值或图解来有效区分,这方面的研究目前报道较少.