锆石U-Pb年代学及锆石成因矿物学

锆石U-Pb年代学和成因矿物学研究吴元保THEMINERALZIRCONRefractoryaccessorymineralcommonlyoccursinmagmatic,metamorphic,pegmatitic,andalluvialrocksChemicalFormula:ZrSiO4Composition:Zirconium49.77%Zr67.22%ZrO2Silicon15.32%Si32.78%SiO2Oxygen34.91%OElectrovalenceandIonradiiZr4+=0.84ÅU4+=1.05ÅTh4+=1.10ÅPb2+=1.29ÅZirconhashighUcontentandhighU/Pbratios,andthusisideallysuitedforhighprecisiongeochronologyThedecayseriesofuraniumandthorium238U206Pb+8α+6-+Q235U207Pb+7α+4-+Q232Th208Pb+6α+4-+QBasicofradiogenicisotopedating(1)Basicofradiogenicisotopedating(2)Basicofradiogenicisotopedating(3)锆石U-Pb定年的基本方法比较定年方法优点缺点适用对象ID-TIMS精确度高费时、样量大成因单一SIMS原位分析价格昂贵微区分析LA-ICPMS快速经济精度较差分析量较大锆石U-Pb年龄一致曲线图(1)锆石U-Pb年龄一致曲线图(2)Tera－WasserburgconcordiaDiagramConcordiadiagram如何得到合理的锆石U-Pb年龄(1)1000Ma的锆石，选择207Pb/206Pb年龄(分析过程中Pb同位素之间的分馏小)1000Ma的锆石，选择206Pb/238U年龄(235U衰变成207Pb的含量低)微区分析时,选择不同的成因区域分析如何得到合理的锆石U-Pb年龄(2)单颗粒分析时选择不同物理性质的颗粒进行分析EdgesofzirconwillbeblurredbutstillretaininitialcompositioninzirconcentersPreservationofoxygenandcationzoninginzircon•1.不同成因锆石的内部结构特点和年龄意义•2.锆石的微量元素研究及其对U-Pb年龄的制约•3.锆石的矿物包裹体研究及其对U-Pb年龄的制约常用锆石内部结构分析方法•1HF酸蚀刻法•2背散射电子图像•3阴极发光电子图像HF酸蚀刻法•原理（锆石抗HF酸腐蚀性）•优点（简单易行）•缺点（破坏锆石表面结构）背散射电子图像•原理（锆石表面的平均分子量）•优点（表面特征清楚、照相速度快）•缺点（效果较差）100µm阴极发光电子图像•原理（微量元素含量和晶体缺陷）•优点（可以清楚显示内部结构）•缺点（表面特征不清楚）锆石CL强度与U和Y含量的关系(RubattoandGebauer,2000)Dy和Tb等稀土元素影响锆石的CL强度(HancharandRudnick,1995)典型岩浆锆石的CL特征辉长岩岩浆温度高环带宽花岗岩岩浆温度低环带窄岩浆锆石辉长岩岩浆温度高环带宽变质锆石的CL结构类型50µm无分带特征锆石弱分带锆石扇形分带锆石冷杉叶状分带锆石(受温度和饱和程度影响)面状分带锆石斑杂状分带锆石受溶蚀作用影响的锆石（Varvaetal.,1996；Schalteggeretal.,1999)海绵状分带锆石流动状分带锆石变质锆石形成机制•深熔过程中从熔体中结晶(Vavraetal.,1999；Keayetal.,2001)。•固相矿物分解产生的Zr和Si，成核和结晶(Fraseretal.,1997;Bingenetal.,2001)。•变质流体中结晶(Liatietal.,1999;Rubattoetal.,2003)。•原岩锆石的变质重结晶作用(HoskinandBlack,2000;Tomascheketal.,2003)。•热液蚀变(Vavraetal.,1999;Liatietal.,2002)典型固态重结晶锆石CL图像特征•较规则的外形•CL较亮，无分带、弱分带或斑杂状分带•重结晶区域常常切割岩浆环带、无明显界限变质重结晶锆石内部结构特征(Pidgeonetal.,1998)典型变质增生锆石CL特征•多晶面或不规则，在残留锆石外部或整个颗粒•具有典型变质锆石分带特征•不切割残留岩浆环带、界限清楚变质重结晶锆石和变质增生锆石的区分麻粒岩相变质锆石CL特征榴辉岩相变质锆石CL特征角闪岩相变质增生锆石CL特征不同变质条件下生长锆石的结构变化变质锆石生长时的温度控制?297西Alps的Monviso地区榴辉岩脉中的锆石(RubattoandHermann.,2003)石英脉中的锆石Alps西部Sesia-Lanzo地区(Rubattoetal.，1999)希腊Rhodope地区（Liatietal.,1999)流体参与的部分重结晶锆石~80Ma流体参与的重结晶锆石~52Ma~50Ma低温(500oC)热液蚀变锆石50µm混合岩化作用形成的锆石~750Ma~130Ma锆石的微量元素研究Th、U特征•岩浆锆石一般具有较高的Th、U含量和Th/U比值(Th/U0.4)•变质锆石具有相对较低的Th、U含量和Th/U比值(Th/U0.1)岩浆锆石的Th/U比值•岩浆锆石的Th/U比值取决于锆石形成时熔体的Th/U比值•少数岩浆锆石同样具有较低的Th/U比值(Th/U)zircon.present≌(DTh/DU)zircon/melt·(Th/U)melt.present(DTh/DU)zircon/melt≌0.2；(Th/U)melt.present≌4变质增生锆石Th/U比值的影响因数•变质流体组成一般富U贫Th(Rowleyetal.,1997;Mojzssisetal.,2002)•变质锆石形成时共生矿物成分(如独居石、褐帘石)(Gebauer,1996;Hermann,2002)•变质锆石的生长速度(Vavraetal.,1999)101021031041010210210103103104104锆石生长速度快Th/U比值升高混合岩化过程中深熔锆石一般具有较低的Th/U比值（Keayetal.,2001)变质重结晶锆石的Th/U比值与重结晶程度相关(HoskinandBlack,2000)岩浆锆石微量元素应用判断寄主岩石的类型锆石典型的稀土元素特征不同类型岩浆锆石的稀土元素特征(HoskinandIreland,2000)不同类型岩石锆石的微量元素特征(Belousovaetal.,2002)不同类型岩石锆石微量元素判别图解锆石的稀土元素组成制约岩石的演化历史（Pecketal.,2001)岩浆锆石中轻稀土超量(WhitehouseandKamber,2002)3.6Ga3.8Ga锆石轻稀土超量的原因•LREE优先进入锆石的晶格缺陷中。•锆石结晶时的熔体成分与全岩成分不一致。•分析点中包含了富LREE的磷酸盐矿物(如独居石和磷灰石)。•后期地质事件的扰动中，LREE优先进入锆石。锆石中LREE超量判别的(La/Sm)CN-Th和(La/Gd)CN-Th+U图解变质锆石微量元素特征研究指示锆石的形成环境与石榴石共生的锆石具有HREE亏损的特征(Schalteggeretal.,1999)Titaniumcontentinzirconasathermometery不同变质条件形成锆石的微量元素特征•榴辉岩相变质锆石：无Eu负异常、重稀土相对亏损、Nb、Ta及Nb/Ta低(无长石、有石榴石和金红石)。•麻粒岩相变质锆石：Eu异常明显、重稀土相对亏损(有长石、有石榴石)。•不和石榴石共生的变质锆石：无重稀土相对亏损。榴辉岩相变质锆石中存在Eu的负异常解释：继承全岩特征或形成于还原环境528Ma与石榴石共生的锆石的重稀土特征：封闭体系亏损开放体系不亏损1580Ma65Ma锆石与石榴石之间微量元素的分配系数(Rubatto，2002)重稀土相对亏损的锆石形成于榴辉岩相峰期变质期间(RubattoandHermann,2003)Lanzo地区泥质麻粒岩锆石的稀土元素组成(Whitehouseetal.,2003)澳洲中部Reynolds地区混合岩锆石的微量元素特征前进变质石英脉中锆石的稀土元素特征76Ma65Ma角闪岩相退变质锆石的稀土元素特征固态重结晶锆石各区域的稀土元素特征(HoskinandBlack,2000)锆石的微量元素Er-P和U-Th图解（重结晶锆石轻稀土超量和后期地质作用有关）固态重结晶过程中锆石的U、Pb明显丢失(Pidgeonetal.,1998)CL图像黑色区域是变质重结晶作用造成的吗?流体参与下重结晶锆石的微量元素特征流体参与下重结晶锆石的微量元素特征流体参与下锆石重结晶作用发生的机制流体活动和锆石重结晶作用发生的时代锆石微区包裹体研究意义•指示寄主岩石的演化历史(Yeetal.,2000；LiuJBetal.,2001；LiuFLetal.,2001)•指示锆石的形成环境(Hermannetal.,2001)柯石英的特征Raman谱峰不同锆石区域包裹体矿物组成差异主要矿物与锆石中矿物包裹体成分对比锆石不同区域的年龄对应的P-T条件526Ma包裹体矿物在寄主锆石中形成的方式•锆石增生过程中捕获包裹体矿物(原生包裹体)•包裹体矿物沿裂隙进入早形成的锆石区域(次生包裹体）•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含次生包裹体锆石区域(一般存在愈合的裂隙、或扰动结构)含原生包裹体的锆石区域结论•锆石内部结构对应锆石类型，结构受温度和岩石性质影响。•岩浆锆石的微量元素特征可以为岩浆类型的判别提供一定的判据。•锆石的微量元素组成可以用来判别锆石的形成环境。•锆石的包裹体矿物能有效制约锆石的形成环境。•复杂成因锆石需进行综合研究，才能对得到的年龄给出合理的地质解释。谢谢！