锆石地球化学特征及地质应用研究综述
- 作者:admin 来源:网络 日期:2008-5-17 3:01:10
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ε(Nd)值[ε(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ε(Nd) t 值的样品并未显示高的ε( 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ε( 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 °C[58-59 ] ,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δ(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δ(18 O) = 5. 3 ‰±0. 3 ‰[61 ] 。幔源岩浆分异出的火成岩结晶的锆石δ(18O) 接近正常地幔的δ(18 O) [ 61262 ] 。研究表明,锆石的δ(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δ(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δ(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 Ga) ,其δ(18 O) 为7. 4 ‰～5. 0 ‰,比地幔值高,暗示着岩浆混染和高δ(18 O) 物质的重熔,这些高δ(18O) 的物质可能是沉积物或低温水2岩反应的热液蚀变岩石,表明有上地壳物质参与的岩浆过程最早可追溯到4. 4 Ga 前。这些锆石的氧同位素组成表明,地球在4. 4 Ga 前就可能存在水圈,地球的表面温度在地核和月球形成后不到100 Ma的时间里就已冷却到允许液体水存在的温度[56 ,67 ,69 ] 。
陈道公等[65 ] 、郑永飞等[66 ] 分别对大别2苏鲁超高压变质岩中的锆石进行了U-Pb 和氧同位素微区原位分析,发现即使在榴辉岩相高级变质作用中,锆石仍基本保存了原岩中锆石的氧同位素特征,其中原岩年龄为0. 7～0. 8 Ga 的变质岩中锆石的δ(18O)明显低于地幔平均值,表明其形成时岩浆源区明显有大气降水的加入,这可能与新元古代华南Rodinia超大陆的裂解和全球的雪球事件有关。
5 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。
分别对锆石颗粒中的不同区域进行年代学、化学组成、Hf 或O 同位素进行原位分析,可以提供有关岩石成因的丰富信息,而这些信息的提取依赖于分析仪器和分析技术的进步。虽然现在的测试技术已实现了矿物的微区原位测试,但分析仪器的空间分辨率不够高(目前锆石REE、O、Hf 同位素微区测定的束斑直径一般为20～40μm) ,且锆石颗粒一般较小,尤其是变质岩中变质增生或变质重结晶部分的锆石,或者是记录了几个期次岩浆活动的岩浆锆石,每一次地质作用形成的生长区域可能较小( < 10μm) ,致使很多重要的信息无法提取。随着原位测试技术的进一步发展,对锆石内部不同结构域地球化学特征的研究将提供更多、更详细、有关岩石成因的重要信息。
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