鋯石基本特征及地質(zhì)應(yīng)用

1、巖礦物理化學(xué)讀書報告鋯石基本特征及地質(zhì)應(yīng)用專業(yè)：礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)學(xué)號:2001110084學(xué)生姓名：朱維娜任課教師：羅照華完成時間：2012年4月29日鋯石基本特征及地質(zhì)應(yīng)用摘要： 鋯石是自然界中一種常見的副礦物，廣泛存在于巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖中。鋯石 的形成過程非常復(fù)雜， 可分為巖漿鋯石、 熱液鋯石和變質(zhì)鋯石， 每種鋯石都有其獨特的晶體 形態(tài)、 地球化學(xué)元素組成和包裹體等特征，并可以此作為區(qū)分鋯石類型的依據(jù)。 另外，鋯石 由于具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、高 U、Pb 含量、低的普通 Pb 含量及高的封閉溫度而被廣泛應(yīng)用 與 U-Pb 同位素定年中。除在定年上有重要意義外，鋯石還可用于指示巖石

2、的形成與演化過 程，巖石成因和物質(zhì)來源等重要信息。關(guān)鍵字： 鋯石 基本特征 地質(zhì)應(yīng)用/、八1 前言鋯石是自然界中一種常見的副礦物， 廣泛存在于巖漿巖中， 另外也可存在與變質(zhì)巖和沉 積巖中。 由于鋯石具有非常穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)， 使得其能在各種地質(zhì)環(huán)境中結(jié)晶并很好的保留 下來。此外，鋯石中富含 U、Th 等放射性元素，普通 Pb 含量低，離子擴散速度低，封閉溫 度高，可達 900C( Lee Jet al., 1997; Cherniak D Jet al., 2000)，所以成為了 U-Pb 定年法的 理想對象。2 鋯石的分類鋯石的形成環(huán)境及過程非常復(fù)雜， 根據(jù)其成因可大致分為巖漿鋯石、 熱液鋯石

3、和變質(zhì)鋯 石三大類。 其中變質(zhì)鋯石最為復(fù)雜， 不同變質(zhì)環(huán)境和變質(zhì)程度下形成的鋯石又分別具有不同 的特征和指示意義。鋯石內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)雜的分區(qū)， 每一區(qū)域可能都記錄了鋯石所經(jīng)歷的結(jié)晶、 變質(zhì)、熱液 蝕變等復(fù)雜的歷史過程( Crofu F etal., 2003; 吳元保和鄭永飛，2004)。鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征可借助 HF 酸蝕刻圖像、 背散射電子圖像和陰極發(fā)光電子圖像( 吳 元保和鄭永飛， 2004)進行觀察，可借助離子探針、激光探針、電子探針、質(zhì)子探針、 X 射 線熒光探針等實驗進行化學(xué)成分的測定，從而幫助我們對鋯石分類和特征作進一步的了解。3 巖漿鋯石巖漿鋯石是指直接從巖漿中結(jié)晶形成的鋯石(

4、 李長民， 2009)。可較好的指示原巖的形 成時間。3.1 巖相學(xué)特征巖漿鋯石一般自形程度較高， 通常為半自形到字形， 粒徑20250呵(Hoskin PWOetal., 2003)產(chǎn)于金伯利巖及其他相關(guān)巖石中的鋯石常為它形且粒徑較大(Crofu F et al., 2003;Belousova E et al., 1998; Konzett J etal., 1998)。鋯石在雙目鏡下無色透明， 有時為淡黃色、 淺褐色或淡紫色。 一般在堿性巖或偏堿性的 花崗巖中呈短柱狀或四方雙錐狀； 在酸性巖中呈柱狀； 在中基性巖中呈柱狀和復(fù)四方雙錐狀 （李長民， 2009）。火山巖中的鋯石具有較大的長寬

5、比值， 一般為長柱狀或針狀 （Hoskin P W O et al., 2003 ）。巖漿鋯石通常結(jié)晶溫度較高， 具有均勻的內(nèi)部構(gòu)造和巖漿包裹體， 有時可見殘留的鋯石 晶核（ 李長民， 2009）。巖漿鋯石通常具有特征的巖漿振蕩環(huán)帶， 這是區(qū)分鋯石種類的最重要特征之一。 其中振 蕩環(huán)帶的寬度可能與鋯石結(jié)晶時巖漿的溫度有關(guān)。 高溫條件下微量元素擴散塊， 常形成較寬 的結(jié)晶環(huán)帶，而低溫條件下微量元素的擴散速度慢，形成較窄的巖漿環(huán)帶（ Rubatto D and Gebauer D, 2000）。巖漿鋯石中還可能出現(xiàn)扇形分帶的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由于鋯石結(jié)晶時外 部環(huán)境的變化導(dǎo)致各晶面的生長速率不一致造

6、成的。 部分地幔巖石中的鋯石還可表現(xiàn)出無分 帶或弱分帶的特征 （ 吳元保和鄭永飛， 2004）。在巖漿鋯石中往往會有繼承鋯石的殘留晶核。3.2 地球化學(xué)特征巖漿鋯石的 Th、U 含量較高， Th/U 比值較大（一般 0.4）（ 李長民， 2009）。且具有從 晶體核至邊緣 Th 、U 含量增大的趨勢（ 鮑學(xué)昭等， 1998）。通常巖漿鋯石的 Th/U 比值接近 1，但一些組成特殊的巖漿中結(jié)晶的巖漿鋯石具有異常的Th/U 比值，如部分碳酸鹽樣品中巖漿巖具有異常高的 Th/U 比值，樂意高達 10000（Belousova E et al., 2002）。巖漿鋯石一般具有非常低的 Hf 含量。 巖

7、漿鋯石含有較高的稀土元素含量和具有較陡的重稀土元素富集模型（ Buick et al., 1995）。Ce高正異常，Eu適度負(fù)異常。巖漿鋯石的微量元素含量從超基性巖t基性巖t花崗巖有總體上增長的變化趨勢。金伯利巖中巖漿鋯石的稀土元素的總量一般小于50/g,碳酸巖和煌斑巖中鋯石的稀土元素總量為600700/g，基性巖中鋯石的稀土總量為約2000/g,而花崗巖類和偉晶巖中鋯石的稀土總量則為百分含量級（ Belousova E et al., 2002）。巖漿鋯石由于結(jié)晶溫度較高, 通常不會出現(xiàn)熱液礦物包裹體和流體包裹體, 可能包含高 溫巖漿礦物和熔體包裹體。如金紅石、磷灰石等（ 劉福來等, 200

8、3；李秋立等, 2004 ）。4 熱液鋯石熱液鋯石是指經(jīng)過熱液流體蝕變或改造了的鋯石, 或從熱液流體中直接結(jié)晶的鋯石 （李 長民, 2009）。熱液鋯石形成于中低溫?zé)嵋簵l件下, 其結(jié)晶溫度與巖漿鋯石、 變質(zhì)變形程度與變質(zhì)鋯石 相比明顯偏低、偏弱,因而可能具有不同的結(jié)晶習(xí)性和外貌結(jié)構(gòu)特征（畢詩鍵等, 2008）。4.1 巖相學(xué)特征熱液鋯石呈半自形至它形, 半透明, 晶體的棱線一般不明顯, 雙目鏡下呈暗棕色或淺棕 紅色。 熱液鋯石一般以巖漿鋯石的再生邊形式出現(xiàn),或呈細(xì)脈狀或腸狀穿插在其他礦務(wù)中。鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)常以多 空狀為特征,并且或多或少存在礦物包裹體,流體包裹體含量高時可形成海綿狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)巖漿鋯

9、石和熱液 鋯石同時出現(xiàn)在一個顆粒中時,巖漿鋯石常具有韻律環(huán)帶,而熱液鋯石多呈脈狀、交代狀、多孔狀、海綿狀或無結(jié)構(gòu)狀（ 李長民， 2009）4.2 地球化學(xué)特征熱液鋯石的 Th、 U 含量較高， Th/U 比值高，能比巖漿鋯石高出數(shù)十倍。輕稀土元素富 集，稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化曲線輕微傾斜。較小正 Ce 異常，適度 Eu 負(fù)異常。熱液鋯石通常富集 Hf 且有高的 Y 含量。 熱液鋯石一般會出現(xiàn)典型的熱液礦物 （如電氣石、黃鐵礦、 絹云母等）包裹體與豐富的 低鹽度 H 2O-CO 2 流體包裹體，這說明鋯石是在熱流體環(huán)境中沉淀結(jié)晶的。5 變質(zhì)鋯石變質(zhì)鋯石是指在變質(zhì)過程中形成的鋯石，主要有五種形成機制：1）

10、深熔過程中從熔體中結(jié)晶； 2）固相礦物分解產(chǎn)生的 Zr 和 Si 成核結(jié)晶； 3）從變質(zhì)流體中結(jié)晶； 4 ）原巖鋯石 的變質(zhì)重結(jié)晶作用； 5）熱液蝕變作用對原有鋯石的淋濾和溶蝕。因此，變質(zhì)鋯石的形成既 可以是變質(zhì)過程中新生長的鋯石，又可以是變質(zhì)作用對巖石中原有鋯石不同程度的改造。其中變質(zhì)增生鋯石既可以形成獨立的新生顆粒，還可以在原有鋯石基礎(chǔ)上形成變質(zhì)增生邊。總之，變質(zhì)成因鋯石包括新形成的變質(zhì)結(jié)晶鋯石、 變質(zhì)增生鋯石和變質(zhì)重結(jié)晶鋯石 （ 吳元保和 鄭永飛， 2004）。鋯石的變質(zhì)重結(jié)晶作用是指結(jié)構(gòu)上不穩(wěn)定的鋯石， 在一定溫壓條件下， 鋯石晶格進行重 新 愈合 和調(diào) 整 ，使 其在 結(jié) 構(gòu)上 更加

11、 穩(wěn) 定（ Pidgeon R T et al., 1998; Crofu F et al., 2003; Belousova E et al., 1998; Geisler T et al., 2001; Hoskin P W O et al., 2000; Pidgeon R T et al., 1992; Rizvanova N G et al., 2000; Tomaschek F et al., 2003），而在同一樣品的鋯石中，微量元 素較高的顆粒和區(qū)域更易于發(fā)生重結(jié)晶作用（Tomaschek F et al., 2003）。所以鋯石發(fā)生變質(zhì)重結(jié)晶作用時并沒有新的鋯石生成，只是對原

12、有鋯石進行了不同程度的改造。變質(zhì)增生鋯石是指變質(zhì)過程中發(fā)生成核和結(jié)晶作用， 有新的鋯石從周圍的介質(zhì)中結(jié)晶出 來。5.1 巖相學(xué)特征變質(zhì)鋯石的晶體形態(tài)從它形到非常自形均有，并有其特征的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：主要有無分帶、 弱分帶、 云霧狀分帶、扇形分帶、 面狀分帶和斑雜狀分帶等，不同成因變質(zhì)鋯石具有其特征 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點（ 移根旺， 2008）。一般不同變質(zhì)條件下形成的鋯石具有不同的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點。 麻粒巖相變質(zhì)增生鋯 石一般為半自形、它形到等軸狀，內(nèi)部分帶特征為扇形分帶、面狀分帶、冷杉葉狀分帶、 弱 分帶或無分帶等（ Vavra G et al., 1999 ）。榴輝巖相變質(zhì)增生鋯石一般為半自形、橢圓

13、形和它 形等，內(nèi)部分帶特征主要有無分帶、 弱分帶和云霧狀分帶或片狀分帶等 （ Rabutto D et al., 1999; Hermann J etal., 2001; Rubatto D et al., 1998）。角閃巖相變質(zhì)增生鋯石通常具有規(guī)則的外形， 且以柱面發(fā)育為主 要特點，一般無分帶或弱分帶（Vavra G et al., 1999; Hermann J et al.,2001 ）。Vavta等人（1999）通過對Ivrea地區(qū)進行研究認(rèn)為鋯石的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)受鋯石生 長時的溫度條件控制，同時推測與寄主巖石的性質(zhì)之間也存在一定的關(guān)系。不同變質(zhì)作用形成的鋯石在外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上也有明

14、顯的差別。變質(zhì)重結(jié)晶鋯石與原巖之間沒有明顯的生長界限（Pidgeon RTetaL, 1998;）,區(qū)域的CL強度比原巖鋯石明顯增強， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為無分帶、弱分帶、斑雜狀分帶或海綿狀分帶等，局部有巖漿環(huán)帶的殘留。 也 常見變質(zhì)重結(jié)晶成因的鋯石切割原巖鋯石的振蕩環(huán)帶（ Pidgeon R T et al., 1998; Liati Aand Gebauer D; 1999）。變質(zhì)增生鋯石具有多晶面狀 - 不規(guī)則狀 -規(guī)則狀外形，與原巖殘留鋯石之間有清晰的界限 （ 吳元保和鄭永飛， 2004）。5.2 地球化學(xué)特征變質(zhì)鋯石的 Th、 U 含量較高， Th/U 比值小（一般 0.1）（ 李長民，

15、2009）。 變質(zhì)增生鋯石的 Th/U 比值受變質(zhì)流體和熔體的成分、共生礦物的組成以及變質(zhì)鋯石的 生長速率（ Vavra G et al., 1999）等因素的影響。由于 U 在流體中的活動性比 Th 強，所以變 質(zhì)流體一般富 U 貧 Th （Hermann J, 2002; Nozhkin A D andTuikina O M;1995）,從這種類型 的流體中結(jié)晶的鋯石常常具有較低的 Th/U 比值。由于Th4+比U4+具有更大的離子半徑，Th比U在鋯石晶格中更不穩(wěn)定，變質(zhì)重結(jié)晶作用過程中 Th 比 U 更容易被逐出鋯石的晶格， 導(dǎo)致重結(jié)晶變質(zhì)鋯石區(qū)域具有相對較低的 Th/U 比值（ Pid

16、geon R T et al., 1998）。變質(zhì)重結(jié)晶作用越強， 變質(zhì)重結(jié)晶鋯石區(qū)域的 Th/U 比值會 越低，Th、U含量也會下降（鮑學(xué)昭等，1998 ）。變質(zhì)重結(jié)晶鋯石與巖漿鋯石有相近的 Zr/Hf比值，且都非常高。在變質(zhì)流體中 Zr比Hf 更容易形成穩(wěn)定的絡(luò)合物而使更多的 Hf 進入鋯石晶格（ TomaschekFetal., 2003），從而具 有較高的 Hf 含量，因此變質(zhì)增生鋯石具有較低的 Zr/Hf 比值特征。對于變質(zhì)重結(jié)晶鋯石， 其輕稀土元素較重稀土元素有較大的離子半徑而更容易在變質(zhì)重 結(jié)晶過程中從鋯石晶格中排除出來 （GeislerTetal., 2003），從而可以導(dǎo)致變

17、質(zhì)重結(jié)晶鋯石比 巖漿鋯石具有更陡直的重稀土元素富集模型。 變質(zhì)增生鋯石具有較低的重稀土元素富集模型 （李長民， 2009）。一般變質(zhì)鋯石的 Nb、Ta含量及Nb/Ta比值均低于巖漿鋯石。 變質(zhì)增生鋯石的包裹體礦物一般較常見，除常見的非高壓礦物斜長石、綠泥石、石英、 磷灰石等外，還可見到石榴石、綠輝石金剛石、柯世英等超高壓變質(zhì)礦物包裹體（李長民，2009）。6 鋯石的地質(zhì)應(yīng)用鋯石作為一種在三大巖類中都廣泛存在的副礦物， 同時又具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)， 能夠保 留較多的信息而具有重要的指示及年代學(xué)意義。6.1 鋯石的指示意義1） 鋯石內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)雜的分區(qū)，每一個區(qū)域可能都記錄了鋯石所經(jīng)歷的結(jié)晶、 變

18、質(zhì)、 熱液蝕變等復(fù)雜的歷史過程，因此， 吳元保等（ 2009）對不同成因鋯石結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)組成 進行了詳細(xì)的研究， 表明鋯石的顯微構(gòu)造、 微量元素特征和礦物包裹體成分等可以對鋯石的 形成環(huán)境進行限定，從而為鋯石 U-Pb 年齡的合理解釋提供有效的制約。2） 分別對鋯石顆粒中的不同區(qū)域進行年代學(xué)、化學(xué)組成、Hf或O同位素進行原位分析， 可以提供有關(guān)巖石成因的豐富信息（ 鐘玉芳等， 2006）。3）火成巖中耐熔的繼承鋯石可以保持U-Pb 同位素體系和稀土元素的封閉，從而包含了關(guān)于深部地殼和花崗巖源區(qū)的重要信息（Keay S et al., 1999; De la Rosa J D et al.,

19、2002），可用于花崗巖物質(zhì)源和基底組成的示蹤。 另外，雷懷彥等 （2003）對南嶺地區(qū)桃山和諸廣花 崗巖體中鋯石的晶體形態(tài)、 Zr/Hf 比值、鋯石變生特征等進行了研究，從而發(fā)現(xiàn)鋯石的化學(xué) 特征對于分析花崗巖體的時空演化具有一定的指示和輔助作用。4）Lu-Hf 同位素體系本身所具有的高于 Sm-Nd 同位素體系的封閉溫度及鋯石特有的抗 風(fēng)化能力，使得鋯石成為研究太古宙早期地殼的理想研究對象（鐘玉芳等， 2006 ）。此外，對于一個由多種組分構(gòu)成的巖石樣品， 巖漿巖中形態(tài)不同的鋯石晶體及同一鋯石內(nèi)部不同環(huán) 帶均記錄了不同組分的巖漿相互作用的過程， 因此通過多組鋯石和同一鋯石顆粒內(nèi)不同環(huán)帶 的

20、Hf 同位素研究，可追蹤巖體的結(jié)晶歷史，獲得巖漿演化的信息。5）高溫下鋯石和巖漿的同位素分餾很小，鋯石的氧同位素組成基本上反應(yīng)了鋯石形成 時巖漿的氧同位素特征（ 鐘玉芳等， 2006）。由于地殼物質(zhì)與地幔物質(zhì)的氧同位素組成存在 差異，因此氧同位素可以很好的示蹤殼幔的相互作用。6）巖漿鋯石的微量元素（特別是稀土元素）特征研究主要是應(yīng)用在判斷其寄主巖石類 型中。根據(jù)已經(jīng)獲得的微量元素在鋯石與熔體之間的分配系數(shù)，通過鋯石的微量元素含量， 可以計算出鋯石結(jié)晶時熔體的微量元素特征， 根據(jù)這些特征可以進一步制約寄主巖石的演化 歷史。通過變質(zhì)鋯石微量元素特征的研究，可以很好地判斷鋯石的形成條件。7）鋯石中的

21、包裹體礦物成分研究不但可以很好地指示寄主巖石的演化歷史（Liu Fet al.,2001; Liu Jet al., 2001），同時還可以直接有效地制約鋯石的形成環(huán)境 （ Gebauer D et al., 1997; Hermann J et al., 2001）。6.2 鋯石的年代學(xué)意義鋯石中富含 U、Th 等放射性元素，普通 Pb 含量低，離子擴散速度低，封閉溫度高， 可 達 900C（ Lee Jet al., 1997; Cherniak D Jet al., 2000）,所以成為了 U-Pb 定年法的理想對象。 對于結(jié)構(gòu)簡單、成因意義明確的鋯石（如巖漿鋯石） ，通過對其進行顯微結(jié)

22、構(gòu)和化學(xué)組成的 綜合研究， 選擇未受后期地質(zhì)作用影響的晶域和顆粒進行微區(qū)定年，可以使測年結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。6.2.1 繼承巖漿鋯石的年代學(xué)意義變質(zhì)巖或沉積巖從其原巖或母巖繼承的鋯石稱為繼承鋯石。 繼承鋯石可以作為晶核存在 于鋯石的核部， 也可以作為單獨的晶體顆粒存在。 如果繼承鋯石是巖漿鋯石， 并且這些鋯石 沒有蛻晶化，則該晶質(zhì)鋯石可有很高的 U-Pb 封閉溫度，即使在很高的溫度條件下，也不能 使Pb完全通過擴散丟失。所以結(jié)晶完好的鋯石U-Pb體系是迄今為止用于年代學(xué)中具有最高封閉溫度的同位素體系。因此如果該變質(zhì)巖或沉積巖的原巖為火成巖，繼承鋯石的U-Pb年齡可能代表其原巖年齡。6.2.2 變

23、質(zhì)重結(jié)晶鋯石的年代學(xué)意義重結(jié)晶作用較徹底的均勻變質(zhì)重結(jié)晶鋯石區(qū)域得到的 U-Pb 年齡代表了變質(zhì)重結(jié)晶發(fā)生 的時代； 巖漿環(huán)帶結(jié)構(gòu)清楚、 未受變質(zhì)重結(jié)晶作用影響的鋯石區(qū)域的年齡代表了原巖相應(yīng)巖 石的形成年齡（ Hoskin P W O and BlackLP, 2000; Harrison TM et al., 1987）；而部分受變質(zhì)重 結(jié)晶作用影響的區(qū)域給出的 U-Pb 年齡是混合年齡，并且在 U-Pb 年齡諧和圖上形成一條不 一致線，不一致線與諧和線的上交點年齡最有可能代表其形成年齡，即繼承鋯石的年齡， 不 一致線與諧和線下交點的年齡最有可能代表重結(jié)晶作用發(fā)生的年齡， 即變質(zhì)重結(jié)晶鋯石的

24、年 齡（ Vavra G et al., 1999）。6.2.3 熱液鋯石的年代學(xué)意義熱液流體對鋯石 U-Pb 體系封閉性的影響遠遠超過變質(zhì)作用的溫度和壓力的影響。 熱液蝕變作用較為徹底的鋯石晶域測得的年齡，可以代表熱液蝕變作用的準(zhǔn)確年齡， 對 其中沒 有受熱液蝕 變作用影響 的鋯石晶域 進行 U-Pb 定年， 可以得到原 巖的形成年 齡 （ Tomashek F et al., 2003; Liati A et al., 2002）。此外，對于熱液礦床而言， 通過對受蝕變作用影響較為徹底的鋯石微區(qū)或顆粒進行 U-Pb 定年所得到的熱液蝕變作用發(fā)生的準(zhǔn)確時代，即為礦床的形成時代（李長民， 20

25、09 ）。7 結(jié)論1）不同環(huán)境及成因的鋯石具有不同的結(jié)構(gòu)類型和礦相學(xué)特征，通過詳細(xì)的研究可區(qū)分 鋯石的生長期次和不同期次鋯石的成因。2）不同成因鋯石具有其特征的微量元素和稀土元素組成。3）鋯石的成因往往是很復(fù)雜的，因此想要得到正確的結(jié)論，需要將鋯石的晶體形態(tài)、 內(nèi)部特征、化學(xué)組成特征及包裹體等結(jié)合起來進行綜合研究。4）鋯石可用于 U-Pb 同位素測年，但蛻晶質(zhì)化和重結(jié)晶作用均會引起Pb 的丟失，從而導(dǎo)致得到混合年齡，因此在實驗前對鋯石顆粒或微區(qū)進行仔細(xì)的篩選是十分有必要的。5）對于熱液礦床而言，通過對受蝕變作用影響較為徹底的鋯石微區(qū)或顆粒進行U-Pb定年所得到的熱液蝕變作用發(fā)生的準(zhǔn)確時代，即為

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