斜鋯石U-Pb 定年應(yīng)用于內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶的討論

金松 楊時(shí)驕 張楊 梁恒

1 河北地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，河北 石家莊 050031

2 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

3 山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014

鋯石U-Pb 體系是目前已知礦物同位素體系中封閉溫度最高的，其中Pb 的擴(kuò)散封閉溫度高達(dá)900℃[1-2]，是確定巖漿巖結(jié)晶及高級(jí)變質(zhì)作用年齡的理想對(duì)象，但是能否對(duì)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖形成年齡進(jìn)行精確測(cè)定一直備受爭(zhēng)議，也是鎂鐵-超鎂鐵巖的同位素地質(zhì)年代學(xué)領(lǐng)域比較棘手的科學(xué)難題。鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖多起源于地幔，研究表明在地幔儲(chǔ)庫中，Zr 元素的含量微乎其微，活動(dòng)性弱，理論上不具備形成鋯石的條件[3]。斜鋯石作為一種富U礦物早在1893 年就被發(fā)現(xiàn)[4]，由于斜鋯石的U-Pb 同位素系統(tǒng)非常穩(wěn)定,相比其他定年礦物斜鋯石具有更容易保存的U-Pb 同位素體系[5]，經(jīng)過低中級(jí)變質(zhì)作用(綠片巖相到角閃巖相變質(zhì)作用)仍然能保持封閉狀態(tài)[6]，因此近年來斜鋯石作為理想的U-Pb 同位素定年對(duì)象，在鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖年代學(xué)研究領(lǐng)域被廣大學(xué)者采用。

興蒙造山帶發(fā)育多條近東西向展布的鎂鐵-超鎂鐵巖帶[7]，其大多代表了大洋巖石圈的殘留，是古亞洲洋構(gòu)造域演化的重點(diǎn)研究對(duì)象。興蒙造山帶經(jīng)歷了長(zhǎng)期的演化作用[8]，其鎂鐵-超鎂鐵巖中的鋯石必然具有多成因的特點(diǎn)，這也造成了其年齡譜系的不協(xié)調(diào)。在對(duì)內(nèi)蒙古東北部近年來的調(diào)查工作中，識(shí)別出了一條斷續(xù)分布的鎂鐵-超鎂鐵巖帶，沿扎魯特旗好老鹿場(chǎng)-科右中旗杜爾基-突泉縣牤牛海一線分布。其鋯石U-Pb 年代學(xué)研究成果表明，自西向東年齡依次為好老鹿場(chǎng)輝長(zhǎng)巖362Ma[9]、杜爾基輝綠巖310±2Ma、斜長(zhǎng)陽起巖296.2±4.8Ma[10]、布敦花牧場(chǎng)鎂鐵-超鎂鐵巖289±3Ma[11]、 突 泉 葦 場(chǎng) 鎂 鐵- 超 鎂 鐵 巖345.3±1.9Ma 和303.4±1Ma[12]、牤牛海超鎂鐵巖271-277Ma[7]。該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學(xué)研究均局限于單純的鋯石U-Pb 定年，輔以簡(jiǎn)要的鋯石成因礦物學(xué)分析，在對(duì)這些鋯石成因的系統(tǒng)總結(jié)研究及U-Pb 年齡的合理解釋方面有所欠缺，而且沒有針對(duì)斜鋯石進(jìn)行定年，造成了年代學(xué)成果的不確定性，也制約了區(qū)域構(gòu)造演化的研究。值得指出的是，在內(nèi)蒙古東北部乃至整個(gè)興蒙造山帶，至今沒有學(xué)者開展過針對(duì)鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年方面的研究，但在我國華南、華東及西南地區(qū)已有大量關(guān)于鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年的報(bào)道，為其所在研究區(qū)提供了可靠的年代學(xué)證據(jù)[13-21]。

本文擬對(duì)當(dāng)前關(guān)于斜鋯石成因礦物學(xué)的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，搜集當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年的研究成果，在對(duì)斜鋯石定年的應(yīng)用現(xiàn)狀及測(cè)試方法進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合興蒙造山帶鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖鋯石年代學(xué)工作中存在的一些不足，并通過對(duì)比研究確定蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶內(nèi)存在斜鋯石，并進(jìn)一步探討該地區(qū)進(jìn)行斜鋯石定年的可行性、必要性和地質(zhì)意義。

1 鎂鐵-超鎂鐵巖中斜鋯石定年的研究現(xiàn)狀

1.1 斜鋯石定年應(yīng)用現(xiàn)狀

斜鋯石的主要成分為氧化鋯（ZrO2）[4]，具有極強(qiáng)的成因?qū)傩裕窃诠璨伙柡偷幕?超基性巖漿中形成，一般存在于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖、堿性巖和碳酸巖中[22]。斜鋯石為透明片狀小晶體，內(nèi)部具有不規(guī)則的條帶狀分帶特征，晶體粒度變化很大，晶體短軸10～70μm，長(zhǎng)軸方向可達(dá)20～150μm，陰極發(fā)光很弱，部分研究中發(fā)現(xiàn)的斜鋯石陰極發(fā)光比環(huán)氧樹脂靶還弱[13]。

目前研究多認(rèn)為斜鋯石為鎂鐵-超鎂鐵巖中的原生巖漿鋯石，它通常含有適當(dāng)?shù)腢 和極低的初始普通鉛，U-Pb 同位素體系的封閉性很好[22]，廣泛應(yīng)用于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的年代學(xué)研究中，解決一系列關(guān)于鎂鐵-超鎂鐵巖年代學(xué)研究的爭(zhēng)議和難題。諸如中亞造山帶西部的金川超鎂鐵質(zhì)巖體，其由于強(qiáng)烈的地殼混染作用造成其鋯石成因較為復(fù)雜，李獻(xiàn)華等采用斜鋯石對(duì)其中的二輝橄欖巖進(jìn)行定年得到了一致認(rèn)可[14,22]；揚(yáng)子克拉通神農(nóng)架群基性-超基性巖、柳麻村輝綠巖、泰山地區(qū)古元古代末期基性巖墻等年代學(xué)研究存在爭(zhēng)議，但又對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化有制約作用的鎂鐵-超鎂鐵巖體，一些學(xué)者同樣采樣斜鋯石定年方法提供了可靠的年代學(xué)證據(jù)[13,15,16]。

1.2 斜鋯石定年方法的研究

斜鋯石定年可以采用Pb-Pb 同位素體系和U-Pb 同位素體系。Pb-Pb 同位素體系定年的優(yōu)勢(shì)在于可以直接在巖石薄片上采用大型離子探針進(jìn)行定年，該方法曾經(jīng)對(duì)顯生宙華北河砍子正長(zhǎng)巖和華南霞嵐輝長(zhǎng)巖進(jìn)行了準(zhǔn)確的斜鋯石定年[23]，但目前絕大多數(shù)學(xué)者仍然認(rèn)為U-Pb 同位素體系定年地質(zhì)意義更為明確，可以解釋為巖石的成巖年齡，是斜鋯石定年的理想選擇[24]。

在定年技術(shù)方面，2010 年以前的研究以利用熱電離質(zhì)譜（TIMS）和二次離子探針質(zhì)譜法（SIMS）測(cè)試方法為主，獲得了大量的斜鋯石年齡，近年來逐漸有學(xué)者開始使用高靈敏高分辨率離子探針質(zhì)譜法（SHRIMP）和激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LA-ICP-MS）測(cè)試方法[14,22]。目前斜鋯石定年的主要方法概括起來包括SHRIMP、LA-ICP-MS、ID-TIMS、SIMS 四種方法[13,24-26]。上述方法各有利弊，李惠民等結(jié)合中國秦嶺地區(qū)一些具有重要地質(zhì)意義的鎂鐵-超鎂鐵巖石中的斜鋯石U-Pb 同位素地質(zhì)年代學(xué)的研究，對(duì)斜鋯石U-Pb 同位素定年的3 種方法包括ID-TIMS法、SHRIMP法和LA-ICP-MS法的優(yōu)點(diǎn)、局限性及其適用范圍進(jìn)行比較，結(jié)論認(rèn)為ID-TIMS 法目前是最精確可靠、適用年齡范圍最廣的斜鋯石定年方法，但其缺陷是無法進(jìn)行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測(cè)定，但并不影響測(cè)定年齡的精確度和可靠性。而SHRIMP 法可以進(jìn)行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測(cè)定,比較適合對(duì)前寒武紀(jì)鎂鐵-超鎂鐵巖石中的斜鋯石進(jìn)行U-Pb 同位素年齡測(cè)定。LA-ICP-MS 法可以進(jìn)行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測(cè)定，且適用的年齡范圍也較廣，但只能針對(duì)U、Pb 含量較高的斜鋯石才能進(jìn)行測(cè)定并獲得合理的測(cè)定結(jié)果[26]。因此，LA-ICP-MS 法在鋯石和斜鋯石定年領(lǐng)域都是應(yīng)用最廣的定年方法。

1.3 鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖中鋯石與斜鋯石定年方法的對(duì)比研究

斜鋯石定年在實(shí)際應(yīng)用的可靠性也是一個(gè)重要的研究課題，關(guān)于鎂鐵-超鎂鐵巖鋯石與斜鋯石定年的差異早在2005 年就有人做過研究，李惠民等針對(duì)秦嶺富水雜巖的變輝長(zhǎng)巖進(jìn)行了鋯石與斜鋯石的SHRIMP 和TIMS 雙重定年對(duì)比，兩者相差約20Ma。通過對(duì)該巖石中鋯石成因礦物學(xué)的研究，認(rèn)為斜鋯石的同位素年齡應(yīng)解釋為秦嶺富水雜巖中基性巖石的形成時(shí)代，而鋯石由于后期發(fā)生變質(zhì)作用，對(duì)其同位素年齡地質(zhì)意義值得商榷[17]；針對(duì)望江山基性巖體中的輝長(zhǎng)巖中的鋯石和斜鋯石SHRIMP 和TIMS 雙重定年對(duì)比，鋯石表面年齡分別為819±9Ma 和814±29Ma，斜鋯石表面年齡分別為822±25Ma 和828±9Ma，結(jié)果基本一致，可信度較高[24]。夏文靜等對(duì)南盤江盆地八渡輝綠巖中的鋯石與斜鋯石采用SIMS 法定年并進(jìn)行了對(duì)比研究，認(rèn)為二者在誤差范圍內(nèi)一致，且與該處輝綠巖處于的俯沖增生雜巖帶內(nèi)的其他鋯石U-Pb 年齡進(jìn)行了對(duì)比，獲得斜鋯石和鋯石年齡分別為269.3±4.2Ma 和265.0±2.9Ma，結(jié)果在誤差范圍內(nèi)基本保持一致[18]。這些對(duì)比研究表明，相對(duì)于成因復(fù)雜的鋯石，斜鋯石定年更適用于鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學(xué)研究，但上述對(duì)比研究?jī)H僅限于方法對(duì)比結(jié)論的驗(yàn)證，沒有明確的證據(jù)來突出斜鋯石定年優(yōu)勢(shì)，也缺乏通過斜鋯石定年技術(shù)解決重大年代學(xué)爭(zhēng)議的研究。

2 內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶斜鋯石定年的必要性

2.1 年代學(xué)研究的不確定性

目前興蒙造山帶的構(gòu)造演化及構(gòu)造單元?jiǎng)澐忠呀?jīng)在取得了較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于古亞洲洋的縫合位置及縫合時(shí)代仍然存在較大的爭(zhēng)議，縫合時(shí)代的爭(zhēng)議主要來自于東北部俯沖增生雜巖帶內(nèi)鎂鐵-超鎂鐵巖年代信息的不統(tǒng)一。對(duì)于鎂鐵-超鎂鐵巖，盡管越來越多的學(xué)者提出了有效的同位素示蹤研究方法，但其很少存在原生鋯石或在巖漿上升過程中存在地殼混染的認(rèn)識(shí)仍被普遍認(rèn)可，因此，鎂鐵-超鎂鐵巖的鋯石成因的不確定性往往制約了其年代學(xué)研究的精確性[26-30]。遺憾的是，目前研究區(qū)關(guān)于鎂鐵-超鎂鐵巖鋯石的準(zhǔn)確成因及其微量元素、同位素體系特征的研究鮮有報(bào)道，因此很大程度上不能確定其是原生巖漿鋯石，這也導(dǎo)致了同位素年齡信息的可靠程度也大打折扣。

從同位素年齡信息看（圖1），研究區(qū)內(nèi)目前已報(bào)道的鎂鐵-超鎂鐵巖年代學(xué)研究成果集中在早石炭世-中二疊世（362Ma-271Ma）[7-12]，但其空間產(chǎn)出位置構(gòu)成了一條較為連續(xù)的近東西向鎂鐵-超鎂鐵巖帶，巖性為蛇紋石化橄欖巖、蛇紋巖、滑石巖、角閃石巖、角閃輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖，野外識(shí)別均為與圍巖斷層接觸的構(gòu)造巖塊。而在目前研究程度較高的西烏旗一帶蛇綠構(gòu)造混雜巖中的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的年代學(xué)研究普遍為早石炭世，雖然年代學(xué)研究均采用鋯石U-Pb 方法，但不同學(xué)者研究的一致性也使該項(xiàng)成果得到了公認(rèn)[31-34]。西烏旗蛇綠巖與研究區(qū)內(nèi)的鎂鐵超鎂鐵巖同屬一條俯沖增生雜巖帶[7,35]，但正如前文引言部分所述，研究區(qū)所處的該條構(gòu)造帶東部好老鹿場(chǎng)-牤牛海一線鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學(xué)研究成果并不統(tǒng)一，嚴(yán)重制約了區(qū)域構(gòu)造演化史以及其相關(guān)地質(zhì)體的構(gòu)造屬性的研究，諸如大石寨組是俯沖有關(guān)的島弧火山巖還是陸內(nèi)裂谷發(fā)育的雙峰式火山巖[36-37]，再如東烏旗一帶廣泛分布的安格爾音烏拉組和寶力高廟組構(gòu)造背景是活動(dòng)陸緣還是陸內(nèi)伸展[38]。

圖1 研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖分布位置及年代學(xué)研究成果[7,9-12,35] Fig 1 The location and chronology of mafic-ultramafic rocks in the study area

2.2 鋯石成因的復(fù)雜性

鎂鐵-超鎂鐵巖的鋯石成因受地殼混染和后期變質(zhì)作用影響，成因十分復(fù)雜，因此單純的采用鋯石定年方法不足以獲得可信的同位素年齡。以杜爾基一帶采集的定年樣品為例（樣品編號(hào)D8049-2-3），通過對(duì)鋯石成因礦物學(xué)及鋯石形態(tài)特點(diǎn)研究成果綜合分析，由于產(chǎn)于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的鋯石常常為它形(少數(shù)情況下為半自形)，較大的粒徑(毫米級(jí)到厘米級(jí))[27,28]，因此該樣品中原生巖漿鋯石較少；變質(zhì)鋯石往往具有變質(zhì)核心、增生邊及不協(xié)調(diào)的環(huán)帶，這類鋯石在該樣品中非常常見，可以識(shí)別出變質(zhì)結(jié)晶鋯石、變質(zhì)增生鋯石和變質(zhì)重結(jié)晶鋯石[39,40]，熱液鋯石多為它形，陰極發(fā)光圖片中顏色明亮，是后期經(jīng)過熱液流體蝕變或熱液改造了的鋯石[28-29]。由此可見，該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖中原生巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石、熱液鋯石均存在，勢(shì)必會(huì)得出多組年齡信息，如何進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋，并識(shí)別出準(zhǔn)確的成巖年齡，是該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖年代學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[41,42]，因而也會(huì)使結(jié)論準(zhǔn)確性也大打折扣。研究表明，斜鋯石可以在后期變質(zhì)作用過程中轉(zhuǎn)化為鋯石[5]，其年齡往往代表了高級(jí)變質(zhì)作用的年齡。因此，直接選取斜鋯石進(jìn)行定年最為可靠。

圖2 杜爾基輝綠巖樣品鋯石CL 圖像及成因判別 Fig 2 Zircon CL image and genetic discrimination of Durky diabase samples

2.3 斜鋯石精準(zhǔn)定年的必要性

由上述討論可見，由于鋯石定年造成了研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖形成年齡產(chǎn)生較大分歧，且鋯石成因十分復(fù)雜，直接采用斜鋯石定年是準(zhǔn)確判斷該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖成巖年齡的首選方法。越來越多的學(xué)者對(duì)鎂鐵-超鎂鐵巖采用斜鋯石定年方法解決了一系列重大基礎(chǔ)地質(zhì)問題，但在研究區(qū)乃至興蒙造山帶，仍然極少有人采用專門的斜鋯石定年方法進(jìn)行年代學(xué)研究。因此，研究區(qū)內(nèi)鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學(xué)研究亟需更為可靠的斜鋯石定年研究工作來解決爭(zhēng)議，為古亞洲洋構(gòu)造域演化提出新的且準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

3 內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶斜鋯石定年討論

3.1 研究區(qū)斜鋯石的識(shí)別

研究區(qū)內(nèi)的鎂鐵-超鎂鐵巖巖石類型包括蛇紋石化橄欖巖、蛇紋巖、滑石巖、角閃石巖、角閃輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖等。為了確定研究區(qū)內(nèi)存在斜鋯石，在杜爾基鎂鐵-超鎂鐵巖中采集了角閃石巖（樣品編號(hào)GPM06-4-3）和蝕變玄武巖（樣品編號(hào)GPM09-8-3）樣品各一件，首先將樣品粉碎至80 目，經(jīng)分選和多次精細(xì)淘洗獲得重礦物，然后通過磁選和電磁選選出無磁部分礦物，最后在雙目鏡下人工挑選出所有鋯石礦物。挑選無明顯裂紋且晶形較完整的礦物顆粒，制作成環(huán)氧樹脂靶，并拍攝鋯石CL 圖像，均由北京科薈測(cè)試技術(shù)有限公司完成。由于在制靶過程中未單獨(dú)篩選斜鋯石，因此本次研究通過將前人大量關(guān)于斜鋯石定年研究中的斜鋯石特征及CL 圖像進(jìn)行匯總分析，并與研究區(qū)樣品鋯石CL 圖像進(jìn)行對(duì)比篩選，從中識(shí)別出了多個(gè)斜鋯石晶體。由圖3 可見，研究區(qū)兩個(gè)樣品中的斜鋯石為透明片柱狀晶體，柱體不完整，可能在粉碎分選過程中發(fā)生了碎裂，部分斜鋯石晶型相對(duì)完好且粒徑較大，柱體表面有平行的生長(zhǎng)紋，晶體粒度變化較大，晶體短軸20～70μm，長(zhǎng)軸方向可達(dá)50～150μm;陰極發(fā)光照片顯示，斜鋯石不同晶體之間陰極發(fā)光明、暗差異較大，內(nèi)部分帶弱、個(gè)別顆粒顯示不規(guī)則的條帶狀分帶特征，與已有研究中的斜鋯石形態(tài)特征可良好對(duì)比，符合斜鋯石的形態(tài)及陰極發(fā)光特征。

圖3 已有研究中斜鋯石CL 圖像與研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石CL 圖像對(duì)比 Fig 3: Comparison of baddeleyite CL images between mafic-ultramafic rocks in the study area and others

3.2 斜鋯石定年討論

由上述對(duì)比研究可見，研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖中的杜爾基一帶巖石中存在斜鋯石，因此，可直接進(jìn)行斜鋯石定年。在今后關(guān)于研究區(qū)乃至興蒙造山帶鎂鐵-超鎂鐵巖年代學(xué)研究中，可以考慮在樣品制備過程中直接經(jīng)過重力分選及掃描電鏡識(shí)別，在樣品中直接分選出斜鋯石進(jìn)行定年。研究區(qū)乃至興蒙造山帶極少分布前寒武紀(jì)地質(zhì)體，且目前鋯石原位微量元素分析可以為原生鋯石的判別提供可靠依據(jù)，LA-ICP-MS 法可以進(jìn)行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測(cè)定，且適用的年齡范圍也較廣[26]，因此LA-ICP-MS 法可適用于研究區(qū)內(nèi)的斜鋯石定年工作[22,26]。綜上所述，針對(duì)內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶開展LA-ICP-MS 法斜鋯石U-Pb 同位素定年可行且有望取得精準(zhǔn)可靠的年代學(xué)成果。

4 結(jié)論

（1）斜鋯石為產(chǎn)于鎂鐵-超鎂鐵巖中的巖漿鋯石，斜鋯石U-Pb 定年技術(shù)成熟，相對(duì)鋯石定年更加精準(zhǔn)可靠，但內(nèi)蒙古東北部乃至興蒙造山帶的鎂鐵-超鎂鐵巖的斜鋯石定年研究相對(duì)欠缺。

（2）通過分析認(rèn)為研究區(qū)杜爾基一帶鎂鐵-超鎂鐵巖中鋯石成因較為復(fù)雜，難以獲得準(zhǔn)確可靠的年代學(xué)結(jié)果；通過對(duì)比分析在樣品CL 圖像識(shí)別出斜鋯石，認(rèn)為在研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖帶采用LA-ICP-MS 法斜鋯石U-Pb 同位素定年工作可行，有望取得良好的效果，可以為古亞洲洋構(gòu)造域演化提供準(zhǔn)確可靠的年代學(xué)證據(jù)。

致 謝 本文在成文過程中與河北地質(zhì)大學(xué)張聚全教授、李英杰教授及中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心錢程高級(jí)工程師進(jìn)行了有益的交流和探討，審稿專家劉力生教授級(jí)高級(jí)工程師對(duì)論文提出的寶貴意見使本文得以完善，在此一并表示衷心的感謝。