鋯石的成因類型及其地質(zhì)應(yīng)用

肖 琴，易 睿，張婷婷，向家佳

(長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

鋯石是大多數(shù)火成巖和變質(zhì)巖中的主要礦物，鋯是其重要的結(jié)構(gòu)成分。它是全巖U、Th、Hf豐度的重要組成部分，這些元素在地球化學(xué)上是重要的過程指示物或年齡測(cè)定的母體同位素。

近年來，陰極發(fā)光(CL)圖像等進(jìn)行微區(qū)分析的成像技術(shù)和原位微區(qū)微量元素分析技術(shù)(LA-ICP-MS)揭示了單個(gè)鋯石晶體包含了多個(gè)地質(zhì)事件的記錄。鋯石的研究現(xiàn)狀已從原來的微量元素或顆粒鋯石發(fā)展為鋯石的微區(qū)分析。文章歸納總結(jié)鋯石形貌學(xué)和微量元素特征，并從鋯石U-Pb年代學(xué)研究、巖漿源區(qū)示蹤及巖漿形成的物理化學(xué)條件三方面著手論述鋯石學(xué)研究在地球科學(xué)中的作用。

1 鋯石形貌學(xué)特征及微量元素特征

巖漿鋯石中一般存在特征性的振蕩環(huán)帶,暗示鋯石中存在微量元素分布不均勻的現(xiàn)象。根據(jù)李靈慧等人2016年的研究,鋯石的振蕩環(huán)帶寬度與鋯石在巖漿中結(jié)晶時(shí)的巖漿溫度具有聯(lián)系性。關(guān)聯(lián)總結(jié)如下:溫度越高,微量元素?cái)U(kuò)散速度越快,形成的巖漿振蕩環(huán)帶就會(huì)越寬。不同巖漿中鋯石結(jié)晶時(shí)熱力學(xué)條件的不同會(huì)導(dǎo)致不同振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，例如扇形環(huán)帶結(jié)構(gòu)。因此在對(duì)鋯石的研究中可根據(jù)鋯石CL圖像中的環(huán)帶發(fā)育程度來大致判斷鋯石的源區(qū)巖漿。例如：劉政國(guó)等人(2020)在對(duì)冀東馬蘭峪地區(qū)花崗閃長(zhǎng)巖中的鋯石進(jìn)行的研究,該地區(qū)鋯石樣品中發(fā)育清晰的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu),部分鋯石樣品可見核部及邊部存在熔蝕現(xiàn)象,鋯石核部發(fā)育大量的包裹體,表明鋯石形成時(shí)所處的地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜。

巖漿鋯石是各類鋯石中最易獲得的鋯石,所含微量元素含量從超鎂鐵質(zhì)巖、鎂鐵質(zhì)巖至花崗質(zhì)巖總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì),與全巖的成分特征基本一致。例如:金伯利巖的巖漿鋯石REE總量常低于50×10-6,碳酸巖和煌斑巖中通常為(600～700)×10-6,基性巖中鋯石REE總量約為2 000×10-6,花崗巖類和偉晶巖中則高達(dá)10 000×10-6[2]。未蝕變的巖漿鋯石中大部分微量元素含量都很低,如Mn含量為(2～5)×10-6、Ga和Sr為(1～2)×10-6、Ba和Sn為10-9。但P元素除外,金伯利巖鋯石的P含量為(20～110)×10-6,而花崗質(zhì)巖鋯石的P含量在幾百到幾千10-6。

變質(zhì)鋯石是已結(jié)晶的鋯石局部被改造的區(qū)域以及增生區(qū)域在變質(zhì)作用下所形成的鋯石。變質(zhì)鋯石的微量元素特征與其形成機(jī)制存在著一定的聯(lián)系性:固態(tài)重結(jié)晶作用較溶解再結(jié)晶作用對(duì)源巖鋯石改造程度更低，微量元素繼承源巖巖漿鋯石；熔解再結(jié)晶作用對(duì)源巖鋯石進(jìn)行改造形成了變質(zhì)增生鋯石，其微量元素含量低于固態(tài)重結(jié)晶作用形成的鋯石。變質(zhì)增生鋯石相比于固態(tài)重結(jié)晶鋯石含較高的Hf元素，較低的Lu/Hf比值。

熱液鋯石是指在富水流體中形成,或受熱液流體蝕變而成的變質(zhì)鋯石。其體現(xiàn)了鋯石與流水間的平衡過程,因此熱液鋯石的微量元素特征明顯區(qū)別于巖漿和變質(zhì)作用過程中鋯石的形成過程和微量元素特征,具體表現(xiàn)在熱液鋯石具有較低Th/U比值、較高的U和REE含量[2]。

2 鋯石的應(yīng)用

2.1 鋯石U-Pb年代學(xué)研究

鋯石在巖漿作用過程中具有良好的物化穩(wěn)定性，具有保持U-Pb同位素體系封閉的能力。以鋯石為研究對(duì)象可揭示巖石的成分、形成時(shí)代及有關(guān)深部動(dòng)力學(xué)過程，為關(guān)于深部地殼和巖漿源區(qū)的研究提供重要信息。鐘玉芳等[3]在進(jìn)行江西九嶺花崗巖中的鋯石的研究時(shí)，運(yùn)用SHRIMP分析獲得部分鋯石環(huán)帶及核部的年齡，并認(rèn)為核部年齡可能代表其源巖的年齡。

通常，變質(zhì)作用過程中形成的鋯石也因其具有較好的封閉性使其能夠保存較多的變質(zhì)礦物。對(duì)鋯石中的礦物包裹體和U-Pb年代學(xué)進(jìn)行分析[4]可為精確限定巖石的變質(zhì)過程提供有力依據(jù)。錢加慧等[4]在鋯石U-Pb年代學(xué)研究的基礎(chǔ)上以北秦嶺松樹溝榴閃巖為研究對(duì)象，判斷其是由早期(中元古代晚期-新元古代早期)侵位的巖石受到早古生代高壓-超高壓區(qū)域變質(zhì)作用形成。

在成熟沉積物中，鋯石可能是少數(shù)或唯一殘留的重礦物之一，有關(guān)烴源巖成分的信息在很大程度上丟失，只有通過解釋鋯石成分才能獲得。沉積巖也可能含有大量的鋯石，其鋯石來源相對(duì)于巖漿巖和變質(zhì)巖而言較復(fù)雜，主要來自風(fēng)化火成巖和變質(zhì)巖，且大多來自碎屑源區(qū)。沉積巖和沉積物中的碎屑鋯石具有很高的耐久性，它記錄了地殼單元的年齡信息。對(duì)碎屑沉積物重礦物組分特別是碎屑鋯石顆粒的U-Pb體系進(jìn)行分析，已被證明是地層對(duì)比、沉積物來源鑒定或遷移以及沉積歷史的有用工具。浩德成等對(duì)安家岔組黑云母石英片巖開展碎屑鋯石U-Pb定年，查明其地層時(shí)代、沉積構(gòu)造環(huán)境及沉積碎屑物源區(qū)，推斷其為早-中泥盆世揚(yáng)子板塊北緣斷陷盆地沉積的產(chǎn)物。

2.2 巖漿源區(qū)示蹤

氧是地殼中豐度最高的元素,且由于氧同位素的組成在地幔與地殼物質(zhì)中存在較高差異，所以，在對(duì)同位素的地球化學(xué)研究中，氧元素起著很大的作用。同時(shí),氧同位素技術(shù)是一種非常敏感且完全依賴于地殼溫度的化學(xué)示蹤劑,因此可以很好地示蹤殼幔之間的相互作用[3]。通過研究鋯石中的氧同位素組成，基本能夠確定鋯石形成時(shí)巖漿的氧同位素特征，在極高的溫度下，巖漿和鋯石中的氧同位素分餾作用都極小。即使在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過程中經(jīng)歷了劇烈的變質(zhì)作用，巖漿中的鋯石仍然能夠在干凈的或更老的巖石中保持它們最初的氧同位素比率。通過學(xué)生綜合能力分析比較各組別的鋯石樣品或同一濃度下鋯石巖漿顆粒中不同工作濃度以及區(qū)域的鋯石中的氧同位素,可為企業(yè)不同數(shù)據(jù)來源、不同濃度的鋯石巖漿期次混合的濃度定量化、巖漿的濃度同化和混染化等研究發(fā)展提供一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)信息。一些非常適合我們進(jìn)行鋯石地球化學(xué)性質(zhì)分析的原始鋯石熔體中的熔體鋯石包裹體通?？梢暂^完整地保留原始鋯石熔體包裹中的主要成分。由于具有此類特性,這些原始鋯石熔體可以成為我們研究陸殼熔融、分異甚至地球大陸上的地殼結(jié)構(gòu)形成的潛在對(duì)象。研究鋯石中的包裹體及其礦物演化成分，不僅可以直接有效地研究鋯石礦物形成時(shí)的演化環(huán)境，而且可以清楚地表明宿主層狀巖的礦物演化歷史[5]。

2.3 巖石形成過程中的物理化學(xué)條件

查閱相關(guān)文獻(xiàn)表明，由于鋯石自身具備一些較強(qiáng)的物理化學(xué)穩(wěn)定性，我們可以利用其優(yōu)越性進(jìn)行巖漿溫度估算。Harrison和Watson[6]首次發(fā)現(xiàn)鋯石中Ti含量與溫度有一定的相關(guān)性，他們先是進(jìn)行合成鋯石的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)研究得出了初始Ti含量溫度計(jì)公式：log(Ti)zircon=[(6.01±0.03)-(5 080±30)]/T(K)顯然這沒有考慮壓力和活度的影響。基于這個(gè)理論公式，Watson等進(jìn)一步擬合得到鋯石Ti含量溫度計(jì)更新的公式：T(℃)zircon=(5 080±300)/[(6.01±0.03)-log(Ti)]-273。我們?cè)趹?yīng)用鋯石的同時(shí)也應(yīng)該考慮其自身的制約因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。如果忽略溫度計(jì)其自身的校準(zhǔn)誤差，那么影響鋯石Ti溫度計(jì)的可能因素有：①壓力；②SiO2和TiO2的活度；③反應(yīng)自身不遵循反應(yīng)化學(xué)平衡或亨利定律；④亞固相條件下Ti含量的變化(交換和擴(kuò)散)；⑤鋯石的不同生長(zhǎng)世代和生長(zhǎng)介質(zhì)。

通過計(jì)算鋯石Ti含量來確定鋯石的結(jié)晶溫度，我們可以得到巖體的巖漿源區(qū)深度的大致范圍，再利用鋯石的寄主巖石類型以及寄主巖石中深源包裹體進(jìn)行深入研究，這樣反映巖漿的起源[8]。

鋯石的封閉性極強(qiáng)、穩(wěn)定性高，盡管其他礦物都被高級(jí)變質(zhì)作用或強(qiáng)烈的熱液蝕變，但鋯石中δ18O仍能很好地保存下來，因此用來計(jì)算氧逸度具有顯著的優(yōu)勢(shì)和效果。Trail等[9](2012)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲得了花崗質(zhì)熔體中鋯石(Ce/Ce*)與熔體氧逸度之間的經(jīng)驗(yàn)公式：ln(Ce/Ce*)=(0.1156±0.0050)×ln(fO2)+[(13 860±708)/T(k)]-(6.125±0.484)。絕大多數(shù)礦床的形成受氧逸度的影響，氧逸度對(duì)于成礦過程具有重要的意義,高氧逸度則是控制斑巖銅(金)礦床及淺成低溫?zé)嵋旱V床形成的關(guān)鍵性因素，甚至是決定性因素[10]?？偟膩碚f，巖漿氧逸度對(duì)于研究礦床、成礦潛力以及巖石成因等研究都有一定的指示和啟發(fā)作用。

3 結(jié)束語

不同成因鋯石的微量元素組成各異，為增強(qiáng)對(duì)鋯石的成因類型判別的有效性，僅憑任何一種判別指標(biāo)是不可行的。通過加強(qiáng)對(duì)鋯石微量元素的研究，再結(jié)合陰極發(fā)光圖像(CL)研究鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等綜合研究，才能較精準(zhǔn)的限定鋯石成因。

鋯石在地質(zhì)研究中起到至關(guān)重要的作用。為深入理解和解釋鋯石的形成過程、巖石成因、演化和類型，以及巖漿作用、變質(zhì)作用等熔體控制深部作用，將鋯石微量元素與U-Pb同位素定年等相結(jié)合可作為一個(gè)重要的研究方法。通過對(duì)氧同位素、包裹體、Ti溫度計(jì)、氧逸度等方面的研究，可以示蹤巖漿源區(qū)并揭示形成過程中的物理化學(xué)條件，進(jìn)而討論其母巖的成因及重要的地質(zhì)事件的演化過程。