鋯石成因礦物學(xué)及Lu-Hf同位素的應(yīng)用

摘要：鋯石是一種硅酸鹽礦物，主要化學(xué)成分是硅酸鋯，化學(xué)組成為ZrSiO4，晶體呈短柱狀，結(jié)構(gòu)為［ZrO8］三角十二面體與［SiO4］四面體沿c軸相間排列組成四方體心晶胞。對(duì)鋯石成因、鋯石劃分、鋯石化學(xué)成分特征、鋯石中Lu-Hf同位素的應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：鋯石U-Pb年齡；鋯石Hf同位素；硅酸鹽1鋯石成因礦物學(xué)研究

鋯石主要成分中有Mn、Ca、Al、TR、Th、U、Ti、P、Nb、Ta、Hf及H2O等以及混入物或與Si、Zr呈類質(zhì)同象關(guān)系的元素。這些元素促使鋯石的物理性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致鋯石的許多亞種的出現(xiàn)：成分中TR2O3（10.93%）及P2O5（7.6%）時(shí)被稱為大山石；成分中含TR2O3（9.12%）、不含P2O5（Nb，Ta）及U、Th含量高時(shí)被稱為苗木石；成分中TR2O3及U3O8含量高時(shí)被稱為曲晶石；成分中H2O含量達(dá)到3%—12%時(shí)被稱為水鋯石；成分中含BeO（14.73%）、HfO2（6%）、Th、TR時(shí)被稱為鈹鋯石［1］。

在不同成因類型的巖石中，鋯石的ZrO2/HfO2值不同：產(chǎn)于基性巖與堿性巖中的鋯石ZrO2/HfO2值比較大，多在60以上；產(chǎn)于中性巖中的鋯石ZrO2/HfO2值降低，多在50左右；產(chǎn)于花崗巖中的鋯石ZrO2/HfO2值較低，多在30左右；產(chǎn)于蝕變花崗巖中的鋯石ZrO2/HfO2則多在10～20之間；產(chǎn)于花崗偉晶巖中的鋯石ZrO2/HfO2值則更低，多在3～20之間。富Hf鋯石可以作為尋找與酸性巖有關(guān)的稀有元素礦床的標(biāo)志之一。

鋯石晶體結(jié)構(gòu)中［SiO4］4是孤立的，彼此間與Zr聯(lián)結(jié)，Zr的配位數(shù)為8。［ZrO8］三角十二面體在b方向上以共棱聯(lián)結(jié)。鋯石為酸性巖與堿性巖中常見的副礦物，基性巖與中性巖也可產(chǎn)出。在偉晶巖中，鋯石與鈮鉭鐵礦、褐釔鈮礦、褐簾石、獨(dú)居石等礦物共生；在熱液脈中，如鈉沸石、碳酸鹽、螢石脈中可見到鋯石產(chǎn)出；在沉積巖和變質(zhì)巖中鋯石也可作為副礦物出現(xiàn)。

鋯石的形態(tài)與形成環(huán)境條件有密切的關(guān)系。在堿性巖中，鋯石的｛111｝極為發(fā)育，而｛100｝、｛110｝不發(fā)育，晶體呈錐狀；在酸性花崗巖中，鋯石的｛111｝、｛100｝均發(fā)育，晶體呈柱錐狀；基性巖及中性巖中，鋯石的｛100｝和｛110｝發(fā)育，｛111｝不發(fā)育，晶體呈柱狀。

鋯石晶體的磨圓程度和表面特征也可反映出其形成環(huán)境條件。巖漿成因的鋯石晶體的磨圓程度低，晶面完整；沉積巖中的鋯石晶體磨圓程度高，晶面有磨蝕、溶蝕痕跡。

2鋯石的劃分

根據(jù)鋯石的成因類型，將鋯石分為兩大類，第一類為巖漿巖中的鋯石，分為“巖漿鋯石”和具有老核新殼的“巖漿復(fù)合鋯石”；第二類為變質(zhì)巖中的鋯石，分為變質(zhì)鋯石和具有老核新殼的變質(zhì)復(fù)合鋯石。第一類鋯石多發(fā)育韻律環(huán)帶，第二類鋯石韻律環(huán)帶不發(fā)育，在結(jié)構(gòu)上，有核、殼兩層結(jié)構(gòu)和核、幔、殼三層結(jié)構(gòu)。

巖漿復(fù)合鋯石中的老核形成時(shí)，巖漿從地殼深部上升，并侵蝕周圍的圍巖。在侵蝕過程中，巖漿會(huì)捕獲一些圍巖中的鋯石，并將其帶入巖漿中。隨后，部分巖漿可能經(jīng)歷部分熔蝕，但并沒有完全熔化，形成了“殘留鋯石”部分，其中含有來自圍巖的老核。

而對(duì)于變質(zhì)復(fù)合鋯石老核來說，在變質(zhì)過程中會(huì)保存于寄主巖石中。變質(zhì)作用是指巖石在高溫、高壓或流體交代條件下發(fā)生的改造過程。在變質(zhì)作用過程中，寄主巖石中的鋯石可以保持相對(duì)穩(wěn)定，而沒有顯著改變。這些保留下來的老核被稱為“繼承鋯石”，它們記錄了巖石形成以前的信息。

3鋯石化學(xué)成分特征及其在巖石成因中的應(yīng)用巖漿鋯石通常具有較高的釷（Th）和鈾（U）含量，這是因?yàn)閹r漿作用過程中，巖漿從地殼深部上升，帶入了大量的Th和U元素。同時(shí)，由于巖漿的高溫狀態(tài)和對(duì)流體的親和性，巖漿鋯石往往會(huì)富集這些放射性元素。因此，巖漿鋯石的Th/U比值較大（一般大于0.4），這也與其形成環(huán)境和過程有關(guān)。相比之下，變質(zhì)鋯石的Th和U含量較低，Th/U比值也較小（一般小于0.1）。這是因?yàn)樵谧冑|(zhì)作用過程中，巖石受到高溫、高壓等多種影響，導(dǎo)致其中的鋯石可能會(huì)釋放部分Th和U元素，從而使其含量降低。因此，變質(zhì)鋯石的Th/U比值通常較小。這些特征在一般情況下可以用來區(qū)分巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石。然而需要注意的是，有時(shí)候鋯石的Th/U比值并不能有效地鑒別巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石，有些巖漿鋯石Th/U比值可能小于0.1，而一些碳酸巖中巖漿鋯石的Th/U比值可能大于10 000。因此，僅僅依靠Th/U比值有時(shí)候是不夠準(zhǔn)確的，還需要綜合考慮其他鋯石的化學(xué)成分特征，如Hf含量、稀土元素的分布等，來進(jìn)一步確定鋯石的成因類型。

鋯石的稀土元素特征研究可以用于判斷鋯石寄主巖石的成因類型。但不同的巖漿巖可能有不同的微量元素特征，而且?guī)r漿鋯石的微量元素特征也受到巖漿演化和結(jié)晶分異的影響。在變質(zhì)過程中，巖石中的鋯石可能經(jīng)歷了Th和U的遷移和重分配，導(dǎo)致鋯石中Th/U比值的變化。特別是在一些特殊的變質(zhì)巖類型，如麻粒巖中，變質(zhì)鋯石的w（Th）/w（U）比值可能會(huì)相對(duì)較高。因此，在判斷變質(zhì)鋯石的成因類型時(shí)，除了Th/U比值外，還需要考慮其他地球化學(xué)特征和巖石的變質(zhì)特征來進(jìn)行綜合分析。

盡管殼源巖石和幔源巖石中鋯石的稀土配分模式以及元素含量差異較大，但是其鋯石REE特征卻表現(xiàn)得較為相似。目前尚未明確具體原因，一種可能的解釋是鋯石在殼源巖石形成過程中受到了相似的物理和化學(xué)條件的影響，導(dǎo)致其稀土元素的富集或虧損。這可能與殼源巖石的晶體結(jié)構(gòu)、熔融歷史以及稀土元素的地球化學(xué)行為有關(guān)。此外，鋯石中的稀土元素豐度對(duì)源巖的類型和結(jié)晶條件確實(shí)很敏感。不同類型的源巖會(huì)在鋯石中留下特定的稀土元素特征。例如堿性巖石中的鋯石通常富集重稀土元素，而酸性巖石中的鋯石則富集輕稀土元素。這種差異可以追蹤巖石的成因和演化歷史。

從超基性巖到基性巖再到花崗巖的巖石系列中，鋯石中的稀土元素豐度總體上升。不同巖石類型中鋯石的w（REE）值表現(xiàn)出明顯差異：金伯利巖中鋯石的w（REE）一般低于50×10-6，碳酸鹽巖和煌斑巖中可達(dá)600×10-6～700×10-6，基性巖中可達(dá)2 000×10-6，而花崗質(zhì)巖石和偉晶巖中甚至可以高達(dá)百分之幾。這種趨勢(shì)反映了巖漿的分異程度。正長巖中的鋯石具有正Ce異常、負(fù)Eu異常和中等富集的重稀土元素（HREE），而花崗質(zhì)巖石中的鋯石則明顯負(fù)Eu異常，無Ce異常，并且沒有明顯的HREE富集現(xiàn)象。碳酸鹽巖中的鋯石沒有明顯的Ce、Eu異常，其輕、重稀土元素分異程度變化較大；鎂鐵質(zhì)火山巖中的鋯石輕、重稀土元素分異明顯；而金伯利巖中的鋯石沒有明顯的Eu、Ce異常，輕、重稀土元素分異程度不明顯。大部分地球巖石中的鋯石相對(duì)富集重稀土元素（HREE）而相對(duì)貧乏輕稀土元素（LREE），顯示出明顯的正Ce異常和小的負(fù)Eu異常；然而，與地球巖石相比，隕石、月巖等外星巖石中的鋯石則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的Eu虧損現(xiàn)象，同時(shí)在變質(zhì)作用過程形成的鋯石中，HREE的富集程度相對(duì)LREE變化更大。

變質(zhì)過程中鋯石的化學(xué)特征會(huì)受到多種因素的影響。鋯石的重結(jié)晶可以導(dǎo)致原始巖漿鋯石的化學(xué)特征被改變。在重結(jié)晶過程中，如果有流體或熔體的參與，它們可以通過溶解和再沉淀的方式對(duì)鋯石進(jìn)行化學(xué)改造。此外，變質(zhì)過程中的溫度和壓力條件也會(huì)對(duì)鋯石的稀土元素組分產(chǎn)生影響。較高的溫度和壓力條件下，鋯石可能會(huì)發(fā)生部分熔融，導(dǎo)致一些元素的重新分配。另外值得一提的是，變質(zhì)鋯石的w（Th）/w（U）比值通常較低，而巖漿鋯石的比值通常較高。這是因?yàn)樵谧冑|(zhì)過程中，鋯石可能會(huì)與含有較高Th/U比值的礦物反應(yīng)，導(dǎo)致Th的富集和U的虧損。

鋯石的稀土元素特征不僅與鋯石晶格有關(guān)，還受到與之共生的礦物種類和變質(zhì)條件的影響。共生礦物的存在與否可以提供關(guān)于巖石變質(zhì)作用條件的重要指示。例如榴輝巖相、麻粒巖相和角閃巖相等不同的變質(zhì)作用條件會(huì)導(dǎo)致不同類型的共生礦物，這些礦物與鋯石共生，可能會(huì)影響鋯石的稀土元素組成。此外，鋯石的稀土元素組成也可以反映鋯石母巖的變化。例如鋯石與石榴石共生時(shí)，稀土元素總量較低且富集度較低，特別是重稀土元素。而與長石共生的鋯石可能表現(xiàn)出負(fù)Eu異常。這些特征可以提供關(guān)于巖石成因和演化的重要線索［2］。變質(zhì)過程中鋯石的微量元素特征受多種因素的影響。石榴石的存在與否以及形成環(huán)境的封閉程度都會(huì)對(duì)鋯石的稀土元素組成產(chǎn)生顯著影響。在封閉的環(huán)境中，石榴石富集了重稀土元素（HREE），導(dǎo)致與石榴石共生的鋯石出現(xiàn)HREE的相對(duì)虧損。而在開放的環(huán)境中，石榴石的形成并不會(huì)引起局部環(huán)境HREE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變，因此與石榴石共生的鋯石就不會(huì)出現(xiàn)HREE的相對(duì)虧損［3］。

鋯石微區(qū)的稀土元素分析和微區(qū)定年技術(shù)結(jié)合起來可以提供更詳細(xì)的信息，從而更好地限定鋯石的形成環(huán)境。通過鋯石微區(qū)的稀土元素分析，可以了解變質(zhì)過程中鋯石與流體或熔體的相互作用，以及鋯石中包裹體的特征，從而推斷出鋯石的形成條件。此外，鋯石微區(qū)的定年技術(shù)可以提供鋯石形成的時(shí)間信息，結(jié)合稀土元素分析可以更準(zhǔn)確地確定巖石的演化歷史。通過將鋯石的形成時(shí)期與變質(zhì)條件聯(lián)系起來，可以更好地了解變質(zhì)過程中的p-T-t路徑，對(duì)于研究造山帶中超高壓變質(zhì)巖的形成過程非常有幫助。

4鋯石中Lu-Hf同位素的應(yīng)用

鋯石中Lu-Hf同位素的應(yīng)用主要基于鋯石中的镥（Lu）和鉿（Hf）是難熔的中等強(qiáng)不相容性親石元素，類似于Sm-Nd體系。鋯石中含有高比例的Hf，而其w（Lu）/w（Hf）值卻極低，這意味著鋯石形成后的Hf同位素組成影響甚微。鋯石具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和高的Hf同位素封閉溫度，適合用于巖石成因研究。

鋯石中的Lu-Hf同位素可以用于確定巖石的形成年齡。通過測(cè)量鋯石中的Hf同位素比例，可以計(jì)算出巖石形成的時(shí)間。這對(duì)于研究地質(zhì)歷史和構(gòu)建地質(zhì)事件的時(shí)間框架非常有幫助。例如研究者可以利用鋯石中的Lu-Hf同位素來確定火山噴發(fā)事件的時(shí)間，從而了解火山活動(dòng)的頻率和演化過程。Lu-Hf同位素的應(yīng)用可以用于研究巖漿演化過程和地殼再造。通過分析不同時(shí)間和空間巖石樣品的鋯石中Lu-Hf同位素比例的變化，研究者可以追蹤巖漿的來源和演化路徑。這對(duì)于理解火山和巖漿活動(dòng)的機(jī)制以及地殼的演化非常重要。此外，Lu-Hf同位素也可以用于研究地殼再造過程，例如大陸碰撞和地殼物質(zhì)的再循環(huán)。此外，鋯石中Lu-Hf同位素的應(yīng)用還可以用于研究沉積巖的母巖成因和地殼演化。通過分析沉積巖中的鋯石，可以了解其母巖的成因和來源。同時(shí)，通過比較鋯石中的Lu-Hf同位素與沉積巖中的Hf同位素，可以揭示地殼的演化歷史和地質(zhì)變化。這對(duì)于研究地球的地質(zhì)歷史和古環(huán)境變化非常重要［4］。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊敏，劉良.北秦嶺二郎坪雜巖變沉積巖碎屑鋯石年代學(xué)及其構(gòu)造地質(zhì)意義［J］.巖石學(xué)報(bào)，2015，32（5）：14521466.

［2］柳永清，王宗秀．徐淮地區(qū)新元古代初期鎂鐵質(zhì)巖漿事件的鋯石U-Pb定年［J］．科學(xué)通報(bào)，2005，50（22）：25142521.

［3］春榮，孫勇，王倩．華北克拉通地殼生長和演化：來自現(xiàn)代河流碎屑鋯石Hf同位素組成的啟示［J］．巖石學(xué)報(bào)，2012，28（11）：35203530.

［4］吳元保，鄭永飛.鋯石成因類型及其年齡值的地質(zhì)意義［J］.科學(xué)通報(bào)，2004，49（18）：16.

作者簡介：王聰珍，陜西咸陽人，?？疲饕獜氖聦?shí)驗(yàn)室及教學(xué)管理工作。