锆石成因矿物学及Lu-Hf同位素的应用.pdf
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1、第 1 期2024 年 2 月现代盐化工专论与综述No.1Feb.,2024锆石成因矿物学及 Lu-Hf 同位素的应用王聪珍1,卢 柯2(1.西北大学,陕西西安 710069;2.中化地质矿山总局陕西地质勘查院,陕西西安 710065)作者简介:王聪珍,陕西咸阳人,专科,主要从事实验室及教学管理工作。摘要:锆石是一种硅酸盐矿物,主要化学成分是硅酸锆,化学组成为 ZrSiO4,晶体呈短柱状,结构为ZrO8三角十二面体与SiO4四面体沿 c 轴相间排列组成四方体心晶胞。对锆石成因、锆石划分、锆石化学成分特征、锆石中Lu-Hf 同位素的应用等方面进行了研究。关键词:锆石 U-Pb 年龄;锆石 Hf
2、同位素;硅酸盐1 锆石成因矿物学研究锆石主要成分中有 Mn、Ca、Al、TR、Th、U、Ti、P、Nb、Ta、Hf 及 H2O 等以及混入物或与 Si、Zr 呈类质同象关系的元素。这些元素促使锆石的物理性质发生改变,导 致 锆 石 的 许 多 亚 种 的 出 现:成 分 中 TR2O3(10.93%)及 P2O5(7.6%)时被称为大山石;成分中含TR2O3(9.12%)、不含 P2O5(Nb,Ta)及 U、Th 含量高时被称为苗木石;成分中 TR2O3及 U3O8含量高时被称为曲晶石;成分中 H2O 含量达到 3%12%时被称为水锆石;成分中含 BeO(14.73%)、HfO2(6%)、Th
3、、TR时被称为铍锆石1。在不同成因类型的岩石中,锆石的 ZrO2/HfO2值不同:产于基性岩与碱性岩中的锆石 ZrO2/HfO2值比较大,多在 60 以上;产于中性岩中的锆石 ZrO2/HfO2值降低,多在 50 左右;产于花岗岩中的锆石 ZrO2/HfO2值较低,多在 30 左右;产于蚀变花岗岩中的锆石 ZrO2/HfO2则多在 1020 之间;产于花岗伟晶岩中的锆石 ZrO2/HfO2值则更低,多在 320 之间。富 Hf 锆石可以作为寻找与酸性岩有关的稀有元素矿床的标志之一。锆石晶体结构中SiO44是孤立的,彼此间与 Zr联结,Zr 的配位数为 8。ZrO8三角十二面体在 b 方向上以共
4、棱联结。锆石为酸性岩与碱性岩中常见的副矿物,基性岩与中性岩也可产出。在伟晶岩中,锆石与铌钽铁矿、褐钇铌矿、褐帘石、独居石等矿物共生;在热液脉中,如钠沸石、碳酸盐、萤石脉中可见到锆石产出;在沉积岩和变质岩中锆石也可作为副矿物出现。锆石的形态与形成环境条件有密切的关系。在碱性岩中,锆石的111极为发育,而100、110不发育,晶体呈锥状;在酸性花岗岩中,锆石的 111、100均发育,晶体呈柱锥状;基性岩及中性岩中,锆石的100和110发育,111不发育,晶体呈柱状。锆石晶体的磨圆程度和表面特征也可反映出其形成环境条件。岩浆成因的锆石晶体的磨圆程度低,晶面完整;沉积岩中的锆石晶体磨圆程度高,晶面有磨
5、蚀、溶蚀痕迹。2 锆石的划分根据锆石的成因类型,将锆石分为两大类,第一类为岩浆岩中的锆石,分为“岩浆锆石”和具有老核新壳的“岩浆复合锆石”;第二类为变质岩中的锆石,分为变质锆石和具有老核新壳的变质复合锆石。第一类锆石多发育韵律环带,第二类锆石韵律环带不发育,在结构上,有核、壳两层结构和核、幔、壳三层结构。岩浆复合锆石中的老核形成时,岩浆从地壳深部上升,并侵蚀周围的围岩。在侵蚀过程中,岩浆会捕获一些围岩中的锆石,并将其带入岩浆中。随后,部分岩浆可能经历部分熔蚀,但并没有完全熔化,形成了“残留锆石”部分,其中含有来自围岩的老核。而对于变质复合锆石老核来说,在变质过程中会保存于寄主岩石中。变质作用是
6、指岩石在高温、高压或流体交代条件下发生的改造过程。在变质作用过程中,寄主岩石中的锆石可以保持相对稳定,而没有显著改变。这些保留下来的老核被称为“继承锆石”,它们记录了岩石形成以前的信息。3锆石化学成分特征及其在岩石成因中的应用 岩浆锆石通常具有较高的钍(Th)和铀(U)含量,这是因为岩浆作用过程中,岩浆从地壳深部上升,带入81第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024了大量的 Th 和 U 元素。同时,由于岩浆的高温状态和对流体的亲和性,岩浆锆石往往会富集这些放射性元素。因此,岩浆锆石的 Th/U 比值较
7、大(一般大于0.4),这也与其形成环境和过程有关。相比之下,变质锆石的 Th 和 U 含量较低,Th/U 比值也较小(一般小于 0.1)。这是因为在变质作用过程中,岩石受到高温、高压等多种影响,导致其中的锆石可能会释放部分Th 和 U 元素,从而使其含量降低。因此,变质锆石的Th/U 比值通常较小。这些特征在一般情况下可以用来区分岩浆锆石和变质锆石。然而需要注意的是,有时候锆石的 Th/U 比值并不能有效地鉴别岩浆锆石和变质锆石,有些岩浆锆石 Th/U 比值可能小于0.1,而一些碳酸岩中岩浆锆石的 Th/U 比值可能大于 10 000。因此,仅仅依靠 Th/U 比值有时候是不够准确的,还需要综
8、合考虑其他锆石的化学成分特征,如 Hf 含量、稀土元素的分布等,来进一步确定锆石的成因类型。锆石的稀土元素特征研究可以用于判断锆石寄主岩石的成因类型。但不同的岩浆岩可能有不同的微量元素特征,而且岩浆锆石的微量元素特征也受到岩浆演化和结晶分异的影响。在变质过程中,岩石中的锆石可能经历了 Th 和 U 的迁移和重分配,导致锆石中Th/U 比值的变化。特别是在一些特殊的变质岩类型,如麻粒岩中,变质锆石的 w(Th)/w(U)比值可能会相对较高。因此,在判断变质锆石的成因类型时,除了Th/U 比值外,还需要考虑其他地球化学特征和岩石的变质特征来进行综合分析。尽管壳源岩石和幔源岩石中锆石的稀土配分模式以
9、及元素含量差异较大,但是其锆石 REE 特征却表现得较为相似。目前尚未明确具体原因,一种可能的解释是锆石在壳源岩石形成过程中受到了相似的物理和化学条件的影响,导致其稀土元素的富集或亏损。这可能与壳源岩石的晶体结构、熔融历史以及稀土元素的地球化学行为有关。此外,锆石中的稀土元素丰度对源岩的类型和结晶条件确实很敏感。不同类型的源岩会在锆石中留下特定的稀土元素特征。例如碱性岩石中的锆石通常富集重稀土元素,而酸性岩石中的锆石则富集轻稀土元素。这种差异可以追踪岩石的成因和演化历史。从超基性岩到基性岩再到花岗岩的岩石系列中,锆石中的稀土元素丰度总体上升。不同岩石类型中锆石的 w(REE)值表现出明显差异:
10、金伯利岩中锆石的w(REE)一般低于 5010-6,碳酸盐岩和煌斑岩中可达60010-670010-6,基性岩中可达 2 00010-6,而花岗质岩石和伟晶岩中甚至可以高达百分之几。这种趋势反映了岩浆的分异程度。正长岩中的锆石具有正Ce 异 常、负 Eu 异 常 和 中 等 富 集 的 重 稀 土 元 素(HREE),而花岗质岩石中的锆石则明显负 Eu 异常,无 Ce 异常,并且没有明显的 HREE 富集现象。碳酸盐岩中的锆石没有明显的 Ce、Eu 异常,其轻、重稀土元素分异程度变化较大;镁铁质火山岩中的锆石轻、重稀土元素分异明显;而金伯利岩中的锆石没有明显的Eu、Ce 异常,轻、重稀土元素分
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