锆石阴极发光和Ｕ－Ｐｂ年龄特征研究

吴荣新

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

摘 要：根据锆石阴极发光和微区U-Pb定年的年龄结果，表明 皖南新元古代花岗闪长岩中包含三类不同成因的锆石，即：同岩浆锆石、简单结构继承锆石 和继承锆石核。同岩浆锆石能够反映岩体的形成时代与侵位条件，继承锆石反映岩浆岩的物 质源区和岩浆形成条件。通过各岩体锆石样品的不同成因锆石分析研究，得出皖南新元古代 各花岗闪长岩体具有相似的形成过程，但来自于不同的岩浆房，岩浆形成深度和侵位条件不 同，与其形成于弧陆碰撞带的构造环境是一致的。

关键词：新元古代；花岗闪长岩；锆石；阴极发光；地球化学

中图分类号：P597

文献标识码：A

[WT]文章编号：1672-1098(2008)04-0001-07

Neoproterozoic Granodiorites in South Anhui

WU Rong-xin

(School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui Univers ity of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:On the basis of cathodoluminescence images and U-Pb dat ing, the analysed zircons

embodied in Neoproterozoic granodiorites in South Anh ui can be divided into three groups: synmagmatic zircon, simple-structured inhe r ited zircon and inherited zircon core. The formation age and emplaced tectonic s etting of plutons can be acquired from Synmagmatic zircon, the information about

its protolith and magma formation can be inferred from inherited zircon. On the

basis of studies of different kinds of zircon in the plutons, it is inferred th at the three plutons of granodiorite in South Anhui derive from similar source r ocks, but from different magma chambers, which were produced at different depths

of crust and also emplaced into different depths of crust, coincident with the

tectonic setting of arc-continent collision.

Key words: Neoproterozoic age; granodiorite; zircon; cathodo luminescence; geochemistry

由于锆石广泛存在于 各类岩石中，富含U和Th，低普通Pb，以及非常高的地球化学稳定性，使其成为U-Pb同位素 定年最常用的矿物之一。不同来源不同成因的锆石常具有不同的内部结构，这些内部结构可 以通过阴极发光电子（CL）图像和背散射电子（BSE）图像等揭示出来，尤其是CL图像反映 锆石的内部结构最清楚。近年来兴起的激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)和SHRIMP离子 探针技术可以对锆石进行微区定年，将锆石U-Pb微区定年和CL结构分析相结合是锆石年代 学的发展趋势，可以示踪地壳物质的形成与演化历史［1］。

皖南花岗闪长岩包括许村、休宁和歙县岩体，其形成时代及成因研究对了解华南新元古代大 地构造演化具有非常重要的意义。随着Rodinia超大陆拼合与裂解的研究 以及华南地幔超柱的提出［2-4］，对华南新元古代岩浆岩的研究成为国际关注的热 点之一。前人对皖南花岗闪长岩已进行了系统的锆石U-Pb年代学、元素和同位素地球化学 研究，表明皖南新元古代花岗闪长岩含有同岩浆成因锆石和继承锆石，皖南许村岩体SHRIMP 锆石U-Pb年龄(823±8） Ma为岩体形成年龄［4］45，对皖南许村、歙 县和休宁岩体分别进行锆石CL和LA-ICP-MS微区 U-Pb定年，得出二阶段年龄，(824±6)

Ma代表皖南新元古代花岗闪长岩体的形成时代，(882±16) Ma为 继 承年龄［5］。但对于皖南三岩体间锆石的CL形态和U-Pb年龄的含义尚未作详细 分析研究，对三个岩体是否为同源岩浆产物、形成条件是否相同、其形成与演化机制等问题 均未予以分析。本文将根据锆石的CL形态和U-Pb年龄来探讨各岩体的锆石特征与岩石成因 联系。

1 地质概况与样品分析

1.1 地质概况ネ钅闲略古代花岗闪长岩主要包括许村、歙县和休宁岩体，出露总面积约200 k m²。它们侵入于中元古代至早新元古代上溪群浅变质沉积岩，被震旦系休宁组砂岩不整合 覆盖。三个岩体均为含堇青石的黑云母花岗闪长岩，并具有相似的矿物组成，主要矿物包括 石英、钾长石、斜长石、黑云母、堇青石及少量的次生白云母，副矿物包括锆石、石榴石、 磷灰石、钛铁矿及独居石等［6-7］。

1.2 样品分析ケ疚乃分析的样品，03WN19和03WN29采自许村岩体，03WN05和03WN10采自歙县岩体，03HN49 和03HN51采自休宁岩体。锆石U-Pb年龄和Th、U和Pb含量在西北大学地质系大陆动力学实验 室用LA-ICP-MS激光等离子质谱法测定［8］。锆石CL照相在中国地质科学院矿产资 源研究所用JXA-8800R电子探针完成。

2 锆石分析结果

锆石CL照相结果如图1~图6所示，图中标出多数分析点序号和206Pb/238U 表面 年龄，少量分析点未在所示的CL图中，因而未标出。各样品分析点测定的206Pb/ 238U 表面年龄见表1，LA-ICP-MS锆石U-Pb定年详细分析见文献［5］183-186 。

根据CL形态特征和206Pb/238U定年结果，可以将所分析锆石分为三类(见表1) 。

（1） 第一类，同岩浆锆石，与花岗闪长岩体同期形成，为简单结构锆石或具有核边结构的 复杂锆石边缘区，206Pb/238U年龄多为810~840 Ma，为总 体数量最多的一类锆石，尤其是休宁岩体样品03HN51，同岩浆锆石占绝大多数。这类锆石多 为自形晶体，呈棱柱状、长柱状，长/宽比约为3∶1，多数颗粒长约100~200 μm，CL图像多具有清晰的震荡环带 (见图1中的S4、S14，图2中的S2、S3、S16 等)。

（2） 第二类，简单结构继承锆石，为岩浆锆石，无核-边结构，206Pb/238U 年龄多为860~910 Ma，在许村岩体和歙县岩体样品中较多出现。这类锆石也为 自形晶体，晶形及大小与同岩浆锆石类似，常具有清晰的岩浆震荡环带(见图1中的S7，图2 中的S1、S6等)，有些岩浆震荡环带有所模糊(图1中的S5，图2中的S14)。

（3） 第三类，继承锆石核，多位于锆石的中部，呈浑圆状或港湾状，有些已重结晶呈白色

(图1中S2、S3等)，有些发生蜕晶化作用呈黑色无分带(图2中的S4、S11等), 锆石U-Pb体系 有些已完全重置而给出岩体的形成年龄(图2中的S4, 图4中S1等)，也可能未被重置而保留原 有年龄的信息(图1中的S2, 图3中S7、S11、S12等)。

许村岩体典型的同岩浆锆石分析点有14点，简单结构继承锆石分析点有19点, 继承锆石核7 点。结合CL图像（图1～图2），约824 Ma的同岩浆锆石与约882 Ma 单颗粒锆石普遍存在，为多数锆石分析点；继承锆石核定年结果变化范围大，与继承锆石核 经历的多期地质作用有关。レㄏ匮姨宓湫偷耐岩浆锆石分析点有22点，简单结构继承锆石分析点有9点, 继承锆石核9点 。结合CL图像（图3～图4），约824 Ma的同岩浆锆石数量最多，占优势 地位，约882Ma简单结构继承锆石与继承锆石核数量相当，为少数锆石分析点。

休宁岩体典型的同岩浆锆石分析点有31点，简单结构继承锆石分析点仅在03HN49样 品中发 现1点, 继承锆石核8点。 结合CL图像（图5～图6），约824 Ma的同岩浆 锆石占绝大多数，也清楚地反映休宁岩体的形成时代。

3 讨论

3．1 锆石成因及年代学意义ネ钅匣ǜ谏脸ぱ已品中含有不同特征的锆石，这些锆石经历不同的演化历史。同岩浆锆石常 具有自形晶体和清晰的岩浆震荡环带。 因为锆石为岩浆中早期结晶出的矿物， 并且具有非 常高的矿物稳定性， 因而岩浆锆石具有非常自形的结构。 岩浆震荡环带主要是由于锆石结 晶过程中其周围环境的化学成分特别是Th、 U、 Pb等微量元素不断变化， 因而常具有环带 形的周期变化， 这种内部变化特征尤其在阴极发光（CL）图像上表现清晰， 通常相对高Th 和U含量的环带表现为暗色或黑色，而低Th和U含量的环带表现为浅色或白色［9］。

由于同岩浆锆石在岩浆结晶成岩过程的早期晶出，其形成时代可以代表岩浆岩体的形成时代 。对于简单结构的同岩浆锆石，其定年时代既代表其所属岩浆岩形成时代，可采用TIMS单颗 粒锆石U-Pb定年或采用SHRIMP或LA-ICP-MS微区U-Pb定年；对于具有复杂内部结构的锆 石，同岩浆锆石往往以继承锆石为晶核，生长在复杂结构锆石的边缘，因此，只有在其边缘 区域采用微区定年方法才能反映岩浆岩体的形成时代［10］。

继承锆石在多数花岗岩类岩石或变质岩中都普遍存在， 因为岩浆结晶锆石矿物稳定性高而 又特别难熔， 在围岩压力作用下其分解熔融温度可达1 600 ℃［11］， 因此，可在岩浆房中长期存在，但在继承锆石边部存在熔蚀形态，如浑圆状、港湾状等。由 于锆石U-Pb体系封闭温度可达900 ℃［12-13］，继承锆石常可保存其 原有的年龄信息，部分结构稳定性较差的继承锆石则可能发生重结晶或蜕晶化作用，而使得 其U-Pb体系被完全重置而表现为岩浆事件年龄，也可能部分重置U-Pb体系而改变其年龄信 息。继承锆石的年龄通常大于岩浆岩体形成年龄，所测的年龄反映了源岩的下限年龄，不同 的继承锆石年龄反映不同时代的源区物质。通常，继承锆石以核的形态存在，边缘部分为新 结晶的同岩浆锆石，从而表现为复杂的核-边结构锆石。简单结构继承锆石的存在通常有二 种情况：一是岩浆形成后，存留于地壳中的时间很短；二是在岩浆侵位过程中捕获自围岩的 锆石。这二种情况下，由于处于高温熔体中的时间短，继承锆石均未受到明显的熔蚀作用， 随后快速地侵位冷却形成岩浆岩，结晶的时间较短，导致继承锆石边部的同岩浆锆石环带很 窄而不明显；同时，一些继承锆石可能被石英等相对难熔矿物包裹因而能够保留完好的晶形 ，表现为简单结构的继承锆石。对于皖南地区，由于上溪群地层厚达13 354 m 以上，并且已有的地球化学资料也表明，三岩体的源岩与围岩组分相似，因此无论是上述的 源岩熔融还是围岩混染所保留的简单结构继承锆石都具有相同的年代信息。

通过对三类锆石的成因分析， 可知不同的研究目标应关注的岩浆锆石类型不同。 对于岩浆 岩 体形成时代的厘定， 应通过锆石CL分析， 定年主要选择简单结构的岩浆锆石和复杂结构锆 石 的边部，以发现哪些为同岩浆锆石，从而给出准确的年代信息。如皖南许村岩体SHRIMP锆石 U-Pb年龄（823±8) Ma为岩体形成年龄［4］62-64，对皖南许村、歙 县和休宁岩体进行分别进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，得出（824±6) Ma为 皖南新元古代花岗闪长岩体的形成时代［5］183-188。对于岩浆岩源区性质 的研究 则着眼点为继承锆石，应通过锆石CL分析，定年主要选择复杂结构锆石的核部和简单结构的 岩浆锆石，以发现哪些为继承锆石核和单结构继承锆石，从而分析源岩的年代信息，追踪岩 浆岩的形成与演化历史。在许村岩体样品中曾得到较老的锆石年龄如（873±20) Ma，但未结合锆石CL进行深入研究［4］53-54；而后来将锆石CL与U-Pb微区定年 结合起来研究，则发现了继承年龄为(882±16) Ma的锆石普遍存在，并提出了 皖南还广泛存在约900~880 Ma的岩浆活动［5］183-189。

3．2 锆石特征与岩石成因ゾ」芡钅闲泶濉㈧ㄏ睾托菽花岗闪长岩体为相同的岩性，具有相似的矿物组成、微量元素、 Sm-Nd和Rb-Sr同位素特征，表明三个岩体为同期岩浆事件的产物，具有相同的形成与演化 历史，主要来自约882 Ma弧-陆碰撞再造后的岛弧岩浆岩风化沉积物［5］1 97-204。但是三岩体的产出边界在平面上相距仅几千米，并且都沿深大断裂分布，因此 ，这三个岩体是否为同一岩浆房所形成，侵位形成条件是否相同，是引人关注的问题。

根据富铝矿物和长石族矿物特点，皖南休宁、许村和歙县岩体是过铝的中深成(8~24 km)侵入的花岗闪长岩，并且得出堇青石、铁铝榴石、黑云母、斜长石和石英矿物平衡 温度为780~820 ℃［7］40。根据样品元素化学特征［14］估算出 休宁、许村和歙县花岗闪长岩熔体的“锆饱和温度”为803~833 ℃、838~847

℃和 829~848 ℃［5］190。休宁岩体基本上为同岩浆锆石，只含有较少量的 继承锆石，其“锆饱和温度”803~833 ℃(平均814.5 ℃)更好地反 映了熔体温度，与矿物平衡温度780~820 ℃是一致的；许村和歙县岩体“锆饱 和温度”略高于休宁岩体，可能受较多继承锆石存在的影响。由岩石矿物学特征分析，堇青 石、铁铝榴石、黑云母、斜长石和石英等矿物为早期开始结晶的矿物［6］38-39， 因此所计算的矿物平衡温度780~820 ℃反映了岩浆开始冷却结晶时的温度范围 ，而“锆饱和温度”由岩浆中元素丰度计算所得，直接反映熔体的温度，两者综合起来，说 明皖南三个岩体的岩浆温度基本一致，约为800~830 ℃。

各岩体不同的锆石CL特征主要与岩浆存留地壳的时间和岩浆侵位深度有关。 通过对西班 牙东南部新第三纪(Neogene)火成岩省S型英安岩中锆石的SHRIMP法U-Pb定年研究， 推测从 部分熔融到火山喷发的岩浆作用时间长度约为2~3 Ma， 并在这些新第三纪英安 岩中测定约210 Ma全岩Rb-Sr等时线年龄解释为岩浆保存了源区物质内部的化 学和同位素不均一性［15］。对这些新第三纪S型英安岩中锆石的进一步U-Pb定年研 究［16］，岩浆在地壳深部的存留时间取决于部分熔融发生的深度，深部熔体(约25

km)在地壳内部的存留时间可达3 Ma，而浅部熔体(约15 km)在地壳内部的存留时间则在1 Ma以内。

许村岩体中同岩浆锆石与单结构继承锆石数量相当，为多数锆石。继承锆石核较少，在继承 锆石核分析点中，除只有一个点近882 Ma外（图1a中S9点），其余较老的继承 核年龄均大于980 Ma，指示了许村岩体中含有少量更老年龄的源区物质。简单 结构继承锆石的普遍存在，表明继承锆石在岩浆房中的停留时间很短，在高温熔体中没有发 生显著的熔蚀作用。许村岩体样品为中细粒岩石，表明其侵位深度相对较浅，新生锆石结晶 时间相对较短，因而新生的同岩浆锆石颗粒普遍较小，并且在继承锆石边缘难以发现明显的 同岩浆锆石环带。许村岩浆形成的深度可能相对较浅，在地壳中的存留时间短，岩浆形成后 不久便侵位至地壳较浅部。

休宁岩体中同岩浆锆石占绝大多数，反映了岩体的形成时代。继承锆石年龄绝大多数为约88 2 Ma继承锆石，并且多以继承核的形式出现，表明岩体主要来源于约882 Ma地壳物质。与许村岩体相比，休宁岩体可能处于岩浆房中的时间较长，不同来源的 锆石均受到熔蚀，其形成于下地壳(约24 km) 深度。同岩浆锆石的颗粒较大， 环带较宽，表明锆石的结晶生长时间较充分，分析样品为粗粒花岗闪长岩，也表明岩体的侵 位深度可能较深，岩浆的冷却结晶成岩过程较长，矿物结晶颗粒较大。

歙县岩体的锆石类型和特征介于许村岩体和休宁岩体之间，同岩浆锆石占大多数，单结构继 承锆石和继承锆石核数量相当。继承锆石年龄除882 Ma年龄外，还有少量的1 0 00 Ma锆石和一个2 444 Ma锆石，表明其源岩含有少量的中元古代 的物质。一些约882 Ma锆石已明显受后期地质作用影响，表现为亮CL的重结晶 锆石，继承锆石核边缘存在明显的熔蚀现象，边缘为薄层的同岩浆锆石所环绕，整个锆石表 现为自形晶体；部分约882 Ma锆石为单结构继承锆石，也具有良好的晶 形 。歙县岩体的岩浆形成条件介于许村岩体与休宁岩体之间，源岩能够完全熔融，并使锆石也 发生熔蚀，但处于岩浆房的时间可能较短，部分锆石能够以单颗粒锆石形态保存，也可能混 染了少量继承锆石。分析样品为中细粒岩石，表明其形成深度相对较浅，新生锆石结晶时间 相对较短，因而新生的同岩浆锆石颗粒普遍较小，继承锆石边缘的同岩浆锆石环带较窄。

由上述三岩体岩石成因分析，可知皖南三个新元古代花岗闪长岩体具有相似的形成过程，但 三个岩体来自于不同的岩浆房，岩浆的形成深度不同，许村岩浆的形成深度最小，休宁岩浆 形成深度最大，歙县岩浆的形成深度介于两者之间。在岩浆侵位成岩的过程中，许村岩体和 歙县岩体的侵位较浅，同岩浆锆石结晶生长时间较短，颗粒较小；休宁岩体侵位较深，同岩 浆锆石结晶生长时间较长，颗粒较大。这些特征与其形成与演化的构造环境是一致的，在弧 陆碰撞带，岛弧物质及其风化沉积物可以进入到中下部地壳，并且弧陆磁撞带是岩浆活动强 烈区，深部的幔源岩浆常沿深大断裂上涌，带来巨大的热能，在不同的地壳深度会熔融岛弧 物质及其风化沉积物而形成岩浆。在弧陆碰撞带，由于风化沉积物相对富水，易于熔融，因 而在中下地壳深度的条件下，不同深度的花岗岩浆温度差异不明显，但不同深度的岩浆存留 地壳的时间有明显差异，在不同的地壳深度侵位形成岩浆岩。

4 结论

ザ酝钅闲略古代花岗闪长岩三个岩体间锆石CL特征和微区定年结果分析研究，得

出如下 结论：

（1） 皖南三个新元古代花岗闪长岩体都具有不同成因类型的锆石，包括同岩浆锆石、简单 结构继承锆石和继承锆石核，具有不同的年代学意义，同岩浆锆石记录了岩体的形成时代， 继承锆石核揭示了岩体的物质来源；

（2） 皖南三个新元古代花岗闪长岩体中同岩浆锆石与继承锆石的CL特征不同，反映各岩体 来自不同的岩浆房，其岩浆形成深度和侵位条件不同，与其形成于弧陆碰撞带的构造环境是 一致的。

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(责任编辑：宋晓梅)第4期