斜锆石U-Pb 定年应用于内蒙古东北部镁铁-超镁铁岩带的讨论

金松 杨时骄 张杨 梁恒

1 河北地质大学资源学院，河北 石家庄 050031

2 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

3 山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014

锆石U-Pb 体系是目前已知矿物同位素体系中封闭温度最高的，其中Pb 的扩散封闭温度高达900℃[1-2]，是确定岩浆岩结晶及高级变质作用年龄的理想对象，但是能否对镁铁-超镁铁质岩形成年龄进行精确测定一直备受争议，也是镁铁-超镁铁岩的同位素地质年代学领域比较棘手的科学难题。镁铁-超镁铁质岩多起源于地幔，研究表明在地幔储库中，Zr 元素的含量微乎其微，活动性弱，理论上不具备形成锆石的条件[3]。斜锆石作为一种富U矿物早在1893 年就被发现[4]，由于斜锆石的U-Pb 同位素系统非常稳定,相比其他定年矿物斜锆石具有更容易保存的U-Pb 同位素体系[5]，经过低中级变质作用(绿片岩相到角闪岩相变质作用)仍然能保持封闭状态[6]，因此近年来斜锆石作为理想的U-Pb 同位素定年对象，在镁铁-超镁铁质岩年代学研究领域被广大学者采用。

兴蒙造山带发育多条近东西向展布的镁铁-超镁铁岩带[7]，其大多代表了大洋岩石圈的残留，是古亚洲洋构造域演化的重点研究对象。兴蒙造山带经历了长期的演化作用[8]，其镁铁-超镁铁岩中的锆石必然具有多成因的特点，这也造成了其年龄谱系的不协调。在对内蒙古东北部近年来的调查工作中，识别出了一条断续分布的镁铁-超镁铁岩带，沿扎鲁特旗好老鹿场-科右中旗杜尔基-突泉县牤牛海一线分布。其锆石U-Pb 年代学研究成果表明，自西向东年龄依次为好老鹿场辉长岩362Ma[9]、杜尔基辉绿岩310±2Ma、斜长阳起岩296.2±4.8Ma[10]、布敦花牧场镁铁-超镁铁岩289±3Ma[11]、 突 泉 苇 场 镁 铁- 超 镁 铁 岩345.3±1.9Ma 和303.4±1Ma[12]、牤牛海超镁铁岩271-277Ma[7]。该地区镁铁-超镁铁岩的年代学研究均局限于单纯的锆石U-Pb 定年，辅以简要的锆石成因矿物学分析，在对这些锆石成因的系统总结研究及U-Pb 年龄的合理解释方面有所欠缺，而且没有针对斜锆石进行定年，造成了年代学成果的不确定性，也制约了区域构造演化的研究。值得指出的是，在内蒙古东北部乃至整个兴蒙造山带，至今没有学者开展过针对镁铁-超镁铁岩斜锆石定年方面的研究，但在我国华南、华东及西南地区已有大量关于镁铁-超镁铁岩斜锆石定年的报道，为其所在研究区提供了可靠的年代学证据[13-21]。

本文拟对当前关于斜锆石成因矿物学的研究成果进行归纳总结，搜集当前国内外关于镁铁-超镁铁岩斜锆石定年的研究成果，在对斜锆石定年的应用现状及测试方法进行综合分析的基础上，结合兴蒙造山带镁铁-超镁铁质岩锆石年代学工作中存在的一些不足，并通过对比研究确定蒙古东北部镁铁-超镁铁岩带内存在斜锆石，并进一步探讨该地区进行斜锆石定年的可行性、必要性和地质意义。

1 镁铁-超镁铁岩中斜锆石定年的研究现状

1.1 斜锆石定年应用现状

斜锆石的主要成分为氧化锆（ZrO2）[4]，具有极强的成因专属性，是在硅不饱和的基性-超基性岩浆中形成，一般存在于镁铁-超镁铁质岩、碱性岩和碳酸岩中[22]。斜锆石为透明片状小晶体，内部具有不规则的条带状分带特征，晶体粒度变化很大，晶体短轴10～70μm，长轴方向可达20～150μm，阴极发光很弱，部分研究中发现的斜锆石阴极发光比环氧树脂靶还弱[13]。

目前研究多认为斜锆石为镁铁-超镁铁岩中的原生岩浆锆石，它通常含有适当的U 和极低的初始普通铅，U-Pb 同位素体系的封闭性很好[22]，广泛应用于镁铁-超镁铁质岩的年代学研究中，解决一系列关于镁铁-超镁铁岩年代学研究的争议和难题。诸如中亚造山带西部的金川超镁铁质岩体，其由于强烈的地壳混染作用造成其锆石成因较为复杂，李献华等采用斜锆石对其中的二辉橄榄岩进行定年得到了一致认可[14,22]；扬子克拉通神农架群基性-超基性岩、柳麻村辉绿岩、泰山地区古元古代末期基性岩墙等年代学研究存在争议，但又对区域构造演化有制约作用的镁铁-超镁铁岩体，一些学者同样采样斜锆石定年方法提供了可靠的年代学证据[13,15,16]。

1.2 斜锆石定年方法的研究

斜锆石定年可以采用Pb-Pb 同位素体系和U-Pb 同位素体系。Pb-Pb 同位素体系定年的优势在于可以直接在岩石薄片上采用大型离子探针进行定年，该方法曾经对显生宙华北河砍子正长岩和华南霞岚辉长岩进行了准确的斜锆石定年[23]，但目前绝大多数学者仍然认为U-Pb 同位素体系定年地质意义更为明确，可以解释为岩石的成岩年龄，是斜锆石定年的理想选择[24]。

在定年技术方面，2010 年以前的研究以利用热电离质谱（TIMS）和二次离子探针质谱法（SIMS）测试方法为主，获得了大量的斜锆石年龄，近年来逐渐有学者开始使用高灵敏高分辨率离子探针质谱法（SHRIMP）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）测试方法[14,22]。目前斜锆石定年的主要方法概括起来包括SHRIMP、LA-ICP-MS、ID-TIMS、SIMS 四种方法[13,24-26]。上述方法各有利弊，李惠民等结合中国秦岭地区一些具有重要地质意义的镁铁-超镁铁岩石中的斜锆石U-Pb 同位素地质年代学的研究，对斜锆石U-Pb 同位素定年的3 种方法包括ID-TIMS法、SHRIMP法和LA-ICP-MS法的优点、局限性及其适用范围进行比较，结论认为ID-TIMS 法目前是最精确可靠、适用年龄范围最广的斜锆石定年方法，但其缺陷是无法进行斜锆石微区的原位U-Pb 同位素年龄测定，但并不影响测定年龄的精确度和可靠性。而SHRIMP 法可以进行斜锆石微区的原位U-Pb 同位素年龄测定,比较适合对前寒武纪镁铁-超镁铁岩石中的斜锆石进行U-Pb 同位素年龄测定。LA-ICP-MS 法可以进行斜锆石微区的原位U-Pb 同位素年龄测定，且适用的年龄范围也较广，但只能针对U、Pb 含量较高的斜锆石才能进行测定并获得合理的测定结果[26]。因此，LA-ICP-MS 法在锆石和斜锆石定年领域都是应用最广的定年方法。

1.3 镁铁-超镁铁质岩中锆石与斜锆石定年方法的对比研究

斜锆石定年在实际应用的可靠性也是一个重要的研究课题，关于镁铁-超镁铁岩锆石与斜锆石定年的差异早在2005 年就有人做过研究，李惠民等针对秦岭富水杂岩的变辉长岩进行了锆石与斜锆石的SHRIMP 和TIMS 双重定年对比，两者相差约20Ma。通过对该岩石中锆石成因矿物学的研究，认为斜锆石的同位素年龄应解释为秦岭富水杂岩中基性岩石的形成时代，而锆石由于后期发生变质作用，对其同位素年龄地质意义值得商榷[17]；针对望江山基性岩体中的辉长岩中的锆石和斜锆石SHRIMP 和TIMS 双重定年对比，锆石表面年龄分别为819±9Ma 和814±29Ma，斜锆石表面年龄分别为822±25Ma 和828±9Ma，结果基本一致，可信度较高[24]。夏文静等对南盘江盆地八渡辉绿岩中的锆石与斜锆石采用SIMS 法定年并进行了对比研究，认为二者在误差范围内一致，且与该处辉绿岩处于的俯冲增生杂岩带内的其他锆石U-Pb 年龄进行了对比，获得斜锆石和锆石年龄分别为269.3±4.2Ma 和265.0±2.9Ma，结果在误差范围内基本保持一致[18]。这些对比研究表明，相对于成因复杂的锆石，斜锆石定年更适用于镁铁-超镁铁岩的年代学研究，但上述对比研究仅仅限于方法对比结论的验证，没有明确的证据来突出斜锆石定年优势，也缺乏通过斜锆石定年技术解决重大年代学争议的研究。

2 内蒙古东北部镁铁-超镁铁岩带斜锆石定年的必要性

2.1 年代学研究的不确定性

目前兴蒙造山带的构造演化及构造单元划分已经在取得了较为统一的认识，但对于古亚洲洋的缝合位置及缝合时代仍然存在较大的争议，缝合时代的争议主要来自于东北部俯冲增生杂岩带内镁铁-超镁铁岩年代信息的不统一。对于镁铁-超镁铁岩，尽管越来越多的学者提出了有效的同位素示踪研究方法，但其很少存在原生锆石或在岩浆上升过程中存在地壳混染的认识仍被普遍认可，因此，镁铁-超镁铁岩的锆石成因的不确定性往往制约了其年代学研究的精确性[26-30]。遗憾的是，目前研究区关于镁铁-超镁铁岩锆石的准确成因及其微量元素、同位素体系特征的研究鲜有报道，因此很大程度上不能确定其是原生岩浆锆石，这也导致了同位素年龄信息的可靠程度也大打折扣。

从同位素年龄信息看（图1），研究区内目前已报道的镁铁-超镁铁岩年代学研究成果集中在早石炭世-中二叠世（362Ma-271Ma）[7-12]，但其空间产出位置构成了一条较为连续的近东西向镁铁-超镁铁岩带，岩性为蛇纹石化橄榄岩、蛇纹岩、滑石岩、角闪石岩、角闪辉长岩、辉绿岩、玄武岩，野外识别均为与围岩断层接触的构造岩块。而在目前研究程度较高的西乌旗一带蛇绿构造混杂岩中的镁铁-超镁铁质岩的年代学研究普遍为早石炭世，虽然年代学研究均采用锆石U-Pb 方法，但不同学者研究的一致性也使该项成果得到了公认[31-34]。西乌旗蛇绿岩与研究区内的镁铁超镁铁岩同属一条俯冲增生杂岩带[7,35]，但正如前文引言部分所述，研究区所处的该条构造带东部好老鹿场-牤牛海一线镁铁-超镁铁岩的年代学研究成果并不统一，严重制约了区域构造演化史以及其相关地质体的构造属性的研究，诸如大石寨组是俯冲有关的岛弧火山岩还是陆内裂谷发育的双峰式火山岩[36-37]，再如东乌旗一带广泛分布的安格尔音乌拉组和宝力高庙组构造背景是活动陆缘还是陆内伸展[38]。

图1 研究区镁铁-超镁铁岩分布位置及年代学研究成果[7,9-12,35] Fig 1 The location and chronology of mafic-ultramafic rocks in the study area

2.2 锆石成因的复杂性

镁铁-超镁铁岩的锆石成因受地壳混染和后期变质作用影响，成因十分复杂，因此单纯的采用锆石定年方法不足以获得可信的同位素年龄。以杜尔基一带采集的定年样品为例（样品编号D8049-2-3），通过对锆石成因矿物学及锆石形态特点研究成果综合分析，由于产于镁铁-超镁铁质岩的锆石常常为它形(少数情况下为半自形)，较大的粒径(毫米级到厘米级)[27,28]，因此该样品中原生岩浆锆石较少；变质锆石往往具有变质核心、增生边及不协调的环带，这类锆石在该样品中非常常见，可以识别出变质结晶锆石、变质增生锆石和变质重结晶锆石[39,40]，热液锆石多为它形，阴极发光图片中颜色明亮，是后期经过热液流体蚀变或热液改造了的锆石[28-29]。由此可见，该地区镁铁-超镁铁岩中原生岩浆锆石、变质锆石、热液锆石均存在，势必会得出多组年龄信息，如何进行合理的地质解释，并识别出准确的成岩年龄，是该地区镁铁-超镁铁岩年代学研究的重点和难点[41,42]，因而也会使结论准确性也大打折扣。研究表明，斜锆石可以在后期变质作用过程中转化为锆石[5]，其年龄往往代表了高级变质作用的年龄。因此，直接选取斜锆石进行定年最为可靠。

图2 杜尔基辉绿岩样品锆石CL 图像及成因判别 Fig 2 Zircon CL image and genetic discrimination of Durky diabase samples

2.3 斜锆石精准定年的必要性

由上述讨论可见，由于锆石定年造成了研究区镁铁-超镁铁岩形成年龄产生较大分歧，且锆石成因十分复杂，直接采用斜锆石定年是准确判断该地区镁铁-超镁铁岩成岩年龄的首选方法。越来越多的学者对镁铁-超镁铁岩采用斜锆石定年方法解决了一系列重大基础地质问题，但在研究区乃至兴蒙造山带，仍然极少有人采用专门的斜锆石定年方法进行年代学研究。因此，研究区内镁铁-超镁铁岩的年代学研究亟需更为可靠的斜锆石定年研究工作来解决争议，为古亚洲洋构造域演化提出新的且准确可靠的基础地质依据。

3 内蒙古东北部镁铁-超镁铁岩带斜锆石定年讨论

3.1 研究区斜锆石的识别

研究区内的镁铁-超镁铁岩岩石类型包括蛇纹石化橄榄岩、蛇纹岩、滑石岩、角闪石岩、角闪辉长岩、辉绿岩、玄武岩等。为了确定研究区内存在斜锆石，在杜尔基镁铁-超镁铁岩中采集了角闪石岩（样品编号GPM06-4-3）和蚀变玄武岩（样品编号GPM09-8-3）样品各一件，首先将样品粉碎至80 目，经分选和多次精细淘洗获得重矿物，然后通过磁选和电磁选选出无磁部分矿物，最后在双目镜下人工挑选出所有锆石矿物。挑选无明显裂纹且晶形较完整的矿物颗粒，制作成环氧树脂靶，并拍摄锆石CL 图像，均由北京科荟测试技术有限公司完成。由于在制靶过程中未单独筛选斜锆石，因此本次研究通过将前人大量关于斜锆石定年研究中的斜锆石特征及CL 图像进行汇总分析，并与研究区样品锆石CL 图像进行对比筛选，从中识别出了多个斜锆石晶体。由图3 可见，研究区两个样品中的斜锆石为透明片柱状晶体，柱体不完整，可能在粉碎分选过程中发生了碎裂，部分斜锆石晶型相对完好且粒径较大，柱体表面有平行的生长纹，晶体粒度变化较大，晶体短轴20～70μm，长轴方向可达50～150μm;阴极发光照片显示，斜锆石不同晶体之间阴极发光明、暗差异较大，内部分带弱、个别颗粒显示不规则的条带状分带特征，与已有研究中的斜锆石形态特征可良好对比，符合斜锆石的形态及阴极发光特征。

图3 已有研究中斜锆石CL 图像与研究区镁铁-超镁铁岩斜锆石CL 图像对比 Fig 3: Comparison of baddeleyite CL images between mafic-ultramafic rocks in the study area and others

3.2 斜锆石定年讨论

由上述对比研究可见，研究区镁铁-超镁铁岩中的杜尔基一带岩石中存在斜锆石，因此，可直接进行斜锆石定年。在今后关于研究区乃至兴蒙造山带镁铁-超镁铁岩年代学研究中，可以考虑在样品制备过程中直接经过重力分选及扫描电镜识别，在样品中直接分选出斜锆石进行定年。研究区乃至兴蒙造山带极少分布前寒武纪地质体，且目前锆石原位微量元素分析可以为原生锆石的判别提供可靠依据，LA-ICP-MS 法可以进行斜锆石微区的原位U-Pb 同位素年龄测定，且适用的年龄范围也较广[26]，因此LA-ICP-MS 法可适用于研究区内的斜锆石定年工作[22,26]。综上所述，针对内蒙古东北部镁铁-超镁铁岩带开展LA-ICP-MS 法斜锆石U-Pb 同位素定年可行且有望取得精准可靠的年代学成果。

4 结论

（1）斜锆石为产于镁铁-超镁铁岩中的岩浆锆石，斜锆石U-Pb 定年技术成熟，相对锆石定年更加精准可靠，但内蒙古东北部乃至兴蒙造山带的镁铁-超镁铁岩的斜锆石定年研究相对欠缺。

（2）通过分析认为研究区杜尔基一带镁铁-超镁铁岩中锆石成因较为复杂，难以获得准确可靠的年代学结果；通过对比分析在样品CL 图像识别出斜锆石，认为在研究区镁铁-超镁铁岩带采用LA-ICP-MS 法斜锆石U-Pb 同位素定年工作可行，有望取得良好的效果，可以为古亚洲洋构造域演化提供准确可靠的年代学证据。

致 谢 本文在成文过程中与河北地质大学张聚全教授、李英杰教授及中国地质调查局沈阳地质调查中心钱程高级工程师进行了有益的交流和探讨，审稿专家刘力生教授级高级工程师对论文提出的宝贵意见使本文得以完善，在此一并表示衷心的感谢。