锆石在地质研究中的应用

夏浪

（成都理工大学，四川 成都610000）

锆石一直被视为具有高度稳定性的矿物, 具有能持久保持矿物形成时的物理化学特征,富含U、Th 等放射性元素、离子扩散速率低、封闭温度高等特点, 因此被广泛于岩石学、地球化学研究中。近年来微区定年技术发展，锆石更加成为了U-Pb 定年的理想对象。本文从锆石岩相学、地球化学、包裹体等方面阐述锆石在地质领域研究中的应用方向。

1 锆石矿物学和岩相学特征

锆石的化学式为ZrSiO4，含有Hf，Th，U 等混入物，在岩浆岩矿物中含量较低，一般是以副矿物的形式存在。在岩浆结晶分异演化过程中，根据鲍文反应序列分为连续和不连续系列。岩浆中先后结晶出橄榄石、辉石、角闪石等暗色矿物，斜长石伴随暗色矿物且牌号递减依次结晶出来，从基性向酸性斜长石演化。Zr 在基性岩浆中不饱和，锆石难结晶出来，而在酸性岩浆中饱和可以晶出。

CL 阴极发光的原理实质上是由于矿物中可能会混入杂质离子或者是晶体生长过程中产生的缺陷、双晶、生长条纹等，这些因素都可能导致矿物颗粒内部由于成分不均一而在阴极发光图像上呈现不同，锆石环带很好的记录了岩浆演化的过程。

在对锆石的CL 阴极发光影像图中，不同岩石成因的锆石在CL 阴极发光图像下形态会有显著的区别。岩浆锆石广泛存在于酸性岩浆岩中，而在偏基性的岩石中存在的较少，岩浆锆石具有特征的同心韵律环带，具有自形到半自形的长柱状特征。在沉积岩中也会以少量碎屑锆石的形式存在，碎屑锆石磨圆较好。

在高级变质岩中, 特别是在原岩富含锆石的高级变质岩中,锆石的结构往往较为复杂, 构成由晶核和变质增生组成的复杂结构。变质锆石指的是变质作用过程中形成的锆石，成因不同的锆石（深熔作用形成、变质流体结晶、变质重结晶等）甚至是不同变质相下形成的锆石在阴极发光图像上都具有不同的环带特征以及锆石形态，如图1。

图1 岩浆锆石CL 图像

2 锆石包裹体

包裹体是矿物生长过程中或形成之后被捕获包裹于矿物晶体缺陷中的，保存在主矿物至今的物质。包裹体在研究成因矿物学、矿物形成的温压条件、成矿流体等方面具有重要意义。

不同成因的锆石具有特定的包裹体类型，所以对于锆石中包裹体的研究可以对判别锆石的成因类型提供有效的制约。岩浆锆石由于结晶温度高，通常包含高温岩浆矿物如金红石，磷灰石等。不同于岩浆锆石，由于形成温度较低，热液成因的锆石含有典型的热液矿物共生组合以及丰富的流体包裹体，流体包裹体可帮助我们了解成矿流体的物质组成了解成矿流体的性质包括氧逸度、盐度等；热液矿物共生组合则可以了解矿物形成的环境条件。根据研究变质岩内部的锆石矿物包裹体,不同矿物包裹体反应不同变质期次的矿物共生组合，进而可以判断变质相，揭示岩矿石形成的温压条件。

3 锆石地球化学特征

3.1 锆石微量元素

锆石微量元素的比值也可以鉴别不同成因的锆石（常用U/Th 比值来甄别），由于Th4+比U4+离子半径大，根据戈氏法则，小离子优先进入矿物晶格中，而大离子在矿物晶格中不稳定，容易被驱逐。所以在变质重结晶过程中，锆石含有较低的Th/U 比值。而岩浆锆石中，由于U 和Th 在熔体与晶体分配系数的差异，导致了岩浆锆石中的Th/U 比值较大。这两者的差异可以在某些情况下有效鉴别不同成因的锆石。但是对于某些特殊岩石类型如碳酸盐岩，这一方法则失去效用。所以须结合锆石阴极发光图像综合分析才能准确判断出锆石成因。

锆石等副矿物的微量元素特征对于判别矿物的成因类型，揭示成岩成矿过程具有重要的意义。此外对于锆石微量元素的研究提出了一些地质温压计。例如根据锆石中Ti 的含量与形成温度的相关性，建立线性回归方程，可作为矿物地质温度计。通过测定锆石不同环带上的主微量元素，同位素组成，在根据前人研究发现的地质温压计，建立变质过程中温度压力随时间的变化轨迹即P（压力）-T（温度）-t（时间）轨迹，这一方法是深入了解造山带演化历史的重要手段。

除此之外，锆石中的微量元素比值应用较为广泛的还有Zr/Hf 比值，由于Zr 和Hf 是一对性质相似的元素，吴福元等称其为双胞胎元素。应用在微量元素地球化学中可以揭示岩浆结晶分异程度。类似的，性质相似或者互为母体和子体的元素对比值还有Rb/Sr,Nb/Ta，U/Th 等。例如吴福元等在研究喜马拉雅淡色花岗岩中提出了高分异花岗岩的地球化学判别标志，其中很重要的一条就是利用锆石的Zr/Hf 比值，由于Zr 和Hf 在岩浆演化，结晶分异过程中地球化学行为不同，Zr 进入晶体，Hf 进入熔体相而导致这两个元素在演化过程中解耦。根据锆石的Zr/Hf比值大小可以揭示花岗岩结晶分异的程度，Zr/Hf>55, 普通花岗岩；25

3.2 锆石同位素研究

锆石的Lu－Hf，Hf-O 同位素在示踪岩浆源区，揭示壳幔相互作用，成岩物质来源具有重要的意义。由于Lu 和Hf 两个元素存在地球化学性质差异。在岩石发生变质或者部分熔融时，两者表现出不同的地球化学行为，Lu 元素是稀土元素且是最重的稀土元素，故而在反应发生时趋向于进入石榴子石。而Hf 大部分进入锆石矿物相，因而锆石具有较高的Hf 含量。根据这一性质，锆石中的176Lu/177Hf 具有非常低的初始比值，因此锆石内积累的放射性成因的Hf 较低，所测定的176Hf/177Hf 比值基本代表了其形成时体系的同位素组成。所以可以借助Lu－Hf同位素体系了解岩浆源区的性质。

根据测定计算岩矿石的176Hf/177Hf 比值，εHf 可以示踪源区（主要用于岩浆源区示踪），壳幔相互作用。前人大量的工作已经统计出不同储库的176Hf/177Hf 比值大小，并且绘制出了不同储库的变化趋势。将测定出的Hf 元素含量计算并进行投图可得知物质是来源于亏损地幔，下地壳还是上地壳，又或是壳幔相互作用，地壳混染而成。相较于Nd，Sr 同位素示踪，Hf同位素的演化趋势以及储库有相似之处，前人通过计算统计得出εHf≈2εNd 的关系式。在不同的地质作用下，地表的风化、深部的岩石重结晶都可能导致Lu－Hf 体系解耦。但是Sm－Nd体系在这些地质作用下并不会发生解耦，所以两者存在一定的区别。

近年来广泛应用的锆石U-Pb 定年技术，无论是精度还是技术成熟度都经历了飞跃发展，之前只能通过全岩粉粹溶解，从而测得元素比值进而完成同位素测年的工作，但是近些年来LA-ICP-MS（激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪）技术的兴起，让微区原位的同位素测年工作成为可能。相较于磷灰石、独居石，锆石的定年方法更为成熟可靠，且可通过阴极发光图像对岩石成因进行较好的制约，故应用较为广泛。相较于Rb－Sr，Sm－Nd，锆石的U－Pb 体系更为封闭，U/Pb 初始比值较低，产生的新的子体全部由衰变产生，所以定年数据较为准确，应用较为广泛。通过对不同靶区的圈定（一般是对锆石环带进行圈定），可以得出不同地质意义的年龄数据，代表锆石结晶时经历的不同的地质事件。

4 结论