《锆石U-PB测年》课件.ppt

1、锆石U-PB测年PPT课件 锆石是最理想的测年对象锆石是最理想的测年对象 最常见副矿物，广泛存在于不同地质体中最常见副矿物，广泛存在于不同地质体中 抗风化能力强抗风化能力强 无或很低的普通铅，而无或很低的普通铅，而U含量适当含量适当 U-Pb同位素体系保存良好同位素体系保存良好 可判断体系是否封闭可判断体系是否封闭 应用应用CL等方法，可对锆石进行成因研究等方法，可对锆石进行成因研究 SHRIMP等原位分析方法应用等原位分析方法应用 年龄测定从年龄测定从400 ),锆石晶格进行重新愈合和调整，使锆石在结构上更加稳定。所以锆石发生变质重结晶作用时并没有新的锆石生成，只是对原有锆石进行了不同程度的

2、改造。锆石的重结晶作用一般优先发生在锆石边部以及锆石内部矿物包裹体周围等结构不稳定的区域。微量元素含量较高的锆石的稳定性低于微量元素含量较低的锆石，因此，在同一样品的锆石中微量元素较高的颗粒和、或区域更易于发生重结晶作用。受蜕晶化作用影响的锆石区域由于其结构上的不稳定性，最容易发生变质重结晶作用。己有实验结果表明，在有流体存在的情况下，在温度 400时，严重蜕晶化锆石可以很快发生重结晶作用。但是锆石发生重结晶作用的区域不仅仅是发生过蜕晶化作用的区域，在没有发生蜕晶化作用的晶质锆石区域同样可以发生重结晶作用，只是发生重结晶作用需要较高的温度和、或较长的流体作用时间。由于变质重结晶过程中只是锆石晶

3、格的重新调整，没有新的锆石生成，因此重结晶锆石往往为自形到半自形，且外形与原岩岩浆锆石环带形状相似，与原岩锆石之间没有明显的生长界限。同时，变质重结晶锆石区域的CL强度比原岩锆石明显增强，内部结构一般为无分带、弱分带、斑杂状分带或海绵状分带等，局部有岩浆环带的残留,见这些变质特征的锆石区域切割原岩锆石的振荡环带(图12(a)。在重结晶锆石与原岩锆石之间有时会出现弱CL强度的重结晶前锋(图12(b)，而变质增生锆石则是指变质过程中发生成核和结晶作用，有新的锆石从周围的介质中结晶出来。所以变质新生锆石具有多晶面状-不规则状-规则外形，与原岩残留锆石之间界限清楚，不同变质环境中增生的锆石有其特征的外

4、形和内部结构，且受变质锆石形成时的温度条件和寄主岩石的化学性质制约(图12(c),(d)。图12 重结晶锆石和变质增生锆石外形和内部结构特点(a)边部变质重结晶锆石结构均匀且切割原岩锆石的岩浆环带，整个锆石颗粒非常自形，(b)核部重结晶锆石中有明显的残留岩浆环带，重结晶锆石和未受重结晶作用影响的归属区域之间有强度弱的标志重结晶前锋，整个锆石颗粒较自形，(c)完全变质新生锆石，锆石呈卵园形，无分带或弱分带，(d)变质增生边与原岩残留锆石之间有清楚的接触界限，整个锆石颗粒呈它形 淡色脉体中的锆石具有淡色、透明的特点，说明锆石中基本未产生蜕晶化现象，因而锆石的U-Pb 年龄可信度较高。这类花岗片麻岩

5、中淡色脉体的形成一般认为是地质体剥露过程中，减压增温导致部分熔融的结果，即淡色脉体形成时期应反映地壳减薄的过程。在目前认识条件下，对锆石的外形和内部结构进行详细研究是区分变质增生锆石与变质重结晶锆石最为直接和有效的方法。变质重结晶锆石有两种成因类型；没有流体参与的亚固相条件下的重结晶作用和有流体参与下锆石局部区域的溶解再结晶。第二类重结晶锆石由于形成时在流体的参与下发生了矿物反应，在锆石再结晶时常常伴有其他磷酸盐和、或硅酸盐矿物的形成，同时再结晶的锆石区域会圈闭一定的流体包裹体，所以这种类型的重结晶锆石除有较均匀的结构区域外，还常常有多空状或海绵状结构区域，并常常富含流体和矿物包裹体(图13(

6、a),(b),重结晶作用比较彻底的锆石还会由于流体的溶蚀作用出现骨架状结构(图13）。图13 有流体参与下重结晶锆石的CL特征(a)-(c)局部为海绵状结构锆石，(a)中局部有少量原岩锆石的残余，(c)中锆石有骨架状结构（黑色管状结构部分为孔洞）热液交代改造锆石的阴极发光图像热液交代改造锆石的阴极发光图像 2、锆石Th、U含量及Th/U比值 大量研究表明，不同成因锆石有不同的Th、U含量及Th/U比值；岩浆锆石的Th、U含量较高、Th/U比值较大(一般0.4)；变质锆石的Th、U含量低、Th/U比值小(一般0.1)。岩浆锆石的Th/U比值与Th和U在岩浆中的含量以及它们在锆石与岩浆之间的分配系

7、数有关，平均地壳物质中Th/U比值约为4，所以通常岩浆锆石石的Th/U比值接近1。但是一些组成特殊的岩浆中结晶的岩浆锆石具有异常的Th/U比值，例如有些岩浆岩锆石的Th/U比值非常低，可以小于0.l，而部分碳酸岩样品中岩浆锆石具有异常高的Th/U比值，可以高达10000。所以，仅凭锆石的Th/U比值有时并不能有效地鉴别岩浆锆石和变质锆石。岩浆锆石岩浆锆石变质锆石变质锆石岩浆锆石岩浆锆石变质锆石变质锆石岩浆锆石岩浆锆石变质锆石变质锆石岩浆锆石岩浆锆石变质锆石变质锆石岩浆锆石和变质锆石岩浆锆石和变质锆石Th/UTh/U比对比比对比 变质增生锆石的Th/U比值受变质流体和/或熔体的成分、共生矿物的组

8、成、以及变质锆石的生长速率等因素的影响。由于U在流体中的活动性比Th强，所以变质流体一般富U贫Th，从这种类型的流体中结晶的锆石常常具有较低的Th/U比值。在混合岩化地区部分熔融熔体中的成分也通常贫Th且富U，导致从这些熔体中结晶的锆石也同样具有非常低的Th/U比值。变质锆石形成时，如果有富Th矿物(如独居石和褐帘石)的同时形成，同样会导致增生锆石具有较低的Th/U比值。Vavra等人对Ivrea地区角闪岩相样品、角闪岩到麻粒岩过渡相样品以及麻粒岩相样品中的变质增生锆石的Th、U特征进行了系统的对比研究后发现，生长速度最慢的角闪岩相变质增生锆石具有最高的U含量2279g/g和最低的Th/U比值

9、(0.01)，生长速度最快的麻粒岩样品中等轴状变质增生锆石具有最低的U含量(为53127 g/g)和最高的Th/U比值(Th/U比值都大于0.1，最大值可达0.73)，生长速度介于二者之间的角闪岩到麻粒岩过渡相变质增生锆石的U含量和Th/U比值介于二者之间。同一麻粒岩样品中，生长速度较慢的面形分带变质增生锆石的U含量高于生长速度较快的等轴状生长的变质锆石，而Th/U比值则小于生长速度较快的等轴状生长的锆石。这可能是U比Th更易于进入锆石的晶格中，在平衡状态下，锆石具有相对较高的U含量。生长速度较慢的锆石容易与接触介质到达化学平衡，导致这类变质新生锆石具有较高的U含量和较低的Th/U比值；而生长

10、速度较快的变质锆石与生长介质之间不能或只能部分到达化学平衡，导致其具有较低的U含量和较高的Th/U比值。变质增生锆石中也存在Th/U比值高达0.7的情况，同样说明不能仅仅根据锆石的Th/U比值来区分变质锆石和岩浆锆石。由于Th4+比Ua+具有更大的离子半径，Th比U在锆石晶格中更不稳定，变质重结晶作用过程中Th比U更容易被逐出锆石的晶格，导致重结晶变质锆石区域具有相对较低的Th/U比值。变质重结晶作用越强，变质重结晶锆石区域的Th/U比值会越低。放射成因Pb在锆石晶格中也不稳定，锆石重结晶作用过程中同样会把锆石中的放射成因Pb排除出晶格，锆石重结晶作用越彻底，其U-Pb年龄会越小。所以，变质重

11、结晶锆石的Th/U比值与其U-Pb年龄有明显的正相关关系，只有那些Th/U比值最低、年龄值最小测定点年龄值的加权平均结果才能代表锆石重结晶作用发生的时间。3、锆石的包裹体研究 锆石中的包裹体矿物成分研究不但可以很好地指示寄主岩石的演化历史，同时还可以直接有效地制约锆石的形成环境。不同环境中形成的锆石具有与之对应的包裹体矿物组成。如Hermann等人对哈萨克斯坦的Kokchetav超高压地体中的超高压片麻岩和碳酸岩中的锆石进行了CL显微结构观察，从内到外将锆石分成4个小同的区域，在此基础上对不同钻石区域的矿物包裹体进行详细的研究后发现，第1个区域(核部)的锆石不含包裹体或含有绿泥石和斜长石等低压

12、矿物包裹体，指示其为原岩残留锆石(图14(a),(c)；第2区域锆石含有柯石英和金刚石等超高压指示矿物包裹体，同时含有高硅多硅自云母、高Na和高A1成分的绿辉石、高Mg值的石榴石等，指示这一锆石区域形成于超高压变质阶段(图14(a),(c)；第3区域锆石含斜长石和绿泥石等低压矿物，同时含有寄主岩石中角闪岩到麻粒岩相变质阶段形成的矿物(如:黑云母、钾长石和多硅自云母等)，这些包裹体矿物成分指示相应的锆石区域形成于高角闪岩相到麻粒岩相退变质阶段(图14b)、(d)，第4区域锆石含有钾长石和黑云母等矿物包裹体，结合其他特征，其可能形成于低角闪岩相变质阶段(图14(d)。图14 不同变质阶段形成的锆石

13、的CL图像和矿物包裹体组成(a)残留锆石核(I)和超高压变质增生边(2)；（b)残留锆石核(I).榴辉岩到麻粒岩相变质增生慢（2-3）和角闪岩相变质增生边(4)；（c）超高压变质锆石(2)；（d）超高压变质锆石(2)和榴辉岩到麻粒岩相变质锆石(2-3)这些根据包裹体矿物组成得到的锆石形成环境与通过其他方法(如锆石的微区微量元素分析)得到的结论一致，充分说明了这一方法的可行性。但锆石中显微矿物包裹体的成因有时较为复杂，概括起米主要有以下3种成因机制：(1)锆石在生长时捕获同时形成的包裹体矿物(原生包裹体)；(2)包裹体矿物沿着锆石的微裂隙进入原来存在的锆石中(次生包裹体)；(3)寄主锆石中原来的

14、包裹体矿物发生相变形成新的包裹体矿物。由于锆石具有很高的矿物稳定性，锆石捕获了包裹体矿物后，其矿物成分很难被后期地质作用改造。即便是经历超高压变质作用，残留锆石中的低压矿物成分还可以有效保存。这些结果都表明锆石中的矿物包裹体通过第3种机制形成的可能性很小。所以，如何鉴别锆石中的包裹体为原生或次生成因是解决锆石成因问题的关键。如果包裹体矿物沿着微裂隙进入原来存在的锆石中形成次生包裹体，在包裹体矿物的周围一般会留下裂隙愈合的显微结构(图15)。由于包裹体矿物进入锆石过程中，还有可能对通道及包裹体周围的锆石产生不同程度的影响，所以在包裹体矿物周围常常会形成斑杂状的扰动结构。而锆石的原生矿物包裹体周围

15、一般不存在这些结构(图14)。所以，对含包裹体的锆石进行详细的显微结构分析是判断包裹体是原生还是次生成因的有效方法。在己知演化历史的地区，对含矿物包裹体的锆石进行微区定年同样不失为另一判断原生和次生包裹体的有效方法。对含不同期次矿物包裹体的锆石进行微区U-Pb定年，如果得到的年龄与包裹体矿物指示的地质事件发生的时间一致，也可以证明这些矿物包裹体为原生包裹体；如果得到的年龄大于矿物包裹体指示的地质事件发生的时间，则说明锆石中的矿物包裹体为次生包裹体。图15 含有次生包裹体的锆石的CL照片 4、对锆石U-Pb年龄的制约 对于结构简单、成因意义明确的锆石(如岩浆锆石)，通过对其进行显微结构和化学组成

16、的综合研究，选择未受后期地质作用影响的区域和/或颗粒进行微区定年，可以使年龄结果更加准确合理。在具有复杂演化历史的地区，内部结构复杂的锆石通过微区分析手段可以得到多组U-Pb年龄。对锆石不同的区域进行系统的内部结构、微量元素特征和包裹体成分的综合研究，给出不同锆石区域的成因机制，可以对这些得到的年龄赋予合理的地质解释。变质流体活动过程中形成的脉体中的锆石一般具有规则的外形，少有残留核，无分带到明显的面状分带或振荡分带，非常低的Th/U比值(一般0.1)。通过微量元素和包裹体的研究，可以进一步确定这些变质脉体中锆石的具体形成条件(如绿片岩相、榴辉岩相或蛇纹石化热液蚀变作用)。对这些钻石区域进行U

17、-Pb定年，可以对不同条件下流体活动的时间进行准确的限定。5、讨论 (1)不同环境中形成的锆石具有不同的结构类型，通过对锆石的内部结构进行详细研究可以区分锆石的生长期次和不同期次锆石的成因。(2)锆石中的矿物包裹体组成对相应锆石区域的形成环境可以提供很好的制约。(3)对复杂成因的锆石需进行综合研究，才能对锆石的形成环境进行合理的限定，进而对锆石的U-Pb年龄赋予更加合理的地质解释，为寄主岩石的演化历史提供准确的年代学制约。（4）一个样品中的锆石由于不同成因、不同世代的锆石可能具有相同的形态、大小和磁性，锆石成因分辨对于锆石年龄地质意义的正确解释至关重要，锆石成因分辨是一个综合的方法，不仅是锆石

18、本身的问题。（5）最近，很多学者们对要测试的锆石进行稀土、微量元素的测试，如果分配曲线一致，可证明所测的锆石为同一期锆石。MSWD 加权平均方差 近十余年来，（变质）碎屑岩锆石年龄谱研究开展得越来越广泛，探讨的领域也越来越广和越来越深入。目前，主要应用于下列几个方面：1、通过最年轻碎屑锆石时代的确定，对沉积时代进行制约；2、通过碎屑锆石年龄谱，了解蚀源区热-构造事件特征，重溯蚀源区地质演化历史；3、通过碎屑锆石年龄谱的对比研究，探索地质构造单元之间的关系；4、对沉积相和不整合进行鉴别。5、通过变质锆石的年龄谱探索遭受的变质年龄。642010ICP-MSSHRIMPQL116TW01(N=61)

19、121416188点数年 龄（亿 年）华北卓子山上元古界、华北卓子山上元古界、寒武系和寒武系和奧奧陶系砂岩碎陶系砂岩碎屑锆石频率分布图屑锆石频率分布图 上三叠统老虎沟组碎屑锆石U-Pb年龄频率直方图 华北陆块区重大构造转换下侏罗统北票组碎屑锆石下侏罗统北票组碎屑锆石U-PbU-Pb年龄频率直方图年龄频率直方图 十三陵碎屑沉积岩碎屑锆石阴极发光图像十三陵碎屑沉积岩碎屑锆石阴极发光图像石英岩石英岩粉沙岩粉沙岩西藏石英岩碎屑锆石阴极发光图像西藏石英岩碎屑锆石阴极发光图像化隆岩群中的白云母石英岩碎屑锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图 一、绿林林场二云母石英片岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄 武广于2

20、005年做博士论文时，在漠河县阿木尔林业局绿林林场二云母石英片岩采集了SHRIMP 锆石 U-Pb 测年样品。样品岩性为二云母石英片岩，原岩为泥砂质沉积岩类。样品中锆石呈淡黄色，玻璃金刚光泽，多数晶形发育不好，少数呈柱状，长宽比 2：13：1。锆石阴极发光图像显示，锆石主要为单锥和双锥状，还有少量不规则状，普遍发育生长韵律环带扇形分带结构，锆石具岩浆锆石特征（图）。图 二云母石英片岩中部分锆石阴极发光（CL）图像 二云母石英片岩样品的Th/U 比值变化较小(介于 0.130.73 之间)。对二云母石英片岩样品进行了15个点的分析，除6个点显示不谐和以外，其余 9 个点基本上都位于谐和线附近，但

21、明显分为三组，分别为 24002600Ma、89220Ma 和 300Ma(图)，但以 89220Ma 的年龄为主。图 二云母石英片岩锆石的SHRIMP UPb年龄协和图 年龄与地质观察出现矛盾可能的原因：年龄与地质观察出现矛盾可能的原因：1)样品采集、分选和测试过程中出现混样或样品采集、分选和测试过程中出现混样或污染；污染；2)测年方法不同，或同一方法是在不同实验测年方法不同，或同一方法是在不同实验室或不同时间完成的，有的数据质量不高；室或不同时间完成的，有的数据质量不高；3）某些年龄数据的地质解释存在问题，例）某些年龄数据的地质解释存在问题，例如玄武岩或辉绿岩脉中所测锆石常为捕获成如玄武岩或辉绿岩脉中所测锆石常为捕获成因；因；4）地质关系不清楚，判断有误；）地质关系不清楚，判断有误；5)其它原因。其它原因。