锆石U-Pb年代学及锆石成因矿物学
锆石U-Pb定年工作原理及方法
“同位素年代学＝提供年龄数据”。
许多地质学家的想法,一种错误的认识！
同位素年代学需要同位素和地质两方面 的知识结构。
年龄表
数据内容 数据排列顺序 有效位数 样品多时，最好一个样品有一个表头 表注 >1.2Ga (or >1.4 Ga)锆石，尽可能用 7/6年龄，而不是上交点年龄
科学性和有利于读者阅读
鲁西地区新太古代晚期岩浆事件 （Wan et al., 2010）
鲁西地区新太古代早期岩浆事件 （万渝生未发表）
滹沱群底砾岩中石英岩砾石的碎屑锆石阴极发光图像 （万渝生等，2010）
万东 渝焦 生群 等浅 ，变 质 碎 屑 ）沉 积 岩 中 碎 屑 锆 石 特 征
( 2010
长城系
所有数据
鞍山地区古元古代变质辉长岩的斜锆石 和锆石阴极发光图像（董春艳等，2012）
鞍山地区古元古代变质辉长岩的斜锆石 和锆石二次电子图像（董春艳等，2012）
鞍山地区古元古代变质辉长岩的斜锆石 和锆石年龄图（董春艳等，2012）
鲁西新太古代变质辉石岩的锆石阴极发光和年龄图 （万渝生等，未发表）
大青山地区变质超基性岩石的锆石阴极发光和年龄图 （Wan et al., 2013）
锆石U-Pb定年
万渝生
为什么锆石U-Pb定年可信?
1、U-Pb体系 2、锆石
Zircons are forever!
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 抗风化能力强 无或很低的普通铅，而U含量适当 U-Pb同位素体系保存良好 可判断体系是否封闭 应用CL等方法，可对锆石进行成因研究 SHRIMP等原位分析方法应用
胶东中生代玲珑超单元二长花岗岩中锆石阴极发光图像
西宁盆地新生代地层碎屑锆石U-Pb年代学及其地质意义
西宁盆地新生代地层碎屑锆石U-Pb年代学及其地质意义新生代印度板块和欧亚板块的碰撞导致了喜马拉雅造山带的形成,使得喜马拉雅造山带以北近2000千米的区域隆升变形,形成了世界屋脊——青藏高原。
青藏高原隆升对亚洲内陆构造-地貌格局和气候造成了很大的影响,因此,青藏高原隆升和扩展机制及其对全球变化的影响一直是国内外地学研究热点问题之一。
随着新生代印度板块和欧亚板块的持续碰撞,青藏高原北缘构造变形及地貌演化强烈,发育了多个造山带和菱形盆地,是研究青藏高原隆升和高原扩展机制的理想地区。
沉积盆地和造山带是大陆地貌的两个基本构造单元,两者是在统一地球动力学背景和构造框架下不可分割的耦合过程和正负构造单元,沉积盆地中的陆源碎屑沉积物不仅记录了盆地的沉积演化信息,也记录了周围造山带的构造隆升信息。
本文选择青藏高原东北缘西宁盆地为研究区域,在前人研究基础上,根据盆-山耦合关系,主要通过对盆地新生代地层进行不同层位碎屑锆石U-Pb年代学研究,结合盆地新生代地层的沉积特征、古水流特征和砾石成分特征,探讨了西宁盆地新生代物源变化及区域构造演化过程,主要有以下认识:1.西宁盆地新生代沉积物碎屑锆石U-Pb年龄主要发生了五次变化:41Ma以前碎屑锆石U-Pb年龄分布以200-300Ma为主要年龄峰,400-550Ma为次要年龄峰;41->31Ma碎屑锆石U-Pb年龄分布以400-550Ma为主要年龄峰,200-300Ma和1000-2000Ma为次要年龄峰;31->22Ma碎屑锆石U-Pb年龄在前期基础上,突然出现700-1000Ma组分并成为主要年龄峰;22->12Ma碎屑锆石U-Pb年龄以200-300 Ma和400-550Ma 为主要年龄峰,1000-2000Ma为次要年龄峰;12->3.6Ma碎屑锆石U-Pb年龄以1000-2000Ma为主要年龄峰;~3.6Ma碎屑锆石U-Pb年龄以400-550Ma为主要年龄峰,200-300Ma为次要年龄峰。
锆石在地质研究中的应用
2021.08科学技术创新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Zr Si O 4,含有H f ,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。
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。
锆石成因矿物学研究及其对UPb年龄解释的制约
锆石成因矿物学研究及其对UPb年龄解释的制约一、本文概述本文旨在深入探讨锆石的成因矿物学研究及其对UPb年龄解释的制约。
锆石作为一种常见的副矿物，广泛存在于各类岩石中，其独特的物理化学性质使其成为地质年代学研究的理想对象。
通过精确测定锆石的UPb年龄，我们可以获取地壳演化、岩浆活动、变质作用等地质事件的重要信息。
然而，锆石的成因矿物学特征对其UPb年龄的解释具有重要影响，因此，对锆石成因矿物学的研究至关重要。
本文将首先介绍锆石的基本性质，包括其晶体结构、化学组成以及在地壳中的分布规律。
随后，我们将重点分析锆石的成因类型，包括岩浆成因、变质成因和热液成因等，并探讨各种成因类型对锆石UPb年龄的影响。
在此基础上，我们将进一步讨论锆石成因矿物学对UPb年龄解释的制约，包括锆石成因的复杂性、UPb体系的封闭温度以及锆石中Pb丢失等问题。
通过本文的研究，我们期望能够为锆石UPb年龄解释提供更加准确、可靠的地质年代学依据，并为地壳演化、岩浆活动等地质问题的研究提供新的视角和思路。
二、锆石成因矿物学的基本原理锆石，作为一种常见的副矿物，在地球科学研究中具有重要地位。
其独特的物理化学性质，如高熔点、高硬度以及抗化学风化能力，使得锆石能在各种地质环境中稳定存在，从而保留了丰富的地质信息。
锆石的成因矿物学研究，主要基于其晶体结构、化学成分以及微量元素含量等特征，揭示其形成环境和过程，进而为UPb年龄解释提供重要的制约。
锆石的晶体结构决定了其稳定性和元素容纳能力。
锆石属于硅酸盐矿物，其晶体结构中的硅酸盐四面体为阳离子提供了稳定的配位环境。
特别是锆离子（Zr4+）在硅酸盐四面体中的占位，使得锆石对许多元素，特别是稀土元素（REE）和高场强元素（HFSE）具有高度的容纳能力。
这种特性使得锆石在记录地质历史过程中，能够保存这些元素的原始信息。
锆石的化学成分是反映其成因的重要标志。
根据锆石中不同元素的含量和比例，可以推断其形成的环境和过程。
锆石定年原理 锆石U-Pb定年(1)
锆石一般无色透明，但常具浅棕，粉红，
有时深棕色。一般颜色深成因复杂，多为
老锆石或U、Th含量高的。其比重达 4.5-
4.6，无磁性，是分选的有利条件。
h
2
锆石的结构
锆石是四方晶系矿物
h
3
单偏光下
h
4
正交偏光下
h
5
常 呈 矿 物 包 裹 体
h
6
锆 石 的 晶 面
h
7
Zircon typological classification Pupin (1980)
h
8
锆石的形成
岩浆结晶形成：超基性－酸性，形成温度 很广，（锆石饱和温度计）。
变质作用：
• 深熔锆石； • 变质重结晶； • 变质增生； • 热液沉淀锆石； • 热液蚀变锆石。
h
9
锆石内部结构的观察
Smiling zircon 背散射电子图像（BSE imaging)
HF酸蚀刻法
阴极发光电子成相（CL imaging)
h
10
岩浆成因锆石
h
11
变质成因
岩浆结晶的
变质结晶的
岩浆结晶的on Geochronology
h
1
锆石的组成
锆石(zircon)是一个极其常见的副矿物。 它的化学成分是ZrSiO4，在Zr位置会有Hf, U, Th, Y等置换，Si位置会有少量P的置换。
一般锆石中含ZrO2 = 65.9%, SiO2 = 32%, HfO2 =1.0 2.0%, Th, U, HREE, P微量。
锆石成因矿物学与锆石微区定年的综述
锆石成因矿物学与锆石微区定年的综述发布时间：2021-05-31T13:49:05.760Z 来源：《基层建设》2021年第3期作者：李璇[导读] 摘要：锆石是一种硅酸盐矿物，在中酸性火成岩中很常见，也存在于变质岩和其他沉积物中。
河北地质大学河北石家庄 050031摘要：锆石是一种硅酸盐矿物，在中酸性火成岩中很常见，也存在于变质岩和其他沉积物中。
锆石是地球上形成最古老的矿物之一，因其稳定性好而成为同位素地质年代学最重要的定年矿物。
通过微区原位定年技术，能够给出有关寄主岩石的地质演化历史等重要信息，这可以为地质过程的精细年代学格架的建立提供有效的证据。
文章主要对锆石的微区原位测试技术、锆石的成因类型进行综述，并阐述其存在问题和发展方向。
关键词：锆石成因；微区原位测试；锆石U-Pb法引言传统意义上，锆石一直被视为具有高度稳定性的矿物，能持久保持矿物形成时的物理和化学特征，特别是元素和同位素特征。
普通铅含量低，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，因此被广泛应用于岩石学、矿物学和地球化学研究中。
以精细的锆石矿物学研究为基础，开展同位素定年工作，锆石已成为U-Pb法定年的理想对象。
1.研究现状对锆石的研究现状从以下几个方面进行讨论：锆石按照成因分类分为岩浆锆石、变质锆石和热液锆石。
第一类为岩浆岩中的锆石，岩浆锆石是指在岩浆中结晶形成的锆石，一般锆石自形程度较高，在双目镜下呈现无色透明。
锆石在硅中等饱和-饱和的岩浆岩中较多，在硅不饱和的岩浆岩中则较少，变质岩、沉积岩中可以保留部分原岩岩浆锆石残留核。
岩浆锆石一般具有岩浆振荡环带，通过观察发现一般中基性的岩浆锆石具有较宽的振荡环带，这是因为高温条件下微量元素扩散快；而酸性的岩浆锆石形成的振荡环带较窄，是因为低温条件下微量元素的扩散速度慢。
第二类为变质岩中的锆石，在变质作用过程中形成的锆石。
具有变质成因的锆石可以分为以下三类，包括变质结晶锆石，变质增生锆石和变质重结晶锆石。
锆石U-Pb同位素年代学测试技术概论及定年方法-文档资料
Ratios
1E+02
2 0 7 P b/2 0 6 P b 208Pb/232T h
2 0 7 P b/2 3 5 U 238U/232T h
2 0 6 P b/2 3 8 U In t egral
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
20
40 T ims 60
80
100
37
年龄不确定度与MSWD
16
SIMS基体效应显著，高U样品难以分析
17
LA-ICP-MS/LA-MC-ICP-MS
MC-ICP-MS
Laser Ablation system
ICP-MS
18
ICP-MS vs. MC-ICP-MS
U-Pb年龄 微量元素含量
Hf同位素 Sr-Nd-Pb-……同位素
U-Pb年龄
19
LA-ICP-MS在不同学科的应用情况
MSWD = 2.0, probability = 0.001
680
Wtd by data-pt errs only, 0 of 33 rej. MSWD = 0.50, probability = 0.992
640
(error bars are 2s)
660
(error bars are 2s)
640 620
620 600
600
580 580
560
560
540
540
520
520
39
4. U-Th-Pb数据的处理与表达
Wetherill谐和曲线图 Tera-Wasserburg谐和曲
线图 普通Pb校正
内蒙古四子王旗头号岩体锆石U-Pb同位素年代、岩石成因及构造意义
关键词
锆石
地球化 学 构造 意义
文章编 号：１ ０ ０ ６—５ ２ ９ ６（ ２ ０ １ ３ ）０ ３— ０ １ ４ ３—０ ８
规模 岩浆 底 侵作用 导 致地 壳熔 融 的结果 ¨ 。 公呼 都格 岩 体为 壳源花 岗岩 ，侵 位 时代 为 ３ ０ ６ ． ４ Ｍａ ， 属 晚古 生代 中期 ，形 成于 中朝 板块 与西 伯利 亚板
及 面 广且 持 续时 间长 的构 造一 岩浆 活 动 ，具有 独
特 而 复杂 的 构造演 化 历史 。在 华 北板块 北 缘 、兴 蒙造 山带 南侧 发育 一 条规 模 巨大 的构造 岩 浆活 动 带 Ⅲ，其 内发 育许 多 规模 巨大 的花 岗岩 体 ，查 明
这 些侵 入 体 的地质 特 征 、侵 位 时代 和成 因机制 ，
对 研 究华 北板 块 与西伯 利 亚板 块碰 撞演 化 具有 重 要 意 义 。前人 对该 地 区岩 浆岩 做 了大量 的工作 。 前 人认 为 阿玛 乌苏 花 岗 闪长岩 ， 形 成于 中 二叠世 ， 为 大规 模岩 浆 底侵 作 用下 的岩 浆 混合 成 因 。 格 尔 图 白云母 正 长花 岗岩 ¨ 侵位 于 （ ２ ３ ８ ￣ ６ ）Ｍａ ， 为 非真 正 意义 上 的 Ｓ型花 岗岩 ，属 于造 山后岩浆 热 事件 ，代 表造 山的 结束 。章永 梅 等 ¨ 对 大庙 岩 体进 行详 细研 究 ，认 为大 庙 岩体 研 究院 ， 河北涿 州 ，０ ７ ２ ７ ５ ４
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价格昂贵
精度较差
微区分析
分析量较大
锆石U-Pb年龄一致曲线图(1)
锆石U-Pb年龄一致曲线图(2)
Concordia diagram
Tera－Wasserburg concordia Diagram
如何得到合理的锆石U-Pb年龄(1)
>1000Ma的锆石，选择 207Pb/206Pb年龄 (分析过 程中Pb同位素之间的分 馏小)
锆石典型的稀土元素特征
不 同 类 型 岩 浆 锆 石 的 稀 土 元 素 特 征
(Hoskin and Ireland, 2000)
不同类型岩石锆石的微量元素特征 (Belousova et al., 2002)
不同类型岩石锆石微量元素判别图解
锆石的稀土元素组成制约岩石的演化历史 （Peck et al., 2001)
典型固态重结晶锆石CL图像特征
• 较规则的外形 • CL较亮，无分带、弱分带或斑杂状分带 • 重结晶区域常常切割岩浆环带、无明显界限
变质重结晶锆石内部结构特征 (Pidgeon et al., 1998)
典型变质增生锆石CL特征
• 多晶面或不规则，在残留锆石外部或整个颗粒 • 具有典型变质锆石分带特征 • 不切割残留岩浆环带、界限清楚
变质重结晶锆石和变质增生锆石的区分
麻 粒 岩 相 变 质 锆 石 特 征
CL
榴 辉 岩 相 变 质 锆 石 特 征
CL
角闪岩相变质增生锆石CL特征
297
不同变质条件下生长锆石的结构变化 变质锆石生长时的温度控制?
西Alps的Monviso地区榴辉岩脉中的锆石 (Rubatto and Hermann., 2003)
锆 石
强 度 与
和
CL U Y (Rubatto and Gebauer, 2000)
含 量 的 关 系
Dy Tb CL (Hanchar and Rudnick, 1995)
强和 度 等 稀 土 元 素 影 响 锆 石 的
典型岩浆锆石的CL特征
辉长岩岩 浆温度高 环带宽 辉长岩 岩浆温度高 环带宽
• 变质流体组成
一般富U贫Th(Rowley et al., 1997; Mojzssis et al., 2002)
• 变质锆石形成时共生矿物成分(如独居 石、褐帘石)(Gebauer,1996; Hermann, 2002) • 变质锆石的生长速度(Vavra et al., 1999)
10
102
Basic of radiogenic isotope dating(2)
Basic of radiogenic isotope dating(3)
锆石U-Pb定年的基本方法比较
定年方法 ID-TIMS 优点
精确度 高
缺点
费时、样量大
适用对象
成因单一
SIMS
LA-ICPMS
原位分 析
快速经 济
65Ma
1580Ma
与石榴石共生的锆石的重稀土特征：
封闭体系 开放体系
亏损 不亏损
锆石与石榴石之间微量元素的分配系数
(Rubatto，2002)
重稀土相对亏损的锆石形成于榴辉岩相峰期变质期间 (Rubatto and Hermann, 2003)
Lanzo地区泥质麻粒岩锆石的稀土元素组成 (Whitehouse et al., 2003)
含次生包裹体锆石区域
(一般存在愈合的裂隙、或扰动结构)
含 原 生 包 裹 体 的 锆 石 区 域
结
论
• 锆石内部结构对应锆石类型，结构受温度 和岩石性质影响。 • 岩浆锆石的微量元素特征可以为岩浆类型 的判别提供一定的判据。 • 锆石的微量元素组成可以用来判别锆石的 形成环境。 • 锆石的包裹体矿物能有效制约锆石的形成 环境。 • 复杂成因锆石需进行综合研究，才能对得 到的年龄给出合理的地质解释。
The decay series of uranium and thorium
238U 235U
206Pb 207Pb
+ 8 α+ 6 - + Q + 7 α+ 4 - + Q
232Th
208Pb
+ 6α+ 4- + Q
Basic of radiogenic isotope dating(1)
固态重结晶过程中锆石的U、Pb明显丢失 (Pidgeon et al., 1998)
CL图像黑色区域是变质重结晶作用造成的吗?
流体参与下重结晶锆石的微量元素特征
流体参与下重结晶锆石的微量元素特征
流体参与下锆石重结晶作用发生的机制
流体活动和锆石重结晶作用发生的时代
锆石微区包裹体研究意义
• 指示寄主岩石的演化历史(Ye et al., 2000；Liu J B et al., 2001；Liu F L et al., 2001) • 指示锆石的形成环境(Hermann et al., 2001)
不同变质条件形成锆石的微量元素特征
• 榴辉岩相变质锆石：无Eu负异常、重 稀土相对亏损、Nb、Ta及Nb/Ta低(无 长石、有石榴石和金红石)。 • 麻粒岩相变质锆石：Eu异常明显、重 稀土相对亏损(有长石、有石榴石)。 • 不和石榴石共生的变质锆石：无重稀 土相对亏损。
528Ma
榴辉岩相变质锆石中存在Eu的负异常 解释：继承全岩特征或形成于还原环境
<1000Ma的锆石，选择 206Pb/238U年龄 (235U衰变成207Pb的含量 低)
微区分析时, 选择不同的成因区域分析
如何得到合理的锆石U-Pb年龄(2)
单颗粒分析时选择不同物理性质的颗粒进行分析
Edges of zircon will be blurred but still retain initial composition in zircon centers
澳洲中部Reynolds地区混合岩锆石的微量元素特征
76Ma
65Ma
前进变质石英脉中锆石的稀土元素特征
角闪岩相退变质锆石的稀土元素特征
固态重结晶锆石各区域的稀土元素特征 (Hoskin and Black, 2000)
锆石的微量元素Er-P和U-Th图解
（重结晶锆石轻稀土超量和后期地质作用有关）
石英脉中的锆石
Alps西部Sesia-Lanzo地区(Rubatto et al.，1999) 希腊Rhodope地区（Liati et al., 1999)
流 体 参 与 的 部 分 重 结 晶 锆 石
~80Ma
流 体 参 与 的 重 结 晶 锆 石
~52Ma
~50Ma
低 温
热 液 蚀 变 锆 石
谢谢！
Electrovalence and Ion radii
Zr4+ = 0.84Å U4+ = 1.05Å Th4+ = 1.10Å Pb2+ = 1.29Å
Zircon has high U content and high U/Pb ratios, and thus is ideally suited for high precision geochronology
(<500oC)
~750Ma
~130Ma
50µ m
混合岩化作用形成的锆石
锆石的微量元素研究
Th、U特征
• 岩浆锆石一般具有较高的Th、U含 量和Th/U比值(Th/U>0.4) • 变质锆石具有相对较低的Th、U含 量和Th/U比值(Th/U<0.1)
岩浆锆石的Th/U比值
(Th/U)zircon.present
海 绵 状 分 带 锆 石
流 动 状 分 带 锆 石
变质锆石形成机制
• 深熔过程中从熔体中结晶(Vavra et al., 1999； Keay et al., 2001)。 • 固相矿物分解产生的Zr和Si，成核和结晶 (Fraser et al., 1997; Bingen et al., 2001)。 • 变质流体中结晶(Liati et al., 1999; Rubatto et al., 2003)。 • 原岩锆石的变质重结晶作用(Hoskin and Black, 2000; Tomaschek et al., 2003)。 • 热液蚀变(Vavra et al., 1999; Liati et al., 2002)
HF酸蚀刻法
• 原理（锆石抗HF酸 腐蚀性） • 优点（简单易行） • 缺点（破坏锆石表 面结构）
背散射电子图像
• 原理（锆石表面的 平均分子量） • 优点（表面特征清 楚、照相速度快） • 缺点（效果较差）
100µ m
阴极发光电子图像
• 原理（微量元素含量 和晶体缺陷） • 优点（可以清楚显示 内部结构） • 缺点（表面特征不清 楚）
≌(DTh/DU)zircon/melt· (Th/U)melt.present
(DTh/DU)zircon/melt≌0.2；(Th/U)melt.present≌4
• 岩浆锆石的Th/U比值取决于锆石形成时 熔体的Th/U比值 • 少数岩浆锆石同样具有较低的Th/U比值
变质增生锆石Th/U比值的影响因数
柯 石 英 的 特 征
Raman
谱 峰
不 同 锆 石 区 域 包 裹 体 矿 物 组 成 差 异
体主 成要 分矿 对物 比与 锆 石 中 矿 物 包 裹
锆 石 条不 件同 区 域 的 年 龄 对 应 的
P-T
526MaБайду номын сангаас
包裹体矿物在寄主锆石中形成的方式 • 锆石增生过程中捕获包裹体矿物(原 生包裹体) • 包裹体矿物沿裂隙进入早形成的锆石 区域(次生包裹体） • 寄主锆石中原来的包裹体矿物发生相 变形成新的包裹体矿物