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1、锆石U-Pb年代学和成因矿物学研究,吴元保,THE MINERAL ZIRCON,Refractory accessory mineral commonly occurs in magmatic, metamorphic, pegmatitic, and alluvial rocks,Chemical Formula: ZrSiO4 Composition: Zirconium 49.77% Zr 67.22 % ZrO2 Silicon 15.32% Si 32.78 % SiO2 Oxygen 34.91% O,Electrovalence and Ion radii,Zr4+ = 0.8
2、4 U4+ = 1.05 Th4+ = 1.10 Pb2+ = 1.29 Zircon has high U content and high U/Pb ratios, and thus is ideally suited for high precision geochronology,The decay series of uranium and thorium,238U 206Pb + 8+ 6- + Q 235U 207Pb + 7+ 4- + Q 232Th 208Pb + 6+ 4- + Q,Basic of radiogenic isotope dating(1),Basic o
3、f radiogenic isotope dating(2),Basic of radiogenic isotope dating(3),锆石U-Pb定年的基本方法比较,锆石U-Pb年龄一致曲线图(1),锆石U-Pb年龄一致曲线图(2),TeraWasserburg concordia Diagram,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) 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
4、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,Preservation of oxygen and cation zoning in zircon,1. 不同成因锆石的内部结构特点和年龄意义 2. 锆石的微量元素研究及其对U-Pb年龄的制约 3. 锆石的矿物包裹体研究及其对U-Pb年龄的制约,常用锆石内部结构分析方法,1 HF酸蚀刻法 2 背散射电子图像 3 阴极发光电子图像,HF酸蚀刻法,原
5、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）,100m,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）,锆石CL强度与U和Y含量的关系(Rubatto and Gebauer, 2000),Dy和Tb等稀土元素影响锆石的CL强度(Hanchar and Rudnick, 1995),典型岩浆锆石的CL特征,辉长岩岩浆温度高 环带宽,花岗岩 岩浆温度低 环带窄,岩浆锆石,辉长岩 岩浆温度高 环带宽,变质锆石的CL结构类型
6、,50m,无分带特征锆石,弱分带锆石,扇形分带锆石,冷杉叶状分带锆石(受温度和饱和程度影响),面状分带锆石,斑杂状分带锆石,受溶蚀作用影响的锆石 （Varva et al., 1996；Schaltegger et al., 1999),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
7、., 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),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
8、变质锆石CL特征,榴辉岩相变质锆石CL特征,角闪岩相变质增生锆石CL特征,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?,297,西Alps的Monviso地区榴辉岩脉中的锆石(Rubatto and Hermann., 2003),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(500oC)热液蚀变锆石,50m,混合岩化作用形成的锆石,750Ma,130Ma,锆石的微量元素研究,Th
9、、U特征,岩浆锆石一般具有较高的Th、U含量和Th/U比值(Th/U0.4) 变质锆石具有相对较低的Th、U含量和Th/U比值(Th/U0.1),岩浆锆石的Th/U比值,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,(Th/U)zircon.present (DTh/DU)zircon/melt(Th/U)melt.present (DTh/DU)zircon/melt0.2；(Th/U)melt.present4,变质增生锆石Th/U比值的影响因数,变质流体组成 一般富U贫Th(Rowley et al., 1997; Mojzssis e
10、t 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),10,102,103,104,10,102,102,10,103,103,104,104,锆石生长速度快 Th/U比值升高,混合岩化过程中深熔锆石一般具有较低的Th/U比值 （Keay et al., 2001),变质重结晶锆石的Th/U比值与重结晶程度相关 (Hoskin and Black, 2000),岩浆锆石微量元素应用,判断寄主岩石的类型,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(
11、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),岩浆锆石中轻稀土超量 (Whitehouse and Kamber, 2002),3.6Ga,3.8Ga,锆石轻稀土超量的原因,LREE优先进入锆石的晶格缺陷中。 锆石结晶时的熔体成分与全岩成分不一致。 分析点中包含了富LREE的磷酸盐矿物(如独居石和磷灰石)。 后期地质事件的扰动中，LREE优先进入锆石。,锆石中LREE超量判别的(La/Sm)CN-
12、Th和 (La/Gd)CN-Th+U图解,变质锆石微量元素特征研究,指示锆石的形成环境,与石榴石共生的锆石具有HREE亏损的特征 (Schaltegger et al., 1999),Titanium content in zircon as a thermometery,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。,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
13、,528Ma,与石榴石共生的锆石的重稀土特征： 封闭体系 亏损 开放体系 不亏损,1580Ma,65Ma,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),澳洲中部Reynolds地区混合岩锆石的微量元素特征,前进变质石英脉中锆石的稀土元素特征,76Ma,65Ma,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)
14、,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）,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),柯石英的特征
15、Raman谱峰,不同锆石区域包裹体矿物组成差异,主要矿物与锆石中矿物包裹体成分对比,锆石不同区域的年龄对应的P-T条件,526Ma,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,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。,谢谢！,