王世龍

【摘 要】目前，同位素年齡的分析方法很多，最常用的是副礦物U-Pb定年方法。鋯石、獨(dú)居石等副礦物具有較高U含量和U-Pb體系封閉溫度，及較低普遍Pb含量而成為U-Pb定年的首選對象。然而，近年來隨著副礦物U-Pb定年研究的不斷深入，有關(guān)鋯石U-Pb定年在各類巖石中的應(yīng)用的研究不勝枚舉，加之鋯石、獨(dú)居石物理化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，形成后不易受外界及后期地質(zhì)事件影響，通常難以用于確定中低溫變質(zhì)巖及熱液成因巖石的地質(zhì)年代。另外，有些巖石中不含鋯石、獨(dú)居石等副礦物。榍石是酸性、中性和堿性巖漿巖，低到中高級變質(zhì)巖及少數(shù)沉積巖中常見的副礦物。榍石中的U可以類質(zhì)同象替代Ca進(jìn)入礦物晶格，具有較高的U含量（10～100ppm），并具有較高的U-Pb體系封閉溫度（650～700℃），是理想的U-Pb定年礦物。

【關(guān)鍵詞】同位素年代學(xué)；榍石；U-Pb年齡

榍石[CaTiSiO5]是巖漿巖及變質(zhì)巖中分布最廣泛的一種放射性副礦物（B.R.多伊）。維諾格拉多夫等（1952）最先證明榍石能夠用于測定年齡。蒂爾頓等（1955）也很早就證明榍石在U-Th-Pb法測定的正常豐度范圍內(nèi)。前人對于對于榍石U-Pb年齡在各類巖石中的應(yīng)用已有較為深入的研究。本文通過總結(jié)前人的研究成果，進(jìn)一步深化榍石U-Pb定年在同位素年代學(xué)研究中的重要作用。同時，為相關(guān)從業(yè)人員提供理論依據(jù)。

巖石或礦物的同位素地質(zhì)年齡是指它們從水溶液或巖漿熔融體中沉淀、凝固、結(jié)晶或重結(jié)晶時期起，其中的母體和子體同位素保持著封閉的化學(xué)體系所經(jīng)歷的時間。當(dāng)巖石、礦物冷凝，結(jié)晶或重結(jié)晶石放射性元素以某種形式進(jìn)入礦物或巖石中，這種與周圍環(huán)境隔離的放射性元素不斷衰變，同時衰變的穩(wěn)定產(chǎn)物子體同位素不斷地積累，這樣，只要能準(zhǔn)確地測定現(xiàn)在礦物或巖石中母體與子體同位素含量，就可以根據(jù)放射衰變定律計算巖石或礦物地年齡。原則上任何一對半衰期能與地球年齡相比擬的母體和子體同位素都可用來進(jìn)行地質(zhì)體年齡測定。但實(shí)際上被用來進(jìn)行地質(zhì)年齡測定的僅限于幾種同位素，238U-206Pb和235U-207Pb就是其中的兩種[1]。

副礦物是巖石中含量低于0.1%的礦物，如鋯石、獨(dú)居石、鈦鐵礦、金紅石、磷灰石等。在地質(zhì)和地質(zhì)年代學(xué)研究中經(jīng)常涉及一些元素，如U， Th， Pb， Ti， Nb， V 和Ta 等賦存在這些礦物里，因而這些副礦物在許多地質(zhì)過程中作為一種重要的示蹤劑，且錒系元素、Pb和稀土元素在他們中擴(kuò)散緩慢，所以副礦物能夠長時間記錄寄主巖石的地質(zhì)歷史[2]。

U-Th-Pb法是最先用來測定地質(zhì)年齡的一種方法，阿斯頓（1929）首次用質(zhì)譜儀測定了鉛同位素的豐度[3，4]。近10年來，副礦物的年代學(xué)研究取得了巨大的發(fā)展。副礦物的U-Th-Pb 年齡測定成為地質(zhì)學(xué)中的熱點(diǎn)問題。榍石（CaTiSiO5）是酸性、中性和堿性火成巖中常見的副礦物，并廣泛發(fā)育于各類型變質(zhì)巖，熱液成因巖石及少量沉積巖中。榍石中U可類質(zhì)同象替代Ca進(jìn)入礦物晶格，因而具有較高的U含量（10-100ppm），并具有相對高的U-Pb 體系封閉溫度（650-700℃），適合作為U-Pb定年對象。

與鋯石、獨(dú)居石不同的是，作為Ca-Ti 硅酸鹽，榍石主要組成元素為Ti， Ca， Si， O， 易與其他礦物、流體、熔體發(fā)生反應(yīng)，從而可記錄多期變質(zhì)事件的年齡信息，更有利于查明地質(zhì)體的P-T-t 軌跡。榍石U-Pb定年的優(yōu)點(diǎn)在于：火成巖中較少含有繼承成因的古老榍石，可揭示初始巖漿的冷卻時代；在變質(zhì)巖中，榍石U-Pb體系可紀(jì)錄多期生長事件。不同顏色和顆粒大小的榍石，往往能獲得不一致的U-Pb 年齡。這些年齡信息，可以為研究變質(zhì)巖及熱液活動歷史提供重要的時間依據(jù)[5]。隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，高靈敏度和空間分辨率新型儀器的出現(xiàn)是原位微區(qū)同位素分析成為可能，如激光電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICPMS）。

榍石在變質(zhì)巖中的分布極為廣泛，這意味著榍石是熱液作用、高級變質(zhì)巖中變質(zhì)變形事件定年的有價值的計時器。向華，張利，鐘增球等（2007）在前人研究的基礎(chǔ)上得出榍石顆粒內(nèi)部存在明顯的不均一現(xiàn)象。針對這種情況，發(fā)展原位微區(qū)榍石U-Pb定年技術(shù)已成為必然。利用SHRIMPH和LA-ICP-MS方法對榍石原位微區(qū)U-Pb定年已取得成功[6]。例如：C.D.Storey， M.P.Smith， T.E.Jeffries等（2007）對位于瑞典Norrbotten的變質(zhì)火山巖利用LA-ICP-MS進(jìn)行U-Pb定年，得出在復(fù)雜榍石顆粒中的地質(zhì)歷史紀(jì)錄。對榍石顆粒研究顯示出其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，榍石環(huán)帶在Luossavaara記錄的U-Pb年齡為1870±24Ma，在含氧化鐵的磷灰石包體中的U-Pb年齡為1826±15Ma[7]。

同年，Ian S. Buick et al（2007）在Limpopo Belt（South Africa）中心區(qū)域，研究亞固相線熱液蝕變的時代。得出：古元古代麻粒巖相變質(zhì)作用是疊加在早期太古代造山運(yùn)動歷史之上的。早前，從高溫計時器（鋯石、石榴石、獨(dú)居石）中獲得的～2030-2020Ma的年齡通常被認(rèn)為是對中心區(qū)域古元古代麻粒巖相變質(zhì)作用峰值最好的估算。然而，來自晚期熔融層的年齡（～2006Ma）表明還有一個延長期，溫度保持在濕固相線以上。鑒于此，提供一個新的榍石的MC-ICP-MS 207Pb-206Pb年齡2030.9±1.5Ma。而高曉英，鄭永飛（對大別造山帶雙河地區(qū)超高壓花崗片麻巖中的榍石進(jìn)行了詳細(xì)巖相學(xué)、微量元素組成和U-Pb定年的測定，發(fā)現(xiàn)榍石中具有巖漿殘留的核及其變質(zhì)增生邊。LA-ICPMS原位微區(qū)的U-Pb年齡給出新元古代巖漿年齡為689±21Ma，變質(zhì)年齡為216±4Ma[8]。

榍石在片麻巖中的年齡也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)之一。Yuri Amelin測得Isua地區(qū)片麻巖中榍石結(jié)晶年齡為3601±15Ma[9]。John N.Aleinikoff 等（2001）研究了美國新英格蘭Glastonbury雜巖體花崗閃長片麻巖中的榍石。他們將所研究的榍石分為兩類：一類為自形、棕色，另一類為半自形-它形、無色或淺色。棕色榍石為繼承的巖漿榍石，具低的Al3+/Fe3+（約1～2）比值，高U含量、高Th/U比值，U-Pb年齡為444±7Ma；無色或淺色榍石為變質(zhì)榍石，Al3+/Fe3+比值高（4左右）、U含量低、Th/U比值也低，U-Pb年齡為264±10Ma[10]。Fernando Corfu（1996）研究了太古代片麻巖中榍石的多階段生長，來自同一地點(diǎn)的英云閃長巖和閃長巖產(chǎn)出的鋯石和榍石年齡分別為：2704±2和2705±5Ma。兩個時代的榍石同時出現(xiàn)在英云閃長巖和花崗巖中，早期榍石反映了2704Ma的深成變質(zhì)事件，晚期榍石指示了后變質(zhì)時期（2627-2650Ma）的結(jié)晶事件[11]。

通過以上研究綜述，榍石的U-Pb定年在巖石學(xué)、礦物學(xué)研究中發(fā)揮著舉足輕重的作用。多顆礦物的整體分析已經(jīng)滿足不了人們的需求，發(fā)展原位微區(qū)榍石U-Pb定年技術(shù)已成為必然。LA-ICP-MS方法對榍石原位微區(qū)U-Pb定年已取得成功。地質(zhì)學(xué)家對榍石在片麻巖、麻粒巖及其他變質(zhì)火成巖中的U-Pb年齡做了詳細(xì)的研究，取得許多科學(xué)成果。但榍石U-Pb定年仍然存在很多問題，如LA-ICPMS U-Pb定年分析過程中基體效應(yīng)的問題一直沒有達(dá)到共識。在一定的儀器條件下，激光剝蝕和傳輸過程中的元素分餾會影響副礦物L(fēng)A-ICPMS U-Pb定年[5]。隨著分析技術(shù)的發(fā)展和對同位素U-Pb定年研究的不斷深入，這些問題終將得以解決。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]Aston， F.W. The constitution of ordinary lead[J]. Nature，1927，224，120.

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[5]孫金鳳，楊進(jìn)輝，等.榍石原位微區(qū)LA-ICPMS U-Pb年齡測定[J].科學(xué)通報， 2012，18：1603-1615.

[6]向華，張利，鐘增球，等.榍石：U-Pb定年及變質(zhì)P-T-t軌跡的建立[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2007，22：1259-1265.

[7]C.D.Story， M.P.Smith， T.E.Jeffries. In situ LA-ICP-MS U-Pb dating of metavolcanics of Norrbotten，Sweden：Records of extended geological histories in complex titanite grains[J].Chemical Geology，2007，24，0163-181.

[8]高曉英，鄭永飛.大別造山帶超高壓變質(zhì)花崗巖中多成因榍石的生長-來自巖相學(xué)、地球化學(xué)及年代學(xué)的制約[J].礦物巖石地球化學(xué)通報，2011（30）：16.

[9]Yuri Amelin. Sm–Nd and U–Pb systematics of single titanite grains. Chemical Geology [J].2009，261：53-61.

[10]John N.Aleinikoff， Robert P.Wintsch，C.Mark Fanning et. U-Pb geochronology of zircon and polygenetic titanite from the Glastonbury Complex，Connecticut，USA：an integrated SEM，EMPA，TIMS，and SHRIMP study[J]. Chemical Geology，2002，188 ：125-147.

[11]Fernando Corfu. Multistage zircon and titanite growth and inheritance in an Archean gneiss complex， Winnipeg River Subprovince， Ontario[J]. Earth and Planetary Science Letters1996，141：175-186.

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