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(duì)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(jí)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(cè)定年齡。蒂爾頓等（1955）也很早就證明榍石在U-Th-Pb法測(cè)定的正常豐度范圍內(nèi)。前人對(duì)于對(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(cè)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(jì)算巖石或礦物地年齡。原則上任何一對(duì)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(cè)定。但實(shí)際上被用來進(jìn)行地質(zhì)年齡測(cè)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(shí)間記錄寄主巖石的地質(zhì)歷史[2]。

U-Th-Pb法是最先用來測(cè)定地質(zhì)年齡的一種方法，阿斯頓（1929）首次用質(zhì)譜儀測(cè)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(cè)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(duì)高的U-Pb 體系封閉溫度（650-700℃），適合作為U-Pb定年對(duì)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(shí)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(dòng)歷史提供重要的時(shí)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(jí)變質(zhì)巖中變質(zhì)變形事件定年的有價(jià)值的計(jì)時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)歷史之上的。早前，從高溫計(jì)時(shí)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(duì)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(gè)延長期，溫度保持在濕固相線以上。鑒于此，提供一個(gè)新的榍石的MC-ICP-MS 207Pb-206Pb年齡2030.9±1.5Ma。而高曉英，鄭永飛（對(duì)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(cè)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(cè)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(gè)時(shí)代的榍石同時(shí)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(shí)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(duì)榍石原位微區(qū)U-Pb定年已取得成功。地質(zhì)學(xué)家對(duì)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(shí)。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(huì)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(duì)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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[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(bào)，2011（30）：16.

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

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[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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