金松 楊時驕 張楊 梁恒

1 河北地質(zhì)大學資源學院，河北 石家莊 050031

2 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

3 山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014

鋯石U-Pb 體系是目前已知礦物同位素體系中封閉溫度最高的，其中Pb 的擴散封閉溫度高達900℃[1-2]，是確定巖漿巖結晶及高級變質(zhì)作用年齡的理想對象，但是能否對鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖形成年齡進行精確測定一直備受爭議，也是鎂鐵-超鎂鐵巖的同位素地質(zhì)年代學領域比較棘手的科學難題。鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖多起源于地幔，研究表明在地幔儲庫中，Zr 元素的含量微乎其微，活動性弱，理論上不具備形成鋯石的條件[3]。斜鋯石作為一種富U礦物早在1893 年就被發(fā)現(xiàn)[4]，由于斜鋯石的U-Pb 同位素系統(tǒng)非常穩(wěn)定,相比其他定年礦物斜鋯石具有更容易保存的U-Pb 同位素體系[5]，經(jīng)過低中級變質(zhì)作用(綠片巖相到角閃巖相變質(zhì)作用)仍然能保持封閉狀態(tài)[6]，因此近年來斜鋯石作為理想的U-Pb 同位素定年對象，在鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖年代學研究領域被廣大學者采用。

興蒙造山帶發(fā)育多條近東西向展布的鎂鐵-超鎂鐵巖帶[7]，其大多代表了大洋巖石圈的殘留，是古亞洲洋構造域演化的重點研究對象。興蒙造山帶經(jīng)歷了長期的演化作用[8]，其鎂鐵-超鎂鐵巖中的鋯石必然具有多成因的特點，這也造成了其年齡譜系的不協(xié)調(diào)。在對內(nèi)蒙古東北部近年來的調(diào)查工作中，識別出了一條斷續(xù)分布的鎂鐵-超鎂鐵巖帶，沿扎魯特旗好老鹿場-科右中旗杜爾基-突泉縣牤牛海一線分布。其鋯石U-Pb 年代學研究成果表明，自西向東年齡依次為好老鹿場輝長巖362Ma[9]、杜爾基輝綠巖310±2Ma、斜長陽起巖296.2±4.8Ma[10]、布敦花牧場鎂鐵-超鎂鐵巖289±3Ma[11]、 突 泉 葦 場 鎂 鐵- 超 鎂 鐵 巖345.3±1.9Ma 和303.4±1Ma[12]、牤牛海超鎂鐵巖271-277Ma[7]。該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學研究均局限于單純的鋯石U-Pb 定年，輔以簡要的鋯石成因礦物學分析，在對這些鋯石成因的系統(tǒng)總結研究及U-Pb 年齡的合理解釋方面有所欠缺，而且沒有針對斜鋯石進行定年，造成了年代學成果的不確定性，也制約了區(qū)域構造演化的研究。值得指出的是，在內(nèi)蒙古東北部乃至整個興蒙造山帶，至今沒有學者開展過針對鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年方面的研究，但在我國華南、華東及西南地區(qū)已有大量關于鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年的報道，為其所在研究區(qū)提供了可靠的年代學證據(jù)[13-21]。

本文擬對當前關于斜鋯石成因礦物學的研究成果進行歸納總結，搜集當前國內(nèi)外關于鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石定年的研究成果，在對斜鋯石定年的應用現(xiàn)狀及測試方法進行綜合分析的基礎上，結合興蒙造山帶鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖鋯石年代學工作中存在的一些不足，并通過對比研究確定蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶內(nèi)存在斜鋯石，并進一步探討該地區(qū)進行斜鋯石定年的可行性、必要性和地質(zhì)意義。

1 鎂鐵-超鎂鐵巖中斜鋯石定年的研究現(xiàn)狀

1.1 斜鋯石定年應用現(xiàn)狀

斜鋯石的主要成分為氧化鋯（ZrO2）[4]，具有極強的成因?qū)傩?，是在硅不飽和的基?超基性巖漿中形成，一般存在于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖、堿性巖和碳酸巖中[22]。斜鋯石為透明片狀小晶體，內(nèi)部具有不規(guī)則的條帶狀分帶特征，晶體粒度變化很大，晶體短軸10～70μm，長軸方向可達20～150μm，陰極發(fā)光很弱，部分研究中發(fā)現(xiàn)的斜鋯石陰極發(fā)光比環(huán)氧樹脂靶還弱[13]。

目前研究多認為斜鋯石為鎂鐵-超鎂鐵巖中的原生巖漿鋯石，它通常含有適當?shù)腢 和極低的初始普通鉛，U-Pb 同位素體系的封閉性很好[22]，廣泛應用于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的年代學研究中，解決一系列關于鎂鐵-超鎂鐵巖年代學研究的爭議和難題。諸如中亞造山帶西部的金川超鎂鐵質(zhì)巖體，其由于強烈的地殼混染作用造成其鋯石成因較為復雜，李獻華等采用斜鋯石對其中的二輝橄欖巖進行定年得到了一致認可[14,22]；揚子克拉通神農(nóng)架群基性-超基性巖、柳麻村輝綠巖、泰山地區(qū)古元古代末期基性巖墻等年代學研究存在爭議，但又對區(qū)域構造演化有制約作用的鎂鐵-超鎂鐵巖體，一些學者同樣采樣斜鋯石定年方法提供了可靠的年代學證據(jù)[13,15,16]。

1.2 斜鋯石定年方法的研究

斜鋯石定年可以采用Pb-Pb 同位素體系和U-Pb 同位素體系。Pb-Pb 同位素體系定年的優(yōu)勢在于可以直接在巖石薄片上采用大型離子探針進行定年，該方法曾經(jīng)對顯生宙華北河砍子正長巖和華南霞嵐輝長巖進行了準確的斜鋯石定年[23]，但目前絕大多數(shù)學者仍然認為U-Pb 同位素體系定年地質(zhì)意義更為明確，可以解釋為巖石的成巖年齡，是斜鋯石定年的理想選擇[24]。

在定年技術方面，2010 年以前的研究以利用熱電離質(zhì)譜（TIMS）和二次離子探針質(zhì)譜法（SIMS）測試方法為主，獲得了大量的斜鋯石年齡，近年來逐漸有學者開始使用高靈敏高分辨率離子探針質(zhì)譜法（SHRIMP）和激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LA-ICP-MS）測試方法[14,22]。目前斜鋯石定年的主要方法概括起來包括SHRIMP、LA-ICP-MS、ID-TIMS、SIMS 四種方法[13,24-26]。上述方法各有利弊，李惠民等結合中國秦嶺地區(qū)一些具有重要地質(zhì)意義的鎂鐵-超鎂鐵巖石中的斜鋯石U-Pb 同位素地質(zhì)年代學的研究，對斜鋯石U-Pb 同位素定年的3 種方法包括ID-TIMS法、SHRIMP法和LA-ICP-MS法的優(yōu)點、局限性及其適用范圍進行比較，結論認為ID-TIMS 法目前是最精確可靠、適用年齡范圍最廣的斜鋯石定年方法，但其缺陷是無法進行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測定，但并不影響測定年齡的精確度和可靠性。而SHRIMP 法可以進行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測定,比較適合對前寒武紀鎂鐵-超鎂鐵巖石中的斜鋯石進行U-Pb 同位素年齡測定。LA-ICP-MS 法可以進行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測定，且適用的年齡范圍也較廣，但只能針對U、Pb 含量較高的斜鋯石才能進行測定并獲得合理的測定結果[26]。因此，LA-ICP-MS 法在鋯石和斜鋯石定年領域都是應用最廣的定年方法。

1.3 鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖中鋯石與斜鋯石定年方法的對比研究

斜鋯石定年在實際應用的可靠性也是一個重要的研究課題，關于鎂鐵-超鎂鐵巖鋯石與斜鋯石定年的差異早在2005 年就有人做過研究，李惠民等針對秦嶺富水雜巖的變輝長巖進行了鋯石與斜鋯石的SHRIMP 和TIMS 雙重定年對比，兩者相差約20Ma。通過對該巖石中鋯石成因礦物學的研究，認為斜鋯石的同位素年齡應解釋為秦嶺富水雜巖中基性巖石的形成時代，而鋯石由于后期發(fā)生變質(zhì)作用，對其同位素年齡地質(zhì)意義值得商榷[17]；針對望江山基性巖體中的輝長巖中的鋯石和斜鋯石SHRIMP 和TIMS 雙重定年對比，鋯石表面年齡分別為819±9Ma 和814±29Ma，斜鋯石表面年齡分別為822±25Ma 和828±9Ma，結果基本一致，可信度較高[24]。夏文靜等對南盤江盆地八渡輝綠巖中的鋯石與斜鋯石采用SIMS 法定年并進行了對比研究，認為二者在誤差范圍內(nèi)一致，且與該處輝綠巖處于的俯沖增生雜巖帶內(nèi)的其他鋯石U-Pb 年齡進行了對比，獲得斜鋯石和鋯石年齡分別為269.3±4.2Ma 和265.0±2.9Ma，結果在誤差范圍內(nèi)基本保持一致[18]。這些對比研究表明，相對于成因復雜的鋯石，斜鋯石定年更適用于鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學研究，但上述對比研究僅僅限于方法對比結論的驗證，沒有明確的證據(jù)來突出斜鋯石定年優(yōu)勢，也缺乏通過斜鋯石定年技術解決重大年代學爭議的研究。

2 內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶斜鋯石定年的必要性

2.1 年代學研究的不確定性

目前興蒙造山帶的構造演化及構造單元劃分已經(jīng)在取得了較為統(tǒng)一的認識，但對于古亞洲洋的縫合位置及縫合時代仍然存在較大的爭議，縫合時代的爭議主要來自于東北部俯沖增生雜巖帶內(nèi)鎂鐵-超鎂鐵巖年代信息的不統(tǒng)一。對于鎂鐵-超鎂鐵巖，盡管越來越多的學者提出了有效的同位素示蹤研究方法，但其很少存在原生鋯石或在巖漿上升過程中存在地殼混染的認識仍被普遍認可，因此，鎂鐵-超鎂鐵巖的鋯石成因的不確定性往往制約了其年代學研究的精確性[26-30]。遺憾的是，目前研究區(qū)關于鎂鐵-超鎂鐵巖鋯石的準確成因及其微量元素、同位素體系特征的研究鮮有報道，因此很大程度上不能確定其是原生巖漿鋯石，這也導致了同位素年齡信息的可靠程度也大打折扣。

從同位素年齡信息看（圖1），研究區(qū)內(nèi)目前已報道的鎂鐵-超鎂鐵巖年代學研究成果集中在早石炭世-中二疊世（362Ma-271Ma）[7-12]，但其空間產(chǎn)出位置構成了一條較為連續(xù)的近東西向鎂鐵-超鎂鐵巖帶，巖性為蛇紋石化橄欖巖、蛇紋巖、滑石巖、角閃石巖、角閃輝長巖、輝綠巖、玄武巖，野外識別均為與圍巖斷層接觸的構造巖塊。而在目前研究程度較高的西烏旗一帶蛇綠構造混雜巖中的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的年代學研究普遍為早石炭世，雖然年代學研究均采用鋯石U-Pb 方法，但不同學者研究的一致性也使該項成果得到了公認[31-34]。西烏旗蛇綠巖與研究區(qū)內(nèi)的鎂鐵超鎂鐵巖同屬一條俯沖增生雜巖帶[7,35]，但正如前文引言部分所述，研究區(qū)所處的該條構造帶東部好老鹿場-牤牛海一線鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學研究成果并不統(tǒng)一，嚴重制約了區(qū)域構造演化史以及其相關地質(zhì)體的構造屬性的研究，諸如大石寨組是俯沖有關的島弧火山巖還是陸內(nèi)裂谷發(fā)育的雙峰式火山巖[36-37]，再如東烏旗一帶廣泛分布的安格爾音烏拉組和寶力高廟組構造背景是活動陸緣還是陸內(nèi)伸展[38]。

圖1 研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖分布位置及年代學研究成果[7,9-12,35] Fig 1 The location and chronology of mafic-ultramafic rocks in the study area

2.2 鋯石成因的復雜性

鎂鐵-超鎂鐵巖的鋯石成因受地殼混染和后期變質(zhì)作用影響，成因十分復雜，因此單純的采用鋯石定年方法不足以獲得可信的同位素年齡。以杜爾基一帶采集的定年樣品為例（樣品編號D8049-2-3），通過對鋯石成因礦物學及鋯石形態(tài)特點研究成果綜合分析，由于產(chǎn)于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的鋯石常常為它形(少數(shù)情況下為半自形)，較大的粒徑(毫米級到厘米級)[27,28]，因此該樣品中原生巖漿鋯石較少；變質(zhì)鋯石往往具有變質(zhì)核心、增生邊及不協(xié)調(diào)的環(huán)帶，這類鋯石在該樣品中非常常見，可以識別出變質(zhì)結晶鋯石、變質(zhì)增生鋯石和變質(zhì)重結晶鋯石[39,40]，熱液鋯石多為它形，陰極發(fā)光圖片中顏色明亮，是后期經(jīng)過熱液流體蝕變或熱液改造了的鋯石[28-29]。由此可見，該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖中原生巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石、熱液鋯石均存在，勢必會得出多組年齡信息，如何進行合理的地質(zhì)解釋，并識別出準確的成巖年齡，是該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖年代學研究的重點和難點[41,42]，因而也會使結論準確性也大打折扣。研究表明，斜鋯石可以在后期變質(zhì)作用過程中轉化為鋯石[5]，其年齡往往代表了高級變質(zhì)作用的年齡。因此，直接選取斜鋯石進行定年最為可靠。

圖2 杜爾基輝綠巖樣品鋯石CL 圖像及成因判別 Fig 2 Zircon CL image and genetic discrimination of Durky diabase samples

2.3 斜鋯石精準定年的必要性

由上述討論可見，由于鋯石定年造成了研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖形成年齡產(chǎn)生較大分歧，且鋯石成因十分復雜，直接采用斜鋯石定年是準確判斷該地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖成巖年齡的首選方法。越來越多的學者對鎂鐵-超鎂鐵巖采用斜鋯石定年方法解決了一系列重大基礎地質(zhì)問題，但在研究區(qū)乃至興蒙造山帶，仍然極少有人采用專門的斜鋯石定年方法進行年代學研究。因此，研究區(qū)內(nèi)鎂鐵-超鎂鐵巖的年代學研究亟需更為可靠的斜鋯石定年研究工作來解決爭議，為古亞洲洋構造域演化提出新的且準確可靠的基礎地質(zhì)依據(jù)。

3 內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶斜鋯石定年討論

3.1 研究區(qū)斜鋯石的識別

研究區(qū)內(nèi)的鎂鐵-超鎂鐵巖巖石類型包括蛇紋石化橄欖巖、蛇紋巖、滑石巖、角閃石巖、角閃輝長巖、輝綠巖、玄武巖等。為了確定研究區(qū)內(nèi)存在斜鋯石，在杜爾基鎂鐵-超鎂鐵巖中采集了角閃石巖（樣品編號GPM06-4-3）和蝕變玄武巖（樣品編號GPM09-8-3）樣品各一件，首先將樣品粉碎至80 目，經(jīng)分選和多次精細淘洗獲得重礦物，然后通過磁選和電磁選選出無磁部分礦物，最后在雙目鏡下人工挑選出所有鋯石礦物。挑選無明顯裂紋且晶形較完整的礦物顆粒，制作成環(huán)氧樹脂靶，并拍攝鋯石CL 圖像，均由北京科薈測試技術有限公司完成。由于在制靶過程中未單獨篩選斜鋯石，因此本次研究通過將前人大量關于斜鋯石定年研究中的斜鋯石特征及CL 圖像進行匯總分析，并與研究區(qū)樣品鋯石CL 圖像進行對比篩選，從中識別出了多個斜鋯石晶體。由圖3 可見，研究區(qū)兩個樣品中的斜鋯石為透明片柱狀晶體，柱體不完整，可能在粉碎分選過程中發(fā)生了碎裂，部分斜鋯石晶型相對完好且粒徑較大，柱體表面有平行的生長紋，晶體粒度變化較大，晶體短軸20～70μm，長軸方向可達50～150μm;陰極發(fā)光照片顯示，斜鋯石不同晶體之間陰極發(fā)光明、暗差異較大，內(nèi)部分帶弱、個別顆粒顯示不規(guī)則的條帶狀分帶特征，與已有研究中的斜鋯石形態(tài)特征可良好對比，符合斜鋯石的形態(tài)及陰極發(fā)光特征。

圖3 已有研究中斜鋯石CL 圖像與研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖斜鋯石CL 圖像對比 Fig 3: Comparison of baddeleyite CL images between mafic-ultramafic rocks in the study area and others

3.2 斜鋯石定年討論

由上述對比研究可見，研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖中的杜爾基一帶巖石中存在斜鋯石，因此，可直接進行斜鋯石定年。在今后關于研究區(qū)乃至興蒙造山帶鎂鐵-超鎂鐵巖年代學研究中，可以考慮在樣品制備過程中直接經(jīng)過重力分選及掃描電鏡識別，在樣品中直接分選出斜鋯石進行定年。研究區(qū)乃至興蒙造山帶極少分布前寒武紀地質(zhì)體，且目前鋯石原位微量元素分析可以為原生鋯石的判別提供可靠依據(jù)，LA-ICP-MS 法可以進行斜鋯石微區(qū)的原位U-Pb 同位素年齡測定，且適用的年齡范圍也較廣[26]，因此LA-ICP-MS 法可適用于研究區(qū)內(nèi)的斜鋯石定年工作[22,26]。綜上所述，針對內(nèi)蒙古東北部鎂鐵-超鎂鐵巖帶開展LA-ICP-MS 法斜鋯石U-Pb 同位素定年可行且有望取得精準可靠的年代學成果。

4 結論

（1）斜鋯石為產(chǎn)于鎂鐵-超鎂鐵巖中的巖漿鋯石，斜鋯石U-Pb 定年技術成熟，相對鋯石定年更加精準可靠，但內(nèi)蒙古東北部乃至興蒙造山帶的鎂鐵-超鎂鐵巖的斜鋯石定年研究相對欠缺。

（2）通過分析認為研究區(qū)杜爾基一帶鎂鐵-超鎂鐵巖中鋯石成因較為復雜，難以獲得準確可靠的年代學結果；通過對比分析在樣品CL 圖像識別出斜鋯石，認為在研究區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖帶采用LA-ICP-MS 法斜鋯石U-Pb 同位素定年工作可行，有望取得良好的效果，可以為古亞洲洋構造域演化提供準確可靠的年代學證據(jù)。

致 謝 本文在成文過程中與河北地質(zhì)大學張聚全教授、李英杰教授及中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心錢程高級工程師進行了有益的交流和探討，審稿專家劉力生教授級高級工程師對論文提出的寶貴意見使本文得以完善，在此一并表示衷心的感謝。