變質(zhì)巖中鋯石u-pb年齡的確定

變質(zhì)巖中鋯石u-pb年齡的確定

1鋯石u-pb年齡鋯作為一種常見的含鋯礦，由于其分布廣泛，具有低鹽含量的一般鉛。它是巖漿巖和變質(zhì)巖u-pb時間的首選，也被稱為“鋯石學”。研究發(fā)現(xiàn),一方面,鋯石能經(jīng)受巖漿侵入、部分熔融、區(qū)域變質(zhì)等作用而不完全丟失其年齡信息(Harrisonetal.,1987;Williams,1992;Lanyonetal.,1993;Holzletal.,1994)。另一方面,某些鋯石在低級變質(zhì)作用甚至風化作用中也能造成U-Pb平衡體系的破壞(Sternetal.,1966;Gebauer&Grunenfelder,1976;Black,1987)。因此,鋯石的這種對高溫地質(zhì)作用具有很強的抗干擾能力和同樣可以受低溫地質(zhì)作用的影響構成了鋯石U-Pb計時體系的矛盾的兩方面。正因為如此,Mezgeretal(1997)在他關于不一致U-Pb年齡解釋的綜述文章中提出“鋯石是唯一的一種礦物,它既能記錄所經(jīng)歷的復雜歷史,也有可能使這種記錄變得非常混亂”。所以,為了能夠?qū)︿喪疷-Pb年齡特別是像大別蘇魯超高壓碰撞造山帶中變質(zhì)巖的鋯石U-Pb年齡的含義有一個比較正確的認識,必須了解超高壓變質(zhì)作用中鋯石的U-Pb同位素行為,搞清哪些鋯石能夠抵御高溫變質(zhì)作用,哪些鋯石容易丟失Pb。2巖石-巖石巖漿系統(tǒng)中的鋯2.1u-pb年齡早期的鋯石U-Pb計時表明,其206Pb/238U和207Pb/235U兩組年齡經(jīng)常是不一致的。這種不一致被歸結(jié)為Pb的擴散丟失。Wetherill(1956)最早提出用幕式丟失來定量解釋這種不一致性。Wasserburg(1963)則解釋為長時期的擴散丟失。其后,許多人試圖測定Pb的擴散系數(shù),獲得的擴散系數(shù)數(shù)值很小,比較分散,部分人懷疑它的可信度。最近,Leeetal.(1997)對斯里蘭卡結(jié)晶完好的寶石級鋯石晶體進行了詳細的擴散實驗。其研究手段包括掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡和二次離子質(zhì)譜,獲得了很好的結(jié)果。他們的結(jié)果表明Pb在鋯石晶體中的擴散是非常緩慢的。他們在900℃和1100℃所得到的擴散系數(shù)logD值分別為-20和-16,在1100℃下獲得的U擴散系數(shù)比Pb還要低四個數(shù)量級,因此,U-Pb體系的封閉主要取決于Pb的擴散。由實驗的Arrhenius公式所得到的D0值和活化能E算得,對于一個直徑為200μm的鋯石顆粒,在冷卻速率為1℃/Ma和10℃/Ma情況下,鋯石中Pb的封閉溫度分別為899℃和938℃。除了進行擴散實驗工作外,許多地質(zhì)現(xiàn)象同樣表明鋯石能夠抵御高溫Pb擴散:許多花崗巖中含有繼承鋯石組分(Harrisonetal.,1987,Williams,1992),它表明在700～900℃高溫下并不足以使其U-Pb體系完全重置。在含金剛石相巖石中,溫度高達950～1000℃(Sobolev&Shatsky,1990),鋯石仍然保留其原始母巖的年齡信息(Claoue-longetal.,1991),在地幔金伯利巖的環(huán)境(1200℃)下,結(jié)晶完好的鋯石也沒有完全重置其年齡(Schareretal.,1992)。這些都說明鋯石中Pb的封閉溫度應在900℃以上。更進一步,在人工合成鋯石的U、Th擴散實驗測定中,得到的擴散系數(shù)值比天然鋯石還要低許多(Cherniaketal.,1997)。這是因為在天然鋯石中存在著由于U、Th的衰變而引起晶格的輻射損傷使U、Th等的擴散相對人工樣品要容易些。這樣高的封閉溫度表明,對于單純的熱擾動事件,即使是區(qū)域或超高壓變質(zhì)作用等高溫地質(zhì)過程也不能重置鋯石U-Pb體系。因此,結(jié)晶完好的鋯石U-Pb體系是迄今為止用于年代學中具有最高封閉溫度的同位素體系,它能夠抵御各種高溫地質(zhì)過程。2.2鋯石u-pb年齡機制另一方面,因為鈾和釷的價態(tài)和離子半徑與鋯的價態(tài)和離子半徑相近,在鋯石結(jié)晶時,鈾、釷易進入鋯石晶格,特別在非平衡狀態(tài)下的結(jié)晶作用。同時,由于鈾、釷的系列衰變產(chǎn)生大量α離子和受放射性衰變產(chǎn)物核反沖能的影響,會導致鋯石晶體的輻射損傷。在經(jīng)歷一定時間后,使鋯石逐漸失去其有序結(jié)晶態(tài),產(chǎn)生蛻晶化作用(metamictization)。蛻晶化作用使鋯石處于結(jié)晶態(tài)和玻璃態(tài)之間的一種過渡狀態(tài),這種狀態(tài)的鋯石容易遭受鉛丟失,特別是在流體的作用下。正是由于鋯石不同程度的蛻晶化作用,使得鋯石對于鉛的保存行為產(chǎn)生很大的不同,導致U-Pb年齡偏離一致線,并使年齡值降低。鋯石的蛻晶化作用是鋯石產(chǎn)生不一致年齡的最重要原因。Nasdalaetal.(1995)發(fā)現(xiàn)鋯石的蛻晶化作用程度可以用鋯石硅氧四面體非對稱伸展的喇曼譜峰來描述(圖1)。隨著蛻晶化程度的增加,其特征譜峰(～1000cm-1,～430cm-1)向低波數(shù)位移,譜峰相對強度減弱,半高寬從結(jié)晶完好的5cm-1左右可增至嚴重蛻晶化的30cm-1以上,相應的所得到的年齡亦下降。導致鋯石蛻晶化作用的主要因素可能與鋯石經(jīng)歷的時間、環(huán)境及鋯石中鈾、釷的含量等有關。顯然,時間越長,鈾、釷含量越高,越容易發(fā)生蛻晶化作用。Woodheadetal.(1991)用紅外光譜法研究了鋯石的蛻晶化作用。他們發(fā)現(xiàn),由鋯石單位晶胞參數(shù)所指示的蛻晶化作用程度隨其U、Th含量增加而增強。紅外譜的寬度隨U、Th含量增加而變寬,強度則隨U、Th增加而減少。這一結(jié)果和用喇曼譜的研究是一致的。因此,在絕大多數(shù)地殼環(huán)境下Pb的擴散丟失主要發(fā)生在部分和強烈的蛻晶化鋯石中。鋯石U-Pb體系的完全重置發(fā)生在鋯石的分解(溶解)和重新晶出過程中,這通常和熔體與流體的加入有關。在地殼巖石部分熔融過程中鋯石的行為取決于熔體的性質(zhì)(Si、Al、K、Na),如果是堿性巖漿,由于有很高的鋯的溶解度,原先巖石中的鋯石可能會完全被溶解;而如果是酸性、超酸性巖漿,在比較低溫和少水的條件下,由于鋯的溶解度低,老鋯石就有可能會作為殘留組分被保留下來(Dickin,1995)。2.3變質(zhì)作用對鋯石年齡的影響由輻射損傷引起的部分蛻晶鋯石,由于晶格受損變得松軟、不穩(wěn)定,它易通過化學蝕變、淋濾和擴散作用而丟失鉛。另一方面,處于低溫下的部分蛻晶鋯石,由于變質(zhì)作用和熱擾動使其溫度升高時,又可以通過重結(jié)晶作用使輻射損傷的晶格愈合,重新有序化。在這個過程中,由于Pb++離子半徑相對鋯離子半徑過大,在晶格愈合的過程中鋯石會把放射成因鉛排除在晶格之外,導致鉛丟失。因此部分重結(jié)晶作用是鋯石產(chǎn)生不一致年齡的又一原因之一。Pidgeon(1992)和Pidgeonetal.(1998)對鋯石的重結(jié)晶現(xiàn)象作了深入的研究。他們用HF化學蝕刻拋光的鋯石斷面,發(fā)現(xiàn)在明顯的振蕩分帶的巖漿鋯石的周圍或部分鋯石區(qū)域,由于后期的重結(jié)晶作用,使分帶性變?nèi)趸蛲耆环謳?并導致強分帶和弱分帶區(qū)域二者的年齡不一致和出現(xiàn)鋯石內(nèi)微量元素的分帶性(圖2)。研究表明,角閃巖相變質(zhì)作用能夠完全愈合被破壞的晶格,減慢其擴散丟失Pb過程(Peaucatetal.,1985)。在綠簾-角閃巖相變質(zhì)作用過程中,未見到明顯的鋯石重結(jié)晶作用?，F(xiàn)在認為,在大約600～650℃溫度下,最容易發(fā)生鋯石的重結(jié)晶作用(Mezgeretal.,1997)。如果長時間處在600～650℃的高溫下,蛻晶鋯石會不斷地、及時地進行調(diào)整,使得由蛻晶到重結(jié)晶過程變得相對短暫、迅速。這時,相對而言,鉛的擴散丟失就要少些(Peaucatetal,1985)。巖漿鋯石在變質(zhì)作用過程中會產(chǎn)生重結(jié)晶作用,這時伴隨有U、Th、Pb從鋯石中被逐出,振蕩環(huán)帶結(jié)構退化和消失。重結(jié)晶、不分帶的鋯石對于晚期的Pb丟失有很大的穩(wěn)定性,它常常能提供重結(jié)晶作用的時間。完全重結(jié)晶的鋯石有可能失去以往的年齡信息(Pidgeon,1992)。2.4變質(zhì)巖中鋯石組分的一種混合模型研究表明,在各種變質(zhì)作用中鋯石還可以像結(jié)晶作用中類似的晶核、籽晶,在原有鋯石的周圍結(jié)晶出新生鋯石,稱為增生鋯石。鋯石增生的主要證據(jù)有:鋯石成分的環(huán)帶結(jié)構。這種環(huán)帶結(jié)構表現(xiàn)在U、Th、Zr、Hf、REE等元素的變化上,通常這種變化是突變,而不是服從擴散規(guī)律的漸變。鋯石的外邊和內(nèi)核常具有不很相同的Th/U比。在內(nèi)部結(jié)構方面,增生鋯石的背散射電子(BSE)、陰極螢光(CL)和二次電子(SE)成像均表明其內(nèi)核和外邊有很不相同的特征,并且其界線也是分明的(Gebauer,1996,圖3)。SHRIMP微區(qū)定年技術為鋯石的增生提供了最為直接的證據(jù):對于具有相對復雜演化歷史的變質(zhì)巖地區(qū)而言,不僅同一巖石樣品中分離出來的不同鋯石顆粒具有不同的年齡,而且同一鋯石的不同部分也可能具有不同的年齡。在澳洲、格陵蘭、阿爾卑斯、哈薩克斯坦等許多古老變質(zhì)巖和碰撞造山帶地區(qū)各類巖石中均發(fā)現(xiàn)了鋯石中具有非常古老的內(nèi)核和比較年輕的外邊,甚至在一個鋯石晶體中有3～4個年齡的出現(xiàn)(e.g.Gebauer1996;Gebaueretal.1997;Katayamaetal1998;Vavraetal.1996,1999;Whitehouseetal1998)。作者最近的研究表明,在大別地區(qū)變質(zhì)巖鋯石計時中,同樣出現(xiàn)這種復雜年齡的情況(圖4)。很顯然,對于這種類型的變質(zhì)鋯石,如果采用常規(guī)的化學TIMS定年,所得到的必然是一種由不同比例組成的不同年齡(不同成因)鋯石組分的一種混合年齡,它是沒有地質(zhì)意義的。因此,從增生角度來看,一個變質(zhì)巖地區(qū)的巖石,可能存在各種類型的鋯石,既有變質(zhì)作用中形成的變質(zhì)鋯石,亦有變質(zhì)前巖漿作用形成的巖漿鋯石(如果是正變質(zhì)巖)或變質(zhì)前沉積巖物源區(qū)中的碎屑鋯石(如果是副變質(zhì)巖),或者是巖漿作用前源區(qū)的殘留古老鋯石,甚至是外來的捕虜晶鋯石。變質(zhì)增生鋯石也可出現(xiàn)在二期以上變質(zhì)作用中,變質(zhì)鋯石既可以是變質(zhì)作用中新生成的,也可以是原先蛻晶化鋯石在固相狀態(tài)下重結(jié)晶作用形成的鋯石。這種鋯石具有二元、三元或多元組分的混合特征。不同成因的鋯石可以各自以獨立的鋯石顆粒出現(xiàn),也可以出現(xiàn)在一個顆粒內(nèi)部。增生是常規(guī)同位素稀釋法分析(TIMS)中鋯石出現(xiàn)不一致年齡的又一個重要原因。我們用經(jīng)典的Wetherill(1956)一致曲線圖解對鋯石的增生現(xiàn)象作一說明(圖5)。圖5示意了變質(zhì)巖中鋯石三階段增生或三元混合模型。原則上具有三階段增生的鋯石,其U、Pb同位素組成在沒有發(fā)生母子體丟失的情況下,應該分布在源區(qū)(殘留鋯石和/或碎屑鋯石)年齡a、巖漿結(jié)晶年齡b和變質(zhì)年齡c三點所確定的三角形abc內(nèi)的任一區(qū)域。一般說來,三組分成因鋯石用TIMS法測定時實驗點不能構成一條直線。如果碰巧能構成一條直線,則取決于各種鋯石組分的數(shù)量關系,它們在諧和圖上所得到的交點可以落在弧abc內(nèi)任意一點,亦可跨越弧abc之外的某一點。因此,在三階段演化模型中,通常意義的交點年齡是沒有地質(zhì)意義的。只有在一些特殊情況下,即所測定的鋯石是以某一成因類型為主體時,所測得的不一致線的數(shù)據(jù)點可能集中在點a、b、c附近,它所構成的交點年齡能夠逼近年齡a,或b,或c。由此可見,無論是單顆粒或多顆粒的常規(guī)TIMS鋯石定年,很重要的一個原則就是要盡量選取單成因的顆粒,使得實驗點盡可能靠近一致曲線,同時還要避免測定具有蛻晶化作用的鋯石。綜上所述,巖漿-變質(zhì)巖地區(qū)鋯石,既有變質(zhì)成因,也有巖漿成因,還可以是原巖物源區(qū)的碎屑成因。這些鋯石均可能遭受高溫連續(xù)Pb擴散作用、蛻晶化作用、重結(jié)晶作用以及增生作用,這些過程不同程度地對鋯石U-Pb計時的一致性和有效性帶來重大影響。在我們測定鋯石年齡之前,以及對年齡結(jié)果意義的分析中都應充分考慮這些過程對被測鋯石的影響。3u-pb各類研究文獻大別-蘇魯造山帶是一個相當復雜、經(jīng)歷多次構造熱事件的超高壓變質(zhì)帶(Congetal,1996)。就年代學而言,截至1998年底,統(tǒng)計已發(fā)表的年齡數(shù)據(jù)大約200個,其中早期以Sm-Nd(Rb-Sr)、Ar-Ar(K-Ar)為主。有意義的U-Pb年齡始于1993年。數(shù)量上大約不到60個(李曙光等,1994;劉若新等,1995;曹榮龍,1995;劉曉春等,1996;陳能松等,1996;Amesetal.,1996;Youetal.,1996;Rowleyetal.,1997;Xueetal.,1997;李曙光等,1997;Hackeretal.,1998;Xieetal.,1998;Geetal.,1998)。從1999年起U-Pb年齡文章明顯增多,1999至2000年國內(nèi)至少有8篇U-Pb計時文章發(fā)表(葛寧潔等,1999;李曙光等,1999;謝智等,1999;Chenetal.,2000;陳道公等,2000;劉貽燦等,2000;程裕淇等,2000;簡平等,2000)?？梢奤-Pb計時對大別造山帶研究已日益顯示其重要性。盡管仍存在一些不同看法,發(fā)生在215～245Ma的三疊紀碰撞和超高壓變質(zhì)事件和發(fā)生在125～135Ma的強烈而廣泛的燕山期巖漿活動這兩點已為多數(shù)人共識。由鋯石上交點所提供的年齡范圍較廣,從400Ma-800Ma-2000Ma,甚至更大,誤差也大,一般籠統(tǒng)地稱之為原巖年齡,也有人把它們視為多期變質(zhì)作用年齡。這些年齡是否有意義,需要進一步研究。對于從140～210Ma之間散布的年齡,目前多把它們稱為冷卻抬升和受后期熱事件影響年齡,有所謂二階段、三階段折返模式。考慮到UHP巖石可能經(jīng)歷的多期地質(zhì)事件,UHP條件下元素和同位素行為的特殊性以及空間上可能存在的俯沖和抬升速率的不同,已有的年齡數(shù)據(jù),無論是精度上還是數(shù)量上,對了解和解釋整個大別造山帶的演化是遠遠不夠的。如前所述,由于完好鋯石晶體的U-Pb計時具有很高的封閉溫度(850～900℃以上,Leeetal.,1997),它所記錄的是鋯石的形成時間而不是冷卻年齡。同時在變質(zhì)作用中鋯石常具有增生的特征,即使發(fā)生Pb丟失,在其核部亦能保留變質(zhì)前的年齡信息,因而不像Sm-Nd、Ar-Ar計時那樣只能反映最后一次擾動事件以來所經(jīng)歷的時間,有可能記錄像前進變質(zhì)作用、超高壓峰期變質(zhì)作用和退變質(zhì)作用等多次高溫地質(zhì)時間。在大別山研究中U-Pb鋯石計時具有優(yōu)于其它計時方法的不可替代性,下面僅舉二例說明鋯石U-Pb計時所具有的優(yōu)越性。3.1uhpm和區(qū)域巖片麻巖的關系榴輝巖只是整個UHPM碰撞造山帶的很少一部分,有關榴輝巖和其圍巖是一個統(tǒng)一的UHP地塊還是后期地質(zhì)作用把它們推到一起,即UHPM的規(guī)模和范圍究竟有多大,一直有爭議,此即所謂的榴輝巖和圍巖的原地(insitu)和外來(inforeign)之爭。大別地區(qū)榴輝巖主要有兩類圍巖,一類是云母片巖、硬玉石英巖和大理巖等變沉積巖,這些巖石中有UHP的礦物組合,人們相信它經(jīng)歷了和榴輝巖一樣的UHPM。另一類是花崗質(zhì)片麻巖。除少數(shù)幾個露頭之外,絕大多數(shù)巖石目前尚沒有發(fā)現(xiàn)UHPM礦物。關于它們和榴輝巖是原地或外來的關系則存在分歧。部分人認為只有近榴輝巖的花崗片麻巖經(jīng)歷了UHPM;而分布較廣的區(qū)域圍巖片麻巖則未受UHPM(Congetal.,1995);持原地觀點者認為,到目前為止,榴輝巖和其圍巖都得到了220Ma左右年齡,它們在時代上是一個不可分的統(tǒng)一地質(zhì)體(Amesetal.,1996)。他們相信UHPM帶中絕大多數(shù)花崗片麻巖都經(jīng)歷了UHPM作用,但這種作用的記錄又被后期的地質(zhì)過程掩蓋或抹去(Carswelletal.,2000;Yeetal.,2000)。因此,仔細地比較近榴輝巖的圍巖片麻巖和區(qū)域圍巖片麻巖中鋯石和超高壓榴輝巖中鋯石U-Pb年代學信息,就有可能對這一問題提供制約。因為如果區(qū)域圍巖片麻巖經(jīng)歷了UHPM作用過程,記錄在鋯石中的年代學信息是不可能象Sm-Nd、Ar-Ar那樣會被后續(xù)地質(zhì)過程完全抹去,如果能在區(qū)域片麻巖鋯石中比較普遍地發(fā)現(xiàn)～220Ma左右的年齡,將支持原地觀點(Rowleyetal.,1997;Hackeretal.,1998)。同時,對片麻巖中鋯石的礦物包裹體的種類、成份進行研究,并和超高壓礦物進行比較,也將有助于對它們是否經(jīng)歷過UHPM階段的認識(Schertl&Schreyer,1995;Katayamaetal.,1998;Tabataetal.,1998)。此外,配合其它計時,比較片麻巖和榴輝巖等UHP巖石是否具有相同的冷卻歷史,也可以確定它們是何時拼合在一起的。3.2公園別區(qū)域的地球化學特征UHPM巖石在整個大別造山帶中僅是其中一部分。大面積出露的北大別地體的巖漿構造歷史如何?由榴輝巖所代表的UHPM和由北大別TTG灰色片麻巖為主所代表的麻粒巖相和角閃巖相變質(zhì)作用的時間和空間關系究竟如何是造山帶研究中的一個重要問題。目前對于北大別的構造屬性大致有以下幾種不同的看法:(1)是揚子克拉通前寒武紀變質(zhì)基底和蓋層,在大陸俯沖時插入超高壓地體(Okayetal.,1993);(2)主體是碰撞造山后的白堊紀水平擴張期巖漿構造穹隆(Hackeretal.,1998);(3)是古生代或前寒武紀安第斯型島弧(Zhaietal.,1994;Zhangetal.,1996);(4)是位于揚子和華北兩大陸塊之間的微陸塊(Lietal.,1998);(5)是揚子和中朝大陸碰撞造山帶中的變質(zhì)蛇綠混雜巖帶(徐樹桐等,1994)。北大別出露的巖石中,70%是TTG片麻巖,其次是花崗巖、麻粒巖和近200個大小不等的超鎂鐵和鎂鐵巖團塊。要回答北大別的構造屬性,除了要了解它現(xiàn)在的特征,更主要的是搞清它在碰撞前的巖石構造特征。這其中一個重要方面是回答這些巖石的時代。北大別地區(qū)花崗巖屬白堊紀燕山晚期活動(120～130Ma)確定無疑。已發(fā)表的幾個TTG巖石多數(shù)得到129～138Ma的下交點年齡和771～798Ma的上交點年齡,以及不能構成不一致線的U-Pb年齡(Hackeretal.,1998;陳道公等,2000)。最近劉貽燦等(2000)在北大別西部獲得了一個英云閃長質(zhì)片麻巖的U-Pb一致年齡為226Ma,謝智等(2001)亦獲得了北大別一個片麻巖的下交點年齡為229Ma。盡管只是少量的三疊紀片麻巖年齡的出現(xiàn),但它表明了北大別部分片麻巖可能也經(jīng)歷了和南大別一樣的高壓和/或超高壓變質(zhì)作用,只是后來又被強烈的燕山期巖漿活動疊加。同時也表明了北大別地區(qū)片麻巖組成和巖石類型的復雜性。北大別鎂鐵和超鎂鐵巖石曾得到220～240Ma的Sm-Nd年齡,現(xiàn)在則認為其中僅饒拔寨和高壩巖等石榴輝石巖、石榴橄欖巖具有印支期的年齡,和南大別的榴輝巖是同期的。而多數(shù)輝石輝長巖則是碰撞后的巖漿活動產(chǎn)物(李曙光等,1999;葛寧潔等,1999;劉貽燦等,2000)。近年來陸續(xù)在北大別地區(qū)發(fā)現(xiàn)榴輝巖露頭以及所獲得的230Ma的榴輝巖U-Pb年齡(劉貽燦等,2000)則又一次表明北大別地區(qū)榴輝巖也經(jīng)歷了和南大別榴輝巖同期變質(zhì)作用。目前有一種觀點認為北大別的石榴輝石巖為榴輝巖相巖石,它與南大別榴輝巖的不同之處在于尚未發(fā)現(xiàn)柯石英,它類似蘇魯?shù)貐^(qū)某些榴輝巖經(jīng)歷過麻粒巖相退化變質(zhì)作用疊加。在大別山西部羅田發(fā)現(xiàn)的中酸性麻粒巖粗略的U-Pb上、下交點年齡分別為1690和2660Ma(陳能松等,1996),它和北大別其它麻粒巖相巖石是什么關系不清楚。對北大別的這些主要變質(zhì)巖石,搞清它們的規(guī)模、侵位和變質(zhì)時代,對確定北大別的構造屬性是極為重要的。如果北大別整體上經(jīng)歷了和南大別一樣的超高壓變質(zhì)作用,而這種UHP作用又被后來的角閃巖相、麻粒巖相變質(zhì)作用掩蓋,那么Sm-Nd、Ar-Ar計時不能發(fā)現(xiàn)早期UHP作用印記,只有利用U-Pb鋯石計時才能夠發(fā)現(xiàn)早期UHPM作用的痕跡。另外,關于揚子和中朝克拉通碰撞的地縫合線(帶)位于何處?是曉天-磨子潭斷裂,水吼-五河斷裂,還是更北的南灣組北部,以及與此有關的北淮陽帶廬鎮(zhèn)關群的歸屬問題,都可以用有關巖石的地質(zhì)年代學證據(jù),特別是U-Pb年代學資料加以制約。特別是廬鎮(zhèn)關群,目前還沒有一個準確的年齡資料發(fā)表。4地質(zhì)意義的u-pb年齡測定考慮到大別超高壓變質(zhì)帶地質(zhì)演化的復雜性,為了獲得一個有明確地質(zhì)意義的U-Pb年齡,我們必須通過各種手段(物理的和化學的)盡量選擇新鮮、結(jié)晶完好、單成因的鋯石作為測定對象。下面是判斷年齡可靠性及其地質(zhì)意義的值得注意的幾個問題。4.1鋯石u-pb年齡大別地區(qū)變質(zhì)巖所獲得的鋯石U-Pb年齡,無論它是一致年齡,還是由不一致線計算所得到的交點年齡,都有一個如何解釋其地質(zhì)意義的問題。即它們是代表了巖石的形成時間,還是代表了遭受變質(zhì)作用的時間,也就是要回答測定的是巖漿鋯石還是變質(zhì)鋯石。如果是變質(zhì)鋯石,最好還要了解其形成方式:即它是通過什么樣的變質(zhì)過程形成的,是變質(zhì)分解反應析出的Si和Zr的固態(tài)成核作用,還是從含水變質(zhì)流體中的沉淀作用,還是原有鋯石的重結(jié)晶作用(Blacketal.,1997)。搞清鋯石的形成機理,并且將它和實際的變質(zhì)階段(前進、峰期、退化)相聯(lián)系。一個明顯的例子便是關于北大別片麻巖的年齡解釋。它們通常具有130Ma左右的下交點年齡和一致年齡,以及660～770Ma的上交點年齡(Hackeretal.1998)。對于這一組年齡,存在兩種看法:一種觀點認為130Ma年齡代表了白堊紀巖漿侵入活動所產(chǎn)生的巖漿鋯石形成時代,770Ma的上交點年齡則是巖石中殘留鋯石年齡,即它代表了形成白堊紀巖漿巖的物源區(qū)年齡。另一種觀點則認為130Ma是片麻巖遭受白堊紀巖漿侵入的擾動時間,因為北大別存在廣泛的白堊紀花崗巖侵入,即它們代表了變質(zhì)和熱擾動的時間,而把770Ma看作是片麻巖的原巖侵入時間。這兩種看法,哪一種是正確的呢?主要取決于測定的鋯石顆粒或鋯石區(qū)域究竟是巖漿鋯石還是變質(zhì)鋯石。如果所測得的130Ma的鋯石區(qū)域是一種巖漿鋯石組分,則第一種觀點是可取的。反之,如果130Ma的鋯石區(qū)域是一種變質(zhì)鋯石,則第二種觀點是正確的。應該說,目前尚沒有一種可以完全明確區(qū)分二種鋯石的定量方法,我們只能根據(jù)測定鋯石或鋯石區(qū)域的化學組成、內(nèi)部結(jié)構、結(jié)晶習性,以及宏觀地質(zhì)環(huán)境進行綜合判斷。表1即是對兩種鋯石的一些最基本特征的描述。根據(jù)這些判斷準則,可以說至少一部分北大別片麻巖中鋯石U-Pb年齡用第一種觀點解釋是不很妥當?shù)?陳道公等,2000)。對于南大別和蘇魯?shù)貐^(qū)榴輝巖的超高壓變質(zhì)時期,同樣存在和北大別片麻巖相類似的問題。盡管絕大多數(shù)資料和大多數(shù)人相信超高壓變質(zhì)作用發(fā)生在220～240Ma左右的三疊紀,但仍有一部分人認為超高壓變質(zhì)作用主要發(fā)生在晉寧期(程裕淇等,2000),而印支期年齡只是退變質(zhì)和重結(jié)晶年齡。實際上,不同作者所獲得的榴輝巖鋯石U-Pb年齡資料基本上是相同的,分歧點只是對這些年齡的地質(zhì)解釋,亦即對鋯石成因的不同看法。事實上,程裕淇等(2000)所獲得的深色榴輝巖鋯石U-Pb年齡在569～757Ma的各點測定中,其Th/U比為0.64～1.89,而年齡在214～231Ma的鋯石區(qū)域中,12點分析中有10點Th/U比為0.1～0.05,其余2點為0.30和0.16。根據(jù)下一節(jié)將要提到的大別地區(qū)巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石的大致Th/U比關系,我們更傾向于認為晉寧期的鋯石區(qū)域中Th/U比更象巖漿成因鋯石,而印支期的鋯石區(qū)域年齡更象變質(zhì)成因鋯石。我們把北大別片麻巖中一部分130Ma左右的年齡記錄不看作是侵入時代,而把它看作是受熱擾動的(變質(zhì))時間,也是基于其中很低的Th/U比這一點的。當然,非常準確的判定是巖漿成因鋯石還是變質(zhì)成因鋯石尚須從礦物內(nèi)部結(jié)構、化學組成和宏觀地質(zhì)綜合考慮,其中CL和BSE的內(nèi)部結(jié)構研究是至關重要的。這一點目前還沒有被廣大的地質(zhì)年代學工作者和巖礦工作者給予充分深入的考慮。4.2鋯石試樣的結(jié)構研究為了獲得一個有意義的鋯石年齡,必須對鋯石成因特別是鋯石內(nèi)部結(jié)構進行研究,國內(nèi)外在這方面已進行了相當多的工作(如Schertl&Schreyer,1996;Tabataetal.,1998;Vavraetal.,1996,1999;汪相等,1993),但把鋯石內(nèi)部結(jié)構研究和鋯石年齡相聯(lián)系,特別是對同一樣品直接進行結(jié)構和年齡的同步觀察,則還相當不夠,特別是國內(nèi)關于大別造山帶的研究中。因此要特別強調(diào)這項工作。在鋯石內(nèi)部結(jié)構研究中,BSE和CL成像是最常用的研究方法,用HF化學蝕刻也是一種行之有效的方法(Pidgeon1992)?，F(xiàn)已知道巖漿鋯石通常具有振蕩/韻律結(jié)構,這種韻律的寬度只有幾個μm,它反映了結(jié)晶環(huán)境的規(guī)律變化(Vavra1994)。巖漿鋯石有相對較高和穩(wěn)定的Th/U比;變質(zhì)鋯石一般不存在分帶結(jié)構,有低而分散的Th/U比,但并不永遠是這樣。大別山地區(qū)目前所獲得的鋯石U-Th含量資料大部分也符合巖漿鋯石Th/U比高(0.5～1.5),變質(zhì)鋯石Th/U比低(<0.1～0.2)的特征(Harckeretal.,1998;Xueetal.,1997;Rowleyetal.,1997)。鋯石熒光的強度、顏色和微量元素組成之間也有密切的關系(Belousovaetal.,1998)。不同鋯石有不同的譜學特征。喇曼光譜是另一種鋯石內(nèi)部結(jié)構研究的重要手段。它能夠區(qū)分結(jié)晶狀態(tài)好的鋯石和蛻晶化鋯石,因而能對鋯石是否適合年齡測定提供重要依據(jù)。Nasdalaetal.(1995,1996,1998)對鋯石喇曼光譜進行了詳細的研究,他們發(fā)現(xiàn)鋯石的蛻晶化程度和特征喇曼譜峰有確定的關系:結(jié)晶完好的天然鋯石和人造鋯石有尖銳、顯著的特征峰,而不同程度蛻晶化鋯石的特征譜峰則向低波數(shù)移動,且峰形變鈍、半高寬加大(圖1)。因此在鋯石U-Pb年齡測定之前或后,對鋯石進行喇曼光譜研究,可以判定年齡的可靠程度。4.3u、th-pb年代學正確的扣除普通鉛是獲得一個可靠的鋯石U-Pb年齡的基礎,在常規(guī)的TIMS分析中,普通鉛是根據(jù)質(zhì)譜分析時測得的206Pb/204Pb或205Pb/204Pb(205Pb是作為稀釋劑加入的),或207Pb/204Pb值,然后再依據(jù)樣品大致年齡和地殼中鉛的演化模式(如Stacey&Kramers1975)來扣除的,還可以用測定同一巖石中共生的鉀長石、硫化物中的鉛作為普通鉛組成來進行扣除。在離子探針分析中,普通鉛也可以根據(jù)測定的206Pb/204Pb按上面的方式校正,或者用208Pb/206Pb校正。無論是TIMS分析還是離子探針(SIMS)微區(qū)分析,可供測定的204Pb數(shù)量很少,一般不易精確測量。因而208Pb/206Pb校正方法的精度比206Pb/204Pb校正好得多。這種校正的前提是鋯石形成后U、Th保持封閉體系(Compstonetal.1992)。即鋯石后來沒有獲得U和Th,也無U和Th的相對分異作用發(fā)生。其檢驗方法是將實驗測定的208Pb/206Pb比值和Th/U比值作圖,如實驗點偏離線性,則說明U、Th的封閉體系不成立。如果用206Pb/204Pb作普通鉛校正,則208Pb/206Pb比值可用來計算208Pb/232Th年齡。當U-Th體系封閉被破壞時,還可用Terra-Wasserburg(1972)圖解來處理數(shù)據(jù),該圖解用測定的207Pb/206Pb和238U/206Pb關系作圖而不需要事先扣除普通鉛,實驗點線性回歸的直線在縱坐標207Pb/206Pb軸上的交點便是該樣品普通鉛207Pb/206Pb的組成。Terra-Wasserburg圖解可用于測定206Pb/204Pb較低、204Pb信號很小、普通鉛組成不穩(wěn)定的樣品。該圖解的另一特點是對年輕樣品,一致曲線有較大的彎度。Zheng(1992)曾用三維圖解法討論了U-Pb二階段體系中普通鉛的同位素組成,三維圖解法不需要事先知道普通鉛的同位素組成,只要假定所研究的一組樣品具有同種普通鉛同位素組成,即可計算年齡。他討論了礦物巖石中扣除普通鉛的一些理論問題,指出常規(guī)不一致線對普通鉛的扣除要求其年齡對應于t1而不是t2,因此無論對變質(zhì)巖還是巖漿巖,采用共生不含鈾礦物的Pb同位素來扣除在理論上都是不正確的。當測定的206Pb/204Pb比較高時,上述扣除方法在計算年齡時是反映不出來的,對206Pb/204Pb比值小于100時,必須采用三維模式進行計算才能得到準確的年齡。目前國內(nèi)的普通鉛校正方法,絕大多數(shù)都使用206Pb/204Pb方法。這里應該強調(diào)指出,測定的206Pb/204Pb值不能過低,至少應該在300～500以上,這樣才不至于因為普通鉛扣除不當而引入誤差,國內(nèi)發(fā)表的數(shù)據(jù)有一定數(shù)量在100～200甚至100以下,這時,如果普通鉛組成扣除不合適,其年齡的可靠性明顯受到影響;國外發(fā)表的數(shù)據(jù)多在1000以上,甚至數(shù)千、上萬。這時由于普通鉛含量很低,不管采用什么方法扣除,普通鉛對年齡誤差的影響都是可以忽略不計