微區(qū)原位測年技術(shù)在u-h-pb年代學(xué)中的應(yīng)用

微區(qū)原位測年技術(shù)在u-h-pb年代學(xué)中的應(yīng)用

副礦是指巖石含量低于0.1%的礦，如鋯、獨石、磷礦床、棕櫚石、鈦鐵礦、金紅石、磷灰石等。在地質(zhì)學(xué)和地質(zhì)年代學(xué)研究中經(jīng)常涉及的一些元素,如U、Th、Pb、Ti、Nb、V和Ta等都賦存在這些礦物里,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,而且錒系元素、Pb和稀土元素在它們中擴散緩慢,所以副礦物能夠長時間地記錄寄主巖石的地質(zhì)歷史。近年來微區(qū)原位測試技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,使副礦物的研究和應(yīng)用成為地學(xué)研究中的熱點問題,并取得了許多重大的成就。1u、th-pb年齡測定過去含U副礦物的U-Pb年齡測定多采用傳統(tǒng)的熱電質(zhì)譜(TIMS),該技術(shù)是目前U-Th-Pb測年最靈敏、精度最高的技術(shù),但它遇到的最大問題是,當測定的對象為內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、包含有多個年齡域的礦物時,所得到的數(shù)據(jù)往往是無地質(zhì)意義的混合年齡。近10年來,副礦物的年代學(xué)研究取得了巨大的進展,顆粒副礦物的U-Th-Pb年齡測定成為地質(zhì)學(xué)中的熱點問題,這主要得益于微區(qū)原位測年技術(shù)的快速發(fā)展。目前已經(jīng)發(fā)展起來的微區(qū)原位測年方法有同位素微區(qū)原位測年方法和化學(xué)微區(qū)原位測年方法。同位素微區(qū)原位測年方法有離子探針和激光探針技術(shù),微區(qū)化學(xué)測年方法有電子探針、質(zhì)子探針、X射線熒光探針技術(shù)等。在目前世界上的微區(qū)原位測年技術(shù)中,靈敏高分辨率離子探針(SensitiveHighResolutionIonMicroprobe,SHRIMP)是最先進、精確度最高的微區(qū)原位測年方法,其靈敏度高、空間分辨率較高(對U、Th含量較高的鋯石測年的束斑直徑可達到8μm),對樣品破壞小(束斑直徑10~50μm,剝蝕深度<5μm)。但儀器成本高,測試費用昂貴,測試時間略長(約20分鐘測定一個點),對樣品的制備要求較高。近年來,激光探針技術(shù)(LaserAblationMicroprobe-InductivelyCoupledPlasmaMassSpetrometry,LAM-ICPMS)在原位測定含U、Th副礦物的U-Pb、Pb-Pb年齡或Th-Pb年齡方面進展極快,在一定的條件下可獲得與SHRIMP技術(shù)相媲美的準確度和精確度,而且經(jīng)濟、快速(每個分析點<4分鐘);待測樣品既可以先用環(huán)氧樹脂固定、包埋再拋光制成靶,也可以直接在電子探針片內(nèi)進行分析,這樣保留了巖石的原始結(jié)構(gòu)關(guān)系,便于實現(xiàn)原地原位分析。缺點是由于U、Pb原子量差異較大,在激光打點取樣過程中,U-Pb之間容易出現(xiàn)較大分餾,導(dǎo)致U/Pb比值發(fā)生明顯改變,使U/Pb年齡精度降低;與SHRIMP相比,對樣品破壞大(分析束斑大小一般為30~60μm,剝蝕深度為10~20μm),不適于分析晶域結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單晶。20世紀90年代建立的電子探針測定鋯石的Th-U全Pb化學(xué)等時線年齡方法(ElectronProbeX-rayMicroanalysis,EPMA),空間分辨率高達1~5μm,可進行年齡填圖,因而近年來備受青睞,在鋯石和獨居石、磷釔礦、斜鋯石等富U或富Th副礦物的年齡測定上不斷取得成功,由于其極高的空間分辨率因而被廣泛用于記錄了多期地質(zhì)事件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦物的年齡測定。但這項技術(shù)遇到的問題是,對Pb的檢出限低(100×10-6~500×10-6),導(dǎo)致測年精度低,因此不能用于年齡小于100~200Ma的鋯石、獨居石等礦物的定年。質(zhì)子探針(Proton-inducedX-rayEmissionMicroprobe,PIXE)是繼電子探針之后發(fā)展起來的一種新的微束分析技術(shù),近年來被用于測定了獨居石的U-Th-Pb年齡,其分析原理與電子探針相似。對EPMA無能為力的小于100Ma的獨居石年齡的測定,PIXE具有明顯的優(yōu)勢。近幾年逐步改進的X射線熒光探針(X-rayFluorescenceProbe,XRF)在測定年輕獨居石年齡方面具有較大的優(yōu)勢。在分析束斑為40~60μm、使用單頻X-射線的條件下,Pb的撿出限可達10×10-6,對年齡為幾千萬年甚至是15Ma的年輕獨居石,可獲得與ICP-MS同位素定年相近的結(jié)果,XRF的測年精度和年齡分辨率大大高于EMPA,但在相同的空間分辨率的情況下XRF化學(xué)年齡與同位素年齡測定的比較工作有待進一步的研究。由于XRF的空間分辨率較低,因此不適于分析內(nèi)部具有不均一年齡分區(qū)的粒度小的獨居石。激光探針技術(shù)、微區(qū)化學(xué)測年技術(shù)二者與SHRIMP相比的優(yōu)點是可以直接在巖石探針片上進行測定,不破壞樣品的原始結(jié)構(gòu)關(guān)系,樣品制備方便,年齡數(shù)據(jù)具有更為明確的地質(zhì)意義,成本較低,分析快速,其中以微區(qū)化學(xué)測年技術(shù)的價格最低廉。但EPMA對Pb的檢出限低,導(dǎo)致測出的年齡數(shù)據(jù)精度比同位素測年的數(shù)據(jù)低一個數(shù)量級,一般與同位素年齡相差20~50Ma,并且由于化學(xué)定年不需進行普通鉛的校正,導(dǎo)致容易過高估計年輕獨居石、鋯石等礦物的年齡。副礦物U-Pb同位素測年法測定一個樣品可以同時獲得206Pb/238U、207Pb/235U、207Pb/206Pb3個或4個(測定Th時還可獲得208Pb/232Th)年齡,便于相互驗證和數(shù)據(jù)處理,而微區(qū)化學(xué)測年法不能判斷體系的封閉性以及估計平行的U-Pb衰變體系的諧和性。盡管微區(qū)原位測試技術(shù)給出了重要的、空間上可分辨的年齡信息,但在精度、準確度方面仍無法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的同位素稀釋熱電質(zhì)譜技術(shù)(ID-TIMS)。在副礦物不存在繼承性的情況下,ID-TIMS仍得到廣泛使用。由于鋯石、獨居石等副礦物晶體內(nèi)部常常存在多期性、多世代性,或者出現(xiàn)蛻晶化作用等,導(dǎo)致其內(nèi)部的年齡、成分、同位素組成不均一。因此,在進行微區(qū)原位測試前,必須詳細研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu),只有在晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上選擇意義明確的測定區(qū)域,才能對所獲得的數(shù)據(jù)作合理的解釋。利用HF酸蝕刻圖像、陰極熒光像(CathodoLuminescence,CL)和背散射電子形貌像(Back-ScatteredElectronImage,BSE)技術(shù)、激光拉曼光譜(LaserRamanSpectrometry,LRS)等可觀察鋯石、獨居石等礦物內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。2其中，u副礦物的地質(zhì)年代研究鋯石和獨居石一直是U-Th-Pb定年的首選礦物,近年來一些礦物如榍石、金紅石、斜鋯石、磷灰石、磷釔礦、褐簾石、釷礦等也可用于測年。2.1鋯石成因的特征由于鋯石物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,并且普通鉛含量低,富含U、Th,離子擴散速率很低,封閉溫度高(Tc>800℃),這些特征使鋯石成為U-Pb法定年的最理想對象,此外由于鋯石在多種類型的巖石中普遍存在,鋯石樣品容易分選,因此鋯石U-Pb法一直是地質(zhì)學(xué)者討論地質(zhì)事件時代的最常用的方法。鋯石即使經(jīng)歷了高溫深熔作用和高級變質(zhì)作用也能夠保存下來,因而其內(nèi)部常具有復(fù)雜的分區(qū),而每一區(qū)域分別記錄了鋯石所經(jīng)歷的巖漿或變質(zhì)的復(fù)雜歷史。在進行鋯石年代學(xué)研究時,能否正確識別不同鋯石顆粒以及同一鋯石晶體內(nèi)部不同區(qū)域的成因是年齡數(shù)據(jù)解釋的關(guān)鍵。區(qū)分不同成因的鋯石,可以根據(jù)鋯石晶體的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、Th/U比值;有時為了確定變質(zhì)成因鋯石的形成環(huán)境便于解釋年齡數(shù)據(jù),還需結(jié)合鋯石的微量元素特征和礦物包裹體成分的研究。值得注意的是,在研究來源復(fù)雜的鋯石時,僅憑某一方面的特征來判斷鋯石的成因類型往往是不充分的,通常需要綜合幾個方面的特征。巖漿鋯石通常為半自形到自形,粒徑20~250μm,產(chǎn)于金伯利巖及其相關(guān)巖石中的鋯石常常為它形(少數(shù)情況下為半自形),較大的粒徑(毫米級到厘米級),部分基性—超基性巖中的鋯石同樣具有不規(guī)則的形狀和較大的粒徑,鋯石飽和的熔體中形成的鋯石形態(tài)自形、粒度較大,長寬比為2~4,火山巖中的鋯石具有較大的長寬比值(比值可以高達12),一般為長柱狀或針狀的外形特征。變質(zhì)鋯石的外部形態(tài)從它形到非常自形,低級變質(zhì)巖中的鋯石常常從原巖繼承而來,可能顯示被圓化或變質(zhì)增生的特征。高級變質(zhì)巖如麻粒巖可能含有變質(zhì)過程中生長出來的圓形或卵圓形的鋯石,并有足球狀的鋯石。不同成因的鋯石具有各自特征的內(nèi)部結(jié)構(gòu),通過CL或BSE圖像可進行觀察。巖漿鋯石一般具有特征的巖漿振蕩環(huán)帶,巖漿鋯石中還可能出現(xiàn)扇形分帶的結(jié)構(gòu),部分地幔巖石中的鋯石表現(xiàn)出無分帶或弱分帶的特征,在巖漿鋯石中往往有繼承鋯石的殘留核。至于變質(zhì)鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu),情況更為復(fù)雜,可以無分帶或弱分帶,或者具有特征的、多樣化的分帶,主要包括:無分帶、、云霧狀分帶、扇形分帶、冷杉葉狀分帶、面狀分帶、斑雜狀分帶、海綿狀分帶和流動狀分帶等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型。不同變質(zhì)條件下形成的鋯石具有不同的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點。一些高級變質(zhì)巖中的鋯石往往比較復(fù)雜,如大別山麻粒巖中的鋯石由殘留巖漿的核、變質(zhì)鋯石構(gòu)成的幔、熱液蝕變鋯石構(gòu)成的邊組成,一般情況下,通過CL圖像能夠較好地識別不同成因的鋯石域,通過原位的年齡測試可獲得地質(zhì)意義明確的年齡。不同成因的鋯石有不同的Th、U含量及Th/U比值:巖漿鋯石的Th、U含量較高,Th/U比值較大;變質(zhì)鋯石的Th、U含量低,Th/U比值小。有的學(xué)者提出,可利用鋯石的Th/U豐度比值來判斷鋯石的成因?；鸪蓭r的鋯石Th/U比一般為0.2~1.0,而變質(zhì)成因的鋯石Th/U一般低于<0.1。然而,也有例外的情況,有些火成鋯石就具有低的Th/U比,可以小于0.1,而部分碳酸巖樣品中巖漿鋯石具有異常高的Th/U比值,可以高達10000。所以,僅憑鋯石的Th/U比值有時并不能有效地鑒別巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石。變質(zhì)鋯石與巖漿鋯石相比,前者HREE相對LREE的富集程度變化較大。巖漿鋯石具有明顯的負Eu異常,形成于有熔體出現(xiàn)的變質(zhì)鋯石具有與巖漿鋯石類似的特征:富U、Y、Hf、P,REE配分模式陡,正Ce、負Eu異常。但變質(zhì)鋯石Th/U比值低(<0.1)。近年來的研究表明,在變質(zhì)過程中,鋯石發(fā)生了結(jié)晶還是重結(jié)晶,形成過程中是否有流體或熔體的參與,這些過程和條件對鋯石的稀土元素特征產(chǎn)生顯著的影響。變質(zhì)增生鋯石的稀土元素特征除與各個稀土元素進入鋯石晶格的能力大小有關(guān)外,還與鋯石同時形成的礦物種類以及形成時的環(huán)境是否封閉有關(guān)。鋯石的微區(qū)原位年齡、REE組成并結(jié)合鋯石中的包裹體研究,可以把鋯石的生長與變質(zhì)過程中其他礦物的生長聯(lián)系起來,為鋯石的形成環(huán)境提供重要的制約,從而把鋯石的形成與變質(zhì)條件有效地聯(lián)系起來,建立巖石的P-T-t演化途徑,追溯變質(zhì)巖形成過程和造山帶演化歷史。由于鋯石極強的穩(wěn)定性,近年來沉積巖中碎屑鋯石的年齡譜分析、Hf同位素和REE特征被用于示蹤沉積巖的物源區(qū)物質(zhì)成分組成特征和研究物源區(qū)的地殼演化,古地理和沉積—分散方式。這項技術(shù)除了能夠提供物源區(qū)的信息外,還可限制沉積時間的最大值?；鸪蓭r中耐熔的繼承鋯石可以保持U-Pb同位素體系和REE的封閉,從而可以包含關(guān)于深部地殼和花崗巖來源的重要信息,可用于基底性質(zhì)的示蹤。2.2高級變質(zhì)巖中獨居石的年齡獨居石是輕稀土富集的礦物,U、Th含量高,Th替代輕稀土質(zhì)量百分含量可達28%,UO2質(zhì)量百分含量可高達16%,普通Pb通常低于鋯石,其U、Th-Pb四組年齡彼此間比較容易一致,從這個意義上說,獨居石是理想的U、Th-Pb年齡測定的對象。當它的U-Pb3組年齡出現(xiàn)不一致時,Pb/Th年齡分析精度要高于Pb/U年齡。獨居石的封閉溫度高(約750℃),具有很強的防止放射性Pb丟失的能力,Pb的擴散慢,同位素繼承的風(fēng)險小,非常適合于U-Th-Pb定年。該礦物在沉積巖、變質(zhì)巖和過鋁質(zhì)的火成巖中常見,形成于進變質(zhì)和退變質(zhì)各個階段,因而廣泛用于中、高級變質(zhì)巖U-Pb定年,也被用于鋁質(zhì)的火成巖的年齡測定。在前寒武地層中淺成的基性巖床、巖墻接觸帶附近熱液成因的獨居石年齡被用于限定地層的沉積時間。雖然獨居石理論上是年代學(xué)研究的理想礦物,但該礦物的U-Th-Pb體系是非常復(fù)雜的。獨居石在BSE下顯示出復(fù)雜的生長結(jié)構(gòu),尤其是變質(zhì)巖中的獨居石常顯示不同的化學(xué)成分和年齡分帶,能夠提供一些結(jié)晶生長和結(jié)晶后演化過程的化學(xué)環(huán)境的信息。在大多數(shù)情況下,獨居石的分帶現(xiàn)象在與Th、Y含量分區(qū)對應(yīng)的BSE圖像中就可以識別。在變泥質(zhì)巖中,Y主要貯存在在磷釔礦和石榴子石中,這兩種礦物對巖石的有效總組分中Y的含量和獨居石的生長產(chǎn)生顯著影響,因此獨居石中Y的含量分區(qū)能反映石榴子石的生長和分解過程,顯示磷釔礦和石榴子石在變質(zhì)礦物組合中比例的變化。在石榴子石出現(xiàn)以前,與磷釔礦平衡的獨居石的Y含量比較高,一旦石榴子石出現(xiàn),巖石的有效組分中的Y進入石榴子石,此時生長的獨居石將虧損Y;而如果石榴子石分解,Y被釋放,自由的Y將進入含Y的礦物如獨居石中,如果有足夠的Y被釋放,那么磷釔礦將出現(xiàn),此時結(jié)晶的獨居石含Y較高。如果系統(tǒng)研究獨居石與共存礦物在空間上的相互關(guān)系(如獨居石是被包裹于石榴子石之內(nèi)還是呈基質(zhì)礦物出現(xiàn)等)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和年齡分帶,并結(jié)合變質(zhì)石榴子石的Sm-rNd年齡等研究,具有把變質(zhì)時間、變質(zhì)溫度、壓力等聯(lián)系起來的潛力,獨居石可能是角閃巖相和更高級的變質(zhì)巖相巖石中限定變質(zhì)時間最有用的副礦物。對獨居石中化學(xué)成分分區(qū)和年齡分區(qū)的合理解釋,依賴于較好地理解獨居石相及其化學(xué)成分和同位素體系在地質(zhì)過程中的行為以及充分了解獨居石的形成機制,但目前對獨居石分帶形成的機制并不是很清楚,對變質(zhì)環(huán)境中產(chǎn)生和消耗獨居石的反應(yīng)知之甚少,有關(guān)獨居石的成因判斷研究較少,對獨居石年代學(xué)數(shù)據(jù)的解釋存在許多困難,常常難以將獨居石的U-Th-Pb年齡與壓力、溫度、變形信息聯(lián)系起來,從而限制了獨居石在許多地質(zhì)問題中的應(yīng)用。2.3不同成因磷礦的差異及其地球化學(xué)意義磷釔礦是釔的磷酸鹽礦物,含重稀土,普通Pb低,U含量與鋯石相當(一般>1000×10-6),結(jié)構(gòu)與鋯石的結(jié)構(gòu)是等型的,在鋯石中可以固熔體的形式出現(xiàn),物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,比鋯石能更好地保存放射性Pb,形成后能很好地保持同位素體系的封閉,非常適于U-Pb定年。磷釔礦可作為一種常見的副礦物出現(xiàn)在酸性、堿性火成巖、偉晶巖等火成巖中,可形成于低級—高級變質(zhì)作用中,也可以作為自生礦物形成于沉積作用中,并可以在后期的埋藏成巖變質(zhì)、熱液蝕變作用中形成。巖漿成因的磷釔礦被用于U-Pb定年,此外磷釔礦也已經(jīng)被作為接觸變質(zhì)、低級區(qū)域變質(zhì)、高級變質(zhì)作用、熱液蝕變、熱液礦化的計時器。盡管磷釔礦在年代學(xué)研究方面具有這些優(yōu)點,但有關(guān)磷釔礦的年代學(xué)數(shù)據(jù)比較少。磷釔礦的成因的具有多樣性,在同一樣品中、甚至是同一晶體內(nèi)部不同區(qū)域的磷釔礦的成因可能不同,內(nèi)部常出現(xiàn)復(fù)雜的分區(qū)。而正確判別測試區(qū)域的成因,理解磷釔礦的形成機制,磷釔礦在自生沉積過程、熱液作用和變質(zhì)過程中的行為,是年齡數(shù)據(jù)解釋的關(guān)鍵。目前巖相學(xué)研究仍然是確定磷釔礦成因和來源的主要手段。一些研究表明,一般沉積自生的磷釔礦較火成成因的磷釔礦的U、Th含量低,不同成因的磷釔礦其REE特征不一樣,據(jù)此可以區(qū)分磷釔礦的成因類型。如南非威特沃特斯蘭德(Witwatersrand)盆地中的磷釔礦有3種類型:火成—碎屑型、沉積巖自生成因型和熱液型。3種類型的磷釔礦在MREE-rHREE豐度、REE標準化曲線中重稀土部分的傾斜度和Eu異常方面(圖1)存在明顯差別,此外熱液型磷釔礦則以低U、Th為特征(U<10000×10-6)。但在這一研究區(qū)建立起來的地球化學(xué)判別標志是否適用于其他地區(qū)尚待驗證。磷釔礦和獨居石都屬于磷酸鹽礦物,獨居石富集輕稀土,磷釔礦富集重稀土,磷釔礦與獨居石常呈共生的礦物對出現(xiàn)于巖漿、變質(zhì)條件的整個范圍。實驗研究發(fā)現(xiàn),磷釔礦—獨居石礦物對具有把礦物形成年齡與生長的溫度條件直接聯(lián)系起來的潛力:REE在獨居石和磷釔礦之間的分配依賴于溫度,可作為地質(zhì)溫度計,并且REE的分配是否達到平衡容易識別。當REE在兩礦物間平衡分配的情況下,獨居石和磷釔礦的U-rPb和Sm-rNd等時線年齡可直接與它們的生長條件聯(lián)系起來。沉積巖的定年大多采用間接的方法,如利用化石或生物地層學(xué)的劃分,或者是對合適的火山巖夾層采用同位素法定年,但對于缺乏化石和火山巖夾層的沉積巖,特別是前寒武紀地層而言,這一方法明顯具有局限性。由于前寒武地層缺乏生物化石,而且經(jīng)歷了多期的變質(zhì)、變形作用,原始的礦物、結(jié)構(gòu)發(fā)生了重置,使得地層的定年很困難。近年來一些學(xué)者采用碎屑鋯石的U-Pb年齡譜技術(shù)來間接估計地層的最大沉積年齡,此外還發(fā)展了利用自生磷釔礦的U-Pb年齡直接估計地層沉積時間的方法,利用空間分辨率為10~15μm的離子探針可獲得較精確的年齡,該年齡近似于沉積年齡,這項技術(shù)仍處于早期的發(fā)展階段,這一技術(shù)的成功應(yīng)用依賴于對磷釔礦形成機制、成因類型、來源的正確判斷。磷釔礦存在于包括砂巖、粉砂巖、泥巖、火山碎屑巖、磷酸鹽巖等許多種類型的太古—中生代的沉積巖中,可能在早期的沉積成巖過程中就開始生長,常常呈碎屑鋯石上的次生加大邊。自生磷釔礦呈錐狀體增生或呈不規(guī)則形態(tài)增生在碎屑鋯石的表面,粒度一般為幾微米,大的可達20μm以上。在許多前寒武紀盆地中,自生磷釔礦常有增生邊,增生的磷釔礦年齡較年青、成分明顯不同于沉積成巖過程中形成的磷釔礦。通過空間分辨率高的微區(qū)原位技術(shù),不僅能對早期的沉積事件進行定年,同時可能對影響沉積盆地的主要流體和熱事件的時間進行定年。目前磷釔礦定年的方法面臨幾個主要問題:(1)SHRIMP測年難以尋找到合適的磷釔礦作為測年的標準。(2)樣品的準備和選取常常比較復(fù)雜和困難?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的礦物分選技術(shù)對大量的樣品進行分選,挑出足夠大的顆粒制成靶以備分析,但這種方法通常使樣品嚴重破碎導(dǎo)致無法獲得數(shù)量足夠的顆粒;或者通過磨制很多的薄片,然后在薄片中仔細尋找合適的顆粒,將選中的顆粒取下并粘在環(huán)氧樹脂圓盤上。(3)由于自生磷釔礦顆粒細小(通常<10μm),而目前同位素測年技術(shù)中空間分辨率最高的SHRIMP技術(shù)一般也只能達到束斑直徑為10~15μm;空間分辨率高的電子探針化學(xué)測年技術(shù)精度不夠高,主要是由于電子探針測定磷釔礦的年齡時,Pb(Ma)的主要的X-射線峰與Y(Lg)的X-射線的峰發(fā)生重疊,迫使Pb的計算只能從一些強度低的峰獲得,這樣大大降低了定年的精度。2.4石年齡及年代學(xué)意義榍石是一種在準鋁質(zhì)火成巖和變質(zhì)巖中廣泛存在的副礦物。火成巖和正片麻巖中的榍石的U含量為10×10-6~100×10-6,初始U和普通Pb的比值為10×10-6~1000×10-6,因為有足夠高的U、Th含量,3組U-Pb年齡之間的一致性常常比鋯石好,因而容易獲得高精度的年齡,榍石作為火成巖的計時器已經(jīng)有比較長的歷史。榍石Pb擴散的封閉溫度與榍石的顆粒大小和冷卻速率有關(guān),目前較一致認為半徑約300μm的榍石,冷卻速率為2°C/Ma時封閉溫度為650~700℃,接近角閃巖相上限溫度,意味著榍石除了能對火成事件定年之外,還是熱液作用、高級變質(zhì)巖中變質(zhì)、變形高溫事件定年的有價值的計時器。變質(zhì)榍石的U含量小于100×10-6,普通Pb含量較高,這樣U-Pb年齡的精度會降低并且較強地依賴于初始Pb的同位素組成的選擇,普通Pb的正確校正非常重要。在一些變質(zhì)巖中,榍石的U、U/Pb低,這樣其Pb-U年齡的準確度和精度不高,這種情況下榍石不再適合用于定年。與鋯石、獨居石不一樣的是,榍石的化學(xué)組成是造巖元素,因而榍石在含鈣的火成巖和變沉積巖中非常常見。由于大部分的巖石含有許多可能會容納Ca、Ti的相,榍石在高溫環(huán)境中容易反應(yīng),礦物反應(yīng)限制了它的穩(wěn)定性,正因如此,經(jīng)歷了復(fù)雜熱歷史的巖石往往具有多世代的榍石,從而顯示出復(fù)雜的U-Pb體系。因此,榍石的U-Pb體系較鋯石更復(fù)雜、更易受多階段生長的影響,其U-Pb體系的重置極可能是受新生榍石的生長控制而不是擴散機制的結(jié)果。由于榍石是相對容易反應(yīng)的礦物,因而更能完整記錄巖石的成因信息。巖石中榍石的含量的高低及成分的變化反映溫度、壓力、流體/熔體成分的變化。許多研究表明,在變質(zhì)過程中形成的不同世代的榍石可以通過其光學(xué)性質(zhì)、BSE圖像來進行區(qū)別,如富Al的榍石其反射率和雙折射率低于富Ti的榍石,富Fe3+的榍石顏色較深,一些巖石中不同年齡的榍石在顏色上存在差別。區(qū)分巖漿榍石和變質(zhì)榍石,可以從巖相學(xué)方面進行,如巖漿榍石自形,往往被包裹于明顯為巖漿成因的角閃石等礦物中,發(fā)育巖漿環(huán)帶或扇形分區(qū)。此外,可以根據(jù)榍石的化學(xué)成分加以判別,巖漿榍石高Fe/Al(圖2)、Th/U,富U和REE。榍石是少數(shù)幾種適于U-Pb定年且便于理解變質(zhì)巖共生次序的礦物之一,與鋯石和獨居石地質(zhì)年代計相比,榍石定年的好處是:目前對限制榍石穩(wěn)定性的礦物反應(yīng),溫度、壓力對固熔體組分的定性影響都有了較好的理解,便于把榍石的成分和變質(zhì)、熱液反應(yīng)相聯(lián)系,從而榍石的年齡可以與變質(zhì)作用、變形作用和熱液蝕變聯(lián)系起來。因此榍石年代學(xué)在研究變質(zhì)巖的溫度—壓力—時間問題方面得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。與鋯石相比,用榍石定年的另一個好處是,火成巖中老榍石的繼承性少。用榍石進行U-Pb定年時,必須把年代學(xué)研究與微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的研究結(jié)合起來,這樣才能弄清榍石生長的變質(zhì)反應(yīng)以及榍石與巖石中主要組分的相互關(guān)系,理解火成巖和變質(zhì)巖中控制榍石出現(xiàn)和影響榍石成分變化的因素,從而為年代學(xué)數(shù)據(jù)的解釋提供依據(jù)。2.5b系統(tǒng)的u-pb年齡金紅石作為副礦物產(chǎn)于變質(zhì)巖和不同類型巖漿巖中,由于它的U、Th含量低,普通Pb含量高,溶樣困難,長時間以來,沒有把它當作U-Pb年齡測定的良好對象。但是近來一些研究發(fā)現(xiàn),金紅石的U-Pb系統(tǒng)封閉性強于鋯石,其較高的U/Pb比,能夠產(chǎn)生較精確的U-Pb年齡,U-Pb年齡的一致性強于鋯石,其U-Pb年齡與地質(zhì)證據(jù)更容易吻合。金紅石的封閉溫度約400~500℃,變質(zhì)巖中的金紅石的U-Pb年齡可代表變質(zhì)巖冷卻到約400℃的時間,結(jié)合變質(zhì)巖中不同封閉溫度的變質(zhì)副礦物的年齡及其相應(yīng)的封閉溫度,可獲得巖石的T-t演化路徑,建立造山帶超高壓變質(zhì)巖的冷卻史,因此變質(zhì)巖中的榍石、金紅石是獲取變質(zhì)巖冷卻年齡的另一途徑。在前寒武地層的研究中,一些研究者利用榍石、金紅石地質(zhì)年代計的U-Pb封閉溫度來重建經(jīng)歷了多期變質(zhì)事件的高級變質(zhì)巖的P-T-t演化途徑。2.6磷灰石u-pb年齡和熱年代學(xué)磷灰石是火成巖、變質(zhì)巖中含U的較常見的副礦物,粒度為0.01~0.05cm的磷灰石的封閉溫度為600~450℃,封閉溫度可能與粒度、冷卻速率有關(guān)。磷灰石也是沉積巖中相對常見的同沉積礦物,出現(xiàn)在盆地演化的不同階段,在沉積物—水界面的數(shù)米范圍內(nèi)開始沉淀,在后期的埋藏成巖、變質(zhì)過程中可繼續(xù)形成。磷灰石曾被用于TIMS、離子探針的U-Pb定年,近年來用MC-ICP-MS對磷灰石的定年得出了Lu-Hf和Pb/Pb礦物等時線年齡,充分顯示了磷灰石在Lu-Hf同位素定年上的巨大潛力,該礦物是直接測定生物物質(zhì)年齡的少數(shù)可行的方法之一。磷灰石U-Pb定年的主要缺陷是U含量低,因而放射性成因Pb含量也較低,而普通Pb含量高,這樣會導(dǎo)致測年不精確。由于磷灰石的U-Pb體系的封閉溫度位于榍石與白云母、黑云母K-Ar體系的封閉溫度(300~350℃)之間,正好填補了中間的空白,可用來制約火成巖和變質(zhì)巖的冷卻與剝蝕歷史,因此磷灰石是可靠、有用的熱年代學(xué)計時器。磷灰石經(jīng)常出現(xiàn)在含磷沉積地層與淺變質(zhì)沉積地層中,含磷地層中出現(xiàn)的磷灰石多以富Fe或I為特征,一般呈短柱狀集合體,共生(膠結(jié))礦物是絹云母、褐鐵礦。依據(jù)這些特征可以判斷它們是沉積成因膠磷礦重結(jié)晶作用形成,由于是重結(jié)晶作用產(chǎn)物,它們的U-Pb年齡反映了成巖作用或沉積作用后的一次變質(zhì)作用時間。2.7斜鋯石u-pb年齡斜鋯石是硅不飽和、準飽和的火成巖中重要的副礦物。其HfO2的含量可高達2.5%,U含量為50×10-6~2000×10-6,一般為200×10-6~1