岩浆锆石、碎屑锆石中Th、U含量及Th/U比特征浅析
摘要：本文对湖南及少数周边地区燕山期花岗岩、加里东期花岗岩、新元古代花岗岩、火山岩和碎屑岩中定年矿物锆石中的1318组U、Th及 Th/U数据进行了讨论。燕山期，加里东期花岗岩中的岩浆锆石Th、U具有一定的相关性，Th/U比值趋于稳定（均值在0.55），Th/U比的拟合区间0.25～0.85；火山岩中Th、U含量较分散，Th/U比值变化区间较大；新元古代花岗岩、碎屑岩（锆石U-Pb年龄大于700Ma）中的Th、U含量较低，新元古代花岗岩中Th/U比较低，有相当一部分Th/U比小于0.1，碎屑岩中的Th/U比变化区间较大。部分锆石中Th、U含量较高（如达百分之几）的，对获得锆石U-Pb年龄的影响并不明显；年龄较老的锆石（单颗粒锆石U-Pb年龄大于700Ma）需要谨慎考虑变质流体、熔体以及Th、U和Pb丢失的影响。 关键词: 岩浆锆石 碎屑锆石 U-Pb年龄 Th、U含量 Th/U比值 湖南
前言
迄今为止，国内已经公开发表的与锆石定年有关的论文已有近万篇，尤其是近年来地质科学中引进单颗粒锆石微区测年技术后，利用锆石定年来解决地质科学问题的相关研究呈井喷式发展。单颗粒锆石定年得到普遍的应用，除了当今测试技术水平的快速发展外，一方面因锆石作为副矿物广泛存在于各类岩石中（如中酸性岩浆岩、碱性岩、变质岩及碎屑岩），这为开展与锆石相关的大量研究提供了可能；另一方面，锆石形成时的封闭温度大于900 oC（Cherniak DJ，2001），是目前已知矿物同位素体系中封闭温度最高的，因此锆石形成后能保持U-Th-Pb体系的封闭性(韩吟文等，2003、吴元保等，2004)，于是测定锆石中的232Th、238
U以及放射性成因的206Pb、206Pb、206Pb同位素含量，能获得精度极高的锆石表面年龄。 在U-Th-Pb体系中，天然U的同位素有238U、235U、234U，其中238U自然丰度99.275%；
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自然界中铅以204Pb、Pb、Pb、Pb四种同位素的存在，相对丰度分别为1.48%、23.6%、
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22.6%、52.3%，在的Pb的同位素中，除204Pb为非放射成因外，其他分别由238U、U、Th衰变产生；而天然钍几乎全由232Th组成。锆石U-Th-Pb体系定年中，基本都得测定现今的238
U、232Th以及根据206Pb、207Pb、208Pb同位素含量计算初始的238U、232Th的值。然而，锆石中现今的238U、232Th数据已经有大量的报道，而且涉及各种成因、各时代的锆石，因此本文选取湖南及少数周边地区已报道的锆石中现今的238U、232Th含量数据，讨论与之相关的锆石成因以及与获得的锆石U-Pb年龄之间的关系。
一 锆石矿物的基本特征
1.1、锆石的物理化学特性稳定
锆石一般在火成岩、变质岩、碎屑岩中作为副矿物而存在，具有分布广，含量较大，硬度大（7.5-8），封闭温度高（大于900 oC；Cherniak DJ，2001），容易分选，耐风化，稳定性强的特征；锆石中普通铅含量低，富含U、Th（w（U）、w（Th）可高达1%以上），离子扩散速率低（钟玉芳等，2006），能较好的保持U-Th-Pb体系的封闭性，其锆石中初始铅同位素的比值接近零（韩吟文等，2003）。
1.2、锆石矿物的标型性
锆石的晶体呈四方双锥状、柱状、板状，且在不同的岩石中表现出不同的形态。在酸性花岗岩，锆石的四方双锥和四方柱均较发育，晶体外形呈柱状，晶体内部震荡环带发育（图1 a）；在基性岩中，中性岩或偏基性的花岗岩中，锆石的柱面发育而锥面相对不发育，在辉长岩中，锆石的柱面上见清晰的分带现象（图1 b）；在碱性岩中，锆石的四方双锥很发育（赵珊茸等，2004）。单一成因的年轻岩浆锆石呈柱状、板状，晶面不同部位常具有不同的
阴极发光强度（刘建辉等，2011），碎屑锆石晶体长宽比接近，具有一定的磨圆特征（图1 c）。
图1 不同类型岩石中锆石的阴极发光图像特征
a：花岗岩锆石中发育的四方双锥及震荡环带；b:辉长岩中锆石呈长柱状及发育板面环带；c:碎屑岩中的锆石长宽基本差不多，
有一定的磨圆（伍皓等，2013）
1.3、锆石的成因
①岩浆成因的锆石，产于基性、偏基性及酸性的岩浆岩中。在酸性的花岗岩中，锆石作为U-Pb年龄的测定矿物得到广泛的应用，在基性辉长岩，玄武岩中的锆石也有作为测年矿物得到应用；②变质成因的锆石，在变质过程中重结晶形成增生边或在变质条件新生长形成，锆石核、边发育，而每一区域分别记录了锆石所经历的岩浆或变质的复杂历史（Corfu,2003）。③碎屑锆石，产于碎屑岩中，呈自形-半自形柱状或它形浑圆状，颗粒较小；但就单颗粒锆石而言，这类锆石的成因复杂，测定碎屑岩中锆石年龄，可以对获得的锆石年龄谱进行统计分析。
图2 不同类型岩浆岩锆石微量元素平均值球粒陨石标准化图（吴元保等，2004） 图3 壳源岩浆锆石（花岗岩）与幔源岩浆锆石（玄武岩）球粒陨石标准化稀土配分模式图(雷玮琰等，2013) 1.4、锆石的地球化学特征 锆石的氧化物组成中，w(ZrO2)占67.2%，w（SiO2）占32.8%，w（HfO2）占0.5%-2.0%，而P，Th，U，Y，REE常以微量组分的形式出现（钟玉芳等，2006）。在岩浆锆石中，微量元素含量从超基性岩、基性岩、花岗岩有总体上增长趋势（图2）；稀土元素从超基性岩，基性岩，花岗岩中的元素丰度也总体上升高。锆石的w（REE）在金伯利岩中一般低于50
×10-6，在碳酸盐岩和煌斑岩中可达600×10-～700×10-6，在基性岩中可达2000×10-6，而在花岗质岩石和伟晶岩中可高达百分之几（Belousova,2002,1998）,其稀土元素配分模式曲线呈左倾型（图3），由图3可知，在金伯利岩中稀土配分模式显示弱的Eu负异常或没有异常，重稀土部分平缓；在花岗岩中稀土配分模式显示强烈的Ce正异常和Eu负异常，且重稀土富集（雷玮琰等，2013），这种趋势反映了岩浆的分异程度。
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二 锆石中Th、U元素的含量特征
2.1、锆石中Th、U元素含量数据简介
本文分析了湖南及其少数周边地区利用SHRIMP、LA-ICP-MS获得的68个年龄数据，并对锆石中的U、Th含量及Th/U值进行了处理。本文主要讨论岩浆成因的锆石和碎屑锆石，它们源自于燕山期花岗岩、加里东期花岗、新元古代花岗岩、火山岩和碎屑岩中的副矿物。本次共计对1318组U、Th及 Th/U数据进行了讨论，其中燕山期花岗岩数据210组，占总数的15.9%；加里东期花岗岩数据211组，占总数的16.0%；新元古代花岗岩数据223组、占总数的16.9%；火山岩数据208组，占总数的15.8%；碎屑岩数据466组，占总数的35.4%，部分数据见表2。
2、Th、U元素及Th/U比值特征
燕山期花岗岩、加里东期花岗、新元古代花岗岩、火山岩和碎屑岩中锆石的U、Th含量数据在Th和U含量散点图、Th-Th/U散点图中的分布特征如图4、图5，部分U、Th含量特征数据见表1。其中：①燕山期花岗岩中锆石的U含量在65～8498×10，均值为845×10；Th含量在43～3880×10，均值为387×10；Th/U比值在0.08～1.5，均值为0.53，在Th-U散点图中的Th/U拟合值区间0.31～0.84（拟合值根据散点图中散点集中分布区域的边界计算得到）。②加里东期花岗岩中锆石的U含量在77～6571×10，均值为755×10；Th含量在34～5422×10，均值为383×10；Th/U比值在0.07～3.39，均值为0.58，在Th-U散点图中的Th/U拟合值区间0.25～0.88。③新元古代花岗岩中锆石的U含量在33～2492×10，均值为453×10；Th含量在21～1369×10，均值为185×10；Th/U比值在0.06～3.34，均值为0.67，在Th-U散点图中的Th/U拟合值区间0.06～0.71。④火山岩中锆石的U含量在43～6960×10，均值为595×10；Th含量在25～8994×10，均值为718×10；Th/U比值在0.03～3.76，均值为0.95，在Th-U散点图中的Th/U拟合值区间0.29～1.83。⑤碎屑岩中锆石的U含量在13～1109×10，均值为210×10；Th含量在7～1241×10，均值为159×10；Th/U比值在0.05～9.78，均值为0.89，在Th-U散点图中的Th/U拟合值区间0.28～1.79。
表1 锆石中Th、U含量及Th/U比值特征数据表
岩石类型 燕山期花岗岩 U（×10） 65～8498 845 755 453 595 210 -6-6
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Th（×10） 比值区间 0.08～1.5 0.07～3.39 0.06～3.34 0.03～3.76 0.05～9.78 43～3880 34～5422 21～1369 25～8994 7～1241 387 383 185 718 159 -6Th/U 平均值 0.53 0.58 0.67 0.95 0.89 拟合区间 0.31～0.84 0.25～0.88 0.06～0.71 0.29～1.83 0.28～1.79 含量区间 平均值 含量区间 平均值 加里东期花岗岩 77～6571 新元古代花岗岩 33～2492 火山岩 碎屑岩 43～6960 13～1109 图4 定年矿物锆石中的Th和U含量散点图
图例说明，锆石源自：1-燕山期花岗岩，2-加里东期花岗岩，3-新元古代花岗岩，4-火山岩，5-碎屑岩。本文中作图数据来源如下：1、燕山期花岗岩中锆石数据据朱金初等（2009），朱金初等（2005），马丽艳等（2006），左昌虎等（2014），陈迪等（2013）； 2、加里东期花岗岩中锆石数据据张文兰等（2011），沈渭洲等（2008），张菲菲等（2010），柏道远等（2014），陈迪等（未发表数据）； 3、新元古代花岗岩中锆石数据据柏道远等（2010），马铁球等（2009），陈志洪等（2009），钟玉芳等（2005），张菲菲等（2011），吴荣新等（2005）； 4、火山岩中锆石数据据刘勇等（2010），马铁球等（2012），崔玉荣等（2010），易立文等（2014），张德志等（2014），巫建华等（2014）； 5、碎屑锆石数据据张世红等（2008），尹崇玉等（2003），高林志等（2011），
杜秋定等（2013），谢士稳等（2009），伍皓等（2013），高林志等（2008），高林志等（2012）。
图5 定年矿物锆石中的Th-Th/U散点图
燕山期、加里东期花岗岩的U、Th含量较集中（图4a、b），Th/U比值边界清楚；燕山期花岗在Th-Th/U散点图中，投点较集中（图5a）,加里东期花岗岩显示随Th的增加Th/U有增加趋势（图5b）。新元古代花岗岩的Th、U含量交分散（图4c）,且Th含量较低，大部分低于200×10，且Th/U比值变化区间大，部分投点的边界拟合Th/U=2.69；在Th含量大
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