研究亮点

李琳琳、石玉若等-Lithos：斜锆石、锆石和磷灰石U-Pb定年研究：以华北克拉通元古宙基性岩墙群为例

来源:地调局地质所作者:李琳琳，石玉若，科技处发布时间:2022-03-09

　　基性岩墙是研究和探讨地球深部动力学和超大陆循环的重要物质载体，精确限定其形成时代是探讨构造演化的前提，也是地学研究的一个难点问题。近些年，随着微区原位同位素分析方法的引入和大量应用，针对含U副矿物的微区原位U-Pb定年在基性岩墙年代学研究中发挥着越来越重要的作用。但已知的定年方法各有其局限性：斜锆石（ZrO2）和锆石（ZrSiO4）两者仍因分选困难和复杂多解的同位素组成而使用受限，磷灰石[Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)]却因其较低的U含量和较高的普通铅而未广泛地投入应用。如何获得理想的U-Pb定年精度是值得深入探讨的问题。

　　华北克拉通普遍发育大规模基性岩墙群，其形成时代主要集中在1.8-1.6 Ga、1.4-1.1 Ga 和1.0-0.8 Ga三个阶段。中国地质科学院地质研究所石玉若研究团队针对以上三期岩墙中代表性样品中的斜锆石、锆石和磷灰石开展系统的SHRIMP/LA-Q-ICP-MS U-Pb定年和面扫描分析，以揭示三者在基性岩墙中的结晶规律及其年龄的内在含义，并探讨如何在现有分析技术基础上进一步提高U-Pb定年精度。取得的主要认识如下：

　　（1）斜锆石的SHRIMP 207Pb/206Pb年龄可有效限定元古宙基性岩墙岩浆房或岩浆通道的结晶时代。斜锆石在基性岩中为岩浆原生成因，结晶于岩浆演化的早-中期，其207Pb/206Pb比值不确定度与普通铅含量Pbc呈正相关，与U含量呈负相关（图1a）。斜锆石的边部、裂隙及包裹体发育处往往由于具有很高的普通铅含量（图1b~c）而影响其年龄精度及准确度。因此，进行SHRIMP U-Pb定年时，需要采用较大的一次流强度（可激发出较多的二次离子）和较小的束斑（避开富集普通铅的部位）来提高分析精度。

图1. a-I-II，斜锆石中Pbc和U与207Pb/206Pb比值不确定度的二元相关图解，其中红色代表被剔除的数据点；b-I~III，被剔除数据点的CL和BSE图像；c-I~II，代表性斜锆石CL、BSE及面扫描图像。

　　（2）岩浆锆石可在一定程度上限定元古宙基性岩墙的侵位时代，但需预先判定其成因来源并评估蜕晶质化对其U-Pb同位素体系的影响。岩浆锆石结晶于基性岩浆演化晚期富集U和Th的残余熔体，常发生蜕晶质化（表现为高的Dα），当蜕晶质锆石的Dα与206Pb/238U年龄呈正相关时，其207Pb/206Pb年龄往往具有较高精度并可有效限定元古宙基性岩墙的侵位时代（图2a~b）。这一相关性可归因于锆石中的Pb优先聚集在蜕晶质化强烈的区域（图2c~d），而该区域在SIMS分析过程中往往具有更高的激发效率；更多情况下，蜕晶质锆石会遭受铅丢失的影响，此类锆石中的U和Pb的分布呈相反的趋势（图2e）。即便在低温风化过程，强烈蜕晶质的锆石也可能因流体改造而发生铅丢失。

图2. a~b，岩浆锆石的Dα-206Pb/238U年龄和Dα-207Pb/206Pb年龄二元相关图；c~e，锆石中U和Pb的浓度（半定量分析）剖面。

　　（3）磷灰石对于限定元古宙基性岩墙侵位时代具有巨大潜力，针对富U部位的微区原位分析是获得高精度年龄的关键。基性岩墙中磷灰石的结晶贯穿基性岩墙整个岩浆活动期，其Tera-Wasserburg上交点年龄与斜锆石/岩浆锆石的年龄在误差范围内一致。磷灰石年龄不确定度主要受其U含量和放射成因铅在全铅中的占比（206Pb*/206PbT）影响（负相关，图3a）。U和Pb的分布在磷灰石中表现出由核部到边部逐渐增加的趋势（图3b），其中高U区域的206Pb*/206PbT和238U/206PbT相对于低U区域均较高（图3c），因此高U区域是提高磷灰石年龄精度的关键潜力区，应成为未来定年研究的重中之重。

图3. a-I~II，磷灰石的U含量和206Pb*/206PbT比值与年龄不确定度的二元相关图；b，代表性磷灰石的CL图像和U-Pb面扫描图像；c-I~II，U-206Pb*/206PbT和U-238U/206PbT二元相关图。

　　本研究为提高基性岩中斜锆石和锆石的年龄精度提供了切实可行的方法建议，并发掘出磷灰石在基性岩年代学研究中的潜力，为快速、精确限定基性岩墙群的形成时代进而探讨其构造意义提供了重要的技术保障。

　　研究成果近期发表在国际SCI期刊Lithos上：Li, L., Shi, Y., Anderson, J. L., Ubide, T., Nemchin, A. A., Caulfield, J., Wang, X.-C., Zhao, J.-X. 2021. Dating mafic magmatism by integrating baddeleyite, zircon and apatite U–Pb geochronology: A case study of Proterozoic mafic dykes/sills in the North China Craton. Lithos, 380, 105820）。李琳琳博士为第一作者，石玉若研究员为通讯作者。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105820