榍石U—Pb年龄及地质意义研究简述

王世龙

【摘 要】目前，同位素年龄的分析方法很多，最常用的是副矿物U-Pb定年方法。锆石、独居石等副矿物具有较高U含量和U-Pb体系封闭温度，及较低普遍Pb含量而成为U-Pb定年的首选对象。然而，近年来随着副矿物U-Pb定年研究的不断深入，有关锆石U-Pb定年在各类岩石中的应用的研究不胜枚举，加之锆石、独居石物理化学性质极其稳定，形成后不易受外界及后期地质事件影响，通常难以用于确定中低温变质岩及热液成因岩石的地质年代。另外，有些岩石中不含锆石、独居石等副矿物。榍石是酸性、中性和碱性岩浆岩，低到中高级变质岩及少数沉积岩中常见的副矿物。榍石中的U可以类质同象替代Ca进入矿物晶格，具有较高的U含量（10～100ppm），并具有较高的U-Pb体系封闭温度（650～700℃），是理想的U-Pb定年矿物。

【关键词】同位素年代学；榍石；U-Pb年龄

榍石[CaTiSiO5]是岩浆岩及变质岩中分布最广泛的一种放射性副矿物（B.R.多伊）。维诺格拉多夫等（1952）最先证明榍石能够用于测定年龄。蒂尔顿等（1955）也很早就证明榍石在U-Th-Pb法测定的正常丰度范围内。前人对于对于榍石U-Pb年龄在各类岩石中的应用已有较为深入的研究。本文通过总结前人的研究成果，进一步深化榍石U-Pb定年在同位素年代学研究中的重要作用。同时，为相关从业人员提供理论依据。

岩石或矿物的同位素地质年龄是指它们从水溶液或岩浆熔融体中沉淀、凝固、结晶或重结晶时期起，其中的母体和子体同位素保持着封闭的化学体系所经历的时间。当岩石、矿物冷凝，结晶或重结晶石放射性元素以某种形式进入矿物或岩石中，这种与周围环境隔离的放射性元素不断衰变，同时衰变的稳定产物子体同位素不断地积累，这样，只要能准确地测定现在矿物或岩石中母体与子体同位素含量，就可以根据放射衰变定律计算岩石或矿物地年龄。原则上任何一对半衰期能与地球年龄相比拟的母体和子体同位素都可用来进行地质体年龄测定。但实际上被用来进行地质年龄测定的仅限于几种同位素，238U-206Pb和235U-207Pb就是其中的两种[1]。

副矿物是岩石中含量低于0.1%的矿物，如锆石、独居石、钛铁矿、金红石、磷灰石等。在地质和地质年代学研究中经常涉及一些元素，如U， Th， Pb， Ti， Nb， V 和Ta 等赋存在这些矿物里，因而这些副矿物在许多地质过程中作为一种重要的示踪剂，且锕系元素、Pb和稀土元素在他们中扩散缓慢，所以副矿物能够长时间记录寄主岩石的地质历史[2]。

U-Th-Pb法是最先用来测定地质年龄的一种方法，阿斯顿（1929）首次用质谱仪测定了铅同位素的丰度[3，4]。近10年来，副矿物的年代学研究取得了巨大的发展。副矿物的U-Th-Pb 年龄测定成为地质学中的热点问题。榍石（CaTiSiO5）是酸性、中性和碱性火成岩中常见的副矿物，并广泛发育于各类型变质岩，热液成因岩石及少量沉积岩中。榍石中U可类质同象替代Ca进入矿物晶格，因而具有较高的U含量（10-100ppm），并具有相对高的U-Pb 体系封闭温度（650-700℃），适合作为U-Pb定年对象。

与锆石、独居石不同的是，作为Ca-Ti 硅酸盐，榍石主要组成元素为Ti， Ca， Si， O， 易与其他矿物、流体、熔体发生反应，从而可记录多期变质事件的年龄信息，更有利于查明地质体的P-T-t 轨迹。榍石U-Pb定年的优点在于：火成岩中较少含有继承成因的古老榍石，可揭示初始岩浆的冷却时代；在变质岩中，榍石U-Pb体系可纪录多期生长事件。不同颜色和颗粒大小的榍石，往往能获得不一致的U-Pb 年龄。这些年龄信息，可以为研究变质岩及热液活动历史提供重要的时间依据[5]。随着分析技术的进步，高灵敏度和空间分辨率新型仪器的出现是原位微区同位素分析成为可能，如激光电感耦合等离子体质谱（LA-ICPMS）。

榍石在变质岩中的分布极为广泛，这意味着榍石是热液作用、高级变质岩中变质变形事件定年的有价值的计时器。向华，张利，钟增球等（2007）在前人研究的基础上得出榍石颗粒内部存在明显的不均一现象。针对这种情况，发展原位微区榍石U-Pb定年技术已成为必然。利用SHRIMPH和LA-ICP-MS方法对榍石原位微区U-Pb定年已取得成功[6]。例如：C.D.Storey， M.P.Smith， T.E.Jeffries等（2007）对位于瑞典Norrbotten的变质火山岩利用LA-ICP-MS进行U-Pb定年，得出在复杂榍石颗粒中的地质历史纪录。对榍石颗粒研究显示出其复杂的内部结构，榍石环带在Luossavaara记录的U-Pb年龄为1870±24Ma，在含氧化铁的磷灰石包体中的U-Pb年龄为1826±15Ma[7]。

同年，Ian S. Buick et al（2007）在Limpopo Belt（South Africa）中心区域，研究亚固相线热液蚀变的时代。得出：古元古代麻粒岩相变质作用是叠加在早期太古代造山运动历史之上的。早前，从高温计时器（锆石、石榴石、独居石）中获得的～2030-2020Ma的年龄通常被认为是对中心区域古元古代麻粒岩相变质作用峰值最好的估算。然而，来自晚期熔融层的年龄（～2006Ma）表明还有一个延长期，温度保持在湿固相线以上。鉴于此，提供一个新的榍石的MC-ICP-MS 207Pb-206Pb年龄2030.9±1.5Ma。而高晓英，郑永飞（对大别造山带双河地区超高压花岗片麻岩中的榍石进行了详细岩相学、微量元素组成和U-Pb定年的测定，发现榍石中具有岩浆残留的核及其变质增生边。LA-ICPMS原位微区的U-Pb年龄给出新元古代岩浆年龄为689±21Ma，变质年龄为216±4Ma[8]。

榍石在片麻岩中的年龄也是学者们研究的热点之一。Yuri Amelin测得Isua地区片麻岩中榍石结晶年龄为3601±15Ma[9]。John N.Aleinikoff 等（2001）研究了美国新英格兰Glastonbury杂岩体花岗闪长片麻岩中的榍石。他们将所研究的榍石分为两类：一类为自形、棕色，另一类为半自形-它形、无色或浅色。棕色榍石为继承的岩浆榍石，具低的Al3+/Fe3+（约1～2）比值，高U含量、高Th/U比值，U-Pb年龄为444±7Ma；无色或浅色榍石为变质榍石，Al3+/Fe3+比值高（4左右）、U含量低、Th/U比值也低，U-Pb年龄为264±10Ma[10]。Fernando Corfu（1996）研究了太古代片麻岩中榍石的多阶段生长，来自同一地点的英云闪长岩和闪长岩产出的锆石和榍石年龄分别为：2704±2和2705±5Ma。两个时代的榍石同时出现在英云闪长岩和花岗岩中，早期榍石反映了2704Ma的深成变质事件，晚期榍石指示了后变质时期（2627-2650Ma）的结晶事件[11]。

通过以上研究综述，榍石的U-Pb定年在岩石学、矿物学研究中发挥着举足轻重的作用。多颗矿物的整体分析已经满足不了人们的需求，发展原位微区榍石U-Pb定年技术已成为必然。LA-ICP-MS方法对榍石原位微区U-Pb定年已取得成功。地质学家对榍石在片麻岩、麻粒岩及其他变质火成岩中的U-Pb年龄做了详细的研究，取得许多科学成果。但榍石U-Pb定年仍然存在很多问题，如LA-ICPMS U-Pb定年分析过程中基体效应的问题一直没有达到共识。在一定的仪器条件下，激光剥蚀和传输过程中的元素分馏会影响副矿物LA-ICPMS U-Pb定年[5]。随着分析技术的发展和对同位素U-Pb定年研究的不断深入，这些问题终将得以解决。

【参考文献】

[1]范嗣昆，伍勤生.同位素地质年龄测定[M].1973.

[2]钟玉芳，马昌前，等.含U副矿物的地质年代学研究综述[J].地球科学进展，2007，22：1259-1265.

[3]Aston， F.W. The constitution of ordinary lead[J]. Nature，1927，224，120.

[4]Aston， F.W， ：Mass spectrum of uranium lead and the atomic weight of protactinium，1929，313：123.

[5]孙金凤，杨进辉，等.榍石原位微区LA-ICPMS U-Pb年龄测定[J].科学通报， 2012，18：1603-1615.

[6]向华，张利，钟增球，等.榍石：U-Pb定年及变质P-T-t轨迹的建立[J].地球科学进展，2007，22：1259-1265.

[7]C.D.Story， M.P.Smith， T.E.Jeffries. In situ LA-ICP-MS U-Pb dating of metavolcanics of Norrbotten，Sweden：Records of extended geological histories in complex titanite grains[J].Chemical Geology，2007，24，0163-181.

[8]高晓英，郑永飞.大别造山带超高压变质花岗岩中多成因榍石的生长-来自岩相学、地球化学及年代学的制约[J].矿物岩石地球化学通报，2011（30）：16.

[9]Yuri Amelin. Sm–Nd and U–Pb systematics of single titanite grains. Chemical Geology [J].2009，261：53-61.

[10]John N.Aleinikoff， Robert P.Wintsch，C.Mark Fanning et. U-Pb geochronology of zircon and polygenetic titanite from the Glastonbury Complex，Connecticut，USA：an integrated SEM，EMPA，TIMS，and SHRIMP study[J]. Chemical Geology，2002，188 ：125-147.

[11]Fernando Corfu. Multistage zircon and titanite growth and inheritance in an Archean gneiss complex， Winnipeg River Subprovince， Ontario[J]. Earth and Planetary Science Letters1996，141：175-186.

[责任编辑：王伟平]