0 引言

锆石化学成分为ZrSiO₄，属四方晶系，岛状硅酸盐类，其颜色为玫瑰色、紫色、黄色，或近于无色，金刚光泽。锆石是岩浆岩、变质岩、沉积岩和月岩中最重要的副矿物，由于它具有稳定性和广在性等优势，受到了地质科学的青睐，被广泛用于U-Pb同位素定年及岩石成因和岩石圈演化研究^[1]。

随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术(SEM，CL，BSE)和高分辨率的微区原位测试技术(SHRIMP，LA-ICP-MS)的发展和广泛应用，锆石微区原位的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点^[1-3]。为了确定锆石的成因属性，许多地质学家已从锆石特殊的形态着手，进行锆石形态定量研究。锆石U-Pb法是目前应用最广泛的同位素地质年代学方法。锆石的化学成分、Hf和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化等研究，对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追溯地球早期历史的有效工具^[4-7]。本文尝试论述锆石学研究在地质科学中的应用等相关问题及其进展。

1 锆石的形态及其描述方法

锆石属于四方体心格子结构，规则而多变的晶面组合特征使其成为一个典型的形态标型矿物。锆石的形态由理论上最可能出现的晶面{100}、{110}、{211}和{101}四种单形任意组合而成^[8]，天然锆石的形态基本上是由上述四种单形任意组合而成的。锆石晶体最常发育的基本单形是四方柱和四方双锥及复四方双锥。由于四方柱为开形，四方双锥和复四方双锥为闭形，而锥面面网位于柱面面网不封闭的方向，因此，柱面的任意发育也不可能对锥面产生封闭，相反，锥面的发育则有可能对柱面产生封闭。所以在锆石晶体的生长过程中，如果柱面的生长速度较锥面慢，则形成柱状或长柱状晶体；相反，则形成短柱状或双锥状晶体；而不同方向的柱面之间或锥面之间随生长速度不同呈互为消长的关系。

研究表明，锆石晶体大小取决于初始岩浆的Zr含量，而它的晶型是由晶体内部结构和结晶时的物理化学条件所决定的^[9]。锆石的基本形态特征可以揭示它在岩石中的历史，并据此合理地解释所得到的年龄值，故锆石形态学研究备受学者的关注。对锆石形态研究经历了定性到半定量，最后发展到定量描述的过程。不少学者在大量的锆石形态的统计和归纳的基础上，建立一种有效的锆石形态的鉴定方法，确定锆石群的形态演化规律。目前，具有代表性的方法有Pupin提出的半定量描述法^[7]和Matsuura等人提出的定量描述法^[10]。汪相提出了锆石的柱面指数、锥面指数和延长指数3个锆石形态的基本要素，用于定量地描述任何锆石晶体的相对形态，以及进行相应的统计分析^[11]。该定量方法不仅适用于锆石的外部形态的描述，而且也适用于定向切面上反映出来的锆石内部形态的研究，从而可以揭示出锆石生长的动力学过程。

在锆石样品挑选过程中应注意以下基本认识^[12]：

一般认为细长柱状的锆石为岩浆结晶锆石，多数为具直线生长纹的自形晶体，它所形成的年龄代表成岩时间；而具较多的暗色包体、浑圆形的生长纹和浑圆形内核的晶体，通常认为是变质重结晶锆石。对于高级变质岩中的锆石，其形态学特征与成因及年龄之间的关系相当复杂。一般而言，锆石晶体的颜色愈深，其铀、铅含量愈高，形成的时代相对老一些；反之，无色透明的自形晶体，其铀、铅的含量也相对较低，形成的时代相对偏新一些。此外，锆石晶体的颜色与其结晶时的酸碱程度也有一定的联系，偏酸性岩石中的锆石一般为无色透明或带程度不同的黄色；而偏基性岩石中的锆石晶体颜色更丰富一些，除了无色透明的外，还经常见到肉红色、玫瑰色等色调的晶体。

对锆石除进行形态学研究外，通过阴极发光(CL)、背散射电子图像(BSE)技术^[13]可以详细研究锆石的内部结构，可揭示出锆石的成因和复杂发展史。岩浆锆石一般具有特征的岩浆振荡环带，岩浆锆石中还可能出现扇形分带的结构，部分地幔岩石中的锆石表现出无分带或弱分带的特征，在岩浆锆石中往往有继承锆石的残留核。至于变质锆石的内部结构，情况更为复杂，可以无分带或弱分带，或者具有特征的、多样化的分带^[14]。

2 锆石U-Pb同位素年代学

由于锆石物理、化学性质稳定，并且普通铅含量低，富含U、Th，离子扩散速率很低，封闭温度高(Tc>800 ℃) ^[15]，这些特征使锆石成为U-Pb定年的最理想对象。此外由于锆石在多种类型的岩石中普遍存在，锆石样品容易分选，因此锆石U-Pb法一直是地质学者讨论地质事件时间的最常用的方法。目前颗粒锆石微区定年方法主要有单颗粒微量热电离质谱法(TIMS)、单颗粒锆石蒸发法、离子探针质谱法(SHRIMP)、激光等离子体质谱法以及电子探针化学矿物法。

2.1 离子探针质谱法

高灵敏离子探针质谱法(SHRIMP)是目前国外测定锆石U-Pb年龄的最高水平，分辨率可达20~ 30μm，且快速、简便，可在较短的时间内提供精度达1%~2%的U/ Pb和²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb值。此法最大优点在于可以对单颗粒锆石原位微区定年，使得锆石年代学发生革命性变化，它揭示出复杂的锆石内部年龄信息，是目前确定复杂锆石年龄的最主要手段^[16]。该方法也存在一些不足之处：(1)测试精度(1%~2%)不及单颗粒微量锆石热电离质谱法(TIMS)；(2)分析成本高，严重阻碍该方法广泛使用。

2.2 激光等离子体质谱法

20世纪90年代初期，激光等离子体质谱(LAICP-MS)定年方法开始用于前寒武纪锆石的原位²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb同位素定年，并获得了足够的精度^[17]。近年来，随着激光剥蚀技术的发展和ICP-MS仪器测试精度的提高，使得激光等离子体质谱(LAICPMS)定年方法广泛应用于各种锆石U-Pb同位素定年。该方法因为其成本低，测试速度快，适用于大量样品的分析(例如碎屑锆石)，得到了快速发展。但是该方法也存在一些缺点：(1)剥蚀、传输、电离过程中存在Pb和U的分馏效应，而且对这种分馏效应产生的机理还存在争论；(2)由于同质量的Hg元素影响，难以测定²⁰⁴Pb含量，不能有效地进行普通铅的校正^[4]。

3 锆石微量元素、稀土元素特征及其应用

在组成锆石的氧化物中，ZrO₂占67.2 %，SiO₂占32.8 %，HfO₂占0.5 %~2.0 %，P、Th、U、Y、REE常以微量组分的形式出现。由于Y、Th、U、Nb、Ta等元素的离子半径大、价态高，使得它们不能包含在许多硅酸盐造岩矿物中，趋向于在残余熔体中富集，而锆石的晶体结构可广泛容纳不同比例的稀土元素，因此锆石成为岩石中U、Th、Hf、REE的主要寄主矿物^[18]。稀土元素和一些微量元素是限定源岩性质和形成过程最重要的指示剂之一，锆石中的离子扩散慢，因此锆石中的稀土元素分析结果可为它们的形成过程提供重要的地球化学信息。

另外，Th/U比值可用来区分不同成因的锆石。岩浆锆石的Th、U含量较高，Th/U比值较大；变质锆石的Th、U含量低，Th/U比值小。岩浆锆石Th/U比一般大于0.4，而变质成因的锆石Th/U一般低于0.1^[19]。但不能仅仅根据锆石的Th/U比值来区分变质锆石和岩浆锆石，一些岩浆锆石具有非常低的Th/U比值^[20]，变质增生锆石中也存在Th/U比值高达0.7的情况^[21]。因此，使用这个判别标准要慎重。

变质锆石与岩浆锆石相比，前者HREE相对LREE的富集程度变化较大。岩浆锆石具有明显的负Eu异常，形成于有熔体出现的变质锆石具有与岩浆锆石类似的特征：富U、Y、Hf、P；REE配分模式陡；正Ce异常、负Eu异常^[22]。Belousova等^[22]的研究结果表明，锆石中的稀土元素丰度对源岩的类型和结晶条件很敏感。从超基性岩→基性岩→花岗岩，锆石中的稀土元素丰度总体升高。锆石的REE含量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^-6~700×10^-6，在基性岩中可达2 000×10^-6，而在花岗质岩石和伟晶岩中可高达百分之几。这种趋势反映了岩浆的分异程度。

4 锆石同位素的地质应用 4.1 锆石的Lu-Hf同位素

锆石一般具有很高的Hf含量(HfO₂≈1%)和很低的Lu/Hf比值(¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf ≤0.01)，由¹⁷⁶Lu衰变形成的¹⁷⁶Hf比例非常低，加上锆石化学性质稳定，即使经历了麻粒岩相等高级变质作用也能很好地保留初始Hf同位素组成，锆石的Hf同位素组成基本上代表了锆石结晶时的初始的同位素组成，适合于岩石成因、地壳生长和壳幔作用等问题的研究^[23]。LuHf和Sm-Nd同位素体系在壳-幔分异和岩浆形成演化过程中通常有非常相似的行为，但是Lu-Hf同位素具有比Sm-Nd同位素测试快速，不易受变质作用的扰动等优点，具有更好的发展前景^[3]。

早期Lu-Hf同位素采用化学分离、热电离质谱(TIMS)的分析方法^[24]。为了得到足够的Hf，需要将大量锆石混合测试，限制了Lu-Hf同位素技术的应用。SHRIMP和LAM-MC-ICPMS(多接收等离子体质谱)等技术的产生，能够在单颗粒锆石上进行原位、高精度的Hf同位素分析，并且能够在同一颗锆石上获得U-Pb年龄^[25,26]。这样能够同时获得岩石的年龄和物质来源等信息。

4.2 锆石的氧同位素

由于地壳物质与地幔物质的氧同位素组成存在差异，因此氧同位素是研究壳幔相互作用的有效工具。高温下锆石和岩浆的同位素分馏很小，锆石的氧同位素组成基本上反映了锆石形成时岩浆的氧同位素特征，锆石的氧同位素不像其他矿物那样易受高温变质、热液蚀变而发生变化，即使岩石经历了麻粒岩相的变质作用，岩浆锆石也能在干的岩石中保留岩浆氧同位素的初始比值，因此锆石中氧同位素研究可以为了解其原始岩浆是来自地幔还是经历过壳幔循环提供有用信息^[27]。

正常地幔的δ(¹⁸O)约为5 ‰，源于地幔的岩石表现出接近该值的、均一的氧同位素比值。在高温条件下锆石与正常地幔岩石达到平衡时的δ(¹⁸O)=(5.3±0.3)‰。幔源岩浆分异出的火成岩结晶的锆石δ(¹⁸O)接近正常地幔的δ(¹⁸O)。通过锆石氧同位素分析，可以判断结晶出锆石的岩浆是直接来自地幔还是来自经过地壳循环的物质。如果岩浆的氧同位素比值低于正常地幔值，通常认为岩浆的产生是与发生了热液蚀变的地壳岩石有关，这些岩石可能是洋壳岩石与高温海水或者陆壳岩石与大气降水发生了高温热液蚀变的结果。但如果岩浆锆石的δ(¹⁸O)明显高于正常值，则说明岩浆来源于曾经历低温水-岩交换的岩石的部分熔融或岩浆在形成过程中有表壳物质的加入^[28]。

对锆石同时进行U-Pb年龄和氧同位素组成测定，就能把氧同位素组成特征和某阶段年龄相联系，对有复杂地质历史的岩石成因环境进行示踪。将锆石的氧同位素与U-Pb年龄原位测定相结合是同位素地球化学研究的重要发展趋势之一。

5 结语

综上所述，锆石是地质研究中一种强有力的工具，通过对它的形态学研究、微区原位定年及Lu-Hf同位素和氧同位素研究，可以讨论其母岩的成因及重要的地质事件成因和演化。此外，根据沉积岩碎屑锆石年龄分布确定碎屑沉积岩物质来源、沉积时代和形成的构造环境，也已成为国际上研究热点之一^[29]。因此，在科研和生产工作中掌握和应用锆石学的研究原理和工作方法，关注这一科学领域的进展具有重要意义。

致谢: 中国地质大学地学实验中心王瑜教授对本文提出了十分宝贵的修改意见，在此表示诚挚的谢意。