2021, Vol. 37
2. 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering, Beijing 102249, China
锆石是U-Th-Pb以及Lu-Hf等元素重要的赋存矿物，耐高温、耐熔和抗风化的良好稳定性令微量元素在锆石中的扩散和丢失速率很低，因而常被作为重要的化学探针，用于研究岩浆的喷发时代与演化过程。金伯利岩等幔源岩石中的部分锆石具有较大(毫米到厘米级)的粒径且来源于地幔，因而又被称为地幔锆石巨晶。长期以来，它们被用于确定金伯利质岩浆的喷发时代和岩石圈地幔的同位素组成特征(Griffin et al., 1999；Spetsius et al., 2002；Sun et al., 2014；Agashev et al., 2020)。由于超基性岩浆的硅不饱和性不利于锆石的生长，金伯利岩中的锆石像金刚石一样少见(含量≤1g/t；Kresten et al., 1975)。
近年在南非(Kinny et al., 1989；Griffin et al., 2000)、加拿大(Zartman and Richardson, 2005)、澳大利亚(Berryman et al., 1998)等地的金伯利岩中陆续发现了具有太古宙-元古宙时代的锆石巨晶，它们的年龄明显老于寄主金伯利岩的喷发时代。这说明，一些金伯利岩中存在非单一地幔来源的锆石种类，即还存在古老锆石巨晶。由于古老锆石巨晶与能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶在肉眼下并没有明显的差别，这可能导致锆石U-Pb定年结果被错误解读，从而对金伯利岩定年造成一定困扰。因此，系统地对比古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶的特征，确定出一套有效的区分手段是十分有必要的。
本次研究以西伯利亚雅库特地区几个喷发时代已知的金伯利岩中的四颗古老锆石巨晶为研究对象，进行了CL图像、U-Pb年龄、微量元素和Hf同位素的分析，讨论这些古老锆石巨晶的可能来源。同时，统计了其它克拉通金伯利岩中的古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶，从形态学、微量元素、U、Th含量和Hf-O同位素等方面讨论它们之间的差别，从而能够区分确定金伯利岩年龄的和古老的锆石巨晶的有效方法。
1 区域地质背景与样品描述 1.1 区域地质背景西伯利亚克拉通面积大约4×106 km2，南起贝加尔湖(Baikal Lake)，北至拉普捷夫海(Laptev)，东至俄库斯科海(Okhotsk)，西至叶尼塞河(Yenisey)。西伯利亚克拉通是世界上稳定的克拉通之一，雅库特(Yakutia)金伯利岩省(图 1中红色虚线区域)位于西伯利亚克拉通的东北部，大小为1100km×800km。该地区共有25个金伯利岩区(其中Ukukit区有东西两部分)，分别发育有数量不等的共计1050个金伯利岩管(Spetsius，2004)，是世界上著名的金刚石产区之一(图 1)。西伯利亚克拉通基底岩石出露较少，只在南部的Aldan和北部的Anabar地盾中有所出露，发育有3.0~3.6Ga的麻粒岩和片麻岩，其在1.8~2.0Ga发生混合岩化(Jackson et al., 2004; Nutman et al., 1992)。根据这两个地区的研究资料，该克拉通在1.8Ga年左右发生克拉通化而趋于稳定(Rosen et al., 2005)。
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图 1 西伯利亚克拉通地质简图(据Griffin et al., 1999修改) Fig. 1 Overview map of the Siberian craton, showing the locations of kimberlite fields(modified after Griffin et al., 1999) |
本次研究的四颗锆石巨晶分别来自于雅库特金伯利岩省中的Kuranah金伯利岩区的Markiza岩管(1粒)、Beriginde金伯利岩区的Gorelaya岩管(1粒)和Luchakan金伯利岩区的Luchakan岩管(2粒)。我们前期对雅库特金伯利岩中钙钛矿(Sun et al., 2014)和锆石巨晶的U-Pb定年工作(Sun et al., 2018)显示，Kuranah、Beriginde和Luchakan金伯利岩区的金伯利岩的年龄分别为~220Ma、~160Ma和~220Ma。
四颗锆石巨晶颗粒最大的为Mar-3，粒径近1mm(不完整的颗粒)；最小的为78-1450-2，粒径约0.5mm(不完整的颗粒)。锆石巨晶内部结构可以分为以下几种类型(图 2)：1)无环带结构，如Mar-3；2)具有清晰的振荡环带结构，如78-1461-2；3)核边结构，这些锆石巨晶颗粒相对较小，晶型不完整，如78-1450-1和78-1450-2。
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图 2 雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶CL图像 Fig. 2 CL images of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite |
利用193nm ArF准分子激光剥蚀系统和Agilent 7500a型四极杆电感耦合等离子质谱仪(Q-ICP-MS)完成锆石U-Pb定年和微量元素测试，具体操作方法见Xie et al.(2008)。实验过程中采用NIST 610作为微量元素含量外标，锆石91500作为U-Pb同位素比值外标，锆石Plesovice作为未知样品的数据质量监控标来进行分析。分析过程中我们没有对有核锆石的结晶核进行分析。激光束斑为120μm，频率为8Hz，激光能量密度为15J/cm2。每测定5个样品点测定一组标样。数据处理采用GLITTER程序，年龄计算时以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正。Plesovice测定的206Pb/238U加权平均年龄为334±2Ma，与文献推荐值(337±1Ma；Sláma et al., 2008)在误差范围内一致。各元素浓度的计算采用GEMOC开发的GLITTER 4.0软件，以NIST SRM 610作外标，以29Si为内标，各元素的测试精度在10%以内。
2.2 Hf同位素锆石激光Lu-Hf同位素测试利用Coherent GeoLasPro 193nm ArF准分子激光剥蚀系统和美国Thermo Fisher公司生产的Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)联机完成。Hf同位素的测试需要在锆石LA-ICPMS U-Pb定年测试完成后进行。详细分析流程见Wu et al.(2006)，这里仅作简要描述如下：分析采用静态信号采集模式，背景采集时间30s，积分时间为0.131s，采集200组数据，总计约30s。激光束斑直径为80μm，剥蚀速率为8Hz，激光能量密度为15J/cm2。分析采用的杯结构为：172Yb、173Yb、175Lu、176(Hf+Yb+Lu)、177Hf、178Hf、179Hf、180Hf和182W。176Hf有两个同质异位素176Lu和176Yb，其中176Lu对176Hf的干扰采用175Lu/176Lu = 0.02655进行校正，并假设Lu的分馏与Hf的分馏情形相同。176Yb对176Hf的干扰采用实测Yb的分馏系数，并假设176Yb/172Yb=0.5887。实际测定过程中，每颗锆石进行10个单点分析，以锆石GJ-1和锆石Plesovice作为双重外部标样在单颗粒锆石前后各分析一次，监测仪器的漂移。测试结果表明，标准锆石GJ-1和Plesovice的176Hf/177Hf同位素比值分别为0.282009±25(2SD，N=72)和0.282478±21(2SD，N=54)，与推荐值(0.282000±25(Morel et al., 2008)；0.282482±13(Sláma et al., 2008))在误差范围内一致。
本文所有实验都在中国科学院地质与地球物理研究所LA-ICPMS实验室完成。
3 测试结果 3.1 微量元素特征四颗锆石巨晶的稀土元素配分曲线见图 3，分析数据见表 1。它们都表现出明显的Eu负异常(图 3)和较高的稀土总量。锆石颗粒Mar-3具有相对较低的U(16.83×10-6)、Th(9.49×10-6)含量，Th/U比值为0.56；其余三颗锆石巨晶具有相对较高的U(103.2×10-6~112.7×10-6)、Th(33.91~67.90×10-6)含量，Th/U比值介于0.32~0.66之间(表 1)。
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表 1 雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶的微量元素含量(×10-6) Table 1 Trace element compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (×10-6) |
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图 3 雅库特金伯利岩古老锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图解(标准化值据Sun and McDonough, 1989) 图中淡黄色、浅粉色和虚线区域分别代表西伯利亚雅库特地区金伯利岩中的细粒锆石(Kostrovitsky et al., 2016)、Udachnaya麻粒岩包体中的锆石(Koreshkova et al., 2009)和地幔锆石(即能够确定金伯利岩年龄的锆石，Sun et al., 2018) Fig. 3 Chondrite-normalized rare earth element patterns of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
四颗锆石巨晶具有前寒武纪的U-Pb同位素年龄(1.8~1.9Ga，表 2和图 4)。这一年龄与它们对应的金伯利岩区或金伯利岩管的其它锆石巨晶年龄都不同，远大于雅库特地区最早的金伯利岩喷发时代。来自Kuranakh金伯利岩区Markiza岩管的Mar-3锆石巨晶207Pb/206Pb加权平均年龄为1819±7Ma(图 4a)，与同一岩管的另外两颗锆石巨晶年龄(220.3±2.9Ma、223.6±3.4Ma；Sun et al., 2018)不同；Beriginde金伯利岩区Gorelaya岩管的78-1461-2锆石巨晶207Pb/206Pb加权平均年龄为1912±6Ma(图 4b)，超出该岩管的其它锆石巨晶年龄范围(159.2~160.9Ma；Sun et al., 2018)；Luchakan金伯利岩区的78-1450-1和75-1450-2两粒锆石巨晶207Pb/206Pb加权平均年龄分别为1965±12Ma和1925±8Ma(图 4c，d)，早于这一地区的其它锆石巨晶年龄(222.2~225.4Ma；Sun et al., 2018)。
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表 2 西伯利亚雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶的U-Pb同位素组成 Table 2 U-Pb isotopic compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite, Siberia |
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图 4 雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 U-Pb concordia diagrams for four old zircon megacrysts from Yakutia Kimberlite |
四颗锆石巨晶的Hf同位素数据见表 3。它们由具有较多放射性成因的Hf同位素组成，176Hf/177Hf同位素比值集中在0.281375~0.281668，εHf(t)值分别为-8.9、-6.3、1.1和3.7。Mar-3和78-1461具有负的εHf(t)值，其余两颗来自同一岩管的锆石巨晶具有正的εHf(t)值(图 5)。四颗锆石巨晶具有较老的tDM年龄(2.1~2.5Ga)。
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表 3 西伯利亚雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶的Hf同位素组成 Table 3 Hf isotopic compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite, Siberia |
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图 5 雅库特金伯利岩中古老锆石Hf同位素组成 亏损地幔和球粒陨石演化线吴福元等，2007；图例同图 3 Fig. 5 Initial Hf isotopic compositions of four old zircon megacrysts from Yakutia kimberlite plotted over their ages |
花岗岩等硅饱和的岩石中锆石的颗粒大小一般在200μm左右，而金伯利岩中的锆石可以分为细粒锆石和巨晶锆石。细粒锆石颗粒较完整，粒径一般小于200μm。金伯利岩中的巨晶锆石一般是不完整的锆石颗粒，粒径在毫米到厘米级别，其完整的颗粒粒径可能更大。西伯利亚雅库特地区金伯利岩中的锆石按照形态学、微量元素、年代学和同位素特征可以分为细粒锆石、能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶和古老的锆石巨晶。前人研究表明细粒锆石颗粒一般是金伯利岩上升时从地壳中捕获的，具有多期次的年龄(Kostrovitsky et al., 2016)；能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶来源于岩石圈地幔或软流圈地幔(Griffin et al., 2000；Sun et al., 2018)；那么，雅库特金伯利岩中的古老锆石巨晶是来源于哪里呢？
很明显，本次研究中的四颗古老锆石巨晶的U-Pb年龄不能代表寄主金伯利岩的年龄。这些年龄集中在1.8~1.9Ga左右的古老锆石巨晶，受到160~220Ma寄主金伯利岩喷发事件的影响较小。古老的锆石巨晶在其它地区的金伯利岩中也有发现，这些古老的锆石巨晶通常具有两个共同特点：(1)大多数具有负的εHf(t)值，如Kaapvaal克拉通的Jwaneng古老锆石巨晶(2.1~2.7Ga)，其εHf(t)值范围为-3.4~-5.4(Griffin et al., 2000)；虽然本次研究中有两颗锆石巨晶的εHf(t)为正值，但另外两颗锆石巨晶εHf(t)值为-8.9~-6.3。(2)具有明显的Eu负异常和较高的重稀土(HREE)含量，这与雅库特地区金伯利岩中的细粒锆石和Udachnaya麻粒岩包体中锆石的特征十分相似(图 3)，暗示它们的源区存在壳源组分。因此，对于金伯利岩中古老锆石巨晶或许可以解释为地壳来源或在壳幔相互作用过程中形成的。Valley et al.(1998)也将Jwaneng前寒武纪锆石巨晶较低的δ18O值解释为太古宙俯冲洋壳与海水之间的水岩反应，暗示着Jwaneng的古老锆石巨晶可能是洋壳与地幔相互作用的结果。虽然粒径如此大的锆石巨晶在地壳中不常见，但国际锆石标样91500(加拿大Ontario)，单颗粒重达为238g，就是世界上最大的地壳锆石之一(Wiedenbeck et al., 1995；Horn et al., 2000；Wu et al., 2006)。1.8~1.9Ga是西伯利亚克拉通拼合、地壳生长和碱性/碳酸岩广泛发育的时期(Kostrovitsky et al., 2016)，因此雅库特地区这些古老的锆石巨晶很有可能在这一事件中形成，并保持着U-Pb体系封闭状态，而后又被金伯利岩携带至地表。
4.2 如何区分金伯利岩中不同来源的锆石巨晶金伯利岩中能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶形成后，其U-Pb体系在高温的地幔中是处于开放状态的，寄主金伯利岩浆的喷发使锆石巨晶的U-Pb体系封闭(Kinny et al., 1989；Sun et al., 2018)。因此，这些锆石巨晶一直是金伯利岩定年的重要矿物之一。然而，金伯利岩中古老锆石巨晶的存在，让我们不得不讨论如何区分金伯利岩中不同来源的锆石巨晶，有效地将能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶挑选出来用于准确的金伯利岩定年。我们统计了多个地区金伯利岩中锆石巨晶，对CL图像、微量元素、Hf和O同位素等特征分别进行了讨论。
4.2.1 CL图像特征CL图像可以显示锆石的形态学特征。能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶按照内部结构可以分为以下几种类型：无环带结构、轻微/弱环带结构、清晰的振荡环带结构，其中大多数为无环带结构和轻微/弱环带结构。而绝大多数古老的锆石巨晶具有核边结构或明显的振荡环带，只有少数显示出无环带的特征(如Mar-3)。因此，如果在CL图像中可以清晰地看到锆石巨晶具有核边结构，则该锆石巨晶更有可能是古老的，不能用于金伯利岩年龄的确定。而如果表现出其它形态学上的特征则需要进一步的确认。
4.2.2 Th、U含量和微量元素特征Th、U含量和微量元素特征一直是判断锆石来源的重要指标。从我们统计的数据来看，绝大多数能够确定金伯利岩年龄的锆石的U和Th含量均小于100×10-6，一般在10×10-6左右(图 6)，具有较低的稀土元素总量(∑REE含量＜200×10-6)(Kinny et al., 1989；Schärer et al., 1997；Berryman et al., 1998；Griffin et al., 2000；Peltonen and Mänttäri，2001；Spetsius et al., 2002；Zartman and Richardson, 2005；McInnes et al., 2009；Robles-Cruz et al., 2012)。也有少数能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶U或Th含量大于100×10-6(Griffin et al., 2000；Robles-Cruz et al., 2012；Sun et al., 2018)，而古老锆石巨晶的U、Th含量和稀土元素总量具有较大的变化范围，从图 6中可以看到有很多古老锆石巨晶的U、Th含量也落在了地幔锆石区域中。在稀土元素配分曲线上(图 3)，西伯利亚雅库特金伯利岩中的两种锆石巨晶也有一定的重合，古老锆石巨晶具有相对较高的轻稀土含量。Th/U比值也常被用来区分不同来源的锆石，但从图 6中可以看出，能够确定金伯利岩年龄的锆石、古老锆石和和花岗岩中的锆石的Th/U比值并没有较大的区别。因此，U，Th含量、Th/U比值和稀土元素总量都不能很好地区分能够确定金伯利岩年龄的锆石和古老锆石巨晶。
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图 6 雅库特金伯利岩中古老锆石巨晶的U-Th关系图(据Konzett et al., 1998修改) 图中投点的锆石巨晶均为具有古老年龄的锆石巨晶，数据据：Koala North，Sable，NWT，Canada(Zartman and Richardson, 2005); Jwaneng，Botswana，Timber Creek，Canada(Griffin et al., 2000); Lahtojoki，Finland(Peltonen and Mänttäri, 2001). 其他图例同图 3 Fig. 6 U vs. Th contents in ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (modified after Konzett et al., 1998) |
Eu的异常可以反映锆石母岩浆源区是否有长石等矿物的分异，进而反映锆石的来源。能够确定金伯利岩年龄的锆石主要来源于岩石圈地幔，一般不具有Eu的异常，统计的近200颗地幔锆石巨晶中，约80%的锆石巨晶Eu/Eu*值在1.3~0.8之间。古老锆石巨晶主要在地壳或壳幔相互作用过程中形成，常表现出强烈的Eu负异常，Eu/Eu*值＜0.6。但统计结果也显示有少量能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶表现出强烈的Eu负异常，其Eu/Eu*值低至0.24。因此，锆石的Eu异常虽然有潜力区分出古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石，但仍需结合其它特征进行综合判断。
4.2.3 Hf-O同位素特征我们统计了近300颗金伯利岩中能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶Hf同位素组成，其中有大约80%具有正的εHf(t)值，但也存在约60多颗锆石巨晶具有负的εHf(t)值，如南非克拉通Orapa金伯利岩中存在大量的U-Pb年龄为90Ma的锆石巨晶，其εHf(t)值可低至-16左右。与之相反，统计的47颗古老的锆石巨晶有45颗具有负的εHf(t)值。在本次研究中有两颗古老锆石巨晶εHf(t)值为正(表 3)。所以εHf(t)值不能绝对地将能够确定金伯利岩年龄的和古老锆石巨晶进行有效的区分。但我们发现，它们在tDM值上表现出较大的差异，能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶tDM一般也较为年轻(＜1.8Ga)，而古老锆石巨晶的tDM则一般大于2.0Ga。因此，tDM在区分锆石巨晶上表现出一定的潜力。
已有的数据显示(图 7)，能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶具有地幔的氧同位素特征(4.7‰~5.9‰；Valley et al., 1998, 2003；Page et al., 2007；Siebel et al., 2009；Li et al., 2010)，如西伯利亚金伯利岩中能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶δ18O的平均值为5.3±0.2‰(Valley et al., 1998；Page et al., 2007)，在地幔δ18O值范围内(5.3±0.3‰；Valley et al., 2003)，暗示着这些锆石巨晶来源于岩石圈地幔或软流圈(Valley et al., 1998)。虽然古老锆石巨晶的氧同位素分析数据有限，但仅有的几个氧同位素分析结果显示古老锆石巨晶的δ18O值远离地幔值，暗示着O同位素可能可以用来区分古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶。
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图 7 锆石巨晶氧同位素组成(据Page et al., 2007; Valley et al., 1998修改) 数据来源：中国蓬莱引自Li et al.(2010)；Western Eger rift引自Siebel et al.(2009) Fig. 7 Oxygen isotopic compositions of zircon megacrysts (modified after Page et al., 2007; Valley et al., 1998) |
(1) 西伯利亚雅库特金伯利岩中具有前寒武纪时代的锆石巨晶，无论在Hf同位素还是微量元素特征上都与能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶明显不同。它们是寄主岩浆在上升过程中捕获的地壳来源或壳幔相互作用过程中形成的锆石。这四颗前寒武纪锆石巨晶的U-Pb年龄在1.8~1.9Ga左右，可能是在西伯利亚克拉通拼合、地壳生长和碱性/碳酸岩广泛发育的时期形成的。
(2) 通过统计和对比了来自多个克拉通金伯利岩中古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶的形态学、微量元素、U、Th及微量元素含量和Hf-O同位素特征，可以看出金伯利岩中的古老锆石巨晶在tDM年龄和O同位素组成上与能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶具有明显的差别。相比于金伯利岩中的能够确定金伯利岩年龄锆石巨晶，古老的锆石巨晶可能具有核边结构、常具有δEu的负异常、高的U、Th含量、负的εHf(t)值、古老的tDM年龄以及地幔氧同位素范围之外的O同位素组成，这些参数在未来的研究中可以用来区分金伯利岩中古老锆石巨晶和能够确定金伯利岩年龄的锆石巨晶。
致谢 感谢三位匿名审稿人对本文提出的宝贵意见。读者如需要电子版附件数据可向作者索取。
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