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科研快讯 为什么会有比地层年龄年轻的火山灰锆石和碎屑锆石?

发布日期: 2022-06-22 阅读次数:
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訾建威

中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室

1.地层的锆石年代学困惑

沉积地层火山灰夹层中的锆石是厘定沉积年龄、标定地质年代框架的“金钉子”。同时,沉积岩中的碎屑锆石U-Pb年代学在物源分析和构造地层对比研究中也得到广泛应用;而且,在缺乏其它有效手段时,用最年轻的碎屑锆石约束最大沉积年龄也早已成为地学研究中的日常。

然而,在实际工作中,事情往往没那么简单:火山灰锆石可能给出多组年龄,而碎屑锆石年龄结果有时候会与地层时代相悖,即锆石颗粒的最年轻年龄小于已知的地层时代。遇到这种情况,有人将看上去与地层时代不协调、难以解释的年轻锆石笼统地归咎于颗粒污染或铅丢失等,更有人在发表数据时直接将其忽略不计。据笔者与长期从事锆石年代学研究的国内外多位学者的私下交流,这种情况并不少见,甚至是相当普遍。

那么问题来了,未受高级变质作用影响的沉积岩含有小于地层年龄的碎屑锆石合理吗?

2.比地层年轻的火山灰锆石/碎屑锆石可以有

为了回答前述问题,笔者与西澳大学的合作者开展了一项针对性研究。样品来自澳大利亚Pilbara克拉通一个古元古代铁建造(Brockman Iron Formation),该铁建造属Hamersley群的组成部分,主要包括Dales Gorge和Joffre两个单元,夹有多层火山灰(图1)。样品为钻孔岩芯,来自钻孔Silvergrass和Mitchell-2(位置见图1)。选择这套地层主要因为其保存好、变质浅(葡萄石-绿纤石相至绿片岩相)(Rasmussen et al., 2020),而且其沉积年龄已经有许多高精度年代学数据,包括来自火山灰夹层本身及上覆和下伏层位的多重约束和验证(Barley et al., 197; Pickard, 2002; Trendall et al., 2004),因此边界条件清晰确凿,是适合本研究的理想目标。

图1. (A)研究区Pilbara克拉通地质简图和采样钻孔位置。(B)采样地层Brockman铁建造柱状图显示火山灰夹层(箭头所示)及相邻层位年代学约束(修改自Zi et al., 2022)

我们利用SHRIMP离子探针在岩石薄片中对火山灰锆石进行原位U-Pb年代学分析,有效地规避了颗粒污染问题。我们的分析结果显示,约20%的锆石分析点给出了协和的、但比地层沉积时代2.47 Ga年轻20-200 Ma的U-Pb年龄(图2),表明锆石的U-Pb体系受到了后期的重置。这也直接地证实了火山灰中的异常年轻锆石是真实存在。由是推之,沉积岩中含有比地层年轻的碎屑锆石也就不足为奇了。

 


图2. (A, B)火山灰锆石U-Pb协和图,绿色数据点的加权平均年龄t1代表火山灰锆石结晶年龄(即沉积年龄),黄色数据点为沉积后20-200 Ma(t2)受到热液活动重置的锆石,不协和的灰色数据点则指示t3时(下交点年龄)发生的Pb丢失;(C-E)显示所有年龄组的锆石具类似的Th/U比值,而锆石的Th+U含量与数据不协和度和207Pb/206Pb年龄呈明显相关性。(Zi et al., 2022)

3.异常年轻锆石的特征和形成机制

这类“异常年轻”的锆石在晶体形貌(自形)、内部结构(CL图像显示震荡环带)和Th/U比值(~0.5)等方面与一般岩浆锆石并无二致(图2,图3),因而无法利用这些常规特征进行区分。然而,利用电子探针(EPMA)进行元素含量和分布特征的详细分析显示,大多数锆石颗粒都受到了流体蚀变作用的影响,最明显的表现是Fe、Ca、Al、Y等元素含量的显著升高(图3)。热液流体沿着放射性损伤产生的微裂隙或高U环带渗入锆石晶体内部,带入上述非原生元素(尤其是Fe)成分的同时,也造成了放射成因Pb的析出,当Pb完全丢失时就导致锆石U-Pb时钟的重置。因此,我们可以得出结论:热液蚀变引起的Pb丢失是导致异常年轻锆石年龄的罪魁祸首。锆石U、Th含量与207Pb/206Pb年龄及数据协和度的相关性(图2)则暗示,锕系元素引起的放射性损伤使得含U-Th高的锆石相对更易发生Pb丢失和年龄重置。

图3. 火山灰锆石CL图像可见晶体内部振荡环带,而Fe、Ca、Y元素分布图则表明晶体内部沿高U环带和放射性损伤产生的裂隙在热液流体作用下发生蚀变和元素交换(Zi et al., 2022)。CL图像中的虚线圈表示SHRIMP分析点位,数字为207Pb/206Pb年龄(黄色数据代表发生了Pb丢失或年龄重置)。

事实上,虽然研究区的地层仅经受了很低级的区域变质作用,但岩相学观察显示,岩石在低温流体作用下发生了广泛的矿物交代。火山灰中的黑云母、角闪石和火山玻璃碎片被黑硬绿泥石和铁云母(Ferri-annite)交代,且在角闪石颗粒上发育有钠闪石增生边(图4)。另一方面,来自热液成因磷钇矿和独居石的年代学数据表明,火山灰锆石发生古老铅丢失(ancient Pb loss)的时间与区域低温流体活动的时限有很好的一致性(图5),为流体蚀变导致锆石Pb丢失和U-Pb年龄重启的解释提供了进一步的支持。

图4. 火山灰样品热液流体交代作用的岩相学证据(Zi et al., 2022)

图5. (A-B)火山灰锆石年龄分布图(基于满足协和度的数据);(C)中的磷钇矿来自下伏地层中的热液脉;(D)磷钇矿和独居石记录的古元古代区域流体活动历史(数据来源详见Zi et al., 2022)。WR和WWD分别代表上覆地层Woongarra rhyolites和Weeli Wolli dolerites/basalts (Barley et al., 1997; Trendall et al.,2004) 

4.用最年轻碎屑锆石年龄约束最大沉积年龄须谨慎

锆石U-Pb同位素体系因其封闭温度高、具双衰变系列可实现内部验证等特点在地质年代学研究中得到广泛应用。精度高且协和度好的锆石U-Pb年龄是同位素年代学的黄金标准。尤其沉积地层中火山灰锆石和最年轻的碎屑锆石常用于约束沉积年龄。然而,越来越多的证据表明,火山灰或碎屑岩中的锆石有时会得到异常年轻(即小于沉积时代)且协和的U-Pb年龄,给年代学数据的解释造成困扰,并极易导致错误的研究结论。

我们的上述研究表明,未遭受显著变质的沉积岩中的锆石,可以在低温流体作用下发生Pb丢失和U-Pb年龄的重启,从而产生晚于地层沉积时代的“异常年轻”锆石;受到热液蚀变重启的锆石晶体无法以常规的特征或标准(形貌、结构、Th/U比值等)与岩浆锆石区分,因而极具有迷惑性。但矿物化学分析和元素分布图能够提供有关热液蚀变的关键证据。

上述工作和认识对碎屑锆石研究具有重要启示:一方面,碎屑锆石中得到的晚于地层沉积年龄的数据可能是真实的,甚至可能具有特殊地质意义的(热液事件年龄),不必急于将其归因于矿物分选过程中的颗粒污染;另一方面,在地层年龄未知的情况下,用最年轻的碎屑锆石U-Pb年龄去约束最大沉积年龄时应格外谨慎,因为最年轻的锆石有可能形成于沉积后。


本文作者系中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室研究员,本文属作者认识与理解,相关问题交流可通过邮箱zijw@cug.edu.cn与本人联系。更多详情,请参考以下文献。


[1]  Zi, J.-W., Rasmussen, B., Muhling, J.R., Fletcher, I.R., 2022. In situ U-Pb and geochemical evidence for ancient Pb-loss during hydrothermal alteration producing apparent young concordant zircon dates in older tuffs. Geochim. Cosmochim. Acta 320, 324-338.

[2]  Rasmussen, B., Zi, J.-W., Muhling, J.R., Dunkley, D.J., Fischer, W.W., 2020. U-Pb dating of overpressure veins in late Archean shales reveals six episodes of Paleoproterozoic deformation and fluid flow in the Pilbara craton. Geology 48, 961-965.

[3]  Trendall, A.F., Compston, W., Nelson, D.R., De Laeter, J.R., Bennett, V.C., 2004. SHRIMP zircon ages constraining the depositional chronology of the Hamersley Group, Western Australia. Aust. J. Earth Sci. 51, 621-644.

[4]  Pickard, A.L., 2002. SHRIMP U–Pb zircon ages of tuffaceous mudrocks in the Brockman Iron Formation of the Hamersley Range, Western Australia. Aust. J. Earth Sci. 49, 491-507.

[5]  Barley, M.E., Pickard, A.L., Sylvester, P.J., 1997. Emplacement of a large igneous province as a possible cause of banded iron formation 2.45 billion years ago. Nature 385, 55-58.

 

 


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