中国典型岩石中锆石的阴极发光特征及其成因
一、岩浆岩
（一）花岗岩中的锆石
花岗岩类岩石是组成大陆地壳的主要岩石，花岗岩岩石学的研究对于大陆地壳性质、大地构造演化、大陆地壳生长及与花岗岩有关的成矿作用等科学问题的研究具有重要意义。锆石作为花岗岩中最重要的一种副矿物，其晶体形态、内部结构、微量元素、同位素等成因矿物学和地质年代学的研究在花岗岩的相关研究中具有非常重要的作用。
德兴斑岩铜矿床是中国东部最大的斑岩铜矿床和世界超大型斑岩铜矿床之一，其成矿斑岩为花岗闪长斑岩。德兴花岗闪长斑岩具有斑状结构，斑晶主要为斜长石、角闪石、黑云母、少量钾长石和石英。基质具有微粒－细粒结构，由斜长石、角闪石、石英和钾长石等组成。副矿物为磁铁矿、磷灰石、榍石、钛铁矿和锆石等。德兴花岗闪长斑岩中的锆石一般大小为200～400μm，晶体柱状、自形性好， 在阴极发光图像上，几乎每颗锆石都显示清晰的密集型韵律环带结构，部分锆石上还能看到明显的扇形分带，表明锆石是典型的岩浆结晶锆石。
德兴铜厂和富家钨两个花岗闪长斑岩中锆石的阴极发光图像
发育典型的较密集的韵律生长环带是花岗岩锆石的显著特征，也是具有标型意义的特征。花岗岩锆石的U、Th含量一般也较高，通常很少低于100ppm，Th/U比值一般都在0.1甚至0.4以上，这些都是岩浆结晶锆石的标型特征。部分锆石的核部可继承在岩浆通道中捕获的围岩老锆石核，其核部一般被外壳切穿或发生熔蚀、圆化，两者的阴极发光特征一般也有明显的差别，容易在阴极发光图像中识别，但一般无法在反射光或透射光下识别。
（二）基性－超基性岩中的锆石
蛇绿岩中辉长岩的锆石
蛇绿岩是一种大洋岩浆杂岩。它由底部的超镁铁质岩(可变量的方辉橄榄岩、二辉橄榄岩和纯橄岩，一般受到了蛇纹岩化)，中部的层状(或堆晶)和非层状(或均质)的辉长质岩石及最上部的主要是玄武岩的喷出岩组成。蛇绿岩中的镁铁质深成岩通常由层状、片理化的和均质的3类不同构造的辉长岩组成。层状辉长岩以其独特的层状构造为特征，有人也称之为“堆晶层状辉长岩”。层状辉长岩起源于岩浆分离结晶作用，其年龄反映了洋壳形成时代。
层状辉长岩：阴极发光图像显示，与花岗岩锆石明显不同的是，辉长岩锆石一般不发育韵律环带结构，大部分锆石发育补丁状结构(patch)，由发光性强弱不同的晶域组成，个别锆石似有环带结构，但环带较宽，还有个别锆石内部均匀，无明显的结构特征。
阴极发光研究揭示了扎河坝块状辉长岩中锆石具有复杂的内部结构。具有代表性的内部结构可以概括为:①平行条带结构，它由阴极发光强弱不同的晶域相间组成;②补丁状和模糊韵律环带结构;③清晰的韵律环带结构。第一和第二类结构是辉长岩中锆石的最常见的结构，第三类结构则是花岗岩浆锆石最特征的结构。此外，在许多锆石中，常见有强阴极发光(亮)的晶域，穿插至锆石的内部。扎河坝块状辉长岩中锆石的复杂的组成和内部结构，暗示了这一岩石的复杂演化过程。
下面是新疆某地蛇绿岩中辉长岩的锆石的阴极发光图像：
从阴极发光图像可以看到，这些锆石呈短柱状或近于等轴状，柱面不发育，阴极发光呈现斑块状，但仔细观察后可发现，这些锆石实际也具有扇状结构，并可见到岩浆结晶锆石所具有的韵律环带，只不过环带较宽。这是中基性岩浆岩中的典型锆石特征。
基性超基性岩中的锆石通常为短柱状或等轴状，柱面不发育，也有长柱状，大小通常大于100μm，阴极发光通常呈斑块状（布丁状），也可发育韵律生长环带，但与花岗岩的韵律环带相比，环带一般较宽，或者环带之间的衬度反差一般较小。也发育扇形分带结构。与花岗岩锆石相比，锆石的U、Th含量一般相对较低，通常为几十个ppm，因此Pb的含量就很少，这也是基性超基性岩锆石测年中的一个难点。
（三）碱性岩中的锆石
碱性岩的产出常与张性构造环境有关, 被认为是这种环境下的特征产物, 又因为它常产在深大断裂带内以及常与基性、超基性岩密切共生, 因此长期以来一直为岩石学家们所关注。
据锆石阴极发光图像的内部结构可看出,鸡街超基性碱性岩的锆石有两种：一是发育有规则的韵律环带的岩浆锆石;二是具有老核新壳的岩浆复合型锆石。复合型锆石的内部老核一般具有强发光，看不出环带结构锆石是什么，外部新壳的发光性相对较弱，并显示与纯岩浆锆石类似的韵律环带。
碱长石英正长岩中的锆石大小一般在100μm~500μm之间，自形，多为短柱状，部分锆石为大颗粒的碎块，背散射电子图像显示，锆石颗粒都发育有规则的韵律环带结构，部分锆石的衬度高亮，说明其U、Th等高原子序数的元素含量较高，个别应该可以达到百分含量级。局部可能由于高U或高Th使得锆石结构因退晶化而产生破坏，形成许多小孔洞，或充填了矿物包体。锆石没有显示老核新壳的结构，说明锆石是岩浆成因的。
碱长石英正长岩(SC1)锆石的背散射电子图像
上图是红格钠闪石花岗岩锆石的阴极发光图像。在锆石阴极发光图像上可以看到，锆石一般都发育韵律环带，环带通常较宽、不密集，不显示老核新壳的结构，基本上应该是同期地质作用的产物。
碱性岩中形成的锆石一般U、Th含量较高，个别可达百分含量级，这可能是碱性岩中锆石的一个重要标型特征。由于U、Th含量较高，导致锆石的阴极发光较弱，或者在背散射电子图像上显示高亮的衬度。锆石一般发育岩浆生长环带，但不是密集的韵律环带，U、Th含量高的晶域可能会产生退晶化（变生）现象，使锆石结构遭到破坏，产生许多小孔洞，或充填一些矿物包体。这些晶域往往可能会产生U、Th、Pb不同程度的丢失，是测年时应注意避开的部位。
（四）火山岩中的锆石
锆石巨晶一般分布在新生代火山岩区内的第三纪或第四纪的坡积物或洪积物中,少数可见其直接产在火山岩及其风化物中, 因而被认为与火山岩关系密切. 与锆石巨晶共生/伴生的其他巨晶矿物有辉石、橄榄石、石榴石、尖晶石、磁铁矿、钛铁矿及歪长石等.
锆石巨晶主要分布在新生代火山岩周围的古河床、沙滩及阶地中. 尽管到目前为止还未发现原生矿(点), 但由于锆石巨晶与蓝宝石及镁铝榴石、辉石等密切伴生, 而镁铝榴石和辉石等矿物在周围新生代火山岩中广泛出现. 因此, 锆石巨晶的出现与区内火山岩成因关系密切。火山岩岩石类型包括火山碎屑岩和火山熔岩两大类,其中熔岩根据其矿物组成和结构又可分为玻基辉橄岩、橄榄玄武岩、辉石橄榄玄武岩、安山玄武岩、辉橄及橄辉玄武岩以及少量的拉斑玄武岩.该区的火山岩普遍包含石榴石二辉橄榄岩、尖晶石二辉橄榄岩和石榴石单辉岩等地幔岩包体. 目前对该区的新生代火山岩及地幔包体有大量研究成果, 是中国东部新生代玄武岩研究程度较高的地区之一.。
锆石巨晶在光学显微镜下显示均匀结构, 但在阴极发光下大部分颗粒显示明显的韵律生长环带, 在彩色高分辨图像上更为清晰漂亮，环带比较密集，但衬度反差比花岗岩锆石的低，也可能正是由于反差较低，导致有时在低分辨阴极发光图像上看不出密集的环带而认为环带较宽或无环带，这是在研究基性-超基性岩锆石时应注意的一个问题。部分颗粒出现不规则核心, 在低分辨阴极发光图像上不出现环带结构。
山东昌乐、福建明溪和海南蓬莱的锆石巨晶阴极发光图像
山东昌乐、福建明溪和海南蓬莱的锆石巨晶彩色高分辨阴极发光图像
二、变质岩
在具有复杂演化历史的地区，锆石往往具有不同年龄区域组成的多期生长的内部结构.一方面锆石记录了相应岩石经历过的多期演化历史，同时它也给常规热电离质谱(TIMS)分析方法获得这种类型锆石的精准年龄及获得年龄的准确解释带来了困难.高分辨率的离子探针(SHRIMP)及激光等离子体质谱(LA-ICP-MS)可以对锆石进行微区定年，得到原岩年龄、变质增生部分年龄及源区残留锆石的年龄.这对于具有复杂组构锆石的定年有特别重要的意义.但是对于复杂变质岩而言，锆石年龄的合理解释还存在困难，特别是变质锆石对应于复杂演化历史的哪一个变质阶段还没有很好地解决. 早期人们通过变质成因锆石浑圆的外形及阴极发光图像缺少岩浆锆石韵律环带特征来识别变质锆石, 后来人们又进一步发现低 Th/U比也是变质锆石的主要特征。值得注意的是, 单凭 CL 图像很难确切区分高压变质新生锆石和变质重结晶锆石区域, 因为它们都不具有岩浆锆石特有的韵律环带结构, 又大都处在岩浆锆石核外围, 并被最外层退变质锆石边所包裹. 因而,在不能很好区分上述不同成因变质锆石的情况下, 所获得的变质锆石U-Pb 年龄仍然是一种混合年龄。
要获得确切的不同变质阶段的地质时代, 其重要前提条件是我们能正确的区分、判断不同锆石微区的成因, 以及该微区必须具有足够的宽度. 锆石的微量元素特征除与各个微量元素进入锆石晶格能力的强弱有关外，还与和锆石同时形成的特征矿物(如石榴石、长石等)有关，这些矿物存在与否直接对应岩石的变质条件(如榴辉岩相、麻粒岩相和角闪岩相等).同时，锆石的微区微量元素分析还可以和锆石的微区定年同时进行.阴极发光((CL)技术可以很好地揭示铅石的内部结构，在微区分析中可以使分析点位于单一成因锆石区域，在此基础上对不同区域的锆石进行微区微量元素和年龄测定，将会对得到的锆石年龄赋予更加合理的地质解释。
考虑到CL图像不能很好区分变质重结晶锆石和高压变质新生锆石，一些学者通过锆石微区微量元素的特征来研究所测微区的成因属性取得了较大的成功。因此，综合应用阴极发光(CL)图像、锆石矿物包裹体研究及微量元素测定, 可帮助我们准确判定变质锆石的成因，获得具有确切地质意义的年龄。
因此, 把锆石U-Pb年龄、内部结构化学组成和氧同位素相结合, 也是锆石年代学和地球化学研究的一个重要趋势。
不同类型的锆石具有不同的稀土总量及稀土配分模式.变质锆石的稀土总量低，变化范围小。原岩岩浆锆石的稀土总量高，且变化范围较大，为1231.7~3660.2 μg/g. 虽然关于锆石的稀土元素含量是否能指示岩石的类型存在争议，但已有的研究表明慢源岩石(如金伯利岩、正长岩、慢源碳酸岩等)中的锆石都有较低的稀土总量(
所有锆石的分析点都具有明显的Ce正异常和Eu负异常。锆石中Ce正异常是Ce4+优先进入锆石晶格的结果.由于长石强烈富集Eu,所以不同类型变质锆石中Eu负异常的存在被认为是锆石与长石平衡生长的结果. 我们分析的扇形和面形分带的变质锆石中都有明显的Eu负异常，表明这些变质锆石形成时同样伴有长石的形成.
所有分析点都具有轻稀土((LREE)亏损重稀土((HREE)富集的特征，但是不同类型锆石的重稀土富集程度不同.由于La和Pr的含量很低，而Ce有正异常，所以锆石的轻稀土亏损程度用(Nd/Yb)CN表示(CN代表球粒陨石标准化值)。
根据锆石形貌、CL 结构及获得的 U-Pb 年龄, 可得到如下认识: 浑圆、等轴状锆石是榴辉岩辉长质原岩岩浆锆石, 无核-边结构, 其不规则亮色区域和变化的 CL 振荡结构主要反映了它遭受不同程度的固相变质重结晶; 棱柱状锆石具有核-边结构, 核部的振荡环带已不很明显, 面积较大的边部无环带结构. 根据中、长棱柱状锆石主要是花岗质岩石中锆石特征, 非辉长质基性岩锆石常见类型, 以及在该区域有很高的 U, Th, Pb 含量, 可以认为棱柱状锆石的核部很可能是原岩结晶时捕获的同时代或稍早的花岗质岩石中的岩浆锆石.棱柱状锆石的边部是UHP 变质作用中形成的变质增生锆石. 变质增生锆石大面积地主要出现在棱柱状锆石边部, 少数也出现在等轴状锆石的边缘处。
年龄、化学组成和 CL 结构关系：测定点的年龄越大, Th, U含量就越高, Th/U 比也越大。
锆石中 CL 强度主要取决于 U 和 Th的含量。同一晶粒内凡是CL弱的暗色区域总比CL强的亮色区域有更高的U、Th含量. 锆石中产生CL辐射的物理化学机理目前不十分清楚. 最初有人曾观察到随微量元素 U, Th, Y, P, Hf, Ca等的增加，CL强度降低的现象, 后来天然和掺杂锆石晶体的研究又发现U和Ti能增强而不是减少CL辐射. 然而近来又认为CL强度和U, Hf 含量成反相关的关系, 和Th含量正相关, 这是因为它们具有不同的7f 电子充填构型. 新店榴辉岩的锆石分析结果尚不足以说明锆石中Th究竟是增强还是降低CL强度, 因为不存在Th高U低的锆石区域。可见U含量和CL强度反相关是确定无疑的. 如果这种关系具有普适性, 那么对于微区U-Pb分析有重要指示意义, 可以帮助我们根据CL图像确认锆石的哪些区域是富U或贫U的. 这对测定年轻/低U锆石样品时选择分析区域尤其有用.应该指出, 锆石U含量和CL的相关性还可能有另一种解释, 即这种相关性不是由U而是由另一微量元素引起的, 该微量元素和U同步变化.如有人认为对锆石CL 强度起主要作用的仅是三价稀土元素 Dy和 Tb, 而和其他稀土元素无关。
北大别百丈岩片麻岩样品(XD09)锆石的阴极发光图像
一般岩浆成因锆石具有较高的Th/U 比值, 通常高于0.4; 而变质锆石一般具有较低的Th/U 比值, 通常低于0.1。对于流体作用下形成的锆石, 一般会表现出较低的Th/U 比值(< 0.1), 造成低Th/U 比的原因是U 较Th有更高的溶解度, 易于进入流体中, 因此造成流体有较低的Th/U 比值. 而且Th 较U 更易进入褐帘石, 因此少量褐帘石的出现会造成流体中Th/U 比值的降低. 此外, Th4＋较U4＋的离子半径约大4%, 相对而言, 后者更易进入矿物晶格中, 也会造成锆石中Th/U 比值的降低。
小结：在阴极发光图像上，变质岩中的锆石，尤其是变质新生的锆石或增生的锆石晶域通常不显示环带结构，变质重结晶的锆石或晶域有时可能会残留了原来的锆石的部分环带，但一般比较模糊；但有时候变质条件下生长的锆石也可以出现环带，因此，仅凭阴极发光图像还不足以正确区分复杂变质岩中的变质新生/增生、变质重结晶及岩浆锆石；变质锆石的U、Th含量一般比较低，也比岩浆锆石低，岩浆锆石的Th/U比值一般大于0.1甚至0.4，而变质锆石的Th/U比值一般小于0.1，变质流体中形成的锆石Th/U比值一般更小，但有时也有例外，一般变质重结晶锆石的Th/U比值容易大于0.1，因为它继承了部分原有锆石的Th/U比值，而且变质重结晶程度越低，Th/U比值一般越高，可能形成一定的线性关系，所以用Th/U比值来判断岩浆锆石和变质锆石也需要慎重；变质锆石在生长时其微量元素一般与共生矿物达到平衡，所以通过对不同锆石晶域的微量元素详细分析有可能帮助我们区分不同晶域锆石生长的具体阶段；锆石生长时还可以捕获同时期的矿物包裹体，因此对不同锆石晶域的特征矿物包裹体的详细分析也可能帮助我们区分不同晶域锆石生长的具体阶段；此外，对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。所以锆石是什么，在复杂变质锆石的研究中，经常还需要借助其他手段如微区微量元素、矿物包裹体分析、氧同位素分析等的综合研究，才能帮助我们获得具有确切地质意义的年龄值。
三、沉积岩
根据沉积岩碎屑锆石年龄分布确定碎屑沉积岩物质来源、沉积时代和形成构造环境，具有其他方法不可替代的长处，已成为近年来国际上研究热点之一。其中，根据碎屑锆石的年龄分布和区域对比，从物源区角度探讨大地构造背景引起特别的注意.由于这一方法是以大量年龄数据的统计性研究为基础，而 SHRIMP或LA-ICP-MS法能快速提供大量高精度测年数据，特别是可对单颗锆石内部不同成因部分分别进行年龄测定，使其成为这一研究的必要方法和手段.而在对锆石进行测年前，对碎屑锆石群进行阴极发光即内部结构的详细分析、分类、比较是一项重要的准备工作，也为后续锆石年龄的解释提供必要的辅助证据和重要支持。
CL结构和组成特征表明它们来自岩浆岩物源区.U, Th含量和Th/U比值大的变化可能锆石表明来自不同类型母岩。
分析样品FH4采自防虎山组下部层位，距防虎山组的底界约70m。
FH4锆石群的内部结构比较复杂，从阴极发光图像（CL）、背散射电子图像（BSE）和透射光图像（TL）上（见图版），结合测年分析，至少可分为以下几种类型：
（1）锆石整个颗粒都没有明显的环带结构（如图版中的FH4-20锆石），发光较亮，有时外部有一层发光稍暗的较窄的边，一般认为这是典型的变质作用中新生的锆石或是完全重结晶的锆石，其内部结构与大别山高压－超高压带中榴辉岩或其它变质岩中的变质锆石相似。
（2）锆石具有核、幔、边或核、边结构（如图版中的FH4-14、FH4-45锆石），核的大小差别较大，可能与锆石的来源即原岩性质不同有关。核部通常可见有典型岩浆结晶锆石的韵律环带结构，为原岩锆石或继承性锆石核；幔部一般发光较亮，无明显的韵律环带或平直环带，有时隐约可见残留的一些平直条带，一般认为是变质增生的或是变质重结晶的锆石晶域；边部通常没有环带，发光亮度比幔部稍暗，可能是后期退变质的产物。
（3）、锆石内部保留有不同程度的环带结构（如图版中的FH4-22、FH4-24、FH4-30锆石），显示出受后期地质作用不同程度的改造结果，可能为残留的原岩锆石或继承性锆石。个别在阴极发光图像上外部有很窄的亮边。在这些锆石的包裹体中未发现有高压－超高压的矿物，只有磷灰石、普通白云母、石英、长石等。
（4）、锆石外形不规则，内部包裹体异常发育，有磷灰石、普通白云母、石英、长石等（如图版中的FH4-60），由于锆石内部裂隙较多，这些包裹体可能是原生的，也可能是次生的。测年时由于普通Pb含量太高而未能获得较好的结果。其外部常常还有一层较窄的、几乎不含包裹体的外壳，U、Th的含量较低，阴极发光较亮。推测可能内部的锆石是一期U、Th含量较高（在背散射电子图像上内部较亮）、年龄较老的锆石，发生了强烈的退晶质化，产生了裂隙，致使熔浆流体渗入而产生大量包裹体。不含包裹体的外壳则可能是后期地质作用下一次增生。
小结：沉积岩中碎屑锆石的一个显著特点是其外形常表现出浑圆化现象，如果浑圆化比较显著，则往往说明锆石经过较远的搬运磨蚀，即物源区离沉积岩比较远；如果锆石还保留比较明显的棱角，则说明锆石应该没有经过长距离的搬运，即物源区离沉积岩比较近。在利用沉积岩碎屑锆石年龄分布确定碎屑沉积岩物质来源、沉积时代和形成构造环境时，常需要对大量的锆石颗粒进行年龄测定以作统计性研究，由于沉积岩中的碎屑锆石往往来源复杂，因而在年龄测定之前，利用阴极发光对锆石进行内部结构分析、比较和初步分类是非常必要的，有助于确定锆石测年的位置和数量的分析策略，也可更好地解释所获得的年龄结果。
本书结论
本研究在国内首次提出、并实践了以阴极发光为核心的锆石电子探针的综合研究方法。该方法强调在对锆石阴极发光图像进行观察的同时，应充分利用电子探针的多项功能，进行背散射图像和微区主元素和微量元素成分的分析，以及矿物包裹体成分等电子探针综合研究方法，指出这是实现锆石矿物成因研究的最佳的基础手段。
本研究首次在我国建立并完善了真正实用的电子探针下的锆石阴极发光综合研究方法，包括实验室的单项分析技术、综合分析技术、样品制备和结果的解释等方法。并结合锆石矿物学问题进行了大量的分析研究实践，在历时最近的五年内完成了国内90%的急需，解决了大量的实际问题。
本项研究在对我国数以千计锆石的数万阴极发光图像观察的基础上，重点综合分析了我国十多个典型产状的锆石阴极发光图像的特征，初步探讨了它们在矿物成因、地质产状以及微量元素地球化学等研究中的意义。这是目前国内最广泛的锆石阴极发光图谱的资料性记录，为今后的深入研究奠定了重要的基础。
本项研究在综合分析国内外资料的基础上，对锆石阴极发光图像的众多成因特征进行了最为系统完善的论述，提出了对锆石成因有判断指示意义的标型特征，为锆石的阴极发光图像的判读提供更好的依据，为锆石U-Pb年龄分析和年龄解释和锆石矿物学的研究提供了更好的基础。
根据我们近一两年的研究结果，我们深深地感到锆石阴极发光的研究有以下几个方面的重要意义：
1、本报告提出的锆石阴极发光的综合研究是一切有关锆石问题研究的基石，没有这一最为基础的研究，其他研究、分析测试都将遇到困难；
2、阴极发光综合研究在锆石的同位素U-Pb年龄的测定方面，有着举足轻重的重要作用；几乎所有的锆石必须进行阴极发光的综合分析后，才能进行离子探针分析；无数的实例已说明，没有锆石的阴极发光研究，锆石测年往往不仅浪费了大量的人力物力，甚至还得不到一个真正的年龄数据；
3、锆石阴极发光的研究对于各类岩石的成因研究具有独特的重要作用，提供许多其他方法不能提供的信息；
4、锆石阴极发光的研究在追溯沉积物的来源和研究沉积盆地的地质演化方面要比其他任何矿物提供更丰富的信息；
5、锆石阴极发光在研究花岗岩的演化，区分花岗岩的类型方面具有独特的作用；
6、锆石阴极发光也是研究各类变质岩的成因特点，了解变质岩的演化过程的极为重要的途径；
7、锆石的阴极发光等标型特征，是金刚石等某些矿产找矿的重要指示矿物；在普查找矿中应是一个有效的手段；
综上所述，本方法具有电子探针分析的许多优点，如微区微量、简便快速、可同时获得多种信息、不损坏样品且费用较低等，阴极发光技术和电子探针其他分析技术的结合，使这种方法具有得天独厚的优势，是一个分析研究锆石等矿物的内部结构、微区成份的分布特点及其成因的最佳方法；这对于我国当前正在开展之中的锆石SHRIMP微区测年分析研究和许多重大的地质年代学问题的深入研究，将具有不可估量的重大意义。
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