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锆石等测年矿物的电子探针 锆石等测年矿物的电子探针 及阴极射线致发光综合研究新方法 及阴极射线致发光综合研究新方法 （周剑雄供稿 zjx） 锆石、独居石、磷钇矿、磷灰石、褐帘石、钍石和沥青铀矿等是各种岩浆岩、 变质岩、以及沉积岩中常见的副矿物，由于这些副矿物富含有放射性元素 U、Th， 是 U-Pb 同位素测年方法中的主要测量对象。多年来利用这些副矿物，其中特别 是锆石和独居石，测得了大量的 U-Pb 同位素年龄数据, 提供了地史中各个地质 时期的地层或热-构造事件的地质年代信息。但随着研究工作的深入，发现许多 样品中的锆石群常各具有不同时代和不同成因， 甚至在一个锆石晶体的核部和边 缘，其年龄和成因都可能不同。传统的微量锆石 U－Pb 法可能给出混合的地质年 代信息，即使应用单颗粒锆石测年，其数据的地质意义也可能具有多解性。目前 国内外已越来越多地利用高灵敏高分辨离子探针（SHRIMP）或激光等离子体质谱 法（LP-ICPMS/LAM-ICPMS）直接测量锆石内不同部位 20-30μm 微区的 U-Pb 年龄， 研究微区内痕量元素的分布， 以期更深入的研究这些矿物中所包含的地质年龄和 地球化学的信息。但是，由于这些分析方法所需要的样品必须是厚样品，很难进 行透射光下的显微镜观察，无法获得矿物颗粒内部的有用信息。而事实上，由于 这些矿物所经历的地质历史较长， 各种地质作用都有可能在其结构中留下特定的 痕迹，因此，观察、了解这些矿物内部不同部位的微区成分和结构变化特点对于 矿物的发生、发展史的追溯及至年龄测量微区的选择有着非常重要的意义。基于 这种认识，通过对大量锆石的研究，我们发展了一套使用电子探针及阴极射线致 发光技术对锆石等测年矿物进行综合研究的新方法， 为解决这一问题提供了最好 的途径。 在电子探针中，当一束高能电子束 即阴极射线 轰击样品时，入射电子与 物质作用后， 经过一个或多个过渡态自发地衰减到基态， 同时激发能量将以 X 射 线、二次电子、背散射电子和俄歇电子、红外-紫外光以及可见光子等形式释放 出来，其中的可见光子部分的发光即我们通常研究所用的阴极射线致发光。 阴极射线致发光的发生是由于物质中有杂质元素的存在或晶体结构中如位 错、空位和偏离化学计量比、结晶体中的无序、晶格破坏（如α衰变）等缺陷的 存在。锆石等矿物中常含有多种杂质元素和其它一些结构缺陷，因而通常具有较 81 好的阴极发光。由于阴极发光的差异取决于矿物中的痕量元素的种类及含量，而 痕量元素的地球化学特点恰恰表现在对地质环境变化的灵敏性上。因此，换句话 说，阴极发光图象可以灵敏地反映矿物中痕量元素的变化特点，进而反映地质环 境的变化。通过阴极发光图象的分析研究，在多数情况下可以初步了解锆石等矿 物的发生、发展史。此外，由于在锆石等矿物的阴极发光图象上可以见到环带等 使用其它方法不易见到的一些现象，当它同电子探针的其它传统分析方法相结 合，并使用同位素和微区化学成分研究时，就能揭示出在锆石在地质历史中的结 晶过程或重结晶过程中的温度改变，冷却速率、流体或熔融物析出的细节，以及 溶解和重熔等现象，为我们了解和研究锆石的发生、发展史及其母岩的形成演化 历史乃至大地构造单元岩浆活动、 变质作用和构造演化等地质问题提供极为有用 的丰富的信息Hanchar-J-M;Rudnick-R-L,1995，Hayward-Chris-L，1998。使 锆石成为一个可以“阅读”的名副其实的地质历史的“存储器” 。 阴极射线致发光的研究可通过光学显微镜、扫描电镜或电子探针等仪器来实现。 光学显微镜的分辨率没有扫描电镜好，也不能够从微小的区域上获得阴极发光的 光谱学的数据，所获信息较为有限。扫描电镜因本身没有附带光学显微镜的功能， 元素分析和图象分析也具有一定的局限性。在电子探针下研究阴极射线致发光的 优势是不仅具有较高的分辨率，有可能从小到 1μm2的区域上进行锆石及其各种 包体的观察和光谱测量，还能在理想的条件下，分析测量主要元素和低至ppm级 的杂质元素的含量，以分析其发光的可能原因。同时还可以把阴极射线致发光的 图象观察与透射光或反射光图象观察、背散射电子图象观察相结合，不仅有助于 阴极射线致发光现象的解释和应用，还可以获得更多有关晶体的发生和生长的历 史的信息。 矿物阴极射线致发光的图象分析是电子探针中一项非常规的分析技术， 目前 在国内尚未引起足够的注意。我们曾在二十多年前进行过一些探索，最近又在新 型的 JXA-8800R 电子探针上配备了新一代的阴极射线致发光探测器附件，并已 对许多具有阴极发光特性的矿物，如锆石、独居石、锡石、白钨矿、石英、方解 石等这些具有重要研究意义的矿物进行了初步研究， 初步建立起了锆石等测年矿 物的电子探针及阴极射线致发光的研究新方法（周剑雄，2001） 。 本方法的核心就是在电子探针下对锆石、独居石等矿物进行阴极射线致发光 图象分析为主的观察研究，同时结合电子探针下的二次电子图象、背散射电子成 82 分图象、背散射电子平面图象、X 射线图象、X 射线能谱分析、电子探针痕量分 析技术、以及必要时结合激光拉曼光谱分析及激光 ICP-MASS 技术对这些矿物 进行综合分析研究，以全面地了解其矿物学和地球化学的发展历史及其地质背 景。在对锆石进行测年分析前，这些研究可以为我们正确选择测年的方法，特别 是在锆石的SHRIMP或激光ICP-MS微区测年中选择合适的测年位置提供必要的 帮助和指导，而在获得同位素年龄数据后，也需要用这些研究所获得的认识来对 年龄结果进行合理的解释。 分析前的样品制备是获得理想结果的至关重要的一个环节。对一个完整的研 究而言，原始岩石光薄片中的锆石可能更有利于锆石成因和产状的查明，但由于 锆石的稀少，多数情况下主要应在人工重砂锆石颗粒矿物上进行分析研究。这时 必须注意以下一些的制备要点首先要对锆石颗粒进行必要的双目镜下预观察， 并进行初步的分类；随后按类别制备成大小合适的高质量的光薄片或光片，通常 把每个样品的锆石颗粒集中置于 26mm 区域内，以便于电子探针下观察和分析 研究；由于锆石的硬度较大，使用普通的磨片技术常常很难获得合格的表面，必 须使用较好的研磨材料和使用精细的抛光技术，才能获得光洁的锆石表面，这是 进行阴极致发光研究的重要前提。 以下我们结合几个分析实例说明本方法的主要特点 1. 从图 1、2、3 的几个电子探针下锆石的阴极发光（CL）图象和背散射电 子（BSE）图象中我们可以看到，阴极射线致发光图象的确能揭示出用其 它方法很难获得的锆石内部的结构特点，较好地揭示锆石生长的多期次 性，以使我们通过追溯锆石的成因历史来确定地质事件的发展历史。这 是电子探针下阴极发光和背散射电子图象等综合分析方法的最大优势所 在。初步分析认为，图 1 中的锆石自形程度较好且具有规则的韵律生长 环带，是一颗典型的岩浆结晶锆石；图 2 中的锆石的生长应该至少具有 两个期次，其中心是一颗自形很好的{211}型锆石晶核，它可能是其寄主 岩浆在深部岩浆房中就开始结晶的锆石，是一种在高温条件下平衡结晶 作用的产物（汪湘，2001） ，外带具浑圆形，可能是后期变质增生的产物， 微区测年工作正在安排之中，具体的锆石地球化学、结晶学及其成因将 另文讨论；图 3 是一颗产自大别山碧溪岭深色榴辉岩中的锆石，其内核 部分的 SHRIMP 年龄值为 657Ma，应该代表该锆石的形成年龄，外环部分 83 年龄为 219Ma， 可能代表某个后期的流体活动对早期锆石的改造作用的年 龄（程裕淇等，2000） 。 图 1、典型的锆石的阴极发光图象 图 1、典型的锆石的阴极发光图象 该锆石具有规则韵律生长环带，是一颗典型的岩浆结晶锆石。 图 2、锆石的阴极发光图象a和背散射图象b 图 2、锆石的阴极发光图象a和背散射图象b 该锆石可明显分出三个生长阶段，中心为自形很好的岩浆结晶锆石核，外环为变 质重结晶产物，两者的过渡区域可能是另一种成因下的产物。 图 3、锆石的阴极发光图象a和背散射图象b 产生 图 3、锆石的阴极发光图象a和背散射图象b 产生 该锆石产自大别山碧溪岭深色榴辉岩， CL 图象上可见到内核和外 84 带有显著的发光差异； BSE 图象上两个白圈为 SHRIMP 分析后留下的 “坑” ，内核的年龄值为 657Ma，外带为 219Ma，晶体中包裹的黑色 物质为绿辉石包体。 2. 由于电子探针中对平均原子序数灵敏度极高的背散射电子成分（COMP） 图象即 BSE 图象，可以提供锆石的某些成分信息，而且，在许多情况 下，尤其是当某些锆石的阴极发光强度较弱时，背散射电子成分图象有 可能比其阴极发光图象能更清楚地看到其内部结构的变化，并且其空间 分辨率通常可比阴极发光图象好一个数量级，锆石中的裂隙和包体在背 散射图象上也能更清楚地反映出来（如图 1b,2b,3b） ，因此，背散射电子 图象也是锆石观测研究不可缺少的。通常，需要把两种图象结合起来进 行研究，才能更好地揭示锆石的内部结构。 3. 电子探针中的二次电子（SE）图象和背散射电子平面（TOPO）图象可以 提供锆石表面的形态，包括表面磨光度、磨坑、裂缝、残余磨料等，这 对于选择理想的测年分析区域是极为有用的。特别是在如何准确找到一 个 U-Th-Pb 封闭区，避开因铅丢失而带来的测量误差方面有其独特的意 义。此外，电子探针中的 X 射线图象还可以形象地观测锆石内部的元素 分布特点。 4. 电子探针常规的化学成分分析技术，包括 X 射线能谱定量分析技术等， 可以方便快速地分析鉴定锆石中各种类型的包体及其成分特征，这些包 体的不同组合和成分特征，正是探讨锆石成因的重要依据。如我们（与 简平）最近在对大别山西部河南罗山熊店的榴辉岩中锆石的研究中，发 现锆石中含有许多金红石、硬玉、绿辉石、石榴石、云母、石英、磷灰 石等包体，结合阴极发光图象、背散射电子图象及 SHRIMP 测年分析，进 一步证实了大别山加里东期的榴辉岩的存在，且其中锆石在 300Ma 左右 又经历了一次后期的热液改造作用。 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分析的结合使这 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 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 85 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。 本方法不仅适用于锆石, 还将可以适用于独居石、 磷钇矿、 磷灰石、 褐帘石、 钍石和沥青铀矿等富含Th、U的测年矿物。由于这种方法能够提供上述如此丰富 的信息，若能得到推广应用，必将解决更广泛的地质问题周剑雄供稿 zjx zhoujx2001 。 86