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地球的“石时计”——锆石

2014-03-08 20:09:33

地球的“石时计”——锆石

■ 张 烨  郭 颖

 

2003210日,《科技日报》在显著位置刊登了一则题为“揭示地球最初5亿年的奥秘,我率先测出43亿岁带壳锆石”的消息。报道说:我国大型科学仪器共建中心暨北京离子探针中心与美国学者合作,利用自身拥有的世界先进仪器——高灵敏高分辨二次离子探针质谱计,测出世界上迄今发现的第三粒、也是地球上发现的唯一一粒保存了增生壳(地壳增生是指幔源岩浆等通过地质过程添加到地壳中,导致地壳体积和面积增加。增加的部分即为增生壳)的老于43亿年的锆石,为揭示地球形成后的最初5亿年的奥秘找到了一把金钥匙。

众所周知,地质年代的确定是一项重要而复杂的研究任务。准确标定某一地质体的年代是区域地质学、地球化学、矿床学和大地构造学研究中不可缺少的内容,对于一个区域的地球历史演化规律的研究和找矿方向的确定,都具有重要的理论和现实意义。目前,地质体的定年主要采用钾-氩(K-Ar)法、氩同位素法、铀-铅(U- Pb)法、铷-锶(Rb- Sr)法、钐-钕(Sm- Nd)法等。每种方法都有各自的适用性和局限性,并不是万能的。

锆石定年是同位素地质年代学中最重要、应用最广泛的方法,它为地质演化提供了时间坐标。锆石以及它所带来的铀-铅测年法是绝对地质年代定年工作的标志性代表。所谓绝对地质年代,是根据放射性同位素定年的方法,直接计算出地层——主要是火成岩形成的年龄,再比对化石地层,将地质年代表标上绝对的时间。它是一颗如此耀眼的新星,以至于尽管同位素地质年代学发展至今时日尚浅,“锆石铀铅”这几个字却几乎成了每一位现代地质人逢说必提的话题。

锆石究竟是种什么物质?利用锆石为何可以测定地球的准确年龄?我们又是如何了解它保存的地球历史的信息呢?下面就让我们一起来认识这颗耀眼的新星——锆石档案

锆石,又名锆石英,在日本被称为“风信子石”,它是12月的生辰石之一(该月的生辰石还有绿松石、青金石),象征成功。它的英文名字“Zicon”,其来源一说可能是来源于阿拉伯文“Zarkun”,原意是“辰砂及银朱”;另一说认为是来源于古波斯语“Zargun”,意即“金黄色”。

第一次正式使用“Zicon”是在1783年,用以形容来自于斯里兰卡的绿色锆石晶体。

早在希腊时,这种美丽的宝石就已被人们所钟情。相传,犹太教主教胸前佩戴的12种宝石中就有锆石,它当时被称为“夏信斯”。据说,锆石的别名“风信子石”就是由“夏信斯”转言而来。需要说明的是,“锆石”指的是天然锆石,而不是合成立方氧化锆。所谓合成立方氧化锆,亦称“CZ钻”或“CZ”,最早是由苏联人合成并在20世纪70年代作为钻石的仿冒品成功推向市场的,因而也被称为“苏联钻”。由于其中添加了多种致色元素而呈现出各种颜色。此名称目前已被废止。

真正的锆石(Zircon)是锆的硅酸盐化合物,矿物符号Zc,化学成分ZrSiO4〕。根据结晶程度可分为高、中、低三类,其中,中型、高型为结晶态,低型接近于非晶态。锆石颜色多样,无解理,一般破损或破裂的地方可见贝壳状断口。其摩氏硬度7.58,比重大,可达4.44.8,具有玻璃至金刚光泽,透明至半透明,能耐高温,1450℃的高温可使一些中型锆石恢复为高型锆石。锆石耐酸,除锆石粉末外,不与酸作用,也不与其他化学试剂发生反应。

 

锆石为何可以定年

同位素定年的基础是放射性衰变定律,通过测定母体及其衰变产生的子体同位素含量,就可以利用衰变定律算出标本形成以来的时间。放射性元素只有稳定地赋存于岩石系统中才可以成为定年的材料。锆石恰恰具有非常稳定的性质,可以长期稳定存在于岩石系统中。

亮点1 锆石的理化性质稳定。

锆石的主要成分是化学分子式为Zr[SiO4]的硅酸锆。得益于四价锆离子(Zr4+)不活泼的化学性质以及锆石本身牢固稳定的网状晶体结构,锆石的性质非常稳定。

“存在即胜利”。锆石的摩氏硬度为7.58,在地壳运动中,在与其他矿物质的一次次硬碰硬后基本完胜所有常见矿物,连摩氏硬度为7、因很坚挺而赢得了最大分布量的石英,在锆石面前都甘拜下风。因此锆石能相对完整地保存于地壳中。

此外,锆石化学性质稳定,较难与环境中的物质发生化学反应,所以自身晶格结构的完整得以保留,最终成为了脆弱的铀-铅(U-Pb)衰变体系成功的守护者,使之在时光的变迁中长时间留存下来,从而成为跨越百万纪年的“石时计”。

亮点2 锆石富含铀(U)、钍(Th)而初始铅(Pb)含量极低。

锆石晶格中的四价锆离子常可被四价铀离子、四价钍离子进行类质同象置换。所谓类质同象置换,是指物质结晶时,其晶体结构中本应由某种离子或原子占据的位置,有一部分被性质相似的其他离子或原子所取代,双方共同结晶成均匀的混合晶体,简称混晶。但这种替代并不引起键性和晶体结构发生质变。例如,镁橄榄石Mg2SiO4〕晶格中,一部分二价镁离子可被介质中的二价铁离子所取代,从而结晶成橄榄石(Mg,Fe2SiO42

回过头来我们再看锆石晶体。地壳中的铀非常稀有,因其半径特大、化合价较高,所以并不被大多数晶体体系所待见。四价锆离子却和它键性相同、价位相同,离子半径差别不大,故而锆石晶格中的四价锆离子常可被四价铀离子替换。此外,铀的放射子体铅由于价位不同于锆离子,基本无法在晶格最初形成时就进入到锆石晶体内。因而锆石晶体内保存的铅离子都是在铀进入锆石晶体后通过放射作用所形成的。这使得锆石富含铀(U)、钍(Th)而初始铅(Pb)含量极低,有利于人们依据元素衰变情况准确定年。

亮点3 相当大范围内的普适性。

岩石圈分为火成岩、沉积岩、变质岩三大类。所有遗留在岩石圈里的地球活动事件信息都保留在这三大岩石种类中。

从成因矿物学上来看,锆石形成于火成岩如花岗岩中,有时候,手掌大小的花岗岩标本里就可以挑出几千颗锆石来。根据岩石演化的一般规律,火成岩生成后,经历风化搬运堆积成为沉积岩。由于锆石性质稳定,这使得它在火成岩母岩遭受风化磨蚀后,能够继续完好保存于沉积物中,从而顺利地被陆缘碎屑沉积岩所继承。

经过“次生加大作用”,又被称为再生生长,是在石英、长石、方解石、锆石及生物碎片等矿物碎屑周围沉淀生长同一种矿物晶体的现象,利用性质稳定的锆石获得沉积岩的年龄,也不是大问题。

随后,沉积埋藏的岩石进入变质作用阶段。锆石稳定的化学性质使其即使到了高温高压的变质带,依然不会完全屈服于环境;相反,还能在广泛存在的流体中趁机接收变质热液来完成自身的次生加大。因此,利用锆石确定变质岩的年龄,也基本上没有问题。

地球上的地质信息绝大多数最终都将以具体的岩石作为物质依托来存储,这样一来,如果我们知道了跟某个地质事件相关的岩石中锆石的年龄,我们就能对很多地质事件做出准确的限定性解释了。

 

锆石定年方法

锆石铀-铅定年方法包括高灵敏度高分辨率离子探针质谱计法(SHRIMP),激光剥蚀电感耦合等离子体质谱计法(LA-ICP-MS),同位素稀释热电离质谱仪法(ID TIMS),也称溶液法或稀释法和热离子质谱计逐级蒸发-沉积测定法。

SHRIMP

SHRIMP是高灵敏高分辨率离子探针,SHRIMP法的最大技术优势是锆石、独居石、榍石、磷钇矿和磷灰石等矿物的微区原位定年。微区原位定年不需对矿物标本进行化学处理,可对一个矿物的不同部位直接定年。这种方法常用来测定形成时间小于200万年的锆石年龄。此外,SHRIMP法还可以进行固体物质微区的硫、铅、钛、铪和镁同位素,以及稀土元素含量的测定。

第一台SHRIMP1980年在澳大利亚国立大学研制建成,并对澳大利亚一处方铅矿进行了硫、铅同位素分析,获得了精确的结果,这标志着SHRIMP新技术的诞生。第一代SHRIMP主要应用于20世纪80年代,揭示了地球最古老的地壳物质形成于4.1亿~4.2亿年,早于以前人们认为的3.8亿年。这一年龄在2001年又被提前到了4.4亿年。可以说,SHRIMP法的成功极大地推动了地球科学的发展。

LA-ICP-MS

LA-ICP-MS法是一种新发展和建立起来的定年方法, 它是利用等离子体质谱计(ICPMS)进行铀--铅(U-Th-Pb)同位素分析,最终定年的方法。

LA-ICP-MS法具有原位、廉价、准确、快速等优点,在五六分钟内即可确定大多数矿物标本的地质年龄;但其数据精度相对较低。更重要的是,它无法准确测定铅,这就无法按传统方法对测得的铅同位素进行校正。用LA-ICP-MS法测定第三纪(距今6500万~距今180万年)锆石的年龄,其总体精度可与SHRIMP法相媲美。

ID TIMS

ID TIMS法分析精度高,但需要高标准的超净实验室和繁琐的化学处理过程。这种方法无法进行矿物标本的微区分析,存在不同地质时期锆石混合的危险,而且定年所需时间长,价钱高。

 

结语

放眼望去,放射性同位素衰变的历史与地球事件历史的拥抱催生的是一部宏大的纪元编年史。于是,在一批批地质学子们阅读地质年表的朗朗声音中,我们仿佛可以听到同位素之钟正在滴答滴答地敲响,射线仿佛指针般划过每一颗锆石晶面,在今日为我们留下亿万年时光早已凝固的辉煌余韵。

寒武纪,约起始于距今5.42亿年,结束于距今4.98亿年;

奥陶纪,约起始于距今5亿年,结束于距今4.4亿年;

志留纪,约起始于距今4.38亿年,结束于距今4.13亿年……

 

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