[论文解读] Two Trends of Composition Variation of Zircons and Their Significance in Origin Discrimination

Xuezhao Bao|ArXiv.org|Jul 23, 2007

Geological and Geochemical Analysis参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文识别出锆石晶体中两种截然不同的化学带状分布趋势：火成锆石表现出从核心到边缘HfO2和(UO2 + ThO2)含量增加，而ZrO2/HfO2比值降低；而变质锆石则表现出相反的趋势。这些成分变化受晶体化学行为和地质过程的控制，为火成与变质锆石的可靠地球化学判别提供了有效工具，适用于岩石学与地质年代学研究。

ABSTRACT

Zircons can crystallize in a wide range of physical and chemical conditions. At the same time, they have high stability and durability. Therefore zircons can grow and survive in a variety of geological processes. In addition, the diffusivity of chemical compositions in their crystals is very low. Consequently,we can trace back the evolution history of the planetary materials containing zircon by zircon U-Th-Pb geochronology and geochemistry studies. However, this depends on our ability to decipher its genesis,namely magmatic or metamorphic origins. In this paper, we have found that there are obvious differences between magmatic and metamorphic zircons in their chemical composition zonations. The magmatic zircons exhibit composition zonation of increasing HfO2, and (UO2 + ThO2) content and decreasing ZrO2/HfO2 ratio and ZrO2 content from inner to outer parts within each growth zone or from core to rim of a crysta1. The metamorphic zircons exhibit compositional variation trend opposite to that of magmatic (igneous) zircons,tending to decrease in HfO2, (UO2+ ThO2)and increase in ZrO2/HfO2 ratio and ZrO2 from core to rim of a crystal. These chemical composition variation trends are thought to be controlled by the crystal chemical features of ions themselves and the evolution trends of magmatism and metamorphism respectively, and can be used to identify the genesis of zircons. Their morphological features are also discussed.

研究动机与目标

• 识别不同地质成因锆石晶体中系统性的化学成分变化。
• 解决利用地球化学特征区分火成与变质锆石的挑战。
• 基于微量元素和氧化物带状分布模式，建立可靠的锆石成因判别方法。
• 将观察到的带状趋势与潜在的晶体化学和岩浆成因控制机制相联系。
• 提高在多种岩石类型中基于锆石的地质年代学与岩浆成因解释的准确性。

提出的方法

• 利用电子探针或类似分析技术，系统分析锆石从核心到边缘的化学带状分布特征。
• 定量测量主要和微量元素氧化物组分：ZrO2、HfO2、UO2、ThO2及其在不同生长区带中的比值。
• 对比火成岩与变质岩中锆石成分趋势，识别出相反的带状分布模式。
• 将观察到的带状趋势与已知的岩浆成因过程（如岩浆结晶）和变质过程（如变质重结晶）相关联。
• 运用晶体化学原理解释观察到的趋势，特别是离子扩散行为及离子半径匹配性。
• 对锆石晶体的形态进行分析，以支持地球化学解释，并增强成因判别能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 火成与变质环境中锆石晶体的化学成分变化有何差异？
• RQ2 火成与变质成因锆石从核心到边缘的带状分布模式有何不同？
• RQ3 锆石中特定氧化物与微量元素趋势是否能可靠地区分火成与变质成因？
• RQ4 控制锆石中观察到的成分带状分布趋势的晶体化学与岩浆成因因素是什么？
• RQ5 这些趋势在多大程度上可提高地质研究中锆石成因判别的准确性？

主要发现

• 火成锆石表现出从核心到边缘HfO2和(UO2 + ThO2)含量增加，同时ZrO2/HfO2比值和ZrO2含量降低的趋势。
• 变质锆石则表现出相反趋势：HfO2和(UO2 + ThO2)含量减少，而ZrO2/HfO2比值和ZrO2含量从核心到边缘增加。
• 这些相反的带状分布模式归因于结晶与重结晶过程中离子扩散行为和化学活性的差异。
• 这些成分趋势在多种地质环境中具有高度一致性和可重复性，支持其作为诊断性标志物的应用。
• 观察到的趋势在物理和化学上受Zr⁴⁺、Hf⁴⁺、U⁴⁺和Th⁴⁺在锆石结构中离子半径与电荷匹配性的控制。
• 本研究为锆石地质年代学与岩浆成因研究中的成因判别提供了坚实的地球化学框架。