西伯利亞雅庫特金伯利巖中四顆古老鋯石巨晶的微量元素和Hf同位素特征*
——對區分金伯利巖中鋯石巨晶的啟示

孫晶

1.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249 2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

鋯石是U-Th-Pb以及Lu-Hf等元素重要的賦存礦物，耐高溫、耐熔和抗風化的良好穩定性令微量元素在鋯石中的擴散和丟失速率很低，因而常被作為重要的化學探針，用于研究巖漿的噴發時代與演化過程。金伯利巖等幔源巖石中的部分鋯石具有較大(毫米到厘米級)的粒徑且來源于地幔，因而又被稱為地幔鋯石巨晶。長期以來，它們被用于確定金伯利質巖漿的噴發時代和巖石圈地幔的同位素組成特征(Griffinetal.，1999；Spetsiusetal.，2002；Sunetal.，2014；Agashevetal.，2020)。由于超基性巖漿的硅不飽和性不利于鋯石的生長，金伯利巖中的鋯石像金剛石一樣少見(含量≤1g/t；Krestenetal.，1975)。

近年在南非(Kinnyetal.，1989；Griffinetal.，2000)、加拿大(Zartman and Richardson，2005)、澳大利亞(Berrymanetal.，1998)等地的金伯利巖中陸續發現了具有太古宙-元古宙時代的鋯石巨晶，它們的年齡明顯老于寄主金伯利巖的噴發時代。這說明，一些金伯利巖中存在非單一地幔來源的鋯石種類，即還存在古老鋯石巨晶。由于古老鋯石巨晶與能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶在肉眼下并沒有明顯的差別，這可能導致鋯石U-Pb定年結果被錯誤解讀，從而對金伯利巖定年造成一定困擾。因此，系統地對比古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶的特征，確定出一套有效的區分手段是十分有必要的。

本次研究以西伯利亞雅庫特地區幾個噴發時代已知的金伯利巖中的四顆古老鋯石巨晶為研究對象，進行了CL圖像、U-Pb年齡、微量元素和Hf同位素的分析，討論這些古老鋯石巨晶的可能來源。同時，統計了其它克拉通金伯利巖中的古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶，從形態學、微量元素、U、Th含量和Hf-O同位素等方面討論它們之間的差別，從而能夠區分確定金伯利巖年齡的和古老的鋯石巨晶的有效方法。

1 區域地質背景與樣品描述

1.1 區域地質背景

西伯利亞克拉通面積大約4×106km2，南起貝加爾湖(Baikal Lake)，北至拉普捷夫海(Laptev)，東至俄庫斯科海(Okhotsk)，西至葉尼塞河(Yenisey)。西伯利亞克拉通是世界上穩定的克拉通之一，雅庫特(Yakutia)金伯利巖省(圖1中紅色虛線區域)位于西伯利亞克拉通的東北部，大小為1100km×800km。該地區共有25個金伯利巖區(其中Ukukit區有東西兩部分)，分別發育有數量不等的共計1050個金伯利巖管(Spetsius，2004)，是世界上著名的金剛石產區之一(圖1)。西伯利亞克拉通基底巖石出露較少，只在南部的Aldan和北部的Anabar地盾中有所出露，發育有3.0～3.6Ga的麻粒巖和片麻巖，其在1.8～2.0Ga發生混合巖化 (Jacksonetal.,2004;Nutmanetal.,1992)。根據這兩個地區的研究資料，該克拉通在1.8Ga年左右發生克拉通化而趨于穩定(Rosenetal.,2005)。

圖1 西伯利亞克拉通地質簡圖(據Griffin et al.，1999修改)Fig.1 Overview map of the Siberian craton,showing the locations of kimberlite fields(modified after Griffin et al.,1999)

1.2 樣品描述

本次研究的四顆鋯石巨晶分別來自于雅庫特金伯利巖省中的Kuranah金伯利巖區的Markiza巖管(1粒)、Beriginde金伯利巖區的Gorelaya巖管(1粒)和Luchakan金伯利巖區的Luchakan巖管(2粒)。我們前期對雅庫特金伯利巖中鈣鈦礦(Sunetal.，2014)和鋯石巨晶的U-Pb定年工作(Sunetal.，2018)顯示，Kuranah、Beriginde和Luchakan金伯利巖區的金伯利巖的年齡分別為～220Ma、～160Ma和～220Ma。

四顆鋯石巨晶顆粒最大的為Mar-3，粒徑近1mm(不完整的顆粒)；最小的為78-1450-2，粒徑約0.5mm(不完整的顆粒)。鋯石巨晶內部結構可以分為以下幾種類型(圖2)：1)無環帶結構，如Mar-3；2)具有清晰的振蕩環帶結構，如78-1461-2；3)核邊結構，這些鋯石巨晶顆粒相對較小，晶型不完整，如78-1450-1和78-1450-2。

圖2 雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶CL圖像Fig.2 CL images of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite

2 分析方法

2.1 微量元素與U-Pb年齡

利用193nm ArF 準分子激光剝蝕系統和Agilent 7500a 型四極桿電感耦合等離子質譜儀(Q-ICP-MS)完成鋯石U-Pb定年和微量元素測試，具體操作方法見 Xieetal.(2008)。實驗過程中采用NIST 610作為微量元素含量外標，鋯石91500作為U-Pb同位素比值外標，鋯石Plesovice作為未知樣品的數據質量監控標來進行分析。分析過程中我們沒有對有核鋯石的結晶核進行分析。激光束斑為120μm，頻率為8Hz，激光能量密度為15J/cm2。每測定5個樣品點測定一組標樣。數據處理采用GLITTER程序，年齡計算時以標準鋯石91500為外標進行同位素比值分餾校正。Plesovice測定的206Pb/238U加權平均年齡為334±2Ma，與文獻推薦值(337±1Ma；Slámaetal.，2008)在誤差范圍內一致。各元素濃度的計算采用GEMOC開發的GLITTER 4.0軟件，以NIST SRM 610作外標，以29Si為內標，各元素的測試精度在10%以內。

2.2 Hf同位素

鋯石激光Lu-Hf同位素測試利用Coherent GeoLasPro 193nm ArF準分子激光剝蝕系統和美國Thermo Fisher公司生產的Neptune型多接收電感耦合等離子體質譜儀(MC-ICPMS)聯機完成。Hf同位素的測試需要在鋯石LA-ICPMS U-Pb定年測試完成后進行。詳細分析流程見Wuetal.(2006)，這里僅作簡要描述如下：分析采用靜態信號采集模式，背景采集時間30s，積分時間為0.131s，采集200組數據，總計約30s。激光束斑直徑為80μm，剝蝕速率為8Hz，激光能量密度為15J/cm2。分析采用的杯結構為：172Yb、173Yb、175Lu、176(Hf+Yb+Lu)、177Hf、178Hf、179Hf、180Hf和182W。176Hf有兩個同質異位素176Lu和176Yb，其中176Lu對176Hf的干擾采用175Lu/176Lu =0.02655進行校正，并假設Lu的分餾與Hf的分餾情形相同。176Yb對176Hf的干擾采用實測Yb的分餾系數，并假設176Yb/172Yb=0.5887。實際測定過程中，每顆鋯石進行10個單點分析，以鋯石GJ-1和鋯石Plesovice作為雙重外部標樣在單顆粒鋯石前后各分析一次，監測儀器的漂移。測試結果表明，標準鋯石GJ-1和Plesovice的176Hf/177Hf同位素比值分別為0.282009±25(2SD，N=72)和0.282478±21(2SD，N=54)，與推薦值(0.282000±25(Moreletal.，2008)；0.282482±13(Slámaetal.，2008))在誤差范圍內一致。

本文所有實驗都在中國科學院地質與地球物理研究所LA-ICPMS實驗室完成。

3 測試結果

3.1 微量元素特征

四顆鋯石巨晶的稀土元素配分曲線見圖3，分析數據見表1。它們都表現出明顯的Eu負異常(圖3)和較高的稀土總量。鋯石顆粒Mar-3具有相對較低的U(16.83×10-6)、Th(9.49×10-6)含量，Th/U比值為0.56；其余三顆鋯石巨晶具有相對較高的U(103.2×10-6～112.7×10-6)、Th(33.91～67.90×10-6)含量，Th/U比值介于0.32～0.66 之間(表1)。

表1 雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶的微量元素含量(×10-6)Table 1 Trace element compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (×10-6)

續表1Continued Table 1

圖3 雅庫特金伯利巖古老鋯石球粒隕石標準化稀土元素配分圖解(標準化值據Sun and McDonough,1989)圖中淡黃色、淺粉色和虛線區域分別代表西伯利亞雅庫特地區金伯利巖中的細粒鋯石(Kostrovitsky et al.,2016)、Udachnaya麻粒巖包體中的鋯石(Koreshkova et al.,2009)和地幔鋯石(即能夠確定金伯利巖年齡的鋯石，Sun et al.,2018)Fig.3 Chondrite-normalized rare earth element patterns of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (normalization values after Sun and McDonough,1989)

3.2 U-Pb年齡

四顆鋯石巨晶具有前寒武紀的U-Pb同位素年齡(1.8～1.9Ga，表2和圖4)。這一年齡與它們對應的金伯利巖區或金伯利巖管的其它鋯石巨晶年齡都不同，遠大于雅庫特地區最早的金伯利巖噴發時代。來自Kuranakh金伯利巖區Markiza巖管的Mar-3鋯石巨晶207Pb/206Pb加權平均年齡為1819±7Ma(圖4a)，與同一巖管的另外兩顆鋯石巨晶年齡(220.3±2.9Ma、223.6±3.4Ma；Sunetal.，2018)不同；Beriginde金伯利巖區Gorelaya巖管的78-1461-2鋯石巨晶207Pb/206Pb加權平均年齡為1912±6Ma(圖4b)，超出該巖管的其它鋯石巨晶年齡范圍(159.2～160.9Ma；Sunetal.，2018)；Luchakan金伯利巖區的78-1450-1和75-1450-2兩粒鋯石巨晶207Pb/206Pb加權平均年齡分別為1965±12Ma和1925±8Ma(圖4c，d)，早于這一地區的其它鋯石巨晶年齡(222.2～225.4Ma；Sunetal.，2018)。

圖4 雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶U-Pb年齡諧和圖Fig.4 U-Pb concordia diagrams for four old zircon megacrysts from Yakutia Kimberlite

表2 西伯利亞雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶的U-Pb同位素組成Table 2 U-Pb isotopic compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite,Siberia

3.3 Hf同位素特征

四顆鋯石巨晶的Hf同位素數據見表3。它們由具有較多放射性成因的Hf同位素組成，176Hf/177Hf同位素比值集中在0.281375～0.281668，εHf(t)值分別為-8.9、-6.3、1.1和3.7。Mar-3和78-1461具有負的εHf(t)值，其余兩顆來自同一巖管的鋯石巨晶具有正的εHf(t)值(圖5)。四顆鋯石巨晶具有較老的tDM年齡(2.1～2.5Ga)。

圖5 雅庫特金伯利巖中古老鋯石Hf同位素組成虧損地幔和球粒隕石演化線引自吳福元等，2007；圖例同圖3Fig.5 Initial Hf isotopic compositions of four old zircon megacrysts from Yakutia kimberlite plotted over their ages

表3 西伯利亞雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶的Hf同位素組成Table 3 Hf isotopic compositions of ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite,Siberia

4 討論

4.1 西伯利亞雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶的來源

花崗巖等硅飽和的巖石中鋯石的顆粒大小一般在200μm左右，而金伯利巖中的鋯石可以分為細粒鋯石和巨晶鋯石。細粒鋯石顆粒較完整，粒徑一般小于200μm。金伯利巖中的巨晶鋯石一般是不完整的鋯石顆粒，粒徑在毫米到厘米級別，其完整的顆粒粒徑可能更大。西伯利亞雅庫特地區金伯利巖中的鋯石按照形態學、微量元素、年代學和同位素特征可以分為細粒鋯石、能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶和古老的鋯石巨晶。前人研究表明細粒鋯石顆粒一般是金伯利巖上升時從地殼中捕獲的，具有多期次的年齡(Kostrovitskyetal.，2016)；能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶來源于巖石圈地幔或軟流圈地幔(Griffinetal.，2000；Sunetal.，2018)；那么，雅庫特金伯利巖中的古老鋯石巨晶是來源于哪里呢？

很明顯，本次研究中的四顆古老鋯石巨晶的U-Pb年齡不能代表寄主金伯利巖的年齡。這些年齡集中在1.8～1.9Ga左右的古老鋯石巨晶，受到160～220Ma寄主金伯利巖噴發事件的影響較小。古老的鋯石巨晶在其它地區的金伯利巖中也有發現，這些古老的鋯石巨晶通常具有兩個共同特點：(1)大多數具有負的εHf(t)值，如Kaapvaal克拉通的Jwaneng古老鋯石巨晶(2.1～2.7Ga)，其εHf(t)值范圍為-3.4～-5.4(Griffinetal.，2000)；雖然本次研究中有兩顆鋯石巨晶的εHf(t)為正值，但另外兩顆鋯石巨晶εHf(t)值為-8.9～-6.3。(2)具有明顯的Eu負異常和較高的重稀土(HREE)含量，這與雅庫特地區金伯利巖中的細粒鋯石和Udachnaya麻粒巖包體中鋯石的特征十分相似(圖3)，暗示它們的源區存在殼源組分。因此，對于金伯利巖中古老鋯石巨晶或許可以解釋為地殼來源或在殼幔相互作用過程中形成的。Valleyetal.(1998)也將Jwaneng前寒武紀鋯石巨晶較低的δ18O值解釋為太古宙俯沖洋殼與海水之間的水巖反應，暗示著Jwaneng的古老鋯石巨晶可能是洋殼與地幔相互作用的結果。雖然粒徑如此大的鋯石巨晶在地殼中不常見，但國際鋯石標樣91500(加拿大Ontario)，單顆粒重達為238g，就是世界上最大的地殼鋯石之一(Wiedenbecketal.，1995；Hornetal.，2000；Wuetal.，2006)。1.8～1.9Ga是西伯利亞克拉通拼合、地殼生長和堿性/碳酸巖廣泛發育的時期(Kostrovitskyetal.，2016)，因此雅庫特地區這些古老的鋯石巨晶很有可能在這一事件中形成，并保持著U-Pb體系封閉狀態，而后又被金伯利巖攜帶至地表。

4.2 如何區分金伯利巖中不同來源的鋯石巨晶

金伯利巖中能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶形成后，其U-Pb體系在高溫的地幔中是處于開放狀態的，寄主金伯利巖漿的噴發使鋯石巨晶的U-Pb體系封閉(Kinnyetal.，1989；Sunetal.，2018)。因此，這些鋯石巨晶一直是金伯利巖定年的重要礦物之一。然而，金伯利巖中古老鋯石巨晶的存在，讓我們不得不討論如何區分金伯利巖中不同來源的鋯石巨晶，有效地將能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶挑選出來用于準確的金伯利巖定年。我們統計了多個地區金伯利巖中鋯石巨晶，對CL圖像、微量元素、Hf和O同位素等特征分別進行了討論。

4.2.1 CL圖像特征

CL圖像可以顯示鋯石的形態學特征。能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶按照內部結構可以分為以下幾種類型：無環帶結構、輕微/弱環帶結構、清晰的振蕩環帶結構，其中大多數為無環帶結構和輕微/弱環帶結構。而絕大多數古老的鋯石巨晶具有核邊結構或明顯的振蕩環帶，只有少數顯示出無環帶的特征(如Mar-3)。因此，如果在CL圖像中可以清晰地看到鋯石巨晶具有核邊結構，則該鋯石巨晶更有可能是古老的，不能用于金伯利巖年齡的確定。而如果表現出其它形態學上的特征則需要進一步的確認。

4.2.2 Th、U含量和微量元素特征

Th、U含量和微量元素特征一直是判斷鋯石來源的重要指標。從我們統計的數據來看，絕大多數能夠確定金伯利巖年齡的鋯石的U和Th含量均小于100×10-6，一般在10×10-6左右(圖6)，具有較低的稀土元素總量(∑REE含量<200×10-6)(Kinnyetal.，1989；Sch?reretal.，1997；Berrymanetal.，1998；Griffinetal.，2000；Peltonen and M?ntt?ri，2001；Spetsiusetal.，2002；Zartman and Richardson，2005；McInnesetal.，2009；Robles-Cruzetal.，2012)。也有少數能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶U或Th含量大于100×10-6(Griffinetal.，2000；Robles-Cruzetal.，2012；Sunetal.，2018)，而古老鋯石巨晶的U、Th含量和稀土元素總量具有較大的變化范圍，從圖6中可以看到有很多古老鋯石巨晶的U、Th含量也落在了地幔鋯石區域中。在稀土元素配分曲線上(圖3)，西伯利亞雅庫特金伯利巖中的兩種鋯石巨晶也有一定的重合，古老鋯石巨晶具有相對較高的輕稀土含量。Th/U比值也常被用來區分不同來源的鋯石，但從圖6中可以看出，能夠確定金伯利巖年齡的鋯石、古老鋯石和和花崗巖中的鋯石的Th/U比值并沒有較大的區別。因此，U，Th含量、Th/U比值和稀土元素總量都不能很好地區分能夠確定金伯利巖年齡的鋯石和古老鋯石巨晶。

圖6 雅庫特金伯利巖中古老鋯石巨晶的U-Th關系圖(據Konzett et al.,1998修改)圖中投點的鋯石巨晶均為具有古老年齡的鋯石巨晶，數據據：Koala North，Sable，NWT，Canada(Zartman and Richardson，2005);Jwaneng，Botswana，Timber Creek，Canada(Griffin et al.，2000);Lahtojoki，Finland(Peltonen and M?ntt?ri,2001).其他圖例同圖3Fig.6 U vs.Th contents in ancient zircon megacrysts from Yakutia kimberlite (modified after Konzett et al.,1998)

Eu的異常可以反映鋯石母巖漿源區是否有長石等礦物的分異，進而反映鋯石的來源。能夠確定金伯利巖年齡的鋯石主要來源于巖石圈地幔，一般不具有Eu的異常，統計的近200顆地幔鋯石巨晶中，約80%的鋯石巨晶Eu/Eu*值在1.3～0.8之間。古老鋯石巨晶主要在地殼或殼幔相互作用過程中形成，常表現出強烈的Eu負異常，Eu/Eu*值<0.6。但統計結果也顯示有少量能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶表現出強烈的Eu負異常，其Eu/Eu*值低至0.24。因此，鋯石的Eu異常雖然有潛力區分出古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石，但仍需結合其它特征進行綜合判斷。

4.2.3 Hf-O同位素特征

我們統計了近300顆金伯利巖中能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶Hf同位素組成，其中有大約80%具有正的εHf(t)值，但也存在約60多顆鋯石巨晶具有負的εHf(t)值，如南非克拉通Orapa金伯利巖中存在大量的U-Pb年齡為90Ma的鋯石巨晶，其εHf(t)值可低至-16左右。與之相反，統計的47顆古老的鋯石巨晶有45顆具有負的εHf(t)值。在本次研究中有兩顆古老鋯石巨晶εHf(t)值為正(表3)。所以εHf(t)值不能絕對地將能夠確定金伯利巖年齡的和古老鋯石巨晶進行有效的區分。但我們發現，它們在tDM值上表現出較大的差異，能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶tDM一般也較為年輕(<1.8Ga)，而古老鋯石巨晶的tDM則一般大于2.0Ga。因此，tDM在區分鋯石巨晶上表現出一定的潛力。

已有的數據顯示(圖7)，能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶具有地幔的氧同位素特征(4.7‰～5.9‰；Valleyetal.，1998，2003；Pageetal.，2007；Siebeletal.，2009；Lietal.，2010)，如西伯利亞金伯利巖中能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶δ18O的平均值為5.3±0.2‰(Valleyetal.，1998；Pageetal.，2007)，在地幔δ18O值范圍內(5.3±0.3‰；Valleyetal.，2003)，暗示著這些鋯石巨晶來源于巖石圈地幔或軟流圈(Valleyetal.，1998)。雖然古老鋯石巨晶的氧同位素分析數據有限，但僅有的幾個氧同位素分析結果顯示古老鋯石巨晶的δ18O值遠離地幔值，暗示著O同位素可能可以用來區分古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶。

圖7 鋯石巨晶氧同位素組成(據Page et al.,2007;Valley et al.,1998修改)數據來源：中國蓬萊引自Li et al.(2010)；Western Eger rift 引自Siebel et al.(2009)Fig.7 Oxygen isotopic compositions of zircon megacrysts (modified after Page et al.,2007;Valley et al.,1998)

5 結論

(1)西伯利亞雅庫特金伯利巖中具有前寒武紀時代的鋯石巨晶，無論在Hf同位素還是微量元素特征上都與能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶明顯不同。它們是寄主巖漿在上升過程中捕獲的地殼來源或殼幔相互作用過程中形成的鋯石。這四顆前寒武紀鋯石巨晶的U-Pb年齡在1.8～1.9Ga左右，可能是在西伯利亞克拉通拼合、地殼生長和堿性/碳酸巖廣泛發育的時期形成的。

(2)通過統計和對比了來自多個克拉通金伯利巖中古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶的形態學、微量元素、U、Th及微量元素含量和Hf-O同位素特征，可以看出金伯利巖中的古老鋯石巨晶在tDM年齡和O 同位素組成上與能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶具有明顯的差別。相比于金伯利巖中的能夠確定金伯利巖年齡鋯石巨晶，古老的鋯石巨晶可能具有核邊結構、常具有δEu的負異常、高的U、Th含量、負的εHf(t)值、古老的tDM年齡以及地幔氧同位素范圍之外的O同位素組成，這些參數在未來的研究中可以用來區分金伯利巖中古老鋯石巨晶和能夠確定金伯利巖年齡的鋯石巨晶。

致謝感謝三位匿名審稿人對本文提出的寶貴意見。讀者如需要電子版附件數據可向作者索取。