浅析河砂碎屑锆石指示地壳演化过程的应用

0 引言

地壳早期岩石历经漫长复杂的地质演化，许多古老岩石因长期风化剥蚀已消失。碎屑锆石作为沉积岩和沉积物中最稳定的副矿物，凭借极强的抗风化性和抗干扰性，成为研究地壳演化与物源分析的关键工具[1]。对单颗粒锆石做 U-Pb 定年，可获沉积岩源区地壳物质形成年龄，揭示其地质历史与分布特征。因锆石 Lu 含量极低，Hf 同位素组成受后期地质事件影响较小。分析其 Hf 同位素组成，能得寄主岩石初始 Hf 同位素特征，进而推测岩浆源区形成时间（tDM），为定量研究地壳生长与演化提供重要依据。因此，碎屑锆石的 U-Pb 年龄和 Hf 同位素分析已成为研究大陆地壳生长与演化的便捷高效手段[2]。第五春荣通过分析华北克拉通西部泾河和洛河河沙中多颗碎屑锆石的 U-Pb 年龄与 Hf 同位素组成，探讨了华北克拉通地壳的生长和演化规律[3]；汪子祺等对大别地区 3 条不同河流碎屑沉积物中的锆石开展 U-Pb-Hf 同位素分析，系统地揭示大别地区经历的岩浆构造热事件及地壳生长历程[4]。

本文将系统探讨河砂碎屑锆石在地壳演化中的应用，重点分析其年代学特征、地球化学特征及其在地质构造研究中的关键作用。

1 河砂碎屑锆石的基本特征与分析方法

1.1 碎屑锆石的基本特征

河砂碎屑锆石源于上游岩石风化，经水流搬运沉积于下游。因其高熔点、耐酸性及抗风化性强，能长期保存，记录源区岩石的结晶年龄与地球化学特征，外形多为自形或半自形，表面振荡环带可反映形成环境[5]。

岩浆锆石具典型岩浆振荡环带（图 1（a）），环带宽度与结晶时岩浆温度相关：高温下微量元素扩散快，易形成宽环带，可据此推测结晶温度与源岩性质。

变变质锆石外形多样，从它形到半自形不等，且内部结构复杂，主要有无分带（图 1（b））、云雾状分带（图 1（c））、扇形分带（图 1（d））、冷杉叶状分带（图 1（e））及流动状分带（图 1（f））等类型[6]。其结构形成主要受生长时温度控制，温度变化影响晶面生长速率，进而导致外形和内部结构差异[7]。

图 1 岩浆及变质锆石的典型内部结构

1.2 分析方法

揭示河砂碎屑锆石地质信息的常用方法有 U-Pb 年代学、稀土元素及微量元素分析等。U-Pb 定年可获取微小或具复杂环带结构锆石不同区域的年龄，离子探针测试需精确测定 206Pb/238U 等比值以计算年龄，同时测量 U 含量和 Th/U 比值辅助分析锆石成因[8]。锆石中 176Lu 衰变为 176Hf，Lu-Hf体系可示踪寄主岩石岩浆源区；岩浆锆石微量元素含量随岩石类型（从超基性到酸性）升高，不同成因变质锆石的微量元素特征能反映其形成环境[9]。

2 河砂碎屑锆石在地壳演化过程中的应用

2.1 地壳形成与演化历史的追溯

河砂碎屑锆石的 U-Pb 年龄数据能精确记录源区岩石的结晶年龄，为研究区域地壳的形成和演化提供关键证据。碎屑锆石不仅可揭示源区岩石的成岩年代，还能反映地壳在不同地质时期的构造演化过程。此外，结合 U-Pb 定年数据与区域构造背景，研究者能更清晰地识别区域的构造演化历程。因此，碎屑锆石的 U-Pb 年龄不仅为地壳演化提供了精确的时间标尺，也揭示了不同构造事件的地质影响。

2.2 源区识别与沉积环境分析

河砂碎屑锆石的 REE 和微量元素分析是识别源区与重建沉积环境的重要手段。其 REE 配分模式和微量元素组成直接反映源岩类型及地质过程：LREE 富集伴 Ce 正异常指示花岗岩或硅质岩源区，具大陆地壳特征；HREE 富集且 Eu 亏损则指向基性岩或变质岩源区，暗示深部地壳或地幔物质参与。

综合分析地球化学特征不仅助于识别源区岩石类型，还能揭示沉积物物理化学环境及沉积过程，故碎屑锆石在地壳物质循环、源区及沉积环境研究中应用广泛。

2.3 构造环境与地壳演化的关系

碎屑锆石的年龄和地球化学特征，受源区性质影响，也反映沉积构造环境，其在不同构造环境下的年龄与元素特征差异显著，为理解地壳演化及重建区域地质史提供线索。造山带的具复杂年龄谱和多元地球化学特征，是解析复杂构造演化的关键证据。张裂环境的特征差异显著，为识别伸展构造提供可靠证据。俯冲带的特征独特，是解析板块汇聚的重要示踪剂。

综上，分析碎屑锆石特征可揭示不同构造环境对地壳演化的影响，其作为有力地质工具，为相关研究提供关键数据支持。

3 结论

河砂碎屑锆石作为一种优良的地质指示矿物，具有重要的地质研究价值。通过 U-Pb 年代学和地球化学分析，可以有效追溯地壳的演化过程，揭示沉积环境的变化和构造活动的历史。未来，随着分析技术的不断进步，碎屑锆石的应用将在地质学领域发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]米尔古丽·阿布拉.古生代增生造山过程中陆壳演化方式-来自南天山碎屑锆石年代学及 Hf 同位素特征的证据[D].新疆大学，2020.DOI：10.27429/d.cnki.gxjdu.2020.001189.

[2]Hawkesworth CJ and Kemp AIS． 2006a． The differentiation and rates of generation of the continental crust． Chemical Geology，226（3－4） ：134 － 143

[3]第五春荣，孙勇，王倩.华北克拉通地壳生长和演化：来自现代河流碎屑锆石 Hf 同位素组成的启示[J].岩石学报，2012，28（11）：3520-3530.

[4]汪子祺，田洋，金巍，等.大别地区构造与地壳演化——来自河流碎屑锆石 U-Pb-Hf 同位素的制约 [J].沉积学报，2024，42（06）：1971-1985.DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2024.041.

[5]徐健.哀牢山古特提斯洋的俯冲与闭合：碎屑沉积与岩浆作用记录[D].中国科学院大学（中国科学院广州地球化学研究所），2019.

[6]吴元保， 郑永飞. 锆石成因矿物学研究及其对 U-Pb 年龄解释的制约 （J/OL）. Chinese ScienceBulletin， 2004， 49 （16）： 1589-1604. 2004-08-30. 2025-06-27.https：//www.sciengine.com/doi/10.1360/csb2004-49-16-1589.

[7]李长民.冀北东坪、后沟金矿田年代学与岩石地球化学研究[D].中国地质大学（北京），2011.

[8] 杨 亚 楠 ， 李 秋 立 ， 刘 宇 ， 等 . 离 子 探 针 锆 石 U-Pb 定 年 [J]. 地 学 前缘，2014，21（02）：81-92.DOI：10.13745/j.esf.2014.02.007.

[9]朱韧之，王榕漳，张宇.锆石多元同位素及微量元素示踪岩石成因研究的进展及应用[J].西北大学学报（自然科学版），2025，55（03）：539-552.DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2025-03-005.