磷灰石 层状基性侵入体中的原位Lu-Hf和U-Pb地质年代学研究

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Apatite in situ Lu-Hf and U-Pb geochronology in layered mafic intrusions

层状侵入体（LMI）的岩浆结晶年龄测定面临矿物稀缺问题，本研究利用激光诱导电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS/MS）对四个地区的LMI中富集的磷灰石进行U-Pb和Lu-Hf同位素定年，验证两种方法的可靠性。结果显示：Lu-Hf系统因封闭温度（660-730℃）高于U-Pb系统（350-550℃），受Pb扩散影响较小，更稳定记录原始结晶年龄；而U-Pb年龄在晶粒细小或存在流体活动时可能发生 resetting。研究覆盖了Duluth Complex（1109-1084 Ma）、Bushveld Complex（2060-2055 Ma）、Musgrave Province（1090-1040 Ma）和Grenville Province（1160-1020 Ma）的LMI，证实Lu-Hf磷灰石定年可有效解决传统定年方法中的难题，为超基性岩浆演化提供关键年代学依据。

　　**解读：利用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS/MS）测定磷灰石的Lu-Hf和U-Pb年龄以研究层状镁铁质侵入体的结晶时间**

层状镁铁质侵入体（Layered Mafic Intrusions, LMI）是固化的玄武岩岩浆房的残余部分，对于理解地壳深处的火成岩过程具有重要意义，包括与经济价值的Fe-Ni-Cu-Co硫化物、铂族元素（PGE）、Cr-Fe-Ti-V-氧化物和磷灰石矿床形成相关的过程。然而，由于可用于测年的矿物如锆石在镁铁质岩石中较为稀少，确定LMI的侵入时间一直是一项挑战。本文研究了磷灰石，这是一种在镁铁质岩石中常见的副矿物，其在LMI的最演化部分可达到高模态丰度，用于评估激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS/MS）方法在确定LMI结晶时间方面的可靠性。研究团队在四个主要的LMI地区采集了富含磷灰石的岩石样品，包括美国的Duluth复合体Fe-Ti Boulder Lake North矿体、南非的Bushveld复合体上区、澳大利亚的Giles复合体Nebo-Babel侵入体以及加拿大格伦维尔省的Grader侵入体和Lac Perron矿体。这些区域的LMI形成于不同的深度和冷却条件，因此提供了研究不同地质条件下磷灰石化学特征和纹理背景的多样性。

在所有四个研究地点的磷灰石中，微量元素判别图结合岩石学数据表明，这些磷灰石具有典型的镁铁质组成，并被归类为积聚相磷灰石。在这些样品中，U-Pb年龄要么代表原始岩浆年龄，要么表现出不同程度的Pb流失，例如在Nebo-Babel侵入体和Bushveld复合体中，Pb流失程度与磷灰石晶体大小有关。相反，磷灰石的Lu-Hf系统似乎未受干扰，记录了原始的LMI结晶年龄，这在Duluth和Bushveld复合体以及Nebo-Babel侵入体中得到了验证。在格伦维尔省，由于长期的岩浆系统可能记录了较新的磷灰石生长年龄，而不是锆石的年龄。因此，这项研究展示了LA-ICP-MS/MS技术在磷灰石中进行Lu-Hf测年作为一种可靠的工具，用于获得LMI的原始岩浆年龄。

在地质背景和样品选择部分，研究团队详细介绍了四个主要的LMI地区。Duluth复合体是地球上第二大的LMI，其形成与Midcontinent裂谷有关，属于Keweenawan大岩浆省的一部分。Bushveld复合体是世界上最大的LMI，其岩浆活动发生在约2060-2055百万年前，涉及多个岩浆层。Nebo-Babel侵入体位于澳大利亚的Musgrave省，形成于约1090-1040百万年前，与Giles事件相关。格伦维尔省的Proterozoic正长岩体和相关层状侵入体如Grader侵入体和Lac Perron矿体则形成了重要的Fe-Ti-P矿化，其形成与大陆碰撞事件有关。这些地点的LMI具有不同的地质历史，包括不同的侵入深度、冷却速率和变质作用，为研究磷灰石的化学和纹理特征提供了丰富的背景。

在分析方法部分，研究团队采用了多种技术手段，包括扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）来分析样品的矿物学和微量元素组成。LA-ICP-MS/MS技术用于测定磷灰石中的U-Pb和Lu-Hf同位素系统，以评估其测年能力。具体来说，U-Pb测年通过使用30微米的激光斑点和5Hz的重复频率进行，而Lu-Hf测年则使用67微米到173微米的激光斑点和10Hz的重复频率。在测年过程中，研究团队还使用了NIST SRM 610作为参考材料，以校正仪器漂移和质量偏差。此外，研究团队还分析了不同尺寸的磷灰石晶体，以探讨其测年结果的可靠性。

在研究结果部分，研究团队展示了四个研究地点的磷灰石测年数据。这些数据表明，U-Pb测年在某些情况下受到Pb流失的影响，导致年龄偏年轻，而Lu-Hf测年则相对稳定，记录了更接近原始结晶时间的年龄。例如，在Bushveld复合体的样本中，较小的磷灰石晶体显示出较年轻的U-Pb年龄，而较大的晶体则记录了更接近原始结晶时间的年龄。在Nebo-Babel侵入体中，样本WMN32-82的U-Pb年龄显著年轻，这可能与其在区域性的裂谷事件中经历了Pb流失有关，而Lu-Hf年龄则记录了更可靠的结晶时间。在格伦维尔省的样本中，磷灰石的U-Pb测年数据显示出较大的不确定性，这可能与初始Pb组成不明确有关，而Lu-Hf测年则提供了更精确的结晶时间。

在讨论部分，研究团队探讨了不同地质条件下磷灰石测年的可靠性。例如，在Bushveld复合体中，较小的磷灰石晶体显示出较年轻的U-Pb年龄，这可能与其在区域性的变质作用或热事件中经历了Pb的体积扩散有关。而在Nebo-Babel侵入体中，样本WMN32-82的U-Pb年龄显著年轻，这可能与其在区域性的裂谷事件中经历了Pb流失有关，而Lu-Hf年龄则记录了更可靠的结晶时间。此外，研究团队还指出，虽然磷灰石的U-Pb测年在某些情况下受到干扰，但其Lu-Hf测年则更稳定，能够提供更精确的结晶时间。在格伦维尔省的样本中，磷灰石的U-Pb测年数据显示出较大的不确定性，这可能与初始Pb组成不明确有关，而Lu-Hf测年则提供了更精确的结晶时间。

研究团队的结论表明，LA-ICP-MS/MS技术在磷灰石中进行Lu-Hf测年是一种有效的方法，特别是在磷灰石在宿主岩石中较为丰富的地区。U-Pb测年在某些情况下可能受到Pb流失的影响，导致年龄偏年轻，而Lu-Hf测年则更可靠地记录了原始结晶时间。此外，研究团队还指出，在某些情况下，U-Pb测年需要使用独立的207Pb/206Pb约束条件以确保准确性，这可以通过使用共生的斜长石或使用地球化学演化模型来实现。然而，研究团队发现，使用地球化学演化模型可能会导致不准确的U-Pb年龄，因此在某些情况下，使用共生矿物如斜长石进行校正更为可靠。总的来说，这项研究展示了LA-ICP-MS/MS技术在磷灰石中进行Lu-Hf测年作为一种强大的工具，能够有效确定LMI的原始结晶时间和热历史。