Thematic knowledge

星期五的地質

Friday geological

首頁 >

主題文章

>

星期五的地質

2016-05-27

那些火成岩鋯石告訴我們的事

文字:朱美妃 (台灣大學海洋研究所;mfchu@ntu.edu.tw)

本世紀初 (西元 2001 年),一個長軸約 50 um 橢圓點上的鈾—釷—鉛放射性同位素定年分析,刷新了世界最老岩礦的紀錄、推進到 44 億年,這無疑是對「『鋯石』恆久遠,一顆永留傳 (Zircons are forever.)」的最佳詮釋。

鋯石的組成是矽酸鋯 (Zr2SiO4),常形成於中、酸性岩漿的結晶分異後期,是深成岩以及中、酸性火山岩中常見的副礦物;由於其結晶構造能耐受機械磨蝕與化學侵蝕,形成後即便在漫漫的地球歷史中經歷了多種地質作用,仍有機會殘存下來,所以在平均組成是中性、花岡閃長岩質的大陸地殼中,鋯石其實相當普遍,不過它們一般僅約 100 um長,放在指頭上還會掉進指紋中。

鋯石中富含微量元素,例如:鉿、稀土元素以及鈾、釷,但是結晶構造卻排擠鉛,這結晶初始時富含母元素卻罕有子元素的狀態,作為鈾—鉛定年分析的材料是再理想不過,加上鋯石的鈾—鉛放射性同位素系統具有高封存溫度,也就是岩漿才降溫至攝氏 800 度左右時,鋯石的鈾—鉛放射性同位素組成就已自成系統,不再與外界交換、平衡,鈾—鉛放射性同位素「時鐘」開始計時!因此我們常會自火成岩中分離出鋯石來定年,將其鈾—鉛年齡視為岩漿事件發生的年代。但如果你以為「火成岩中鋯石的鈾—鉛年齡指示相應岩漿活動的發生時間;而定年學家註定就是個『工具人』!」……文章至此連600字都不到,光靠膝蓋就可推知誤會可大了;Shao et al. (2015)便是一個例子。

眾所皆知,今日的海岸山脈大抵是由呂宋島弧北段的幾座火山拼貼而成,為了確知其相應的岩漿活動年代,Shao et al. (2015) 從奇美火成雜岩的六個中性岩樣中分離出鋯石,利用雷射燒蝕感應耦合電漿質譜術以約 50 um 的束斑分析其鈾—鉛年齡;最終的 292 筆可用數據中,絕大多數的年齡值是在中生代之前,並給出四個峰值,分別是:(1) 218 ± 3 Ma (n=56,2 SD),(2) 726 ± 16 Ma (n=13),(3) 1863 ± 10 Ma (n=31),(4) 2522 ± 19 Ma (n=13);僅約 10% 的數據給出了新生代年紀,可分辨出四個年齡峰:(1) 9.0 ± 0.4 Ma (n=11),鋯石主要來自一個岩樣,(2) 14.2 ± 0.4 Ma (n=9),(3) 24 ± 2 Ma (n=5),(4) 34 ± 4 Ma (n=4)。然而,這樣的數據「不」是說明呂宋島弧火山活動始於 25 億年前!

火成岩中的鋯石,有些是由形成該岩石的岩漿中結晶出來的,稱為「岩漿鋯石」,火成岩中「岩漿」鋯石的鈾—鉛年齡才能指示相應的岩漿活動年代;在奇美安山岩的例子中,9.0 Ma 這最年輕的峰值即是奇美火成活動可能的最晚期年代。其餘的鋯石則為「繼承鋯石 (inherited zircon)」,亦即是捕獲晶;前述的 ~14 Ma 峰值,由鋯石在地球化學性質上(Th/U 比值與鉿同位素) 的相似性,Shao et al. (2015) 認為可能源自較早期的呂宋島弧岩漿活動,也就是說有些被分析的中中新世鋯石是岩漿鋯石,有些可能是繼承鋯石,至於其他的年齡峰值則應是更早的其他地質事件紀錄。

呂宋島弧是歐亞大陸板塊向東隱沒至菲律賓海板塊之下所造成,因是 (南海) 海洋岩石圈隱沒至海洋岩石圈之下,該為洋內弧;如此應以基性岩漿為主的島弧火成活動,並不利於鋯石的形成,更遑論含有大量的繼承鋯石了!而奇美火成雜岩中有如此豐富的繼承鋯石,顯然在岩漿上湧的路徑上,經過了能提供大量老鋯石的物質,換言之,海岸山脈下實則暗藏了大陸地殼。

這些由岩漿於現地採集來的繼承鋯石們,Shao et al. (2015) 注意到它們的年齡譜 (age spectrum) 以及鉿同位素對年齡的分布與華南地塊鋯石數據相當一致,說明這隱匿的大陸地殼如同 Mindoro、Palawan 亦源自華南地塊,隨著南海的張裂而與華南地塊分離,在呂宋島弧形成前拼貼至菲律賓海板塊西緣,之後與呂宋島弧一同朝西北接近歐亞大陸邊緣,最終成為台灣島的大南澳變質雜岩帶與海岸山脈。這樣的構造模型對於為何是古南海的海洋岩石圈隱沒提出了解釋,另一方面挑戰了傳統上視歐亞大陸為單一整體的弧陸碰撞模式;Şengör (1984) 以複雜的大陸邊緣分離陸塊以及島弧的形成與拼貼來解讀東南亞地區的造山與地殼增生歷史,Shao et al. (2015) 對奇美火成雜岩鋯石的研究支持以此「條帶微陸 (ribbon continents)」模式檢視東亞地區的構造與地質演化。

在 Shao et al. (2015) 對火成岩鋯石的研究工作中,我們的視野從數百微米大小的鋯石展延到數百公里長的台灣島,從鋯石的鈾—鉛年齡能一路推演到東亞的地體構造演化歷史——火成岩鋯石儘管迷你,但其迷人之處已無庸置疑!

主題資料來源:

Şengör, A.M.C. (1984). The Cimmeride orogenic system and the tectonics of Eurasia. Geol. Soc. Ame. Special Paper 195, 1-74. doi:10.1130/SPE195-p1. http://specialpapers.gsapubs.org/content/195/1.abstract
Shao, W.-Y., Chung, S.-L., Chen, W.-S., Lee, H.-Y and Xie, L.-W. (2015). Old continental zircons from a young oceanic arc, eastern Taiwan: Implications for Luzon subduction initiation and Asian accretionary orogeny. Geology, 43, 479-482. doi: 10.1130/G36499.1. http://geology.gsapubs.org/content/early/2015/04/24/G36499.1.abstract

**歡迎會員投稿,意者請逕行與學會聯絡**
本著作係採用創用 CC 姓名標示-非商業性-禁止改作 4.0 國際 授權條款授權