鋯石U-Pb定年

1、鋯石年代學鋯石年代學Zircon Geochronology鋯石的組成它的化學成分是它的化學成分是ZrSiO4，在在Zr位置會有位置會有Hf, U, Th, Y等置換，等置換，Si位置會有少量位置會有少量P的置換。的置換。一般鋯石中含ZrO2 = 65.9%, SiO2 = 32%, HfO2 =1.0 -2.0%, Th, U, HREE, P微量。鋯石一般無色透明，但常具淺棕，粉紅，有時深棕色。一般顏色深成因復雜，多為老鋯石或U、Th含量高的。其比重達 4.5-4.6，無磁性，是分選的有利條件。鋯石鋯石(zircon)是一個極其常見的副礦物。是一個極其常見的副礦物。鋯石的結構鋯石是四方晶系

2、礦物鋯石是四方晶系礦物單偏光下正交偏光下常呈礦物包裹體鋯石的晶面Zircon typological classification Pupin (1980) 鋯石的形成巖漿結晶形成：超基性酸性，形成溫度很廣，（鋯石飽和溫度計）。變質(zhì)作用： 深熔鋯石； 變質(zhì)重結晶； 變質(zhì)增生； 熱液沉淀鋯石； 熱液蝕變鋯石。鋯石內(nèi)部結構的觀察Smiling zircon背散射電子圖像（BSE imaging)HF酸蝕刻法陰極發(fā)光電子成相（CL imaging)巖漿成因鋯石變質(zhì)成因巖漿結晶的變質(zhì)結晶的巖漿結晶的雙層內(nèi)部結構兩期InheritedovergrowthInheritedovergrowthInheri

3、tedmagmaticAlteration zircon深熔鋯石蛻晶化鋯石(metamict zircon)定年原理 同位素定年的基礎是放射性衰變定律，通過測定同位素定年的基礎是放射性衰變定律，通過測定母體及其衰變產(chǎn)生的子體同位素含量，就可以利用衰母體及其衰變產(chǎn)生的子體同位素含量，就可以利用衰變定律算出形成以來的時間（年齡）。變定律算出形成以來的時間（年齡）。鋯石相對富含鋯石相對富含Th, U等放射性元素，而貧普通等放射性元素，而貧普通Pb，而，而且其溫度抗后期影響能力強，所以是定年的最佳樣品且其溫度抗后期影響能力強，所以是定年的最佳樣品鋯石定年是利用了其中的鋯石定年是利用了其中的U和和Th同

4、位素衰變成同位素衰變成Pb同位素同位素定年基礎定年基礎235U207Pb, 238U 206Pb, 232Th 208Pb，其中間，其中間字體壽命短可以忽略，因此，可將字體壽命短可以忽略，因此，可將206Pb、207Pb、208Pb視為直接由視為直接由238U、235U、232Th形成：形成：它們的等時線方程：206Pb = 206Pbi + 238U(e238t 1) 207Pb = 207Pbi + 235U(e235t 1) 208Pb = 208Pbi + 232Th(e232t 1)方程兩邊除于非放射成因的穩(wěn)定同位素方程兩邊除于非放射成因的穩(wěn)定同位素204Pb，得到：，得到：) 1(

5、238204238204206204206tiePbUPbPbPbPb) 1(235204235204207204207tiePbUPbPbPbPb) 1(232204232204208204208tiePbThPbPbPbPb理論上理論上, , 上述等時線也能象上述等時線也能象Rb-SrRb-Sr和和Sm-NdSm-Nd體系一樣體系一樣進行巖石定年。但是，進行巖石定年。但是，U U、ThTh、PbPb的活動性相當大，的活動性相當大，使得使得U-PbU-Pb等時線定年受到很大的限制。等時線定年受到很大的限制。等時線方程則前述方程則前述方程206Pb=206Pbi+238U(e238t -1)；

6、 207Pb=206Pbi+235U(e235t -1)可簡化為：可簡化為：206Pb=238U(e238t -1)； 207Pb=235U(e235t -1)鋯石中含有的U、Th卻很少含Pb，如果假設鋯石形成時不含Pb，即測定的所有Pb為放射成因。鋯石的優(yōu)勢206Pb=238U(e238t -1)； 207Pb=235U(e235t -1)一致方程由上式可得：206Pb / 238U = e238t -1207Pb / 235U = e235t -1如果測定的鋯石在形成后對U-Pb同位素是封閉的，則可以得到兩個相同的年齡。在207Pb/235U為橫坐標，206Pb/238U為縱坐標的二維圖上

7、，不同的年齡點構成了一條一致曲線。一致曲線Concordia諧和圖鋯石的優(yōu)勢而且具有非常強的抗侵蝕能力，鋯石中的U-Pb體系封閉溫度750 oC, 形成后Pb的擴散封閉溫度可以高達900 oC，鋯石形成廣，所以鋯石是目前測定巖漿結晶和峰期變質(zhì)作用年齡最理想的礦物。鋯石形成時有少量初始（普通）Pb的存在，在年齡計算中需要扣除。但由于鋯石中普通Pb很低，則只需測定204Pb的含量，再根據(jù)地球Pb演化模式獲得206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，估算出普通Pb并進行扣除即可獲得放射成因鉛。不一致曲線DiscordiaPb loss and Discordia上交點(upper inte

8、rcept)年齡代表鋯石結晶年齡；下交點(lower intercept) 年齡或者代表造成鉛丟失的一次熱事件，或者沒有任何地質(zhì)意義。鋯石U-Pb定年方法1. Sensitive High Resolution Ion Microprobe 高靈敏度高分辨率離子探針質(zhì)譜計(SHRIMP)法2. Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry 激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜計（LAM ICPMS）3. Isotope dilution thermal ionization mass spectrometry 同位素稀釋熱電離質(zhì)

9、譜儀(ID TIMS)，也稱溶液法或稀釋 法。多顆粒，單顆粒，化學流程，離子交換柱分離4. Single zircon evaporation, using thermal ion mass spectrometry 熱離子質(zhì)譜計逐級蒸發(fā)沉積測定法1. SHRIMPSHRIMP是高靈敏高分辨率離子探針，從儀器類型看也有稱之為高分辨率高靈敏度二次離子質(zhì)譜儀。第一臺SHRIMP是于1980年在澳大利亞國立大學研制建成。由地球科學院的物理和同位素專家W Compston教授和他的博士生S Clement于1973年開始立項研究，先后參加人員還包括F Burden(機械), N Schram(電子),

10、 D Millar(技術負責人), G Newstead(磁鐵)和D Kerr(計算機控制)。第一次成功的測試是用Ar+為一次離子源，對澳大利亞Broken Hill的方鉛礦進行了S、Pb同位素分析，獲得了精確的結果，這標志著SHRIMP新技術的誕生。SHRIMP的成功的成功極大地推動了地球科學的發(fā)展極大地推動了地球科學的發(fā)展。技術特點:高分辨率, 高靈敏度, 高精度, 微區(qū)原位此外，SHRIMP還可以進行固體物質(zhì)微區(qū)的S、Pb、Ti、Hf和Mg同位素，以及REE含量的測定.由于SHRIMP比以前的離子探針在性能上有很大提高，故現(xiàn)在一般將其他類型的離子探針質(zhì)譜儀稱為”常規(guī)離子探針質(zhì)譜儀” (S

11、IMS)SHRIMP的最大技術優(yōu)勢是礦物（鋯石，獨居石、榍石、磷釔礦和磷灰石等）的微區(qū)原位(in situ)定年，不需化學處理，可對一個礦物的不同部位直接定年，一般束斑直徑是2030mm左右，1-2mm深。可以測定非常年輕形成的鋯石年齡(2 Ma). SHRIMP樣品SHRIMP分析分析出206Pb/204Pb，206Pb/238U，207Pb/235U, 207Pb/206Pb和208Pb/232Th比值。將鋯石顆粒與標樣置于同一環(huán)氧樹脂樣品柱中，磨蝕拋光至鋯石核心出露。鍍金后置于SHRIMP分析艙內(nèi)，用于分析。SHRIMP成果第一代SHRIMP I的工作主要是在八十年代，揭示了最老的地殼物

12、質(zhì)是形成于4.14.2Ga，早于以前認為的3.8Ga。后來在2001年這一年齡又提前到4.4Ga(Wilde et al, 2001)。在我國華北，TIMS和蒸發(fā)法得到的是3.33.5 Ga, SHRIMP研究發(fā)現(xiàn)了3.8 Ga的地殼物質(zhì)(Liu, 1992)。我國工作者得到的最年輕的是青藏高原堿性玄武巖的加權平均年齡是3.820.08 Ma (MSWD = 1.16)，不一致曲線與諧和線的交點是3.800.11 Ma (MSWD = 1.15)(萬渝生等，2004)。世界上獲得的最年輕的是美國Oregon州的一個晚更新世的花崗閃長巖(112 24 Ka, Bacon et al, 2000)

13、 對一些前寒武紀鋯石，SHRIMP獲得的207/206年齡往往具有較小的誤差，而206/238的誤差相對較大，這與LA-ICP-MS正好相反。所以它一般多用207/206年齡.另外, 對于高U鋯石區(qū)，SHRIMP有時會得出高的206/238年齡.SHRIMP的問題SHRIMP STANDARDS目前被SHRIMP用作標樣的鋯石有SL13, QGNG, AS3 和 TEMORA 1. Black et al (2003)的分析對比顯示：最常用的SL13具有最不均勻的Pb/U比值,用它做標樣是, 得到的年齡一般都低于其他三個標樣標定的結果. AS3標定的年齡是最老的. 只有QGNG和TEMORA

14、1產(chǎn)生的年齡與ID TIMS結果一致. 在這兩者中TEMORA 1能獲得更高的精度.2. ID TIMS方法將一個或幾顆鋯石溶解于氫氟酸或/硝酸，加入208Pb-235U混合稀釋劑，蒸干，再用硅膠磷酸溶液溶解，過離子交換柱分離U, Pb，將溶液滴在單錸帶絲上，在VG354型熱電離質(zhì)譜儀上用高靈敏度Daly檢測器進行U, Pb同位素分析。ID TIMS U-Pb定年分析可以給出206Pb/204Pb, 208Pb/206Pb, 以及普通鉛校正過的206Pb/238U，207Pb/235U，207Pb/206Pb比值。為了減少Pb丟失的影響和吸附的普通Pb, 通常在鋯石溶解前利用高壓氣體進行磨蝕或

15、用酸浸濾處理.TIMS and SHRIMPGlastonbury Complex, USA (Aleinikoff et al, 2002)450.5 1.6 Ma (MSWD = 1.11) TIMS448.2 2.7 Ma (MSWD = 1.3) SHRIMP單個的分析點精度更高(Pidgeon et al, 1996)，如207/206年齡是26352691 14 Ma; 平均值 2655 3 Ma (6.8).SHRIMP 26442681 416 Ma, 2654 5 Ma 又如國內(nèi)的數(shù)據(jù)：北秦嶺德河黑云二長花崗片麻巖：924.31030.6 1.88.0 Ma, 平均值964.

16、4 5.2 Ma (TIMS);207/206 905999 1947 Ma，平均值943 18 Ma (SHRIMP)TIMS的優(yōu)缺點不足:需要高標準的超凈實驗室繁瑣的化學處理無法微區(qū)分析, 存在不同期鋯石混合的危險時間長,價錢高優(yōu)點:分析精度高3. LA-ICP-MS這是一種新發(fā)展和建立起來的定年方法, 它是利用等離子體質(zhì)譜計(ICPMS)進行U-Th-Pb同位素分析. 先將鋯石樣品用環(huán)氧樹脂澆鑄在一個樣品柱上(mount), 磨蝕和拋光至鋯石核心出露, 無需噴炭或鍍金. 也無需將標樣置于同一 mount中. 將這個mount和標樣放置于同一樣品艙內(nèi). 用激光剝蝕鋯石使其氣化, 用Ar氣傳

17、輸?shù)絀CP-MS中進行分析.LA-ICP-MS特點原位(in situ), 束斑直徑4050 mm; 深度30 mm廉價(100-120元/點)準確(能滿足大多數(shù)地質(zhì)上的定年需要)快速(5-6分鐘/點),同步檢測分析結果投入少但是, LA- ICP-MS分析數(shù)據(jù)的精度低于TIMS和SHRIMP, 更重要的缺陷是它無法準確測定204Pb, 因為此峰被Ar氣中普遍存在的Hg(202Hg)干擾了. 這樣就無法按傳統(tǒng)的方法對測得的Pb同位素進行普通Pb的校正.MC-ICP-MSHf 同位素分析LA-ICP-MS設備GLITTER 4.4 programGLITTER 4.4 programGLITTE

18、R 4.4LA-ICP-MS and SHRIMP可以用LA-ICP-MS測定第三紀鋯石的年齡，其總體精度可與SHRIMP相媲美分析次數(shù)SHRIMP均方差分析次數(shù)LA-ICP-MS 均方差東部斑巖157689西部斑巖1034.00.31.00736中部斑巖135832智利斑巖銅礦區(qū)的斑巖時代4. 熱離子質(zhì)譜計逐級蒸發(fā)沉積測定法簡稱蒸發(fā)法，是由Kober(1986, 1987)提出，故又稱Kober法。鋯石晶體在船形燈絲上加熱到1600K，此時鋯石尚未蒸發(fā)，但可以去掉雜質(zhì)和吸附的普通Pb；然后升高

19、樣品帶溫度，使鋯石蒸發(fā)并沉積到沉積帶上，30分鐘后將樣品帶電流降低，升溫電離帶對沉積物進行207Pb/206Pb比值測定。測定完成，將沉積帶升溫至1900K，揮發(fā)掉沉積物。再重復開始，蒸發(fā)逐漸往核部發(fā)展，可以獲得不同層的年齡。用MAT261質(zhì)譜儀分析蒸發(fā)法的結果此方法只能獲得207Pb/206Pb, 208Pb/206Pb和 204Pb/206Pb比值, 所以必須對上述年齡計算式進行換算:即為諧和線某年齡點（通即為諧和線某年齡點（通過原點）的斜率的倒數(shù)過原點）的斜率的倒數(shù)原來年齡計算方程原來年齡計算方程: :兩者相除兩者相除: :11238235*206*207tteePbPb= 137.88

20、206Pb / 238U = e238t -1207Pb / 235U = e235t -1235U238U235U238U三個年齡的關系三個年齡的關系蒸發(fā)法所以, 對于沒有Pb丟失的樣品, 此方法獲得的年齡是準確的;又由于207Pb總比206Pb少, 所以對老年齡的鋯石的定年更加可靠;由于老鋯石常常會發(fā)生Pb丟失, 所以此方法得到的年齡一般小于或等于鋯石的結晶年齡。蒸發(fā)法Pb丟失的判斷207Pb/206Pb表面年齡始終一致，表明沒有Pb丟失，U-Pb體系是封閉的；207Pb/206Pb表面年齡逐漸增大，顯示外部Pb丟失明顯；如果在某一時刻后年齡不變了，說明內(nèi)部是封閉的。經(jīng)高壓氣體磨蝕后可以提高諧和性。目前(95以來), 此方法已很少被人們使用. 因為沒有突出的優(yōu)點.對分析結果的解釋1. 單一年齡且在諧和線上單一年齡且在諧和線上 加權平均值加權平均值結晶年齡結晶年齡2.