鋯石U-Pb同位素定年的原理、方法及應(yīng)用研究

田方正（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

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鋯石U-Pb同位素定年的原理、方法及應(yīng)用研究

田方正
（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

摘 要：本文在研究中主要圍繞鋯石開展，在分析其化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對U-Pb同位素定年的主要原理進(jìn)行判斷，提出定年的實際方法，并分析U-Pb同位素定年在韌性剪切帶定年以及分析沉積盆地物源等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：U-Pb定年；鋯石；方法；運用

0　前言

作為月巖、變質(zhì)巖、巖漿巖以及沉積巖中的重要礦物，鋯石在成分上涉及到較多微量元素、放射性元素。而且該礦物本身具有較為穩(wěn)定的物化性質(zhì)，分布極為廣泛，加上其自身封閉溫度較高，不僅是礦物定年中的最佳選擇，也能被應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)中。因此，本文對U-Pb同位素定年相關(guān)研究，具有十分重要的意義。

1　鋯石化學(xué)特征及其U-Pb同位素定年原理

關(guān)于鋯石，其在不同類型巖石內(nèi)所體現(xiàn)的微量元素、常量元素等較為不同，且鋯石成因不同，其中的U、Th等含量也存在一定差異，且兩種含量在比值上變化較為明顯，如對于變質(zhì)鋯石U與Th含量的都較少，比值可保持在0.1以內(nèi)，而巖漿鋯石，U與Th含量較高，比值超出0.4。需注意由于較多巖漿中涵蓋的組分較為特殊，所以在鋯石成因判斷中并不能完全依靠Th/U比值。假若從稀土元素看，鋯石中有較多花崗巖、鎂鐵質(zhì)巖等存在，具有較高的豐度。而對于U-Pb同位素進(jìn)行定年，其實際原理主要表現(xiàn)在對母體進(jìn)行測定的基礎(chǔ)上，將其中因衰變而帶來的子體同位素含量變化進(jìn)行測定，結(jié)合放射性衰變定律，使同位素自形成起的年齡得以推算出來。在測定過程中，由于有U、Th都存在于鋯石中，而且貧普通Pb，本身具有較為明顯的抗后期影響優(yōu)勢，此時便需對Th、U衰變?yōu)镻b的情況分析，完成整個定年過程。需注意的是對于1000-1200Ma的年輕鋯石，測試過程中可直接引入206Pb/238U，原因在于年輕鋯石不存在較多放射成因鉛，而在放射成因鉛較多的鋯石中，可采取的定年方式為207Pb/206Pb［1］。

2　U-Pb同位素定年的主要方法分析

從現(xiàn)行定年中采用的方法看，常見的主要以LA-ICP-MS、SIM以及ID-TIMS等方法，這些方法用于U-Pb同位素定年中有各自的優(yōu)勢與弊端。首先，從LA-ICP-MS方法看，其在早期應(yīng)用中主要測定前寒武紀(jì)鋯石，整個測試原理集中表現(xiàn)在：在封閉樣品室中放置樣品，在激光作用下熔蝕樣品，此時利用樣品管盛裝氣化的樣品，利用質(zhì)譜儀分析ICP-MS中的樣品情況，并測量同位素比值，這樣結(jié)合最終測試結(jié)果，便可測定礦物同位素年齡。現(xiàn)行較多定年工作開展中，也在LA-ICP-MS方法基礎(chǔ)上進(jìn)行其他方法的研究，主要將多接收系統(tǒng)引入其中，可滿足靜態(tài)接收同位素信號要求，該方法被稱之為LA-MCICP-MS，對剝蝕空間分辨率的提高可起到突出作用。從該方法應(yīng)用的優(yōu)勢看，集中表現(xiàn)分析成本低、樣品污染小、定年分析速度快、空間分辨率高且制作過程較為簡單。但實際運用下，也有一定的弊端，如測定中需利用較多樣品量，且要求有標(biāo)準(zhǔn)礦物引入。同時，在定年過程中，204Hg對分析干擾較為明顯。

其次，以ID-TIMS法為例，其在定年方面較為常見。從該方法實現(xiàn)的原理看，要求在溫壓條件合理下，使待測礦物如硝酸、鹽酸以及氫氟酸等被溶解，并考慮將同位素稀釋劑加入其中。直至溶解礦物后，需將樣品溶液中U、Pb在離子交換色譜應(yīng)用下被分離，在此基礎(chǔ)上對U、Pb利用熱電離質(zhì)譜儀進(jìn)行測定，能夠得到同位素年齡的測定結(jié)果。從這種方法的優(yōu)勢看，無需引入用于校正的標(biāo)準(zhǔn)礦物，對于年齡范圍較廣的礦物進(jìn)行測定較為適宜，而且測量中對于單次測定可取得較高的精度。但實際應(yīng)用下，若鋯石內(nèi)部較為復(fù)雜，將難以使其年齡信息被有效測定，加上前期測定過程中需耗費較多的時間，容易影響測定結(jié)果。

最后，SIMS法的應(yīng)用。該方法又可叫做二次離子探針質(zhì)譜，要求將SHRIMP質(zhì)譜儀引入其中，完成整個測量過程。從SIMS法應(yīng)用的優(yōu)勢看，主要表現(xiàn)為：①化學(xué)分離、礦物溶解等方式都可省略；②微區(qū)原位同位素年齡測試中效果較為明顯；③由于有具體測定設(shè)備應(yīng)用其中，具有較高的空間分辨率，這樣可有效測定巖石中少量礦物。然而該方法運用下，涉及到單次測定誤差、樣品制備、制備礦物標(biāo)準(zhǔn)、儀器成本以及鋯石增生邊等問題，所以局限性也較為明顯［2］。

3　U-Pb同位素定年的具體應(yīng)用研究

U-Pb同位素定年應(yīng)用下，其涉及的領(lǐng)域集中表現(xiàn)在分析物源、鋯石年代約束等方面，也可測定韌性剪切帶。以分析物源為例，可根據(jù)U-Pb年齡，對物源區(qū)性質(zhì)與背景進(jìn)行分析，使熱構(gòu)造事件、盆地沉降二者關(guān)系進(jìn)行分析。再如鋯石年代約束方面，一般需利用顯微電子成像對鋯石內(nèi)部情況進(jìn)行分析，這樣在實際進(jìn)行原位微區(qū)定年中可提供有效參考。以較多學(xué)者在研究東部巖石圈中，在引入SHRIMP設(shè)備進(jìn)行定年中，發(fā)現(xiàn)巖石圈減薄并非在晚中生代，而起始于晚侏羅世紀(jì)。另外，在測定韌性剪切帶中，一般也需利用到同位素定年，如有學(xué)者在分析后溝金礦床中，通過定年發(fā)現(xiàn)其以154Ma作為鋯石年齡，該年齡便作為形成韌性剪切帶的年齡。另外，同位素定年應(yīng)用中，對于成礦年代學(xué)，其也可起到明顯作用［3］。

4　結(jié)論

U-Pb同位素定年是現(xiàn)行地質(zhì)應(yīng)用中考慮的主要問題。鋯石本身在大多礦物中具有一定的特殊性，包含一定的放射性元素如Th、U等，且有其自身的化學(xué)特征。在實際定年中可結(jié)合實際情況選擇不同的方法，包括LA-ICP-MS、SIM以及ID-TIMS等。同時，應(yīng)使同位素定年在地質(zhì)領(lǐng)域中的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，對推動地質(zhì)學(xué)的發(fā)展能夠發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］高少華，趙紅格，魚磊，劉釗，王海然.鋯石U-Pb同位素定年的原理、方法及應(yīng)用［J］. 江西科學(xué)，2013（03）：363-368+408.

［2］王海然，趙紅格，喬建新，高少華.鋯石U-Pb同位素測年原理及應(yīng)用［J］.地質(zhì)與資源，2013（03）：229-232+242.

［3］陳文，萬渝生，李華芹，張宗清，戴橦謨，施澤恩，孫敬博.同位素地質(zhì)年齡測定技術(shù)及應(yīng)用［J］.地質(zhì)學(xué)報，2011（11）：1917-1947.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.260