锆石U-Pb年代学测定技术,刘勇胜 中国地质大学（武汉） 地质过程与矿产资源(GPMR)国家重点实验室,2012.3.成都,U-Th-Pb定年原理及定年矿物 锆石U-Pb年龄测定技术 TIMS SIMS LA-(MC)ICP-MS 锆石LA-ICP-MS数据处理及不确定度 锆石U-Th-Pb数据的处理与表达 GPMR实验室元素和同位素分析实验室,1. U-Th-Pb定年原理及定年矿物,放射性同位素定年的基本方程为， N：残留的未衰变母体同位素核子数，D：t时间内产生的子体同位素核子数，λ为衰变常数U、Th放射性衰变参数,238U → 206Pb + 8 + 6 t1/2 = 4.468 109yr ; 1= 1.55125 10-10yr-1 235U → 207Pb + 7 + 4 t1/2 = 0.7038 109yr; 2= 9.8485 10-10yr-1 232Th → 208Pb + 6 + 4 t1/2 = 14.01 109yr; 3= 4.9475 10-10yr-1,,,,,U-Th-Pb法定年,,U-Th-Pb法定年矿物,锆石(ZrSiO4)、 斜锆石(ZrO2)、 独居石((Ce,La,Th,Nd,Y)PO4)、 磷灰石(Ca5(PO4)3(OH,F,Cl))、 榍石(CaTiSiO5)、 石榴石(X3Z2(TO4)3 (X = Ca, Fe, etc., Z = Al, Cr, etc., T = Si, As, V, Fe, Al) )、 金红石(TiO2)、 钙钛矿(CaTiO3)、 钛铁矿(FeTiO3)、 锡石(SnO2) 方解石(CaCO3) (Faure and Mensing, 2004),榍石,斜锆石,锆石,锆石：最常用的U-Pb法定年对象,富集U-Th、初始Pb含量低 Zr: 0.8-0.92 (+4) U: 0.97-1.13 (+4) Th: 1.05 (+4) Pb: 1.02-1.37 (+2) (稳定价态) 抗蚀变和变质作用能力强、U-Th-Pb体系封闭性好、封闭温度高；,2. U-Th-Pb同位素分析方法,TIMS SIMS LA-(MC)ICP-MS,Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,离子计数器,检测器 法拉第杯 + 离子计数器,TIMS SIMS MC-ICP-MS,Q-ICP-MS,TIMS法,对晶体内部结构均一、成因简单的颗粒锆石，TIMS法可以获得高精度的U-Pb年龄 Pb 丢失 环带/核边（混合信号） 需要稀释剂：233U、205Pb 需要超低本底,,用强磁分选仪去除有磁性的锆石(放射性损伤晶体结构受损而混有富铁杂质) 磨除锆石表层物质(Chemical abrasion/Air abrasion) 逐层Pb蒸发法,气磨、无磁性、弱磁性锆石,Krogh (1982b),,,,弱磁性锆石,无磁性锆石,气磨锆石,,,,,SIMS和LA-(MC)ICP-MS,SIMS和LA-ICP-MS可原位分析锆石晶体内部的微区，定年目的性明确 与BSE、CL图像相结合，对于组成和结构复杂的锆石进行定年，可以得到不同锆石区域的形成年龄,,,束斑直径： 通常10-30μm,CAMECA IMS xxxx,束斑直径 1280: 5-- μm NanoSIMS: Pb-Pb 2 μm U-Pb 5 μm,Yang et al. (2012, JAAS),SIMS基体效应显著，高U样品难以分析,LA-ICP-MS/LA-MC-ICP-MS,Laser Ablation system,,,ICP-MS,MC-ICP-MS,ICP-MS vs. MC-ICP-MS,U-Pb年龄 微量元素含量,Hf同位素 Sr-Nd-Pb-……同位素 U-Pb年龄,LA-ICP-MS在不同学科的应用情况,,,LA-ICP-MS,Günther and Hattendorf (2005),,,低背景 样品消耗量小 动态线性范围宽(9个数量级) 高空间分别原位分析(5μm) 分析速度快(单点分析3min) 可以进行元素和同位素比值分析 顺序扫描(同一时间测定一个同位素),LA-MC-ICP-MS,低背景 样品消耗量小 高空间分辨原位分析(5μm) 分析速度快(单点分析通常3min) 同时测定多个同位素，同位素比值精度高,LA-MC-ICP-MS,U-Pb年龄 Hf同位素 Sr同位素 Nd同位素 Mo同位素 ……,U-Pb年龄 微量元素含量,LA-ICP-MS,,年龄、成因,Yuan et al. (2008, CG),,,U-Pb年龄 微量元素含量,Hf同位素 (Sr同位素) (Nd同位素) (U-Pb年龄),LA-MC-ICP-MS,Hf同位素,U-Pb年龄 微量元素含量,LA-ICP-MS,,,,,,大束斑 44μm,TIMS vs. LA-(MC)ICP-MS vs. SIMS,,,LA-ICP-MS能够获得和SHRIMP在精密度和准确度上相媲美的U-Pb年代学数据！,解决什么问题？ 样品的类型（碎屑岩/花岗岩） 锆石物理(粒径)化学(U含量)特征 成本,,A bridge,3. LA-ICP-MS数据处理及不确定度,Raw Signal,Accurate data report,Data Reduction Strategy,Lamtrace GeoPro Glitter Iolite LanQuant ICPMSDataCal ……,仪器信号处理、选择 背景扣除 质量歧视校正 灵敏度漂移校正 定量计算 U-Pb同位素定年 微量元素含量分析 单个熔/流体包裹体测试 Hf、Nd等同位素分析,数据处理,,,LA-ICP-MS分析信号变化特征,LA-ICP-MS分析中存在质量歧视效应 （含量相同，但灵敏度不同）,1. 剥蚀量变化引起的灵敏度漂移（内标校正） 2. ICP-MS引起的灵敏度漂移 重质量漂移慢 轻质量漂移快,,,,剥蚀量&ICP-MS,LA-ICP-MS分析信号变化特征,锆石U-Pb年代学数据,LA-ICP-MS分析中存在同位素分馏效应 （不同同位素分析信号随时间的变化不是等比例的）,,仪器状态 束斑大小 剥蚀方式 (单点/线扫),质控标准(QCS)内插法,,,,,,QCS,QCS,QCS,QCS,QCS,596+/- 8.6Ma,625+/- 8.4Ma,567+/-10.7Ma,GJ-1 24m,保持外标样品的信号区间不变,和外标区间一致,和外标区间不一致,和外标区间不一致,外标分析点和样品分析点的信号积分区间（包括起始位置和时间长度）应尽可能保持一致，以便有效地校正测试过程中的同位素分馏。
年龄不确定度与MSWD,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,数据不确定度大，MSWD小 数据不确定度小，MSWD大,,4. U-Th-Pb数据的处理与表达,Wetherill谐和曲线图 Tera-Wasserburg谐和曲线图 普通Pb校正,Parrish and Stephen (2003),谐和曲线图 Concordia Diagram,若矿物(如锆石)形成时，只含有U、Th，而不含Pb；且矿物形成后U-Pb同位素体系保持封闭，则206Pb/238U和207Pb/235U将给出谐和的年龄t(即相同的年龄） 由谐和年龄点组成的轨迹称为谐和曲线谐和曲线最初由Wetherill(1956)定义，该图示方法称谐和曲线图Wetherill谐和曲线图,Tera-Wasserburg谐和曲线图,不一致线 Discordia,多数含U矿物的206Pb/238U和207Pb/235U年龄间存在明显差异，即为不谐和年龄（矿物形成后Pb丢失/获得、U丢失/获得、混合信息）； 若锆石中Pb丢失由单一事件引发，发生了不同程度Pb丢失锆石的U/Pb同位素组成将偏离谐和曲线，而沿一条直线分布，构成一条与谐和曲线有两个交点的“弦线”，即不一致线。
上交点代表锆石结晶年龄，下交点代表后期热事件的时间3.5Ga形成的锆石于1.0Ga发生热事件后……,,锆石的故事：,,4) 经过3.5Ga后，封闭锆石记录了3.5Ga的形成年龄,1/2) 1.0Ga时锆石发生热事件，部分Pb全部丢失，其当时的年龄变为0Ga,2/2) 另外一些锆石则未丢失Pb，故其在热事件发生时的年龄为3.5 -1.0 = 2.5Ga,1) 3.5Ga前锆石形成,3) 3.5Ga后，热事件Pb全部丢失Pb的锆石只记录了1.0Ga的年龄,,,,5)其它锆石发生了不同程度的Pb丢失，故经历了3.5Ga后，其年龄介于1.0-3.5Ga间，但其U-Pb组成沿连接1.0-3.5Ga点的直线分布锆石U、Pb体系开放的可能情形,Pb丢失：绝大多数锆石的体系开放行为是Pb丢失; U和Pb化学性质不同，U衰变形成的Pb在晶格中处于不稳定状态； U放射性衰变造成锆石晶体结构损伤，产生脱晶化，加速了Pb的迁移 Pb获得：使同位素组成失去年代学意义，通常难以获得真实的年龄信息； U获得：对锆石在谐和曲线上位置的影响与Pb丢失相同； U丢失：使锆石组成沿不一致线外切线方向分布，但其与谐和曲线上、下交点的地质意义相同。
高U核部脱晶化，Pb丢失导致的年龄反环带,Xu et al., 2012 (Lithos),分析造成的不一致线：混合信号,,,,,,,高普通Pb样品：普通Pb校正,204Pb校正：根据Pb增生曲线或富Pb矿物计算普通Pb丰度校正； 207Pb校正：假设该锆石U-Pb年龄谐和，利用207Pb/206Pb通过迭代计算获得； 208Pb校正：假设锆石形成后放射成因Pb和Th/U比值未改变，利用208Pb/206Pb和Th/U比值校正普通Pb； Andersen (2002, CG)校正方法,,,高普通Pb样品,Tera-Wasserburg图解对于含普通Pb锆石的年龄计算非常合适（Jackson et al., 2004, CG）,锆石U-Pb定年对岩浆岩形成年龄测定的适用性,5. GPMR国家重点实验室元素和同位素分析室,数据质量不仅是制约科学研究的主要瓶颈，而且是体现实验室水平的基本参数ICP-MS (Agilent 7500a, 7700x) + MC-ICP-MS (Neptune Plus) + LA (两台GeoLas Pro),LA-MC-ICP-MS实验室,Triton TI TIMS,TIMS实验室,NewWave MicroMill,超净化实验室(150M2) （净化度100－1000级）,Nu 1700 MC-ICP-MS,Agilent 8800,飞秒激光剥蚀系统,近期将购置的仪器,谢 谢！,欢迎大家造访GPMR实验室！,。