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1、第五章第五章 锆石锆石U-Pb年代学年代学Zircon Geochronology主主 要要 内内 容容一一 概述概述二二 锆石的形成锆石的形成三三 锆石锆石U-Pb定年原理定年原理四四四四 锆石锆石U-Pb定年方法定年方法一 概述它的化学成分是它的化学成分是ZrSiO4，在在Zr位置会有位置会有Hf, U, Th, Y等置换，等置换，Si位置会有少量位置会有少量P的置换。的置换。一般锆石中含ZrO2 = 65.9%, SiO2 = 32%, HfO2 =0.5 -2.0%, Th, U, HREE, P微量。锆石一般无色透明，但常具浅棕，粉红，有时深棕色。一般颜色深成因复杂，多为老锆石或U、
2、Th含量高的。其比重达 4.5-4.6，无磁性，是分选的有利条件。锆石锆石(zircon)是一个极其常见的副矿物。是一个极其常见的副矿物。 锆石的结构锆石是四方晶系矿物锆石是四方晶系矿物单偏光下正交偏光下常呈矿物包裹体二 锆石的形成岩浆结晶形成：超基性酸性，形成温度很广，（锆石饱和温度计）。变质作用： 变质重结晶； 变质增生； 热液沉淀锆石； 热液蚀变锆石。锆石内部结构的观察Smiling zircon背散射电子图像（BSE imaging)HF酸蚀刻法阴极发光电子成相（CL imaging)岩浆成因锆石变质成因岩浆结晶的变质结晶的岩浆结晶的蜕晶化锆石(metamict zircon)双层内部
3、结构两期双层内部结构两期InheritedovergrowthInheritedovergrowthInheritedmagmaticAlteration zircon深熔锆石三层内部结构三期三层内部结构三期InheritedovergrowthInheritedovergrowthInheritedAlteration zircon深熔锆石三 锆石U-Pb定年原理 同位素定年的基础是同位素定年的基础是放射性衰变定律放射性衰变定律，通过测定，通过测定母体及其衰变产生的子体同位素含量，就可以利用衰母体及其衰变产生的子体同位素含量，就可以利用衰变定律算出形成以来的时间（年龄）。变定律算出形成以来的
4、时间（年龄）。 锆石定年是利用了其中的锆石定年是利用了其中的U和和Th同位素衰变成同位素衰变成Pb同位同位素素。 定年基础定年基础235U207Pb, 238U 206Pb, 232Th 208Pb，其中间，其中间字体寿命短可以忽略，因此，可将字体寿命短可以忽略，因此，可将206Pb、207Pb、208Pb视为直接由视为直接由238U、235U、232Th形成：形成：它们的等时线方程：206Pb = 206Pbi + 238U(e238t 1) 207Pb = 207Pbi + 235U(e235t 1) 208Pb = 208Pbi + 232Th(e232t 1)方程两边除于非放射成因的稳
5、定同位素方程两边除于非放射成因的稳定同位素204Pb，得到：得到：锆石的优势 具有非常强的抗侵蚀能力，锆石中的U-Pb体系封闭温度750 oC, 形成后Pb的扩散封闭温度可以高达900 oC，锆石形成广，所以锆石是目前测定岩浆结晶和峰期变质作用年龄最理想的矿物。 锆石相对富含锆石相对富含Th, U等放射性元素，而贫普通等放射性元素，而贫普通Pb，而且其温度抗后期影响能力强而且其温度抗后期影响能力强，所以是定年的最佳样，所以是定年的最佳样品。品。四 锆石U-Pb定年方法1. Isotope dilution thermal ionization mass spectrometry 同位素稀释热电
6、离质谱仪(ID TIMS)，也称溶液法或稀释 法。多颗粒，单颗粒，化学流程，离子交换柱分离2. Secondary Ion Mass Spectroscopy二次离子探针法Sensitive High Resolution Ion Microprobe高灵敏度高分辨率二次离子探针质谱计法：SHRIMP、Cameca)法 3. Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱计（LAMICPMS）（1）TIMS方法将一个或几颗锆石溶解于氢氟酸或/硝酸，加入208Pb-235U混合稀释剂，蒸干，再用
7、硅胶磷酸溶液溶解，过离子交换柱分离U, Pb，将溶液滴在单铼带丝上，在VG354型热电离质谱仪上用高灵敏度Daly检测器进行U, Pb同位素分析。TIMS U-Pb定年分析可以给出206Pb/204Pb, 208Pb/206Pb, 以及普通铅校正过的206Pb/238U，207Pb/235U，207Pb/206Pb比值。为了减少Pb丢失的影响和吸附的普通Pb, 通常在锆石溶解前利用高压气体进行磨蚀或用酸浸滤处理.TIMSTIMS的优缺点不足:需要高标准的超净实验室繁琐的化学处理无法微区分析, 存在不同期锆石混合的危险时间长,价钱高优点:分析精度高（2）二次离子探针SHRIMP是高灵敏高分辨率离
8、子探针，从仪器类型看也有称之为高分辨率高灵敏度二次离子质谱仪。第一台SHRIMP是于1980年在澳大利亚国立大学研制建成。由地球科学院的物理和同位素专家W Compston教授和他的博士生S Clement于1973年开始立项研究，先后参加人员还包括F Burden(机械), N Schram(电子), D Millar(技术负责人), G Newstead(磁铁)和D Kerr(计算机控制)。第一次成功的测试是用Ar+为一次离子源，对澳大利亚Broken Hill的方铅矿进行了S、Pb同位素分析，获得了精确的结果，这标志着SHRIMP新技术的诞生。SHRIMP的成功的成功极大地推动了地球科学
9、的发展极大地推动了地球科学的发展。技术特点:高分辨率, 高灵敏度, 高精度, 微区原位此外，SHRIMP还可以进行固体物质微区的S、Pb、Ti、Hf和Mg同位素，以及REE含量的测定.SHRIMP的最大技术优势是矿物（锆石，独居石、榍石、磷钇矿和磷灰石等）的微区原位(in situ)定年，不需化学处理，可对一个矿物的不同部位直接定年，一般束斑直径是2030m左右，1-2m深。可以测定非常年轻形成的锆石年龄(2 Ma). SHRIMP样品SHRIMP分析分析出206Pb/204Pb，206Pb/238U，207Pb/235U, 207Pb/206Pb和208Pb/232Th比值。将锆石颗粒与标样
10、置于同一环氧树脂样品柱中，磨蚀抛光至锆石核心出露。镀金后置于SHRIMP分析舱内，用于分析。（3） LA-ICP-MS 这是一种新发展和建立起来的定年方法, 它是利用等离子体质谱计(ICPMS)进行U-Th-Pb同位素分析. 先将锆石样品用环氧树脂浇铸在一个样品柱上(mount), 磨蚀和抛光至锆石核心出露, 无需喷炭或镀金. 也无需将标样置于同一 mount中. 将这个mount和标样放置于同一样品舱内. 用激光剥蚀锆石使其气化, 用Ar气传输到ICP-MS中进行分析.标样LA-ICP-MS特点原位(in situ), 束斑直径4060 mm; 深度30 mm廉价(100-120元/点)准确
11、(能满足大多数地质上的定年需要)快速(5-8分钟/点),同步检测分析结果投入少 但是, LA- ICP-MS分析数据的精度低于TIMS和SHRIMP, 更重要的缺陷是它无法准确测定204Pb, 因为此峰被Ar气中普遍存在的Hg(202Hg)干扰了. 这样就无法按传统的方法对测得的Pb同位素进行普通Pb的校正.数据选择l常规LA-ICPMS测试结果l l包含207Pb/206Pb， 207Pb/235U， 206Pb/208U和 208Pb/232Th的比值和年龄l数据取舍：l l10亿年，通常认为207Pb/206Pb更能反映古老年龄LA-ICP-MS与离子探针方法锆石定年结果比较澳大利亚国立
12、大学标准锆石澳大利亚国立大学标准锆石哈佛大学标准锆石哈佛大学标准锆石辽南永胜霓霞正长岩辽南永胜霓霞正长岩 辽东饮马湾山辉长岩辽东饮马湾山辉长岩 北京东岭台组火山岩北京东岭台组火山岩辽南永胜霓霞正长岩辽南永胜霓霞正长岩 Xu et al.，2012. LithosSHRIMP和LA-ICPMS定年结果对比广州地球化学研究所广州地球化学研究所LA-ICP-MS中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）LA-ICP-MS西北大学的LA-ICP-MS澳大利亚Macquarie大学的LA-ICP-MS南京大学地球科学系LA-ICPMS实验室DBG06 (1152 Ma)DBG06 (1162 Ma)锆石定年244254 Ma2342 Ma250118Ma2272 MaSurface 1rounded, detrita lmorpho logyaacSurface 2 outlineCavosie et al., 2006 GCA不同粒径的锆石定年斑束设计30微米20微米White and Ireland，2012. CGXu et al.，2012. Lithos
