锆石U-Pb同位素年代学测试技术概论及定年方法(刘勇胜).ppt

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TIMSSIMSLA 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 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 1235U 207Pb 7 4 t1 2 0 7038 109yr 2 9 8485 10 10yr 1232Th 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 FaureandMensing 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 TIMSSIMSLA MC ICP MS SecondaryIonMassSpectrometry SIMS 离子计数器 检测器法拉第杯 离子计数器 TIMSSIMSMC 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 Chemicalabrasion Airabrasion 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 30 m CAMECAIMSxxxx 束斑直径1280 5 mNanoSIMS Pb Pb 2 mU Pb 5 m Yangetal 2012 JAAS SIMS基体效应显著 高U样品难以分析 LA ICP MS LA MC ICP MS LaserAblationsystem ICP MS MC ICP MS ICP MSvs 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 G ntherandHattendorf 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 5 m 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 5 m 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 Yuanetal 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 44 m TIMSvs LA MC ICP MSvs 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 Abridge 3 LA ICP MS数据处理及不确定度 RawSignal Accuratedatareport DataReductionStrategy LamtraceGeoProGlitterIoliteLanQuantICPMSDataCal 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 124 m 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 ParrishandStephen 2003 谐和曲线图ConcordiaDiagram 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 Xuetal 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 Jacksonetal 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