李建威 锆石年代学

1、同位素组成分析的特点微区原位同位素组成分析微区原位同位素组成分析lSIMS或SHRIMPlLA-(MC-)ICPMS同位素稀释法同位素稀释法lID-TIMSSHRIMPSecondary Ion Mass Spectrometry SIMS1. 1. 离子探针简介离子探针简介初始离子 (O-/Cs+) 10kV样品10kV中子/分子 ( 90%)离子化原子/分子二次电子反弹的一次离子 二次离子Sample二次离子的引出二次离子的引出二次离子的运移二次离子的运移静电场使不同能量的离子偏转和聚焦静电场使不同能量的离子偏转和聚焦离子源O-/O2-/Cs+10-13kV多接收杯FC/EM单接收杯FC/

2、EM多通道板 (MCP)shaped beam (3-50m)focused beam (0.3-3m)rastering (0-500)m2样品样品10kV静电分析器静电分析器磁场磁场直接成像离子信号CAMECA IMS-1270/1280IMS 1280CASIMS双离子源多接收器高灵敏度高分辨率二次离子质谱仪双离子源多接收器高灵敏度高分辨率二次离子质谱仪中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室Chinese Academy of Sciences SIMSCameca IMS 1280法国法国CAMECA 公司公司 1970s IMS 3/

3、4/5/6/7f系列系列 1990s IMS 1270 / NanoSIMS 50 目前产品目前产品: IMS 1280 (HR); NanoSIMS 50L中国：中国：2007年引入年引入Cameca IMS 1280, 2010年年 NanoSIMS 2013年年 Cameca IMS 1280 HR澳大利亚澳大利亚ASI公司公司 1979 SHRIMP I; 1992 SHRIMP II目前产品：目前产品：SHRIMP IIe/MC, SI，RG 磁场半径磁场半径1 mSensitive High Resolution Ion Micro Probe中国：中国：2001年引入第一台年引入

4、第一台SHRIMP II, 2006年购置第二台年购置第二台SIMS特点优点：精度高，分辨率高，测试所需的样品量极少缺点：价格昂贵ICP-MS剖面结构及离子选择原理示意图ICP-MS接收器四极杆工作原理26LA （Laser ablation system）1. 激光器2. 光路3. 观察系统4. 样品池5. 气溶胶传输系统27样品池和传输系统Liu et al. (2007, JAAS)+Hu et al. (2012)运行状态下的ICP-MS用于样品电离的等离子体激光工作实物照片31LA-MC-ICP-MSLA-ICP-MS(或者LA-Q-ICP-MS)中国地质大学中国地质大学GPMRGP

5、MR国家重点实验室（武汉）国家重点实验室（武汉）微区元素和同位素分析实验室微区元素和同位素分析实验室HfHf同位素同位素Sr-Nd-PbSr-Nd-Pb-同位素同位素U-Pb年龄年龄U-U-PbPb年龄年龄微量元素含量微量元素含量NEPTUNEESA cabinetopenPlasmainterfaceat groundpotential !NEPTUNE Ion Optics810 mm equivalent dispersionwith 1 : 2 magnification二、锆石学（二、锆石学（zirconology)锆石学锆石学U-Pb年龄年龄O 同位素同位素 Ti 温度计温度计微量

6、元素微量元素Li同位素同位素38U-Th-Pb法定年矿物1. 锆石(ZrSiO4)、2. 斜锆石(ZrO2)、3. 独居石(Ce,La,Th,Nd,Y)PO4)、4. 磷灰石(Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)、5. 榍石(CaTiSiO5)、6. 石榴石(X3Z2(TO4)3 (X = Ca, Fe, etc., Z = Al, Cr, etc., T = Si, As, V, Fe, Al) )、7. 金红石(TiO2)、8. 钙钛矿(CaTiO3)、9. 钛铁矿(FeTiO3)、10. 锡石(SnO2)11. 方解石(CaCO3) (Faure and Mensing, 2004)39

7、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；锆石锆石U-Pb定年的基本方法比较定年的基本方法比较定年方法优点缺点适用对象ID-TIMS精确度精确度高高费时、样量大费时、样量大成因单一成因单一SIMS原位分原位分析析价格昂贵价格昂贵微区分析微区分析LA-ICPMS快速经快速经济济精度较差精度较差分析量较大分析量较大Analytical spot size vers

8、usDiscordance of elements and isotopes in zircon Technical detailsRepresentative analytical precision and accuracy for individual analysis and group weighted mean UPb zircon ages using in situ (SIMS or LAICPMS) and isotope dilution (ID-TIMS) methods (Schmitz et al., 2013)Schmitz et al., 2013High-Spa

9、tial-Resolution of LA-ICPMS or SIMS A Comparison of Pb-U dating of zircon by excimer laser ablation ICPMS and SHRIMP The relative deviations between ELA-ICPMS and SHRIMP data are over the entire range of sample ages and are for zircon samples . Of particularly significance is the similarity in estim

10、ated uncertainties at the 95% level for both methods when estimated for the same number of spot measurements. Because a specified level of precision can be achieved quite rapidly for a homogeneous zircon population. U-Pb体系定年的特点体系定年的特点238U 206Pb235U 207Pb) 1(Pb)(235235*207teU) 1(Pb)(238238*206teU) 1(

11、) 1()PbPb(238235238235*206207tteUeU88.137235238UU t6/8 t7/5 t7/6两个体系，三个年龄两个体系，三个年龄U-PbPb-Pb2382382068/6/ ) 1*ln(UPbt1188.1371238235*206*207tteePbPb2352352075/7/ ) 1*ln(UPbtUUPbPbUPbUPb235238*206*207238*206235*2076/7t普通普通Pb校正：校正：初始初始PbPb表面污染表面污染PbPb裂隙裂隙微包体微包体非放射成因非放射成因PbcPbPbfc206206206PbPbc cPbPb* *

12、204 6 7 8)1 (*206238206238206206238206fUPbUPbPbUPbc普通普通206Pb占总占总206Pb的比例的比例如何得到合理的锆石如何得到合理的锆石U-Pb年龄年龄1000Ma的锆石，选择的锆石，选择207Pb/206Pb年龄年龄 (分析过分析过程中程中Pb同位素之间的分同位素之间的分馏小馏小)0.4) 变质锆石具有相对较低的变质锆石具有相对较低的Th、U含含量和量和Th/U比值比值(Th/U0.1)岩浆锆石的岩浆锆石的Th/U比值比值 岩浆锆石的岩浆锆石的Th/U比值取决于锆石形成时比值取决于锆石形成时熔体的熔体的Th/U比值比值 少数岩浆锆石同样具有较

13、低的少数岩浆锆石同样具有较低的Th/U比值比值(Th/U)zircon.present (DTh/DU)zircon/melt(Th/U)melt.present(DTh/DU)zircon/melt 0.2；(Th/U)melt.present 4Hydrothermal zircon Characteristics (Hoskin, 2005)Distinguishing magmatic zircon from hydrothermal zircon ? (Fu et al., 2009)样品靶样品靶提示：提示：1.靶的制作要求尽可能平整，尽量由专业人员完成2.锆石U-Pb定年尽可能不用很高U含量的颗粒3.避免退晶化的锆石颗粒4.测试的颗粒要保证一定的量，一般10个以上5.测试注意污染，如树脂或其他矿物6.要求多种分析情况下注意测试的顺序Inherited Pb-Loss Conventional concordia Plot锆石锆石U-Pb年数据的展示年数据的展示Inherited Pb-Loss 5032 MaInherited Terra-Wasserburg concordia Plot70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）锆石锆石U-Pb年龄一致曲