锆石U Pb同位素年代学测试技术概论及定年方法 刘勇胜

年龄、成因
U-Pb年龄 微量元素含量
LA-ICP-MS
Hf同位素 (Sr同位素) (Nd同位素) (U-Pb年龄)
U-Pb年龄 微量元素含量
Yuan et al. (2008, CG)
LA-MC-ICP-MS
大束斑 >44μm
Hf同位素
U-Pb年龄 微量元素含量
LA-ICP-MS
TIMS vs. LA-(MC)ICP-MS vs.
1E-02
1E-03 0
20 2 0 7 P b/2 0 6 P b
1E+02
208Pb/232T h
40 T ims 60
80
2 0 7 P b/2 3 5 U
2 0 6 P b/2 3 8 U
238U/232T h
In t egral
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
20
40 T ims 60
Ratios
1E+02
2 0 7 P b/2 0 6 P b 208Pb/232T h
2 0 7 P b/2 3 5 U 238U/232T h
2 0 6 P b/2 3 8 U In t egral
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
20
40 T ims 60
80
100
年龄不确定度与MSWD
10000000 1000000
100000
Si29 Ca44 Th232 U238
CPS
10000
1000
100
10 0
20
40
60
80 100
Time (sec)
Accurate data report
数据处理
Lamtrace GeoPro Glitter Iolite LanQuant ICPMSDataCal ……
离子计数器
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
1. Pb 丢失 2. 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)
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
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
LA-ICP-MS分析信号变化特征
Cps
1000000
LA-ICP-MS分析中
Y89
P b2 0 6 P b2 0 8 T h232
80
596+/- 8.6Ma
和外标区间一致
100
567+/-10.7Ma
和外标区间不一致
100
625+/- 8.4Ma
和外标区间不一致
100
保 持 外 标 样 品 的 信 号 区 间 不 变
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。
U-Th-Pb法定年
t20/6238 1 8
l
n2203PU 68 b1
t20/7235 1 5
l
n2203PU 75 b1
2200P P 76 bb131.878ee85tt 11
t20/8232 1 2
ln2203TP82 hb1
U-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,
SIMS
元素含量 同位素比值
精密度 深度分析 空间分别率
效率 成本 仪器数量
TIMS 有限 标准 最高
/ / 最低 高 多
LA-(MC)ICP-MS
LA-ICP-MS LA-MC-ICP-MS
标准
有限
有限
适合
较低
高
易于进行
高 低 最多
SIMS
SHRIMP CAMECA 1280 NanoSIMS
可以、基体效应严重
Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS
206 Pb 238 U
207 Pb 235 U
207 Pb 206 Pb
208 Pb 232 Th
204 Pb
205Pb
206 Pb 207 Pb 208 Pb 232 Th
233U
235 U
检测器
法拉第杯 +
离子计数器
TIMS SIMS MC-ICP-MS
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)
锆石 斜锆石 榍石
锆石：最常用的U-Pb法定年对象
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
1E+02
20 2 0 7 P b/2 0 6 P b 208Pb/232T h
40 T ims 60
80
2 0 7 P b/2 3 5 U
2 0 6 P b/2 3 8 U
238U/232T h
In t egral
1E+01
1E+00
1E-01
1 2
3
•数据不确定度大，MSWD小 •数据不确定度小，MSWD大
Age (Ma) Age (Ma)
680
Mean = 601.9±4.2 [0.70%] 95% conf.
700
Mean = 601.9±5.7 [0.95%] 95% conf.
660
Wtd by data-pt errs only, 0 of 33 rej.
2 0 6 P b/2 3 8 U In t egral
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
1000000
20
40 T ims 60
80
100
Y89 P b2 0 6 P b2 0 8 T h232 U238
100000
10000
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Time (s)
MSWD = 2.0, probability = 0.001
680
Wtd by data-pt errs only, 0 of 33 rej. MSWD = 0.50, probability = 0.992
640
(error bars are 2s)
660
(error bars are 2s)
640 620
质控标准(QCS)内插法 QCS
QCS QCS QCS
QCS
GJ-1 24m
Ratios
Ratios
Ratios
1E+02
2 0 7 P b/2 0 6 P b 208Pb/232T h
2 0 7 P b/2 3 5 U 238U/232T h
2 0 6 P b/2 3 8 U In t egral
存在质量歧视效应
U238
100000
10000
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Time (s)
（含量相同，但灵敏 度不同）
LA-ICP-MS分析信号变化特征
剥蚀量&ICP-MS
1. 剥蚀量变化引起的
灵敏度漂移（内标
校正）
n
V
hiri 2
i 1
2. ICP-MS引起的灵
敏度漂移
• 重质量漂移慢
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
• 轻质量漂移快
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)
Cps
Ratios
1E+02
2 0 7 P b/2 0 6 P b 208Pb/232T h
2 0 7 P b/2 3 5 U 238U/232T h
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
1. U-Th-Pb定年原理及定年矿物 2. 锆石U-Pb年龄测定技术
TIMS SIMS LA-(MC)ICP-MS 3. 锆石LA-ICP-MS数据处理及不确定度 4. 锆石U-Th-Pb数据的处理与表达 5. GPMR实验室元素和同位素分析实验室
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。
适合
高
高
较高
能够进行、难度较大
较高
最高
高
非常少
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
3. LA-ICP-MS数据处理及不确定度
Raw Signal
Data Reduction Strategy
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）；
620 600
600
580 5Βιβλιοθήκη Baidu0
560
560
540
540
520
520
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）。
逐层Pb蒸发法
Krogh (1982b)
气磨锆石 无磁性锆石 弱磁性锆石
气磨、无磁性、弱磁性锆石
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
t 1ln(D1)
N
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，
t 1ln(D1)
N 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
Günther and Hattendorf (2005)
• 低背景
LA-MC-ICP-MS
• 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 ……
MC-ICP-MS
Laser Ablation system
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
• 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)