李建威 锆石年代学

U 235 U
t7 / 6
207
Pb 1 e 1 238 t 206 * Pb 137.88 e 1
*
普通Pb校正：
初始Pb
Pb*
表面污染Pb 非放射成因Pbc 裂隙
微包体
206
Pb * 238 U
206
Pb Pbc 238 U
206
206
Pb (1 f 206 ) 238 U
CAMECA IMS-1270/1280
静电分析器
D S C 2 D S C 3
L
离子源 O-/O2-/Cs+ 10-13kV
D 1 L1
E S A O U T
磁场
E S A I N
D C 1 H C 1 D uopl asm at r on 2- 17. 5kV C ssour ce 2- 12kV
Coupled Plasma Mass Spectrometry
主要地质应用领域

微区原位U-Pb定年 微区原位Re-Os定年 微区原位Hf同位素组成分析 微区原位Sr同位素组成分析 微区原位不平衡U系同位素分析 常规同位素分析方法精度提高(Rb-Sr、普通Pb) 非传统稳定同位素组成（Fe，Cu，Zn，Mg等）
锆 石
强 度 与
和
CL U Y (Rubatto and Gebauer, 2000)
含 量 的 关 系
典型岩浆锆石的CL特征
辉长岩岩 浆温度高 环带宽 辉长岩 岩浆温度高 环带宽
花岗岩 岩浆温度低 环带窄
岩浆锆石
岩浆锆石的CL结构类型
39
锆石U-Pb定年的基本方法比较
定年方法 ID-TIMS 优点
精确度 高
缺点
费时、样量大
适用对象
成因单一
SIMS
LA-ICPMS
原位分 析
快速经 济
价格昂贵
精度较差
微区分析
分析量较大
Analytical spot size versus
Discordance of elements and isotopes in zircon
同位素稀释法
ID-TIMS
微区原位同位素组成分析
SIMS或SHRIMP
LA-(MC-)ICPMS
SIMS: 微区原位分析的“航空母舰”
Secondary Ion Mass Spectrometry
SHRIMP
Sensitive High Resolution Ion MicroProbe
1. 离子探针简介
锆石学 U-Pb年龄 O 同位素 Ti 温度计 微量元素 Li同位素
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) )、 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) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
微区分析时, 选择不同的成因区域分析
• 1. 不同成因锆石的内部结构特 点和年龄意义 • 2. 锆石的微量元素研究及其对 U-Pb年龄的制约 • 3. 锆石的矿物包裹体研究及其 对U-Pb年龄的制约
常用锆石内部结构分析方法
• 1 HF酸蚀刻法(X) • 2 背散射电子图像 • 3 阴极发光电子图像
High-Spatial-Resolution of LA-ICPMS or SIMS
A Comparison of Pb-U dating of zircon by excimer laser ablation ICPMS and SHRIMP
M. Palin et al., 1999
• The relative deviations between ELA-ICPMS and SHRIMP data are less than 2% over the entire range of sample ages and are better than 0.5% for zircon samples older than 500 Ma. • Of particularly significance is the similarity in estimated uncertainties at the 95% level for both methods when estimated for the same number of spot measurements. • Because ELA-ICPMS can make 15 spot measurements per hour, a specified level of precision can be achieved quite rapidly for a homogeneous zircon population. • For applications involving mixed zircon populations (e.g. detrital or inherited zircons), a large number of grains can be analyzed per session.
LC 1 多接收杯 FC/EM sl t i
LC 1Y
D H C
LC 2C E ner gy
IMS 1280
Fi el daper t ur e D H T5
单接收杯 FC/EM
D 2 P . B . M . F. L2 D 3a
C A M E C A
IMS 1270
离子信号
shaped (3-50µm) 样品 M assdi abeam phr agm focused beam (0.3-3µm) ±10kV D 3b L3 rastering (0-500)µm2
U-Pb体系定年的特点
两个体系，三个年龄
238U
235U
U-Pb
238 t


206Pb
207Pb
( Pb) U (e
206 * 238
1)
t6/8 t7/5
Pb-Pb
(
207
Pb) U (e
* 235
238
235 t
1)
Pb * ( 206 ) Pb
207
U (e235 t 1) 238 U (e238 t 1)
Secondary Ion Mass Spectrometry SIMS
二次离子
中子/分子 (> 90%) 离子化原子/分子 二次电子 反弹的一次离子 初始离子 (O-/Cs+) ±10kV 样品 ±10kV
Sample
简化工作原理图
二次离子的引出
二次离子的运移
静电场使不同能量的离子偏转和聚焦
Technical details
Schmitz et al., 2013 Representative analytical precision and accuracy for individual analysis and group weighted mean U–Pb zircon ages using in situ (SIMS or LA–ICP–MS) and isotope dilution (ID-TIMS) methods (Schmitz et al., 2013)
235
U 137.88 235 U
t7/6
t6 / 8
Pb * ln( 238 1) / 238 U
206
t7 / 5
Pb * ln( 235 1) / 235 U
207
207
Pb* 235 U
206
Pb* 238 U
235 t
207
Pb* 206 * Pb
238
ICP-MS接收器—四极杆工作原理
LA （Laser ablation system）
1. 激光器
2. 光路
3. 观察系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4. 样品池
5. 气溶胶传输系统
26
样品池和传输系统
Liu et al. (2007, JAAS)
+
27
Hu et al. (2012)
运行状态下的ICP-MS
用于样品电离的等离子体
背散射电子图像
• 原理（锆石表面的 平均分子量） • 优点（表面特征清 楚、照相速度快） • 缺点（效果较差）
100µ m
阴极发光电子图像
• 原理（微量元素含量 和晶体缺陷） • 优点（可以清楚显示 内部结构） • 缺点（表面特征不清 楚）
Comparison of CL and BSE imaging (Corfu et al., 2003)
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
“中产阶层”的微区探针 (E)LA-ICP-MS ?
(Excimer)
Laser Ablation Inductively Coupled Plasma
Mass
Spectrometry
常规ICP-MS的工作原理
ICP-MS剖面结构及离子选择原理示意图
Pbc
204 6 7 8
f 206
Pbc 206 Pb
206
普通206Pb占总206Pb的比例
如何得到合理的锆石U-Pb年龄
>1000Ma的锆石，选择 207Pb/206Pb年龄 (分析过 程中Pb同位素之间的分 馏小)
<1000Ma的锆石，选择 206Pb/238U年龄 (235U衰变成207Pb的含量 低)
锆石
斜锆石
榍石
38
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；
双离子源多接收器高灵敏度高分辨率二次离子质谱仪
法国CAMECA 公司
1970’s — 1990’s — IMS 3/4/5/6/7f系列 IMS 1270 / NanoSIMS 50
目前产品: IMS 1280 (HR); NanoSIMS 50L
Cameca IMS 1280 中国：2007年引入Cameca IMS 1280, 2010年 NanoSIMS 2013年 Cameca IMS 1280 HR
Last pr i m ar ydi aphr agm
sol I at onval i ve
多通道板 E nt r ancesl ?C t i ont r ast di aphr(MCP) agm
D T3 LT3 LT1 LT2
直接成像
CASIMS
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 SIMS
一、同位素质谱基本原理
同位素组成分析的特点
相对于自然界元素含量的变化，组成元素的
同位素间的变化相对有限，故必须应用高精 度的分析技术与设备；
元素的同位素组成可表示成相对丰度，也可
表达成同位素比值。但在进行同位素组成分 析时，采用测量同位素比值的方法，而不是 同位素绝对丰度的方法，因为前者的分析精 度远高于后者。
激光工作实物照片
Hf同位素 Sr-Nd-Pb-…同位素 LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄
LA-ICP-MS (或者LA-Q-ICP-MS) 中国地质大学GPMR国家重点实验室（武汉） 微区元素和同位素分析实验室
U-Pb年龄 微量元素含量
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应用范围更广的MC-ICPMS
Multi-Collector Inductively
澳大利亚ASI公司
1979 SHRIMP I; 1992 SHRIMP II 目前产品：SHRIMP IIe/MC, SI，RG
磁场半径1 m
Sensitive High Resolution Ion Micro Probe
中国：2001年引入第一台SHRIMP II, 2006年购置第二台
SIMS特点
NEPTUNE
ESA cabinet open
Plasma interface at ground potential !
NEPTUNE Ion Optics
810 mm equivalent dispersion with 1 : 2 magnification
二、锆石学（zirconology)