锆石U-Pb年代学测定技术

Cps
100000
10000 20 25 30 35 40 45 Time (s) 50 55 60 65 70
质控标准(QCS)内插法
QCS
QCS
QCS QCS
QCS
207Pb/206Pb
207Pb/235U
206Pb/238U
GJ-1 24m
Ratios
208Pb/232T h 1E+02
205Pb
207
206 207 208 232
207
Pb 206 Pb Pb 232 Th
Th
离子计数器
208
233U
Q-ICP-MS
235
U
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. 2.
Pb 丢失 环带/核边（混合信号）


需要稀释剂：233U、205Pb 需要超低本底
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)
Günther and Hattendorf (2005)
LA-MC-ICP-MS
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.
2.
3.
4.
5.
U-Th-Pb定年原理及定年矿物 锆石U-Pb年龄测定技术 TIMS SIMS LA-(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
Wetherill谐和曲线图
Tera-Wasserburg谐和曲线图

和外标区间不一致
1E+00
1E-01
保 持 外 标 样 品 的 信 号 区 间 不 变
Ratios
1E-02 1E-03 0 20 40 T ims 60 80 100
Ratios

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。
Mean = 601.9± 5.7 [0.95%] 95% conf. Wtd by data-pt errs only, 0 of 33 rej. MSWD = 0.50, probability = 0.992 (error bars are 2s)
Age (Ma)
Age (Ma)
620 600 580 560 540 520
SIMS基体效应显著，高U样品难以分析
LA-ICP-MS/LA-MC-ICP-MS
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
567+/-10.7Ma
1E+01
和外标区间不一致
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0 20 40 T ims 60 80 100
207Pb/206Pb
207Pb/235U
206Pb/238U
208Pb/232T h 1E+02
238U/232T h
Integral
625+/- 8.4Ma
1E+01
Raw Signal
Data Reduction Strategy
10000000 1000000 100000
Si29 Ca44 Th232 U238
CPS
10000 1000 100 10 0 20 40 60 Time (sec) 80 100
Accurate data report
数据处理
t208 / 232
208 Pb 1 ln 232 1 2 Th
U-Th-Pb法定年矿物
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)
t
1

ln(
D 1) 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，
D t ln( 1) N 1
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
1. 剥蚀量变化引起的 灵敏度漂移（内标
校正）
剥蚀量&ICP-MS
V
hi ri
i 1
n
2
2. ICP-MS引起的灵
敏度漂移
•
•
重质量漂移慢
轻质量漂移快
锆石U-Pb年代学数据
207Pb/206Pb 207Pb/235U 206Pb/238U

LA-ICP-MS分析中存 在同位素分馏效应
Ratios
U-Th-Pb法定年
t206 / 238 t207 / 235 ln 8 1 ln 5 1
206
Pb 1 238 U Pb 1 235 U
207
207
e5 t 1 Pb 1 8 t 206 Pb 137.88 e 1
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. SIMS
238U/232T h
Integral
596+/- 8.6Ma
1E+01
和外标区间一致
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0 20 40 T ims 60 80 100
207Pb/206Pb
207Pb/235U
206Pb/238U
208Pb/232T h 1E+02
238U/232T h
Integral
LA-ICP-MS分析信号变化特征
1000000
Y89 Pb206 Pb208 T h232 U238

LA-ICP-MS分析中 存在质量歧视效应
Cps
100000
10000 20 25 30 35 40 45 Time (s) 50 55 60 65 70
（含量相同，但灵敏 度不同）
LA-ICP-MS分析信号变化特征
3
680 660 640
Mean = 601.9± 4.2 [0.70%] 95% conf. Wtd by data-pt errs only, 0 of 33 rej. MSWD = 2.0, probability = 0.001 (error bars are 2s)
700 680 660 640
2. U-Th-Pb同位素分析方法
TIMS
SIMS
LA-(MC)ICP-MS
Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS
206
Pb 238 U Pb 235 U
204
Pb Pb Pb Pb
检测器
法拉第杯 + 离子计数器
TIMS SIMS MC-ICP-MS
• 低背景 • 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 ……
年龄、成因

U-Pb年龄 微量元素含量
208Pb/232T h 1E+02
238U/232T h
Integral
1E+01
（不同同位素分析信号 随时间的变化不是等 比例的）
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03 0
1000000
Y89 Pb206 Pb208 T h232 U238
20
40
T ims
60
80
100
•仪器状态 •束斑大小 •剥蚀方式 (单点/线扫)
1.
锆石
斜锆石
榍石
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；

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)
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
620 600 580 560 540 520
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）。 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。





Lamtrace GeoPro Glitter Iolite LanQuant ICPMSDataCal ……

wk.baidu.com
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
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10-30μm
CAMECA IMS xxxx
束斑直径 1280: 5-- μm
NanoSIMS: Pb-Pb <2 μm U-Pb <5 μm
Yang et al. (2012, JAAS)
207Pb/206Pb
207Pb/235U
206Pb/238U
208Pb/232T h 1E+02
238U/232T h
Integral
1E+01
1E+00
Ratios
1E-01 1E-02 1E-03 0 20 40 T ims 60 80 100
年龄不确定度与MSWD
1
2
•数据不确定度大，MSWD小 •数据不确定度小，MSWD大
有限 适合 高 易于进行 高
可以、基体效应严重 适合 高 能够进行、难度较大 最高 较高
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
LA-(MC)ICP-MS TIMS 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 有限 标准 最高 / / 最低 高 多 低 最多 高 较高 高 非常少
LA-ICP-MS LA-MC-ICP-MS SHRIMP
SIMS
CAMECA 1280 NanoSIMS
标准 有限 较低