锆石U-Pb同位素定年的原理、方法及应用研究

田方正（山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266510）



锆石U-Pb同位素定年的原理、方法及应用研究

田方正
（山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266510）

摘 要：本文在研究中主要围绕锆石开展，在分析其化学特征的基础上，对U-Pb同位素定年的主要原理进行判断，提出定年的实际方法，并分析U-Pb同位素定年在韧性剪切带定年以及分析沉积盆地物源等方面的应用。

关键词：U-Pb定年；锆石；方法；运用

0　前言

作为月岩、变质岩、岩浆岩以及沉积岩中的重要矿物，锆石在成分上涉及到较多微量元素、放射性元素。而且该矿物本身具有较为稳定的物化性质，分布极为广泛，加上其自身封闭温度较高，不仅是矿物定年中的最佳选择，也能被应用于地质学中。因此，本文对U-Pb同位素定年相关研究，具有十分重要的意义。

1　锆石化学特征及其U-Pb同位素定年原理

关于锆石，其在不同类型岩石内所体现的微量元素、常量元素等较为不同，且锆石成因不同，其中的U、Th等含量也存在一定差异，且两种含量在比值上变化较为明显，如对于变质锆石U与Th含量的都较少，比值可保持在0.1以内，而岩浆锆石，U与Th含量较高，比值超出0.4。需注意由于较多岩浆中涵盖的组分较为特殊，所以在锆石成因判断中并不能完全依靠Th/U比值。假若从稀土元素看，锆石中有较多花岗岩、镁铁质岩等存在，具有较高的丰度。而对于U-Pb同位素进行定年，其实际原理主要表现在对母体进行测定的基础上，将其中因衰变而带来的子体同位素含量变化进行测定，结合放射性衰变定律，使同位素自形成起的年龄得以推算出来。在测定过程中，由于有U、Th都存在于锆石中，而且贫普通Pb，本身具有较为明显的抗后期影响优势，此时便需对Th、U衰变为Pb的情况分析，完成整个定年过程。需注意的是对于1000-1200Ma的年轻锆石，测试过程中可直接引入206Pb/238U，原因在于年轻锆石不存在较多放射成因铅，而在放射成因铅较多的锆石中，可采取的定年方式为207Pb/206Pb［1］。

2　U-Pb同位素定年的主要方法分析

从现行定年中采用的方法看，常见的主要以LA-ICP-MS、SIM以及ID-TIMS等方法，这些方法用于U-Pb同位素定年中有各自的优势与弊端。首先，从LA-ICP-MS方法看，其在早期应用中主要测定前寒武纪锆石，整个测试原理集中表现在：在封闭样品室中放置样品，在激光作用下熔蚀样品，此时利用样品管盛装气化的样品，利用质谱仪分析ICP-MS中的样品情况，并测量同位素比值，这样结合最终测试结果，便可测定矿物同位素年龄。现行较多定年工作开展中，也在LA-ICP-MS方法基础上进行其他方法的研究，主要将多接收系统引入其中，可满足静态接收同位素信号要求，该方法被称之为LA-MCICP-MS，对剥蚀空间分辨率的提高可起到突出作用。从该方法应用的优势看，集中表现分析成本低、样品污染小、定年分析速度快、空间分辨率高且制作过程较为简单。但实际运用下，也有一定的弊端，如测定中需利用较多样品量，且要求有标准矿物引入。同时，在定年过程中，204Hg对分析干扰较为明显。

其次，以ID-TIMS法为例，其在定年方面较为常见。从该方法实现的原理看，要求在温压条件合理下，使待测矿物如硝酸、盐酸以及氢氟酸等被溶解，并考虑将同位素稀释剂加入其中。直至溶解矿物后，需将样品溶液中U、Pb在离子交换色谱应用下被分离，在此基础上对U、Pb利用热电离质谱仪进行测定，能够得到同位素年龄的测定结果。从这种方法的优势看，无需引入用于校正的标准矿物，对于年龄范围较广的矿物进行测定较为适宜，而且测量中对于单次测定可取得较高的精度。但实际应用下，若锆石内部较为复杂，将难以使其年龄信息被有效测定，加上前期测定过程中需耗费较多的时间，容易影响测定结果。

最后，SIMS法的应用。该方法又可叫做二次离子探针质谱，要求将SHRIMP质谱仪引入其中，完成整个测量过程。从SIMS法应用的优势看，主要表现为：①化学分离、矿物溶解等方式都可省略；②微区原位同位素年龄测试中效果较为明显；③由于有具体测定设备应用其中，具有较高的空间分辨率，这样可有效测定岩石中少量矿物。然而该方法运用下，涉及到单次测定误差、样品制备、制备矿物标准、仪器成本以及锆石增生边等问题，所以局限性也较为明显［2］。

3　U-Pb同位素定年的具体应用研究

U-Pb同位素定年应用下，其涉及的领域集中表现在分析物源、锆石年代约束等方面，也可测定韧性剪切带。以分析物源为例，可根据U-Pb年龄，对物源区性质与背景进行分析，使热构造事件、盆地沉降二者关系进行分析。再如锆石年代约束方面，一般需利用显微电子成像对锆石内部情况进行分析，这样在实际进行原位微区定年中可提供有效参考。以较多学者在研究东部岩石圈中，在引入SHRIMP设备进行定年中，发现岩石圈减薄并非在晚中生代，而起始于晚侏罗世纪。另外，在测定韧性剪切带中，一般也需利用到同位素定年，如有学者在分析后沟金矿床中，通过定年发现其以154Ma作为锆石年龄，该年龄便作为形成韧性剪切带的年龄。另外，同位素定年应用中，对于成矿年代学，其也可起到明显作用［3］。

4　结论

U-Pb同位素定年是现行地质应用中考虑的主要问题。锆石本身在大多矿物中具有一定的特殊性，包含一定的放射性元素如Th、U等，且有其自身的化学特征。在实际定年中可结合实际情况选择不同的方法，包括LA-ICP-MS、SIM以及ID-TIMS等。同时，应使同位素定年在地质领域中的优势充分发挥出来，对推动地质学的发展能够发挥重要作用。

参考文献：

［1］高少华，赵红格，鱼磊，刘钊，王海然.锆石U-Pb同位素定年的原理、方法及应用［J］. 江西科学，2013（03）：363-368+408.

［2］王海然，赵红格，乔建新，高少华.锆石U-Pb同位素测年原理及应用［J］.地质与资源，2013（03）：229-232+242.

［3］陈文，万渝生，李华芹，张宗清，戴橦谟，施泽恩，孙敬博.同位素地质年龄测定技术及应用［J］.地质学报，2011（11）：1917-1947.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.260