激光石和锆石u-pb年龄测定

激光石和锆石u-pb年龄测定

同时期地质资料的研究是地质过程、空间规划和大陆动力学的基础工具。目前，分析同一时期的方法非常普遍，主要是u-pb体系的封闭温度（t（ziron）800；t（monaztit）750）和普通pb含量较低，u-pb为标准年。然而，锆和独居石的物理性质非常稳定，在形成后很难受到外部和后期地质事件的影响。在确定u-pb固定年份时，很难确定由外部和后续地质事件引起的地质岩和热液形成的岩石的地质年代。此外，一些岩石（如基性岩石和超基性岩）中没有锆、独居石等副矿，并且它们广泛分布在各种变质岩中。u作为一个相对较高的u，pb系统（ct（i）650.700）适合u-pb固定年份的对象。与锆和独居石不同，u-pbu的主要元素为ti、ca、si和o，更容易与其他矿物、液体和熔合物一起反应，因此u的含量（10.100ppm）（1ppm=1uf06dg，g，上述）和u-pb系统的封闭温度（ct（tit）650.700）。适合作为u-pb固定年份的对象。与锆和独居石不同，u-pbu作为ca-ti硅酸盐，主要由ti、ca、si和o组成。它更容易与其他矿物、液体和熔合物反应，这可以记录多个时期变质热事件的年龄信息。它有助于搜索地质体p-t道路。u-pb固定年份的优点是，岩浆岩中没有具有遗传因素的古代锆，这可以显示原始岩浆冷却时间。在变质岩中，u-pb系统可以记录多个时期的生长事件。不同颜色和大小的u-pb通常可以获得不一致的u-pb年龄。这些年龄信息可以为研究变质岩和热液活动提供重要的时间依据。最先用于榍石U-Pb年龄测定的方法是同位素稀释,热电离质谱分析方法(ID-TIMS).基于该方法,可以得到较为准确的年龄信息,但获得的年龄通常是单颗或多颗矿物整体分析的结果,从而掩盖了单颗粒尺度或者颗粒内部的微观年龄信息.随着分析技术的进步,高灵敏度和空间分辨率新型仪器的出现使原位微区同位素分析成为可能,如二次离子探针(secondaryionmassspectrometry,SIMS),激光多接收等离子体质谱(LA-MC-ICPMS)以及激光电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS)原位微区分析.SIMS分析对标样要求严格,成分不同的标样和样品之间存在明显的基体效应(matrixeffect).相对而言,LA-ICPMS设备成本低,对样品的制备要求低,分析测试速度快,成为开发榍石U-Pb定年方法的首选平台.然而,LA-ICPMSU-Pb定年分析过程中,基体效应的问题一直没有达到共识.许多研究者认为LA-ICPMS可对多种矿物进行U-Pb年龄测定,不必过多考虑所使用外部标准的性质,而部分学者采用线扫描分析模式(linerasterscan)减小不同矿物U,Pb分馏校正时产生的基体效应.目前,榍石国际标样稀缺,极少数榍石LA-ICPMSU-Pb定年研究采用榍石作为外部标样.然而,Black等人研究发现,不同成分的锆石在LA-ICPMSU-Pb年龄测定时存在明显的基体效应而致使测试结果偏离ID-TIMS的分析结果.由此可见,在激光剥蚀U-Pb年龄测定过程中,能否使用不同的矿物作为外部标样进行元素分馏校正,仍缺乏系统的研究.本文分别采用LA-ICPMS单点和线扫描分析模式对榍石标样BLR-1,OLT-1和锆石标样91500,GJ-1进行详细的U-Pb年龄测定,以检验不同矿物间的基体效应并建立完善的榍石激光原位微区ICP-MSU-Pb定年方法.同时,利用该方法探讨房山岩体的热演化史.1仪器的基本情况本文原位微区U-Pb年龄测定是在中国科学院地质与地球物理研究所引进的Agilent7500a型四极杆电感耦合等离子体质谱仪(Q-ICPMS)和GeoLasPro型193nm准分子激光剥蚀系统上进行的.Agilent7500a型Q-ICPMS仪器的基本情况详见文献.GeoLasPro型紫外激光剥蚀系统是由德国CoherentGmbH公司制造,其主要构成部分包括:(1)COMPexPRO102F型ArF准分子激光发生器,激光波长为193nm,脉冲宽度为15ns,最高输出能量为200mJ;(2)激光匀化光路系统,激光束斑大小为:5,10,16,24,32,44,60,90,120和160uf06dm可调,激光脉冲速率为1～20Hz连续可调;(3)GeoLasPro标准控制软件.激光最大输出能量密度为45J/cm2,实验中一般采用10～15J/cm2能量密度.2方法的u-th-pb年龄结果u-th-pb年龄结果u-th-pbcao榍石激光原位U-Pb年龄测定的样品制备和分析方法类似于锆石LA-ICPMSU-Pb年龄分析,前人在相关文献中做过详细介绍.测试前对Q-ICPMS检测器进行P/A(Pulse/Analogy)校正,以及用调谐液对仪器参数进行优化,确保氧化物产率(CeO+/Ce+)小于1%和二价离子产率(Ce2+/Ce+)小于3%,同时仪器灵敏度89Y计数大于200Mcps/ppm.在激光剥蚀模式下,用标准玻璃NIST610对仪器进行优化,详细的仪器参数列于表1.本文数据采集选用跳峰模式,分析元素的积分时间分别为10ms(29Si,43Ca,232Th和238U),15ms(204Pb,206Pb和208Pb),以及30ms(207Pb).每个样品点的分析时间为150s,包括30s背景信号收集,60s样品信号收集和60s清洗管道、样品池的时间.标样与样品交叉分析,每8个样品分析点测定一组年龄标样(2个BLR-1榍石,2个91500锆石和1个GJ-1锆石分析点)和1个微量元素标样NIST610.实验中,单点分析模式束斑直径为44uf06dm,剥蚀频率为6Hz;线扫描分析模式束斑直径为44uf06dm,剥蚀频率为6Hz,扫描速度2uf06dms-1,总扫描长度120uf06dm.榍石样品U,Th,Pb元素含量以43Ca为内标,NIST610为外标物质计算得到(房山岩体榍石样品CaO的参考含量为28.4%).本文分别选用榍石标样BLR-1和锆石标样91500作为外部标准,对单点和线扫描分析数据结果进行U-Pb分馏校正.所有年龄分析点的U-Th-Pb同位素比值采用GLITTER4.0软件(GEMOC,MacquarieUniversity)进行元素分馏校正及结果计算.分馏校正后样品同位素比值的误差计算,除了考虑标样和样品的测量误差之外,标样推荐值的误差也考虑在内,其相对标准偏差设定为2%.204Pb是丰度最低的Pb同位素,且使用的气体中含有204Pb的干扰信号204Hg,故无法准确测定.锆石样品普通Pb含量低,其U-Pb年龄结果采用Andersen所提出的普通Pb校正方法;榍石样品普通Pb含量较高,本文采用Tera-Wasserburg谐和图解法,将实测数据结果作线性拟合得到的上交点为样品的普通Pb组成,而下交点则近似代表样品的形成年龄.另外,根据上交点所获得的初始207Pb/206Pb同位素组成,对含有较高普通Pb的样品进行207Pb校正,获得其206Pb/238U年龄.榍石BLR-1,OLT-1和Ontario普通Pb组成相对均一,根据Stacey和Kramers提出的Pb同位素两阶段演化模式和假定样品年龄,获得这些样品的初始Pb同位素组成在误差范围内一致,初始207Pb/206Pb=0.91±0.02,据此进行普通Pb的扣除.文中所有分析结果谐和图的绘制和加权平均年龄的计算采用Isoplot(v.3.0).3分析的结果3.1u-pb年龄本文对榍石BLR-1,OLT-1及Ontario进行LA-ICPMS单点U-Pb年龄测定,而对榍石BLR-1和OLT-1进行LA-ICPMS线扫描U-Pb年龄分析.以榍石BLR-1作为外部标样进行U-Pb分馏校正,所获得的数据结果列于图1和2及表S1.榍石BLR-1:为变质成因黑色巨晶,产于加拿大Ontario省,是世界上广泛使用的榍石标样之一,但较少用于LA-ICPMSU-Pb年龄测定.Aleinikoff等人运用ID-TIMS方法获得该榍石的207Pb/235U和207Pb/206Pb加权平均年龄分别为1048.0±0.7Ma(2uf073,n=5,MSWD=2.8)和1049.9±1.3Ma(2uf073,n=5,MSWD=2.9),并具有非常一致的206Pb/238U年龄1047.1±0.4Ma(2uf073,n=5,MSWD=0.56).除此之外,前人还对该榍石进行了详细的主量元素和微量元素分析.在单点分析模式下,对榍石标样BLR-1进行了24次测定.将实测数据结果投点到Tera-Wasserburg谐和图解上,所有分析点集中分布且落在谐和线附近.经过207Pb校正后,获得一致的206Pb/238U加权平均年龄为1046±5Ma(2uf073,n=24)(图1(a),(b)).在线扫描分析模式下,也对该标样进行了24次测定,结果表明所有分析点具有均一的U-Pb同位素组成,并得到一致的206Pb/238U加权平均年龄为1046±6Ma(2uf073,n=24)(图2(a),(b)).由此可见,本文单点和线扫描分析过程中,外部标样榍石BLR-1普通Pb含量低,并且U-Pb年龄组成均一.榍石OLT-1:样品为深褐色颗粒,产出于加拿大Grenville省的矽卡岩中.Kennedy等人运用ID-TIMS方法对4个榍石颗粒进行U-Pb年龄测定,其中3个均一颗粒的谐和年龄为1014.7±3.8Ma(n=3,MSWD=3.4),另外一个颗粒受表面普通Pb的影响而具有明显偏老的U-Pb年龄.作者还对该榍石进行了SIMS,Raman,EBSD,EPMA-WDS和U-Th-He定年等方面的详细研究,证明其有用作榍石U-Pb定年标样的潜力,且年龄均一性优于另外一个普遍使用的榍石标样Khan.目前该榍石样品并无其他分析方法的U-Pb年龄数据报道.在单点分析模式下,对榍石OLT-1进行了24次测定,将实测的年龄数据投点到Tera-Wasserburg谐和图解上,并作线性拟合(图1(c)).以Stacey和KramersPb两阶段演化模式计算得到的初始Pb同位素组成作为与谐和线的上交点,获得榍石OLT-1的下交点年龄为1017±5Ma(图1(c));经过207Pb校正之后,得到一致的206Pb/238U加权平均年龄为1015±5Ma(2uf073,n=24)(图1(d)).在线扫描分析模式下,同样对榍石OLT-1进行了24次测定,获得下交点年龄为1019±6Ma(图2(c)),206Pb/238U加权平均年龄为1017±6Ma(2uf073,n=24)(图2(d)).所有的分析结果在误差范围内均与其年龄推荐值1014Ma一致.榍石Ontario:该榍石为一颗黑褐色天然矿物晶体,产出于加拿大Ontario省Renfrew地区,与国际上广泛使用的锆石标样91500产地相同.本文对该榍石进行了详细的LA-ICPMSU-Pb年龄分析,用于榍石U-Pb定年标样的研发.本文分析的Ontario榍石颗粒大小约为1.5cm×1cm×0.5cm.在单点分析模式下,对榍石Ontario进行了28次测定,所获得的数据结果如图1(e),(f)和表S1所示.在Tera-Wasserburg谐和图解上,所有分析点集中分布且落在谐和线附近(图1(e)).以Stacey和KramersPb两阶段演化模式计算得到的初始Pb组成作为不一致线的上交点,获得下交点年龄为1059±5Ma(图1(e));经过207Pb校正之后,得到一致的206Pb/238U加权平均年龄为1056±5Ma(2uf073,n=28)(图1(f)),二者在误差范围内一致.3.2la-icpms年龄数据分析本文对榍石BLR-1,OLT-1进行LA-ICPMS单点和线扫描U-Pb年龄测定的同时,也对锆石91500和GJ-1进行了相同的分析.实验过程中,保持仪器状态和分析条件不变(激光束斑44uf06dm,脉冲频率6Hz,扫描速度2uf06dm/s).以锆石91500作为外部标样进行U-Pb分馏校正,所获得的数据结果列于图3和4及表S2和S3.锆石GJ-1:在单点分析模式下,对该锆石进行了22次测定.经过Andersen方法的普通Pb校正之后,所有分析点在误差范围内基本谐和,其谐和年龄为605±3Ma,206Pb/238U加权平均年龄为605±3Ma(2uf073,n=22)(图3(a),(b)).在线扫描分析模式下进行了23次测定,获得其谐和年龄为603±3Ma,206Pb/238U加权平均年龄为603±3Ma(2σ,n=23)(图4(a),(b)).前人报道锆石GJ-1的U-Pb年龄介于600～613Ma之间,本文两种分析模式所获得的年龄结果与之吻合.榍石BLR-1:以锆石91500作为外部标样,对LA-ICPMS单点和线扫描分析模式获得的BLR-1年龄数据进行U-Pb分馏校正,并将结果投点到TeraWasserburg谐和图解上(图3(c),4(c)).在单点分析模式下,获得榍石BLR-1的下交点年龄为919±4Ma(图3(c));经过207Pb校正之后,得到一致的206Pb/238U加权平均年龄为917±4Ma(2uf073,n=24)(图3(d)).在线扫描分析模式下,获得其下交点年龄和206Pb/238U加权平均年龄分别为929±5Ma(图4(c))和927±5Ma(2uf073,n=24)(图4(d)).两种分析方式所获得BLR-1的年龄结果均年轻于其推荐值～12%.榍石OLT-1:以锆石91500作为外部标样,对LA-ICPMS单点和线扫描分析所获得的OLT-1年龄数据进行U-Pb分馏校正.在单点分析模式下,获得榍石OLT-1的下交点年龄为893±4Ma(图3(e)),并得到一致的206Pb/238U加权平均年龄为891±4Ma(2uf073,n=24)(图3(f)).在线扫描分析模式下,获得其下交点年龄和206Pb/238U加权平均年龄分别为903±5Ma(图4(e))和901±5Ma(2uf073,n=24)(图4(f)).两种分析模式下所获得OLT-1的年龄结果也均年轻于其推荐值～12%.3.3初始pb同位素房山岩体位于华北克拉通东部,燕山板内造山带与太行山重力梯度带的交汇部位,是华北克拉通东部大面积发育的晚中生代花岗岩中的一个典型岩体.该岩体是岩浆底劈,上涌至上地壳所形成的穹窿(Doming),平面上不同岩性呈同心环状渐变过渡,从岩体的边部到核部分别为石英二长闪长岩,粗粒花岗闪长岩和似斑状花岗闪长岩,并发育大量的暗色基性包体.本文在束斑直径60uf06dm,脉冲频率6Hz的激光剥蚀条件下,对房山岩体从边部到核部的6个榍石样品进行了LA-ICPMSU-Pb年龄测定.以榍石BLR-1作为外部标样进行U-Pb分馏校正,获得的数据结果如图5,表S4所示.将样品分析点的实测同位素比值投点到Tera-Wasserburg谐和图解上,根据拟合直线与谐和线的上交点获得样品的普通Pb组成,而下交点年龄则代表各样品的形成时代.边缘相石英二长闪长岩:榍石样品08FS02的交点年龄分别为133±4Ma,4797±470Ma.根据上交点获得其初始Pb同位素组成207Pb/206Pb=0.7330±0.1203,经207Pb校正后,得到该样品的206Pb/238U加权平均年龄为133±1Ma(n=18,MSWD=0.32),与下交点年龄在误差范围内相同(图5(a)),并与该样品锆石SIMSU-Pb年龄134±1Ma(n=23,MSWD=0.79)一致.经207Pb校正后,得到该样品的206Pb/238U加权平均年龄为133±1Ma(n=18,MSWD=0.32),与下交点年龄在误差范围内相同(图5(a)),并与该样品锆石SIMSU-Pb年龄134±1Ma(n=23,MSWD=0.79)一致.中粗粒花岗闪长岩:榍石样品08FS08和08FS10的交点年龄分别为133±4Ma,4892±120Ma和132±16Ma,5043±430Ma.初始207Pb/206Pb同位素比值分别为0.7836±0.0330和0.8715±0.1323,206Pb/238U加权平均年龄分别为132±2Ma(n=20,MSWD=0.16)和131±4Ma(n=18,MSWD=0.06)(图5(b),(c)),均与其下交点年龄在误差范围内一致.08FS10样品的锆石SIMSU-Pb定年给出一致年龄结果为132±1Ma(n=28,MSWD=0.21).中心相似斑状花岗闪长岩:榍石样品08FS13的交点年龄为133±13Ma,5082±140Ma,初始Pb同位素组成为207Pb/206Pb=0.8957±0.0444.经过207Pb校正后,得到与下交点年龄一致的206Pb/238U加权平均年龄130±5Ma(n=20,MSWD=0.33).另一个似斑状花岗闪长岩样品07FS11的锆石SIMSU-Pb年龄为130±1Ma(n=24,MSWD=0.91)(图5(d)),与榍石U-Pb年龄在误差范围内一致.暗色基性包体:榍石样品08FS07和08FS09的交点年龄分别为133±4Ma,5087±120Ma和132±7Ma,4986±200Ma,初始207Pb/206Pb同位素比值分别为0.8990±0.0382和0.8370±0.0590.经过207Pb校正之后,获得其206Pb/238U加权平均年龄分别为132±2Ma(n=20,MSWD=0.27)和131±3Ma(n=18,MSWD=0.16),均与其下交点年龄相吻合.暗色包体07FS06的锆石SIMSU-Pb定年结果为134±1Ma(n=18,MSWD=0.53),与榍石U-Pb年龄结果在误差范围内一致(图5(e),(f)).4讨论4.1u-pb年龄测定结果榍石是常见的含U副矿物,具有独特的矿物学、地球化学特性,其U-Pb年代学研究具有广泛的应用前景.近年来,随着分析技术的进步,榍石U-Pb定年方法逐渐发展起来,为解决众多地质难题提供了重要工具[5,16,17,18,19,20,21,23].由于榍石标样稀缺,部分研究者以锆石作为外部标样,采用LA-ICPMS线扫描分析方式建立榍石U-Pb年龄测定方法;Gao等人及Kohn和Corrie以榍石BLR-1作为外部标样,采用LA-ICPMS单点分析模式,对榍石样品进行U-Pb年龄测定,获得了较为准确的年龄结果.本文分别采用LA-ICPMS单点和线扫描分析模式,对榍石样品BLR-1和OLT-1进行系统的U-Pb年龄测定,以期建立完善的榍石LA-ICPMSU-Pb年龄测定方法.以榍石BLR-1作为外部标样,对LA-ICPMS分析过程中的U-Pb分馏进行校正.系统的实验结果表明,在单点和线扫描分析模式下,榍石标样BLR-1的U-Pb年龄十分均一,榍石样品OLT-1的206Pb/238U加权平均年龄分别为1015±5Ma(2uf073,n=24)(图1(d))和1017±6Ma(2uf073,n=24)(图2(d)),在误差范围内与其年龄推荐值1014Ma一致.由此可见,在榍石LA-ICPMS单点和线扫描U-Pb年龄分析过程中,以榍石矿物作为外部标样,均可获得高精度的U-Pb年龄结果,即本文榍石LA-ICPMSU-Pb年龄的测定方法是准确可行的.值得注意的是,本文单点和线扫描分析所获得的U-Pb年龄误差基本一致,表明在束斑直径44uf06dm,脉冲频率6Hz,扫描速度2uf06dm/s的激光剥蚀条件下,剥蚀深度变化对年龄结果影响不大.本文还对天然榍石矿物颗粒Ontario进行了LA-ICPMS单点U-Pb年龄测定.在分析束斑44uf06dm,脉冲频率6Hz的激光剥蚀条件下,对该榍石进行了28次测定,分析点在样品表面呈十字排列.实验结果表明,所有分析点U-Pb同位素组成均一,具有非常一致的206Pb/238U加权平均年龄为1056±5Ma(2uf073,n=28)(图1(f)).此外,榍石Ontario具有高的U含量和低的普通Pb含量,因此具有用作榍石原位微区U-Pb年龄测定标样的潜质.目前,该榍石的U-Pb年龄仍需要其他测试方法的检验,如SIMS,ID-TIMS等U-Pb定年方法.4.2la-icpmsu-pb年龄测定结果目前,LA-ICPMSU-Pb定年分析过程中基体效应的问题一直没有达到共识.传统的观点认为,在一定的仪器条件下,影响副矿物LA-ICPMSU-Pb定年的主要技术问题是激光剥蚀和传输过程中的元素分馏,而元素的分馏主要与激光束斑大小和剥蚀深度有关,并不随测定物质的不同而改变.基于这一点,不少研究者认为LA-ICPMS可对多种矿物进行U-Pb年龄测定,而不必过多考虑所使用的外部标准的性质.也有一部分研究认为,采用线扫描(linerasterscan)的分析方式,可以减小LA-ICPMSU-Pb定年过程中的基体效应.因此,很多的研究者选用锆石作为外部标样,对榍石进行线扫描方式U-Pb年龄测定,并取得了大量的研究成果.本文在相同的仪器状态和分析参数下,分别对榍石标样BLR-1,OLT-1和锆石标样91500,GJ-1进行了系统的单点和线扫描U-Pb年龄测定,以探讨LA-ICPMSU-Pb定年过程中的基体效应.实验结果表明,以锆石91500作为外部标样,在单点和线扫描分析模式下,获得锆石GJ-1的谐和年龄分别为605±3Ma(图3(a),(b))和603±3Ma(图4(a),(b)),均与其年龄推荐值610Ma一致.然而,以锆石91500作为外部标样,单点分析模式测得榍石BLR-1和OLT-1的206Pb/238U加权平均年龄分别为917±4Ma(2uf073,n=24)和891±4Ma(2uf073,n=24),比推荐值1047Ma和1014Ma偏低～12%(123～130Ma)(图3(f),(h));在线扫描分析模式下,所获得榍石BLR-1和OLT-1的206Pb/238U加权平均年龄分别为927±5Ma(2uf073,n=24)和901±5Ma(2uf073,n=24),相比其推荐值也均偏低～12%(113～120Ma)(图1(f),(h)).由此可见,在LA-ICPMS线扫描和单点U-Pb年龄测定过程中,锆石和榍石两种不同矿物之间均存在明显的基体效应,从而造成年龄分析结果偏离真实值.尽管部分学者采用线扫描的分析方式以减小不同矿物间基体效应对年龄结果的影响,但本文的实验结果表明,线扫描分析过程中不同矿物之间仍存在明显的基体效应.综上所述,在榍石LA-ICPMS单点和线扫描U-Pb定年过程中,由于基体效应的存在,使用锆石作为外部标样均得不到准确的榍石U-Pb年龄,而必须选用同种矿物(榍石)作为外部标样.在外部标样和待测样品是同种矿物的情况下,尽管矿物成分可能存在差别,但由此产生的基体效应并不明显,例如本文榍石OLT-1的LA-ICPMSU-Pb年龄测定中,用榍石BLR-1作为外部标样,尽管二者成分不同,但两种分析模式所获得榍石OLT-1的U-Pb年龄均与其推荐值一致.4.3矿山岩体u-pb-封闭-冷却ma房山花岗岩体是我国40K-40Ar和40Ar-39Ar年代学一级标样(ZBJ和ZBH)的采集地,因此对该岩体年代学的研究有利于完善这一标样体系.前人研究结果表明,房山岩体中心相花岗岩闪长岩中黑云母(ZBH)40K-40Ar和40Ar-39Ar年龄分别为132.8±1.3Ma和132.7±0.1Ma,角闪石(ZBJ)40K-40Ar和40Ar-39Ar年龄分别为133.3±1.5Ma和132.8±0.1Ma.我们曾对房山岩体不同类型岩石中的锆石进行了详细的SIMS和LA-ICPMSU-Pb年龄分析,发现岩体不同岩性,不同岩相具有一致的锆石U-Pb年龄130～133Ma.通常情况下,锆石U-Pb体系的封闭温度>800℃,黑云母40K-40Ar,40Ar-39Ar封闭温度介于300～350℃.本文模拟计算获得榍石的U-Pb封闭温度为750～790℃,介于锆石U-Pb封闭温度与黑云母40Ar-39Ar封闭温度之间(图6(a)),对建立地质体完整的热年代学演化具有十分重要的意义.本文对房山岩体从边缘相至中心相的