U-Pb同位素定年技術(shù)及其地質(zhì)應(yīng)用潛力

周紅英，李惠民

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

U-Pb同位素定年技術(shù)及其地質(zhì)應(yīng)用潛力

周紅英，李惠民

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170）

在作者的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來文獻(xiàn)報(bào)道的資料，對U-Pb同位素定年技術(shù)的原理、測年礦物、幾種測定方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性、針對具體樣品選擇測年礦物和定年方法的基本原則等問題進(jìn)行討論，并對U-Pb同位素定年技術(shù)的地質(zhì)應(yīng)用潛力進(jìn)行探討。結(jié)果表明，用于U-Pb同位素年齡測定的不同礦物和不同方法各有不同的特點(diǎn)及局限性。在實(shí)際工作中，根據(jù)從具體樣品中分選得到的U-Pb同位素定年礦物及其數(shù)量多少、粒度大小、年齡范圍、U-Pb含量、測年精度要求等因素，靈活地選擇測年礦物及測年方法，對于獲得比較理想的結(jié)果是非常重要的。

U-Pb同位素；定年技術(shù)；地質(zhì)應(yīng)用潛力

U-Pb同位素定年技術(shù)是應(yīng)用最廣的重要經(jīng)典同位素定年技術(shù)之一，具有其他許多同位素測年技術(shù)無法相比的優(yōu)點(diǎn)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是可同時利用兩個同位素衰變系列（即238U-206Pb和235U-207Pb衰變系列）進(jìn)行測年，獲得三個獨(dú)立的同位素年齡（即206Pb/238U年齡、207Pb/235U年齡和207Pb/206Pb年齡），因而測年結(jié)果可以進(jìn)行內(nèi)部校正。這一優(yōu)點(diǎn)源于U-Pb同位素定年的基本原理：礦物中的鈾同位素（238U和235U）經(jīng)放射性衰變生成穩(wěn)定同位素（206Pb和207Pb）。根據(jù)對試樣中母體同位素（238U和235U）和子體同位素（206Pb和207Pb）含量及鉛同位素比值的測定，即可根據(jù)放射性衰變定律計(jì)算試樣形成封閉體系以來的時間，即礦物形成以來的年齡,包括206Pb/238U年齡、207Pb/235U年齡和207Pb/206Pb年齡。如果這三個年齡在測定誤差范圍內(nèi)是一致的，說明礦物形成以來其U-Pb同位素系統(tǒng)是封閉的，其U-Pb同位素年齡是諧和的，這三個年齡中的任何一個都可以代表礦物形成的年齡；否則說明礦物形成以來其U-Pb同位素系統(tǒng)是開放的，其U-Pb同位素年齡是不諧和的，需要進(jìn)行內(nèi)部校正才能獲得正確的礦物形成年齡。U-Pb同位素定年最常用的礦物是鋯石，有時也用斜鋯石、金紅石、獨(dú)居石、榍石、磷灰石和錫石等含鈾礦物。全巖樣品通常不適合進(jìn)行U-Pb同位素定年。U-Pb同位素定年最常用的技術(shù)方法主要有同位素稀釋－熱電離質(zhì)譜法（以下簡稱ID-TIMS法）、二次離子質(zhì)譜法（以下簡稱SIMS法）、激光燒蝕－電感耦合等離子體質(zhì)譜法（以下簡稱LA-ICPMS法）。本文主要根據(jù)作者的研究成果，結(jié)合近年來文獻(xiàn)報(bào)道的資料，對常用于U-Pb同位素定年的幾種含鈾礦物以及U-Pb同位素定年的3種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性及其適用范圍進(jìn)行比較，提出一些針對具體樣品選擇定年礦物和定年方法的基本原則，希望能對廣大地質(zhì)工作者利用U-Pb同位素定年技術(shù)測定各種巖石礦物的同位素地質(zhì)年齡的工作有所幫助。

1 U-Pb同位素定年的幾種常用礦物

1.1 鋯石

鋯石是自然界中廣泛存在的一種副礦物，出現(xiàn)在各種各樣的巖石，包括沉積巖、巖漿巖和各種變質(zhì)巖中。鋯石的化學(xué)成分主要是ZrSiO4，此外還含有U、Th、Pb及稀土等微量元素。鋯石以其在自然界中存在的普遍性、化學(xué)成分的多樣性以及經(jīng)受各種物理化學(xué)作用而基本不變的耐久性等特點(diǎn)而成為最適合進(jìn)行U-Pb同位素定年的礦物之一。鋯石包含豐富的地學(xué)信息，包括U-Th-Pb、Lu-Hf及Sm-Nd等系統(tǒng)的同位素年代學(xué)信息，Pb、Hf、Nd及O等同位素的地球化學(xué)信息，稀土元素和各種稀有元素的地球化學(xué)信息，鋯石內(nèi)部各種包裹體的地學(xué)信息等等。正因?yàn)殇喪邪腥绱素S富的地學(xué)信息,以至于有人認(rèn)為鋯石是一種“全息礦物”,對鋯石的研究可以發(fā)展成一門新興學(xué)科,即“鋯石學(xué)”?！颁喪瘜W(xué)”的提法是否有道理，是一個仁者見仁，智者見智的問題。但是，鋯石的研究及其應(yīng)用前景確實(shí)是很吸引人的。自二十世紀(jì)八十年代以來，用鋯石U-Pb同位素測年法測定我國各種巖石和礦床的地質(zhì)年代，取得了許多重要的成果，受到了地質(zhì)學(xué)家的格外重視[1-7]。然而，在許多變質(zhì)巖和礦床中，鋯石的成因比較復(fù)雜，往往在同一巖石樣品中存在多種成因鋯石，因而獲得多種鋯石U-Pb同位素年齡信息，此時對各種鋯石U-Pb同位素年齡地質(zhì)意義的解釋，往往存在很大的爭議。即便對于只獲得單一鋯石U-Pb同位素年齡的變質(zhì)巖和礦床，對其鋯石U-Pb同位素年齡地質(zhì)意義的解釋，有時也存在一定的爭議。這些問題的產(chǎn)生，主要與變質(zhì)巖和礦床中鋯石類型和成因的多樣性以及鋯石U-Pb同位素體系在變質(zhì)作用和成礦作用過程中變化的復(fù)雜性有關(guān)。這使得對鋯石U-Pb同位素年齡地質(zhì)意義的解釋具有很大的不確定性。要解決這些問題，除了要利用先進(jìn)的儀器設(shè)備和技術(shù)對變質(zhì)巖和礦床中的鋯石作更精確的微區(qū)U-Pb同位素年齡測定及鋯石成因礦物學(xué)的深入研究外，對這些變質(zhì)巖和礦床中可能存在的其他含鈾礦物，如榍石、金紅石、獨(dú)居石、磷灰石、斜鋯石及錫石等礦物進(jìn)行精確的U-Pb同位素年齡測定也是非常重要的。相對于鋯石而言，有些含鈾礦物成因較為簡單，其U-Pb同位素年齡的地質(zhì)意義比較明確，如斜鋯石的U-Pb同位素年齡通?？梢越忉尀樽冑|(zhì)基性巖的原巖生成時代，錫石的U-Pb同位素年齡通?？梢越忉尀殄a多金屬礦床的成礦（錫礦化）時代。一些變質(zhì)巖和礦床中鋯石與多種其他含鈾礦物共存，鋯石與一些含鈾礦物之間以及各種其他含鈾礦物之間有一定的成因關(guān)系。例如在變質(zhì)基性巖中，斜鋯石可以轉(zhuǎn)化為鋯石。這種轉(zhuǎn)化可能是由斜鋯石與含硅的熱流體通過如下反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)：ZrO2（斜鋯石）+SiO2（熱流體中）=ZrSiO4（鋯石）；在一些熱液礦床中，鋯石與金紅石、錫石等含鈾礦物共存，它們可能都是熱液成因的。這些現(xiàn)象為對相關(guān)含鈾礦物的成因關(guān)系進(jìn)行深入研究，并對其U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行比較提供了機(jī)會。精確測定變質(zhì)巖和礦床中鋯石和其他各種含鈾礦物的U-Pb同位素年齡，根據(jù)同一變質(zhì)巖和礦床中鋯石和其他各種含鈾礦物的成因關(guān)系，可以合理地解釋所獲得的鋯石和其他各種含鈾礦物U-Pb同位素年齡的地質(zhì)意義，獲得更加全面和準(zhǔn)確的地質(zhì)年代學(xué)信息，進(jìn)一步全面地認(rèn)識相關(guān)變質(zhì)巖和礦床的生成和演化歷史。因此，變質(zhì)巖和礦床中各種含鈾礦物的U-Pb同位素測年與鋯石的U-Pb同位素測年和利用其他同位素系統(tǒng)的測年方法是相輔相成，互相補(bǔ)充的。另外，有些基性一超基性巖石中并不存在鋯石，無法利用鋯石的U-Pb同位素測年來確定這些巖石的生成時代，此時利用這些巖石中可能存在的斜鋯石的U-Pb同位素測年來確定這些巖石的生成時代，會是很好的選擇。

1.2 斜鋯石

斜鋯石礦物成分(ZrO2)單一，結(jié)構(gòu)簡單，成因明確（巖漿結(jié)晶成因），存在于各種硅不飽和的基性－超基性巖石，包括碳酸巖，金伯利巖，堿性輝長巖，正長巖和輝長巖等巖石中。斜鋯石的U-Pb含量較高而非放射成因的初始普通鉛含量卻很低，是非常適合進(jìn)行U-Pb同位素測年的礦物，容易得到比較精確而且地質(zhì)意義明確的U-Pb同位素年齡。有文獻(xiàn)[8]報(bào)道，斜鋯石的U-Pb同位素系統(tǒng)非常穩(wěn)定，經(jīng)過低中級變質(zhì)作用（綠片巖相到角閃巖相變質(zhì)作用）仍能保持封閉狀態(tài)。即使經(jīng)過麻粒巖相高級變質(zhì)作用，斜鋯石的U-Pb同位素系統(tǒng)也只是局部開放，經(jīng)過校正仍能獲得原巖生成年齡的信息。斜鋯石U-Pb同位素定年作為測定基性一超基性巖石原巖精確生成年齡的最好方法之一，早就引起了地質(zhì)學(xué)家的注意[9]。近年來我國地質(zhì)工作者在利用斜鋯石U-Pb同位素測年技術(shù)測定基性一超基性巖石原巖生成年齡方面也取得了許多重要的成果[10-12]。

利用斜鋯石U-Pb同位素測年技術(shù)測定基性－超基性巖石原巖生成年齡工作的難點(diǎn)在于，斜鋯石粒度很小，通常小于60μm，在巖石中的含量很低，通常在鋯含量較高的基性－超基性巖石中，其含量也僅為每kg巖石約有1～10顆粒。斜鋯石的型態(tài)與金紅石相似，有時與金紅石形成連晶或被金紅石包裹，常被誤認(rèn)為金紅石。而且，正如文獻(xiàn)[8]報(bào)導(dǎo)，在一些斜鋯石與鋯石共存的巖石中，斜鋯石有時以細(xì)小包裹體或反應(yīng)殘余的形態(tài)存在于鋯石內(nèi)部。這都增加了斜鋯石礦物分選和U-Pb同位素測年工作的難度，在過去相當(dāng)長一段時期直接影響了對斜鋯石U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)的研究及其U-Pb同位素測年技術(shù)的推廣應(yīng)用。其實(shí)，斜鋯石在基性－超基性巖石中的存在，往往比人們想象的更為普遍。只要加強(qiáng)并做好斜鋯石的仔細(xì)分選和準(zhǔn)確鑒定工作，利用斜鋯石U-Pb同位素測年技術(shù)測定基性－超基性巖石原巖生成年齡工作的應(yīng)用潛力是很大的。

1.3 金紅石

金紅石礦物成分(TiO2)單一，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定而不易受后期地質(zhì)事件的影響，廣泛存在于火成巖和變質(zhì)巖中。金紅石的U-Pb同位素體系封閉溫度較低（420～380oC），因此被成功應(yīng)用于高級變質(zhì)地體冷卻史的研究[13-15]。近年來，我國地質(zhì)工作者利用金紅石的U-Pb同位素定年研究大別－蘇魯超高壓變質(zhì)巖石冷卻史和折返速率，以及利用SIMS法測定中國天山低溫榴輝巖中金紅石U-Pb同位素年齡，都取得了重要的成果[16-18]。

金紅石U-Pb同位素定年技術(shù)的局限性之一是許多較年輕（寒武紀(jì)以后）的金紅石鈾的含量較低，因此放射成因鉛的含量也較低，非放射成因鉛的含量相對較高，這對其U-Pb年齡的準(zhǔn)確測定造成困難，特別是對于金紅石的微區(qū)原位U-Pb同位素定年造成很大的困難，影響了金紅石U-Pb同位素定年技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1.4 磷灰石

磷灰石是一種分布廣泛的副礦物，存在于多種不同類型的巖石中。與鋯石相比，磷灰石的U-Pb同位素體系封閉溫度較低（600～500oC）。對于有復(fù)雜演化歷史的變質(zhì)地體，磷灰石的U-Pb同位素定年可以為其PTt軌跡研究提供相對低溫階段的年齡信息。文獻(xiàn)[19]報(bào)道了我國鞍山地區(qū)變質(zhì)石英閃長巖中磷灰石的U-Pb同位素定年結(jié)果，并對其地質(zhì)意義進(jìn)行了討論。

磷灰石U-Pb同位素定年技術(shù)的局限性之一是許多磷灰石鈾的含量較低，因此放射成因鉛的含量也較低，非放射成因鉛的含量相對較高，這對其U-Pb年齡的準(zhǔn)確測定造成困難，特別是對于磷灰石的微區(qū)原位U-Pb同位素定年造成很大的困難，影響了磷灰石U-Pb同位素定年技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1.5 錫石

錫石是錫多金屬礦床中重要的礦石礦物，屬于金紅石族，當(dāng)其有較高的鈾-釷含量時，可以作為U-Th-Pb和Pb-Pb同位素測年的對象。因此，利用錫石U-Pb同位素測年直接測定錫多金屬礦床的成礦（錫礦化）時代，是非常有潛力的一種直接測定礦床成礦時代的技術(shù)方法。早在1992年便已有人嘗試?yán)脽犭婋x質(zhì)譜（TIMS）法進(jìn)行錫石U-Pb同位素年齡測定，以確定錫多金屬礦床的成礦（錫礦化）時代[20]。近年來我國地質(zhì)工作者在利用錫石U-Pb同位素測年技術(shù)測定我國華南地區(qū)錫多金屬礦床的成礦（錫礦化）時代方面也取得了重要的成果[21-22]。

各種成因不同的含鈾礦物，其U-Pb同位素年齡的地質(zhì)意義是不同的。許多地質(zhì)學(xué)家早就注意到分別利用榍石、金紅石、獨(dú)居石、磷灰石、褐簾石、斜鋯石及錫石等除了鋯石之外的其他含鈾礦物的U-Pb同位素測年法去解決不同的特定地質(zhì)年代學(xué)問題，并取得了許多重要的成果[23-28]。但是對變質(zhì)巖和礦床中含鈾礦物的成因聯(lián)系及其U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)的比較進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究較為少見。文獻(xiàn)[8]報(bào)導(dǎo)了加拿大一變質(zhì)輝長巖中以冠狀體共存的斜鋯石與鋯石的U-Pb同位素年齡結(jié)果，并研究了其中鋯石與斜鋯石的成因關(guān)系，認(rèn)為冠狀體中部的斜鋯石U-Pb同位素年齡（1 170 Ma）是變質(zhì)輝長巖的原巖生成年齡，而冠狀體邊部的鋯石是在變質(zhì)作用過程中由中部的斜鋯石轉(zhuǎn)化而來的，其U-Pb同位素年齡（1 045 Ma）是變質(zhì)輝長巖的變質(zhì)年齡。文獻(xiàn)[24]報(bào)導(dǎo)了對大別超高壓變質(zhì)帶的鋯石與獨(dú)居石U-Pb同位素年齡的比較。近年來作者對華北地區(qū)一些基性變質(zhì)巖中鋯石與斜鋯石的成因關(guān)系及其U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了比較研究[10]，對薊縣中新元古代地層下伏的變質(zhì)巖中鋯石與磷灰石的成因關(guān)系及其U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)進(jìn)行了比較研究，對我國華南地區(qū)一些錫多金屬礦床的錫石與鋯石的U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)進(jìn)行了比較研究，也獲得一些初步成果。

如何從微區(qū)原位的角度去了解各種含鈾礦物之間的成因聯(lián)系，并進(jìn)行這些含鈾礦物的微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定，以及如何提高某些非放射成因初始普通鉛含量較高，而放射成因鉛含量相對較低的含鈾礦物U-Pb同位素年齡的測定精度，以提高各種含鈾礦物U-Pb同位素年齡的可比性，是做好變質(zhì)巖和礦床中含鈾礦物的成因聯(lián)系及其U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)的比較研究工作的關(guān)鍵。近年來，隨著高清晰度陰極發(fā)光和背散射圖像技術(shù)[29]、激光拉曼光譜技術(shù)[30]、高精度電子探針測定技術(shù)、高靈敏度高分辯率離子探針質(zhì)譜技術(shù)、激光燒蝕等離子體質(zhì)譜技術(shù)[31]以及結(jié)合分步提取Pb-Pb同位素的高精度熱電離質(zhì)譜法測年技術(shù)[32]等先進(jìn)的儀器設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，對各種含鈾礦物進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定的靈敏度和精度以及空間分辯率越來越高，對極少量礦物，甚至對存在于鋯石和其他礦物內(nèi)部的細(xì)小含鈾礦物包裹體進(jìn)行準(zhǔn)確鑒別和精確的U-Pb同位素年齡測定，也已成為可能。合理地利用各種含鈾礦物的組合進(jìn)行U-Pb同位素測年，對于全面認(rèn)識相關(guān)的變質(zhì)巖及礦床的生成和演化歷史，從而更準(zhǔn)確地構(gòu)建其年代構(gòu)造格架，建立新的成巖成礦模式具有重要的科學(xué)意義，對于尋找新的礦床和礦產(chǎn)資源也有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

2 U-Pb同位素定年的三種方法

2.1 ID-TIMS法

ID-TIMS法是對鋯石、斜鋯石、金紅石、榍石、錫石、獨(dú)居石等各種含鈾礦物進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定的經(jīng)典方法，自加拿大地質(zhì)學(xué)家在1973年[33]對這一方法作了重要改進(jìn)后，便被應(yīng)用于微克量鋯石和斜鋯石的U-Pb同位素年齡測定。自二十世紀(jì)八十年代以后，這一方法陸續(xù)被應(yīng)用于金紅石、榍石、獨(dú)居石及錫石等各種含鈾礦物的U-Pb同位素年齡測定。該方法要點(diǎn)是：用化學(xué)方法（通常用氫氟酸、鹽酸和硝酸等化學(xué)試劑）將待測礦物在適當(dāng)?shù)臏貕簵l件下溶解。溶解前通常需加入定量的同位素稀釋劑（spike）。礦物溶解后，需用離子交換色譜將U和Pb分別從樣品溶液中分離出來，然后在熱電離質(zhì)譜儀上進(jìn)行U和Pb的有關(guān)測定，經(jīng)計(jì)算得到礦物的U-Pb同位素年齡。這種方法所用的同位素稀釋劑，通常為205Pb-235U混合稀釋劑或208Pb-235U混合稀釋劑。205Pb是一種人工合成的Pb同位素，自然界中并不存在。用它作為Pb的稀釋劑，可以在同一分析樣中，既測定Pb的元素含量，又測定Pb的同位素組成，這對減少用于分析的樣品量和提高分析精確度具有重要意義。

利用ID-TIMS法進(jìn)行礦物U-Pb同位素年齡測定的優(yōu)點(diǎn)是單次測定的精度較高，可測定的礦物年齡范圍較廣（從中生代到太古宙），而且不需要相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)礦物作校正，避免了尋找和制備標(biāo)準(zhǔn)礦物的困難。因此，ID-TIMS法被稱為礦物U-Pb同位素年齡測定的“標(biāo)準(zhǔn)方法”。近年來隨著低實(shí)驗(yàn)本底的ID-TIMS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，用ID-TIMS法測定礦物U-Pb同位素年齡的精度越來越高，單次測定所需的礦物樣品量越來越少。在許多條件較好的實(shí)驗(yàn)室，用ID-TIMS法對極少量礦物（單次測定所需的樣品量可少至1μg）進(jìn)行精確的U-Pb同位素年齡測定，已經(jīng)成為可能。

ID-TIMS法的局限性主要是無法進(jìn)行礦物的微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定。但是，與在許多情況下具有復(fù)雜生成歷史的鋯石不同，許多巖石樣品中的斜鋯石、金紅石、榍石、錫石及獨(dú)居石等含鈾礦物通常具有單一的U-Pb同位素年齡。因?yàn)檫@些礦物的成因比較單一，并無復(fù)雜的生成歷史。因此，對于這些礦物樣品而言，用ID-TIMS法進(jìn)行多顆?；騿晤w粒礦物U-Pb同位素年齡測定，亦可以得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，并不會出現(xiàn)在鋯石測年時可能出現(xiàn)的獲得無地質(zhì)意義的混合年齡的情況。當(dāng)然，正如前文提到的，在一些斜鋯石與鋯石共存的巖石中，斜鋯石有時以細(xì)小包裹體或反應(yīng)殘余的形態(tài)存在于鋯石內(nèi)部。為了分別準(zhǔn)確測定這些以細(xì)小包裹體或反應(yīng)殘余的形態(tài)存在的斜鋯石及與其共存的鋯石的U-Pb同位素年齡，就必須進(jìn)行這些鋯石和斜鋯石的微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定。這時ID-TIMS法就無能為力了，必須利用SIMS法或LA-ICPMS法才能達(dá)到目的。

ID-TIMS法的另一局限性是樣品的溶解及其中的U-Pb分離等前處理程序較繁雜，費(fèi)時費(fèi)力，而且要求很低的實(shí)驗(yàn)本底，只有條件較好的實(shí)驗(yàn)室才能做得到。

2.2 SIMS法

SIMS法最典型的儀器是高靈敏度高分辨率離子探針質(zhì)譜（又稱SHRIMP法）和CAMECA儀器。SHRIMP是20世紀(jì)80年代初期，澳大利亞科學(xué)家專為進(jìn)行鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定而開發(fā)的大型儀器，自投入使用以來在鋯石微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定工作中發(fā)揮了巨大的作用。中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所北京離子探針中心在2001年從澳大利亞引進(jìn)了一臺型號為SHRIMPII的大型儀器,對同位素地質(zhì)年代學(xué)工作作出了重大貢獻(xiàn)。據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院報(bào)道，北京離子探針中心劉敦一研究員團(tuán)隊(duì)在科技部創(chuàng)新方法專項(xiàng)資助下，改善了SHRIMPII定年流程，建立了月巖鋯石測年技術(shù)方法，與美國華盛頓大學(xué)合作對Appollo12和Appollo14登月獲得的毫米級撞擊熔融巖屑，進(jìn)行了高精度的原位鋯石離子探針測年，厘定了月球早期歷史幾次重要事件的時代，精確測定雨海紀(jì)月球遭受強(qiáng)烈撞擊事件年齡為39.2億年。首次獲得Appollo14熔融巖屑中磷灰石和隕磷鈣鈉石的離子探針U-Pb同位素年齡，對月球隕石SaU169樣品中的鋯石進(jìn)行了離子探針測年，改寫了國際普遍接受的月球雨海紀(jì)強(qiáng)烈撞擊事件年齡為38.5億年的傳統(tǒng)認(rèn)識，對月球早期演化歷史研究做出了重要貢獻(xiàn)，為我國探月工程未來采集月巖樣品的年代學(xué)研究積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所近年從法國引進(jìn)了CAMECA IMS-1280儀器，在鋯石和斜鋯石、金紅石等含鈾礦物的微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定工作中取得了許多重要的成果。

用SIMS法進(jìn)行礦物的U-Pb同位素年齡測定不需要將礦物溶解，也不需要用化學(xué)方法將U和Pb從礦物中分離出來，只需將待測礦物制作成樣品靶，經(jīng)拋光、鍍金等制樣處理，便可直接進(jìn)行礦物的微區(qū)原位U-Pb同位素年齡測定。測定時儀器產(chǎn)生的一次離子（氧離子）轟擊所選定的礦物微區(qū)，礦物的被轟擊部分濺射出二次離子，經(jīng)加速電壓的作用和電磁場的分離，二次離子分別被離子計(jì)數(shù)器檢測。根據(jù)被測礦物與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)礦物的二次離子中U-Pb同位素的強(qiáng)度關(guān)系，便可計(jì)算出被測礦物微區(qū)的U-Pb含量和U-Pb同位素年齡。更詳細(xì)的測定原理和測定方法可見參考文獻(xiàn)[34]。隨著儀器性能和技術(shù)方法的改進(jìn)，人們已越來越多地應(yīng)用SIMS法對鋯石、斜鋯石、金紅石、榍石、錫石及獨(dú)居石等各種含鈾礦物進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定。

用SIMS法進(jìn)行各種含鈾礦物U-Pb同位素年齡測定的優(yōu)點(diǎn)是，可以進(jìn)行礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定。特別是當(dāng)被測礦物以細(xì)小包裹體或反應(yīng)殘余的形態(tài)存在于另一些礦物內(nèi)部，需要對這些礦物分別進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定，以了解它們的年齡差異及成因關(guān)系時，礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定就顯得特別重要。用SIMS法進(jìn)行礦物微區(qū)U-Pb同位素年齡測定，不需要將礦物溶解，也無需化學(xué)分離，節(jié)省了人力物力。由于儀器的一次離子（氧離子）束可以聚焦得很?。?0～30μm），儀器有很高的空間分辨率，可以對一些珍稀巖石中發(fā)現(xiàn)的極少量礦物進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定，例如月巖的U-Pb同位素年齡測定。

目前用SIMS法進(jìn)行礦物U-Pb同位素年齡測定的局限性是，尋找和制備合適的礦物標(biāo)準(zhǔn)比較困難，而測定時如果不用相應(yīng)的礦物標(biāo)準(zhǔn)來校正儀器，則不能完全排除不同礦物的基體效應(yīng)所導(dǎo)致的206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的誤差。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[35]的研究，用SHRIMP法進(jìn)行斜鋯石U-Pb同位素年齡測定時，即便用標(biāo)準(zhǔn)斜鋯石來校正儀器，也可能由于斜鋯石在樣品靶中放置的位置和角度不同而產(chǎn)生206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的偏差。也就是有相同206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的斜鋯石，由于在樣品靶中放置的位置和角度不同，會給出不同的206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡。產(chǎn)生這種年齡偏差的機(jī)理還不是很清楚。這種年齡偏差有時會高達(dá)10%。因此，用SHRIMP法測定的斜鋯石206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的誤差稍大，這對較年輕的寒武紀(jì)之后的基性巖中的斜鋯石年齡測定不利。因?yàn)檩^年輕的寒武紀(jì)之后的斜鋯石中，由235U衰變產(chǎn)生的207Pb含量極低，對207Pb/235U和207Pb/206Pb比值很難測準(zhǔn)，207Pb/235U和207Pb/206Pb表面年齡的誤差通常較大，需要利用206Pb/238U表面年齡。而由于上述原因?qū)е?06Pb/238U表面年齡誤差也很大，因此很難獲得這些斜鋯石的準(zhǔn)確U-Pb同位素年齡。在前寒武紀(jì)的斜鋯石中，由235U衰變產(chǎn)生的207Pb含量相對較高，對207Pb/206Pb比值容易測準(zhǔn)，可以獲得比較準(zhǔn)確的207Pb/206Pb表面年齡。而對于前寒武紀(jì)的斜鋯石來說，207Pb/206Pb表面年齡是最有用的同位素年齡。因此，SIMS法比較適合用于前寒武紀(jì)的斜鋯石U-Pb同位素年齡測定。

此外，用SIMS法進(jìn)行礦物U-Pb同位素年齡測定的單次測定誤差通常大于ID-TIMS法，因此，對于同一樣品要進(jìn)行更多次的測定，以求得較好的統(tǒng)計(jì)精確度。

2.3 LA-ICPMS法

LA-ICPMS法是自電感耦合等離子體質(zhì)譜分析法，1985年首次得到應(yīng)用以后，在20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的分析技術(shù)，現(xiàn)在已成為地球科學(xué)中重要的分析工具。其方法要點(diǎn)是：用激光束對所測定的礦物選定微區(qū)進(jìn)行燒蝕，被燒蝕出來的物質(zhì)在Ar等離子體中發(fā)生電離，然后用質(zhì)譜儀對被電離物質(zhì)進(jìn)行同位素比值的測量，根據(jù)被測礦物與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)礦物的同位素比值測量結(jié)果進(jìn)行有關(guān)元素含量及被測礦物同位素年齡的計(jì)算。所需設(shè)備是激光系統(tǒng)、等離子體（ICP）系統(tǒng)和質(zhì)譜儀系統(tǒng)等。更詳細(xì)的測定原理和測定方法可見參考文獻(xiàn)[36]。

用LA-ICPMS法進(jìn)行礦物U-Pb同位素年齡測定的優(yōu)點(diǎn)是，可以像SIMS法一樣，進(jìn)行礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定，測定過程更加簡便快速，而LA-ICPMS法所需的儀器設(shè)備比SIMS法要簡單、便宜得多，其運(yùn)行成本也低得多。如果應(yīng)用線掃描技術(shù)[37]和內(nèi)部校正方法[31]以及多接收器質(zhì)譜儀系統(tǒng)，用LA-ICPMS法不但可以得到精確的207Pb/206Pb表面年齡，也可以得到較精確的206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡，這有利于擴(kuò)大可以測定的礦物的年齡范圍。

用LA-ICPMS法進(jìn)行礦物U-Pb同位素年齡測定的局限性之一是，與SIMS法相比，目前其測定靈敏度較低，測定過程中消耗（燒蝕）掉的樣品量比SIMS法要多，因此，只有對粒度較大（大于60μm），U-Pb含量較高的礦物才能進(jìn)行測定并獲得合理的測定結(jié)果。這就限制了這一方法在礦物U-Pb同位素年齡測定中的更廣泛應(yīng)用，因?yàn)樵谝恍悠分?，粒度較大（大于60μm）而U-Pb含量較高的含鈾礦物較少見。

其另一局限性是，必須尋找和制備合適的礦物標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闇y定時如果不用相應(yīng)的礦物標(biāo)準(zhǔn)來校正儀器，則不能完全排除不同礦物的基體效應(yīng)所導(dǎo)致的206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的誤差。隨著LA-ICPMS測定靈敏度的提高，其應(yīng)用潛力將是很大的。

3 選擇U-Pb同位素定年礦物和定年方法的一些原則

在實(shí)際工作中，為了解決特定的地質(zhì)年代學(xué)問題，需要進(jìn)行U-Pb同位素定年時，最好根據(jù)從具體樣品中分選得到的適合定年的含鈾礦物的種類、數(shù)量、粒度大小、年齡范圍、U-Pb含量、測年精度要求等因素，結(jié)合需要解決的地質(zhì)年代學(xué)問題的目標(biāo)要求，靈活地選擇測定的礦物和測年技術(shù)方法。如果從樣品中分選得到的適合測定的含鈾礦物的種類和數(shù)量較多，粒度較大，U-Pb含量較高，則可以考慮用LA-ICPMS法進(jìn)行多種礦物的U-Pb同位素年齡測定，這樣可以簡便快速地獲得樣品中多種含鈾礦物的U-Pb同位素年齡，有利于合理地解釋所獲得的鋯石和其他各種含鈾礦物U-Pb同位素年齡的地質(zhì)意義，獲得更加全面和準(zhǔn)確的地質(zhì)年代學(xué)信息，進(jìn)一步全面地認(rèn)識相關(guān)巖石或礦床的生成和演化歷史。如果要求更高的測年精度，則可以考慮用ID-TIMS法進(jìn)行測定。而如果從樣品中分選得到的某些含鈾礦物的數(shù)量較多，但是粒度較小，U-Pb含量較低，則最好采用ID-TIMS法進(jìn)行測定。如果從樣品中分選得到的某些含鈾礦物的數(shù)量較少，粒度也較小，例如當(dāng)斜鋯石以細(xì)小包體或反應(yīng)殘余的形態(tài)存在于鋯石內(nèi)部，需要對這樣的鋯石及其內(nèi)部的斜鋯石分別進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定，以了解它們的年齡差異及成因關(guān)系時，SIMS法可能就是最好的選擇了。對于較年輕的寒武紀(jì)之后的含鈾礦物，如果從樣品中分選得到的礦物的數(shù)量足夠，則最好采用ID-TIMS法進(jìn)行測定?；蛘咴谙扔肔A-ICPMS法進(jìn)行測定的基礎(chǔ)上，再選擇性地采用ID-TIMS法進(jìn)行補(bǔ)充測定，以提高測定的準(zhǔn)確度和可靠性?？傊?，需要根據(jù)從具體樣品中分選得到的含鈾礦物的種類和數(shù)量、粒度大小、年齡范圍、U-Pb含量、測年精度要求等因素，結(jié)合測年的目的要求，靈活地選擇測年的礦物和測年技術(shù)方法，這對于獲得比較理想的結(jié)果是非常重要的。

4 結(jié)論

作者的研究成果及近年來文獻(xiàn)報(bào)道的資料均表明，常用于U-Pb同位素定年的各種含鈾礦物和各種定年方法各有不同的特點(diǎn)和局限性及適用范圍。鋯石目前仍然是應(yīng)用最廣泛的U-Pb同位素定年礦物。ID-TIMS法目前仍是最精確可靠，適用年齡范圍最廣的方法，其局限性主要是無法進(jìn)行礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定，但是對于大多數(shù)非鋯石類礦物樣品，這并不影響其測定的精確度和可靠性；SIMS法可以進(jìn)行礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定，其局限性主要是對斜鋯石等某些非鋯石類含鈾礦物的206Pb/238U和207Pb/235U表面年齡的測定精度稍差，因而，對寒武紀(jì)之后的這些礦物進(jìn)行U-Pb同位素年齡測定的精度稍差；LA-ICPMS法可以進(jìn)行礦物微區(qū)的原位U-Pb同位素年齡測定，而且適用的年齡范圍也較廣，其局限性是目前只有對粒度較大（大于60μm），U-Pb含量較高的礦物才能進(jìn)行測定并獲得合理的測定結(jié)果。在實(shí)際工作中，根據(jù)從具體樣品中分選得到的礦物種類和數(shù)量、粒度大小、年齡范圍、U-Pb含量、測年精度要求等因素，靈活地選擇U-Pb同位素測年技術(shù)方法，對于獲得比較理想的結(jié)果是非常重要的。

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U-Pb Isotope Dating Technique and Potential Prospects for Applying in Geology

ZHOU Hong-ying,LI Hui-min
（Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources,China Geological Survey,Tianjin 300170,China）

The principles of U-Pb isotope dating,the advantages and limitations of minerals for dating,several dating methods and the basic principles of selection for minerals and methods of U-Pb dating are discussed based maily on our studies,combined with references recently reported.The potential prospects are discussed for applying in geology.The studies show that the different minerals for dating and different methods of U-Pb dating have different characteristics and limitations.It is very important to select minerals for dating and methods of U-Pb dating according to the mineral content,grain size,age range,U-Pb content and dating precision requirement of the samples to get relatively ideal results.

U-Pb isotope;dating technique;potential prospects

P597+.3

A

1672－4135(2011）01－0063-08

2011-02-20

國家自然科學(xué)基金：華南錫多金屬礦床中的錫石U-Pb同位素地質(zhì)年代學(xué)研究（40873041）；國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)：非鋯石類富鈾礦物U-Pb同位素定年方法研究（200911043-15）

周紅英（1966-），女，博士，教授級高工，從事同位素測年工作，E-mail:zhouhy305@163.com。