碎屑鋯石U-Pb 年齡學(xué)的方法和發(fā)展趨勢

曹秦智

（西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

在過去20 年來，碎屑鋯石地質(zhì)年代學(xué)一直在迅速發(fā)展，從一個明顯具有局限性的應(yīng)用技術(shù)到如今地質(zhì)學(xué)家不可忽視的探索物源的研究方法。鋯石最早是作為一種穩(wěn)定且廣泛存在的重礦物而引起了人們的重視，很早就被用于反演沉積巖的成分及其源區(qū)的演化歷史。鋯石的U-Pb 同位素體系具有極高的封閉溫度和穩(wěn)定性，可以經(jīng)歷多次沉積旋回而保留下來，因此沉積巖中的碎屑鋯石U-Pb 年齡反映了其物源區(qū)巖石的年齡組成，又由于鋯石U-Pb 年齡可以精確測定，碎屑鋯石年代學(xué)逐漸成為沉積物源研究非常有效的手段之一。近年來，隨著同位素稀釋-熱電離質(zhì)譜（ID-TIMS）、二次離子質(zhì)譜（SIMS） 和激光剝蝕等離子質(zhì)譜（LA-ICPMS） 等高精度原位微區(qū)分析手段的發(fā)展和完善，使得人們可以快速獲取大量的碎屑鋯石U-Pb 年齡數(shù)據(jù)，碎屑鋯石年代學(xué)成為了長期以來廣泛使用的研究方法和手段，在諸多研究領(lǐng)域發(fā)揮出其獨特的優(yōu)勢。本文將主要從以下幾個方面綜述碎屑鋯石年代學(xué)在地質(zhì)學(xué)研究中的應(yīng)用及發(fā)展：1） 用于碎屑鋯石研究的最佳儀器；2） 碎屑鋯石實驗分析方法；3） 碎屑鋯石年代學(xué)發(fā)展趨勢[1-3]。

1 碎屑鋯石研究的最佳儀器

常規(guī)使用用來確定碎屑鋯石的U-Pb 年齡的儀器有三種。以下是每種類型儀器使用的分析方法的簡要概述，以及對用于進(jìn)行碎屑鋯石的UPb 分析的優(yōu)缺點的評估。

1.1 同位素稀釋- 熱電離質(zhì)譜（ID-TIMS）

ID-TIMS 分析需要溶解完整晶體，添加同位素示蹤劑（通常為205 Pb 和233 U），U 和Pb 的化學(xué)分離以及利用TIMS 分析的化學(xué)溶解和分離相當(dāng)耗時，并且需要在超清潔環(huán)境中進(jìn)行，以減少污染物Pb 和U，以此來保證非常純的分析物。因此，由ID-TIMS 確定的U-Pb 年齡具有最佳的精度和準(zhǔn)確性，一般在0.1%（2σ），對于需要高精度分辨率的應(yīng)用來說是非常重要的。然而，在大多數(shù)情況下，這種高精度對于碎屑鋯石研究是不必要的，國內(nèi)目前也并不具備如此高條件的實驗室。

1.2 二次離子質(zhì)譜（SIMS）

SIMS 分析通常在在環(huán)氧樹脂中晶體拋光表面與“標(biāo)樣”一起進(jìn)行，“標(biāo)樣”是具有已知年齡并且是奧陶系組成的相同礦物的晶體。分析環(huán)境是在低溫和高真空下進(jìn)行的，所以Pb 和U 的背景值很低，分析可以在非常小的表面上進(jìn)行，這提供了確定晶體微觀上的U-Pb 年齡的可能，典型剝蝕坑的直徑為10～30μm，深度為1μm 的凹坑。由于不可能添加同位素示蹤劑，通過標(biāo)準(zhǔn)樣品來校正U-Pb 年齡。該方法產(chǎn)生精度為1%～2% （2σ）。通過對U-Pb 同位素的分析進(jìn)行同位素測量，一般需要的分析時間為15min 對于需要高空間分辨率（尤其是在深度方向） 的研究（例如分析復(fù)雜的鋯石晶體），該技術(shù)是理想的選擇。離子探針在確定U-Pb 年齡的同時還能分析其他元素，因此現(xiàn)在也可以表征Ti 和Zr 濃度的稀土礦物和氧同位素。

1.3 激光剝蝕等離子質(zhì)譜（LA-ICPMS）

LA-ICPMS 方法與SIMS 類似，二者均不需要添加同位素，年齡通過“標(biāo)樣”來確定，均在一個拋光晶體表面進(jìn)行，精度同樣為1%～2%（2σ）。LA-ICPMS 的優(yōu)勢在于分析時間可能更短，只需2min，并且由于某些儀器具有足夠的分散器和足夠的收集器以能夠同時測量U 和Pb，因此更加便利。但是，缺點是等離子體電離涉及大氣壓和高溫下的高流速的氬氣，所有這些都會導(dǎo)致Pb 和Hg 的高背景計數(shù)（干擾204 Pb）。要想獲得高質(zhì)量的信號，測試中需要快速的消融速率，并且在大多數(shù)情況下需要消耗大量的樣品（剝蝕坑的直徑通常為30μm，深度為10～20μm）。這種更快的消融速率使得LA-ICPMS 的分析非常高效，典型的分析時間為幾分鐘。

2 碎屑鋯石實驗分析方法

碎屑鋯石研究中經(jīng)常出現(xiàn)的兩個基本問題涉及需要進(jìn)行的分析數(shù)量，以及應(yīng)如何選擇晶粒進(jìn)行分析。

進(jìn)行可靠的物源研究所需的分析次數(shù)取決于所存在的不同年齡組的數(shù)目和比例，晶體是否受到鉛損失的影響，所用分析方法的精度以及達(dá)到該水平所需的置信度特定結(jié)論或檢驗特定假設(shè)。如上所述，由于諸如Pb 損失的復(fù)雜性，通常不是這種情況。如果通過年齡集來衡量，則必須進(jìn)行大量分析，以證明所有年齡集均已被識別。對于大多數(shù)物源研究，一種合理的方法是進(jìn)行100次分析，使用不一致過濾器，使得“較舊”分析數(shù)量不會太少，并且分析解釋數(shù)據(jù)時側(cè)重于年齡集。但是，這種方法的缺點是不能確定一組碎屑鋯石中的次要成分。

3 碎屑鋯石年代學(xué)發(fā)展趨勢

3.1 提高精度，精度，效率和空間分辨率

如何更有效地測定U-Pb 年齡，增大其空間分辨率以及提高其精度和準(zhǔn)確性，是碎屑鋯石年代學(xué)發(fā)展的重要趨勢。對于SIMS 和LAICPMS，將精度和準(zhǔn)確度提高到1%～2%以上會更好地評估不一致性和年齡集，這將在很大程度上提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。在通過原位分析對鋯石進(jìn)行分析之前，可以通過對鋯石進(jìn)行化學(xué)磨蝕來實現(xiàn)這種精度的提升。提高這些技術(shù)的空間分辨率和效率，并可能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有可能實現(xiàn)對每個顆粒進(jìn)行常規(guī)分析，這將提供用于鑒定經(jīng)歷了鉛損失或具有多個年齡域的晶粒的工具。盡管目前存在此類復(fù)雜性，但這些數(shù)據(jù)的完整表征可以為確定物源和研究源地歷史提供非常強(qiáng)大的工具。

3.2 建立碎屑鋯石數(shù)據(jù)庫

全球數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其中地質(zhì)年代學(xué)數(shù)據(jù)可以使用完善的數(shù)據(jù)庫詢問方法進(jìn)行分析，然后與所有可用的地質(zhì)，地球化學(xué)，地層學(xué)和古生物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。目前，正在努力建立這樣的數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)論

U-Pb 地質(zhì)年代學(xué)方法的開發(fā)為地質(zhì)學(xué)家提供了用于研究沉積巖物源、年齡強(qiáng)大的新工具。鑒于碎屑鋯石在陸地都很常見；傾向于在風(fēng)化，運(yùn)輸和成巖作用的多個周期中存在；并通常具有穩(wěn)定的結(jié)晶和冷卻年齡。盡管有這些優(yōu)勢，碎屑鋯石數(shù)據(jù)采集，解釋，表征等許多方面仍存在許多問題。因此，對于對碎屑鋯石數(shù)據(jù)感興趣的研究人員需要充分參與處理樣品，獲取U-Pb 數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù)（尤其是復(fù)雜的數(shù)據(jù)） 以及評估年齡的重要性至關(guān)重要。只有全面了解分析過程中的每個步驟，研究人員才能充分理解其數(shù)據(jù)的優(yōu)勢和局限性。同時，用生成U-Pb 數(shù)據(jù)的實驗室的研究人員需要繼續(xù)致力于開發(fā)更強(qiáng)大的工具用以評估，呈現(xiàn)，比較和整合數(shù)據(jù)，以及收集和整合互補(bǔ)地球化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息的新方法。通過這些共同的努力，碎屑鋯石年代學(xué)將從一種很有前途的新技術(shù)發(fā)展成為一種探索沉積巖物源、年齡的基本工具。