碎屑鋯石U-Pb 年齡學的方法和發展趨勢

曹秦智

（西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065）

在過去20 年來，碎屑鋯石地質年代學一直在迅速發展，從一個明顯具有局限性的應用技術到如今地質學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定性，可以經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-熱電離質譜（ID-TIMS）、二次離子質譜（SIMS） 和激光剝蝕等離子質譜（LA-ICPMS） 等高精度原位微區分析手段的發展和完善，使得人們可以快速獲取大量的碎屑鋯石U-Pb 年齡數據，碎屑鋯石年代學成為了長期以來廣泛使用的研究方法和手段，在諸多研究領域發揮出其獨特的優勢。本文將主要從以下幾個方面綜述碎屑鋯石年代學在地質學研究中的應用及發展：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） 碎屑鋯石年代學發展趨勢[1-3]。

1 碎屑鋯石研究的最佳儀器

常規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，以及對用于進行碎屑鋯石的UPb 分析的優缺點的評估。

1.1 同位素稀釋- 熱電離質譜（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 的化學分離以及利用TIMS 分析的化學溶解和分離相當耗時，并且需要在超清潔環境中進行，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確性，一般在0.1%（2σ），對于需要高精度分辨率的應用來說是非常重要的。然而，在大多數情況下，這種高精度對于碎屑鋯石研究是不必要的，國內目前也并不具備如此高條件的實驗室。

1.2 二次離子質譜（SIMS）

SIMS 分析通常在在環氧樹脂中晶體拋光表面與“標樣”一起進行，“標樣”是具有已知年齡并且是奧陶系組成的相同礦物的晶體。分析環境是在低溫和高真空下進行的，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，通過標準樣品來校正U-Pb 年齡。該方法產生精度為1%～2% （2σ）。通過對U-Pb 同位素的分析進行同位素測量，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（例如分析復雜的鋯石晶體），該技術是理想的選擇。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“標樣”來確定，均在一個拋光晶體表面進行，精度同樣為1%～2%（2σ）。LA-ICPMS 的優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，所有這些都會導致Pb 和Hg 的高背景計數（干擾204 Pb）。要想獲得高質量的信號，測試中需要快速的消融速率，并且在大多數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

碎屑鋯石研究中經常出現的兩個基本問題涉及需要進行的分析數量，以及應如何選擇晶粒進行分析。

進行可靠的物源研究所需的分析次數取決于所存在的不同年齡組的數目和比例，晶體是否受到鉛損失的影響，所用分析方法的精度以及達到該水平所需的置信度特定結論或檢驗特定假設。如上所述，由于諸如Pb 損失的復雜性，通常不是這種情況。如果通過年齡集來衡量，則必須進行大量分析，以證明所有年齡集均已被識別。對于大多數物源研究，一種合理的方法是進行100次分析，使用不一致過濾器，使得“較舊”分析數量不會太少，并且分析解釋數據時側重于年齡集。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 碎屑鋯石年代學發展趨勢

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確性，是碎屑鋯石年代學發展的重要趨勢。對于SIMS 和LAICPMS，將精度和準確度提高到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據質量。在通過原位分析對鋯石進行分析之前，可以通過對鋯石進行化學磨蝕來實現這種精度的提升。提高這些技術的空間分辨率和效率，并可能自動進行數據采集，有可能實現對每個顆粒進行常規分析，這將提供用于鑒定經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雜性，但這些數據的完整表征可以為確定物源和研究源地歷史提供非常強大的工具。

3.2 建立碎屑鋯石數據庫

全球數據庫系統，其中地質年代學數據可以使用完善的數據庫詢問方法進行分析，然后與所有可用的地質，地球化學，地層學和古生物學數據進行整合。目前，正在努力建立這樣的數據庫。

4 結論

U-Pb 地質年代學方法的開發為地質學家提供了用于研究沉積巖物源、年齡強大的新工具。鑒于碎屑鋯石在陸地都很常見；傾向于在風化，運輸和成巖作用的多個周期中存在；并通常具有穩定的結晶和冷卻年齡。盡管有這些優勢，碎屑鋯石數據采集，解釋，表征等許多方面仍存在許多問題。因此，對于對碎屑鋯石數據感興趣的研究人員需要充分參與處理樣品，獲取U-Pb 數據，解釋數據（尤其是復雜的數據） 以及評估年齡的重要性至關重要。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據的優勢和局限性。同時，用生成U-Pb 數據的實驗室的研究人員需要繼續致力于開發更強大的工具用以評估，呈現，比較和整合數據，以及收集和整合互補地球化學和結構信息的新方法。通過這些共同的努力，碎屑鋯石年代學將從一種很有前途的新技術發展成為一種探索沉積巖物源、年齡的基本工具。