碎屑锆石U-Pb 年龄学的方法和发展趋势

曹秦智

（西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065）

在过去20 年来，碎屑锆石地质年代学一直在迅速发展，从一个明显具有局限性的应用技术到如今地质学家不可忽视的探索物源的研究方法。锆石最早是作为一种稳定且广泛存在的重矿物而引起了人们的重视，很早就被用于反演沉积岩的成分及其源区的演化历史。锆石的U-Pb 同位素体系具有极高的封闭温度和稳定性，可以经历多次沉积旋回而保留下来，因此沉积岩中的碎屑锆石U-Pb 年龄反映了其物源区岩石的年龄组成，又由于锆石U-Pb 年龄可以精确测定，碎屑锆石年代学逐渐成为沉积物源研究非常有效的手段之一。近年来，随着同位素稀释-热电离质谱（ID-TIMS）、二次离子质谱（SIMS） 和激光剥蚀等离子质谱（LA-ICPMS） 等高精度原位微区分析手段的发展和完善，使得人们可以快速获取大量的碎屑锆石U-Pb 年龄数据，碎屑锆石年代学成为了长期以来广泛使用的研究方法和手段，在诸多研究领域发挥出其独特的优势。本文将主要从以下几个方面综述碎屑锆石年代学在地质学研究中的应用及发展：1） 用于碎屑锆石研究的最佳仪器；2） 碎屑锆石实验分析方法；3） 碎屑锆石年代学发展趋势[1-3]。

1 碎屑锆石研究的最佳仪器

常规使用用来确定碎屑锆石的U-Pb 年龄的仪器有三种。以下是每种类型仪器使用的分析方法的简要概述，以及对用于进行碎屑锆石的UPb 分析的优缺点的评估。

1.1 同位素稀释- 热电离质谱（ID-TIMS）

ID-TIMS 分析需要溶解完整晶体，添加同位素示踪剂（通常为205 Pb 和233 U），U 和Pb 的化学分离以及利用TIMS 分析的化学溶解和分离相当耗时，并且需要在超清洁环境中进行，以减少污染物Pb 和U，以此来保证非常纯的分析物。因此，由ID-TIMS 确定的U-Pb 年龄具有最佳的精度和准确性，一般在0.1%（2σ），对于需要高精度分辨率的应用来说是非常重要的。然而，在大多数情况下，这种高精度对于碎屑锆石研究是不必要的，国内目前也并不具备如此高条件的实验室。

1.2 二次离子质谱（SIMS）

SIMS 分析通常在在环氧树脂中晶体抛光表面与“标样”一起进行，“标样”是具有已知年龄并且是奥陶系组成的相同矿物的晶体。分析环境是在低温和高真空下进行的，所以Pb 和U 的背景值很低，分析可以在非常小的表面上进行，这提供了确定晶体微观上的U-Pb 年龄的可能，典型剥蚀坑的直径为10～30μm，深度为1μm 的凹坑。由于不可能添加同位素示踪剂，通过标准样品来校正U-Pb 年龄。该方法产生精度为1%～2% （2σ）。通过对U-Pb 同位素的分析进行同位素测量，一般需要的分析时间为15min 对于需要高空间分辨率（尤其是在深度方向） 的研究（例如分析复杂的锆石晶体），该技术是理想的选择。离子探针在确定U-Pb 年龄的同时还能分析其他元素，因此现在也可以表征Ti 和Zr 浓度的稀土矿物和氧同位素。

1.3 激光剥蚀等离子质谱（LA-ICPMS）

LA-ICPMS 方法与SIMS 类似，二者均不需要添加同位素，年龄通过“标样”来确定，均在一个抛光晶体表面进行，精度同样为1%～2%（2σ）。LA-ICPMS 的优势在于分析时间可能更短，只需2min，并且由于某些仪器具有足够的分散器和足够的收集器以能够同时测量U 和Pb，因此更加便利。但是，缺点是等离子体电离涉及大气压和高温下的高流速的氩气，所有这些都会导致Pb 和Hg 的高背景计数（干扰204 Pb）。要想获得高质量的信号，测试中需要快速的消融速率，并且在大多数情况下需要消耗大量的样品（剥蚀坑的直径通常为30μm，深度为10～20μm）。这种更快的消融速率使得LA-ICPMS 的分析非常高效，典型的分析时间为几分钟。

2 碎屑锆石实验分析方法

碎屑锆石研究中经常出现的两个基本问题涉及需要进行的分析数量，以及应如何选择晶粒进行分析。

进行可靠的物源研究所需的分析次数取决于所存在的不同年龄组的数目和比例，晶体是否受到铅损失的影响，所用分析方法的精度以及达到该水平所需的置信度特定结论或检验特定假设。如上所述，由于诸如Pb 损失的复杂性，通常不是这种情况。如果通过年龄集来衡量，则必须进行大量分析，以证明所有年龄集均已被识别。对于大多数物源研究，一种合理的方法是进行100次分析，使用不一致过滤器，使得“较旧”分析数量不会太少，并且分析解释数据时侧重于年龄集。但是，这种方法的缺点是不能确定一组碎屑锆石中的次要成分。

3 碎屑锆石年代学发展趋势

3.1 提高精度，精度，效率和空间分辨率

如何更有效地测定U-Pb 年龄，增大其空间分辨率以及提高其精度和准确性，是碎屑锆石年代学发展的重要趋势。对于SIMS 和LAICPMS，将精度和准确度提高到1%～2%以上会更好地评估不一致性和年龄集，这将在很大程度上提高数据质量。在通过原位分析对锆石进行分析之前，可以通过对锆石进行化学磨蚀来实现这种精度的提升。提高这些技术的空间分辨率和效率，并可能自动进行数据采集，有可能实现对每个颗粒进行常规分析，这将提供用于鉴定经历了铅损失或具有多个年龄域的晶粒的工具。尽管目前存在此类复杂性，但这些数据的完整表征可以为确定物源和研究源地历史提供非常强大的工具。

3.2 建立碎屑锆石数据库

全球数据库系统，其中地质年代学数据可以使用完善的数据库询问方法进行分析，然后与所有可用的地质，地球化学，地层学和古生物学数据进行整合。目前，正在努力建立这样的数据库。

4 结论

U-Pb 地质年代学方法的开发为地质学家提供了用于研究沉积岩物源、年龄强大的新工具。鉴于碎屑锆石在陆地都很常见；倾向于在风化，运输和成岩作用的多个周期中存在；并通常具有稳定的结晶和冷却年龄。尽管有这些优势，碎屑锆石数据采集，解释，表征等许多方面仍存在许多问题。因此，对于对碎屑锆石数据感兴趣的研究人员需要充分参与处理样品，获取U-Pb 数据，解释数据（尤其是复杂的数据） 以及评估年龄的重要性至关重要。只有全面了解分析过程中的每个步骤，研究人员才能充分理解其数据的优势和局限性。同时，用生成U-Pb 数据的实验室的研究人员需要继续致力于开发更强大的工具用以评估，呈现，比较和整合数据，以及收集和整合互补地球化学和结构信息的新方法。通过这些共同的努力，碎屑锆石年代学将从一种很有前途的新技术发展成为一种探索沉积岩物源、年龄的基本工具。